Array Detektor untuk Pencitraan Sinar Elektron In Situ oleh Teknologi CMOS FinFET 16-nm
Abstrak
Sebuah novel in situ solusi pencitraan dan array detektor untuk berkas elektron terfokus (e-beam) adalah yang pertama kali diusulkan dan didemonstrasikan. Array detektor e-beam on-wafer dalam alat yang diusulkan memiliki kompatibilitas logika FinFET CMOS penuh, struktur piksel 2 T yang ringkas, respons cepat, responsivitas tinggi, dan rentang dinamis yang lebar. Pola pencitraan e-beam dan hasil deteksi dapat disimpan lebih lanjut di node penginderaan/penyimpanan tanpa catu daya eksternal, memungkinkan pembacaan listrik off-line, yang dapat digunakan untuk secara cepat memberikan umpan balik tepat waktu dari parameter kunci e-beam pada wafer yang diproyeksikan, termasuk dosis, energi percepatan, dan distribusi intensitas.
Pengantar
Berkas elektron terfokus (e-beam) dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, salah satu contoh khusus adalah dalam akselerator dan laser elektron bebas (FEL) yang memerlukan partisipasi e-beam [1, 2]. Di sisi lain, e-beam memainkan peran penting dalam proses manufaktur semikonduktor; laporan sebelumnya mengusulkan perawatan e-beam untuk modifikasi antarmuka interkoneksi damascene, kinerja listrik tembaga dan dielektrik rendah dapat ditingkatkan tanpa merusak kualitas film atau konstanta dielektriknya [3]. Selain itu, terbukti bahwa beberapa jenis fotoresis EUV dapat dibuat di bawah paparan e-beam tanpa bahan kimia [4]. Selain itu, teknologi e-beam telah dikembangkan untuk menulis pola pada wafer secara langsung [5], membuat transistor [6, 7], struktur polimer [8], kawat nano [9], dan struktur nano lainnya [10]. Selanjutnya, fabrikasi photomask menggunakan e-beam telah menjadi salah satu metode yang paling umum untuk teknologi nanometer CMOS [11,12,13,14]. Namun, semua aplikasi di atas mungkin gagal jika e-beam tidak dapat dikontrol dengan tepat, memastikan bahwa energi, dosis, dan keseragaman e-beam yang mempercepat, dosis, dan keseragaman konsisten.
Untuk memantau lebih lanjut energi dan dosis percepatan e-beam di dalam ruang pemrosesan, diperlukan detektor e-beam on-wafer dalam alat. Satu penelitian sebelumnya pada detektor e-beam menggunakan termokopel film tipis [15] tidak dapat secara langsung mengukur distribusi elektron energi tinggi dan kurangnya sensitivitas karena keterbatasan termokopel itu sendiri. Ada juga metode deteksi optik menggunakan serat [16] dan perangkat lain seperti sel Pockels [17]. Di sisi lain, pelat microchannel (MCP) umumnya digunakan untuk mendeteksi partikel tunggal dan radiasi [18, 19]; dengan desain instrumental yang sesuai dan parameter yang disetel dengan baik, hasil deteksi e-beam menggunakan metode optik dan MCP cukup memuaskan. Namun, merupakan tantangan bagi mereka untuk diintegrasikan ke dalam chip kecil, yang membuat mereka bukan kandidat terbaik untuk deteksi e-beam on-wafer dalam alat. Metode sensor gambar CMOS (CIS) konvensional yang menggunakan sensor piksel aktif (APS) dapat membantu [20, 21], karena elektron dapat dikumpulkan secara langsung, dan noise dapat dikurangi dengan skema pembacaan yang dirancang dengan cermat, yang mengarah ke sinyal yang lebih tinggi. rasio kebisingan (SNR); namun, catu daya eksternal untuk menggerakkan chip APS konvensional diperlukan selama penginderaan, mengurangi kelayakannya dan meningkatkan kerumitan desain ruang berkas elektronik.
