與更先進技術節點相伴而生的不利之處在于，隨著器件尺寸的縮小，那些在以前節點上曾經不太重要的缺陷和顆粒可能會變成器件殺手。這樣一來，就要求器件制造商具備更強大的、能夠對越來越小的缺陷和顆粒進行檢測的能力。雖然在半導體產業剛剛起步時，檢測能力與尺寸縮小的缺陷之間的賽跑就已經開始并持續至今。但是現在及不遠的將來，對3D結構進行形狀表征面臨著巨大障礙和各種基本限制，會給檢查、測量和測試平臺技術帶來嚴重的挑戰。
浸沒式光刻帶來的困難
浸沒式光刻將加大缺陷檢測的難度。正如Applied Materials公司工藝診斷和控制部門的市場策略經理Ehud Tzuri所說的那樣，發現缺陷的難度增大“不僅是因為出現新的缺陷類型，還因為缺陷的尺寸大小。大多數的新缺陷都很大而且通常已被很好地了解，比如與浸沒式光刻有關的水泡、水痕等等。”這些缺陷能夠被控制到與干法光刻相同的程度，因為已經知道它們的來源。
然而似是而非的是，由于浸沒式光刻的分辨率更高，因此出來尺寸更小的致命缺陷。晶圓上超過70％的缺陷都小于50nm。在早期的表征過程中，許多缺陷會被以前的設備漏檢，不是因為它們不存在，而是因為這些設備無法檢測到它們。這些小的橋接、基腳等極微小的缺陷——曾經被忽略或不用確認——現在已經變得很重要了（圖1）。
必須對這些微小的缺陷進行檢測。“提高分辨率是最佳的辦法。”Tzuri說：“然而，傳統的明場
顯微鏡，即便是用DUV光源，也已經達到分辨率的極限了。因此不可能分辨出非常密集的圖形，比如目前小于55nm的NAND閃存圖形。” Applied Materials公司的解決方案使用結合深紫外（DUV）和激光照明的3-D采集方法，從而使缺陷檢測的分辨率能夠達到1/10波長的范圍。
隨著22nm節點的接近，光學檢查將遇到很多問題，因此用電子束設備來檢測極微小缺陷的必要性不斷上升。這就要求提高電子束設備的單位時間的產量以適應大規模生產的需要——一個工程性的挑戰。當然，光學和電子束方法可能會被結合使用。
有用的破壞性方法
FEI公司納米電子事業群的產品市場經理Larry Dworkin相信，在32和22nm節點，對TEM數據的需求會大為增加。“系統被用于在整個晶圓上進行FIB輔助的TEM薄層準備工作，而晶圓的其余部分則能夠被送回生產線。用TEM來分析這片小的薄層就可以確認缺陷的產生根源。”一些65和45nm器件制造商已經在這樣做，而且將來還可能需要更多的掃描TEM和TEM圖像，來研究那些只能通過電子束檢查或電子探針來觀察的缺陷（圖2）。
在22nm節點到來之前，TEM必須從離線的實驗室技術轉變為進入fab的線上技術。短期目標是使檢測周期縮短到2小時左右，而長期目標則是必須具有移動性。在應變硅領域需要考慮的重要因素是，當晶圓被切開時，樣品內的應力會發生變化。這就要求采用新的TEM樣品準備技術以防止薄層的變形。
在通往22nm節點的道路上，缺陷檢測問題的嚴重程度將主要取決于我們是否使用目前的
晶體管設計——盡管變得更小——在這種情況下會更多地用到TEM；標準的截面SEM和基本的自頂至底的CD-SEM無法測量或量化那些必須被觀察的缺陷。取而代之的是finFET等3D結構。然而，傳統的SEM和自頂至底CD-SEM技術不足以測量這些結構，因此非破壞性的測量技術成為必須。
一個明顯的選擇是散射測量。但問題在于它是否能夠處理尺寸微小的、復雜度高的finFET結構，以及是否需要進行截面測量來幫助建立和驗證散射測量的模型，或者是否最終需要這種技術來驗證在線測量的結果。如果需要散射測量來全面了解finFET結構在22nm節點會發生什么，某些形式的截面測量可能是不可避免的。
分辨率和材料
