Les progrès réalisés dans la microélectronique répondent à la problématique de la réduction des coûts de production et celle de la recherche de nouveaux marchés. Ces progrès sont possibles notamment grâce à ceux effectués en lithographie optique par projection, le procédé lithographique principalement utilisé par les industriels. La miniaturisation des circuits intégrés n'a donc été possible qu'en poussant les limites d'impression lithographique. Cependant en réduisant les largeurs des transistors et l'espace entre eux, on augmente la sensibilité du transfert à ce que l'on appelle les effets de proximité optique au fur et à mesure des générations les plus avancées de 45 et 32 nm de dimension de grille de transistor. L'utilisation des modèles OPC est devenue incontournable en lithographie optique, pour les nœuds technologiques avancés. Les techniques de correction des effets de proximité (OPC) permettent de garantir la fidélité des motifs sur plaquette, par des corrections sur le masque. La précision des corrections apportées au masque dépend de la qualité des modèles OPC mis en œuvre. La qualité de ces modèles est donc primordiale. Cette thèse s'inscrit dans une démarche d'analyse et d'évaluation des modèles résine OPC qui simulent le comportement de la résine après exposition. La modélisation de données et l'analyse statistique ont été utilisées pour étudier ces modèles résine de plus en plus empiriques. Outre la fiabilisation des données de calibrage des modèles, l'utilisation des plateformes de création de modèles dédiées en milieu industriel et la méthodologie de création et de validation des modèles OPC ont également été étudié. Cette thèse expose le résultat de l'analyse des modèles résine OPC et propose une nouvelles méthodologie de création, d'analyse et de validation de ces modèles.

Les progrès réalisés dans la microélectronique répondent à la problématique de la réduction des coûts de production et celle de la recherche de nouveaux marchés. Ces progrès sont possibles notamment grâce à ceux effectués en lithographie optique par projection, le procédé lithographique principalement utilisé par les industriels. La miniaturisation des circuits intégrés n'a donc été possible qu'en poussant les limites d'impression lithographique. Cependant en réduisant les largeurs des transistors et l'espace entre eux, on augmente la sensibilité du transfert à ce que l'on appelle les effets de proximité optique au fur et à mesure des générations les plus avancées de 45 et 32 nm de dimension de grille de transistor.L'utilisation des modèles OPC est devenue incontournable en lithographie optique, pour les nœuds technologiques avancés. Les techniques de correction des effets de proximité (OPC) permettent de garantir la fidélité des motifs sur plaquette, par des corrections sur le masque. La précision des corrections apportées au masque dépend de la qualité des modèles OPC mis en œuvre. La qualité de ces modèles est donc primordiale. Cette thèse s'inscrit dans une démarche d'analyse et d'évaluation des modèles résine OPC qui simulent le comportement de la résine après exposition. La modélisation de données et l'analyse statistique ont été utilisées pour étudier ces modèles résine de plus en plus empiriques. Outre la fiabilisation des données de calibrage des modèles, l'utilisation des plateformes de création de modèles dédiées en milieu industriel et la méthodologie de création et de validation des modèles OPC ont également été étudié. Cette thèse expose le résultat de l'analyse des modèles résine OPC et propose une nouvelles méthodologie de création, d'analyse et de validation de ces modèles.

À l'heure actuelle, les modèles photochimiques utilisés dans la correction des effets de proximitéoptique (OPC) en photolithographie sont devenus complexes et moins physiques afin de permettre decapturer rapidement le maximum d'effets optiques et chimiques. La question de la stabilité de tels modèlespurement empiriques est devenue d'actualité. Dans ce mémoire, nous avons étudié la stabilité desmodèles photochimiques actuels en examinant les différentes causes d'instabilité vis-à-vis des paramètresdu procédé. Dans la suite, nous avons développé une méthode perturbative permettant d'évaluer le critèrede la stabilité. L'obtention de modèles simples et stables nous conduit à séparer les effets optiques desautres effets chimiques. De plus, les approximations utilisées dans la modélisation des systèmes optiquesopérant à grande ouverture numérique entraînent des erreurs résiduelles pouvant dégrader la précisionet la stabilité des modèles OPC. Ainsi, nous nous sommes intéressés à étudier les limites de validitéde l'approximation de Kirchhoff, méthode qui, jusqu'à présent, est la plus utilisée dans la modélisationdu champ proche d'un masque. D'autres méthodes semi-rigoureuses, permettant de modéliser les effetstopographiques, ont été également évaluées. Ces méthodes approchées permettent de gagner en précisionmais dégradent le temps de calcul. Nous avons ainsi proposé différentes façons de corriger les effetstopographiques du masque, tout en gardant l'approximation de Kirchhoff dans la modélisation de la partieoptique. Parmi les méthodes proposées, nous exploitons celle permettant de réduire les erreurs liéesaux effets topographiques du masque par l'intermédiaire d'un second modèle empirique. Nous montronsque pour garantir une précision adéquate, il est nécessaire d'augmenter la complexité du modèle en rajoutantdes termes additionnels. Enfin, pour garantir la stabilité numérique du modèle empirique, nousintroduirons une nouvelle méthode approchée hybride rapide et précise, la méthode des multi-niveaux,permettant d'inclure les effets topographiques par décomposition multi-niveaux du masque fin et discuteronsses avantages et ses limites.

