CN102540895B - 一种先进过程控制系统及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种先进过程控制系统与该系统的测试方法。该系统与虚拟制造系统相连接，包括：实时错误检测模块，用于从虚拟制造系统的数据采集模块获取虚拟工艺制造过程中的产品性能参数，并比照预设的产品性能参数，对虚拟工艺制造过程中产品性能参数进行错误检测；错误分类与响应模块，用于针对检测出的错误进行分类，并查找产生该错误的原因；反馈/回馈控制模块，用于根据产生该错误的原因，调用相应的校正模型对该错误相关的工艺/设备参数进行校正，得到校正后的工艺设备参数，并将校正后的工艺设备参数发送至虚拟制造系统的过程控制模块。本发明避免了先进过程控制系统嵌入实际工艺线时需要花费大量时间以及工艺设备无法正常进行生产的问题，降低了其测试和验证成本。
Description
技术领域
本发明涉及微电子行业集成电路制造领域，尤其涉及一种先进过程控制(Advanced Process Control，简称APC)系统及其测试方法。
背景技术
随着半导体工艺进入45nm，一方面，集成电路生产线的投资成本不断攀高，为了尽快收回投资成本，需要不断提高设备的生产效率；另一方面，半导体器件加工时的工艺窗口越来越小，对集成电路设备和检测设备制造商提出了更严格的工艺控制要求。以往的统计过程控制(StatisticalProcess Control，简称SPC)和单独对某参数的控制方法已不能适应当前的工艺技术要求。为了提高设备生产效率，使工艺生产线具备可延伸性、灵活性，改善产品质量和连续性，先进过程控制日益得到人们的关注和深入研究。
先进过程控制系统可应用于生产线的各个环节，几乎可以涵盖所有的工艺工序，如薄膜沉积、光刻等，与各种测量设备紧密结合形成完整的控制体系，严格的将各种工艺参数控制在规定的指标范围内。先进过程控制系统结合了SPC与回馈控制，利用过去的过程资料数据，根据最后所需要达到的目标选择合适的模型及控制策略，进一步结合前一道工序中的晶圆(Wafer)参数预测出下一批制造过程的设备参数设置，及时纠正误差，降低因机台老化、材料寿命或周围环境调节的改变造成的设备漂移。保证机台与过程设备的良好稳定运行，缩小Wafer产出的变异，提高设备利用效率及成品率。
先进过程控制系统是一个自动化程度很高的系统，由于先进过程控制系统的开发需要结合工厂的硬件环境和现有的控制系统，使APC系统的验证工作具有很大的困难。先进过程控制系统涉及到代工厂(Foundry)的工艺设备、数据库等，先进过程控制的验证必须得到代工厂的大力支持才能得到比较准确的验证结果。
本申请人意识到现有技术存在如下技术缺陷：如果将先进过程控制系统放入晶圆厂进行验证测试，验证系统的正确性与准确性将会影响晶圆厂的不间断工作过程，时间花费较长，成本过高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种先进过程控制系统及其测试方法，以克服先进过程控制系统不易测试与验证的问题，加速系统开发，降低系统的开发成本。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种先进过程控制系统。该先进过程控制系统与虚拟制造系统相连接，包括：实时控制模块、实时错误检测模块、错误分类与响应模块和反馈/回馈控制模块。实时控制模块，用于所述先进过程控制系统和所述虚拟制造系统之间的数据交互。实时错误检测模块，通过所述实时控制模块与虚拟制造系统的数据采集模块相连接，用于从虚拟制造系统的数据采集模块获取虚拟工艺制造过程中的产品性能参数，并比照预设的产品性能参数，对虚拟工艺制造过程中产品性能参数进行错误检测，该实时错误检测模块检测到金属厚度减小过快的错误或在金属厚度减小过快的同时，伴随碟形增大的错误。