用于過程監(jiān)視及良率管理的所計(jì)算電性能度量的制作方法
【專利說明】用于過程監(jiān)視及良率管理的所計(jì)算電性能度量
[0001]相關(guān)串請案的交叉參考
[0002]本專利申請案依據(jù)35U.S.C.§ 119主張2013年6月26日提出申請的標(biāo)題為“通過計(jì)算的電性能度量的半導(dǎo)體芯片制作過程監(jiān)視及良率管理(SemiconductorChip Fabricat1n Process Monitoring and Yield Management Through CalculatedElectrical Performance Metrics) ”的序列號為61/839，708的美國臨時(shí)專利申請案的優(yōu)先權(quán)，所述專利申請案的標(biāo)的物以其全文引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]所描述的實(shí)施例涉及用于晶片檢驗(yàn)及計(jì)量的系統(tǒng)，且更特定來說涉及在半導(dǎo)體制造中使用的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及材料的表征及缺陷檢測。
【背景技術(shù)】
[0004]通常通過應(yīng)用于襯底或晶片的處理步驟序列制作例如邏輯及存儲器裝置的半導(dǎo)體裝置。通過這些處理步驟形成所述半導(dǎo)體裝置的各種特征及多個(gè)結(jié)構(gòu)層級。舉例來說，除其它之外，光刻為涉及在半導(dǎo)體晶片上產(chǎn)生圖案的一個(gè)半導(dǎo)體制作過程。半導(dǎo)體制作過程的額外實(shí)例包含但不限于化學(xué)機(jī)械拋光、蝕刻、沉積及離子植入。可在單個(gè)半導(dǎo)體晶片上制作多個(gè)半導(dǎo)體裝置且接著將其分離成個(gè)別半導(dǎo)體裝置。
[0005]在半導(dǎo)體制造過程期間在各種步驟處使用檢驗(yàn)過程來檢測晶片上的缺陷以促成較高良率。由于設(shè)計(jì)規(guī)則及過程窗在大小方面持續(xù)縮小，因此在維持高生產(chǎn)量的同時(shí)需要使檢驗(yàn)系統(tǒng)捕獲晶片表面上的更廣范圍的物理缺陷。
[0006]半導(dǎo)體裝置基于其能量效率而非僅速度而越來越受重視。舉例來說，能量高效的消費(fèi)型產(chǎn)品為更有價(jià)值的，這是因?yàn)槠湟暂^低溫度操作且根據(jù)固定電池電源供應(yīng)器操作較長時(shí)間周期。在另一實(shí)例中，能量高效的數(shù)據(jù)服務(wù)器非常需要減少其操作成本。因此，減少半導(dǎo)體裝置的能量消耗是極受關(guān)注的。
[0007]在一個(gè)實(shí)例中，穿過絕緣體層的泄漏電流為以65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)及低于65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)制造的半導(dǎo)體裝置的主要能量損耗機(jī)制。作為響應(yīng)，電子設(shè)計(jì)者及制造者正采用與傳統(tǒng)材料(例如，二氧化硅)相比具有較高介電常數(shù)及較低消光系數(shù)的新材料(例如，硅酸鉿(HfSi04)、氮化硅酸鉿(HfS1N)、二氧化鉿(Hf02)、硅酸鋯(ZrSi04)等)。這些“高k”材料減少泄漏電流且實(shí)現(xiàn)較小大小的晶體管的制造。
[0008]隨著新電介質(zhì)材料及先進(jìn)結(jié)構(gòu)的采用，已出現(xiàn)對測量工具的需要以在制造過程早期表征高k材料的介電性質(zhì)及帶結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)例中，在晶片制造期間需要高生產(chǎn)量監(jiān)視工具來監(jiān)視及控制高k材料的沉積及各種結(jié)構(gòu)的形成以確保成品晶片的高良率。沉積問題的早期檢測是重要的，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體晶片的完整制造過程是冗長且昂貴的。舉例來說，高k材料的沉積通常在花費(fèi)一個(gè)月以上來完成的制造過程的開始時(shí)發(fā)生。
[0009]許多現(xiàn)有過程控制及良率管理工具僅對其測量的過程步驟產(chǎn)生測量結(jié)果。此限制由許多現(xiàn)有工具提供的值，這是因?yàn)槠錅y量與距測量有數(shù)周或數(shù)百個(gè)過程步驟遠(yuǎn)的最終裝置性能不直接相關(guān)。另外，許多現(xiàn)有過程控制及良率管理工具不提供對各種所測量參數(shù)對最終裝置性能的靈敏度的洞察。舉例來說，當(dāng)前由典型薄膜計(jì)量工具提供的成分測量或當(dāng)前由典型CD計(jì)量工具提供的CD參數(shù)測量(孤立地進(jìn)行)不提供對最終裝置性能的直接洞察。
