CN101435104B

CN101435104B - 根据氮化硅薄膜应力校准薄膜沉积机台中机械手位置的方法

Info

Publication number: CN101435104B
Application number: CN2007101705495A
Authority: CN
Inventors: 汪丽燕; 张苗; 王科; 万兴; 王辉炎; 吴秉寰; 陈进财
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2027-11-16
Also published as: CN101435104A

Abstract

本发明提供一种根据薄膜应力校准薄膜沉积机台中机械手位置的方法，此方法采用薄膜的薄膜应力重复性和再现性数据作为薄膜沉积机台校准机械手的核定标准，因为薄膜应力对于机械手的状态反映相当灵敏。特别是在其他和薄膜应力有关的参数均不可反映薄膜应力不稳定的情况时，利用本发明的方法可以将薄膜应力控制在稳定的范围之内。

Description

根据氮化硅薄膜应力校准薄膜沉积机台中机械手位置的方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造过程中的薄膜沉积工艺，具体涉及一种用以控制薄膜应力于稳定范围之内的方法。

背景技术

在集成电路制造工艺中，膜沉积是常见的技术，通常在硅晶片基材上通过物理气相沉积(PVD)，化学气相沉积(CVD)等沉积方法形成硅基材上具有多层不同材料的结构，此过程中还结合光刻、蚀刻等工艺使各层膜具有一定的图案结构，最终形成完整的半导体器件。常用的上述薄膜材料有氮化硅(Si₂N₃)，二氧化硅(SiO₂)，金属铝、钨等。

薄膜应力是所述薄膜材料的关键参数，应当控制在稳定的范围，否则将直接影响产品性能。例如薄膜应力过大，在后续工艺中会产生缺陷，也会引起晶片的形变，影响平坦程度或者引起破片的问题。因此，薄膜应力监控对于集成电路制造工艺中的膜沉积制程相当重要。

在工厂实际应用中，有时会出现难以控制薄膜应力，一般参数难以反映出薄膜应力不稳定的问题。具体实例包括，在某些特定的情况下，用集成电路制造工艺中常用的成膜机台，例如AMAT公司的producer机台，于半导体基材上形成薄膜，之后测量其薄膜应力时发现不稳定(在此所述的情况为一种假设的以一定概率发生的情况)，但是经过对薄膜厚度，折射率(RI，refractive index)以及薄膜的均匀性(uniformity)等参数的测定，这些参数又均在正常规格。另外，在同一机台中沉积的其他类型的薄膜，例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成的氧化膜或者氮氧化膜的参数也没有任何异常。对于机台的硬件条件进行检查，例如反应气体流量，射频(RF)功率，反应腔压力等也都不可发现任何异常。

通常上述情况是由于所述用于形成薄膜的机台设备中的机械手传递出现问题所致，具体表现是机械手和原有固定位置相比较出现少量位移。这种机械手的位移对于集成电路生产工艺是不利的，将对于后续制程产生各种不良影响。

但是，目前并没有合适的参数可以快速而灵敏地反映出机械手的位置变化，这是因为，在实际生产过程中，机械手的位置一般由设备工程师定期检查，通过肉眼由手工校准机械手。由于机械手出现位移时，偏移量通常较小，仅通过肉眼和手工实际上难以达到校准的效果，并且也不排除因保养维护操作而引起机械手位置偏离的可能。因此，有必要找到合适的参数，能够灵敏反映机械手的状态，防止其对薄膜应力产生不良影响。

发明内容

针对背景技术中所介绍的机械手异常造成薄膜沉积制程中薄膜应力难以控制，对后续制程带来不良影响的问题，提出本发明。

本发明的目的在于，提供一种根据氮化硅薄膜应力校准机台中的机械手位置的方法，此种方法利用薄膜应力的重复性和再现性数据作为确认机械手状态的标准，可以在其他参数均无法用以准确反映薄膜应力异常的情况下，准确地反映问题所在，最终使薄膜应力得以控制在稳定范围。

发明人经过大量的实验后发现，当所述的机械手传递出现问题时，例如其出现少量的位移，这种机械手的位置变化可以由相应机台中沉积形成的特定材料的薄膜，例如氮化硅(SiN)薄膜的薄膜应力反映出来，具体地，当机械手和其原有的所在位置之间存在少量位移时，该机台中沉积形成的薄膜的应力参数会变得不稳定。而经过对所述位移进行校准，再次沉积形成的氮化硅薄膜的应力可以回复到正常状态，其重复性和再现性(R&R，Repeatability& Reproducibility)也随之趋于稳定。

