Halbleitertechnologie von A bis Z

Die Critical Dimension (CD) bezeichnet die kleinste, für die Funktion eines Bauteils entscheidende Strukturbreite auf dem Wafer – klassischerweise die Gate-Länge eines Transistors, aber auch Leiterbahnbreiten, Spacer-Dicken oder Kontaktloch-Durchmesser. Da die CD direkt in elektrische Kenngrößen wie Schaltgeschwindigkeit, Leckstrom und Schwellspannung eingeht, muss sie mit einer Genauigkeit im niedrigen Nanometer- bzw. sogar Sub-Nanometerbereich kontrolliert werden.

Die CD-Kontrolle erfolgt an mehreren Stellen der Prozesskette: direkt nach der Lithografie (Photoresist-CD, um Belichtungsdosis und Fokus zu überwachen), nach dem Ätzen (Final-CD, da sich die Struktur beim Ätzen weiter verändert) sowie stichprobenartig nach weiteren kritischen Schritten. Man unterscheidet dabei zwischen der Bias, also der systematischen Abweichung zwischen Maskenmaß und tatsächlicher Struktur, und der CD-Uniformity, also der Streuung der Messwerte über den Wafer, zwischen Wafern und zwischen Losen.

Für die eigentliche Messung stehen mehrere Verfahren zur Verfügung, die sich in Auflösung, Geschwindigkeit und Zerstörungsfreiheit unterscheiden. In der Fertigung dominieren zwei Ansätze: die direkte, bildgebende Messung mittels Rasterelektronenmikroskop (CD-SEM) und die indirekte, modellbasierte optische Messung (OCD/Scatterometrie).

Ein CD-SEM ist ein auf Durchsatz und Reproduzierbarkeit optimiertes Rasterelektronenmikroskop, das speziell für die automatisierte Vermessung von Strukturbreiten in der Halbleiterfertigung ausgelegt ist. Ein fein fokussierter Elektronenstrahl rastert die Zielstruktur zeilenweise ab; an den Kanten der Struktur ändert sich die Ausbeute an Sekundärelektronen sprunghaft (Kanteneffekt), da dort zusätzliche Elektronen aus den Seitenwänden austreten können.

Sekundärelektronen-Signal beim Abrastern einer Kante

Aus dem resultierenden Intensitätsprofil (Linescan) wird die Kantenposition über einen Schwellwert-Algorithmus bestimmt, beispielsweise als der Punkt, an dem das Signal 50 % zwischen Grundlinie und Peak erreicht. Da Form und Höhe des Sekundärelektronen-Peaks jedoch vom Kantenprofil (senkrecht, geneigt, abgerundet) und vom Material abhängen, liefern unterschiedliche Auswertealgorithmen für dieselbe physikalische Kante leicht unterschiedliche CD-Werte – die Wahl und Konsistenz des Algorithmus ist daher Teil der Messrezept-Qualifizierung.

Um Aufladungseffekte und Strahlschäden an empfindlichen Materialien (insbesondere Photoresist) zu vermeiden, wird mit niedriger Beschleunigungsspannung und möglichst geringer Dosis gearbeitet. Moderne CD-SEM-Systeme erreichen dabei eine Wiederholpräzision im Bereich von unter einem Nanometer.

Da der CD-SEM-Messwert vom verwendeten Auswertealgorithmus und von Gerät zu Gerät leicht abhängt, muss er regelmäßig gegen rückführbare Referenzstandards kalibriert werden. Solche Standards (Reference Materials) besitzen eine zertifizierte, auf nationale Normale zurückgeführte CD und erlauben es, systematische Abweichungen (Bias) zwischen mehreren CD-SEM-Geräten in einer Fertigung zu erfassen und zu korrigieren (Tool-Matching).

Für die absolute Validierung, insbesondere bei neuen Prozessen oder ungewöhnlichen Strukturprofilen, wird zusätzlich destruktive Referenzmetrologie eingesetzt: Aus dem Wafer wird eine dünne Lamelle präpariert (z.B. mittels Focused Ion Beam) und im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) im Querschnitt vermessen. Der TEM-Querschnitt zeigt die tatsächliche Geometrie inklusive Seitenwandwinkel und Profilform und dient damit als Referenz, gegen die das schnellere, zerstörungsfreie CD-SEM-Messrezept abgeglichen wird.

Da eine TEM-Querschnittsmessung aufwändig, langsam und zerstörend ist, kommt sie nur stichprobenartig bei der Rezept-Entwicklung oder bei Abweichungen zum Einsatz – die laufende Fertigungsüberwachung erfolgt praktisch ausschließlich mit CD-SEM und/oder OCD.

Neben dem bildgebenden CD-SEM hat sich die Optical Critical Dimension (OCD) Metrologie, auch Scatterometrie genannt, als schnelle und zerstörungsfreie Ergänzung etabliert. Dabei wird eine periodische Teststruktur (z.B. ein Linien-Gitter) mit polarisiertem Licht unter definiertem Winkel beleuchtet; die Struktur wirkt wie ein optisches Beugungsgitter und erzeugt ein charakteristisches Reflexionsspektrum.

Anders als bei der Interferometrie zur Schichtdickenmessung wird dieses Spektrum nicht direkt in eine Dicke umgerechnet, sondern gegen ein rechnerisches Modell der Struktur gefittet: Ausgehend von einem parametrischen Modell (CD, Höhe, Seitenwandwinkel, Schichtdicken) wird das erwartete Spektrum simuliert und iterativ so lange angepasst, bis es mit dem gemessenen Spektrum übereinstimmt. Die Modellparameter am besten passenden Fits ergeben die gesuchten geometrischen Größen.

OCD ist deutlich schneller als CD-SEM und liefert zusätzlich zur reinen Linienbreite auch Seitenwandwinkel und Höhe in einer einzigen Messung, benötigt dafür aber eine ausgedehnte periodische Teststruktur (typischerweise in der Scribe Line) und ein präzises optisches Modell – bei unerwarteten Profiländerungen kann ein falsches Modell zu einer scheinbar präzisen, aber falschen CD führen. In der Praxis werden CD-SEM und OCD daher komplementär eingesetzt: OCD für hohen Durchsatz in der Serienüberwachung, CD-SEM zur Modellvalidierung und für Strukturen außerhalb periodischer Testfelder.

Die einzelnen CD-Messwerte fließen in die statistische Prozessregelung (SPC) ein. Dabei wird zwischen mehreren Uniformity-Ebenen unterschieden: der Within-Die-Uniformity (Streuung innerhalb eines einzelnen Chips), der Within-Wafer-Uniformity (Streuung über den gesamten Wafer, oft mit einem charakteristischen Rand-Zentrum-Muster) sowie der Wafer-to-Wafer- und Lot-to-Lot-Uniformity.

Typisches CD-Uniformity-Muster über den Wafer

Überschreitet die gemessene CD oder ihre Streuung die festgelegten Regelgrenzen, wird dies als Prozessabweichung gewertet und löst eine Rückkopplung (Feedback Loop) zu den vorgelagerten Prozessschritten aus: Bei einer Abweichung direkt nach der Lithografie werden Belichtungsdosis oder Fokus der Scanner-Anlage nachjustiert (Advanced Process Control, APC), bei einer Abweichung nach dem Ätzen die Ätzzeit oder Gaszusammensetzung. Durch diese automatisierte Rückkopplung wird die CD über viele aufeinanderfolgende Lose stabil im spezifizierten Prozessfenster gehalten, ohne dass für jede Anpassung ein manueller Eingriff nötig ist.