专利名称：用于半导体晶片制备工艺实时原位监控的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成电路的制造，更具体地讲是涉及对半导体晶片制备工艺进行实时原位监控的方法和系统。就实时在线监控晶片制备工艺的具体处理步骤(腐蚀、淀积…)而言，其基本含义是一种方法，该方法包括在当前步骤中持续并行监测多个选定工艺参数的步骤，将参数变化与正确执行时描述工艺步骤的相应数据以及识别出的故障偏差相比较的步骤，其中数据和偏差均存储在数据库中。完成由工艺工程师定义的比较及废弃判据的分析规则按照一定的算法形式进行编码并存储在数据库中。如果检测到工艺偏差，报警程序就发出警报，并立即执行相应的动作。报警程序同样存储在数据库中。为实现本发明方法，需要与监视该工艺步骤的控制器以及数据库相连的监控器。
由于集成度的持续增加，必须对在用于生产集成电路(ICs)的半导体晶片制备工艺中使用至今的制备工艺进行十分精确的控制。由于这个原因，为此目的所需的处理工具变得越来越复杂。处理工具可以包括多个腔，每个腔执行多个处理步骤。为了节约资金，提高产量，晶片通常是通过计算机控制的多个工具顺序地经过所述多个腔进行处理的。腔的选择决定于许多因素，例如可行性、污染等级、规格等等。
工具和工艺特征的新方法，例如原位污染监视、测量、气体分析等，现已在半导体工业中得到广泛的应用。所有这些特征技术产生了各种类型的大量数据。具体地讲，这种数据包括物理工艺参数，例如气体流量，压力，RF功率，温度等，这些参数在确定的步骤中一直受计算机的控制。其它数据包括由连续监视工艺过程的控制器以及测量单元提供的结果(例如，刻蚀速率)。所有这些对于当前步骤至关重要的数据并没有有效地得到充分利用。
事实上，至今只有物理工艺参数暂存在工具计算机中。有时这些数据用来在工艺结束后进行进一步的分析/研究，但是它们从来没有为了正在处理的晶片而实时、原位地得到使用。
图1简略地示出了标号为10的现有工艺通用系统，该系统实现了处理半导体晶片的典型流程。下面的描述将参照多腔RIE工具进行，例如Applied Materials,Santa Clara,CA,USA制造的AME5000，该工具用来在晶片表面执行一系列刻蚀不同材料的步骤。然而，还可以想象得到其它工具，例如淀积设备等。现在转到图1，系统10包含与工具计算机相连的RIE刻蚀工具11。从图1可知，为了简化，工具11只包含两个腔11-1和11-2，实际上，应当理解为它具有更多的独立腔，可以多达六个。仍然是为了简化，我们假定每个腔执行相同的、标号为A、B、…、I、…、X处理步骤序列。标号为13的数据总线为在工具腔和计算机12之间交换数据流在其间提供了电连接。
在初始状态，计算机12将步骤A的物理工艺参数适当地下载到腔11-1或11-2。典型的物理工艺参数是气体流量、压力、RF功率、温度等。然后，执行步骤A，步骤A通常在固定的时间之后停止。无论何时需要，都可以将这一过程应用到其它步骤B、C…X。在这些步骤中，计算机12通过工艺控制数据总线13检测各种物理工艺参数，并且在参数中的任何一个参数超出预定限度时停止当前工艺。通常在出现严重的硬件故障之后，例如RF功率关闭或气流终止，会停止工艺。
图2描述了标号为10’的图1系统的改进型号，其中相同的元件具有相同的标号。为了说明，分别只在腔11-1和11-2中执行三个工艺步骤(A到C)和一个工艺步骤(A)。除工具11、计算机12和连接在其间的数据总线13之外，改进型系统10’还包括连接到各个工具腔的附加设备。如图2所示，两个刻蚀端点检测(EPD)控制器14-1和14-2分别具有用来观察腔11-1和11-2内部的等离子体的光纤15-1和15-2。这些EPD控制器的功能只是执行光学干涉测量。适用于系统10’的EPD控制器是SOFIE Instr。,Arpajon,FRANCE出售的DIGISEM或DIGITWIN。然而，在本应用中，“EPD”表示“刻蚀端点检测”，或更加广泛地表示“端点检测”，例如当使用的是淀积工艺而不是刻蚀工艺时。同样，分别将两个控制设备16-1和16-2连接到腔11-1和11-2，控制设备通常是粒子计数器、气体检测器、质谱仪等。这些控制设备的类型决定于该工具的功能刻蚀、淀积…。操作者使用控制设备对当前工艺进行可视化检测，以便在需要时停止该工艺，例如在粒子计数器检测到污染过量的情况下。最后，两个外部测量单元17-1和17-2对于处理中间和处理后的测量是必须的，以便确定在各个腔的输出口得到的晶片是否还符合规格。如图2所示，测量分别在腔11-1和11-2的输出口进行。测量单元和控制设备有时具有记录主要事件的局域数据库，以便在工艺结束之后供操作者察看。数据总线18为实现基本数据交换而在计算机12和EPD控制器14-1和14-2之间提供电连接。结果，EPD控制器的功能只是通知是否已经检测到刻蚀端点，通知处理步骤已经到达该步骤允许的最长时间。
