TWI338321B - Process change detection through the use of evolutionary algorithms - Google Patents

Description

1338321 ^ 九、發明說明： 相關申請案交互參照本申請案主張並關於2〇〇5年6月 16日所申請，標題為「利用演化演算法之製程變更偵測 • ( Process Change Detection Through the Use 〇f

Evolutionary Algorithms )」之共同擁有的美國臨時專利申 清案第60/690,941號案之優先權，茲將該臨時專利申請案 併入本案作為參考。 【發明所屬之技術領域】 鲁 纟發明係關於-種用於债測出-電焚系統中之製程變 化的方法。更特別地，本發明係關於利用一演化式計算技 術，藉以對於一電漿蝕刻終點系統產生出一製程狀態函數 - 或是比例係數集合。 【先前技術】 在任何的工業製程裡，皆有必要對製程資料通道進行 監視，藉以偵測出任何可能影響到最終產品的變化。隨著 製程複雜度日增，必須加以監視的資料通道數量亦隨之提 尚。在極度複雜的製程裡，必須要對數以百計的資料通道 進行分析’藉以決定該製程的狀態。 有時雖使用一矩陣註記，然通常一製程狀態能夠被敘 述為一函數： %Μη) 製程狀態=f (hM,, a2M2, a3M3，.. 其中各個變數Mn代表一特定製程資料通道，並且各 個a,、代表一比例係數。可選擇這些比例係數，藉以按照將 1338321 一製程變化偵測作業之函數的結果最佳化之方式，來修改 各製程資料通道。 · 對一個其變數為各製程資料通道之函數（或各函數）進 行評估是-種用於分析多個f料通道，並且產生出_描述 该製程狀態之輸出的方法。然後可利用此輸出以進行製程 變化偵測。圖1代表一對於一製程狀態函數而描述之概泛 製程變化錢线。由至少—㈣器來收集資#，並發送 至-分析單元。在該分析單元裡，將各資料通道合併於各 比例因數’並輸入至稍後將予評估的製程狀態函數之内。 然後’可將此函數的輸出運用在製裎變化偵測作業。 可在半導體業界尋得—示範性製程變化㈣範例。在 用以製造半導體裝置之各項步驟裡的其中一項即為電漿蝕 刻。在電㈣刻製程裡，令一樣本受曝於經設計以自該樣 本表面蝕刻移除特定材料的電焚。經常會有必要在一特定 時點處停止該電聚蝕刻，以獲致一精準钱刻深度。應停止 ，電㈣刻的時間點稱為製程終點。$常是利用—種稱為 兄光子1射光ea _ (〇ES)」的多通道技術決定該製程終點。 圖2描述一種典型的〇ES終點偵測系統。 在一電榮姓刻的過栽φ，f蔣7么丄 仏 私中電漿係在廣泛的波長範圍上 :射出電磁能量。t渡所發出的精確頻譜部份地根據在樣 炊=過程中所出現之揮發性副產品而定。在一典型的OES 先理卩利用一光譜儀以將電漿發射分離成各離散 ;D ]量出在各波長處的發射強度並轉化成一個別的製 …4通道，而在姓刻過程中加以監視…監視這些顯 6 1338321 不出一在蝕刻過程中之可重複變異性的資料通道，即可決 定何時該樣本既經完全地蝕刻。 * 在其最簡單實施裡，可利用一 〇ES系統以監視一單一 資料通道。Gonn等人（美國專利4,263 〇88)即揭示一種利 用一光導胞格以決定在—聚矽蝕刻處理中之終點的裝置， 其中該胞格係經最佳化以偵測在52〇nm處的電焚發射。藉 由監視此胞格在蝕刻過程中所產生的電壓，即可偵測出當 聚石夕薄膜經完整㈣之後所出現的«組成變化。對於製 程狀態函數，此方法可按如下式所表： 製程狀態=M52Qnni 廷種方式的限制在於一單一資料通道通常是無法產生 足夠地尚於該系統雜訊位準，而可供進行可靠終點偵測 作業的信號。 其他研究者既已注意到可藉由利用多個資料通道來提 鲁同點積'則的敏感度。Jerde等人（美國專利4,491,499)即 揭不測量—發射頻譜窄帶，並且同時地測量出中心約位在 U玄七可處之較寬廣背景頻帶的強度。按此方式，可從各終 點仏號通道中扣減掉各背景資料通道，獲致一經改善的終 點信號對雜訊比。 然而’描述該製程狀態的函數會隨著納入多個資料通 道而變得較為複雜，即如下式： 製程狀態=(]Vi

