用於熱處理單元的校正方法與流程

2023-05-19 19:06:46 2

本發明涉及微電子和微技術領域。

更具體而言，本發明涉及熱處理工藝，尤其是應用於矽或SOI(絕緣體上矽)晶圓的熱處理。

背景技術：

能夠製造各種層(例如，氧化矽層)或對襯底進行表面處理的微電子熱處理方法提出了越來越嚴格的均勻性參數。

實際上，微電子技術的演化意味著部件的特徵尺寸的減小，其目的在於提高集成密度以及電路速度；與此並行的是，矽和/或SOI晶圓的直徑在增加，從200mm增至300mm甚至450mm，其目的在於在每個晶圓上製造更多的管芯。因此，需要獲得在更大的面積上具有更加受控且均勻的厚度的更薄的層。

熱處理方法從而面臨著在單元反應器中進行的反應的非均勻性質。該均勻性的缺失可能有多種原因：

·設備固有的非均勻性，這聯繫到例如加熱區的非均勻的功率、溫度傳感器的固有精度、反應器的形狀、可變的氣體流量等。

·在反應器中預期的反應的動力學由於稀釋效應(即，反應物的貧乏)或抑制效應(即，反應殘留物的濃度上升)而發生的變化。

微電子產業中通常採用的熱處理單元由能夠容納大量的襯底(一般多至200個襯底)的大尺寸的反應器構成。由於這種類型的單元的尺寸，所述單元包括多個沿著反應器規則地設置的加熱元件；這些加熱元件限定了多個加熱區。

應用到熱處理單元的加熱區的每個的溫度設定點限定了旨在確立目標襯底特性的工藝。該目標襯底特性可以是特定的層厚度(例如，氧化層厚度)或者是低於特定閾值的表面粗糙度值。

對於就襯底的特性而言最苛刻的方法，通常在該方法的初始優化 期間，或者如果觀察到了特性的偏離(drift)則在該方法的兩次實施之間，在加熱區的每個中應用設定點修正值。該修正值步驟一般稱為「校正(calibration)」。

一種經常使用的校正方法基於全局地將溫度與所考慮的襯底的特性聯繫起來的經驗關係。因此，當該襯底的特性是在熱處理期間生成的氧化厚度時，對於給定的方法，經驗性地確立為，相對於額定溫度的特定溫度差值ΔT產生氧化厚度差值ΔX。如果在執行工藝後觀察到了襯底的特性的偏離，則技術人員基於該全局關係對全部加熱區的溫度設定點應用近似的修正值，以補償該偏離。這種純手動的方法依賴於負責單元的校正的技術人員的評估：依據在在爐中不同位置接受處理的晶圓上測量到的ΔX，所應用的修正值ΔT可能依據技術人員的經驗而變化。現在，一些苛刻的微電子工藝不能容許對於所得結果的一定程度的近似，這是因為其對運營的產量有很大的影響。

另外，該工藝的運行並不完美。實際上，其沒有考慮到加熱區彼此並不獨立的事實。將ΔT1應用到第一加熱區可能影響到該單元的一個或多個加熱區i。設定點修正值越大，以在進行溫度設定點修正之後相對於技術人員所預期的結果產生很大的差異的方式，加熱區的互相影響對於最終結果的幹擾越大。

本發明旨在克服上述現有技術的各種缺陷。

本發明的一個目標尤其在於，提供一種可靠的對在熱處理中採用的工藝進行校正的方法。

本發明的另一個目標在於，提供一種自動校正方法，以使其更適合工業化，並且與大容量生產需求相兼容。

技術實現要素：

本發明涉及一種用於確定溫度設定點修正值的校正方法，所述溫度設定點修正值將應用到具有L個襯底位置的熱處理單元的N個加熱區中的每一個的額定溫度設定點，所述熱處理單元和額定設定點限定了旨在建立襯底的目標特性的方法，所述校正方法的特徵在於，其包括下列步驟：

·建立敏感度模型，該敏感度模型將L個位置的M個代表性的位 置中的每一個位置處的襯底特性的變化聯繫到應用至N個加熱區中的每一個的溫度設定點變化，這些變化分別反映相對於目標特性的差值以及相對於額定設定點的差值；

