电子束检测取得进展

电子束检测在fab生产的关键领域越来越受欢迎，因为在高级节点用传统方法发现微小缺陷变得越来越困难。

应用材料、ASML/HMI和其他公司正在开发新的电子束检测工具和/或技术，以解决工厂中一些更困难的缺陷问题。eBeam检查是发现晶圆片缺陷的两种方法之一。光学检查是另一种方法。不久前，芯片制造商在生产中主要使用光学工具进行缺陷检测。电子束检测仅用于研发，因为生产速度太慢。

但随着芯片制造商转向16nm/14nm及更高的工艺，工艺变得更加复杂，特征尺寸也变得更小。此外，可检测缺陷的大小在每个节点上减小。无法定位这些致命缺陷会影响设计的成品率。

今天，光学检测仍然是晶圆厂的主要检测工具，但在某些应用中，该技术也被扩展到极限。因此，芯片制造商正在将电子束检测转移到一些(但不是所有)16nm/14nm及以上应用的在线监测流程中。

电子束检测被用于加速屈服学习过程。在这个过程中，我们的想法是发现并消除一种又一种缺陷类型，直到设备可以按照规格制造出来。”在半导体制造业中，成功的关键是在一个称为屈服学习的过程中尽快完成这种学习。缩短良率学习周期的一个关键策略是增加采用在线缺陷检测技术，包括电子束检测，”Richard Hafer说GlobalFoundries他在最近的ASMC会议上发表的一篇论文中写道。(GlobalFoundries的杰出技术人员奥利弗·帕特森(Oliver Patterson)是这篇论文的主要作者。)

电子束检测不太可能完全取代晶圆厂的光学检测。光学仍将是大批量制造(HVM)的工具。电子束是解决某些缺陷类型的理想方法，但仍有一定的局限性。不过，展望未来，电子束检测将被用于工厂中高级节点的更多应用程序。

电子束检测技术越来越多地用于传统的电压对比模式(其中非接触式电缺陷信号可以显著减少检测时间)，但也用于物理缺陷检测，特别是在前沿技术节点(7nm, 5nm)。它也可以用于旧技术(例如90nm)，用于传统光学技术的低信噪比物理缺陷。”

可以肯定的是，电子束检查正在获得动力。以下是该行业的一些最新事件:

•ASML/HMI最近推出了一种电子束检测工具，具有更快的吞吐量。
•应用材料公司利用现有工具开发了一种用于7纳米钴金属线的技术。
•GlobalFoundries和三星分别利用现有工具开发了技术，解决了finfet中一些令人烦恼的缺陷问题。
•几家公司正在开发多束电子束工具。

什么是晶圆检验?
检查是发现结构中致命缺陷的科学。这项技术的市场正在增长。Gartner分析师鲍勃·约翰逊(Bob Johnson)表示，2018年，花纹晶圆检测市场总额预计将达到约16.5亿美元，高于2017年的14.3亿美元。图中包括光学光束和电子束。

约翰逊说，在这一数字中，“去年电子束检测市场略低于2亿美元。”“今年将达到2.3亿美元左右。”

一般来说，电子束和光学这两种主要的工具技术是互补的。每一个在检查流中执行不同的功能，每一个都有一些权衡。

光学检测工具使用193nm光源、先进光学和传感器来检测晶圆上的缺陷。光学检测主要用于生产中，因为它比较快。一般来说，光学检测的吞吐量为一小时一片或两片晶圆。

但光学检测在分辨率方面存在一定的局限性。据分析人士称，光学技术的灰色区域在20nm到10nm之间，尽管供应商继续将该技术推向更远的方向。例如,KLA-Tencor的193nm晶圆检测平台，内部称为第5代，正在所谓的灰色区域之外使用。

KLA-Tencor总裁兼首席执行官Rick Wallace在最近的一次电话会议上表示:“根据结果和客户的反馈，我们预计Gen 5将继续支持客户开发7nm技术，我们认为它将在5nm节点的开发和升级中发挥更大的作用。”

电子束利用电子的特性，而光学利用光子。简单来说，电子束工具中的电子撞击并穿透样品表面。然后，电子散射并反弹回工具中的探测器。二次电子或后向散射电子用于帮助识别器件中的缺陷。

图1:电子束结构。资料来源:应用材料

电子束检测用于发现最小的缺陷，因为该技术的灵敏度可达1nm。和以前一样，电子束检测的问题是吞吐量。

一般来说，电子束检测时间比光学检测慢1000倍(或更多)。Gartner的Johnson说:“电子束的速度仍然比光学检测慢几个数量级，不适合用于HVM的生产监控。”

在操作中，光学工具扫描整个晶圆并寻找缺陷。如果使用电子束，扫描整个晶圆可能需要数小时，甚至数天。但电子束在扫描模具的小区域和寻找特定的和难以发现的缺陷方面是理想的。

