JP7286778B2 - 利得要素を備えた荷電粒子検出器およびその製造方法 - Google Patents

利得要素を備えた荷電粒子検出器およびその製造方法 Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
[0001] 本出願は、２０１９年２月２６日に出願された米国特許出願第６２／８１０，９０５号の優先権を主張する。これは援用により全体が本願に含まれる。
[0002] 本明細書の記載は荷電粒子検出に関し、更に具体的には、荷電粒子ビーム検出に適用可能であるシステム及び方法に関する。
[0003] 検出器は、物理的に観察可能な現象を検知するために用いることができる。例えば電子顕微鏡のような荷電粒子ビームツールは、サンプルから投影された荷電粒子を受け取って検出信号を出力する検出器を含み得る。検出信号を用いて、検査対象のサンプル構造の像を再構築し、例えばサンプルの欠陥を明らかにすることができる。密に実装された多数の小型集積回路（ＩＣ：integrated circuit）コンポーネントを含み得る半導体デバイスの製造において、サンプルの欠陥の検出はますます重要となっている。この目的のために専用の検査ツールを提供することができる。
[0004] 例えば走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：scanning electron microscope）を用いた顕微鏡検査のような検査分野のいくつかの適用例では、電子ビームがサンプルをスキャンして、サンプルから発生した後方散乱電子又は二次電子から情報を得ることができる。関連技術において、ＳＥＭツールの電子検出システムは、サンプルから入来する電子を検出するように構成された検出器を含み得る。いくつかの適用例では、低ビーム電流が用いられる場合、又は電子のエネルギレベルが低い場合、検出信号が極めて弱いことがあり、このため感度が問題となる。いくつかの検出器は、検出信号に電流利得を追加して、信号レベルを測定可能な量まで増大させるように構成することができる。しかしながら、外部増幅器のような従来の利得要素を検出器に提供することは、システムを複雑化させる可能性があり、またノイズを発生させる恐れもある。ノイズが加わることは、システム全体の信号対雑音比（ＳＮＲ：signal-to-noise ratio）の低下の一因となり、結像品質の低下を招き得る。
[0005] 比較例において、検出デバイスは、電子の受信に応答して光を放出するシンチレータを備えることができる。入来する電子ビームの強度は、最初にシンチレータによって光信号に変換され得る。光信号は次いで、光路を介して光検出器に誘導され得る。光検出器に到達すると、対応する電気信号を発生することができる。発生した信号は、入来した電子ビームの強度を表す振幅を有し得る。
[0006] シンチレータを用いたシステムは以下の欠点を有する可能性がある。例えば、シンチレータにおける電子強度から光信号への変換、及び光検出器における光信号から電気信号への変換に起因して、ノイズが発生し得る。更に、シンチレータとライトガイド等の様々なコンポーネント間の接続の各々は、ノイズ及び信号損失の一因となり得る。損失は、シンチレータと光路との間の結合損失、光路の挿入損失、及び光路と光検出器との間の結合損失を含み得る。
[0007] 別のタイプの検出デバイスでは、ＰＩＮダイオードを用いることができる。ＰＩＮダイオードは、例えば真性領域で分離されたｐ型半導体領域とｎ型半導体領域のような、伝導性の異なる複数の領域を備えた半導体構造を含み得る。ＰＩＮダイオードは、電子の受信に応答して電気信号を発生することができる。入来する電子ビームの強度は電気信号に直接変換され得る。シンチレータを用いるシステムに比べ、ＰＩＮダイオードを用いるシステムは、信号の種類変換及び結合に起因したノイズが小さい可能性がある。これによりＳＥＭシステムの全体的なＳＮＲを改善できる。
[0008] 更に、ＰＩＮダイオードは、入来する電子からの電離効果に基づくエネルギ増倍に起因した固有の内部利得を有し得る。ＰＩＮダイオードの内蔵利得（built-in gain）は、入射粒子のエネルギに比例し得る。例えば、入来する電子のエネルギが大きくなればなるほど、デバイスの利得は大きくなる。逆に、入来する電子のエネルギが小さい場合、これに関連する利得は小さくなり得る。従って、粒子のエネルギが低い場合にこれを検出するためには、例えば増幅器を取り付けて利得を追加することが必要となり得る。しかしながら上述のように、検出システムにおいて検知要素の下流に増幅器を接続すると信号対雑音比の劣化を招く恐れがある。ＳＮＲの低減は、部分的には検知要素と増幅器との間の外部相互接続によって生じ得る。従って、ＰＩＮダイオードの限界は、低エネルギ粒子に対する内蔵利得が、実際に広範な用途向けにＳＮＲを改善するには充分でない可能性があることである。
[0009] 別の比較例の検出システムにおいて、検出器は、増幅のために用いられるＰＩＮダイオードと同様の構造を備えた内蔵利得要素を含み得る。ＰＩＮダイオードは、充分に高い逆バイアス電圧を印加することによってアバランシェモード又はガイガーカウントモードにバイアスをかけることができる。高内部電界誘起電離によって内部利得を達成できる。このような検出システムは高い内蔵利得を有し得るが、内部ノイズが大きく、利得の温度係数が高い可能性がある。
[0010] 本開示の実施形態は、荷電粒子検出に関連したシステム及び方法を提供する。いくつかの実施形態において、内蔵利得ブロックを有する検出器を提供することができる。検出器は荷電粒子ビーム装置で使用できる。
[0011] 荷電粒子ビーム装置のための検出器は、基板に提供された検知要素と利得要素とを含み得る。検知要素及び利得要素は第１の方向に位置合わせすることができる。第１の方向は、基板の厚さ方向に対応し得る検出器に入射する荷電粒子ビームの入射方向と平行であり得る。利得要素は、第１の方向に垂直な第２の方向に沿って、第１の伝導性の領域が第２の伝導性の領域に隣接して提供され、第３の伝導性の領域が第２の伝導性の領域に隣接して提供されるセクションを含み得る。第１の伝導性はｎ＋半導体であり、第２の伝導性はｐ＋半導体であり、第３の伝導性はｎ＋＋＋半導体であり得る。第２の伝導性の領域は、第１の伝導性の領域と第３の伝導性の領域との間に介在し得る。
[0012] 検知要素は、第４の伝導性の領域を含む第１の層を含み得る。検知要素は、第１の方向に沿って、第４の伝導性の領域が真性領域に隣接して提供され、第２の伝導性の領域が真性領域に隣接して提供されているセクションを含み得る。
[0013] いくつかの実施形態において、基板は層構造で提供され得る。基板は、第１の伝導性の第１の領域を含む第１の層と、第２の伝導性の第２の領域を含む第２の層と、第２の伝導性の第４の領域の間に介在する第３の伝導性の第３の領域を含む第３の層と、第３の伝導性の第６の領域の間に介在する第４の伝導型の第５の領域を含む第４の層と、を含み、第６の領域は第５の伝導性の第７の領域の間に介在し、第７の領域は第２の伝導性の第８の領域の間に介在している。第１から第４の層は基板の厚さ方向に積層され得る。
[0014] いくつかの実施形態において、方法は、基板に検知要素を形成することと、基板に利得要素を形成することと、含み得る。方法は半導体ドーピングを含み得る。利得要素を形成することは、第２の伝導性の領域が基板の真性領域内へ突出するように、第１の伝導性の領域内へ第２の伝導性の領域を第１の伝導性の領域よりも深くインプラントすることを含み得る。
[0015] いくつかの実施形態によれば、検出器は、調整可能な利得を有し得る内蔵利得ブロックを備えることができる。検出器に低ノイズ利得ブロックを直接埋め込むことにより、外部増幅器及びそれに関連する相互接続からのノイズ寄与分を小さくすることができる。従って、検出システムの全体的な信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善できる。検知要素の出力を利得ブロックへ直接供給することができる。利得ブロックはアレイ構造に作製することができ、これにより、速度、全体的な信頼性、デバイスのロバスト性、デバイスの均一性、及び熱放散を改善し得る。検知要素及び利得要素（内蔵利得ブロック等）の構造を基板内に統合しながら、それらの機能を分離することができる。これによって、例えば高いＳＮＲ、耐久性、及びシステム設計簡略化の点で有利な構造を達成しながら、各機能の最適化を可能とすることができる。いくつかの実施形態は、入来する荷電粒子エネルギが低い場合、ビーム電流が低い場合、又は荷電粒子計数を用いる場合の適用例において効果的であり得る。例えば、入来する電子エネルギは高いがＳＥＭデバイスにおける電子ビーム電流が低い場合、本開示の実施形態は、例えばＳＮＲを改善するために有用であり得る。別の状況には、電子ビーム電流は高いが入来する電子エネルギが低い場合、及び、電子ビーム電流が低く入来する電子エネルギも低い場合が含まれる。このような状況では、検出器の検知要素からの信号出力が弱いので、本開示の実施形態が有用であり得る。
[0016] 開示される実施形態の追加の目的及び利点は、部分的に以下の記載において述べられると共に部分的に記載から明らかになるか、又は、実施形態の実施によって学ぶことができる。開示される実施形態の目的及び利点は、本開示に述べられている要素及び組み合わせによって実現及び達成できる。しかしながら、そのような例示的な目的及び利点を達成するために本開示の例示的な実施形態は必ずしも必須ではなく、いくつかの実施形態は上記の目的及び利点のいずれかを達成しない場合がある。
[0017] 前述の一般的な記載及び以下の詳細な記載は双方とも単に説明のための例示的なものであり、特許請求され得る開示されている実施形態を限定するものではない。
[0018] 本開示の上記及び他の態様は、添付図面と関連付けて例示的な実施形態の記載を検討することによって明らかとなるであろう。
[0019] 本開示の実施形態に従った例示的な電子ビーム検査（ＥＢＩ：electron beam inspection）システムを示す概略図である。 [0020] 図１の例示的な電子ビーム検査システムの一部であり得る、本開示の実施形態に従った例示的な電子ビームツールを示す概略図である。 [0021] 本開示の実施形態に従った例示的な検出器の上面を示す図である。 [0022] 本開示の実施形態に従った、複数の検知要素を備えた例示的な検出器の上面を示す図である。 [0023] 本開示の実施形態に従った、検出器を使用することができる検出システムを示す図である。 [0024] 本開示の実施形態に従った個々の検知要素の断面を示す図である。 [0024] 本開示の実施形態に従った個々の検知要素の断面を示す図である。 [0025] 本開示の実施形態に従った、検知要素と利得要素とを含む基板の構造の図である。 [0025] 本開示の実施形態に従った、検知要素と利得要素とを含む基板の構造の図である。 [0025] 本開示の実施形態に従った、検知要素と利得要素とを含む基板の構造の図である。 [0026] 本開示の実施形態に従った、検知要素と利得要素アレイとを含む基板の構造の図である。 [0026］ 本開示の実施形態に従った、検知要素と利得要素アレイとを含む基板の構造の図である。 [0027] 本開示の実施形態に従った、検知要素と利得要素又は利得要素アレイとを含む基板の構造の図である。 [0027] 本開示の実施形態に従った、検知要素と利得要素又は利得要素アレイとを含む基板の構造の図である。 [0028] 本開示の実施形態に従った、複数の検出セル又は検知要素を有し得る基板を示す。 [0028] 本開示の実施形態に従った、複数の検出セル又は検知要素を有し得る基板を示す。 [0029] 本開示の実施形態に従った、基板を形成する方法のステップを示す。 [0029] 本開示の実施形態に従った、基板を形成する方法のステップを示す。 [0029] 本開示の実施形態に従った、基板を形成する方法のステップを示す。 [0029] 本開示の実施形態に従った、基板を形成する方法のステップを示す。 [0029] 本開示の実施形態に従った、基板を形成する方法のステップを示す。 [0029] 本開示の実施形態に従った、基板を形成する方法のステップを示す。 [0029] 本開示の実施形態に従った、基板を形成する方法のステップを示す。 [0029] 本開示の実施形態に従った、基板を形成する方法のステップを示す。 [0029] 本開示の実施形態に従った、基板を形成する方法のステップを示す。 [0030] 本開示の実施形態に従った、基板との電気接続を形成する概略図を示す。 [0031] 本開示の実施形態に従った、基板との電気接続を形成する別の概略図を示す。