系统10’的操作相对较简单。为了简化，假定，(1)在第一腔11-1中只执行标号为A到C的三个步骤，其中只有两个步骤(A和C)受EPD控制器14-1监视；(2)在腔11-2中只执行一个步骤(A)。首先，计算机2按照上述方式通过数据总线13向腔11-1下载物理工艺参数，同时，通过总线18将步骤A中使用的算法标识码发送到EPD控制器14-1。启动腔11-1中的步骤A同样也启动了EPD控制器14-1，使其扫描选定的刻蚀端点参数，该参数通常是由晶片表面的特定层发射出的具体辐射波长。表示这种辐射的信号涌动表明已经到达端点。然而，还可以使用其它参数。通过光纤15-1传送的信号在EPD控制器14-1中进行处理，以便检测刻蚀端点。在这种情况下，EPD控制器14-1通过数据总线18发出信号，通知计算机12已经到达刻蚀端点，必须终止步骤A。与此相反，EPD控制器14-1通知计算机12，已经到达最长允许时间。接着，启动步骤B。该步骤的执行过程不受EPD控制器14-1监视，因此它由使用者确定的时间控制。假定，步骤C的执行方式与步骤A相同，即它同样受EPD控制器14-1监视。在步骤C结束之后，将晶片送到测量单元17-1检测它是否符合规格。只有合格的晶片才装入腔11-2继续进行处理。一旦在腔11-2中完成步骤A，在测量单元17-2中执行新的测量步骤。必须注意，在第一腔中执行的步骤A到C不会互相干扰，在第二腔中执行的步骤也是如此。换句话说，所有这些步骤均是顺序执行的，前一步骤对后一步骤没有任何影响。如上所述，在这些步骤中，计算机12检查所有不同的物理工艺参数，并只有在参数中的一个超出预定限度的条件下才停止当前工艺。任选地，所有这些物理工艺参数可以上传给计算机12的数据库，以便后续分析。
当系统10’在DRAM芯片上的槽形成工艺过程中用于执行所谓的“ABETCH”/“AB STRIP”工艺时，通过下面参照图3至图5描述可以更好地理解图2的系统10’和晶片制备工艺之间的复杂关系。“AB ETCH”包括在同一腔中，即刻蚀工具11的11-1中，顺序执行的三个刻蚀步骤(标号为A、B和C)，“AB ETCH”工艺后面跟随着“AB STRIP”工艺，该工艺是腔11-2中的唯一步骤(标号为A)，其目的是去除三次刻蚀步骤之后剩余的光刻胶材料。选择“AB ETCH”/“AB STRIP”工艺不仅是因为它与上面参照图2进行的描述一致，而且还因为它是对本发明方法和系统的一个很好的介绍。请参考欧洲专利申请第756,318号获得详细信息。下面，简要地总结一下“AB ETCH”工艺。
考虑包含图3A至图3D的图3。现转到图3A，图中示出了半导体晶片的一部分，该部分示例了在正确地执行“AB ETCH”工艺之前处于初始状态的、标号为19的结构。待刻蚀的结构19包括利用原位Si3N4掩膜层21在其中选择形成浅槽20A和20B的硅衬底。这些槽通过淀积保形层22而填充TEOS SiO2材料。在制备工艺的这一阶段，在槽20A和20B上部的层22中分别形成标号为23A和23B的小和宽凹坑，如图3A所示。然后，结构19的平面化需要连续地淀积两层光刻胶层。厚度为830nm的光刻胶层(AB1)24首先淀积在结构22上，然后按照标准方法进行曝光、烘干和显影，形成标号仍为24、称为AB1掩膜的图案层。本质上，该掩膜24的用途是填充宽凹坑23B以及特定量小凹坑例如23A。然后，同样的光刻胶构成的830nm厚的第二层(AB2)25施加在层24上，然后，进行烘干。在完成第二步骤之后，可以认为晶片结构基本上平滑了。
现在，根据“AB ETCH”工艺，图3A的基本平滑表面将转换为TEOSSiO2层22，以便在硅晶片的整个表面上产生更薄而且基本上平滑的TEOSSiO2层。经过三个标号为A到C的不同步骤完成“AB ETCH”工艺。所有这些步骤均可以在上述AME 5000等离子体刻蚀机的单个腔中完成。
根据称为步骤A的第一步骤，刻蚀上阻挡层25一直到达TEOS SiO2层22的表面(在安装位置)。利用适当的算法，利用EPD控制器14-1通过检测波长为230.0纳米的SiO射线来检测AB2层25和TEOS SiO2层22之间的界面，图4示出在步骤A结束之后显示在EPD控制器14-1屏幕上的曲线图。曲线26和27分别示出信号S1及其派生信号S’1，信号S1示出在第一步骤A中230.0纳米的SiO射线强度随时间的变化。另一方面，曲线28和29分别示出信号S2及其派生信号S’2，信号S2示出波长为483nm的CO射线强度。信号S’2允许用标准方法判断AB2层25的刻蚀速率。信号S1和S2由光学测量获得。图4所示的信号表示结构19没有任何缺陷，刻蚀工艺完美无缺。在信号S’1(曲线27)中的涌动在步骤A中用作刻蚀端点判据。然后，进行较短的过刻蚀以便终止该步骤。在该工艺阶段，结构19显示在图3B中。
