실시간 인시투 전자빔 이미징을 위한 첨단 16nm FinFET CMOS 검출기 어레이

초록

집속 전자빔(e-빔)을 위한 새로운 인시투 이미징 솔루션과 검출기 어레이가 최초로 제안되고 시연되었습니다. 제안된 툴 내, 온-웨이퍼 e-빔 검출기 어레이는 완전한 FinFET CMOS 로직 호환성, 콤팩트한 2T 픽셀 구조, 빠른 응답, 높은 감도, 넓은 다이내믹 레인지를 특징으로 합니다. e-빔 이미징 패턴과 검출 결과는 외부 전원 공급 없이 센싱/저장 노드에 저장될 수 있어, 오프라인 전기적 판독이 가능하며, 이는 투영 웨이퍼 위 e-빔 핵심 파라미터(선량, 가속 에너지, 강도 분포)에 대한 신속한 피드백을 제공하는 데 사용될 수 있습니다.

서론

집속 전자빔(e-빔)은 다양한 응용에 사용될 수 있으며, 특수한 예로 e-빔 참여가 필요한 가속기와 자유전자 레이저(FEL)가 있습니다[1, 2]. 반면 e-빔은 반도체 제조 공정에서 중요한 역할을 합니다; 이전 보고들은 다마신 인터커넥트 인터페이스 수정을 위한 e-빔 처리를 제안했는데, 구리와 저-κ 유전체 전기적 성능이 박막 품질이나 유전율 손상 없이 개선될 수 있습니다[3]. 게다가 특정 EUV 포토레지스트가 화학 약품 없이 e-빔 노광으로 제작될 수 있음이 입증되었습니다[4]. 또한 e-빔 기술은 웨이퍼에 직접 패턴을 쓰는 것으로 개발되었습니다[5], 트랜지스터[6, 7], 고분자 구조[8], 나노와이어[9], 기타 나노구조[10] 생성. 더욱이 e-빔 이용 포토마스크 제작은 나노미터 CMOS 기술에서 가장 일반적인 방법 중 하나가 되었습니다[11-14]. 그러나 e-빔이 정밀하게 제어되지 못해 e-빔 가속 에너지, 선량, 균일성이 일관되지 않으면 위 모든 응용이 실패할 수 있습니다.

처리 챔버 내부 e-빔 가속 에너지와 선량 추가 모니터링을 위해 툴 내, 온-웨이퍼 e-빔 검출기가 필요합니다. 박막 열전대 사용 e-빔 검출기 이전 연구[15]는 열전대 자체 한계로 고에너지 전자 분포 직접 측정 불가하고 감도 부족. 광섬유 사용 광학 검출법[16]과 포켈스 셀[17] 같은 다른 장치도 있습니다. 반면 마이크로채널 플레이트(MCP)는 단일 입자와 방사선 검출에 일반적으로 사용됩니다[18, 19]; 적절한 기기 설계와 잘 조정된 매개변수로 광학 방법과 MCP 사용 e-빔 검출 결과 꽤 만족스러울 수 있습니다. 그러나 작은 칩에 통합하는 것이 과제로, 인툴 온-웨이퍼 e-빔 검출에 최적 후보는 아닙니다. 능동 화소 센서(APS) 사용하는 기존 CMOS 이미지 센서(CIS) 방법 도움될 수 있습니다[20, 21], 전자 직접 수집 가능하고 신중 설계된 판독 방식으로 노이즈 감소되어 더 높은 신호대잡음비(SNR) 이끌지만, 감지 중 기존 APS 칩 구동 외부 전원 공급 필요하여 실행 가능성 감소시키고 e-빔 챔버 설계 복잡성 증가시킵니다.

본 연구에서 외부 전원 공급 없이 인툴, 온-웨이퍼 e-빔 검출 접근법이 제안되고 검증되었습니다. 제안된 e-빔 검출기/기록기는 부유 게이트를 센싱 노드로 채택하여 16nm FinFET CMOS 로직 공정과 호환되며, 검출 결과 저장 능력, 콤팩트 2-트랜지스터(2T) 픽셀, 빠른 응답, 넓은 다이내믹 레인지, 높은 감도 특징. 인라인 e-빔 조사 후, 전자 선량과 가속 에너지의 핵심 특성은 웨이퍼 수용 테스트(WAT) 및 기타 비파괴 판독 절차 같은 오프라인 전기적 전류-전압(IV) 측정으로 쉽게 신속히 추출될 수 있습니다.