·基於額定設定點在熱處理單元中執行工藝；

·至少在單元的每個加熱區的代表性的測量位置處測量襯底特性，以提供M個測量值；

·根據敏感度模型、測量值以及目標襯底特性來確定溫度設定點修正值。

根據本發明的單獨或組合採用的有益特徵：

-在確定步驟之後進行，基於通過溫度設定點修正值而修正的額定設定點在熱處理單元中執行工藝的步驟；

-設定點修正值的定義為這樣的設定點變化，應用到所述模型的所述設定點變化導致對於測量值與目標特性之間的差值的補償；

-確定設定點修正值的步驟在測量值與目標特性之間的差值高於特定閾值時執行；

-通過將相同的溫度設定點變化分別地且相繼地應用在每個加熱區，並將其他加熱區維持在它們的額定設定點而建立所述敏感度模型；

-所述敏感度模型包括由下式確定的敏感度矩陣Sij：

·其中1≤i≤N並且1≤j≤M，並且

·為對於應用至加熱區i的溫度變化ΔTi，在熱處理單元的測量位置j的襯底特性X的變化；

-所述敏感度模型包括增益矩陣Gij，所述增益矩陣根據以下方程基於歸一化的敏感度矩陣而得到定義：

·

·其中，歸一化矩陣為其中：

·為對於應用至N個加熱區的溫度變化ΔTN，在熱處理單元的測量位置j的襯底特性X的變化。

-標準化矩陣為其中是Sj在熱處理單元的全部測量位置 j上的項Sj平均值。

-確定設定點修正值包括，將根據以下方程的餘項rj最小化：

o其中：

o(Tcorr)i是待應用至加熱區i中的溫度設定點修正值；

oΔXj是在熱處理單元的測量位置j處的測量值與目標特性之間的差值；

確定設定點修正值包括，將全局餘項R最小化，所述全局餘項的定義為，熱處理單元的每個測量位置j的餘項rj的平方和；

-在該工藝開始時，自動將設定點修正值發送到熱處理單元的控制接口。

根據本發明的校正方法因此能夠基於事前為該單元和相關工藝建立的敏感度模型在熱處理工藝中出現偏離時自動確定待應用的設定點修正值。

該方法並不依賴於人的評估，並且考慮了熱處理單元的各個加熱區的互相影響。

該校正方法與工業化控制以及在大容量生產環境下的對包括多個熱處理單元的安裝設備基礎的管理相兼容。

根據本發明其他的單獨或組合採用的有益特徵：

-測量到的襯底特性的值是襯底上的測量點或襯底上的測量點的平均值；

-所述襯底特性是在工藝期間在襯底上產生的氧化物的厚度；

-所述襯底特性是在工藝期間分解的SOI襯底的隱埋氧化物的厚度；

-所述襯底特性是在工藝之後剩餘的SOI襯底的隱埋氧化物的厚度；

-所述襯底特性是在工藝之後獲得的襯底的表面粗糙度。

附圖說明

在閱讀下面的說明書並查閱說明書所附的附圖之後，將可以更好地理解本發明。這些附圖僅作為本發明的非限制性說明而提供。

圖1：熱處理單元，其包括多個加熱區和多個襯底位置。

圖2a至圖2e：表示了對於熱處理單元中的給定的工藝所限定的，對於分別地且相繼地應用到每個加熱區i的溫度設定點變化的在每個測量位置j確立的增益的圖。

圖3：在熱處理單元中的給定工藝之後(稱為「校正前」)從M個位置獲得的襯底特性X的測量值分布，以及在對工藝應用了根據本發明的校正方法之後(「校正後」)從M個位置獲得的相同襯底特性X的測量值分布。

具體實施方式

熱處理單元1通常由大尺寸反應器3構成，在該反應器中，裝載支撐體4能夠接收大量的待處理的襯底：下文中將考慮為，襯底位置5的數量是L。在水平或豎直爐中，L通常可以在50到200的範圍內。