可见机械手在机台中的位置是否准确在薄膜沉积过程中也是影响薄膜性质的关键因素。通常，机械手传递会影响薄膜厚度、均匀性以及应力，而当机械手出现微小位移，除了薄膜应力的其他参数均不能反映此情况。在本发明所进行的试验中，也尝试了用其它薄膜的应力来检查机械手臂的状况，最后发现只有氮化硅薄膜的应力能反映机械手是否需要调整。其他材料的膜对机械手的变化反映不明显。

在本发明中，采用氮化硅的薄膜应力重复性和再现性(R&R，Repeatability&Reproducibility)数据作为薄膜沉积机台校准机械手的核定标准，因为该薄膜应力对于机械手的状态反映相当灵敏。当所述氮化硅薄膜的薄膜应力重复性和再现性数据出现异常时，经过重新校准薄膜沉积机台的机械手，再次沉积形成的氮化硅膜的薄膜应力可变得稳定，而其他的薄膜参数均在正常范围，而呈现出明显的效果。本领域技术人员应当理解，其它集成电路制造工艺中所采用的材料形成的薄膜也可以应用于本发明的方法，氮化硅薄膜是其中效果较好的选择。

在应用本发明的方法，根据氮化硅薄膜的应力对所述薄膜沉积机台的机械手进行校准时，氮化硅薄膜的厚度、均匀度等参数经过选择，以适于进行薄膜应力测量并使该厚度和均匀度等参数能够灵敏反映出薄膜沉积机台中机械手的位置变化。通常可以使用本发明方法的氮化硅薄膜的厚度范围在5000～7000埃，均匀度在1.0～3.0，优选氮化硅膜厚度为5500～6500埃，均匀度为1.5～2.5。

按照本发明的方法，应当先确认各项其他可能影响薄膜应力的参数在正常范围，此为常规的现有技术，本发明中不再详述。上述确认步骤结果肯定后，按照本发明所提供的操作步骤如下：

1)在需要观察的反应机台中按照正常制程用3～6个晶片沉积形成氮化硅膜；

2)量测检查所述氮化硅膜的薄膜应力；

3)如果所述3～6个晶片上沉积的薄膜应力均在正常范围，则所观察机台可以继续运行正常制程；如果薄膜应力超出正常范围，则表示机台中的机械手位置可能需要校准，对所述机械手位置进行校准后，重复上述步骤，直至机台回复正常运行状态。

本发明中提出薄膜应力对于机械手的状态反映相当灵敏，即使机械手位移相当小，也可以由薄膜应力的改变反映出来。因此根据薄膜应力重复性和再现性数据的反馈来调校薄膜沉积机台中机械手的位置是非常行之有效的手段，特别是在其他和薄膜应力有关的参数均不可反映薄膜应力不稳定的情况时，利用本发明的方法仍然可以将薄膜应力控制在稳定的范围之内。

另一方面，本发明的方法相对于目前纯粹靠人工观察对薄膜沉积机台中的机械手进行校准的方式，其用来判断机械手是否在准确位置的参数更加灵敏直观，这样可以使所述的调校更加准确与方便。

为了更容易理解本发明的目的、特征以及其优点，下面将配合附图和实施例对本发明加以详细说明。

附图说明

本申请中包括的附图是说明书的一个构成部分，附图与说明书和权利要求书一起用于说明本发明的实质内容，用于更好地理解本发明。

图1所示为按照本发明方法校准机械手之前，对所检测机台中沉积的氮化硅薄膜应力进行测试而得的曲线图；

图2所示为按照本发明方法校准机械手之后，对所检测机台中沉积的氮化硅薄膜应力进行测试而得的曲线图。

具体实施方式

本发明其中一个较佳实施例详述于下，以叙述本发明概念且显示本发明的较重要的发明特征，

此实施例的操作环境为AMAT公司生产的Producer机台，本领域技术人员应当理解，本发明的方法，主要是针对AMAT公司的Producer机台而设计，这种机台是通过等离子辅助(plasma enhance)形成薄膜而不是单单通过热，所以producer机台成膜的时间很短，生产效率很高。大多数的电介质膜层比如氮化硅，氧化硅，富含硅的氧化物(silicon rich oxide)，氮氧化硅等都可以通过这种机台生产。本发明的方法通常适用于这种机台，本领域技术人员应当了解，适用的机台不构成对本发明方法应用环境的限制，其本质上同样也可以应用于类似的用于沉积薄膜的机台。

