CN103904003A

CN103904003A - 一种混合反馈式先进过程控制系统

Info

Publication number: CN103904003A
Application number: CN201210568146.7A
Authority: CN
Inventors: 蔡博修; 林益世
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Corp
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-12-24
Also published as: CN103904003B

Abstract

本发明涉及一种混合反馈式先进过程控制系统，包括测量SEM关键尺寸的扫描电子显微镜模块，所述扫描电子显微镜模块将测量得到的SEM关键尺寸数据与曝光能量建立反馈关联，对曝光能量进行监控，其特征在于，所述系统还包括测量光学关键尺寸的光学模块，所述光学模块通过将收集的光学关键尺寸数据与所述SEM关键尺寸数据建立关联，进而与所述曝光能量建立反馈关联，对非关键工艺层的曝光能量进行监控，以降低所述扫描电子显微镜关键尺寸模块负载，提高产能。在本发明中通过将测量关键尺寸的光学模块（OCD）引入所述混合反馈式先进过程控制系统中，解决了现有技术中采用CDSEM量产低、耗时长、成本低的瓶颈，使工艺更加稳定。

Description

一种混合反馈式先进过程控制系统

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种混合反馈式先进过程控制系统。

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（Statistical Process 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（Advanced Process Control，简称APC）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。

现有技术中所述先进过程控制（Advanced Process Control，APC）通常仅只有测量关键尺寸的扫描电子显微镜（CDSEM）作为曝光能量反馈控制的输入源，对于每片晶圆都不可避免的经过真空循环测量，造成了所述工艺时间延长，成本提高。非关键工艺层例如LDD注入占用宝贵的CDSEM工具时间，阻碍了蚀刻阶段的整体生产量。光学关键尺寸（Optical CD，OCD）在整个快速生产过程中成为非关键工艺层中关键尺寸控制的另外一种选择，但是现有技术中比较成熟的先进过程控制（Advanced Process Control，APC）框架仍然缺乏多个输入源的类型和计量之间的无缝切换，光学关键尺寸（OpticalCD，OCD）在测量特征选择上具有局限性，同时具有不同的测量物理量，因此，光学关键尺寸（Optical CD，OCD）不能和所述CDSEM共享所述先进过程控制（Advanced Process Control，APC）的监控，需要对其建立间接的关联。

因此，虽然所述先进过程控制（Advanced Process Control，APC）具有很多优点被广泛应用，但是其不能实现所述OCD和CDSEM的无缝切换，使整个加工过程时间花费较长，成本过高，限制了其进一步的发展和应用，成为目前亟需解决的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明提供了一种混合反馈式先进过程控制系统，包括测量SEM关键尺寸的扫描电子显微镜模块，所述扫描电子显微镜模块将测量得到的SEM关键尺寸数据与曝光能量建立反馈关联，对曝光能量进行监控，所述系统还包括测量光学关键尺寸的光学模块，所述光学模块通过将收集的光学关键尺寸数据与所述SEM关键尺寸数据建立关联，进而与所述曝光能量建立反馈关联，对非关键工艺层的曝光能量进行监控，以降低所述扫描电子显微镜关键尺寸模块负载，提高产能。

作为优选，所述系统包括调试模式、监控模式和上线模式；

其中，在所述调试模式中将光学关键尺寸数据与所述SEM关键尺寸数据建立关联，同时通过SEM关键尺寸与曝光能量建立反馈关联；

所述监控模式将所述光学关键尺寸数据与所述曝光能量建立反馈关联并进行调整，同时对系统的稳定性测试；

所述上线模式根据光学关键尺寸数据对上线器件的曝光量进行监控。

作为优选，在所述调试模式中，所述光学模块包括数据关联单元，所述数据关联单元收集光学关键尺寸数据，并与SEM关键尺寸数据建立关联，得到模拟SEM关键尺寸，并存储于所述数据关联单元；