反應器3的尺寸還使得需要沿反應器設置多個加熱區2，以便能夠更精確地調整溫度設定點，以及能夠在反應器3的整個長度上(即，對於全部L個襯底位置5)獲得更均勻的溫度分布。下文中將考慮為，在反應器的爐3的水平的加熱區2的數量是N。N通常在3到6間變化。

每個熱處理工藝旨在確立襯底的目標特性。例如，給定的工藝的目標可以為，在矽襯底上形成200nm的氧化物。這裡，襯底的目標特性是200nm氧化物厚度。

該工藝的特徵還在於，被限定和存儲在爐的與該工藝相關的設定中的溫度、氣體流量和時間參數。例如，給定的工藝是在950℃下的氧化工藝，其包括在氬氣中性氣氛中以5℃/min的速率升高和降低溫度，以及在溼氧化氣氛中在950℃保持溫度30分鐘。在建立該工藝時，定義額定參數，以便能夠在全部L個襯底位置獲得襯底的目標特性。這些額定參數尤其包括用於N個加熱區中的每一個的額定溫度設定點。

對於任何工藝，通常會限定閾值或限制值，在超過該閾值或限制值時，通過該工藝製造的襯底的特性不再符合要求，並且需要對這些設定進行新的校正。通常將這些限制稱為控制限制；這些限制使得， 在面臨熱處理單元的自然偏離或異常偏離時，能夠迅速作出反應。

在熱處理工藝已經執行之後，進行測量襯底的特性的步驟，以確立該工藝的性能；該步驟能夠驗證特性仍然符合目標，即，仍在為該工藝限定的控制限制之內。該測量步驟可以在來自沿著反應器的長度分布的L個位置上的全部受處理的襯底上進行。為了限制該步驟的時長，有益地，測量在更加受限的數量M個受處理襯底上執行。將M個測量位置選擇為，使得所獲得的測量分布對關於在反應器的整個長度上的襯底的特性的工藝性能有代表性。有益地，受測量的M個襯底還來自爐的對於N個加熱區有代表性的位置。M個位置一般在反應器的整個長度上規則地分布。

如果在執行了一個工藝之後觀察到了襯底的特性的偏離，則需要在再次啟動該工藝之前確定待輸入該單元的溫度設定點修正值，以便補償偏離並且回復至目標特性。

根據本發明的校正方法能夠確定待應用到熱處理單元(其具有L個襯底位置)的N個加熱區中的每一個的額定設定點的溫度設定點修正值。

該方法的第一步驟包括，為給定的工藝建立敏感度模型，對於M個測量位置中的每一個，所述敏感度模型將襯底的特性的變化聯繫到獨立地應用到N個加熱區的溫度設定點的變化。

產生襯底的目標特性的工藝初始時由額定參數限定，所述額定參數包括N個加熱區中的每一個中的溫度設定點。在第一加熱區中應用溫度設定點變化ΔT，而其他加熱區維持其自身的額定設定點。將該工藝應用到在反應器的L個位置間、或至少在M個測量位置間分布的襯底。這些襯底通常構成用於建立敏感度模型的測試襯底。然後，在經處理的襯底上測量襯底的特性。有益地，該測量在對從爐的對N個加熱區有代表性的位置選取的M個襯底上進行，M小於或等於L。所選擇的M個測量位置也對反應器的整體長度有代表性，即，對反應器的L個位置有代表性。例如，選擇在包括150個位置的反應器的全部長度上均勻分布的25個測量位置。

將襯底特性X的M個測量值與按額定參數獲得的目標特性進行比較，能夠計算對於在第一加熱區中的溫度設定點的變化ΔT(其他加熱 區維持其額定設定點)所測量的M個位置中的每一個位置處的特性變化ΔX。

該第一系列的變化數據將爐的M個位置處的襯底特性X的變化聯繫到了獨立地應用在第一加熱區的溫度設定點的變化，從而能夠反饋給敏感度模型。

然後，生成第二系列的數據，而這次是通過應用在第二加熱區中的溫度設定點的變化，而所有其他的區維持其自身的額定設定點，並且重複該工藝和隨後的測量來生成第二系列的數據的。對每個加熱區i進行相同的操作，i包括在1與N之間。

