TW202232361A

TW202232361A - 在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型建構之系統和方法

Info

Publication number: TW202232361A
Application number: TW110138155A
Authority: TW
Inventors: 貢薩洛費霍; 晏一光; 丹尼爾飛肯; 肯尼斯Ｂ格雷內爾
Original assignee: 美商科文特股份有限公司
Priority date: 2020-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2022-08-16
Also published as: CN116348998A; KR20230084568A; JP2023547049A; US20230409775A1; WO2022081840A1

Abstract

討論在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的系統及方法。

Description

在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型建構之系統和方法

本發明係大致上關於在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的系統及方法。 [相關申請案]

本申請案主張2020年10月14日申請之美國臨時專利申請案US 63/091,822的優先權，將其所有內容包含於此作為參考。

整合裝置製造商(IDM)及獨立代工廠處的半導體發展組織花費大量的資源發展用以製造其所販售之晶片(積體電路(IC))之製程操作的整合程序，晶片係來自於晶圓(「晶圓」為半導體材料的薄片，半導體材料常常但並非總是由矽晶所構成)。大部分的資源被花費在製造實驗晶圓及相關的量測、度量(「度量」係指在半導體業界進行的獨特量測類型)及特徵化結構，其目的皆在於確保整合製程能製造出期望的半導體裝置結構。此些實驗晶圓係用於為了發展製造裝置結構用之獨立製程及發展整合性全製程流程用的試誤方案。由於先進技術節點製程流程日益複雜，大部分的實驗製造行程會產生負面或無用的特徵化結果。此些實驗行程在「工廠」(製造環境)中曠日費時(數週至數月)且昂貴。近期之半導體技術進展(包含鰭式場效電晶體(FinFET)、三閘極結構(TriGate)、高介電常數金屬閘極結構(High-K/Metal-Gate)、嵌入式記憶體、及先進圖案化)已大幅地增加了整合性半導體製造製程的複雜度。使用此試誤實驗方法之技術發展的費用與期望已同時增加。

半導體裝置結構用的虛擬製造環境提供執行半導體製程發展用的平臺，此平臺的費用及速度比傳統試誤實體實驗可得到的費用及速度更佳(費用更低、速度更快)。對比於傳統的CAD及TCAD環境，虛擬製造環境能虛擬模型化整合製程流程及預測包含整套技術之所有裝置及電路的完整3D結構。以最簡單的形式說明虛擬製造就是組合整合製程程序之敘述以及2D設計數據(光罩或佈局)形式的目標設計、及產生自真實/實體製造行程之期望結果可預測的3D結構模型。3D結構模型包含材料、植入、擴散等包含晶片或晶片之一部分之複數膜層在幾何上準確的3D形狀。虛擬製造係主要以幾何的方式進行，但所涉及的幾何圖案係由製造製程之物理所決定。藉著在抽象結構層次處執行模型化(而非基於物理之模擬)，可大幅加速結構模型之建構，致能在電路層次面積規模處全技術模型化。因而使用虛擬製造環境能快速地驗證製程假設並視覺化整合製程程序與2D設計數據之間的複雜相互關係。

本發明之實施例提供在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的能力。更具體而言，實施例致使虛擬製造環境能直接自基於體素之模型模型化變形及應力分析而毋須產生順應網格之介面。可在用以製造半導體裝置之製程程序中的指定點處判斷半導體裝置結構之應力場。在某些實施例中，應力場可在製程步驟的程序期間演變，每一步驟之應力場考慮得自先前步驟之應力場。

在一實施例中，一種以計算裝置實施之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的方法包含：一接收步驟，接收欲虛擬製造之一半導體裝置結構用之一製程編輯器中的一選定製程程序，該製程程序包含一使用者指定的變形及應力分析模型化步驟。該變形及應力分析模型化步驟指示在該製程程序期間欲執行該變形及應力分析模型化的一點。該方法更以該計算裝置執行一虛擬製造行程，該虛擬製造行程利用該製程程序及2D設計數據來模型化用以實體製造該半導體裝置結構之一整合製程流程，以模擬用以實體製造該半導體裝置結構所執行的圖案化、材料添加、及/或材料移除步驟。該虛擬製造行程執行該製程程序直到該變形及應力分析模型化步驟並建構該半導體裝置結構的一3D結構模型。該3D結構模型為使用內隱幾何(implicit geometry)表示法之一基於體素之模型，該內隱幾何表示法包含設置於一體素網格中的複數體素並預測該半導體裝置結構之一實體製造的一結果。該虛擬製造行程更執行該變形及應力分析模型化並產生結果數據。該方法額外包含輸出自該變形及應力分析模型化步驟所產生的該結果數據。

在另一實施例中，一種在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的系統包含：配置有一或多個處理器的至少一計算裝置，該至少一計算裝置係用以產生該虛擬製造環境。該虛擬製造環境包含一變形及應力分析模型化模組。該變形及應力分析模型化模組在執行時接收欲虛擬製造之一半導體裝置結構用之一製程編輯器中的一選定製程程序。該製程程序包含一使用者指定的變形及應力分析模型化步驟，該使用者指定的變形及應力分析模型化步驟指示在該製程程序期間欲執行該變形及應力分析模型化的一點。當受到執行時該變形及應力分析模型化模組以該計算裝置執行一虛擬製造行程，該虛擬製造行程利用該製程程序及2D設計數據來模型化用以實體製造該半導體裝置結構之一整合製程流程，以模擬用以實體製造該半導體裝置結構所執行的圖案化、材料添加、及/或材料移除步驟。該虛擬製造行程執行該製程程序直到該變形及應力分析模型化步驟。執行該製程程序建構該半導體裝置結構的一3D結構模型。該3D結構模型為使用內隱幾何表示法之一基於體素之模型，該內隱幾何表示法包含設置於一體素網格中的複數體素並預測該半導體裝置結構之一實體製造的一結果。該虛擬製造行程更執行該變形及應力分析模型化並產生結果數據。該系統更包含與該至少一計算裝置連通之一顯示器，該顯示器係用以輸出自該變形及應力分析模型化步驟所產生的該結果數據。

