发现缺陷越来越难

芯片制造商正在制定一项战略，将晶体管的尺寸扩大到10纳米甚至更远。迁移到这些节点带来了许多挑战，但是在市场杀手缺陷中，有一个问题开始得到更多的关注。

缺陷一直是芯片设计的成品率斜坡的问题，但在每个节点上发现它们的能力变得越来越困难和昂贵。在10nm及更远的工艺上，这将尤其具有挑战性。

今天，有两种基本的工具技术来发现缺陷-光学和电子束检测晶圆。光学检测是晶圆厂的主力技术，在先进节点上正被发挥到极限。电子束检测可以发现微小的缺陷，但速度仍然很慢。

为了解决这一问题，KLA-Tencor正在准备其下一代光学晶圆检测工具。在最近的Semicon West贸易展上首次披露，KLA-Tencor据称，该工具由一个波长可达190nm的光源组成，而目前系统的波长为257nm。

此外，电子束阵营中也出现了一波新的活动。一段时间以来，几家公司一直在研究一种新型的多束电子束光刻高级节点的巡检工具。

据多名消息人士透露，现在，日本正寻求启动一项新的政府资助计划，涉及单束或多束电子束检查。消息人士补充说，日本的NuFlare可能是该项目的一部分，尽管NuFlare可能正在研究单光束产品。NuFlare拒绝置评。

但芯片制造商会使用光学或电子束检测来发现10nm及以上的致命缺陷吗?可以肯定的是，这两种技术正朝着碰撞的方向发展。电子束检测，主要用于工程和研发，希望在生产工厂发挥更大的作用。与此同时，希望保护其在晶圆厂的安装基础的光学阵营表示，光学是前进的道路。

KLA-Tencor高级副总裁兼WIN部门总经理Keith Wells在最近的一次演示中表示:“我们必须提供具有更高灵敏度和晶圆(吞吐量)的解决方案。“它必须具有成本效益。这就是光学检查。我们仍然相信这是前进的最佳方式。”

不过，芯片制造商可能需要在高级节点上同时进行光学和电子束检测。电子束检测工具的领先供应商Hermes Microvision首席执行官杰克·约(Jack Jau)表示:“没有一种工具可以做所有事情。”

检查市场
根据KLA-Tencor的数据，晶圆检测市场的总规模为21亿美元。根据KLA-Tencor的数据，光学检测在整个市场中占18.5亿美元。电子束代表了2.5亿美元的业务。

在最近的一次演讲中，KLA-Tencor总裁兼首席执行官Rick Wallace表示，晶圆检测可以分为四个部分:工程分析;关键线监测;线监测;以及工具监控。

电子束检测主要用于研发组的工程分析。同时，光学检测用于生产线和刀具的监控。关键线监测发现了图样晶圆中最关键的缺陷。线路监测也可以检测到图样晶圆的缺陷。

在工具监控中，裸片在晶圆厂加工。检测工具确定晶圆片上缺陷的根本原因是否是给定的晶圆厂设备。如果是这样，可以关闭工具或整条生产线。

基本上，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。KLA-Tencor的Wallace说:“电子束会发现某些类型的缺陷，比如电气缺陷。“但这不是市场的(主要部分)。市场上大部分都是所谓的小物理缺陷。”

在电气或电压对比缺陷应用中，电子束检测工具可以寻找隐藏的缺陷，以及结构中不需要的开口或断裂。

更大的挑战是发现物理缺陷，其中许多是致命缺陷，可能会成就或破坏给定的IC设计。物理缺陷包括复杂IC器件上的空洞、突起、桥和其他图形缺陷。

3D NAND和finfet的出现为晶圆检测提出了一些新的和困难的挑战。“在平面设备中，你可以看到每一个缺陷，”Lior Engel说，战略营销副总裁过程诊断和控制业务单元应用材料．“有了3D设备，缺陷会变得更加根深蒂固。你看不到这些缺陷。此外，芯片制造商还希望在芯片上放尽可能多的东西。你可能有SRAM，嵌入式DRAM和密集逻辑。当你用光照射设备并收集它时，每个设备可能会表现不同。最重要的是，你有越来越多的材料。所以你可能会错过缺点。”

的解决方案
光学检测技术在晶圆厂中占有重要地位。这种主要的光学技术被称为明场检测。Brightfield收集缺陷反射的光。反过来，缺陷在白色背景下看起来是黑色的。

KLA-Tencor目前的光学检测工具波长可达257nm，被认为是亮场检测(有时被称为宽带等离子体)的领导者。

一般光学检测可以发现30nm以下的缺陷。据专家称，光学技术的灰色区域在20nm到10nm之间，但该技术正在被拉伸到10nm以下的极限。

KLA-Tencor公司的Wells表示:“(利用现有的工具)我们实际上可以将工艺降到10nm，但这需要进行一些重大的权衡。”“第一，速度变慢了很多。我们也许可以做到每小时半片晶圆，并保持12西格玛类型的保护带。”

