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TW202305997A - 半導體製造設備 - Google Patents

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TW202305997A
TW202305997A TW111126192A TW111126192A TW202305997A TW 202305997 A TW202305997 A TW 202305997A TW 111126192 A TW111126192 A TW 111126192A TW 111126192 A TW111126192 A TW 111126192A TW 202305997 A TW202305997 A TW 202305997A
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heating
point
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TW111126192A
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王立廷
陳俊仁
游明華
育佳 楊
Original Assignee
台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

半導體製造設備包括第一高溫計和第二高溫計，分別配置為監測來自基座上的晶圓背側上的第一點和第二點的熱輻射。半導體製造設備包括位於磊晶成長腔室的第一區域中的第一加熱源以及位於磊晶成長腔室的第二區域中的第二加熱源，其中第一控制器配置為基於監測到的來自第一點和第二點的熱輻射來調整第一加熱源和第二加熱源的輸出。導體製造設備包括第三高溫計和第四高溫計，配置為監測來自晶圓前側上的第三點和第四點的熱輻射，其中第二控制器配置為基於監測到的來自晶圓第一點、第二點、第三點和第四點的熱輻射來調整注入到磊晶成長腔室中的一或多種前驅物的流率。

Description

半導體製造設備
本揭露實施例是關於一種半導體製造設備，特別是關於一種包括複數個高溫計監測晶圓上的不同點的熱輻射的半導體製造設備。
由於各種電子元件(例如電晶體、二極體、電阻器、電容器等)的積體密度不斷提高，半導體產業經歷了快速成長。在大多數情況下，積體密度的這種改良源自於最小特徵尺寸的不斷縮小，這使得更多的元件可以整合到給定的區域中。隨著最近對小型化、更高速度、更大頻寬以及更低功耗和延遲的需求不斷成長，對更小、更具創造性的半導體晶粒封裝技術的需求也在增長。
半導體裝置中特徵尺寸的縮小增加了對精確製程的需求。進行精確處理的一個方面是薄膜內的均勻性。當薄膜在晶圓上成長時，從晶圓中心到晶圓邊緣的薄膜厚度均勻性通常很大程度上取決於在整個薄膜上施加的溫度均勻性。可以透過測量晶圓前側上的薄膜溫度，測量晶圓背側的表面上的溫度，且根據測量值來控制所施加的溫度來實現整個薄膜的溫度均勻性和厚度均勻性。高溫計通常用於測量半導體加工腔室中薄膜和晶圓表面的溫度。
本揭露實施例提供一種半導體製造設備，包括：基座，位於磊晶成長腔室中；第一高溫計，配置為監測來自基座上的晶圓背側上的第一點的熱輻射；第二高溫計，配置為監測來自基座上晶圓背側上的第二點的熱輻射；第一加熱源位於磊晶成長腔室的第一區域中且第二加熱源位於磊晶成長腔室的第二區域中，其中第一控制器配置為基於監測到的來自第一點的熱輻射來調整第一加熱源的輸出，以及基於從第二點監測到的熱輻射來調整第二加熱源的輸出；第三高溫計，配置為監測來自晶圓前側上的第三點的熱輻射；第四高溫計，配置為監測來自晶圓前側上的第四點的熱輻射，其中第二控制器配置為基於監測到的來自晶圓第一點、第二點、第三點和第四點的熱輻射來調整注入到磊晶成長腔室中的一或多種前驅物的流率。
本揭露實施例提供一種半導體製造系統，包括：腔室，腔室包括基座；第一高溫計，配置為監測來自基座上的晶圓背側上的第一點的熱輻射；以及第二高溫計，配置為監測來自基座上晶圓前側上的第二點的熱輻射；第一控制器，用於接收來自第一高溫計的熱回饋，其中第一控制器配置為基於來自第一高溫計的熱回饋調整腔室的第一區域中的第一加熱源的熱輸出；以及第二控制器，用於接收來自第二高溫計的熱回饋，其中第二控制器配置為基於來自第一高溫計和第二高溫計的熱回饋來調節注入到腔室中的一或多種前驅物的流率。
本揭露實施例提供一種半導體製造方法，包括：調整磊晶薄膜成長腔室中的磊晶薄膜成長的厚度，其中調整厚度包括在第一複數個位置測量來自晶圓背側的熱輻射以判定晶圓在第一複數個位置中的每一個位置處的晶圓溫度，其中在晶圓上形成磊晶薄膜成長；在第二複數個位置測量來自晶圓前側的熱輻射；基於晶圓在第一複數個位置中的每一者的溫度來調整磊晶薄膜成長腔室的不同區域中的加熱源的輸出，其中磊晶薄膜成長腔室的每個區域中的加熱源的輸出基於晶圓在第一複數個位置中的對應位置的溫度來調整；基於第一複數個位置處的晶圓溫度和第二複數個位置處測量的熱輻射判定磊晶薄膜成長中的厚度變異；以及基於所判定的厚度變異調整注入磊晶薄膜成長腔室的一或多種前驅物的流率。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本揭露實施例的不同特徵。在本揭露所述的各種範例中可重複使用參考標號及/或字母。