本發明之實施例提供能致能作為製程程序之一部分之變形及應力分析模型化的虛擬製造環境。然而，在更詳細地討論實施例所提供之變形及應力分析模型化前，先說明可用以實施實施例之例示性3D虛擬製造環境。例示性虛擬製造環境

圖1顯示適合實施本發明之一實施例之例示性虛擬製造環境1。虛擬製造環境1包含由使用者2所接取之計算裝置10。計算裝置10係與顯示器120連通。顯示器120可為計算裝置10之一部的顯示器螢幕、或可為與計算裝置10連通之分離的顯示裝置或顯示表面。計算裝置10可為PC、筆記型電腦、平板計算裝置、伺服器、或具有處理器11且能支援3D模型化引擎75(下面將更進一步說明)之操作的某些其他類型的計算裝置。處理器可具有一或多個核心。計算裝置10亦可包含揮發性及非揮發性儲存裝置，例如但不限於隨機存取記憶體(RAM)12、唯讀記憶體(ROM)13、及硬碟14。計算裝置10亦可配有網路介面15以實現與其他計算裝置的連通。

計算裝置10可儲存及執行包含3D模型化引擎75的虛擬製造應用程式70。3D模型化引擎75可包含一或多個演算法如在虛擬製造半導體裝置結構時所用的演算法1(76)、演算法2(77)、及演算法3(78)。虛擬製造應用程式70亦可包含變形及應力分析模型化模組79，變形及應力分析模型化模組79包含用以模型化變形及應力分析操作用的複數可執行指令。3D模型化引擎75可接受輸入數據20以執行能產生半導體裝置結構模型數據90的虛擬製造「行程」。虛擬製造應用程式70及3D模型化引擎75可產生用以產生及顯示虛擬製造行程之結果的複數使用者介面及畫面。例如，虛擬製造應用程式70及3D模型化引擎75可顯示用以產生虛擬製造行程的佈局編輯器121、製程編輯器122、及虛擬製造控制臺123。虛擬製造應用程式70及3D模型化引擎75亦可顯示表格及圖形化度量結果畫面124及3D畫面125，畫面124及3D畫面125係分別用以顯示虛擬製造半導體裝置結構期間3D模型化引擎75所產生之虛擬製造行程的結果及3D結構模型。

輸入數據20包含2D設計數據30及製程程序40。製程程序40可由複數製程步驟43、44、47及48所構成。如文中所進一步說明的，製程程序40亦可包含一或多個虛擬量測製程步驟45及49。製程程序40更可包含一或多個子程序46，子程序46包含一或多個製程步驟或虛擬量測製程步驟。2D設計數據30包含一或多膜層如通常以業界標準佈局格式如GDS II(圖形化設計系統，版本2)或OASIS(開放式美術品系統互換標準)提供的膜層1(32)、膜層2(34)、及膜層3(36)。

輸入數據20亦可包含材料數據庫60，材料數據庫60材料類型如材料類型1(62)及材料類型2(64)及每一材料類型之特定材料的記錄。製程程序中的許多製程步驟可參考材料數據庫中的一或更多材料。每一材料具有一名稱及某些特性現色。材料數據庫可被儲存在分離的數據結構中。材料數據庫可具有階層，在階層中可依類型與子類型將材料編組。製程程序中的獨立步驟可參考一獨立材料或一母材料類型。材料數據庫中的階層能使參考材料數據庫的製程程序被更輕易地修改。例如，在虛擬製造半導體裝置結構時，可在製程程序期間將複數種氧化物材料添加至結構模型。在添加特定的氧化物之後，接續的步驟可修改該材料。若材料數據庫中並無階層且在現行的製程程序中插入添加新型氧化物材料的步驟，則亦必須修改可影響氧化物材料的所有接續步驟以包含該新型氧化物材料。利用支援階層的材料數據庫，在特定組別之材料如氧化物上操作的步驟可僅參考母類型而非相同類型的材料列表。因此，若在製程程序插入添加新型氧化物材料的步驟，毋須修改僅參考氧化物母類型的接續步驟。因此階層式的材料使製程程序對修改更有彈性。階層式材料的更進一步優點是可產生及重覆使用僅參考母材料類型的庫存製程步驟及程序。

3D模型化引擎75使用輸入數據20執行製程程序40所指定的操作/步驟程序。如下面所更將解釋的，製程程序40可包含一或多個虛擬量測步驟45、49，虛擬量測步驟45、49指示在虛擬製造行程期間之製程程序中應量測結構元件的一點。可利用先前添加至2D設計數據30中之一膜層的定位器形狀進行量測。在一替代性的實施例中，可藉由替代性方式如2D設計數據中的(x, y)座標或2D設計數據30中指定位置的某些其他方式指定量測位置，而非使用定位器形狀。製程程序亦可包含一或多個變形及應力分析模型化步驟50，步驟50指示在虛擬製造行程期間之製程程序中應執行變形模型化及/或應力分析模型化操作的一點。在虛擬製造行程期間執行製程程序40能產生虛擬量測數據80及3D結構模型數據90。3D結構模型數據90可用以產生半導體裝置結構之結構模型的3D畫面，畫面可顯示於3D閱覽器125中。可處理虛擬量測數據80並在表格與圖形化度量結果畫面124中將虛擬量測數據80顯示予使用者2。

圖2顯示虛擬製造環境提供例示性虛擬製造控制臺123以設定虛擬製造行程。虛擬製造控制臺123允許使用者指定正虛擬製造之半導體裝置結構用的製程程序202及佈局(2D設計數據)204。然而應明白，虛擬製造控制臺亦可為基於文字的腳本控制臺，其提供使用者鍵入腳本指令的方式，讓使用者能指定所需的輸入及起始結構模型之建構或對應至製程程序中之特定步驟之參數值範圍之一系列結構模型的建構。後者被認為是虛擬實驗(下面將更進一步討論)。

