寻找芯片缺陷的挑战越来越大

几家设备制造商正在开发或加强一类新的晶圆检测系统，以解决在先进芯片中发现缺陷的挑战。

在每个节点上，芯片的特征尺寸越来越小，而缺陷更难发现。缺陷是芯片中不需要的偏差，它会影响成品率和性能。新的检测系统有望解决这些挑战，但它们也比以前的工具更昂贵，芯片制造商可能需要购买它们的组合。

用于找出晶圆厂中逻辑芯片和存储芯片的缺陷，晶片检查分为两类——光学系统和电子束。这两种类型通常被认为是互补的，但也有一些权衡。光学检测工具是快速的，但它们有一些分辨率的限制。单束、电子束检测系统具有较好的分辨率，但速度较慢。

多年来,电子束检测被用于研发，而光学是(现在仍然是)生产晶圆厂的主力工具。然而，今天，光学检测在某些应用中已经发挥到了极限。因此，在某些情况下，芯片制造商开始在16nm/14nm的晶圆厂流程中使用电子束检测。

现在，出现了一些新的动态。一些供应商正在开发一种新的多波束电子束检查系统。使用多个电子束，这些系统有望以比目前单一电子束工具更快的速度发现微小缺陷。

不过，他们还没有准备好进入黄金时段。事实上，所有类型的电子束检测都不会很快取代光学检测。光学检查并不是静止不动的。超大规模集成电路研究公司(VLSI Research)首席执行官丹•哈奇森(Dan Hutcheson)表示:“人们喜欢把它们描述成两者之间的对立。”“但它们绝对是互补的。事实上，在工厂里有一整套的系统。”

尽管如此，芯片制造商正在寻找新的检测解决方案，以应对10nm/7nm及更远的挑战。设备制造商纷纷推出新产品，或正在进行研发。最新的系统包括:

• 应用材料公司和KLA公司正在为先进节点增加新的光学检测系统。
• ASML和NuFlare正在开发多束电子束检测工具。

日立高科技和其他公司也在市场上竞争。就市场规模而言，光学检测比电子束检测更大。但根据VLSI Research的数据，在IC低迷的情况下，整个过程诊断工具市场预计将从2018年的71亿美元下降到2019年的57亿美元。据该公司称，到2020年，该市场预计将达到59亿美元。过程诊断工具包括所有类型的检查、计量和相关齿轮。

缺陷的挑战
当今先进的逻辑芯片由三部分组成晶体管，联系人而且互联．晶体管位于结构的底部，起开关的作用。互连装置位于晶体管的顶部，由微小的铜线组成，将电信号从一个晶体管传输到另一个晶体管。

中间线层使用一系列微小的接触结构连接独立的晶体管和互连片。

图1:各节点上的互连、触点和晶体管。资料来源:应用材料

如今，该行业正在研发10纳米/7纳米的领先芯片，其中5纳米芯片正在研发中。这些设备包括finFET晶体管的结构。与传统的二维平面晶体管不同，finfet是类似3d的结构，具有更好的性能和更低的泄漏。

为了制造一个先进的逻辑器件，晶圆在晶圆厂要经历600到1000个甚至更多的步骤。存储设备在晶圆厂也要经历许多步骤。

在逻辑和内存中，由于流程中不可预见的故障，芯片在制造过程中都可能出现缺陷。芯片中存在各种类型的物理缺陷，如桥、突起和空洞。

这就是晶圆检测的用武之地。它能在芯片中发现这些缺陷。光学检测包含了一个关于模具外观的数据库。在晶圆厂，该工具获取设备的图像，并将其与数据库进行比较，以确定它是一个良好的模具还是有缺陷的。

当然，这要复杂得多，特别是对于10nm/7nm及以上的finfet。“这些缺陷的检测挑战通常要么是非常小的缺陷，要么是小于30nm的表面图案缺陷，”拉菲·贝纳米(Rafi Benami)说应用材料．

记忆力也是一个挑战，尤其是3 d与非．“使用3D NAND技术，可以获得极高的纵横比。这就造成了一系列新的产量损失挑战。这需要新的技术。”

与此同时，在逻辑上，每个节点的特征尺寸都在变小。例如，一个7nm finFET晶体管由57nm栅极间距和40nm金属间距组成。一个5nm的finFET可能有一个48nm的栅极间距和一个28nm的金属间距。

然后，随着特征尺寸的缩小，器件中的临界缺陷尺寸也变小。“现在有点难以概括，因为一个节点不一定是一个完整的节点，”克里斯·马赫(Chris Maher)说心理契约．“一般来说，我们倾向于把它看作是一个缩小了30%的节点。然而，事情并没有那么简单。我们的信号是由缺陷的体积决定的，所以在一维或二维中，缺陷可能会缩小。但它在第三维中可能不会缩小。事实上，它有时甚至会变大，或者只会在z方向上缩小。对于体积很小的缺陷，比如很薄的残馀，这就成了一个问题。这是当今行业面临的挑战之一。”