這些重複是為了簡潔及清楚的目的，本身並不表示所揭露的各種實施例及/或配置之間有任何關係。此外，以下敘述構件及配置的特定範例，以簡化本揭露實施例的說明。當然，這些特定的範例僅為示範並非用以限定本揭露實施例。舉例而言，在以下的敘述中提及第一特徵形成於第二特徵上或上方，即表示其可包括第一特徵與第二特徵是直接接觸的實施例，亦可包括有附加特徵形成於第一特徵與第二特徵之間，而使第一特徵與第二特徵可能未直接接觸的實施例。此外，本揭露可以在各種範例中重複標號及/或字母。這種重複是為了簡單和清楚的目的，且其本身並不限定所述的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，在此可使用與空間相關用詞。例如「底下」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，以便於描述圖式中繪示的一個元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包括使用中或操作中的裝置之不同方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，且在此使用的空間相關詞也可依此做同樣的解釋。
各種實施例提供了用於在磊晶成長製程期間控制溫度的改良裝置。在提供用於在晶圓上成長磊晶薄膜的磊晶成長腔室的各種配置的背景下說明本揭露的實施例。在實施例中，成長腔室包括在成長腔室的每個區域中的加熱源(例如燈或燈組)，以及位於成長腔室的不同區域中的不同點的一系列高溫計(例如前側高溫計和背側高溫計)，以測量從晶圓前側上的薄膜所發出的熱輻射和從晶圓背側所發出的熱輻射。前側高溫計和背側高溫計可以從晶圓的中心到晶圓的邊緣進行測量。晶圓下方的每個背側高溫計在晶圓背側上的一個點進行測量。透過結合背側高溫計所測得的熱輻射值，可以估算出晶圓背側從晶圓中心到晶圓邊緣的實時溫度分佈。每個背側高溫計具有相應的前側高溫計，前側高溫計在與背側高溫計在晶圓背側進行測量的點垂直上方對齊的點處測量晶圓前側上的薄膜。透過結合每個前側高溫計所測量的熱輻射值及其對應的背側高溫計，演算法程式可以估算在正在進行測量的晶圓前側上的點處正在成長的薄膜的原位實時厚度。在磊晶成長製程期間，成長腔室的每個區域中的加熱源(例如燈或燈組)的功率可以透過使用回饋控制系統來調節，此回饋控制系統可以對背側高溫計在區域的原位溫度測量值反應。在磊晶成長製程期間，可以透過使用回饋控制系統來調節製程氣體流入成長腔室，此回饋控制系統可以對不同區域的前側高溫計和背側高溫計的原位溫度和薄膜厚度測量反應。本揭露的實施例說明了一種配置，其允許原位、實時監測在晶圓前側成長的磊晶膜從晶圓中心到晶圓邊緣的整個薄膜的厚度。本揭露的實施例亦說明了允許原位、實時監測晶圓背側從晶圓中心到晶圓邊緣的溫度分佈的配置。此外，本揭露的實施例允許整個成長薄膜的改良的溫度均勻性和厚度均勻性。另外，本揭露的實施例允許使用回饋控制系統的能力，此回饋控制系統利用在每個區域中晶圓前側上成長的磊晶薄膜的厚度的原位測量以及晶圓背側的溫度的原位測量，來調節區域中加熱源的功率和流入成長腔室的各種製程氣體的量。
參照第1A圖，根據一實施例繪示基底加工腔室100(例如磊晶成長(epitaxial growth；epi)室)及其溫度測量設備的示意圖，其中一部分以截面來繪示。應注意的是，第1A圖僅繪示基底加工腔室或磊晶成長腔室100的簡化構造，因為各種實施例的發明方面可獨立於磊晶成長腔室100的結構或系統配置。在此繪示的磊晶成長腔室100僅出於清楚說明各種實施例的發明方面的目的而受到限制。本揭露不限於任何特定的磊晶成長設備。
磊晶成長腔室100包括上部102和下部104。上部102和下部104連接以形成內腔室105。基座106或其他類型的加工表面可以位於磊晶成長腔室100的內腔室105內且連接到旋轉軸108。旋轉軸108連接到驅動機構(未圖示)，此驅動機構可操作以旋轉旋轉軸108或使旋轉軸108自旋。因此，在磊晶成長製程期間，旋轉軸108使基座106在內腔室105內旋轉或自旋。
在磊晶成長製程之前，如第1A圖所示，晶圓110(例如矽晶圓)將被放置在基座106上。層或薄膜124(例如磊晶薄膜)隨後將在晶圓110的頂部成長、形成或沉積。在一些方面，基座106為晶圓110提供機械支撐。在另一些方面，基座106有助於保護晶圓110的背側，且確保晶圓110的均勻加熱。基座106可以由例如碳化矽、具有碳化矽塗層的石墨等非透明材料製成。在一些實施例中，基座106可在磊晶成長製程期間旋轉以同時旋轉由基座106支撐的晶圓110，以改善和控制薄膜124的均勻性。在其他實施例中，基座106和晶圓110在磊晶成長製程期間不旋轉。
氣體供應源118包含用於形成薄膜124的複數種分別容納的氣體或前驅物，且連接到磊晶成長腔室100。氣體供應源118包括用於混合前驅物的混合腔室(未圖示)。引入內腔室105的混合前驅物由箭頭130表示。氣體供應源118透過入口126連接到磊晶成長腔室100。出口128相對於入口126定位。混合前驅物130從氣體供應源118透過入口126流入磊晶成長腔室100，且使用真空泵160透過出口128從磊晶成長腔室100中移除任何廢氣。在一些實施例中，磊晶成長腔室100包括位於磊晶成長腔室100的不同區域中的複數個入口126。氣體供應源118可以由氣流控制單元116控制，以下將更詳細地說明。氣體供應源118可以容納各種氣體輸送元件，例如流量比控制器180、噴射閥和質量流驗證元件。在說明性實施例中，混合前驅物130可以由多種不同的液體或氣體組成，當這些液體或氣體混合時在晶圓110的頂部形成磊晶矽、多晶矽、氧化矽、氮化矽和其他類型的含矽薄膜(例如Si、SiGe、SiC或SiGeC等)。在一實施例中，載體氣體可以是N 2或H 2。在一實施例中，製程氣體可以是SiH 4、H 2SiCl 2(dichlorosilane；DCS)、B 2H 6、PH 3、HCl或GeH 4。
