16 nm FinFETCMOSテクノロジによるその場電子ビームイメージング用の検出器アレイ

はじめに

集束電子ビーム（eビーム）はさまざまなアプリケーションで使用できます。1つの特別な例は、電子ビームの関与を必要とする加速器および自由電子レーザー（FEL）です[1、2]。一方、電子ビームは半導体製造プロセスにおいて重要な役割を果たします。以前の報告では、ダマシン相互接続の界面改質のための電子ビーム処理が提案されており、銅とlow-κ誘電体の電気的性能は、膜の品質や誘電率を損なうことなく改善できます[3]。さらに、特定の種類のEUVフォトレジストは、化学薬品を使用せずに電子ビーム露光下で作成できることが証明されています[4]。さらに、ウェーハ上にパターンを直接書き込むための電子ビーム技術が開発され[5]、トランジスタ[6、7]、ポリマー構造[8]、ナノワイヤ[9]、およびその他のナノ構造[10]が作成されます。さらに、電子ビームを使用したフォトマスクの製造は、ナノメートルCMOS技術の最も一般的な方法の1つになっています[11、12、13、14]。ただし、電子ビームを正確に制御できない場合、上記のすべてのアプリケーションが失敗する可能性があり、電子ビームの加速エネルギー、線量、および均一性が一貫していることが保証されます。

処理チャンバー内の電子ビーム加速エネルギーと線量をさらに監視するには、ツール内のオンウェーハ電子ビーム検出器が必要です。薄膜熱電対を使用した電子ビーム検出器に関する以前の研究[15]では、熱電対自体の制限により、高エネルギー電子の分布と感度の欠如を直接測定することはできません。ファイバー[16]やポッケルスセル[17]などの他のデバイスを使用した光学的検出方法もあります。一方、マイクロチャネルプレート（MCP）は、単一粒子と放射線の検出に一般的に使用されます[18、19]。適切な機器設計と適切に調整されたパラメータを使用すると、光学的手法とMCPを使用した電子ビーム検出結果は非常に満足のいくものになります。それでも、それらを小さなチップに統合することは課題であり、ツール内、ウェーハ上の電子ビーム検出の最良の候補ではありません。アクティブピクセルセンサー（APS）を採用した従来のCMOSイメージセンサー（CIS）方式は、電子を直接収集でき、注意深く設計された読み出し方式によってノイズを低減できるため、有用です[20、21]。対雑音比（SNR）;ただし、センシング中に従来のAPSチップを駆動するための外部電源が必要になるため、その実現可能性が低下し、電子ビームチャンバーの設計が複雑になります。

この研究では、外部電源なしで電子ビームを検出するためのツール内のオンウェーハアプローチが提案され、検証されています。提案された電子ビーム検出器/レコーダーは、16 nm FinFET CMOSロジックプロセスと互換性のあるセンシングノードとしてフローティングゲートを採用しており、検出結果の保存機能、コンパクトな2トランジスタ（2 T）ピクセル、高速応答、ワイドダイナミックレンジを備えています。と高い応答性。インライン電子ビーム放射後、電子線量と加速エネルギーの重要な特性は、ウェーハ検収試験（WAT）やその他の非破壊読み取り手順などのオフライン電気測定によって簡単かつ迅速に抽出できます。

ピクセル構造と方法論

提案されたツール内電子ビームレコーダの実験装置と基本的な動作原理の概要を図1に示します。電子ビーム露光中、提案されたオンウェーハ検出器は、最初に電子ビームチャンバー内に配置されます。図1a、フローティングゲート構造によって注入された高エネルギー電子を収集します。高エネルギーの電子が上の金属層や誘電体層と衝突すると、対応する電子のエネルギーが結果的に減少します。注入された電子の加速エネルギーに応じて、それらの一部はフローティングゲートに到達して静止し、露光後に検出されたレベルに保存されます。したがって、検出チップへの電力供給がない場合、各サイトで投影された電子ビームレベルは、図1bのような一意の2Tピクセルに保存されます。インライン電子ビーム露光後、図1cの測定データに示されているように、オフラインの電流-電圧（IV）測定によって、対応する線量と加速エネルギーを読み取ることができます。これは、再構築に使用できます。投影された電子ビームイメージング、パターン、およびその場 強度分布。チップレベルの検出器アレイの場合、並列読み出し周辺回路が組み込まれていると、画像の読み出しを大幅に改善できます。この読み出し時間はミリ秒以内であると予想されます。さらに、検出器アレイは、数秒以内の初期化ステップの後、次の電子ビーム検出のために更新できます。