在該階段，對於給定的工藝，能夠限定所謂的敏感度矩陣Sij，該矩陣包括i行(i在1與N之間)和j列(j在1與M之間)，包括N×M個如下定義的項：

該敏感度矩陣的每項因此是由加熱區i的溫度設定點變化所導致的位置j處的特性的變化與所述設定點變化ΔTi的比。

該敏感度矩陣構成敏感度模型的重要元素中的一個。

敏感度模型的另一個構成元素是歸一化矩陣，其也與工藝相關。為了建立歸一化矩陣，在全部N個加熱區中同時應用溫度設定點的變化ΔT，並且重複該工藝以及對襯底的特性的M個測量。

這能夠獲得，對於在N個加熱區中同時應用的溫度設定點的變化ΔT所測量的在M個位置中的每一個位置處的特性的變化。歸一化矩陣Sj包括j列(j在1與M之間)，包括如下定義的M項：

該歸一化矩陣的每項因此是由在N個加熱區的溫度設定點的變化所導致的位置j處的特性的變化與所述設定點變化ΔTN的比。

為給定的工藝定義的敏感度矩陣和歸一化矩陣用於建立增益矩陣(這兩個矩陣之間的比)，其定義為：

該無量綱增益矩陣反映了，對於給定的工藝，各個加熱區中的設定點變化對於特性的分布的影響：在本文中，該分布定義為，來自熱處理單元的反應器的整個長度上的M個測量位置的襯底特性X的值。

在給定的襯底位置上，增益的幅度越大(具有大於或小於0的值)，應用到相關加熱區中的溫度設定點的變化導致的在給定位置處受處理的襯底的特性變化越強。

在該階段，已經建立了對於給定的工藝的敏感度模型的構成元素。

在工藝和隨後的對襯底的特性的測量執行之後，如果觀察到了襯底的特性的偏離，即，如果在至少一個位置j處測量到的特性與目標特性之間的差值大於對該工藝所限定的控制限制，則執行根據本發明的校正方法的確定設定點修正值的步驟。

該步驟包括，基於與可變的(variable)設定點變化結合的增益矩陣，比較特性偏離分布與特性變化分布。這依靠下列關係：

<![CDATA[ r j = B - A = G i j × ( ΔT c o r r ) i - ΔX j S j ]]>

項A對應於特性偏離分布，其中，ΔXj是在熱處理單元的測量位置j處的測量值與目標特性之間的差值；該差值由上文定義的歸一化矩陣Sj歸一化。

項B對應於特性變化分布，其基於與在每個加熱區i中的可變的設定點變化(ΔTcorr)i結合的增益矩陣Gij。

目標為，通過使得(ΔTcorr)i變化，即，通過測試設定點變化的不同組合，所述組合(根據為該工藝建立的增益矩陣)可以補償在每個位置j測量的特性與目標特性之間的差值，來最小化這兩項之間的餘項rj。

為了限定對於M個襯底位置的最佳的設定點變化，餘項最小化計算是以全局餘項R進行的，全局餘項定義為在每個位置j處的餘項rj的平方。所獲得的最佳的設定點變化(ΔTcorr)i表示待應用至加熱區i中的溫度設定點修正值。這是該校正方法的確定步驟的結果。

根據第一實施方案，修正值的確定步驟通過實施本身公知的數值優化方法(例如，梯度法)的軟體來獲得。在測量襯底的特性之後，技術人員輸入所用工藝的參考信息、所獲得的測量值，並且啟動執行 該修正值確定步驟的計算程序。該程序尤其包括用於所述工藝的預定的增益矩陣。待應用至N個加熱區的修正值顯示在屏幕上，使得技術人員能夠將其輸入到熱處理單元中。

