TWI505121B - 在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置 - Google Patents

Description

在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置

本發明係與半導體製程相關，特別係關於一種以設計為基礎將半導體製程最佳化的裝置。

半導體的製造需要一個先進且造價不斐的製造環境。隨著半導體晶片尺寸變小，其製造成本也隨之增加。在現代的晶圓廠中，半導體的製造需要動用到上百台的機器，而每台機器所需的成本分別可以從數千萬到數億美元不等。

製造積體電路的過程時常需要上百個連續的步驟，而其中每一個步驟都有可能造成良率的損失。因此，為了在半導體製造廠中維持其產品的品質，需要嚴密控制上百個或是上千個製程中的變數。其中，在目前正在發展的幾個關鍵能力中，如製程監控、製程/設備建模、製程最佳化、製程控制、設備與製程診斷以及參數良率建模，都以高良率、高品質以及低週期為目標發展。

在半導體的製造中，先進的製程控制經常被使用來調整機器的參數，已獲得所需的產品品質。然而，每天上百台機器產生的資料量非常龐大，要自無數個複雜的製程控制參數擷取其中所隱藏的關係是非常困難的。近年來，有人提出以資料探勘方法來發掘互相關聯之參數，以增進半導體製程中的良率。

隨著半導體技術的進步，半導體元件的尺寸也隨之縮小，而元件設計與元件製造過程之間的相互依賴性也日益增加。然而，該相互 依賴性很少被利用於最佳化半導體製程，除了有元件設計資料的可取得性之考量外，將元件設計資料暴露於半導體製造流程中之安全性也是考量之一。

因此，一個可以完整、安全且系統性的應用於半導體晶圓廠中製程的最佳化，並且能抑制日益漸增的半導體開發過程以及高良率生產的成本支出的解決方案，仍有待開發。

為了克服上述半導體製程內所遇到的挑戰，本發明係提供一種容錯、高擴充性且安全的裝置，該裝置專注於半導體元件設計與製程之間的相互依賴性，以達到有效率的半導體晶圓廠作業。

根據本發明之以設計為基礎的製程最佳化(design-based manufacturing optimization,DMO)裝置，包括一分散式計算系統以及一DMO軟體模組，該DMO軟體模組係結合一設計掃描器，掃描並分析一半導體元件的設計資料，並參考一圖案特徵資料庫以及一製程最佳化資料庫進行該半導體元件的製程最佳化。

根據本發明的DMO裝置，又包括一設計介面模組以及一製造介面模組，該設計介面模組係用於與電子設計自動化(electronic design automation,EDA)軟體介接，而該製造介面模組則係用於與設備以及製造流程/資料介接。DMO的作業又可以分為離線設定模式，線上生產模式以及資料審閱模式。

在離線設定模式中，DMO軟體模組建立包含詳盡的半導體元件設計圖案以及圖案特徵的圖案特徵資料庫，以供線上生產模式使用。DMO軟體模組同時對設計資料進行分析，以為圖案特徵資料庫建立多層次定義的設計特徵。DMO軟體模組更進一步建立製程最佳化資料庫，其包括用於線上生產模式且與圖案特徵資料庫同步的規則、演算法以及範例。

在線上生產模式中，DMO軟體模組取得設計資料，提供設 計資料安全存取控制，透過製造介面模組介接設備以及製造流程，以及透過設計介面模組介接電子設計自動化提供者以取得設計資料。DMO軟體模組同時也對設計資料進行處理，以擷取設計特徵並參考圖案特徵資料庫以及製程最佳化資料庫來產生製造配方。

在資料審閱模式中，經由線上生產模式中執行製造配方而產生並儲存於分散式計算系統中的輸出資料，可以提供使用者審閱。DMO軟體模組根據輸出資料而提供在一時間區段內監控某些圖案特徵的統計數據與趨勢。DMO軟體模組也使用資料探勘方法來發掘元件設計、設備效率以及製造良率之間的相互依賴性，以供在資料審閱模式時檢閱。

