CN106298566A - 自动监控膜厚均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动监控膜厚均匀性的方法。取得多个晶片的薄膜的膜厚数据，其中各晶片的膜厚数据包括在多个量测区域上的多个厚度值，并且同一个晶片的厚度值设定为一膜厚向量。基于各量测区域所获得的上述厚度值获得群均值矩阵。依据群均值矩阵与上述膜厚向量，获得群共变异矩阵。基于量测区域之间的偏离关系，获得变换矩阵。利用变换矩阵、群均值矩阵以及群共变异矩阵，获得偏差范围。基于偏差范围来监控各晶片的薄膜的膜厚均匀性。

Description

自动监控膜厚均匀性的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体制造技术，且特别是涉及一种自动监控膜厚均匀性的方法。

背景技术

在半导体工业领域，为了对所使用的材料赋与某种特性而在材料表面上以各种方法形成一层薄膜。而成膜机台所形成的薄膜的膜厚均匀性会直接关系到产品的良率和薄膜的品质。当制作工艺机台开始老化，而造成膜厚数据及膜厚分布产生些微变化，上述些微变化很可能是造成产品品质产生异常的因素。然而，目前现有技术尚无法有效且及时地得知膜厚分布发生些微变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动监控膜厚均匀性的方法，可有效地及早发现异常。

为达上述目的，本发明的自动监控膜厚均匀性的方法，包括下列步骤。取得多个晶片的薄膜的膜厚数据，其中膜厚数据包括各晶片在多个量测区域上的多个厚度值，并且将属于同一个晶片的厚度值设定为一膜厚向量。分别取出属于相同的量测区域中的厚度值进行平均计算，而获得群均值矩阵。依据群均值矩阵与上述膜厚向量，获得群共变异矩阵。基于两两相近的量测区域之间的偏离关系，获得变换矩阵。利用变换矩阵、群均值矩阵以及群共变异矩阵，获得偏差范围。基于偏差范围来监控各晶片的薄膜的膜厚均匀性。

在本发明的一实施例中，上述方法还包括依据制作工艺机台特性，将上述膜厚数据进行分类。

在本发明的一实施例中，膜厚数据M的表示方式为如下所示。n表示量测区域的数量，j上述晶片的数量，L₁₁～L_nj表示在n个量测区域上的厚度值，表示分别对应于j个晶片的膜厚向量。

$M=\left[\begin{array}{ccccc}{L}_{11}& L_{12}& L_{13}& \mathrm{...}& L_{1j}\\ L_{21}& L_{22}& L_{23}& \mathrm{...}& L_{2j}\\ .& & & & \\ .& & & \mathrm{...}& \\ .& & & & \\ L_{n1}& L_{n2}& L_{n3}& \mathrm{...}& L_{nj}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}\stackrel{\→}{L_1}& \stackrel{\→}{L_2}& \stackrel{\→}{L_3}& \mathrm{...}& \stackrel{\→}{L_j}\end{array}\right].$

在本发明的一实施例中，分别取出属于相同的量测区域中的厚度值进行平均计算，而获得群均值矩阵是依据下列公式。u_n×1为群均值矩阵，分别表示在各量测区域中的厚度值的平均值。

$u_{n\×1}=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{L_1}\\ \stackrel{\‾}{L_2}\\ .\\ .\\ .\\ \stackrel{\‾}{L_n}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{j}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}{L}_{1i}\\ \frac{1}{j}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}{L}_{2i}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{1}{j}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}{L}_{ni}\end{array}\right].$

在本发明的一实施例中，依据群均值矩阵与膜厚向量，获得群共变异矩阵是依据下列公式。∑代表该群共变异矩阵。

${\mathrm{\Σ}}_{n\×n}=\frac{1}{j-1}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}(\stackrel{\→}{L_i}-u){(\stackrel{\→}{L_i}-u)}^T.$

