用于制造半导体器件的工艺控制方法和工艺控制系统与流程

本专利申请要求于2017年10月16日提交的韩国专利申请no.10-2017-0134231的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

本发明构思涉及用于制造半导体器件的工艺控制方法和工艺控制系统，更具体地，涉及用于形成薄膜的沉积工艺控制方法和沉积工艺控制系统。

背景技术：

随着电子产品趋向于高速和/或低功耗，对于结合在电子产品中的半导体存储器件，可能越来越需要高速和低工作电压。已经开发了下一代半导体存储器件(例如磁随机存取存储器(mram)和相变随机存取存储器(pram))来以满足对半导体存储器件的高性能和低功率的需求。这些半导体存储器件及其他下一代半导体存储器件可以包括具有这样特性的材料：这些材料的电阻根据所施加的电流或电压而变得不同，并且即使它们的电流或电压供应中断，它们的电阻也保持不变。在这种情况下，器件的电/磁特性可能受到用于形成包括构成器件的材料的薄层的沉积工艺的影响。先进工艺控制(advanceprocesscontrol(apc))系统可用于提高半导体制造工艺的加工能力。

技术实现要素：

本发明构思的一些实施方式提供了允许大规模生产半导体器件的工艺控制方法和工艺控制系统。

本发明构思的一些实施方式提供了一种工艺控制方法和工艺控制系统，用以制造具有期望特性或所需特性的半导体器件。

根据本发明构思的示例性实施方式，用于制造半导体器件的工艺控制方法可以包括：对由一组多个晶片限定的晶片组执行第一沉积工艺；对所述晶片组执行测量工艺，以获得关于所述多个晶片中的至少一个晶片的测量值；通过使用所述测量值与参考值之间的差，产生所述第一沉积工艺中的工艺条件的因素的目标值；以及基于所述目标值，针对用于后续晶片组的第二沉积工艺提供所述因素的输入值。提供所述因素的输入值的操作可以包括：获得所述因素的先前目标值，其中所述先前目标值是关于至少一个先前晶片组在先前产生的；以及提供所述先前目标值和所述目标值的加权平均值作为所述输入值。

根据本发明构思的示例性实施方式，用于制造半导体器件的工艺控制方法可以包括：对由一组多个晶片限定的晶片组执行第一沉积工艺，执行所述沉积工艺以在所述多个晶片中的每个晶片上形成磁隧道结层；对所述晶片组执行测量工艺，执行所述测量工艺以获得与在所述多个晶片中的至少一个晶片上形成的磁隧道结层的特性有关的测量值；通过使用与所述磁隧道结层的特性有关的所述测量值与参考值之间的差，产生所述第一沉积工艺中的工艺条件的因素的目标值；基于所述目标值提供所述因素的输入值以改变所述沉积工艺中的所述工艺条件；以及基于改变后的所述工艺条件对后续晶片组执行第二沉积工艺。

根据本发明构思的示例性实施方式，用于制造半导体器件的工艺控制系统可以包括：工艺操作部分或平台，对由一组多个晶片限定的晶片组执行沉积工艺，执行所述沉积工艺以在所述多个晶片中的每个晶片上形成磁隧道结层；测量操作部分或平台，测量在所述多个晶片中的至少一个晶片上形成的所述磁隧道结层的特性；以及控制操作部分或平台，通过使用预先存储的参考值与通过测量操作部分或平台测量到的测量值之间的差来改变所述沉积工艺中的工艺条件。所述控制操作部分或平台可以被配置为从所述工艺操作部分或平台获得所述工艺条件的因素的输出值，从所述测量操作部分或平台获得所述测量值，通过使用所述测量值与所述参考值之间的差来校正所述输出值从而产生所述因素的目标值，以及向所述工艺操作部分或平台提供所述因素的输入值，所述输入值是基于所述目标值确定的。

附图说明

图1是示出根据本发明构思的示例性实施方式的用于制造半导体器件的工艺控制系统的简化示意图。

图2是示出根据本发明构思的示例性实施方式的用于制造半导体器件的工艺控制方法的流程图。

图3是示出图2的操作s300的流程图。

图4是示出图2的操作s400的流程图。

图5和图6是示出图2的操作s100的截面图。

图7是示出图2的操作s300的曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图描述本发明构思的示例性实施方式。