磊晶成長腔室100更包括各種加熱源112。熱通常是形成薄膜124的其中一個重要部分，且在介於約250℃到約800℃的範圍內的腔室加工溫度可以用於成長薄膜124。混合前驅物130可以在具有熱的情況下反應以在晶圓110上形成薄膜124。如果在磊晶成長腔室100內不成比例地施加熱量，則可能會在晶圓110上形成不均勻的薄膜124。不均勻地形成薄膜124會造成薄膜124上的厚度變化。換句話說，熱施加的差異會導致薄膜124不均勻地形成，使得薄膜124的不同區域將具有不同的厚度。薄膜124的不均勻形成和薄膜124內的厚度變化是不希望的。
加熱源112可以透過使用電阻加熱器、射頻感應加熱器、燈、燈組等來實現。根據一實施例，每個加熱源112可以代表用於加熱磊晶成長腔室100內的元件的複數個鎢燈、鎢燈組或高溫弧光燈。舉例而言，加熱源112可以用於加熱基座106、晶圓110、混合前驅物130或薄膜124。磊晶成長腔室100的不同區域中的加熱源112可以使用燈功率控制單元216彼此分單獨開控制，其製程以下將更詳細地說明。
第1A圖繪示十四個加熱源112。然而，所屬技術領域中具有通常知識者將可理解，可以存在少於或多於十四個加熱源112。在說明性實施例中，磊晶成長腔室100的加熱源112可以透過使用十四個加熱源112(例如每個加熱源包括複數個燈或燈組)來實現，即位於基座106和上部102上方的七個上加熱源112a以及位於基座106和下部104下方的七個下加熱源112b。在其他實施例中，任意數量的上加熱源112a可位於基座106上方，且任意數量的下加熱源112b可位於基座106下方。在又一些實施例中，任何數量的加熱源112可以僅位於基座106下方或僅位於基座106上方。每個加熱源112(例如複數個燈或燈組)可以負責加熱磊晶成長腔室100內的指定區域或面積。此外，對應於每個加熱源112的指定區域或面積可以是單獨可控制的。
在第1A圖中，每個上加熱源112a和位於上加熱源112a垂直下方的對應下加熱源112b負責加熱指定區域 (例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3或加熱區域4也顯示在內腔室105內的第1B圖至第1C圖)中。第1A圖顯示四個加熱區域，即磊晶成長腔室100的內腔室105內的加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4。在其他實施例中，磊晶成長腔室可以包括多於四個的加熱區域。每個加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3或加熱區域4)中的加熱源112可以使用燈功率控制單元216彼此單獨控制。加熱源112的單獨控制在每個加熱區域中允許控制分配到不同加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3或加熱區域4)的熱量，進而精確控制薄膜124的製程，即可以更好地實現晶圓110上的薄膜124從晶圓110的中心到晶圓110的邊緣均勻的厚度。此外，在磊晶成長製程中，可以透過使用回饋控制系統調控成長腔室的加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4中的加熱源112的功率(隨後在第2圖中說明)，回饋控制系統分別對加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4中的每一者中的背側高溫計的原位溫度測量產生反應。
上部102的壁和下部104的壁可以由例如石英等透明材料製成，其具有可以由溫度感測器(例如高溫計)。來自加熱源112的光可以輻射穿過磊晶成長腔室100的石英壁且直接加熱晶圓110和基座106。如此一來，晶圓110的頂面被來自位於晶圓110上方的上加熱源112a的輻射熱傳所加熱。晶圓110的背側被來自位於基座106下方的下加熱源112b的輻射熱傳和來自被下加熱源112b的輻射熱傳所加熱的基座106的傳導熱傳所加熱。
為了在磊晶成長製程期間精確控制晶圓110和薄膜124的溫度設定點，採用複數個溫度感測器實時監測磊晶成長腔室不同部分的溫度值100。根據一實施例，每個溫度感測器可以是高溫計。在一些實施例中，每個高溫計能夠監測在InGaAs或GaAs可以磊晶成長的範圍內的溫度。在一些實施例中，每個高溫計可能得以偵測介於約0.9um到約1.6um的波長範圍。如第1A圖所示，四個背側高溫計6可以放置在基座106的水平之下。第一背側高溫計6a被定向為使其偵測來自加熱區域1中晶圓110的背側中心的熱輻射。第二背側高溫計6b被定向為使其偵測來自加熱區域1和加熱區域2之間的晶圓110背側上的點的熱輻射。第三個背側高溫計6c被定向為使其偵測來自加熱區域2和加熱區域3之間的晶圓110背側上的點的熱輻射。第四背側高溫計6d被定向為使其偵測來自加熱區域3和加熱區域4之間的晶圓110背側上的點的熱輻射。第一背側高溫計6a、第二背側高溫計6b、第三背側高溫計6c和第四背側高溫計6d可以透過基座106中的開口從晶圓110背側上的相應點所發出的輻射來偵測溫度。在一些實施例中，背側高溫計6可以偵測來自晶圓110背側上的各個點穿過一或多個在基座106中的石英窗的熱輻射。在一些實施例中，背側高溫計6可用於偵測來自晶圓110背側上的相鄰加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3或加熱區域4)之間的點或晶圓110背側上位於各個加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3或加熱區域4)中心的點。
