TW516078B - Method and apparatus for modeling thickness profiles and controlling subsequent etch process - Google Patents

Description

1^16078 A7 一 B7 五、發明、說明（1 , [本發明之背景] 1 .技術領娀 本發明廣泛地關於半導贈 亍等體7L件的生產，以及更特 關於一個模製沈積機台，例如一個 及控制其後蝕刻製程的方法及裝置。、 e 又廓以 2.相關拮術的描沭 在半導體元件的製造過程中，晶圓，如矽晶圓，合經 歷很多的加工步驟。這些加工步驟包括沈積或形成薄層、 製圖案該薄層、和移除薄層部分區域以在晶圓上定義出特 徵。-種用來形成薄層的製程稱為化學氣相沈積（cvd)， 其中反應氣體通入-個裝有半導體晶圓的舱内，例如⑽ 機台。反應氣體使在晶圓上形成薄層的化學反應進行。一 値典型的沈積製程就是藉由在爐管裡反應氮氣（N2)和矽甲 烷（SiH4)以生成多晶矽。 有很多因素會影響沈積機台的沈積速率。這些因素包 括，在其他因素中，通過腔體的反應氣體的流率和腔體的 派度。一般而言，要決定一個特定機台的沈積速率（例如當 該機台第一次使用或是在一次保養之後），要加工一系列的 品管晶圓，而且量測製程薄層結果的厚度。量測值是 估汁該機台的沈積速率。接下來製程晶圓的沈積時間是根 據期望的沈積速率。溫度和反應物流率的正常變動會使沈 積速率與期望的速率產生差異，使得製程超越控制極限。 一個典型的沈積機台，如垂直爐管，會同時加工很多 盒的晶圓（例如50片或更多晶圓）。這些晶圓都放入一個載 91S53 --------------裝--- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 516078 A7 ------^―__— 五、發明說明（2 ) 具然後插入爐f。一般而t，用㈣成這個冑程薄層的反 應氣體通入爐管的底部。當反應氣體循環到爐管的頂部， 反應氣體的濃度降低（也就是反應氣體消耗在形成較低晶 圓上的製程薄層降低的濃度使得隨著與氣體入口的距離 增加而沈積速率越慢。為了解決這個情況’爐管分成幾個 區域（例如四個區域）’而且每個區域的溫度都獨立控制。 比較靠近爐管頂部的區域控制在相對於靠近底部的區域較 尚的溫度以增加它們的局部沈積速率。 即使上述的方式傾向於常態化所有區域的平均沈積速 率，但它並沒有解決一個區域内的厚度差異。之後的蝕刻 機台可以設計成根據平均沈積速率來蝕刻製程薄層，不過 隨著钱刻製程的進行在特定區域製造的晶圓會出現差異， 導致餘刻後特性的差異（例如那些薄層可能被過度蝕刻或 蝕刻不完全）。製程差異會導致降低設備的應用性和可行 性。一般而言，較嚴重的製程差異會導致更昂貴和較沒效 率的製程系統。 本發明導向於克服或是至少降低一個或更多前述問題 的效應。 [本發明的概要] 本發明的一個概念可從包含沈積機臺、量測機臺、蝕 刻機台和製程控制器的生產線看出。沈積機台是設計成在 多片晶圓上形成製程薄層。量測機台是設計成量測一片樣 品晶圓的製程薄層的厚度。蝕刻機台是設計成根據一組操 作參數設定來蝕刻製程薄層。製程控制器是設計成儲存沈 I I --------^-ΙΙΙΙΙΙ-- (請先閲讀背面之注意事頊存填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 2 91853 B16078 A7

