Geavanceerde 16-nm FinFET CMOS Detectormatrix voor Real-Time In-Situ Elektronenbundelbeeldvorming

Samenvatting

Een nieuwe in situ beeldvormingsoplossing en detectormatrix voor de gefocusde elektronenbundel (e-bundel) worden voor het eerst voorgesteld en gedemonstreerd. De voorgestelde in-tool, on-wafer e-bundel detectormatrix kenmerkt volledige FinFET CMOS logica compatibiliteit, compacte 2T-pixelstructuur, snelle respons, hoge responsiviteit en brede dynamische bereik. Het e-bundel beeldvormingspatroon en detectieresultaten kunnen verder worden opgeslagen in de sensings/opslagknooppunt zonder externe voeding, wat off-line elektrische uitlezing mogelijk maakt, wat gebruikt kan worden om snel tijdige terugkoppeling te geven van de sleutelparameters van de e-bundel op de geprojecteerde wafers, inclusief dosering, versnellingsenergie en intensiteitsverdelingen.

Inleiding

De gefocusde elektronenbundel (e-bundel) kan in diverse toepassingen worden gebruikt, een speciaal voorbeeld is in versnellers en vrije-elektronen lasers (FEL) wat de participatie van e-bundel vereist [1, 2]. Aan de andere kant speelt e-bundel een belangrijke rol in het halfgeleiderfabricatieproces; eerdere rapporten voorgesteld e-bundel behandeling voor de interface-modificatie van de damascene interconnect, de elektrische prestaties van koper en lage-κ dielectrica kunnen verbeterd worden zonder hun filmkwaliteit of dielectrische constante te beschadigen [3]. Bovendien is het bewezen dat bepaalde soorten EUV-fotoresist gemaakt kunnen worden onder e-bundel blootstelling zonder chemische agentia [4]. Verder is e-bundel technologie ontwikkeld om patronen direct op de wafer te schrijven [5], transistors aan te maken [6, 7], polymere structuren [8], nanodraden [9], en andere nanoestructuren [10]. Bovendien is fotomaskerfabricatie met behulp van e-bundel een van de meest voorkomende methoden voor nanometer CMOS-technologieën [11-14]. Echter, al deze toepassingen kunnen mislukken als e-bundel niet nauwkeurig gecontroleerd kan worden, zodat de e-bundel versnellingsenergie, dosering en uniformiteit consistent zijn.

Om de e-bundel versnellingsenergie en dosering binnen de verwerkingskamer verder te monitoren, is een in-tool, on-wafer e-bundel detector noodzakelijk. Een eerdere studie over e-bundel detector met dunne-film thermocouple [15] kan de verdeling van hoge-energie elektronen niet direct meten en mist gevoeligheid door de beperking van de thermocouple zelf. Er zijn ook optische detectiemethoden met vezels [16] en andere apparaten zoals Pockels-cel [17]. Aan de andere kant wordt microkanaalplaat (MCP) algemeen gebruikt voor de detectie van enkelvoudige deeltjes en straling [18, 19]; met geschikte instrumentale ontwerp en goed afgestemde parameters, kunnen de e-bundel detectieresultaten met optische methoden en MCP tamelijk bevredigend zijn. Toch is het een uitdaging voor hen om geïntegreerd te worden in een kleine chip, wat hen niet de beste kandidaat maakt voor in-tool, on-wafer e-bundel detectie. Conventionele CMOS-beeldsensor (CIS) methoden die actieve pixel-sensor (APS) emploeyer, kunnen nuttig zijn [20, 21], omdat de elektronen direct verzameld kunnen worden en de ruis gereduceerd kan worden door het zorgvuldig ontworpen uitleesschema, wat leidt tot hogere signaal-ruis-verhouding (SNR); echter, een externe voeding om de conventionele APS-chip aan te sturen is vereist tijdens het detecteren, wat de haalbaarheid vermindert en de complexiteit van de e-bundelkamer ontwerp verhoogt.

In deze studie wordt een in-tool, on-wafer benadering voor e-bundel detectie zonder externe voeding voorgesteld en geverifieerd. De voorgestelde e-bundel detector/recorder adopteert drijvende gate als het sensorknooppunt wat compatibel is met 16-nm FinFET CMOS logica proces, met opslagcapaciteit van detectieresultaten, compacte 2-transistor (2T) pixel, snelle respons, breed dynamisch bereik en hoge responsiviteit. Na in-line e-bundel straling, kunnen de sleutelkenmerken van elektronen-dosering en versnellingsenergie dan gemakkelijk en snel worden geëxtraheerd door off-line elektrisch stroom-spanning (IV) meting, zoals wafer-acceptatietest (WAT) en andere niet-destructieve uitleesprocedures.

