CN104404479A - Cvd成膜工艺的膜厚调节优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于CVD成膜工艺的膜厚调节优化方法，包括进行基准实验以获取基准膜厚；仅改变基准实验的工艺气体流量进行多组测试实验以获取测试硅片的膜厚；以相对于基准实验气体流量的流量变化值以及该流量变化值造成的相对于基准膜厚的膜厚变化值为变量建立目标函数，并确定该目标函数的约束条件为膜厚变化值与流量变化值呈线性关系；根据多组测试实验结果及约束条件计算目标函数的值最小时的最优流量变化值；以最优流量变化值调节基准流量作为最优气体流量并获取测试硅片的最优膜厚；以及判断最优膜厚与目标膜厚的膜厚差值大于预定值时以最优气体流量作为基准实验的工艺气体流量，并重复上述步骤。本发明可提高膜厚调节效率。

Description

CVD成膜工艺的膜厚调节优化方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺设备CVD成膜工艺技术领域，特别涉及应用于CVD成膜工艺的膜厚调节优化方法。

背景技术

半导体硅片是一种重要的半导体材料，目前普遍采用自动化程度更高、工艺性能更优异的立式炉设备，对硅片进行批处理工艺，如淀积、氧化和扩散等加工工艺。对于上述批处理工艺，需要对立式炉内每个硅片的成膜量进行高精度的控制，以使得在工艺结束后硅片能够达到目标膜厚，满足对应的工艺制程。

在实际的CVD批处理工艺，在低压环境下，会因为工艺气体浓度的不均匀，导致片间均匀性不能满足批处理工艺要求。为解决上述问题，CVD工艺设备自上而下，采用多路工艺气体进入反应腔室(TUBE)，通过调整不同管路的进气量，实现片间均匀性的调节。CVD淀积的膜厚对工艺气体流量十分敏感，由于需调整多路工艺气体的进气量，CVD工艺后硅片上沉积的薄膜难以同时调到目标膜厚。若每次只根据经验改变工艺气体流量，需做大量的工艺实验，实现目标膜厚。因此，对于CVD批处理成膜工艺而言，根据经验改变工艺参数来调节膜厚具有相当的盲目性，较难实现。若进行机台调试，则延长了调试时间，若进行新工艺研发，则延长了研发时间，均耗费了大量的人力、物力，带来不可估计的经济损失，不利于同型机台的工艺扩展复用。

发明内容

本发明的主要目的旨在提供一种CVD批处理工艺膜厚调节的在线优化方法。

为达成上述目的，本发明提供一种CVD成膜工艺的膜厚调节优化方法，所述CVD成膜工艺为通过导入工艺气体在多个半导体硅片的表面形成薄膜，所述膜厚调节优化方法包括以下步骤：

S1：进行基准实验以获取所述多个半导体硅片中测试硅片的基准膜厚，其中所述基准实验采用的工艺气体流量为基准流量；

S2：进行多组测试实验以获取所述测试硅片的膜厚，其中每组所述测试实验的实验条件为仅改变基准实验的工艺气体流量；

S3：以相对于所述基准流量的流量变化值以及该流量变化值所造成的相对于所述基准膜厚的膜厚变化值为变量建立目标函数，并确定该目标函数的约束条件，其中所述约束条件为所述膜厚变化值与所述流量变化值呈线性关系；

S4：根据所述多组测试实验的结果及所述约束条件计算所述目标函数的值最小时的最优解以得到相对于所述基准气体流量的最优流量变化值；

S5：以所述最优流量变化值调节所述基准流量为最优气体流量并获取所述测试硅片的最优膜厚；以及

S6：判断所述最优膜厚与目标膜厚的膜厚差值，若大于预定范围则将所述最优气体流量作为所述基准实验采用的工艺气体流量，并重复进行步骤S1至步骤S5直至所述最优膜厚与目标膜厚的膜厚差值处于所述预定范围内。

优选地，步骤S3中该目标函数的约束条件表达为：ΔX·W-ΔY＝0，其中ΔX为相较于所述基准膜厚的膜厚变化值，ΔY为相较于所述基准流量的流量变化值，W为所述膜厚变化值与所述气体流量变化值的关系矩阵。

优选地，所述关系矩阵通过步骤S2中的所述多组测试实验的结果计算得出，所述关系矩阵表达为：W＝ΔY_i ^T*invΔX_i ^T；其中ΔY_i为第i组的所述测试实验所获得的膜厚变化值，ΔX_i为第i组的所述测试实验所采用的工艺气体的流量变化值。