由于此等原因，电子束检测主要用于研发组的工程分析。但至少在某种程度上，这种情况正在开始改变。

不久前，芯片制造商从28nm及以上的平面器件转向22nm和16nm/14nm的finfet。在finFETs，这是类似3d的结构，电流的控制是通过在翅片的三面各安装一个栅极来实现的。

图2:FinFET vs. planar。来源:Lam Research

检测缺陷是finfet的挑战。例如，缺陷可以深入或埋藏在finFET结构中。在pet结构中会出现微小的桥式缺陷。

图3:难以检测结构中的小缺陷。资料来源:应用材料

然后，在每个节点上，缺陷尺寸变得更小，更难发现。光学检测可以发现许多缺陷，但芯片制造商更倾向于从16nm/14nm开始电子束检测。

“14nm finFET制造技术能够实现最高水平的效率、性能和生产力。然而，随着器件尺寸的不断缩小，可检测的缺陷尺寸大幅下降，并且由于光波长的限制因素(通常在数百纳米量级)，用传统光学检测扫描变得极具挑战性，”中兴科技的计量应用工程师Zhou Xing表示三星的奥斯汀半导体集团在最近的ASMC会议上的一次演讲中说。“电子束的相对波长比传统光波长小得多，这反过来提供了更好的分辨率。因此，该技术已广泛应用于14nm在线缺陷监测。”

电子束已经在MOL、后端(BEOL)和其他逻辑位置找到了一席之地。电子束也用于3 d与非和DRAM。

然而，它并不是在工厂的所有地方都被使用。该技术是针对晶圆厂中选择的模块逐案插入的，并用于解决某些缺陷问题。“电子束检测检测到的主要缺陷是嵌入缺陷(物理或电气)，间隙缺陷或系统模式缺陷，”周说。

电子束和光学检测都是为了发现缺陷，但这两种技术往往解决不同的问题。一般来说，光学检查的目标是发现物理缺陷，如空洞、突出和桥梁。

电子束检测也用于检测物理缺陷，对于光学来说太小了。但电子束主要用于电气或电压对比缺陷的应用，如电气短路和开孔，以及在互连结构。

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，以确定设备是否在工作。

的解决方案
无论如何，电子束检查在几个方面都取得了进展。在2016年,ASML Holding通过收购Hermes Microvision (HMI)进入电子束晶圆检测市场。当时，HMI是世界上最大的电子束晶圆检测工具供应商。

最近，ASML/HMI推出了他们联合开发的第一个系统。它结合了HMI的电子束工具和ASML的计算光刻引擎。

通过计算引擎，ASML能够建模和模拟十字线特征以及它们如何在晶圆上转换。ASML产品管理总监Henk Niesing在最近的一次采访中表示:“如果你这样做了，你就已经开始识别晶圆片上的哪些区域有可能成为热点。”“然后我们将其与扫描仪上的所有传感器数据结合起来。有了这些，我们认为我们可以计算并预测这些模式在哪里会失效。”

然后数据被输入HMI的电子束检测工具。Niesing称:"基本上，电子束工具将检测晶圆上已经被识别为潜在故障的区域。"“你不需要测量整个晶圆。你基本上可以识别出存在潜在风险的领域。”

只有一小部分晶圆被测量。其余部分进行分析并预测热点，从而加快了电子束检测过程。“这是一个巨大的吞吐量增长，”他说。

其他公司也在推进这项技术。在最近的IEDM会议上，应用材料公司发表了一篇关于电子束检测工具的新应用的论文。发现了一种检测7nm处钴沟槽嵌孔的新方法。

芯片由三部分组成——晶体管、触点和互连。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。这些互连在每个节点上变得越来越紧凑，导致了芯片中不必要的电阻-电容(RC)延迟。

使问题更加复杂的是一个相对新的层，称为MOL, MOL通过一系列接触结构连接独立的晶体管和互连片。

图4:芯片的前端和后端图像。资料来源:维基百科

微小的触点是带有小间隙的三维结构。采用沉积工艺，用导电钨材料填充触点内的间隙。这叫做钨塞。

在每个节点上，接触变得越来越小，因此在每个节点上钨导体材料的体积减小。这意味着信号必须流过更少量的导电金属。这又导致了一个大问题——接触电阻。

为了解决这个问题，一些芯片制造商正在从钨材料转向钴材料，用于10nm/7nm的插头。

图5:7nm时MOL的钴。资料来源:应用材料

钴降低了芯片中的线路电阻，但在钴缝隙填充工艺中存在一些挑战。该公司技术项目总监Nicolas Breil表示:“收缩的几何形状反过来又对金属化过程提出了更高的要求，与产量相关的典型失效模式包括不完全的缝隙填充或空隙。应用材料他最近在IEDM上的一次演讲中说。

