與更先進技術(shù)節(jié)點相伴而生的不利之處在于，隨著器件尺寸的縮小，那些在以前節(jié)點上曾經(jīng)不太重要的缺陷和顆粒可能會變成器件殺手。這樣一來，就要求器件制造商具備更強大的、能夠?qū)υ絹碓叫〉娜毕莺皖w粒進行檢測的能力。雖然在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)剛剛起步時，檢測能力與尺寸縮小的缺陷之間的賽跑就已經(jīng)開始并持續(xù)至今。但是現(xiàn)在及不遠的將來，對3D結(jié)構(gòu)進行形狀表征面臨著巨大障礙和各種基本限制，會給檢查、測量和測試平臺技術(shù)帶來嚴重的挑戰(zhàn)。
浸沒式光刻帶來的困難
浸沒式光刻將加大缺陷檢測的難度。正如Applied Materials公司工藝診斷和控制部門的市場策略經(jīng)理Ehud Tzuri所說的那樣，發(fā)現(xiàn)缺陷的難度增大“不僅是因為出現(xiàn)新的缺陷類型，還因為缺陷的尺寸大小。大多數(shù)的新缺陷都很大而且通常已被很好地了解，比如與浸沒式光刻有關(guān)的水泡、水痕等等。”這些缺陷能夠被控制到與干法光刻相同的程度，因為已經(jīng)知道它們的來源。
然而似是而非的是，由于浸沒式光刻的分辨率更高，因此出來尺寸更小的致命缺陷。晶圓上超過70％的缺陷都小于50nm。在早期的表征過程中，許多缺陷會被以前的設(shè)備漏檢，不是因為它們不存在，而是因為這些設(shè)備無法檢測到它們。這些小的橋接、基腳等極微小的缺陷——曾經(jīng)被忽略或不用確認——現(xiàn)在已經(jīng)變得很重要了（圖1）。
必須對這些微小的缺陷進行檢測。“提高分辨率是最佳的辦法。”Tzuri說：“然而，傳統(tǒng)的明場
顯微鏡，即便是用DUV光源，也已經(jīng)達到分辨率的極限了。因此不可能分辨出非常密集的圖形，比如目前小于55nm的NAND閃存圖形。” Applied Materials公司的解決方案使用結(jié)合深紫外（DUV）和激光照明的3-D采集方法，從而使缺陷檢測的分辨率能夠達到1/10波長的范圍。
隨著22nm節(jié)點的接近，光學(xué)檢查將遇到很多問題，因此用電子束設(shè)備來檢測極微小缺陷的必要性不斷上升。這就要求提高電子束設(shè)備的單位時間的產(chǎn)量以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要——一個工程性的挑戰(zhàn)。當(dāng)然，光學(xué)和電子束方法可能會被結(jié)合使用。
有用的破壞性方法
FEI公司納米電子事業(yè)群的產(chǎn)品市場經(jīng)理Larry Dworkin相信，在32和22nm節(jié)點，對TEM數(shù)據(jù)的需求會大為增加。“系統(tǒng)被用于在整個晶圓上進行FIB輔助的TEM薄層準備工作，而晶圓的其余部分則能夠被送回生產(chǎn)線。用TEM來分析這片小的薄層就可以確認缺陷的產(chǎn)生根源。”一些65和45nm器件制造商已經(jīng)在這樣做，而且將來還可能需要更多的掃描TEM和TEM圖像，來研究那些只能通過電子束檢查或電子探針來觀察的缺陷（圖2）。
在22nm節(jié)點到來之前，TEM必須從離線的實驗室技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檫M入fab的線上技術(shù)。短期目標(biāo)是使檢測周期縮短到2小時左右，而長期目標(biāo)則是必須具有移動性。在應(yīng)變硅領(lǐng)域需要考慮的重要因素是，當(dāng)晶圓被切開時，樣品內(nèi)的應(yīng)力會發(fā)生變化。這就要求采用新的TEM樣品準備技術(shù)以防止薄層的變形。
