Array de Detectores CMOS FinFET de 16 nm Avançado para Imagem de Feixe de Elétrons In Situ em Tempo Real

Resumo

Uma nova solução de imagem in situ e array de detectores para feixe de elétrons focalizado (e-beam) são propostos e demonstrados pela primeira vez. O array de detectores de e-beam on-wafer, in-tool, apresenta compatibilidade total com lógica CMOS FinFET, estrutura compacta de pixel de 2 transistores (2T), resposta rápida, alta responsividade e ampla faixa dinâmica. O padrão de imagem e os resultados de detecção do e-beam podem ser armazenados no nó de sensoriamento/armazenamento sem fonte de alimentação externa, permitindo leitura elétrica off-line, que pode ser usada para fornecer rapidamente feedback oportuno dos parâmetros-chave do e-beam nos wafers projetados, incluindo dosagem, energia de aceleração e distribuições de intensidade.

Introdução

O feixe de elétrons focalizado (e-beam) pode ser usado em diversas aplicações, um exemplo especial é em aceleradores e lasers de elétrons livres (FEL), que requerem a participação do e-beam [1, 2]. Por outro lado, o e-beam desempenha um papel importante no processo de fabricação de semicondutores; relatórios anteriores propuseram tratamento com e-beam para modificação de interface de interconexão damasceno, melhorando o desempenho elétrico do cobre e dielétricos low-κ sem danificar sua qualidade de filme ou constante dielétrica [3]. Além disso, comprovou-se que certos tipos de fotorresist EUV podem ser feitos sob exposição a e-beam sem agentes químicos [4]. Ademais, a tecnologia de e-beam foi desenvolvida para escrever padrões diretamente no wafer [5], criando transistores [6, 7], estruturas de polímero [8], nanofios [9] e outras nanoestruturas [10]. Além disso, a fabricação de fotomáscaras usando e-beam tornou-se um dos métodos mais comuns para tecnologias CMOS nanométricas [11-14]. No entanto, todas as aplicações acima podem falhar se o e-beam não puder ser controlado precisamente, garantindo que a energia de aceleração, dosagem e uniformidade do e-beam sejam consistentes.

Para monitorar ainda mais a energia de aceleração e a dosagem do e-beam dentro da câmara de processamento, um detector de e-beam in-tool, on-wafer, é necessário. Um estudo anterior sobre detector de e-beam usando termopar de filme fino [15] não consegue medir diretamente a distribuição de elétrons de alta energia e carece de sensibilidade devido à limitação do próprio termopar. Existem também métodos de detecção óptica usando fibras [16] e outros dispositivos, como célula de Pockels [17]. Por outro lado, a placa de microcanais (MCP) é comumente usada para detecção de partícula única e radiação [18, 19]; com design instrumental adequado e parâmetros bem ajustados, os resultados de detecção de e-beam usando métodos ópticos e MCP podem ser bastante satisfatórios. No entanto, é um desafio integrá-los em um pequeno chip, o que os torna não os melhores candidatos para detecção de e-beam in-tool, on-wafer. Métodos convencionais de sensor de imagem CMOS (CIS) empregando sensor de pixel ativo (APS) podem ser úteis [20, 21], porque os elétrons podem ser coletados diretamente e o ruído pode ser reduzido pelo esquema de leitura cuidadosamente projetado, levando a maior razão sinal-ruído (SNR); porém, uma fonte de alimentação externa para acionar o chip APS convencional é necessária durante a detecção, reduzindo sua viabilidade e aumentando a complexidade do design da câmara de e-beam.

Neste estudo, uma abordagem in-tool, on-wafer, para detecção de e-beam sem fonte de alimentação externa é proposta e verificada. O detector/gravador de e-beam proposto adota porta flutuante como nó de sensoriamento, compatível com processo lógico CMOS FinFET de 16 nm, apresentando capacidade de armazenamento dos resultados de detecção, pixel compacto de 2 transistores (2T), resposta rápida, ampla faixa dinâmica e alta responsividade. Após a radiação de e-beam in-line, as características-chave de dosagem de elétrons e energia de aceleração podem então ser prontamente e rapidamente extraídas por medição elétrica off-line, como teste de aceitação de wafer (WAT) e outros procedimentos de leitura não destrutivos.