Dalam studi ini, pendekatan in-tool, on-wafer untuk deteksi e-beam tanpa catu daya eksternal diusulkan dan diverifikasi. Detektor/perekam e-beam yang diusulkan mengadopsi gerbang mengambang sebagai node penginderaan yang kompatibel dengan proses logika FinFET CMOS 16-nm, menampilkan kemampuan penyimpanan hasil deteksi, piksel 2-transistor (2 T) yang ringkas, respons cepat, rentang dinamis yang lebar dan responsivitas yang tinggi. Setelah radiasi e-beam in-line, karakteristik kunci dari dosis elektron dan energi percepatan kemudian dapat dengan mudah dan cepat diekstraksi dengan pengukuran listrik off-line, seperti uji penerimaan wafer (WAT) dan prosedur pembacaan tak rusak lainnya.
Struktur dan Metodologi Piksel
Pengaturan eksperimental dan prinsip operasional dasar dari perekam e-beam dalam alat yang diusulkan diuraikan sebagai Gambar. 1. Selama paparan e-beam, detektor on-wafer yang diusulkan akan ditempatkan pertama kali di dalam ruang e-beam seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1a, mengumpulkan elektron energi tinggi yang disuntikkan oleh struktur gerbang terapung. Saat elektron berenergi tinggi bertabrakan dengan logam dan lapisan dielektrik di atasnya, akibatnya energi elektron yang sesuai berkurang. Tergantung pada energi percepatan elektron yang disuntikkan, sebagian dari mereka akan mencapai dan beristirahat di gerbang apung, yang kemudian disimpan pada tingkat yang dirasakan setelah terpapar. Oleh karena itu, tanpa catu daya ke chip pendeteksi, level e-beam yang diproyeksikan di setiap lokasi kemudian akan disimpan dalam piksel 2 T unik yang skematiknya seperti Gambar 1b. Setelah paparan e-beam in-line, dosis yang sesuai dan energi percepatan dapat dibaca dengan pengukuran arus-tegangan (IV) listrik off-line, seperti yang ditunjukkan oleh data pengukuran pada Gambar 1c, yang dapat digunakan untuk merekonstruksi pencitraan e-beam yang diproyeksikan, pola dan in situ distribusi intensitas. Untuk array detektor tingkat chip, pembacaan gambar dapat sangat ditingkatkan jika rangkaian periferal pembacaan paralel digabungkan, yang waktu pembacaannya diharapkan berada dalam msec. Selain itu, array detektor dapat di-refresh untuk deteksi e-beam berikutnya setelah langkah inisialisasi dalam hitungan detik.
a Penyiapan eksperimental dan b skema dari array detektor e-beam yang diusulkan, mulai dengan deteksi dalam ruang, pembacaan on-wafer off-line dan gambar intensitas direkonstruksi oleh c hasil pengukuran karakteristik kelistrikannya
Ilustrasi struktur tiga dimensi dari detektor e-beam yang diusulkan yang menampilkan piksel 2 T kompak adalah sebagai Gambar. 2a, terdiri dari transistor saluran-p yang dibuat oleh teknologi CMOS FinFET 16-nm murni, termasuk transistor satu baris pilih (RS) yang dapat digunakan untuk mengontrol pembacaan berurutan; dan yang lainnya adalah transistor floating gate (FG) untuk menyimpan hasil penginderaan. Struktur piksel kompak yang unik dan node penyimpanan FG dalam piksel dapat diamati dengan jelas oleh gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) di sepanjang garis bit (BL) dan tata letak yang sesuai masing-masing seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b dan c. Pitch piksel dari piksel 2 T yang diusulkan dapat diperkecil menjadi 0,7 μm, memungkinkan resolusi spasial yang tinggi untuk pencitraan dan deteksi e-beam.
