半導體產業正面臨一項根本性的挑戰：隨著 3D 電晶體架構與多層互連堆疊使製程整合日益複雜，許多關鍵缺陷已無法透過光學方法辨識。PDF Solutions 的 DirectScan 解決方案，憑藉 eProbe 電子束檢測工具的支援，透過一種截然不同的電壓對比檢測方法，有效應對了這項挑戰。
在 2025 年 PDF Solutions 用戶大會上，我們針對 eProbe 的技術、應用、價值主張及業界採用情況進行了簡報。簡報內容請見此處。
何謂先進製程節點中的「檢測缺口」？
現代半導體製造技術已發生劇烈演變。FinFET 已讓位給環繞柵極 (GAA) 納米帶電晶體，而線中 (MOL) 堆疊結構則因採用多色光刻技術而變得更加複雜。其結果是，致命缺陷日益深埋於這些 3D 結構之中，導致數十年來作為業界主力工具的傳統光學檢測方法已顯得力不從心。
此外，先進製程節點中的缺陷極少是隨機產生的。這些缺陷會出現在特定的製程與佈局組合中——通常稱為「熱點」——並有系統地出現在晶粒與晶圓內的特定位置。許多良率問題都是產品特有的，其成因在於每種設計本身固有的獨特佈局弱點。
這造成了一種悖論：我們需要利用電子束電壓對比檢測來偵測與電氣性能相關的缺陷，但電子束檢測的速度本質上比光學方法更慢。解決方案在於極致的效率。
什麼是 DirectScan？—— 電子束檢測領域的範式轉移
DirectScan 整合了三大核心元件：eProbe（電子束檢測工具）、FIRE（PDF 的 GDS 分析平台）以及 Exensio（用於資料分析）。其核心技術名為 PointScan，徹底重新定義了電子束檢測的運作方式。
傳統的電子束檢測儀運作方式是沿著感興趣區域進行掃描，擷取完整影像，然後進行晶片間比對以識別缺陷像素。它們會掃描所有區域，包括無法產生有用電壓對比訊號的介電區域，且並不知道自己正在檢測哪些特徵。
相較之下，eProbe 的 PointScan 則作為一款非接觸式電氣測試儀運作。它能在不同的被測裝置（DUT）之間跳轉，在特定的感興趣接點上測量電壓對比，同時完全跳過介電區域。該工具精確掌握每時每刻的掃描內容：每個檢測點的確切「GPS 位置」與佈局屬性。這才是真正意義上的「設計感知型檢測」。
效率提升相當顯著。以針對金屬層 3 處開孔的過孔為例，FIRE™ 分析指出，在總長 120 公尺的金屬走線中，僅需檢查 3 公尺：僅佔可用面積的 2.5%。 針對 MOL 閘極-漏極短路檢測，僅需掃描總接觸點的 1%。即使在像閘極串線檢測這類情況較不顯著的案例中——該情況下需檢查 30% 的接觸點——該工具仍可避免掃描 50% 至 75% 的介電層面積，相較於傳統方法，整體需檢查的面積比例低於 10%。
視被測裝置（DUT）的密度而定，PointScan 的處理量可比傳統單光束設備快 20 至 100 倍，每小時可掃描數十億個被測裝置。
如何在電子束檢測中運用「設計導向學習」與「屬性分析」？
DirectScan 與 FIRE 的整合，可實現跨多層的進階佈局分析。對於每個接點或焊盤，FIRE 會擷取相關屬性：例如是否為漏極或閘極接點、電晶體閾值電壓、極性、與擴散間斷區的距離等。
eProbe® KLARF 的輸出資料包含一個屬性 ID，該 ID 會對應至這些預先挖掘出的特徵。這使得系統能夠針對任何屬性或屬性組合直接計算失效率，從而迅速揭示哪些電晶體類型或佈局配置最容易出現缺陷。這項可付諸行動的資訊，讓製程工程師能夠優化後續的檢測配方，並逐步將重點放在最關鍵的失效模式上。
這項能力將檢驗從單純的缺陷檢測，轉變為理解產品特定弱點的快速學習工具。
DirectScan 有哪些新興應用？
PointScan 的低電荷沉積技術，在艱鉅的檢測情境中具備關鍵優勢。背面接電網路（BSPDN）晶圓與 3D DRAM 會帶來獨特的挑戰，因為鍵合後的晶圓會形成絕緣層，阻礙電荷傳導至接地的背面。這種電荷積聚會導致電子束偏轉與失焦，使得傳統的電子束檢測難以順利進行。
PointScan 透過大幅降低每單位面積的沉積電荷，有效緩解了這些問題，使過去難以進行的檢測變得可行。PDF 已成功在 BSPDN 和 3D DRAM 晶圓上展示其應用成效。
或許最具創新性的是其可控的「充電與感測」功能，這項功能僅能透過 PointScan 實現。該工具可在特定位置停留以有針對性地對其充電，隨後跳轉至其他位置以收集電壓對比訊號。這項功能在檢測 DRAM 陣列中的短路時，已被證實具有特別高的價值。透過對字線接點進行充電，特定的島節點會變得明亮，從而揭示與鄰近浮動接點之間的短路；這種檢測方法是光柵掃描無法實現的。
DirectScan 在業界的採用案例與應用範例有哪些？
自 2022 年初以來，eProbe 系統已部署於尖端邏輯晶圓廠，目前有兩台設備已投入大量生產，第三台則正在逐步提升產能。其應用範圍涵蓋整個製程流程：
尖端邏輯：
- MOL：GAA 閘極-漏極短路、閘極-接觸點開路、閘極-外延層／硅化物開路
- BEOL：M0、1x 及 2x 層出現系統性接觸開路與金屬短路
- BSPDN：檢測電源過孔及源極／漏極過孔中的開路與短路
- 隨機邏輯中的洩漏估算
尖端 DRAM（2024-2025 年）：
- 周邊檢測：閘極-閘極串線短路、閘極-漏極短路、字線-字線短路及開路，並附定位資訊
- 陣列檢測：利用受控電荷與感測技術檢測儲存節點短路
該解決方案可提供高吞吐量的產品檢測，並透過更快的周轉時間來識別製程弱點，減少先進鍵合結構的晶圓電荷累積，同時藉由受控的電荷與感測技術，開創出完全嶄新的檢測方法。
結論
隨著半導體微縮技術逐步邁向日益複雜的 3D 架構，檢測技術也必須突破傳統框架，邁向新階段。DirectScan 正是這項演進的體現——它結合了 PointScan 的針對性檢測效率、具備設計意識的智慧，以及針對特定產品的學習能力，以應對新一代裝置所面臨的檢測挑戰。在這個以埋藏式、系統性及電學相關缺陷為主因導致良率損失的產業中，此方法提供了一條兼顧電子束檢測的靈敏度與量產通量需求的解決方案。