CN1146031C - 用于半导体处理的原位测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的原位测量工艺参数的测量器件包括其上形成有至少一个处理芯片的半导体晶片。处理芯片还包括至少一个测量工艺参数的传感器。还包括在至少一个传感器测量到工艺参数时存储工艺参数的存储器件。提供与时间成函数关系跟踪工艺参数的定时器件，还包括为至少一个传感器、存储器件以及定时器件供电的电源。此外，还介绍了用测量器件进行测量的方法。

Description

用于半导体处理的原位测量方法及装置
本发明涉及半导体的制造，特别涉及原位参数的测量和控制以提高成品率的改进方法及装置。
半导体工艺包括保持可控的环境进行各种制造步骤。半导体晶片通常放置在处理室内并暴露到各种温度和压力条件。在制造期间，这些参数的控制影响芯片的成品率。晶片上的温度差导致处理不均匀并导致成品率降低。
通常使用温度点(dot)或热电耦在晶片上测量温度。温度点固定在晶片上，粗略地估计晶片上的温度分布。温度点通常不测量晶片表面的温度。此外，温度点的准确度仅为±5℃。要有效地使用温度点，通常需要进行多次实验以得到定时确定的温度测量。即使这样，仍不能确定整个晶片上的温度。达到最大温度并由温度点记录，但不能得到确定最大温度时的精确时间。热电耦必须安装在晶片上，存在和温度点相同的不足。
“奇异(charm)”晶片可以从Wafer Charging Monitors，Inc买到。“奇异(charm)”晶片仅能测量峰值温度，由于工艺处理期间可能在不同的时间产生峰值，由此不能实时地提供信息。
因此，需要一种能够准确和可靠地确定晶片温度的装置和方法。还需要一种确定不同的处理室和/或卡盘结构温度的装置和方法。
根据本发明的原位测量工艺参数的测量器件包括其上至少形成有一个处理芯片的半导体晶片。处理芯片还包括至少一个测量工艺参数的传感器。还包括在至少一个传感器测量到工艺参数时存储工艺参数的存储器件。提供跟踪与时间成函数关系的工艺参数的定时器件，还包括为至少一个传感器、存储器件以及定时器件供电的电源。
原位测量工艺参数的另一测量器件包括其上形成有至少一个处理芯片的半导体晶片。处理芯片还包括测量工艺参数的传感器，在传感器测量到工艺参数数据时存储工艺参数的存储器件。还包括跟踪与时间成函数关系的工艺参数的定时器件，还包括为至少一个传感器、存储器件以及定时器件供电的电源。半导体晶片还包括安装其上的接口，从存储器件中取回工艺参数数据。
在另一实施例中，至少一个传感器包括分布在半导体晶片上和/或定位在半导体晶片上预定位置的多个传感器。工艺参数包括温度、辐射、  电压或电流。存储器件包括电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。至少一个传感器包括p-n结器件。电源优选由外部光源供电。测量器件还包括控制器件功能的处理器。
一种在半导体制造工艺期间测量工艺参数的方法包括以下步骤：提供其上形成有至少一个处理芯片的半导体晶片，处理芯片还包括至少一个测量工艺参数的传感器，在至少一个传感器测量到工艺参数时存储工艺参数的存储器件，跟踪与时间成函数关系的工艺参数的定时器件，以及为至少一个传感器、存储器件以及定时器件供电的电源。该方法还包括将晶片固定在处理室内，对晶片进行要测试的工艺，在要测试的工艺期间，根据存储器件中测量到的工艺参数存储工艺参数，以及取回工艺参数数据。
在另一方法中，工艺参数优选包括温度。还包括以约0.1摄氏度的准确度测量温度的步骤。工艺参数还包括辐射、电压和电流中的至少一个。
通过接合附图阅读下面对示例性实施例的详细说明，本发明的这些和其它目的、特点和优点将变得很显然。
参考下面的附图和优选实施例的说明详细地介绍本发明。
图1为根据本发明具有多个带传感器和电源的器件的半导体晶片的俯视图，在半导体的制造工艺期间进行参数测量；
图2为根据本发明图1器件的详细示意图；
