Matriz de detectores para geração de imagens de feixe de elétrons in situ por tecnologia FinFET CMOS de 16 nm

Resumo

Um romance in situ A solução de imagem e a matriz de detectores para o feixe de elétrons focalizado (e-beam) são propostas e demonstradas pela primeira vez. A matriz de detectores de feixe eletrônico em wafer na ferramenta proposta apresenta compatibilidade lógica FinFET CMOS completa, estrutura compacta de pixels 2 T, resposta rápida, alta responsividade e ampla faixa dinâmica. O padrão de imagem de feixe eletrônico e os resultados de detecção podem ser armazenados posteriormente no nó de detecção / armazenamento sem fonte de alimentação externa, permitindo a leitura elétrica off-line, que pode ser usada para fornecer feedback rápido e oportuno dos principais parâmetros do feixe elétrico as bolachas projetadas, incluindo dosagem, energia de aceleração e distribuições de intensidade.

Introdução

O feixe de elétrons focado (e-beam) pode ser utilizado em diversas aplicações, um exemplo especial são os 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 o tratamento de feixe eletrônico para a modificação da interface da interconexão damascena, o desempenho elétrico do cobre e do dielétrico baixo-κ pode ser melhorado sem prejudicar a qualidade do filme ou a constante dielétrica [3]. Além disso, está comprovado que certo tipo de fotorresiste EUV pode ser feito sob exposição a feixe de elétrons sem agentes químicos [4]. Além disso, a tecnologia de feixe eletrônico foi desenvolvida para escrever padrões no wafer diretamente [5], criando transistores [6, 7], estruturas poliméricas [8], nanofios [9] e outras nanoestruturas [10]. Além disso, a fabricação de fotomáscara usando feixe eletrônico se tornou um dos métodos mais comuns para tecnologias CMOS nanométricas [11,12,13,14]. No entanto, todas as aplicações acima podem falhar se o feixe eletrônico não puder ser controlado com precisão, garantindo que a energia de aceleração do feixe eletrônico, a dosagem e a uniformidade sejam consistentes.

Para monitorar ainda mais a energia de aceleração do feixe eletrônico e a dosagem dentro da câmara de processamento, é necessário um detector de feixe eletrônico integrado na ferramenta. Um estudo anterior sobre detector de feixe eletrônico usando termopar de película fina [15] não pode medir diretamente a distribuição de elétrons de alta energia e falta de sensibilidade devido à limitação do próprio termopar. Existem também métodos de detecção óptica usando fibras [16] e outros dispositivos como a célula de Pockels [17]. Por outro lado, a placa de microcanais (MCP) é comumente usada para a detecção de partícula única e radiação [18, 19]; com design instrumental adequado e parâmetros bem ajustados, os resultados da detecção de feixe eletrônico usando métodos ópticos e MCP podem ser bastante satisfatórios. No entanto, é um desafio para eles serem integrados a um pequeno chip, o que os torna não os melhores candidatos para detecção de feixe eletrônico na ferramenta e no wafer. Métodos convencionais de sensor de imagem CMOS (CIS) que empregam 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 um sinal mais alto. relação ao ruído (SNR); entretanto, uma fonte de alimentação externa para acionar o chip APS convencional é necessária durante a detecção, reduzindo sua viabilidade e aumentando a complexidade do projeto da câmara de feixe eletrônico.

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

Estrutura e metodologia de pixel

A configuração experimental e o princípio operacional básico do gravador de feixe eletrônico proposto na ferramenta são descritos na Fig. 1. Durante a exposição do feixe eletrônico, o detector de wafer proposto será primeiramente colocado dentro da câmara de feixe eletrônico conforme ilustrado em Fig. 1a, coletando os elétrons de alta energia injetados pela estrutura de porta flutuante. Conforme os elétrons de alta energia colidem com as camadas metálicas e dielétricas acima, a energia dos elétrons correspondentes diminui conseqüentemente. Dependendo da energia acelerada dos elétrons injetados, parte deles chegará e repousará nas portas flutuantes, que então serão armazenadas no nível detectado após a exposição. Portanto, sem fonte de alimentação para o chip de detecção, os níveis de e-feixe projetados em cada local serão armazenados no pixel 2 T único, cujo esquema é como a Fig. 1b. Após a exposição do feixe eletrônico em linha, a dosagem correspondente e a energia de aceleração podem ser lidas por medição de corrente elétrica off-line (IV), conforme mostrado pelos dados de medição na Fig. 1c, que podem ser usados para reconstruir a imagem projetada de feixe eletrônico, padrão e in situ distribuição de intensidade. Para a matriz de detectores de nível de chip, a leitura da imagem pode ser muito melhorada se o circuito periférico de leitura paralela for incorporado, cujo tempo de leitura deve estar dentro de ms. Além disso, o conjunto de detectores pode ser atualizado para a próxima detecção de feixe eletrônico após a etapa de inicialização em segundos.

