Detectorsarray voor in-situ elektronenstraalbeeldvorming door 16-nm FinFET CMOS-technologie

Experimentele resultaten en discussie

Het traject van de geïnjecteerde e-straal kan worden geschat door de Monte-Carlo-simulatieresultaten [24], zoals de gegevens in Fig. 3a aangeven, wordt verwacht dat de e-straal dieper zal reizen met een hogere versnellende energie; daarom zullen zowel de verzamelefficiëntie als het aantal elektronen dat door het wafeloppervlak in de voorgestelde detector is gepenetreerd, toenemen voor elektronen met een hogere energie (tussen 0 en 30 keV) zoals de simulatiegegevens gesuggereerd in figuur 3b. Wat betreft e-beam-energie hoger dan 30 keV, zullen de meeste elektronen doordringen tot het siliciumsubstraat, waardoor de efficiëntie van de FG-verzameling afneemt. De verzamelefficiëntie (\(\upeta\)) wordt als volgt gedefinieerd:

waarbij \({Q}_{FG}\) staat voor lading verzameld en opgeslagen in de FG, en \({Q}_{total}\) staat voor het totaal aan geïnjecteerde elektronen van de aangelegde e-bundel.

een Monte Carlo-simulatieresultaten van het geprojecteerde traject van het geïnjecteerde elektron met verschillende versnellende energie, en b de corresponderende projectiediepte en penetratiewaarschijnlijkheid op de op-waferdetectorenarray

Volgens de simulatieresultaten in Fig. 3 wordt verwacht dat de e-bundel een afstand van enkele microns binnendringt en doorloopt, en de elektronensnelheid vóór injectie kan oplopen tot 6 cm/ns bij een energie van 10 keV [25], de responstijd wordt geschat op μsec-niveau [26], waardoor reacties op snel scannende e-stralen mogelijk zijn.

Vóór de blootstelling aan de e-beam in de kamer werd de FG-lading (Q_FG ) geïnduceerd door de processtappen voor het vervaardigen van halfgeleiders [27, 28] moeten worden verwijderd. Hier wordt een initialisatiestap uitgevoerd door de detectorchips bij 250 graden Celsius te bakken, aangezien de meetgegevens worden bevestigd in Fig. 4a, de BL-stroomverdeling strakker wordt naarmate de willekeurig geplaatste lading wordt verwijderd. De totale uitleesstroom van de BL wordt na initialisatie lager dan 0,1 pA, zoals weergegeven in figuur 4b, wat suggereert dat de FG-lading effectief kan worden geleegd.

een De verdeling van de BL-stroom wordt strakker na het bakken in 250 °C gedurende meer dan 100 k seconden en b de cumulatieve grafiek geeft aan dat de leesstroom convergeert tot onder 0,1 pA, wat verder zorgt voor Q_FG is leeggemaakt

De BL-stroomverdeling van de pixels in hun geïnitialiseerde toestand en die na toenemende e-beam-straling met een vaste energie van 30 keV wordt getoond in Fig. 5. De meetgegevens geven aan dat de BL-stroom zal toenemen met een grotere e-beam-dosering. De geïnjecteerde elektronen die door de detector worden verzameld, zullen FG opladen tot een bepaald negatief bias-niveau, waardoor de p-kanaal FG-transistoren geleidelijk zullen worden ingeschakeld, wat resulteert in grotere uitlees-BL-stromen. Bovendien impliceren de gemeten gegevens dat er nog ruimte is in het bereik van verschillende ordes van grootte voordat de BL-stroom de verzadiging bereikt, waardoor het geschikt is voor detectie van een breed dynamisch bereik.

De verdeling van de voorgestelde detectoren in de geïnitialiseerde staat en die na blootstelling aan een e-beam met toenemende dosering bij een vast energieniveau van 30 keV

Zoals de meetgegevens in Fig. 6 laten zien, is de uitgelezen BL-stroomverschuiving positief gecorreleerd met de versnellende energie van de toegepaste e-straal, wat wordt verwacht voor de simulatieresultaten in Fig. 3, het valideren van de voorgestelde detector kan precies de kenmerken weerspiegelen van de geïnjecteerde e-beam dosering en versnellende energie. Met een hoge ruimtelijke resolutie van 700 nm in het detectievlak, kan deze detector ook een minimaal detectieniveau van 24 C/cm ² aantonen. bij 5 keV.

De geïnjecteerde dosering en zijn versnellende energie kunnen nauwkeurig worden weerspiegeld door de resulterende BL-stroom van de e-beam-belichte array

De tweedimensionale beelden op de 8 × 8 testarrays worden gedemonstreerd in Fig. 7, na 30 keV e-beam met een dosering van 0.2μC/cm ² , 0,6μC/cm ² en 1μC/cm ² worden vergeleken.

De tweedimensionale beelden na 30 keV e-beam blootstelling met een dosering van a 0,2μC/cm ² , b 0,6μC/cm ² en c 1μC/cm ² , respectievelijk

De voorgestelde e-beam detector heeft niet alleen een lineaire en hoge respons op dosering en versnellende energie, het vermogen van in-pixel dataopslag is een van zijn unieke eigenschappen. Zoals de gegevens laten zien in Fig. 8, kan de BL-stroomverschuiving die wordt veroorzaakt door blootstelling aan e-stralen, dagenlang relatief stabiel blijven bij 85 graden Celsius; daarom kunnen de e-beam-detectieresultaten in het opslagknooppunt blijven zonder externe voeding, waardoor de daaruit voortvloeiende offline elektrische uitlezing door automatische meetsystemen mogelijk wordt.

De e-beam-detectieresultaten kunnen worden opgeslagen in de voorgestelde detector en de gegevens blijven dagenlang relatief stabiel, waardoor off-line on-wafer uitlezing mogelijk wordt

Het experiment uitgevoerd in Fig. 9 impliceert dat er een lichte afname zal zijn van de verzamelefficiëntie van de voorgestelde e-beam-detector wanneer de naburige pixel al is opgeladen. Vanwege de negatieve potentiaal van aangrenzende pixels ervaren de elektronen afstotende kracht tijdens injectie; daarom moeten patronen en array-ontwerp worden overwogen om een ​​dergelijk patrooninterface-effect te verminderen.

De efficiëntie van de verzameling blijkt enigszins te worden verminderd door een volledig opgeslagen zwevende poort op de aangrenzende cellen, waar enig patrooninterferentie-effect wordt verwacht