Массив детекторов для визуализации электронного луча на месте с помощью 16-нм технологии FinFET CMOS

Введение

Сфокусированный электронный пучок (электронный пучок) может быть использован в различных приложениях, например, в ускорителях и лазерах на свободных электронах (ЛСЭ), где требуется участие электронного пучка [1, 2]. С другой стороны, электронный луч играет важную роль в процессе производства полупроводников; В предыдущих отчетах предлагалась обработка электронным пучком для модификации интерфейса дамасского межсоединения, электрические характеристики меди и диэлектрика с низким κ могут быть улучшены без ухудшения качества их пленки или диэлектрической проницаемости [3]. Кроме того, доказано, что определенный вид фоторезиста EUV можно изготавливать под воздействием электронного пучка без использования химических агентов [4]. Кроме того, была разработана технология электронного луча для записи рисунков непосредственно на пластину [5], создавая транзисторы [6, 7], полимерные структуры [8], нанопроволоки [9] и другие наноструктуры [10]. Более того, изготовление фотошаблонов с использованием электронного луча стало одним из наиболее распространенных методов нанометровых КМОП-технологий [11,12,13,14]. Однако все вышеперечисленные приложения могут выйти из строя, если невозможно точно контролировать электронный пучок, обеспечивая согласованность ускоряющей энергии электронного пучка, дозировки и однородности.

Для дальнейшего контроля ускоряющей энергии и дозировки электронного пучка внутри камеры обработки необходим встроенный в инструмент детектор электронного пучка на пластине. Одно из предыдущих исследований детектора электронного пучка с использованием тонкопленочной термопары [15] не может напрямую измерить распределение высокоэнергетических электронов и отсутствие чувствительности из-за ограничений самой термопары. Существуют также оптические методы обнаружения с использованием волокон [16] и других устройств, таких как ячейка Поккельса [17]. С другой стороны, микроканальные пластины (MCP) обычно используются для обнаружения одиночных частиц и излучения [18, 19]; при подходящей приборной конструкции и хорошо настроенных параметрах результаты обнаружения электронного луча с использованием оптических методов и MCP могут быть вполне удовлетворительными. Тем не менее, их сложно интегрировать в небольшой чип, что делает их не лучшим кандидатом для обнаружения электронного луча на пластине. Обычные методы датчика изображения CMOS (CIS), использующие датчик активного пикселя (APS), могут быть полезны [20, 21], потому что электроны могут быть собраны напрямую, а шум может быть уменьшен с помощью тщательно разработанной схемы считывания, что приводит к более высокому сигналу. отношение к шуму (SNR); однако внешний источник питания для управления обычным чипом APS требуется во время зондирования, что снижает его осуществимость и усложняет конструкцию камеры электронного луча.

В этом исследовании предлагается и проверяется инструментальный подход на пластине для обнаружения электронного пучка без внешнего источника питания. Предлагаемый детектор / регистратор электронного луча использует плавающий затвор в качестве чувствительного узла, который совместим с логическим процессом 16-нм FinFET CMOS, с возможностью хранения результатов обнаружения, компактным 2-транзисторным (2 Тл) пикселем, быстрым откликом, широким динамическим диапазоном. и высокая отзывчивость. После облучения электронным пучком в потоке ключевые характеристики дозировки электронов и ускоряющей энергии могут быть легко и быстро извлечены с помощью автономных электрических измерений, таких как приемочные испытания пластины (WAT) и другие процедуры неразрушающего считывания.

Структура и методология пикселей

Экспериментальная установка и основной принцип работы предлагаемого в инструменте регистратора электронного луча в общих чертах показаны на рис. 1. Во время экспонирования электронным пучком предложенный детектор на пластине сначала будет помещен внутри камеры электронного пучка, как показано на Рис. 1a, сбор инжектированных электронов высокой энергии структурой с плавающим затвором. Когда электроны с высокой энергией сталкиваются с металлическими и диэлектрическими слоями выше, энергия соответствующих электронов соответственно уменьшается. В зависимости от ускоряющей энергии инжектированных электронов часть из них достигнет и остановится на плавающих затворах, которые затем сохранят измеренный уровень после воздействия. Следовательно, без подачи питания на микросхему детектирования, уровни проецируемого электронного луча на каждом участке будут сохраняться в уникальном пикселе 2T, схематично показанном на рис. 1b. После воздействия электронного пучка в линию, соответствующая дозировка и энергия ускорения могут быть считаны автономным измерением электрического тока и напряжения (IV), как показано данными измерений на рис. 1c, которые можно использовать для восстановления проецируемое изображение электронного луча, шаблон и на месте распределение интенсивности. Для массива детекторов на уровне микросхемы считывание изображения можно значительно улучшить, если включить параллельную периферийную схему считывания, время считывания которой, как ожидается, будет в пределах миллисекунд. Кроме того, матрица детекторов может быть обновлена ​​для следующего обнаружения электронного луча после этапа инициализации в течение нескольких секунд.