a Struktur 3D, b Gambar TEM di sepanjang BL dan c ilustrasi tata letak detektor e-beam yang diusulkan, menampilkan piksel 2-FinFET kompak dengan node penyimpanan/penginderaan FG oleh teknologi CMOS FinFET 16-nm
Selama injeksi, emisi elektron sekunder (SE) dan elektron hamburan balik (BSE) akan terjadi. SE adalah elektron yang terlontar keluar dari material target akibat hamburan inelastis pada permukaan, sedangkan BSE adalah elektron dari berkas primer yang menyuntikkan material target kemudian dihamburkan secara elastis pada sudut yang besar [22]. Oleh karena itu, muatan positif dapat dimasukkan ke piksel yang terpapar oleh efek di atas, muatan positif tersebut dapat digabungkan kembali dengan muatan negatif yang tersimpan. Umumnya, potensial netto dari simpul penyimpan adalah negatif dalam penelitian 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 yang lebih tinggi dari 5 keV [23]. Oleh karena itu, muatan positif dan negatif dapat disimpan dalam unit piksel, dan keduanya akan direfleksikan pada arus yang terbaca.
Hasil dan Diskusi Eksperimen
Lintasan e-beam yang diinjeksi dapat diperkirakan dengan hasil simulasi Monte-Carlo [24], seperti yang ditunjukkan oleh data pada Gambar 3a, e-beam diperkirakan akan bergerak lebih dalam dengan energi percepatan yang lebih tinggi; oleh karena itu, efisiensi pengumpulan serta jumlah elektron yang ditembus ke detektor yang diusulkan melalui permukaan wafer akan meningkat untuk elektron dengan energi yang lebih tinggi (antara 0 dan 30 keV) seperti yang ditunjukkan oleh data simulasi pada Gambar 3b. Untuk energi e-beam yang lebih tinggi dari 30 keV, sebagian besar elektron akan berpenetrasi ke substrat silikon, sehingga menurunkan efisiensi pengumpulan FG. Efisiensi pengumpulan (\(\upeta\)) didefinisikan sebagai berikut:
$$\eta =\frac{{Q}_{FG}}{{Q}_{total}},$$ (1)
di mana \({Q}_{FG}\) adalah singkatan dari muatan yang dikumpulkan dan disimpan di FG, dan \({Q}_{total}\) mewakili total elektron yang disuntikkan dari e-beam yang diterapkan.
a Hasil simulasi Monte Carlo proyeksi lintasan elektron yang disuntikkan dengan energi percepatan yang berbeda, dan b kedalaman proyeksi yang sesuai dan probabilitas penetrasi ke dalam array detektor on-wafer
Menurut hasil simulasi pada Gambar. 3, e-beam diperkirakan akan menembus dan melakukan perjalanan melalui jarak beberapa mikron, dan kecepatan elektron sebelum injeksi dapat mencapai 6 cm/ns pada energi 10 keV [25], waktu respons diperkirakan berada dalam level sec [26], memungkinkan respons untuk memindai berkas elektronik dengan cepat.
Sebelum paparan e-beam dalam ruang, muatan FG (QFG ) yang diinduksi dari langkah proses pembuatan semikonduktor [27, 28] harus dihilangkan. Di sini, langkah inisialisasi dengan memanggang chip detektor pada 250 derajat Celcius dilakukan, sebagaimana data pengukuran dikuatkan pada Gambar. 4a, distribusi arus BL mengencang saat muatan yang ditempatkan secara acak dihilangkan. Arus BL pembacaan keseluruhan menjadi lebih rendah dari 0,1pA setelah inisialisasi, seperti yang diatur pada Gambar 4b, yang menunjukkan bahwa muatan FG dapat dikosongkan secara efektif.
a Distribusi arus BL akan diperketat setelah dipanggang dalam 250 °C selama lebih dari 100 k detik dan b plot kumulatif menunjukkan konvergensi arus baca ke bawah 0,1pA yang selanjutnya memastikan QFG dibersihkan
Distribusi arus BL piksel dalam keadaan inisialisasi dan setelah meningkatkan radiasi berkas elektronik pada energi tetap 30 keV ditunjukkan pada Gambar 5. Data pengukuran menunjukkan arus BL akan meningkat dengan dosis berkas elektronik yang lebih besar. Elektron yang disuntikkan yang dikumpulkan oleh detektor akan mengisi FG ke tingkat bias negatif tertentu, yang secara bertahap akan menyalakan transistor FG saluran-p, menghasilkan arus BL yang lebih besar. Selanjutnya, data yang diukur menyiratkan masih ada ruang dalam kisaran beberapa urutan besarnya sebelum arus BL mencapai saturasi, sehingga cocok untuk penginderaan rentang dinamis lebar.