所述扫描电子显微镜模块包括第一能量反馈单元，所述第一能量反馈单元收集上线模式中SEM关键尺寸和曝光能量，并建立两者之间的关联。

作为优选，在所述监控模式中，所述系统还进一步包含反馈单元；

所述光学模块包括数据关联单元，所述数据关联单元收集光学关键尺寸数据，并与SEM关键尺寸数据建立关联，得到模拟SEM关键尺寸，并存储于所述数据关联单元；

所述扫描电子显微镜模块包括第二能量反馈单元，所述第二能量反馈单元读取所述数据关联单元中的模拟SEM关键尺寸，与所述曝光能量关联，然后传入反馈单元；

所述反馈单元根据所述模拟SEM关键尺寸，与所述曝光能量之间的关联判断是否在所述设定标准范围内，并根据判断做出通过或者报警结果。

作为优选，在所述监控模式下，所述系统还包括光学关键尺寸反馈单元，所述光学关键尺寸反馈单元读取所述数据关联单元中模拟SEM关键尺寸，和所述SEM关键尺寸比较，并将比较结果和设定具体范围比较，做出通过或者报警结果。

作为优选，在所述监控模式下，所述系统还包括母层控制单元，对于同一类的光学关键尺寸数据在所述母层控制单元中保留一个母层，在切换到所述上线模式时，所述母层持续使用监控模式，当母层发生报警后，冻结上线模式。

作为优选，在所述上线模式中，所述光学模块包括数据关联单元，所述数据关联单元收集光学关键尺寸数据，并与SEM关键尺寸数据建立关联，得到模拟SEM关键尺寸，并存储于所述数据关联单元；

所述扫描电子显微镜模块包括第二能量反馈单元，所述第二能量反馈单元读取所述数据关联单元中的模拟SEM关键尺寸，和所述曝光能量关联，然后传入反馈单元；

所述反馈单元根据所述模拟扫描电子显微镜关键尺寸，和所述曝光能量之间的关联判断是否在所述设定标准范围内，并根据判断做出通过或者报警结果。

作为优选，所述反馈单元根据监控模式中母层控制单元发出的安全信息，发出报警，并冻结所述上线模式。

作为优选，所述系统包括开关模块，所述开关模块确保在工艺开发和量产中能够根据需要进行独立上线，下线，无缝切换对曝光能量的反馈。

作为优选，所述开关模块包括人工开关、周期性母层轮班开关和安全保证开关。

作为优选，所述人工开关由工程师判断对应新工艺的光学关键尺寸数据量测建立成熟度，在三种模式中进行手动切换。

作为优选，所述周期性母层轮班开关用于在大量量产产品处于上线模式的情况下，系统周期性的在每种器件对应的所有工艺层中切换母层，以确保更好的预警效果。

作为优选，所述安全保证开关确保在上线模式中当母层控制单元报警后，则启动所述安全保证开关，以冻结所述上线模式，在重启后强制回到调试模式。

本发明提供了一种混合反馈式先进过程控制系统，所述系统中增加了测量光学关键尺寸的光学模块（OCD），利用该混合反馈式APC系统设计实现利用OCD提升非关键工艺层的产能，降低CDSEM的负载，缩短工艺时间，提高了量产，同时降低了生产成本。

此外，利用三种反馈模式结合三种工艺流程的网状结构实现OCD和CDSEM作为不同的反馈输入源独立上下线，无缝切换，利用OCD量测值到CDSEM量测值，CDSEM量测值到能量反馈两步关联（correlation）实现OCD和CDSEM作为独立反馈输入源可以交互参考，互为反馈，互相监督，灵活协调提高产能和提高系统稳定性与敏感度的平衡。

最后，在本发明中通过将测量关键尺寸的光学模块（OCD）引入所述混合反馈式先进过程控制系统中，使所述OCD量产大的有点以及线轮廓敏感（line profile sensitivity）的灵敏度得到更好的利用，解决了现有技术中采用CDSEM量产低、耗时长、成本低的瓶颈，同时通过合适的无缝切换降低了所述混合反馈的风险，使工艺更加稳定。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1为本发明所述系统在所述调试模式下的工艺流程图；

