Lam Research Corporation的专利：半导体制造中的动态工艺控制（DYNAMIC PROCESS CONTROL IN SEMICONDUCTOR MANUFACTURING）

本专利是提供了用于基板加工中的动态工艺过程控制的方法和系统，例如在半导体制造应用中。提供了一些示例系统和方法，用于原子层沉积（ALD）过程中的先进监控和机器学习。一些示例还涉及动态工艺过程控制和腔室参数匹配和气体管路充电时间的监控。

目前，许多与基板加工室相关的参数都受到监控，以在组件设定工作点附近运行。例如，质量流量控制器（MFC）的流量或腔室压力可以包括一定的误差余量。通常，参数上限或下限可以设置为范围值或特定百分比，以满足此错误。例如，在原子层沉积工艺中，可以监控阀门的开启和关闭时间，并相应地将这些时间计入监控参数中。

然而，通常，当前的工艺过程监测方法仅适用于检测加工室或其组件的相对广泛或严重故障，这种粗略检测在稳态或单步情况下可能是可以接受的，例如在化学气相沉积（CVD）或等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺中，但其在多步骤工艺中的使用或应用中是有限的， 例如ALD，其中腔室条件可以在几毫秒内变化。

在本专利的示例实施例中，提供了用于监测原子层沉积（ALD）半导体制造过程中的处理周期的系统。一个示例系统包括用于ALD制造过程的加工室;以及一个或多个控制器，其配置用于执行过程监控操作，这些操作包括：基于制造过程中的重复动作定义ALD周期的基准时间参考;访问黄金曲线，包括基于时间参考的周期性时间增量的一系列数据点的一系列参数值;访问黄金曲线中每个数据点的变异性或公差裕量;根据原子层沉积制造过程中某个周期的周期性时间增量收集参数数据;动态监控参数数据中的参数值是否在数据点的变异性或公差范围内;基于确定参数值是否超出变异性或公差裕量，调整制造过程，使后续循环中的参数值与黄金曲线中的关联参数值匹配。

在一些示例中，形成基准时间参考基础的重复动作包括打开或关闭供应加工室的指定阀门。在一些示例中，参数数据是根据收集频率定期收集的，收集频率在0-1 Hz，或1-10 Hz，或10-100 Hz，或100-1000 Hz范围内。

在一些示例中，固定间隔基于原子层沉积制造过程中的触发点，每个触发点定义或基于原子层沉积制造过程中某个步骤中的一个时间点。

在一些示例中，操作还包括在触发点收集的参数数据与黄金曲线中相应的参数数据集进行比较。在一些示例中，参数数据包括与一个或多个前体歧管压力、吹扫压力、转换歧管压力、腔室压力、气流、RF反射功率和RF正向功率相关联的参数值。

在上图中基板支撑组件107通常提供两个或多个RF频率。例如，在各种实施例中，RF频率可以根据需要从大约1 MHz、2 MHz、13.56 MHz、27 MHz、60 MHz和其它频率的至少一个频率中选择。可以根据需要设计用于阻挡或部分阻挡特定RF频率的线圈。

工艺参数波动也会使其他领域的工艺控制和监控变得困难。例如，基板间的变化（或批次到批次的变化）可能是由基板加工过程中腔室热量的积聚引起的。工具之间的差异可能是由泵效率差异引起的。传统上，控制变化的主要工作集中在监控单个设备的性能上。示例设备及其关联参数可能包括 MFC 流，其中设备错误限制设置为流的 1%。在基板加工期间，MFC流被监控以在该限制内运行。其它装置和参数可包括阀门正时（例如，监测ALD阀门的正时以运行50ms的打开时间和70ms的关闭时间）。在另一示例中，可以将阀门设置为在25 ms的打开和关闭位置之间切换。在其他示例中，可以使用热电偶监控设定范围内的偏差来控制基座温度。RF功率控制可能包括对正向和反射功率的监视。这些设备通常具有固有的性能或响应限制，可能导致腔室控制不良以及随机或波动的腔室条件。监控限值不够严格以及过程因素和设备限制的多重性都可能导致这种不良影响。

此外，参考图6，与大多数PECVD工艺不同，在大多数PECVD工艺中，诸如气体流量，压力和RF功率的参数在整个沉积过程中通常保持恒定，而每个循环中的某些参数在ALD工艺（循环）期间连续变化。图6中的表600示出了ALD循环中的示例步骤和相关参数。这些步骤可能包括剂量、剂量后吹扫、射频功率应用和吹扫等;

监测过程（而不是设备）参数的常规工作包括监测设定误差带的设定点周围的腔室压力。误差带通常设置得足够大，以忽略ALD周期期间发生的固有波动。因此，这些努力并不能真正监测原子层沉积循环中更详细的方面或腔室条件。详细和深腔室控制正越来越多地用于创建高方面纳米尺寸基板形成和半导体器件。此外，前驱体歧管和爆破吹扫压力通常也围绕一个频带进行监测。传统的误差带通常设置得太宽，无法在原子层沉积周期内捕获较小的波动，从而导致上文讨论的类似挑战。

就提供的射频功率而言，对射频功率的一次性检查只是在射频冲击后检查射频是打开还是关闭。电压-电流（VI）传感器在等离子“导通”步进期间监测RF功率，并简单地以高于RF功率的频率（例如，1 kHz）进行监视。因此，从广义上看，目前的方法基于极限或误差带设置。它是一种被动或“愚蠢”的监视方法，通常基于有限的数据。通常，监测频段非常宽，这并不能解决甚至解决当今半导体制造中日益苛刻的工艺控制问题。在其他缺点中，相同的监控频带适用于所有工具，并且没有进行任何工具到工具的修改或定制。通常，任何自定义都是临时手动执行的。很少或没有基材到基材或工具对工具的性能或比较，无论是考虑到累积，在预防性维护之后，还是在硬件更换之后，通常在常规技术中执行。

如上所述，原子层沉积过程可以被认为是一个多步骤过程。参照图14，典型的ALD循环1400包括四个主要步骤：剂量1402、吹扫1404、转化1406和吹扫1408。在目前的一些示例中，ALD循环中的每个步骤以及给定ALD过程中的后续循环都针对不同的变量进行单独监测。在每个原子层沉积步骤和/或周期中，使用曲线拟合或在“智能”自学习监控过程中定义的误差裕量来匹配监控变量。每个原子层沉积循环都是可重复的，并且可以监测每个循环或步骤的腔室压力，前体歧管压力，温度等参数的可重复性（并使其可重复）。