Array de detectores CMOS FinFET de 16 nm avanzado para imágenes en tiempo real de haz de electrones in-situ

Resumen

Se propone y demuestra por primera vez una solución de imagen in-situ y un array de detectores para haz de electrones enfocado (haz-e). El array de detectores de haz-e propuesto, integrado en la herramienta y en el wafer, presenta compatibilidad total con lógica CMOS FinFET, estructura de píxel compacta de 2 transistores (2T), respuesta rápida, alta responsividad y amplio rango dinámico. El patrón de imagen de haz-e y los resultados de detección pueden almacenarse en el nodo de detección/almacenamiento sin fuente de alimentación externa, permitiendo lectura eléctrica off-line, que puede usarse para proporcionar retroalimentación oportuna de los parámetros clave del haz-e en los wafers proyectados, incluyendo dosificación, energía de aceleración y distribuciones de intensidad.

Introducción

El haz de electrones enfocado (haz-e) puede usarse en diversas aplicaciones, un ejemplo especial es en aceleradores y láseres de electrones libres (FEL) que requieren participación de haz-e [1, 2]. Por otro lado, el haz-e juega un papel importante en el proceso de fabricación de semiconductores; informes previos propusieron tratamiento con haz-e para modificación de interfaz de interconexión damascena, mejorando el rendimiento eléctrico de cobre y dieléctrico low-κ sin dañar su calidad de película o constante dieléctrica [3]. Además, se ha demostrado que cierto tipo de fotorresistencia EUV puede fabricarse bajo exposición de haz-e sin agentes químicos [4]. Además, la tecnología de haz-e se ha desarrollado para escribir patrones directamente en el wafer [5], creando transistores [6, 7], estructuras poliméricas [8], nanohilos [9] y otras nanoestructuras [10]. Asimismo, la fabricación de fotomáscaras usando haz-e se ha convertido en uno de los métodos más comunes para tecnologías CMOS nanométricas [11-14]. Sin embargo, todas las aplicaciones anteriores pueden fallar si el haz-e no puede controlarse con precisión, asegurando que la energía de aceleración, dosificación y uniformidad del haz-e sean consistentes.

Para monitorear aún más la energía de aceleración y dosificación del haz-e dentro de la cámara de procesamiento, es necesario un detector de haz-e in-tool, on-wafer. Un estudio previo sobre detector de haz-e usando termopar de película delgada [15] no puede medir directamente la distribución de electrones de alta energía y carece de sensibilidad debido a la limitación del propio termopar. También existen métodos de detección óptica usando fibras [16] y otros dispositivos como celda de Pockels [17]. Por otro lado, la placa de microcanales (MCP) se usa comúnmente para detección de partícula única y radiación [18, 19]; con diseño instrumental adecuado y parámetros bien ajustados, los resultados de detección de haz-e usando métodos ópticos y MCP pueden ser bastante satisfactorios. Sin embargo, es un desafío integrarlos en un chip pequeño, lo que los hace no los mejores candidatos para detección de haz-e in-tool, on-wafer. Los métodos convencionales de sensor de imagen CMOS (CIS) empleando sensor de píxel activo (APS) pueden ser útiles [20, 21], porque los electrones pueden recolectarse directamente y el ruido puede reducirse mediante un esquema de lectura cuidadosamente diseñado, llevando a mayor relación señal-ruido (SNR); sin embargo, se requiere una fuente de alimentación externa para impulsar el chip APS convencional durante la detección, reduciendo su factibilidad y aumentando la complejidad del diseño de cámara de haz-e.

En este estudio, se propone y verifica un enfoque in-tool, on-wafer para detección de haz-e sin fuente de alimentación externa. El detector/grabador de haz-e propuesto adopta compuerta flotante como nodo de detección, compatible con proceso lógico CMOS FinFET de 16 nm, con capacidad de almacenamiento de resultados de detección, píxel compacto de 2 transistores (2T), respuesta rápida, amplio rango dinámico y alta responsividad. Tras la radiación in-line de haz-e, las características clave de dosificación de electrones y energía de aceleración pueden extraerse fácil y rápidamente mediante medición eléctrica off-line, como prueba de aceptación de wafer (WAT) y otros procedimientos de lectura no destructiva.