Estrutura do Pixel e Metodologia

A configuração experimental e o princípio operacional básico do gravador de e-beam in-tool proposto são descritos na Fig. 1. Durante a exposição ao e-beam, o detector on-wafer proposto será primeiro colocado dentro da câmara de e-beam, conforme ilustrado na Fig. 1a, coletando os elétrons de alta energia injetados pela estrutura de porta flutuante. À medida que elétrons de alta energia colidem com camadas de metal e dielétrico acima, a energia dos elétrons correspondentes diminui consequentemente. Dependendo da energia de aceleração dos elétrons injetados, parte deles alcançará e permanecerá nas portas flutuantes, que então armazenarão o nível sensado após a exposição. Portanto, sem fonte de alimentação no chip de detecção, os níveis de e-beam projetados em cada local serão armazenados no pixel 2T único, cujo esquema é mostrado na Fig. 1b. Após a exposição in-line ao e-beam, a dosagem e energia de aceleração correspondentes podem ser lidas por medição elétrica off-line de corrente-tensão (IV), como mostrado pelos dados de medição na Fig. 1c, que podem ser usados para reconstruir a imagem, padrão e distribuição de intensidade in situ do e-beam projetado. Para array de detectores em nível de chip, a leitura de imagem pode ser muito melhorada se circuito periférico de leitura paralela for incorporado, cujo tempo de leitura é esperado dentro de msec. Além disso, o array de detectores pode ser atualizado para a próxima detecção de e-beam após etapa de inicialização dentro de segundos.

A ilustração da estrutura tridimensional do detector de e-beam proposto com pixel compacto 2T é mostrada na Fig. 2a, consistindo de transistores de canal-p fabricados por tecnologias puras CMOS FinFET de 16 nm, incluindo um transistor de seleção de linha (RS) que pode ser usado para controlar leitura sequencial; e o outro é um transistor de porta flutuante (FG) para armazenar os resultados de sensoriamento. A estrutura compacta única do pixel e o nó de armazenamento/sensoriamento FG in-pixel podem ser observados claramente pelas imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) ao longo da linha de bit (BL) e o layout correspondente, como mostrado na Fig. 2b e c, respectivamente. O passo do pixel do pixel 2T proposto pode ser reduzido para 0,7 μm, permitindo alta resolução espacial de imagem e detecção de e-beam.

Durante a injeção, tanto a emissão de elétrons secundários (SE) quanto elétrons retroespalhados (BSE) ocorrerão. SE são os elétrons ejetados do material alvo devido à dispersão inelástica da superfície, enquanto BSE são os elétrons do feixe primário que injetaram o material alvo e então foram dispersados elasticamente em ângulos grandes [22]. Portanto, carga positiva pode ser introduzida no pixel exposto pelo efeito acima, essas cargas positivas podem se recombinar com a carga negativa armazenada. Geralmente, o potencial líquido do nó de armazenamento é negativo neste estudo, porque o coeficiente de emissão SE, definido como a razão entre a corrente SE e a corrente de elétrons primários, da maioria dos tipos de metal é menor que 1 para energia superior a 5 keV [23]. Portanto, tanto cargas positivas quanto negativas podem ser armazenadas na unidade de pixel, e ambas se refletirão na corrente de leitura.

Resultados Experimentais e Discussão

A trajetória do e-beam injetado pode ser estimada pelos resultados de simulação Monte Carlo [24], conforme os dados na Fig. 3a indicam, espera-se que o e-beam viaje mais profundamente com maior energia de aceleração; portanto, a eficiência de coleta, bem como o número de elétrons penetrados no detector proposto através da superfície do wafer, aumentará para elétrons com maior energia (entre 0 e 30 keV), conforme os dados de simulação sugeridos na Fig. 3b. Quanto a energia de e-beam superior a 30 keV, a maioria dos elétrons penetrará no substrato de silício, diminuindo a eficiência de coleta da FG. A eficiência de coleta (η) é definida como:

$$\eta = \frac{Q_{FG}}{Q_{total}}$$ (1)

onde \(Q_{FG}\) representa a carga coletada e armazenada na FG, e \(Q_{total}\) representa o total de elétrons injetados do e-beam aplicado.