圖3顯示虛擬製造環境所提供之例示性佈局編輯器。佈局編輯器121顯示使用者在虛擬製造控制臺123中指定的2D設計佈局。在佈局編輯器中，可使用顏色顯示設計數據中的不同膜層。每一膜層上的形狀或多邊形所圍住的區域代表在晶圓上之光阻塗層於整合製程流程中之光微影步驟期間可暴露至光或受到保護不暴露至的區域。可結合一或多膜層上的形狀(布林操作)以形成光微影步驟中所用的遮罩。佈局編輯器121提供在任何膜層上插入、刪除、及修改多邊形的手段以及在2D設計數據內插入、刪除、或修改膜層的手段。可以為了包含指示虛擬量測值之位置之形狀或多邊形的單一目的插入一膜層。已將矩形形狀302、304、306添加至一被插入之膜層(以不同顏色指示)並標記虛擬量測值的位置。如上所述，在本發明之範疇內亦可考慮除了使用定位器形狀之外之指定虛擬量測值之位置的其他方法。共同使用設計數據與製程數據及材料數據庫以建構3D結構模型。

顯示在佈局編輯器121中之設計數據中的插入膜層可包含經插入之定位器形狀。例如，定位器形狀可為矩形，其長邊指示3D結構模型中的量測方向。例如在圖3中，第一定位器形狀302可標記虛擬量測值用的雙圖案化芯模、第二定位器形狀304可標記虛擬量測值用的閘極堆疊、第三定位器形狀306可標記虛擬量測值用的電晶體源極或汲極接觸件。

圖4虛擬製造環境所提供之例示性製程編輯器122。使用者在製程編輯器中定義製程程序。製程程序是為了虛擬製造使用者所選定之結構而進行之製程步驟的有序列表。製程編輯器可為文字編輯器俾使每一行或複數行之群組對應至一製程步驟、或製程編輯器可為特定的使用者圖形化介面如圖4中所示者。製程程序可為階層式的，這表示可將製程步驟分組為子程序及子程序的子程序等。一般而言，製程程序中的每一步驟係對應至工廠中的一真實步驟。例如，反應性離子蝕刻操作用的子程序可包含旋塗光阻、圖案化光阻、及執行蝕刻操作的步驟。使用者針對每一步驟或子步驟指定適合操作類型的參數。某些參數參考材料數據庫中的材料及2D設計數據中的膜層。例如，原始沉積操作用的參數為受到沉積的材料、沉積的標稱厚度、及橫向方向對垂直方向之非等向性或成長比值。此原始沉積操作可用以模型化真實製程如化學汽相沉積(CVD)。類似地，原始蝕刻操作用的參數為遮罩名稱(來自設計數據)、受到此操作影響之材料的列表、及非等向性。

製程程序中可有數百步驟且製程程序可包含子程序。例如，如圖4中所示，製程程序410可包含由複數製程步驟如選定之步驟413所構成的子程序412。可自可用之製程步驟402的資料庫選擇製程步驟。對於選定的步驟413而言，製程編輯器122讓使用者能指定所有所需的參數420。例如，使用者可能能夠自材料數據庫404中的材料列表選擇一材料並針對該材料在製程步驟413中的使用指定製程參數406。

製程程序中的一或多個步驟可為使用者所插入的虛擬度量步驟。例如，在製程程序412中插入步驟4.17「量測CD」(414)會造成，利用先前已插入至2D設計數據中之一或多膜層的一或多個定位器形狀在虛擬製造行程中的該點處獲得虛擬量測值，其中CD代表關鍵尺寸。藉著直接將虛擬度量步驟插入至製造程序中，本發明之實施例能在製造製程期間的目標關鍵點處獲得虛擬量測值。由於虛擬製造中的許多步驟在產生最終結構時相互反應，因此製程發展者及結構設計者極關心在整合性製程流程中的不同點處判斷結構之幾何特性如橫剖面尺寸及表面積的能力。

圖5顯示虛擬製造環境所提供之例示性3D閱覽器125。3D閱覽器125可包含用以顯示3D模型化引擎75所產生之3D模型的3D畫面畫布502。3D閱覽器125可顯示在製程程序中所儲存的狀態504並允許特定狀態506被選定並顯示於3D畫面畫布上。3D閱覽器125提供功能如放大/縮小、旋轉、平移、橫剖面等。選擇性地，使用者可放動3D畫面畫布502中的橫剖面視圖並利用微小上視圖508來操控橫剖面的位置。

雖然建構單一結構模型可能是很有價值的，但在虛擬製造中建構大量模型有更高的價值。虛擬製造環境讓使用者能產生及進行虛擬實驗。在本發明之虛擬實驗中，可探索製程參數之數值的範圍。可藉著指定欲施加至全製程程序中之獨立製程的一組參數值(而非每一參數單一數值)，設定虛擬實驗。可以此方式指定單一製程程序或複數製程程序。接著，以虛擬實驗模式執行的3D模型化引擎75建構橫跨該製程參數組的複數模型，同時使用上述之虛擬量測值操作針對每一變異擷取量測值數據。可使用本發明之實施例所提供之此能力模仿通常在實體工廠環境中執行之兩基礎類型的實驗。首先，製造製程在本質上係以隨機(非確定性)方式變化。如文中所解釋的，本發明之實施例針對每一虛擬製造行程使用一基礎確定性的方式，但其可藉由進行複數行程預測統計結果。本發明之一實施例所提供的虛擬實驗模式使虛擬製造環境能就每一製程參數之變異的整個統計範圍及許多/所有製程參數之變異的組合進行模型化。再者，在實體工廠中的實驗行程可指定在製造不同晶圓時意欲變化的一組參數。本發明之虛擬實驗模式亦使虛擬製造環境能藉著在一參數組的特定變異上執行複數虛擬製造行程，模仿此類型之實驗。