但在10nm及以上，芯片制造商希望提高信噪比和更快的吞吐量。传统上，关键线监测的吞吐量是每小时1至2片晶圆。

为了实现这些目标，KLA-Tencor正在通过准备一种波长可达190nm的新型光学检测工具来扩展光学。在检测中，从257nm到190nm的转变遵循了与光刻相同的基本原理。

简单地说，通过移动到更短的波长，工具的分辨率得到了提高。因此，从理论上讲，190nm可以实现比257nm及以上更高的分辨率。“与光刻工具不同，我们不是成像或印刷设备。但我们必须成像CD的影响，”KLA-Tencor的华莱士说。“挑战在于找到感兴趣的缺陷，但在将其投入生产的吞吐量上(合适)。”

KLA-Tencor的新工具目前处于alpha阶段，预计将于2016年发布。KLA-Tencor的Wells表示:“我们开始看到成效。“我们开始看到在10nm以下发现图案缺陷的能力。”

与此同时，其他人认为电子束将在fab中发挥更大的作用。电子束检测专家Oliver Patterson在最近的一次演讲中说:“在过去的15年里，电子束检测已经成功地用于电压对比检测电活性缺陷。”(Patterson在演讲时在IBM工作，现在是IBM的高级技术人员GlobalFoundries．)

帕特森说:“在过去的三年中，使用电子束检测来检测物理缺陷已经变得非常流行，因为这些缺陷类型已被证明难以用于宽带等离子体检测，或者称为亮场检测。”电子束检测优于宽带等离子体的优势包括更高的分辨率(a)最小像素尺寸小100倍，能够根据补丁图像对缺陷进行分类，以及固有的先验级缺陷滤波。尽管有这些优势，但由于主要的吞吐量限制，电子束检测用于物理缺陷检测的适用性范围是有限的。”

今天的电子束检测工具是单束系统。在电子束检测中，晶圆沿一个方向移动。电子束以垂直方向扫描晶圆。电子束撞击表面并产生多个信号。用于检测的信号是二次电子。

电子束可以发现最小的缺陷，灵敏度可达3nm或更低，但电子束检测速度较慢。在某些情况下，光学检测速度比电子束快1000倍。

加速单束工具的一种方法是提高电子的能级。另一种方法是根据模拟研究只检查晶圆中可能有问题的一小部分。

尽管如此，该行业仍然需要多波束检测。理论上，这项技术不仅可以发现低至2nm的缺陷，而且比目前的单束电子束工具还要快。

一段时间以来，应用材料、Hermes、Maglen、Multibeam和Sematech/Zeiss一直在研究这项技术。现在，NuFlare和NGR已经开始共同开发这项技术。

但多束电子束是一项较难发展的技术。首先，光束往往相互抵消，很难控制。其次，存在数据吞吐量问题。最后，可行的多光束电子束工具可能要到2020年左右才能准备好。

电子束专家Patterson表示:“在一个工具中加入10到100个柱，可能会将工具扫描速度提高到1到2个数量级。“这些企业都是硬件密集型企业，需要感兴趣的工具制造商进行大量投资。”

在多光束中，有两种思想流派。一些人正在使用有限数量的光束研究工具。其他人正在开发由大量光束组成的大规模并行工具。

在这两种情况下，开发可行工具的能力取决于技术的实现。“多光束技术的关键在于如何分割光束，”Multibeam董事长大卫•林(David Lam)表示。Multibeam本身正在开发一种用于光刻的多光束工具，但该公司也在探索检测技术。

事实上，根据Sematech和蔡司的说法，有两种类型的多束电子束结构——多柱和多束。根据公司的说法，多柱是通过增加额外的柱来增加梁的数量。相比之下，多梁是指单柱包含大量单独的梁。

Sematech和蔡司正在共同开发一种基于多光束方法的工具。其他国家也在走类似的道路。在多波束中，波束更容易控制。相比之下，多柱可以实现每波束的最高电流，但控制波束是有问题的。

Sematech/Zeiss项目的想法是采用蔡司现有的MultiSEM电子显微镜，并将其用于晶圆检测。“今天，我们正在销售MultiSEM 505，这是一款针对学术界市场的实验室工具，有61个光束。该工具展示了目前可用的多波束技术的能力，但它并不能满足晶圆检测系统的所有需求。Sematech在2015年SPIE上提出的MPEBI项目计划是在2019年准备好一个大批量生产演示工具，”蔡司副总裁Gregor Dellemann说。

时间会证明多波束是否有效。如果供应商未能提供这些系统，芯片制造商可能需要依赖下一代光学工具。但显然，芯片制造商希望有更多选择。为了找到下一波致命缺陷，他们可能需要使用所有技术来解决这个问题。