Matriz de detectores para imágenes de haz de electrones in situ mediante tecnología FinFET CMOS de 16 nm
Resumen
Una novela in situ La solución de imágenes y la matriz de detectores para el haz de electrones enfocado (haz-e) son la primera vez que se proponen y demuestran. La matriz propuesta de detectores de haz electrónico en la herramienta y en oblea presenta compatibilidad lógica FinFET CMOS completa, estructura compacta de 2 T de píxeles, respuesta rápida, alta capacidad de respuesta y amplio rango dinámico. El patrón de imágenes del rayo electrónico y los resultados de la detección se pueden almacenar en el nodo de detección / almacenamiento sin una fuente de alimentación externa, lo que permite la lectura eléctrica fuera de línea, que se puede utilizar para proporcionar rápidamente información oportuna sobre los parámetros clave del rayo electrónico en las obleas proyectadas, incluida la dosificación, la energía de aceleración y las distribuciones de intensidad.
Introducción
El haz de electrones enfocado (e-beam) se puede utilizar en varias aplicaciones, un ejemplo especial son los aceleradores y láseres de electrones libres (FEL) que requiere la participación de e-beam [1, 2]. Por otro lado, el rayo electrónico juega un papel importante en el proceso de fabricación de semiconductores; informes anteriores propusieron un tratamiento con haz de electrones para la modificación de la interfaz de la interconexión damasquinada, el rendimiento eléctrico del cobre y el dieléctrico de bajo κ se puede mejorar sin dañar la calidad de la película o la constante dieléctrica [3]. Además, está comprobado que se puede fabricar cierto tipo de fotorresistente EUV bajo exposición al rayo electrónico sin agentes químicos [4]. Además, la tecnología e-beam ha sido desarrollada para escribir patrones en la oblea directamente [5], creando transistores [6, 7], estructuras poliméricas [8], nanocables [9] y otras nanoestructuras [10]. Además, la fabricación de fotomáscaras utilizando e-beam se ha convertido en uno de los métodos más comunes para las tecnologías CMOS nanométricas [11,12,13,14]. Sin embargo, todas las aplicaciones anteriores pueden fallar si el rayo electrónico no se puede controlar con precisión, lo que garantiza que la energía, la dosificación y la uniformidad de aceleración del rayo electrónico sean consistentes.
Para monitorear aún más la dosificación y la energía de aceleración del rayo electrónico dentro de la cámara de procesamiento, es necesario un detector de rayo electrónico integrado en la oblea. Un estudio anterior sobre el detector de haz electrónico que utiliza termopar de película delgada [15] no puede medir directamente la distribución de electrones de alta energía y la falta de sensibilidad debido a la limitación del propio termopar. También existen métodos de detección óptica que utilizan fibras [16] y otros dispositivos como la celda de Pockels [17]. Por otro lado, la placa de microcanal (MCP) se usa comúnmente para la detección de partículas individuales y radiación [18, 19]; Con un diseño instrumental adecuado y parámetros bien ajustados, los resultados de detección del haz de electrones utilizando métodos ópticos y MCP pueden ser bastante satisfactorios. Sin embargo, es un desafío para ellos integrarse en un chip pequeño, lo que los convierte en el mejor candidato para la detección de rayo electrónico en la herramienta y en la oblea. Los métodos convencionales de sensor de imagen CMOS (CIS) que emplean un sensor de píxeles activos (APS) pueden ser útiles [20, 21], porque los electrones se pueden recolectar directamente y el ruido se puede reducir mediante el esquema de lectura cuidadosamente diseñado, lo que conduce a una señal más alta. relación a ruido (SNR); sin embargo, se requiere una fuente de alimentación externa para impulsar el chip APS convencional durante la detección, lo que reduce su viabilidad y aumenta la complejidad del diseño de la cámara del rayo electrónico.
En este estudio, se propone y verifica un enfoque en la herramienta, en la oblea para la detección de haz de electrones sin fuente de alimentación externa. El detector / registrador de haz electrónico propuesto adopta una puerta flotante como nodo de detección que es compatible con el proceso lógico FinFET CMOS de 16 nm, con capacidad de almacenamiento de resultados de detección, píxel compacto de 2 transistores (2 T), respuesta rápida, amplio rango dinámico y alta capacidad de respuesta. Después de la radiación de haz electrónico en línea, las características clave de la dosificación de electrones y la energía de aceleración pueden extraerse fácil y rápidamente mediante medición eléctrica fuera de línea, como la prueba de aceptación de obleas (WAT) y otros procedimientos de lectura no destructivos.