在本发明的一实施例中，上述偏差范围为A×u±c×A∑A^T。A为变换矩阵，c为常数。

在本发明的一实施例中，上述量测区域为同心圆环状，且在各晶片自外圈位置开始往中心位置靠近依序包括：第一圈、第二圈以及一第三圈。而基于两两相近的量测区域之间的偏离关系，获得变换矩阵的步骤包括下述步骤。依据第一圈与第二圈之间第一薄膜的第一偏离角度，获得第一圈与第二圈之间的第一偏离关系。依据第二圈与第三圈之间第二薄膜的第二偏离角度，获得第二圈与第三圈之间的第二偏离关系。依据第一偏离角度与第二偏离角度，获得第一薄膜与第二薄膜之间的偏离度关系。基于偏离度关系、第一偏离关系与第二偏离关系，获得用以求出第一薄膜与第二薄膜之间第三偏离角度的第一圈、第二圈与第三圈三者的膜厚系数，而以膜厚系数来作为变换矩阵。

在本发明的一实施例中，第一偏离角度为φ₁，第二偏离角度为φ₂。第一偏离关系为φ₁≌tanφ₁≌L1-L2＝m1。第二偏离关系为φ₂≌tanφ₂≌L2-L3＝m2。第三偏离角度为θ＝π-(φ₁-φ₂)。求出偏离度关系是依据tanθ＝tanφ₁-tanφ₂＝m2-m1＝-L1+2×L2-L3。而第一圈、第二圈与第三圈三者的膜厚系数依序为-1、2、-1，变换矩阵为[-1,2,-1]。

在本发明的一实施例中，上述方法还包括依据变换矩阵与膜厚数据，获得各晶片的薄膜的膜厚均匀度；以及将膜厚均匀度超出偏差范围者判定为异常。

在本发明的一实施例中，上述方法还包括：在监测到各晶片的薄膜的膜厚均匀性发生异常时，发出提示信号。

基于上述，本发明利用现有所量测到的数据来自动进行监控程序，可有效并及早发现异常。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例的膜厚均匀性的监控装置的方块图；

图2为本发明一实施例的自动监控膜厚均匀性的方法流程图；

图3为本发明一实施例的晶片侧面剖视图；

图4为本发明一实施例的量测区域的分布示意图；

图5为本发明一实施例所示图3中X-X’的放大图；

图6为本发明一实施例的三维度的膜厚数据的示意图；

图7为本发明一实施例的二维度的膜厚偏离度关系的示意图。

符号说明

1～17：量测点

100：监控装置

110：处理单元

120：存储单元

A1：第一圈

A2：第二圈

A3：第三圈

C：中心位置

fm、fm1、fm2：薄膜

G1、G2：群组

L1、L2、L3：厚度值

m1、m2：膜厚差

W：晶片

φ₁、φ₂、θ：偏离角度

S205～S230：自动监控膜厚均匀性的方法各步骤

具体实施方式

在晶片制作工艺中，在膜厚数据及膜厚分布产生变化时，同时也会造成品质开始产生异常，因此为了及早发现异常，本发明提出一种自动监控膜厚均匀性的方法，利用现有所量测到的数据来自动进行监控程序。为了使本发明的内容更为明了，以下特举实施例作为本发明确实能够据以实施的范例。

图1是依照本发明一实施例的膜厚均匀性的监控装置的方块图。请参照图1，监控装置100包括处理单元110以及存储单元120。在此，处理单元110耦接至存储单元120。处理单元110例如为中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)、可编程的微处理器(Microprocessor)、嵌入式控制芯片等。而存储单元120例如是任意型式的固定式或可移动式随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、闪存存储器(Flash memory)、硬盘或其他类似装置或这些装置的组合。存储单元120中存储有多个程序码片段，上述程序码片段在被安装后，会由处理单元110来执行，以实现自动监控膜厚均匀性的方法。