[0032] これより、図面に例が示されている例示的な実施形態について詳しく述べる。以下の記載は添付図面を参照するが、特に他の指示がない限り、様々な図面において同一の番号は同一又は同様の要素を表す。例示的な実施形態の以下の記載で述べられている実施例は、本発明に従った全ての実施例を表すわけではなく、単に、添付の特許請求の範囲で列挙される主題に関連する態様に従った装置、システム、及び方法の例に過ぎない。
[0033] 本出願の態様は、荷電粒子ビーム検出のためのシステム及び方法に関する。検出器は、電子等の荷電粒子を検出するように構成することができ、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の検査ツールにおいて有用であり得る。検査ツールは、集積回路（ＩＣ）コンポーネントの製造プロセスで使用できる。今日の電子デバイスの計算能力向上を実現するため、ＩＣチップ上のトランジスタ、キャパシタ、ダイオードのような回路コンポーネントの実装密度を著しく増大させると共に、デバイスの物理的サイズを縮小することができる。例えばスマートフォンでは、ＩＣチップ（親指の爪のサイズである）は、人間の毛髪の太さの１０００分の１未満であるトランジスタを２０億超も含み得る。驚くことではないが、半導体ＩＣ製造は数百の個別ステップを含む複雑なプロセスである。１つのステップにおける誤差でさえ、最終製品の機能に対して劇的に影響を及ぼす可能性がある。１つの「キラー欠陥（killer defect）」でさえデバイス故障を引き起こす恐れがある。製造プロセスの目標は、プロセスの全体的な歩留まりを改善することである。例えば５０のステップを有するプロセスが７５％の歩留まりを達成するには、個別ステップの各々の歩留まりが９９．４％を超えていなければならない。個別ステップの歩留まりが９５％である場合、全体的なプロセス歩留まりは７％に低下する。
[0034] 高いスループット（例えば１時間当たりに処理されるウェーハ数として定義される）を維持しながら、高い精度と高い分解能で欠陥を検出する能力を保証することは、ますます重要になっている。高いプロセス歩留まりと高いウェーハスループットは、特にオペレータの介入を伴う場合、欠陥の存在によって影響を受ける可能性がある。従って、高い歩留まりと低いコストを維持するためには、検査ツール（ＳＥＭ等）によるマイクロメータサイズ及びナノサイズの欠陥の検出と識別が重要である。
[0035] いくつかの検査ツールでは、サンプル表面を高エネルギ電子ビームでスキャンすることによってサンプルを検査することができる。サンプル表面での相互作用により、サンプルから二次電子が発生し、次いでこれを検出器で検出することができる。いくつかの適用例では、検出器はＰＩＮダイオードの形態であり、入来する二次電子ビームの強度を電気信号に変換できる。しかしながら状況によっては、検出器に入射する電子のエネルギが比較的低いので、これに対応して検知要素からの信号が弱く、検出が難しいことがある。
[0036] 関連する検出システムには、例えば上述したような低い感度及び小さい信号対雑音比（ＳＮＲ）のような限界があり得る。本開示の態様は、内蔵利得要素を備えた検出器を提供することにより、そのような限界のいくつかに対処することができる。内蔵利得要素によって、追加の外部増幅段とそれに関連した接続を提供する必要性を軽減又は排除できる。これにより、検出器と外部構造との結合を低減又は短縮することで、信号損失とノイズ発生を防止することができる。
[0037] 例えば検出器に入射する電子数が少ないか又は個々の入射電子のエネルギレベルが低い場合のように、検出器に入来する荷電粒子ビームの強度が低い状況では、検出器の検知要素から電流を発生させることが難しい可能性がある。検出器からの出力信号が非常に弱いので、信号を測定するため追加の増幅が必要となり得る。従って、いくつかの検出器では、アバランシェ増倍のような増幅方法又は利得要素を使用することができる。いくつかの利得要素は別個の段に提供され、別個の離散的構造として提供され得る。例えば、アバランシェダイオードを検知要素の下流に接続することができる。しかしながら、それぞれが中間接続を有し得るコンポーネントを複数提供すると、各接続がノイズを発生する恐れがあるので、これは理想的でない。更に、電流がワイヤに流れると、ワイヤ自体がアンテナのように作用し、電磁干渉の一因となる場合がある。これは、付近の電気コンポーネントを妨害する恐れがある。
[0038] 本開示の態様において、検出器は、一体化された検知要素と利得要素を備えることができる。検知要素は、検出器で受け取った荷電粒子に応答して信号を発生する機能を提供し、利得要素は、この信号に利得を加える機能を提供することができる。利得要素は、半導体基板のような検知要素を構成する構造に内蔵することができる。
[0039] 内蔵利得要素はバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ：bipolar junction transistor）を含み得る。半導体基板にドーパント種をインプラントして異なる半導体伝導性のエリアを形成することにより、利得要素を検出器に組み込むことができる。利得要素は、検出器と一体化された構造を形成し得る。従って、利得要素は検出器と共に単一の（例えばモノリシックな）ユニットとして提供することができ、多数の別々な増幅器及びそれらを接続するワイヤのような外部構造を提供する必要性を軽減できる。
[0040] ＢＪＴは、多くの理由から利得要素として有用であり得る。例えば、利得の量を正確に制御できる。従って、利得要素は調整可能な利得を有することができ、これは検出器のダイナミックレンジ向上において有用であり得る。いくつかの適用例では、入来する電子信号は極めて高いレベルから極めて低いレベルまでの範囲に及び得るので、検出器はそれに応じて適切な利得量を適用して電子信号を検出することが可能でなければならない。更に、大きい利得量を生成するためＢＪＴに印加される電圧量は、同様の利得を生成するため提供され得るアバランシェダイオードに印加される電圧に比べて比較的小さい可能性がある。
[0041] 本開示の範囲を限定することなく、いくつかの実施形態は、電子ビームを利用するシステムにおいて検出器及び検出方法を提供する文脈で記載され得る。しかしながら、本開示はそのように限定されない。他のタイプの荷電粒子ビームも同様に適用できる。更に、検出のためのシステム及び方法は、例えば光学結像、光検出、ｘ線検出、イオン検出のような他の結像又は放射検出システムでも使用され得る。
[0042] 本明細書において用いる場合、特に他の指示がない限り、「又は（ｏｒ）」という用語は、実行不可能な場合を除いて、全ての可能な組み合わせを包含する。例えば、あるコンポーネントがＡ又はＢを含むと記載されている場合、特に他の指示がない限り、又は実行不可能な場合を除いて、そのコンポーネントはＡもしくはＢを含むか、又はＡ及びＢを含むことができる。第２の例として、あるコンポーネントがＡ、Ｂ、又はＣを含むと記載されている場合、特に他の指示がない限り、又は実行不可能な場合を除いて、そのコンポーネントはＡもしくはＢもしくはＣを含むか、又はＡ及びＢを含むか、又はＡ及びＣを含むか、又はＢ及びＣを含むか、又はＡ及びＢ及びＣを含むことができる。
[0043] これより、本開示の実施形態に従った検出器を含むことができる例示的な電子ビーム検査（ＥＢＩ）システム１０を示す図１を参照する。ＥＢＩシステム１０は結像のために使用され得る。図１に示されているように、ＥＢＩシステム１０は、主チャンバ１１と、ロード／ロックチャンバ２０と、電子ビームツール１００と、機器フロントエンドモジュール（ＥＦＥＭ：equipment front end module）３０と、を含む。電子ビームツール１００は主チャンバ１１内に配置されている。ＥＦＥＭ３０は、第１ローディングポート３０ａ及び第２ローディングポート３０ｂを含む。ＥＦＥＭ３０は、１又は複数の追加のローディングポートを含むことも可能である。第１ローディングポート３０ａ及び第２ローディングポート３０ｂは、検査対象のウェーハ（例えば、半導体ウェーハ、又は１もしくは複数の他の材料で作製されたウェーハ）又はサンプルを収容したウェーハＦＯＵＰ（front opening unified pod）を受容する（本明細書ではウェーハ及びサンプルをまとめて「ウェーハ」と呼ぶことがある）。
[0044] ＥＦＥＭ３０内の１つ以上のロボットアーム（図示せず）が、ウェーハをロード／ロックチャンバ２０へ移送することができる。ロード／ロックチャンバ２０はロード／ロック真空ポンプシステム（図示せず）に接続されており、このロード／ロック真空ポンプシステムは、ロード／ロックチャンバ２０内のガス分子を除去して大気圧未満の第１の圧力を達成する。第１の圧力に達した後、１つ以上のロボットアーム（図示せず）が、ウェーハをロード／ロックチャンバ２０から主チャンバ１１へ移送することができる。主チャンバ１１は主チャンバ真空ポンプシステム（図示せず）に接続されており、この主チャンバ真空ポンプシステムは、主チャンバ１１内のガス分子を除去して第１の圧力未満の第２の圧力を達成する。第２の圧力に達した後、ウェーハは電子ビームツール１００による検査を受ける。電子ビームツール１００はシングルビームシステム又はマルチビームシステムとすることができる。コントローラ１０９は、電子ビームツール１００に電子的に接続されており、他のコンポーネントにも電子的に接続できる。コントローラ１０９は、ＥＢＩシステム１０の様々な制御を実行するように構成されたコンピュータとすればよい。コントローラ１０９は図１において、主チャンバ１１、ロード／ロックチャンバ２０、及びＥＦＥＭ３０を含む構造の外側に示されているが、コントローラ１０９がこの構造の一部である場合もあることは認められよう。
[0045] 図２は荷電粒子ビーム装置を示す。この荷電粒子ビーム装置は、複数の一次電子ビームレットを用いてサンプル上の複数の位置を同時にスキャンするマルチビームツールとすることができる。
[0046] 図２に示されているように、電子ビームツール１００Ａ（本明細書では装置１００Ａとも呼ばれる）は、電子源２０２と、銃開口２０４と、コンデンサレンズ２０６と、電子源２０２から放出された一次電子ビーム２１０と、ソース変換ユニット２１２と、一次電子ビーム２１０の複数のビームレット２１４、２１６、及び２１８と、一次投影光学システム２２０と、ウェーハステージ（図２には示されていない）と、複数の二次電子ビーム２３６、２３８、及び２４０と、二次光学システム２４２と、検出器２４４と、を備え得る。電子源２０２は、一次電子ビーム２１０の電子のような一次粒子を発生できる。検出器２４４に、コントローラや画像処理システム等を結合することができる。一次投影光学システム２２０は、ビームセパレータ２２２と、偏向スキャンユニット２２６と、対物レンズ２２８と、を備え得る。検出器２４４は検出サブ領域２４６、２４８、及び２５０を含み得る。
[0047] 電子源２０２、銃開口２０４、コンデンサレンズ２０６、ソース変換ユニット２１２、ビームセパレータ２２２、偏向スキャンユニット２２６、及び対物レンズ２２８は、装置１００Ａの一次光軸２６０と位置合わせすることができる。二次光学システム２４２及び検出器２４４は、装置１００Ａの二次光軸２５２と位置合わせすることができる。
[0048] 電子源２０２は、カソード、抽出器、又はアノードを含み得る。一次電子はカソードから放出され、抽出又は加速されて、クロスオーバ２０８を有する一次電子ビーム２１０を形成することができる。一次電子ビーム２１０は、クロスオーバ２０８から放出されているように可視化できる。銃開口２０４は、一次電子ビーム２１０の周辺電子を遮断してプローブスポット２７０、２７２、及び２７４のサイズを縮小することができる。
[0049] ソース変換ユニット２１２は、像形成要素アレイ（図２には示されていない）及びビーム制限開口アレイ（図２には示されていない）を含むことができる。ソース変換ユニット２１２の一例は、米国特許第９，６９１，５８６号、米国特許出願公開第２０１７／００２５２４３号、及び国際公開第ＰＣＴ／ＥＰ２０１７／０８４４２９号で見ることができる。これらは全て援用により全体が本願に含まれる。像形成要素アレイは、微小偏向器又は微小レンズのアレイを含み得る。像形成要素アレイは、一次電子ビーム２１０の複数のビームレット２１４、２１６、及び２１８によって、クロスオーバ２０８の複数の平行な像（虚（virtual）又は実）を形成することができる。ビーム制限開口のアレイは、複数のビームレット２１４、２１６、及び２１８を制限することができる。