a 実験のセットアップと b 提案された電子ビーム検出器アレイの概略図。チャンバー内検出、オンウェーハオフライン読み出し、および c によって再構成された強度画像から始まります。 その電気的特性の測定結果

コンパクトな2Tピクセルを特徴とする提案された電子ビーム検出器の3次元構造図は、図2aのとおりであり、純粋な16 nm FinFET CMOSテクノロジによって製造されたpチャネルトランジスタで構成されています。シーケンシャル読み出しを制御するために使用できます。もう1つは、センシング結果を保存するためのフローティングゲート（FG）トランジスタです。独自のコンパクトなピクセル構造とピクセル内のFGストレージノードは、それぞれ図2bとcに示すように、ビットライン（BL）に沿った透過型電子顕微鏡（TEM）画像と対応するレイアウトによって明確に観察できます。提案された2Tピクセルのピクセルピッチは0.7μmに縮小できるため、電子ビームのイメージングと検出の高い空間分解能が可能になります。

a 3D構造、 b BLおよび c に沿ったTEM画像 提案された電子ビーム検出器のレイアウト図。16nmFinFETCMOSテクノロジーによるFGストレージ/センシングノードを備えたコンパクトな2-FinFETピクセルを備えています

注入中に、二次電子（SE）と後方散乱電子（BSE）の両方の放出が発生します。 SEは、表面の非弾性散乱によってターゲット材料から放出された電子であり、BSEは、ターゲット材料を注入した後、大きな角度で弾性散乱された一次ビームの電子です[22]。したがって、上記の効果により、露光されたピクセルに正電荷が導入される可能性があり、それらの正電荷は、蓄積された負電荷と再結合される可能性がある。ほとんどの種類の金属のSE電流と一次電子電流の比率として定義されるSE放出係数は、より高いエネルギーに対して1未満であるため、一般に、ストレージノードの正味電位はこの研究では負です。 5 keV [23]。したがって、正電荷と負電荷の両方をピクセル単位で保存でき、両方が読み出し電流に反映されます。

実験結果とディスカッション

注入された電子ビームの軌道は、モンテカルロシミュレーションの結果[24]から推定できます。図3aのデータが示すように、電子ビームはより高い加速エネルギーでより深く移動すると予想されます。したがって、図3bに示すシミュレーションデータのように、エネルギーが高い電子（0〜30 keV）の場合、収集効率と、提案された検出器にウェーハ表面を透過する電子の数が増加します。 30 keVを超える電子ビームエネルギーの場合、ほとんどの電子がシリコン基板に浸透し、FG収集効率が低下します。収集効率（\（\ upeta \））は次のように定義されます：

ここで、\（{Q} _ {FG} \）は、FGに収集および保存された電荷を表し、\（{Q} _ {total} \）は、印加された電子ビームから注入された電子の合計を表します。

a 異なる加速エネルギーで注入された電子の投影軌道のモンテカルロシミュレーション結果、および b オンウェーハ検出器アレイへの対応する投影深度と侵入確率

図3のシミュレーション結果によると、電子ビームは数ミクロンの距離を透過して移動すると予想され、注入前の電子速度は10keVのエネルギーで6cm / nsに達する可能性があります[25]。応答時間はμ秒レベル以内と推定され[26]、高速スキャン電子ビームへの応答が可能になります。