现在，执行第二步骤B，利用不同的非选择性刻蚀化学物质去除确定量的AB1光刻胶和TEOS SiO2层(大约160nm)。获得的结构显示在图3C中。
在第三、即最后步骤C中，利用AB1阻挡层作为原位掩膜刻蚀TEOSSiO2层22。为此，控制器14-1执行在共同转让给IBM公司和SOFIE公司的Auda等的欧洲专利第735,565号中描述的干涉测量，以便确定刻蚀端点。简要地讲，就是将汞灯产生的光束照射到晶片上。根据该参考文献，利用两种不同的波长控制从给定的起始点开始的TEOS SiO2的刻蚀量，即所谓的“RATE TIME”。
图5示出在步骤C结束之后显示在EPD控制器14-1的屏幕上的曲线图。曲线30和31分别代表信号S3和S4，它们分别表示404.7nm和435.8nm的Hg辐射强度随时间的变化。曲线32和33代表它们各自的派生信号S’3和S’4。曲线30到33的典型形状仍旧示出结构19没有任何缺陷，刻蚀工艺正确地得到执行。正弦形状的曲线30和31使在步骤C中更加容易判断刻蚀速率。读者可以参照Auda等的参考文献获得与这种具体测量技术有关的细节。当“AB ETCH”工艺结束时，在Si3N4掩膜层21上仍保存着预定厚度的TEOS SiO2。
因此，系统10’的各个组成部分和“AB ETCH/AB STRIP”工艺之间的相互作用如下。首先，将待刻蚀晶片引入AME5000等离子体刻蚀机工具11的腔11-1中。然后，开始步骤A的刻蚀工艺，同时启动EPD控制器14-1。当到达刻蚀端点时，步骤A停止。然后，启动步骤B。一旦经过固定的一段时间之后完成了步骤B，如所描述那样，参照步骤A完成步骤C。最后，在完成步骤A到C的所有序列之后，将晶片(可以只是部分样本晶片)送到测量单元17-1，以便确定剩余的TEOS层22的厚度是否符合规格。如果剩余的TEOS层22太薄，则废弃该晶片。如果剩余的TEOS层22太厚，则将晶片送回腔11-1进行再处理。并对再处理后的晶片进行再次测量。合格的晶片装入匣中，送到腔11-2，以便根据“AB STRIP”工艺中的步骤A剥离剩余的光刻胶AB1层24。在完成“AB STRIP”工艺之后，将晶片送到测量单元17-2，以检测该步骤执行得如何。
正确处理晶片的上述步骤序列可以简单地总结如下。
1．从匣中取出晶片，将晶片装入腔11-1。
2．运行“AB ETCH”工艺的三个步骤A到C。
3．在测量单元17-1中测量剩余TEOS SiO2层的厚度。除去(或废弃或再处理)不合格的晶片。
4．将晶片装入腔11-2。
5．运行“AB STRIP”工艺中的唯一步骤A。
6．从工具上卸下晶片，装入匣中。
7．在测量单元17-2中执行处理后的检测。除去(或废弃或再处理)不合格的晶片。
8．进行下一工艺。
为了简化，不再描述将晶片装入匣中或将晶片从匣中取出的中间步骤。
图6是示出了在它们各自的工具/设备中执行的不同处理/测量步骤的工艺流程图。如图6所示，由于在将晶片发送到腔11-2之前需要在测量单元17-1中检测TEOS SiO2层的厚度，所以“AB ETCH”工艺不能集群化，即腔11-1和11-2之间的直接传送是不可能的。换句话说，该工艺不能胜任“原位处理”，因为为了进行这种测量步骤晶片必须离开工具11中的真空状态。最后，这一步骤序列由测量单元17-2中的另一个强制性测量步骤终止。
另外，使用EPD控制器14-1控制步骤A和C并不能保证“AB ETCH”工艺的正确执行。在制备工艺的这一阶段经常发生的一些严重问题可能会废弃大量的晶片。通过粗略地分类，可以将这些问题分别与错误工艺故障、工艺漂移和工具失效联系在一起。典型的错误工艺故障包括丢失AB1或AB2层(或全部)。例如，如果丢失AB2层25,EPD控制器14-1将等待在S’1信号(指230nm的SiO射线)中出现的跃变，而这种跃变是永远不会发生的。结果，步骤A将在最长运行时间到达时停止。在这种情况下，必须将晶片废弃，因为在该步骤中已经对AB1掩膜层24和TEOS SiO2层22进行了不期望的过刻蚀。晶片明显地受到损坏，而且不能进行再处理。其它经常观察到的错误工艺故障是AB1光刻胶层24没有曝光、TEOS SiO2层22的厚度超过规格或简单地丢失TEOS SiO2层。在AME5000等离子体刻蚀机的观察端口表面上淀积的聚合物将产生工艺漂移，这对于使晶片保持在规格之内是十分有害的。最后，总线上的电子故障或RF关闭是工具失效的典型例子。