图2为本发明所述系统在所述监控模式下的工艺流程图；

图3为本发明所述系统在所述上线模式下的工艺流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明所述系统，并结合所述附图对所述系统的工作方式进行说明。显然，本发明的施行并不限于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

本发明提供了一种混合反馈式先进过程控制系统，包括测量关键尺寸的扫描电子显微镜模块，通过扫描电子显微镜测量的关键尺寸数据和曝光能量建立反馈关联，对曝光能量进行监控，所述系统还包括测量关键尺寸的光学模块，所述光学模块将收集的光学关键尺寸数据和所述扫描电子显微镜测量的关键尺寸数据建立关联，进而和所述曝光能量建立反馈关联，对非关键工艺层的曝光能量进行监控，以降低所述扫描电子显微镜关键尺寸模块负载，提高产能。

在本发明中所述监控系统包括调试模式、监控模式和上线模式三中模式，下面结合图1-3对每种模式下的组成以及工作方式作进一步的说明，首先参照图1，图1为所述系统在调试模式下的构成以及工作流程，在所述调试模式中将光学关键尺寸数据和所述扫描电子显微镜测量的关键尺寸数据建立关联，同时通过器件关键尺寸和曝光能量建立反馈关联；

具体地，在所述调试模式中，所述光学模块包括数据关联单元，所述数据关联单元收集关键尺寸的光学数据（OCD数据），并和扫描电子显微镜测得到关键尺寸数据（CDSEM数据）通过CDSEM/OCD关联公式建立关联，得到模拟扫描电子显微镜关键尺寸，并存储于所述数据关联单元中，例如储存于所述数据关联单元中的数据库中；

所述扫描电子显微镜模块包括第一能量反馈单元，所述第一能量反馈单元收集上线模式中扫描电子显微镜测得到关键尺寸和曝光能量，并建立两者之间的关联。

作为本发明的一种实施方式，任何一个新工艺层上线之初，需要建立OCD的数据库（recipe，library），然后建立与CDSEM的关联，这个阶段OCD无法做能量反馈。但需要收集上线器件的数据辅助工程师建立能量反馈表1。在该模式下同时有CDSEM和OCD的站点，CDSEM使用能量反馈表1负责反馈。OCD站点数据同时被收集并通过OCD和CDSEM关联公式转换成模拟CDSEM数据，保存住以供工程师调试参考。

图2为本发明所述系统在监控模式下的构成及工作流程示意图，在初步的OCD数据与初步的OCD和CDSEM之间的关联确定之后切换到监控模式实现对OCD的能量反馈单元进行调整和对系统稳定性的测试；

所述监控模式将所述光学关键尺寸数据和所述曝光能量建立反馈关联并进行调整，同时对系统的稳定性测试。

在所述监控模式中，所述系统还进一步包含反馈单元；

所述光学模块包括数据关联单元，所述数据关联单元收集关键尺寸的光学数据，并和扫描电子显微镜测得到关键尺寸数据建立关联，得到模拟扫描电子显微镜关键尺寸，并存储于所述数据关联单元；

所述扫描电子显微镜模块包括第二能量反馈单元，所述第二能量反馈单元读取所述数据关联单元中的模拟扫描电子显微镜关键尺寸，和所述曝光能量关联，然后传入反馈单元；

在所述监控模式下，所述系统还包括光学关键尺寸反馈单元，所述光学关键尺寸反馈单元读取所述数据关联单元中模拟扫描电子显微镜关键尺寸，和所述扫描电子显微镜关键尺寸比较，并将比较结果和设定具体范围比较，做出通过或者报警结果。

在所述仍然同时有CDSEM和OCD站点，在本发明的一具体实施方式中，如图2所示，所述OCD负责反馈，反馈流程为OCD数据收集，OCD和CDSEM之间的关联处理；然后送入第二能量反馈单元，例如能量反馈表2，其中所述能量反馈表2的公式和能量反馈表1是一样的，只是存储的数据库不同；与单一OCD反馈不同，除去APC系统的设定标准范围之外，APC系统还将收集CDSEM的数据，并用经过关联的OCD数据与CDSEM数据做比较。如果差别超过设定具体范围，也会忽略这笔数据，同时发出警报，根据OCD量测的性质，在OCD APC批量上线之后，对于一类OCD模板我们保留一个‘母层’持续使用监控模式；一旦母层规格警报，与其共享OCD模板的所有子层都被冻结。