室内電子ビーム露光の前に、FG電荷（Q _FG ）半導体製造プロセスステップ[27、28]から誘発されたものを取り除く必要があります。ここでは、検出器チップを摂氏250度でベークすることによる初期化ステップが実行されます。これは、図4aで裏付けられた測定データのように、ランダムに配置された電荷が除去されるとBL電流分布がタイトになります。図4bに示すように、初期化後、全体的な読み出しBL電流は0.1pA未満になり、FG電荷を効果的に空にできることを示しています。

a BL電流の分布は、250°Cで10万秒以上ベーキングした後、 b に引き締められます。 累積プロットは、読み取り電流が0.1pA未満に収束することを示しています。これにより、Q _FG がさらに保証されます。 クリアされます

初期化された状態のピクセルのBL電流分布と、30 keVの固定エネルギーで電子ビーム放射を増加させた後のBL電流分布を図5に示します。測定データは、電子ビームの線量が大きくなるとBL電流が増加することを示しています。検出器によって収集された注入された電子は、FGを特定の負のバイアスレベルに充電します。これにより、pチャネルFGトランジスタが徐々にオンになり、読み出しBL電流が大きくなります。さらに、測定データは、BL電流が飽和に達する前に数桁の範囲にまだ余裕があることを示しており、ワイドダイナミックレンジのセンシングに適しています。

初期化された状態での提案された検出器の分布と、30keVの固定エネルギーレベルで線量を増加させた電子ビーム曝露後の分布

図6の測定データが示すように、読み出しBL電流シフトは適用された電子ビームの加速エネルギーと正の相関があります。これは図3のシミュレーション結果に期待され、提案された検出器を検証することで特性を正確に反映できます。注入された電子ビームの線量と加速エネルギーの。検出面のピッチが700nmの高い空間分解能を備えたこの検出器は、24μC/ cm ² の最小の検出電子ビーム線量レベルを示すこともできます。 5keVで。

注入された線量とその加速エネルギーは、電子ビーム露光アレイの結果として生じるBL電流によって正確に反映されます

8×8テストアレイの2次元画像は、0.2μC/ cm ² の線量で30keVの電子ビームを照射した後の図7に示されています。 、0.6μC/ cm ² および1μC/ cm ² 比較されます。

a の線量で30keVの電子ビームを照射した後の2次元画像 0.2μC/ cm ² 、 b 0.6μC/ cm ² および c 1μC/ cm ² 、それぞれ

提案された電子ビーム検出器は、線量と加速エネルギーに対して線形で高い応答を特徴とするだけでなく、ピクセル内データストレージの機能はそのユニークな特性の1つです。図8に示されているように、電子ビームの露出によって引き起こされるBL電流シフトは、摂氏85度で数日間比較的安定した状態を保つことができます。したがって、電子ビームの検出結果は、外部電源がなくてもストレージノードに残り、自動測定システムによるオフラインの電気的読み取りが可能になります。

電子ビーム検知の結果は、提案された検出器に保存でき、データは数日間比較的安定しているため、オフラインでのオンウェーハの読み取りが可能になります

図9で行われた実験は、隣接するピクセルがすでに充電されている場合、提案された電子ビーム検出器の収集効率がわずかに低下することを示しています。隣接するピクセルからの負の電位により、電子は注入中に反発力を経験します。したがって、このようなパターンインターフェイスの影響を減らすには、パターンとアレイの設計を検討する必要があります。

パターン干渉効果が予想される隣接セルに完全に格納されたフローティングゲートによって、収集効率がわずかに低下することがわかります。

結論

この作業では、FinFET CMOSロジックの互換性、広いダイナミックレンジ、および高い応答性を備えた、ツール内のオンウェーハ電子ビーム検出器アレイを紹介します。独自のコンパクトな2Tピクセル構造により、サブミクロンのピクセルピッチで空間解像度を向上させることができます。投影された電子ビームのイメージングと検出の結果は、提案された新しい電子ビーム検出器のセンシング/ストレージノードに外部電源なしで不揮発性に保存でき、オフラインの電気的読み出しを可能にします。最後に、提案された電子ビーム検出器アレイは、将来の電子ビームリソグラフィシステムおよびプロセスの安定性を高めるための有望なソリューションであると考えられています。

データと資料の可用性

該当なし。