Matrice de détecteurs pour l'imagerie par faisceau d'électrons in situ grâce à la technologie FinFET CMOS 16 nm

Introduction

Le faisceau d'électrons focalisé (e-beam) peut être utilisé dans diverses applications, un exemple particulier est dans les accélérateurs et les lasers à électrons libres (FEL) qui nécessitent la participation d'e-beam [1, 2]. D'autre part, le faisceau électronique joue un rôle important dans le processus de fabrication des semi-conducteurs; des rapports antérieurs proposaient un traitement par faisceau électronique pour la modification de l'interface de l'interconnexion damasquinée, les performances électriques du cuivre et du diélectrique à faible κ peuvent être améliorées sans endommager la qualité de leur film ou leur constante diélectrique [3]. En outre, il est prouvé que certains types de résine photosensible EUV peuvent être fabriqués sous exposition à un faisceau électronique sans agents chimiques [4]. De plus, la technologie e-beam a été développée pour écrire directement des motifs sur la plaquette [5], créant des transistors [6, 7], des structures polymères [8], des nanofils [9] et d'autres nanostructures [10]. De plus, la fabrication de photomasques à l'aide d'un faisceau électronique est devenue l'une des méthodes les plus courantes pour les technologies CMOS nanométriques [11,12,13,14]. Cependant, toutes les applications ci-dessus peuvent échouer si le faisceau électronique ne peut pas être contrôlé avec précision, garantissant que l'énergie d'accélération, le dosage et l'uniformité du faisceau électronique sont cohérents.

Pour surveiller davantage l'énergie d'accélération du faisceau électronique et le dosage à l'intérieur de la chambre de traitement, un détecteur de faisceau électronique intégré à la plaquette est nécessaire. Une étude précédente sur le détecteur de faisceau électronique utilisant un thermocouple à couche mince [15] ne peut pas mesurer directement la distribution des électrons à haute énergie et le manque de sensibilité en raison de la limitation du thermocouple lui-même. Il existe également des méthodes de détection optique utilisant des fibres [16] et d'autres dispositifs tels que la cellule de Pockels [17]. D'autre part, la plaque à microcanaux (MCP) est couramment utilisée pour la détection de particules uniques et de rayonnements [18, 19]; avec une conception instrumentale appropriée et des paramètres bien réglés, les résultats de détection des faisceaux électroniques à l'aide de méthodes optiques et de MCP peuvent être tout à fait satisfaisants. Pourtant, c'est un défi pour eux d'être intégrés dans une petite puce, ce qui en fait pas le meilleur candidat pour la détection de faisceau électronique dans l'outil et sur la plaquette. Les méthodes conventionnelles de capteur d'image CMOS (CIS) utilisant un capteur de pixels actif (APS) peuvent être utiles [20, 21], car les électrons peuvent être collectés directement et le bruit peut être réduit par le schéma de lecture soigneusement conçu, conduisant à un signal plus élevé. rapport sur bruit (SNR) ; cependant, une alimentation externe pour piloter la puce APS conventionnelle est requise pendant la détection, ce qui réduit sa faisabilité et augmente la complexité de la conception de la chambre à faisceau électronique.

Dans cette étude, une approche sur plaquette intégrée à l'outil pour la détection de faisceaux électroniques sans alimentation électrique externe est proposée et vérifiée. Le détecteur/enregistreur de faisceau électronique proposé adopte une porte flottante comme nœud de détection compatible avec le processus logique FinFET CMOS 16 nm, offrant une capacité de stockage des résultats de détection, un pixel compact à 2 transistors (2 T), une réponse rapide, une large plage dynamique et une grande réactivité. Après le rayonnement du faisceau électronique en ligne, les caractéristiques clés du dosage des électrons et de l'énergie d'accélération peuvent ensuite être extraites facilement et rapidement par des mesures électriques hors ligne, telles que le test d'acceptation des plaquettes (WAT) et d'autres procédures de lecture non destructives.

Structure et méthodologie des pixels

La configuration expérimentale et le principe de fonctionnement de base de l'enregistreur de faisceau électronique intégré à l'outil proposé sont décrits à la figure 1. Au cours de l'exposition au faisceau électronique, le détecteur sur plaquette proposé sera d'abord placé à l'intérieur de la chambre à faisceau électronique, comme illustré dans Fig. 1a, collectant les électrons de haute énergie injectés par la structure de grille flottante. Lorsque les électrons de haute énergie entrent en collision avec les couches métalliques et diélectriques situées au-dessus, l'énergie des électrons correspondants diminue en conséquence. En fonction de l'énergie d'accélération des électrons injectés, une partie d'entre eux atteindra et reposera sur les grilles flottantes, qui seront ensuite stockées au niveau détecté après exposition. Par conséquent, sans alimentation électrique de la puce de détection, les niveaux de faisceaux électroniques projetés sur chaque site seront alors stockés dans le pixel 2 T unique dont le schéma est illustré à la figure 1b. Après l'exposition au faisceau d'électrons en ligne, le dosage correspondant et l'énergie d'accélération peuvent être lus par mesure de courant électrique-tension (IV) hors ligne, comme le montrent les données de mesure de la Fig. 1c, qui peuvent être utilisées pour reconstruire l'imagerie projetée par faisceau électronique, le motif et in situ répartition de l'intensité. Pour la matrice de détecteurs au niveau de la puce, la lecture d'image peut être considérablement améliorée si un circuit périphérique de lecture parallèle est incorporé, dont le temps de lecture devrait être inférieur à la ms. En outre, le réseau de détecteurs peut être actualisé pour la prochaine détection de faisceau électronique après l'étape d'initialisation en quelques secondes.