由于这些原因，“AB ETCH”工艺需要一直处于人工控制之下，因为这是在问题发生时采取动作的唯一方法。操作者必须在工艺过程中根据参数的变化周期性地对其进行调整，这使得任何自动化尝试都变得十分困难。此外，由于不可能在工艺过程中进行干预，只能在晶片从腔中取出之后才能检测到问题，这对于节约晶片已经是太迟了，晶片常常不能进行再处理。实际上，利用图2的系统，大约有5％的晶片在“AB ETCH”工艺结束之后被废弃掉。最后，还应当注意的是“AB ETCH”工艺的速度很慢，因为在单元17-1中执行的测量步骤需要在两个腔之间进行传递之前在匣内进行晶片的装载/卸载操作。
总之，图1和2所示的系统结构都不能在当前处理步骤中对上述的任何问题晶片工艺错误、工艺漂移和工具失效，作出在线的、实时的反应，以便立即执行正确的操作。此外，这些系统结构导致非自动化工具，因为集群化(clusterizing)是不可能的，所以晶片处理不能在多腔工具内原位地进行。强制性的测量步骤放慢了工艺流程。结果，迫切期望开发出一种能够克服所有这些缺点的方法和系统。
因此，本发明的首要目的是提供一种对半导体晶片制备工艺实时原位监测的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种通过在晶片处理过程中的实时检测来克服错误工艺故障、工艺漂移和工具失效的半导体晶片制备工艺实时原住监测的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种通过在晶片仍可以进行再处理时停止处理或跳过下一步骤来显著地降低晶片的废弃率、提高产量的半导体晶片制备工艺实时原位监测的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种大大地降低处理成本和循环时间的半导体晶片制备工艺实时原位监测的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种不需要持续的人工控制而更适于自动控制的半导体晶片制备工艺实时原位监测的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种省略一些标准测量方法而提高晶片处理速度的半导体晶片制备工艺实时原位监测的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种只处理合格晶片而避免不必要的处理时间和晶片浪费的半导体晶片制备工艺实时原位监测的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种可以执行在不破坏真空的条件下将晶片直接由一个腔传送到同一工具内的另一个腔的完全集群化(即原位)工艺的半导体晶片制备工艺实时原位监测的方法和系统。
利用本发明的系统和方法可以实现这些和其它相关目的。
该方法的初步但最基本的步骤是建立适当的数据库。首先，在建立数据库之前，工艺工程师为工艺的每一个步骤选择一个或几个用于监视该步骤的工艺参数。首先，数据库包含在晶片制备工艺的预定步骤中当该步骤正常进行时与选定的工艺参数变化有关的数据和在识别出偏差的情况下与这些选定的工艺参数变化有关的数据。这些识别出的偏差是以工艺工程师已知的所有可能导致晶片废弃的原因为基础的。工艺工程师定义一组可以描述偏差特征的分析规则，并建立相应的废弃判据。这些规则按照同样存储在数据库中的算法形式进行编码。由此，这些算法用来在晶片处理过程中监视选定的工艺参数，并检测出任何可识别的偏差。根据工艺工程师的经验，将报警程序和反应动作赋予各个状态，并以同样方式编码在数据库中。例如，在出现紧急情况或跳过下一步骤的情况下，如果报警程序需要，可以在任何时候终止当前步骤。全部报警编码构成该步骤的警报。对于晶片制备工艺的每一个处理步骤和任何可能的各个生产线工具执行这些步骤。
现在，在晶片处理的特定步骤中，各种连续地监视该步骤的选定工艺参数的设备(EPD控制器，控制装置，…)产生数据(例如电子信号)，并利用分析算法将该数据在线地、实时地与存储在数据库中的相应数据进行比较。这种分析是在称为监控器的专用单元中进行的，其中监控器从监视设备接收数据并与数据库相连。如果检测到与可识别偏差相对应的异常状态，监控器向控制工艺工具的计算机发出报警编码进行报警并立即采取适当的动作，否则，工艺一直持续到正常结束的状态。