上述监控装置100例如为膜厚量测设备。即，在膜厚量测设备中设置相关的程序码片段，以对所量测的膜厚数据进行分析。或者，上述监控装置100为独立装置，其利用有线或无线的方式自膜厚量测设备接收所量测到的膜厚数据来进行分析。然而，上述仅为举例说明，并不以此为限。

图2是依照本发明一实施例的自动监控膜厚均匀性的方法流程图。在本实施例中，监控装置100会先依据制作工艺机台特性，对所有的膜厚数据进行分类，由此将属于同一台制作工艺机台所制成的晶片的膜厚数据分类至同一群。之后，监控装置100对属于同一台制作工艺机台所制成的晶片的膜厚数据来进行膜厚均匀性的监控。在后述的步骤S205～S230都是针对同一台制作工艺机台所制成的晶片的膜厚数据来说明。

在步骤S205中，监控装置100取得多个晶片的薄膜的膜厚数据。在此，膜厚数据包括各晶片在多个量测区域的多个厚度值。即，这些厚度值是自不同的量测区域所获得。并且，将属于同一个晶片的厚度值设定为膜厚向量。例如，假设量测区域为3个，则将第一个进行量测的晶片在3个量测区域所获得的厚度值设为一膜厚向量。

举例来说，图3是依照本发明一实施例的晶片侧面剖视图。在本实施例中，为了突显形成于晶片W上的薄膜fm的不均匀性，而以较大的厚度来绘示薄膜fm。在实际情况下，薄膜fm的厚度远小于晶片的半径长度。以图3的范例而言，薄膜fm的厚度由晶片W的中心位置C向外圈逐渐增厚，且在内圈与外圈之间的薄膜fm形成有偏离角度θ。然，在其他实施例中，也有可能形成如下情形，即，薄膜fm的厚度自内圈向外圈逐渐增厚。

图4是依照本发明一实施例的量测区域的分布示意图。在本实施例中，对应于图3所示的薄膜fm，将量测区域设定为3个，且这些量测区域为同心圆环状，并自晶片W的外圈位置开始往中心位置靠近依序为第一圈A1、第二圈A2以及第三圈A3。第一圈A1包括量测点10～量测点17，第二圈A2包括量测点2～量测点9，第三圈A3包括量测点1。而在其他实施例中，第三圈A3也可以包括2个或2个以上的量测点。另外，还可依照实际需求，设定为4个以上的量测区域，在此并不限定量测区域的数量。

取量测点10～量测点17所获得的8个厚度的平均，作为第一圈A1的厚度值L1。取量测点2～量测点9所获得的8个厚度的平均，作为第二圈A2的厚度值L2。取量测点1的厚度作为第三圈A3的厚度值L3。在其他实施例中，若第三圈A3以包括2个或2个以上的量测点，则取其平均来作为厚度值L3。

例如，膜厚数据的表示方式为如下：

$M=\left[\begin{array}{ccccc}{L}_{11}& L_{12}& L_{13}& \mathrm{...}& L_{1j}\\ L_{21}& L_{22}& L_{23}& \mathrm{...}& L_{2j}\\ .& & & & \\ .& & & \mathrm{...}& \\ .& & & & \\ L_{n1}& L_{n2}& L_{n3}& \mathrm{...}& L_{nj}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}\stackrel{\→}{L_1}& \stackrel{\→}{L_2}& \stackrel{\→}{L_3}& \mathrm{...}& \stackrel{\→}{L_j}\end{array}\right].$

在此，n表示量测区域的数量，j表示晶片的数量。L₁₁～L_nj表示在n个量测区域上的厚度值。表示分别对应于j个晶片的膜厚向量。即，为第1个量测到的晶片的膜厚向量，为第2个量测到的晶片的膜厚向量，以此类推。

以3个量测区域为例，及如下所示：

$\stackrel{\→}{L_1}=\left[\begin{array}{c}{L}_{11}\\ L_{21}\\ L_{31}\end{array}\right];\stackrel{\→}{L_2}=\left[\begin{array}{c}{L}_{12}\\ L_{22}\\ L_{32}\end{array}\right].$

