mini|hochkant=1.5|Overlay-Versatz (Überlagerungsversatz) zweier Linienstrukturen. Deutlich zu sehen sind die ungleichmäßigen Abstände, die durch den Overlay-Versatz entstehen und die Qualität des Produktes entscheidend beeinflussen können.
Der englischsprachige Begriff bezeichnet im Bereich der Halbleitertechnik die Überdeckungsgenauigkeit von Strukturen aus unterschiedlichen Fertigungsschritten, in der Regel zweier fotolithografischer Ebenen. Es ist ein wichtiger Parameter bei der Fertigung von integrierten Schaltkreisen (ICs), wie Computerprozessoren und Mikrocontrollern, denn Ausrichtungsfehler jedweder Art können Fertigungsfehler, wie Kurzschlüsse oder fehlende Verbindungen, verursachen und somit die Funktionsweise der Schaltung einschränken.
Neben dem Overlay-Versatz gibt es noch einen etwas anderen Fehler, der bei der Fertigung auftreten kann und im deutschen ebenfalls als Überdeckungs- oder Positionierungsgenauigkeit bezeichnet wird, der (englisch). Er beschreibt die Positionierungsgenauigkeit der Strukturen gegenüber einem absoluten Koordinatennetz.
Hintergrund
Die Herstellung von integrierten Schaltkreisen erfolgt durch eine Abfolge von fotolithografischen Strukturierungen sowie nachfolgenden Prozessierungen wie Ätzen und Implantation auf einem Substrat, dem Wafer. Damit der fertige Schaltkreis korrekt funktioniert ist es notwendig, dass die einzelnen fotolithografischen Maskierungen möglichst aufeinander abgestimmt sind und somit die gefertigten Strukturen, zum Beispiel Kontakte, Leitungen und die Bestandteile der Transistoren, möglichst nah an das Ideal der geplanten Schaltkreise-Layouts herankommt.
Messung und Messgeräte
Allgemein Die Überdeckungsgenauigkeit wird typischerweise mithilfe spezieller Strukturen gemessen, die für diese Aufgabe optimiert wurden. Prinzipiell könnten aber auch die eigentlichen später für die Funktion notwendigen Strukturen verwendet werden. Bei den speziellen Strukturen handelt es sich meist um zwei Strukturen ähnlicher Gestalt aber unterschiedlicher Größe, die im Idealfall zentrisch zueinander angeordnet sind, beispielsweise Box-in-Box-Struktur – dabei handelt es sich um meist quadratische übereinanderliegende flächige Strukturen, die in Z-Richtung häufig durch eine dritte Ebene getrennt sind. Die Messung erfolgt durch Abstandsmessungen der jeweiligen Strukturkanten. Aus dem Mittelwert des „linken“ und „rechten“ bzw. des „oberen“ und „unteren“ Abstands ergeben sich die Overlay-Werte für die x- bzw. y-Achse an der gemessenen Position auf dem Wafer.
Die Messung erfolgt in der Regel durch optische Messgeräte und mittel- bis langwelligem Licht – energiereicheres kurzwelliges Licht würde ähnliche Effekte haben wie das bei der Belichtung eingesetzte UV-Licht und somit die Fotolackmaske negativ beeinflussen. Hersteller von Messgeräten für die Massenproduktion sind unter anderem KLA Corporation (ARCHER-Serie) und Nanometrics (CALIPER-Serie).
Teststrukturen / Overlay-Marken mini|Beispiele für Overlay-Teststrukturen: a) Box-in-Box b) Bar-in-Bar c) AIM (KLA-Tencor) d) Blossom (IBM). Die unterschiedlichen Farben (rot und blau) der Strukturen zeigen jeweils unterschiedliche fotolithografische Ebenen an. Die Overlay-Teststrukturen sind mit Seitenlängen von ca. 15 µm verhältnismäßig groß (im Belichtungsfeld können sie auch eine Seitenlänge von nur 5 µm haben). Box-in-Box-Marken mit großflächigen Strukturen werden daher seit dem Einsatz der chemisch-mechanischen Planarisierung zur Einebnung der Waferoberfläche nach der Schichtabscheidung kaum noch eingesetzt. Denn hier kann das sogenannte – ein übermäßiger Materialabtrag in großen Strukturen – auftreten und somit das lokale Planarisierungsergebnis negativ beeinflusst. Dies kann zu Problemen bei nachfolgenden Fertigungsschritten wie der Herstellung der zweiten Ebene der Overlay-Struktur führen. Aus diesem Grund wurden neue Teststrukturen eingeführt, die weniger groß sind und mehr den eigentlichen Strukturen auf dem Wafer entsprechen. Dazu zählen Linienstrukturen wie Frame-in-Frame (engl. , dt. ‚Rahmen‘) und Bar-in-Bar (engl. , dt. ‚Streifen‘ oder ‚Strich‘) sowie Kombinationen daraus wie Box-in-Frame. Weitere industrieübliche Teststrukturen sind Gitterstrukturen wie „AIM“ () und „µAIM“ von KLA-Tencor sowie Grabenstrukturen wie „Blossom“ und „µBlossom“ von IBM/Nanometrics.