结果，只有“合格”晶片得到完全处理，提高了产量。此外，该技术允许完全集群化的原位晶片制备工艺。
作为本发明特征的新颖特征在附属权利要求中陈述。然而，结合附图，并参考示例性优选实施方案的详细描述可以更好地理解本发明以及这些和其它目的和优点。
图1示出包含两个腔处理工具和专用计算机的、处理半导体晶片的现有技术常规系统。
图2示出为更有效地进行操作而包含各种附加设备(EPD控制器、控制设备，…)的图1常规系统的改进型。
图3包括图3A到图3D，示出“AB ETCH”工艺步骤序列中的半导体结构。
图4示出当结构中没有缺陷而且步骤A的刻蚀工艺得到正确执行时由监视在等离子体刻蚀机腔中进行的“AB ETCH”工艺的步骤A的EPD控制器显示出的信号曲线图。
图5示出当结构中没有缺陷而且步骤C的刻蚀工艺得到正确执行时由监视在同一腔中进行的“AB ETCH”工艺的步骤C的EPD控制器显示出的信号曲线图。
图6示出在利用图2系统且工艺工具是等离子体刻蚀机时“ABETCH/AB STRIP”工艺的流程图。
图7示出根据本发明的新颖系统，其中监控器添加到图2系统中。
图8示出当结构进入步骤A且失去AB1光刻胶层时由监视“ABETCH”工艺的步骤A的EPD控制器显示出的信号曲线图。
图9示出当AB1光刻胶层没有被任何平板印刷步骤刻出图案时由监视“AB ETCH”工艺的步骤A的EPD控制器显示出的信号曲线图。
图10示出当结构进入步骤A且失去AB2光刻胶层时由监视“ABETCH”工艺的步骤A的EPD控制器显示出的信号曲线图。
图11示出当在等离子体刻蚀机腔观察端口淀积了不期望的聚合物时由监视“AB ETCH”工艺的步骤A的EPD控制器显示出的信号曲线图。
图12示出当结构进入步骤C且在晶片中部具有少量光刻胶时由监视“AB ETCH”工艺的步骤C的EPD控制器14-2显示出的信号曲线图。
图13示出在刻蚀工艺中等离子体刻蚀机发生RF关闭时由监视“ABETCH”工艺的步骤A的EPD控制器14-1显示出的信号曲线图。
图14示出根据本发明方法产生数据库的各种步骤的简要的流程图。
图15示出当应用到晶片制备工艺中的任何处理步骤时包含在根据本发明方法的实时在线新颖工艺流程中的基本步骤的简要的流程图。
图16示出利用图7的本发明系统执行“AB ETCH/AB STRIP”工艺的流程图。
包含监控器的新型系统标号为34的新型系统显示在图7中。相对于图2中描绘的现有技术改进型系统，相同单元具有相同标号。转到图7，其主要差别在于附加了称为监控器、标号为35的专用单元，删除了不再需要的测量单元17-1。测量单元17-2在监控器35检测到工艺异常的情况下是必须的，这将参照图16在后面详细讨论。由于现在可以在腔11-1和11-2之间直接传送晶片，工具11可以完全集群化，由此允许所谓的“原位”工艺。如图7所示，监控器35包括内部数据库，然而，应当理解的是也可以使用外部数据库代替它。一方面，监控器35通过双向数据总线36，通常是SECSⅡ连接，连接到计算机，另一方面，又分别通过双向数据总线37-1和37-2连接到EPD控制器14-1和14-2。然而，如果监控器具有太多的任务以致于不能处理时，可以任选地在EPD控制器中安装一些智能机构。这可以通过向EPD控制器添加计算和存储能力来实现。具有微处理器和少量存储器的电子卡在所有情况下均是可行的。任选地，控制设备16-1和16-2通过数据总线36连接到监控器35，这样监控器也可以如控制设备观察到的一样跟踪工艺变化，而不仅仅是EPD控制器。因此，监控器35同时具有计算能力(处理来自EPD控制器的数据和来自数据库的数据，以便比较)和存储能力(保存数据库)。应当注意，计算机12的功能是在晶片处理过程中控制工具11的物理工艺参数，而监控器35感兴趣的主要是晶片发生的变化。
监控的新颖方法建立数据库本发明方法需要产生数据库的基本步骤，数据库包含不仅在工艺进展正常进行时而且包括在出现任何偏差的情况下描述工艺变化的第一数据。这些偏差是以可识别出的所有可能导致晶片废弃的原因为基础的。对于各个步骤，选择用来监视该步骤的工艺参数。通过监视这些参数建立一组对应于正常状态的正确工艺数据，其工艺变化可以作为根据本发明执行的分析的参考。然后，对于每个可以由工艺工程师识别出的导致晶片废弃的潜在原因，监视相同的工艺参数(或者只是其中的一部分，即最适于这种特定偏差的参数)以便检测出它们相对于上述参考变化的漂移。搜集到的代表该步骤正常状态和可识别出的异常状态的所有数据均存储在监控器35的数据库中。相应地，工艺工程师分析这些漂移，并定义一组称为分析规则的规则，其中定义了表征相对于正常工艺的这种偏差的废弃判据。这些分析规则用算法形式表达并存储在数据库中。最后，工艺工程师定义的报警编码和动作对应于各个可识别出的偏差。报警编码可以具有不同的优先级。另一方面，根据偏差的严重程度采取不同的动作。上述过程对于该工艺的每个步骤均是重复进行的。