如图3所示，除去少数用于抽检的母层，大部分工艺层在一段时间监控稳定后进入提升进入上线模式，所述上线模式根据光学关键尺寸数据对上线器件的曝光量进行监控，所述上线模式中，所述光学模块包括数据关联单元，所述数据关联单元收集关键尺寸的光学数据，并和扫描电子显微镜测得到关键尺寸数据建立关联，得到模拟扫描电子显微镜关键尺寸，并存储于所述数据关联单元；

所述反馈单元根据所述模拟扫描电子显微镜关键尺寸，和所述曝光能量之间的关联判断是否在所述设定标准范围内，并根据判断做出通过或者报警结果，所述反馈单元还可以根据监控模式中母层控制单元发出的安全信息，发出报警，并冻结所述上线模式。

所述上线模式不设CDSEM站点，只设OCD站点，在本发明的一具体实施方式中，所述APC系统收集OCD数据后，先做OCD和CDSEM之间的关联处理，然后送入第二能量反馈单元进行反馈，例如能量反馈表2，上线模式的设定标准（gauge）除去传统的能量规格和能量变化规格外，还有从它的母层监控模式送出的安全信息，一旦母层监控模式报警，则该上线模式被冻结，并在重启后强制回到调试模式

作为优选，对OCD送出数据的质量作判断是一个必要的环节，可以收进第二能量反馈单元做判断，也可以在MES端送出data前判断。在送data端判断的方式是，CD数据和GOF（Goodness of Fitting）数据先进chart，如无超出指标范围（out of spec，OOS）/超出控制范围（out of control，OOC）的情况，再送入PC系统的设定标准范围进行判断。

对于OCD量测数据的质量判断，可以在数据送入Photo APC数据库之前就进行判断，所述质量判断的方式为，OCD送出量测数据到MES系统（统一管理整个生产线上的数据流），由MES判断量测出来的CD值和GOF是否在规定范围内，如有超标则禁止该数据被送入Photo APC的数据库。

其中，所述超出指标范围（out of spec，OOS），超出控制范围（=out ofcontrol，OOC），均为本领域常用工艺控制的术语，而所述Spec则一般根据实际工程需要来定义，一旦超出指标范围（out of spec），则说明该工艺将会使产品失效，必须停机检查。而超出控制范围（out of contro)l）中的控制（control），实际指控制限制（control limit）。所述Control limit是一个成熟工艺在一段时间跑货后积累下来的变化，也就代表了成熟工艺本征的稳定性。一旦超出控制范围（out of control），则当前工艺状况发生异常，需要停机检查。一般情况下OOC要比OOS更加严格。

具体地，其中，在本发明中所述OCD量测为一种间接量测。在本发明的一实施例中，针对需要测量的工艺，对于稳定的基准（baseline）样品进行建模，一旦建模完成，则可以模拟实际工艺在基准（baseline）基础上产生变化（variation）时，模型对各种变化（variation）的反馈模式。建立好的模型被称作数据库（library），这个library相当于一个由光谱组成的库文件。其中的不同光谱代表了工艺产生各种变化（variation）时样品对于OCD探测光的响应情况。在实际量测过程中，OCD接受到的实际响应光谱被用来与已经建立好的光谱库中的所有光谱进行对比，相似度最高的一条所对应的工艺variation被定义为量测结果。由于这种量测模式，需要判断被筛选出的相似度最高的一条光谱究竟与实际光谱的相似程度有多高。这个程度越高说明量测结果越为准确可信，如果相似程度低，则很可能说明该过程（process）的变化（variation）超出了数据库（library）可以覆盖（cover）的变化（variation）范围，此时的量测结果不可信。

