Array Detektor CMOS FinFET 16-nm Canggih untuk Citram Elektron Berkas Fokus In-Situ Real-Time
Abstract
Solusi citram in situ baru dan array detektor untuk berkas elektron fokus (e-beam) diajukan dan divisualisasikan untuk pertama kalinya. Array detektor e-beam on-wafer in-tool yang diusulkan memiliki kompatibilitas logika FinFET CMOS penuh, struktur piksel 2 T yang kompak, respons cepat, responsivitas tinggi, dan rentang dinamis yang luas. Pola citram dan hasil deteksi e-beam dapat disimpan lebih lanjut pada node sensing/penyimpanan tanpa suplidan daya eksternal, memungkinkan pembacaan listrik off-line, yang dapat digunakan untuk memberikan umpan balik yang tepat waktu tentang parameter kunci e-beam pada wafer yang diproyeksikan, termasuk dos, energi percepatan, dan distribusi intensitas.
Pendahuluan
Berkas elektron fokus (e-beam) dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, satu contoh khusus adalah di accelerators dan free-electron lasers (FEL) yang membutuhkan partisipasi e-beam [1, 2]. Di sisi lain, e-beam memainkan peran penting dalam proses manufaktur semikonduktor; laporan sebelumnya mengusulkan treatment e-beam untuk modifikasi antarmuka interkoneksi damascene, performa listrik tembaga dan dielektrik rendah-κ dapat ditingkatkan tanpa mengganggu kualitas film atau konstanta dielektrik mereka [3]. Selain itu, terbukti bahwa jenis EUV photoresist tertentu dapat dibuat di bawah paparan e-beam tanpa agen kimia [4]. Selain itu, teknologi e-beam telah dikembangkan untuk menulis pola pada wafer secara langsung [5], menciptakan transistor [6, 7], struktur polimer [8], nanowires [9], dan struktur nano lainnya [10]. Selain itu, pembuatan photomask menggunakan e-beam telah menjadi salah satu metode paling umum untuk teknologi CMOS nanometer [11,12,13,14]. Namun, semua aplikasi di atas mungkin gagal jika e-beam tidak dapat dikontrol dengan presisi, memastikan bahwa energi percepatan, dos, dan keseragaman e-beam konsisten.
Untuk memantau energi percepatan dan dos e-beam di dalam kamar proses, detektor e-beam on-wafer in-tool diperlukan. Satu studi sebelumnya tentang detektor e-beam menggunakan termokopel tipis [15] tidak dapat mengukur distribusi elektron energi tinggi secara langsung dan kurang sensitif karena keterbatasan termokopel itu sendiri. Ada juga metode deteksi optik menggunakan serat optik [16] dan perangkat lain seperti sel Pockels [17]. Di sisi lain, microchannel plate (MCP) umum digunakan untuk deteksi partikel tunggal dan radiasi [18, 19]; dengan desain instrumen yang sesuai dan parameter yang disesuaikan dengan baik, hasil deteksi e-beam menggunakan metode optik dan MCP cukup memuaskan. Namun, bagi mereka adalah tantangan untuk diintegrasikan ke dalam chip kecil, yang membuat mereka bukan kandidat terbaik untuk deteksi e-beam on-wafer in-tool. Metode citram sensor konvensional (CIS) yang menggunakan active pixel sensor (APS) dapat membantu [20, 21], karena elektron dapat dikumpulkan secara langsung, dan derau dapat dikurangi oleh skema pembacaan yang dirancang dengan hati-hati, menghasilkan rasio sinyal-derau (SNR) yang lebih tinggi; namun, suplidan daya eksternal diperlukan untuk menggerakkan chip APS konvensional selama sensing, mengurangi kelaybakannya dan meningkatkan kompleksitas desain kamar e-beam.