演算法程式利用第一背側高溫計6a、第二背側高溫計6b、第三背側高溫計6c和第四背側高溫計6d偵測到的熱輻射來估算每個測量點的原位實時溫度。此外，第一前側高溫計8a被定向為使其從對準於第一背側高溫計6a偵測來自晶圓110背側的熱輻射的點的垂直上方的點來偵測加熱區域1中的晶圓110前側上的薄膜124的熱輻射。第二前側高溫計8b被定向為使其從對準於第二背側高溫計6b偵測來自晶圓110背側的熱輻射的垂直上方的點來偵測晶圓110前側上的薄膜124的熱輻射。第三前側高溫計8c被定向為使其從對準於第三背側高溫計6c偵測來自晶圓110背側的熱輻射的點的垂直上方的點來偵測晶圓110前側上的薄膜124的熱輻射。第四前側高溫計8d被定向為使其從對準於第四背側高溫計6d偵測來自晶圓110背側的熱輻射的點的垂直上方的點來偵測晶圓110前側上的薄膜124的熱輻射。以此方式，第一背側高溫計、第二背側高溫計、第三背側高溫計和第四背側高溫計6中的每一者都與對應的第一前側高溫計、第二前側高溫計、第三前側高溫計或第四前側高溫計8配對，以測量在加熱區域內或相鄰加熱區域之間(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)從晶圓110前側上的薄膜124所發射的熱輻射以及從晶圓110背側發射的熱輻射。透過將第一前側高溫計8a、第二前側高溫計8b、第三前側高溫計8c和第四前側高溫計8d中的每一者的測量的熱輻射值與其對應的第一背側高溫計6a、第二背側高溫計6b、第三背側高溫計6c或第四背側高溫計6d結合，中央處理單元(central processing unit；CPU)516能夠使用組合的測量值且運行演算法程式(隨後將在第2圖中說明)，演算法程式可以估算正在成長的薄膜124在被測量的晶圓110的前側上的點處的原位實時厚度。第1A圖繪示每個前側高溫計8和對應的背側高溫計6，其作為一對高溫計(例如前側高溫計8a和背側高溫計6a)。儘管在第1A圖中繪示四個前側高溫計8和四個背側高溫計6以形成四對高溫計，但是其他實施例可以包括兩對或更多對高溫計。
第1B圖至第1C圖繪示根據實施例的磊晶成長腔室100的內腔室105的平面圖。在第1B圖中，磊晶成長腔室100的加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4顯示為在內腔室105內的同心環。在第1C圖中，磊晶成長腔室100的加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4在內腔室105內顯示為同心矩形。根據其他實施例，磊晶成長腔室100的加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4可以更包括同心正方形。
第2圖繪示當在磊晶成長腔室100(先前在第1A圖中說明)中在晶圓110上成長磊晶薄膜124時，晶圓110的部分的剖視圖。晶圓110的部分可以在加熱區域內或在加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)之間。第2圖亦繪示形成前側高溫計8和對應的背側高溫計6的一對高溫計(類似於先前在第1A圖中說明的)，以偵測從晶圓110前側上的薄膜124發出的熱輻射和在加熱區域內或相鄰加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)之間從晶圓110的背側發出的熱輻射。前側高溫計8被定向為使其從對準於背側高溫計6檢測來自晶圓110的背側的熱輻射的點的垂直上方的點來偵測晶圓110前側上的薄膜124的熱輻射。
可以測量晶圓110(例如矽)從晶圓110背側的發射率值ε，或者在磊晶成長製程期間為已知且被假定為常數，因為沒有會干擾使用背側高溫計6從晶圓110背側上的點進行熱輻射測量的磊晶薄膜124在晶圓110的背側上成長。所測量的熱輻射被傳送到溫度測量單元416(如第1A圖所示)，其中晶圓110背側上的點的溫度是透過演算法程式根據以下數學公式來計算
Figure 02_image001
其中T(K)是由背側高溫計6所測量的晶圓110背側上的點的絕對溫度， λ m,n 是波長， W m,n 是來自晶圓110背側的測量點的實際輻射功率強度，SF是背側高溫計6的感測器因數，感測器因數是用於將背側高溫計6偵測到的熱輻射值轉換為實際輻射功率值的校準值， I m,n 為背側高溫計6接收到的熱輻射的訊號強度， c 1 為第一輻射常數， c 2 為第二輻射常數。複數個背側高溫計6(先前在第1A圖中說明)可用相似的方式來使用，以原位監測晶圓110背側在從晶圓110的中心到晶圓110的邊緣的不同加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)的溫度分佈。
