套刻

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套刻（Overlay）是一个用在半导体技术中的术语，指不同制造工序中图形结构的对准精度，通常指前后两个光刻层之间的重合程度。它是制造处理器和微控制器等集成电路（ICs）的关键参数，因为任何形式的对准误差都可能导致短路或开路等制造缺陷，进而影响电路功能。

除套刻偏移外，制造过程中还可能出现另一种类似误差，即registration（对版）。它描述图形结构相对于绝对坐标网的定位精度。

## 背景

硅晶圆到芯片的制作要经历一系列的阶段，每一个阶段将一个图样以及其所需的材料映射在晶圆上；图样就是线路或晶体管在晶圆上的排布。用这种方法将晶体管，导线等元件装配到晶圆上。为了最终的设备能够正常工作，这些单独的图样必须正确对准——例如线路和晶体管等必须对齐，因此各光刻掩模必须尽可能精确对准，使制造出的接触孔、线路及晶体管组件等结构尽可能接近设计的电路布局。

套刻精度控制，定义了这种图样间的对准。一直在半导体制造业发挥着重要作用，对于多层级结构,帮助监测层与层之间的对准度。任何形式的不对齐都可能会导致短路以及断路，从而影响工厂产量和良品率。

如今,随着图样密度越来越大，以及193nm浸没式光刻的发展导致的产率上的挑战，套刻精度控制已越来越重要。这些新技术的发展导致容错率越来越小。而现有的套刻精度控制方法已经不能满足精度要求。

套刻精度的控制方法必须同时满足较高的测量精度和处理稳健度。在45nm工艺中，为了得到更高的产率和质量，使用更小的新型靶材来实现。

## 测量与测量设备

### 概述

套刻精度通常使用专为此优化的特殊结构进行测量。原则上也可使用实际功能结构。特殊结构通常由两个形状相似但尺寸不同的图形组成，理想情况下两者呈中心对称分布。例如“盒中盒”（Box-in-Box）结构，通常为两个叠放的方形面状结构，在Z方向上常由第三层隔开。测量通过测定相应结构边缘的间距完成。计算“左”与“右”或“上”与“下”间距的平均值，即可得出晶圆测量位置处X轴和Y轴的套刻值。

测量通常使用光学测量仪和中长波长光，因为高能短波长光会产生类似曝光用紫外光的效果，从而对光刻胶掩模产生负面影响。

广泛采用的套刻精度控制工具包括科磊（ARCHER系列）和Nanometrics（CALIPER系列）等。

测试结构与套刻标记

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套刻测试结构侧边长约15 µm，尺寸相对较大（在曝光场内也可仅为5 µm）。自引入化学机械平坦化技术对薄膜沉积后的晶圆表面进行平坦化以来，大面积的“盒中盒”标记已极少使用。因为大面积结构容易出现碟凹效应（dishing）即材料过度去除，从而对局部平坦化结果产生负面影响。这会导致后续工序（如制造套刻结构的第二层）出现问题。因此业界引入了尺寸更小、更接近晶圆实际功能结构的新型测试结构。其中包括“框中框”（Frame-in-Frame）和“条中条”（Bar-in-Bar）等线条结构及其组合（如“盒中框”）。其他行业标准测试结构还包括KLA-Tencor的“AIM”（高级成像计量）和“µAIM”等光栅结构，以及IBM与Nanometrics开发的“Blossom”和“µBlossom”等沟槽结构。

除常规套刻标记外，近年来还出现基于沟槽结构光散射的测试结构（diffraction-based overlay）。该技术采用已在半导体技术中广泛应用的散射测量术（例如用于沟槽制造的工艺控制）。其中包括KLA Tencor的“SCOL”标记（scatterometry overlay）。新型套刻测量技术据称工作更稳定且测量值更精确。其缺点是占用空间较大，在曝光场内测量需求增加的背景下，由于不愿占用宝贵面积用于测试结构，其应用受到限制。