Dalam studi ini, pendekatan on-wafer in-tool untuk deteksi e-beam tanpa suplidan daya eksternal diajukan dan diverifikasi. Detektor/perekam e-beam yang diusulkan mengadopsi floating gate sebagai node sensing yang kompatibel dengan proses logika FinFET CMOS 16-nm, dengan kemampuan penyimpanan hasil deteksi, piksel 2-transistor (2 T) yang kompak, respons cepat, rentang dinamis yang luas dan responsivitas tinggi. Setelah radiasi e-beam in-line, karakteristik kunci dos elektron dan energi percepatan dapat dengan mudah dan cepat diekstrak oleh pengukuran listrik off-line, seperti tes penerimaan wafer (WAT) dan prosedur pembacaan non-destruktif lainnya.
Struktur Piksel dan Metodologi
Setup eksperimental dan prinsip operasional dasar dari perekam e-beam in-tool yang diusulkan diringkaskan sebagai Gambar 1. Selama paparan e-beam, detektor on-wafer yang diusulkan akan ditempatkan di dalam kamar e-beam seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1a, mengumpulkan elektron energi tinggi yang diinjeksi oleh struktur floating gate. Seperti elektron energi tinggi bertabrakan dengan lapisan logam dan dielektrik di atas, energi dari elektron yang bersesuaian berkurang sebagai akibatnya. Tergantung pada energi percepatan elektron yang diinjeksi, sebagian dari mereka akan mencapai dan berlindung pada floating gate, yang kemudian menyimpan tingkat yang dirasakan setelah paparan. Oleh karena itu, tanpa suplidan daya ke chip deteksi, tingkat e-beam yang diproyeksikan di setiap situs akan disimpan dalam piksel 2 T unik yang skematiknya adalah Gambar 1b. Setelah paparan e-beam in-line, dos dan energi percepatan yang sesuai dapat dibaca oleh pengukuran listrik current–voltage (IV) off-line, seperti yang ditunjukkan oleh data pengukuran pada Gambar 1c, yang dapat digunakan untuk merekonstruksi citram, pola dan distribusi intensitas in situ e-beam yang diproyeksikan. Untuk array detektor level chip, pembacaan citra dapat sangat ditingkatkan jika rangkaian periferal pembacaan paralel diintegrasikan, yang waktu pembacaan diharapkan dalam rentang msec. Selain itu, array detektor dapat di-refresh untuk deteksi e-beam berikutnya setelah tahap inisialisasi dalam hitungan detik.
a Setup eksperimental dan b skematis array detektor e-beam yang diusulkan, dimulai dengan deteksi in-chamber, pembacaan off-line on-wafer dan citram intensitas yang direkonstruksi oleh c hasil pengukuran karakteristik listriknya
Ilustrasi struktur tiga dimensi dari detektor e-beam yang diusulkan dengan struktur piksel 2 T yang kompak adalah Gambar 2a, yang terdiri dari transistor p-channel yang dibuat dengan teknologi FinFET CMOS 16-nm murni, termasuk satu transistor row select (RS) yang dapat digunakan untuk mengontrol pembacaan berurutan; dan yang lain adalah transistor floating gate (FG) untuk menyimpan hasil sensing. Struktur piksel kompak unik dan node penyimpanan FG dalam piksel dapat diamati dengan jelas oleh gambar mikroskop transmisi elektron (TEM) sepanjang bit line (BL) dan tata letak yang sesuai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b dan c, masing-masing. Jarak piksel piksel 2 T yang diusulkan dapat disesuaikan menjadi 0,7 μm, memungkinkan resolusi spasial yang tinggi untuk citram dan deteksi e-beam.