图3为根据本发明的图2中器件的另一实施例的示意图，示出了控制器件功能的处理/逻辑电路。
图4为根据本发明进行原位测量的方法流程图。
本发明涉及半导体制造，特别涉及原位测量和控制温度以提高成品率的改进方法及装置。本发明提供了半导体晶片表面上空间的、实时地及精确的温度测量。根据本发明，晶片提供有电源和在制造工艺期间测量各种参数的传感器。在根据要测试的工艺制备要制造的半导体晶片之前，晶片测量工艺参数。在优选实施例中，晶片包括存储数据的存储器和记录作为时间函数的参数的时钟。
现在参考具体图，其中在各图中类似的数字表示类似或相同的元件，首先为图1，显示了根据本发明的晶片10。晶片10优选具有功能器件12形成其上的全处理的器件。带有器件12的晶片10可以根据单独的应用定制，或为具有预定测量结构和器件的标准化晶片1。
器件12空间地分布在晶片10上，以此方式，可以在不同的位置收集数据。在优选的实施例中，器件12包括可以在需要的区域例如晶片的边缘16或晶片12的中心18激活的传感器14。晶片10能够存储处理期间收集到的数据。接口32提供在晶片10上，以取回收集到的数据。
参考图2，示意性地示出了器件12。器件12包括电源20。电源20优选由外部光源或工艺处理期间等离子体产生的光供电。电源20包括集成到晶片10内的p-n结器件，即，太阳能电池，或包括外部安装到晶片10表面的器件。电源20包括如电池等的能量存储器件。电路22将电源20连接到其它的器件，并将电源20的电压转换为有用且稳定的能源。例如，电路可以包括过滤器和其它的调节部件。
器件12还包括存储数据于其中的存储器件24。在优选实施例中，存储器件24包括电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。也可以考虑其它类型的存储器。EEPROM能够存储收集到的数据，并作为伏特计测量晶体管中的阈值电压偏移，如Shideler等人在“A newtechnique for solving wafer charging problems”，SemiconductorInternational，1995年七月，153-158页中介绍的，在这里引入作为参考。存储器24连接到接口32，由此可以获得存储器中的数据。
器件12包括温度传感器26。温度传感器26安装在晶片10的表面或附近。温度传感器26包括集成到晶片10内的固体器件。测量温度的固体器件优选包括p-n结器件，由此可以准确测量温度到十分之一摄氏度，例如，准确度为0.1摄氏度。温度传感器26可以均匀地分布在晶片10(图1)的表面上和/或定位在需要附加数据的需要区域内。其它的传感器30包括在晶片10上，例如工艺处理期间测量元素浓度的浓度传感器、压力传感器、电压传感器、电流传感器、辐射(UV)传感器等。
时钟28优选包括在器件12内。时钟28测量数据收集周期之间的间隔，由此与时间成函数测量温度或其它的参数。此外经过的时间可以存储在存储器件24内，由此时间与测量相关。时钟28可以为固体器件，测量时间间隔和/或监视数据收集之间经历的时间。所述器件可以包括CMOS技术。通过包括时钟28，本发明可以有利地以预定的时间间隔监视和数据收集跟踪，由此提供一套更完整的数据。此外，可以监视处理期间的波动，例如等离子体波动。
本发明与保持晶片10的卡盘和制造晶片的处理室无关，是由于晶片自身含有所有的测量器件并且电源集成其中或连接其上。本发明安装在测试制造工艺的室内。处理期间，测量各种参数并存储与期望的值比较并测试晶片10上的均匀性。当处理完成时，从室中移出晶片10，通过数据接口32(图1)获取数据。使用收集到的数据，根据本发明可以改变工艺参数得到更精确和可靠的工艺。
现在参考图3，示出了本发明的另一实施例。包括了控制器件12功能的处理器或逻辑电路40。处理器40可以包含于每一个器件12，或一个处理器40提供给用于除了器件12以外的位置上的多个器件12。处理器40优选提供调节电源20的电压的动力。处理器40还根据来自时钟28的输入控制传感器26和30的数据收集。处理器40还从传感器26和30获取数据，并存储和控制将存储在存储器件24中的数据。处理器40将数据提供到接口32(图1)。