픽셀 구조 및 방법론

제안된 인툴 e-빔 기록기 실험 설정과 기본 작동 원리가 그림 1에 개략됩니다. e-빔 노광 동안 제안된 온-웨이퍼 검출기는 그림 1a처럼 e-빔 챔버 내부에 먼저 배치되어, 부유 게이트 구조로 주입된 고에너지 전자 수집. 고에너지 전자가 위 금속 및 유전체 층과 충돌하면 해당 전자 에너지가 결과적으로 감소. 주입 전자 가속 에너지에 따라 일부가 부유 게이트에 도달하고 정착하여 노광 후 감지 레벨 저장. 따라서 검출 칩 전원 공급 없이 투영된 e-빔 레벨이 각 사이트에서 고유 2T 픽셀에 저장되며, 개략도는 그림 1b와 같습니다. 인라인 e-빔 노광 후, 해당 선량과 가속 에너지는 오프라인 전기적 전류-전압(IV) 측정으로 판독 가능하며, 그림 1c 측정 데이터처럼 투영된 e-빔 이미징, 패턴, 인시투 강도 분포 재구성 사용 가능. 칩 레벨 검출기 어레이 경우, 병렬 판독 주변 회로 통합 시 이미지 판독 크게 개선될 수 있으며, 판독 시간 msec 내 예상. 게다가 검출기 어레이 초기화 단계 후 초 단위 내 다음 e-빔 검출 위해 새로고침 가능.

제안된 e-빔 검출기 3차원 구조 그림은 콤팩트 2T 픽셀 특징으로 그림 2a와 같으며, 16nm FinFET CMOS 기술로 순수 제작된 p-채널 트랜지스터 구성, 순차적 판독 제어용 로우 셀렉트(RS) 트랜지스터 하나, 감지 결과 저장용 부유 게이트(FG) 트랜지스터 하나로 구성. 고유 콤팩트 픽셀 구조와 픽셀 내 FG 저장/센싱 노드는 비트라인(BL) 방향 투과전자현미경(TEM) 이미지와 해당 레이아웃으로 그림 2b, c에서 명확히 관찰 가능. 제안된 2T 픽셀 픽셀 피치는 0.7μm까지 축소 가능하여 e-빔 이미징 및 검출 고공간 해상도 가능.

주입 동안 2차 전자(SE)와 후방산란 전자(BSE) 방출 모두 발생. SE는 표면 비탄성 산란으로 목표 물질에서 방출된 전자이며, BES는 1차 빔 전자가 목표 물질 주입 후 큰 각도에서 탄성 산란되어 나온 전자들입니다[22]. 따라서 위 효과로 노출된 픽셀에 양전하 도입될 수 있으며, 이 양전하 저장된 음전하와 재결합 가능. 일반적으로 이 연구에서 저장 노드 순 전위는 음전위인데, 5keV 이상 에너지 대부분 금속 종류 SE 방출 계수(SE 전류와 1차 전자 전류 비율 정의)가 1보다 낮기 때문입니다[23]. 따라서 양전하와 음전하 모두 픽셀 유닛에 저장 가능하며, 둘 다 판독 전류에 반영됩니다.

실험 결과 및 논의

주입된 e-빔 궤적은 몬테카를로 시뮬레이션 결과로 추정 가능[24], 그림 3a 데이터처럼 e-빔은 더 높은 가속 에너지로 더 깊게 이동 예상; 따라서 0-30keV 사이 에너지 전자들 수집 효율과 웨이퍼 표면 통해 제안된 검출기 관통 전자 수 증가 예상, 그림 3b 시뮬레이션 데이터 제안. 30keV 이상 e-빔 에너지는 대부분 전자 실리콘 기판 관통하여 FG 수집 효율 감소. 수집 효율(η)은 다음과 같이 정의:

$$\eta =\frac{{Q}_{FG}}{{Q}_{total}},$$ (1)

여기서 ${Q}_{FG}$는 FG에 수집 저장된 전하, ${Q}_{total}$은 가해진 e-빔으로부터 주입된 총 전자 나타냄.