仍然參照第2圖，前側高溫計8被定向為使其從對準於背側高溫計6檢測來自晶圓110背側的熱輻射的點垂直上方的點來偵測晶圓110前側上的薄膜124的熱輻射。然而，從晶圓110前側上的薄膜124上的點偵測到的熱輻射可能會受到晶圓110上成長的磊晶薄膜124以及磊晶薄膜124下方的晶圓110的厚度和成分所影響，導致發射率值的變化，這使得難以用與晶圓110的背側相同的方式準確判定薄膜124的溫度。因此，由前側高溫計8測量從晶圓110前側上的薄膜124上的點所獲得的值包含關於薄膜124在所測量的點的溫度和厚度的資訊。從晶圓110前側的薄膜124上的點偵測到的熱輻射值被傳送到厚度分析單元316(如第1A圖所示)。由背側高溫計6測量的先前計算的晶圓110背側上的點處的溫度值也被傳送到厚度分析單元316，且透過假設晶圓110的前側和晶圓110的背側熱等效(即具有相同的溫度)，在由前側高溫計8測量的點處薄膜124的厚度的原位實時值可由演算法程式取得。為了計算薄膜124上的點的原位實時發射率，演算法程式指示厚度分析單元316使用由前側高溫計8從晶圓110前側上的點測量薄膜124上所偵測到的熱輻射值結合由背側高溫計6從晶圓110背側上的同一點測量的先前判定的溫度值。
使用由厚度分析單元316判定的薄膜124上的點的原位實時發射率ε的計算值、由前側高溫計8所測量從晶圓110的前側上的薄膜124上的點偵測到的熱輻射值以及由背側高溫計6測量的晶圓110背側上的點處的先前計算的溫度值，演算法程式接著指示厚度分析單元316取得由前側高溫計8所測量的在晶圓110前側上的點處的薄膜124的原位實時厚度值。可以用類似的方式使用複數個背側高溫計6和前側高溫計8(先前在第1A圖中說明)在不同加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)中原位監測在晶圓110上成長的薄膜124從晶圓110的中心到晶圓110的邊緣的厚度分佈。
根據一實施例，前側高溫計8和背側高溫計6的組合 (例如在第1A圖中說明)可以為演算法程式提供足夠的資訊，以指示厚度分析單元316判定在晶圓110上成長的薄膜124上的原位實時厚度分佈。演算法程式由中央處理單元516(如第1A圖所示)運行和控制。中央處理單元516亦指示燈功率控制單元216(如第1A圖所示)使用由背側高溫計6在每個加熱區域或在相鄰的加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)之間中測量晶圓110背側的所計算的原位實時溫度值，且透過改變加熱區域的每一者中的加熱源112的功率輸出以及在這些不同加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)中的不同加熱源112之間的功率輸出比，以對應地調整晶圓110在這些加熱區域中的溫度分佈。
燈功率控制單元216可以產生四個或更多個輸出控制訊號(分別用於磊晶成長腔室100的每個加熱區域的其中一者)，其被傳送到燈功率分配器22(如第1A圖所示)。接著，燈功率分配器22根據來自燈功率控制單元216的輸出控制訊號將功率分配給磊晶成長腔室100的每個加熱區與(例如加熱區域1、加熱區域2等)中的加熱源112。燈功率控制單元216可以在每個加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2等)中採用回饋網路，藉此加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4的每一者中的加熱源112(如第1A圖所示)可以在偵測到晶圓110的背側的原位實時溫度值在加熱區域中或者在相鄰的加熱區域之間顯示低於預設點的溫度時提供更多的功率和輻射能量。相反地，當在加熱區域中或在相鄰的加熱區域之間偵測到晶圓110的背側的原位實時溫度值顯示高於預設點的溫度時，燈功率控制單元216可以對應地切斷到加熱區域中的加熱源112的功率輸出。使用回饋網路自動調整特定加熱區域中的加熱源112的功率輸出，以補償實際溫度與預設點之間的誤差是在所屬技術領域中具有通常知識者的能力範圍內，因此將不再詳細說明。
複數個背側高溫計6(例如在第1A圖中說明)可以為中央處理單元516提供足夠的資訊以運行演算法程式，演算法程式指示溫度測量單元416判定橫跨磊晶成長腔室100的加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4的晶圓110的整個背側的原位實時溫度分佈。另外，前側高溫計8和背側高溫計6的組合(例如第1A圖中所說明)可以為中央處理單元516提供足夠的資訊以運行演算法程式，演算法程式指示厚度分析單元316判定在橫跨磊晶成長腔室100的加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4的晶圓110上正在成長的薄膜124上的原位實時厚度分佈。中央處理單元516亦指示氣流控制單元116(如第1A圖所示)使用所計算的晶圓110背側的原位實時溫度值和在每個加熱區域中或相鄰加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)之間的晶圓110上成長的薄膜124的厚度值，且對應地調整由氣體供應源118(如第1A圖所示)供應的氣體或前驅物進入磊晶成長腔室100的流量。