(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

生產線 20 晶圓 沉積機台 ^ _ 4U 1測機台 蝕刻機台 ^ ου 製程控制器 類神精網路 210 輸入層 隱▲層 ___ 230 輸出層 面描述了本發明的示範實施例。為了明確起見，並 516078 五、發明說明（4 ) 專利申請額中所定義出來的發明精神 的形式、均等的形今 圍中所有修改 「一 7寻㈣式 '以及替代形式。 [70件符號說明] 10 30 50 200 220 疋所有實際執行的特點都在這個說明書裡描述。在任何 這樣實際的實施例的 .^ ^ ^ 7 研發中，很多的特殊安裝是為了達成 研發者特殊的目標而決定的，例如順從系統相關的商業相 關的限制’廷在每個安裝上都有差異的。此外，這樣的研 發成果可肖匕疋複雜且耗時的，不過無論如何對那些從本公 開内谷可以獲益的熟知本技術者可以照例實施。 睛參照第1圖，提供一個根據本發明用來製造晶圓2〇 的不範生產線10的簡化圖。生產線1〇包括沈積機台3〇、 重測機台40、餘刻機台50、以及製程控制器6〇。製程控 制器60作為沈積機台30、量測機台40、和蝕刻機台50 "介面’以做出沈積機台3〇的厚度輪廓模型，並修改蝕刻 台5〇的操作參數以配合由沈積機台30形成的製程薄層 在晶圓到晶圓間的厚度差異。沈積機台30的模型預測沈積 機台30加工的各射晶圓的製程薄層厚度。量測機台4〇可 本紙張尺度適用中國國家標準（cns)A4規格（21〇 X 297公釐 ^ ^---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經 濟 部 智 慧 財 產 一局 員 工 •消 費 合 作 社 印 製 的 機 91853 516078 五、發明說明（5 ) 以用來提供一個輸入給製程控制器60以應用厚度輪廓模 型，同時也提供回饋以更新模塑。 II — — — —— — — — — — — . I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在示範的實施例中，沈積機台30是一個CVD腔體用 來在半導體晶圓20上沈積一層多晶矽薄層。反應氣體，包 括氮氣（N0和矽甲烷（SiH4)提供入沈積機台3〇以促進多晶 石夕的形成。一個適合的沈積機台3〇是TEL垂直爐管。即 使在上下文中描述的發明是在一個多晶矽的沈積爐管裡實 施，此處所描述的觀念可應用於其他各種用來形成各種製 程薄層，如二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化多晶矽、 氮化鈦、以及沈積的矽玻璃如硼填矽玻璃（BPSG)或是其他 用於半導體製造操作中的製程薄層的沈積機台。 製程控制器60包括給沈積機台3〇的厚度輪麼的模 型。厚度輪廓模型可以根據從量測機台4〇的實際沈積薄層 厚度的輸入來產出和/更新。一個典型適合量测薄層厚度 的量測機台40是由Thermawave提供的〇ptiprobe機台。 經濟部智慧財產局員工消費合作衽印製 在示範的實施例中，製程控制器60是一個裝有提供所 描述功能的軟體的電腦。不過，對熟知本技術者可以看出， 也可以使用一個設計成執行特殊功能的硬體控制器。本發 明部分的和相關的詳細描述會以軟體、或演繹法和在電腦 記憶體内的在資料位元上操作的符號代表的形式表現。這 些描述和代表都是熟知本技街者有效地傳遞他們的工作給 其他熟知本技術者的方法。演繹法，如在此所用的和一般 所用的形式，被認為是一個導向所要的結果的自我一致的 步驟序列。這些步驟是需要以物理的操作方式操作的物理