a A configuração experimental e b esquemático da matriz de detectores de feixe eletrônico proposta, comece com detecção na câmara, leitura off-line on-wafer e imagem de intensidade reconstruída por c seus resultados de medição de características elétricas

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

a A estrutura 3D, b Imagem TEM ao longo de BL e c ilustração de layout do detector de feixe eletrônico proposto, apresentando pixel 2-FinFET compacto com um nó de armazenamento / detecção FG por tecnologias FinFET CMOS de 16 nm

Durante a injeção, ocorrerão a emissão de elétrons secundários (SE) e de elétrons retroespalhados (BSE). SE são os elétrons ejetados do material alvo devido ao espalhamento inelástico da superfície, enquanto BSE são os elétrons do feixe primário que injetou o material alvo e então se espalhou elasticamente em grandes ângulos [22]. Portanto, a carga positiva pode ser introduzida no pixel exposto pelo efeito acima, essa carga positiva pode ser recombinada com a carga negativa armazenada. Geralmente, o potencial líquido do nó de armazenamento é negativo neste estudo, porque o coeficiente de emissão SE, que é definido como a razão entre a corrente SE e a corrente eletrônica primária, da maioria dos tipos de metal é menor que 1 para energia maior que 5 keV [23]. Conseqüentemente, as cargas positivas e negativas podem ser armazenadas na unidade de pixel e ambas refletirão na corrente lida.

Resultados experimentais e discussão

A trajetória do e-beam injetado pode ser estimada pelos resultados da simulação de Monte-Carlo [24], como os dados da Fig. 3a indicam, espera-se que o e-beam viaje mais fundo 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. Já para a energia do feixe eletrônico maior que 30 keV, a maioria dos elétrons penetrará no substrato de silício, diminuindo a eficiência de coleta de FG. A eficiência de coleta (\ (\ upeta \)) é definida como segue:
$$ \ eta =\ frac {{Q} _ {FG}} {{Q} _ {total}}, $$ (1)
onde \ ({Q} _ {FG} \) representa a carga coletada e armazenada no FG, e \ ({Q} _ {total} \) representa o total de elétrons injetados do feixe de elétrons aplicado.

a Resultados da simulação de Monte Carlo da trajetória projetada do elétron injetado com diferentes energias de aceleração, e b a profundidade de projeção correspondente e a probabilidade de penetração na matriz de detectores on-wafer

De acordo com os resultados da simulação na Fig. 3, espera-se que o feixe de elétrons penetre e percorra uma distância de alguns mícrons, e a velocidade do elétron antes da injeção pode chegar a 6 cm / ns com energia de 10 keV [25], o tempo de resposta é estimado em um nível de µsec [26], permitindo respostas a feixes eletrônicos de varredura rápida.

Antes da exposição do feixe eletrônico na câmara, a carga FG (Q _FG ) induzido a partir das etapas do processo de fabricação de semicondutores [27, 28] devem ser eliminadas. Aqui, uma etapa de inicialização ao assar os chips do detector a 250 graus Celsius é conduzida, conforme os dados de medição corroborados na Fig. 4a, a distribuição de corrente BL aumenta conforme a carga colocada aleatoriamente é removida. A leitura geral da corrente BL torna-se inferior a 0,1pA após a inicialização, conforme disposto na Fig. 4b, sugerindo que a carga FG pode ser efetivamente esvaziada.

a A distribuição da corrente BL será apertada após o cozimento em 250 ° C por mais de 100 k segundos e b o gráfico cumulativo indica que a corrente lida converge para abaixo de 0,1pA, o que garante ainda mais Q _FG está limpo