Neben diesen eigentlichen Overlay-Marken gibt es seit einigen Jahren Teststrukturen die auf der Streuung von Licht an Grabenstrukturen basieren (engl. ). Dabei werden Techniken der sogenannten Scatterometrie eingesetzt, die bereits breite Anwendung in der Halbleitertechnik findet, beispielsweise zur Prozesskontrolle bei der Fertigung von Gräben. Dazu gehören unter anderem „SCOL“-Marken () von KLA Tencor. Die neue Overlay-Messtechnik soll stabiler arbeiten und genauere Messwerte liefern. Nachteilig ist der höhere Platzbedarf, was vor allem vor dem Hintergrund zunehmender Messungen im Belichtungsfeld, wo ungern kostbare Fläche für Teststrukturen freigegeben wird, den Einsatz behindert.
Einflussgrößen Neben dem eigentlichen Overlay-Versatz treten in der Praxis zusätzliche Einflüsse durch den Wafer und dem Messsystem auf. Sie können in symmetrische und asymmetrische Größen unterteilt werden. Symmetrische Einflüsse sind beispielsweise Änderungen der Strukturgrößen, allgemein als kritische Abmessung (engl. , CD) bezeichnet, auf. Damit sind vor allem Breitenvariationen verbunden, durch die symmetrische Gestaltung der Messmarken () und der Mittelwertbildung aus der „linken“ und „rechten“ Verschiebung, lassen sich diese Einflüsse eliminieren. Anders hingegen asymmetrische Einflüsse, sie können wenn überhaupt nur durch zusätzliche Messungen reduziert werden. Asymmetrische Einflüsse lassen sich in durch das Messgerät und durch den Wafer verursachte Verschiebungen unterteilen und werden auch im Deutschen mit den englischen Abkürzungen TIS () und WIS () bezeichnet. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Einflüssen sind komplex.
(TIS) Beim TIS (engl. , dt. Anlagen-verursachte Verschiebung) handelt es sich um eine vom Messgerät (engl. ) verursachte Verschiebungen zwischen den beiden Teilwerten aus der Overlay-Bestimmung und führt zu einem verfälschten Messwert. Die Ursache für das Auftreten des TIS sind die in der Realität immer auftretenden Toleranzen bei der Einrichtung des optischen Systems. Sie führen beispielsweise dazu, dass die „Blickrichtung“ des Messgerätes nicht genau senkrecht auf den zu messenden Wafer ist. Dadurch kommt es zu einer Verschiebung der beiden Teilwerte (ein Teilwert wird etwas größer und der andere entsprechend kleiner). Da dieser Einfluss annähernd als stabil betrachtet werden kann, wird er in der Regel als systematischer Fehler bei der Messung angesehen. Der TIS für eine Struktur lässt sich verhältnismäßig leicht bestimmen, in dem dieselbe Struktur nochmals um 180°-gedreht gemessen wird. Bei einem idealen Messsystem würde der bei 180° gemessene Overlay-Wert genau dem Betrag der Messung bei 0° entsprechen, aber jeweils entgegengesetzte Vorzeichen besitzen. Bei einem realen Messsystem kommt, wie erwähnt, der TIS hinzu. Er lässt sich durch die Addition der Overlay-Werte aus beiden Messungen bestimmen:
Vernachlässigt man weitere Einflüsse durch den Wafer oder die Wafer-Halterung, so kann man vereinfacht annehmen, dass der TIS für alle Messungen gilt und so können die Messwerte nach der Bestimmung des TIS’ an wenigen Messmarken durch Subtraktion korrigiert werden. Mit zunehmenden Genauigkeitsanforderungen an die Messung gewinnen weitere Parameter, wie die Wafergeometrie, an Bedeutung, da auch sie Einfluss auf den TIS haben. Die Korrektur dieser Einflüsse, macht es daher zunehmend notwendig, den TIS an deutlich mehr oder gar an allen Messstellen zu bestimmen.
