TWI550750B - 自動監控膜厚均勻性的方法 - Google Patents

Description

自動監控膜厚均勻性的方法

本發明是有關於一種半導體製造技術，且特別是有關於一種自動監控膜厚均勻性的方法。

在半導體工業領域，為了對所使用的材料賦與某種特性而在材料表面上以各種方法形成一層薄膜。而成膜機台所形成的薄膜的膜厚均勻性會直接關係到產品的良率和薄膜的品質。當製程機台開始老化，而造成膜厚數據及膜厚分布產生些微變化，上述些微變化很可能是造成產品品質產生異常的因素。然而，目前現有技術尚無法有效地且及時地得知膜厚分布發生些微變化。

本發明提供一種自動監控膜厚均勻性的方法，可有效地及早發現異常。

本發明的自動監控膜厚均勻性的方法，包括下列步驟。取得多個晶圓之薄膜的膜厚資料，其中膜厚資料包括各晶圓在多 個量測區域上的多個厚度值，並且將屬於同一個晶圓的厚度值設定為一膜厚向量。分別取出屬於相同的量測區域中的厚度值進行平均計算，而獲得群均值矩陣。依據群均值矩陣與上述膜厚向量，獲得群共變異矩陣。基於兩兩相近的量測區域之間的偏離關係，獲得變換矩陣。利用變換矩陣、群均值矩陣以及群共變異矩陣，獲得偏差範圍。基於偏差範圍來監控各晶圓之薄膜的膜厚均勻性。

在本發明的一實施例中，上述方法更包括依據製程機台特性，將上述膜厚資料進行分類。

在本發明的一實施例中，膜厚資料M的表示方式為如下所示。n表示量測區域的數量，j上述晶圓的數量，L ₁₁~L _nj 表示在n個量測區域上的厚度值，~表示分別對應於j個晶圓的膜厚向量。

在本發明的一實施例中，分別取出屬於相同的量測區域中的厚度值進行平均計算，而獲得群均值矩陣是依據下列公式。u _n×1為群均值矩陣，~分別表示在各量測區域中的厚度值的平均值。

在本發明的一實施例中，依據群均值矩陣與膜厚向量，獲得群共變異矩陣是依據下列公式。Σ代表該群共變異矩陣。

在本發明的一實施例中，上述偏差範圍為A×u±c×AΣA^T。A為變換矩陣，c為常數。

在本發明的一實施例中，上述量測區域為同心圓環狀，且在各晶圓自外圈位置開始往中心位置靠近依序包括：第一圈、第二圈以及一第三圈。而基於兩兩相近的量測區域之間的偏離關係，獲得變換矩陣的步驟包括下述步驟。依據第一圈與第二圈之間第一薄膜的第一偏離角度，獲得第一圈與第二圈之間的第一偏離關係。依據第二圈與第三圈之間第二薄膜的第二偏離角度，獲得第二圈與第三圈之間的第二偏離關係。依據第一偏離角度與第二偏離角度，獲得第一薄膜與第二薄膜之間的偏離度關係。基於偏離度關係、第一偏離關係與第二偏離關係，獲得用以求出第一薄膜與第二薄膜之間第三偏離角度的第一圈、第二圈與第三圈三者的膜厚係數，而以膜厚係數來作為變換矩陣。

在本發明的一實施例中，第一偏離角度為，第二偏離角度為。第一偏離關係為。第二偏離關係為。第三偏離角度為。求出偏離度關係是依據。而第一圈、第二圈與第三圈三者的膜厚係數依序為-1、2、-1，變換矩陣為[-1,2,-1]。

在本發明的一實施例中，上述方法更包括依據變換矩陣與膜厚資料，獲得各晶圓之薄膜的膜厚均勻度；以及將膜厚均勻度超出偏差範圍者判定為異常。

在本發明的一實施例中，上述方法更包括：在監測到各晶圓之薄膜的膜厚均勻性發生異常時，發出提示訊號。

基於上述，本發明利用現有所量測到的數據來自動進行監控程序，可有效並及早發現異常。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

1~17‧‧‧量測點

100‧‧‧監控裝置

110‧‧‧處理單元

120‧‧‧儲存單元

A1‧‧‧第一圈

A2‧‧‧第二圈

A3‧‧‧第三圈

C‧‧‧中心位置

fm、fm1、fm2‧‧‧薄膜

G1、G2‧‧‧群組

L1、L2、L3‧‧‧厚度值

m1、m2‧‧‧膜厚差

W‧‧‧晶圓

、、θ‧‧‧偏離角度

S205~S230‧‧‧自動監控膜厚均勻性的方法各步驟

圖1是依照本發明一實施例的膜厚均勻性的監控裝置的方塊圖。

圖2是依照本發明一實施例的自動監控膜厚均勻性的方法流程圖。

圖3是依照本發明一實施例的晶圓側面剖面圖。

圖4是依照本發明一實施例的量測區域的分布示意圖。

圖5是依照本發明一實施例所示圖3中X-X’的放大圖。

圖6是依照本發明一實施例的三維度的膜厚資料的示意圖。

圖7是依照本發明一實施例的二維度的膜厚偏離度關係的示意圖。

在晶圓製程中，在膜厚數據及膜厚分布產生變化時，同時也會造成品質開始產生異常，因此為了及早發現異常，本發明提出一種自動監控膜厚均勻性的方法，利用現有所量測到的數據來自動進行監控程序。為了使本發明之內容更為明瞭，以下特舉實施例作為本發明確實能夠據以實施的範例。

