TWI399625B - 先進製程控制的方法和裝置 - Google Patents

Description

先進製程控制的方法和裝置

本發明係有關於製程控制，特別是有關於用於先進製程控制的技術。

目前已有藉由先進製程控制而進行之製程的多種應用。一種用於先進製程控制的常見模型是共變數分析(analysis of covariance，ANCOVA)，共變數分析通常相關於線性模型的連續輸出，而連續輸出是一個或多重輸入的函數。舉例而言，這種類型的先進製程控制是半導體製程設備的控制，例如在半導體晶圓上執行蝕刻製程的蝕刻設備。

在具有多重輸入之先進製程控制的一些應用中，其輸入可能很複雜，並且輸入間也可能會互相影響和/或干擾，而使得先進製程控制的效能退化。有時候可藉由人類(例如工程師)分辨且量化可能造成控制結果不穩定的這些輸入互相影響和/或干擾。因此，雖然目前已經有先進製程控制技術能夠滿足一些需求，但是其仍不能完全滿足所有的需求。

本發明實施例提供一種先進製程控制方法，包括：將第一變數設定為初始值；將第二變數設定為初始值；在先進製程控制的控制下，根據第一和第二變數之每一者的函數來操作工具；量測第一和第二參數，其中第一和第二參數是不同的，並且有關於工具的操作；根據第一參數的函數，決定第一變數之新變數值，並根據第二參數的函數與第二變數之目前變數值，計算第二變數之新變數值；以及重複上述操作、量測、決定和計算步驟。

本發明另一實施例提供一種先進製程控制裝置，包括：一工具；以及一計算機，動作性地耦接於工具，計算機包括儲存有計算機程式的計算機可讀取媒體，當計算機程式被執行時，計算機執行下列步驟：將第一變數設定為初始值；將第二變數設定為初始值；在先進製程控制的控制下，根據第一和第二變數之每一者的函數來操作工具；接收已測量的第一和第二參數，其中第一和第二參數是不同的，並且有關於工具的操作；根據第一參數的函數，決定第一變數之新變數值，並根據第二參數的函數與第二變數之目前變數值，計算第二變數之新變數值；以及重複上述操作、量測、決定和計算步驟。

要注意的是，本發明提供許多不同之實施例，其使用於不同特徵上，然而，僅為說明元件及製程安排之特例，而並不限於本發明；此外本發明於不同之例子中，可重複參考其數目及字面意義。此重複之方式，係為簡明之目的；其本身並不特指多個實施例及所討論之結構之間的特定關係。再者，實施例方法中，一第一特徵以覆蓋或於一第二特徵上之形成，係為該第一及該第二特徵之直接接觸；以及實施例中之額外特徵，若係插入該第一及第二特徵，則該第一及第二特徵可不為直接接觸。

第1圖是用以說明本發明各種型態之裝置10的方塊圖，裝置10是部份的半導體製造系統。在本實施例中，裝置10用以蝕刻複數半導體晶圓，上述半導體晶圓之一者以元件符號11表示(晶圓11)。裝置10包括計算機12、一個設備區塊(蝕刻工具13)，以及量測工具(metrology section)14。蝕刻工具13是半導體製造領域常見的裝置，並且包括蝕刻反應室(此處未顯示)。半導體晶圓是設置於蝕刻反應室內來進行蝕刻製程。本文後述的晶圓(或每一第N個晶圓)都是使用量測工具14來評估。

在第1圖，雖然對晶圓的實體量測是在量測工具14中執行，但是為了要預先測量測結果而不實際執行實體量測，也可以使用本領域常見的虛擬量測(virtual metrology)技術。舉例而言，虛擬量測可以決定蝕刻工具13的多種特徵。然後，根據如蝕刻工具的製程配方、製程條件(即設定)與特性等因素，虛擬量測可以決定蝕刻工具13在晶圓上的製程結果。在一變型(variation)中，根據如同製程品質和產品品質等因素，虛擬量測可以在一段時間內減少或取代真實或實體的量測。