Distribusi detektor yang diusulkan pada status inisialisasi dan setelah paparan sinar elektronik dengan dosis yang meningkat pada tingkat energi tetap sebesar 30 keV
Seperti yang ditunjukkan oleh data pengukuran pada Gbr. 6, pergeseran arus BL pembacaan berkorelasi positif dengan energi percepatan dari e-beam yang diterapkan, yang diharapkan untuk hasil simulasi pada Gbr. 3, memvalidasi detektor yang diusulkan dapat secara tepat mencerminkan karakteristik dosis e-beam yang disuntikkan dan energi akselerasi. Dengan resolusi spasial tinggi 700 nm dalam pitch bidang penginderaan, detektor ini juga dapat menunjukkan tingkat dosis e-beam penginderaan minimal 24μC/cm
2
pada 5 keV.
Dosis yang disuntikkan dan energi percepatannya dapat dicerminkan dengan tepat oleh arus BL yang dihasilkan dari larik sinar elektronik yang terpapar
Gambar dua dimensi pada larik uji 8 × 8 ditunjukkan pada Gambar. 7, setelah e-beam 30 keV dengan dosis 0,2μC/cm
2
, 0,6μC/cm
2
dan 1μC/cm
2
dibandingkan.
Gambar dua dimensi setelah paparan e-beam 30 keV dengan dosis a 0,2μC/cm
2
, b 0,6μC/cm
2
dan c 1μC/cm
2
, masing-masing
Detektor e-beam yang diusulkan tidak hanya menampilkan respons linier dan tinggi terhadap dosis dan mempercepat energi, kemampuan penyimpanan data dalam piksel adalah salah satu sifat uniknya. Seperti data yang ditunjukkan pada Gambar. 8, pergeseran arus BL yang disebabkan oleh paparan e-beam dapat tetap relatif stabil pada suhu 85 derajat Celcius selama berhari-hari; oleh karena itu, hasil deteksi e-beam dapat tetap berada di node penyimpanan tanpa daya eksternal, sehingga memungkinkan pembacaan listrik off-line oleh sistem pengukuran otomatis.
Hasil penginderaan e-beam dapat disimpan dalam detektor yang diusulkan dan data tetap relatif stabil selama berhari-hari, memungkinkan pembacaan off-line on-wafer
Eksperimen yang dilakukan pada Gambar. 9 menyiratkan akan ada sedikit penurunan pada efisiensi pengumpulan detektor e-beam yang diusulkan ketika piksel tetangga sudah diisi daya. Karena potensi negatif dari piksel yang berdekatan, elektron mengalami gaya tolak selama injeksi; oleh karena itu, pola dan desain array harus dipertimbangkan untuk mengurangi efek antarmuka pola tersebut.
Efisiensi pengumpulan ditemukan sedikit berkurang dengan gerbang apung yang tersimpan penuh pada sel yang berdekatan, di mana beberapa efek interferensi pola diharapkan
Kesimpulan
Dalam karya ini, array detektor e-beam on-wafer dalam alat yang menampilkan kompatibilitas logika FinFET CMOS, rentang dinamis yang lebar, dan responsivitas tinggi disajikan. Struktur piksel 2 T kompak yang unik dapat meningkatkan resolusi spasial dengan pitch piksel sub-mikron. Pencitraan dan hasil deteksi e-beam yang diproyeksikan dapat disimpan secara non-volatil tanpa catu daya eksternal di node penginderaan/penyimpanan dari detektor e-beam baru yang diusulkan, memungkinkan pembacaan listrik off-line. Terakhir, susunan detektor berkas elektronik yang diusulkan diyakini sebagai solusi yang menjanjikan untuk meningkatkan stabilitas sistem dan proses litografi berkas elektronik di masa depan.