圖1是依照本發明一實施例的膜厚均勻性的監控裝置的方塊圖。請參照圖1，監控裝置100包括處理單元110以及儲存單元120。在此，處理單元110耦接至儲存單元120。處理單元110例如為中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)、可程式化之微處理器(Microprocessor)、嵌入式控制晶片等。而儲存單元120例如是任意型式的固定式或可移動式隨機存取記憶體(Random Access Memory，RAM)、唯讀記憶體(Read-Only Memory，ROM)、快閃記憶體(Flash memory)、硬碟或其他類似裝置或這些裝置的組合。儲存單元120中儲存有多個程式碼片段， 上述程式碼片段在被安裝後，會由處理單元110來執行，以實現自動監控膜厚均勻性的方法。

上述監控裝置100例如為膜厚量測設備。即，在膜厚量測設備中設置相關的程式碼片段，以對所量測的膜厚資料進行分析。或者，上述監控裝置100為獨立裝置，其利用有線或無線的方式自膜厚量測設備接收所量測到的膜厚資料來進行分析。然，上述僅為舉例說明，並不以此為限。

圖2是依照本發明一實施例的自動監控膜厚均勻性的方法流程圖。在本實施例中，監控裝置100會先依據製程機台特性，對所有的膜厚資料進行分類，藉此將屬於同一台製程機台所製成的晶圓的膜厚資料分類至同一群。之後，監控裝置100對屬於同一台製程機台所製成的晶圓的膜厚資料來進行膜厚均勻性的監控。在後述的步驟S205~S230皆是針對同一台製程機台所製成的晶圓的膜厚資料來說明。

在步驟S205中，監控裝置100取得多個晶圓之薄膜的膜厚資料。在此，膜厚資料包括各晶圓在多個量測區域的多個厚度值。即，這些厚度值是自不同的量測區域所獲得。並且，將屬於同一個晶圓的厚度值設定為膜厚向量。例如，假設量測區域為3個，則將第一個進行量測的晶圓在3個量測區域所獲得的厚度值設為一膜厚向量。

舉例來說，圖3是依照本發明一實施例的晶圓側面剖面圖。在本實施例中，為了突顯形成於晶圓W上之薄膜fm的不均 勻性，而以較大的厚度來繪示薄膜fm。於實際情況下，薄膜fm的厚度遠小於晶圓的半徑長度。以圖3的範例而言，薄膜fm的厚度由晶圓W的中心位置C向外圈逐漸增厚，且在內圈與外圈之間的薄膜fm形成有偏離角度θ。然，在其他實施例中，亦有可能形成如下情形，即，薄膜fm的厚度自內圈向外圈逐漸增厚。

圖4是依照本發明一實施例的量測區域的分布示意圖。在本實施例中，對應於圖3所示的薄膜fm，將量測區域設定為3個，且這些量測區域為同心圓環狀，並自晶圓W的外圈位置開始往中心位置靠近依序為第一圈A1、第二圈A2以及第三圈A3。第一圈A1包括量測點10~量測點17，第二圈A2包括量測點2~量測點9，第三圈A3包括量測點1。而在其他實施例中，第三圈A3亦可以包括2個或2個以上的量測點。另外，還可依照實際需求，設定為4個以上的量測區域，在此並不限定量測區域的數量。

取量測點10~量測點17所獲得的8個厚度的平均，作為第一圈A1的厚度值L1。取量測點2~量測點9所獲得的8個厚度的平均，作為第二圈A2的厚度值L2。取量測點1的厚度作為第三圈A3的厚度值L3。在其他實施例中，若第三圈A3以包括2個或2個以上的量測點，則取其平均來作為厚度值L3。

例如，膜厚資料的表示方式為如下：

在此，n表示量測區域的數量，j表示晶圓的數量。L ₁₁~L _nj 表示在n個量測區域上的厚度值。~表示分別對應於j個晶圓的膜厚向量。即，L ₁為第1個量測到的晶圓的膜厚向量，L ₂為第2個量測到的晶圓的膜厚向量，以此類推。