在通往22nm節(jié)點的道路上，缺陷檢測問題的嚴重程度將主要取決于我們是否使用目前的
晶體管設(shè)計——盡管變得更小——在這種情況下會更多地用到TEM；標(biāo)準的截面SEM和基本的自頂至底的CD-SEM無法測量或量化那些必須被觀察的缺陷。取而代之的是finFET等3D結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)的SEM和自頂至底CD-SEM技術(shù)不足以測量這些結(jié)構(gòu)，因此非破壞性的測量技術(shù)成為必須。
一個明顯的選擇是散射測量。但問題在于它是否能夠處理尺寸微小的、復(fù)雜度高的finFET結(jié)構(gòu)，以及是否需要進行截面測量來幫助建立和驗證散射測量的模型，或者是否最終需要這種技術(shù)來驗證在線測量的結(jié)果。如果需要散射測量來全面了解finFET結(jié)構(gòu)在22nm節(jié)點會發(fā)生什么，某些形式的截面測量可能是不可避免的。
分辨率和材料
設(shè)計規(guī)則的縮小推動了分辨率的提高。測量設(shè)備必須提供更高的分辨率來測量尺寸等于或小于設(shè)計規(guī)則的缺陷，特別是對邏輯電路而言。KLA-Tencor公司晶圓檢查事業(yè)群的副總裁Mike Kirk相信，這不但會推動光學(xué)系統(tǒng)及其保真度的提升，還會提高圖像計算的要求，因為必須處理更小的信息像素。他說：“從0.25mm節(jié)點到現(xiàn)在，像素的尺寸大約縮小了3倍。”
根據(jù)Kirk所說，向更高分辨率發(fā)展的速度很慢，因為如果采用20nm的像素，測量設(shè)備的操作會變得很慢和很貴。他說：“正如掃描式光刻機的開發(fā)者關(guān)注k因子一樣，我們也有一個類似的因子，稱之為缺陷與像素的比率。通過在像素尺寸給定的條件下找到尺寸不斷變小的缺陷，我們不斷地嘗試著提高這個比率。為了獲得更多的信息，我們必須縮小像素。這意味著更好的處理過程、更好的算法和對于給定像素的分辨率更高的光學(xué)系統(tǒng)——更高的數(shù)值孔徑。”
另一個涉及到的問題與新材料有關(guān)。確定一個缺陷的物理起因以及其光學(xué)或電學(xué)圖像是很復(fù)雜的。由于存在近場干涉效應(yīng)，電介質(zhì)也或多或少會吸收一些光，而且測量設(shè)備不能被設(shè)計成只針對具有特定厚度、n和k值的給定層（因為用戶需要改變測量要求以針對下一個節(jié)點的器件或稍有不同的器件），因此要求不同的光學(xué)性質(zhì)。光學(xué)系統(tǒng)的照明和檢測方案都必須具有足夠的靈活性，以應(yīng)對可能會被采用的不同結(jié)構(gòu)或材料。
在開發(fā)階段，計量供應(yīng)商必須與fab緊密合作。器件制造商不會只因為某種材料具有所需的電學(xué)性質(zhì)或熱管理預(yù)算就決定使用它；他們還想知道它能否被檢查、測量和控制。他們在工藝開發(fā)的早期就做好相關(guān)的決定，然后請計量供應(yīng)商為先進的材料和設(shè)計規(guī)則提供設(shè)備來幫助他們選擇。Kirk 說：“問題在于他們可能會先選擇六種不同的設(shè)備，而后來卻決定只用一種，因此我們必須幫助提供所有的六種設(shè)備，并且需要在合適的時間擁有合適的測試平臺。”這意味著在很早的階段就應(yīng)該為fab進行復(fù)雜的缺陷和器件建模，以保證設(shè)備具有合適的數(shù)值孔徑、照明、波長、角度和采集幾何結(jié)構(gòu)。