A7 B7

五、發明說明（6 ) 量。通常，並非必須，#此I 516078 肩込些量都是以可以儲存、傳輸、合 併、比較、和以其他方式操 b i W呆邗的先學、電子或磁性訊號的 形式存在。主要是為了一般方便走 ^ 一 々便便用起見，將這些訊號以 位元、數值、元辛、您缺 ^ 土生 f付遗、子疋、名詞、數字、或其他類 似者表示。 不過請記住，所有這裡的和類似的名詞都是配合著適 當的物理量，而且只以便易的符號表示這些量。除了有特 別聲明’或是從討論中明顯地看出，否則_些如“製程的” 或“電腦計算的，，或“計算的，，或“決定的，，或“顯示的”或類似 的^詞表示一個電腦系統的動作或製程，或是類似的電子 計算元件，以操作和傳輸電腦系統的中央處理器和記憶體 中以物理、電子量表示的資料到其他電腦系統的記憶體或 中央處理器或其他這樣的資訊儲存器、傳輸器或顯示裝置 中以類似方式表示的物理量。 一個典型可以用來執行製程控制器6〇的功能的軟體 系統是KLA-Tencor公司提供的Catalyst系統。KLA Te加π 的Catalyst系統使用相容於國際半導體設備和材料（semi) 電也整合製造（CIM)架構的系統技術而且是根據先進製程 控制（APC)架構。CIM(SEMI E81_0699_CIM架構領域結構 臨時規範）和APC(SEMI E93-0999-CIM架構先進製程控制 元件臨時規範）規範都可以從SEMI公開地取得。 製程控射器6 0使用來自量測機台4 0的量測值作為终 沈積機台30的厚度輪廓模型的輸入。量測機台4()量測在 沈積機台3 0的每一區域的樣品晶圓上以沈積機台3 〇形 I ^--------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 6 91853 516078 A7 B7 五、發明說明（7 ) 的製程薄層厚度。其他的沈積製程參數，如沈積時間和每 一區域的控制溫度都可以提供為厚度輪賴型的直接輸 入。厚度輪廓模型預測在沈積機台3〇内加工的單一晶圓的 厚度。每一片晶圓20都有一個唯—的晶圓辨識號碼（即晶 圓D)製程控制器60儲存每—片晶圓的預測製程薄層厚 又和相對的aB圓_ID。資料儲存功能可以安裝在製程控制器 6〇。裡或是在在-個獨立的資料庫词服器（未顯示）。製程控 =器60可以對每一片單獨的晶目2〇 |生一個製程薄層的 厚度預測值，或是以其他方式，將晶圓2Q分類成幾個小子 术《(例如·二片晶圓而一個製程薄層厚度預測值可以 指定給子集合中的每一晶圓2 0。 袈程控制器60用製程薄層厚度預測值來調整或決定 蝕刻機台50對每一片晶圓的操作工作程序。加工過的晶圓 的晶圓-ID用來取得給該晶圓的預測製程薄層厚度，以及 根據它修改參數設定。一般而言，製程控制器6〇根據預測 製程薄層厚度來修改蝕刻機台4〇的蝕刻時間參數。 厚度輪廓模型可由製程控制器60產生，或是替代地以 一個不同的製造來源（未顯示）來產生該模型，並且在研發 後儲存在製程控制器60裡。厚度輪廓模型可以用沈積機台 30或在一個有類似操作特性的不同機台（未顯示）開發。為 了作說明，假設厚度輪廓模型是由製程控制器6〇根據沈積 機台30的實際效能和量測機台4〇的量測結果來產生和更 新的。厚度輪廓模型是根據從沈積機台30的很多個製程過 程所蒐集來的歷史資料來訓練的。很大筆的樣本數從在沈 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 91853