根據第二實施方案，在該確定步驟中由軟體確定的修正值自動從軟體接口發送至熱處理單元的控制接口，避免手動輸入。

最後，根據第三實施方案，一個自動系統將各個單元連接：熱處理單元、測量單元以及用於執行修正值確定步驟的軟體接口。對受處理的襯底(其經常集合為25個的批次)進行測量。通過製造執行系統(MES)，每個批次的條形碼承載著工藝信息。在測量後，執行自動控制步驟，驗證所獲得的特性的值與目標特性之間的差值。如果該差值在固定的控制限制之外，則程序啟動計算軟體：從測量單元恢復測量數據，使用涉及所調用的工藝的增益矩陣(其是批次所承載的信息的一部分)。當計算完成時，程序將設定點修正值傳輸給爐的控制接口。

示例1：

應用到SOI襯底的常用加工處理包括平滑退火處理，其包括在高溫下(一般在1100℃以上)將矽的上層暴露於中性或還原性氣氛中。除了其他方面，通過表面重構，該處理能夠減小暴露於高溫氣氛的層的粗糙度。

藉助於氧化物分解效應，該處理還改變了下方的介電層的特性，例如其厚度。該現象特別地報導於O.Kononchuck等人發表在期刊Solid State Phenomena,第156–158卷(2010)第69至76頁的文獻「Novel trends in SOI Technology for CMOS applications」。該文獻實際上解釋了，在高溫中性或還原性處理氣氛下，介電層的氧原子傾向於擴散通過上層，並且與其表面反應，產生通過爐的氣氛疏散的揮發性粒子。

對於在該類型的處理之後驗證的各種襯底特性而言，一個重要的特性是，SOI結構的隱埋氧化物的厚度的損失。

在受處理的襯底上的多個點(例如，40個點)上測量隱埋氧化物的厚度的損失。從這些測量值得出均值，該均值對應於對該工藝驗證 的襯底的特性。其一般必須在根據本領域技術人員所熟知的常規+/-3sigma法則而對該工藝限定的控制限制之間。

在對該工藝所考慮的熱處理單元的類型中，襯底位置的數量一般是150，而加熱區的數量一般是5，如圖1所示。

敏感度模型是基於全部沿著爐的反應器徑向分布且正確地代表了5個加熱區的25個測量位置產生的。

敏感度矩陣和歸一化矩陣已對於等於3℃的溫度設定點的變化ΔT進行定義。選擇該變化是因為，其對應於該類型的工藝所預期的修正值的範圍；從而，敏感度模型是以合適的變化範圍產生的，並且確保了更好的準確性。

圖2a-圖2e顯示了表示對該工藝獲得的增益矩陣的圖。對於畫在橫軸上的每個測量位置，將增益畫在縱軸上。圖2a至2e的每個曲線表示在給定的加熱區i(i在從1到5之間)應用3℃的溫度設定點的變化所獲得的增益。例如，圖2b中的曲線對應於在第二加熱區(i＝2)中應用溫度設定點的變化，而其他加熱區維持其自身的額定設定點。

在給定的襯底位置，增益的幅度越大(具有大於或小於0的值)，應用到相關加熱區中的溫度設定點的變化導致的在該給定位置處處理的襯底的特性的變化越強。

圖3示出了相關分解工藝中的襯底的特性的偏離的情況。空心方形曲線顯示出在多個測量位置處測量的氧化物厚度損失與目標氧化物厚度損失之間的大的差值(在縱軸上以任意單位畫出)。該差值大於對該工藝限定的控制限制(以虛線顯示)。

應用根據本發明的校正方法，以確定待應用以補償該差值並儘可能接近目標特性地回復到該工藝的控制限制內的溫度設定點修正值：圖3中的所得到的曲線因此應當儘可能接近零。

測量出的襯底的特性被輸入到計算軟體中，該計算軟體使用涉及相關工藝的增益矩陣產生能夠最好地補償所觀察到的特性差值的設定點修正值。然後在對新的系列的襯底啟動新的工藝之前，這些修正值被輸入熱處理單元的控制接口。在離開爐時對這些襯底進行測量。圖3中的實心三角曲線顯示測量到的氧化物厚度損失與目標氧化物厚度損失之間的差值：可以看到，在應用了該校正方法之後，該差值在測量 的25個位置上是均勻的，並且非常接近0。在該情況下，襯底的特性符合處於對該工藝限定的控制限制內的目標。