所述薄膜沉积机台定期由设备工程师作防护保养以及机械手调校。在保养维护工作结束后，对此机台中沉积的氮化硅薄膜应力进行监控时发现其非常不稳定，请参见图1所示曲线图，氮化硅薄膜应力的控制规格是-100+/-50MPa，图中的纵坐标表示薄膜应力，单位为MPa，横坐标表示随机取样的晶片。可以看到所取样的晶片薄膜应力在一个较大范围内变迁。如之前所介绍的内容，先检查常规的各种参数，例如薄膜厚度，折射率(RI，refractive index)以及薄膜的均匀性(uniformity)等参数。应当注意，在此所述的各种参数仅用于示例，在实际用于检查问题时，技术人员可以自行选择用于检查的参数。此外，本领域技术人员应当理解，其它集成电路制造工艺中所采用的材料形成的薄膜也可以应用于本发明，本实施方式中，选用实施效果较好的氮化硅薄膜作为示范。

首先检查薄膜厚度，折射率(RI，refractive index)以及薄膜的均匀性(uniformity)等可以影响到薄膜应力的参数，以及所述薄膜沉积机台的反应气体流量，射频功率，反应腔压力等参数，如果这些参数中的一个或多个在预定的正常范围之外，则根据所述超出预定正常范围的参数检查设备中相应需要调整的部分并在必要时对设备进行调整，直至所述参数回到正常的数值范围。关于这些参数的测定，以及其所代表的设备部件运行情况并不是本发明涉及的要点，也不影响本发明技术方案的实施，并且这些技术均属于本领域技术人员熟知的内容，因此在本发明中将不再详细叙述相关内容。

如果上述各项可以影响薄膜应力的参数异常情况可以排除，则表示机台中的机械手位置可能需要校准，对所述机械手位置进行校准后，再次用随机取样的晶片在机台中沉积氮化硅薄膜，该沉积形成的氮化硅薄膜的规格通常需要加以控制，经过实验，使用本发明方法的氮化硅薄膜的厚度范围在5000～7000埃，均匀度在1.0～3.0时均可完成本发明的技术方案，优选氮化硅膜厚度为5500～6500埃，均匀度为1.5～2.5。例如，沉积形成厚度6000埃，均匀度2.0的氮化硅薄膜。

然后检查其薄膜应力，薄膜应力是通过薄膜沉积前后的基材，例如晶片(wafer)的曲率半径的变化来量测的。

σ = \frac{E}{1 - v} \frac{h^{2}}{6 t} (\frac{1}{R_{2}} - \frac{1}{R_{1}})

上面公式中的R表示曲率半径；E表示硅晶片基材杨氏系数(Substrate Yong′s modulus)；h表示硅晶片基材厚度(substratethickness)；v表示硅晶片基材泊松比(substrate poisson′s ratio)；t表示薄膜厚度(film thickness)。

将作为测量对象的晶片放入量测机台，量测机台内的激光光束扫描所述晶片表面，反射光指示出该晶片的曲率半径，从而计算出薄膜应力。

优选地，所述薄膜应力σ的正常数值范围控制在-150～50MPa。

得到的薄膜应力曲线图如图2所示，可以看到所述应力曲线变化趋势明显趋于平稳。这将有利于后续制程的顺利进行。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种根据薄膜应力校准薄膜沉积机台中机械手位置的方法，所述方法应用于除机械手状态以外的和薄膜应力有关的参数均在预定的正常范围之内的情况，其特征在于，包括下列步骤：

a用薄膜沉积机台在一硅晶片基材上沉积形成氮化硅薄膜；

b测量所述氮化硅薄膜的薄膜应力；

c将测得的所述氮化硅薄膜的薄膜应力与预定数值范围进行比较，如果所述氮化硅薄膜应力超出预定数值范围，则校准所述薄膜沉积机台中机械手的位置；

重复上述步骤a至c，直至所测得的所述氮化硅薄膜的薄膜应力位于所述预定数值范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a中沉积形成氮化硅膜厚度为5000～7000埃，均匀度为1.0～3.0。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤a中沉积形成氮化硅膜厚度为5500～6500埃，均匀度为1.5～2.5。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤b中所述氮化硅薄膜的薄膜应力通过所述硅晶片基材在进行薄膜沉积前后的曲率半径的变化，并通过下列公式进行测量：

σ = \frac{E}{1 - v} \frac{h^{2}}{6 t} (\frac{1}{R_{2}} - \frac{1}{R_{1}})

式中，σ为所述氮化硅薄膜的薄膜应力，R₁和R₂分别表示所述硅晶片基材在进行薄膜沉积前后的曲率半径；E表示所述硅晶片基材杨氏系数；h表示所述硅晶片基材厚度；v表示所述硅晶片基材泊松比；t表示所述氮化硅薄膜厚度。