重ね合わせ（オーバーレイ）とは？ チップの上下の層は、なぜぴったり合わせるのか

重ね合わせ（オーバーレイ）とは、チップのある層のパターンが、その下の層とどれだけ正確に合っているかのことです。ずれた量を、重ね合わせ誤差といいます。チップはリソグラフィで1層ずつ焼き付けてつくり、層の数は十数層から数十層になります。新しい層は、どれも下の層の真上にぴったり重ねなければなりません。合っていれば上下がつながり、ずれれば、つながるべきところがつながらず、触れてはいけないところが触れてしまいます。

なぜ、どの層も合わせる必要があるの？

多色刷りの版画を思い浮かべてください。赤、黄、青をそれぞれ別の版に彫り、1色ずつ刷ります。どれか1枚の版が少し曲がっているだけで、色が線からはみ出します。チップも同じように1層ずつ重ねてつくりますが、もっと厳しい世界です。上の層の小さな穴が、下の層の接点にぴったり乗らなければなりません。

パターンをどう焼き付けるかは「フォトリソグラフィとは？」で説明しています。この記事では「合わせる」ことだけを扱います。

どれくらいまで、ずれてもいい？

回路でいちばん細い線よりも、ずっと小さい量です。ある大学の講義資料にある目安は、最小線幅の3分の1から5分の1。公開されている大学の論文には、線幅0.18マイクロメートルの世代で、許されるずれは約0.06マイクロメートルという例があります。

最新の世代になると、業界が共同でまとめる技術ロードマップの目標は、わずか2〜4ナノメートルです。髪の毛の太さは数万ナノメートルなので、髪の毛の1万分の1よりも細い話です。

1層はどうやって合わせ、測り、直すのか

アライメントと重ね合わせは別のものです。アライメントは露光の前にする動作で、重ね合わせは終わったあとに測る結果。狙うことと、どこに当たったかを確かめることの違いです。

ステップ1：露光の前に、アライメントマークを探す

• 何をする：ウェーハを露光装置に入れても、すぐには露光しません。センサーが、それまでの層がウェーハに残したアライメントマーク（小さな十字や縞模様。たいていはチップとチップのあいだの、最後に切り落とされる細い帯に置かれます）を探し、いくつものマークの位置を測ります。ウェーハ全体がどちらにずれ、どれだけ回り、少し伸びていないかを計算してから、各ショットをどこに焼くかを決めます。
• なぜ：ウェーハは置くたびに少しずつ位置が違い、前の工程でわずかにゆがんでいることもあります。1点だけでは足りません。
• しないとどうなる：合わせないまま露光すると、この層は下の層に重なりません。しかも、ずれ方がウェーハごとに違います。

1層目には、下に合わせる相手がまだありません。ウェーハの縁の小さな切り欠き（ノッチ）で向きをそろえるだけです。その層から先は、合わせるためのマークがあります。

ステップ2：露光と現像。測定用のマークもいっしょに焼く

• 何をする：計算した位置どおりに1ショットずつ露光し、現像します。フォトマスクには回路のほかに重ね合わせを測る専用のマークもあり、下の層のマークのすぐそばに焼き付けられます。たとえば、下の層に大きな四角、この層にはその内側に小さな四角です。
• なぜ：現像のあと、2つの層のマークが並ぶので、比べるものができます。
• しないとどうなる：チップが完成して電気的に測るまで、ずれに気づけません。そのころには何週間もたっています。

ステップ3：現像のあと、どれだけずれたかを測る

• 何をする：測定装置が光で2つの層のマークを見て、小さな四角が真ん中からどれだけ、どちらへずれているかを測ります。全部のウェーハは測りません。1ロットから数枚、1枚から数ショットを選び、ショットの四隅で1点ずつ測ることがよくあります。測定装置のしくみは「半導体工場は、工程がうまくいったかをどう確かめる？」へ。
• なぜ：たくさんの点のずれを並べてはじめて、ウェーハ全体がどんなずれ方をしているかが見えます。
• しないとどうなる：ずれに気づかないままエッチングへ進みます。

1点ずつ矢印で描くと、ずれ方はおおよそ次の種類に分かれます。

• 左右（x）・上下（y）：どの矢印も同じ向きで、長さもほぼ同じ。シールが少し横にずれて貼られたような形です。
• 回転：矢印が中心のまわりを回るように並び、外側ほど長くなります。シールが斜めに貼られたような形です。
• 倍率：矢印が中心から外へ（または内へ）向き、外側ほど長くなります。全体がほんの少し引き伸ばされた（または縮んだ）ような形です。