[0050] コンデンサレンズ２０６は、一次電子ビーム２１０を集束することができる。コンデンサレンズ２０６の集束力（focusing power）を調整することによって、又は、ビーム制限開口アレイ内の対応するビーム制限開口の半径方向サイズを変更することによって、ソース変換ユニット２１２の下流のビームレット２１４、２１６、及び２１８の電流を変化させることができる。コンデンサレンズ２０６は、第１主面の位置が可動であるように構成できる可動コンデンサレンズとしてもよい。可動コンデンサレンズは、磁気型に構成することで、回転角によって軸外ビームレット２１６及び２１８をビームレット制限開口に入射させることができる。回転角は、可動コンデンサレンズの集束力と第１主面の位置と共に変化する。いくつかの実施形態では、可動コンデンサレンズは、可動の第１主面を有する非回転レンズを含む可動の非回転コンデンサレンズとすることができる。可動コンデンサレンズは、援用により全体が本願に含まれる米国公報第２０１７／００２５２４１号に更に記載されている。
[0051] 対物レンズ２２８は、検査のためにビームレット２１４、２１６、及び２１８をウェーハ２３０上に集束させることができ、ウェーハ２３０の表面上に複数のプローブスポット２７０、２７２、及び２７４を形成できる。ウェーハ表面から発した二次電子のような二次粒子は、検出器２４４で収集されて、ウェーハ２３０上の関心エリアの像を形成することができる。
[0052] ビームセパレータ２２２は、静電双極子場及び磁気双極子場を発生するウィーンフィルタ（Wien filter）タイプのビームセパレータとすればよい。いくつかの実施形態では、それらが適用された場合、ビームレット２１４、２１６、及び２１８の電子に対して静電双極子場によって加えられる力は、この電子に対して磁気双極子場によって加えられる力と、大きさは等しいが方向は反対であり得る。従って、ビームレット２１４、２１６、及び２１８は、ゼロの偏向角で真っすぐビームセパレータ２２２を通過できる。しかしながら、ビームセパレータ２２２によって発生するビームレット２１４、２１６、及び２１８の全分散も非ゼロである可能性がある。ビームセパレータ２２２は、ビームレット２１４、２１６、及び２１８から二次電子ビーム２３６、２３８、及び２４０を分離し、二次電子ビーム２３６、２３８、及び２４０を角度αで二次光学システム２４２の方へ誘導することができる。
[0053] 偏向スキャンユニット２２６は、ビームレット２１４、２１６、及び２１８を偏向させて、プローブスポット２７０、２７２、及び２７４をウェーハ２３０の表面エリアでスキャンすることができる。ビームレット２１４、２１６、及び２１８がプローブスポット２７０、２７２、及び２７４に入射することに応答して、ウェーハ２３０から二次電子ビーム２３６、２３８、及び２４０が放出され得る。二次電子ビーム２３６、２３８、及び２４０は、二次電子及び後方散乱電子を含むエネルギ分布を有する電子を含み得る。二次光学システム２４２は、二次電子ビーム２３６、２３８、及び２４０を検出器２４４の検出サブ領域２４６、２４８、及び２５０上に集束させることができる。検出サブ領域２４６、２４８、及び２５０は、対応する二次電子ビーム２３６、２３８、及び２４０を検出し、ウェーハ２３０の表面エリアの像を再構築するために使用される対応する信号を発生するように構成できる。
[0054] 図２は、複数のビームレットを使用するマルチビームツールとして電子ビームツール１００の一例を示すが、本開示の実施形態はそのように限定されない。例えば電子ビームツール１００は、１つだけの一次電子ビームを用いて一度にウェーハ上の１つの位置をスキャンするシングルビームツールとしてもよい。更に、いくつかの実施形態において検出器は、電子ビームツールの主光軸に対して軸上又は軸外に配置することができる。
[0055] また、画像取得器と、ストレージと、コントローラと、を含む画像処理システムも提供することができる。画像取得器は１つ以上のプロセッサを含み得る。例えば画像取得器は、コンピュータ、サーバ、メインフレームホスト、端末、パーソナルコンピュータ、任意の種類のモバイルコンピューティングデバイス等、又はそれらの組み合わせを含み得る。画像取得器は、導電体、光ファイバケーブル、携帯型記録媒体、ＩＲ、ブルートゥース（登録商標）、インターネット、無線ネットワーク、無線機、又はそれらの組み合わせ等の媒体を介して、電子ビームツール１００の検出器２４４に接続できる。画像取得器は、検出器２４４から信号を受信し、画像を構築することができる。従って、画像取得器はウェーハ２３０の画像を取得できる。また、画像取得器は、輪郭発生や取得画像上へのインジケータの重畳といった様々な後処理機能も実行できる。画像取得器は、取得画像の明るさやコントラスト等の調整を実行するように構成できる。ストレージは、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、クラウドストレージ、他のタイプのコンピュータ可読メモリ等の記録媒体とすればよい。ストレージは、画像取得器に結合することができ、スキャンされた原画像データをオリジナル画像としてセーブするため、及び後処理した画像をセーブするために使用できる。画像取得器及びストレージはコントローラ１０９に接続することができる。いくつかの実施形態では、画像取得器、ストレージ、及びコントローラ１０９は、１つの電子制御ユニットとして一体化してもよい。従って、図１に示されているようなコントローラ１０９は、画像処理システム、画像取得器、及びストレージを表し得る。
[0056] いくつかの実施形態において、コントローラ１０９は、検出器２４４から受信した結像信号に基づいてサンプルの１つ以上の画像を取得することができる。結像信号は、荷電粒子結像を行うためのスキャン動作に対応し得る。取得された画像は、ウェーハ２３０の様々なフィーチャを含み得る複数の結像エリアを含む単一画像であり得る。この単一画像はストレージに記憶することができる。結像は結像フレームに基づいて実行できる。
[0057] 図３は、本開示のいくつかの実施形態に従った検出器２４４のセンサ表面３００を示す図である。センサ表面３００は二次電子の入射ビームに向かい合うことができる。センサ表面３００は複数の検出セル３０１を含み得る。センサ表面３００は１つ以上の検知要素を含み得る。いくつかの実施形態では、各検出セル３０１が個々の検知要素に対応し得る。いくつかの実施形態では、複数の検出セルが、複数の検知要素を有する１つの基板によって構成され得る。別の実施形態では、１つの検出セルが複数の検知要素を含み得る。
[0058] 図３に示されている例を参照すると、検出器２４４は９個の検出セルに分割することができる。これらの検出セルは、例えば図２に関連して上述したような検出器２４０のサブ領域２４６、２４８、及び２５０を含む検出サブ領域に対応し得る。検出セルは、図３に破線で概念的に示されているようにグリッド状に配置され得る。
[0059] いくつかの実施形態によれば、センサ表面３００を物理的に検出サブ領域に分割する必要はない。すなわち、図３の破線はセンサ表面３００上の実際の構造を表していない場合がある。以下で詳述するように、検出セルは、検出器２４４の下部に離隔された半導体領域を提供することによって形成できる。検出器２４４の検知要素は、連続的な半導体基板から形成できる。検出器２４４は、各検出サブ領域に入射した電子を対応する検出セルへ誘導するように構成される内部電界を形成することができる構造を有し得る。検出器は、入射電子を分離するためのセンサ表面３００上の特定の構造を必要としないので、センサ表面３００の全体を用いて電子を受け取ることができる。センサ表面３００上のデッドエリアを実質的に排除できる。
[0060] しかしながらいくつかの実施形態では、センサ表面３００は、離散的な検知要素のアレイに物理的にセグメント化され得る。隣接する検知要素間に隔離エリアを設けることができる。
[0061] １つ以上の二次電子ビームが、検出器２４４のセンサ表面３００上に複数のビームスポット２８２を形成することができる。例えば、図３に示されているように９個のビームスポットを形成できる。各検出セルは、対応するビームスポットを受け取り、この受け取ったビームスポットの強度を表す信号（例えば電圧や電流等）を発生させ、この信号を、ウェーハ２３０のエリアの像を発生するためデータ処理システムに提供することができる。
[0062] 一次ビームレット２１４、２１６、及び２１８に関する上記の記載と同様、本開示は二次電子ビームの数を限定しない。このため本開示は、検出器２４４内の検出セル３０１の数も、検出器２４４によって検出可能なビームスポット２８２の数も限定しない。例えば、開示される実施形態によれば、検出器２４４は、センサ表面３００に沿ってマトリックスに配列された２×２、４×５、又は２０×２０の検出セルのアレイを含み得る。
[0063] 更に、図３はセンサ表面３００に平行な面内で３×３の矩形グリッド状に配列された検出セル３０１を示すが、検出セル３０１は任意の配列とすればよく、又は検出セル３０１は任意の形状とすればよいことは認められよう。例えばいくつかの実施形態において、検出セル３０１は三角形又は六角形の形状を有し得る。
[0064] これより、本開示のいくつかの実施形態に従ったセンサ表面４００を示す図４を参照する。センサ表面４００は単一の検出セルを表し得る。センサ表面４００は複数の検知要素４０１を含み得る。センサ表面４００は、この表面上にビームスポット２８２が形成されるように入射二次電子ビームに向かい合うことができる。検知要素４０１は、ビームスポット２８２よりも小さいようにサイズ設定できる。従ってビームスポット２８２は、１つの検出セル内の複数の検知要素４０１に広がり得る。１つのビームスポットに関連した複数の検知要素４０１をグループ化し、それらの出力信号を組み合わせることができる。
[0065] いくつかの実施形態において、検知要素４０１等の検知要素はダイオードを含み得る。例えば、各検知要素はＰＩＮダイオード等のダイオードを含み得る。また、検知要素は、入射エネルギを測定可能信号に変換できるダイオードと同様の要素としてもよい。いくつかの実施形態において、各検知要素は、検知要素のアクティブエリアで受け取った電子に比例した電流信号を発生することができる。本明細書ではＰＩＮダイオードについて検討するが、いくつかの実施形態では伝導型を反対にしてもよいことは理解されよう。従って、ＰＩＮダイオードに加えてＮＩＰダイオード構造も使用できる。
[0066] 検知要素は、１つ以上の層を備えることができる基板を含み得る。例えば検知要素の基板は、厚さ方向に積層された複数の層を有するように構成できる。厚さ方向は、電子ビームの入射方向と実質的に平行である。例えば検知要素がＰＩＮダイオードとして形成されている場合、ＰＩＮダイオードは、ｐ型領域、真性領域、及びＮ型領域を含む複数の層を備えた基板として製造できる。このような層のうち１つ以上は断面図において連続的であり得る。センサ層に加えて、例えば回路層や読み出し層のような別の層を提供することも可能である。
[0067] 検知要素の出力に前処理回路を接続し、検知要素で発生した電流信号を増幅することができる。次いでこの信号を、受け取った電子の強度を表す電圧信号に変換することができる。前処理回路は例えば、電荷移動増幅器（ＣＴＡ：charge transfer amplifier）、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ：transimpedance amplifier）、又はＣＴＡもしくはＴＩＡと結合したインピーダンス変換回路等のプリアンプ回路を含み得る。処理システムが、例えばセンサ領域内に配置された電子検知要素で発生した電流を合計することにより、電子ビームスポットの強度信号を発生させ、この強度信号をウェーハに入射した一次電子ビームのスキャン経路データと相関付け、この相関に基づいてウェーハの像を構築することができる。