Pixelstructuur en Methodologie

De experimentele opstelling en basis operationele principe van de voorgestelde in-tool e-bundel recorder zijn uiteengezet in Fig. 1. Tijdens de e-bundel blootstelling zal de voorgestelde on-wafer detector eerst binnen de e-bundelkamer worden geplaatst zoals geïllustreerd in Fig. 1a, de geïnjiceerde hoge-energie elektronen verzamelend door de drijvende gate structuur. Als hoge-energie elektronen botsen met metaal- en dielectrische lagen erboven, daalt de energie van de corresponderende elektronen consequent. Afhankelijk van de versnellingsenergie van de geïnjiceerde elektronen, zal een deel van hen bereiken en rusten op de drijvende gates, die dan het gesense niveau na blootstelling opslaan. Daarom, zonder voeding aan de detectiechip, zullen de geprojecteerde e-bundel niveaus op elke site worden opgeslagen in de unieke 2T-pixel waarvan het schema is zoals Fig. 1b. Na de in-line e-bundel blootstelling, kunnen de corresponderende dosering en versnellingsenergie worden uitgelezen door off-line elektrisch stroom-spanning (IV) meting, zoals getoond door de meetdata in Fig. 1c, wat gebruikt kan worden om de geprojecteerde e-bundel beeldvorming, patroon en in situ intensiteitsverdeling te reconstrueren. Voor chip-niveau detectormatrix kan de beeld-uitlezing aanzienlijk verbeterd worden als parallelle uitlees-omringcircuit geïntegreerd is, wat de uitleestijd verwacht wordt binnen msec te liggen. Bovendien kan de detectormatrix ververst worden voor de volgende e-bundel detectie na initialisatiestap binnen seconden.

De driedimensionale structuurillustratie van de voorgestelde e-bundel detector met een compacte 2T-pixel is zoals Fig. 2a, bestaande uit p-kanaal transistors gefabriceerd door zuivere 16-nm FinFET CMOS-technologieën, waaronder één rij-selectie (RS) transistor die gebruikt kan worden om sequentiële uitlezing te controleren; en de ander is een drijvende gate (FG) transistor voor het opslaan van de senseresultaten. De unieke compacte pixelstructuur en de in-pixel FG opslag/sensorknooppunt kunnen duidelijk waargenomen worden door de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) afbeeldingen langs bitlijn (BL) en de corresponderende layout zoals getoond in Fig. 2b en c, respectievelijk. De pixel-pitch van de voorgestelde 2T-pixel kan geschaald worden tot 0,7 μm, wat hoge ruimtelijke resolutie van e-bundel beeldvorming en detectie mogelijk maakt.

Tijdens de injectie zullen zowel secundaire elektronen (SE) als teruggespiegelde elektronen (BSE) emissie optreden. SE zijn de elektronen die uit het doelmateriaal worden uitgeslingerd door inelastische verstrooiing van het oppervlak, terwijl BSE de elektronen van de primaire bundel zijn die het doelmateriaal binnengingen en daarna elastisch onder grote hoeken werden verstrooid [22]. Daarom kan positieve lading worden geïntroduceerd in de blootgestelde pixel door het bovengenoemde effect, die positieve lading kan recombineren met de opgeslagen negatieve lading. In het algemeen is het netto-potentiaal van het opslagknooppunt negatief in deze studie, omdat de SE-emissiecoëfficiënt, gedefinieerd als de verhouding tussen de SE-stroom en de primaire elektronenstroom, van de meeste soorten metaal lager is dan 1 voor energie hoger dan 5 keV [23]. Daarom kunnen zowel positieve als negatieve ladingen in de pixel-eenheid worden opgeslagen, en beide zullen zich weerspiegelen in de uitgelezen stroom.

Experimentele Resultaten en Discussie

De baan van geïnjiceerde e-bundel kan geschat worden door de Monte-Carlo-simulatieresultaten [24], zoals de data in Fig. 3a aangeeft, wordt de e-bundel verwacht dieper te reizen met hogere versnellingsenergie; daarom zullen de verzamelingsefficiëntie alsook het aantal elektronen dat doordringt naar de voorgestelde detector via het waferoppervlak toenemen voor elektronen met hogere energie (tussen 0 en 30 keV) zoals de simulatiedata in Fig. 3b suggereert. Wat betreft e-bundelenergie hoger dan 30 keV, zullen de meeste elektronen doordringen naar het siliciumsubstraat, wat de FG-verzamelingsefficiëntie verlaagt. De verzamelingsefficiëntie (η) is als volgt gedefinieerd:

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

waarbij \({Q}_{FG}\) staat voor lading verzameld en opgeslagen in de FG, en \({Q}_{total}\) de totale geïnjiceerde elektronen van de toegepaste e-bundel vertegenwoordigt.