图1是示出根据本发明构思的示例性实施方式的用于制造半导体器件的工艺控制系统的简化示意图。

参照图1，工艺控制系统1000可以包括执行用于在对象上制造半导体器件的单元工艺的工艺操作部分或平台10、产生从对象测量到的数据的测量操作部分或平台20以及存储并处理从工艺部分10和测量部分20获得的数据的控制操作部分或平台30。测量部分20可以被配置为使得非破坏性测试可用于测量来自对象的数据。工艺部分10、测量部分20和控制部分30可以通过接口1彼此连接，并且接口1可以包括有线元件、无线元件或通用串行总线端口等。从工艺部分10和测量部分20获得的数据可以通过接口1传输到控制部分30，并且在控制部分30中处理的数据可以通过接口1反馈到工艺部分10。

对象可以是或包括由一组多个晶片(诸如半导体晶片)100限定的晶片组。图1示出了表示多个晶片组ln-1、ln和ln+1的流的线2。多个晶片组ln-1、ln和ln+1可以沿着线2顺序地通过工艺控制系统1000。多个晶片组ln-1、ln和ln+1中的每一个可以依次通过工艺部分10和测量部分20。

下面将说明使用工艺控制系统1000的工艺控制方法。

图2是示出根据本发明构思的示例性实施方式的用于制造半导体器件的工艺控制方法的流程图。图3是示出图2的操作s300的流程图，图4是示出图2的操作s400的流程图。图5和图6是示出图2的操作s100的截面图，图7是示出图2的操作s300的曲线图。

参照图1和图2，可以向工艺部分10提供由一组多个晶片100限定的晶片组ln，并且可以对晶片组ln执行沉积工艺(s100)。可以执行沉积工艺以在多个晶片100中的每个晶片上形成薄层。例如，可以执行沉积工艺以在多个晶片100中的每个晶片上形成磁隧道结层(magnetictunneljunctionlayer，mtjl)。

具体而言，参照图1和图5，多个晶片100中的每个晶片可以包括在其上的层间介电层110和底部电极接触120。层间介电层110和底部电极接触120可以在将晶片组ln提供到工艺部分10中之前形成。

参照图1和图6，晶片组ln可以被提供到工艺部分10中，并且可以对晶片组ln执行沉积工艺。结果，可以在多个晶片100中的每个晶片的层间介电层110上形成磁隧道结层。磁隧道结层mtjl可以包括依次堆叠在层间介电层110上的底部电极层130、第一磁性层140、隧道势垒层150和第二磁性层160。应当理解，尽管在本文中术语第一、第二、第三等可以用于描述各种元件，但是元件不应受这些术语的限制。更准确地说，这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在不脱离本发明构思的范围的情况下，下面讨论的第一元件可以被称为第二元件。底部电极层130可以包括导电金属氮化物(例如氮化钛或氮化钽)，隧道势垒层150可以包括金属氧化物(例如氧化镁)。第一磁性层140和第二磁性层160均可以包括至少一种铁磁元素。沉积工艺可以包括用于分别形成底部电极层130、第一磁性层140、隧道势垒层150和第二磁性层160的多个子沉积工艺。

返回参考图1和图2，沉积工艺可以在预设工艺条件下执行，并且该工艺条件可以包括多个因素。当多个因素的输入值被调整时，可以改变工艺条件。例如，沉积工艺可以包括使用至少一个靶执行的溅射沉积工艺。在这种情况下，工艺条件的因素可以包括预溅射时间、沉积时间、离子入射角、离子能量和离子流等。在该说明书中，预溅射时间可以是从执行溅射沉积的腔室或从至少一个靶中去除粒子所需的时长，沉积时间可以是溅射形成至少一层薄层所需的时长。当沉积工艺包括多个子沉积工艺时，该多个子沉积工艺中的至少一个可以是溅射沉积工艺。