製造程序中的每一製程具有其自身的本質變異。瞭解複雜流程中加總製程變異的效應是相當困難的，尤其當考慮到變異之組合的統計機率時。一旦產生虛擬實驗後，藉由製程敘述中所包含之數值製程參數的組合來描述製程程序。此些參數中的每一者可藉由其總變異(就標準差或西格瑪值而言)因此藉由高斯分佈或其他適合機率分佈上的複數點加以特徵化。若設計及執行虛擬實驗用以檢驗製程變數之所有組合(每一高斯分佈上的複數點，例如每一參數之±3西格瑪、±2西格瑪、±1西格瑪、及標稱值)，則自該程序中之虛擬度量步驟所輸出的結果圖案化數值輸出可涵蓋技術的整個變異空間。即便在此實驗研究中的每一例係由虛擬製造系統所模型化的，但虛擬度量的總結果包含統計分佈。可使用簡單的統計分析如在統計上無關聯之參數的均方根(RSS)計算將總變異測度歸因至實驗的每一例。接著可分析相對於總變異測度的所有數值及圖形虛擬度量輸出。

在實體工備中的典型試誤實驗中，將自標稱製程所產生的結構量測值當作目標，藉著針對在接續製程中必須預測到之結構量測值之總變異指定過大的(保守的)裕度(總結構裕度)，以考慮到製程變異。相對地，本發明之實施例之虛擬實驗可提供在整合製程流程中之任何點處之結構量測之總變異包絡的量化預測。接著結構量測之總變異包絡而非標稱值可成為發展目標。此方法可確保整合製程流程全程期間有可接受的總結構容裕但卻不犧牲關鍵結構設計目標。以總變異作為目標的此方法可造成標稱之中間或最終結構，此結構比以標稱製程作為目標所製造出之標稱結構較不最佳化(或較不賞心愉目)。然而，由於已考慮總製程變異之包絡且總製程變異之包絡在判斷整合製程流程之穩健性及良率時較重要，因此此次最佳化之標稱製程並不嚴重。此方法為半導體技術發展中自側重於標稱製程轉移至側重於總製程變異之包絡的典範轉移。

圖6顯示可在虛擬製造環境中執行以設定及實施虛擬實驗而產生複數半導體裝置結構模型用之虛擬量測值數據之步驟的例示性程序。程序始於使用者選擇製程程序(先前已校正過以使結果更具有結構預測性(步驟602a)及識別/產生2D設計數據(步驟602b)。使用者可選擇製程參數變異以進行分析(步驟604a)及/或設計參數變異以進行分析(步驟604b)。如上所述使用者將一或多個虛擬度量步驟插入至製程程序中(步驟606a)並將量測定位器形狀添加至2D設計數據(步驟606b)。使用者可在專門使用者介面即自動參數瀏覽器126的協助下設定虛擬實驗(步驟608)。例示性自動參數瀏覽器係顯示於圖7中且可顯示並允許用者變更欲被變更的製程參數702、704、706、及欲以其對應不同參數值708所建構之3D模型的列表。可在表格形式中指定虛擬實驗用的參數範圍。3D模型化引擎75建構3D模型並輸出審閱用之虛擬量測值數據(步驟610)。虛擬實驗模式提供來自所有虛擬量測/度量操作的輸出數據處理。可解析來自虛擬量測值的輸出數據並將其組合至有用的形式中(步驟612)。

以此解析及組合方式，可進行接續的量化及統計的分析。可使用分離的輸出數據收集器模組110自虛擬製造行程之程序收集3D模型數據及虛擬量測值結果，虛擬製造行程包含虛擬實驗並以圖形化及表格形式呈現之。圖8顯示虛擬實驗所產生之虛擬度量數據的例示性表格形式顯示。在表格形式顯示中，可顯示在虛擬實驗802期間所收集的虛擬量測數據及虛擬製造行程804的列表。

圖9顯示虛擬實驗所產生之虛擬度量數據的例示性2D X-Y圖形化作圖顯示。在圖7所示的實例中顯示，因變化製程程序之前步驟中的3個參數所造成之淺溝槽隔離(STI)步驟高度的總變異。每一鑽石形狀902代表一虛擬製造行程。亦顯示變異包絡904為所示之結論906，結論為下游之製程模組必須支援幾近10.5 nm的STI步驟高度總變異，才能達到橫跨進入變異之6西格瑪的穩健。在多維度圖形化形式中亦顯示虛擬實驗結果。

一旦已組合虛擬實驗之結果之後，使用者可檢視在3D閱覽器中產生的3D模型(步驟614a)並審閱為了虛擬製造行程所呈現的虛擬量測值數據及度量。取決於虛擬實驗的目的，為了發展能達成期望標稱結構模型之製程程序的目的、為了更進一步校正製程步驟輸入參數的目的、或為了最佳化能達到期望製程窗之製程程序的目的，使用者可分析來自3D模型化引擎的輸出。

3D模型化引擎75建構參數範圍用之複數結構模型的任務需要極高的計算能力，因此若在單一計算裝置上執行可能需要極長的時間(許多天或週)。為了提供虛擬製造的意欲數值，針對虛擬實驗建構模型必須比實體實驗更快上數倍。以今日之電腦達成此目標需要探索任何及所有並行性的機會。本發明之3D模型化引擎75使用複數核心及/或處理器以執行獨立的模型化步驟。此外，一組中不同參數值用的結構模型係完全獨立的，因此可以利用複數核心、複數處理器、或複數系統平行建構。

3D模型化引擎75可代表利用基於體素之內隱幾何表示法的基礎結構模型。體素為2D照片元素或像素的3D等效物。每一體素為一立方體，其所有者皆具有相同的橫向尺寸且包含一或更多材料或不包含任何材料。內隱幾何表示法為其中3D結構模型中之材料之間之界面在不具有該界面之(x,y,z)座標位置之外顯表示法的情況下加以定義的表示法。3D模型化引擎所執行之操作中的許多者為體素模型化操作。基於數位體素表示法的模型化操作遠比傳統的實體模型化核心(例如基於構造實體幾何(Constructive Solid Geometry, CSG)之實體模型化核心)中的對應操作更穩健。一般而言如此CSG實體模型化操作並不適合用於模型化半導體結構模型化的許多面向，包含沉積製程所產生之極薄膜層及可能會導致地貌變化(表面之合併及/或實體模型之碎片化)之蝕刻前烽的傳播。