De acordo com os resultados de simulação na Fig. 3, espera-se que o e-beam penetre e viaje através de uma distância de alguns mícrons, e a velocidade do elétron antes da injeção pode atingir 6 cm/ns na energia de 10 keV [25], o tempo de resposta é estimado em nível de μseg [26], permitindo respostas a e-beams de varredura rápida.

Antes da exposição in-câmara ao e-beam, a carga da FG (Q_FG) induzida pelas etapas do processo de fabricação de semicondutores [27, 28] deve ser eliminada. Aqui, uma etapa de inicialização por aquecimento dos chips detectores a 250 graus Celsius é realizada, conforme os dados de medição corroborados na Fig. 4a, a distribuição de corrente BL aperta à medida que a carga aleatoriamente colocada é removida. A corrente de leitura BL geral torna-se menor que 0,1 pA após inicialização, conforme organizado na Fig. 4b, sugerindo que a carga da FG pode ser efetivamente esvaziada.

A distribuição de corrente BL dos pixels em seus estados inicializados e após radiação de e-beam crescente a uma energia fixa de 30 keV é demonstrada na Fig. 5. Os dados de medição indicam que a corrente BL aumentará com maior dosagem de e-beam. Os elétrons injetados coletados pelo detector carregarão a FG para um certo nível de polarização negativa, que gradualmente ligará os transistores FG de canal-p, resultando em maiores correntes de leitura BL. Além disso, os dados medidos implicam que ainda há espaço na faixa de várias ordens de magnitude antes que a corrente BL atinja saturação, tornando-a adequada para sensoriamento de ampla faixa dinâmica.

Conforme os dados de medição na Fig. 6 revelam, o deslocamento da corrente de leitura BL é positivamente correlacionado com a energia de aceleração do e-beam aplicado, o que é esperado pelos resultados de simulação na Fig. 3, validando que o detector proposto pode refletir precisamente as características de dosagem e energia de aceleração do e-beam injetado. Com alta resolução espacial de 700 nm no plano de sensoriamento, este detector também pode demonstrar nível mínimo de dosagem de e-beam de 24 μC/cm² a 5 keV.

As imagens bidimensionais nos arrays de teste 8 × 8 são demonstradas na Fig. 7, após e-beam de 30 keV com dosagem de 0,2 μC/cm², 0,6 μC/cm² e 1 μC/cm² serem comparados.

O detector de e-beam proposto não apenas apresenta resposta linear e alta à dosagem e energia de aceleração, a capacidade de armazenamento de dados in-pixel é uma de suas propriedades únicas. Conforme os dados demonstrados na Fig. 8, o deslocamento da corrente BL induzido pela exposição ao e-beam pode permanecer relativamente estável a 85 graus Celsius por dias; portanto, os resultados de detecção de e-beam podem permanecer no nó de armazenamento sem fonte de alimentação externa, permitindo a consequente leitura elétrica off-line por sistemas de medição automáticos.

O experimento conduzido na Fig. 9 implica que haverá leve diminuição na eficiência de coleta do detector de e-beam proposto quando o pixel vizinho já estiver carregado. Devido ao potencial negativo dos pixels adjacentes, os elétrons experimentam força repulsiva durante a injeção; portanto, padrões e design do array devem ser considerados para reduzir tal efeito de interface de padrão.

Conclusões

Neste trabalho, um array de detectores de e-beam in-tool, on-wafer, com compatibilidade lógica CMOS FinFET, ampla faixa dinâmica e alta responsividade é apresentado. A estrutura única de pixel compacto 2T pode melhorar a resolução espacial com passo de pixel sub-micrométrico. A imagem de e-beam projetada e os resultados de detecção podem ser armazenados não-volatilmente sem fonte de alimentação externa no nó de sensoriamento/armazenamento do novo detector de e-beam proposto, permitindo leitura elétrica off-line. Finalmente, acredita-se que o array de detectores de e-beam proposto seja uma solução promissora para aumentar a estabilidade de futuros sistemas e processos de litografia de e-beam.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Não aplicável.