計算機12包括計算機硬體，其可以是常見的、商用的、或是其他合適的計算機硬體。計算機12的計算機硬體包括處理器21和記憶體22。記憶體22用以儲存被處理器21執行之計算機的程式23，使計算機12能夠控制蝕刻設備13。關於蝕刻工具13的控制，計算機12包括蝕刻製程資訊，用以表示蝕刻工具13執行之蝕刻製程的製程特徵。這些製程特徵以元件符號36表示(製程特徵36)，並且包括處理晶圓的配方(recipe)。數種或全部的製程特徵36能夠由以蝕刻工具13進行的實驗38憑經驗地被預先決定。對於蝕刻工具13進行的蝕刻製程而言，其製程特徵36通常包括溫度、壓力、化學品、理論或測量到的蝕刻率。製程特徵36被提供至多輸入的先進製程控制模組46，而先進製程控制模組46用以控制蝕刻工具13。技術上而言，先進製程控制模組46是程式23的一部份，但是為了說明，所以在第1圖中，將先進製程控制模組46個別地表示。先進製程控制模組46是以本領域常見的方式被設置，此處不再贅述。舉例而言，在本實施例中，先進製程控制模組46常使用技術是共變數分析。

如上述，在蝕刻工具13將晶圓蝕刻後，量測工具14接著評估所有或部分的晶圓11。評估所得的量測資訊循途徑51和52被提供回計算機12。具體而言，部分的量測資訊循途徑51被直接提供回先進製程控制模組46，另外一部份的量測資訊循途徑52被提供至即時估計模組(real-time estimation module)61。技術上而言，即時估計模組61是程式23的一部份，為了簡化說明，所以在第1圖中，將即時估計模組61個別顯示出來。即時估計模組61將於稍後詳述。

為了簡化說明，本發明蝕刻工具13執行的蝕刻製程是用以將晶圓11上的材料層蝕刻出溝槽(trench、groove)，並且溝槽深度是量測工具14量測的參數之一。通常來說，製程特徵36會被選擇以達到溝槽的目標深度(desired depth)。然而，蝕刻製程真正的溝槽深度會被實際製程情況(real-world considerations)所影響。舉例而言，(蝕刻工具之)部件(parts)的特性或被蝕刻之晶圓的特性都會影響溝槽深度。某種程度上，部件或晶圓11的特性使得(真正的)溝槽深度和欲達到深度(intended depth)間具有深度差α_p 。此外，蝕刻反應室也會影響蝕刻製程。舉例而言，蝕刻反應室內的污染物會隨著時間累積，並逐漸改變在原本控制條件下會達到的溝槽深度。某種程度上，蝕刻反應室的特性使得(真正的)溝槽深度和欲達到深度(intended depth)間具有深度差α_c 。

量測工具14用以評估由蝕刻工具13執行之蝕刻製程產生的溝槽，包括使用常見的工具測量真正的溝槽深度。量測資訊循途徑52被提供回計算機12，包括已測量的溝槽深度ETCH_DEPTH。

以下將詳細說明即時估計模組(real-time estimate module)61。即時估計模組61提供蝕刻工具13之實際蝕刻率的即時估計。這表示蝕刻工具13的實際蝕刻率會因部件特性造成的影響(α_p )以及/或蝕刻反應室造成的影響(α_c )而隨著時間不同於理論預期的蝕刻率。製程特徵36包括蝕刻工具13預期的或理論的蝕刻率，並且預期的蝕刻率根據蝕刻製程所有的製程特徵而循途徑64被提供至即時估計模組61。即時估計模組61產生蝕刻工具13之實際蝕刻率的估計，並使用實際蝕刻率的估計來為蝕刻工具13所執行的蝕刻製程計算調整的蝕刻(adjusted etch time)時間，然後循途徑66提供更新的(updated)蝕刻時間至先進製程控制模組46。