a Struktur 3D, b gambar TEM sepanjang BL dan c ilustrasi tata letak dari detektor e-beam yang diusulkan, dengan piksel FinFET 2 kompak dengan node sensing/penyimpanan FG oleh teknologi FinFET CMOS 16-nm
Selama injeksi, emisi elektron sekunder (SE) dan elektron kembali (BSE) akan terjadi. SE adalah elektron yang dikeluarkan dari materi target karena pencitraan inelastis permukaan, sementara BSE adalah elektron dari berkas primer yang diinjeksi ke materi target dan kemudian terpencitra elastis dengan sudut besar [22]. Oleh karena itu, muatan positif mungkin diperkenalkan ke piksel yang diekspos oleh efek di atas, muatan positif tersebut mungkin direkombinasikan dengan muatan negatif yang tersimpan. Secara umum, potensi neto dari node penyimpanan adalah negatif dalam studi ini, karena koefisien emisi SE, yang didefinisikan sebagai rasio antara arus SE dan arus elektron primer, dari sebagian besar jenis logam lebih rendah dari 1 untuk energi di atas 5 keV [23]. Oleh karena itu, baik muatan positif maupun negatif dapat disimpan dalam unit piksel, dan keduanya akan tercermin pada arus pembacaan.
Hasil dan Pembahasan Eksperimental
Trajektur berkas e-beam yang diinjeksi dapat diperkirakan oleh hasil simulasi Monte-Carlo [24], seperti yang ditunjukkan oleh data pada Gambar 3a, berkas e-beam diharapkan akan menembus lebih dalam dengan energi percepatan yang lebih tinggi; oleh karena itu, efisiensi koleksi serta jumlah elektron yang menembus ke detektor yang diusulkan melalui permukaan wafer akan meningkat untuk elektron dengan energi yang lebih tinggi (antara 0 dan 30 keV) seperti yang disarankan oleh data simulasi pada Gambar 3b. Untuk energi e-beam di atas 30 keV, sebagian besar elektron akan menembus ke substrat silicon, mengurangi efisiensi koleksi FG. Efisiensi koleksi (\(\upeta\)) didefinisikan sebagai berikut:
$$\eta =\frac{{Q}_{FG}}{{Q}_{total}},$$ (1)
di mana \({Q}_{FG}\) mewakili muatan yang dikumpulkan dan disimpan di FG, dan \({Q}_{total}\) mewakili total elektron yang diinjeksi dari berkas e-beam yang diterapkan.
a Hasil simulasi Monte Carlo dari trajektur proyeksi elektron yang diinjeksi dengan energi percepatan yang berbeda, dan b kedalaman proyeksi yang sesuai dan probabilitas penetrasi pada array detektor on-wafer
Menurut hasil simulasi pada Gambar 3, berkas e-beam diharapkan akan menembus dan melintasi jarak beberapa mikron, dan kecepatan elektron sebelum injeksi dapat mencapai 6 cm/ns pada energi 10 keV [25], waktu respons diperkirakan dalam level μsec [26], memungkinkan respons terhadap berkas e-beam pemindaian cepat.
Sebelum paparan e-beam in-chamber, muatan FG (QFG) yang diinduksi dari langkah proses manufaktur semikonduktor [27, 28] harus dikosongkan. Di sini, langkah inisialisasi dengan memanaskan chip detektor pada 250 derajat Celsius dilakukan, seperti data pengukuran yang dikonfirmasi pada Gambar 4a, distribusi arus BL akan menyempit karena muatan yang ditempatkan secara acak dihapus. Arus BL keseluruhan setelah inisialisasi menjadi lebih rendah dari 0,1pA, seperti yang diatur pada Gambar 4b, yang mengindikasikan bahwa muatan FG dapat dikosongkan secara efektif.
a Distribusi arus BL akan menyempit setelah memanaskan pada 250 °C selama lebih dari 100 k detik dan b plot kumulatif menunjukkan arus baca konvergen di bawah 0,1pA yang memastikan lebih lanjut QFG telah dikosongkan
Distribusi arus BL dari piksel dalam keadaan inisialisasi mereka dan itu setelah meningkatkan radiasi e-beam pada energi tetap 30 keV ditunjukkan pada Gambar 5. Data pengukuran menunjukkan arus BL akan meningkat dengan dos e-beam yang lebih besar. Elektron yang diinjeksi yang dikumpulkan oleh detektor akan mengisi FG ke suatu tingkat bias negatif tertentu, yang akan secara bertahap menyala transistor FG p-channel, menghasilkan arus BL pembacaan yang lebih besar. Selain itu, data yang diukur mengindikasikan masih ada ruang dalam rentang beberapa orde besar sebelum arus BL mencapai saturasi, membuatnya cocok untuk sensing rentang dinamis yang luas.
