点燃5nm制程之战:光刻机巨头推出光检测杀手锏,产能有望提升六倍


世界上仅有的几家光刻机设备制造商正在开发一种新型的晶圆检测系统,以应对在发现先进芯片中发现缺陷的挑战。

在每个节点上,芯片的特征尺寸越来越小,而缺陷更难发现。缺陷是芯片中不希望有的偏差,会影响良率和性能。新的检查系统有望解决这些挑战,但它们也比以前的工具昂贵,芯片制造商可能需要购买它们的混合物。

传统的前道量检测一般采用 多用光检测 和 单子束相结合 的方式,但光检测无法适用于7nm以下的先进制程,电子束检测效率极其低。

ASML近期推出多光束检测方案,能够同时产生、控制九道电子束,将产能提升600%,对先进制程的良率提升十分重要。

撰文 | 徐丹

编辑 | 四月

近日,光刻机巨头阿斯麦(ASML)在官网宣布,完成了用于5nm及更先进工艺的第一代HMI多光束检测机HMI eScan1000的测试。


据官网介绍,这台多光束检测机具有9束3×3配置的完整多光束系统,能够同时产生、控制九道电子束,与单个电子束检查工具相比,将使吞吐量提高达600%。

多光束检测机用于制造过程中的晶圆检测,是晶圆制造厂商的上游,对先进制程晶圆成品的良率十分重要。

随着在半导体工艺竞赛愈演愈烈的情况下,5nm已经成为各晶圆厂商争夺的下一个占地,台积电、三星、英特尔等企业蓄势待发。HMI eScan1000的出现让5nm之战更加激烈。


一 握住晶圆检测的命门,光刻机巨头不止有光刻机

提起荷兰阿斯麦(ASML),第一时间联想到的肯定是光刻机。这家全球唯一的光刻机供应商掌控着高端光刻机市场的100%份额,台积电和三星等半导体巨头都要时刻看其眼色行事。

光刻机是晶圆从设计到制造环节中必不可少的一个设备,原理是用光将设计好的电路投射到硅片上。阿斯麦以其独有的沉浸式光刻技术降低光源波长,将稼动率(实际的生产数量与可能的生产数量的比值)维持在95%上下,牢牢掌控着半导体行业这个皇冠中最大的那颗明珠,市值高达700亿欧元。

但实际上,阿斯麦掌控的命门并不只是光刻机。

在晶圆制造过程中,除了光刻机,还有另外一个与光刻环节相辅相成,且技术壁垒高、对制造结果极其关键的骤——前道量检测。

关于集成电路检测技术,狭义上的认知集中在封测环节,实际上检测贯穿生产流程的始终,起始于IC设计,在IC制造中继续,终止于对封装后的性能检测,分别被称为设计验证、前道量检测和后道量检测。

阿斯麦此次推出的HMI eScan1000就属于前道量检测设备,是晶圆制造厂商的上游,也是所有检测步骤中技术门槛最高的那一个。

前道量检测与晶圆制造步密切相关,每一道制造工艺完成后都要测量参数、检测缺陷,确保工艺稳定性达到设计要求。

量测内容包括「量」和「检」,量测薄膜厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、套刻精度等关键参数以及检测生产过程中有无产生表面杂质颗粒沾污、晶体图案缺陷、机械划伤等缺陷。

为制造更高端制程晶圆,晶圆厂往往要经历600-1000个甚至更多步骤,一点小的故障都会使芯片出现物理缺陷,比如桥接、突起和空隙。并且步骤之间会相互影响,很难通过出场产品准确定位哪一个步骤出现了问题。

这些物理缺陷最终可能导致半导体产品使用时发生漏电、断电的现象,影响产品良率。

「良率」可以说是晶圆制造厂商的命门。半导体市场份额竞争激烈,客户会优先选择生产良率高的企业供货。对于制造厂商来说,产品良率每降低一个百分点,就可能损失100-800万美元。更为严重的情况下,检测不到位会导致后续生产工作全部被浪费。

2019年2月,台积电就在一次报告中称最近生产的晶圆「来自化学材料供应商的一批光阻剂含有一种特殊成分,经不正常处理后,在光阻剂中生成一种外来聚合物。这种外来聚合物对Fab 14B的12/16纳米晶圆片产生了不良影响。」成千上万的晶圆在此次事故中报废,台积电当季营收减少约5.5亿美元。

所以,前道量检测设备的需求也比较大,占晶圆厂前道制造设备11.5%的投资比例,2020年市场规模约58亿美元。

在晶圆制造过程中,前道量检测和光刻技术相辅相成,前者测量硅晶片上的成像性能,并将数据实时实时反馈到光刻系统中,有助于在大批量芯片制造中保持稳定的光刻性能。二者结合就是一个完整的光刻解决方案。

前道量检测的一种方法是光检测,收集从晶圆处反射回的光确定缺陷,和光刻机技术相似。阿斯麦有三款Yield Star系列光检测设备,作为光刻整体解决方案的一部分。


YieldStar 375F

2016年,阿斯麦以31亿美元收购了Hermes Microvision Inc. (简称HMI,汉科微),后者成立于1988年,目前目前已经成为世界各大晶圆代工厂与晶圆记忆体厂最大的电子束检测设备供应商,主要客户是台积电和英特尔,拥有三款HMI eScan系列电子束检测设备。

