Fortschrittlicher 16-nm FinFET CMOS Detektor-Array für Echtzeit In-situ Elektronenstrahl-Imaging

Zusammenfassung

Eine neuartige in situ Imaging-Lösung und Detektor-Array für fokussierte Elektronenstrahlen (e-Beam) werden erstmals vorgeschlagen und demonstriert. Der vorgeschlagene In-Tool, On-Wafer e-Beam Detektor-Array bietet vollständige FinFET CMOS-Logik-Kompatibilität, kompakte 2T-Pixel-Struktur, schnelles Ansprechverhalten, hohe Responsivität und großen Dynamikbereich. Das e-Beam-Imaging-Muster und die Detektionsergebnisse können im Sensing/Speicher-Knoten ohne externe Stromversorgung gespeichert werden, was Offline-Elektrisches Auslesen ermöglicht. Dies kann genutzt werden, um zeitnahes Feedback der Schlüssellparameter des e-Beams auf den projizierten Wafern bereitzustellen – einschließlich Dosierung, Beschleunigungsenergie und Intensitätsverteilungen.

Einleitung

Fokussierte Elektronenstrahlen (e-Beam) finden in verschiedenen Anwendungen Verwendung. Ein spezielles Beispiel sind Beschleuniger und Freie-Elektronen-Laser (FEL), die die Teilnahme von e-Beams erfordern [1, 2]. Andererseits spielt e-Beam eine wichtige Rolle im Halbleiterfertigungsprozess; frühere Berichte schlugen e-Beam-Behandlung für Grenzflächenmodifikation von Damaszener-Interconnects vor, wodurch die elektrische Leistung von Kupfer und Low-κ-Dielektrika verbessert werden kann, ohne deren Filmqualität oder Dielektrizitätskonstante zu beeinträchtigen [3]. Zudem ist bewiesen, dass bestimmte EUV-Photoresists unter e-Beam-Belichtung ohne chemische Mittel hergestellt werden können [4]. Außerdem wurde e-Beam-Technologie entwickelt, um Muster direkt auf Wafer zu schreiben [5] – wodurch Transistoren [6, 7], Polymerstrukturen [8], Nanodrähte [9] und andere Nanostrukturen [10] erzeugt werden. Des Weiteren ist Photomasken-Fertigung mittels e-Beam zu einer der gängigsten Methoden für Nanometer-CMOS-Technologien geworden [11–14]. All diese Anwendungen können jedoch scheitern, wenn e-Beam nicht präzise kontrolliert werden kann – um sicherzustellen, dass Beschleunigungsenergie, Dosierung und Gleichmäßigkeit konsistent sind.

Zur weiteren Überwachung e-Beam-Beschleunigungsenergie und -Dosierung innerhalb der Prozesskammer ist ein In-Tool, On-Wafer e-Beam-Detektor notwendig. Eine frühere Studie zu e-Beam-Detektor mittels Dünnfilm-Thermoelement [15] kann die Verteilung hochenergetischer Elektronen nicht direkt messen und weist aufgrund der Limitation des Thermoelements mangelnde Empfindlichkeit auf. Es gibt auch optische Detektionsmethoden mit Fasern [16] und anderen Geräten wie Pockels-Zellen [17]. Andererseits werden Mikrokanalplatten (MCP) häufig für Detektion einzelner Teilchen und Strahlung eingesetzt [18, 19]; mit geeignetem Instrumentendesign und gut abgestimmten Parametern können e-Beam-Detektionsergebnisse mittels optischer Methoden und MCP durchaus zufriedenstellend sein. Doch ist es eine Herausforderung, sie in einen kleinen Chip zu integrieren, was sie nicht zum besten Kandidaten für In-Tool, On-Wafer e-Beam-Detektion macht. Konventionelle CMOS-Bildsensor (CIS) Methoden mit Active Pixel Sensor (APS) können hilfreich sein [20, 21], da Elektronen direkt gesammelt werden können und Rauschen durch sorgfältig entworfenes Auslese-Schema reduziert werden kann – was zu höherem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) führt; jedoch wird eine externe Stromversorgung zum Antrieb des konventionellen APS-Chips während des Sensings benötigt, was dessen Machbarkeit verringert und die Komplexität des e-Beam-Kammerdesigns erhöht.

In dieser Studie wird ein In-Tool, On-Wafer Ansatz für e-Beam-Detektion ohne externe Stromversorgung vorgeschlagen und verifiziert. Der vorgeschlagene e-Beam-Detektor/Rekorder nutzt Floating Gate als Sensorknoten, der mit 16-nm FinFET CMOS-Logikprozess kompatibel ist. Er bietet Speicherfähigkeit der Detektionsergebnisse, kompaktes 2-Transistor (2T) Pixel, schnelles Ansprechverhalten, großen Dynamikbereich und hohe Responsivität. Nach In-Line e-Beam-Bestrahlung können die Schlüsselcharakteristika Elektronendosierung und Beschleunigungsenergie dann problemlos und schnell durch Offline-Elektrische Strom-Spannungs-Messung (IV) extrahiert werden – wie Wafer Acceptance Test (WAT) und andere nicht-destruktive Ausleseverfahren.