氣體供應源118(如第1A圖所示)可以由氣流控制單元116控制。氣體供應源118可以包括兩個或更多個流量比控制器180，用於控制流入磊晶成長腔室100的氣體或前驅物的流率和組成。在一實施例中，氣流控制單元116可用於透過調節流入磊晶成長腔室100的氣體或前驅物的流率和組成來控制在整個晶圓110上成長的薄膜124的平均厚度。
氣流控制單元116可以在每個加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2等)中採用回饋網路，氣流控制單元116(如第1A圖所示)可使用流量比控制器180增加或減少流入磊晶成長腔室100的氣體或前驅物的流率，藉此來調節氣體或前驅物的流率，進而控制在晶圓110上成長的薄膜124的平均厚度。
已經觀察到包括磊晶成長腔室100的實施例，磊晶成長腔室100包括位於磊晶成長腔室100的不同加熱區域中或在不同加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)之間的不同點處的一系列前側高溫計8，以測量從在晶圓110前側成長的薄膜124所發出的熱輻射。磊晶成長腔室100亦包括位於磊晶成長腔室100的不同加熱區域中或在不同加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)之間的不同點處的一系列背側高溫計6，以測量從晶圓110的背側發射的熱輻射。這樣的磊晶成長腔室100是具有優勢的。舉例而言，僅提供單一個前側高溫計8和單一個背側高溫計6可能導致測量點數量不足，無法實時監測晶圓背側從晶圓中心到晶圓邊緣的溫度分佈。此外，僅提供單一個前側高溫計8和單一個背側高溫計6可能導致測量點數量不足以監測在晶圓110前側上成長的磊晶膜124從晶圓110的中心到晶圓110的邊緣的整個原位實時厚度。此外，僅提供單一個前側高溫計8和單一個背側高溫計6可能導致測量點的數量不足以允許使用回饋控制系統(隨後將在第3圖中說明)利用在每個加熱區域中或在相鄰加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)之間原位測量在晶圓110前側上成長的磊晶膜124的厚度和原位測量晶圓110背側的溫度，來調節加熱區域中加熱源的功率和流入成長腔室的各種製程氣體的量。這可能導致晶圓110的背側的溫度均勻性降低以及正在晶圓110上成長的磊晶膜124的厚度均勻性降低。因此，可能導致製造缺陷。
現在主要參照第3圖，但繼續參照第1A圖到第2圖，繪示回饋控制系統，其中燈功率控制單元216可以實時動態地調整晶圓110的溫度分佈，因此調整薄膜124在薄膜124上的特定位置處的厚度，以在整個薄膜124上產生均勻的厚度。燈功率控制單元216可以基於使用背側高溫計6偵測到的熱輻射來實現這一點，接著將偵測到的熱輻射傳送到溫度測量單元416，溫度測量單元416在磊晶成長腔室100的每個加熱區域中或在相鄰加熱區域之間(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)計算晶圓110的背側的原位實時溫度值。燈功率控制單元216使用在每個加熱區域中或相鄰加熱區域之間(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)中計算的晶圓110的背側的原位實時溫度值，且透過改變加熱源112的功率輸出來對應地調整晶圓110的溫度分佈以及不同加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)中不同加熱源112之間的功率輸出比。
燈功率控制單元216可以產生四個或更多輸出控制訊號(分別用於磊晶成長腔室100的每個加熱區域的其中一者)，這些訊號被傳送到燈功率分配器22。接著燈功率分配器22根據來自燈功率控制單元216的輸出控制訊號將功率分配給磊晶成長腔室100的每個加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2等)中的下加熱源112b。此外，燈功率分配器22透過前側燈控制器2000根據來自燈功率控制單元216的輸出控制訊號分配功率到磊晶成長腔室100的每個加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2等)中的上加熱源112a。燈功率控制單元216可採用回饋網路120，藉此加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4中的每一者中的加熱源112(如第1A圖所示)可在當偵測到在加熱區域中或在相鄰加熱區域之間的晶圓110的背側的原位實時溫度值顯示低於預定溫度設計設定點2100的溫度時，提供更多的功率以及輻射能量。相反地，當偵測到在加熱區域中或在相鄰加熱區域之間的晶圓110的背側的原位實時溫度值顯示溫度高於在預定溫度設計設定點2100時，燈功率控制單元216可以對應地切斷到加熱區域中的加熱源112的功率輸出。
在第3圖中，回饋控制系統亦包括氣流控制單元116，其可以實時動態地調整供應到磊晶成長腔室100中的氣體或前驅物的流量，且控制在晶圓110上成長的薄膜124的平均厚度。可以基於先前計算的在每個加熱區域中或在相鄰加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)之間的晶圓110背側的原位實時溫度值以及使用前側高溫計8偵測到且傳送到厚度分析單元316的熱輻射，厚度分析單元316實時計算在每個加熱區域或相鄰加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4)之間的晶圓110上成長的薄膜124的厚度值，使氣流控制單元116可進行此操作。
