ASML光刻小讲堂电子束量测中的透视眼电压衬度检测-电子发烧友网

我们ASML全景光刻铁三角中最后的一角电子束量测与检测在光刻小讲堂中正式开讲，上一期跟大家一起了解了电子束量测与检测在芯片产线上作为质检员眼睛的角色，如何助力ASML全景光刻解决方案。

这次让我们来进一步打开大门探索一下电子束检测中的“透视眼”：电压衬度检测。来看看电子束是如何透过表面看本质，洞悉复杂电路的“通”和“断”，从而确保芯片内亿万晶体管的工作有序，助力客户良率提升的。

1、电子互联 --电子世界的立交桥

在介绍电压衬度检测之前，先带大家简单了解下芯片内部微电路以及电路需要关注的失效是如何发生的：

整个芯片制造过程主要分为前段器件制造工艺和后段金属互连工艺。前段工艺负责制造芯片中的各类基础器件，如晶体管，存储单元等。

半导体器件示意图

图片来源: 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

这些器件本身功能简单，只能负责基本的运算和存储功能。而我们常见的功能强大的芯片都需要通过精细的设计，通过后端的金属互连工艺把成百上千甚至亿万的基础器件相互连接，实现复杂的运算，将操作指令准确地传达到指定器件并获得反馈。

切开芯片看如下图，内部的互连就如密密麻麻的立交桥联通着各个站点。

1.1 正常电路--传递信号

所以为实现功能完好的芯片，互连的金属必须通畅。犹如各个立交桥，如果某个路段发生了损坏（比如坍塌或者不该有的交汇），就会影响立交桥的通行效率。如果损坏过多或者发生的问题在关键路段，甚至会导致交通的彻底瘫痪。

下面是几个非常常见的例子，图①是正常有序的情况，指令1和2都可以通过各自的金属互连途径下达到各自的目标器件。

图① ：1控制A，2控制B

1.2 电路发生断路 -无法传递信号

让我们来看看图②，路线1上金属互连断了，犹如把路修断了，则“总部”与器件A失联，所有与器件A相关的工作无法开展，这种是芯片中发生断路失效。

图② ：1对A失控暨发生断路，2控制B

1.3 电路发生短路--传递错误信号

那图③呢，小伙伴们可以先自行思考一下，图3中两条路线的金属互连碰撞到了一起，会发生什么呢？

想象一下，原本互相隔离的两个车道，各自行进，运行良好，但是在某一处被汇到一起，这个路段上的车就会发生混乱，要么拥堵，更有可能发生车祸，出发的车辆很难达到目的地。在半导体中器件A和B也一样，执行指令就会异常，这种即是芯片内发生短路失效。

图③ ：1对B错误控制，2对A错误控制，即短路

在电子世界这些立交桥需要一双眼睛来精细把关，杜绝“豆腐渣”工程，电子束电压衬度检测是目前唯一的可以检测出金属互连是否达标的技术手段。

2. 电压衬度检测---电子世界独一无二的透视眼

那么为什么电压衬度检测会成为“透视眼”，如X光检测一样，透过电路表面，观测到立交桥上下连通的异常，且是目前唯一的检测手段呢？

大家可以类比造房子，每一层的地板通过楼梯实现层与层之间的互连，当我们仅站在某一层看其地板是否有缺陷的时候，是看不到下面的楼梯制造的结不结实，是否所有的楼梯都造好了等情况的。

就如下图，从俯视图观察，看不出标准的电路互连跟有断路时有什么区别，待测俯视图案只能看到表面的图形，无法反映三维结构里的连通性信息。这时，就轮到电压衬度检测登场了。

电压衬度检测（voltage contrast）是如何探测到这样的缺陷的呢？其实是透过表面去反应下面结构的情况——它的名字就很清晰地表示了检测的原理：电压衬度，就是由于电压（voltage）的不同，使得表面图像产生了明显的明暗变化（contrast）。

进一步来讲，如下图所示，电子束检测可以使得器件的表面产生一定的电压。以表面产生正电压为例，基础物理知识告诉我们，当连接良好的金属互连两端有电压差就会形成电流（电子往正电压的方向流动），就像房子的两层，楼梯上的人通过楼梯从下往上走。如果金属互连是断的即使有电压也不会形成电流，就像楼梯断了，到了断的地方人就无法继续走了。

总体而言就是连接良好的地方表面正电压会源源不断地吸引电子达到表面从而中和表面的正电压，连接断掉的地方几乎没有电子上来中和，就会一直保持正电压的状态，这个时候这两个地方就会产生电压的差异。

那这个电压差异如何变成可以甄别的表面图像明显的明暗变化呢？大家应该都知道电子被正电压吸引，被负电压排斥。如下图所示，这两块地方因为金属互连的差异产生了不同的电压，对电子的束缚吸引能力是有差异的，我们在检测的时候从这两块地方得到的电子信号就会不同，因此产生了明暗的差异，就可以甄别出有异常的缺陷。