Pixel-Struktur und Methodik

Der experimentelle Aufbau und das grundlegende Betriebsprinzip des vorgeschlagenen In-Tool e-Beam-Rekorders sind in Abb. 1 skizziert. Während der e-Beam-Belichtung wird der vorgeschlagene On-Wafer-Detektor zunächst in die e-Beam-Kammer platziert (Abb. 1a), wo er injizierte hochenergetische Elektronen durch die Floating-Gate-Struktur sammelt. Bei Kollision hochenergetischer Elektronen mit Metall- und Dielektrikumschichten darüber nimmt die Energie der entsprechenden Elektronen ab. Abhängig von der Beschleunigungsenergie der injizierten Elektronen erreichen Teile davon die Floating Gates und ruhen dort, woraufhin der gespürte Pegel nach Belichtung gespeichert wird. Daher wird ohne Stromversorgung des Detektor-Chips der projizierte e-Beam-Pegel an jedem Ort im einzigartigen 2T-Pixel gespeichert, dessen Schema in Abb. 1b dargestellt ist. Nach In-Line e-Beam-Belichtung können die entsprechende Dosierung und Beschleunigungsenergie durch Offline-Elektrische Strom-Spannungs-Messung (IV) ausgelesen werden, wie die Messdaten in Abb. 1c zeigen – was zur Rekonstruktion des projizierten e-Beam-Imaging, Musters und in situ Intensitätsverteilung genutzt werden kann. Für Chip-Level Detektor-Arrays kann der Bildauslesesprozess erheblich verbessert werden, wenn parallele Auslese-Peripherieschaltungen integriert werden – die Auslesezeit wird auf Millisekunden-Bereich erwartet. Zudem kann der Detektor-Array nach Initialisierungsschritt innerhalb von Sekunden für die nächste e-Beam-Detektion aufgefrischt werden.

Die dreidimensionale Strukturillustration des vorgeschlagenen e-Beam-Detektors mit kompakter 2T-Pixel-Struktur ist in Abb. 2a dargestellt. Er besteht aus p-Kanal-Transistoren, gefertigt in reinem 16-nm FinFET CMOS-Technologie – einschließlich eines Row-Select (RS) Transistors zur Steuerung sequentiellen Auslesens und eines Floating-Gate (FG) Transistors zur Speicherung der Sensing-Ergebnisse. Die einzigartige kompakte Pixel-Struktur und der In-Pixel FG-Speicher-/Sensorknoten sind deutlich in Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Bildern entlang Bit Line (BL) und entsprechendem Layout sichtbar, wie in Abb. 2b und c gezeigt. Der Pixel-Pitch des vorgeschlagenen 2T-Pixels kann auf 0,7 μm skaliert werden, was hohe räumliche Auflösung e-Beam-Imaging und -Detektion ermöglicht.

Während der Injektion treten sowohl Sekundärelektronen (SE) als auch Rückstreuelektronen (BSE) Emission auf. SE sind Elektronen, die durch inelastische Streuung der Oberfläche aus dem Target-Material ausgestoßen werden, während BSE Elektronen des Primärstrahls sind, die in das Target-Material injiziert wurden und dann elastisch bei großen Winkeln ausgestreut werden [22]. Daher kann positive Ladung dem belichteten Pixel durch den oben genannten Effekt eingeführt werden; diese positive Ladung könnte mit der gespeicherten negativen Ladung rekombinieren. Generell ist das Netto-Potential des Speicherknotens in dieser Studie negativ, da der SE-Emissionskoeffizient – definiert als Verhältnis SE-Strom zu Primärelektronenstrom – für die meisten Metallarten bei Energien über 5 keV niedriger als 1 ist [23]. Daher können sowohl positive als auch negative Ladungen im Pixel-Unit gespeichert werden, und beide spiegeln sich im ausgelesenen Strom wider.

Experimentelle Ergebnisse und Diskussion

Die Trajektorie injizierter e-Beams kann durch Monte-Carlo-Simulationsergebnisse geschätzt werden [24]. Wie die Daten in Abb. 3a anzeigen, wird erwartet, dass e-Beam bei höherer Beschleunigungsenergie tiefer eindringt; daher steigen Sammel-Effizienz und Anzahl Elektronen, die durch Wafer-Oberfläche in den vorgeschlagenen Detektor eindringen, für Elektronen mit höherer Energie (zwischen 0 und 30 keV) – wie Simulationsdaten in Abb. 3b nahelegen. Für e-Beam-Energien über 30 keV werden die meisten Elektronen in das Silizium-Substrat eindringen, was die FG-Sammel-Effizienz verringert. Die Sammel-Effizienz (η) ist wie folgt definiert:

η = Q_FG / Q_total

wobei Q_FG für in FG gesammelte und gespeicherte Ladung steht und Q_total die gesamten injizierten Elektronen vom angewendeten e-Beam repräsentiert.