[0068] これより、本開示の実施形態に従った検出器を使用することができる検出システム５００を示す図５を参照する。検出器２４４上で使用され得るセンサ表面４００を有する検出器を提供することができる。検出器はＩ×Ｊの検知要素アレイを含み、マルチプレクサ等の他のコンポーネントと接続されるＭ個の出力を有し得る。Ｉ×Ｊの検知要素をＭ個のグループにグループ化するスイッチマトリクスを提供できる。グループの数は入来する電子ビームの数と同じとすればよい。検出器は、センサ層及び回路層を含む基板として構築できる。
[0069] 検出器は信号調節回路アレイ５１０に接続することができる。信号調節回路アレイ５１０は、検知要素アレイ上に入来する電子ビームの数以上であるようなＮ個の入力及び出力を有し得る。信号調節回路アレイ５１０は、コンポーネントの中でもとりわけ増幅器を含み得る。
[0070] 信号調節回路アレイ５１０は、利得及びオフセット制御を行うための並列アナログ信号処理経路アレイ５２０に接続することができる。並列アナログ信号処理経路アレイ５２０は、信号調節回路アレイ５１０からの出力の数と一致するようなＮ個の入力及び出力を有し得る。
[0071] 並列アナログ信号処理経路アレイ５２０は、並列アナログ信号処理経路アレイ５２０からの出力の数と一致するようなＮ個の入力及び出力を有し得る並列ＡＤＣアレイ５３０に接続することができる。
[0072] 並列ＡＤＣアレイ５３０はデジタル制御ユニット５４０に接続することができる。デジタル制御ユニット５４０は、並列アナログ信号処理経路アレイ５２０を含む他のコンポーネントと、及び検知要素アレイと通信することができるコントローラを含み得る。デジタル制御ユニット５４０は、送信器ＴＸ及び受信器ＲＸを介して偏向及び像制御（ＤＩＣ：deflection and image control）ユニットとの間で通信を送受信することができる。
[0073] 検出システム５００は、アナログ信号に基づいて検知要素からの出力を処理するために有用であり得る。しかしながら、いくつかの実施形態では他の形態の検出システムが使用され得る。例えば、電子計数に基づいて検知要素からの出力を処理するために有用である検出システムを提供することができる。
[0074] 電子計数に基づく検出システムでは、検知要素からの未処理の検出信号を信号処理のため電気回路に供給することができる。例えば、電流バッファ及びトランスインピーダンス増幅器を含むフロントエンド電子装置を提供できる。増幅の後、フロントエンド電子装置の個別の回路の各々から出力された信号をイベント検出器に供給することができる。イベント検出器は例えば、入来する信号を基準レベルと比較し、入来信号レベルが基準レベルよりも高い場合にフラグ等の信号を出力するように構成された判別器ブロックを含み得る。
[0075] 電子計数に基づく検出システムが図５のシステムと異なる点は、特に、並列ＡＤＣアレイ５３０等のＡＤＣブロックの代わりにイベント検出器が提供され得ることである。このようなイベント検出器は電子計数において有用であり得る。更に、各検知要素におけるカウントバッファ、カウント合計ユニット、及び、結像制御を実行するよう構成できる外部コントローラのような別のコンポーネントも提供され得る。
[0076] 図６Ａ及び図６Ｂは個々の検知要素の概略図を示し、これは図４に関して上記で検討した検知要素４０１のうち１つの例であり得る。例えば、図６Ａに検知要素６１１Ａが示されている。検知要素６１１Ａは、ｐ型層６２１、真性層６２２、及びｎ型層６２３を備えた半導体構造を含み得る。検知要素６１１Ａは、アノード及びカソード等の２つの端子を含み得る。動作時に検知要素６１１Ａに逆バイアスをかけて、ｐ型層６２１の長さの一部と、真性層６２２のほぼ全長と、ｎ型層６２３の長さの一部と、に延出する空乏化領域６３０を形成できる。空乏化領域６３０において、電荷キャリアは消滅し、空乏化領域６３０で発生した新しい電荷キャリアは電荷に従って掃き出され得る。例えば、入来した荷電粒子がセンサ表面６０１に到達すると、電子正孔対が生成され、正孔６５１はｐ型層６２１の方へ引き付けられると共に電子６５２はｎ型層６２３の方へ引き付けられ得る。いくつかの実施形態では、センサ表面６０１上に保護層を設けてもよい。保護層は入射電子に対して透過性とすればよい。
[0077] 図６Ｂに示されているように、検知要素６１１Ｂは、向きが変更されていることを除いて検知要素６１１Ａと同様に動作できる。例えば、ｐ型層６２１はセンサ表面６０１を含むことができる。ｐ型層６２１は入射する荷電粒子に暴露され得る。従って、入射する荷電粒子はｐ型層６２１及び空乏化領域６３０と相互作用し、電子正孔対を発生できる。いくつかの実施形態では、ｐ型層６２１の上に金属層を設けてもよい。
[0078] 動作時、検知要素の空乏化領域は捕捉領域として機能できる。入来する荷電粒子は空乏化領域において半導体材料と相互作用し、ノックアウト効果（knock-out effect）によって新しい電荷を発生することができる。例えば検知要素は、特定量以上のエネルギを有する荷電粒子が半導体材料の格子の電荷を移動させる（dislodge）ことで、電子正孔対を生成させるように構成できる。このように生じた電子及び正孔は、例えば空乏化領域内の電界によって反対方向に進み得る。検知要素の端子の方へ進むキャリアの発生は、検知要素内の電流に対応し得る。
[0079] 状況によっては、検出器の検知要素に入射する電子は比較的大きいエネルギを有し得る。例えば、サンプルと一次電子ビームとの相互作用から発生した入来電子は、約１０，０００ｅＶの運動エネルギで検出器に到達する可能性がある。検出器の半導体ダイオードは、束縛電子を強打して（knock）自由にすることにより電子正孔対を発生させるために約３．６ｅＶのエネルギを必要とするよう構成できる。これに比べ、参照として、１つの光子は約１ｅＶのエネルギを有し得る。
[0080] 入射電子は、ダイオードの半導体材料の格子内の電子をノックアウトすることによって半導体材料と相互作用する。この相互作用は、電子のエネルギが低減して追加電子をノックアウトするには不充分なレベルになるまで続く。従って、１０，０００ｅＶの電子は約２，７００の電子正孔対を発生させ得る。これらの電子正孔対のキャリアはダイオードの端子で収集され、電流信号としての出力に寄与し得る。このように、ダイオード内で電子は光子に比べて著しく強い電気信号を発生させるので、ダイオードは二次電子の検出のために有用であり得る。
[0081] しかしながら、例えばサンプル内の材料の特性に応じて、電子は広いエネルギ分布でサンプルから発生し得る。従って、一部の電子は他よりも著しく小さいエネルギを有し、次々と連続する電子正孔対を生成しないことがある。入来電子のエネルギが比較的小さい状況では、それに応じてダイオードの内部利得が小さい可能性がある。従って、別個の増幅器を提供することにより利得を追加することが望ましい場合がある。
[0082] いくつかの実施形態では、アバランシェモードで動作するよう構成されたダイオードを含み得る増幅器を提供することができる。アバランシェダイオードは、入力から追加電荷を発生させるのに充分な強さの内部電界を発生できる。ダイオード内の電界は、電荷キャリアを各端子の方へ加速させることができる。例えばダイオードは、その端子に電圧を印加してバイアスをかけることでダイオード内に強い電界を形成できる。このような電界により、ダイオードの半導体格子内の追加キャリア（例えば電子）をノックアウトするのに充分な高速度までキャリアを加速させることができる。従って、ダイオードに印加する電圧が高ければ高いほど、入力に応じて生成される電子正孔対を増加させることができる。しかしながら、電圧の増大はいくつかの有害な結果を招き得る。例えばアーク放電リスクが増大し、また、取り付けられた検出器及び付属の回路が損傷を受ける恐れがある。従って、電圧の増大はダイオードの利得を増大させ得るが、ノイズの一因となり、他の悪影響も生じることがある。
[0083] 更に、アバランシェダイオードにおける電子正孔対の発生は、ある程度のランダム性を伴う確率過程であり得る。例えば電子は、他の粒子との衝突によって、電子正孔対の発生に直接関係ないプロセスでエネルギを消散することがある。結果として、入力エネルギの全てがノックアウトプロセスによって一貫して電子正孔対の発生に変換されるわけではなく、何らかのノイズが発生し得る。
[0084] 半導体電子検出デバイスは通常、シンチレータを含むデバイスに比べ、ノイズは小さいが利得が低いことがある。更に、半導体電子検出デバイスの利得は入来電子のエネルギに依存するので、電子エネルギが低い状況では利得が低い可能性がある。こういった理由から、低エネルギ電子検出の適用例ではＳＮＲの改善が妨げられる恐れがある。
[0085] 本開示のいくつかの実施形態では、検知要素と共に利得要素を検出器に組み込むことができる。検出器は、複数の半導体材料層を備えた基板を含み得る。利得要素及び検知要素は基板において一体化することができる。これは、利得要素と検知要素との間の接続の短縮のために役立ち得る。利得を与える要素を検出器に直接埋め込むことで、外部コンポーネントに供給される前に検出信号を強力にして、ＳＮＲを改善できる。これにより、増幅器のような外部源からのノイズ寄与分を小さくすることができる。更に、検知要素を備えた基板に利得調整機能を追加することで、検出器のダイナミックレンジの増大を促進し、従ってＳＥＭの結像サブシステムのダイナミックレンジを改善することができる。利得要素は、例えば利得要素に提供されるバイアス電流を制御することによって調整可能利得を与えるように構成できる。検出器は、広範囲の電子ビーム強度に対応することができる。
[0086] 利得要素は、検出器の検知要素を構成する基板内に提供される内蔵ブロックとすることができる。検知要素はＰＩＮダイオードを含み得る。検知要素と一体化された利得要素を提供することにより、検知要素の出力信号を、相互接続を介して外部コンポーネントへ送信する前に強化することができる。更に、別個の増幅器によって増幅を行う必要性を軽減できる。従って、別のノイズ源が生じる前に、更なる増幅のための基礎となる検出信号を強化することができ、これにより検出システムの全ＳＮＲを改善できる。
[0087] 図７Ａ及び図７Ｂは、本開示の実施形態に従った、検知要素７１１及び利得要素７２１を含む基板７００の構造を示す。図７Ａは、荷電粒子ビームの入射方向に平行な面内における基板７００の断面を示す。図示されている座標軸において、Ｚ方向は入射方向に平行であると共に基板７００の厚さ方向に対応し、Ｘ方向はＺ方向に直交する方向に対応し得る。検知要素７１１及び利得要素７２１は、入射方向に平行な方向に位置合わせすることができる。例えば検知要素７１１及び利得要素７２１は、基板７００の厚さ方向に相互に積層されるように配置できる。
[0088] 図７Ｂは基板７００の下面を示す。ワイヤ７７０等のいくつかの要素は明確さのために省略され得る。図示されている座標軸において、Ｘ方向及びＹ方向は入射方向に垂直である２次元面を形成し得る。
[0089] 基板７００は、伝導性の異なる複数の半導体領域又は他の領域を備えた多層構造を含み得る。伝導性は、ｐ型もしくはｎ型のような半導体伝導型、又はインプラント種によるドーピングの程度のような伝導レベルのことを示し得る。基板７００の層は、基板７００の厚さ方向に相互に重ねて形成され得る。メタライズ部分も提供することができる。図７Ａに示されているように、基板７００の上面として金属層７１０を提供することができる。金属層７１０は電子入射表面として構成され得る。金属層７１０は検出器２４４のような検出器のセンサ表面を形成し得る。金属層７１０はアルミニウムを含み得る。
[0090] 金属層７１０に隣接して半導体領域７２０を提供できる。半導体領域７２０は第１の伝導性の領域を含み得る。第１の伝導性はｎ型半導体とすることができる。半導体領域７２０は、基板７００にドーパント種をインプラントすることによって形成され得る。従って半導体領域７２０はｎ型ドープとすることができる。ドーピング濃度は比較的高くすることができる。いくつかの実施形態において、半導体領域７２０はｎ＋＋半導体を含み得る。
[0091] 半導体領域７２０に隣接して半導体領域７３０を提供できる。半導体領域７３０は、第１の伝導性とは異なる第２の伝導性の領域を含み得る。第２の伝導性はｐ型半導体とすることができる。半導体領域７３０は真性領域とすることができる。半導体領域７３０は、低度にドーピングした結果として高い抵抗を有するように設定されたドーピング濃度を有し得る。基板７００は例えばｐ型ブランクウェーハから形成することができ、この場合、真性領域はｐ－半導体を含み得る。
