ASML光刻小講堂 電子束量測中的透視眼 電壓襯度檢測

我們ASML全景光刻鐵三角中最后的一角電子束量測與檢測在光刻小講堂中正式開講，上一期跟大家一起了解了電子束量測與檢測在芯片產線上作為質檢員眼睛的角色，如何助力ASML全景光刻解決方案。

這次讓我們來進一步打開大門探索一下電子束檢測中的“透視眼”：電壓襯度檢測。來看看電子束是如何透過表面看本質，洞悉復雜電路的“通”和“斷”，從而確保芯片內億萬晶體管的工作有序，助力客戶良率提升的。

1、電子互聯(lián) --電子世界的立交橋

在介紹電壓襯度檢測之前，先帶大家簡單了解下芯片內部微電路以及電路需要關注的失效是如何發(fā)生的：

整個芯片制造過程主要分為前段器件制造工藝和后段金屬互連工藝。前段工藝負責制造芯片中的各類基礎器件，如晶體管，存儲單元等。

半導體器件示意圖

圖片來源: K. Ahmed and K. Schuegraf, “Transistor wars: Rival architectures face off in a bid to keep Moore’s Law alive”, IEEE Spectrum, Nov. p.50, 2011

這些器件本身功能簡單，只能負責基本的運算和存儲功能。而我們常見的功能強大的芯片都需要通過精細的設計，通過后端的金屬互連工藝把成百上千甚至億萬的基礎器件相互連接，實現(xiàn)復雜的運算，將操作指令準確地傳達到指定器件并獲得反饋。

切開芯片看如下圖，內部的互連就如密密麻麻的立交橋聯(lián)通著各個站點。

1.1 正常電路--傳遞信號

所以為實現(xiàn)功能完好的芯片，互連的金屬必須通暢。猶如各個立交橋，如果某個路段發(fā)生了損壞（比如坍塌或者不該有的交匯），就會影響立交橋的通行效率。如果損壞過多或者發(fā)生的問題在關鍵路段，甚至會導致交通的徹底癱瘓。

下面是幾個非常常見的例子，圖①是正常有序的情況，指令1和2都可以通過各自的金屬互連途徑下達到各自的目標器件。

圖① ：1控制A，2控制B

1.2 電路發(fā)生斷路 -無法傳遞信號

讓我們來看看圖②，路線1上金屬互連斷了，猶如把路修斷了，則“總部”與器件A失聯(lián)，所有與器件A相關的工作無法開展，這種是芯片中發(fā)生斷路失效。

圖② ：1對A失控暨發(fā)生斷路，2控制B

1.3 電路發(fā)生短路--傳遞錯誤信號

那圖③呢，小伙伴們可以先自行思考一下，圖3中兩條路線的金屬互連碰撞到了一起，會發(fā)生什么呢？

想象一下，原本互相隔離的兩個車道，各自行進，運行良好，但是在某一處被匯到一起，這個路段上的車就會發(fā)生混亂，要么擁堵，更有可能發(fā)生車禍，出發(fā)的車輛很難達到目的地。在半導體中器件A和B也一樣，執(zhí)行指令就會異常，這種即是芯片內發(fā)生短路失效。

圖③ ：1對B錯誤控制，2對A錯誤控制，即短路

在電子世界這些立交橋需要一雙眼睛來精細把關，杜絕“豆腐渣”工程，電子束電壓襯度檢測是目前唯一的可以檢測出金屬互連是否達標的技術手段。

2. 電壓襯度檢測---電子世界獨一無二的透視眼

那么為什么電壓襯度檢測會成為“透視眼”，如X光檢測一樣，透過電路表面，觀測到立交橋上下連通的異常，且是目前唯一的檢測手段呢？

大家可以類比造房子，每一層的地板通過樓梯實現(xiàn)層與層之間的互連，當我們僅站在某一層看其地板是否有缺陷的時候，是看不到下面的樓梯制造的結不結實，是否所有的樓梯都造好了等情況的。

就如下圖，從俯視圖觀察，看不出標準的電路互連跟有斷路時有什么區(qū)別，待測俯視圖案只能看到表面的圖形，無法反映三維結構里的連通性信息。這時，就輪到電壓襯度檢測登場了。

電壓襯度檢測（voltage contrast）是如何探測到這樣的缺陷的呢？其實是透過表面去反應下面結構的情況——它的名字就很清晰地表示了檢測的原理：電壓襯度，就是由于電壓（voltage）的不同，使得表面圖像產生了明顯的明暗變化（contrast）。

進一步來講，如下圖所示，電子束檢測可以使得器件的表面產生一定的電壓。以表面產生正電壓為例，基礎物理知識告訴我們，當連接良好的金屬互連兩端有電壓差就會形成電流（電子往正電壓的方向流動），就像房子的兩層，樓梯上的人通過樓梯從下往上走。如果金屬互連是斷的即使有電壓也不會形成電流，就像樓梯斷了，到了斷的地方人就無法繼續(xù)走了。

總體而言就是連接良好的地方表面正電壓會源源不斷地吸引電子達到表面從而中和表面的正電壓，連接斷掉的地方幾乎沒有電子上來中和，就會一直保持正電壓的狀態(tài)，這個時候這兩個地方就會產生電壓的差異。

那這個電壓差異如何變成可以甄別的表面圖像明顯的明暗變化呢？大家應該都知道電子被正電壓吸引，被負電壓排斥。如下圖所示，這兩塊地方因為金屬互連的差異產生了不同的電壓，對電子的束縛吸引能力是有差異的，我們在檢測的時候從這兩塊地方得到的電子信號就會不同，因此產生了明暗的差異，就可以甄別出有異常的缺陷。

這就是電壓襯度的故事，作為一個很獨特的檢測方式，被廣泛地應用，兢兢業(yè)業(yè)地在產線上發(fā)揮著自己的作用，在ASML全景光刻的鐵三角中穩(wěn)定地提供著自己獨特的貢獻。

很感謝大家這一期的陪伴，跟我們一起了解電壓襯度檢測的小世界，它和電子束物理缺陷檢測以及電子束量測一起形成了對芯片三位一體的守護，在生產過程中保駕護航。