設計規則的縮小推動了分辨率的提高。測量設備必須提供更高的分辨率來測量尺寸等于或小于設計規則的缺陷，特別是對邏輯電路而言。KLA-Tencor公司晶圓檢查事業群的副總裁Mike Kirk相信，這不但會推動光學系統及其保真度的提升，還會提高圖像計算的要求，因為必須處理更小的信息像素。他說：“從0.25mm節點到現在，像素的尺寸大約縮小了3倍。”
根據Kirk所說，向更高分辨率發展的速度很慢，因為如果采用20nm的像素，測量設備的操作會變得很慢和很貴。他說：“正如掃描式光刻機的開發者關注k因子一樣，我們也有一個類似的因子，稱之為缺陷與像素的比率。通過在像素尺寸給定的條件下找到尺寸不斷變小的缺陷，我們不斷地嘗試著提高這個比率。為了獲得更多的信息，我們必須縮小像素。這意味著更好的處理過程、更好的算法和對于給定像素的分辨率更高的光學系統——更高的數值孔徑。”
另一個涉及到的問題與新材料有關。確定一個缺陷的物理起因以及其光學或電學圖像是很復雜的。由于存在近場干涉效應，電介質也或多或少會吸收一些光，而且測量設備不能被設計成只針對具有特定厚度、n和k值的給定層（因為用戶需要改變測量要求以針對下一個節點的器件或稍有不同的器件），因此要求不同的光學性質。光學系統的照明和檢測方案都必須具有足夠的靈活性，以應對可能會被采用的不同結構或材料。
在開發階段，計量供應商必須與fab緊密合作。器件制造商不會只因為某種材料具有所需的電學性質或熱管理預算就決定使用它；他們還想知道它能否被檢查、測量和控制。他們在工藝開發的早期就做好相關的決定，然后請計量供應商為先進的材料和設計規則提供設備來幫助他們選擇。Kirk 說：“問題在于他們可能會先選擇六種不同的設備，而后來卻決定只用一種，因此我們必須幫助提供所有的六種設備，并且需要在合適的時間擁有合適的測試平臺。”這意味著在很早的階段就應該為fab進行復雜的缺陷和器件建模，以保證設備具有合適的數值孔徑、照明、波長、角度和采集幾何結構。
粗糙度問題
亞22nm節點的缺陷檢測和噪聲抑制是有待解決的棘手問題。在制作柵極線條時，圖形轉移一般都是不完美的，而且器件的邊緣都會存在一些粗糙度。芯片與芯片之間（die-to-die）或
晶體管與晶體管之間不可能是完全均勻的。Kirk說：“設備將它（非均勻性造成的局部漲落）當作缺陷，而用戶在其尺寸大到足以引起麻煩之前不希望它被標記出來。”問題是沒有人能夠先驗地知道這個尺寸將是多大。在線邊緣粗糙度的范疇內，可能會在溝槽底部找到一個小的基腳。這個從線條內伸出的小突刺會導致短接或泄漏；因此，必須采集來自尺寸小于20或15nm的特征結構的信號，而這些信號被掩藏在LER背底噪聲的海洋內。
掩膜版設計也會引起系統缺陷。在給定的工藝窗口下，某一個特定的結構可能會在整個芯片內重復數次，而針對它的稍微強烈的光學臨近修正（OPC）偶爾會失效。如果出現這種情況，Fab工程師必須知道并追蹤到它的設計。他還想知道系統失效的來源，比如是不是刻蝕腔。可能存在使晶圓內的刻蝕不均勻的特殊邊界條件和設置范圍。系統缺陷被指出來，并確定它們是來源于掩膜版還是工藝設備；與此同時還必須找出隨機缺陷，而那些無關緊要的缺陷被忽略掉。
Rudolph Technologies公司檢查事業部的市場主管Rajiv Roy說：“在0.25mm節點，我們可以結合使用微觀檢查設備和一些宏觀檢查平臺來解決缺陷檢測和再檢查問題。而在45和22nm節點，那些設備被用于檢測32nm的關鍵缺陷。我們必須從微觀檢測的觀點來考慮發現關鍵缺陷的擁有成本以獲得最高的投資回報率。”
這簡化了微觀檢查的基本原理。目前，從微觀缺陷中過濾出宏觀缺陷變得十分有用。宏觀檢查的成本已經足夠低，但還需要進行再檢查，這要求人們對缺陷進行觀察并判斷其重要性。現在，這項技術已經能夠進行動態圖像捕捉，再加上功能強大的判定設備，手工再檢查可能會被淘汰。技術的發展使得高速、全自動的宏觀檢查和再檢查得以實現（圖3）。