粗糙度問題
亞22nm節(jié)點的缺陷檢測和噪聲抑制是有待解決的棘手問題。在制作柵極線條時，圖形轉(zhuǎn)移一般都是不完美的，而且器件的邊緣都會存在一些粗糙度。芯片與芯片之間（die-to-die）或
晶體管與晶體管之間不可能是完全均勻的。Kirk說：“設(shè)備將它（非均勻性造成的局部漲落）當(dāng)作缺陷，而用戶在其尺寸大到足以引起麻煩之前不希望它被標(biāo)記出來。”問題是沒有人能夠先驗地知道這個尺寸將是多大。在線邊緣粗糙度的范疇內(nèi)，可能會在溝槽底部找到一個小的基腳。這個從線條內(nèi)伸出的小突刺會導(dǎo)致短接或泄漏；因此，必須采集來自尺寸小于20或15nm的特征結(jié)構(gòu)的信號，而這些信號被掩藏在LER背底噪聲的海洋內(nèi)。
掩膜版設(shè)計也會引起系統(tǒng)缺陷。在給定的工藝窗口下，某一個特定的結(jié)構(gòu)可能會在整個芯片內(nèi)重復(fù)數(shù)次，而針對它的稍微強烈的光學(xué)臨近修正（OPC）偶爾會失效。如果出現(xiàn)這種情況，F(xiàn)ab工程師必須知道并追蹤到它的設(shè)計。他還想知道系統(tǒng)失效的來源，比如是不是刻蝕腔。可能存在使晶圓內(nèi)的刻蝕不均勻的特殊邊界條件和設(shè)置范圍。系統(tǒng)缺陷被指出來，并確定它們是來源于掩膜版還是工藝設(shè)備；與此同時還必須找出隨機缺陷，而那些無關(guān)緊要的缺陷被忽略掉。
Rudolph Technologies公司檢查事業(yè)部的市場主管Rajiv Roy說：“在0.25mm節(jié)點，我們可以結(jié)合使用微觀檢查設(shè)備和一些宏觀檢查平臺來解決缺陷檢測和再檢查問題。而在45和22nm節(jié)點，那些設(shè)備被用于檢測32nm的關(guān)鍵缺陷。我們必須從微觀檢測的觀點來考慮發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵缺陷的擁有成本以獲得最高的投資回報率。”
這簡化了微觀檢查的基本原理。目前，從微觀缺陷中過濾出宏觀缺陷變得十分有用。宏觀檢查的成本已經(jīng)足夠低，但還需要進行再檢查，這要求人們對缺陷進行觀察并判斷其重要性。現(xiàn)在，這項技術(shù)已經(jīng)能夠進行動態(tài)圖像捕捉，再加上功能強大的判定設(shè)備，手工再檢查可能會被淘汰。技術(shù)的發(fā)展使得高速、全自動的宏觀檢查和再檢查得以實現(xiàn)（圖3）。
Rudolph公司數(shù)據(jù)分析和再檢查事業(yè)部的副總裁兼總經(jīng)理Mike Plisinski指出，如何有效地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息仍在探索中。“我們現(xiàn)有的技術(shù)能夠減少目前fab生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為可用的信息。”他說：“市面上總是有空間信號分析系統(tǒng)在出售，但是象ADC系統(tǒng)一樣，它們從來都不能提供合適的性能和易用性來滿足生產(chǎn)的要求。目前已經(jīng)有些算法能夠做到這點。我們已經(jīng)成功地將用戶必須再檢查的數(shù)據(jù)量減少了20-30%。”
