半導体業界は根本的な課題に直面しています。3Dトランジスタ構造や多層配線スタックによりプロセスの集積化がますます複雑化する中、多くの重大な欠陥が光学検査では検出できなくなっています。eProbe電子ビーム検査装置を搭載したPDF Solutionsの「DirectScan」ソリューションは、電圧コントラスト検査に対する根本的に異なるアプローチにより、この課題に対処します。
2025年のPDF Solutionsユーザーカンファレンスにおいて、当社はeProbeの技術、その活用事例、価値提案、および業界での導入状況についてプレゼンテーションを行いました。プレゼンテーション資料はこちらからご覧いただけます。
「先進ノードにおける検査ギャップ」とは何か？
現代の半導体製造技術は劇的な進化を遂げています。FinFETに代わってゲート・オール・アラウンド（GAA）ナノリボン型トランジスタが登場し、ミドル・オブ・ライン（MOL）スタックは多色パターニング化により一層複雑化しています。その結果、致命的な欠陥がこうした3D構造の深部に埋もれるケースが増加しており、数十年にわたり業界の主力であった従来の光学検査手法では不十分になってきています。
さらに、先進ノードにおける欠陥は、ほとんどの場合、ランダムなものではありません。これらは特定のプロセスとレイアウトの組み合わせ、いわゆる「ホットスポット」で発生し、ダイやウェーハ内の特定の場所に系統的に現れます。多くの歩留まりの問題は製品固有のものであり、各設計に固有のレイアウト上の弱点が原因となっています。
これにより、ある矛盾が生じます。電気的に重要な欠陥を検出するには電子ビームによる電圧コントラスト検査が必要ですが、電子ビーム検査は本質的に光学式の手法よりも時間がかかります。その解決策は、極めて高い効率性にあります。
DirectScanとは？ – 電子ビーム検査におけるパラダイムシフト
DirectScanは、eProbe（電子ビームツール）、FIRE（PDF社のGDS解析プラットフォーム）、Exensio（データ解析用）という3つの主要コンポーネントを統合したものです。その中核をなすのは「PointScan」と呼ばれる技術であり、電子ビーム検査の仕組みを根本から再構築するものです。
従来の電子ビーム検査装置は、検査対象領域をラスタリングして全体像を撮影し、ダイ間の比較を行うことで欠陥ピクセルを特定する仕組みとなっています。これらの装置は、検査対象がどのような特徴を持つかを知ることなく、有用な電圧コントラスト信号が得られない誘電体領域を含め、あらゆる部分をスキャンします。
一方、eProbeのPointScanは、非接触型の電気テスターとして機能します。このツールは、被測定デバイス（DUT）間を移動しながら、対象となる特定のパッド間の電圧差を測定し、絶縁領域は完全にスキップします。このツールは、その瞬間に何をスキャンしているかを正確に把握しています。つまり、すべての検査ポイントの正確な「GPS位置」とレイアウト属性を把握しているのです。これこそが、真の意味での「設計を意識した検査」です。
効率の向上は著しい。メタル3層で開口したビアを対象としたあるバックエンド・オブ・ラインの事例では、FIRE™解析により、全長120メートルのメタルランナーのうち、検査が必要なのはわずか3メートル、つまり対象領域のわずか2.5%であることが判明した。 MOLのゲート・ドレイン短絡検出においては、全コンタクトのわずか1%のみをスキャンすれば十分でした。コンタクトの30%を検査する必要があるゲートストリンガーの検査のような、それほど劇的ではないケースであっても、本ツールは誘電体領域の50～75%のスキャンを回避し、その結果、従来の方法と比較して全体的な検査面積を10%未満に抑えることができます。
DUTの密度にもよりますが、PointScanは従来のシングルビーム装置に比べて20～100倍の処理速度を実現し、1時間あたり数十億個のDUTをスキャンすることができます。
電子線検査において、デザイン・アウェア・ラーニングと属性解析をどのように活用するか？