а Экспериментальная установка и б Схема предлагаемой матрицы детекторов электронного пучка, начиная с внутрикамерного обнаружения, автономного считывания на пластине и изображения интенсивности, реконструированного с помощью c результаты измерения его электрических характеристик

Трехмерная структура предлагаемого детектора электронного пучка с компактным пикселем 2 Тл представлена ​​на рис. 2а, состоящим из транзисторов с каналом p-типа, изготовленных по чистой 16-нм технологии FinFET CMOS, включая один транзистор выбора строки (RS), который может использоваться для управления последовательным считыванием; а другой - транзистор с плавающим затвором (FG) для хранения результатов измерения. Уникальная компактная структура пикселей и внутрипиксельный узел хранения FG можно четко наблюдать с помощью изображений просвечивающего электронного микроскопа (TEM) вдоль битовой линии (BL) и соответствующей компоновки, как показано на рис. 2b и c, соответственно. Шаг пикселя предлагаемого пикселя 2 Т может быть уменьшен до 0,7 мкм, что обеспечивает высокое пространственное разрешение для визуализации и обнаружения электронного луча.

а Трехмерная структура, b Изображение TEM вдоль BL и c макет предлагаемого детектора электронного пучка с компактным пикселем 2-FinFET с узлом хранения / считывания FG с использованием 16-нм технологии FinFET CMOS

Во время инжекции будет происходить эмиссия как вторичных электронов (SE), так и обратно рассеянных электронов (BSE). SE - электроны, выбрасываемые из материала мишени из-за неупругого рассеяния поверхности, а BSE - электроны первичного пучка, который инжектировал материал мишени и затем упруго рассеивался под большими углами [22]. Следовательно, положительный заряд может быть внесен в экспонированный пиксель посредством вышеупомянутого эффекта, этот положительный заряд может быть рекомбинирован с накопленным отрицательным зарядом. Как правило, чистый потенциал накопительного узла отрицательный в этом исследовании, потому что коэффициент излучения SE, который определяется как отношение между током SE и током первичных электронов, для большинства видов металлов ниже 1 для энергии, превышающей 5 кэВ [23]. Следовательно, в блоке пикселей могут храниться как положительные, так и отрицательные заряды, и оба будут отражаться на считываемом токе.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Траекторию введенного электронного пучка можно оценить по результатам моделирования Монте-Карло [24], поскольку данные на рис. 3а показывают, что электронный пучок, как ожидается, будет проходить глубже с более высокой ускоряющей энергией; следовательно, эффективность сбора, а также количество электронов, проникших в предложенный детектор через поверхность пластины, будут увеличиваться для электронов с более высокой энергией (от 0 до 30 кэВ), как показано на рис. 3b. Что касается энергии электронного пучка выше 30 кэВ, большая часть электронов проникает на кремниевую подложку, снижая эффективность сбора ГР. Эффективность сбора (\ (\ upeta \)) определяется следующим образом:

где \ ({Q} _ {FG} \) обозначает заряд, собранный и сохраненный в FG, а \ ({Q} _ {total} \) представляет собой общее количество инжектированных электронов из приложенного электронного пучка.

а Результаты моделирования методом Монте-Карло прогнозируемой траектории инжектированного электрона с разной ускоряющей энергией, и b соответствующая глубина проекции и вероятность проникновения на массив детекторов на пластине

Согласно результатам моделирования на рис. 3 ожидается, что электронный пучок проникнет и пройдет расстояние в несколько микрон, а скорость электронов перед инжекцией может достигать 6 см / нс при энергии 10 кэВ [25], время отклика оценивается в пределах мксек [26], что позволяет реагировать на быстрые сканирующие электронные лучи.

Перед внутрикамерной экспозицией электронным пучком заряд FG (Q _FG ), индуцированные на стадиях производства полупроводников [27, 28], должны быть удалены. Здесь выполняется этап инициализации путем запекания микросхем детектора при 250 градусах Цельсия, поскольку данные измерений, подтвержденные на рис. 4a, показывают, что распределение тока BL сужается по мере удаления случайно размещенного заряда. Общий считываемый ток BL становится ниже 0,1 пА после инициализации, как показано на рис. 4b, что позволяет предположить, что заряд FG может быть эффективно опустошен.