参考图4，示出了根据本发明测量工艺参数的方法。在方框100，根据本发明提供晶片。在方框102中，晶片使用卡盘安装在室内。本发明与卡盘和处理室的类型无关。在方框104内，对晶片进行要测试的工艺。在方框106，收集数据并存储在存储器中，参数包括温度、压力、辐射级别、电压和/或电流。在各时间间隔或工艺中预定的阶段收集数据。在方框108在工艺结束时，取出晶片。在方框110，从存储器中获取数据。分析数据并根据方框112中预定的规格修改工艺。
现已介绍了新颖方法的优选实施例(为示例性而不是限定性)，应该注意本领域的技术人员可以根据以上的教导进行修改和变形。因此应该理解可以在附带的权利要求书限定的本发明的范围和精神内对公开的本发明的特定实施例进行改变。现已根据专利法的要求详细和具体地介绍了本发明，需要由专利文字要求和需要保护的内容陈述在附带的权利要求书中。

Claims (19)

1.一种原位测量工艺参数的测量器件，包括：
其上形成有多个处理芯片的半导体晶片；
每个处理芯片包括：
至少一个测量工艺参数的传感器；
当至少一个传感器测量到工艺参数时，存储工艺参数的存储器件；
跟踪与时间成函数关系的工艺参数的定时器件；以及
为至少一个传感器、存储器件以及定时器件供电的电源。
2.根据权利要求1的测量器件，其中所述芯片中至少一个包括多个传感器。
3.根据权利要求1的测量器件，其中所述芯片中至少一个包括定位在半导体晶片上预定位置的多个传感器。
4.根据权利要求1的测量器件，其中工艺参数包括温度。
5.根据权利要求1的测量器件，其中工艺参数包括辐射、电压和充电电流中的至少一个。
6.根据权利要求1的测量器件，其中存储器件包括电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。
7.根据权利要求1的测量器件，其中所述的至少一个传感器包括p-n结器件。
8.根据权利要求1的测量器件，其中电源由外部光源供电。
9.根据权利要求1的测量器件，其中测量器件还包括控制器件功能的处理器。
10.一种原位测量工艺参数的测量器件，包括：
其上形成有多个处理芯片的半导体晶片；
每个处理芯片包括：
测量工艺参数的传感器；
在传感器测量到工艺参数时存储工艺参数数据的存储器件；
跟踪与时间成函数关系的工艺参数的定时器件；以及
为传感器、存储器件以及定时器件供电的电源；
半导体晶片包括安装其上的接口，用于从存储器件获取工艺参数。
11.根据权利要求10的测量器件，其中传感器分布在半导体晶片上。
12.根据权利要求10的测量器件，其中传感器定位在半导体晶片上预定位置。
13.根据权利要求10的测量器件，其中工艺参数包括温度。
14.根据权利要求10的测量器件，其中工艺参数包括辐射、电压和充电电流中的至少一个。
15.根据权利要求10的测量器件，其中存储器件包括电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。
16.根据权利要求10的测量器件，其中传感器包括p-n结器件。
17.根据权利要求10的测量器件，其中电源由外部光源供电。
18.根据权利要求10的测量器件，其中测量器件还包括控制器件功能的处理器。
19.一种在半导体制造工艺期间测量工艺参数的方法，包括以下步骤：
提供其上形成有多个处理芯片的半导体晶片，每个处理芯片包括至少一个测量工艺参数的传感器，在至少一个传感器测量到工艺参数时存储工艺参数的存储器件，跟踪与时间成函数关系的工艺参数的定时器件，以及为至少一个传感器、存储器件以及定时器件供电的电源；
将晶片固定到处理室内；
对晶片进行要测试的工艺；
在要测试的工艺期间根据存储器件中测量到的工艺参数存储工艺参数；以及
获取工艺参数数据。
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