错误分类与响应模块，与所述实时错误检测模块相连接，用于针对检测出的错误进行分类，并查找产生该错误的原因，该错误分类与响应模块将金属厚度减小过快的错误分类至由于整体参数偏移引起的错误种类，而产生该错误的原因为研磨压力过大；将金属厚度减小过快的同时伴随碟形增大的错误分类至由于整体参数偏移引起的错误种类，而产生该错误的原因为研磨液过量引起金属与介质化学反应不一致而导致研磨速度相差较大。反馈/回馈控制模块，与所述错误分类与响应模块相连接，用于根据产生错误的原因，调用相应的校正模型对该错误相关的工艺/设备参数进行校正，对金属厚度减小过快的错误调用校正模型来校正研磨压力参数，对金属厚度减小过快的同时伴随碟形增大的错误调用另一校正模型研磨液供应量，得到校正后的工艺设备参数，并将校正后的工艺设备参数通过所述实时控制模块发送至虚拟制造系统的过程控制模块。
根据本发明的再一个方面，提供了一种先进过程控制系统的测试方法。该先进过程控制系统与虚拟制造系统相连接，包括：从虚拟制造系统的数据采集模块获取虚拟工艺制造过程中的产品性能参数，并比照预设的产品性能参数，对虚拟工艺制造过程中产品性能参数进行错误检测，检测到金属厚度减小过快的错误或在金属厚度减小过快的同时，伴随碟形增大的错误；针对检测出的错误进行分类，并查找产生该错误的原因，将金属厚度减小过快的错误分类至由于整体参数偏移引起的错误种类，而产生该错误的原因为研磨压力过大；将金属厚度减小过快的同时伴随碟形增大的错误分类至由于整体参数偏移引起的错误种类，而产生该错误的原因为研磨液过量引起金属与介质化学反应不一致而导致研磨速度相差较大；根据产生所述错误的原因，调用相应的校正模型对该错误相关的工艺设备参数进行校正，对金属厚度减小过快的错误调用校正模型来校正研磨压力参数，对金属厚度减小过快的同时伴随碟形增大的错误调用另一校正模型研磨液供应量，而后将校正后的工艺设备参数发送至虚拟制造系统的过程控制模块，从而完成所述先进过程控制系统的验证测试。
(三)有益效果
从上述技术方案可知，本发明中，用虚拟制造系统作为验证先进过程控制(APC)的工具，具有以下有益效果：
(1)避免先进过程控制系统嵌入实际工艺线时需要花费大量时间以及工艺设备因为先进过程控制系统的测试造成无法正常进行生产的问题，降低先进过程控制系统的测试和验证成本；
(2)用虚拟制造系统验证先进过程控制系统大大缩短了系统开发周期，由于先进过程控制系统与工艺设备的紧密联系，与先进过程控制系统相关的工作必须得到设备厂的大力支持，虚拟制造系统的使用使先进过程控制系统的测试与验证能够随时进行，并较易重现，根据结果调整系统中存在的问题，克服了先进过程控制系统不易测试和不易校正的问题，为进一步嵌入到实际工艺做好充分准备。
附图说明
图1为现有技术虚拟制造系统的结构示意图；
图2为本发明先进过程控制系统的结构示意图；
图3为本发明实施例先进过程控制系统的结构示意图；
图4为本发明实施例先进过程控制系统测试方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。
虚拟制造系统(Virtual Manufacturing Fab，简称：虚拟Fab)是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题的技术。在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型(Soft Prototype)代替传统的硬样品(Hard Prototype)进行试验，合理选择和调整工艺过程,选择最佳的工艺条件，也就是进行工艺条件的优化和模拟，对其性能和可制造性进行预测和评价。图1为现有技术虚拟制造系统的结构示意图。如图1所示，虚拟制造系统包括：设备控制模块、过程控制模块、制造控制模块、数据采集模块和数据库模块。其中，设备控制模块控制设备的开启停止、维护等状态，过程控制模块控制过程当中的工艺参数及实时调整。制造控制模块根据多重控制模块提供的工艺参数进行制造过程的仿真。数据采集模块进行产品性能参数的收集，并将数据传给数据库模块进程数据存储。此外过程控制模块将工艺参数提供给数据库进行存储。设备控制模块将设备状态及控制指令提供给数据库进行存储。