100‧‧‧DMO裝置

101‧‧‧分散式計算系統

102‧‧‧DMO軟體模組

103‧‧‧圖案特徵資料庫

104‧‧‧製程最佳化資料庫

105‧‧‧設計掃描器

106‧‧‧製程介面模組

107‧‧‧設備及製造流程/資料

108‧‧‧設計介面模組

109‧‧‧EDA軟體及設計流程/資料

1011‧‧‧可熱插拔之計算刀鋒或伺服器

1012‧‧‧分散式文件資料系統

1013‧‧‧不斷電電源供應器

301‧‧‧離線設置模式

302‧‧‧線上生產模式

303‧‧‧資料審閱模式

401‧‧‧建立圖案特徵資料庫

402‧‧‧建立多層次定義的設計特徵

403‧‧‧建立製程最佳化資料庫

601‧‧‧線上智慧量測採樣

602‧‧‧線上智慧檢測

603‧‧‧線上DOI/致命缺陷分類

604‧‧‧線上圖案特徵監控

605‧‧‧根據設計的線上資料分類

606‧‧‧線上累進式良率估測

第一圖所顯示的為根據本發明之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置之方塊圖；第二圖所顯示的為根據本發明之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置中的分散式計算系統之方塊圖；第三圖所顯示的為根據本發明之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置中主要的三個作業；第四圖所顯示的為離線設定模式的主要功能；第五圖所顯示的為線上生產模式的主要功能；第六圖所顯示的為以設計為基礎的製程最佳化所產生之配方的範例。

以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

第一圖為顯示根據本發明之以設計為基礎的製程最佳化 (design-based manufacturing optimization,DMO)裝置100之方塊圖。DMO裝置100包括一分散式計算系統101以及一DMO軟體模組102，並進一步包括一圖案特徵料庫103、一製程最佳化資料庫104以及一設計掃描器105。分散式計算系統101係經由一設計介面模組108之連結，與一EDA軟體以及設計流程109溝通，並且經由一製造介面模組106之連結，與設備以及製造流程107溝通。

如第二圖所示，分散式計算系統101為一容錯之分散式計算系統，其中包括複數個重覆且可熱插拔的計算裝置如計算刀鋒或伺服器1011，以及一分散式文件資料系統1012，該分散式文件資料系統1012具有複數個資料儲存裝置。分散式文件資料系統1012可以具有其專用的文件資料伺服器，以管理並控制該分散式文件資料系統1012的資料儲存裝置，或是使用相同的計算刀鋒或伺服器1011以進行文件資料系統管理。

在本發明的較佳實施例中一不斷電電源供應器1013連接到上述分散式計算系統101，使得分散式計算系統101可以在不中斷的情況下在一晶圓廠環境運作。分散式計算系統101具有一個高擴充性的架構，因此可以輕易地增加其計算刀鋒或伺服器1011的數量以增加計算能力，並且也可以輕易地增加其儲存裝置的數量以增加其儲存容量。此外，分散式計算系統101係為一個安全的計算系統，在進行操作以及資料存取前，需要先進行不同層級的認證以獲得不同層級的權限。

DMO軟體模組102係在所述計算刀鋒或伺服器1011中執行以提供不同的作業，包括安全認證、配方產生、流程整合、資料庫的設置與管理，以及工作分配等等。

在本發明的一較佳實施例中，DMO裝置100係透過製造介面模組106連接至一晶圓檢測器，以將製程根據以設計為基礎的分類來最佳化。DMO裝置100與晶圓檢測器交握信號以獲得晶圓檢測資料，接著根據以設計為基礎的分類配方執行以設計為基礎的分類工作，這些配方係設 定來辨認出對良率敏感的設計圖案。當檢測結果之資料完備時，DMO軟體模組102即準備一以設計為基礎的分類工作，該分類工作包括所述檢測資料結果、以設計為基礎的分類配方，以及與被檢測之晶圓相關的設計資料，並接著將分類工作分配給複數個計算刀鋒或伺服器以待執行。