Volgens de simulatieresultaten in Fig. 3, wordt de e-bundel verwacht te penetreren en te reizen over een afstand van enkele micron, en de elektronsnelheid voor injectie kan 6 cm/ns bereiken bij energie van 10 keV [25], de responstijd wordt geschat op μsec-niveau [26], wat respons mogelijk maakt op snelle scannende e-bundels.

Voordat de in-kamer e-bundel blootstelling, moet de FG-lading (Q_FG) geïnduceerd door de halfgeleiderfabricageprocesstappen [27, 28] gewist worden. Hier wordt een initialisatiestap uitgevoerd door de detectorchips te bakken bij 250 graden Celsius, zoals de meetdata in Fig. 4a bevestigde, de BL-stroomverdeling strakt zich samen als de willekeurig geplaatste lading wordt verwijderd. De totale uitlees BL-stroom wordt lager dan 0,1 pA na initialisatie, zoals gerangschikt in Fig. 4b, wat suggereert dat FG-lading effectief leeggemaakt kan worden.

De BL-stroomverdeling van de pixels in hun geïnitialiseerde toestanden en die na toename van e-bundelstraling bij een vaste energie van 30 keV wordt gedemonstreerd in Fig. 5. De meetdata geeft aan dat BL-stroom toeneemt met grotere e-bundel dosering. De geïnjiceerde elektronen die door de detector worden verzameld, laden de FG op tot een zekere negatieve bias-niveau, wat geleidelijk de p-kanaal FG-transistors inschakelt, wat resulteert in grotere uitlees BL-stromen. Verder impliceert de gemeten data dat er nog ruimte is in het bereik van diverse ordes van grootte voordat de BL-stroom verzadiging bereikt, wat het geschikt maakt voor breed dynamisch bereik detecteren.

Zoals de meetdata in Fig. 6 onthult, is de uitlees BL-stroomverschuiving positief gecorreleerd met de versnellingsenergie van de toegepaste e-bundel, wat verwacht wordt op basis van de simulatieresultaten in Fig. 3, wat de voorgestelde detector valideert om de kenmerken van de geïnjiceerde e-bundel dosering en versnellingsenergie nauwkeurig te weerspiegelen. Met een hoge ruimtelijke resolutie van 700 nm in pitch het sensovlak, kan deze detector ook een minimaal detectie e-bundel doseringniveau van 24 μC/cm² bij 5 keV demonstreren.

De twee-dimensionale afbeeldingen op de 8 × 8 testarrays worden gedemonstreerd in Fig. 7, na 30 keV e-bundel met dosering van 0,2 μC/cm², 0,6 μC/cm² en 1 μC/cm² worden vergeleken.

De voorgestelde e-bundel detector kent niet alleen lineaire en hoge respons op dosering en versnellingsenergie, de capaciteit van in-pixel data-opslag is een van zijn unieke eigenschappen. Zoals de data in Fig. 8 gedemonstreerd, kan de BL-stroomverschuiving geïnduceerd door e-bundelblootstelling relatief stabiel blijven bij 85 graden Celsius voor dagen; daarom kunnen de e-bundel detectieresultaten in het opslagknooppunt zonder externe voeding blijven, wat de daaropvolgende off-line elektrische uitlezing door automatische meetsystemen mogelijk maakt.

Het experiment uitgevoerd in Fig. 9 impliceert dat er een lichte afname zal zijn op de verzamelingsefficiëntie van de voorgestelde e-bundel detector wanneer de buurpixel al geladen is. Vanwege het negatieve potentieel van aangrenzende pixels, ervaren de elektronen afstotende kracht tijdens injectie; dus moeten patronen en array-ontwerp overwogen worden om dergelijke patroon-interferentie-effect te reduceren.

Conclusies

In dit werk wordt een in-tool, on-wafer e-bundel detectormatrix gepresenteerd met FinFET CMOS logica compatibiliteit, breed dynamisch bereik en hoge responsiviteit. De unieke compacte 2T-pixelstructuur kan de ruimtelijke resolutie verbeteren met sub-micron pixel-pitch. De geprojecteerde e-bundel beeldvorming en detectieresultaten kunnen non-volatiel opgeslagen worden zonder externe voeding in het sensings/opslagknooppunt van de voorgestelde nieuwe e-bundel detector, wat off-line elektrische uitlezing mogelijk maakt. Ten slotte wordt de voorgestelde e-bundel detectormatrix beschouwd als de veelbelovende oplossing voor het verbeteren van de stabiliteit van toekomstige e-bundel lithografie systemen en processen.