Rudolph公司數據分析和再檢查事業部的副總裁兼總經理Mike Plisinski指出，如何有效地將數據轉化為信息仍在探索中。“我們現有的技術能夠減少目前fab生產過程中產生的海量數據，并將其轉化為可用的信息。”他說：“市面上總是有空間信號分析系統在出售，但是象ADC系統一樣，它們從來都不能提供合適的性能和易用性來滿足生產的要求。目前已經有些算法能夠做到這點。我們已經成功地將用戶必須再檢查的數據量減少了20-30%。”
LER和線寬粗糙度（LWR）的重要性與日俱增，這就是為什么需要自動化程度更高的分類引擎的原因。可以用模數轉換器（ADC）引擎來判斷捕獲的缺陷并將它歸類；如果它屬于已知的缺陷類型，那么用戶就知道引起問題的原因；如果是未知的類型，用戶至少知道有一個圖形的形式需要檢查。如果沒有全自動系統，就必須進行手動再檢查，這會很耗時，而且成品率的提升不會太快。
傳統上，SEM不太專注于ADC。針對SEM的ADC是存在的，但它直到最近才變得比較普遍。這意味著需要維持多ADC系統，這可能會出現問題。需要采用專家系統來簡化分析過程。
套刻精度和掩膜版
套刻精度已經成為越來越嚴重的測量挑戰，因為現在基于光學的測量方法已經接近其極限。Hermes Microvision公司的執行副總裁Jack Jau說：“這不是一個工程開發的問題。擴展現有的測量方法似乎很困難，所以SEM等創新方法的使用就變得很有必要，需要進行深入的研發。”
當尺寸變小時，令人討厭的缺陷將變得具有破壞性，Jau同意這個觀點。“圖形錯誤或系統缺陷會導致不合適的OPC或工藝窗口縮小等問題，從而正在成為主要的成品率殺手。DFM號稱能夠解決這個問題；然而，它需要傳感器來觀察這個問題并反饋到設計端。”他說：“采用有效的計量或檢查設備作為傳感器已經變得必不可少。”
掩膜版缺陷是個嚴重的問題，因為它們會被復制。“晶圓上的一個缺陷可能會使一塊芯片失效。”Veeco Instruments公司的高級應用工程師Ingo Schmitz說：“但是如果在掩膜版上有一個致命的缺陷，它能使占1/4晶圓面積的整個閃存區域失效，而且根據程度的不同，它甚至可能會毀掉整個晶圓。”
已經出現的掩膜版修復方法有兩種。一種是聚焦離子束（FIB）技術，另一種利用原子力顯微鏡（AFM）。后者類似于AFM設備，用刀片狀的針尖磨掉多余的材料，比如多余的鉻，來修復掩膜版。這就需要知道掩膜版上的缺陷是突出的缺陷還是針孔。而光學技術就很難對它們進行表征。
使用基于束的修復方法——基本上是離子束研磨或淀積——必須首先知道缺陷的體積以計算淀積、刻蝕或研磨步驟所需的離子劑量。掩膜版制造廠先對缺陷進行定位，然后用AFM來分類和表征它們的幾何結構和體積。而修復所需的劑量取決于形態測量的結果。
現在，尺寸為15到20nm的顆粒已經開始引起關注。AFM應該對這樣小的顆粒有足夠的敏感度，而且可能還需要具備足夠的技術能力來檢測小到5-10nm的顆粒。
如果缺陷本質上是光學性的，比如水印，AFM技術就會受到挑戰，因為它使用的技術與步進式光刻機不同。水印或沾污會導致印制錯誤，而對形貌變化敏感的AFM卻可能無法探測到它們。
SEM也無法避免與形貌有關的問題。當使用SEM來對缺陷進行表征時，SEM引起的沖壓會使反應腔的內容物脫落到掩膜版上，從而帶來二次損害，比如缺陷（如圖4所示）。
為了使計量能夠不斷地提供所需的缺陷檢測平臺，必須填補設計與制造之間的空白。隨著設計復雜度的上升，系統缺陷也在增多。發現系統缺陷，將它們和隨機缺陷區分開來以消除前者的產生根源，會變得非常困難。