Signal I + Msjgna| 2

Msignal n) - (MBackground M, sckground 2 ··· ^Background n) 丄叫321 即在於 由Jerde等人所描述之此一方法的基本限制 必須要根據使用者的製裎知識，來決定對於適當製程狀態 通道以及相關比例因數的選擇結果。因此，這變得對於任

何使用者需耗費時日以獲取必要的專業學識，來選擇對於 所有可能電漿蝕刻應用的適當資料通道與比例因數。任何 f過人工資料通道及比例因數選擇所產生的製裎狀態函數 是不太可能經良好最佳化以偵測一給定製程變化。為減輕 負擔，既已提出各種多變分析技術。

Angell等人（美國專利5,288,367)即揭示可利用主要成 份分析（PCA)以自動地選擇資料通道。此眾知多變分析技 術是將相關的資料通道加以分組，而成為描述在所分析資 料内之變異性的各正交成份之線性組合。肖由識別出描述 關聯於該製程終點之變異性的成#1並且檢視該成份的各 貧=通道組成項，即可決定出哪些通道確有利於終點偵測 的I現作業。該AngeU等人的方法製程狀態函數可表如 式： 製程狀態=f(PlMi，ρ2Μ2, ρ3Μ3,·..，ΡηΜη；) 其中各ρη是由該使用者選定的各主要成份之一者的負 載所給定。 ' 此等PCA為基礎之方式的限制在於ρ〇Α演算法嘗試 著祅如〜正交成份集合來描述變異性。PCA並不嘗試將製 程變化侦測之製程資料通道及比例因數的選擇直接地最佳 化所希望的是各正交成份的其中一者完全地捕捉終點資· 133832丄 對於一 並不足 訊’但是PCA並非特定地導向於此-結果。因此， 歧應用而言’該製程狀態函數的信號對雜訊比可能 夠。 應注意到在此所呈現的各 „ ^ ^ ]各項粑例為特定於在一電《I铋 刻製程中的終點偵測，而 漿蝕 . 坏用技術為該等運用於廣泛各4 製程監視應用的代表。任何 '之各式 ,+ 了依照—資料通道或多個通违 之函數來描述其狀態的製程，比 、 白可秸由類似技術加以監 視*。 因此’確實存在改善_ 屯水蝕刻製程之製程狀態函數 最佳化作業的需要。 ^ W数 而先前技藝中無一者提供本發明所提供的優益之處。 本發明之一目的即為提供—種改善方式，而此 改。式y克服先前技藝的不適性，並對於半導體製程技 術的進步提供一顯著貢獻。 本心月之另一目的在於提供一種用於偵測一製程變化 之方法’ 1亥方法包含將-基板放置於-機室内；令該基板 受曝於：製程而具至少-已知製跑：在-製程中取得 至V貝料集合；以及將一演化式計算技術施用於至少一 貝料集合，藉以產生一製程變化偵測演算法。 前揭說明既已概列本發明的部分適切目標。該等目的 應被狂釋成僅為示範本發明之部分較適切的特性及應用。 σ在本揭7Γ之範圍内按一不同方式或修改本發明，藉由施 加所揭示之發明以獲得許多其他有利結果。從而，除由申 凊專利範圍所定義，且併同於各隨附圖式，之本發明範圍 9 丄 :外照於本㈣概論及較佳t施例詳細說 ，得本發明之其他目的並且更完整地瞭解本發明。 【發明内容】 :::述本發明之目的’本發明包含—用於在一基板之 :虫刻處理的過程中，將至少一製程狀態函數最佳化的 、·二改良方法。 方去本發明之一特點在於提供-種用於偵測-製程變化的 機L内該方法包含將一基板放置於-編刻系統的真空 内，板可為一像是一光罩之絕緣材料、一半導體 中受：：：電材料。該基板在該電梁触刻系統的真空機室 時7於—電聚。纟製程過程中’會按如進行各項測量之 Μ α己錄下電毁狀況、基板狀況及製程設備狀況的測量 :入；，則量結果代表一個別資料通道。各資料通道係 資料集合。可執行-演化式計算㈣即如源生 〜法、源生性程式等）。透過使用—適當的適配函數， 變式計算技術施用於該資料集合，以產生-製程 缺，偵1决异法，像是一製程狀態函數或比例係數集合。 然後，將此演算法施用於未來的資料集合（按 制和士 m 可々式或在 2處理過程中，或者是在該製程之後），藉以偵測—製程 該資料集合可包含任何或全部資料通道， 俨八姑次L· 像疋殘餘氣 K刀析貝料、雷射反射資料、光學發射頻譜資料、壓力、 相符網路位置、直流電壓等等。製程狀態偵測演算2。、 含—製程狀態函數及/或適當的比例係數。 ^ 衣枉狀態函數 10 ° 者域疋，或疋由该凟化式計算技術所產生。該待 ▲ j /則之製裎變化可包含.基板材料成份的轉變。該演化式 大^技術可運用一約為各製程變數之數量兩倍以上的母體 =小。作為製程變化彳貞測演算法的一部分，可將—製程狀 ==於一入方製程測量項。此外，可將-據波器施 次；Λ衣祆狀態函數的結果。該製程狀態函數可為一在一 砩木〇内之所有元素上的總和，然確 狀態函數。 王文馮複滩的 =揭說明既已相當廣泛地概列出本發明較為適切且重 更=點’藉以更佳瞭解如後的本發明詳細說明，因而可 疋正地知悉對於業界的 額外特赴 』員馱泜下將况明本發明的 :·，廷些構成本發明之申請專利範圍的主題。熟習 隨即地=應能瞭解可按以修改或設計其他結構為基礎， 明的相π目所揭不之概念及特定實施例，藉以運作出本發 _目的。Μ本項技彳㈣亦應能瞭解㈣ 习負並不惊雜太久上《么# ?|| 精神及範圍 請專利範圍中所列陳的本發明之 【實施方式】 :案揭示一種利用一像是―源生性演算 過使用-演化式計算技術，直接地產生出針二法 之取佳化製程狀態函數的H 文匕 浐 纟物干上，有機體可回應於競爭壓力，藉由、、 锃而變得更為調適於…错“化過 力地繁衍的有機體會被 k些成 饭判疋為「適配」於該環境。 11 1338321 繁衍的有機體可被視為是「不適配」力該環境。即如對於 -問題通常會有許多潛在.的解決方案，或許會有多項讓親 代能夠繁衍的源生性特徵。透過其個別源生性特徵的电 合’有些「適配」1 見代的組合會產生可潛在地更為適配的 後代可能會是合理，而在此又稱之為—適配函數。也有可 能會在繁衍的過程中出現隨機突變，提供子代任一親代比 热法獲致的競爭優勢。給定這此事實， 一肀頁在統计上受曝於相