以3個量測區域為例，及如下所示：

接著，在步驟S210中，分別取出屬於相同的量測區域中的厚度值進行平均計算，而獲得群均值矩陣，如下所示：

u _n×1為群均值矩陣，~分別表示在各量測區域中的厚度值的平均值。即，為所有在第一個量測區域獲得的厚度值的平均值，為所有在第二個量測區域獲得的厚度值的平均值，以此類推。

之後，在步驟S215中，依據群均值矩陣與膜厚向量，獲 得群共變異矩陣Σ，如下所示：

並且，在步驟S220中，基於兩兩相近的量測區域之間的偏離關係，獲得變換矩陣。在此並不限定步驟S220的執行順序。

底下舉例來說明如何獲得變換矩陣。圖5是依照本發明一實施例所示圖3中X-X’的放大圖。在此以3個量測區域為例，即，以第一圈A1、第二圈A2、第三圈A3來說明。請參照圖5，第一圈A1的膜厚均值為L1，第二圈A2的膜厚均值為L2，第三圈A3的膜厚均值為L3。在第一圈A1與第二圈A2之間的薄膜fm1具有偏離角度。在第二圈A2與第三圈A3之間的薄膜fm2具有偏離角度。而薄膜fm1與薄膜fm2之間具有偏離角度θ。

依據第一圈A1與第二圈A2之間薄膜fm1的偏離角度，獲得第一圈A1與第二圈A2之間的第一偏離關係。並且，依據第二圈A2與第三圈A3之間薄膜fm2的偏離角度，獲得第二圈A2與第三圈A3之間的第二偏離關係。由於偏離角度及實際很小，因此偏離角度會相當於tan ，即，相當於第一圈A1與第二圈A2的膜厚差m1(L1-L2)；而偏離角度會相當於tan ，即，相當於第二圈A2與第三圈A3的膜厚差m2(L2-L3)。

據此，第一偏離關係與第二偏離關係如下所示：

並且，依據偏離角度與偏離角度，獲得薄膜fm1與薄膜fm2之間的偏離度關係，即，。之後，基於偏離度關係、第一偏離關係與第二偏離關係，獲得用以求出偏離度關係的第一圈A1、第二圈A2與第三圈A3三者的膜厚係數，而以膜厚係數來作為變換矩陣。求出薄膜fm1與薄膜fm2之間的偏離度關係是依據下列公式：

據此，第一圈A1、第二圈A2與第三圈A3三者的膜厚係數依序為-1、2、-1，即，變換矩陣A為[-1,2,-1]。若量測區域增加為四圈時，則變換矩陣A的維度也對應增加為4。

之後，在步驟S225中，利用變換矩陣、群均值矩陣以及群共變異矩陣，獲得偏差範圍。例如，偏差範圍為A×u±c×AΣA^T。A為變換矩陣，c為一常數。在本實施例中，常數c為3。而在其他實施例中，常數c亦可以是其他數值，在此並不限制。

最後，在步驟S230中，基於偏差範圍來監控各晶圓之薄膜的膜厚均勻性。例如，依據變換矩陣與膜厚資料，獲得各晶圓之薄膜的膜厚均勻度。例如，第一個量測的晶圓的膜厚均勻度為tan θ ₁=-L ₁₁+2L ₂₁-L ₃₁；第二個量測的晶圓的膜厚均勻度為tan θ ₂=-L ₁₂+2L ₂₂-L ₃₂；以此類推，第j個量測的晶圓的膜厚均勻度為tan θ _j =-L _1j +2L _2j -L _3j 。

在比對膜厚均勻度與偏差範圍後，將膜厚均勻度超出偏 差範圍者判定為異常。並且，還可在監測到晶圓之薄膜的膜厚均勻性發生異常時，發出提示訊號。

另外，倘若量測區域超過3個，亦適用於上述實施方式。例如，若為4個量測區域(由外圈位置至中心位置依序為第一圈~第四圈)，則一次以相近的3個量測區域來進行計算，即，取第一圈~第三圈計算膜厚均勻性及偏差範圍，之後再取第二圈~第四圈計算膜厚均勻性及偏差範圍。而同一個晶圓中只要出現一處異常，即判定為異常。

另外，依據上述實施方式，還可以簡化圖形化後的內容。圖6是依照本發明一實施例的三維度的膜厚資料的示意圖。圖7是依照本發明一實施例的二維度的膜厚偏離度的示意圖。

圖6所示為兩個製程機台對應的晶圓的膜厚資料，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。監控裝置100以製程機台的特性進行分類而獲得群組G1、G2。

