电子束在检测集成电路缺陷中的作用越来越大

不断向更小的功能迈进，再加上对更长的芯片寿命的更高可靠性的需求不断增长，已经将检测从一项相对晦涩但必要的技术提升到晶圆厂和封装厂最关键的工具之一。

多年来,检查被认为是电子束和光学显微镜之间的战争。然而，越来越多地被认为太慢或太昂贵的其他类型的检查被加入其中。

一般来说,光学由于其高吞吐量，仍然是主力，并可能在未来几年保持这种状态。但它正在得到补充电子束用于研发和故障分析，以及技术等原子力显微镜(AFM)用于深入观察芯片。“它们是互补的应用，而不是竞争的应用，”高德纳(Gartner)分析师鲍勃·约翰逊(Bob Johnson)说。

尽管如此，随着晶体管密度的增加和器件变得越来越异构，电子束的作用也越来越大。KLA营销副总裁Satya Kurada表示:“我们的宽带等离子光学检查员报告的缺陷会在电子束工具上进行审查，以确定捕获的缺陷类型。”

图1:电子束检测潜在缺陷。来源:解放军的

现在市场上有几种不同类型的电子束，每一种都在不断发展，以更好地平衡速度、分辨率和特定应用。业界所说的电子束实际上是几种电子显微镜的统称。在阿贝衍射极限约200nm以下，光学显微镜基本上受到散光的影响。本来应该是边缘的东西看起来是模糊的，这使得它无法区分一个物体和另一个物体。虽然超分辨率光学显微镜的分辨率低于阿贝极限，但由于其复杂性，它通常不用于工业环境。

电子显微镜是基于路易斯·德布罗意(Louis deBroglie)的一个关键见解:“在真空中行进的电子束表现为一种波长非常短的辐射形式。由于这些较短的波长，电子显微镜可以分辨率约为0.1 nm，使其成为成像前沿节点的理想仪器

此外，至关重要的是，电子束可以穿透到3D建筑深沟的底部。由于这两个原因，一些专家预测，有一天电子束将完全取代光学检查。然而，这可能取决于该行业解决成本和吞吐量问题的能力。顶级光学显微镜的价格一般在数万到数十万美元，而工业电子显微镜的价格很容易超过100万美元。

大多数电子束系统是扫描电子显微镜(sem)，它使用光栅技术。光束在物体上来回移动，形成一个图像。但如果你只需要知道模具产量，这种方法就会花费太长时间，提供太多多余的细节。因此，对收率的检测一直停留在光学显微镜的领域，它成本更低，可以更快地对大面积成像。唯一的例外是临界尺寸扫描电镜为计量．

电子束技术的主力是扫描电镜。虽然这项技术获得了诺贝尔奖和许多专利，但电子显微镜的结构非常简单，你可以在家里自制一个。YouTube上甚至还有“自制电子显微镜”的使用说明。

首先，你需要一个真空柱，以防止电弧和减少阻力。适当维护的真空柱是必不可少的。然后你需要一个电子源，称为场发射枪(FEG)，用钨丝作为阴极。光束流到阳极板上。然后，就像在光学显微镜中一样，将光凝聚。但在电子显微镜中，这是用铜线圈和电流完成的，而不是玻璃透镜。因此，一个扩散的电子柱被“推”到一个狭窄的聚焦点，由第二组透镜进一步细化到样品上方的一个细点，然后电磁铁来回拉这个点，在样品上光栅化。

但这些只是基本的机制。对你所获得的知识至关重要的是电子是如何被检测到的，无论是通过后向散射还是作为二次电子。背向散射的电子在光束和样品之间的弹性相互作用后被反射回来——在这种相互作用中粒子的内部状态没有改变。它们来自样本中较深的区域。

次级电子源于样品的原子，是电子束与样品之间的非弹性相互作用(粒子的内部状态发生了变化)的结果。它们显示了更多表面的细节。[3]

虽然扫描电镜的栅格化技术可以生成详细的图像，但其来回精度的缓慢限制了它的使用范围。约翰逊说:“一位工厂经理曾经估计，用电子束扫描1厘米²的模具可能需要近一周的时间。”“如果你从这个估计中推断，从现在到世界末日，你无法用电子束对300毫米晶圆进行全区域扫描。但你会得到一些非常好的照片。”

这就是电子束技术仍然被谨慎使用的原因。“如果你想在7nm或5nm的先进节点上捕捉到制造线上的缺陷，你必须检查数十亿个结构，”Andrzej Strojwas说PDF的解决方案．“如果你想在线完成，领先的晶圆厂会给你不到两个小时的时间，因为他们无法在工艺步骤之间保持晶圆超过两个小时。”

这就是为什么行业通常决定使用电子束进行初始研发，光学显微镜进行在线检查，电子束再次用于离线检查和故障分析。然而，由于电子束也可以进行电压对比检查，因此在只有电压钳才能检测缺陷的情况下，例如电子束的极深特征3 d与非内存通道孔。

阿斯麦HMI产品管理副总裁Gary Zhang表示:“我们已经将系统运往生产厂。“他们运行了许多电子束系统进行电压对比检查。对于内存和逻辑客户来说都是如此。”

矢量扫描
电子束制造商仍然希望通过提供能够提供更快检测的仪器来扩大市场。例如，PDF的目标是“真正的在线检查”，Strojwas说。“我们希望这些晶圆能继续进行下一个加工步骤。”