設計掃描器105為一高產量的設計資料分析器，可以對各式設計資料作業，執行全晶片設計掃描以及分割，如圖案搜尋、配對、分類以及分組等。這些設計資料作業可以使用單層或是多層的設計資料。其中用於圖案搜尋、配對、分類以及分組的演算法，可以是以圖案或以規則為基礎的演算法。

圖案特徵資料庫103包括了關鍵佈線或是良率重要點的設計圖案及特徵。設計圖案以及特徵可以被應用於設計特徵分組以及分類的工作配方中使用，以協助製程以及成效的監控。製程最佳化資料庫104包括用於產生製造配方的規則、演算法以及範例，而該些規則、演算法以及範例則用於設備工具準備、製程監控、成效監控、良率監控以及反饋調整等作業。

製造介面模組106係與晶圓廠作業的設備及製造流程107介接，以接收製造資料；設計介面模組108則與EDA軟體以及設計作業的設計流程109介接，以自設計資料庫接收設計資料。

值得一提的是，本發明的製造介面模組106可以被用於在製造流程107內與多個製造機器介接。DMO軟體模組102負責在製造機器可以提供輸出資料時，即開始準備工作。DMO軟體模組102提供給各製造機器的製造配方，係根據不同的製造機器之需求而設定，因此不同的製造機器可以被分配到不同類型的工作。DMO軟體模組102將工作分配給複數個計算刀鋒或伺服器，以平衡計算負載。

在半導體的晶圓廠中，製造不同的元件層之半導體製程，所使用的光罩也不相同。因此，光罩的製造作業在半導體製程內扮演一個 重要的角色。本發明的DMO裝置也可以根據設計資料內的關鍵特徵及圖案被用於光罩製造以及檢測的最佳化中。換言之，製造介面模組106可以在製造流程107中與光照製造機器或是檢測器介接。

根據本發明的實施例，DMO裝置的作業可以被分為三個主要的使用模式，包括離線設置模式301、線上生產模式302以及資料審閱模式，如第三圖所示。在離線設置模式301中，DMO裝置100有少數幾個重要的功能。如第四圖所示，第一個功能401為建立用於線上生產模式且包含詳盡設計佈線圖案以及圖案特徵的圖案特徵資料庫103。

圖案特徵資料庫103包括了對於製程最佳化而言關鍵的設計圖案。舉例來說，如經晶圓認證過的重要點圖案、已修護重要點、重要點狀態、光學鄰近校正以及製程模擬的弱圖案、對良率以及製程容許度敏感的圖案特徵，以及對良率以及製程容許度安全的優良圖案，皆儲存於該資料庫中。其中，對良率以及製程容許度敏感的圖案特徵包括由電晶體、小型金屬以及線端圖案組成的特殊2D/3D多圖層。合併用於圖案搜尋的範例、規則以及限制也都儲存於所述圖案特徵資料庫103中。

第二個功能402係分析設計資料，以為圖案特徵資料庫建立一多層次定義的設計特徵。舉例來說，設計區域可以被分為記憶體、邏輯、類比、輸入/輸出，或是擋片區域。可以產生圖案密度圖以辨識稠密與稀疏的區域。此外，也可以分析設計資料以得到優良圖案特徵、對良率與製程容許度敏感的圖案特徵、弱圖案特徵以及重要點的分佈。

第三個功能403係建立製程最佳化資料庫104，其包括與圖案特徵資料庫同步的製造配方產生之規則、演算法以及範本，以供隨後的線上生產模式使用。

第五圖所顯示的為線上生產模式302的主要功能。在線上生產模式302中，DMO裝置100必需為製造流程上即將到來的元件取得設計資料，並且為取得的設計資料提供安全存取控制。取得的設計資料須經 處理，以從中擷取根據離線設置模式所建立之圖案特徵資料庫103之設計特徵。所擷取的設計特徵以及所建立的製程最佳化資料庫104則用來產生用於改進設備效率、製程控制以及製程良率的製造配方。

