Lam Research Corporation的專利：半導體製造中的動態工藝控制（DYNAMIC PROCESS CONTROL IN SEMICONDUCTOR MANUFACTURING）
本專利是提供了用於基板加工中的動態工藝過程控制的方法和系統，例如在半導體製造應用中。提供了一些示例系統和方法，用於原子層沉積（ALD）過程中的先進監控和機器學習。一些示例還涉及動態工藝過程控制和腔室參數匹配和氣體管路充電時間的監控。
目前，許多與基板加工室相關的參數都受到監控，以在組件設定工作點附近運行。例如，質量流量控制器（MFC）的流量或腔室壓力可以包括一定的誤差餘量。通常，參數上限或下限可以設置為範圍值或特定百分比，以滿足此錯誤。例如，在原子層沉積工藝中，可以監控閥門的開啟和關閉時間，並相應地將這些時間計入監控參數中。
然而，通常，當前的工藝過程監測方法僅適用於檢測加工室或其組件的相對廣泛或嚴重故障，這種粗略檢測在穩態或單步情況下可能是可以接受的，例如在化學氣相沉積（CVD）或等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝中，但其在多步驟工藝中的使用或應用中是有限的， 例如ALD，其中腔室條件可以在幾毫秒內變化。
在本專利的示例實施例中，提供了用於監測原子層沉積（ALD）半導體製造過程中的處理周期的系統。一個示例系統包括用於ALD製造過程的加工室;以及一個或多個控制器，其配置用於執行過程監控操作，這些操作包括：基於製造過程中的重複動作定義ALD周期的基準時間參考;訪問黃金曲線，包括基於時間參考的周期性時間增量的一系列數據點的一系列參數值;訪問黃金曲線中每個數據點的變異性或公差裕量;根據原子層沉積製造過程中某個周期的周期性時間增量收集參數數據;動態監控參數數據中的參數值是否在數據點的變異性或公差範圍內;基於確定參數值是否超出變異性或公差裕量，調整製造過程，使後續循環中的參數值與黃金曲線中的關聯參數值匹配。
在一些示例中，形成基準時間參考基礎的重複動作包括打開或關閉供應加工室的指定閥門。在一些示例中，參數數據是根據收集頻率定期收集的，收集頻率在0-1 Hz，或1-10 Hz，或10-100 Hz，或100-1000 Hz範圍內。
在一些示例中，固定間隔基於原子層沉積製造過程中的觸發點，每個觸發點定義或基於原子層沉積製造過程中某個步驟中的一個時間點。
在一些示例中，操作還包括在觸發點收集的參數數據與黃金曲線中相應的參數數據集進行比較。在一些示例中，參數數據包括與一個或多個前體歧管壓力、吹掃壓力、轉換歧管壓力、腔室壓力、氣流、RF反射功率和RF正向功率相關聯的參數值。
圖1
在上圖中基板支撐組件107通常提供兩個或多個RF頻率。例如，在各種實施例中，RF頻率可以根據需要從大約1 MHz、2 MHz、13.56 MHz、27 MHz、60 MHz和其它頻率的至少一個頻率中選擇。可以根據需要設計用於阻擋或部分阻擋特定RF頻率的線圈。
工藝參數波動也會使其他領域的工藝控制和監控變得困難。例如，基板間的變化（或批次到批次的變化）可能是由基板加工過程中腔室熱量的積聚引起的。工具之間的差異可能是由泵效率差異引起的。傳統上，控制變化的主要工作集中在監控單個設備的性能上。示例設備及其關聯參數可能包括 MFC 流，其中設備錯誤限制設置為流的 1%。在基板加工期間，MFC流被監控以在該限制內運行。其它裝置和參數可包括閥門正時（例如，監測ALD閥門的正時以運行50ms的打開時間和70ms的關閉時間）。
在另一示例中，可以將閥門設置為在25 ms的打開和關閉位置之間切換。在其他示例中，可以使用熱電偶監控設定範圍內的偏差來控制基座溫度。RF功率控制可能包括對正向和反射功率的監視。這些設備通常具有固有的性能或響應限制，可能導致腔室控制不良以及隨機或波動的腔室條件。監控限值不夠嚴格以及過程因素和設備限制的多重性都可能導致這種不良影響。
圖6
此外，參考圖6，與大多數PECVD工藝不同，在大多數PECVD工藝中，諸如氣體流量，壓力和RF功率的參數在整個沉積過程中通常保持恆定，而每個循環中的某些參數在ALD工藝（循環）期間連續變化。圖6中的表600示出了ALD循環中的示例步驟和相關參數。這些步驟可能包括劑量、劑量後吹掃、射頻功率應用和吹掃等;
監測過程（而不是設備）參數的常規工作包括監測設定誤差帶的設定點周圍的腔室壓力。誤差帶通常設置得足夠大，以忽略ALD周期期間發生的固有波動。因此，這些努力並不能真正監測原子層沉積循環中更詳細的方面或腔室條件。詳細和深腔室控制正越來越多地用於創建高方面納米尺寸基板形成和半導體器件。此外，前驅體歧管和爆破吹掃壓力通常也圍繞一個頻帶進行監測。傳統的誤差帶通常設置得太寬，無法在原子層沉積周期內捕獲較小的波動，從而導致上文討論的類似挑戰。
就提供的射頻功率而言，對射頻功率的一次性檢查只是在射頻衝擊後檢查射頻是打開還是關閉。電壓-電流（VI）傳感器在等離子“導通”步進期間監測RF功率，並簡單地以高於RF功率的頻率（例如，1 kHz）進行監視。因此，從廣義上看，目前的方法基於極限或誤差帶設置。它是一種被動或“愚蠢”的監視方法，通常基於有限的數據。通常，監測頻段非常寬，這並不能解決甚至解決當今半導體製造中日益苛刻的工藝控制問題。在其他缺點中，相同的監控頻帶適用於所有工具，並且沒有進行任何工具到工具的修改或定製。通常，任何自定義都是臨時手動執行的。很少或沒有基材到基材或工具對工具的性能或比較，無論是考慮到累積，在預防性維護之後，還是在硬件更換之後，通常在常規技術中執行。
圖14
如上所述，原子層沉積過程可以被認為是一個多步驟過程。參照圖14，典型的ALD循環1400包括四個主要步驟：劑量1402、吹掃1404、轉化1406和吹掃1408。在目前的一些示例中，ALD循環中的每個步驟以及給定ALD過程中的後續循環都針對不同的變量進行單獨監測。在每個原子層沉積步驟和/或周期中，使用曲線擬合或在“智能”自學習監控過程中定義的誤差裕量來匹配監控變量。每個原子層沉積循環都是可重複的，並且可以監測每個循環或步驟的腔室壓力，前體歧管壓力，溫度等參數的可重複性（並使其可重複）。