优选地，所述测试硅片的数量为n，所述工艺气体通过m个管路进气导入n个所述测试硅片的表面；第i组的所述测试实验的流量变化值ΔX_i表达为：ΔX_i＝[ΔX₁,ΔX₂.....ΔX_m]^T；第i组的所述测试实验获得的所述测试硅片的膜厚变化值ΔY_i表达为：ΔY_i＝[ΔY₁,ΔY₂.......ΔY_n]^T，m和n均为正整数。

优选地，所述目标函数的表达式为：其中|ΔX_k|为第k路工艺气体的流量变化值的绝对值，|ΔY_j|为第j片测试硅片的膜厚变化值的绝对值，λ大于0。

优选地，所述基准膜厚与所述目标膜厚的膜厚差值小于等于所述目标膜厚的20％。

优选地，所述预定范围为所述目标膜厚的2％。

优选地，所述测试实验的数量大于等于所述工艺气体进气的管路数量m。

优选地，完成所述多组测试实验后，所述m个管路的每一路均发生所述工艺气体的流量变化。

本发明所提出的CVD成膜工艺的膜厚调节优化方法，建立以流量变化值和膜厚变化值为变量的目标函数及满足膜厚变化值与流量变化值呈线性关系的约束条件，结合几组简单的测试实验的实验结果，即可通过对目标函数的值最小时求解计算出最优的气体流量变化值，从而将CVD工艺膜厚调节到目标范围内。进行膜厚调节时操作者只需对实验结果进行计算，即使经验不足或知识水平不高也可以完成。此外，本发明可以在生产现场直接对机台测试和调整，不涉及硬件改动，在实际使用过程中，相比根据经验的膜厚调节方法，缩短了机台的调试时间，提高了调试效率，扩展了同型机台的适应性，工艺复用性。

附图说明

图1为本发明一实施例CVD成膜装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例CVD成膜装置中半导体硅片分布示意图；

图3为本发明一实施例CVD成膜工艺的膜厚调节优化方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

请参考图1和图2，CVD成膜装置包括处理腔室，处理腔室中容纳晶舟，晶舟用于保持待进行CVD成膜工艺的半导体硅片W。在本实施例中，多个半导体硅片W以在垂直方向上以预定间隔设置的方式容纳在晶舟中。如图2所示，晶舟具有槽口1～125，可容纳125个半导体硅片W，这些半导体硅片中，槽口13、38、63、88和113中容纳的硅片为测试硅片M。在进行CVD成膜工艺时，测试硅片M的膜厚以及膜质即代表了成膜装置内这一批半导体硅片的工艺质量。气体供应单元用于向处理腔室内导入工艺气体，以在这些半导体硅片上形成薄膜。在本实施例中，工艺气体为多路进气(图中为m路进气)，例如气体供应单元包括m个从处理腔室底部向上延伸、并具有不同高度的气体供应管，这些气体供应管分别向晶舟上位于不同高度的半导体硅片供给工艺气体。较佳的，工艺气体的进气管路数量应当大于测试硅片M的数量，从而可确保每一片的测试硅片能够由一路工艺气体来处理。

图3为本发明一实施例CVD成膜工艺的膜厚调节优化方法的流程图，以下将结合图1～3对本发明进行详细的说明。

本发明的膜厚调节优化方法包括以下步骤：

S1：进行基准实验以获取多个半导体硅片中测试硅片的膜厚作为基准膜厚。

具体来说，在成膜装置中，一个完整的CVD成膜工艺过程包括若干次不同的工艺步骤，而每个工艺步骤均有对应的工艺条件需求。尤其是主工艺阶段，对工艺条件有更加严格的要求，需要高精度的恒温热场控制，高精度的气体流量控制，高精度的压力控制等，这些工艺条件的高精度控制是实现硅片目标膜厚的基础。步骤S1中的基准实验是在经验调节的基础上产生的，所得到的测试硅片M的膜厚是最为接近目标膜厚的实验，而该基准实验所形成的测试硅片的膜厚即为基准膜厚，该基准实验所采用的工艺气体流量即为基准流量。上述的“最为接近目标膜厚”指的是与目标膜厚的膜厚差值在目标膜厚的±20％以内，也即是基准膜厚与目标膜厚的膜厚差在目标膜厚的±20％以内。本实施例中，测试硅片M的数量为n，工艺气体为m路进气。

S2：进行多组测试实验以获取测试硅片的膜厚。

在获得基准膜厚之后，再进行多组测试实验。需要注意的是，在这些测试实验中，仅改变基准实验的工艺气体流量，不改变温度、压力、工艺时间等其他工艺条件。每一组测试实验均采用自上而下m路进气的方式供应工艺气体，并可获得n个测试硅片的膜厚值。较佳的，测试组实验的数目大于等于工艺气体的管道数目m，且在多组测试组实验完成后应保证每路气体都发生了工艺气体流量的变化。

