用于实时原位电子束成像的先进16 nm FinFET CMOS探测器阵列

摘要

首次提出并演示了一种新型原位成像解决方案及聚焦电子束（e-束）探测器阵列。该芯片内、晶圆上的 e-束探测器阵列完全兼容 FinFET CMOS 逻辑工艺，采用紧凑的 2 晶体管 (2T) 像素结构，具备快速响应、高响应度和宽动态范围。e-束成像模式与检测结果可存储于感测/存储节点，无需外部电源，支持离线电读出，可快速提供投影晶圆上 e-束的关键参数反馈，包括剂量、加速能量和强度分布。

引言

聚焦电子束广泛应用于加速器、自由电子激光 (FEL) [1,2] 及半导体制造。e-束处理大马士革互连界面可提升铜/低-κ 介质电性能而不损伤薄膜质量 [3]；某些 EUV 光刻胶可在 e-束曝光下无化学试剂成像 [4]；e-束直写技术可直接在晶圆上制造晶体管 [6,7]、聚合物结构 [8]、纳米线 [9] 等纳米结构 [10]；光掩模版制作是纳米 CMOS 技术主流方法 [11-14]。然而，若 e-束加速能量、剂量、均匀性无法精准控制，上述应用均会失效。

为在工艺腔内实时监测 e-束能量与剂量，需要芯片内、晶圆上的探测器。薄膜热电偶法 [15] 无法直接测量高能电子分布且灵敏度受限；光纤光学检测 [16]、波克尔盒 [17] 及微通道板 (MCP) [18,19] 虽效果尚可，但难以集成微型芯片，不适合芯片内原位检测。传统 CMOS 图像传感器 (CIS) 主动像素传感器 (APS) 可直接收集电子、降噪提升信噪比 [20,21]，但需外部供电驱动，降低可行性并增加腔体设计复杂度。

本研究提出并验证了一种无需外部电源的芯片内、晶圆上 e-束检测方法。探测器/记录器采用浮栅作为感测节点，兼容 16 nm FinFET CMOS 逻辑工艺，具备检测结果存储能力、紧凑 2T 像素、快速响应、宽动态范围和高响应度。在线 e-束辐射后，电子剂量与加速能量等关键特征可通过离线电学电流-电压 (IV) 测量（如晶圆验收测试 WAT 等无损读出流程）快速提取。

像素结构与方法学

实验装置与基本工作原理见图 1。e-束曝光期间，晶圆上探测器置于腔内（图 1a），浮栅结构收集注入的高能电子。高能电子与上方金属/介质层碰撞后能量衰减，部分电子到达并停留在浮栅上，曝光后存储感测电平。无供电情况下，各像素点的投影 e-束电平存储在独特的 2T 像素中（图 1b）。曝光后，通过离线电学 IV 测量（图 1c）读出剂量与加速能量，重建 e-束成像、图案及原位强度分布。芯片级阵列若集成并行读出外围电路，读出时间可达毫秒级；初始化步骤后可在秒级刷新供下次检测。

三维结构图见图 2a：纯 16 nm FinFET CMOS 工艺制备的 p 沟道晶体管，包含一行选择 (RS) 晶体管控制顺序读出，一浮栅 (FG) 晶体管存储感测结果。紧凑像素结构与像素内 FG 存储/感测节点在沿位线 (BL) 的透射电镜 (TEM) 图像及版图中清晰可见（图 2b、c）。像素间距可缩至 0.7 μm，实现高空间分辨率 e-束成像。

注入过程中会产生二次电子 (SE) 与背散射电子 (BSE)。SE 因表面非弹性散射逸出，BSE 为一级束弹性大角散射逸出 [22]，可能引入正电荷与存储负电荷复合。因多数金属在 >5 keV 下 SE 发射系数 <1 [23]，存储节点净电位为负。正负电荷均可存储并反映在读出电流中。

实验结果与讨论

蒙特卡洛模拟估算注入 e-束轨迹（图 3a）：加速能量越高，e-束穿透越深；0-30 keV 范围内，穿透至探测器的电子数随能量增加而增多（图 3b）。>30 keV 时多数电子穿透硅衬底，浮栅收集效率下降。收集效率 η 定义为：η = Q_FG / Q_total，其中 Q_FG 为浮栅收集存储电荷，Q_total 为注入总电子数。

模拟显示 e-束穿透深度达数微米，10 keV 电子注入前速度达 6 cm/ns [25]，响应时间估计微秒级 [26]，可响应快速扫描 e-束。

曝光前需清除半导体制造工艺步骤诱导的浮栅电荷 [27,28]。250°C 烘烤初始化，图 4a 显示 BL 电流分布收敛，随机电荷被移除；图 4b 累积图显示总读出电流降至 0.1 pA 以下，确认浮栅电荷有效清空。

图 5 展示初始态与定能 30 keV 下不同剂量曝光后的 BL 电流分布。数据表明 BL 电流随剂量增大而增加。注入电子使浮栅充电至负偏压，逐渐导通 p 沟道 FG 晶体管，产生更大读出电流。数量级动态范围未饱和，适合宽动态范围感测。

图 6 显示读出 BL 电流漂移与加速能量正相关，验证了模拟预测，探测器可精准反映剂量与能量。700 nm 像素间距下，最小感测剂量 24 μC/cm² (5 keV)。

8×8 测试阵列二维成像见图 7，对比 30 keV 下 0.2、0.6、1 μC/cm² 剂量成像效果。

探测器不仅对剂量与能量呈线性高响应，像素内数据存储是独特优势。图 8 显示 85°C 下 e-束诱导的 BL 电流漂移数日内相对稳定，检测结果可无外部电源保留在存储节点，支持自动测量系统离线晶圆上读出。

图 9 实验显示，相邻像素已充电时，收集效率略有下降。相邻像素负电位对注入电子产生排斥力，阵列设计需考虑图案干扰效应。

结论

本文提出一种芯片内、晶圆上 e-束探测器阵列，兼容 FinFET CMOS 逻辑工艺，具备宽动态范围、高响应度。紧凑 2T 像素结构实现亚微米像素间距，提升空间分辨率。投影 e-束成像与检测结果可非易失性存储于感测/存储节点，无需外部电源，支持离线电学读出。该阵列有望成为提升未来 e-束光刻系统与工艺稳定性的理想解决方案。

数据与材料可用性

不适用。