如图2所示，本发明先进过程控制系统主要包括：过程修正部分和错误管理部分。过程修正部分又包括：反馈/回馈控制模块和实时控制模块；错误管理部分又包括：实时错误检测模块和错误分类与响应模块。错误管理部分的实时错误检测模块检测是否出现错误，错误分类与响应模块针对检测出的错误进行分类，根据错误分类查找产生该错误的原因。过程修正部分的反馈/回馈控制模块，根据产生错误的原因，调用校正模型得到需要调整的参数，实时控制模块负责完成先进过程控制系统数据与外界数据的实时通讯。举例来说，实时错误检测模块检测到化学机械研磨工艺中出现的金属厚度减小过快的错误；错误分类与响应模块将该金属厚度减小过快的错误分类至由于整体参数偏移引起的错误种类，而产生该错误的原因为研磨压力过大；反馈/回馈控制模块根据该错误原因，调用校正模型来校正研磨压力参数。而如果实时错误检测模块发现在金属厚度减小过快的同时，伴随碟形(金属厚度与介质厚度之差)增大；则错误分类与响应模块将该错误分类至由于整体参数偏移引起的错误种类，而产生该错误的原因为研磨液过量引起金属与介质化学反应不一致而导致研磨速度相差较大；反馈/回馈控制模块根据该错误原因，调用另一校正模型研磨液供应量。
在本发明中，将实际工艺线替换为虚拟制造系统进行先进过程控制系统验证与测试。由于虚拟制造系统为软件系统工具，通过接口技术将先进过程控制系统集成入虚拟制造系统中，验证先进过程控制系统的可行性与有效性。
在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种先进过程控制系统。图3为本发明实施例先进过程控制系统的结构示意图。如图3所示，将先进过程控制系统的实时错误检测模块的输入通过实时控制模块与虚拟制造系统的数据采集模块相连接，反馈/回馈控制模块的输出通过实时控制模块与虚拟制造系统的制造控制模块相连接。
本发明实施例先进过程控制系统中，实时错误检测模块，通过实时控制模块与虚拟制造系统的数据采集模块相连接，用于从虚拟制造系统的数据采集模块获取虚拟工艺制造过程中的产品性能参数，并比照预设的产品性能参数，对虚拟工艺制造过程中产品性能参数进行错误检测；错误分类与响应模块，与实时错误检测模块相连接，用于针对检测出的错误进行分类，查找产生该错误的原因；反馈/回馈控制模块，与错误分类与响应模块相连接，用于根据产生错误的原因，调用相应的校正模型对错误相关的工艺设备参数进行校正，并将校正后的工艺设备参数通过实时控制模块发送至虚拟制造系统的过程控制模块。同时，反馈/回馈控制模块还将校正后的工艺设备参数通过实时控制模块发送至虚拟制造系统的数据库模块用于存储。
为了进一步提升先进过程控制系统的参数优化和自学习的功能，本实施例的反馈/回馈控制模块，还通过实时控制模块与虚拟制造系统的数据库模块相连接，用于从虚拟制造系统的数据库模块获得设备工艺设备参数调整前后半导体晶片的产品性能参数，判断半导体晶片的性能改善是否达到预期效果，在未达到预期效果时，对校正模型进行调整。此处，对校正模型进行调整的形式有两种：一种是更换校正模型的种类；另一种是修正校正模型的拟合参数。
可供选择的校正模型的种类有：MMSE控制方法、PID控制方法和混沌优化算法。对于修正校正模型的参数，例如：对于MMSE控制算法，t时刻的调整量为
如果没有得到预设的性能改善，调整参数δ，g的值，其中，et为t时刻的偏差值，θ为调整因子。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种先进过程控制系统测试方法。图4为本发明实施例先进过程控制系统测试方法的流程图。如图4所示，本实施例包括：
步骤S402，虚拟制造系统的过程控制模块将过程当中的工艺设备参数发送至制造控制模块；
步骤S404，虚拟制造系统的制造控制模块根据上述工艺设备参数进行虚拟工艺制造过程；
步骤S406，虚拟制造系统的数据采集模块实时采集工艺制造过程中产品性能参数，包括单个晶片(Wafer)或者一组晶片(Lot)进行工艺制程前后的产品性能参数，并将产品性能参数发送虚拟制造系统的数据库模块和先进过程控制系统；