S3：以相对于基准流量的流量变化值以及该流量变化值所造成的相对于基准膜厚的膜厚变化值为变量建立目标函数，并确定该目标函数的约束条件。

此处以及下文中所述的“流量变化值”为实验所采用的工艺气体流量相对于基准流量的差值，而“膜厚变化值”为以该工艺气体流量进行实验所获取的测试硅片膜厚相对于基准膜厚的差值，实验条件同样为除了工艺气体流量之外，其他工艺条件保持不变。

优选的，目标函数采用如下函数：

其中|ΔX_k|为m路进气中的第k路工艺气体的流量变化值的绝对值，|ΔY_j|为n片测试硅片的第j片的膜厚变化值的绝对值，λ为大于0的正数。

目标函数的约束条件为流量变化值与该流量变化所造成的膜厚变化值呈线性关系。具体来说，相对于基准实验保持温度、压力、工艺时间等其他工艺条件不变而只改变工艺气体流量来调节膜厚，当工艺气体流量变化较小的情况下，膜厚变化值与气体流量变化值可近似为线性关系，满足ΔX·W-ΔY＝0，其中ΔX为相较于基准膜厚的膜厚变化值，ΔY为相较于基准流量的流量变化值，W为膜厚变化值与气体流量变化值的关系矩阵。因此，满足该约束条件也要求流量变化值应在很小范围内，从而可将流量变化与膜厚变化之间的非线性关系转换为线性关系。

S4：根据步骤S2中的多组测试实验的结果及约束条件计算目标函数的值最小时的最优解以得到相对于基准气体流量的最优流量变化值。

该步骤中，在满足上述约束条件的情况下，对目标函数的值最小时求最优解即可得到相对于基准气体流量的最优变化量。具体来说，首先根据实验结果求得关系矩阵W。关系矩阵W通过以下方法求出。

定义第i组测试实验对应的工艺气体的流量变化值，为m路进气的工艺气体流量分别减去基准流量所得到的流量变化值，即：

ΔX_i＝[ΔX₁,ΔX₂.....ΔX_m]^T；

定义第i组测试实验对应的测试硅片的膜厚变化值，为n个测试硅片的膜厚分别减去基准膜厚所得到的膜厚变化值，即：

ΔY_i＝[ΔY₁,ΔY₂.......ΔY_n]^T；

同样的，膜厚变化值与气体流量变化值近似为线性关系，满足线性数学模型：

ΔY_i ^T＝ΔX_i ^T·W，

则关系矩阵W表示为：W＝ΔY_i ^T*invΔX_i ^T，

$W=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{Y}_1\\ \mathrm{\Δ}{Y}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ΔY}}_n\end{array}\right]*\mathrm{inv}\left(\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_1\\ \mathrm{\Δ}{X}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{\Δ}{X}_m\end{array}\right]\right)$

由以上可知，只需几组简单的膜厚调节测试实验结果，即可根据膜厚变化与气体流量变化的线性关系模型求取关系矩阵W后，利用关系矩阵代入约束条件并在满足约束条件的情况下求解目标函数的值最小时的流量变化值，即为最优流量变化值。

S5：以最优流量变化值调节基准流量为最优气体流量并获取测试硅片的最优膜厚。

该步骤中，根据步骤S4得到的相对于基准流量的最优流量变化值对基准流量进行调节，将调节后的工艺气体流量作为最优气体流量，以该最优气体流量进行实验，获取的测试硅片的膜厚为最优膜厚。

S6：判断最优膜厚与目标膜厚的膜厚差值，若超出预定范围则将最优气体流量作为基准实验采用的工艺气体流量，并重复进行步骤S1至步骤S5直至最优膜厚与目标膜厚的膜厚差值处于预定范围内。

该步骤中，根据步骤S5得到的最优膜厚与目标膜厚相比较，如果最优膜厚在可接受范围之内，如最优膜厚与目标膜厚的差值在目标膜厚的±2％的预定范围以内，那么可以停止实验；如果工艺膜厚不在接受范围之内，那么将步骤S5中所得到的最优气体流量作为新的基准实验的工艺气体流量(也即是基准流量)，重复上述步骤，再次进行多组测试实验，以实验结果迭代更新线性关系模型以计算得到新的关系矩阵，再根据新的关系矩阵求解目标函数最小值时的最优流量变化值，以新的最优流量变化值调节气体流量进行实验得到新的最优膜厚，直至最终最优膜厚达到可接受范围之内，由此就可实现工艺膜厚的在线优化调节。