某些模擬工具需要自某形式之外顯邊界表示法產生體積網格且針對自來自表面網格之B-rep(邊界表示法, Boundary-representation)幾何產生體積網格存在先前之解答。有限元素或有限體積模擬技術用的如此體積網格將保有高度精準之材料之間之界面的位置。如此體積網格被稱為邊界順應網格或簡稱為順應網格。如此網格的一主要特徵為，沒有元素會與材料之間的界邊交叉。換言之，對於四面體元素之體積網格而言，每一元素係完全位於一材料中，因此沒有四面體包含一個以上的材料。然而，對於虛擬製造而言，B-rep與類似之實體模型化核心並非最佳的，表面網格表示亦非最佳的。例如，實體模型化核心並非設定用來代表共同的虛擬製造操作如界面的移動或沉積材料的成長。取而代之代表邊界的幾何表示法隱含地不會苦於此些問題。是以，由於僅使用內隱表示法之虛擬製造系統的模型化操作係根植於代表真實製造製程的數學表示式，因此僅使用內隱表示法的虛擬製造系統具有極大的優點。

體素及其填充率可內隱式代表材料之間的界面。圖10A顯示碟形在兩維中的此概念。在二維中的體素等效物為像素，但反而將使用體積一詞以例示比較。B-rep邊界表示法1012可代表碟，半徑R的圓方程式且材料1位於圓之內部而材料2位於圓的外部。相對地，碟1011的體素表示法為方塊的陣列，其中每一方塊儲存其內的材料識別數字及每一材料的相對量。1011中之方塊的相對厚度指示材料1對材料2的相對百分比。黑色指示100%材料1且0%材料2，白色指示0%材料1且100%材料2。由於圓沿著其路徑切過幾個體素，因此這些在碟之邊界上的體素具有灰影指示其填充率。部分填充之體素指示邊界與此體素交叉，但並未指示在何處交叉及體積的位向。可使用邊界體素的填充率及其鄰近地區的其他體素明確判斷邊界。

在幾何特徵內之一位置處的材料特性可利用每一體積內之主要材料的特性加以近似。例如，在判斷電阻的一操作中，若一邊界體素具有大於50%的材料2位於圓1011中，則將材料2的塊電阻率指派予此體素，且類似地，具有50%或更多之材料的體素會被指派材料1的塊電阻率。這是相當於，如圖10B中的圓1021所示，以每一體積之主要或主導材料填充該體素。此方法導致邊界表示法中所謂的「階梯」誤差。補償階梯誤差的一方法為，當執行3D模型之虛擬製造時，減少每一體積的尺寸而減少邊界體積的體積。例如，圓部分1022為1011中之體素表示法之圓的一部分，且圓部分1023為以每一維度尺寸僅有一半之體素所建構的圓的相同部分。邊界體素所佔據的體積隨著體素尺寸而減少，因此減少誤差。變形及應力分析模型化

預測製造積體電路期間所形成之結構(從半導體裝置之奈米規模至晶圓的微觀規模)上的變形及應力對於半導體產業而言是極重要的。可使用變形及應力分析模型尤其：預測因應力效應所造成的裝置效能、自薄膜圖案化及熱存積判斷應力、判斷堆疊圖案化期間的應力累積及鬆弛、管理因製程條件而造成之高深寬比結構的變形、及修正製程所引發之疊對錯誤。

可利用熱彈性理論模擬半導體製造中的結構變形及應力。亦可將剩餘應力效應包含至理論中。有限元素方法(FEM)早已是執行應力分析最常用的方法。FEM能精準地計算位移及應力場兩者。然而，FEM需要自順應材料界面的裝置模型產生網格(「順應網格」)。有時難以獲得：穩健且自動的網格產生及所產生之元素之形狀的最佳保證，所產生之元素之形狀的最佳保證需要大量的計算。又，網格產生亦需要大量計算能力且比虛擬裝置模型之產生更慢。

執行應力分析之傳統方法的實例係顯示於圖11(先前技術)中，其顯示淺溝槽隔離(STI)特徵部之例示性3D結構模型1102及自模型所產生之對應網格1104。在此實例中，可藉由在虛擬製造環境中模擬可能需要兩百秒能才完成的21個製程步驟，產生3D結構模型。然而，為了自3D結構模型1102產生順應網格1104，可能需要額外的兩千五百秒產生具有5百萬節點的網格、或花費產生模型時間12.5倍的時間。一旦產生網格之後，可使用此網格執行應力分析用的FEM。此實例強調傳統技術的兩個困難。網格產生可能需要很長的時間才能完成，這使得分析耗費許多計算成本，甚至是針對製程程序中的單一點亦然。此外，半導體裝置結構之製造中的共同製程程序可包含數百步驟，其間幾何特徵會大幅修改。此些結構修改會造成製程工程師所關切的應力場變化。是以網格生成、分析、及將解答包含至新製程步驟上的處理對於分析者而言是必須費力設定的且在執行上耗費大量計算能力。

本發明之實施例藉著使虛擬製造環境能精準地模型化三維結構模型及計算三維結構模型的形變及應力場，解決此些問題。此可以雙叉方法完成，雙叉方法讓使用者能先建構製造製程(製造製程演變而產生製程中之不同材料所佔據之空間的詳細表示法)的模型，再直接操作此模型而計算變形及應力場。如下面所更將解釋的，實施例能進行變形及應力場之計算但不用先產生模型之順應網格亦不用離開虛擬製造環境。將應力分析整合至虛擬製造環境內的此整合致能在虛擬製造環境內進行敏感度分析/參數研究，是以為製程整合工程師提供用以最佳化製造製程的資訊。