:環境機體各後代有可能比起前代在繁衍方面平均而 言會變得更為成功。读由& .η 透過凟化過程，有機體可對於其環培 所最佳化，而益需一畀杜女地诚也认 ·、，'而最佳有機體應為如何的導引或是 特定知識。 < 1 1 j 演化式計算技術為一些嘗試以至少部分地重製一 涉到演化之過程的計算技術。這些技術既已變成對於能夠 =用於牽㈣連續及離散成份之廣泛各種問題的最佳化之 =具二種特定型態之演化式計算技術稱為源生性演 (圖）。此一技術將解決方案表示如演化至一 標的染色體。 ^目 在本發明之一實施例裡，可運用一源生性演算法以產 生對於製程變化之偵測所最佳化的製程狀態函數。可產生 :至J 一貧料集合’而其中含有至少一已知製程變化。也 S產生製程狀態函數（及/或比例係數）之隨機母體。可利 用^夠將該母體成員偵測出至少-已知製程變化之能力 :以量化的適配函#支，將至少_已知資料集合施用於該母 且ίΐ各個成員亚進行評估。然後將一組最成功的母體成員 12 1338321 重新合併，藉以建立出一新的母體。然後對此—新母體進 行測試’並又予降減且重新組合’以再產生又另一母體。 該製程可在一經設定迭遞次數後，或是在當至少—母體成 員展現出足夠功能性而符合使用者要求時結束。 應注意到一演化式計算技術（並且實際上是所運用之特 定演化式計算技術）的實施細節是依據應用項目而定。評估 該母體之適配性、選擇母體成員以供重新組合、重新組合 技術、突變操作之使用、母體大小等等的各項替代方法並 •不會顯著地偏離於本發明。 亦應注意到’除製程狀態函數及比例係數以外，可利 用本發明將製程變化偵測的各項特點最佳化。可將過漁係 數、尖峰偵測技術以及近乎任何其他製程變化偵測參數包 含在該母體内，並且藉由本項技術予以最佳化。 在本範例中’可為在一個一元色彩光罩上偵測出一電 漿製程終點之目的，利用一源生性演算法產生一組經最佳 化的比例係數集合。 ^ 可利用一光學發射光譜學（OES)式終點系統（與圖2中 所描述者等同）來收集電漿發射，並將該等劃分成各成份波 長。各個個別波長是由一資料通道Mn所表示，而產生出 總共2048個個別的資料通道。一源生性製程狀態函數經 疋義為在各波長處之強度與一對於各波長之唯一比例係數 a „的乘積之總和（數值範圍是-1到〗），即如下式： 製程狀態函數sa/M, + a2*M2 + ... + an*Mn 13 可產生一測试資料集合，1 Φ / ΟΛΠ 士 / '、中在200秒處（圖句出現— 已知製程變化（終點）。可產生出—含 . a有2〇48個比例係數集 合的1000成員母體（圖5)。將各组 ^ 士 ...丑的ir、數集合乘以該頻譜 儀資料以建立經比例調整的頻组f阁 、°曰 J 7貝》曰（圖將該經比例調整 的頻譜施加於該製程狀態函數，以甚4 + ^ 以產生出一終點信號（圖 7) 。可依各係數集合，對該適配函數_在此狀況即為對於 所產生之終點信號的「信號對雜訊比(SNR)」進行評估⑽ 8) 。在此刻，會根據SNR以對各係數集合加以排階。然後 噠擇具有最南SNR之係數集合的2〇0/。以進行重新組合。會 為自進一步考量而消除剩餘8〇%的係數集合（圖9及^ 10) 〇 從經選擇以進行重新組合的2〇%中，根據其相較於其 他存活係數集合的相對適配性，以對各係數集合指配—重 新級合機率。_ 1 1提供_範例，其中對數個經排階集合 指配一重新組合機率。然後執行用於重新組合之係數集I 組對的隨機選擇，以建立—個新的1000成員母體。注= 到該母體大小以及為重新組合或消除而選擇的集合百分比 可為任思，並且可為根據該使用者之需要而選擇。 