## 影响因素

在实际操作中，除套刻偏移本身外，晶圆和测量系统还会带来额外影响。这些影响可分为对称和非对称两类。对称影响包括临界尺寸的变化，主要涉及宽度波动。通过测量标记（targets）的对称设计以及对“左”和“右”偏移取平均值，可消除此类影响。非对称影响则不同，通常只能通过额外测量来减小。非对称影响可分为由测量设备引起的偏移和由晶圆引起的偏移，通常使用英文缩写TIS（tool-induced shift，设备诱发偏移）和WIS（wafer-induced shift，晶圆诱发偏移）表示。这些影响因素之间的相互作用非常复杂。

### 设备诱发偏移（TIS）

TIS是由测量设备引起的套刻测定分量值之间的偏差，会导致测量值失真。TIS的起因是光学系统安装时不可避免的公差。例如测量设备的“视线”未能完全垂直于待测晶圆。这会导致两个分量值发生偏移（一个变大，另一个相应变小）。由于该影响可视为相对稳定，通常将其归为测量中的系统误差。测定单一结构的TIS相对容易，只需将同一结构旋转180°再次测量即可。在理想测量系统中，180°下的套刻测量值绝对值应与0°下完全相等，但符号相反。在实际系统中则如前所述存在TIS。通过两次测量的套刻值相加即可算出TIS：

$$TIS = \text{Overlay}(0^\circ) + \text{Overlay}(180^\circ)$$

若忽略晶圆或晶圆夹具的其他影响，可简单假设TIS适用于所有测量，从而在对少量标记测定TIS后，通过减法校正测量值。随着测量精度要求提高，晶圆几何形状等参数愈发重要，因为它们也会影响TIS。为校正这些影响，越来越有必要在更多甚至所有测量点测定TIS。

除测量设备的物理影响外，套刻设备的图像分析对TIS也有重大影响。一侧或两侧测试结构（测量层与参考层）相机图像对比度低，以及边缘检测算法不佳，均会增加TIS。因此套刻设备通常配备不同的滤色镜，用于调整测试结构灰度图像的对比度，从而针对特定测量配方优化图像分析并降低TIS。

### 晶圆诱发偏移（WIS）

如前所述，各种套刻测试结构均会受到制造工艺中非对称因素（如非对称薄膜沉积）的影响。由此产生的非系统性测量误差被称为wafer-induced shift（WIS，晶圆诱发偏移），可占总测量误差的很大一部分。与TIS不同，WIS无法通过在不同旋转角度下多次测量同一结构来确定，通常难以识别或测定，往往只能在后续工艺（如刻蚀光刻胶掩模所覆盖的层）完成后才能确定。

## 表现形式

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套刻偏移常以晶圆矢量图的形式呈现。在图中的测量点位置绘制X和Y方向的偏移矢量。借此可轻松识别平移或旋转等简单套刻误差，以及测量值中的异常点。

## 分析与建模

在半导体产品制造中，工艺步骤后测得的大量数据用于校正后续工件（晶圆）的工艺参数，参见统计过程控制（SPC）和先进过程控制（APC）。这些参数包括在生产期间或特殊实验中获取的套刻信息。这些数据通过曝光设备的软件及各种复杂的校正模型直接反馈至制造过程，例如用于调整晶圆位置或对准方式。

套刻偏移的建模及校正数据的获取通常可分为由光罩（Reticle）引起的误差和由晶圆或晶圆台引起的误差。这两组套刻误差的具体形式取决于所使用的光刻系统，即设备基于全晶圆、扫描式、步进重复式还是步进扫描式原理运行。

除了这些基本的套刻误差之外，还有两大类误差来源。第一类是使用多个曝光系统产生的误差（即所谓的匹配误差），第二类是工艺相关效应。匹配误差是指不同曝光系统之间的差异（调谐误差）。这些误差并非随机误差，例如，定位系统的精度差异或所用干涉仪反射镜的非平面性都会导致此类误差。另一方面，工艺相关效应是指由对准标记对准信号的变化引起的误差。这些效应是由制造过程中所有工艺参数的相互作用造成的，例如蚀刻深度、层沉积或抛光工艺。它们会影响对准标记的形状。例如，它们会导致对准标记不对称，在测量过程中表现为偏移，但实际上并不存在偏移。