如上所述，虛擬製造環境可使用基於體素之模型化方法產生正在被虛擬製造之半導體裝置結構的3D模型。與模型相關的體積識別出一或更多材料且包含每一體素中之材料的填充率。雖然僅能隱含知悉材料界面之位置，但材料界面之位置可被重建為代表裝置結構之體素網格的部分。例如，在一實施例中，可基於體素網格中之體積的體積分率數據而識別不同材料之間的界面。

本發明之實施例直接使用體素網格中的資訊執行變形及應力分析而毋須先產生順應網格且毋須離開虛擬製造環境。例如，網格上的每一體素包含存在於該體素中的材料以及其體積分率。藉著分析其鄰近區域中的體素，可獲得界面相關之資訊。此資訊係足以對界面產生局部近似且自此基礎的數值方案所用之該近似功能確保解答演算法的最佳特性。體素網格資訊的此直接使用讓使用者能大幅節省時間及操作簡便。例如，如圖11B中所示，針對圖11A的STI模型1102，使用體素網格資訊直接執行應力分析能產生具有20百萬節點(在順應網格中之節點的四倍)且比順應網路節省30%時間(1750秒對2500秒)的應力分析模型。又，此應力分析在虛擬製造環境內進行且將變形及應力分析整合至虛擬製造環境中的此整合能將分析結果快速且精準地用於最佳化用以製造目標半導體裝置結構的額外製程設計。

圖12顯示在一例示性實施例中在用以執行變形及應力分析模型化之虛擬製造環境中執行的例示性步驟程序。程序始於在虛擬製造環境中接收一選定的製程程序(步驟1202)。亦藉由虛擬製造環境中的使用者圖形化介面接收將使用者指定的變形及應力分析模型化步驟插入製程程序中的指示(步驟1204)。文中所用之「變形及應力分析步驟」一詞係指，被插入至製程程序中的步驟，當在虛擬製造環境中執行此步驟時其會執行應力分析、變形分析、或量測、或兩者。例如，變形及應力分析步驟可對應至在某溫度下將一材料層沉積至一複雜的結構上且後續進行冷卻操作。不同的模量、熱膨脹係數、及溫度變化將造成應力場的重新排列以滿足平衡。利用製程程序執行虛擬製造行程並基於製程程序之執行產生3D結構模型(步驟1206)。在製程程序中的指示位置處執行變形及應力分析模型化步驟並產生結果數據(步驟1208)。輸出或顯示結果數據(步驟1210)。

變形及應力分析步驟的結果會藉由虛擬製造環境所提供之結構模型的三維畫面顯示予使用者。例如，圖13顯示在一例示性實施例中的使用者圖形化介面，其顯示在用以產生STI結構模型1304之製程程序1302之終結處所執行之應力分析步驟1308的結果。更具體而言，使用者要求在製造STI特徵部的最終間隙壁步驟2.4.3(1306)之後進行應力分析步驟1308。製程程序1302之最終間隙壁步驟2.4.3(1306)之後之應力分析步驟1308的顏色編碼結果(指示範式等效應力場(von Mises stress field))可以圖形化方式顯示於3D模型的畫面1310中。

雖然在製程程序中的單一點處執行應力分析是有用的，但由於先前步驟會影響後續步驟，因此有時能夠預測應力場在製程程序期間如何演變是更相關及/或更精準的。實施例讓使用者能將複數應力分析及變形量測(應力度量)步驟插入至製程程序中的複數點處。應力分析步驟讓使用者能執行半導體結構的變形模擬並計算因參數如製程之操作溫度、材料參數、及變形之先前狀態所造成的變形及應力場。

圖14A-14C顯示在例示性實施例中適合用以將變形及應力分析模型化步驟插入至製程程序中及用以選擇變形及應力分析模型化操作之相關參數的例示性使用者圖形化介面。圖14A顯示在一例示性實施例中之使用者圖形化介面，其顯示使用者添加至製程程序中之各處之15個分離的應力分析步驟的列表1402。列表1402指示包含整體應力分析之共同特性的初始應力設定步驟1404及分析用之使用者選定的邊界條件1406。在一實施例中，使用者可選擇一自適應粗略參數作為初始應力設定步驟1404的一部。利用自適應粗化而非維持均勻，體素網格係自界面逐漸粗化以增加體素的尺寸並減少計算需求。

圖14B顯示在一例示性實施例中之使用者圖形化介面，其顯示插入至製程程序中之使用者變形量測(「應力度量」)步驟1410。應力度量步驟1410包含使用者可選擇的參數，此些參數包含在結構模型用以進行變形結構之虛擬量測值的位置1412。

圖14C顯示在一例示性實施例中之使用者圖形化介面，其顯示插入至分析程序中的應力分析步驟1420。應力分析步驟1420包含使用者可選擇之參數，此些參數包含應進行分析的操作溫度1422。

圖15A-15K顯示在一例示性實施例中虛擬製造環境所提供的例示性使用者圖形化介面，其顯示目標STI特徵部之應力場演變。更具體而言，圖15A-15K的左側顯示執行製程程序期間演化3D結構模型1500-1510的3D畫面而圖15A-15K的右側顯示STI特徵部之應力場1550-1560之對應演化的3D畫面。

圖16顯示在例示性實施例中於製造STI特徵部用之最終間隙壁步驟之後之單一應力分析結果1602及經演變之應力場1604的並列圖。

可以體現於一或多個非暫態媒體上或中的一或多個電腦可讀程式或程式碼提供本發明之實施例之部分或全部。媒體可為但不限於硬碟、光碟、數位多媒體碟、快閃記憶體、PROM、RAM、ROM、或磁帶。一般而言，電腦可讀程式或程式碼可在任何計算語言上實施。

由於可在不脫離本發明範疇的情況下進行某些變化，因此上述說明中所包含或附圖中所顯示之所有者皆應被解讀為例示性而非拘泥於字面之解釋。熟知此項技藝者當明白，可在不脫離本發明範疇的情況下修改圖中所示的步驟程序及架構，且文中所包含之例示為本發明眾多可能性中的單獨實例。