下面的几个例子将说明产生这种数据库的基本步骤。为了与本申请的引言部分相一致，它们均与“AB ETCH”工艺联系在一起，这样，参照图3所示的结构19对其进行描述。
例子Ⅰ如上所述，在“AB ETCH”工艺的初始阶段，即步骤A，通常存在光刻胶层AB1。结构19中没有任何缺陷的情况用图4中的曲线26到29表示，派生信号S’1(曲线27)在该步骤结束时具有一个非常锐利的瞬变。现转到图8，该图示例了当没有AB1光刻胶层24时的信号S1、S’1、S2和S’2。在这种情况下，曲线34表示的S’1信号具有十分平缓的坡度。工艺工程师可以利用这种差异区分这两种情况。为表征不存在AB1光刻胶层，建立了下述规则如果信号S’1在至少25s的过程中高于500(任意单位)低于1600，就认为不存在AB1光刻胶层。然后，工艺工程师检查这种状态序列。如果不存在AB1光刻胶层而步骤A正常进行，那么在步骤B和C过程中刻蚀所有的TEOS SiO2将是导致晶片废弃的主要原因。因此，一旦检测到不存在AB1光刻胶层，刻蚀必须立即停止，这样在这种情况下，报警编码是“立即步骤停止”，推荐反应动作是跳过腔11-1中的步骤B和C。在这种情况下，晶片可以进行再处理。
例子Ⅱ
假定晶片没有经过AB1平板印刷步骤。结果，在步骤A中处理晶片之前在结构19的表面上总共存在两层光刻胶AB1和AB2层24和25。图9示出了这种特定状态下的信号S1、S’1、S2和S’2。在这种情况下，工艺工程师选择曲线35的信号S’2，该信号定义了刻蚀速率，由此定义了刻蚀厚度。规则表明，如果刻蚀厚度超过标称值的10％，就应当停止该工艺，否则，继续进行该工艺直到到达最长允许时间。因为，永远不会出现步骤A的刻蚀端点，所以TEOS SiO2层22将永远不会受到刻蚀，这是因为刻蚀工艺必须毫无延迟地停止。报警编码仍是“立即步骤停止”，推荐反应动作是跳过步骤B和C。在本例的情况下，晶片不会受到损坏，只需对其进行再处理。
例子Ⅲ另一种在“AB ETCH”层次的制造过程中经常发生的失效是缺乏AB2光刻胶层25。如果在腔11-1中启动步骤A时缺乏AB2光刻胶层25，那么在该步骤中使用的化学物质将以相同的速率同时刻蚀层22的TEOSSiO2材料和AB1层的光刻胶材料。在几分钟之内，将刻蚀掉所有的AB1光刻胶和大部分的TEOS SiO2材料。结果，在制备工艺的这一阶段需要将晶片废弃。在这种情况下，将使用S’1信号，只要检测到界面，这意味着开始刻蚀TEOS SiO2材料，就立即停止刻蚀。图10示出在这种特定状态下的信号S1、S’1、S2和S’2，其中信号S’1由曲线36表示。在这种情况下，规则是从最长持续时间为120S的信号S’1的RATE TIME RT开始，如果信号S’1的幅度上升到高于1500(任意单位)，再下降到低于600，然后又上升到高于1500，这说明刻蚀速率过高。报警编码是“立即工具停止”，推荐动作是停止等离子体刻蚀机工具。在这种特定情况下，所有正在进行处理的剩余晶片均受到直观的控制，以便检测AB2光刻胶层25的存在。
例子Ⅳ本例涉及工具故障。有时在腔内壁上覆盖了由刻蚀产生的化学反应副产品时会发生这种故障。当启动步骤A时，首先将这些副产品刻蚀掉，这样，用于完全去除AB2光刻胶层25的计划刻蚀时间是不够的，在步骤A结束时，从腔11-1中取出的晶片仍具有AB2光刻胶涂层。报警编码将通知计算机需要进行进一步的刻蚀。结合图11可以理解这种由工艺工程师开发的用于表征该状态的判据。图11示出对应于该状态的信号S1、S’1、S2和S’2。测试由曲线37表示的信号S1的幅度。两次测试的间隔是60S，如果信号幅度差异大于10％，报警编码指出必须进行确定持续时间之外的附加刻蚀。
例子Ⅴ在淀积AB1或AB2光刻胶的过程中，少量的保护剂滴加在晶片中央，以增加局部厚度。当晶片进入步骤C时，该缺陷用作刻蚀端点，这样对晶片刻蚀最长允许时间。图12示出与该状态对应的信号S3、S’3、S4和S’4。在这种情况下，规则指出，如果在由曲线38表示的信号S’3中检测到非对称性，那么示出报警编码“在缺省时间停止”。推荐动作是在预定的时间内继续进行刻蚀(缺省时间)。