為了簡化說明，在第1圖與下述的討論中均意指即時估計模組61估計蝕刻率，然後計算蝕刻時間。然而另一方面，以下事實也是有可能的：即時估計模組61進行蝕刻率的估計，然後提供估計的蝕刻率至先進製程控制模組46，並且先進製程控制模組46接著根據來自即時估計模組61之估計的蝕刻率來進行蝕刻時間的計算。

第2圖是蝕刻工具13之部份控制流程的流程圖，用以說明即時估計模組61的操作。在步驟101，即時估計模組61根據由途徑64接收之製程特徵36的資訊來初使化兩個變數ETCH_RATE和ETCH_TIME。舉例而言，變數ETCH_RATE和ETCH_TIME的初使化係由晶圓的製程配方所預先決定。在第2圖的實施例中，變數ETCH_TIME被設定為製程特徵36之既定或基線(baseline)蝕刻時間T_B 。蝕刻反應室內，在經過選擇的特定製程條件下，蝕刻工具13應能根據基線蝕刻時間製造出具有目標溝槽深度的溝槽。變數ETCH_TIME的數值循途徑66被提供至先進製程控制模組46。變數ETCH_RATE被設定為製程特徵36之既定的(理論的)蝕刻率。蝕刻反應室內，在經選擇的特定製程條件下，蝕刻工具13應能具有理論的蝕刻速率(即變數ETCH_RATE)。

接著，在步驟102，在先進製程控制模組46的控制下，在設置於蝕刻工具13內之晶圓11上執行蝕刻製程並持續一段由變數ETCH_TIME所指定的時間。接著，此晶圓由蝕刻工具13被轉移至量測工具14。然後在步驟103，使用常見的量測工具14測量晶圓11上真正的溝槽深度，並得到所測量的溝槽深度ETCH_DEPTH。

下一步，在步驟106，即時估計模組61使用(1)變數ETCH_RATE的目前變數值；(2)量測工具14所測量的溝槽深度ETCH_DEPTH；以及(3)變數ETCH_TIME的目前變數值，來計算變數ETCH_RATE的新變數值。具體而言，為了要求得實際蝕刻率，將所測量的溝槽深度ETCH_DEPTH除以變數ETCH_TIME的目前變數值，然後將實際蝕刻率乘上權重係數w，其中權重係數是藉於0和1之間的小數值(decimal value)，例如w=0.5。接著，將1減掉權重係數w的結果乘上變數ETCH_RATE的目前變數值。為了求得變數ETCH_RATE的新變數值，將兩種不同的加權值(weighted value)相加，其中變數ETCH_RATE的新變數值取代變數ETCH_RATE的目前變數值而被儲存。因此，要注意的是，變數ETCH_RATE的數值通常是(1)製程特徵36之預期的(理論的)蝕刻率與(2)由量測工具14所評估之每一晶圓之實際(calculated)蝕刻率的函數。實際上，蝕刻率的權重係數w會隨著時間逐漸遞減。換言之，在任意時間點，蝕刻率的權重隨著時間由最近的實際蝕刻率逐漸遞減為用以初使化變數ETCH_RATE的既定值。

步驟107代表可選(optional)流程，其可以執行，也可以不執行，後續將加以解釋。在步驟108，根據在步驟106得到之變數ETCH_RATE的新變數值，計算變數ETCH_TIME的新變數值。具體而言，此步驟包括(1)將部件和蝕刻反應室的已知結果加起來，並以對應於總和(α_p +α_c )的一個數值表示之；(2)將上述數值除以在步驟106求得之變數ETCH_RATE的新變數值；以及(3)將基線蝕刻時間T_B 減去(2)的結果。將(3)的結果作為變數ETCH_TIME的新變數值並加以儲存，用以取代變數ETCH_TIME的目前變數值。變數ETCH_TIME的新變數值循途徑66被提供至先進製程控制模組46，用以在蝕刻工具13執行的下一個蝕刻製程期間，供先進製程控制模組之用。接著，控制流程回到步驟102，在蝕刻工具13中進行下一批次晶圓的蝕刻製程。第2圖所示技術將有益於改善先進製程控制模組的效能，並減少先進製程控制模組46多重輸入間的干擾。