步骤S408a，先进过程控制系统实时错误检测模块从虚拟制造系统的数据采集模块获取虚拟工艺制造过程中的产品性能参数，并比照预设的产品性能参数，对虚拟工艺制造过程中产品性能参数进行错误检测；
步骤S408b，如果虚拟工艺制造过程中产品性能参数与预设的产品性能参数相符，则执行步骤S414，否则，执行步骤S410。
假设产品性能参数，例如Cu厚度为Yt，则在先进过程控制系统的实时错误检测模块，应用下列公式计算平均厚度的统计量：
EWMAt＝λYt+(1-λ)EWMAt-1。
将统计数据与比较标准上限及下限进行比对，若EWMAt超出上下限，表示过程出现异变，μ为测量值，σ为测量值标准差，可计算出，超过上下限的偏差值为et为t时刻的偏差值，EWMAt为统计量值，μ为Cu厚度平均值，σ为Cu厚度均方差，λ为加权因子。
步骤S410，错误分类与响应模块针对检测出的错误进行分类，判断出错误产生原因并给出对应的响应策略；
如果超过下限偏差值错误分类与响应模块针将此错误归为工艺参数偏移，判断出错误产生原因是研磨垫压强偏大，并给出对应的响应策略-减小研磨垫压强。
步骤S412，反馈/回馈控制模块根据错误分类和预设策略调用相应的校正模型得到校正后的工艺设备参数，并将校正后的工艺设备参数通过实时控制模块发送至虚拟制造系统的过程控制模块；
反馈/回馈控制模块调用指数加权位移平均模型(EWMA模型)对研磨垫压强工艺参数进行调整，调整量为其中，各参数的物理含义同上面相同，不再重述。
步骤S414，完成先进过程控制系统的测试，流程结束。
在本发明的另一个优选实施例中，步骤S414之后还可以包括：
步骤S416，虚拟制造系统的过程控制模块将过程当中的工艺设备参数发送至制造控制模块；
步骤S418，虚拟制造系统的制造控制模块根据上述工艺设备参数进行虚拟工艺制造过程；
步骤S420，虚拟制造系统的数据采集模块实时采集工艺制造过程中产品性能参数，并将其存储至其数据库模块；
步骤S422，反馈/回馈控制模块从虚拟制造系统的数据库模块获得设备工艺设备参数调整前后半导体晶片的产品性能参数，判断半导体晶片的性能改善是否达到预期效果，如果是，执行步骤S426，否则，执行步骤S424；
步骤S424，反馈/回馈控制模块对校正模型进行调整，运用调整后的校正模块对工艺设备参数重新进行校正，并将校正后的工艺设备参数通过实时控制模块发送至虚拟制造系统的过程控制模块，执行步骤S416；
假设工艺变换前后的产品性能参数为Yt和Yt’。发现铜厚度变化(variation)(均方差>加入先进过程控制系统之前)，厚度变化未得到改善。则利用上述的方法来对校正模型进行校正；
步骤S426，流程结束。
从上述实施例可知，本发明中，用虚拟制造系统作为验证先进过程控制(先进过程控制系统)的验证测试工具，具有以下有益效果：
(1)避免先进过程控制系统嵌入实际工艺线时需要花费大量时间以及工艺设备因为先进过程控制系统的测试造成无法正常进行生产的问题，降低先进过程控制系统的测试和验证成本；
(2)用虚拟FAB验证先进过程控制系统大大缩短了系统开发周期，由于先进过程控制系统与工艺设备的紧密联系，与先进过程控制系统相关的工作必须得到设备厂的大力支持，虚拟FAB的使用使先进过程控制系统的测试与验证能够随时进行，并较易重现，根据结果调整系统中存在的问题，克服了先进过程控制系统不易测试和不易校正的问题，为进一步嵌入到实际工艺做好充分准备。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种先进过程控制系统，其特征在于，与虚拟制造系统相连接，包括：
实时控制模块，用于所述先进过程控制系统和所述虚拟制造系统之间的数据交互；
实时错误检测模块，通过所述实时控制模块与虚拟制造系统的数据采集模块相连接，用于从虚拟制造系统的数据采集模块获取虚拟工艺制造过程中的产品性能参数，并比照预设的产品性能参数，对虚拟工艺制造过程中产品性能参数进行错误检测，该实时错误检测模块检测到金属厚度减小过快的错误或在金属厚度减小过快的同时，伴随碟形增大的错误；