Les progrès réalisés dans la microélectronique répondent à la problématique de la réduction des coûts de production et celle de la recherche de nouveaux marchés. Ces progrès sont possibles notamment grâce à ceux effectués en lithographie optique par projection, le procédé lithographique principalement utilisé par les industriels. La miniaturisation des circuits intégrés n’a donc été possible qu’en poussant les limites d’impression lithographique. Cependant en réduisant les largeurs des transistors et l’espace entre eux, on augmente la sensibilité du transfert à ce que l’on appelle les effets de proximité optique au fur et à mesure des générations les plus avancées de 45 et 32 nm de dimension de grille de transistor.L’utilisation des modèles OPC est devenue incontournable en lithographie optique, pour les nœuds technologiques avancés. Les techniques de correction des effets de proximité (OPC) permettent de garantir la fidélité des motifs sur plaquette, par des corrections sur le masque. La précision des corrections apportées au masque dépend de la qualité des modèles OPC mis en œuvre. La qualité de ces modèles est donc primordiale. Cette thèse s’inscrit dans une démarche d’analyse et d’évaluation des modèles résine OPC qui simulent le comportement de la résine après exposition. La modélisation de données et l’analyse statistique ont été utilisées pour étudier ces modèles résine de plus en plus empiriques. Outre la fiabilisation des données de calibrage des modèles, l’utilisation des plateformes de création de modèles dédiées en milieu industriel et la méthodologie de création et de validation des modèles OPC ont également été étudié. Cette thèse expose le résultat de l’analyse des modèles résine OPC et propose une nouvelles méthodologie de création, d’analyse et de validation de ces modèles. / The Progress made in microelectronics responds to the matter of production costs reduction and to the search of new markets. These progresses have been possible thanks those made in optical lithography, the printing process principally used in integrated circuit (IC) manufacturing.The miniaturization of integrated circuits has been possible only by pushing the limits of optical resolution. However this miniaturization increases the sensitivity of the transfer, leading to more proximity effects at progressively more advanced technology nodes (45 and 32 nm in transistor gate size). The correction of these optical proximity effects is indispensible in photolithographic processes for advanced technology nodes. Techniques of optical proximity correction (OPC) enable to increase the achievable resolution and the pattern transfer fidelity for advanced lithographic generations. Corrections are made on the mask based on OPC models which connect the image on the resin to the changes made on the mask. The reliability of these OPC models is essential for the improvement of the pattern transfer fidelity.This thesis analyses and evaluates the OPC resist models which simulates the behavior of the resist after the photolithographic process. Data modeling and statistical analysis have been used to study these increasingly empirical resist models. Besides the model calibration data reliability, we worked on the way of using the models calibration platforms generally used in IC manufacturing.This thesis exposed the results of the analysis of OPC resist models and proposes a new methodology for OPC resist models creation, analysis and validation.

La photolithographie optique assure en partie à la microélectronique la miniaturisation des circuits électroniques. Afin de faire face à la limite de résolution de l'équipement de photolithographie, les industriels ont mis au point des techniques d'amélioration de la résolution dont certaines sont basées sur l'utilisation de la modélisation numérique. Jusqu'au nœud technologique 45 nm, cette modélisation ne prenait pas en compte la présence de plusieurs empilements de matériaux sous la résine photosensible négligeant ainsi les phénomènes de réflexion, de diffraction et d'ondes stationnaires. Pour les nœuds 32 nm et suivants, ces phénomènes rendent difficile le contrôle de la forme et des dimensions des motifs résine notamment pour les niveaux dont l'exposition s'effectue sans couche antireflet. Cette thèse CIFRE entre le laboratoire Hubert Curien de Saint- Etienne et l'industriel STMicroelectronique de Crolles traite de la caractérisation, de la modélisation et de la simulation numérique des effets d'empilement sous la résine photosensible. Le premier chapitre regroupe un ensemble de pensées sur la microélectronique, son histoire et définit les notions essentielles de ce domaine et de la modélisation numérique. Les chapitres deux et trois donnent respectivement l'état de l'art de la photolithographie optique et des techniques de correction des effets de proximité optique. Le chapitre quatre présente l'étude expérimentale, de la conception des structures test à la caractérisation des effets d'empilement en passant par le protocole de création des groupes de données. La prise en compte de ces effets est l'objet du chapitre cinq avec l'état de l'art des techniques existantes suivi de la description de l'algorithme de construction de modèles développé dans cette thèse. Enfin l'application de la méthode des sources généralisées à la photolithographie optique est évaluée dans le chapitre six / In IC manufacturing, optical photolithography is one of key actors of electronic circuit miniaturization. To work around the photolithography resolution limit, manufacturers developed resolution improvement techniques, including some based on numerical modeling. For nodes larger than 45 nm, this modeling didn't take into account several stacks under the photoresist and that caused optical reflection, diffraction, and standing wave phenomena to be neglected. For 32 nm and smaller nodes, these phenomena make it di cult to control the shape and dimensions of resist patterns, especially for layers without an anti-reflecting coating during exposure. The CIFRE thesis from Hubert Curien Laboratories in Saint-Etienne and industrial STMicroelectronics from Crolles deals with wafer stack effect characterization, modeling, and numerical simulation. The first chapter gives my philosophy and history of IC manufacturing, and defines concepts in this field and concepts about numerical modeling. Chapter Two discusses state-of-the-art optical photolithography and Chapter Three discusses state-of-the-art optical proximity correction. Chapter Four emphasizes an experimental study from test pattern conception to wafer stack effect characterization, including data set building protocol. Chapter Five covers wafer stack effect management, first describing the current status of the industry followed by a description of the model building algorithm developed during this thesis. Finally, Chapter Six assesses the generalized source method applied to the photolithography process simulation