當選定各係數集合組對以進行重新組合之後，會在相 同的隨機選定中斷點處將各係數集合（分別地稱為親代A 及親代B)分割成兩個較小區段。一個來自親代A的區段（稱 為A〗）含有位於該分割點之前的各係數’而另一區段（稱為 A2)會含有所有位在該分割點之後的係數。然後隨機地選 擇A1或A2。無論是選擇哪一區段，接著皆將其接合於來 14 1338321 自親代B的相對區段。例如，矣；登@ A , 丁 Μ右選擇Α1，則會被合併於Β2， 以產生-新的係數集合「Α1Β2」。而若是㈣Μ，則會 將此與Β1合併，以產生一新的係數集合「βια2」。 當進行各組對的重新組合時，也有微小的可能性（在實 驗中為15%)會對親代之-者代換_新的隨機產生係數集 合。可利用此方法以模擬突變程序。#界已知使用突變操 作可獲& 一相車交於其他方式戶斤冑得者而為更佳❼解決方 案。圖1 2藉一簡化範例說明該重新組合程序。 一旦既已從第一代透過各最成功係數集纟白勺^新組合 及犬交產生出一第二代後，即可拋除該第一代。由第二代 母體所產生的平均SNR測量結果顯示出第二代實際上是會 優於第- A。,然後，對該第二代施以相同的測試及重新二 合處理程序而獲得一第三代。再度地，該第三代擁有較高 的信號對雜訊比。連續地施用此一演算法，如此最終地可 能產生具備’相較於初始、未經最佳化比例係數集合，極 為南度之信號對雜訊比的係數集合。圖丨3顯示一平均snr vs該演算法迴圈迭遞的點繪圖。 最後，該演算法會觸抵一點處，在此該SNR不會有進 一步的顯著改善結果。然後將所產生的最佳比例係數集合 乘以該資#，並插置於該製程狀態函數内。所獲終點信號 具有一經測量為35 : 1的信號對雜訊比，而這對於終端偵 測作業即已足夠（圖14)。 為測試由該源生性演算法所產生的解決方案究屬一般 性，或是特定於該最佳化作業中所用之資料集合，可將該 15 1338321 係數集合施用於其他資料集合（圖1 5)。在類似的 遮罩而具略微不同製程參數及色彩負載的蝕刻過 這些資料集合。效能雖相對於最佳化資料集合所 果而會劣化’然效能表示該源生性演算法解決方 上具有一般性，且並不受限於該最佳化資料集合 本揭示含有經納入於後載申請專利範圍以及 之内者。雖既已按其最較佳形式而具某程度之特 述本發明，然應瞭解僅為藉由範例以撰述具較較 本揭示，並且可訴諸在建構及組合細節上與各部 上的無數變化，而不致悖離本發明之精神及範圍 現本發明已敘述完畢。 【圖式簡單說明】 圖1為一對於一製程狀態函數所描述之概泛 偵測系統的示意圖； 圖2為一典型OES終點偵測系統的示意圖； 圖3為一源生性演算法之流程圖； 圖4為一顯示在200秒處會出現之製程終點 道相對於強度圖式； 圖5顯示一資料通道相對於比例係數之母體白 圖6為一利用比例係數而來自圖5之資料的廣 圖7為一經施加於該製程狀態函數以產生一 之圖6比例係數的圖式； ^圖8為一圖7對該信號對雜訊比評估而所產 仏號的圖式； 二元色彩 程中採用 獲得的結 案在本質 3 前揭說明 定性來描 佳形式之 分之排置 製程變化 的資料通 )圖式； ί式； 終點信號 生之終點 16 1338321 m …對雜訊比至最低信號野雜訊比之 ，一從联鬲 比例係數集合的排階； 圖】0顯示各比例係數隼a之盈技 双呆D之最佳20%的 圖〗丨顯示一對於各係數隼人之人擇、4果； 式； 啊+的指配方 圖I 2顯示一重新組合製程的範例，· 信號對雜訊 之時間上的 圖1 3蝻不一對於一演算法迴圈迭遞之平均 比的源生性最佳化圖形範例；

