16nm FinFET CMOS検出器アレイによるリアルタイムインシツー電子ビームイメージング

要旨

焦点電子ビーム（eビーム）向け新規インシツーイメージングソリューションと検出器アレイが初めて提案・実証されました。提案されたツール内・オンワファーeビーム検出器アレイは、完全なFinFET CMOSロジック互換性、コンパクトな2T画素構造、高速応答、高レスポンス、広ダイナミックレンジを特徴とします。eビームイメージングパターンと検出結果は、外部電源なしでセンシング/ストレージノードに格納可能で、オフライン電気読み出しを可能にし、投影ウェーハ上のeビーム主要パラメータ（線量、加速エネルギー、強度分布）のタイムリーなフィードバックを迅速に提供できます。

はじめに

焦点電子ビーム（eビーム）は様々な応用で使用され、特殊な例としてeビーム参加を必要とする加速器と自由電子レーザー（FEL）があります[1, 2]。一方、eビームは半導体製造プロセスで重要な役割を果たします。先行研究では、ダマシン配線インターフェース修正へのeビーム処理が提案され、銅と低κ誘電体の電気特性がフィルム品質や誘電定数を損なうことなく改善可能とされました[3]。また、特定種EUVフォトレジストが化学薬品なしでeビーム露光により作製可能であることが証明されています[4]。さらに、eビーム技術はウェーハ上にパターンを直接描画するよう開発され[5]、トランジスタ[6, 7]、高分子構造[8]、ナノワイヤ[9]、他ナノ構造[10]を作製。また、eビーム使用フォトマスク製造がナノメートルCMOS技術で最も一般的な方法の1つになりました[11-14]。しかし、eビーム加速エネルギー、線量、均一性が一貫して確保できない場合、上記すべての応用が失敗する可能性があります。

処理チャンバー内でeビーム加速エネルギーと線量を更監視するため、ツール内・オンワファーeビーム検出器が必要です。薄膜熱電対使用eビーム検出器先行研究[15]は、熱電対自体の限界により高エネルギー電子分布直接測定不可で感度不足。光ファイバー使用光学検出法[16]やポッケルスセル[17]など他デバイスもあります。一方、マイクロチャネルプレート（MCP）が単一粒子と放射線検出に一般的使用[18, 19]、適切機器設計と良好パラメータ調整で、光学法とMCP使用eビーム検出結果はかなり満足可能。しかし、それらを小型チップへ統合することが課題で、ツール内・オンワファーeビーム検出には最適候補ではありません。アクティブ画素センサー（APS）採用従来CMOSイメージセンサー（CIS）手法が有用[20, 21]、電子直接収集可能で、慎重設計読み出しスキームによりノイズ低減、高信号対雑音比（SNR）実現可能。しかし、センシング中従来APSチップ駆動のため外部電源必要で、実現可能性低下とeビームチャンバー設計複雑化招きます。

本研究では、外部電源なしインツール・オンワファーeビーム検出アプローチを提案・検証。提案eビーム検出器/レコーダーは、センシングノードとしてフローティングゲート採用、16nm FinFET CMOSロジックプロセス互換、検出結果格納能力、コンパクト2トランジスタ（2T）画素、高速応答、広ダイナミックレンジ、高レスポンス特徴。インラインeビーム照射後、電子線量と加速エネルギー主要特性が、ウェーハ受入試験（WAT）など非破壊読み出し手順によるオフライン電気電流-電圧（IV）測定で容易かつ迅速に抽出可能。

画素構造と方法論

提案インツールeビームレコーダー実験セットアップと基本動作原理が図1に概説。eビーム露光中、提案オンワファー検出器が最初に図1a示すようにeビームチャンバー内配置、フローティングゲート構造により注入高エネルギー電子収集。高エネルギー電子が上部金属と誘電体層と衝突すると、対応電子エネルギー結果低下。注入電子加速エネルギー依存で、一部がフローティングゲート到達・停留し、露光後検出レベル格納。したがって、検出チップへ電源供給なしで、各サイト投影eビームレベルが図1b示すユニーク2T画素に格納。インラインeビーム露光後、対応線量と加速エネルギーが、図1c示す測定データのようにオフライン電気IV測定で読み出し可能、投影eビームイメージング、パターン、インシツー強度分布再構築に使用可能。チップレベル検出器アレイでは、並列読み出し周辺回路組み込みで画像読み出し大幅改善可能、読み出し時間はミリ秒オーダー期待。さらに、初期化ステップ後数秒で検出器アレイが次のeビーム検出用にリフレッシュ可能。