À l’heure actuelle, les modèles photochimiques utilisés dans la correction des effets de proximitéoptique (OPC) en photolithographie sont devenus complexes et moins physiques afin de permettre decapturer rapidement le maximum d’effets optiques et chimiques. La question de la stabilité de tels modèlespurement empiriques est devenue d’actualité. Dans ce mémoire, nous avons étudié la stabilité desmodèles photochimiques actuels en examinant les différentes causes d’instabilité vis-à-vis des paramètresdu procédé. Dans la suite, nous avons développé une méthode perturbative permettant d’évaluer le critèrede la stabilité. L’obtention de modèles simples et stables nous conduit à séparer les effets optiques desautres effets chimiques. De plus, les approximations utilisées dans la modélisation des systèmes optiquesopérant à grande ouverture numérique entraînent des erreurs résiduelles pouvant dégrader la précisionet la stabilité des modèles OPC. Ainsi, nous nous sommes intéressés à étudier les limites de validitéde l’approximation de Kirchhoff, méthode qui, jusqu’à présent, est la plus utilisée dans la modélisationdu champ proche d’un masque. D’autres méthodes semi-rigoureuses, permettant de modéliser les effetstopographiques, ont été également évaluées. Ces méthodes approchées permettent de gagner en précisionmais dégradent le temps de calcul. Nous avons ainsi proposé différentes façons de corriger les effetstopographiques du masque, tout en gardant l’approximation de Kirchhoff dans la modélisation de la partieoptique. Parmi les méthodes proposées, nous exploitons celle permettant de réduire les erreurs liéesaux effets topographiques du masque par l’intermédiaire d’un second modèle empirique. Nous montronsque pour garantir une précision adéquate, il est nécessaire d’augmenter la complexité du modèle en rajoutantdes termes additionnels. Enfin, pour garantir la stabilité numérique du modèle empirique, nousintroduirons une nouvelle méthode approchée hybride rapide et précise, la méthode des multi-niveaux,permettant d’inclure les effets topographiques par décomposition multi-niveaux du masque fin et discuteronsses avantages et ses limites. / At present, common resist models utilized in photolithography to correct for optical proximity effects(OPC) became complex and less physical in order to capture the maximum of optical and chemical effectsin shorter times. The question on the stability of such models, purely empirical, become topical. In thisthesis, we study the stability of existing OPC models by examining the origins of model instability towardsprocess parameters. Thus, we have developed a perturbative method in order to evaluate the stabilitycriterion. However, achieving stable and simple models needs a separation between optical and otherchemical effects. Besides, multiple approximations, widely utilized in the modeling of optical systemsoperating at high numerical aperture, lead to residual errors which can degrade OPC model accuracyand stability. Thus, we were interested to study the limits of validity of the Kirchhoff approximation,a method which, so far, is the most commonly used in mask near-field modeling. Other semi-rigorousmethods for mask topography effect modeling were also evaluated. These approximate methods canimprove the accuracy but degrades the run time. We then suggested different techniques to correct formask topography effects, while keeping the Kirchhoff approximation in the modeling of the optical part.Among them, we showed that errors due to mask topography effects can be partially captured by asecond empirical model. However, in order to ensure a good accuracy, it is necessary to increase themodel complexity by using more additional empirical terms. Finally, in order to achieve a numericalstability of the empirical model, we introduced a new hybrid fast and accurate method, the multi-levelmethod, which allows us to correct for mask topography effects through a multi-level decomposition ofthe thin mask and discussed its advantages and drawbacks.