如果这还不够，有时很难确定芯片上是否有缺陷。检查工具可以检测到通常所说的“麻烦”。妨害是晶圆片上的不规则，但它不是利益缺陷。

剖析流程
考虑到这些挑战，行业需要不止一种检测工具类型，至少对于高级节点是这样。它需要无数的系统在不同的步骤。

传统上，晶圆检测工具用于以下部分:工程分析;关键线监测;线路监控和工具监控。

电子束检测用于研发组的工程分析。电子束用于检查模具的一小部分，用于在芯片开发的早期阶段发现缺陷。应用材料公司的Benami说:“在研发和早期斜坡阶段，我们肯定会部署电子束。“这是缺陷密度相对较高的地方。通常情况下，电子束的产量能够满足研发的要求。

关键线的监控是在生产车间进行的。目标是找出晶圆中最关键的缺陷。“你需要不同的技术组合。你需要不同的光学和电子束技术。除此之外，你还需要进行一些整合。”

生产线监测也在晶圆厂进行，也可以检测晶圆的缺陷。在工具监控中，目标是查看一件设备是否正在导致缺陷。为此，有问题的设备处理晶圆。然后，检查工具检查晶圆，以确定工具是否符合规格。光学检查用于线和工具监控。

与此同时，如今研发和晶圆厂之间的界限正在变得模糊。有时，光学工具被用于研发。电子束也被用于晶圆厂，至少在某些情况下。例如，电子束检测用于检测光学上太小的物理缺陷。

“两者都有一席之地，”KLA电子束部门的营销主管莫汉·伊耶(Mohan Iyer)说。“这取决于检测的敏感性，能够可视化和看到这些缺陷。这是一边。另一方面，还有其他因素，如覆盖率、速度和吞吐量。”

一般来说，光学检测在生产中使用是有意义的，因为它更快，成本更低。“只有在你对缺陷不敏感的情况下，你才会切换。人们倾向于使用电子束。但它们肯定无法获得光学设备那样的覆盖范围。”

经济也发挥了作用。对于许多设备类型，芯片制造商不会检查晶圆上的每个芯片。花的时间太长，而且很贵。相反，他们可能会检查选定的模具中的故障点，这可能就足够了。

这个规则也有例外。例如，汽车行业正在推动芯片的“零缺陷”。因此，这些设备可能需要比其他类型更多的检查步骤和模具取样。

“汽车行业需要更高的缺陷检查抽样率，以及更严格的筛选标准。与消费级产品相比，这是非常不同的，消费级产品的抽检率更低。联华电子．缺陷——尤其是在出厂检验阶段观察到的缺陷——通常是落在不影响功能的颗粒上，或者缺陷所在的模具质量。然而，这些也可能是真正的缺陷，会影响晶体管或微芯片上的布线。‘零缺陷’的咒语说，我们应该把任何有缺陷的模具归类为坏模具，消除这些部件流向客户的任何可能性。”

还有其他的考虑。作为制造过程的一部分，还进行了检查，以测量参数，如薄膜厚度或图案层的宽度。同样，与消费级产品相比，汽车产品的规格通常更严格。所有这些都意味着，与消费级ic相比，制造汽车ic需要更多的工作和更多的废料。”

什么是光学检测?
与此同时，在光学检测市场上，应用材料、日立高科技、KLA等公司也在竞争。

光学检测本身分为两个主要部分，明场和暗场。暗场检测工具测量以较低角度反射的光。布赖特菲尔德检测技术是工厂的主力技术，它以更高的角度测量光线。它使用宽带光来照亮晶圆。然后，光被收集起来，图像被数字化。

光学检测有物理限制，尽管这取决于系统。根据ASML和其他公司的数据，Brightfield在SRAM中的灵敏度可低至<5nm，而darkfield则<15nm。通常，这些系统的吞吐量为1个或更多晶圆每小时，尽管这也有所不同。

这些数字是一个移动的目标，因为供应商继续在光学方面进行改进。光学技术也在向新的方向发展。例如，应用材料公司现有的晶圆检测工具是基于明场和灰场技术的组合。现在，Applied有了一个具有更多功能的新工具。

应用材料公司的贝纳米说:“有了我们最新的工具，我们实际上可以同时使用明场、灰场和暗场。”“区别在于照明/收集角度。如果我们想要一个灵活且应用范围广的解决方案，就需要同时具备这三点。”