例子Ⅵ当RF发生器停止而后又立即重新启动时，例如，在步骤A中，S1信号下降，然后又上升。其派生信号S’1以相同的方式更加剧烈地变化。产生的涌动造成虚假的刻蚀端点，使步骤A过早地停止。然后，根据步骤B处理晶片。最后，当晶片进入步骤C时，大量的光刻胶AB2仍留在晶片上。步骤C化学物质是选择性的，将不会刻蚀TEOS SiO2材料。结果，如果在步骤A中没有报警，那么晶片将带着没有被轰击掉的TEOS SiO2层22离开步骤C，在化学-机械(chem-mech)平滑步骤之后，该晶片将会被废弃。图13示出与该状态对应的信号S1、S’1、S2和S’2。表示信号S1和S’1的曲线分别用39和39’标识。在这种情况下，工艺工程师定义的规则是步骤A开始30秒之后，检测信号S1的幅度，如果两次取样之间的变化大于5％，那么应当示出报警编码“立即步骤停止”。推荐动作仍是跳过步骤B和C。
图14中标号为40的流程图简要地总结出生成数据库的各种操作。考虑整个工艺中标号为A的第一处理步骤的操作序列，整个工艺包括多个标号从A到X的步骤。现转到图14，第一操作包括选择监视步骤A的正确工艺参数，并在正常条件下进行的处理过程中建立参数的变化规律(框41-A)。参考这些选中工艺参数的变化规律对工艺进行实时在线监控。在这种“AB ETCH”工艺的特定情况下，这些选中的工艺参数至少包括图4示出的四个信号S1、S’1、S2和S’2。然后，识别出相对于正常工艺条件的所有可能偏差，并建立每一种偏差的选中工艺参数变化规律(框42-A)。此外，仍针对每一种偏差，定义包括废弃规则的分析规则，以表征这一特定状态(框43-A)。注意，如果使用几个工艺参数，监控机将并行地对其进行监控。然后，生成具体的分析算法(框44-A)。事实上，存在一组用于每个步骤的专用算法。这些算法由工艺工程师编制，并明显地处于本领域的普通技术人员的知识范围之内。采取的报警编码和推荐动作赋予任何可识别的偏差(框45-A)。最后，对于整个工艺中的每一个步骤A到X均执行该操作序列。所有这些数据均存储在数据库(框46)中，该数据库优选地位于监控器35的内部，尽管使用外部数据库也是可以想象的。数据库包括所有与工艺参数有关的恰当数据，这些数据描述了在正常操作条件下和可识别偏差条件下工艺参数的变化规律。同样，数据库包含用分析算法形式表达的分析规则以及相应的废弃判据。数据库还包括待执行的、赋予每种偏差的报警编码和动作。由于上述过程具有明显的灵活性，所以数据库可以应用于晶片制备工艺的一个或几个步骤和生产线的一种或几种工具。
新颖工艺流程参照图15描述标号为47的新颖工艺流程。于是，该流程可以应用于晶片制备工艺的任何处理步骤和任何工具。对于确定的处理步骤，晶片装载在工具的特定腔中(步骤48)。然后，计算机12下载监控器35中的步骤名称。现在，对于该步骤，对晶片处理(例如，刻蚀、淀积、掺杂…)进行初始化，同时激活监视该步骤的EPD控制器(和/或任何控制设备)(步骤49)。同时，监控器35利用存储在数据库中的适当算法开始分析选定的工艺参数，并根据存储在数据库中的分析规则分析EPD控制器产生的相应信号(步骤50)。结果，持续地分析选定工艺参数的变化规律。一旦出现任何选定工艺参数漂移，监控器35就检测工艺工程师建立的任何一条废弃判据是否得到满足(步骤51)。分析算法的作用是识别出相对于正常工艺的任何偏差。于是，实时在线地执行分析和测试。如果检测到异常(即，偏差)，监控器35将向计算机12提供报警编码，这样可以立即执行适当的动作(步骤52)。如果监控器35没有检测到异常，那么该步骤将一直执行到结束(步骤53)。然后，晶片准备进入下一步骤(步骤54)。
现在考虑当应用于“AB ETCH/AB STRIP”工艺时图15中的新颖工艺流程的实用性的降低。
当第一晶片进入腔11-1时，步骤名称已经由计算机12传送给监控器35，如果EPD控制器14-1具有一些智能，那么可任选地将该部分信息传送给EPD控制器14-1。步骤A工艺启动，EPD控制器14-1也随即启动，并产生信号S1、S’1、S2和S’2，这些信号立即由特定的分析算法进行处理(算法是在步骤名称下载到监控器数据库中时进行选择的)。如果根据可识别的偏差检测到异常，那么向计算机12发送相应的报警编码，以便采取适当的动作。典型动作是跳过剩余步骤B和C。然而，根据偏差的严重性来停止工艺或工具。如果没有检测到异常，那么处理晶片一直到步骤A终止。
然后，晶片进入步骤B。计算机12将步骤B标识符发送到监控器35。与步骤A不同，步骤B不受EPD控制器14-1的监视，其持续时间是固定的。然而，监控器35分析其它信号，例如与可能发生的常见失效(例如RF关闭)有关的信号。如果没有检测到异常，那么就不发出警报。在步骤B结束时，晶片进入步骤C。步骤C按照与参照步骤A描述的方式相同的方式进行。现在，完成了晶片在腔11-1中的处理。晶片直接传送到腔11-2，执行“AB STRIP”工艺。