如第六圖所示，根據與設計相關的關鍵特性，製造配方可以包括具有對重要缺陷(defect of interest,DOI)以及系統缺陷最佳覆蓋率的線上智慧量測採樣601、具有多靈敏度以及混合多種檢測設置的智慧型檢測602，以及線上DOI與致命缺陷分類603。製造配方也可以是為缺陷相關的重要點、弱圖案特徵以及敏感圖案特徵監控604，線上累進式良率估測606，或是根據設計的線上資料分類605以進行有效率的離線資料分析等目的所產生。

在線上生產時，DMO裝置100係在製造流程中經由直接的溝通連結或是網絡連結透過語法、文件以及資料庫與製造設備以及資訊系統介接，以無縫地整合半導體元件製造過程。DMO裝置100同時也在設計流程中經由網絡連結透過語法、文件以及資料庫與EDA軟體以及資訊系統介接，以無縫地整合半導體元件設計環境。

根據本發明，DMO裝置100同時提供了一資料審閱模式303以供使用者審閱資料。資料審閱可以為設定製造配方提供回饋，以達到最佳化製程的目的。上述執行製造配方所獲得的輸出資料，係被儲存於分散式文件資料系統1012中，使其得以被審閱。

在本發明中，也使用先進的資料探勘方法來發掘半導體元件設計、設備效率以及良率之間的關鍵相互依賴性。在離線模式303中，使用者可以審閱這些相互依賴性以辨認出可改善良率的系統解決方案。此外，各式各樣的系統數據可以自上述輸出資料中衍生而出。舉例來說，可以根據以晶粒或晶圓為基準而進行重要點、弱圖案特徵以及敏感圖案特徵的每週或每月監控結果，將一個時間區段內的各種趨勢與柱狀圖數據，在離線模式中供使用者審閱。

綜上所述，本發明提供一應用於半導體晶圓廠的DMO裝置，以設計為基礎，利用半導體元件設計以及製造流程之間的相互依賴性，進行概括設備效率、製程診斷、製程調整、製成監控、效能監控以及良率的改善，而達到半導體元件製程最佳化的整合與系統解決方案。

雖然本發明係根據以上實施例作為其敘述，惟以上之敘述僅為本創作之較佳實施例說明，凡精於此項技藝者可依據上述之說明而作其它種種之改良，惟這些改變仍屬於本創作之精神及以下所界定之專利範圍中。

100‧‧‧DMO裝置

101‧‧‧分散式計算系統

102‧‧‧DMO軟體模組

103‧‧‧圖案特徵資料庫

104‧‧‧製程最佳化資料庫

105‧‧‧設計掃描器

106‧‧‧製程介面模組

107‧‧‧設備及製造流程/資料

108‧‧‧設計介面模組

109‧‧‧EDA軟體及設計流程/資料

Claims (28)