LER和線寬粗糙度（LWR）的重要性與日俱增，這就是為什么需要自動化程度更高的分類引擎的原因。可以用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）引擎來判斷捕獲的缺陷并將它歸類；如果它屬于已知的缺陷類型，那么用戶就知道引起問題的原因；如果是未知的類型，用戶至少知道有一個圖形的形式需要檢查。如果沒有全自動系統(tǒng)，就必須進行手動再檢查，這會很耗時，而且成品率的提升不會太快。
傳統(tǒng)上，SEM不太專注于ADC。針對SEM的ADC是存在的，但它直到最近才變得比較普遍。這意味著需要維持多ADC系統(tǒng)，這可能會出現(xiàn)問題。需要采用專家系統(tǒng)來簡化分析過程。
套刻精度和掩膜版
套刻精度已經(jīng)成為越來越嚴重的測量挑戰(zhàn)，因為現(xiàn)在基于光學(xué)的測量方法已經(jīng)接近其極限。Hermes Microvision公司的執(zhí)行副總裁Jack Jau說：“這不是一個工程開發(fā)的問題。擴展現(xiàn)有的測量方法似乎很困難，所以SEM等創(chuàng)新方法的使用就變得很有必要，需要進行深入的研發(fā)。”
當(dāng)尺寸變小時，令人討厭的缺陷將變得具有破壞性，Jau同意這個觀點。“圖形錯誤或系統(tǒng)缺陷會導(dǎo)致不合適的OPC或工藝窗口縮小等問題，從而正在成為主要的成品率殺手。DFM號稱能夠解決這個問題；然而，它需要傳感器來觀察這個問題并反饋到設(shè)計端。”他說：“采用有效的計量或檢查設(shè)備作為傳感器已經(jīng)變得必不可少。”
掩膜版缺陷是個嚴重的問題，因為它們會被復(fù)制。“晶圓上的一個缺陷可能會使一塊芯片失效。”Veeco Instruments公司的高級應(yīng)用工程師Ingo Schmitz說：“但是如果在掩膜版上有一個致命的缺陷，它能使占1/4晶圓面積的整個閃存區(qū)域失效，而且根據(jù)程度的不同，它甚至可能會毀掉整個晶圓。”
已經(jīng)出現(xiàn)的掩膜版修復(fù)方法有兩種。一種是聚焦離子束（FIB）技術(shù)，另一種利用原子力顯微鏡（AFM）。后者類似于AFM設(shè)備，用刀片狀的針尖磨掉多余的材料，比如多余的鉻，來修復(fù)掩膜版。這就需要知道掩膜版上的缺陷是突出的缺陷還是針孔。而光學(xué)技術(shù)就很難對它們進行表征。
使用基于束的修復(fù)方法——基本上是離子束研磨或淀積——必須首先知道缺陷的體積以計算淀積、刻蝕或研磨步驟所需的離子劑量。掩膜版制造廠先對缺陷進行定位，然后用AFM來分類和表征它們的幾何結(jié)構(gòu)和體積。而修復(fù)所需的劑量取決于形態(tài)測量的結(jié)果。
現(xiàn)在，尺寸為15到20nm的顆粒已經(jīng)開始引起關(guān)注。AFM應(yīng)該對這樣小的顆粒有足夠的敏感度，而且可能還需要具備足夠的技術(shù)能力來檢測小到5-10nm的顆粒。
如果缺陷本質(zhì)上是光學(xué)性的，比如水印，AFM技術(shù)就會受到挑戰(zhàn)，因為它使用的技術(shù)與步進式光刻機不同。水印或沾污會導(dǎo)致印制錯誤，而對形貌變化敏感的AFM卻可能無法探測到它們。
SEM也無法避免與形貌有關(guān)的問題。當(dāng)使用SEM來對缺陷進行表征時，SEM引起的沖壓會使反應(yīng)腔的內(nèi)容物脫落到掩膜版上，從而帶來二次損害，比如缺陷（如圖4所示）。
為了使計量能夠不斷地提供所需的缺陷檢測平臺，必須填補設(shè)計與制造之間的空白。隨著設(shè)計復(fù)雜度的上升，系統(tǒng)缺陷也在增多。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷，將它們和隨機缺陷區(qū)分開來以消除前者的產(chǎn)生根源，會變得非常困難。