а Распределение тока BL будет более жестким после запекания при 250 ° C в течение более 100 тыс. Секунд и b кумулятивный график показывает, что ток чтения сходится ниже 0,1 пА, что дополнительно обеспечивает Q _FG очищается

Текущее распределение BL пикселей в их инициализированных состояниях и после увеличения излучения электронного пучка при фиксированной энергии 30 кэВ показано на рис. 5. Данные измерений показывают, что ток BL будет увеличиваться с увеличением дозировки электронного пучка. Инжектированные электроны, собранные детектором, будут заряжать FG до определенного уровня отрицательного смещения, что постепенно включит p-канальные транзисторы FG, что приведет к увеличению считываемых токов BL. Кроме того, измеренные данные предполагают, что до насыщения тока БС еще есть место в диапазоне нескольких порядков, что делает его пригодным для измерения в широком динамическом диапазоне.

Распределение предлагаемых детекторов в исходном состоянии и после воздействия электронного пучка с увеличением дозировки при фиксированном уровне энергии 30 кэВ

Как показывают данные измерений на рис.6, сдвиг считываемого тока BL положительно коррелирует с ускоряющей энергией приложенного электронного пучка, что ожидается в результатах моделирования на рис.3, проверка предлагаемого детектора может точно отражать характеристики дозы вводимого электронного пучка и ускоряющей энергии. Благодаря высокому пространственному разрешению в 700 нм по шагу чувствительной плоскости этот детектор также может демонстрировать минимальный уровень чувствительности электронного пучка 24 мкКл / см ² на 5 кэВ.

Введенная доза и ее ускоряющая энергия могут быть точно отражены результирующим током ШМ массива, экспонированного электронным пучком

Двумерные изображения на тестовых массивах 8 × 8 показаны на рис. 7 после облучения электронным пучком 30 кэВ с дозировкой 0,2 мкКл / см ² , 0,6 мкКл / см ² и 1 мкКл / см ² сравниваются.

Двумерные изображения после воздействия электронным пучком 30 кэВ с дозировкой a 0,2 мкКл / см ² , b 0,6 мкКл / см ² и c 1 мкКл / см ² соответственно

Предлагаемый детектор электронного пучка отличается не только линейной и высокой чувствительностью к дозировке и ускоряющей энергии, но и возможность хранения данных в пикселях - одно из его уникальных свойств. Как показывают данные на рис. 8, сдвиг тока ШЛ, вызванный воздействием электронного луча, может оставаться относительно стабильным при 85 градусах Цельсия в течение нескольких дней; Таким образом, результаты обнаружения электронного луча могут оставаться в узле хранения без внешнего питания, что позволяет автоматическим системам измерения считывать электрические данные в автономном режиме.

Результаты измерения электронного луча могут храниться в предлагаемом детекторе, и данные остаются относительно стабильными в течение нескольких дней, что позволяет считывать данные с пластины в автономном режиме

Эксперимент, проведенный на рис. 9, предполагает небольшое снижение эффективности сбора предложенным детектором электронного луча, когда соседний пиксель уже заряжен. Из-за отрицательного потенциала соседних пикселей электроны испытывают силу отталкивания во время инжекции; следовательно, необходимо учитывать шаблоны и дизайн массива, чтобы уменьшить такой эффект интерфейса шаблона.

Было обнаружено, что эффективность сбора несколько снижается из-за полностью сохраненного плавающего затвора на соседних ячейках, где ожидается некоторый эффект интерференции рисунка

Выводы

В этой работе представлена ​​встроенная в инструмент матрица детекторов электронного пучка на пластине, сочетающая логику FinFET CMOS, широкий динамический диапазон и высокую чувствительность. Уникальная компактная структура пикселей 2 Т может улучшить пространственное разрешение за счет субмикронного шага пикселей. Спроецированное изображение и результаты обнаружения электронного луча могут храниться в энергонезависимой памяти без внешнего источника питания в узле считывания / хранения предлагаемого нового детектора электронного пучка, что позволяет считывать электрические данные в автономном режиме. Наконец, предлагаемая матрица детекторов электронного пучка считается многообещающим решением для повышения стабильности будущих систем и процессов электронной литографии.

Доступность данных и материалов

Не применимо.