Estructura de píxel y metodología

La configuración experimental y el principio operativo básico del grabador de haz-e in-tool propuesto se describen en la Fig. 1. Durante la exposición al haz-e, el detector on-wafer propuesto se colocará primero dentro de la cámara de haz-e como se ilustra en Fig. 1a, recolectando los electrones de alta energía inyectados por la estructura de compuerta flotante. Al colisionar electrones de alta energía con capas metálicas y dieléctricas superiores, la energía de los electrones correspondientes disminuye consecuentemente. Dependiendo de la energía de aceleración de electrones inyectados, parte de ellos alcanzarán y reposarán en las compuertas flotantes, almacenándose el nivel detectado tras la exposición. Por tanto, sin fuente de alimentación al chip detector, los niveles de haz-e proyectados en cada sitio se almacenarán en el píxel 2T único cuyo esquema es Fig. 1b. Tras la exposición in-line de haz-e, la dosificación y energía de aceleración correspondientes pueden leerse por medición eléctrica corriente-voltaje (IV) off-line, como muestran los datos de medición en Fig. 1c, que pueden usarse para reconstruir la imagen, patrón y distribución de intensidad in-situ del haz-e proyectado. Para arrays de detectores a nivel de chip, la lectura de imagen puede mejorarse enormemente si se incorpora circuito periférico de lectura en paralelo, cuyo tiempo de lectura se espera dentro de msec. Además, el array de detectores puede refrescarse para la próxima detección de haz-e tras paso de inicialización en segundos.

La ilustración de estructura tridimensional del detector de haz-e propuesto con píxel 2T compacto es Fig. 2a, consistiendo en transistores de canal p fabricados por tecnologías puras CMOS FinFET de 16 nm, incluyendo un transistor de selección de fila (RS) para controlar lectura secuencial; y el otro es un transistor de compuerta flotante (FG) para almacenar resultados de detección. La estructura de píxel compacta única y el nodo de almacenamiento/detección FG en el píxel pueden observarse claramente por imágenes de microscopio electrónico de transmisión (TEM) a lo largo de línea de bit (BL) y el layout correspondiente como se muestra en Fig. 2b y c, respectivamente. El pitch de píxel del píxel 2T propuesto puede escalarse hasta 0,7 μm, permitiendo alta resolución espacial de imagen y detección de haz-e.

Durante la inyección, ocurrirán emisiones tanto de electrones secundarios (SE) como electrones retrodispersados (BSE). Los SE son electrones eyectados del material objetivo debido a dispersión inelástica de la superficie, mientras que los BSE son electrones del haz primario que inyectaron el material objetivo y luego se dispersaron elásticamente a grandes ángulos [22]. Por tanto, 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, definido como la relación entre corriente SE y corriente electrónica primaria, de la mayoría de metales es menor que 1 para energía superior a 5 keV [23]. Por tanto, tanto cargas positivas como negativas pueden almacenarse en la unidad de píxel, y ambas se reflejarán en la corriente de lectura.

Resultados experimentales y discusión

La trayectoria de haz-e inyectado puede estimarse por resultados de simulación Monte-Carlo [24], como indican datos en Fig. 3a, se espera que el haz-e viaje más profundo con mayor energía de aceleración; por tanto, la eficiencia de recolección y el número de electrones penetrados al detector propuesto a través de la superficie del wafer aumentarán para electrones con mayor energía (entre 0 y 30 keV) como sugieren datos de simulación en Fig. 3b. Para energía de haz-e superior a 30 keV, la mayoría de electrones penetrarán al sustrato de silicio, disminuyendo la eficiencia de recolección FG. La eficiencia de recolección (η) se define como:

η = Q_FG / Q_total

donde Q_FG representa carga recolectada y almacenada en FG, y Q_total representa electrones totales inyectados desde el haz-e aplicado.