1. 一種在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，包括：一分散式計算系統；一設計掃描器，該設計掃描器係執行全晶片設計掃描以及設計資料分割之高產量的設計資料分析器；一以設計為基礎的製程最佳化軟體模組，該軟體模組係在該分散式計算系統中執行；其中該以設計為基礎的製程最佳化軟體模組透過該設計掃描器掃瞄並分析一半導體元件的設計資料且執行該全晶片設計掃描以及該設計資料分割，以將該半導體元件的製造配方最佳化，並應用於該半導體元件的製造流程之中。
2. 根據申請專利範圍第1項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該分散式計算系統為一容錯分散式計算系統，並包括複數個可熱插拔的計算裝置，以及一分散式文件資料系統。
3. 根據申請專利範圍第2項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該分散式文件資料系統係由該等可熱插拔的計算裝置所控制以及管理。
4. 根據申請專利範圍第2項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該分散式文件資料系統係由與該等可熱插拔的計算裝置不同的複數個文件資料專用伺服器所控制及管理。
5. 根據申請專利範圍第1項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，又包括一設計介面模組，該設計介面模組係用於介接電子設計自動化軟體以獲取該設計資料。
6. 根據申請專利範圍第5項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，又包括一圖案特徵資料庫(pattern signature database)。
7. 根據申請專利範圍第6項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，又包括一製造介面模組，用以介接該製造流程。
8. 根據申請專利範圍第7項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該製造介面模組在該製造流程中係介接於多個製造機器。
9. 根據申請專利範圍第7項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，又包括一製程最佳化資料庫。
10. 一種在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，具有一離線設定模式，一線上生產模式以及一資料審閱模式，該製程最佳化裝置包括：一分散式計算系統；一設計掃描器；一設計介面模組，該設計介面模組係用於介接電子設計自動化軟體以獲取該設計資料；一圖案特徵資料庫(pattern signature database)；一製造介面模組，用以介接該製造流程； 一製程最佳化資料庫；以及一以設計為基礎的製程最佳化軟體模組，該軟體模組係在該分散式計算系統中執行；其中該以設計為基礎的製程最佳化軟體模組透過該設計掃描器掃瞄並分析一半導體元件的設計資料，以將該半導體元件的製造配方最佳化，並應用於該半導體元件的製造流程之中。
11. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，在該離線設定模式時，該以設計為基礎的製程最佳化軟體模組係建立一圖案特徵資料庫，該圖案特徵資料庫包含詳盡的半導體圖案設計以及圖案特徵，以供在該線上生產模式時使用。
12. 根據申請專利範圍第11項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該圖案特徵資料庫包含用於製造該半導體元件的關鍵重要點圖案之圖案設計以及圖案特徵、光學鄰近矯正以及製程模擬的弱圖案、對良率與製程容許度友善的圖案，以及對良率與製程容許度敏感的圖案。
13. 根據申請專利範圍第11項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該圖案特徵資料庫又儲存有用於該線上生產模式的圖案樣本、使用該圖案設計及圖案特徵的規則以及限制。
14. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，在該離線設定模式時，該 以設計為基礎的製程最佳化軟體模組係分析該設計資料，以在該圖案特徵資料庫內建立一多層次定義的設計特徵。
15. 根據申請專利範圍第14項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該多層次定義的設計特徵包括設計區域分割、圖案密度圖、優良圖案特徵分佈、對良率以及製程容許度敏感的圖案特徵分佈、弱圖案特徵分佈以及重要點分佈。
16. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，在該離線設定模式時，該以設計為基礎的製程最佳化軟體模組建立該製程最佳化資料庫。
17. 根據申請專利範圍第16項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該製程最佳化資料庫包括用於該線上生產模式且與該圖案特徵資料庫同步的規則、演算法以及範例。
18. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，在該線上生產模式時，該以設計為基礎的製程最佳化軟體模組係取得該設計資料，並提供該設計資料安全存取控制。
19. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，在該線上生產模式時，該以設計為基礎的製程最佳化軟體模組係透過該製造介面模組與製造設備介接。
20. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，在該線上生產模式時，該以設計為基礎的製程最佳化軟體模組係為了該設計資料透過該設計介面模組與電子設計自動化提供者介接。
21. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，在該線上生產模式時，該以設計為基礎的製程最佳化軟體模組係對該設計資料進行處理，以擷取設計特徵並且參照該圖案特徵資料庫以及該製程最佳化資料庫而產生製造配方。
22. 根據申請專利範圍第21項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，在該線上生產模式時，該製造配方包括用於線上量測、線上檢測、線上瑕疵分類以及線上累進式良率估測。
23. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，使用了一資料探勘方法來發掘半導體元件設計、設備效率以及製造良率之間的相互依賴性，以供在該資料審閱模式時使用。
24. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，在一時間區段內監控該等圖案特徵的統計數據與趨勢呈現於該資料審閱模式中。
25. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該製造介面模組係在該製造流程中與一晶圓檢測器介接，以基於該設計資料將晶圓檢測之配方最佳化。
26. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該製造介面模組係在該製造流程中與一晶圓量測設備介接，以基於該設計資料將晶圓量測之配方最佳化。
27. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該製造介面模組係在該製造流程中與一光罩製造機介接，以基於該設計資料將光罩製造之配方最佳化。
28. 根據申請專利範圍第10項之在半導體晶圓廠中以設計為基礎的製程最佳化裝置，其中，該製造介面模組係在該製造流程中與一光罩檢測器介接，以基於該設計資料將光罩檢測之配方最佳化。