示例2：

矽和SOI領域中另一種常見的熱處理類型是熱氧化。為製造SOI襯底，尤其是通過Smart Cut工藝製造SOI襯底，通常在待組裝的襯底中的至少一個上生長熱氧化層。該氧化層將構成最終SOI結構的隱埋氧化層。

在處理後的襯底的多個點(例如，40個點)上測量氧化物厚度。從這些測量值得出均值，該均值對應於為該工藝監控的襯底的特性。其一般必須在根據+/-3sigma法則為該工藝所限定的控制限制之間。

在對該工藝所考慮的熱處理單元的類型中，襯底位置的數量是150，而加熱區的數量是5。

敏感度模型是基於沿著全部爐的反應器規則分布且正確地代表五個加熱區的25個測量位置產生的。

敏感度矩陣和歸一化矩陣已經對於等於3℃的溫度設定點的變化ΔT進行定義。選擇該變化是因為，其對應於該類型的工藝所預期的修正值的範圍；因此，敏感度模型是以合適的變化範圍產生的，並且確保了更好的準確性。然後，可以建立增益矩陣。

對於相關氧化工藝的襯底的特性的偏離，在測量到的氧化物厚度與目標氧化物厚度之間，觀察到了顯著大於為該工藝限定的控制限制的差值。

應用根據本發明的校正方法，以確定待應用以補償該差值並儘可能接近目標特性地回復到該工藝的控制限制內的溫度設定點修正值。

特性被輸入到計算軟體中，該計算軟體使用涉及相關工藝的增益矩陣產生能夠最好地補償所觀察到的特性差值的設定點修正值。然後在對新的系列的襯底啟動新的工藝之前，將這些修正值輸入熱處理單元的控制接口。在離開爐時對這些襯底進行測量。

在校正之後，襯底的特性符合目標，低於為該工藝限定的控制限制。

示例3：

該校正方法還可以應用到單個晶圓熱處理單元，例如RTA(快速 熱退火)或RTP(快速熱處理)單元，其能夠例如在非常高的溫度下以非常短的時間進行表面平滑工藝。在該情況下，反應器不是大尺寸的管狀，而是能夠容納單個晶圓的室。加熱的均勻性沒有變得不重要，這是因為在這些單元中執行的工藝是在非常高的溫度、非常快的溫度上升的情況下執行的：如果不對襯底處的溫度進行控制，則同樣快速的反應動力學可以產生大量的非均勻性。加熱元件由滷素燈構成。

所驗證的襯底特性是通過DRM(Differential Reflectance Microscopy，差分反射顯微鏡)測量的襯底粗糙度，DRM是基於層的光學反射率與其厚度的相關性的技術，如同文獻WO2014/072109所解釋的那樣。

為了定義敏感度模型，將每個加熱元件或加熱元件群按一個加熱區處理。測量位置對應於受處理的晶圓上的覆蓋晶圓的全部表面的不同區域。

敏感度矩陣和歸一化矩陣是對於等於3℃的溫度設定點的變化ΔT而定義的。選擇該變化是因為，其對應於該類型的工藝所預期的修正值的範圍；因此，敏感度模型是以合適的變化範圍產生的，並且確保了更好的準確性。然後，可以建立增益矩陣。

對於相關單個晶圓平滑工藝的襯底的特性的偏離，觀察到了在測量出的粗糙度與目標粗糙度之間的、高於對該工藝限定的控制限制的大的差值。

應用根據本發明的校正方法，以確定待應用以補償該差值並儘可能接近目標特性地回復到該工藝的控制限制內的溫度設定點修正值。

特性被輸入到計算軟體中，該計算軟體使用涉及相關工藝的增益矩陣來產生能夠最好地補償所觀察到的特性差值的設定點修正值。然後在對新的系列的襯底啟動新的工藝之前，將這些修正值輸入熱處理單元的控制接口中。在離開爐時對這些襯底進行測量。

在校正之後，襯底的特性符合目標，低於對該工藝限定的控制限制。

根據本發明的校正方法可以應用到許多其他的熱處理工藝，以便在觀察到了受處理的襯底的特性的偏離時，自動且準確地限定待應用至各個加熱區中的溫度設定點修正值。