Según resultados de simulación en Fig. 3, se espera que el haz-e penetre y viaje a través de una distancia de pocos micrones, y la velocidad del electrón antes de inyección puede alcanzar 6 cm/ns a energía de 10 keV [25], el tiempo de respuesta se estima en nivel μsec [26], permitiendo respuestas a haces-e de barrido rápido.

Antes de la exposición in-chamber a haz-e, la carga FG (Q_FG) inducida por pasos de proceso de fabricación de semiconductores [27, 28] debe eliminarse. Aquí, se realiza un paso de inicialización horneando los chips detectores a 250 °C, como corroboran datos de medición en Fig. 4a, la distribución de corriente BL se estrecha al eliminarse la carga colocada aleatoriamente. La corriente de lectura BL general se vuelve menor a 0,1 pA tras inicialización, como se muestra en Fig. 4b, sugiriendo que la carga FG puede vaciarse eficazmente.

La distribución de corriente BL de los píxeles en sus estados inicializados y tras aumento de radiación de haz-e a energía fija de 30 keV se demuestra en Fig. 5. Los datos de medición indican que la corriente BL aumentará con mayor dosificación de haz-e. Los electrones inyectados recolectados por el detector cargarán FG a cierto nivel de sesgo negativo, que gradualmente encenderá los transistores FG de canal p, resultando en mayores corrientes de lectura BL. Además, los datos medidos implican que aún hay margen en el rango de varios órdenes de magnitud antes de que la corriente BL alcance saturación, lo que lo hace adecuado para detección de amplio rango dinámico.

Como revelan los datos de medición en Fig. 6, el desplazamiento de corriente de lectura BL está positivamente correlacionado con la energía de aceleración del haz-e aplicado, lo que se esperaba según resultados de simulación en Fig. 3, validando que el detector propuesto puede reflejar con precisión las características de dosificación y energía de aceleración del haz-e inyectado. Con alta resolución espacial de 700 nm en pitch del plano de detección, este detector también puede demostrar un nivel mínimo de dosificación de haz-e de 24 μC/cm² a 5 keV.

Las imágenes bidimensionales en arrays de prueba 8 × 8 se demuestran en Fig. 7, tras haz-e de 30 keV con dosificación de 0,2 μC/cm², 0,6 μC/cm² y 1 μC/cm² comparados.

El detector de haz-e propuesto no solo presenta respuesta lineal y alta a dosificación y energía de aceleración, la capacidad de almacenamiento de datos en el píxel es una de sus propiedades únicas. Como demuestran datos en Fig. 8, el desplazamiento de corriente BL inducido por exposición a haz-e puede permanecer relativamente estable a 85 °C por días; por tanto, los resultados de detección de haz-e pueden permanecer en el nodo de almacenamiento sin alimentación externa, permitiendo la consiguiente lectura eléctrica off-line por sistemas de medición automáticos.

El experimento realizado en Fig. 9 implica que habrá ligera disminución en la eficiencia de recolección del detector de haz-e propuesto cuando el píxel vecino ya está cargado. Debido al potencial negativo de píxeles adyacentes, los electrones experimentan fuerza repulsiva durante la inyección; por tanto, patrones y diseño de array deben considerarse para reducir tal efecto de interferencia de patrón.

Conclusiones

En este trabajo, se presenta un array de detectores de haz-e in-tool, on-wafer con compatibilidad lógica FinFET CMOS, amplio rango dinámico y alta responsividad. La única estructura de píxel 2T compacta puede mejorar la resolución espacial con pitch de píxel sub-micrónico. La imagen y resultados de detección de haz-e proyectados pueden almacenarse no volátilmente sin fuente de alimentación externa en el nodo de detección/almacenamiento del novedoso detector de haz-e propuesto, permitiendo lectura eléctrica off-line. Finalmente, se cree que el array de detectores de haz-e propuesto es una solución prometedora para mejorar la estabilidad de futuros sistemas y procesos de litografía de haz-e.