Distribusi detektor yang diusulkan dalam keadaan inisial dan itu setelah paparan e-beam dengan dos yang meningkat pada tingkat energi tetap 30 keV
Seperti yang terlihat dari data pengukuran pada Gambar 6, pergeseran arus BL pembacaan berkorelasi positif dengan energi percepatan dari berkas e-beam yang diterapkan, yang diharapkan sesuai dengan hasil simulasi pada Gambar 3, memvalidasi bahwa detektor yang diusulkan dapat secara presisi mencerminkan karakteristik dos dan energi percepatan berkas e-beam yang diinjeksi. Dengan resolusi spasial tinggi 700 nm dalam jarak pada bidang sensing, detektor ini juga dapat menunjukkan tingkat dos e-beam sensing minimum 24μC/cm2 pada 5 keV.
Dos yang diinjeksi dan energi percepatannya dapat secara presisi tercermin oleh arus BL yang dihasilkan dari array yang diekspose e-beam
Citra dua dimensi pada array tes 8 × 8 ditunjukkan pada Gambar 7, setelah 30 keV e-beam dengan dos 0,2μC/cm2, 0,6μC/cm2 dan 1μC/cm2 dibandingkan.
Citra dua dimensi setelah paparan e-beam 30 keV dengan dos a 0,2μC/cm2, b 0,6μC/cm2 dan c 1μC/cm2, masing-masing
Detektor e-beam yang diusulkan tidak hanya memiliki respons linier dan tinggi terhadap dos dan energi percepatan, kemampuan penyimpanan data dalam piksel adalah salah satu properti uniknya. Seperti yang ditunjukkan oleh data pada Gambar 8, pergeseran arus BL yang diinduksi oleh paparan e-beam dapat tetap relatif stabil pada 85 derajat Celsius selama berhari-hari; oleh karena itu, hasil deteksi e-beam dapat tetap tersimpan di node penyimpanan tanpa daya eksternal, memungkinkan pembacaan listrik off-line oleh sistem pengukuran otomatis.
Hasil sensing e-beam dapat disimpan dalam detektor yang diusulkan dan data tetap relatif stabil selama hari-hari, memungkinkan pembacaan on-wafer off-line
Eksperimen yang dilakukan pada Gambar 9 mengindikasikan akan ada penurunan ringan pada efisiensi koleksi detektor e-beam yang diusulkan ketika piksel tetangga sudah diisi muatan. Karena potensi negatif dari piksel bersebelahan, elektron mengalami gaya tolak selama injeksi; oleh karena itu, pola dan desain array harus dipertimbangkan untuk mengurangi efek antarmuka pola tersebut.
Efisiensi koleksi ditemukan sedikit berkurang oleh floating gate yang sepenuhnya diisi pada sel bersebelahan, di mana beberapa efek interferensi pola diharapkan
Kesimpulan
Dalam karya ini, array detektor e-beam on-wafer in-tool yang dihadirkan dengan kompatibilitas logika FinFET CMOS, rentang dinamis yang luas dan responsivitas tinggi. Struktur piksel 2 T unik yang kompak dapat meningkatkan resolusi spasial dengan jarak piksel sub-mikron. Pola citram dan hasil deteksi e-beam yang diproyeksikan dapat disimpan secara non-volatil tanpa suplidan daya eksternal di node sensing/penyimpanan detektor e-beam inovatif yang diusulkan, memungkinkan pembacaan listrik off-line. Terakhir, array detektor e-beam yang diusulkan dipercaya menjadi solusi yang menjanjikan untuk meningkatkan stabilitas sistem dan proses litografi e-beam di masa depan.