[0092] 半導体領域７３０に隣接して半導体領域７４０を提供できる。半導体領域７４０は第２の伝導性の領域を含み得る。半導体領域７４０はｐ＋半導体を含み得る。
[0093] 検知要素７１１は、半導体領域７２０、７３０、及び７４０を含み得る。半導体領域７２０及び７４０はＰＩＮダイオードの端子を形成し得る。動作時、検知要素７１１は、検出器における荷電粒子到達イベントに応答して電気信号を発生させる機能を提供できる。電子等の入来する荷電粒子は、金属層７１０を通過して半導体領域７２０に入ることができる。半導体領域７２０及び半導体領域７３０のほぼ全厚に及ぶ空乏化領域が形成され得る。入来する電子は半導体領域７２０及び７３０の材料と相互作用し、電子正孔対を発生することができる。発生した電子正孔対の電子と正孔は、電子が半導体領域７２０の方へ移動すると共に正孔が半導体領域７４０の方へ移動するように検知要素７１１の内部電界によって誘導され得る。その間、半導体領域７４０は利得ブロックのベースとして作用し、利得機能を与えるのに役立ち得る。これについて以下で検討する。
[0094] 利得要素７２１は、半導体領域７５０及び半導体領域７６０と共に半導体領域７４０を含み得る。利得要素７２１はバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を含み得る。ＢＪＴとして作用する利得要素７２１は、ベース、コレクタ、及びエミッタ端子を有し得る。半導体領域７４０は利得要素７２１のベースを形成し得るが、半導体領域７４０は検知要素７１１と共有され、ＰＩＮダイオードの端子として作用することができる。利得要素７２１及び検知要素７１１は一体化構造によって直接接続され得るので、干渉によって信号対雑音比を低下させる可能性のある外部接続の必要性をなくすことができる。
[0095] ＢＪＴは、エミッタ、ベース、及びコレクタ端子を介して流れる電流量を制御することができる。いくつかの実施形態では、ベース端子内へ流れる比較的小さい電流によって、コレクタ端子とエミッタ端子との間に流れるはるかに大きい電流を制御できる。ＢＪＴは、２つの端子間に流れる大きい電流（又は他の信号）が別の端子に提供される小さい電流によって調整されるスイッチとして作用することができる。また、ＢＪＴは、ベース端子内へ流れる入力信号に利得を加える増幅器としても作用できる。
[0096] 半導体領域７４０に隣接して利得要素７２１の半導体領域７５０を提供できる。半導体領域７５０及び７４０は、基板７００のＸ方向又はＹ方向で相互に隣接し得る。同様に、半導体領域７４０に隣接して半導体領域７６０を提供できる。半導体領域７６０は、半導体領域７４０の部分の間に挟むことができる。半導体領域７４０は、半導体領域７５０の部分の間に挟むことができる。また、半導体領域７５０は半導体領域７３０の部分の間に挟むことができる。
[0097] 半導体領域７５０は第１の伝導性の領域を含み得る。半導体領域７５０はｎ＋半導体を含み得る。いくつかの実施形態において、半導体領域７５０は利得要素７２１のＢＪＴのコレクタ端子として作用することができる。
[0098] 半導体領域７６０は第２の伝導性の領域を含み得る。半導体領域７６０は、第２の伝導性の他の領域よりも高いドーピング濃度を有し得る。半導体領域７６０はｎ＋＋＋半導体を含み得る。いくつかの実施形態において、半導体領域７６０は利得要素７２１のＢＪＴのエミッタ端子として作用することができる。
[0099] 半導体領域７４０、７５０、及び７６０の各々は、金属層のパッドとオーミック接触を形成することができる内部領域を有し得る。例えば、半導体領域７４０に半導体領域７４５を埋め込み、半導体領域７５０に半導体領域７５５を埋め込むことができる。半導体領域７４５及び７５５の各々は、これらが埋め込まれている各材料よりも高いドーピング濃度を有し得る。例えば、半導体領域７４５はｐ＋＋半導体を含み、半導体領域７５５はｎ＋＋半導体を含み得る。金属ワイヤ又はパッドは、半導体領域７４５又は半導体領域７５５と直接接触し得る。オーミック接触を形成することは、低インピーダンスで利得要素７２１との接続を形成するために有用であり得る。
[00100] 基板７００の下面にワイヤ７７０を提供することができる。ワイヤ７７０はアルミニウムを含み、基板７００上にパターニングされたワイヤ層を構成し得る。
[00101] 検知要素７１１は、Ｚ方向に沿って半導体領域７２０、７３０、及び７４０が提供されているセクションを含み得る。半導体領域７３０は半導体領域７２０と７４０との間に介在し得る。例えばライン７１Ａに沿って、半導体領域は７２０、７３０、及び７４０の順序で提供される。
[00102] 利得要素７２１は、Ｘ方向又はＹ方向に沿って半導体領域７５０、７４０、及び７６０が提供されるセクションを含み得る。半導体領域７４０は半導体領域７５０と７６０との間に介在し得る。例えばライン７１Ｂに沿って、半導体領域は７５０、７４０、及び７６０の順序で提供される。半導体領域７３０は半導体領域７５０、７４０、及び７６０を取り囲み得る。
[00103] これより、本開示の実施形態に従った層構造に関して基板７００を示す図７Ｃを参照する。基板７００は、厚さ方向に積層された複数の層を含み得る。いくつかの実施形態では第１の層４１０を提供することができる。第１の層４１０は第１の伝導性の領域４１１を含み得る。第１の伝導性はｎ型半導体とすることができる。領域４１１はｎ＋＋半導体を含み得る。
[00104] 第１の層４１０に隣接して第２の層４２０を提供することができる。第２の層４２０は第２の伝導性の領域４２１を含み得る。第２の伝導性はｐ型半導体とすることができる。領域４２１は真性領域を含むことができ、ｐ－半導体を含み得る。
[00105] 第２の層４２０に隣接して第３の層４３０を提供することができる。第３の層４３０は、第２の伝導性の領域４３１の間に介在する第３の伝導性の領域４３２を含み得る。第３の伝導性はｎ型半導体とすることができる。領域４３２はｐ＋半導体を含み得る。領域４３１は領域４２１と連続的であり得る。
[00106] 第３の層４３０に隣接して第４の層４４０を提供することができる。第４の層４４０は、第３の伝導性の領域４４３の間に介在する第４の伝導性の領域４４４と、第２の伝導性の領域４４１の間に介在する第５の伝導性の領域４４２と、を含み得る。領域４４３は領域４４２の間に介在し得る。第４の伝導性は高度にドーピングされたｎ型半導体とすることができる。領域４４４はｎ＋＋＋半導体を含み得る。領域４４３はｐ＋半導体を含み得る。第５の伝導性はｎ型半導体とすることができる。領域４４２はｎ＋半導体を含み得る。領域４４１はｐ－半導体を含み得る。領域４４３は領域４３２と連続的であり、領域４４１は領域４３１と連続的であり得る。
[00107] 基板７００の検知要素は、領域４１１、領域４２１、及び領域４３２を含み得る。基板７００の利得要素は、領域４４２、領域４４４、及び領域４４３を含み得る。検知要素は更に、領域４４３、領域４３１、及び領域４４１を含み得る。利得要素は更に領域４３２を含み得る。検知要素及び利得要素は共通の端子を含み得る。例えば、領域４３２及び領域４４３はＢＪＴのベースを構成し得る。更に、領域４３２及び領域４４３はＰＩＮダイオードの端子を構成し得る。少なくとも検知要素の構造の一部は、利得要素の構造の一部と共有され得る。
[00108] 更に、基板７００は金属層４５０及び金属層４７０を備えることができる。金属層４５０及び４７０はアルミニウムを含み得る。金属層４５０及び４７０は、基板７００を他のコンポーネントと接続するための接点を形成し得る。
[00109] いくつかの実施形態では、領域４４３に埋め込まれた第６の伝導性の領域４４５、及び領域４４２に埋め込まれた第７の伝導性の領域４４６も提供することができる。第６の伝導性はｐ型半導体とすることができ、領域４４５はｐ＋＋半導体を含み得る。第７の伝導性はｎ型半導体とすることができ、領域４４６はｎ＋＋半導体を含み得る。
[00110] いくつかの実施形態では、基板７００は検知要素と利得要素の機能を統合することができる。利得要素はＢＪＴを含み得る。従って、検知要素を含む基板に内蔵利得ブロックを提供できる。電子等の荷電粒子の検出は、例えば、センサ表面に入射電子が到達して検出器の検知要素と相互作用することに応じた電子正孔対の発生によって達成できる。利得は、例えばＢＪＴの形態の内蔵利得ブロックによって提供できる。電流利得は、ＢＪＴに印加されるバイアスを変化させることで調整できる。検知要素のダイナミックレンジを向上させることができる。更に、内蔵利得ブロックによって提供される追加利得は、検出信号を検知要素の外部へ送信する前にこれをブーストすることによって検出器のＳＮＲを改善することに役立ち得る。これにより、例えば検知要素の後に増幅段を提供することに起因したノイズ寄与分を小さくすることができる。検知要素のアクティブな電子検出エリアからの信号は、対応する利得要素の入力端子に直接供給できる。従っていくつかの実施形態では、信号経路によるノイズ及び電磁干渉によるノイズを軽減することができる。全体的なシステムレベルのＳＮＲを改善できる。更に、検出デバイスにおける検知要素の電子検出エリアと電流利得ブロックの分離によって、各機能の実行最適化の向上を促進できる。
[00111] 図７Ａに従った実施形態において、入来電子は検知要素７１１に入射することができる。検知要素７１１は逆バイアスモードのダイオードとして動作し得る。半導体領域７２０及び半導体領域７３０の部分を含み得る空乏化領域において、入来電子のエネルギに応じて電子信号を増倍させることができる。増倍の後、入来電子により発生したもの及び増倍効果により発生したものを含む正孔は、利得要素７２１のＢＪＴのベースとして作用する半導体領域７４０へ誘導され得る。利得要素７２１では、流入してくる正孔からの電流信号を増幅して信号振幅を更に増大させることができる。
[00112] いくつかの実施形態では、例えば信号調節回路アレイ５１０（図５を参照のこと）に含まれる増幅器のような増幅器を介して増幅を行う必要性を軽減できる。従って、別個の増幅器により行われる増幅の割合を小さくし、これに対応するノイズも小さくすることができる。いくつかの実施形態では、内蔵利得要素が提供されていない検出システムに比べて小さい増幅器が提供され得る。
[00113] いくつかの実施形態において、利得要素は複数の利得要素のうち１つとしてもよい。複数の利得要素は、検知要素を含む基板において一体化することができる。検知要素の後段の利得ブロックは、単一のＢＪＴ又はＢＪＴアレイであり得る。複数のＢＪＴを１つの検知要素に関連付けることができ、この場合、システムの冗長性と信頼性を向上させることができる。いくつかの実施形態では、複数の検出セル（複数の検知要素を含み得る）を備えた検出器にＢＪＴアレイを提供して、各ＢＪＴを各検出セルに関連付けることができる。これによって実装密度が増大し、更なる小型化が可能となり得る。
[00114] これより、本開示の実施形態に従った、検知要素８１１並びに複数の利得要素８２１、８２２、８２３、及び８２４を含む基板８００の構造を示す図８Ａ及び図８Ｂを参照する。図８Ａは、荷電粒子ビームの入射方向に平行な面内における基板８００の断面を示す。図示されている座標軸において、Ｚ方向は入射方向に平行であると共に基板８００の厚さ方向に対応し、Ｘ方向はＺ方向に直交する方向に対応し得る。検知要素８１１は、入射方向に平行な方向で利得要素８２１、８２２、８２３、及び８２４の上に積層することができる。
[00115] 図８Ｂは基板８００の下面である。ワイヤ８７０等のいくつかの要素は明確さのために省略され得る。基板８００は、例えば複数の利得要素のアレイが提供されていることを除いて、図７Ａから図７Ｃを参照して上記で検討した基板７００と同様であり得る。
[00116] 図８Ａに示されているように、基板８００は、第２の伝導性の第１の半導体領域８４０－１及び第２の伝導性の第２の半導体領域８４０－２を含み得る。第１及び第２の半導体領域８４０－１及び８４０－２はｐ＋半導体を含み得る。第１及び第２の半導体領域８４０－１及び８４０－２は各ＢＪＴのベースとして作用し得る。
[00117] 図８Ａ及び図８Ｂに示されているように、半導体領域８４０－１、８４０－２、及び８５０の各々は、金属層のパッドとオーミック接触を形成できる。例えば、半導体領域８４０－１及び８４０－２にそれぞれ半導体領域８４５－１及び８４５－２を埋め込むことができる。更に、半導体領域８５０に半導体領域８５５を埋め込むことができる。半導体領域８４５－１、８４５－２、及び８５５の各々は、これらが埋め込まれている各材料よりも高いドーピング濃度を有し得る。例えば、半導体領域８４５－１及び８４５－２はｐ＋＋半導体を含み、半導体領域８５５はｎ＋＋半導体を含み得る。図８Ｂに示されているように、ＢＪＴに半導体領域８５５を１つだけ提供することができ、半導体領域８５５は金属層のパッドとオーミック接触を形成し得る。