DirectScanとFIREの連携により、複数のレイヤーにわたる高度なレイアウト解析が可能になります。FIREは、各コンタクトやパッドについて、ドレインまたはゲートコンタクトであるか、トランジスタのしきい値電圧、極性、拡散遮断部への近接度など、関連する属性を抽出します。
eProbe® KLARFの出力データには、これらの事前に抽出された特性に対応する属性IDが含まれています。これにより、任意の属性または属性の組み合わせに対する不良率を直接算出することができ、どのトランジスタタイプやレイアウト構成が欠陥の影響を最も受けやすいかを迅速に特定できます。この実用的な情報を活用することで、プロセスエンジニアは、最も重大な故障モードに重点を置きながら、その後の検査レシピを段階的に改善することができます。
この機能により、検査は単なる欠陥検出から、製品特有の弱点を把握するための迅速な学習手段へと変貌を遂げます。
DirectScanの新たな活用分野にはどのようなものがありますか？
PointScanの低電荷堆積技術は、困難な検査環境において決定的な利点をもたらします。裏面電源供給ネットワーク（BSPDN）ウェハーや3D DRAMでは、ボンディングされたウェハーによって絶縁層が形成され、電荷が接地された裏面に到達できなくなるため、特有の課題が生じます。この電荷の蓄積によりビームの偏向や焦点のぼやけが発生し、従来の電子ビーム検査では問題が生じます。
PointScanの面積当たりの堆積電荷が劇的に低減されたことで、これらの問題が解消され、これまで困難だった検査が可能になりました。PDFは、BSPDNおよび3D DRAMウェハーの両方で、その応用実績を確立しています。
おそらく最も革新的なのは、PointScanならではの制御された「充電・検知」機能でしょう。このツールは、特定の箇所に留まって意図的に充電を行い、その後、別の箇所へ移動して電圧コントラスト信号を収集することができます。これは、DRAMアレイ内のショート検出において特に有用であることが実証されています。ワードラインの接点を充電することで、特定のアイランドノードが明るく発光し、隣接するフローティング接点へのショートが明らかになります。これは、ラスタスキャンでは不可能な検査手法です。
DirectScanの業界での導入事例や活用例にはどのようなものがありますか？
2022年初頭より、eProbeシステムは最先端のロジックファブに導入されており、現在2台の装置が量産体制に入っており、3台目が量産体制への移行を進めています。その用途はプロセスフロー全般に及びます：
最先端のロジック：
- MOL：GAAゲート－ドレイン短絡、ゲート－コンタクト開放、ゲート－エピタキシャル層／シリサイド開放
- BEOL：M0、1x、および2x層において、系統的なコンタクトの開通および金属のショートが発生
- BSPDN：電源ビアおよびソース／ドレインビアにおける接触不良および短絡
- ランダムロジックにおけるリーク電流の推定
最先端DRAM（2024年～2025年）：
- 周辺検査：ゲート間ストリンガ短絡、ゲート・ドレイン短絡、ワードライン間短絡および開回路の局在化
- アレイ検査：制御された充電および検出を用いたストレージノードの短絡検出
本ソリューションは、高スループットな製品検査を実現し、工程上の弱点を特定するためのターンアラウンドタイムを短縮するとともに、高度なボンディング構造におけるウェハの帯電を低減します。さらに、帯電と検知を制御することで、全く新しい検査手法を可能にします。
結論
半導体の微細化が進み、3Dアーキテクチャがますます複雑化する中、検査技術も従来の枠組みを超えて進化しなければなりません。DirectScanは、この進化を体現するソリューションです。ターゲットを絞ったPointScanの効率性、設計情報を反映したインテリジェンス、そして製品固有の学習機能を組み合わせることで、次世代デバイスの検査課題に対処します。埋込み欠陥、系統的欠陥、電気的欠陥が歩留まり低下の主な要因となっている業界において、このアプローチは、電子ビーム検査の感度と量産におけるスループットの要求とのバランスをとる、新たな道筋を示しています。