本發明之例示性實施例的前述說明提供例示及說明，但意不在窮盡本發明或將限於所揭露的確切形式。可鑑於上述教示進行修改及變化，或自實施本發明可獲取修改及變化。例如，雖然已說明了一系列的動作，但在其他實施例中可修改動作的順序符合本發明之原理。又，非相依性之動作可平行進行。

1:虛擬製造環境 2:使用者 10:計算裝置 11:處理器 12:隨機存取記憶體 13:唯讀記憶體 14:硬碟 15:網路介面 20:輸入數據 30:2D設計數據 32:膜層1 34:膜層2 36:膜層3 40:製程程序 43:製程步驟 44:製程步驟 45:虛擬量測製程步驟 46:子程序 47:製程步驟 48:製程步驟 49:虛擬量測製程步驟 50:變形及應力分析模型化步驟 60:材料數據庫 62:材料類型1 64:材料類型2 70:虛擬製造應用程式 75:3D模型化引擎 76:演算法1 77:演算法2 78:演算法3 79:變形及應力分析模型化模組 80:虛擬量測數據 90:半導體裝置結構模型數據/3D結構模型數據 110:輸出數據收集器模組 120:顯示器 121:佈局編輯器 122:製程編輯器 123:虛擬製造控制臺 124:表格及圖形化度量結果畫面 125:3D畫面/3D閱覽器 126:自動參數瀏覽器 202:製程程序 204:佈局(2D設計數據) 302:矩形形狀/第一定位器形狀 304:矩形形狀/第二定位器形狀 306:矩形形狀/第三定位器形狀 402:製程步驟 404:材料數據庫 406:製程參數 410:製程程序 412:子程序 413:選定的步驟 414:步驟 420:參數 502:3D畫面畫布 504:狀態 506:特定狀態 508:微小上視圖 602a:步驟 602b:步驟 604a:步驟 604b:步驟 606a:步驟 606b:步驟 610:步驟 612:步驟 614a:步驟 702:製程參數 704:製程參數 706:製程參數 708:製程值 802:虛擬實驗 804:虛擬量測數據及虛擬製造行程 902:鑽石形狀 904:變異包絡 906:結論 1011:碟 1012:B-rep邊界表示法 1021:圓 1022:圓部分 1023:圓部分 1202:步驟 1204:步驟 1206:步驟 1208:步驟 1210:步驟 1302:步驟 1304:步驟 1306:步驟 1308:步驟 1310:畫面 1402:列表 1404:步驟 1406:邊界條件 1410:步驟 1412:位置 1420:步驟 1422:操作溫度 1500-1510:3D結構模型 1550-1560:應力場 1602:分析結果 1604:應力場