氣流控制單元116可以在加熱區域1、加熱區域2、加熱區域3和加熱區域4中採用回饋網路120，藉此可透過使用氣體供應源118中的流量比控制器180來增加或減少流入磊晶成長腔室100的氣體或前驅物的流率，使氣流控制單元116調節氣體或前驅物的流率，進而控制在晶圓110上成長的薄膜124的平均厚度。當在一或多個加熱區域中或在加熱區域之間偵測到晶圓110前側的薄膜124的原位實時厚度值所計算的平均厚度值顯示平均厚度值小於或大於預定平均厚度設計設定點2200時，表示薄膜124的成長速率小於或大於預設點成長速率。此外，當偵測到的晶圓110前側的薄膜124在一或多個加熱區域中或在加熱區域之間的原位實時厚度值顯示平均厚度值小於或大於預定平均厚度設計設定點2200，控制器分配器1000可以使用回饋網路120來指示前側燈控制器2000以一或多種方式調整提供在加熱區域(例如加熱區域1、加熱區域2等)中的上加熱源112a(如第1A圖所示)的功率和輻射能量。
本揭露的實施例具有一些有利特徵。使用所揭露的方法可透過結合複數個背側高溫計6測量的熱輻射值來達到監測從晶圓110的中心到晶圓110的邊緣的晶圓110的背側的實時溫度分佈的能力。此外，透過結合前側高溫計8及其對應的背側高溫計6的測量熱輻射值，演算法程式可以估算薄膜124成長在被測量的晶圓110的前側上的點的原位實時厚度。本揭露的實施例說明了一種配置，其允許在晶圓110的前側上成長的磊晶薄膜124從晶圓110的中心到晶圓110的邊緣的整個薄膜124的厚度的原位實時監測。本揭露的實施例亦說明了允許原位、實時監測晶圓110的背側從晶圓110的中心到晶圓110的邊緣的溫度分佈的配置。此外，本揭露的實施例允許整個成長薄膜124的改良的溫度均勻性和厚度均勻性。另外，本揭露的實施例允許使用回饋控制系統的能力，回饋控制系統利用在晶圓110的前側上成長的磊晶薄膜124的厚度的原位測量以及在每個區域中晶圓110的背側的溫度的原位測量，來調控區域中的加熱源的功率和流入磊晶成長腔室100的各種製程氣體的量。
根據一實施例，一種半導體製造設備包括基座，位於磊晶成長腔室中；第一高溫計，配置為監測來自基座上的晶圓背側上的第一點的熱輻射；第二高溫計，配置為監測來自基座上晶圓背側上的第二點的熱輻射；第一加熱源位於磊晶成長腔室的第一區域中且第二加熱源位於磊晶成長腔室的第二區域中，其中第一控制器配置為基於監測到的來自第一點的熱輻射來調整第一加熱源的輸出，以及基於從第二點監測到的熱輻射來調整第二加熱源的輸出；第三高溫計，配置為監測來自晶圓前側上的第三點的熱輻射；以及第四高溫計，配置為監測來自晶圓前側上的第四點的熱輻射，其中第二控制器配置為基於監測到的來自晶圓第一點、第二點、第三點和第四點的熱輻射來調整注入到磊晶成長腔室中的一或多種前驅物的流率。
在一實施例中，第一高溫計和第二高溫計通過基座中的一或多個石英窗口監測來自晶圓背側上的第一點和第二點的熱輻射。
在一實施例中，第一加熱源位於基座上方或下方，第二加熱源位於基座上方或下方。
在一實施例中，第一加熱源和第二加熱源包括電阻加熱器、射頻感應加熱器、燈或燈組。
在一實施例中，第一加熱源和第二加熱源包括鎢燈、鎢燈組或弧光燈。
在一實施例中，第三點對齊於第一點的垂直上方，且第四點對齊於第二點的垂直上方。
在一實施例中，第一高溫計、第二高溫計、第三高溫計和第四高溫計能夠偵測介於0.9um到1.6um的範圍內的波長。
在一實施例中，半導體製造設備更包括第三加熱源，位於磊晶成長腔室的第一區域中且在基座與第一加熱源的相對側上；以及第四加熱源，位於磊晶成長腔室的第二區域中且在基座與第二加熱源的相對側上。
在一實施例中，半導體製造設備更包括第五高溫計，配置為監測來自晶圓背側上的第五點的熱輻射；以及第六高溫計，配置為監測來自晶圓前側上的第六點的熱輻射，其中第六點對準於第五點的垂直上方。
在一實施例中，半導體製造設備更包括第五加熱源，位在磊晶成長腔室的第三區域中；以及第六加熱源，位在磊晶成長腔室的第四區域中，其中第一控制器配置為基於從第五點監測到的熱輻射來調整第五加熱源的輸出，且基於由第七高溫計從磊晶成長腔室內的第七點監測到的熱輻射來調整第六加熱源的輸出。
根據一實施例，一種半導體製造系統包括腔室，腔室包括基座；第一高溫計，配置為監測來自基座上的晶圓背側上的第一點的熱輻射；以及第二高溫計，配置為監測來自基座上晶圓前側上的第二點的熱輻射；第一控制器，用於接收來自第一高溫計的熱回饋，其中第一控制器配置為基於來自第一高溫計的熱回饋調整腔室的第一區域中的第一加熱源的熱輸出；以及第二控制器，用於接收來自第二高溫計的熱回饋，其中第二控制器配置為基於來自第一高溫計和第二高溫計的熱回饋來調節注入到腔室中的一或多種前驅物的流率。
在一實施例中，腔室的第一區域中的第一加熱源包括基座上方的至少一個加熱源和基座下方的至少一個加熱源。
在一實施例中，半導體製造系統更包括第三高溫計，配置為監測來自基座上的晶圓背側上的第三點的熱輻射；以及第四高溫計，配置為監測來自基座上的晶圓前側上的第四點的熱輻射。