圖1 4為一在對於一經最佳化製程狀態函數 正範化信號圖式；以及 圖1 5為一在對於經施用於其他資料集合之最佳化係數 的時間上之正範化信號圖式。 在各圖式全篇中，類似參考編號係指類似元件。 【主要元件符號說明】 (無）

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Claims (1)

1. 十、申請專利範圍： I-種用於改進債測製程變化 將-基板放置於—機室内；

   之方法，該方法包含： 於該機室内將該基板 取得至少一資料集合 之已知製程變化； 曝出於一製程； ’其係具有至少 一個用於該製程 產生製程狀態函數 毅之一個隨機母體； 施加該資料集合至制 ’

   個成員. #狀怨函數之該隨機母體之每 功，以偵:程狀態函數之該隨機母體之每-個成員的成 功以偵測泫已知製裎變化； 根據製程狀態函數之兮I{名i A 致之忒隨機母體之每一個成員的估計 步驟而提供該製程妝能 W函數t該隨機母體之第一組最成功 成員； 再、”σ σ製％狀態函數之該隨機母體之第一組最成功成 員，以產生製程狀態函數之一個新母體； 把加4資料集合至製程狀態函數之該新母體之每一個 成員， 估汁该製程狀態函數之該新母體之每一個成員的成 功，以彳貞測5亥已知的製程變化；及 根據製程狀態函數之該新母體之每一個成員的估計步 驟而提供該製程狀態函數之該新母體之第二組最成功成 2.如申請專利範圍第1項之方法，其甲該製程為一電漿 18 1338321 * . 蝕刻製程。 3. 如申請專利範圍第· 1項之方法，其中該基板為一光 罩。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其令該基板為一半導 • 體材料。 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板為一介電 材料。 6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板為一導電 •材料。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該製程變化為一 在該基板内的材料轉變。 8. 如申請專利範圍第1項之方法，其令該資料集合進一 步包含電漿發射頻譜資料。 9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該資料集合進一 步包含殘餘氣體分析資料。 10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該資料集合進 I -步包含至少-電聚處理參數。 1 1.如申請專利範圍第10項之方法，其中該電漿處理參 數包含電漿狀況、基板狀況或處理設備狀況的測量結果。 Η—、圖式： 如次頁。 19