[0010]已使用高k電介質(zhì)層的材料成分的測量作為用于過程監(jiān)視的指示符。針對例如SiHfON的高k材料，發(fā)現(xiàn)氮與鉿的不同百分比、不同沉積溫度及沉積循環(huán)時(shí)間、不同中間層等產(chǎn)生不同色散值及不同能量帶結(jié)構(gòu)。此在制造過程結(jié)束時(shí)影響晶片性能。
[0011]在一些實(shí)例中，已利用X射線光譜儀來準(zhǔn)確地測量高k電介質(zhì)層的材料成分。然而，X射線光譜法具有高成本及低生產(chǎn)量，從而使其用作高生產(chǎn)量生產(chǎn)監(jiān)視工具為不合意的。
[0012]在一些其它實(shí)例中，已使用高k電介質(zhì)層的色散性質(zhì)(例如，折射率η及消光系數(shù)k)來基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算材料成分。此方法相對于X射線光譜技術(shù)具有較低成本及較高生產(chǎn)量的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)此類實(shí)例呈現(xiàn)于讓與科磊(KLA-Tencor)技術(shù)公司的第13/524，053號美國專利申請案中。
[0013]盡管高k材料層的材料成分為沉積過程參數(shù)的強(qiáng)大指示符，但其與生產(chǎn)線終端電性質(zhì)(例如泄漏電流等)不直接相關(guān)。舉例來說，在SiHfON的情形中，沉積速率及溫度的轉(zhuǎn)變可在材料成分保持不變時(shí)產(chǎn)生具有不同結(jié)構(gòu)缺陷或不同帶結(jié)構(gòu)的膜。盡管材料成分未改變的事實(shí)，但所得結(jié)構(gòu)缺陷或帶結(jié)構(gòu)可不利地增加泄漏電流。類似地，產(chǎn)生不同材料成分的過程也可引起經(jīng)減少結(jié)構(gòu)缺陷及更有利帶結(jié)構(gòu)。在此情形中，基于材料成分進(jìn)行監(jiān)視可產(chǎn)生偽陰性結(jié)果，其中當(dāng)實(shí)際上材料結(jié)構(gòu)及性質(zhì)引起經(jīng)減少泄漏電流時(shí)基于材料成分而找出故障。
[0014]因此，開發(fā)用于基于結(jié)構(gòu)的測量及材料層的表征的聚合而在制造過程早期預(yù)測最終裝置性能的高生產(chǎn)量方法及/或系統(tǒng)以識別所得成品晶片是否將具有滿意電性質(zhì)將為有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本文中呈現(xiàn)基于最終裝置性能的預(yù)測而對半導(dǎo)體裝置制造的過程控制及良率管理的方法及系統(tǒng)。對半導(dǎo)體裝置的一或多個(gè)最終性能度量的估計(jì)是基于非成品多層半導(dǎo)體晶片的測量。
[0016]在一個(gè)方面中，裝置性能度量的所估計(jì)值是基于所述非成品多層晶片的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)特性及至少一個(gè)帶結(jié)構(gòu)特性。基于一或多個(gè)裝置性能模型而計(jì)算所估計(jì)裝置性能度量值。裝置性能模型可采取以分析或數(shù)值形式表達(dá)的物理數(shù)學(xué)模型的形式。在一些實(shí)例中，裝置性能模型為完整全晶片模擬模型，或晶片的區(qū)段或功能單元的模型。在一些實(shí)例中，采用針對集成電路的構(gòu)建塊公式化的分量模型。一些裝置模型可涉及數(shù)十或數(shù)百個(gè)自由或受約束參數(shù)。在一些實(shí)例中，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)方法(例如相關(guān)分析、主分量分析等)減少裝置模型的維度。在一些其它實(shí)例中，裝置性能模型為由簡化的數(shù)學(xué)模型建構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。可基于相關(guān)或統(tǒng)計(jì)研究、主分量分析或?qū)⒊善费b置的所測量物理性質(zhì)與所測量電性質(zhì)聯(lián)系在一起的其它數(shù)據(jù)處理技術(shù)而使此些模型公式化。