正确处理晶片的上述步骤顺序可以简单地总结如下1．从匣中卸下晶片，并将晶片装入腔11-1。
2．运行“AB ETCH”工艺的三个步骤A到C，并顺序地运行“ABSTRIP”工艺的步骤A，除非出现报警。在报警情况下，通常将是跳过下一步骤，尽管有时会停止工艺或工具。
3．从工具中卸下晶片，并将晶片装入匣中。
4．如果检测到至少一种异常，那么在测量单元17-2中执行处理后检测。排除不合格晶片，或废弃或再处理。
5．进入下一工艺。
同样，为了简化，没有提及向匣中装载晶片和从匣中卸载晶片的中间步骤。
图16示出的流程图55可以和图6所示的流程图作恰当的比较。如图16所示，由于在发送到腔11-2之前不需要在测量单元17-1中检测TEOS SiO2层的厚度，所以，“AB ETCH/AB STRIP”工艺可以完全实现集群化，即在腔11-1和11-2之间直接传送是可行的。然而，如果检测到异常(对于批量特征)，仍需要保持在测量单元17-2中对样本晶片进行的最后测量步骤。利用现有的工艺工具，在显示“失效”时不能立即从腔中取出失效的晶片。在“AB ETCH/AB STRIP”工艺结束时，所有的晶片都装入匣中，这样如果只检测到其中的一个晶片异常，那么必须在测量单元17-2中进行检测，以便识别出失效晶片。将来，可以避免这种对晶片分类的测量步骤，工艺工具将配备有标记失效晶片的标记设备(例如激光器)或者配备有用于读取晶片ID(标识码)的读取设备，这样可以很容易地在匣中识别出失效晶片，而不必执行上述的测量步骤。
最后，通过EPD控制器14-1和14-2完全控制了“AB ETCH/ABSTRIP”工艺的所有工艺步骤的监控器35现在可以保证只有合格晶片得到完整处理。此外，这种技术可以使制备工艺完全集群化。然而，不幸的是，由于在已经检测到问题的步骤中不能识别出失效晶片，并且该失效晶片与合格晶片一起装载在上述匣中，因此还需要进行分类以便获得合格晶片。
权利要求
1．对用于晶片批量生产的、制备半导体晶片的确定工艺步骤进行实时原位监控的方法，包括以下基本步骤a)选择至少一个用于监视确定步骤的工艺参数。b)建立包含以下内容的数据库在由工艺工程师标识出的正常操作状态下和所有偏差状态下选定的工艺参数的变化规律；表示由工艺工程师定义的用于识别任何偏差的分析规则的算法，该算法包括各种偏差的废弃判据；各种偏差情况下的报警编码；所述方法还包括确定的步骤，包括c)提供了-具有至少一个在制备工艺的特定步骤中用于处理晶片的腔的工具；-控制所述工具的物理工艺参数的工具计算机；-至少一个监视设备，监视为该步骤而确定的至少一个选定工艺参数；-通过网络与计算机、监视设备和数据库相连的监控器，以便监控确定步骤的工艺流程；d)将晶片引入到工具腔中；e)开始晶片处理；f)利用监控器连续地分析选定工艺参数的变化规律，该监控器用于比较存储在数据库中的相应数据，以便实时原位地检测在确定步骤中出现的任何偏差；g)如果没有检测到偏差，则继续进行晶片处理直至正常结束，如果检测到偏差，则采取与检测到的偏差相对应报警编码规定的正确动作。
2．根据确定的工艺、具有实时原位监控能力的半导体晶片处理系统，包括a)具有至少一个执行晶片处理的腔的工具；b)控制所述工具的物理工艺参数的计算机；c)监视至少一个在工具腔内部的工艺的选定工艺参数的监视设备；d)一个数据库，包括在由工艺工程师标识出的正常操作状态下和所有偏差状态下选定工艺参数的变化规律；表示由工艺工程师定义的用于识别任何偏差的分析规则的算法，该算法包括各种偏差的废弃判据；各种偏差情况下的报警编码；e)通过网络与监视设备、计算机和数据库相连的监控装置，该装置用于-比较在当前晶片处理过程中由控制器产生的数据和存储在数据库中的相应数据，以检测相对于正常工作状态出现的任何偏差；-一旦出现报警编码，立即采取正确的动作。
3．根据权利要求2的系统，其特征在于监视设备是EPD控制器。
全文摘要
在半导体晶片制备过程中对在处理工具内部执行的步骤进行实时原位监控的方法和系统。对选定工艺参数在正常操作状态和在偏差状态下的变化规律编码并存储在数据库中。建立针对每个可识别偏差的报警编码和应采取的动作。在晶片处理过程中,该工艺参数受到连续地监视,以便实时地和存储在数据库中的数据作比较。如果检测到异常,则发出报警编码,立即采取推荐动作。结果,只有合格晶片得到完整的处理。该技术允许晶片制备工艺的完全集群化。
文档编号H01L21/66GK1221981SQ9812658
公开日1999年7月7日 申请日期1998年12月29日 优先权日1998年12月29日
发明者P·科罗尼尔, R·马卡南 申请人:国际商业机器公司