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SADP vs SAQP vs LELE : division du pas en multi-patterning, sensibilité à l’overlay et nombre de masques

Le multi-patterning forme des motifs dont le pas est trop fin pour être résolu en une seule exposition, en les répartissant sur plusieurs expositions ou étapes de procédé. Le LELE répartit le dessin sur deux masques et répète deux fois exposition et gravure, de sorte que les lignes s’intercalent. Le SADP forme des espaceurs sur les flancs de lignes centrales (mandrins), puis retire les mandrins : chaque mandrin donne deux lignes et le pas est divisé par deux. Le SAQP répète deux fois le procédé d’espaceurs pour diviser le pas par quatre. Le LELE offre plus de liberté de dessin mais exige un overlay très précis entre ses deux expositions ; le SADP et le SAQP positionnent les lignes par auto-alignement, mais produisent des réseaux de lignes réguliers et nécessitent des masques de coupe pour retirer les parties inutiles.

CritèreSADPSAQPLELE
Division du pas1/2 (deux lignes par mandrin)1/4 (le procédé d’espaceurs est effectué deux fois)1/2 (1/3 avec trois masques, LELELE)
Pas typiquement accessible (en immersion ArF)La moitié de la limite d’environ 80 nm d’une seule exposition, soit environ 40 nmJusqu’à un peu plus de 20 nmEnviron 40 nm en principe ; en pratique limité par l’overlay
Ce qui fixe la position des lignesPosition du mandrin et épaisseur du film d’espaceur (auto-aligné)Position du mandrin et épaisseur des deux films d’espaceur (auto-aligné)La position de chacune des deux expositions ; la seconde est superposée à la première
Sensibilité à l’overlayLes positions relatives des lignes ne dépendent pas de l’overlay ; les masques de coupe doivent toutefois être alignés sur les lignesComme pour le SADP, les lignes ne sont pas affectées ; l’alignement des masques de coupe et de blocage est encore plus serréTrès sensible : tout décalage de la seconde exposition modifie directement l’espacement avec la ligne voisine
Variation de largeur de ligne et d’espacementLa largeur de ligne est fixée par l’épaisseur du film et reste uniforme ; si la largeur du mandrin s’écarte de sa cible, les espacements alternés deviennent inégaux (pitch walking)Davantage de dimensions interviennent (largeur du mandrin et deux épaisseurs de film) : le pitch walking est plus difficile à maîtriserLes largeurs de ligne des deux expositions varient indépendamment, et les espacements changent avec l’erreur d’overlay
Masques (formant les lignes)Un masque de mandrins plus des masques de coupe ou de blocageUn masque de mandrins plus des masques de coupe ou de blocage (généralement plus qu’en SADP)Deux (trois en LELELE)
Principales étapes du procédéExposition → gravure des mandrins → dépôt des espaceurs (ALD, etc.) → gravure de retrait → retrait des mandrins → transfert dans la couche sous-jacente → coupeÉtapes du SADP plus un second dépôt d’espaceurs, une gravure de retrait et un retrait des mandrinsExposition → gravure → exposition → gravure (transfert successif dans un masque dur ou équivalent)
Liberté de dessinFaible : en principe des lignes régulières dans une seule direction, dont les parties inutiles sont retirées par des coupesEncore plus faible qu’en SADP : limitée à des réseaux presque uniformesÉlevée : accepte des formes 2D, mais les dispositions impossibles à répartir en deux couleurs (comme trois motifs mutuellement proches) sont interdites
Usages typiquesAilettes, grilles, lignes métalliques et lignes fines des mémoiresLes ailettes les plus fines, les couches métalliques les plus denses et les lignes des mémoiresContacts, vias et couches métalliques de formes complexes

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

SADP
Quand il faut des lignes régulières dans une seule direction, au demi-pas et de largeur uniforme. Des lignes denses peuvent être réalisées sans se soucier de l’overlay entre elles.
SAQP
Quand même le SADP ne suffit pas et qu’il faut le pas de ligne le plus fin. C’est la technique qui compte le plus d’étapes et coûte le plus cher, mais elle atteint des pas d’un peu plus de 20 nm même en immersion ArF.
LELE
Quand il faut répartir sur plusieurs expositions des motifs 2D qui ne sont pas des lignes régulières, comme les contacts et les vias. L’overlay doit être maîtrisé très étroitement.
Lien avec l’EUV
La lithographie EUV a ramené de nombreuses couches à une seule exposition et réduit les étapes de multi-patterning. Aux pas les plus fins, l’EUV est encore parfois combinée à des techniques d’espaceurs.

Questions fréquentes

Pourquoi le SADP résiste-t-il bien aux erreurs d’overlay ?

Parce que chaque paire de lignes provient d’espaceurs formés sur les deux flancs d’un même mandrin. Leurs positions sont fixées par la position du mandrin et l’épaisseur de l’espaceur, sans seconde exposition à aligner. En LELE, tout décalage de la seconde exposition modifie directement l’espacement avec la ligne voisine.

Qu’est-ce que le pitch walking ?

C’est le phénomène par lequel les espacements alternés deviennent inégaux dans le patterning par espaceurs. L’espacement laissé à l’emplacement d’un mandrin retiré est fixé par la largeur du mandrin, tandis que l’espacement entre mandrins voisins dépend du pas des mandrins, de leur largeur et de l’épaisseur de l’espaceur : si la largeur du mandrin manque sa cible, les deux types d’espacement diffèrent. En SAQP, davantage de dimensions interviennent, ce qui le rend encore plus difficile à maîtriser.