同时，KLA最近推出了两种新的光学晶圆检测系统——392x和295x。392x是更先进的系统，而295x是最新的主力工具。这两种系统都采用了先进的光源和传感器。该系统的波长也从190纳米到450纳米不等。波长在决定系统的灵敏度或检测缺陷的能力方面起着重要作用。在给定波长下使用系统的决定取决于应用。

KLA的295x用于fab的前端线(FEOL)部分的检查，晶体管在设备中形成。KLA表示，该工具的波长从260nm到450nm，可以满足大多数FEOL要求。

由于波长低至190nm，更先进的392x系统被用于晶圆厂的后端(BEOL)部分，其中的互连、接触层和金属层是在芯片中制造的。在某些情况下，392x用于FEOL。

BEOL结构是最难检查的。“接触金属，如金属1和金属2，非常具有挑战性，”KLA的Maher说。“这些一直是最具挑战性的缺陷之一。”

这两种KLA系统使芯片制造商能够在芯片的特定区域寻找问题。为此，该系统可以在设备上绘制出小块或“护理区”。护理区是芯片制造商想要用给定参数检查的特定位置。

通常，芯片制造商会在设备上画出几个护理区。KLA之前的工具允许用户将护理区域绘制到3 x 3像素。使用KLA的新系统，这些工具可以绘制单像素护理区域。

Maher说:“在优化系统灵敏度方面，这是一种改变游戏规则的能力。”“有了这项技术，我们可以说，‘用这个阈值检查这个像素，因为你在一个嘈杂的区域附近。我们也可以说，‘用较低的阈值检查这个像素，因为你不在噪声区域附近。’

KLA的系统还可以进行细胞对细胞的检查。总的来说，这项技术可以为每个死亡提供600亿个护理区域。每块晶圆上的每个护理区域都被精确到亚像素级。

电子束呢?
同时，Applied和ASML在电子束检测市场展开竞争。其他公司则在一个名为电子束缺陷审查的相关领域展开竞争。

在电子束检测中，电子在系统中产生并穿透样品表面。然后电子散射并反弹回工具中的探测器，该探测器提供了有关结构的信息。

电子束检测工具可以检测两种类型的信号-后向散射电子(BSE)和二次电子。BSE是源自结构较深部分的电子。二次电子来自表面。

据ASML介绍，电子束检测用于发现灵敏度低于1nm的缺陷。它还用于电压对比缺陷应用，在芯片中发现短路、开口和空洞。在电压对比应用中，外部偏置施加到器件上。然后电子束分析结构图像对比度的变化来定位问题。

这种技术在晶圆厂是根据具体情况使用的。例如，它用于BEOL中微小钴触点的缺陷检测。它也可以用于finfet。在每个节点上，finFET中的翅片都变得越来越高和窄。有时，很难定位缺陷。

应用材料公司的Benami说:“在这里，他们可以做光学、电子束检测，有时甚至是两种电子束检测技术。”“在这种特殊情况下，由于你有我们所说的高纵横结构，你需要不同的电子束技术之间的鳍。所以如果你想要观察到鳍片之间沟槽底部的缺陷，你需要我们所说的背散射电子技术。如果你看鳍的顶部，你需要二次电子。”

电子束在许多应用程序中都很有用，但它永远不会主导检测领域，因为它太慢了。因此在研发方面，业界一直致力于多束电子束检测。反过来，这可以帮助加快吞吐量。不过，到目前为止，这项技术还没有准备好投入生产。

在研发方面，Hermes Microvision (HMI)是一家研发公司ASML公司一直致力于研制多波束检测系统。eScan 1000是第一个完整的多波束系统，在3×3配置中有9个波束。该系统将在5纳米及以下节点以更快的速度生成更准确的检测数据，”HMI营销团队负责人Gary Zhang表示。“多光束技术将用于研发，用于发现小到3到4纳米的系统缺陷。它还将用于某些光学检测不有效的生产在线流程。”

与此同时，NuFlare正在开发一种多波束检测系统，该系统也处于研发阶段。第一个应用是EUV面具检查。

它也被开发用于晶圆检测。NuFlare董事兼总经理Nobutaka Kikuiri表示:“它的目标是5nm晶圆物理缺陷检测和EUV掩模打印检查。”“光学工具(灵敏度不够)或单个电子束工具(吞吐量不够)都没有解决方案。”

多波束检测工具何时发货仍有待观察。这项技术仍然面临着一些挑战。例如，在多电子束中，电子往往会相互干扰，因此很难控制它们。

结论
目前，芯片制造商将继续在晶圆厂使用传统的电子束和光学工具。它们可以处理大多数(如果不是全部)10nm/7nm和5nm的任务。

但如今，一些芯片制造商正在研发3nm及更远的技术。在这个节点及以后，检查将变得更加具有挑战性和昂贵。这也适用于fab中的其他工具类型。随着新节点的引入，它也不会变得更容易。