그림 3 시뮬레이션 결과에 따르면, e-빔은 수 미크론 거리 관통 이동 예상, 주입 전 전자 속도 10keV 에너지서 6cm/ns 도달 가능[25], 응답 시간 μsec 수준 내 예상[26], 빠른 스캐닝 e-빔 응답 가능.

챔버 내 e-빔 노광 전, 반도체 제조 공정 단계[27, 28] 유도 FG 전하(Q_FG) 제거 필요. 여기, 검출기 칩 250°C 베이킹 초기화 단계 수행, 그림 4a 측정 데이터처럼 무작위 배치 전하 제거되며 BL 전류 분포 조여짐. 전체 판독 BL 전류 초기화 후 0.1pA 미만으로 낮아짐, 그림 4b 배열처럼 FG 전하 효과적으로 비워짐 입증.

초기화 상태 픽셀 BL 전류 분포와 고정 30keV 에너지에서 e-빔 조사량 증가 후 분포가 그림 5에 시연. 측정 데이터는 e-빔 조사량 클수록 BL 전류 증가 지시. 검출기 수집 주입 전자 FG 특정 음 바이어스 레벨 충전, p-채널 FG 트랜지스터 점진적 턴온 결과 더 큰 판독 BL 전류. 게다가 측정 데이터는 BL 전류 포화 치기 전 몇 주문 범위 여전히 여지 있음 시사, 넓은 다이내믹 레인지 감지 적합.

그림 6 측정 데이터처럼, 판독 BL 전류 변화는 가해진 e-빔 가속 에너지와 양의 상관관계 보이며, 그림 3 시뮬레이션 결과 예상대로 제안된 검출기가 주입된 e-빔 선량과 가속 에너지 특성 정밀 반영 가능 검증. 700nm 피치 센싱 평면 고공간 해상도로 이 검출기는 5keV에서 최소 24μC/cm² 감지 e-빔 선량 수준도 시연 가능.

8×8 테스트 어레이 위 2차원 이미지 그림 7에 시연, 30keV e-빔으로 0.2μC/cm², 0.6μC/cm², 1μC/cm² 선량 비교.

제안된 e-빔 검출기는 선량과 가속 에너지에 선형적 높은 응답 특징뿐만 아니라, 픽셀 내 데이터 저장 능력이 고유 특성 중 하나입니다. 그림 8 데이터처럼, e-빔 노광 유도 BL 전류 변화가 85°C에서 며칠간 상대적으로 안정적 유지; 따라서 e-빔 검출 결과 외부 전원 없이 저장 노드에 남아 오프라인 전기적 판독 자동 측정 시스템으로 가능.

그림 9 실험은 이웃 픽셀 이미 충전 시 제안된 e-빔 검출기 수집 효율 약간 감소함 시사. 인접 픽셀 음전위로 주입 중 전자 반발력 경험; 따라서 패턴과 어레이 설계 고려해 이런 패턴 인터페이스 효과 감소 필요.

결론

본 연구에서 FinFET CMOS 로직 호환성, 넓은 다이내믹 레인지, 높은 감도 특징 인툴, 온-웨이퍼 e-빔 검출기 어레이 제시. 고유 콤팩트 2T 픽셀 구조는 서브미크론 픽셀 피치로 공간 해상도 개선. 투영된 e-빔 이미징과 검출 결과는 제안된 새로운 e-빔 검출기 센싱/저장 노드에 비휘발적으로 외부 전원 공급 없이 저장 가능, 오프라인 전기적 판독 가능. 마지막으로 제안된 e-빔 검출기 어레이가 미래 e-빔 리소그래피 시스템과 공정 안정성 향상 위한 유망한 솔루션이라 믿어짐.