第3圖為第2圖步驟107(可選流程)的流程圖。第3圖之步驟121係關於輸出之干擾影響的計算。具體而言，在第2圖中，只有在步驟106計算變數ETCH_RATE的新變數值，而在步驟121中，將變數ETCH_RATE的新變數值乘上時間差ΔT’，其中ΔT’為：

上述結果即為變數ΔDEPTH_APC 。然後，在步驟122，移除輸出中干擾的影響。具體而言，將所測量的溝槽深度ETCH_DEPTH減掉變數ΔDEPTH_APC 的變數值，而所得結果為變數DEPTH_DeAPC 。第2圖中並沒有顯示變數ΔDEPTH_APC 和DEPTH_DeAPC 。然而，為了其他目的，步驟107能夠可選地(optionally)計算變數ΔDEPTH_APC 和DEPTH_DeAPC 。舉例而言，對於變動中的蝕刻條件而言，若其補償沒有功效，則可以透過步驟107計算變數DEPTH_DeAPC 的變數值來求得溝槽深度。變數DEPTH_DeAPC 具有多種應用，舉例而言，其可用以作取樣策略的模擬(sampling policy simulations)或最佳化，其中為了模擬不同取樣策略下的控制成效，將先進製程控制的影響移除以及將晶圓資料恢復(restore)到晶圓被蝕刻前的狀態是有必要的。一旦先進製程控制的影響被移除後，那些被先進製程控制所抑制之能夠影響結果的因素將會更清晰，也更容易辨別。

雖然上述討論僅有關於半導體製程之蝕刻工具的先進製程控制，但是使用本發明揭露的技術來控制半導體製程的其他工具，或是除了半導體製程外其他應用的製程也是可能的。雖然本發明實施例僅對蝕刻時間的微調(fine-tune)使用預估的蝕刻率，但是對其他應用使用預估的蝕刻率也是可能的。舉例而言，為了得知基線拋光時間(baseline polish time)的時間調整量(time adjustment)，亦可將所測量的溝槽深度ETCH_DEPTH除以預估的蝕刻率。在其他實施例中，即時估計模組61除了提供蝕刻率，也提供其他的參數估計，例如相關於多重輸入先進製程控制模組的其他輸入。

雖然本發明已由較佳實施例揭露如上，但並非用以限制本發明。在不脫離本發明精神和範疇的前提下，習知技藝者當能作些許更動。因此根據本發明實施例，本發明提供一種先進製程控制方法，包括：將第一變數設定為初始值；將第二變數設定為初始值；在先進製程控制的控制下，根據第一和第二變數之每一者的函數來操作工具；量測第一和第二參數，其中第一和第二參數是不同的，並且有關於工具的操作；根據第一參數的函數，決定第一變數之新變數值，並根據第二參數的函數與第二變數之目前變數值，計算第二變數之新變數值；以及重複上述操作、量測、決定和計算步驟。

在本實施例中，上述計算包括：將第二參數乘以一第一權重係數(weight)以取得一第一加權值(weighted value)，且將第二變數的目前變數值乘以一第二權重係數以取得一第二加權值，以及將第一加權值和第二加權值相加。