ウェーハ全体にもこうしたずれがあり、ショットの中にもあります。これらを差し引いても残る、細かくて補正しきれないずれを、残差といいます。

ステップ4：ずれすぎ？ レジストのうちにやり直す

• 何をする：規格を外れたら、まずそのロットをホールドし、リワークするかを決めます。レジストを丸ごとはがし、塗り直し、露光し直し、現像し直します。
• なぜ：現像のあと、パターンはまだレジストの上にあるだけで、下の材料にはまったく手がついていません。
• しないとどうなる：エッチングに進めば、ずれた位置が材料に刻まれ、もう戻せません。リワークにも代償があります。もう1回流し、もう1回処理を受け、数時間よけいにかかります。ずれがわずかなら、やり直す価値があるかを判断します。

ステップ5：ずれを露光装置に返し、次のロットで先に直す

• 何をする：測ったずれ（x、y、回転、倍率がそれぞれどれだけか）を露光装置に返し、次のロットではその逆向きに少し調整します。これを補正といいます。補正量はシステムが自動で計算することが多く、「APCとは？」で取り上げています。
• なぜ：同じ装置、同じ製品なら、ずれ方はくり返しがちです。このロットで測った分を、次のロットで先に直せます。
• しないとどうなる：どのロットも同じようにずれ、毎回測ってから気づいて、リワークすることになります。

なぜ、ずれるの？

• 露光装置そのもの：ウェーハステージの動き方や、レンズのわずかなゆがみ。どの装置にも、それぞれ小さなくせがあります。
• ウェーハが引っぱられてゆがむ：前の拡散炉の高温や、上に成膜した膜が、ウェーハを少し反らせたり伸び縮みさせたりして、マークの位置もいっしょに動きます。
• 熱による伸び縮み：温度が1°C違うだけで、直径30センチのシリコンウェーハは約0.8マイクロメートル大きくなります。最新の世代で許されるずれの何百倍にもなります。
• マークが少し崩れる：CMPやエッチングでマークの形が左右非対称になると、センサーが読む位置がずれます。
• 上下の層を別の露光装置で焼いた：2台のくせが違うので、打ち消し合いません。そのため、いちばん大事な何層かは同じ1台に固定することがあります。代わりに、その装置が混んでいるときは、ほかの装置が空いていても使えません。

ずれると、どうなる？

上の層の小さな穴は、下の接点や配線の上に乗らなければなりません。いちばん下でトランジスタにつながる穴がコンタクト、上下2層の配線のあいだの穴がビアです。

• 届かない：ずれると触れる面積が小さくなり、抵抗が上がります。ひどければ、まったくつながりません。
• 触れてはいけないところに触れる：横にずれて、トランジスタのゲートや隣の配線に触れると、ショートします。

こうした穴のつくり方は「トランジスタはどうやってつくる？」と「チップの中の配線はどうつくる？」へ。わずかなずれは、すぐにはわからないこともあります。回路がつながっているかは、何週間もあとのWATの測定でようやくわかることがよくあります。

fab24hrでは

「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「量産工場」を押して、左右にスワイプしてプロセスエンジニアにし、名前の下の「リソグラフィ」を押すと、リソグラフィのプロセスエンジニアになります。朝シフトでは、ロットP-3A08の重ね合わせが規格外で、次の工程はエッチングです。測定装置で重ね合わせマップを見ます。格子はショット、黄色い矢印は、この層が下の層からどちらへどれだけずれているかを示します。平行移動補正、回転補正、倍率補正を試し、正しいものを選ぶと、矢印はわずかな残差だけになります。続けて記録を調べると、下の層は別の露光装置で焼かれていました。いちばん大事な何層かを同じ1台に固定するか、2台の差を補正に足すか。最後に、プロセスインテグレーションのヤーティンに答えを出します。リワークか、そのまま流すか。

同じエリアのリソグラフィ装置エンジニアの深夜シフトでは、露光装置がアライメントマークを見つけられずに止まります。開発ラインのリソ開発プロセスエンジニアの朝シフトでは、コンタクトの層をはじめて下の層に合わせ、重ね合わせを測ってから、どの項目を補正するかを選びます。メインストーリー「チップの一生」の第2章「一工程ずつ」では、1層目のパターンには下に合わせる相手がなく、ウェーハの切り欠きに合わせて置くだけです。ゲームに出てくる会社・人物・ロット番号・数字は架空です。重ね合わせの測り方と補正のしかたは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。