A distribuição da corrente BL dos pixels em seus estados inicializados e depois de aumentar a radiação do feixe eletrônico a uma energia fixa de 30 keV é demonstrada na Fig. 5. Os dados de medição indicam que a corrente BL aumentará com a dosagem do feixe eletrônico maior. Os elétrons injetados coletados pelo detector irão carregar FG até um certo nível de polarização negativa, que irá gradualmente ligar os transistores FG do canal p, resultando em maiores correntes BL de leitura. Além disso, os dados medidos indicam que ainda há espaço na faixa de várias ordens de magnitude antes que a corrente BL atinja a saturação, tornando-a adequada para detecção de ampla faixa dinâmica.

A distribuição dos detectores propostos no estado inicializado e após a exposição do feixe eletrônico com dosagem crescente a um nível de energia fixo de 30 keV

Como os dados de medição na Fig. 6 revelam, a mudança de corrente do BL de leitura está positivamente correlacionada com a energia de aceleração do feixe e aplicado, que é esperada para os resultados da simulação na Fig. 3, validar o detector proposto pode refletir precisamente as características da dosagem injetada do feixe eletrônico e da energia de aceleração. Com uma alta resolução espacial de 700 nm na inclinação do plano de detecção, este detector também pode demonstrar um nível mínimo de dosagem de feixe eletrônico de detecção de 24μC / cm ² a 5 keV.

A dosagem injetada e sua energia de aceleração podem ser refletidas com precisão pela corrente BL resultante da matriz exposta de feixe de elétrons

As imagens bidimensionais nas matrizes de teste 8 × 8 são demonstradas na Fig. 7, após feixe eletrônico de 30 keV com dosagem de 0,2 μC / cm ² , 0,6μC / cm ² e 1μC / cm ² são comparados.

As imagens bidimensionais após exposição de feixe eletrônico de 30 keV com uma dosagem de a 0,2μC / cm ² , b 0,6μC / cm ² e c 1μC / cm ² , respectivamente

O detector de feixe eletrônico proposto não apenas apresenta resposta linear e alta à dosagem e energia de aceleração, como também a capacidade de armazenamento de dados no pixel é uma de suas propriedades únicas. Como os dados demonstraram na Fig. 8, a mudança de corrente BL induzida pela exposição do e-feixe pode permanecer relativamente estável em 85 graus Celsius por dias; portanto, os resultados da detecção de feixe eletrônico podem permanecer no nó de armazenamento sem alimentação externa, permitindo a consequente leitura elétrica off-line por sistemas de medição automática.

Os resultados da detecção de feixe eletrônico podem ser armazenados no detector proposto e os dados permanecem relativamente estáveis por dias, permitindo a leitura off-line on-wafer

O experimento conduzido na Fig. 9 implica que haverá uma ligeira diminuição na eficiência de coleta do detector de feixe eletrônico proposto quando o pixel vizinho já estiver carregado. Devido ao potencial negativo dos pixels adjacentes, os elétrons sofrem força repulsiva durante a injeção; portanto, os padrões e o projeto da matriz devem ser considerados para reduzir esse efeito de interface de padrão.

A eficiência de coleta é ligeiramente reduzida pela porta flutuante totalmente armazenada nas células adjacentes, onde algum efeito de interferência do padrão é esperado

Conclusões

Neste trabalho, uma matriz de detectores de feixe eletrônico em wafer com compatibilidade lógica FinFET CMOS, ampla faixa dinâmica e alta responsividade é apresentada. A estrutura compacta de pixel 2 T exclusiva pode melhorar a resolução espacial com densidade de pixel sub-mícron. Os resultados de imagem e detecção de feixe eletrônico projetados podem ser armazenados de forma não volátil sem fonte de alimentação externa no nó de detecção / armazenamento do novo detector de feixe eletrônico proposto, permitindo a leitura elétrica off-line. Finalmente, acredita-se que a matriz de detectores de feixe eletrônico proposta seja a solução promissora para aumentar a estabilidade de futuros sistemas e processos de litografia de feixe eletrônico.

Disponibilidade de dados e materiais

Não aplicável.

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