[00118] 基板８００の下面にワイヤ８７０を提供することができる。ワイヤ８７０はアルミニウムを含み、基板８００上にパターニングされたワイヤ層を構成し得る。
[00119] いくつかの実施形態において、同一サイズの利得ブロックを提供する条件のもとでは、ＢＪＴアレイを含む利得ブロックに含まれる個々のＢＪＴ要素は、対応する単一要素ＢＪＴよりも小さいものであり得る。全体的なサイズが同じ場合、大きい単一ＢＪＴに比べて、小さいＢＪＴアレイの形態の利得要素の方が、速度、全体的な信頼性、デバイスのロバスト性、デバイスの均一性、及び熱放散の面で有利であり得る。いくつかの実施形態において、アレイ配列の各ＢＪＴ要素は、個別に機能を有効化（enable）又は無効化（disable）されるように制御できる。ＢＪＴアレイ内のいくつかのＢＪＴ要素が欠陥を有するか又は動作中に損傷を受けた場合、それらの機能が無効化され、検知要素のアクティブエリアからの電子は同じＢＪＴアレイ内で機能が有効化されている他のＢＪＴ要素へ誘導され得る。このように、１つのＢＪＴ要素が故障した場合であっても、ＢＪＴアレイを含む検出デバイス全体は機能性を維持することができる。大型の電子検出デバイスでは、デバイス内の各検知要素は、利得ブロックとして１つのＢＪＴを備えた１つの検出エリア、又は、利得ブロックとして１つのＢＪＴアレイを備えた１つの検出エリアを有し得る。
[00120] いくつかの実施形態では、デバイスの伝導型を変更してもよい。利得ブロックの出力信号の極性は、上記で検討したものとは異なってもよい。伝導型を変更すると、電荷キャリアは検出器デバイス中で異なるルートを進み得る。これは検出器デバイスの帯域幅に影響を与える可能性がある。その理由は、例えば電子の方が正孔よりも移動度が高いというように、電荷キャリアが異なる移動度を有し得るからである。
[00121] これより、本開示の実施形態に従った、１つの検知要素と１つ以上の利得要素とを備えた基板９００を示す図９Ａ及び図９Ｂを参照する。基板９００は、例えば、図７Ａから図７Ｃを参照して上記で検討した基板７００とは反対の伝導性の半導体領域を含むことを除いて、基板７００と同様であり得る。
[00122] 基板９００は、伝導性の異なる複数の半導体領域又は他の領域を備えた多層構造を含み得る。図９Ａに示されているように、基板９００の上面として金属層９１０を提供することができる。金属層９１０は電子入射表面として構成され得る。金属層９１０は検出器２４４のような検出器のセンサ表面を形成し得る。金属層９１０はアルミニウムを含み得る。
[00123] 金属層９１０に隣接して半導体領域９２０を提供できる。半導体領域９２０は第１の伝導性の領域を含み得る。第１の伝導性はｐ型半導体とすることができる。半導体領域９２０は、基板９００にドーパント種をインプラントすることによって形成され得る。このため半導体領域９２０はｐ型ドープとすることができる。ドーピング濃度は比較的高くすることができる。いくつかの実施形態において、半導体領域９２０はｐ＋＋半導体を含み得る。
[00124] 半導体領域９２０に隣接して半導体領域９３０を提供できる。半導体領域９３０は、第１の伝導性とは異なる第２の伝導性の領域を含み得る。第２の伝導性はｎ型半導体とすることができる。半導体領域９３０は真性領域とすることができる。半導体領域９３０は、低度にドーピングされた結果として高い抵抗を有するように設定されたドーピング濃度を有し得る。基板９００は例えばｎ型ブランクウェーハから形成することができ、この場合、真性領域はｎ－半導体を含み得る。
[00125] 半導体領域９３０に隣接して半導体領域９４０を提供できる。半導体領域９４０は第２の伝導性の領域を含み得る。半導体領域９４０はｎ＋半導体を含み得る。
[00126] 基板９００の検知要素は、半導体領域９２０、９３０、及び９４０を含み得る。半導体領域９２０及び９４０はＰＩＮダイオードの端子を形成し得る。動作時、検知要素は、検出器における荷電粒子到達イベントに応答して電気信号を発生させる機能を提供できる。電子等の入来する荷電粒子は、金属層９１０を通過して半導体領域９２０に入ることができる。半導体領域９２０及び半導体領域９３０のほぼ全厚に及ぶ空乏化領域が形成され得る。入来する電子は半導体領域９２０及び９３０の材料と相互作用し、電子正孔対を発生することができる。発生した電子正孔対の電子と正孔は、電子が半導体領域９４０の方へ移動すると共に正孔が反対方向に移動するように検知要素の内部電界によって誘導され得る。その間、半導体領域９４０は利得ブロックのベースとして作用し、利得機能を与えるのに役立ち得る。これについて以下で検討する。
[00127] 基板９００の利得要素は、端子の極性が反転されていることを除いて基板７００と同様であり得る。従って、出力信号の極性は基板７００の例とは反対であり得る。基板９００の利得要素は、半導体領域９５０及び半導体領域９６０と共に半導体領域９４０を含み得る。利得要素は、ベース、コレクタ、及びエミッタ端子を有するＢＪＴを含み得る。半導体領域９４０は利得要素のベースを形成し得るが、半導体領域９４０は基板９００の検知要素と共有され、ＰＩＮダイオードの端子として作用することができる。利得要素及び検知要素は一体化構造によって直接接続され得る。
[00128] 図９Ｂに示されているように、図８Ａ及び図８Ｂに示されている例示的な実施形態と同様のＢＪＴアレイを基板９００に提供することができる。
[00129] これより、本開示の実施形態に従った、複数の検出セル又は検知要素を有することができる基板１０００を示す図１０Ａ及び図１０Ｂを参照する。基板１０００は、それぞれの検出セルに対応する複数の検知要素を含み得る。図１０Ａは、基板１０００の一部として検出セル１０１０を示す。基板１０００は、図３に示されている例示的な実施形態のように、複数の検出セルのアレイを含み得る。更に、いくつかの実施形態において基板１０００は、図４に示されている例示的な実施形態のように、複数の検知要素のアレイを含み得る。いくつかの実施形態において、検出器２４４は、それぞれが１つ以上の検知要素を含む検出セルを１つ以上有するように構成された単一の基板として提供できる。図１０Ｂは、アレイの形態の複数の利得要素を含み得る検出セル１０１０を備えた基板１０００を示す。１つの検出セルに含まれる複数の利得要素は、単一の検知要素に対応し得る。図１０Ａ又は図１０Ｂに示されるような検知要素の配列を、検出器を形成する基板全体で繰り返すことができる。
[00130] いくつかの実施形態では、半導体領域を含むデバイス構造のサイズが、浮遊容量のようなデバイス寄生成分（parasitics）に影響を及ぼし得る。例えば、本開示のいくつかの実施形態に従ったＢＪＴは、横方向デバイス（lateral device）の形態で実現され得る。このため、デバイスサイズが縮小すると、ＢＪＴのエミッタとコレクタとの間のベースエリアの厚さも縮小する。結果として走行時間が短くなり、これはデバイス速度の改善を促進できる。接合容量のような他の寄生パラメータは、デバイスのレイアウトに関連し、詳細なデバイスレイアウトを適切に修正することによって調整できる。更に、アレイ構造は、デバイスの均一性を改善し、デバイス間の性能の差を低減するために役立ち得る。また、アレイ構造は、検知要素における熱放散の改善に役立ち得る。熱放散の改善は特にＢＪＴでは重要であるが、その理由は、ＢＪＴの特性上、デバイスを流れる電流が大きくなるとホットスポットが発生する可能性があるからである。ホットスポットの発生はＢＪＴの損傷の１つの原因となり得る。従って、熱放散を改善することで、ホットスポット形成によるＢＪＴの損傷を回避できる。
[00131] これより、図１１Ａから図１１Ｉを参照して、基板を形成する方法を検討する。基板の形成は、ベース材料に伝導性の異なる領域を形成することを含み得る。このプロセスは、例えば半導体ドーピングを含む半導体処理ステップを含み得る。基板７００を形成することに関連付けて図１１Ａから図１１Ｉについて検討する。
[00132] ステップＳ１０１では、図１１Ａに示されているように、基板７００のベースを形成し得るブランクウェーハを提供することができる。ウェーハはｐ－半導体ウェーハとすればよい。ステップＳ１０１は半導体領域７３０を形成することを含み得る。半導体領域７３０は、真性キャリア濃度を有するウェーハによって形成され得る。ウェーハは、極めて低度のドーピングを有するシリコンウェーハから形成され得る。
[00133] ステップＳ１０２では、図１１Ｂに示されているように、基板７００に半導体領域７５０を形成することができる。上述のように、半導体領域はｎ＋半導体を含み得る。ステップＳ１０２は半導体ドーピングを含み得る。ステップＳ１０２では、例えばイオン注入によって基板７００にドーパント種のような粒子をインプラントすることができる。ステップＳ１０２は、ドーパント種を基板表面に選択的にインプラントするため基板７００の表面上にマスクを提供することを含み得る。インプラントの深さは、例えば入射粒子のエネルギレベルを調整することによって制御できる。半導体領域７５０は利得要素のコレクタを形成し得る。
[00134] ステップＳ１０３では、図１１Ｃに示されているように、基板７００に半導体領域７４０を形成することができる。上述のように、半導体領域７４０はｐ＋半導体を含み得る。ステップＳ１０３は半導体ドーピングを含み得る。半導体領域７４０は、半導体領域７５０内へドーパントを半導体領域７５０よりも深くインプラントすることによって形成できる。半導体領域７４０は、半導体領域７４０から基板７００の真性領域内へ、例えば半導体領域７３０内へ突出するように形成できる。半導体領域７４０を形成した結果、半導体領域７５０は半導体領域７４０を取り囲み得る。半導体領域７４０は半導体領域７５０を貫通して突出し得る。半導体領域７４０は利得要素のベースを形成し、検知要素の端子を形成し得る。
[00135] 半導体領域７４０の突出部を含む基板７００は、基板７００に検知要素を形成するために有用であり得る。基板７００を含む検出器に入射した荷電粒子により発生した電荷キャリアは、半導体領域７３０を通って進み、半導体領域７４０へ誘導され得る。動作時、基板７００の空乏化領域内のキャリアが半導体領域７４０へ進む直接経路が形成され得る。
[00136] ステップＳ１０４では、図１１Ｄに示されているように、基板７００に半導体領域７６０を形成することができる。上述のように、半導体領域７６０はｎ＋＋＋半導体を含み得る。ステップＳ１０４は半導体ドーピングを含み得る。半導体領域７６０は、半導体領域７４０内へドーパントを半導体領域７４０よりも浅くインプラントすることによって形成できる。半導体領域７６０の深さは半導体領域７５０と同一にすることができる。半導体領域７６０は利得要素のエミッタを形成し得る。
[00137] ステップＳ１０５では、図１１Ｅに示されているように、基板７００に半導体領域７５５を形成することができる。上述のように、半導体領域７５５はｎ＋＋半導体を含み得る。ステップＳ１０５は半導体ドーピングを含み得る。半導体領域７５５は、半導体領域７５０内へドーパントを半導体領域７５０よりも浅くインプラントすることによって形成できる。半導体領域７５５は、半導体領域７４０に隣接した半導体領域７５０の一方側に形成され得る。半導体領域７５５は、利得要素のコレクタに対する外部接続のために金属層のパッドとオーミック接触を形成し得る。
[00138] ステップＳ１０６では、図１１Ｆに示されているように、基板７００に半導体領域７４５を形成することができる。上述のように、半導体領域７４５はｐ＋＋半導体を含み得る。ステップＳ１０６は半導体ドーピングを含み得る。半導体領域７４５は、半導体領域７４０内へドーパントを半導体領域７４０よりも浅くインプラントすることによって形成できる。半導体領域７４５は、半導体領域７６０に隣接した半導体領域７４０の一方側に形成され得る。半導体領域７４５は、利得要素のベースに対する外部接続のために金属層のパッドとオーミック接触を形成し得る。
[00139] ステップＳ１０７では、図１１Ｇに示されているように、基板７００の下面にワイヤ７７０を形成することができる。上述のように、ワイヤ７７０はアルミニウムを含み得る。ステップＳ１０２～Ｓ１０７で例示した処理により、基板７００に利得要素を形成できる。