在通过工艺部分10之后，晶片组ln可以被提供到测量部分20中。可以对晶片组ln执行测量工艺，以从晶片组ln获得测量值rm(s200)。测量工艺可以使用用于非破坏性测试的工具来执行。可以执行测量工艺以测量形成在多个晶片100中的至少一个晶片上的薄层的特性。测量值rm可以是形成在多个晶片100中的至少一个晶片上的薄层的特性的测量值。例如，可以执行测量工艺以测量形成在多个晶片100中的至少一个晶片上的磁隧道结层mtjl的特性。在这种情况下，测量值rm可以是形成在多个晶片100中的至少一个晶片上的薄层的电特性或磁特性的测量值。例如，测量部分20可以被配置为测量磁隧道结层mtjl的电阻(ra)、磁阻比(tmr)、矫顽力(hc)、交换磁场(hex)和/或垂直磁各向异性(pma)，并且测量值rm可以分别是磁隧道结层mtjl的电阻(ra)、磁阻比(tmr)、矫顽力(hc)、交换磁场(hex)和/或垂直磁各向异性(pma)的测量值。术语“和/或”包括一个或更多个相关联的所列项的任何和所有组合。控制部分30可以接收从晶片组ln获得的测量值rm。

控制部分30可以将测量值rm与预先存储的参考值rf进行比较，并且使用测量值rm与参考值rf之间的差来产生沉积工艺中的工艺条件的一个因素的目标值tc(s300)。参考值rf可以是与通过沉积工艺形成的薄层的特性有关的期望值。例如，参考值rf可以是与磁隧道结层mtjl的电特性或磁特性有关的期望值。在这种情况下，测量值rm和参考值rf可以分别是与磁隧道结层mtjl的电阻(ra)、磁阻比(tmr)、矫顽力(hc)、交换磁场(hex)或垂直磁各向异性(pma)中的一个的测量值和参考值。

通过沉积工艺形成的薄层的特性可以取决于沉积工艺中的工艺条件的多个因素中的至少一个。例如，当沉积工艺包括溅射沉积工艺时，薄层的特性可以取决于预溅射时间、沉积时间、离子入射角、离子能量和/或离子流。在这种情况下，控制部分30可以使用测量值rm与参考值rf之间的差来产生(或生成)关于预溅射时间因素、沉积时间因素、离子入射角因素、离子能量因素或离子流因素的目标值tc。

例如，参照图1和图3，控制部分30可以从对晶片组ln执行的沉积工艺的工艺条件获得因素的输出值to(s310)。沉积工艺可以在因素关于晶片组ln具有特定值的工艺条件下执行，并且因素的输出值to可以对应于该因素的特定值。

基于测量值rm与参考值rf之间的差，控制部分30可以校正因素的输出值to(s320)。因素的目标值tc可以对应于校正后的输出值。可以通过下面的数学方程式1来校正输出值to。

tc＝to+(rf-rm)/δr[数学方程式1]

在数学方程式1中，rf可以表示参考值，rm可以表示测量值，to可以表示因素的输出值，tc可以表示因素的目标值，δr可以表示每单位因素薄层特性的变化量。

例如，当执行沉积工艺以形成磁隧道结层mtjl时，沉积工艺可以包括形成隧道势垒层150的子沉积工艺。该子沉积工艺可以是溅射沉积工艺或者包括溅射沉积工艺。在这种情况下，磁隧道结层mtjl的电阻(ra)可以取决于形成隧道势垒层150的子沉积工艺的预溅射时间。例如，参照图7，形成隧道势垒层150的子沉积工艺的预溅射时间越长，磁隧道结层mtjl的电阻(ra)越小。在这种情况下，测量值rm和参考值rf可以分别是磁隧道结层mtjl的电阻(ra)的测量值和参考值，并且因素可以是形成隧道势垒层150的子沉积工艺的预溅射时间。δr可以是每单位预溅射时间磁隧道结层mtjl的电阻(ra)变化量。输出值to和目标值tc可以分别是形成隧道势垒层150的子沉积工艺的预溅射时间的输出值和目标值。

返回参照图1和图2，基于目标值tc，控制部分30可以确定沉积工艺中的工艺条件的因素的输入值ti(s400)。

例如，参照图1和图4，控制部分30可以获得先前产生的关于至少一个先前晶片组ln-1的因素的先前目标值(s410)。在下文中，表达式tc(n-1)表示先前产生的关于至少一个先前晶片组ln-1的因素的先前目标值，表达式tc(n)表示关于晶片组ln产生的目标值tc。如参照图1所论述的，多个晶片组ln-1、ln和ln+1可以沿着线2顺序通过工艺控制系统1000，并且可以对多个晶片组ln-1、ln和ln+1中的每一个晶片组重复执行图2的操作。因此，在对至少一个先前晶片组ln-1执行的图2的操作s300中，控制部分30可以产生并存储因素的先前目标值tc(n-1)。