提案eビーム検出器3次元構造図解が図2a、コンパクト2T画素特徴、純粋16nm FinFET CMOS技術製造pチャネルトランジスタで構成、1つは行選択（RS）トランジスタで順次読み出し制御用、他は検出結果格納用フローティングゲート（FG）トランジスタ。ユニークコンパクト画素構造と画素内FGストレージ/センシングノードが、ビットライン（BL）に沿った透過電子顕微鏡（TEM）画像と対応レイアウトで明確観察可能（図2b、c）。提案2T画素ピッチは0.7μmまで縮小可能、eビームイメージングと検出高空間分解能実現。

注入時、二次電子（SE）と後方散乱電子（BSE）放出両方発生。SEは非弾性散乱による表面から放出される電子、BSEは一次ビーム電子が標的材料注入後大き角度で弾性散乱放出される電子[22]。したがって、上記効果により露光画素に正電荷導入可能、それら正電荷が格納負電荷と再結合可能。一般的に、ほとんど金属種類SE放出係数（SE電流と一次電子電流比率定義）が5 keV以上エネルギーで1未満のため[23]、本研究ストレージノード正味ポテンシャル負。したがって、正負両電荷が画素ユニット格納可能、両方読み出し電流反映。

実験結果と考察

注入eビーム軌道がモンテカルロシミュレーション結果推定可能[24]。図3aデータ示すように、eビームはより高加速エネルギーでより深く移動期待、したがって提案検出器へウェーハ表面貫通電子収集効率と数が、0〜30 keV間電子でエネルギー高くなると増加、図3bシミュレーションデータ示唆。30 keV超えビームエネルギーでは、大部分電子がシリコン基板貫通、FG収集効率低下。収集効率（η）は以下定義：

η = Q_FG / Q_total （1）

ここでQ_FGはFG収集・格納電荷、Q_totalは印加eビームから注入総電子数。

図3シミュレーション結果によれば、eビームが数ミクロン距離貫通・移動期待、注入前電子速度が10 keVエネルギーで6 cm/ns到達[25]、応答時間μsecレベル内推定[26]、高速スキャンeビーム応答可能。

インチャンバーeビーム露光前、半導体製造プロセスステップ由来FG電荷（Q_FG）[27, 28]クリア必要。ここでは、検出器チップ250℃ベーキング初期化ステップ実施、図4a測定データ裏付け通り、ランダム配置電荷除去でBL電流分布収束。全体読み出しBL電流が初期化後0.1pA未満、図4b配置通り、FG電荷効果的クリア示唆。

初期化状態画素BL電流分布と、固定エネルギー30 keVでeビーム照射増加後分布が図5示す。測定データは、eビーム線量増大でBL電流増加示す。検出器収集注入電子がFGを特定負バイアスレベル充電、pチャネルFGトランジスタ徐々ターンオン、結果大き読み出しBL電流。さらに、測定データはBL電流飽和打つ前数桁範囲余地まだあること示唆、広ダイナミックレンジセンシング適合。

図6測定データ明らかにするように、読み出しBL電流シフトが印加eビーム加速エネルギーと正相関、図3シミュレーション結果期待通り、提案検出器が注入eビーム線量と加速エネルギー特性精密反映可能検証。700nmピッチ高空間分解能センシング面で、5keV最小検出eビーム線量レベル24μC/cm²実証。

8×8テストアレイ上2次元画像が図7示す、30keV eビームで線量0.2μC/cm²、0.6μC/cm²、1μC/cm²比較。

提案eビーム検出器は線量と加速エネルギーへのリニア高応答特徴だけでなく、画素内データ格納能力がユニーク特性の1つ。図8データ示すように、eビーム露光誘起BL電流シフトが85℃で数日比較的安定維持、したがってeビーム検出結果が外部電源なしでストレージノード残留、自動測定システムによる結果オフライン電気読み出し可能。

図9実験示唆では、隣接画素すでに充電時、提案eビーム検出器収集効率わずか減少。隣接画素負ポテンシャルにより、注入中電子斥力経験、したがってパターンとアレイ設計考慮しパターン干渉効果低減必要。

結論

本研究では、FinFET CMOSロジック互換性、広ダイナミックレンジ、高レスポンス特徴インツール・オンワファーeビーム検出器アレイ提示。ユニークコンパクト2T画素構造がサブミクロン画素ピッチで空間分解能向上。投影eビームイメージングと検出結果が、提案新規eビーム検出器センシング/ストレージノードで不揮発的に外部電源なし格納可能、オフライン電気読み出し可能。最後に、提案eビーム検出器アレイが将来eビームリソグラフィシステムとプロセス安定性向上有望ソリューションと信じられます。

データと資料の入手可能性

該当なし。