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Miniaturisation des transistors et agrandissement des wafers : comprendre les enjeux technologiques

1 : Introduction 2 : Finesse de gravure : signification et pertinence 3 : La pertinence du processus de fabrication 4 : Les limites des finesses définies par l’ITRS 5 : Miniaturisation et défis électriques 6 : Les règles de Dennard 7 : Solutions architecturales aux défis électriques 9 : Le double motif, un passage obligé 10 : Miniaturisation et défis technologiques à venir 11 : Défis lithographiques à venir 12 : Diamètre et rendement des wafers 13 : Défis économiques du 450 mm 14 : Défis industriels du 450 mm

Miniaturisation et défis lithographiques

La miniaturisation des procédés de fabrication passe aussi par l’amélioration de la précision des méthodes photolithographiques employées. Avec le passage au 180 nm, les fondeurs ont introduit un laser à fluorure d’argon d’une longueur d’onde de 193 nm. Pour simplifier, le laser traverse une optique afin d’imprimer un motif sur une couche photosensible, ce qui va « graver » à la finesse désirée. Avant cela, les fondeurs utilisaient un laser à fluorure de krypton d’une longueur d’onde de 248 nm.

Comprendre l’importance de la longueur d’onde

Les lois optiques nous apprennent que la finesse de gravure (W) est dépendante de la longueur d’onde du laser (λ) et l’ouverture numérique de l’optique qu’il va traverser (NA), selon la formule :Image 1 : Miniaturisation des transistors et agrandissement des wafers : comprendre les enjeux technologiques(équation que l’on appelle aussi critère de Rayleigh)



k₁ est un facteur complexe qui dépend de plusieurs variables comme la qualité de la couche photorésistante du wafer et les techniques d’amélioration de la résolution ainsi que la cuisson. Pour des raisons pragmatiques, les scientifiques estiment qu’en lithographie simple, la plus petite valeur pour k₁ est environ de 0,25 et les équipementiers utilisent souvent 0,30 comme référence. 


Du temps de la photolithographie classique dite aussi sèche, la meilleure ouverture numérique possible était 0,93. En appliquant la formule, on peut voir que la plus grande finesse possible (plus le chiffre est petit, plus la finesse est grande, car plus on grave fin) avec un laser d’une longueur d’onde de 193 nm est de 52 nm.Image 2 : Miniaturisation des transistors et agrandissement des wafers : comprendre les enjeux technologiquesAu-delà, les motifs imprimés sur le wafer sont imprécis et la puce est inutilisable. Lorsque nous sommes arrivés au 45 nm, les fabricants se sont donc retrouvés devant un mur, puisqu’il n’y avait aucune technologie viable pour remplacer le laser à fluorure d’argon. Il fallait donc absolument améliorer l’ouverture numérique. C’est à ce moment-là qu’entre en jeu la lithographie par immersion. Ce procédé technologique consiste grossièrement à plonger le wafer dans de l’eau extrêmement pure qui va jouer le rôle de loupe et permettre une finesse de gravure plus importante.



Mathématiquement, l’ouverture numérique est égale à l’indice de réfraction du milieu d’observation (n) multiplié par le sinus du demi-angle de cône de lumière pouvant entrer et sortir de la lentille (ø)


Image 3 : Miniaturisation des transistors et agrandissement des wafers : comprendre les enjeux technologiques

Image 4 : Miniaturisation des transistors et agrandissement des wafers : comprendre les enjeux technologiquesLithographie par immersion

En lithographie sèche, le milieu d’observation est l’air qui a un indice de réfraction de 1. Ainsi, l’ouverture numérique précédemment utilisée de 0,93 est en fait égal à 1 x sin(69). Néanmoins, en plongeant le wafer dans de l’eau très pure, on change l’environnement et ipso facto l’indice de réfraction qui passe alors à 1,44. En changeant ce paramètre, les équipementiers ont pu fabriquer des scanners disposant d’une ouverture numérique de 1,30 (1.44 x 0.90) et la plus grande finesse de gravure possible est donc devenue le 44,5 nm, autrement dit, le 45 nm.



On comprend donc pourquoi la très grande majorité des fondeurs ont adopté la lithographie par immersion à partir du 45 nm. Intel a néanmoins délaissé ce procédé pour continuer à utiliser une photolithographie sèche, la firme de Santa Clara n’ayant fait appel à l’immersion qu’à partir de son 32 nm. Elle a fait ce choix technologique afin d’éviter d’avoir à gérer les rendements difficiles de ce procédé lithographique encore jeune à l’époque où elle a démarré la fabrication en masse de ses processeurs en 45 nm.



Image 5 : Miniaturisation des transistors et agrandissement des wafers : comprendre les enjeux technologiquesLa firme a donc fait appel au double motif (double patterning), une technologie qui est utilisée par tous les fondeurs pour graver en 32 nm et plus, car la plus grande ouverture numérique disponible aujourd’hui est de 1,35, ce qui signifie que la plus grande finesse de gravure est le 36 nm. Le double motif est donc la solution que les fondeurs ont trouvés pour dépasser cette limite.


Avant de nous lancer dans une description du double motif, nous tenons à préciser que de plus en plus de fondeurs combinent diverses méthodes lithographiques, les couches les plus critiques utilisant des procédés plus développés, mais aussi plus couteux, tandis que les couches moins complexes utilisent des méthodes plus anciennes et moins chères. Par exemple, Intel n’a pas hésité à revenir à une lithographie sèche avec un laser d’une longueur d’onde de 248 nm pour graver certains aspects des prototypes en 32 nm. Il ne faut donc pas automatiquement penser qu’un die utilise toujours une seule méthode lithographique.

Sommaire :

  1. Introduction
  2. Finesse de gravure : signification et pertinence
  3. La pertinence du processus de fabrication
  4. Les limites des finesses définies par l’ITRS
  5. Miniaturisation et défis électriques
  6. Les règles de Dennard
  7. Solutions architecturales aux défis électriques
  8. Miniaturisation et défis lithographiques
  9. Le double motif, un passage obligé
  10. Miniaturisation et défis technologiques à venir
  11. Défis lithographiques à venir
  12. Diamètre et rendement des wafers
  13. Défis économiques du 450 mm
  14. Défis industriels du 450 mm