Metodología y estructura de píxeles
La configuración experimental y el principio operativo básico del registrador de haz electrónico integrado en la herramienta propuesto se describen en la Fig. 1. Durante la exposición del haz electrónico, el detector en oblea propuesto se colocará en primer lugar dentro de la cámara del haz eléctrico como se ilustra en Fig. 1a, recolectando los electrones de alta energía inyectados por la estructura de la puerta flotante. A medida que los electrones de alta energía chocan con las capas de metal y dieléctricas superiores, la energía de los electrones correspondientes disminuye en consecuencia. Dependiendo de la energía de aceleración de los electrones inyectados, parte de ellos alcanzará y descansará sobre las puertas flotantes, que luego se almacenarán al nivel detectado después de la exposición. Por lo tanto, sin suministro de energía al chip de detección, los niveles de haz de electrones proyectados en cada sitio se almacenarán en el píxel único de 2 T cuyo esquema es el de la Fig. 1b. Después de la exposición al rayo electrónico en línea, la dosis correspondiente y la energía de aceleración se pueden leer mediante la medición de la corriente eléctrica-voltaje (IV) fuera de línea, como se muestra en los datos de medición en la Fig. 1c, que se pueden usar para reconstruir la proyección de imagen del haz de electrones, el patrón y in situ distribución de intensidad. Para la matriz de detectores a nivel de chip, la lectura de la imagen se puede mejorar en gran medida si se incorpora un circuito periférico de lectura en paralelo, cuyo tiempo de lectura se espera que sea de milisegundos. Además, la matriz de detectores se puede actualizar para la siguiente detección de rayo electrónico después del paso de inicialización en segundos.
un La configuración experimental y b Esquema de la matriz de detectores de haz electrónico propuesto, comience con detección en la cámara, lectura fuera de línea en oblea e imagen de intensidad reconstruida por c sus resultados de medición de características eléctricas
La ilustración de la estructura tridimensional del detector de haz electrónico propuesto con un píxel compacto de 2 T es como la Fig.2a, que consta de transistores de canal p fabricados con tecnologías FinFET CMOS puras de 16 nm, incluido un transistor de selección de fila (RS) que se puede utilizar para controlar la lectura secuencial; y el otro es un transistor de puerta flotante (FG) para almacenar los resultados de la detección. La estructura de píxeles compacta única y el nodo de almacenamiento de FG en el píxel se pueden observar claramente mediante las imágenes del microscopio electrónico de transmisión (TEM) a lo largo de la línea de bits (BL) y el diseño correspondiente como se muestra en la Fig. 2b yc, respectivamente. El tamaño de píxel del píxel de 2 T propuesto se puede reducir a 0,7 μm, lo que permite una alta resolución espacial de las imágenes y la detección de haz electrónico.
un La estructura 3D, b Imagen TEM a lo largo de BL y c Ilustración del diseño del detector de haz electrónico propuesto, que presenta un píxel compacto de 2-FinFET con un nodo de almacenamiento / detección de FG mediante tecnologías FinFET CMOS de 16 nm
Durante la inyección, se producirán emisiones de electrones secundarios (SE) y de electrones retrodispersados (BSE). SE son los electrones expulsados del material objetivo debido a la dispersión inelástica de la superficie, mientras que BSE son los electrones del haz primario que inyecta el material objetivo y luego se dispersa elásticamente en ángulos grandes [22]. Por lo tanto, la carga positiva podría introducirse en el píxel expuesto por el efecto anterior, esas cargas positivas podrían recombinarse con la carga negativa almacenada. Generalmente, el potencial neto del nodo de almacenamiento es negativo en este estudio, porque el coeficiente de emisión SE, que se define como la relación entre la corriente SE y la corriente de electrones primarios, de la mayoría de los tipos de metales es menor que 1 para energía superior a 5 keV [23]. Por lo tanto, tanto las cargas positivas como las negativas se pueden almacenar en la unidad de píxeles, y ambas se reflejarán en la corriente leída.
Discusión y resultados experimentales
La trayectoria del rayo-e inyectado puede estimarse mediante los resultados de la simulación de Monte-Carlo [24], como indican los datos de la Fig. 3a, se espera que el rayo-e viaje más profundo con mayor energía de aceleración; por lo tanto, la eficiencia de recolección, así como el número de electrones penetrados en el detector propuesto a través de la superficie de la oblea, aumentará para los electrones con mayor energía (entre 0 y 30 keV) como los datos de simulación sugeridos en la Fig. 3b. En cuanto a la energía del haz de electrones superior a 30 keV, la mayoría de los electrones penetrarán en el sustrato de silicio, disminuyendo la eficiencia de recolección de FG. La eficiencia de recolección (\ (\ upeta \)) se define de la siguiente manera:
$$ \ eta =\ frac {{Q} _ {FG}} {{Q} _ {total}}, $$ (1)donde \ ({Q} _ {FG} \) representa la carga recolectada y almacenada en el FG, y \ ({Q} _ {total} \) representa el total de electrones inyectados del rayo electrónico aplicado.
un Resultados de la simulación Monte Carlo de la trayectoria proyectada del electrón inyectado con diferente energía de aceleración, y b la correspondiente profundidad de proyección y probabilidad de penetración en la matriz de detectores en la oblea
De acuerdo con los resultados de la simulación en la Fig. 3, se espera que el rayo electrónico penetre y viaje a una distancia de unas pocas micras, y la velocidad del electrón antes de la inyección puede alcanzar los 6 cm / ns a una energía de 10 keV [25], Se estima que el tiempo de respuesta está dentro del nivel de μseg [26], lo que permite respuestas a rayos-e de barrido rápido.