包含於此說明書中構成說明書之一部分的附圖例示本發明之一或多個實施例，附圖與說明一起協助解釋本發明。在附圖中：

圖1顯示適合用以施行本發明之一實施例之例示性虛擬製造環境；

圖2顯示虛擬製造環境所提供的例示性虛擬製造控制臺；

圖3顯示虛擬製造環境所提供之例示性佈局編輯器；

圖4虛擬製造環境所提供之例示性製程編輯器；

圖5顯示虛擬製造環境所提供之例示性3D閱覽器；

圖6顯示在虛擬製造環境中執行以設定及實施虛擬實驗而產生複數半導體裝置結構模型用之虛擬量測值數據之步驟的例示性程序；

圖7顯示用以提供虛擬製造環境所提供之虛擬實驗用之製程參數的例示性參數瀏覽器畫面；

圖8顯示在虛擬製造環境所提供之虛擬實驗中所產生之虛擬度量數據的例示性表格形式顯示；

圖9顯示虛擬製造環境所提供之虛擬實驗中所產生之虛擬度量數據的例示性圖形化顯示；

圖10A顯示圓形邊界之例示性之基於體素的表示法；

圖10B顯示藉著調整體素尺寸所解決的例示性鋸齒效應；

圖11A(先前技術)顯示自STI特徵部之3D結構模型所產生之順應網格；

圖11B顯示自體素網格所產生的應力分析模型；

圖12顯示在一例示性實施例中在用以執行變形及應力分析模型化之虛擬製造環境中執行的步驟程序；

圖13顯示在一例示性實施例中顯示應力分析步驟結果的使用者圖形化介面；

圖14A-14C顯示在例示性實施例中用以將變形及應力分析步驟插入至製程程序中的例示性使用者圖形化介面；

圖15A-15K顯示在一例示性實施例中虛擬製造環境所提供的例示性使用者圖形化介面，其顯示目標STI特徵部之應力場演變；

圖16顯示在例示性實施例中於製造STI特徵部用之最終間隙壁步驟之後之單一應力分析結果及經演變之應力場的並列圖。

1:虛擬製造環境

2:使用者

10:計算裝置

11:處理器

12:隨機存取記憶體

13:唯讀記憶體

14:硬碟

15:網路介面

20:輸入數據

30:2D設計數據

32:膜層1

34:膜層2

36:膜層3

40:製程程序

43:製程步驟

44:製程步驟

45:虛擬量測製程步驟

46:子程序

47:製程步驟

48:製程步驟

49:虛擬量測製程步驟

50:變形及應力分析模型化步驟

60:材料數據庫

62:材料類型1

64:材料類型2

70:虛擬製造應用程式

75:3D模型化引擎

76:演算法1

77:演算法2

78:演算法3

79:變形及應力分析模型化模組

80:虛擬量測數據

90:半導體裝置結構模型數據/3D結構模型數據

110:輸出數據收集器模組

120:顯示器

121:佈局編輯器

122:製程編輯器

123:虛擬製造控制臺

124:表格及圖形化度量結果畫面

125:3D畫面/3D閱覽器

126:自動參數瀏覽器

Claims

一種非暫態媒體，容納用以在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的電腦可執行指令，當執行該些指令時使至少一計算裝置進行：接收欲虛擬製造之一半導體裝置結構用之一製程編輯器中的一選定製程程序；接收被插入至該製程程序中之一使用者指定的變形及應力分析模型化步驟，該變形及應力分析模型化步驟指示在該製程程序期間欲執行變形及應力分析模型化的一特定點；以該計算裝置執行一虛擬製造行程，該虛擬製造行程藉由利用該製程程序及2D設計數據來模型化用以實體製造該半導體裝置結構之一整合製程流程，以模擬用以實體製造該半導體裝置結構所執行的圖案化、材料添加、及/或材料移除步驟，該虛擬製造行程：執行該製程程序直到該變形及應力分析模型化步驟，該執行建立該半導體裝置結構的一3D結構模型，該3D結構模型預測該半導體裝置結構之一實體製造的一結果，及執行該變形及應力分析模型化步驟，該變形及應力分析模型化步驟產生結果數據；及輸出自該變形及應力分析模型化步驟所產生之該結果數據。
如請求項1之非暫態媒體，其中該結果數據係顯示於該3D結構模型之一3D圖形化畫面中。
如請求項1之非暫態媒體，其中當執行該些指令時使該至少一計算裝置進行：在該製程程序之複數指定位置處接收複數變形及應力分析步驟；及產生該複數變形及應力分析步驟之複數結果數據。
如請求項3之非暫態媒體，其中該複數結果數據係顯示於該3D結構模型之一3D圖形化畫面中。
如請求項1之非暫態媒體，其中該3D結構模型為一基於體素之模型，其使用一內隱幾何(implicit geometry)表示法，該內隱幾何表示法包含配置於一體素網格中的複數體素，且該變形及應力分析模型化步驟執行：基於每一體素之體積分率數據識別複數體素中之不同材料之間的界面。
如請求項5之非暫態媒體，其中該變形及應力分析模型化步驟在該體素網格上執行粗化操作。
如請求項6之非暫態媒體，其中該粗化操作為一適應性粗化操作，其中該體素網格自材料界面逐漸粗化。
一種以計算裝置實施之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的方法，包含：接收欲虛擬製造之一半導體裝置結構用之一製程編輯器中的一選定製程程序，該製程程序包含一使用者指定的變形及應力分析模型化步驟，該變形及應力分析模型化步驟指示在該製程程序期間欲執行該變形及應力分析模型化的一點；以該計算裝置執行一虛擬製造行程，該虛擬製造行程藉由利用該製程程序及2D設計數據來模型化用以實體製造該半導體裝置結構之一整合製程流程，以模擬用以實體製造該半導體裝置結構所執行的圖案化、材料添加、及/或材料移除步驟，該虛擬製造行程：執行該製程程序直到該變形及應力分析模型化步驟，該執行建立該半導體裝置結構的一3D結構模型，該3D結構模型預測該半導體裝置結構之一實體製造的一結果，及執行該變形及應力分析模型化步驟，該變形及應力分析模型化步驟產生結果數據；及輸出自該變形及應力分析模型化步驟所產生之該結果數據。
如請求項8之以計算裝置實施之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的方法，其中該結果數據係顯示於該3D結構模型之一3D圖形化畫面中。
如請求項8之以計算裝置實施之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的方法，更包含：在該製程程序之複數指定位置處接收複數變形及應力分析步驟；及產生該複數變形及應力分析步驟之複數結果數據。
如請求項8之以計算裝置實施之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的方法，其中該複數結果數據係顯示於該3D結構模型之一3D圖形化畫面中。
如請求項8之以計算裝置實施之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的方法，其中該3D結構模型為一基於體素之模型，其使用一內隱幾何表示法，該內隱幾何表示法包含配置於一體素網格中的複數體素，且該方法更包含：基於每一體素之體積分率數據識別複數體素中之不同材料之間的界面。
如請求項12之以計算裝置實施之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的方法，其中該變形及應力分析模型化步驟在該體素網格上執行粗化操作。
如請求項13之以計算裝置實施之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的方法，其中該粗化操作為一適應性粗化操作，其中該體素網格自材料界面逐漸粗化。
一種在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的系統，包含：至少一計算裝置，其配置有一或多個處理器，且其用以產生一虛擬製造環境，該虛擬製造環境包含一變形及應力分析模型化模組，該變形及應力分析模型化模組在執行時：接收欲虛擬製造之一半導體裝置結構用之一製程編輯器中的一選定製程程序，該製程程序包含一使用者指定的變形及應力分析模型化步驟，該使用者指定的變形及應力分析模型化步驟指示在該製程程序期間欲執行該變形及應力分析模型化的一點；以該計算裝置執行一虛擬製造行程，該虛擬製造行程藉由利用該製程程序及2D設計數據來模型化用以實體製造該半導體裝置結構之一整合製程流程，以模擬用以實體製造該半導體裝置結構所執行的圖案化、材料添加、及/或材料移除步驟，該虛擬製造行程：執行該製程程序直到該變形及應力分析模型化步驟，該執行建立該半導體裝置結構的一3D結構模型，該3D結構模型預測該半導體裝置結構之一實體製造的一結果，及執行該變形及應力分析模型化步驟，該變形及應力分析模型化步驟產生結果數據；及一顯示器，其與該至少一計算裝置連通，該顯示器係用以顯示來自該變形及應力分析模型化步驟所產生的該結果數據。
如請求項15之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的系統，其中該結果數據係顯示於該3D結構模型之一3D圖形化畫面中。
如請求項15之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的系統，其中該變形及應力分析模型化模組：在該製程程序之複數指定位置處接收複數變形及應力分析步驟；及產生該複數變形及應力分析步驟之複數結果數據。
如請求項17之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的系統，其中該複數結果數據係顯示於該3D結構模型之一3D圖形化畫面中。
如請求項15之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的系統，其中該3D結構模型為一基於體素之模型，其使用一內隱幾何表示法，該內隱幾何表示法包含配置於一體素網格中的複數體素，且該變形及應力分析模型化步驟執行：基於每一體素之體積分率數據識別複數體素中之不同材料之間的界面。
如請求項19之在虛擬製造環境中執行變形及應力分析模型化的系統，其中該變形及應力分析模型化步驟在該體素網格上執行粗化操作。