但是在整个前道量检测市场,光刻机巨头阿斯麦并没能在前排留坐,市占率仅为8.6%左右。这片市场一大半都长期被美国企业科磊(KLA-Tencor)垄断。


二 首台多光束检测机,产能提升600%

市场份额如此之低,阿斯麦显然不甘心如此为人后,一直在潜心研发多光束检测设备。

什么是多光束检测?这要从前道量检测的基本方法说起,它一般分为光学量测和电子束量测。

光学量测通过向晶圆发射光源,通过光的反射、收集从缺陷处反射回来的光进行衍射光谱间接测量,类似于雷达成像原理。


光检测分为明场和暗场,明场在更大角度测量光线,暗场可测量以较小角度反射的光。从缺陷处反射回来的光在白色背景下会显得较暗,借助此特征可定位缺陷区域,然后借助一定手段将缺陷区域数字化。

目前光学检测设备多使用193nm光源。其优点在于成像快,分辨率高,一小时可以检测1到2个晶片。缺点是无法直接成像,需要借助其他工具,检测精度也有限,根据ASML和其他公司的数据,明场在SRAM中的灵敏度低于5nm,而暗场低于15nm。

电子束量测利用电子的特性,来自电子束的电子撞击并穿透样品表面,然后电子散射并反弹回工具中的检测器。


电子束量测示意图

电子束检查工具可以检测两种类型的信号-背向散射电子(BSE)和二次电子。BSE是源自结构深处的电子。二次电子来自表面。通过信号检测电子束可以在晶圆掩膜上「写」出缺陷处图案。

优点是可以直接呈现缺陷的具体形貌,且检测精度非常高,可以发现低于1nm的结构缺陷。一个缺点是电子束成像量测操作时需要切割晶圆,具有破坏性。

电子束检测最大的问题是吞吐量太慢,比光学检查时间慢1000倍。对于7nm及以上制程的复杂掩膜,写入时间甚至超过了30小时。

目前前道量检测常用的办法是光学检测和电子束检测相结合,先用光束快速确定缺陷区域,再用电子束对缺陷区域精确成像。提高检测效率并降低对晶圆的破坏性。

这种方法存在的问题是,受限于光束的精度缺陷,光量测无法定位高制程的晶圆缺陷,电子束又太慢,7nm及更高制程的晶圆缺陷都很难定位到。

与单光束工具相比,多光束掩膜写入器使用成千上万个细小束,可以以更快的速度对高级掩膜进行图案化或写入,也能写入更复杂的掩膜图案。IMS多光束工具平均12个小时可以完成掩膜写入工作。

所以,ASML、NuFlare、KLA-Tencor以及被英特尔收购的IMS Nanofabrication等公司多年来都在研发「多光束检测」。但由于制造复杂,出货量非常小。且多光束一直存在光束之间互相干扰的问题。


IMS Nanofabrication的多光束工具

阿斯麦推出的HMI eScan1000独创性在于是第一个具有9束3×3配置的完整多光束系统,能够同时产生、控制九道电子束,将产能提升了600%。

新的MBI系统还包括一个电子光学系统,该系统能够创建和控制多个一次电子小束,然后收集和处理所产生的二次电子束,将电子束对电子束的串扰限制在2%以下,并提供一致的成像质量。它还具有一个高速平台以提高系统的整体吞吐量,并具有一个高速计算架构来实时处理来自多个子束的数据流。


三 多光束检测点燃5nm之战

从实际意义来看,HMI eScan1000可以推动5nm及更高制程的晶圆检测进程。

在半导体工艺竞赛愈演愈烈的情况下,5nm已经成为各晶圆厂商争夺的下一个占地,目前玩家包括台积电、三星和英特尔。

其中台积电进展最迅速,已经拿下了苹果和华为两个大客户的旗舰手机芯片订单,下半年开启量产,2020年营收占比预计会超过10%。

三星的5nm制程也提上了进度,目前正加速韩国华城5nm生产工厂V1的建设,预计6月底前完成生产线建设,今年年底前实现量产。据外媒传言,三星也正与谷歌正合作开发采用三星5nm LPE工艺的定制Exynos芯片组,将搭载于谷歌的Pixel智能手机、Chrome OS设备甚至数据中心服务器中。

之前在制程之战中淡出许久的英特尔也蓄势待发,宣布要进军5nm制程。但并未透露更多具体的时间和信息,仅表示目前工艺研发进程可观,若一切正常,将在2023年正式推出。

5nm之战与其他节点最大的不同在于,这将是一场涉及代工厂、设备厂和材料厂等全产业链战局的大爆发。

从工艺上说。5nm是摩尔定律的一个转折点,它用finFET晶体管结构,与本质上是2D的传统平面晶体管不同,与以往的2D结构晶体管相比,FinFET工艺的特点在于,它将闸门设计成了像鱼鳍般的3D结构,把以往水平的芯片内部结构变垂直,把晶体厚度变薄。不仅能很好地接通和断开电路两侧的电流,大大降低了芯片漏电率高的问题,还大幅地缩短了晶体管之间的闸长。

同时,5nm的晶体管集成度和精细化程度比以往都更高,这导致器件关键缺陷部位尺寸变小,结构复杂,与工艺提高相对应的是检测设备要求的提高。


低于10nm的掩模节点的极其复杂的掩膜图案

目前,HMI eScan1000多光束检测设备已经进入客户验证阶段。虽然尚未透露客户是谁,但从市场情况猜测,很有可能是台积电,因为台积电是离量产最近的企业。

如果是台积电,那么这台多光束光刻机的出现将会大大提升台积电5nm产品良率,在5nm制程之战中又做实了晶圆制造龙头的地位。

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