控制部分30可以将先前目标值tc(n-1)和目标值tc(n)的加权平均值确定为因素的输入值ti(s420)。当控制部分30分别从多个先前晶片组l1、l2......ln-1产生多个先前目标值tc(1)、tc(2)......tc(n-1)时，可以通过下面的数学方程式2来计算因素的输入值ti。

ti＝∑(tc(k)xf(k))[数学方程式2]

在数学方程式2中，k是1至n的整数，∑f(k)是1。

例如，因素的输入值ti可以对应于多个先前目标值tc(1)、tc(2)......tc(n-1)和目标值tc(n)的加权平均值。目标值tc(n)的权重可以大于多个先前目标值tc(1)、tc(2)......tc(n-1)中的每一个的权重，即f1，f2，…，f(k-1)<f(k)。

或者，控制部分30可以将所产生的关于晶片组ln的因素的目标值tc(n)确定为因素的输入值ti，即ti＝tc(n)。

再参照图1和图2，控制部分30可以向工艺部分10提供因素的输入值ti，从而改变针对后续晶片组ln+1的沉积工艺的工艺条件(s500)。可以在不测量形成在样本晶片上的层的特性的情况下改变工艺条件。工艺部分10可以在开始后续晶片组ln+1的沉积工艺之前并且在不中断后续晶片组ln+1的沉积工艺的情况下，在改变后的工艺条件下对后续晶片组ln+1执行沉积工艺。可以对其他后续晶片组ln+2、ln+3、…重复执行图2的操作。

当制造包括磁隧道结的半导体器件时，磁隧道结所需的特性可能受到用于磁隧道结层的沉积工艺的影响。即使在沉积过程中使用的沉积设备的腔室内的环境有细微变化，磁隧道结的特性也可能改变。在这种情况下，对于多个晶片组ln-1、ln和ln+1，可能难以在保持其一致特性的同时形成磁隧道结。应当理解，这里描述的“一致”特性不需要完全相同，而是可以允许在与基于产品应用可接受的期望特性的预定偏差内的制造差异。

根据本发明构思的实施方式，控制部分30可以被配置为通过利用预先存储的参考值rf与从晶片组ln获得的测量值rm之间的差来确定沉积工艺中的工艺条件的因素的输入值ti，并且将输入值ti反馈到工艺部分10，以便改变用于后续晶片组ln+1的沉积工艺中的工艺条件。因此，可以通过基于由当前沉积工艺生产的晶片组ln的实际特性来调整对晶片组ln+1进行的后续沉积工艺，而不对当前沉积工艺进行改变，来一致地保持通过沉积工艺形成的薄层的特性。

此外，由于控制部分30被配置为使用每个晶片组的测量值rm来改变用于后续晶片组的沉积工艺中的工艺条件，因此本发明构思的实施方式可以不需要或者可以不基于在单独的样本工艺中对样本晶片执行的测量，以一致地保持通过沉积工艺形成的薄层的特性。因此，可以简化用于制造半导体器件的工艺操作。

结果，提供一种用于大规模生产具有所需或期望特性的半导体器件的工艺控制方法和工艺控制系统是可行的。

就功能性的部分、平台和/或块而言描述了实施方式，并在附图中进行了图示。本领域技术人员将理解的是，这些部分、平台和/或块在物理上由诸如以下各项的电子电路(或光学回路)实现：逻辑电路、分立元件、微处理器、硬连线电路、存储元件、布线连接等。在部分、平台和/或块由微处理器等实现的情况下，可以使用软件(例如微码)对它们进行编程，以执行本文所讨论的各种功能，并且可以可选地由固件和/或软件驱动。或者，每个部分、平台和/或块可以由专用硬件实现，或者作为执行某些功能的专用硬件和执行其他功能的处理器(例如，一个或更多个被编程的微处理器和相关电路)的组合来实现。

前述描述提供了用于说明本发明构思的示例性实施方式。因此，本发明构思不限于上述实施方式，本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明构思的精神和基本特征的情况下，可以在形式和细节上进行变化。