接着，在步骤S210中，分别取出属于相同的量测区域中的厚度值进行平均计算，而获得群均值矩阵，如下所示：

$u_{n\×1}=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{L_1}\\ \stackrel{\‾}{L_2}\\ .\\ .\\ .\\ \stackrel{\‾}{L_n}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{j}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}{L}_{1i}\\ \frac{1}{j}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}{L}_{2i}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{1}{j}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}{L}_{ni}\end{array}\right].$

u_n×1为群均值矩阵，分别表示在各量测区域中的厚度值的平均值。即，为所有在第一个量测区域获得的厚度值的平均值，为所有在第二个量测区域获得的厚度值的平均值，以此类推。

之后，在步骤S215中，依据群均值矩阵与膜厚向量，获得群共变异矩阵∑，如下所示：

${\mathrm{\Σ}}_{n\×n}=\frac{1}{j-1}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}(\stackrel{\→}{L_i}-u){(\stackrel{\→}{L_i}-u)}^T.$

并且，在步骤S220中，基于两两相近的量测区域之间的偏离关系，获得变换矩阵。在此并不限定步骤S220的执行顺序。

底下举例来说明如何获得变换矩阵。图5是依照本发明一实施例所示图3中X-X’的放大图。在此以3个量测区域为例，即，以第一圈A1、第二圈A2、第三圈A3来说明。请参照图5，第一圈A1的膜厚均值为L1，第二圈A2的膜厚均值为L2，第三圈A3的膜厚均值为L3。在第一圈A1与第二圈A2之间的薄膜fm1具有偏离角度φ₁。在第二圈A2与第三圈A3之间的薄膜fm2具有偏离角度φ₂。而薄膜fm1与薄膜fm2之间具有偏离角度θ。

依据第一圈A1与第二圈A2之间薄膜fm1的偏离角度φ₁，获得第一圈A1与第二圈A2之间的第一偏离关系。并且，依据第二圈A2与第三圈A3之间薄膜fm2的偏离角度φ₂，获得第二圈A2与第三圈A3之间的第二偏离关系。由于偏离角度φ₁及φ₂实际很小，因此偏离角度φ₁会相当于tanφ₁，即，相当于第一圈A1与第二圈A2的膜厚差m1(L1-L2)；而偏离角度φ₂会相当于tanφ₂，即，相当于第二圈A2与第三圈A3的膜厚差m2(L2-L3)。

据此，第一偏离关系与第二偏离关系如下所示：

φ1≌tanφ1≌L1-L2＝m1；

φ2≌tanφ2≌L2-L3＝m2。

并且，依据偏离角度φ₁与偏离角度φ₂，获得薄膜fm1与薄膜fm2之间的偏离度关系，即，θ＝π-(φ₁-φ₂)。之后，基于偏离度关系、第一偏离关系与第二偏离关系，获得用以求出偏离度关系的第一圈A1、第二圈A2与第三圈A3三者的膜厚系数，而以膜厚系数来作为变换矩阵。求出薄膜fm1与薄膜fm2之间的偏离度关系是依据下列公式：

tanθ＝tanφ₁-tanφ₂＝m2-m1＝-L1+2×L2-L3。

据此，第一圈A1、第二圈A2与第三圈A3三者的膜厚系数依序为-1、2、-1，即，变换矩阵A为[-1,2,-1]。若量测区域增加为四圈时，则变换矩阵A的维度也对应增加为4。

之后，在步骤S225中，利用变换矩阵、群均值矩阵以及群共变异矩阵，获得偏差范围。例如，偏差范围为A×u±c×A∑A^T。A为变换矩阵，c为一常数。在本实施例中，常数c为3。而在其他实施例中，常数c也可以是其他数值，在此并不限制。

