Pour augmenter la vitesse de traitement et réduire la consommation d'énergie des appareils électroniques, l'industrie de la microélectronique continue de pousser pour des tailles de fonctionnalités de plus en plus petites. Les transistors des téléphones portables d'aujourd'hui mesurent généralement 10 nanomètres (nm) de diamètre, soit l'équivalent d'environ 50 atomes de silicium de large, voire moins. La réduction de l'échelle des transistors en dessous de ces dimensions avec une plus grande précision nécessite des matériaux avancés pour la lithographie, la principale technique d'impression d'éléments de circuits électriques sur des plaquettes de silicium pour fabriquer des puces électroniques. L'un des défis consiste à développer de solides « résist, " ou des matériaux qui sont utilisés comme modèles pour transférer des motifs de circuits dans des substrats utiles pour les appareils tels que le silicium.

Maintenant, des scientifiques du Center for Functional Nanomaterials (CFN) - une installation d'utilisateurs du département américain de l'énergie (DOE) du bureau des sciences du laboratoire national de Brookhaven - ont utilisé la technique récemment développée de synthèse par infiltration pour créer des résistances qui combinent le polymère organique poly(méthacrylate de méthyle ), ou PMMA, avec de l'oxyde d'aluminium inorganique. En raison de son faible coût et de sa haute résolution, Le PMMA est la résine la plus utilisée en lithographie par faisceau d'électrons (EBL), une sorte de lithographie dans laquelle des électrons sont utilisés pour créer le modèle de motif. Cependant, aux épaisseurs de réserve qui sont nécessaires pour générer les tailles de caractéristiques ultra-petites, les motifs commencent généralement à se dégrader lorsqu'ils sont gravés dans du silicium, ne pas produire le rapport hauteur/largeur requis (hauteur/largeur).

Comme indiqué dans un article publié en ligne le 8 juillet dans le Journal de la chimie des matériaux C , ces réserves organiques-inorganiques « hybrides » présentent un contraste lithographique élevé et permettent la structuration de nanostructures de silicium à haute résolution avec un rapport d'aspect élevé. En modifiant la quantité d'oxyde d'aluminium (ou d'un élément inorganique différent) infiltré dans le PMMA, les scientifiques peuvent régler ces paramètres pour des applications particulières. Par exemple, les dispositifs de mémoire de nouvelle génération tels que les lecteurs flash seront basés sur une structure d'empilement en trois dimensions pour augmenter la densité de la mémoire, donc un rapport hauteur/largeur extrêmement élevé est souhaitable; d'autre part, une très haute résolution est la caractéristique la plus importante pour les futures puces de processeur.

"Au lieu d'emprunter une voie de synthèse entièrement nouvelle, nous avons utilisé une résistance existante, un oxyde métallique bon marché, et équipements communs trouvés dans presque toutes les installations de nanofabrication, " a déclaré le premier auteur Nikhil Tiwale, chercheur associé postdoctoral au sein du groupe CFN sur les nanomatériaux électroniques.

Bien que d'autres réserves hybrides aient été proposées, la plupart d'entre eux nécessitent de fortes doses d'électrons (intensités), impliquent des méthodes de synthèse chimique complexes, ou avoir des compositions exclusives coûteuses. Ainsi, ces résists ne sont pas optimaux pour le haut débit, fabrication à grande échelle d'électronique de nouvelle génération.

Nanolithographie avancée pour la fabrication en grand volume

Classiquement, l'industrie de la microélectronique s'est appuyée sur la lithographie optique, dont la résolution est limitée par la longueur d'onde de la lumière à laquelle le résist est exposé. Cependant, L'EBL et d'autres techniques de nanolithographie telles que la lithographie ultraviolette extrême (EUVL) peuvent repousser cette limite en raison de la très petite longueur d'onde des électrons et de la lumière ultraviolette à haute énergie. La principale différence entre les deux techniques est le processus d'exposition.