[00140] ステップＳ１０８では、図１１Ｈに示されているように、基板７００に半導体領域７２０を形成することができる。上述のように、半導体領域７２０はｎ＋＋半導体を含み得る。ステップＳ１０８は半導体ドーピングを含み得る。半導体領域７２０は、基板７００にドーパントをインプラントすることによって形成され得る。半導体領域７２０は検知要素の端子を形成し得る。
[00141] ステップＳ１０８から、処理は基板７００の反対側に進むことができる。このように、基板７００の一方側の処理を完了した後に基板７００の他方側の処理を開始できる。これは処理の観点から効率的であり得る。しかしながらいくつかの実施形態では、メタライゼーションの前に半導体ドーピングステップを全て完了することが有利であり得る。例えば、ステップＳ１０８とＳ１０７の順序を逆にすることができる。いくつかの実施形態において、基板は、深井戸フィーチャ（deep-well features）、追加の接点、又は回路要素等を含み得る。従っていくつかの実施形態は、ワイヤ又は金属層を形成する前に半導体領域７２０を形成する処理を用い得る。
[00142] ステップＳ１０９では、図１１Ｉに示されているように、基板７００の上面に金属層７１０を形成することができる。上述のように、金属層７１０はアルミニウムを含み得る。ステップＳ１０９は金属堆積を含み得る。金属層７１０は、検出器のセンサ表面となり得る電子入射表面を形成することができる。ステップＳ１０８及びＳ１０９で例示した処理により、基板７００に検知要素を形成できる。
[00143] 図１１Ａから図１１Ｉは基板７００の形成に関連付けて検討できるが、基板８００、９００、１０００のような他の基板を形成するために同様の処理を適用できることは明らかである。例えばいくつかの実施形態では、マスクを用いて複数の半導体領域を同時に形成することができる。
[00144] いくつかの実施形態では、同一ステップで複数の領域を形成することによってＢＪＴアレイを形成することができる。上記で検討したステップの別の変更としては、より幅広いか又は深い半導体領域を適切に形成することが含まれ得る。例えばステップＳ１０３は、図８Ａ及び図８Ｂに示された実施形態のように複数の半導体領域７４０を形成するように変更され得る。複数の半導体領域７４０の幅は、これらが半導体領域７５０内に収まるように小さくすることができる。あるいは、いくつかの実施形態において、ステップＳ１０２は、半導体領域７５０をより幅広く形成するように変更され得る。
[00145] 比較例において、ＢＪＴは、基板にドーパント種を順次インプラントすることで連続的なコレクタ、ベース、及びエミッタ端子を生成するように形成され得る。各端子は、直前に形成された端子よりも浅くドーパントをインプラントすることによって形成され得る。このため、ベース及びエミッタの双方を完全に取り囲むコレクタが形成され得る。更に、ベースはエミッタを完全に取り囲み得る。これは、ベースから流れる電子がコレクタ又はベース端子へ進む以外の経路を持たないように実行され得る。しかしながら、本開示の実施形態では、ＢＪＴはコレクタから突出するベース端子を備えることができる。従って、電子はベースと構造の他の部分との間を進み得る。例えば、図７Ａに関して上記で検討したようないくつかの実施形態では、検知要素７１１は半導体領域７２０、７３０、及び７４０を含み得る。利得要素７２１は半導体領域７４０、７５０、及び７６０を含み得る。利得要素７２１のベース端子として作用することができる半導体領域７４０は、半導体領域７５０から半導体領域７３０内へ突出し得る。従って、例えば検出器における二次電子到着イベントに応答して荷電キャリアが検知要素７１１を通って流れた場合、キャリアは半導体領域７４０内へ流入し得る。
[00146] 基板７００のような検知要素及び利得要素を備えた基板は、図１１Ａから図１１Ｉを参照して上記で検討したような比較的簡単な処理を用いて製造され得る。比較例では、低レベルの入力信号に対して高い利得を検知要素に追加するため、アバランシェダイオード又は他の構造のようなデバイス構造を形成する非標準の半導体処理を実行することが必要であり得る。
[00147] これより、本開示の実施形態に従った、基板７００との電気接続を形成する概略を示す図１２を参照する。１つ以上の回路を基板７００に接続し、基板７００に電気信号を提供するため用いることができる。検知要素及び利得要素を含む基板７００は、様々な構成で動作させることができる。いくつかの実施形態では、様々な機能性を達成するため基板７００の各端子にバイアス電圧が印加され得る。基板７００は、入来する荷電粒子のビーム１２０１を検出するための検出器として使用できる。
[00148] 図１２に示されているように、金属層７１０に高電圧源ＶＨを接続することができる。電圧源ＶＨは、基板７００の検知要素に逆バイアスを与えるように構成できる。検知要素は、適切な電圧を印加されると逆バイアスモードで動作することができるダイオードを含み得る。電圧源ＶＨによる電圧の印加は、基板７００の半導体領域７２０及び７３０の領域に厚い空乏化領域を発生させることに寄与し得る。上記で検討したように、空乏化領域は捕捉領域として機能し、検出器における荷電粒子到達イベントに応答して追加の電荷を発生させることができる。これらの電荷は検知要素の検出信号を形成し得る。
[00149] 利得要素を含む基板７００は、検知要素からの検出信号に利得を加えるように構成できる。利得要素はＢＪＴとすることができ、増幅器として動作し得る。電流源Ｉｂから、ＢＪＴのベースとして作用することができる半導体領域７４０に、バイアス電流が供給され得る。ＢＪＴは、指定された電流利得を有する線形増幅領域で動作するように構成できる。ＢＪＴは、基板７００の検知要素からの電流を増幅するように電流源Ｉｂでバイアスをかけることができる。
[00150] ＢＪＴは、一般的なエミッタ増幅器回路として動作するように構成できる。このような増幅器回路において、エミッタを介してＢＪＴから流出する電流は、ベース及びコレクタを介してＢＪＴ内へ流入する電流と平衡させることができる。このため、ＢＪＴのエミッタとして作用し得る半導体領域７６０から流出する電流は、ＢＪＴのベースとして（更に検知要素のアノードとして）作用する半導体領域７４０内へ流入する電流と、また、ＢＪＴのコレクタとして作用する半導体領域７５０へ流入する電流と平衡させることができる。一般的なエミッタ増幅器構成は、大きい電流及び電流利得を与える観点から有利であり得る。
[00151] 電圧源Ｖｃｃは、負荷ＲＬ及びＢＪＴに電圧を与えることができる。検知要素として作用する基板７００からの出力検出信号は、負荷ＲＬの両端の電圧として測定され得る。このため、検出器の出力信号は電流信号から電圧信号へ変換され得る。
[00152] 動作時、基板７００に印加される電圧は、アバランシェ効果によって利得が加えられる比較例に比べて比較的低いものであり得る。検出器からの出力信号は、外部の増幅器へ供給される前にあらかじめブーストすることができる。外部の増幅器による増幅に完全に依存するのではなく、検知要素からの出力を内蔵利得要素によって直接増幅することができる。
[00153] いくつかの実施形態では、検出器における二次荷電粒子の到達イベントに応答して発生した電流信号を、検出器の基板の内部構造で増幅することができる。基板は、電流信号が最初に発生する検知要素と一体化された利得要素を有し得る。利得要素は電流信号を処理し、これを検出器の出力信号として用いるため増幅することができる。いくつかの実施形態では、出力信号は電圧に変換され得る。低レベルの入力電圧を利得要素に印加することで、検知要素からの入力電流信号を充分にブーストし、測定可能な出力信号を得ることができる。
[00154] いくつかの実施形態において、利得要素の利得は調整可能であり得る。利得は、利得要素に印加される電圧又は電流を調整することによって調整できる。例えば、図１２におけるように基板７００に印加されるＶｃｃ及びＩｂを様々な値に調整することができる。電圧Ｖｃｃ及び電流Ｉｂは、対応する入力電流レベルに適切な量の利得を与えることでダイナミックレンジの調整を可能とするように調整できる。検出器のダイナミックレンジは、より広範な範囲の入力信号を処理できるように拡大され得る。検出器の利得要素の特徴は予測可能であり得る。例えば、ＢＪＴは高度の安定性を有し得る。ＢＪＴの挙動は、ＢＪＴの端子に印加される電圧又は電流に基づいて決定され得る。例えば、ＢＪＴの接合バイアスは動作領域を決定することができる。
[00155] 複数の利得要素が提供される実施形態では、対応する接続も提供することができる。例えば、図８Ｂに示されているような半導体領域８４５－１、８４５－２、８４５－３、及び８４５－５に、複数の電流源Ｉｂを接続することができる。ワイヤ８７０は、電圧又は電流供給に対する適切な接続を含むように構成できる。
[00156] これより、本開示の実施形態に従った、基板７００との電気接続の形成の別の概略を示す図１３を参照する。本開示の実施形態は、検出器の利得要素のための様々なバイアス方法を含み得る。図１３の実施形態は浮遊ベース（floating base)を用いることができる。
[00157] 図１３の実施形態は、電流源Ｉｂの代わりにフラッドライト（flooding light）１２０２で発生させた光電流によって半導体領域７４０にバイアスをかける点を除いて、図１２と同様であり得る。基板７００は、光子の入射に応答して電子が発生する光電効果によって電流を発生させるよう構成できる。いくつかの実施形態では、基板７００に向けられたフラッド光を提供することができる。フラッド光１２０２により与えられる放射を用いて、ＢＪＴが線形増幅領域で動作するように基板７００の利得要素にバイアスをかけることができる。
[00158] いくつかの実施形態では、半導体領域７４０に直接接続されたバイアス回路を省略してもよい。すなわち、ＢＪＴのベースにバイアスをかけるため用いられる電流を供給する別個の回路を設ける必要性を排除することができる。いくつかの実施形態は電流源を省略できるので、電流源を含むバイアス回路によって生じ得るノイズを低減できる。更に、いくつかの実施形態は、基板７００のより単純な接地設計を有するように構成できる。
[00159] 本開示の実施形態は、検出器に入射する電子のエネルギが比較的低い適用例において特に有効であり得る。このような状況が生じ得るのは、例えば、入来電子エネルギは高いがＳＥＭの一次電子ビームのビーム電流が低い場合、ビーム電流は低くないが入来電子エネルギが低い場合、又はビーム電流が低く入来電子エネルギも低い場合等、特定の適用例である。更に、いくつかの実施形態では、検出器において荷電粒子計数を用いることができる。
[00160] 電子のような荷電粒子の計数は、アナログ信号の検出に比べて多数の利点を有し得る。電子計数は、例えばＣＤ ＳＥＭ、高分解能かつ高スループットの検査、又は製造された半導体デバイスの計測等、いくつかのタイプの適用例において特に有効であり得る。本明細書で検討されているいくつかの実施形態において、検出システムは、検出器で発生した信号を測定するために充分な利得を与えながら、例えば１００ｐＡ以下の電子ビームの電子計数を可能とする。
[00161] 実施形態は、以下の条項を用いて更に記載することができる。
１．荷電粒子ビーム装置のための検出器であって、
検知要素と、
利得要素と、を備え、
検知要素及び利得要素は第１の方向に位置合わせされ、
利得要素は、第１の方向に垂直な第２の方向に沿って、第１の伝導性の領域が第２の伝導性の領域に隣接して提供され、第３の伝導性の領域が第２の伝導性の領域に隣接して提供され、第２の伝導性の領域が第１の伝導性の領域と第３の伝導性の領域との間に介在しているセクションを含む、検出器。
２．検知要素は第４の伝導性の領域を含む第１の層を備える、条項１に記載の検出器。
３．検知要素は、第１の方向に沿って、第４の伝導性の領域が真性領域に隣接して提供され、第２の伝導性の領域が真性領域に隣接して提供されているセクションを含む、条項２に記載の検出器。
４．第２の伝導性の領域は第１の伝導性の領域を超えて真性領域内へ突出している、条項３に記載の検出器。
５．第３の伝導性の領域は第１の伝導性と同じ伝導型であり、第１の伝導性の領域よりも伝導性が高い、条項１から４のいずれか１項に記載の検出器。
６．第１の伝導性の領域はｎ＋半導体であり、