本實施例更包括選擇介於0和1之間的數值作為第一權重係數，並且選擇1減去第一權重係數的數值作為第二權重係數。

在本實施例中，上述操作上述工具的步驟包括在先進製程控制的控制下，處理一半導體晶圓。

在本實施例中，上述操作上述工具的步驟包括使用被先進製程控制的上述工具來執行一半導體晶圓的蝕刻製程。

在本實施例中，上述量測第二參數的步驟包括量測被蝕刻製程移除之材料的厚度。

在本實施例中，第二變數代表蝕刻率，上述計算第二變數的新變數值的步驟包括將第二參數除以蝕刻製程的時間間距。

在本實施例中，上述操作上述工具的步驟包括根據第二變數的函數調整蝕刻製程的時間間距。

根據本發明另一實施例，本發明提供一種先進製程控制裝置，包括：一工具；以及一計算機，動作性地耦接於工具，計算機包括儲存有計算機程式的計算機可讀取媒體，當計算機程式被執行時，計算機執行下列步驟：將第一變數設定為初始值；將第二變數設定為初始值；在先進製程控制的控制下，根據第一和第二變數之每一者的函數來操作工具；接收已測量的第一和第二參數，其中第一和第二參數是不同的，並且有關於工具的操作；根據第一參數的函數，決定第一變數之新變數值，並根據第二參數的函數與第二變數之目前變數值，計算第二變數之新變數值；以及重複上述操作、量測、決定和計算步驟。

在本實施例中，上述計算機程式執行的計算包括將第二參數乘以一第一權重係數以取得一第一加權值，且將第二變數的目前變數值乘以一第二權重係數以取得一第二加權值，以及將第一加權值和第二加權值相加。

在本實施例中，上述計算機程式執行的計算包括選擇介於0和1之間的數值作為第一權重係數，並且選擇1減去第一權重係數的數值作為第二權重係數。

在本實施例中，上述工具在先進製程控制的控制下，處理一半導體晶圓。

在本實施例中，上述工具使用在先進製程控制的控制下，執行一半導體晶圓的蝕刻製程。

在本實施例中，上述量測第二參數的步驟包括量測被蝕刻製程移除之材料的厚度。

在本實施例中，第二變數代表蝕刻率，上述計算機程式執行第二變數之新變數值的計算包括將第二參數除以蝕刻製程的一時間間距。

在本實施例中，計算機程式操作上述工具的步驟包括根據第二變數的函數調整蝕刻製程的時間間距。

本發明已經由數種實施例揭露如上。習知技藝者應能以本發明所揭露的技術內容作為基礎來設計或修改其他的製程或架構來達到相同於本發明之目的和/或優點。習知技藝者應能知悉在不脫離本發明的精神和架構的前提下，當可作些許更動、替換和置換。

10．．．裝置

11．．．半導體晶圓

12．．．計算機

13．．．蝕刻工具

14．．．量測工具

21．．．處理器

22．．．記憶體

23．．．程式

36．．．製程特徵

38．．．實驗

46．．．先進製程控制模組

61．．．即時估計模組

51、52、64、66．．．途徑

本發明可藉由閱讀實施方式並撘配所附圖示而被較佳地理解。要注意的是，圖示中多種特徵並未依照半導體製造設備的實際尺寸而繪製。事實上，上述特徵的尺寸可任意增減以簡化說明。

第1圖是用以說明本發明裝置10的方塊圖，其中裝置10是部份的半導體製造系統；

第2圖是蝕刻工具13之部份控制流程的流程圖；

第3圖為第2圖步驟107(可選流程)的流程圖。

10．．．裝置

11．．．半導體晶圓

12．．．計算機

13．．．蝕刻工具

14．．．量測工具

21．．．處理器

22．．．記憶體

23．．．程式

36．．．製程特徵

38．．．實驗

46．．．先進製程控制模組

61．．．即時估計模組

51、52、64、66．．．途徑

Claims (16)