Antes de la exposición al rayo electrónico en la cámara, la carga de FG (Q FG ) inducidos por los pasos del proceso de fabricación de semiconductores [27, 28] deben eliminarse. Aquí, se lleva a cabo un paso de inicialización horneando los chips detectores a 250 grados Celsius, ya que los datos de medición corroborados en la Fig. 4a, la distribución de corriente BL se aprieta a medida que se elimina la carga colocada aleatoriamente. La corriente BL de lectura total se vuelve inferior a 0.1pA después de la inicialización, como se muestra en la Fig. 4b, lo que sugiere que la carga de FG se puede vaciar de manera efectiva.
un La distribución de la corriente BL se ajustará después de hornear a 250 ° C durante más de 100 k segundos y b el gráfico acumulativo indica que la corriente de lectura converge por debajo de 0.1pA, lo que asegura aún más Q FG se borra
La distribución de corriente BL de los píxeles en sus estados inicializados y que después de aumentar la radiación del rayo electrónico a una energía fija de 30 keV se demuestra en la Fig. 5. Los datos de medición indican que la corriente BL aumentará con una dosis mayor del rayo electrónico. Los electrones inyectados recogidos por el detector cargarán FG a un cierto nivel de polarización negativa, que activará gradualmente los transistores FG del canal p, lo que dará como resultado corrientes BL de lectura más grandes. Además, los datos medidos implican que todavía hay espacio en el rango de varios órdenes de magnitud antes de que la corriente BL alcance la saturación, lo que lo hace adecuado para la detección de rango dinámico amplio.
La distribución de los detectores propuestos en el estado inicializado y después de la exposición al haz de electrones con dosis crecientes a un nivel de energía fijo de 30 keV
Como revelan los datos de medición en la Fig.6, el cambio de corriente BL de lectura se correlaciona positivamente con la energía de aceleración del rayo electrónico aplicado, que se espera para los resultados de la simulación en la Fig.3, la validación del detector propuesto puede reflejar con precisión las características de la dosificación del rayo electrónico inyectado y la energía de aceleración. Con una alta resolución espacial de 700 nm en el plano de detección, este detector también puede demostrar un nivel de dosificación de haz electrónico de detección mínimo de 24 μC / cm 2 a 5 keV.
La dosis inyectada y su energía de aceleración pueden reflejarse con precisión mediante la corriente BL resultante de la matriz expuesta del rayo electrónico
Las imágenes bidimensionales en las matrices de prueba de 8 × 8 se muestran en la Fig.7, después de un rayo electrónico de 30 keV con una dosis de 0,2 μC / cm 2 , 0,6 μC / cm 2 y 1μC / cm 2 se comparan.
Las imágenes bidimensionales después de una exposición a un rayo electrónico de 30 keV con una dosis de a 0,2 μC / cm 2 , b 0,6 μC / cm 2 y c 1μC / cm 2 , respectivamente
El detector de haz electrónico propuesto no solo presenta una respuesta lineal y alta a la dosificación y la energía de aceleración, la capacidad de almacenamiento de datos en píxeles es una de sus propiedades únicas. Como demuestran los datos en la Fig. 8, el cambio de corriente BL inducido por la exposición al rayo electrónico puede permanecer relativamente estable en 85 grados Celsius durante días; por lo tanto, los resultados de la detección del rayo electrónico pueden permanecer en el nodo de almacenamiento sin alimentación externa, lo que permite la consiguiente lectura eléctrica fuera de línea mediante sistemas de medición automáticos.
Los resultados de la detección del rayo electrónico se pueden almacenar en el detector propuesto y los datos permanecen relativamente estables durante días, lo que permite la lectura fuera de línea en la oblea
El experimento realizado en la Fig. 9 implica que habrá una ligera disminución en la eficiencia de recolección del detector de haz electrónico propuesto cuando el píxel vecino ya está cargado. Debido al potencial negativo de los píxeles adyacentes, los electrones experimentan una fuerza repulsiva durante la inyección; por lo tanto, se deben considerar los patrones y el diseño de matrices para reducir dicho efecto de interfaz de patrón.
Se encuentra que la eficiencia de recolección se reduce ligeramente por una puerta flotante completamente almacenada en las celdas adyacentes, donde se espera algún efecto de interferencia de patrón
Conclusiones
En este trabajo, se presenta una matriz de detectores de rayo electrónico en oblea en la herramienta que presenta compatibilidad lógica FinFET CMOS, amplio rango dinámico y alta capacidad de respuesta. La exclusiva estructura compacta de píxeles de 2 T puede mejorar la resolución espacial con un tamaño de píxel submicrónico. Los resultados de detección e imágenes de haz de electrones proyectados se pueden almacenar de forma no volátil sin una fuente de alimentación externa en el nodo de detección / almacenamiento del nuevo detector de haz de electrones propuesto, lo que permite una lectura eléctrica fuera de línea. Por último, se cree que la matriz de detectores de haz de electrones propuesta es la solución prometedora para mejorar la estabilidad de los futuros sistemas y procesos de litografía de haz de electrones.
Disponibilidad de datos y materiales
No aplica.
Nanomateriales
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