因此，进行一系列的检查步骤来验证钴间隙填充工艺是否成功是至关重要的。为此，缺陷分析有时使用电测量和透射电子显微镜(TEM)进行。瞬变电磁法具有高分辨率，但它是一个缓慢且具有破坏性的过程。一般来说，样品被切割，然后用透射电镜检查。

作为回应，应用材料公司设计了一种使用电子束的非破坏性技术。但也有一些挑战。Breil说:“由于钴中的空洞通常小于钴线宽度，因此检测小至5nm的空洞是至关重要的。”“小于3nm的光斑尺寸需要检测10nm以下的空隙。”

为了探测钴中的空洞，电子束中的电子必须穿透足够深的沟槽。在这项研究中，应用材料公司研究了能量从0.5kV到30kV，深度从35A到3.1um的电子束的相互作用。

通过电子束检测，应用材料公司展示了使用混合能级定位空隙的能力。“当空隙靠近表面时(例如，埋在20nm的钴下)，相对较小的能量提供了最大的对比度。然而，当空隙越深，就需要更高的能量。例如，需要20kV的能量来产生最大的对比度，并检测埋在表面以下60nm的空隙。我们发现空洞大小的依赖性较弱。这意味着，为了最大限度地检测钴中的空隙，我们必须使光束能量适应所需的空隙。较深的空洞需要较高的能量，而较浅的空洞则倾向于较低的能量。”

与此同时，一些人正在使用电子束检测finfet。例如，在最近的一次演示中，三星开发了一种检测14nm finfet短路的技术。

电子束可以用来检测器件的开口和短路。根据三星最近的一篇论文，开口是用暗电压对比(DVC)技术确定的，而开口是用亮电压对比(BVC)确定的。三星表示，DVC信号更容易验证，但BVC信号具有挑战性。

为了解决这个问题，三星设计了一种BVC技术，其中包括一个单独的检测和验证步骤。电子束检测工具，位于fab内，用于第一步。简单地说，电子束是用来检测电气短路的。但目前还不清楚信号是否会失效。然后，在下一步，三星将使用纳米探测技术，这是验证步骤。纳米探针是一个独立的故障分析系统，通常位于称为故障分析实验室的不同位置。

在纳米探测中，在设备上应用微小的钨丝来提取电参数。三星的周说:“在BVC(潜在故障部位)用纳米探针测量了泄漏电流，并与相邻的正常部位进行了比较。”“这种基于泄漏电流的标准可以用来确定BVC信号是否真的短路。”

然后，在这一点上，瞬变电磁法被用来证明是否有短空。总而言之，该技术提供了“短期失败的及时信息，有助于加快收益率学习周期，”周说。

图6:BVC电子束图像。来源:三星

在另一项工作中，GlobalFoundries使用纳米探测技术获得基于soi的finfet中特定缺陷的BVC信号。据GlobalFoundries称，目标是发现明显的SRAM字线缺陷。

图7:亮门缺陷(红圈)及相应FA验证。左图显示了相同图案的三个重复，以说明这些特定的线条在没有短线的情况下是怎样的。来源:GlobalFoundries

GlobalFoundries表示，一般来说，在标准TEM故障分析技术无法找到一组电子束检测缺陷的可分配原因后，就会使用纳米探测。

在纳米探针中，微小的探针决定了导致BVC的泄漏水平。“纳米探测是将多个小(直径~1微米)探针尖端放置在已部分或完全加工的半导体晶圆上的导电节点上。通常，导电节点是可疑晶体管的漏极、源极和门极，因此可以测量其动态，并与参考晶体管进行比较，”GlobalFoundries的Hafer和Patterson说。“使用这种技术来检查EBI检测到的电压对比度缺陷对于最近的技术节点变得更加有用，因为由于工艺边际的缩小，nA范围内的泄漏变得更加普遍。在这个范围内的泄漏看起来与硬短路完全相同，但可能不会导致硬失效。了解EBI VC缺陷是否是硬短路或泄漏对于确定纠正路径非常重要。探测哪个晶体管是通过从一个已知的参考点(如SRAM块的角)计数来确定的。”

多波束在哪里?
虽然电子束检测正在取得进展，但这种技术永远不会因为速度太慢而主导检测领域。所以在研发方面，这个行业一直在努力多束电子束光刻检查。使用多波束，该技术可以加快吞吐量。

然而，在多电子束中，电子往往会相互干扰，从而影响工具的性能。由于无法控制电子，多束检测的商业化需要更长的时间。

不过，该行业正在取得进展。ASML、KLA-Tencor等公司正在开发用于EUV掩模检测的新型多束电子束检测技术。此外，蔡司还开发了用于EUV掩模检查/验证的91束扫描电子显微镜。

掩模检测与晶圆检测是不同的应用。如果该行业能够掌握用于掩模检测的多波束技术，则可能为用于晶圆检测的类似技术铺平道路。一些人认为，多波束晶圆检测工具可能会在2020年出现。大多数人(如果不是全部的话)都希望它们越早越好。

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