接著，以群組G1而言，針對群組G1的膜厚資料執行上述實施方式中的步驟S205~S230，進而將所獲得的膜厚均勻度繪示成如圖7所示的二維度圖表。一台製程機台會對應至一張二維度圖表。在圖7中，縱軸表示膜厚均勻度，橫軸表示依時間所量測到的第j個晶圓。而當發現到膜厚均勻度超出偏差範圍A×u±c×AΣA^T(如圖7的虛線框部分)，則判定該群組的晶圓發生異常。據此，使用者透過二維度圖表能夠更容易知道經由指定的 製程機台所產生的膜厚均勻性是否產生異常，進而可提早預防其他重大異常發生。例如，在膜厚均勻性產生異常時，可提早檢修製程機台或更換製程機台。

綜上所述，本發明利用膜厚資料來計算多個量測區域之間膜厚的偏離關係，再根據上述偏離關係來判斷位於量測區域之間的膜厚均勻性。即，利用現有所量測到的數據來自動進行監控程序，可監測膜厚整體分佈變異，並且可有效並即時地監控製程機台的差異及穩定性，大幅提高使用上的便利性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S205~S230‧‧‧自動監控膜厚均勻性的方法各步驟

Claims (10)

1. 一種自動監控膜厚均勻性的方法，包括：取得多個晶圓之薄膜的膜厚資料，其中該膜厚資料包括每一上述晶圓在多個量測區域上的多個厚度值，其中將屬於同一上述晶圓的上述厚度值設定為一膜厚向量；分別取出屬於相同的上述量測區域中的上述厚度值進行平均計算，而獲得一群均值矩陣；依據該群均值矩陣與上述膜厚向量，獲得一群共變異矩陣；基於兩兩相近的上述量測區域之間的偏離關係，獲得一變換矩陣；利用該變換矩陣、該群均值矩陣以及該群共變異矩陣，獲得一偏差範圍；基於該偏差範圍來監控每一上述晶圓之薄膜的膜厚均勻性。
2. 如申請專利範圍第1項所述的自動監控膜厚均勻性的方法，更包括：依據一製程機台特性，將上述膜厚資料進行分類。
3. 如申請專利範圍第1項所述的自動監控膜厚均勻性的方法，其中該膜厚資料的表示方式為如下： 其中，M表示該膜厚資料，n表示上述量測區域的數量，j 表示上述晶圓的數量，L ₁₁~L _nj 表示在n個上述量測區域上的上述厚度值，~表示分別對應於j個上述晶圓的上述膜厚向量。
4. 如申請專利範圍第3項所述的自動監控膜厚均勻性的方法，其中分別取出屬於相同的上述量測區域中的上述厚度值進行平均計算，而獲得該群均值矩陣是依據下列公式： 其中，u _n×1為該群均值矩陣，~分別表示在每一上述量測區域中的上述厚度值的平均值。
5. 如申請專利範圍第4項所述的自動監控膜厚均勻性的方法，其中依據該群均值矩陣與上述膜厚向量，獲得該群共變異矩陣是依據下列公式： 其中，Σ代表該群共變異矩陣。
6. 如申請專利範圍第5項所述的自動監控膜厚均勻性的方法，其中該偏差範圍為A×u±c×AΣA^T；其中，A為該變換矩陣，c為一常數。
7. 如申請專利範圍第1項所述的自動監控膜厚均勻性的方法，其中上述量測區域為同心圓環狀，且在每一上述晶圓自一外圈位置開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；而基於兩兩相近的上述量測區域之間的偏離關係，獲得該變換矩陣的步驟包括：依據該第一圈與該第二圈之間一第一薄膜的一第一偏離角度，獲得該第一圈與該第二圈之間的第一偏離關係；依據該第二圈與該第三圈之間一第二薄膜的一第二偏離角度，獲得該第二圈與該第三圈之間的第二偏離關係；依據該第一偏離角度與該第二偏離角度，獲得該第一薄膜與該第二薄膜之間的一偏離度關係；以及基於該偏離度關係、該第一偏離關係與該第二偏離關係，獲得用以求出該第一薄膜與該第二薄膜之間一第三偏離角度的該第一圈、該第二圈與該第三圈三者的膜厚係數，而以該膜厚係數來作為該變換矩陣。
8. 如申請專利範圍第7項所述的自動監控膜厚均勻性的方法，其中該第一偏離角度為，該第二偏離角度為，該第一偏離關係為，；該第二偏離關係為，；該偏離度關係為，；求出該第三偏離角度是依據下列公式： 而該第一圈、該第二圈與該第三圈三者的膜厚係數依序為-1、2、-1，該變換矩陣為[-1,2,-1]。
9. 如申請專利範圍第1項所述的自動監控膜厚均勻性的方法，更包括：依據該變換矩陣與該膜厚資料，獲得每一上述晶圓之薄膜的一膜厚均勻度；以及將該膜厚均勻度超出該偏差範圍者判定為異常。
10. 如申請專利範圍第1項所述的自動監控膜厚均勻性的方法，更包括：在監測到每一上述晶圓之薄膜的膜厚均勻性發生異常時，發出一提示訊號。