[发明专利]关键参数识别、工艺模型校准和可变性分析的系统和方法

说明书

本发明涉及关键参数识别、工艺模型校准和可变性分析的系统和方法。讨论了用于半导体器件制造的虚拟制造环境，该虚拟制造环境包括用于执行关键参数识别、工艺模型校准和可变性分析的分析模块。

相关专利申请

本申请要求于2017年6月18日提交的题为“分析虚拟制造环境中的工艺变化用于提高工艺集成的系统和方法”的美国临时专利申请No.62/521,506以及于2018年2月15日提交的题为“虚拟制造环境中的工艺模型校准的系统和方法”的美国临时专利申请No.62/631,022的优先权和权益，这两个申请的内容通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及半导体制造，更具体地涉及用于虚拟半导体器件制造环境中的关键参数识别、工艺模型校准和可变性分析的系统和方法。

背景技术

集成电路(IC)实现了现代电子设备的大量功能。为了使IC的开发更有效率，半导体制造商将周期性地开发通用的制造工艺或“技术”，以便用于它的集成电路的生产(为了便于说明，术语“技术”在本文可用以指代正在开发中的半体装置结构的制造工艺)。

集成器件制造商(IDM)和独立代工厂的半导体研发机构花费大量资源开发用于制造芯片的集成工艺操作序列((IC)它们以晶圆形式销售(“晶圆”是半导体材料的薄片，通常但不总是由硅晶体组成)。大部分资源用于制造实验晶圆和相关测量、计量(“计量”指在半导体行业中进行的专业型测量)和表征结构，所有这些都是为了确保集成工艺产生所需的半导体器件结构。这些实验晶圆用于试错方案中，以开发用于制造器件结构的单独工艺，并且还开发整体的、集成的工艺流程。由于先进技术节点工艺流程的复杂性增加，大部分实验性制造运行导致否定或零表征结果。这些实验性运行的持续时间很长，在“fab”(制造环境)中为数周至数月，而且很昂贵。最近的半导体技术进步，包括FinFET、TriGate、高K/金属栅、嵌入式存储器和先进图案化，已经大大增加了集成半导体制造工艺的复杂性。使用这种试错实验方法的技术开发的成本和持续时间同时在增加。

已尝试使用常规的机械计算机辅助设计(CAD)工具和专用技术CAD(TCAD)工具来对半导体器件结构建模，目的是减少制造实验晶圆所耗费的努力。通用机械CAD工具被发现不足，因为它们没有自动模拟实际制造环境中发生的材料添加、去除和修改过程。另一方面，TCAD工具是基于物理学的建模平台，其可以模拟在扩散和注入过程中发生的材料组成变化，但是无法模拟在包括集成工艺流程的其他过程期间发生的所有材料添加和去除效果。通常，3D器件结构是TCAD的输入，而不是输出。此外，由于基于物理模拟过程所需的大量数据和计算量，TCAD模拟实际上仅限于芯片上非常小的区域，通常仅包含单个晶体管。在现有技术状态的半导体制造技术中，大部分集成挑战涉及可能在集成工艺流程中广泛分离的工艺与包括完整技术套件的多个不同器件和电路(晶体管、电阻器、电容器、存储器等)之间的相互作用。由系统和随机影响引起的结构故障通常是新工艺技术节点在上市时间上的限制因素。因此，需要一种与机械CAD或TCAD不同的建模平台和方法来涵盖更大的关注范围，并以结构预测的方式对整个集成工艺流程进行建模。

半导体器件结构的虚拟制造环境提供了这样一个平台，与常规的试错物理实验所能实现的成本和速度相比，该平台以更低的成本和更高的速度执行半导体工艺开发。与常规的CAD和TCAD环境相比，虚拟制造环境能够对集成工艺流程进行虚拟建模，并且预测包括整个技术套件的所有器件和电路的完整3D结构。虚拟制造可以以其最简单的形式被描述为以2D设计数据(掩模或布局)的形式使集成工艺序列的描述与主题设计相结合，并且产生三维结构模型，该三维结构模型预测真实/物理制造运行所期望的结果。3D结构模型包括多层材料、植入物、扩散等的几何精确的3D形状，其包括芯片或芯片的一部分。虚拟制造主要是以几何形式完成的，但涉及的几何形状受制造工艺的物理学的指导。通过在抽象的结构层面进行建模(而不是基于物理学模拟)，结构模型的构建可以得到显著加速，从而在电路级的面积范围内实现全部技术建模。因此，虚拟制造环境的使用提供了对过程假设的快速验证以及集成工艺序列和2D设计数据之间复杂相互关系的可视化。