[0017]在進(jìn)一步方面中，基于針對單個(gè)裝置或多個(gè)晶片上的多個(gè)裝置可得的實(shí)際最終電測試數(shù)據(jù)及測量數(shù)據(jù)而使裝置性能模型回歸且將其精細(xì)調(diào)諧。以此方式，使模型參數(shù)細(xì)化以改進(jìn)裝置性能模型的預(yù)測能力。
[0018]在另一進(jìn)一步方面中，執(zhí)行裝置性能模型的統(tǒng)計(jì)分析以提供對特定半導(dǎo)體制造過程流程的所預(yù)期性能的洞察。舉例來說，在任一特定過程步驟處，可統(tǒng)計(jì)地表征每一所測量參數(shù)及每一標(biāo)稱參數(shù)，例如，平均數(shù)、范圍、標(biāo)準(zhǔn)差等。基于這些參數(shù)值，使用裝置性能模型來導(dǎo)出與一或多個(gè)最終裝置性能度量相關(guān)聯(lián)的所預(yù)期統(tǒng)計(jì)值，例如，標(biāo)稱值、平均值、范圍、中位數(shù)、概率等。
[0019]在進(jìn)一步方面中，將一或多個(gè)最終裝置性能度量的所估計(jì)值與所規(guī)定最終裝置性能值進(jìn)行比較以確定正進(jìn)行處理的晶片是否被預(yù)期為不能通過最終裝置性能測試。
[0020]在再一進(jìn)一步實(shí)施例中，基于一或多個(gè)最終裝置性能度量的所估計(jì)值與所規(guī)定最終裝置性能值之間的差異而確定一或多個(gè)后續(xù)過程步驟中的調(diào)整。在一些實(shí)例中，所述調(diào)整包含后續(xù)過程步驟的目標(biāo)標(biāo)稱過程值的改變?；谧罱K裝置性能度量對經(jīng)受調(diào)整的物理參數(shù)的靈敏度而確定調(diào)整量。這些靈敏度可經(jīng)計(jì)算為關(guān)于經(jīng)受調(diào)整的物理參數(shù)的裝置性能模型的導(dǎo)數(shù)。
[0021]前述內(nèi)容為概述，且因此必然地含有對細(xì)節(jié)的簡化、一般化及省略。因此，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，本概述僅為說明性的且不以任何方式為限制性的。在本文中所陳述的非限制性詳細(xì)說明中，本文中所描述的裝置及/或過程的其它方面、發(fā)明性特征及優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0022]圖1是圖解說明經(jīng)配置以預(yù)測如本文中所描述的最終裝置性能的半導(dǎo)體測量系統(tǒng)100的簡化圖。
[0023]圖2是圖解說明可由如本文中所描述的方法及系統(tǒng)表征的具有所附接薄膜層114A及114B的半導(dǎo)體襯底112的簡化圖。
[0024]圖3A到3B是圖解說明與薄膜材料層相關(guān)聯(lián)的光色散曲線及源自所述曲線的帶結(jié)構(gòu)特性的曲線圖。
[0025]圖4是圖解說明與薄膜材料層相關(guān)聯(lián)的光色散曲線及依據(jù)所述曲線識別的帶結(jié)構(gòu)缺陷的曲線圖。
[0026]圖5是圖解說明依據(jù)從非成品晶片收集的測量數(shù)據(jù)預(yù)測最終裝置性能的方法200的流程圖。
[0027]圖6是圖解說明使用如本文中所描述的方法及系統(tǒng)確定的在非成品半導(dǎo)體晶片的不同位置處的膜厚度的值及兩個(gè)帶結(jié)構(gòu)特性的圖表。
[0028]圖7是圖解說明將在不同位置處的所估計(jì)電流密度與成品晶片的所測量電流密度進(jìn)行比較的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]現(xiàn)在將詳細(xì)參考【背景技術(shù)】實(shí)例及本發(fā)明的一些實(shí)施例，本發(fā)明的實(shí)例圖解說明于隨附圖式中。
[0030]本文中呈現(xiàn)基于依據(jù)非成品多層半導(dǎo)體晶片的測量的最終裝置性能的預(yù)測而對半導(dǎo)體裝置制造的過程控制及良率管理的方法及系統(tǒng)。進(jìn)行對半導(dǎo)體裝置的一或多個(gè)性能度量的估計(jì)，仿佛所述半導(dǎo)體裝置為成品一般。所述估計(jì)是基于將在其上建構(gòu)半導(dǎo)體裝置的非成品半導(dǎo)體晶片的測量。
[0031]在一個(gè)方面中，裝置性能度量的所估計(jì)值是基于非成品多層晶片的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)特性及至少一個(gè)帶結(jié)構(gòu)特性。直接或間接測量所述特性?；谝换蚨鄠€(gè)裝置性能模型而計(jì)算所估計(jì)裝置性能度量值。
[0032]裝置性能模型可采取以分析或數(shù)值形式表達(dá)的物理