在一實施例中，第一控制器接收來自第三高溫計的熱回饋，其中第一控制器配置為基於來自第三高溫計的熱回饋調節腔室的第二區域中的第二加熱源的熱輸出。
根據一實施例，一種半導體製造方法包括調整磊晶薄膜成長腔室中的磊晶薄膜成長的厚度，其中調整厚度包括在第一複數個位置測量來自晶圓背側的熱輻射以判定晶圓在第一複數個位置中的每一個位置處的晶圓溫度，其中在晶圓上形成磊晶薄膜成長；在第二複數個位置測量來自晶圓前側的熱輻射；基於晶圓在第一複數個位置中的每一者的溫度來調整磊晶薄膜成長腔室的不同區域中的加熱源的輸出，其中磊晶薄膜成長腔室的每個區域中的加熱源的輸出基於晶圓在第一複數個位置中的對應位置的溫度來調整；基於第一複數個位置處的晶圓溫度和第二複數個位置處測量的熱輻射判定磊晶薄膜成長中的厚度變異；基於所判定的厚度變異調整注入磊晶薄膜成長腔室的一或多種前驅物的流率。
在一實施例中，調整流率包括使用兩個或多個流量比控制器來控制流入磊晶薄膜成長腔室的氣體或前驅物的流率和組成。
在一實施例中，第二複數個位置中的每一者垂直對齊於第一複數個位置中的對應一者上方。
在一實施例中，每個區域中的加熱源包括晶圓上方的至少一個加熱源和晶圓下方的至少一個加熱源。
在一實施例中，測量來自第一複數個位置的熱輻射包括使用位於晶圓下方的兩個或更多個高溫計，且測量來自第二複數個位置的熱輻射包括使用位於晶圓上方的兩個或更多個高溫計。
在一實施例中，測量來自第一複數個位置和第二複數個位置的熱輻射包括使用相應的高溫計在第一複數個位置和第二複數個位置的每個對應位置處偵測介於0.9um到1.6um範圍內的波長。
以上概述了許多實施例的特徵，使本揭露所屬技術領域中具有通常知識者可以更加理解本揭露的各實施例。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，可以本揭露實施例為基礎輕易地設計或改變其他製程及結構，以實現與在此介紹的實施例相同的目的及/或達到與在此介紹的實施例相同的優點。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者也應了解，這些相等的結構並未背離本揭露的精神與範圍。在不背離後附申請專利範圍的精神與範圍之前提下，可對本揭露實施例進行各種改變、置換及變動。
100:磊晶成長腔室 102:上部 104:下部 105:內腔室 106:基座 108:旋轉軸 110:晶圓 112:加熱源 112a:上加熱源 112b:下加熱源 116:氣流控制單元 118:氣體供應源 120:回饋網路 124:薄膜 126:入口 128:出口 130:箭頭(混合前驅物) 160:真空泵 180:流量比控制器 1, 2, 3, 4:加熱區域 1000:控制器分配器 2000:前側燈控制器 2100:溫度設計設定點 216:燈功率控制單元 2200:厚度設計設定點 22:燈功率分配器 316:厚度分析單元 416:溫度測量單元 516:中央處理單元 6:背側高溫計 6a:第一背側高溫計 6b:第二背側高溫計 6c:第三背側高溫計 6d:第四背側高溫計 8:前側高溫計 8a:第一前側高溫計 8b:第二前側高溫計 8c:第三前側高溫計 8d:第四前側高溫計
根據以下的詳細說明並配合所附圖式以更好地了解本揭露實施例的概念。應注意的是，根據本產業的標準慣例，圖式中的各種特徵未必按照比例繪製。事實上，可能任意地放大或縮小各種特徵的尺寸，以做清楚的說明。在通篇說明書及圖式中以相似的標號標示相似的特徵。 第1A圖繪示根據一些實施例之磊晶成長腔室的剖視圖。 第1B圖至第1C圖繪示根據一些實施例之磊晶成長腔室的內腔室的平面圖。 第2圖繪示在磊晶薄膜成長製程期間晶圓的一部分的剖視圖。 第3圖是根據一些實施例之回饋網路的示意圖。
100:磊晶成長腔室
102:上部
104:下部
105:內腔室
106:基座
108:旋轉軸
110:晶圓
112:加熱源
112a:上加熱源
112b:下加熱源
116:氣流控制單元
118:氣體供應源
124:薄膜
126:入口
128:出口
130:箭頭(混合前驅物)
160:真空泵
180:流量比控制器
1,2,3,4:加熱區域
216:燈功率控制單元
22:燈功率分配器
316:厚度分析單元
416:溫度測量單元
516:中央處理單元
6a:第一背側高溫計
6b:第二背側高溫計
6c:第三背側高溫計
6d:第四背側高溫計
8a:第一前側高溫計
8b:第二前側高溫計
8c:第三前側高溫計
8d:第四前側高溫計

Claims (1)

  1. 一種半導體製造設備，包括： 一基座，位於一磊晶成長腔室中； 一第一高溫計，配置以監測來自該基座上的一晶圓的一背側上的一第一點的一熱輻射； 一第二高溫計，配置以監測來自該基座上的該晶圓的該背側上的一第二點的一熱輻射； 一第一加熱源，位於該磊晶成長腔室的一第一區域中； 一第二加熱源，位於該磊晶成長腔室的一第二區域中，其中一第一控制器被配置以基於從該第一點所監測到的該熱輻射來調整該第一加熱源的一輸出，以及基於從該第二點所監測到的該熱輻射來調整第二加熱源的一輸出； 一第三高溫計，配置以監測來自該晶圓的一前側上的一第三點的一熱輻射；以及 一第四高溫計，配置以監測來自該晶圓的該前側上的一第四點的一熱輻射，其中一第二控制器被配置以基於所監測來自該第一點、該第二點、該第三點和該第四點的該等熱輻射來調整注入到該磊晶成長腔室中的一或多種前驅物的一流率。
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