Продвинутый 16-нм FinFET CMOS детекторный массив для реального времени in-situ изображения электронного пучка

Аннотация

Новое in situ решение для изображения и детекторный массив для фокусированного электронного пучка (e-пучка) впервые предложены и продемонстрированы. Предлагаемый внутриприборный, на-вейферный детекторный массив e-пучка обладает полной совместимостью с логикой FinFET CMOS, компактной 2T пиксельной структурой, быстрым откликом, высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном. Образ изображения e-пучка и результаты детектирования могут быть далее сохранены в сенсорном/хранилищном узле без внешнего питания, позволяя автономное электрическое чтение, которое может использоваться для быстрой предоставки своевременной обратной связи по ключевым параметрам e-пучка на проецируемых вейферах, включая дозу, ускоряющую энергию и распределения интенсивности.

Введение

Фокусированный электронный пучок (e-пучок) может использоваться в различных применениях, один особый пример — в ускорителях и свободно-электронных лазерах (FEL), которые требуют участия e-пучка [1, 2]. С другой стороны, e-пучок играет важную роль в процессе полупроводникового производства; предыдущие отчеты предлагали e-пучковое лечение для модификации интерфейса дамасценных интерконнектов, электрическая производительность меди и низко-κ диэлектрика может быть улучшена без повреждения качества их пленок или диэлектрической постоянной [3]. Кроме того, доказано, что определенный вид EUV фоторезиста может быть получен под воздействием e-пучка без химических агентов [4]. Более того, e-пучковая технология развивалась для записи паттернов на вейфере напрямую [5], создавая транзисторы [6, 7], полимерные структуры [8], нанопроволоки [9] и другие наноструктуры [10]. Кроме того, фабрикация фото масок с использованием e-пучка стала одним из самых распространенных методов для нанометровых CMOS технологий [11–14]. Однако все вышеперечисленные применения могут потерпеть неудачу, если e-пучок не может быть точно контролирован, обеспечивая согласованность ускоряющей энергии e-пучка, дозы и однородности.

Для дальнейшего мониторинга ускоряющей энергии e-пучка и дозы внутри процессинговой камеры необходим внутриприборный, на-вейферный детектор e-пучка. Предыдущее исследование детектора e-пучка с использованием тонкопленочного термопары [15] не может напрямую измерить распределение высокоэнергетических электронов и лишено чувствительности из-за ограничений самой термопары. Суствуют также оптические методы детектирования с использованием волокон [16] и других приборов, таких как Поккелс-ячейка [17]. С другой стороны, микроканальная пластина (MCP) обычно используется для детектирования одиночных частиц и излучения [18, 19]; с подходящим инструментальным дизайном и хорошо настроенными параметрами результаты детектирования e-пучка с использованием оптических методов и MCP могут быть довольно удовлетворительными. Однако для них это вызов интегрироваться в маленький чип, что делает их не лучшими кандидатами для внутриприборного, на-вейферного детектирования e-пучка. Конвенциональные методы CMOS изображений (CIS) с активными пиксельными сенсорами (APS) могут быть полезны [20, 21], потому что электроны могут собираться напрямую, и шум может быть снижен тщательно спроектированной схемой считывания, приводя к более высокому сигнал-шум отношению (SNR); однако внешнее питание для управления конвенциональным APS чипом требуется во время сенсирования, снижая его реализуемость и увеличивая сложность дизайна e-пучковой камеры.

В этом исследовании предлагается и верифицируется внутриприборный, на-вейферный подход для детектирования e-пучка без внешнего питания. Предлагаемый детектор/рекордер e-пучка использует плавающий затвор как сенсорный узел, совместимый с 16-нм FinFET CMOS логическим процессом, обладая способностью хранения результатов детектирования, компактным 2-транзисторным (2T) пикселем, быстрым откликом, широким динамическим диапазоном и высокой чувствительностью. После in-line e-пучкового облучения ключевые характеристики электронной дозы и ускоряющей энергии могут быть затем легко и быстро извлечены автономным электрическим измерением, таким как вейферный приемо-сдаточный тест (WAT) и другие неразрушающие процедуры чтения.

