TW434651B - A method and apparatus for monitoring and/or end point detecting a process - Google Patents

Description

43465 1 五、 發明說明 (1) 發 明 背 景 1. 發 明 領 域 本 發 明 係 關 於半 導體 處 理 之 領 域 ，且更 明確 地 說係關於 — 種 用 以 監 控 一製 程或 偵 測 一 製 程 終點之 方法 及 裝置。 2. 相 關 技 術 討 論 因 為 動 態 隨 機存 取記 憶 體 (DRAMs )裝置之儲存密度自16 Mb增 加 至 64 Mb及更高， 所以要藉由記憶體細胞大小之 降 低 來 1持電— 荷儲 存能 力 0 此 種 需 求一直 是藉 由 增加記憶 體 細 胞 之 儲 存 電容 器之 表 面 面 積 來 力口以滿 足。 吾 人已建構 許 多 極設 計 其 中 包 括薄及 圓柱 型 "皇冠"· 容 we οσ 結 構 以 獲得 儲存 表 面 面 積 之 增力σ 。 另 一 種 方 案 ，如 圊1 a 所 示 是 形 成一具 有下 電 容器電極 1 0 2之電容器1 00 * 且下 電 容 哭 οσ 電 極 1 0 2是利用具有粗糙表 面 1 0 4之多晶矽薄膜來形成 -具有粗綠表面之多晶ί夕薄 膜 可 藉 由 形 成 具有 半球 型 顆 粒 (HSG矽）之多晶矽薄膜來產 生 〇 因 為 電 極 1 0 2具有龃糙表面 上電極1 0 6及 下 電極1 0 2 間 之 表 面 面 積 獲得 提升 進 而 使 得 一給定 細胞 大 小可儲存 更 多 電 何 0 具 有粗 糖表 面 之 多 晶 矽 儲存電 極1 0 2可使得電 容， συ ϋ it. 加 多於 2倍。 用 以 形 成 具 有粗 链表 面 或 半 球 型 顆粒之 多晶 矽 薄膜之驭 常 用 方 案 一 直 是沉 積一 薄 (少於1 0 0 0埃）之 粗寿造 多 晶矽薄膜 於 批 次 爐 如 圖1 b所示 〇 圖 lb所 示 之批次 爐1 2 Q是低壓化 學 氣 相 沉 積 (LPCVD)系統 且該系統具有- -室1 10 ，而室 11 〇包含承載- -批次（大 約 100) 基 質 之載具 111。 自 氣體源

43咕 甘 五、發明說明（2) "— -- 113饋入之氣體是由控制器114來控制，且自氣體輸入埠 11 5進入室1丨〇。氣體饋入是沿箭號方向維持於各個基質 11 2。室11 〇之低氣壓是藉由排氣系統丨丨6來維持。因為饋 入氣體之濃度可降低通往排氣系統丨丨6之氣流，所以室丨j 〇 也包含三分別受到控制之熱量消除器丨丨7，且該等熱量消 除器提供室110之溫度變化以補償室110之反應氣體之濃度 變化。 相關於用以形成H S G矽之目前技術之一問題是目前沒有 方法可監控形^成或偵測HSG 夺應可 理解存在一相當小之製程窗（時間），其中HSG顆粒具有最 佳及秦-狀以楛供電容器表„面._面...盘_.之最大增加。如果製 程時問過，則將形成過少之HSG而導致電極表面面精之 增_扭..不..足，。如果HSG製裎時間過長，則相鄰顆粒間之間隙 將開始填滿，進而'導致粗糙ϋ之..平滑/也—fe表面面1 之降低。因此，如果沒有技術可監控HSG矽之形成及/或偵 測HSG矽之形成之終點’則HSG矽製程將導致不良之基質至 H之_迫勻性，及可能導致無法製造之基質。 因此，需要一種用以監控HSG矽之形成及/或偵測HSG矽 之形成之終點的方法及裝置。 發明摘要 本案說明一種監控—製程或偵測一製程終點之方法及裝 置。根據本發明，當處理—基質時，該基質之一表面特徵 受到連續量」則.。該表面特彳K — 1先決定之變化是用以監 控該製程’戒顯示該基質之I理之結束。

O:\59\59748.PTD 第5頁 434651 五1發明說明（3) 在本發明之一實例中，基質之一表面特徵之變化是用以 監控一製程及/或偵測一製程之終點，且該..I裎是用以形 成半1型--親....粒（hsg)__矽》在此種製程中’一具有外部非晶 矽薄膜之基質置放於一處理室。該，基質接著.受到加熱以利 用典晶矽蒗膜來形成半球剞顆粒。當加熱基質時，一表面 特徵受到連績監控。該表面特徵之一預先決定之變化是用 以顯示半球型顆粒碎形成之結束，且因此顯示加熱步驟之 結束。 在本發明之一實例中，一基質之發射率是用以監控一製 程及_/_1紙每-星之.終點，且該製程是用以形成HSG矽 根據本發明之此實例，一具...有.並.晶j夕薄膜之基質置_1.,於.一 處理室，且受到加熱以利用非晶n...或i球型顆粒 (HSG )矽。當加熱姜質時，基質之發射率受到連續監控。 基質之發射盖先決定.變ik是U監控該製程，或顯 示該加熱步驟之結束。 在太發明之另一實例中，一基質芩溫度是用以監控一製 程或顯示一製程之終點，且該製程是用以形成HSG矽。根 據本發明之此實例，一具有非晶矽之基質置放於一處理 室，且受到加熱以利用非晶石夕薄膜來形成半球型顆粒碎。 當利用一恆定數量之熱量來加熱基質時，基質之溫度受別 連_續_監.按。基質之溫度之一預先決定變化是用以監控該製 程及Ί或顯示該加熱步驟之結束。 在本發明之另一實例中，當處理一基質時，運用一溫度 量測裝置來監控基質之溫度，且該溫度量測裝置幾乎無關

第6頁 434651 五 '發明說明（4) 於基質發射率s除此之外，當處理半導體基質時，也運用 一溫度量測裝置來監控基質之溫度，且該溫度量測裝置相 ，依於基質之發射率。當處理.基質.時，I乎無關於發射吳之 量測裝置所量測之溫度與相依於發射率之__量測裝置所量測 之溫度間之差值受到計算。幾乎無關於發射率之量測裝置 所量測之溫度與相依於發射率之量測裝置所量測之溫度間 I之差值的變化接著是用以監控製程及/或顯示處理步騍之 結.耒。 . 在本發明之另一實例中，利用一閉路溫度控制系統來加 熱一基質，且該閉路溫度控制系統藉由溫度反餚來維持.. 質於一恆定溫度。當加熱某質時，溫度控制系統所用之功 率之數曼_支』1_連續s控。溫度控制系統所需之功率數壹之 變化是甫:以監控製程及/或顯示加熱步驟之結束。 藉由隨後之詳細說明本發明之其他實例及特點應可變得 顯而易見。 附圖簡短說明 圖la是展示一電容器之形成之橫戴面的圊形1且該電容 器具有一 HSG多晶矽下電極。 圖lb是一低壓化學氣相沉積（LPCVD)爐之圖形。 圖2 a是一具有非晶矽薄膜之基質之圖形。 圖2 b是一具有非晶矽下電極之基質之橫截面的圊形。 圖2 c -1是展示圖2 b之基質引晶之橫截面的圖形。 圖2 c - 2是展示圖2 b之基質引晶之頂視圖的圖形。 圖2d-l是一橫殽面的圖形，且該橫截面展示圖2c之基質

43465 1 五、發明說明¢5) 之HSG矽的開始。 圖2d-2是一頂視圖的圖形，且該頂視圖展示圊2c之基質 之H S G 5夕的開始β 圖2e-l是一橫載面的圖形，且該橫截面展示圖2d之基質 之較大顆粒的形成。 圖2e-2是一頂視圖的圖形，且該頂視圖展示圖2d之基質 之較大顆粒的形成。 圖2f-l是一橫截面的圖形，且該橫截面展示圖2e基質之 最佳大小及形狀之HSG矽的形成。 圖2 f - 2是一頂視圖的圖形，且該頂視圖屐示圖2 e基質= 最佳大小及形狀之HSG矽的形成。 圖2g-l是一橫戴面的圖形，且該橫截面展示由於圖2f之 基質過退矽顆粒的平滑jL·。 圖2g-2是一頂視圖的圖形，且該頂視圖展示由於圖2ί之 基質過退火所造成之H S G矽的平滑化。 圖2h是一橫戴面的圖形，且該橫裁面展示圖2f之基質之 一電容器電介質及一上電容器電極的形成。 圖3a是展示HSG矽形成製程之溫度設定點之圖形。 圖3b是展示在HSG形成製程期間發射率如何隨時間變化 之圖形。 圖3c是展示在HSG矽形成製程期間基質溫度如何隨時間 變化之圖形。 圖3d是展示在HSG矽形成製程期間一幾乎無關於發射率 之探針與一相依於發射率之探針所量測之溫度。除此之

第8頁 43465 1 五、 發明說明 (6) 外 圊 3d展 示 在 HSG矽形成期間- -幾乎無關於發射率之探 針 與 一 相 依 於 發 射 率 之 探 針 所 量 測 之-iE—A- 的 差 值 〇 圖 3e 是 屐 示 在 HSG矽形成製程期間- -閉路溫度控制系統 相 對 於 時 間 之 功 率 需 求 的 圖 形 0 圖 4a 是 一 加 执 # «* * 裝 置 之 圊 形 且 該 加 执 裝 置 可 用 以 形 成 HSG矽 與用以監控HSG矽 之 形 成 及 /或彳貞測H S G石夕 之 形 成 之 终 點 〇 圖 4b是 圖 4 a 之 快 速 加 轨 裝 置 之 光 源 佈 置 的 圖 形 〇 圖 4 c 展 示 一 /JCL 度 量 測 裝 置 在 一 虛 擬 Μ 川、 體 空 腔 之 置 放 且 該 t體 空 腔 是 基一支一無 關 於 .發 射' 率 〇 圖 4d展 示 — /J2Z. 度 量 測 裝 置 在 一 虛 擬 里 體 空 腔 之 置 放 且 該 望 體 空 腔 相 依 於 發 射 率 〇 發 明 詳 細 說 明 本 發 明 說 明 一 種 用 以 監 控 一 製 程 及 /或彳貞測- -製程之終 點 的 新 奇 方 法 及 裝 置 0 在 下 列 說 明 中 極 多 特 定 細 即 受 到 陳 述 例 如 特 定 之 設 備 組 態 及 處 理 步 驟 以 達 成 對 於 本 發 明 之 完 整 瞭 解 0 但 是 熟 本 技 術 領 域 者 應 可 明 瞭 本 發 明 可 在 fe 該 等 特 定 細 /γΛτ 即 之 下 受 到 實 施 0 在 其 他 實 例 中 為 眾 所 知 之 半 導 體 砂厂- 5又 備 及 製 造 技 術 不 會 受 到 特 別 詳 細 之 說 明 以 免， 不 必 要 地 模 糊 本 發 明 0 本 發 明 說 明 - 種 用 以 監 控 — 基 質 處 理 步 驟 及 /或偵測- 基 質 處 理 步 驟 之 終 點 的 新 奇 方 法 及 裝 置 〇 根 據 本 發 明 > 田 基 f 受 到 處 理 時 一 基 質 表 面 特 徵 例如 但 不 限 於 5 表 面 發 射 率 或 表 面 .，© /JHL 度 受 到 監 控 0 該 表 面 特 徵 之 預 先 決

4346S 1 五、發明說努（7) 定主__m_i用以監控-處理步騨及/或顯示處理步雜之結 束。 在本發明之一實例中，基質之表面發射率是用以顯示一 製裎之終點，且該製程是用以製造半球型顆粒（HSG)矽於 一基質。在一是之發—.射奉......堂.到監.控，且該 退火步驟轉換一非晶矽薄膜成為一具有半球型顆粒（HSG ) 矽或粗糙表面之多、益__逆.羞_膜。當半球型顆粒成長時，基質 之發會改變（例如降低），由於一粗糖表面形成於先前 平滑之非晶矽薄膜。當大多1石夕顆粒開始成長..，立兹.复_膜 之表面變得|交粗糙時，基質之jl：射率會降低。藉由以即8· 方式來連續監控基質之發射率，基質之發射率之變化可用 密切監控基質之表面發射率之變化，吾人可決定顆粒形成 之開始，決定何時顆粒已達到他們之一最-隹大小或形康，及 決定何時顆粒已變得過成長及填滿。以此方式，退火步驟‘ 之長度可受到精確控j，在um ’以精確產生任何所 要之黾膜粗糙度。 在本發明之另一實例中，一基質之溫度是用以監控一製 程或顯示一製程之終點，且該製程是用以形成HSG矽。根 據本發明之此實例，一具有非晶矽之基質置放於一具有h 路溫度控制系統之處理室，且受到加熱以利用非晶矽薄膜 來形成半球型顆粒矽。當提供一恆定數量之熱量至基質 時，基質之溫度受到連續監控。基質之溫度之一預先決定 變化是用以監控該製程及/或顯示該加熱步驟之結束。

第10頁 43465 1 五、發明說明（8) 在本發明之另一實例中，當處理一半導體基質時，運用 一溫度量測裝置來監控基質之溫度，且該溫度量測裝置幾 乎無,湖於基質之發射率。除此之外，當處理半導體基質 時，也運用一溫度量測裝置來監控基質之溫度*且該溫度 量測裝置相依於基質之發射率。當處理基質時，幾乎無關 於發射率之量測裝置所量測之溫度與相依於發射率之量測 裝置所量測负溫度間之差異受到計算。幾乎無關於發射率 之量測裝置所量測之溫度與相依於發射率之量測裝置所量 測之溫度間之差異的變化接著是用以監控製程及/或顯示 處理步驟之結束。 在本發明之另一實例中》—熱量處理器之閉路溫度控制 系統所消耗之功率數量的變化是用以監控HSG矽形成及/或 顯示HSG矽形成之結束。在本發明之此實例中 > 一閉路溫 度控制系統是用以在處理期間維持基質於一恆定溫麿設定 點。基質溫度偏離m溫—化皆會導致提供至 加熱源之功率數量之對應增加或減少，以致更多或更少之 熱量將提供至基質，以致基質溫度可維持於設定點溫度。 當籍由轉換非晶矽薄膜成為具有粗糙表面之多晶矽薄膜來 形成HSG矽時，棊質之溫度由於其之表面粗糙度增加會產 朱..變，化。若試圖維持基質於較低之設定點溫度，則閉路温 度.m統降低提』告_至加煞源之功率數量。因此，藉由連 續監控閉路溫度控制系統之加熱源所消耗之功率數量，可 監控HSG矽之形成及/或偵測HSG矽之形成之終點。 現在參照圖2 a - 2 h所展示之特定實例來說明本發明，其

第11頁 434651 五、發明說明（9) 中一表面特徵，例如發射率或溫度，受到監控，以監控基 質之半球型顆粒（HSG)矽薄膜之形成及/或偵測基質之HSG 矽薄膜之形成的終點。應可理解本發明同樣適用於監控其 他製程及/或偵測其他製程之終點，而該等其他製程可 為，例如，但不限於，.薄-膜.之況_積1材料.之結晶之變化， 薄膜之折射係數之修改*及薄膜.之移除。 為形成一 HSG矽薄膜，一基質受到提供，且該基質具有 形成於其之一非晶石夕薄膜，如圖2 a所示。在本發明之一實 例中，其中一 HSG矽薄模充當高.座度動態隨機存取記憶體 (DRAU之下雷，一基質（或晶圊）2 0 0通常將包含一單晶 矽基質201，且基質201具有一形成於其之圖欲化|際電介 笨（I UOZJIZ。一非晶矽薄膜2 (] 4接著將覆蓋沉積於I LD 2 0 2 之上，且接觸形成於單晶矽基質2 0 1之摻雜區2 0 6 β —非晶 矽薄膜2 0 4可形成於多重基質（批次）低壓化學氣相沉積 (LPCVD )爐，如圖1 b所示之爐1 2 0。此種沉積過程將沉積於 基質2 0 0之上表面之非晶矽薄膜2 0 4以及基質2 0 0之下表 面，如圖2 a所示。非晶矽薄膜2 0 4接著可受到圖樣化以形 成個別之電容器電極2 0 8，如圖2 b所示。 為轉換非晶矽薄膜2 0 4成為具有半球型顆粒（HSG )之多晶 矽，基質2 0 0置放於一加熱裝置，且當基質在該加熱裝置 中受到加熱時，該加熱裝置可監控一基質特徵，例如，基質 發射率或溫度。一適當之加熱裝置之範例是具有蜂巢加熱 __源之 Applied .Materials RTP XE Centura，如圖 4a-4d 所 示。另一適當之快速加熱裝置及其之運作方法陳述於指配

第12頁 ;434651 五、發明說明（10) 給本專利申請之權利人之美國專利第5，1 5 5，3 3 6號。 快速加熱裝置400，如圖4a所示，包含一中空室413，且 中空室4 1 3為側璧4 1 4及下璧4 1 5所圍繞。一加熱裝置*例 如輻射能量光管裝置4 1 8置放於及耦接至窗裝置4 1 7。輻射 能量裝置418包含多個鹵化鎢燈419，例如Syl vania EYT 燈，且每一燈皆安裝於一光管421，而光管421可為不鏽 鋼，銅，紹或金屬。一基質或基質200藉由碳化梦所製成 之支撐環462來支撐於其之邊緣内室413。支撐環462安裝 於可轉動之石英圓柱體463。藉由轉動石英圓柱體463可導 致支撐環4 6 2及基質2 0 0之轉動。 快速加熱裝置4 0 0包含一形成於侧壁4 1 4之氣體入口 469，以注入處理氣體於室413來允許各種處理步驟在室 4 1 3中實施。氣體出口 4 6 8則置放於氣體入口 4 6 9及側壁4 1 4 之二相反側。氣體出口 4 6 8耦接至真空源，例如幫浦，以 排除室4 1 3之處理氣體，及降低室4 1 3之氣壓。處理氣體通 常經由氣體入口 469饋入處理室，且經由氣體出口 4tJ9排 除》因而在平行於基質2 0 0之上表面或面產生一層狀流。 燈4 1 9包含纏繞做為線圈之燈絲，且該線圈之軸平行於燈 罩蓋之軸。大部份之光是垂直於該軸發射至圍繞之光管 璧。光管長度是選擇成為至少與相關之燈一樣長。光裝i 4 1 8最好包含以六角形陣列或"蜂巢狀11來置放1 8 7燈，如圖 4b所示。燈419置放成為適當覆蓋基質300及支撐環462之 全部表面。諸燈419群組成為許多區，且該等區可獨立受 到控制以提供基質2 0 0之極度均勻加熱。

第13頁 434651 五、發明說明（11) 、抱速加熱裝£ 4 0 0是一信號基質反應室，且該反應室能 夠以攝氏2 5 - 1 0 0度/秒之速率來提升一基質或基質2 0 0之溫 度。加熱/冷卻流體可循環通過側壁4 1 4及/或下壁4 1 5以維 持該等壁於所要之溫度。快速加熱裝置4 0 0最好是配置成 為一"叢集工具”之一部份，且該叢集工具包含一負載鎖及 一具有機械臂之轉移室。 袂速加熱裝置4 0 0運用一虛擬黑體空腔，且該空腔致能 基質溫度之準確量測，且該空腔致能基質發射率之量測。 此種快速加熱裝置及其之溫度量測方法陳述於指配給本權 利人之美國專利第5 , 6 6 0 , 4 7 2號，且在此提及該專利以供 參考。反射器402位於基質200之下，且安裝於水冷式不鏽 鋼基底4 1 5。反射器4 0 2是由鋁製成且具有，例如，金製成 泛高反射性表面塗層_、_4又0。基質20 0之下佩_及.五射器10 2之 上側形反射空腔腔_1..丨8，以之 有效發射率（亦即使得基質發射率變成大約一）。當一 2 0 0 公釐之基質安裝於碳化矽支撐環之上時*基質與反射器相 隔大約0 . 3英吋（7 . 6公釐），因而形成寬長比是大約2 7之 空腔4 1 8。 基質2 0 0之背侧之局部區的溫度是藉由溫度量測裝置47 0 來量測。在如圖4 a所示之本發明之一實例中，溫度量測衣 置或探針470包含一光管472，且光管472是用以經由形成 於反射I之..孔_徑.47.4鬼取樣空腔41 8之輻射。經取樣之強度 通過光纖474至高溫計476，而在高溫計476令經取樣.，之__雜 度轉換成為一溫度。如圖4 c所示’光管4 7 2之孔徑4 7 4接忮

第14頁 434651 五、發明說明（12) 包含許多分量之輻射：分量4 8 0是自基質3 0 0之背側直接接 收之輻射且未具有反射；第二分量4 8 2只經歷反射器4 0 2及 基質2 0 0之背側之一次反射；第三分量4 8 4經歷反射器4 0 2 及基質2 0 0之背側之二次反射；依此類推。光管47 2或反射 板之任何部份所接收之總強度可藉由相加入射賴射之分量 之無限級數來求得。反射板之一點可藉由如下相加入射輻 射之分量之無限級數來求得 (方程式1 a ) ε · σ ·Τ 1= I一R (1-ε) (方程式1 b ) 其中冷反射板之反射率是以R來表示，基質之發射率是以 ε來表示，且其中σ是斯忒藩-波爾茲曼常數，而T是基質 之溫度。 假設反射器之反射率等於一（R=丨），則方程式1 b化簡 成為： 1= σ T4 (方程式lc) 其中輻射I無關於基質之背側之發射率。換句話說，反射 器產生一虛擬黑體空腔1且就該虛擬黑體空腔而言基質之 "有效發射率"等於一。

434651 五、發明說明（13) 以此方式，基質之背側之有效發射率增加至理想值— (£ = 1 ) ’且基質之實際發射率對於溫度之影響可忽略不 計s因此’由於黑體空腔4 i 8，探針4.74斯...量赳之溫度可視 為無關於H ln H率。除此之外，如果想要的話， 孔彳s 4 7 4可置玫於一形成於反射器4 〇 2之表面之小反射空腔 (微空腔）。~表面微空腔進一步強化反射空腔4 1 8之虛擬 黑體效應’且因此增加基質之有效發射率至—更接近一之 值。可包含類似於溫度量測裝置4 7 0之其他溫度量測裝置 或探針477，478，及479以致能基質2 0 0之背側之各個位置 的溫度量測。 但是’不幸的是，實際上反射器4 0 2之反_射率，雖然接 =—’但不等於一，II例如空腔d戒反射器4〇2將無法 凡王反射’且因此探針4 7 0所量測之溫度將不會完全無關 於基質之發射率。 衣置4 0 0因此包含第二溫度量測裝置或探針4 8 0。如圊4 a 及4d所不’光管482提高至反射表面402以上至距離基質 2 0 0之背側大約3 - 4公釐以内。在此種組態中，第二探針 4仙主边1發—射毛處&射皇將小於笫一援針4 了立之有效發射 千減反射率。藉由提高探針480之光管482至反射表面402 之上’光管4 8 2只接收直接來自基質2 0 0之背側之輻射，如 圖4d所示。光管4 8 2所接收之輻射之強度因此基本上是 1 = ε σ T4。因此探針480所_...須...氣_之,..顏._射之強度是視為相依 於發射率。探針4 8 0可稱為M發射計N ^探針4 2 0及4 8 0應置 放成為彼此夠接近，以致他們可量測基質2 〇 〇之幾乎相同

苐16頁 4346b i 五、發明說明C14) 區域之溫度，但未接近至會對彼此造成干擾。吾人已發現 1至3公分之間隔即足夠。另外，若要置放探針4 8 0成為接 近基質2 0 0之背側，則探針4 8 0可置於一圓柱型微空腔，且 該微空腔之底部覆蓋著非反射性材料。 藉由運用產生不同有效發射率或有效反射率之二探針 4 7 0及4 8 0來量測一基質之單一位置之溫度，吾人可有效計 算___或_座.哀基質在處理期間之實際發射率（e )。一種利用產 生不同發射率之二探針來計算晶圓之實際發射率的為眾所 知方法陳述於指配給本權利人之美國專利苐、6 6 0 , 4 7 2 號，且在此提及該專利以供參考。基質之實際發射率可J 以修正探針4 7 0之溫度量測。以此方式，當基質2 0 0受到處 理時，裝置4 0 0矸準確決定皇質2 0 0之溫度或基質2 0 0之發 射率。 除此之外，在本發明之一實例中，快速加熱裝置4 0 0運 用一閉路溫度控制系統來在處理期間監控及控制基質2 6 0 之溫度。溫度量測裝置4 7 0及4 8 0監控自基質2 0 0之背惻所 發射之輻射，且提供用以顯示所接收之輻射之信號至多重 輸入/多重輸出控制器4 9 0 1例如一電腦系統，且該電腦系 統包含一中央處理單元（CPU )，例如微處理器，與一記憶 體，且該記憶體以可執行碼之型態來儲存一系統控制程 式.，而該系統控制程式包含用以控制溫度，壓力，氣流， 及,_裝.置4 0 0之其他方面的各種演算法或副常式。控制器490 包含一輸入及一輸出裝置，例如鍵盤及C RT終端機，且該 輸入及輸出裝置是分別用以載入程式，製程參數，及通f

第17頁 43465 1 五、發明說明（15) 用以控制裝置4 0 0之運作。儲存於溫度控制器4 9 0之一溫度 控制演算法是用以計算探針4 7 0及4 8 0所感測之溫度。溫度 控制演算法接著決定及提供功率設定點至多重區域燈驅動 程式492>且驅動程式492接著導致諸燈提供更多或更少 之熱量〔輻射）至基質2 0 0，以致基質2 0 0之溫度可增加，減 少，或維持於或至一所要之溫度設定點，且該溫度設定點 是由一特定製程方法來提供。 雖然本發明是說明成為執行於一特定快速熱處理（RTP) 裝置4 0 0，如圖4所示，應可理解本發明未受限於此特定快 速熱處理器，且也可使用具有適當特點及功能之其他處S 裝置。 圖3 a是一展示一製程方法之溫度設定點之圖形，且該製 程方法是用以形成半球型顆粒矽。基質2 0 0置放於處理室 4 1 3之支撐環4 6 2，且處理室4 1 3處於大約攝氏4 5 0 - 5 0 0度之 閒置溫度。基質2 0 0接著加熱至第一溫度設定點（T s p 1 ) > 而第一溫度設定點是低於非晶矽薄膜2 0 8及2 0 4之結晶溫度 的溫度1而非晶矽薄膜之,結晶溫:度一般是大約攝氏6 i〇 度°燈4 1 9需耗時大約5秒以加熱基質2 0 0至啟始設定點溫 度。 一旦基質2 0 0已達到第一溫度設定點，則少量之引晶氣 體，例如，但不限於，矽烷（S 1 H4)及乙矽烷（S i 2H6)，饋入 處理室4 1 3。引晶氣體提供成核中心2 1 2，如圖2 c Μ及2 c - 2 所示，且在隨後之退火期間半球型顆粒可自該等成核中心 成長。基質2 0 0可藉由提供大約丨0立方公分之矽烷至處理

第18頁 4 346 5 1 - 五、發明說明（16) 室4 1 3大約3 0秒，當室4 1 3之氣壓維持於大约3毫托時，來 充份受到引晶。 一旦基質2 0 0已受到充份引晶，則引晶氣體之流動受到 關閉，且設定點溫度增加，如圖3 a所陳述，至第二溫度 (T s p 2 )，而第二溫度是退火溫度。退火溫度至少是矽之結 暴,溫度，而矽之結晶溫度是大約攝氏6 5 0度》因為在退火 期間沒有氣體流入室4 1 3，室氣壓在退火期間降至大約1 0〃 托。低沉積氣壓非常珍貴，因為剩餘之氧受到移除，以致 沒有氧化物（S i 02)形成於非晶矽薄獏2 0 4，而該等氧化物 可阻礙顆粒成長於電極2 0 8之表面。 在以高於攝氏650度之溫度退火或加熱基質200 —少量之 時間t,之後，顆粒2 1 4開始自成核中心2 1 2成長，且位於其 下之非晶矽薄膜開始結晶，如圖2 d - 1及2 d - 2所示。應可理 解顆粒2 1 4也自背側之非晶矽薄膜2 0 4成長於基質2 0 0之背 惻。當退火持續至時間t2時，矽顆粒2 1 4變得較大且位於 其下之非晶矽薄膜進一步轉換成為多晶矽，如圖2 e -1及 2 e - 2所示。當退火時間持續至時間t3時，顆粒變得更大且 '達到他們之最佳大小及形狀，如圖2 f - 1及2 f - 2所示。顆粒 21_1—之-最土大小1_堂顆粒之高度（h)等於或時 且..當J皇題粒彼此相距夠遠弘使額外之薄膜可沉積於諸顆祖 之座。以此方式可形成具有最大表面面積之多晶矽電容 器電極。如杲退火持續至時間t4，則顆粒繼續成長並填滿 相鄰顆粒間之空隙，進而導致電極表面之不良平滑化，如 圖2 g - 1及2 g - 2所示。此種表面之平滑化降低電容器電極之

第19頁 434651 五、發明說明（π) 表面面積，而此接著降低細胞之儲存容量。因此能夠決定 何時顆粒已達到他們之最佳大小及形狀，以致可停止退火 步驟極為重要，而退火步驟之停止是藉由降低基質溫度至 第三設定點溫度（T s ρ 3 )來達成，且第三設定點溫度低於矽 之、.結_晶.溫___度。以I方式電極2 0 8之叙.JL.表....面；.獲得保留以 達到細胞之最太_^_^....容量。 圖3b是在HSG矽形成期間基質2 0 0之發射率如何變化之圖 形。在最初之引晶步驟中，矽薄膜2 0 4維持幾乎不變，且 因此基質之發射率維持恆定，如圖3 b所示。在時間t,在退 火步驟及HSG開始期間，如圖3b所示，因為HSG顆粒成長 所以基質之發射率開始降低。在時間t2，因為HSG顆粒變 得較大，發射率繼續降低°發射率繼續降低直到在B宑fB1 t3 達到一最小發射率為止，其中親專大+為最大且表面為最 粗糙。在時間t3以後之進一步退火導致顆粒成長於相鄰顆 粒之間，進而導致顆粒之合併及表面之平滑化及晶圓2 0 0 之表面發射率之合成增加，如圖3 b所示。因此，藉由在退 火步驟中連續監控（至少2 0次/秒）基質2 0 0之發射率，吾人 可監控HSG矽之形成及運用發射率變化或值來顯示HSG形成 步驟之终點。 在HSG矽之形成期間基質2 0 0之背側發射率可連續受到計 算及監控，籍由利用探針4 7 0及48 0 "動態π取樣基質2 0 0之 背側所發射之輻射，及傳送取樣值至溫度控制器4 9 0，及 接著當基質受到加熱時，運用系統控制程式之一發射率計 算演算法來計算或決定基質之發射率。應注意的是雖然相

第20頁 43465 ί -: 五、發明說明（18) 關之HSG形成於基質2 0 0之上側，其中形成電容器電輯 2 0 8，基質背側之發射率可受到監控，因為HSG矽利用非晶 矽薄膜2 0 4對應形成，而非晶矽薄膜2 0 4形成於基質2 0 0之 背惻。每秒取樣輻射2 0次可提供足夠數目之發射率計算來 適當監__.控―基_览_义減名處煤。系統控制程式之一終點偵測演 算法可用以尋找發射率之一預先決定變化，發射率之變化 率（導數），或基質之特定發射率，以顯示HSG形成步驟之 結束，且因而提供第三溫度設定點（T s p 3 )，.而第三溫度設 定點降低燈4 1 9之熱量輸出以使基質2 0 0之溫度降至低於矽 之最小結晶溫度。 在本發明之一實例中，終點偵測程式尋找一給定發射率 以顯示終點。在本發明之另一實例中*終點偵測程式偵測 基質之發射率之一給定變化（例如降低），相較於基質之發 射率之啟始恆定值。在本發明之另一實例中，終點偵測演 算法籍由在基質遠到一干決定之最小值以後偵測U之 發射率之增加來偵測製程之最小發射率。在本發明之另一 實例中*終點^偵測演算法在基質之發射率遞減之後尋找基 質之發j遵,之..通」曾。 在本發明之另一實例中，基質2 0 0之表面溫度是用以監 控H S G矽之形成及/或偵測H S G矽之形成之終點。表面溫度 可用以監控HSG矽之形成及/或偵測HSG矽之形成之终點， 因為當HSG矽形成時，基質之發射率會改變，而此導致基 質之表面溫度之變化。當基質2 0 0之表面溫度是用以監控 一製程或偵測一製程之終點時，提供至基質之熱之數量

43465 1 五、發明說明（19) (例如提供至燈3丨9之功率數量）在受到監控期間必須維持 恆定，以致基質溫度之變化將是起因於表面形態之變化， 而非起因於提供至基質之熱之數量的變化。換句話說，當 使用基質之表面溫度來監控一製程或偵測一製程之終點 時，該製程應執行於一"開路"系統，其中溫度控制系統沒 有反饋，以致溫度控制系統未改變提供至基質之熱之數量 來試圖維持基質於一恆定溫度。在一開路系統中，基質溫 度未維持於一設定點溫度，而是允許在任何穩態溫度附近 振堡。 圖3c是在一裝置之HSG矽形成期間基質2 0 0之表面溫度士 何變化之範例，且該裝置具有一開路控制系統。如圖3 c所 示，在引晶步驟中，基質2 0 0之溫度是藉由增加提供至燈 3 1 9之功率來提升至引晶溫度Ts p 1。一旦基質2 0 0達到引晶 溫度T s p 1，則基質之溫度維持幾乎恆定，因為基質之表面 特徵在引晶期間不會改變。在充份引晶至基質2 0 0之後， 基質2 0 0之溫度是藉由增加提供至燈3 1 9之功率數量來提升 至退火溫度T s p 2。一旦基質2 0 0達到退火設定點溫度 T s p 2，則提供至燈3 1 9之功率數量維持恆定，以致在退火 步驟中一恆定數量之熱量提供至燈3 1 9。在基質2 0 0受到边 火一段時間t丨之後，由於HSG矽之形成，基質之溫度開始 增加至高於退火設定點溫度（Tsp2 )之溫度。當基質2 0 0受 到退火一段時間12時，表面變得更粗糙且基質2 0 0之溫度 對應增加。在退火溫度t3，諸顆粒達到他們之最佳大小及 形狀且基質溫度達到最大值。如果退火繼續至時間t4，則

第22頁 43465i (20) ^ 基質溫度開始下降，因為新顆粒開始填滿相鄰羯粒間之間 Ρ·?、°因此藉由連續監控（至少2 0次/秒）基質‘2 0 0之表面溫 乂’當提供一恆定數量之功率至燈319時，吾人可監控HSG 石夕之形成’及使用溫度變化，變化速率，或絕對溫度來監 控H S G矽形成及/或顯示η S G形成步驟之終點。 在本發明之一實例令’在恆定功率條件下之基質溫度之 變北是用以監控HSG矽之—形減及/或偵測HSG矽之形成之終 點。基質2 0 0之溫度在HSG矽形成期間可連續受到計算及監 控’藉由利用探針4 7 0及4 7 2取樣基質2 00之背側所發射之 幸昌射’及傳送取樣值至溫度控制程式之一溫度計算演算 法。探針4 8 0所偵測之輻射可用以推導一經修正且更準確 之探針470所提供之溫度讀數。探針470所感測之經修正溫 度接著可用以在基質3 〇 〇之處理期間準確提供基質2 〇 〇之溫 度。 在本知明之一實例中，系統控制程式之一終點偵測演算 法可用α伯測預^-決.在二^溫度變化，炎預先決定之溫度變 化速率’或偵測溫度之預先決定值，以顯示HSG形成步驟 之結束’且因此顯示退火步驟之結束。雖然基質2 〇 〇之溫 度最好是利用經探針480修正之來自探針47〇之輻射來監 控’其他方法或分量，例如耦接至基質2 〇 〇之熱電耦，也 可用以在處理期間監控基質2 0 0之溫度。 圖3 d是展示探針4 7 〇及探針4 8 0所量測之溫度在KSG矽形 成期間如何隨著時間改變之圖形。圖3(1也展示探針470 及探針4 8 0所量測之溫度間之差值（△ τ )。溫度差△ τ提供

第23頁 43465i 五、發明說明（21) 一可用以監控HSG形成製程之清楚信號。如自圖3d應可看 出，該二量測溫度間之差值在引晶步驟中維持幾乎恆定。 在時間t ^在HSG矽開始期間，該二量測溫度間之差值開始 增加。因為在時間12顆粒開始變得較大，所以該二量測溫 度間之差值進一步增加。在時間t3，當諸顆粒達到他們之 最佳大小及形狀時，該二量測溫度之差值達到最大值。基 質2 0 0之進一步退火至時間t4導致該二量測溫度間之差值 開始降低。探針4 7 0及4 8 0之量測溫度間之差值提供一明顯 最大值，且該最大值可用以偵測HSG矽形成之結束。因 此，藉由連續監控（至少2 0次/秒）探針4 7 0及4 8 0所量測之 溫度之差值，HSG矽形成可受到監控，且終點偵測變為可 能。 應注意的是探針4 7 0所量測之溫度維持相當穩定，相較 於探針4 8 0所量測之溫度。探針4 8 0之記錄溫度經歷較大振 盪，因為探針4 8 0較幾乎無關於發射率之探針4 7 0更相依於 發射率。因此*當HSG矽形成且更多矽薄膜轉換成為多晶 矽時，基質冬發射率開始改變1因而導致探針4 7 0及4 8 0所 量測之溫度間之差值變大。 在本發明之一實例中，系統控制程式之一終點偵測演算 法偵測探針1 5 0及1 5 2所量測之溫度間之一預先決定差值， 或差值之一預先決定變化，或一變化速率，以顯示HSG矽 形成步驟之結束。 在本發明之另一實例中，燈4 1 9之功率需求是用以監控 HSG矽之形成及/或偵測HSG矽之形成之終點。在本發明之

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A 五、發明說明（22) 此實例中，快速加熱裝置4 0 0運用為眾所知之閉路溫度控 制系統來控制加熱基質2 0 0。在閉路溫度控制系統中，一 溫度設定點是由操作員或儲存文製程方法來提供至一溫度 控制演算法，例如為眾所知之比例積分導數（P I D )演算 法。溫度控制演算法接著計算驅動程式4 9 2要提供給燈 4 1 9之功率數量（功率設定點），以加熱基質至指定之溫度 設定點。當基質改變溫度時，熱探針4 7 0恆定提供溫度反 饋至溫度控制演算法，而溫度控制演算法接著計算溫度設 定點及基質實際溫度間之差值或誤差，且運用該誤差來決 定諸燈之新功率設定點。在此種閉路溫度控制系統中，λ 度讀數恆定（至少2 0次/秒）饋至控制器4 9 0，而控制器4 9 0 調整送往諸燈之功率以達到或維持一指定之溫度設定點。 圖3 e是一展示提供至燈4丨9之功率之百分率在HSG矽形成 期間如何隨著時間改變之圖形。如圖3 e所示，在引晶步驟 中提供至諸燈之功率百分率維持幾乎恆定1因為基質之溫 度維持恆定。當退火步驟開始且溫度設定點增加至退火溫 度（Tsp2)時，提供至諸燈之功率百分率增加以自諸燈419 提供更多熱量，且因而增加基質2 0 0之溫度。一般而言， 在一 P I D演算法中，當提升基質之溫度時，最初提供多於 必<需之功率至諸燈.定點溫度之穩°以此·方式丞 質可更故.提_升至新的設定點溫度。當基質之溫度θ動成為 更接近設定點溫度時，功率百分率下降至一百分率1且該 百分率更接近達到設定點溫度所必需之百分率。當基質受 到退火時，設定點溫度維持恆定。但是，因為H S G矽之形

第25頁 434651 五 '發明說明（23) 成，基質之發射率在時間t;開始改變，因而導致基質溫度 之合成增加。因為溫度控制系統是閉路系統，其自動降低 提供至諸燈之功率以維持基質於設定點溫度。因此當HSG 矽開始形成時，其導致基質之發射率改變，且這導致基質 自諸燈所引收及基質所發射至處理室週圍之能量改變，而 這接著導致閉路系統改變提供至諸燈之功率數量。因此， 吾人可監控提供至諸燈之功率之數量（百分率），主同時在 退火_期.間.退度.設.._定—1.維接.」1—定U—控ϋϋ矽之形成，.及/或偵 測HSG逆..之.形-成之終點。 在本發明之一實例中，一終點偵測演算法獲得提供，上 該演算法監控（至少2 0次/秒）在退火期間提供給燈4 1 9之 功率數量以顯示HSG退火步驟之結束。該終點偵測演算法 可運用提供給諸燈之功率之百分率的變化1提供之功率之 變化速率，或絕對功率值來顯示H S G形成步驟之結朿。 —旦HSG多晶矽已充份形成於下雷容器電極2 0 8，則處理 繼續以完成電容器細胞之製造。例如，一電.容器.....$...企質 2 1 6覆蓋沉積於I L D 2 0 2及下電極2 0 6之上，而電介質2 1 6是 由，例如，氧化带，氮化；5夕，或過渡金屬氧化物，例如五 氧化钽，所製成。接著一上電容器電極材料覆蓋沉積於雪 容器電介質之上，且該材料可為，例如，多晶石夕或一金 屬，例如氮化鈦或鎢。上電容器電篮.就赴及其之電..容器.電 介質層接著利用為苽所知之光刻法及蝕刻.ϋ術來圖樣化， 以形成一上電容器電極2 1 8。在此時製造一堆尋型雷容器 之製程結束°為眾所知之半導體處理步驟，例如金屬互連

第26頁 4 3465 五'發明說明（24) 及鈍化步驟，可用以處理基質2 m.為.....功能型動態隨機存 取迄.憶一體(..DliM)。 因此，在HSG矽之形成期間，由於非晶矽薄膜轉換成為 HSG多晶矽，所以表面特徵，蛛如羞^質之溫__度及發射率， 會改變.。藉由在HSG矽之形成期間記錄基質特徵，例如發 射率及溫度，可獲得該製程之一 :/签章，如圖3 b - 3 e所示。 應可理解發射率及溫度簽章，如圖3b-3e所示，是基質之 特定薄膜堆疊之一特徵，且就非晶矽薄膜以及位於其下之 諸層之不同薄膜厚度及雜質濃度而言，可變化甚多。因此 不同之基質輪廓明顯展現不同之表面特徵簽章。藉由使尺 為眾所知之技術及設備，例如掃描電子顯微鏡（SEM)，傳 輸、電..子(TJM)及原子力顳微鏡（AFM、，顆舱太> 及形 狀可相關於如圖3 b - 3 e所示之簽章圖形之特定位..置時 間）。顆粒大小及形狀之進一步相關可藉由下列方式來進 行：利用形成於各種退火時間之H S G矽來製造電氣結構（電 容器），且相關此電氣資料於圖3b - 3 e所示之簽章。以此方 式任何HSG矽形成製程皆可精確受到控制及監&以達成最 鱼各_...提....粒大小及形狀，進而達成每一細胞大小之最大儲存 容…量…。 因此，本案說明一種監控H S G矽之形成及/或偵測H S G矽 之形成之終點的方法。應可理解雖然本發明一直針對HSG 矽之形成來加以說明，但是本發明之技術可用以監控其他 製程及/或偵測其他製程之_終_ .悉。例如，基質特徵，例如 表面發射率或_溫度，或閉路溫度控制系統之功率需求，可

苐27頁 4346S i 五 '發明說明（25) 連續受到取樣^丄4-監.·基一製-程钭…如-....in沉積及薄膜結晶化’ 與測該等製裎之羞_.點。因此’本.-發專之〜謀-H-i复里為 示範，而非限制，其中本發明之範疇應以隨後之附加申請 專利範圍來衡量。 因此，監控一製程及偵測一製程之終點的方法及裝置已 獲得說明。

Claims (1)

1. 434681 六、申請專利範圍 1 · 一種用以偵測一製程之终點之方法，該方法包含-下列 步騾： 當處理一基t座，量规該基質之一表._面特徵；及 運用該表面特徵之^化来_.題_示該基質之該處理之結束。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該表面特徵是該 基質之發射率。 3. 如申請專利範圍第1項之方法*其中該表面特徵是基 質之溫度。 4. 一種用以監攆一製裎之方法，且該製程是用以形成半 球型顆粒矽，該方法包含下列步驟： 置放一基質於沉積室，且該基質具有一外部非晶矽薄 膜： 加熱該基質以利用該非晶矽薄膜來形成半球型顆粒； 當加熱該基質時，監控該基質之一表面特徵；及 運用該基質之該表面特徵之變化來監控該丰玻剞顆Ml矽 ^ΜΛ 0 5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該表面特徵之一 預先決定變化是用以顯示該半球型顆粒矽之形成之結束， 及該加熱步驟之結束。 6. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該表面特徵是該 基質之發射率。 7. 如申請專利範圍第4項之方法，其令該表面特徵是該 基質之溫度。 8. —種用以監控半球型顆粒矽之形成之方法，且該半球

   0:V59\5974B.PTD 第29頁 434g5 卜: 六、申請專利範圍 型顆粒矽是利用形成於半導體‘質之非晶矽薄膜來構成， 該方法包含下列步驟： 置放該基質於一處理室； 在該處理室加熱該基質以利用該非晶矽薄膜來形成半球 型顆粒矽； 當加熱該基質時，連續監控該基質之發射率；及 運用該基質之該發射率之變化來監控該半球型顆粒矽之 形成。 9 ·如申請專利範圍第8項之方法，其中該基質之該發射 率之變化是用以顯示該加熱步驟之結束。 1 0. —種用以監控半球型顆粒矽之形成之方法，且該半 球型顆粒矽是利用形成於半導體基質之非晶矽薄膜來構 成，該方法包含下列步驟： 置放該基質於一處理室； 在該處理室加熱該基質以利用該非晶矽薄膜來形成半球 型顆粒矽； 當加熱該基質時，連續監控該基質之溫度；及 運用該基質之該溫度之變化來監控該半球型顆粒矽之形 成。 11.如申請專利範圍第1 〇項之方法，其中該基質之該溫 度之變化是用以顯示該加熱步驟之結束。 1 2.—種用以監控一處理步驟之方法，該方法包含下列 步驟： 處理一半導體基質；

   O:\59V59748.PTD 第30頁 4 346 5 卜 六、申請專利範圍 當處理該半導體基質時，運用一溫度量測裝置來監控該 基質之溫度，且該溫度量測裝置是幾乎無關於該基質之發 射率； 當處理該基質時，運用一溫度量測裝置來量測該基質之 溫度，且該溫度量測裝置相依於該基質之發射率； 當處理該基質時，決定該幾乎無關於發射率之溫度量測 裝置所量測之溫度與該相依於發射率之溫度量測裝置所量 測之溫度的差值；及 運用該二溫度之差值之變化來顯示該處理步驟之結束。 1 3. —種用以監控一處理步驟之方法，該方法包含下列 步驟： 利用一具有閉路控制之溫度控制裝置來加熱一基質，且 該閉路控制維持基質於一預先決定之設定點溫度； 監控該溫度控制裝置所用之功率之數量；及 運用該溫度控制裝置所用之功率數量之變化來監控該加 熱步驟。 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該溫度控制裝 置所用之功率數量之一預先決定變化是用以顯示該加熱步 驟之結束。 1 5. —種用以處理一基質之裝置，該裝置包含： 一基質支撐； 一熱源； 一用以量測該基質之溫度之溫度量測裝置； 一控制該熱源之控制器；及

   O:\59V59748.PTD 第以頁 434851 - I 六、争請專利範圍 - 一耦接至該控制器之記憶體，且該記憶體储存一電腦可 讀型程式，並包含： 用以決定該基質之一表面特徵之變化的指令。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中該表面特徵是 之發射率。 1 7.如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中該表面特徵是 之溫度。 1 8. —種用以處理基質之裝置，該裝置包含： 一基質支撐； —熱源； 一控制送往該熱源之功率之控制器；及 —耦接至該控制器之記憶體，且該記憶體儲存一電腦可 讀型程式，並包含： 用以決定提供給該熱源之功率數量以維持該基質於一預： 先決定之設定點溫度的指令，與以-決_.定〜提供袷梁-.尊-避之 功率獻之、變化並I骑維農直..基__質於該預先決定_之」1.度的 指公。 1 9. 一種用以處理一基質之裝置，該裝置包含： 一基質支撐； ^ —熱源； 第一溫度量測裝置，且該第一溫度量測裝置幾乎無關於 該基質之發射率； 第二溫度量測裝置，且該第二溫度量測裝置相依於該基‘ 質之發射率；

   第32頁 434S5 1 - 六'申請專利範圍 一控制該熱源之控制器；及 一耦接至該控制器之記憶體，且該記憶體儲存一電腦可 讀型程式，以決定該第一溫度量測裝置及該第二溫度量測 裝置所量測之溫度間之差值。 2 0.如申請專利範圍第丨9項之裝置，其中該熱源包含多 個燈。

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