第２の伝導性の領域はｐ＋半導体であり、
第３の伝導性の領域はｎ＋＋＋半導体である、条項１から５のいずれか１項に記載の検出器。
７．第１の伝導性の領域はｐ＋半導体であり、
第２の伝導性の領域はｎ＋半導体であり、
第３の伝導性の領域はｐ＋＋＋半導体である、条項１から５のいずれか１項に記載の検出器。
８．利得要素はバイポーラ接合トランジスタである、条項１から７のいずれか１項に記載の検出器。
９．第４の伝導性の領域は第１の伝導性と同じ伝導型であり、第１の伝導性の領域よりも伝導性が高く、第３の伝導性の領域よりも伝導性が低い、条項２から４のいずれか１項に記載の検出器。
１０．第４の伝導性の領域はｎ＋＋半導体である、条項２から４又は９のいずれか１項に記載の検出器。
１１．第４の伝導性の領域はｐ＋＋半導体である、条項２から４又は９のいずれか１項に記載の検出器。
１２．利得要素は検出器に含まれる複数の利得要素のうち１つである、条項１から１１のいずれか１項に記載の検出器。
１３．基板であって、
第１の伝導性の第１の領域を含む第１の層と、
第２の伝導性の第２の領域を含む第２の層と、
第２の伝導性の第４の領域の間に介在する第３の伝導性の第３の領域を含む第３の層と、
第３の伝導性の第６の領域の間に介在する第４の伝導型の第５の領域を含む第４の層であって、第６の領域は第５の伝導性の第７の領域の間に介在し、第７の領域は第２の伝導性の第８の領域の間に介在している、第４の層と、
を備え、第１から第４の層は基板の厚さ方向に積層されている、基板。
１４．第６の領域に埋め込まれた第６の伝導性の第９の領域と、第７の領域に埋め込まれた第７の伝導性の第１０の領域と、を更に備える、条項１３に記載の基板。
１５．第１の伝導性はｎ＋＋半導体であり、
第２の伝導性はｐ－半導体であり、
第３の伝導性はｐ＋半導体であり、
第４の伝導性はｎ＋＋＋半導体であり、
第５の伝導性はｎ＋半導体であり、
第６の伝導性はｐ＋＋半導体であり、
第７の伝導性はｎ＋＋半導体である、条項１４に記載の基板。
１６．第１の伝導性はｐ＋＋半導体であり、
第２の伝導性はｎ－半導体であり、
第３の伝導性はｎ＋半導体であり、
第４の伝導性はｐ＋＋＋半導体であり、
第５の伝導性はｐ＋半導体であり、
第６の伝導性はｎ＋＋半導体であり、
第７の伝導性はｐ＋＋半導体である、条項１４に記載の基板。
１７．第１の層に隣接した第１の金属層と、第４の層に隣接した第２の金属層と、を更に備え、第１及び第２の金属層は、検知要素又は利得要素の端子を電気回路に接続するための接点を含む、条項１３から１６のいずれか１項に記載の基板。
１８．第２の領域は第４の領域と連続し、第４の領域は第８の領域と連続している、条項１３から１７のいずれか１項に記載の基板。
１９．第３の領域は第６の領域と連続している、条項１３から１８のいずれか１項に記載の基板。
２０．検知要素及び利得要素は基板において一体化され、共通の端子を含み、検知要素は第１の領域、第２の領域、第３の領域、第４の領域、及び第８の領域を含み、利得要素は第３の領域、第５の領域、第６の領域、及び第７の領域を含む、条項１３から１９のいずれか１項に記載の基板。
２１．基板に接続された回路を更に備え、回路は第１の金属層及び第２の金属層に電気的に接続されている、条項１７に記載の基板。
２２．検出器に入射する荷電粒子は一次粒子と標本又は散乱した一次粒子との相互作用から生じた二次粒子であり、一次粒子は荷電粒子ビーム装置のソースから発生して標本上に集束される、条項１３から２１のいずれか１項に記載の基板。
２３．基板に検知要素を形成することと、
基板に利得要素を形成することと、含み、
検知要素及び利得要素は第１の方向に位置合わせされ、
利得要素は、第１の方向に垂直な第２の方向に沿って、第１の伝導性の領域が第２の伝導性の領域に隣接して提供され、第３の伝導性の領域が第２の伝導性の領域に隣接して提供され、第２の伝導性の領域が第１の伝導性の領域と第３の伝導性の領域との間に介在しているセクションを含む、方法。
２４．検知要素を形成すること及び利得要素を形成することは半導体ドーピングを含む、条項２３に記載の方法。
２５．利得要素を形成することは、
第１の伝導性の領域内へ第２の伝導性の領域を第１の伝導性の領域よりも深くインプラントすることを含む、条項２３又は条項２４に記載の方法。
２６．検知要素は第４の伝導性の領域を含む第１の層を備える、条項２３から２５のいずれか１項に記載の方法。
２７．検知要素は、第１の方向に沿って、第４の伝導性の領域が真性領域に隣接して提供され、第２の伝導性の領域が真性領域に隣接して提供されているセクションを含む、条項２６に記載の方法。
２８．第２の伝導性の領域は第１の伝導性の領域を超えて真性領域内へ突出している、条項２７に記載の方法。
２９．第３の伝導性の領域は第１の伝導性と同じ伝導型であり、第１の伝導性の領域よりも伝導性が高い、条項２３から２８のいずれか１項に記載の方法。
３０．第１の伝導性の領域はｎ＋半導体であり、
第２の伝導性の領域はｐ＋半導体であり、
第３の伝導性の領域はｎ＋＋＋半導体である、条項２３から２９のいずれか１項に記載の方法。
３１．第１の伝導性の領域はｐ＋半導体であり、
第２の伝導性の領域はｎ＋半導体であり、
第３の伝導性の領域はｐ＋＋＋半導体である、条項２３から２９のいずれか１項に記載の方法。
３２．利得要素はバイポーラ接合トランジスタである、条項２３から３１のいずれか１項に記載の方法。
３３．第４の伝導性の領域は第１の伝導性と同じ伝導型であり、第１の伝導性の領域よりも伝導性が高く、第３の伝導性の領域よりも伝導性が低い、条項２６から２８のいずれか１項に記載の方法。
３４．第４の伝導性の領域はｎ＋＋半導体である、条項２６から２８又は３３のいずれか１項に記載の方法。
３５．第４の伝導性の領域はｐ＋＋半導体である、条項２６から２８又は３３のいずれか１項に記載の方法。
３６．利得要素は検出器に含まれる複数の利得要素のうち１つである、条項２３から３５のいずれか１項に記載の方法。
３７．検知要素及び利得要素は基板において一体化され、共通の端子を含み、検知要素は第１の領域、第２の領域、第３の領域、第４の領域、及び第８の領域を含み、利得要素は第３の領域、第５の領域、第６の領域、第７の領域、第９の領域、及び第１０の領域を含む、条項１４に記載の基板。
[00162] いくつかの実施形態において、検出器は、荷電粒子ビームシステムを制御するコントローラと通信することができる。コントローラは、荷電粒子源を制御して荷電粒子ビームを発生させること及び検出器を制御して荷電粒子ビームを走査すること等、様々な機能を実行するよう荷電粒子ビームシステムのコンポーネントに命令できる。また、コントローラは、検出器の検知要素又は利得要素の動作条件を調整すること等の様々な他の機能も実行できる。コントローラは、利得要素に印加されるバイアスを調整するように構成できる。コントローラは、検出器のダイナミックレンジをリアルタイムで調整するように構成できる。コントローラは、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、他のタイプのコンピュータ可読メモリ等の記録媒体であるストレージを含み得る。ストレージは、検出器からの出力信号を記憶するために用いることができ、スキャンされた原画像データをオリジナル像としてセーブすること、及び後処理された像をセーブすることができる。コントローラ１０９のプロセッサが荷電粒子ビーム検出、利得調整、画像処理、又は本開示に従った他の機能及び方法を実行するための命令を記憶する非一時的コンピュータ可読媒体を提供することができる。非一時的媒体の一般的な形態は例えば、フロッピーディスク、可撓性ディスク、ハードディスク、固体ドライブ、磁気テープ、又は他の任意の磁気データ記録媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、他の任意の光学データ記録媒体、ホールのパターンを有する任意の物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、及びＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ（登録商標）－ＥＰＲＯＭ、又は他の任意のフラッシュメモリ、ＮＶＲＡＭ、キャッシュ、レジスタ、他の任意のメモリチップもしくはカートリッジ、及びこれらをネットワーク化したものを含む。
[00163] 本開示の実施形態は、上記で記載され添付図面に図示されている厳密な構成に限定されず、その範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を実施可能であることは認められよう。例えば、特定の例示的な実施形態を参照してＰＩＮダイオードについて検討したが、ＮＩＰダイオードのような他のタイプのダイオードも同様に適用され得る。更に、入射エネルギを受け取ることに応答して測定可能信号を発生できる他のタイプのデバイスを検出器において適用することができる。本開示は電子に限定されず、他のタイプの放射を検出するための適用例にも適用可能である。

Claims (15)

  1. 荷電粒子ビーム装置のための検出器であって、
    検知要素と、
    利得要素と、を備え、
    前記検知要素及び前記利得要素は第１の方向に位置合わせされ、
    前記利得要素は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に沿って、第１の伝導性の領域が第２の伝導性の領域に隣接して提供され、第３の伝導性の領域が前記第２の伝導性の領域に隣接して提供され、前記第２の伝導性の領域が前記第１の伝導性の領域と前記第３の伝導性の領域との間に介在しているセクションを含む、検出器。
  2. 前記検知要素は第４の伝導性の領域を含む第１の層を備える、請求項１に記載の検出器。
  3. 前記検知要素は、前記第１の方向に沿って、前記第４の伝導性の領域が真性領域に隣接して提供され、前記第２の伝導性の領域が前記真性領域に隣接して提供されているセクションを含む、請求項２に記載の検出器。
  4. 前記第２の伝導性の領域は前記第１の伝導性の領域を超えて前記真性領域内へ突出している、請求項３に記載の検出器。
  5. 前記第３の伝導性の領域は前記第１の伝導性と同じ伝導型であり、前記第１の伝導性の領域よりも伝導性が高い、請求項１に記載の検出器。
  6. 前記第１の伝導性の領域はｎ＋半導体であり、
    前記第２の伝導性の領域はｐ＋半導体であり、
    前記第３の伝導性の領域はｎ＋＋＋半導体である、請求項１に記載の検出器。
  7. 前記第１の伝導性の領域はｐ＋半導体であり、
    前記第２の伝導性の領域はｎ＋半導体であり、
    前記第３の伝導性の領域はｐ＋＋＋半導体である、請求項１に記載の検出器。
  8. 前記利得要素はバイポーラ接合トランジスタである、請求項１に記載の検出器。
  9. 前記第４の伝導性の領域は前記第１の伝導性と同じ伝導型であり、前記第１の伝導性の領域よりも伝導性が高く、前記第３の伝導性の領域よりも伝導性が低い、請求項２に記載の検出器。
  10. 前記第４の伝導性の領域はｎ＋＋半導体である、請求項２に記載の検出器。
  11. 前記第４の伝導性の領域はｐ＋＋半導体である、請求項２に記載の検出器。
  12. 前記利得要素は前記検出器に含まれる複数の利得要素のうち１つである、請求項１に記載の検出器。
  13. 基板に検知要素を形成することと、
    前記基板に利得要素を形成することと、含み、
    前記検知要素及び前記利得要素は第１の方向に位置合わせされ、
    前記利得要素は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に沿って、第１の伝導性の領域が第２の伝導性の領域に隣接して提供され、第３の伝導性の領域が前記第２の伝導性の領域に隣接して提供され、前記第２の伝導性の領域が前記第１の伝導性の領域と前記第３の伝導性の領域との間に介在しているセクションを含む、方法。
  14. 前記検知要素を形成すること及び前記利得要素を形成することは半導体ドーピングを含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記利得要素を形成することは、
    前記第１の伝導性の領域内へ前記第２の伝導性の領域を前記第１の伝導性の領域よりも深くインプラントすることを含む、請求項１３に記載の方法。
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