最后，在步骤S230中，基于偏差范围来监控各晶片的薄膜的膜厚均匀性。例如，依据变换矩阵与膜厚数据，获得各晶片的薄膜的膜厚均匀度。例如，第一个量测的晶片的膜厚均匀度为tanθ₁＝-L₁₁+2L₂₁-L₃₁；第二个量测的晶片的膜厚均匀度为tanθ₂＝-L₁₂+2L₂₂-L₃₂；以此类推，第j个量测的晶片的膜厚均匀度为tanθ_j＝-L_1j+2L_2j-L_3j。

在比对膜厚均匀度与偏差范围后，将膜厚均匀度超出偏差范围者判定为异常。并且，还可在监测到晶片的薄膜的膜厚均匀性发生异常时，发出提示信号。

另外，倘若量测区域超过3个，也适用于上述实施方式。例如，若为4个量测区域(由外圈位置至中心位置依序为第一圈～第四圈)，则一次以相近的3个量测区域来进行计算，即，取第一圈～第三圈计算膜厚均匀性及偏差范围，之后再取第二圈～第四圈计算膜厚均匀性及偏差范围。而同一个晶片中只要出现一处异常，即判定为异常。

另外，依据上述实施方式，还可以简化图形化后的内容。图6是依照本发明一实施例的三维度的膜厚数据的示意图。图7是依照本发明一实施例的二维度的膜厚偏离度的示意图。

图6所示为两个制作工艺机台对应的晶片的膜厚数据，L1表示第一圈A1的膜厚均值，L2表示第二圈A2的膜厚均值，L3表示第三圈A3的膜厚均值。监控装置100以制作工艺机台的特性进行分类而获得群组G1、G2。

接着，以群组G1而言，针对群组G1的膜厚数据执行上述实施方式中的步骤S205～S230，进而将所获得的膜厚均匀度绘示成如图7所示的二维度图表。一台制作工艺机台会对应至一张二维度图表。在图7中，纵轴表示膜厚均匀度，横轴表示依时间所量测到的第j个晶片。而当发现到膜厚均匀度超出偏差范围A×u±c×A∑A^T(如图7的虚线框部分)，则判定该群组的晶片发生异常。据此，使用者通过二维度图表能够更容易知道经由指定的制作工艺机台所产生的膜厚均匀性是否产生异常，进而可提早预防其他重大异常发生。例如，在膜厚均匀性产生异常时，可提早检修制作工艺机台或更换制作工艺机台。

综上所述，本发明利用膜厚数据来计算多个量测区域之间膜厚的偏离关系，再根据上述偏离关系来判断位于量测区域之间的膜厚均匀性。即，利用现有所量测到的数据来自动进行监控程序，可监测膜厚整体分布变异，并且可有效并即时地监控制作工艺机台的差异及稳定性，大幅提高使用上的便利性。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种自动监控膜厚均匀性的方法，包括：

取得多个晶片的薄膜的膜厚数据，其中该膜厚数据包括每一上述晶片在多个量测区域上的多个厚度值，其中将属于同一上述晶片的上述厚度值设定为一膜厚向量；

分别取出属于相同的上述量测区域中的上述厚度值进行平均计算，而获得一群均值矩阵；

依据该群均值矩阵与上述膜厚向量，获得一群共变异矩阵；

基于两两相近的上述量测区域之间的偏离关系，获得一变换矩阵；

利用该变换矩阵、该群均值矩阵以及该群共变异矩阵，获得一偏差范围；

基于该偏差范围来监控每一上述晶片的薄膜的膜厚均匀性。

2.如权利要求1所述的自动监控膜厚均匀性的方法，还包括：

依据一制作工艺机台特性，将上述膜厚数据进行分类。

3.如权利要求1所述的自动监控膜厚均匀性的方法，其中该膜厚数据的表示方式为如下：

$M=\left[\begin{array}{ccccc}{L}_{11}& L_{12}& L_{13}& ...& L_{1j}\\ L_{21}& L_{22}& L_{23}& ...& L_{2j}\\ .& & & & \\ .& & & ...& \\ .& & & & \\ L_{n1}& L_{n2}& L_{n3}& ...& L_{nj}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}\stackrel{\→}{L_1}& \stackrel{\→}{L_2}& \stackrel{\→}{L_3}& ...& \stackrel{\→}{L_j}\end{array}\right];$