作为优选，所述系统包括开关模块，所述开关模块包括人工开关、周期性母层轮班开关和安全保证开关，其中，所述人工开关由工程师判断对应新工艺的OCD量测建立成熟度在三种模式中进行手动切换；所述周期性母层轮班开关在大量量产产品处于上线模式的情况下，系统周期性的在每种OCDmodel对应的所有工艺层中切换母层，以确保更好的预警效果；所述安全保证开关在上线模式中因为母层报警被freeze的工艺层，在重启后强制回到调试模式。本设计中的APC系统通过三模式，三开关方案确保CDSEM与OCD在工艺开发和量产中能够根据需要进行独立上线，下线，无缝切换对曝光能量的反馈。并能灵活协调提高产能和提高系统稳定性与敏感度的平衡。本发明提供了一种混合反馈式先进过程控制系统，所述系统中增加了测量关键尺寸的光学模块（OCD），利用该混合反馈式APC系统设计实现利用OCD提升非关键工艺层的产能，降低CDSEM的负载，缩短工艺时间，提高了量产，同时降低了生产成本。

在本发明中通过将测量关键尺寸的光学模块（OCD）引入所述混合反馈式先进过程控制系统中，使所述OCD量产大的有点以及线轮廓敏感（lineprofile sensitivity）的灵敏度得到更好的利用，解决了现有技术中采用CDSEM量产低、耗时长、成本低的瓶颈，同时通过合适的无缝切换降低了所述混合反馈的风险，使工艺更加稳定。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种混合反馈式先进过程控制系统，包括测量SEM关键尺寸的扫描电子显微镜模块，所述扫描电子显微镜模块将测量得到的SEM关键尺寸数据与曝光能量建立反馈关联，对曝光能量进行监控，其特征在于，所述系统还包括测量光学关键尺寸的光学模块，所述光学模块通过将收集的光学关键尺寸数据与所述SEM关键尺寸数据建立关联，进而与所述曝光能量建立反馈关联，对非关键工艺层的曝光能量进行监控，以降低所述扫描电子显微镜关键尺寸模块负载，提高产能。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括调试模式、监控模式和上线模式；

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述调试模式中，所述光学模块包括数据关联单元，所述数据关联单元收集光学关键尺寸数据，并与SEM关键尺寸数据建立关联，得到模拟SEM关键尺寸，并存储于所述数据关联单元；

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述监控模式中，所述系统还进一步包含反馈单元；

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，在所述监控模式下，所述系统还包括光学关键尺寸反馈单元，所述光学关键尺寸反馈单元读取所述数据关联单元中模拟SEM关键尺寸，和所述SEM关键尺寸比较，并将比较结果和设定具体范围比较，做出通过或者报警结果。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，在所述监控模式下，所述系统还包括母层控制单元，对于同一类的光学关键尺寸数据在所述母层控制单元中保留一个母层，在切换到所述上线模式时，所述母层持续使用监控模式，当母层发生报警后，冻结上线模式。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述上线模式中，所述光学模块包括数据关联单元，所述数据关联单元收集光学关键尺寸数据，并与SEM关键尺寸数据建立关联，得到模拟SEM关键尺寸，并存储于所述数据关联单元；

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述上线模式中好包括光学数据检测单元，在将所述光学关键尺寸数据和SEM关键尺寸数据建立关联之前，将所述光学关键尺寸数据和基准光学关键尺寸数据比较，判断是否超出指标范围或超出控制范围。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述反馈单元根据监控模式中母层控制单元发出的安全信息，发出报警，并冻结所述上线模式。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括开关模块，所述开关模块确保在工艺开发和量产中能够根据需要进行独立上线，下线，无缝切换对曝光能量的反馈。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述开关模块包括人工开关、周期性母层轮班开关和安全保证开关。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述人工开关由工程师判断对应新工艺的光学关键尺寸数据量测建立成熟度，在三种模式中进行手动切换。

13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述周期性母层轮班开关用于在大量量产产品处于上线模式的情况下，系统周期性的在每种器件对应的所有工艺层中切换母层，以确保更好的预警效果。

14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述安全保证开关确保在上线模式中当母层控制单元报警后，则启动所述安全保证开关，以冻结所述上线模式，在重启后强制回到调试模式。