综上所述，本发明建立以流量变化值和膜厚变化值为变量的目标函数及满足膜厚变化值与流量变化值呈线性关系的约束条件，结合几组简单的测试实验的实验结果，即可通过对目标函数的值最小时求解计算出最优的气体流量变化值，无需采用大量的实验进行统计分析，达到快速将膜厚调整至目标膜厚的目的。此外，本发明通过目标函数，约束条件以及数学模型的建立，使用时操作者只需将实验结果输入程序就可计算出最优气体流量变化值，即使经验不足或知识水平不高也可以独立完成。另外，可以在生产现场直接对机台测试和调整，不涉及硬件改动，在实际使用过程中，相比根据经验的膜厚调节方法，缩短了机台的调试时间，提高了调试效率，扩展了同型机台的适应性，工艺复用性。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种CVD成膜工艺的膜厚调节优化方法，所述CVD成膜工艺为通过导入工艺气体在多个半导体硅片的表面形成薄膜，其特征在于，所述膜厚调节优化方法包括以下步骤：

S1：进行基准实验以获取所述多个半导体硅片中测试硅片的基准膜厚，其中所述基准实验采用的工艺气体流量为基准流量；

S2：进行多组测试实验以获取所述测试硅片的膜厚，其中每组所述测试实验的实验条件为仅改变基准实验的工艺气体流量；

S3：以相对于所述基准流量的流量变化值以及该流量变化值所造成的相对于所述基准膜厚的膜厚变化值为变量建立目标函数，并确定该目标函数的约束条件，其中所述约束条件为所述膜厚变化值与所述流量变化值呈线性关系；

S4：根据所述多组测试实验的结果及所述约束条件计算所述目标函数的值最小时的最优解以得到相对于所述基准气体流量的最优流量变化值；

S5：以所述最优流量变化值调节所述基准流量为最优气体流量并获取所述测试硅片的最优膜厚；以及

S6：判断所述最优膜厚与目标膜厚的膜厚差值，若大于预定范围则将所述最优气体流量作为所述基准实验采用的工艺气体流量，并重复进行步骤S1至步骤S5直至所述最优膜厚与目标膜厚的膜厚差值处于所述预定范围内。

2.根据权利要求1所述的膜厚调节优化方法，其特征在于，步骤S3中该目标函数的约束条件表达为：ΔX·W-ΔY＝0，其中ΔX为相较于所述基准膜厚的膜厚变化值，ΔY为相较于所述基准流量的流量变化值，W为所述膜厚变化值与所述气体流量变化值的关系矩阵。

3.根据权利要求2所述的膜厚调节优化方法，其特征在于，所述关系矩阵通过步骤S2中的所述多组测试实验的结果计算得出，所述关系矩阵表达为：W＝ΔY_i ^T*invΔX_i ^T；其中ΔY_i为第i组的所述测试实验所获得的膜厚变化值，ΔX_i为第i组的所述测试实验所采用的工艺气体的流量变化值。

4.根据权利要求3所述的膜厚调节优化方法，其特征在于，所述测试硅片的数量为n，所述工艺气体通过m个管路进气导入n个所述测试硅片的表面；第i组的所述测试实验的流量变化值ΔX_i表达为：ΔX_i＝[ΔX₁,ΔX₂.....ΔX_m]^T；第i组的所述测试实验获得的所述测试硅片的膜厚变化值ΔY_i表达为：ΔY_i＝[ΔY₁,ΔY₂.......ΔY_n]^T，m和n均为正整数。

5.根据权利要求4所述的膜厚调节优化方法，其特征在于，所述目标函数的表达式为：其中|ΔX_k|为第k路工艺气体的流量变化值的绝对值，|ΔY_j|为第j片测试硅片的膜厚变化值的绝对值，λ大于0。

6.根据权利要求1所述的膜厚调节优化方法，其特征在于，所述基准膜厚与所述目标膜厚的膜厚差值小于等于所述目标膜厚的20％。

7.根据权利要求1所述的膜厚调节优化方法，其特征在于，所述预定范围为所述目标膜厚的2％。

8.根据权利要求4所述的膜厚调节优化方法，其特征在于，所述测试实验的数量大于等于所述工艺气体进气的管路数量m。

9.根据权利要求8所述的膜厚调节优化方法，其特征在于，完成所述多组测试实验后，所述m个管路的每一路均发生所述工艺气体的流量变化。