1. 一種先進製程控制方法，包括：將一第一變數設定為一基線值；將一第二變數設定為一理論率；在先進製程控制的控制下，根據上述第一和第二變數之每一者的函數來操作一工具；量測一第一和第二參數，其中上述第一和第二參數是不同的，並且有關於上述工具的操作；計算經由上述操作後所獲得之一實際率，其中上述實際率係上述第二參數以及上述第一變數的函數，並且計算上述實際率的步驟包括將上述第二參數除以上述第一參數；根據上述第二參數的函數與上述第二變數之一目前變數值，計算上述第二變數之一新變數值；根據上述基線值的函數與上述第二變數之上述新變數值，計算上述第一變數之一新變數值；以及重複上述操作、量測、計算上述實際率、計算上述第二變數之上述新變數值以及計算上述第一變數之上述新變數值步驟。
2. 如申請專利範圍第1項所述之先進製程控制方法，其中上述計算上述第二變數之上述新變數值以及計算上述第一變數之上述新變數值的步驟包括：將上述實際率乘以一第一權重係數，用以取得一第一加權值；將上述第二變數的目前變數值乘以一第二權重係 數，用以取得一第二加權值；以及將上述第一加權值和第二加權值相加。
3. 如申請專利範圍第2項所述之先進製程控制方法，包括選擇介於0和1之間的數值作為上述第一權重係數，並且選擇1減去上述第一權重係數的數值作為上述第二權重係數。
4. 如申請專利範圍第1項所述之先進製程控制方法，上述操作上述工具的步驟包括在先進製程控制的控制下，處理一半導體晶圓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之先進製程控制方法，其中上述操作上述工具的步驟包括使用被先進製程控制的上述工具來執行一半導體晶圓的一蝕刻製程。
6. 如申請專利範圍第1項所述之先進製程控制方法，其中上述量測上述第二參數的步驟包括量測被上述蝕刻製程移除之材料的厚度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之先進製程控制方法，其中上述第一參數代表一蝕刻時間，上述第二變數代表一蝕刻率，並且上述實際率代表在上述蝕刻製程中之一實際蝕刻率。
8. 如申請專利範圍第7項所述之先進製程控制方法，其中上述操作上述工具的步驟包括根據上述第一參數之上述新變數值的函數調整上述蝕刻製程的時間間距。
9. 一種先進製程控制裝置，包括：一工具；以及 一計算機，動作性地耦接於上述工具，上述計算機包括儲存有一計算機程式的一計算機可讀取媒體，當上述計算機程式被執行時，上述計算機執行下列步驟：將一第一變數設定為一基線值；將一第二變數設定為一理論率；在先進製程控制的控制下，根據上述第一和第二變數之每一者的函數來操作一工具；接收已測量的一第一和第二參數，其中上述第一和第二參數是不同的，並且有關於上述工具的操作；計算經由上述操作後所獲得之一實際率，其中上述實際率係上述第二參數以及上述第一變數的函數，並且上述實際率的計算包括將上述第二參數除以上述第一參數；根據上述第二參數的函數與上述第二變數之一目前變數值，計算上述第二變數之一新變數值；根據上述基線值的函數與上述第二變數之上述新變數值，計算上述第一變數之一新變數值；以及重複上述操作、量測、計算上述實際率、計算上述第二變數之上述新變數值以及計算上述第一變數之上述新變數值步驟。
10. 如申請專利範圍第9項所述之先進製程控制裝置，其中上述計算機程式執行的上述計算上述第二變數之上述新變數值包括將上述實際率乘以一第一權重係數以取得一第一加權值，且將上述第二變數的目前變數值乘以一第二權重係數以取得一第二加權值，以及將上述 第一加權值和第二加權值相加。
11. 如申請專利範圍第10項所述之先進製程控制裝置，其中上述計算機程式執行的上述計算包括選擇介於0和1之間的數值作為上述第一權重係數，並且選擇1減去上述第一權重係數的數值作為上述第二權重係數。
12. 如申請專利範圍第9項所述之先進製程控制裝置，其中上述工具在先進製程控制的控制下，處理一半導體晶圓。
13. 如申請專利範圍第9項所述之先進製程控制裝置，其中上述工具在先進製程控制的控制下，執行一半導體晶圓的一蝕刻製程。
14. 如申請專利範圍第13項所述之先進製程控制裝置，其中上述第二參數代表被上述蝕刻製程移除之材料的厚度。
15. 如申請專利範圍第14項所述之先進製程控制裝置，其中：上述第一參數代表一蝕刻時間；上述第二變數代表蝕刻率；以及上述實際率代表在上述蝕刻製程中之一實際蝕刻率。
16. 如申請專利範圍第15項所述之先進製程控制裝置，其中上述計算機程式進一步執行上述工具的操作，上述操作包括根據上述第一參數之上述新變數值的函數調整上述蝕刻製程的時間間距。