Neben den physikalisch bedingten Einflüssen durch das Messgerät hat auch die Bildauswertung des Overlay-Messgeräts (größeren) Einfluss auf den TIS. So können kontrastarme Kamerabilder einer oder beider Teststrukturen (Mess- und Referenzebene) sowie ein schlechter/ungeeigneter Kantenerkennungsalgorithmus den TIS zusätzlich erhöhen. Overlay-Anlagen sind daher meist mit unterschiedlichen Farbfiltern ausgestattet. Sie erlauben es den Kontrast des aufgenommenen Graustufenbildes für die Teststrukturen zu variieren und so die Bildauswertung bzw. den TIS vor das entsprechende Messrezept zu optimieren.
(WIS)
Wie bereits erwähnt, gibt es unterschiedliche Overlay-Teststrukturen, die alle von asymmetrischen Einflüssen der Teststrukturen auf die Fertigungsprozesse herrühren, beispielsweise eine asymmetrische Schichtabscheidung. Die hierdurch verursachten weniger systematischen Messfehler werden als (engl., WIS, dt. „Wafer-verursachte Verschiebung“) bezeichnet und können einen wesentlichen Teil des gesamten Messfehlers ausmachen. Im Gegensatz zu TIS können die WIS-Einflüsse nicht einfach durch mehrfache Messung derselben Struktur bei unterschiedlichen Drehwinkeln bestimmt werden. Sie sind allgemein recht schwer identifizierbar bzw. bestimmbar. Oft können sie erst nach den Folgeprozessen bestimmt werden, beispielsweise nach dem Ätzen einer von der Fotolackmaske maskierten Schicht.
Darstellung mini|Beispiel für eine Overlay-Vektorkarte, bei der nur 9 Belichtungsfelder gemessen wurden. Dargestellt ist der Fall einer Waferfehlausrichtung um 10° und einem nichtkorrigierbaren zufälligen Fehler.
Die Darstellung des Overlay-Versatzes erfolgt häufig in Form einer Vektorkarte des Wafers. In dieser Karte werden an der Position der Messstellen die Vektoren für den x- und y-Versatz angetragen. Auf diese Weise lassen sich leicht einfache Overlay-Fehler wie Translation oder Rotation sowie Ausreißer bei den Messwerten erkennen.
Analyse und Modellierung
Bei der Produktion von Halbleiterprodukten fließen zahlreiche nach einem Prozessschritt ermittelte Messdaten in die Korrektur von Prozessparametern nachfolgender Werkstücke (Wafer) ein, vgl. statistische Prozessregelung (SPC) und gehobene Methoden der Prozessführung (APC). Zu diesen Parametern zählen auch Overlay-Informationen, die während der Produktion oder in speziellen Experimenten ermittelt wurden. Über unterschiedliche komplexe Korrekturmodelle fließen diese Daten durch die Software der Belichtungsanlagen direkt in den Fertigungsprozess ein, beispielsweise in Form von Änderungen in der Waferposition oder der Waferausrichtung.
Die Modellierung des Overlay-Versatzes und die Ermittlung von Korrekturdaten kann allgemein in Fehler, die vom Reticle und die durch den Wafer bzw. den Wafertisch verursachte werden, unterteilt werden. Die Formen dieser beiden Gruppen von Overlay-Fehlern sind wiederum abhängig vom eingesetzten Fotolithografiesystem, das heißt, ob eine Anlage, die nach dem Ganzwafer-, Scanner-, Step-and-Repeat- oder Step-Scan-Prinzip arbeitet, verwendet wird.
Neben diesen grundlegenden Overlay-Fehler gibt es noch zwei weitere große Gruppen Fehlerursachen. Dies sind zum einen Fehler, die durch den Einsatz mehrerer Belichtungsanlagen entstehen (sogenannte Matching-Fehler) zum anderen prozessabhängige Effekte. Bei Matching-Fehler handelt es sich um Unterschiede zwischen verschiedenen Belichtungsanlagen (Abstimmungsfehler). Dabei handelt es sich um nicht-zufällige Fehler, die beispielsweise durch Unterschiede in der Präzision der Positionierungssysteme oder durch Nichtplanaritäten der eingesetzten Interferometerspiegel entstehen. Prozessabhängige Effekte sind wiederum Einflüsse, die durch Änderungen des Ausrichtungssignals der Ausrichtungsmarken entstehen. Verursacht werden sie durch das Zusammenspiel aller an der Fertigung beteiligten Prozessparameter, wie z. B. Ätztiefe, Schichtabscheidung oder Polierprozesse. Sie wirken sich auf die Gestalt der Ausrichtungsmarken aus. Sie können beispielsweise zu asymmetrischen Ausrichtungsmarken führen, die sich bei der Messung als Versatz zeigen, der real jedoch nicht vorhanden ist.
Grundmodell