• --- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1叮· •線 n 1 n ▲ 516078 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（8 ) 積機台3 0裡不同點製造的晶圓得來。樣本的位置數和點數 在訓練過程中比在生產過程_更大量。在生產過程中，只 需要取得限定數量的樣本數而且傳回厚度輪廓模型。熟知 本技術者都很清楚知道可以使用不同的模製技術。典型的 模製技術包括類神經網路模型、主要元件分析（PC a)、對 潛在結構的投影（PLS)、統計反應平面模型（RSM)，以及第 一原則物理和化學模型。 下面的例子提供一個高階的示範顯示沈積機台3〇的 模型如何產生。模型的特定安裝方式可能根據所選擇的模 製技術而改變，而且熟知本技術者均清楚地知道這些特定 的安裝方式。因此’為了清楚及簡易的示範，此處不特別 詳細地描述特定的細節。 請參照第2圖，提供一個類神經網路2〇〇的簡化圖。 類神經網路200包括輸入層210、隱藏層22〇，以及輸出層 230。輸入層210接收認為適合模製沈積機台3〇效能的輸 入值。在示範的實施例中，變數如取樣的製程薄層厚度、 沈積時間、以及區域操作溫度都接收為輸入，即使也會使 用其他的輸入。隱藏層220透過訓練程序“學習，，不同輸入 間的交互作用，訓練程序就是將類神經網路2〇〇暴露於沈 積機台30或類似的沈積機台（未顯示）的歷史效能資料。隱 藏層220加權每個輸入和/或輸入的組合以預測一些未來 的表現。藉由歷史資料的分析，改變加權值以試圖增加模 型預測未來表現的成功率。輸出層23〇擷取隱藏層22〇的 操作方式以產生每個晶圓或每個晶圓子集合的製程薄層厚 --------— Ill — 裝--------訂·--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） 8 91853 516078 A7 五、發明說明（9 ) 度的預測值。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一旦模型已經充分地訓練，模型就可以用在生產環境 以根據目前輸入的量測數值以預測沈積機台3 〇的厚度輪 廓。根據類神經網路200預測的結果，修改蝕刻機台5〇 的操作工作程序。在生產的環境中，從量測機台40來的週 期性量測值提供為厚度輪廓模型的輸入，以及作為製程控 制器60的回饋以更新沈積製程模型。 現在請參照第3圖，根據本發明的一個概念提供一個 控制晶圓均勻度的方法的流程圖。在圖塊3〇α中，儲存了 沈積機台的厚度輪廓模型。在圖塊3 1〇中，在沈積機台中 沈積了一層製程薄層到很多片晶圓上。在圖塊32〇中，量 測樣品晶圓的製程薄層的厚度。在圖塊33〇中，根據製程 薄層厚度量測值和厚度輪廓模型產生未量測的晶谢的預測 製程薄層厚度。在圖塊340中，根據一個操作工作程序在 蝕刻機台中蝕刻製程薄層。操作參數設定是根據預測製程 薄層厚度。 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 模製沈積機台30的厚度輪廓以及調整蝕刻機台4〇的 操作工作程序因而降低晶圓20内餘刻後製程薄層厚度的 偏差。這就藉由提高良率增加生產線1〇的效率◊在製造過 程較低的製程差異通常也導致完工的產品有較窄的效能差 異，因此強化利益性。 在前面公開的特殊實施例只是作為示範而已，因為對 熟知本技術且可從此處的教學獲得利益者清楚地看出本發 明可以修改並以不同方式實施。進一步，並不試圖侷限於

516078 A7

請 先 閲 讀 背 注 意 事 項 填 寫 本 t

Claims (1)

1. 516078 本紙張尺度適财關家鮮（CNS)A4 1格（21G X 297公髮)一 Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種控制晶圓均勻度的方法，包括 儲存一個沈積機台的厚度輪廓模型； 在沈積機台内沈積製程薄層在很多片晶圓上； 量測樣品晶圓上的製程薄層的厚度； —根據製程薄層的厚度量測值和厚度輪廓模型產出 未經量測的晶圓的預測製程薄層厚度；以及 根據操作作程序以在蚀刻機台内姓刻製程薄 層而該操作工作程序是根據預測製程薄層厚度來的。 2·Γ請專利範圍第1項的方法，其中該沈積機台包括很 夕個控制區域’以及量測樣品晶圓的製程薄層厚度，並 包括在每一個控制區域量測至少一片晶圓的製程薄層 厚度。 3二申=利範圍第1項的方法’其中該產生預測的製程 根據沈積機台的操作工作程序產生預測 的氣程薄層厚度。 4.=料利範圍第1㈣方法，其中該產生預測的製程 缚層厚度包括根據沈積機台的操作卫作程序_至少一 個沈積時間和-個溫度參數來產生預測的製程薄層厚 度。 5·Γ申請專利範圍第1項的方法，其中該沈積機W括很 夕個控制區域並產生預測的製程薄層厚度包括根據溫 度參數和關連沈積機台的操作工作程序中每一區域來 產生預測的製程薄層厚度。 6.如申請專利範圍第1項的方法，進—步包括根據預測的 91S53 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   516078 A8 B8 C8 D8