« En EBL, vous devez écrire toute la zone dont vous avez besoin pour exposer ligne par ligne, un peu comme faire un croquis avec un crayon, " dit Tiwale. " Par contraste, en EUVL, vous pouvez exposer toute la zone en un seul coup, semblable à prendre une photo. De ce point de vue, EBL est idéal à des fins de recherche, et EUVL est mieux adapté à la fabrication de gros volumes. Nous pensons que l'approche que nous avons démontrée pour EBL peut être directement appliquée à EUVL, que des entreprises, dont Samsung, ont récemment commencé à utiliser pour développer des processus de fabrication pour leur nœud technologique 7 nm. »

Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé un système de dépôt de couche atomique (ALD) - un équipement standard de nanofabrication pour déposer des films ultrafins sur des surfaces - pour combiner le PMMA et l'oxyde d'aluminium. Après avoir placé un substrat recouvert d'un film mince de PMMA dans la chambre de réaction ALD, ils ont introduit une vapeur d'un précurseur d'aluminium qui a diffusé à travers de minuscules pores moléculaires à l'intérieur de la matrice de PMMA pour se lier aux espèces chimiques à l'intérieur des chaînes polymères. Puis, ils ont introduit un autre précurseur (comme l'eau) qui a réagi avec le premier précurseur pour former de l'oxyde d'aluminium à l'intérieur de la matrice de PMMA. Ces étapes constituent ensemble un cycle de traitement.

L'équipe a ensuite effectué l'EBL avec des résines hybrides ayant jusqu'à huit cycles de traitement. Pour caractériser le contraste des résists sous différentes doses d'électrons, les scientifiques ont mesuré le changement d'épaisseur de résine dans les zones exposées. Cartes de hauteur de surface générées avec un microscope à force atomique (un microscope avec une pointe atomiquement pointue pour suivre la topographie d'une surface) et des mesures optiques obtenues par ellipsométrie (une technique pour déterminer l'épaisseur du film basée sur le changement de polarisation de la lumière réfléchie par un surface) a révélé que l'épaisseur change progressivement avec un faible nombre de cycles de traitement mais rapidement avec des cycles supplémentaires, c'est-à-dire une teneur plus élevée en oxyde d'aluminium.

"Le contraste fait référence à la vitesse à laquelle le résist change après avoir été exposé au faisceau d'électrons, " expliqua Chang-Yong Nam, un scientifique des matériaux au sein du CFN Electronic Nanomaterials Group, qui a supervisé le projet et conçu l'idée en collaboration avec Jiyoung Kim, professeur au Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université du Texas à Dallas. "Le changement brusque de la hauteur des régions exposées suggère une augmentation du contraste de la réserve pour un nombre plus élevé de cycles d'infiltration, presque six fois plus élevé que celui de la réserve PMMA d'origine."

Les scientifiques ont également utilisé les résines hybrides pour tracer des lignes droites périodiques et des "coudes" (lignes sécantes) dans des substrats de silicium, et comparé le taux de gravure des résists avec des substrats.

"Vous voulez que le silicium soit gravé plus rapidement que le résist, sinon le résist commence à se dégrader, " a déclaré Nam. "Nous avons constaté que la sélectivité de gravure de notre réserve hybride est supérieure à celle des réserves exclusives coûteuses (par exemple, ZEP) et des techniques qui utilisent une couche de masque intermédiaire « dure » ​​telle que le dioxyde de silicium pour empêcher la dégradation du motif, mais qui nécessitent des étapes de traitement supplémentaires."

Aller de l'avant, l'équipe étudiera comment les résistances hybrides réagissent à l'exposition aux EUV. Ils ont déjà commencé à utiliser des rayons X mous (gamme d'énergie correspondant à la longueur d'onde de la lumière EUV) à Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), et espèrent utiliser une ligne de lumière EUV dédiée exploitée par le Center for X-ray Optics de la source lumineuse avancée (ALS) du Lawrence Berkeley National Lab en collaboration avec des partenaires industriels.

"L'absorption d'énergie par la couche organique des résines EUVL est très faible, " dit Nam. " En ajoutant des éléments inorganiques, comme l'étain ou le zirconium, peut les rendre plus sensibles à la lumière EUV. Nous sommes impatients d'explorer comment notre approche peut répondre aux exigences de performance de résistance d'EUVL."