Gemäß Simulationsergebnissen in Abb. 3 wird erwartet, dass e-Beam eindringt und durch eine Distanz von wenigen Mikrometern reist. Die Elektronengeschwindigkeit vor Injektion kann bei 10 keV Energie 6 cm/ns erreichen [25]; die Ansprechzeit wird auf Mikrosekunden-Niveau geschätzt [26] – was Reaktionen auf schnelle Scanning e-Beams ermöglicht.

Vor In-Kammer e-Beam-Belichtung muss die durch Halbleiterfertigungsprozessschritte induzierte FG-Ladung (Q_FG) [27, 28] beseitigt werden. Hier wird ein Initialisierungsschritt durch Backen der Detektor-Chips bei 250 °C durchgeführt. Wie die Messdaten in Abb. 4a bestätigen, verengt sich die BL-Stromverteilung, da zufällig platzierte Ladung entfernt wird. Der gesamte ausgelesene BL-Strom wird nach Initialisierung unter 0,1 pA, wie in Abb. 4b dargestellt – was suggeriert, dass FG-Ladung effektiv geleert werden kann.

Die BL-Stromverteilung der Pixel in ihren initialisierten Zuständen und nach steigender e-Beam-Bestrahlung bei fixer Energie 30 keV wird in Abb. 5 demonstriert. Messdaten zeigen, dass BL-Strom mit größerer e-Beam-Dosierung zunimmt. Die injizierten, vom Detektor gesammelten Elektronen laden FG auf ein bestimmtes negatives Bias-Level auf, was die p-Kanal FG-Transistoren graduell einschaltet – resultierend in größeren ausgelesenen BL-Strömen. Darüber hinaus implizieren die gemessenen Daten, dass noch Spielraum im Bereich mehrerer Größenordnungen besteht, bevor BL-Strom Sättigung erreicht – was es für weiten Dynamikbereich-Sensing geeignet macht.

Wie Messdaten in Abb. 6 offenbaren, ist der ausgelesene BL-Strom-Shift positiv korreliert mit der Beschleunigungsenergie des angewendeten e-Beams – was den Simulationsergebnissen in Abb. 3 entspricht und validiert, dass der vorgeschlagene Detektor die Charakteristika injizierter e-Beam-Dosierung und -Beschleunigungsenergie präzise reflektieren kann. Mit hoher räumlicher Auflösung von 700 nm Pitch in der Sensorebene kann dieser Detektor auch ein minimales Sensing e-Beam-Dosierungs-Level von 24 μC/cm² bei 5 keV demonstrieren.

Zweidimensionale Bilder auf 8×8 Test-Arrays werden in Abb. 7 demonstriert – nach 30 keV e-Beam mit Dosierungen 0,2 μC/cm², 0,6 μC/cm² und 1 μC/cm² im Vergleich.

Der vorgeschlagene e-Beam-Detektor bietet nicht nur lineares und hohes Ansprechen auf Dosierung und Beschleunigungsenergie – die Fähigkeit zur In-Pixel-Datenspeicherung ist eine seiner einzigartigen Eigenschaften. Wie Daten in Abb. 8 demonstriert, bleibt der durch e-Beam-Belichtung induzierte BL-Strom-Shift bei 85 °C für Tage relativ stabil; daher können e-Beam-Detektionsergebnisse im Speicherknoten ohne externe Stromversorgung verbleiben – was konsequentes Offline-Elektrisches Auslesen durch automatische Messsysteme ermöglicht.

Das in Abb. 9 dargestellte Experiment impliziert, dass die Sammel-Effizienz des vorgeschlagenen e-Beam-Detektors leicht abnimmt, wenn das benachbarte Pixel bereits geladen ist. Aufgrund negativen Potentials von Adjazenten Pixeln erfahren Elektronen abstoßende Kraft während Injektion; daher müssen Muster und Array-Design berücksichtigt werden, um solchen Pattern-Interface-Effekt zu reduzieren.

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit wird ein In-Tool, On-Wafer e-Beam Detektor-Array präsentiert, das FinFET CMOS-Logik-Kompatibilität, großen Dynamikbereich und hohe Responsivität aufweist. Die einzigartige kompakte 2T-Pixel-Struktur verbessert räumliche Auflösung mit sub-mikron Pixel-Pitch. Projizierte e-Beam-Imaging und Detektionsergebnisse können nicht-flüchtig ohne externe Stromversorgung im Sensing/Speicher-Knoten des neuartigen e-Beam-Detektors gespeichert werden – was Offline-Elektrisches Auslesen ermöglicht. Schließlich wird der vorgeschlagene e-Beam Detektor-Array als vielversprechende Lösung für die Verbesserung der Stabilität zukünftiger e-Beam-Lithografie-Systeme und -Prozesse angesehen.