   六、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 製程薄層厚度來修改蚀刻機台的操作工作程序。 7. 如申請專利範圍第6項的方法，其中該修改操作工作程 序包括根據預測的製程薄層厚度來修改姓刻機台的操 作工作程序中的蝕刻時間。 8. 如:請專利範圍第7項的方法，其中根據預測的製程薄 層厚度來修改蝕刻機台的操作工作程序包括·· 連…預測的製程薄層厚度和晶圓的晶圓辨識號 碼； 決疋要餘刻的特定晶圓的晶圓辨識號碼； 取得該特定晶圓的預測的製程薄層厚度；以及 L改餘刻機台對該特定晶圓的操作工作程序。 9·如申請專利範圍第8項的方法，其中該連結預測的製程 薄層厚度和晶圓的晶圓辨識號碼包括連結一個特定的 預測的製程薄層厚度和一個晶圓的子集合。 1 〇 · —條生產線，包括： 沈積機台，用來在很多片晶圓上形成製程薄層； 量測機台，用來量測樣品晶圓的製程薄層厚度； 蝕刻機台，根據操作工作程序來蝕刻製程薄層；以 及 製程控制器，用來儲存沈積機台的厚度輪廓模型， 根據樣品晶圓的製程薄層厚度量測值和厚度輪廓模型 來產生未經量測機台量測的晶圓的預測製程薄層厚 度’以及根據預測製程薄層厚度修改蝕刻機台的操作工 作程序。 — — — — — — — — —— · I---III ^ ·ΙΙΙ1— — — — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） 12 91853 )16078 D8 六、申請專利範圍 :::專利祀圍第1〇項的生產線，其中該沈積機台包 夕個控制區域，而且由量測機台量測的樣品晶圓包 括母-個控制區内至少一片晶圓。 2·Γ申請專利範圍第1G項的生產線，其中該製程控制器 背 面 程薄層沈積機台的操作工作程序來產生預測的製 13 Π清專利範圍第1〇項的生產線，其中該沈積機台的 t作工作程序包括在操作卫作程序中的沈積時間和溫 度參數至少其中之一。 14:申請專利範圍第1〇項的生產線，其申該沈積機台包 很夕個控制區域，而製程控制器是根據關連於操作工 訂 乍程序中|個區域的溫度參數來產生預測製程薄層 厚度。 如申明專利軌圍第10項的生產線，其中該製程控制器 線 是根據預測製程薄層厚度來修改在餘刻機台之操作工 作程序中的蝕刻時間參數。 經齊部智慧財產局員工消費合作社印製 16.^申凊專利範圍第1〇項的生產線，其中該製程控制器 是用來連結預測製程薄層厚度和晶圓❺晶圓辨識編 號，決定要蝕刻的特定晶圓的晶圓辨識編號，取得該特 定晶圓的預測製程薄層厚度’以及為該特定的晶圓修改 餘刻機台的操作工作程序。 申請專利範圍第10項的生產線’其中該製程控制器 是用來連結特定的預測製程薄層厚度和晶圓的子集 合〇 本紙張尺度適用中國國ϋ準（CNS)A4規格（2Ϊ0 X 297公髮)-~---- 13 91853 516078

   申請專利範圍 18 · —條生產線，包括 沈積機台，用來在很多片晶圓上形成製程薄層； 儲存沈積機台的厚度輪廓模型的機構； ^， 量測樣品晶圓的製程薄層厚度的機構； 根據製程薄層厚度量別彳畜^ 又里列值和厚度輪廓模型產生未 被量測的晶圓的預測製栽續思μ & 程溥層厚度的機構；以及 根據操作工作程序以太# 在#刻機台裡蝕刻製程薄層 的機構，該操作工作程序是根μ 根:據預測製程薄層厚度。 ---------------裝·! (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -=-口·- ;線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 14 91853