un Le montage expérimental et b schéma du réseau de détecteurs à faisceau électronique proposé, commencez par la détection dans la chambre, la lecture hors ligne sur la plaquette et l'image d'intensité reconstruite par c ses résultats de mesure de caractéristiques électriques

L'illustration de la structure tridimensionnelle du détecteur de faisceau électronique proposé avec un pixel 2 T compact est comme la Fig. 2a, composée de transistors à canal p fabriqués par des technologies CMOS FinFET 16 nm pures, y compris un transistor à sélection de rangée (RS) qui peut être utilisé pour contrôler la lecture séquentielle ; et l'autre est un transistor à grille flottante (FG) pour stocker les résultats de détection. La structure de pixels compacte unique et le nœud de stockage FG dans le pixel peuvent être clairement observés par les images du microscope électronique à transmission (MET) le long de la ligne de bits (BL) et la disposition correspondante, comme indiqué sur les figures 2b et c, respectivement. Le pas de pixel du pixel 2 T proposé peut être réduit à 0,7 μm, ce qui permet une haute résolution spatiale de l'imagerie et de la détection par faisceau électronique.

un La structure 3D, b Image TEM le long de BL et c illustration de la disposition du détecteur de faisceau électronique proposé, comprenant un pixel compact 2-FinFET avec un nœud de stockage/détection FG par les technologies FinFET CMOS 16 nm

Au cours de l'injection, une émission d'électrons secondaires (SE) et d'électrons rétrodiffusés (ESB) se produira. SE sont les électrons éjectés du matériau cible en raison de la diffusion inélastique de la surface, tandis que BSE sont les électrons du faisceau primaire qui a injecté le matériau cible puis diffusés élastiquement à de grands angles [22]. Par conséquent, une charge positive pourrait être introduite dans le pixel exposé par l'effet ci-dessus, ces charges positives pourraient être recombinées avec la charge négative stockée. Généralement, le potentiel net du nœud de stockage est négatif dans cette étude, car le coefficient d'émission SE, qui est défini comme le rapport entre le courant SE et le courant électronique primaire, de la plupart des types de métaux est inférieur à 1 pour une énergie supérieure à 5 keV [23]. Par conséquent, les charges positives et négatives peuvent être stockées dans l'unité de pixel, et les deux se refléteront sur le courant de lecture.

Résultats expérimentaux et discussion

La trajectoire du faisceau électronique injecté peut être estimée par les résultats de la simulation Monte-Carlo [24], comme l'indiquent les données de la Fig. 3a, le faisceau électronique devrait se déplacer plus profondément avec une énergie d'accélération plus élevée ; par conséquent, l'efficacité de collecte ainsi que le nombre d'électrons pénétrés dans le détecteur proposé à travers la surface de la plaquette augmenteront pour les électrons avec une énergie plus élevée (entre 0 et 30 keV) comme le suggèrent les données de simulation sur la figure 3b. En ce qui concerne l'énergie du faisceau électronique supérieure à 30 keV, la plupart des électrons pénètrent dans le substrat de silicium, ce qui diminue l'efficacité de collecte du FG. L'efficacité de collecte (\(\upeta\)) est définie comme suit :

où \({Q}_{FG}\) représente la charge collectée et stockée dans le FG, et \({Q}_{total}\) représente le total des électrons injectés à partir du faisceau électronique appliqué.

un Résultats de la simulation Monte Carlo de la trajectoire projetée de l'électron injecté avec différentes énergies d'accélération, et b la profondeur de projection et la probabilité de pénétration correspondantes sur le réseau de détecteurs sur tranche

D'après les résultats de la simulation de la figure 3, le faisceau d'électrons devrait pénétrer et parcourir une distance de quelques microns, et la vitesse des électrons avant l'injection peut atteindre 6 cm/ns à une énergie de 10 keV [25], le temps de réponse est estimé au niveau μsec [26], permettant des réponses aux faisceaux électroniques à balayage rapide.

