虚拟半导体工艺评价简介

虚拟工艺库如何加速半导体工艺开发？

工艺工程师使用逻辑理论框架结合逻辑工程步骤，开发工程问题的理想解决方案。不幸的是，许多过程工程问题无法用蛮力、一步一步的方法来理解每一个因果关系来解决。在时间和资源有限的情况下，有太多的流程配方变量可以修改以使暴力解决方案成为可能。工艺工程师通常在有限的样本数据集上使用统计方法和相关性分析，以加速对工艺变化的理解。然而，在执行基于晶圆的测试时，由于晶圆制备、设备分配、测量和TEM分析所需的时间，即使是非常小的DOE（实验设计）也可能需要几天才能得出简单的结论。有了一个大型的基于晶圆的DOE，解决问题的时间可以变成几周甚至几个月。使用适当的“虚拟工艺”库和虚拟制造技术，可以在数小时或数天内以更低的成本获得类似的结果。

1.在实际半导体制造设备中测试新工艺配方

一旦设备进入生产阶段，工艺工程师就不能快速更改工艺配方，因为新的工艺配方需要经过特定的认证程序。即使工程师认为对于某个特定的工艺步骤有一个更好的工艺配方，在将其用于生产之前，工程师需要测试任何新配方的可靠性，包括设备污染和工艺重复性。为了确保生产的稳定性，工具室可能需要使用新工艺配方生产晶圆，至少需要一个周期的预防性维护周期。在实践中，这意味着新配方可能至少一周内不能使用，因为工程师只能在合格的容器上使用合格的配方。

图1所示。腔室条件过渡的正常估计程序

即使是合格的配方也可能需要在过渡到制造之前进行“预热”，以优化腔室环境（见图1）。工程师可能需要等待一天以上才能看到测量和SEM/TEM分析结果。如果腔室经过任何工艺变更以优化腔室条件，则需要额外的预热时间，以使腔室恢复到其原始状态并继续生产。

工程师在测试新工艺配方时，有时会隐藏诸如腔室停机时间、硅片成本、计量、工艺耗材（如气体）、PVD目标、电力、分析时间和工程时间等成本，工程师并不总是完全认识到这些成本。

2.在虚拟制造环境中测试新工艺配方(软件建模)

在真实设备上测试流程与在虚拟制造平台上测试流程的最大区别是测试环境的一致性。在真实世界中，测试环境会随着腔室(或工具)的条件变化而发生很大的变化。这些变化取决于使用的工艺材料和工艺力量。在虚拟环境中，即使在不同的工艺条件下，也没有腔室的退化和时间依赖性。虚拟环境在流程测试条件中是完全一致的。工程师只需要准备一个过程库并定义初始传入的基础或测试结构，以便获得他或她预期的测试结果(参见图2)。

图2。使用预定义的过程库对测试结构进行仿真的过程

无论用户提供什么样的输入结构，仿真引擎将根据实际制造过程的理论和校准行为产生设备的准确输出。工程师可以根据自己的判断对各种结构的新工艺概念进行评估。如果一个工程师有一个预定义的过程库和对象结构(硅设备)一组测试流程、虚拟制造可以帮助工程师理解任何输入工艺参数之间的关系(或设置)和最终的设备输出,因为所有的测试结果可以量化使用虚拟计量。

3.使用虚拟制造的工艺配方测试示例

让我们来看一个场景，在评估新设备的潜在工艺方案期间，工程师需要评估3种不同测试结构上的蚀刻工艺。蚀刻模块由2个蚀刻工艺配方组成，工程师已经获得了第一个蚀刻工艺的分析结果（见图3）。

图3。第一次蚀刻工艺后的传入结构

在我们的场景中，工程师需要验证他的第二个蚀刻工艺配方可以在设备上产生一个平坦的底面(在第一步蚀刻完成后)，而不会在这个底面上产生残留物。幸运的是，这个工程师在过程建模(或虚拟制造)软件中有第二个蚀刻过程库。该库根据实际硅数据进行了很好的校准，并且已经证明它是一种预测(换句话说，它可以为这个2生成精确的模拟结果^钕腐蚀过程)。在这种情况下，工程师需要做的就是在先前定义的感兴趣的结构上执行第二次蚀刻过程的模拟。

图4。三种不同结构上特定蚀刻工艺库的模拟结果,(A) Left, (B) Middle, (C), Right

然后，工程师可以在几个小时内生成模拟结果(图4)，显示2的预期结果^钕蚀刻工艺。很快，工程师就会了解到，三个引入结构中只有一个可以产生相对平坦、均匀的底面，而不会产生残留物（见图4B）。该研究还可扩展至第二次蚀刻工艺的进一步开发，以确定第二次蚀刻工艺参数所需的修改，以改善（展平）剩余两个测试结构的底部轮廓（图4 A和C）。

4.过程工程师对仿真软件的扩展利用

随着TCAD软件变得更容易使用，我们也看到虚拟制造软件扩展到过程工程师的领域。工艺工程师总是利用他们对工艺、室和设备的充分了解，从受控工艺测试中获得可靠的数据。利用这些知识，他们可以很容易地理解虚拟制造软件中的工艺模型行为，并可以将这些工艺模型与TCAD和CAE模型联系起来，以突出工艺变化对设备或电路级行为的影响。利用虚拟制造模型和校准的工艺库，工艺工程师可以在短短几小时内从工艺更改中获得预期结果，而无需花费昂贵的时间和基于晶圆的测试费用。