错误分类与响应模块，与所述实时错误检测模块相连接，用于针对检测出的错误进行分类，并查找产生该错误的原因，该错误分类与响应模块将金属厚度减小过快的错误分类至由于整体参数偏移引起的错误种类，而产生该错误的原因为研磨压力过大；将金属厚度减小过快的同时伴随碟形增大的错误分类至由于整体参数偏移引起的错误种类，而产生该错误的原因为研磨液过量引起金属与介质化学反应不一致而导致研磨速度相差较大；
反馈/回馈控制模块，与所述错误分类与响应模块相连接，用于根据产生错误的原因，调用相应的校正模型对该错误相关的工艺/设备参数进行校正，对金属厚度减小过快的错误调用校正模型来校正研磨压力参数，对金属厚度减小过快的同时伴随碟形增大的错误调用另一校正模型研磨液供应量，得到校正后的工艺设备参数，并将校正后的工艺设备参数通过所述实时控制模块发送至虚拟制造系统的过程控制模块。
2.根据权利要求1所述的先进过程控制系统，其特征在于，
所述反馈/回馈控制模块，还用于将校正后的工艺设备参数通过所述实时控制模块发送至虚拟制造系统的数据库模块进行存储。
3.根据权利要求2所述的先进过程控制系统，其特征在于，
反馈/回馈控制模块，与虚拟制造系统的数据库模块相连接，用于从虚拟制造系统的数据库模块获得设备工艺设备参数调整前后半导体晶片的产品性能参数，判断半导体晶片的性能改善是否达到预期效果，在未达到预期效果时，对校正模型进行调整，根据调整后的校正模型重新对工艺设备参数进行校正。
4.根据权利要求3所述的先进过程控制系统，其特征在于，所述反馈/回馈控制模块包括：
参数调整子模块，用于对所述校正模型的参数进行调整；或
模型调整子模块，用于更换所述校正模型。
5.根据权利要求3所述的先进过程控制系统，其特征在于，所述校正模型选自以下模型中的一种：MMSE控制方法、PID控制方法和混沌优化算法。
6.一种权利要求1所述先进过程控制系统的测试方法，其特征在于，所述先进过程控制系统与虚拟制造系统相连接，包括：
从虚拟制造系统的数据采集模块获取虚拟工艺制造过程中的产品性能参数，并比照预设的产品性能参数，对虚拟工艺制造过程中产品性能参数进行错误检测，检测到金属厚度减小过快的错误或在金属厚度减小过快的同时，伴随碟形增大的错误；
针对检测出的错误进行分类，并查找产生该错误的原因，将金属厚度减小过快的错误分类至由于整体参数偏移引起的错误种类，而产生该错误的原因为研磨压力过大；将金属厚度减小过快的同时伴随碟形增大的错误分类至由于整体参数偏移引起的错误种类，而产生该错误的原因为研磨液过量引起金属与介质化学反应不一致而导致研磨速度相差较大；
根据产生所述错误的原因，调用相应的校正模型对该错误相关的工艺设备参数进行校正，对金属厚度减小过快的错误调用校正模型来校正研磨压力参数，对金属厚度减小过快的同时伴随碟形增大的错误调用另一校正模型研磨液供应量，而后将校正后的工艺设备参数发送至虚拟制造系统的过程控制模块，从而完成所述先进过程控制系统的验证测试。
7.根据权利要求6所述的先进过程控制系统的测试方法，其特征在于，所述将校正后的工艺设备参数发送至虚拟制造系统的过程控制模块的同时还包括：
将校正后的工艺设备参数通过实时控制模块发送至虚拟制造系统的数据库模块存储。
8.根据权利要求7所述的先进过程控制系统的测试方法，其特征在于，所述将校正后的工艺设备参数发送至虚拟制造系统的过程控制模块之后还包括：
从虚拟制造系统的数据库模块获得设备工艺设备参数调整前后半导体晶片的产品性能参数，判断半导体晶片的性能改善是否达到预期效果，在未达到预期效果时，对校正模型进行调整，根据调整后的校正模型重新对工艺设备参数进行校正。
9.根据权利要求8所述的先进过程控制系统的测试方法，其特征在于，所述对校正模型进行调整包括：
对所述校正模型的参数进行调整；或更换所述校正模型。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |