DE10134432A1

DE10134432A1 - Integrierte Schaltung zur kontaktlosen In-Situ-Erfassung der Temperatur eines Wafers und entsprechendes Erfassungsverfahren

Info

Publication number: DE10134432A1
Application number: DE2001134432
Authority: DE
Inventors: Dirk Manger; Peter Moll
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2002-11-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine integrierte Schaltung zur kontaktlosen In-Situ-Erfassung der Temperatur eines Wafers mit einer ersten Signalerzeugungseinrichtung (L1, C, C', G, SQ) zum Erzeugen eines temperaturunabhängigen Signals (U¶V¶) aus einem elektromagnetischen Wechselfeld (WF); einer temperaturabhängigen Impedanzeinrichtung (R¶1¶, R¶2¶) zum Erzeugen eines für die Wafertemperatur charakteristischen temperaturabhängigen Signals (U¶T¶) aus dem temperaturunabhängigen Signal (U¶V¶); einer zweiten Signalerzeugungseinrichtung (FG) zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Wechselfeldsignals (WS) aus dem temperaturabhängigen Signal (U¶T¶) und einer Übertragungseinrichtung (FI, ANT) zum drahtlosen Übertragen des temperaturabhängigen Wechselfeldsignals (WS) als temperaturabhängiges Übertragungssignal (TS). Die Erfindung schafft ebenfalls ein entsprechendes Erfassungsverfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung zur kontaktlosen In-Situ-Erfassung der Temperatur eines Wa fers und ein entsprechendes Erfassungsverfahren.

Obwohl prinzipiell auf beliebige integrierte Schaltungen an wendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf die Prozessierung integrierter Schaltungen in Silizium-Technologie in Plas maprozessen erläutert.

Eine Messung der Wafertemperatur in Echtzeit während einer Plasmaprozessfahrt ist in der Mikroelektronik von großem In teresse, da die Wafertemperatur einen entscheidenden Einfluss auf den Ablauf, die Geschwindigkeit und die Präzision von Plasmaprozessen hat. Gleichzeitig ist es wichtig, die Bedin gungen in der Plasmaprozesskammer während der Temperaturmes sung so genau wie möglich an die Bedingungen während einer Produktfahrt anzupassen, um eine korrekte und relevante Tem peraturmessung durchführen zu können.

Üblich im Stand der Technik ist derzeit ein Temperaturfühler, dessen Zuleitungen aus der Plasmaprozesskammer geführt wer den, wobei die Temperaturfühler die Wafertemperatur üblicher weise durch Kontaktierung der Waferrückseite messen. Dieser Aufbau ist bei elektrostatisch koppelnden Waferchucks, die vor allem bei Plasma-unterstützenden Prozessen eingesetzt werden, aus technischen Gründen nicht möglich.

Alternativermaßen gibt es Silizium-Wafer mit integrierten Temperatursonden auf der Vorderseite des Wafers, deren Zulei tungen aus der Prozesskammer geführt werden müssen. Eine Tem peraturmessung ist mit diesem Aufbau besonders schwierig, wenn sie in einem plasmaunterstützten Prozess, wie z. B. Tro ckenätzen oder PECVD, durchgeführt werden soll, da hier das Plasma durch mögliche Zu- und Ableitungen zu und von der Tem peratursonde gestört werden kann.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integ rierte Schaltung zur kontaktlosen In-Situ-Erfassung der Tem peratur eines Wafers und ein entsprechendes Erfassungsverfah ren zu schaffen, wodurch eine möglichst genaue und unver fälschte Temperaturmessung unter Prozessbedingungen ermög licht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebene integrierte Schaltung sowie das Erfassungsverfah ren nach Anspruch 9 gelöst.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Erfassungsschaltung auf einem Wafer zu integrie ren, welche aus der Umgebung mittels elektromagnetischer Strahlung durch Energie versorgt wird.

Beispielsweise kann die elektromagnetische Strahlung direkt durch ein Plasma angekoppelt werden, welches bei einem ent sprechenden Plasmaprozess erzeugt wird. Die Temperaturdaten werden durch die integrierte Schaltung bereitgestellt und ebenfalls drahtlos über eine Antenne abgestrahlt. Diese elekt romagnetisch abgestrahlten Temperaturdaten können z. B. durch ein Fenster in einem Reaktor nach außen gesendet werden. Da nur eine geringe Fläche des Wafers mit Meßstrukturen belegt zu sein braucht, kann der Rest des Wafers wie eine Produkt scheibe strukturiert werden, so dass die Prozessbedingungen im Reaktor während des Prozesses mit denjenigen einer wirkli chen Produktscheibe vergleichbar sind.

Der erfindungsgemäße neuartige Aufbau einer Meßstruktur benö tigt keine physikalische Verbindung zur Energieversorgung und zur Datenauslese. Durch eine derartige Meßstruktur wird eine Temperaturmessung bei Prozessbedingungen identisch mit den wirklichen Prozessbedingungen ermöglicht.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildun gen und Verbesserungen des jeweiligen Erfindungsgegenstandes.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erzeugt die erste Sig nalerzeugungseinrichtung eine temperaturunabhängige Gleich spannung als das temperaturunabhängige Signal.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die ers te Signalerzeugungseinrichtung eine Spuleneinrichtung zum Einkoppeln einer Wechselspannung aus dem elektromagnetischen Wechselfeld, eine Gleichrichtereinrichtung zum Gleichrichten der Wechselspannung in eine Gleichspannung aufweist und eine temperaturunabhängige Spannungsquelleneinrichtung zum Empfan gen der Gleichspannung und zum Erzeugen der temperaturunab hängigen Gleichspannung auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die tem peraturunabhängige Spannungsquelleneinrichtung eine Bandab stands-Referenz-Schaltung auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die tem peraturabhängige Impedanzeinrichtung eine erste und eine zweite temperaturabhängige Widerstandseinrichtung auf, welche verschiedene Temperaturabhängigkeiten aufweisen und in Reihe an das temperaturunabhängige Signal gelegt sind. In diesem Fall ist das für die Wafertemperatur charakteristische tempe raturabhängige Signal die über einer der Widerstandseinrich tungen abfallende Gleichspannung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Signalerzeugungseinrichtung ein Funktionsgenerator mit durch ein Eingangssignal steuerbarer Frequenz, welcher das tempera turabhängige Signal als Eingangssignal und das temperaturu nabhängige Signal als Versorgungssignal empfängt und daraus das Wechselspannungssignal derart erzeugt, dass es entspre chend dem temperaturabhängigen Signal frequenzmoduliert ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Übertragungseinrichtung eine Filtereinrichtung zum Filtern des modulierten Wechselspannungssignals und eine Antenneneinrich tung zum Abstrahlen des Sendesignals auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Fil tereinrichtung einen Bandpassfilter mit Einfachmitkopplung auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung befindet sich der Wafer in einer Prozesskammer, wobei das elektromagneti sche Wechselfeld ein Wechselfeld eines in der Prozesskammer ablaufenden Herstellungsprozesses ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Pro zesskammer eine Plasmaprozesskammer.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Über tragungssignal durch ein Fenster in der Prozesskammer über tragen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Er zeugen des temperaturabhängigen Wechselfeldsignals aus dem temperaturabhängigen Signal eine Temperaturabhängigkeit auf, welche durch eine Korrektureinrichtung in der Erfassungsein richtung entfernt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung entfernt die Korrektureinrichtung die Temperaturabhängigkeit anhand von Kalibrationsdaten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltung zur kontaktlosen In-Situ-Erfassung der Temperatur eines Wafers als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 eine Darstellung eines Wafers mit einer integrier ten Schaltung zur kontaktlosen In-Situ-Erfassung der Temperatur eines Wafers gemäß der Ausführungs form der vorliegenden Erfindung in einer Plasmapro zesskammer.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen WF ein elektromagneti sches Wechselfeld, welches von einem Wechselfeldgenerator WG erzeugt wird. 3 bezeichnet allgemein eine integrierte Schal tung, welche auf einem in Fig. 1 nicht gezeigten Halbleiter wafer in üblicher Art und Weise, beispielsweise in Silizium- Technologie, integriert ist.

Die integrierte Schaltung 3 umfasst eine Signalerzeugungsein richtung zum Erzeugen einer temperaturunabhängigen Gleich spannung U_V aus dem elektromagnetischen Wechselfeld WF. Diese Signalerzeugungseinrichtung enthält im einzelnen einen Ein kopplungskreis mit einer Spule L1 und DC Entkopplungskonden satoren C, C', welche eine Wechselspannung aus dem elektro magnetischen Wechselfeld WF einkoppelt. Weiterhin ist eine Gleichrichtereinrichtung G vorgesehen, die aus der Wechsel spannung U_i eine Gleichspannung U_G erzeugt. Beispielsweise besteht die Gleichrichtereinrichtung G aus einer üblichen Di oden-Viereckschaltung. Die Gleichspannung U_D wird schließlich in eine temperaturunabhängige Spannungsquelle SQ eingekop pelt, welche ihrerseits eine temperaturunabhängige Gleich spannung U_V liefert, welche das Ausgangssignal der Signaler zeugungseinrichtung ist.

Beispielsweise ist die temperaturunabhängige Spannungsquelle eine Bandabstands-Referenz-Schaltung, wie offenbart in K. Hoffmann, VLSI Entwurf, München 1996, Seite 438, Bild 8.11 mit entsprechender Beschreibung. Bezogen auf diesen Stand der Technik entspricht die Referenzspannung der temperaturunab hängigen Gleichspannung U_V. Ebenfalls offenbart ist solch ei ne Bandabstands-Referenz-Schaltung im U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 10. Auflage, 1999, Seite 558, Abb. 18.29 und entsprechende Beschreibung.

Weiterhin umfasst die integrierte Schaltung 3 eine temperatu runabhängige Impedanzeinrichtung mit zwei in Reihe geschalte ten Widerständen R₁(T) und R₂(T), wobei an dieser Reihenschal tung die temperaturunabhängige Gleichspannung U_V angelegt ist. Hierbei weisen die beiden Widerstände R₁(T) und R₂(T) zwei verschiedene Temperaturgänge bzw. Temperaturabhängigkei ten auf. Dies hat zur Folge, dass sich mit verändernder Tem peratur der über dem jeweiligen Widerstand abfallende propor tionale Anteil der temperaturunabhängigen Gleichspannung U_V ändert, was es ermöglicht, ein für die Wafertemperatur cha rakteristische temperaturunabhängige Signal U_T, nämlich eine temperaturabhängige Gleichspannung U_T über dem zweiten Wider stand R₂(T) abzugreifen. In dieser Gleichspannung U_T steckt also die Information über die In-Situ-Wafertemperatur auf grund der Kenntnis der Größe der Gleichspannung U_V und der Temperaturabhängigkeiten der beiden Widerstände R₁(T) und R₂(T).

Im weiteren Verlauf der integrierten Schaltung 3 gilt es die temperaturabhängige Gleichspannung U_T in ein drahtlos über tragbares Signal umzuwandeln. Zu diesem Zweck umfasst die in tegrierte Schaltung 3 eine weitere Signalerzeugungseinrich tung FG zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Wechselfeld signals WS aus der temperaturabhängigen Gleichspannung U_T.

Beim gezeigten Beispiel ist diese weitere Signalerzeugungs einrichtung FG ein Funktionsgenerator mit einer durch ein Eingangssignal steuerbaren Ausgangsfrequenz. Der Funktionsge nerator FG empfängt neben der temperaturabhängigen Spannung U_T die temperaturunabhängige Spannung U_V von der temperaturu nabhängigen Spannungsquelle SQ, und zwar letztere als tempe raturunabhängige Versorgungsspannung, welche dafür sorgt, dass die Temperaturabhängigkeit des erzeugten Frequenzsignals WS möglichst klein ist. Bei diesem Funktionsgenerator FG be stimmt also die Größe der Eingangsspannung U_T die Frequenz des Ausgangssignal WS, mit anderen Worten liegt eine Fre quenzmodulation vor.

Ein derartiger Funktionsgenerator mit steuerbarer Frequenz ist beispielsweise aus U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter schaltungstechnik, 10. Auflage, 1993, Seite 483, Abb. 15.36 und entsprechende Beschreibung bekannt.

Das frequenzmodulierte Ausgangssignal WS des Funktionsgenera tors FG wird schließlich einem Bandpassfilter mit Einfach- Mitkopplung FI zugeführt, welcher seinerseits mit einer An tenne ANT verbunden ist. Über die Antenne ANT wird dann das gefilterte frequenzmodulierte Signal als Sendesignal TS an einen Empfänger E übertragen, welcher sich abseits des Wafers befindet. Durch eine derartige Meßstruktur, die keine physi kalische Verbindung zu einer Energieversorgung oder zum Emp fänger benötigt, läßt sich eine Temperaturmessung in situ bei Prozessbedingungen identisch mit den wirklichen Prozessbedin gungen realisieren, wie nachstehend detailliert mit Bezug auf Fig. 2 erläutert wird.

In Fig. 2 bezeichnet 1 eine Prozesskammer zur Durchführung eines Plasmaprozesses, welche üblicherweise 100-150 Wafer 2 aufnehmen kann. Das Plasma wird von einem sogenannten Magnetron bzw. einer Plasmaerzeugungsröhre 5 erzeugt und ist ein elektromagnetisches Wechselfeld WF im Gigahertzbereich. Der in Fig. 2 exemplarisch dargestellte Wafer 2 enthält die mit Bezug auf Fig. 1 beschriebene integrierte Schaltung 3. Durch Einkopplung von Energie aus dem elektromagnetischen Wechselfeld WF des Plasmas in die Spule L1 läßt sich das mit Bezug auf Fig. 1 gezeigte Funktionsprinzip realisieren, was schließlich zur drahtlosen Abstrahlung des Sendesignals TS führt, das die Information über die aktuelle Prozesstempera tur des Wafers enthält. Zweckmäßigerweise kann das Sendesig nal TS von dem Empfänger durch ein Fenster 10 in der Rückwand der Prozesskammer 1 nach außen werden.

Der Empfänger E enthält die notwendigen Informationen zur Auswertung des Sendesignals TS, also beispielsweise eine Um rechnungstabelle, welche von der Frequenz auf die temperatur abhängige Gleichspannung U_T schließen läßt und weitere Infor mationen in Form von Tabellen oder analytischen Ausdrücken, welche von der temperaturabhängigen Spannung U_T auf die Wa fertemperatur schließen lassen. Ebenfalls vorgesehen bei dem Empfänger von Fig. 2 ist eine Korrektureinrichtung K, welche Temperatureffekte des Funktionsgenerators FG berücksichtigen kann, beispielsweise in Form einer zuvor festgelegten Kalib rierungstabelle.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines be vorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Wei se modifizierbar.

Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf Plas maprozesse beschränkt, sondern ermöglicht eine kontaktlose In-Situ-Erfassung der Temperatur eines Wafers in jeglicher Umgebung, in der ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeug bar ist.

Weiterhin sind die Schaltungskomponenten ebenfalls nur bei spielhaft und können durch andere Komponenten mit entspre chenden Funktionen ersetzt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

WF Wechselfeld
L1 Spule
C, C' DC-Entkopplungskondensatoren
G Gleichrichter
SQ temperaturunabhängige Spannungsquelle
R₁

, R₂

Widerstände mit verschiedenen Temperaturgängen
FG Funktionsgenerator mit steuerbarer Frequenz
FI Filter
E Empfänger
K Korrektureinrichtung
U_i

Wechselspannungssignal
U_G

Gleichspannungssignal
U_V

temperaturunabhängiges Gleichspannungssignal
U_T

temperaturabhängiges Gleichspannungssignal
WS temperaturabhängiges Wechselspannungssignal
TS Sendesignal
ANT Antenne

1

Prozesskammer

2

Wafer

3

integrierte Schaltung

5

Plasmagenerator

10

Quarzglasfenster

Claims

1. Integrierte Schaltung zur kontaktlosen In-Situ-Erfassung der Temperatur eines Wafers mit:
einer ersten Signalerzeugungseinrichtung (L1, C, C', G, SQ) zum Erzeugen eines temperaturunabhängigen Signals (U_V) aus einem elektromagnetischen Wechselfeld (WF);
einer temperaturabhängigen Impedanzeinrichtung (R₁, R₂) zum Erzeugen eines für die Wafertemperatur charakteristischen temperaturabhängigen Signals (U_T) aus dem temperaturunabhän gigen Signal (U_V);
einer zweiten Signalerzeugungseinrichtung (FG) zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Wechselfeldsignals (WS) aus dem temperaturabhängigen Signal (U_T); und
einer Übertragungseinrichtung (FI, ANT) zum drahtlosen Über tragen des temperaturabhängigen Wechselfeldsignals (WS) als temperaturabhängiges Übertragungssignal (TS).

2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Signalerzeugungseinrichtung (L1, C, C', G, SQ) eine temperaturunabhängige Gleichspannung (U_V) als das tempe raturunabhängige Signal (U_V) erzeugt.

3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Signalerzeugungseinrichtung (L1, C, C', G, SQ) eine Spuleneinrichtung (L1) zum Einkoppeln einer Wechselspan nung (U_i) aus dem elektromagnetischen Wechselfeld (WF), eine Gleichrichtereinrichtung (G) zum Gleichrichten der Wechsel spannung (U_i) in eine Gleichspannung (U_G) aufweist und eine temperaturunabhängige Spannungsquelleneinrichtung (SQ) zum Empfangen der Gleichspannung (U_G) und zum Erzeugen der tempe raturunabhängigen Gleichspannung (U_V) aufweist.

4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturunabhängige Spannungsquelleneinrichtung (SQ) eine Bandabstands-Referenz-Schaltung aufweist.

5. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturabhängige Impedanzeinrichtung (R1, R2) ei ne erste und eine zweite temperaturabhängige Widerstandsein richtung (R₁, R₂) aufweist, welche verschiedene Temperaturab hängigkeiten aufweisen und in Reihe an das temperaturunabhän gige Signal (U_V) gelegt sind, und dass das für die Wafertem peratur charakteristische temperaturabhängige Signal (U_T) die über einer (R₂) der Widerstandseinrichtungen (R₁, R₂) abfal lende Gleichspannung (U_T) ist.

6. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Signalerzeugungseinrichtung (FG) ein Funkti onsgenerator mit durch ein Eingangssignal steuerbarer Fre quenz ist, welcher das temperaturabhängige Signal (U_T) als Eingangssignal und das temperaturunabhängige Signal (U_V) als Versorgungssignal empfängt und daraus das Wechselspannungs signal (WS) derart erzeugt, dass es entsprechend dem tempera turabhängigen Signal (U_T) frequenzmoduliert ist.

7. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung (FI, ANT) eine Filterein richtung (FI) zum Filtern des modulierten Wechselspannungs signals (WS) und eine Antenneneinrichtung (ANT) zum Abstrah len des Sendesignals (TS) aufweist.

8. Integrierte Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (FI) einen Bandpassfilter mit Ein fachmitkopplung aufweist.

9. Verfahren zur kontaktlosen In-Situ-Erfassung der Tempera tur eines Wafers mit den Schritten:
Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes (WF) in der Umgebung des Wafers (2);
Durchführen folgender Schritte durch eine integrierte Schal tung (3) auf dem Wafer (2):
Erzeugen eines temperaturunabhängigen Signals (U_V) aus dem elektromagnetischen Wechselfeld (WF);
Erzeugen eines für die Wafertemperatur charakteristi schen temperaturabhängigen Signals (U_T) aus dem tempera turunabhängigen Signal (U_V);
Erzeugen eines temperaturabhängigen Wechselfeldsignals (WS) aus dem temperaturabhängigen Signal (U_T); und
drahtloses Übertragen des temperaturabhängigen Wechsel feldsignals (WS) als temperaturabhängiges Übertragungs signal (TS);
und Erfassen des Übertragungssignals (TS) mittels einer Er fassungseinrichtung (E) außerhalb des Wafers.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer (2) sich in einer Prozesskammer (1) befindet und das elektromagnetische Wechselfeld (WF) ein Wechselfeld eines in der Prozesskammer ablaufenden Herstellungsprozesses ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer (1) eine Plasmaprozesskammer ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungssignal (TS) durch ein Fenster (10) in der Prozesskammer (1) übertragen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des temperaturabhängigen Wechselfeldsignals (WS) aus dem temperaturabhängigen Signal (U_T) eine Tempera turabhängigkeit aufweist, welche durch eine Korrektureinrich tung (K) in der Erfassungseinrichtung (E) entfernt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinrichtung (K) die Temperaturabhängigkeit anhand von Kalibrationsdaten entfernt.