Структура пикселя и методология

Экспериментальная установка и базовый операционный принцип предлагаемого in-tool e-пучкового рекордера обозначены на рис. 1. Во время воздействия e-пучка предлагаемый на-вейферный детектор будет сначала помещен внутри e-пучковой камеры, как проиллюстрировано на рис. 1a, собирая инъецированные высокоэнергетические электроны структурой плавающего затвора. По мере того как высокоэнергетические электроны сталкиваются с металлическими и диэлектрическими слоями сверху, энергия соответствующих электронов соответственно уменьшается. В зависимости от ускоряющей энергии инъецированных электронов, часть из них достигнет и остановится на плавающих затворах, которые затем сохранят сенсорный уровень после воздействия. Следовательно, без питания детектирующего чипа, проецируемые уровни e-пучка в каждой точке будут сохранены в уникальном 2T пикселе, схема которого показана на рис. 1b. После in-line e-пучкового воздействия соответствующая доза и ускоряющая энергия могут быть считаны автономным электрическим током-напряжением (IV) измерением, как показано данными измерений на рис. 1c, которое может использоваться для реконструкции проецируемого e-пучкового изображения, паттерна и in situ распределения интенсивности. Для чип-уровневого детекторного массива считывание изображения может быть значительно улучшено, если включена параллельная схема периферийного считывания, время считывания которого ожидается в пределах мс. Кроме того, детекторный массив может быть обновлен для следующего детектирования e-пучка после шага инициализации в течение секунд.

Трехмерная структура иллюстрация предлагаемого детектора e-пучка с компактным 2T пикселем показана на рис. 2a, состоящая из p-канальных транзисторов, отфабрикованных чистыми 16-нм FinFET CMOS технологиями, включая один транзистор выбора строки (RS), который может использоваться для управления последовательным считыванием; и другой — транзистор с плавающим затвором (FG) для хранения сенсорных результатов. Уникальная компактная пиксельная структура и внутрипиксельный FG хранилищный/сенсорный узел могут быть четко замечены на изображениях передаточной электронной микроскопии (TEM) вдоль бит линии (BL) и соответствующей компоновке, как показано на рис. 2b и c соответственно. Пиксельный шаг предлагаемого 2T пикселя может быть масштабирован до 0,7 мкм, обеспечивая высокое пространственное разрешение e-пучкового изображения и детектирования.

Во время инъекции как вторичные электроны (SE), так и обратно-рассеянные электроны (BSE) эмиссия произойдет. SE — электроны, выброшенные из целевого материала из-за неупругого рассеяния поверхности, в то время как BSE — электроны первичного пучка, которые инъецировались в целевой материал и затем упруго рассеялись под большими углами [22]. Следовательно, положительный заряд может быть введен в экспонированный пиксель вышеуказанным эффектом, эти положительные заряды могут рекомбинироваться с сохраненным отрицательным зарядом. В общем, чистый потенциал хранилищного узла отрицателен в этом исследовании, потому что коэффициент SE эмиссии, определенный как отношение между SE током и первичным электронным током, большинства видов металлов ниже 1 для энергий выше 5 кэВ [23]. Следовательно, как положительные, так и отрицательные заряды могут быть сохранены в пиксельном блоке, и оба отразятся на считываемом токе.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Траектория инъецированного e-пучка может быть оценена результатами Монте-Карло симуляции [24], как данные на рис. 3a указывают, e-пучок ожидается двигаться глубже с более высокой ускоряющей энергией; поэтому эффективность сбора, а также число электронов, проникающих к предлагаемому детектору через поверхность вейфера, увеличатся для электронов с более высокой энергией (между 0 и 30 кэВ) как данные симуляции предложили на рис. 3b. Что касается e-пучковой энергии выше 30 кэВ, большинство электронов проникнут в кремниевый субстрат, снижая эффективность сбора FG. Эффективность сбора (η) определяется следующим образом:

$$\eta =\frac{{Q}_{FG}}{{Q}_{total}},$$ (1)

где \({Q}_{FG}\) означает заряд, собранный и сохраненный в FG, а \({Q}_{total}\) представляет общее количество инъецированных электронов от приложенного e-пучка.