### 基础模型

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光刻设备最简单的情况是基于“全晶圆”原理，即晶圆在一步内完成全掩模曝光；此原理通常用于直径不超过100 mm的晶圆。仅考虑光罩与晶圆的相对位置，可能出现以下套刻误差：1.X或Y方向相对平移；2.旋转；3.倾斜引起的梯形失真。其原因在于光罩或晶圆的定位与对准误差。在掩模结构大于成像结构的投影系统中，还可能出现由焦点设置差异引起的放大率误差。

数学上可通过简单的线性模型描述这些影响：

$$\Delta X = T_x + S_x X - R_x Y + e_x$$

以及

$$\Delta Y = T_y + S_y Y - R_y X + e_y$$

其中$\Delta X$和$\Delta Y$为X与Y方向的套刻偏移，由绝对偏移$T_x$和$T_y$、缩放误差$S_x X$与$S_y Y$、旋转分量$R_x Y$与$R_y X$以及不可校正残差$e_x$和$e_y$组成。

### 扫描与步进系统的特性

在扫描系统中，晶圆同样在一步内完成曝光。但并非整个晶圆同时曝光，而是通过条带状区域在晶圆上扫过。为此，光罩和晶圆在同一直线上反向移动。这种额外运动可能导致两种主要的套刻误差：由驱动系统移动速度差异引起的运动轴方向非对称放大；由两个驱动系统平行度误差引起的倾斜（skew）。

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- 由十字线旋转引起

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- 由晶圆旋转引起

这两类设备的难点在于，单凭测量数据无法判断误差究竟源自掩模版还是晶圆，因为测得的仅是两者间的相对套刻偏移。采用步进重复（Step-and-Repeat）原理的步进系统则有所不同。其曝光过程是将掩模图案以阵列形式多次连续投射至晶圆。这一差异使得掩模版与晶圆的对准误差表现各异。例如，晶圆的旋转偏移强烈依赖于曝光场在晶圆上的位置，即套刻误差值在晶圆边缘处最大，而在中心理论上为零。此外，步进机除掩模版或晶圆的定位与对准误差外，还会产生由晶圆吸盘（chuck）引起的其他误差源，包括单轴非线性以及轴间非正交性。这些误差同样表现为平移与旋转误差。在使用多台设备时，无论型号是否相同，这些误差都至关重要，因为晶圆台定位误差具有个体差异，且可能在维护后发生变化。目前（2012年）工业生产主要采用的步进扫描原理是扫描机与步进机的混合体。上述所有套刻误差均会在此类设备中出现。

## 其他影响

除这些相对简单的套刻偏移诱因外，现代设备（几乎均为步进扫描原理）中还有其他误差源。例如晶圆台不平整或透镜畸变（lens distortion）。这些通常是数值较小的高阶（higher order）套刻误差。但在结构尺寸小于45 nm的产品中，由于它们占校正上述误差后残余套刻误差的主要部分，并在栅极图形化及首层金属互连等关键区域表现明显，因此对质量至关重要。由于具有高阶特性，建模需要大量测量数据，且数据不仅需来自划片槽（scribe line），还需来自实际电路区域。鉴于测量成本高昂，且数值通常仅在设备大修时发生变化，此类数据通常不在日常生产中收集。测定高阶误差的另一缺点是套刻结构相比有源结构体积庞大，会导致极高的面积占用，从而推高成本。

现代电路制造中的其他棘手影响还包括由曝光设备部件或晶圆温差引起的微小长度变化。由于设备运行状态起关键作用，套刻模型难以纠正这些影响。因此通常通过预热时间和恒定的工艺温度将其降至最低。

## 重要性

近年来，套刻控制的重要性显著提升，其关键程度已与关键尺寸控制并论。其原因在于工业标准化缩放（Scaling）导致的结构密度增加，以及自45 nm及后续技术节点引入的双重图案化（double patterning）等复杂制造技术的广泛应用。