其中，M表示该膜厚数据，n表示上述量测区域的数量，j表示上述晶片的数量，L₁₁～L_nj表示在n个上述量测区域上的上述厚度值，表示分别对应于j个上述晶片的上述膜厚向量。

4.如权利要求3所述的自动监控膜厚均匀性的方法，其中分别取出属于相同的上述量测区域中的上述厚度值进行平均计算，而获得该群均值矩阵是依据下列公式：

$u_{n\×1}=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{L_1}\\ \stackrel{\‾}{L_2}\\ .\\ .\\ .\\ \stackrel{\‾}{L_n}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{1}{j}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}{L}_{1i}\\ \frac{1}{j}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}{L}_{2i}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{1}{j}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}{L}_{ni}\end{array}\right];$

其中，u_n×1为该群均值矩阵，分别表示在每一上述量测区域中的上述厚度值的平均值。

5.如权利要求4所述的自动监控膜厚均匀性的方法，其中依据该群均值矩阵与上述膜厚向量，获得该群共变异矩阵是依据下列公式：

${\mathrm{\Σ}}_{n\×n}=\frac{1}{j-1}\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}(\stackrel{\→}{L_i}-u){(\stackrel{\→}{L_i}-u)}^T;$

其中，∑代表该群共变异矩阵。

6.如权利要求5所述的自动监控膜厚均匀性的方法，其中该偏差范围为A×u±c×A∑A^T；

其中，A为该变换矩阵，c为一常数。

7.如权利要求1所述的自动监控膜厚均匀性的方法，其中上述量测区域为同心圆环状，且在每一上述晶片自一外圈位置开始往一中心位置靠近依序包括：一第一圈、一第二圈以及一第三圈；而基于两两相近的上述量测区域之间的偏离关系，获得该变换矩阵的步骤包括：

依据该第一圈与该第二圈之间一第一薄膜的一第一偏离角度，获得该第一圈与该第二圈之间的第一偏离关系；

依据该第二圈与该第三圈之间一第二薄膜的一第二偏离角度，获得该第二圈与该第三圈之间的第二偏离关系；

依据该第一偏离角度与该第二偏离角度，获得该第一薄膜与该第二薄膜之间的一偏离度关系；以及

基于该偏离度关系、该第一偏离关系与该第二偏离关系，获得用以求出该第一薄膜与该第二薄膜之间一第三偏离角度的该第一圈、该第二圈与该第三圈三者的膜厚系数，而以该膜厚系数来作为该变换矩阵。

8.如权利要求7所述的自动监控膜厚均匀性的方法，其中该第一偏离角度为，该第二偏离角度为，

该第一偏离关系为， ${\mathrm{\φ}}_1\≅{\mathrm{tan\φ}}_1\≅L1-L2=m1;$

该第二偏离关系为， ${\mathrm{\φ}}_2\≅{\mathrm{tan\φ}}_2\≅L2-L3=m2;$

该偏离度关系为，θ＝π-(φ1-φ2)；

求出该第三偏离角度是依据下列公式：

tanθ＝tanφ₁-tanφ₂＝m2-m1＝-L1+2×L2-L3；

而该第一圈、该第二圈与该第三圈三者的膜厚系数依序为-1、2、-1，该变换矩阵为[-1,2,-1]。

9.如权利要求1所述的自动监控膜厚均匀性的方法，还包括：

依据该变换矩阵与该膜厚数据，获得每一上述晶片的薄膜的一膜厚均匀度；以及

将该膜厚均匀度超出该偏差范围者判定为异常。

10.如权利要求1所述的自动监控膜厚均匀性的方法，还包括：

在监测到每一上述晶片的薄膜的膜厚均匀性发生异常时，发出一提示信号。