Avant l'exposition au faisceau électronique dans la chambre, la charge FG (Q_FG ) induite par les étapes du processus de fabrication des semi-conducteurs [27, 28] doit être supprimée. Ici, une étape d'initialisation en cuisant les puces du détecteur à 250 degrés Celsius est effectuée, car les données de mesure corroborées sur la figure 4a, la distribution du courant BL se resserre à mesure que la charge placée au hasard est supprimée. Le courant BL de lecture global devient inférieur à 0,1 pA après l'initialisation, comme indiqué sur la figure 4b, ce qui suggère que la charge FG peut être efficacement vidée.

un La distribution du courant BL sera resserrée après cuisson à 250 °C pendant plus de 100 k secondes et b le tracé cumulatif indique que le courant de lecture converge vers moins de 0,1pA, ce qui garantit en outre Q_FG est effacé

La distribution du courant BL des pixels dans leurs états initialisés et après augmentation du rayonnement du faisceau électronique à une énergie fixe de 30 keV est illustrée sur la figure 5. Les données de mesure indiquent que le courant BL augmentera avec un dosage plus important du faisceau électronique. Les électrons injectés collectés par le détecteur chargeront FG à un certain niveau de polarisation négative, ce qui activera progressivement les transistors FG à canal p, entraînant des courants BL de lecture plus importants. De plus, les données mesurées impliquent qu'il y a encore de la place dans la plage de plusieurs ordres de grandeur avant que le courant BL n'atteigne la saturation, ce qui le rend approprié pour la détection à large plage dynamique.

La répartition des détecteurs proposés à l'état initialisé et celui après exposition au faisceau d'électrons avec dosage croissant à un niveau d'énergie fixe de 30 keV

Comme le révèlent les données de mesure de la Fig. 6, le décalage du courant BL de lecture est positivement corrélé à l'énergie d'accélération du faisceau électronique appliqué, ce qui est attendu pour les résultats de la simulation de la Fig. 3, la validation du détecteur proposé peut refléter avec précision les caractéristiques du dosage du faisceau d'électrons injecté et de l'énergie d'accélération. Avec une résolution spatiale élevée de 700 nm au pas du plan de détection, ce détecteur peut également démontrer un niveau de dosage de faisceau électronique de détection minimal de 24 μC/cm ² à 5 keV.

Le dosage injecté et son énergie d'accélération peuvent être reflétés avec précision par le courant BL résultant du réseau exposé aux faisceaux électroniques

Les images bidimensionnelles sur les matrices de test 8 × 8 sont illustrées à la Fig. 7, après un faisceau électronique de 30 keV avec un dosage de 0,2 μC/cm ² , 0,6μC/cm ² et 1μC/cm ² sont comparés.

Les images bidimensionnelles après une exposition au faisceau électronique de 30 keV avec un dosage de a 0.2μC/cm ² , b 0,6μC/cm ² et c 1μC/cm ² , respectivement

Le détecteur de faisceau électronique proposé présente non seulement une réponse linéaire et élevée au dosage et à l'accélération de l'énergie, mais la capacité de stockage de données dans les pixels est l'une de ses propriétés uniques. Comme le montrent les données de la figure 8, le décalage du courant BL induit par l'exposition aux faisceaux électroniques peut rester relativement stable à 85 degrés Celsius pendant des jours ; par conséquent, les résultats de la détection des faisceaux électroniques peuvent rester dans le nœud de stockage sans alimentation externe, permettant ainsi la lecture électrique hors ligne par des systèmes de mesure automatiques.

Les résultats de la détection du faisceau électronique peuvent être stockés dans le détecteur proposé et les données restent relativement stables pendant des jours, permettant une lecture hors ligne sur plaquette

L'expérience menée sur la figure 9 implique qu'il y aura une légère diminution de l'efficacité de collecte du détecteur de faisceau électronique proposé lorsque le pixel voisin est déjà chargé. En raison du potentiel négatif des pixels adjacents, les électrons subissent une force de répulsion pendant l'injection ; par conséquent, les modèles et la conception des tableaux doivent être pris en compte pour réduire cet effet d'interface de modèle.

L'efficacité de collecte s'avère légèrement réduite par une grille flottante entièrement stockée sur les cellules adjacentes, où un effet d'interférence de motif est attendu

Conclusions

Dans ce travail, un réseau de détecteurs de faisceaux électroniques intégrés à l'outil, sur plaquette, doté d'une compatibilité logique FinFET CMOS, d'une large plage dynamique et d'une haute réactivité est présenté. La structure de pixels compacte unique de 2 T peut améliorer la résolution spatiale avec un pas de pixel inférieur au micron. Les résultats d'imagerie et de détection de faisceaux électroniques projetés peuvent être stockés de manière non volatile sans alimentation électrique externe dans le nœud de détection/stockage du nouveau détecteur de faisceaux électroniques proposé, permettant une lecture électrique hors ligne. Enfin, le réseau de détecteurs à faisceau électronique proposé est considéré comme la solution prometteuse pour améliorer la stabilité des futurs systèmes et processus de lithographie à faisceau électronique.

Disponibilité des données et des matériaux

Non applicable.