Pourquoi faut-il des masques de coupe ?

En SADP et en SAQP, les espaceurs entourent les extrémités des mandrins et forment des boucles, si bien qu’il ne reste qu’un réseau régulier de lignes. Pour obtenir les formes dont un circuit a besoin, les extrémités de lignes et les parties inutiles sont coupées ou bloquées avec un autre masque. Ce masque est positionné par rapport aux lignes et exige donc un bon overlay.

Quelles dispositions ne peuvent pas être réparties en deux couleurs en LELE ?

Celles qui forment une boucle impaire, comme trois motifs dont chacun est trop proche des deux autres pour une seule exposition. Quelle que soit leur répartition sur deux masques, deux motifs trop proches se retrouvent sur le même masque. Les outils de conception signalent ces dispositions comme des erreurs à corriger.

Vérifier vos connaissances

Quelle description du double patterning (multipatterning) est correcte ?

  1. AExposer simultanément deux wafers
  2. BFormer des motifs à pas trop fin pour être résolus en une seule exposition en répartissant le travail sur plusieurs expositions ou étapes d'usinage
  3. CDoubler la résolution en enduisant simplement deux couches de résine
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Réponse : B. Former des motifs à pas trop fin pour être résolus en une seule exposition en répartissant le travail sur plusieurs expositions ou étapes d'usinage

Le double patterning forme des motifs à pas trop fin pour une seule exposition, soit en les divisant en deux motifs décimés exposés et gravés séparément (LELE), soit en doublant les lignes grâce à des espaceurs déposés sur les flancs (SADP, SAQP). Il a permis de poursuivre la miniaturisation au-delà de la limite de l'ArF à immersion (pas d'environ 80 nm) jusqu'à des pas de l'ordre de 20 nm, mais le nombre d'étapes, de masques et le coût augmentent fortement, ce qui a motivé l'introduction de la lithographie EUV.

Dans le double patterning de type LELE (litho-etch-litho-etch), quelle exigence est particulièrement stricte ?

  1. ALa couleur de la résine
  2. BLe nombre d'équipements de lithographie
  3. CLa précision de superposition entre le premier et le second motif
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Réponse : C. La précision de superposition entre le premier et le second motif

En LELE, les motifs fins étant divisés en deux et exposés et gravés séparément, un décalage du second motif par rapport au premier modifie d'autant l'espacement entre lignes voisines, ce qui affecte directement la capacité des interconnexions et les courts-circuits. Par exemple, un décalage de 2 nm pour un espacement de 20 nm représente une variation de 10 %. Une précision de superposition très élevée est donc nécessaire. En SADP, qui utilise des espaceurs, la position des lignes est déterminée de façon auto-alignée, ce qui atténue ce problème.

Quelle technique, utilisée pour réaliser les ailettes fines des FinFET, exploite des espaceurs latéraux pour obtenir des motifs plus fins que la limite de la lithographie ?

  1. ASADP/SAQP (double/quadruple structuration auto-alignée)
  2. BOPC
  3. CCMP
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Réponse : A. SADP/SAQP (double/quadruple structuration auto-alignée)

En SADP, un film uniforme est déposé par ALD ou analogue sur les flancs d'un motif servant de mandrin pour former des espaceurs, puis le mandrin est retiré, ce qui donne des traits de densité double. La SAQP répète l'opération deux fois pour quadrupler la densité. La largeur des traits étant déterminée par l'épaisseur du film et non par l'exposition, la dispersion est faible, et l'on obtient des ailettes et interconnexions plus fines que la limite de la lithographie ArF à immersion (pas d'environ 80 nm). Même avec l'EUV, elle est combinée pour les pas les plus fins.

  1. Pour un layout prévu pour le double patterning, quelle répartition des motifs l'outil de conception effectue-t-il ?
  2. D'après la formule de résolution R = k1 × λ / NA, quelle méthode permet d'améliorer la résolution (réduire R) ?

Questions d'entraînement sur Lithographie

Termes clés expliqués

Multi-patterning
Technique qui forme des motifs à pas trop fin pour une seule exposition en répartissant le travail sur plusieurs expositions ou étapes de gravure. En deux fois, on parle de double patterning.
SADP (double patterning auto-aligné)
Technique qui forme des films (espaceurs) sur les flancs d'un motif central, retire ce dernier et utilise les espaceurs comme masque pour obtenir un pas égal à la moitié de la limite lithographique. Répétée deux fois, c'est la SAQP.
Overlay (précision de superposition)
Précision avec laquelle un nouveau motif est positionné par rapport au motif formé à l'étape précédente. Un décalage provoque des défauts comme des contacts manqués ; il est contrôlé à l'échelle du nanomètre.
ALD
Dépôt de couches atomiques (Atomic Layer Deposition). Méthode de dépôt qui répète des réactions de surface autolimitées de gaz précurseurs pour contrôler l'épaisseur couche atomique par couche atomique.
Masque dur
Masque rigide en nitrure, carbone, métal, etc. utilisé lorsque la résine seule ne tient pas, par exemple pour graver des trous profonds.
Lithographie à immersion
Exposition réalisée en remplissant d'eau l'espace entre la lentille et la plaquette. L'ouverture numérique peut dépasser 1, ce qui permet des motifs plus fins avec un laser excimère ArF.
Lithographie EUV
Technique de lithographie utilisant l'ultraviolet extrême de longueur d'onde 13,5 nm. Elle emploie une optique réflective et un environnement sous vide.

Comparatifs associés