Согласно результатам симуляции на рис. 3, e-пучок ожидается проникать и проходить через расстояние в несколько микрон, и скорость электрона перед инъекцией может достигать 6 см/нс при энергии 10 кэВ [25], время отклика оценивается в пределах мкс уровня [26], позволяя отвечать на быстро сканирующие e-пучки.

Перед in-камерным e-пучковым воздействием FG заряд (Q_FG), индуцированный шагами полупроводникового производственного процесса [27, 28], должен быть очищен. Здесь проводится шаг инициализации выпекания детекторных чипов при 250 градусов Цельсия, как данные измерений подтвердили на рис. 4a, распределение BL тока сжимается, когда случайно размещенный заряд удаляется. Общий считываемый BL ток становится ниже 0,1 пА после инициализации, как расположено на рис. 4b, что дополнительно обеспечивает очистку Q_FG.

Распределение BL тока пикселей в их инициализированных состояниях и то после увеличения e-пучкового облучения при фиксированной энергии 30 кэВ демонстрируется на рис. 5. Данные измерений указывают, что BL ток увеличивается с большей дозой e-пучка. Инъецированные электроны, собранные детектором, заряжают FG до определенного отрицательного уровня смещения, который постепенно включает p-канальные FG транзисторы, приводя к большему считываемому BL току. Кроме того, измеренные данные подразумевают, что все еще есть запас в диапазоне нескольких порядков величины до насыщения BL тока, делая его подходящим для сенсирования с широким динамическим диапазоном.

Как данные измерений на рис. 6 раскрывают, сдвиг считываемого BL тока положительно коррелирует с ускоряющей энергией приложенного e-пучка, что ожидается результатами симуляции на рис. 3, подтверждая, что предлагаемый детектор может точно отражать характеристики инъецированной дозы e-пучка и ускоряющей энергии. С высоким пространственным разрешением 700 нм в шаге сенсирующей плоскости, этот детектор также может продемонстрировать минимальный сенсируемый уровень дозы e-пучка 24 мкКл/см² при 5 кэВ.

Двумерные изображения на 8 × 8 тестовых массивах демонстрируются на рис. 7, после 30 кэВ e-пучка с дозой 0,2 мкКл/см², 0,6 мкКл/см² и 1 мкКл/см² сравниваются.

Предлагаемый детектор e-пучка не только обладает линейным и высоким откликом на дозу и ускоряющую энергию, способность внутрипиксельного хранения данных — одна из его уникальных свойств. Как данные продемонстрированы на рис. 8, сдвиг BL тока, индуцированный e-пучковым воздействием, может оставаться относительно стабильным при 85 градусах Цельсия в течение дней; следовательно, результаты детектирования e-пучка могут оставаться в хранилищном узле без внешнего питания, позволяя последующее автономное электрическое считывание автоматическими системами измерений.

Эксперимент, проведенный на рис. 9, подразумевает, что будет незначительное снижение эффективности сбора предлагаемого детектора e-пучка, когда соседний пиксель уже заряжен. Из-за отрицательного потенциала от соседних пикселей электроны испытывают отталкивающую силу во время инъекции; следовательно, паттерны и дизайн массива должны учитываться для уменьшения такого паттерного интерференционного эффекта.

Заключение

В этой работе представлен внутриприборный, на-вейферный детекторный массив e-пучка с FinFET CMOS логической совместимостью, широким динамическим диапазоном и высокой чувствительностью. Уникальная компактная 2T пиксельная структура может улучшить пространственное разрешение с субмикронным пиксельным шагом. Проецируемое e-пучковое изображение и результаты детектирования могут быть сохранены невиолатильно без внешнего питания в сенсорном/хранилищном узле предлагаемого нового детектора e-пучка, позволяя автономное электрическое считывание. В заключение, предлагаемый детекторный массив e-пучка считается перспективным решением для повышения стабильности будущих e-пучковых литографических систем и процессов.

Доступность данных и материалов

Не применимо.