与标准的SEM或其他电子束检测硬件不同，PDF使用矢量扫描方法来定位单个产品结构，如通孔或触点，而不是光栅扫描整个晶圆。其解决方案的一个很大的组成部分是布局提取工具和分析软件，这是一个引导系统。因此，虽然光学扫描速度更快，但它缺乏电子束的分辨率。而且由于它不能检测到真正的电气故障，它可以发现许多最终不会影响性能的缺陷。因此，光学的速度优势被扫描电镜检查站复查所标记的每个缺陷所需的时间所削弱。

PDF的eProbe的着陆能量很低，即单个电子在束流中接收到的能量，这可能对其作为在线工具的接受程度至关重要，因为人们非常担心产品结构在不退化的情况下能吸收多少能量。

“电子束检测的关键是通量，”Strojwas说。“你不能在电子束照射的结构上花费大量时间。但同样重要的是，你不要使用很高的着陆能量(这可以在更短的时间内获得更清晰的图像)，因为这会对你正在检查的结构造成破坏。”Strojwas说，他们的解决方案是测量二次电子，因为产生后向散射电子需要更高的能量。“我们使用的典型能量是500电子伏(eV)。如果你想处理后向散射电子，你实际上看到的是大约20到50 keV的能量。”

这些是检查的关键指标。例如，使用高达30 keV的着陆能量，KLA已经证明了在100nm直径的结构中，缺陷检测深度可达6微米。

图2:不同分辨率和面积的不同强度。来源:解放军的

多波束电子束
多年来，业界一直期待多光束扫描电镜的出现。多波束仍然是扫描扫描电镜，但该工具通过使用多个波束来实现更快的吞吐量，然后使用算法来结合它们的结果。2020年，ASML推出了3 × 3阵列的9束扫描电镜。该公司最近推出了一个5 × 5阵列的25束系统，声称它将比单束电子束工具的吞吐量提高15倍，并且适用于常规在线检查，包括电压对比和物理检查。

这项工作需要解决物理学中的一些基本问题。“如果你传递太多的光束电流，你就会把太多的电子挤在一起，”张说。“电子之间存在库仑(排斥)相互作用。这意味着当你有一个大的光束电流，因为电子相互推开，你不能达到一个最佳的光斑大小(高分辨率)。光斑的大小不会足够小因为电子在远离彼此。但是对于多光束，你可以把所有这些光束并行化。所以你可以同时获得吞吐量和分辨率。”

其他方法
还有其他一些技术已经被搁置了一段时间，但也正在被引入生产环境。以AFM为例，多年来它一直被认为是一种研究工具，但现在它已经达到了足够的速度，可以进入质量至关重要的生产环境。

“我们有多年前建立的IP，这些是前馈算法，我们在扫描结构时使用，以真正了解我们所看到的地形，”微电子AFM总监兼业务经理Hector Lara说布鲁克纳米表面．“如果我们看到任何重复，我们就开始通过一些人工智能算法来加快扫描速度，并保持在非常缓慢的扫描中获得的准确性。如果存在可预测的、重复的结构，我们可以进一步加快速度。我们将其中一些应用到人工智能中，对于更大的领域，我们正在考虑AFM和分析器的组合——所有这些都是AFM分辨率。但是你有一个挑战，不能太快，因为你不想把这个尖端撞到一个结构上。为了防止这种情况，我们正在考虑连接到半导体公司的图形数据系统，使用他们的设计来输入AFM，这样我们就可以导航到准确的点，避免任何高点或低点。我们正是通过在GDS层面上获得输入来进入这一感兴趣的地区。”

此外，它不再仅仅是检查时间的问题。需要消化的数据量是巨大的，因此公司正在投资各种方法来优化数据的利用方式。人工智能尤其如此，它正被添加到检查系统中，以加快得出结果的时间。

CyberOptics公司首席执行官苏博德·库尔卡尼说:“数据量令人难以置信。“我们有三个7500万像素的相机，它们的速度是每秒100帧。我们正在处理每秒千兆比特和光纤。传输到GPU的数据量之大令人难以置信。”

该显微镜
还有一些设备可能永远无法走出实验室。我们熟悉的finfet的截面图像是用透射电子显微镜(tem)而不是sem创建的。tem需要更薄的样品，因为光束通过样品传输，而不是扫描它。

TEMs可能永远不会用于在线生产，因为将模具切成薄片的破坏性过程。然而，它们在失效分析中扮演着重要的角色。扫描电镜最大放大倍数为50万倍，而tem可以达到5000万倍。

结论
哪种是最好的工具取决于任务。一位制造商表示，有时他们的客户要求显微镜的功率比他们实际需要的更大。

“你总是想问基准是从哪里来的，”该公司产品管理总监马修·诺尔斯(Matthew Knowles)说西门子EDA．“数据集是什么?它有多久了?”他们只是跟上吗?或者说，这个‘突破’真的足以带来改变吗?”

着陆能量很重要，因为在分辨率和潜在退化之间需要权衡。正常运行时间也是如此，这可能会对吞吐量产生很大影响。对正常运行时间的最大影响之一是真空本身，因为污染会导致散射事件。

诺尔斯说:“一定要询问总拥有成本。“将电子束保持在制造状态以使其成为可行的生产工具的支持成本是巨大的。这就是光学技术将永远是图景的一部分的原因之一——因为他们为支撑结构找到了商业模式。”

- Ed Sperling和Laura Peters对本文也有贡献。

参考文献
1) https://www.va.gov/DIAGNOSTICEM/What_Is_Electron_Microscopy_and_How_Does_It_Work.asp。
2) https://advanced-microscopy.utah.edu/education/electron-micro/
3)。https://www.thermofisher.com/us/en/home/materials-science/learning-center/applications/sem-electrons.html