专利名称：半导体组件制造系统及其热力补偿次系统的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种半导体制造工具，特别是有关于一种针对半导体制造工具的快速温度补偿模块。
背景技术：
集成电路(IC)工业自1960年发明以来已快速成长，经过在材料、设计、制程、以及制造工具设备的不断进步，已从一般集成电路发展至大规模集成电路(LSIC)、超大规模集成电路(VLSI)，乃至于极大规模集成电路(VLSI)。随着制造技术的演进使得集成电路历经不同世代，且不断地朝体积越小以及电路复杂度越高的方向迈进，例如从微米到次微米阶段，而后更进入到深次微米的阶段，然而这样的演进同时也增加了在制造集成电路上的复杂度。
许多半导体制造设备在进行如化学气相沉积(CVD)、溅镀、热氧化、扩散以及蚀刻等制程时，必须在一特定时间内妥善地控制其制程温度曲线。举例而言，当集成电路线宽小到深次微米尺度时，金属半导体场效应晶体管(MOSFET)中的氧化闸极(oxygenated gate)必须小于50，如此一来将严重影响制程温度曲线以及制程时间。由于传统的高温热氧化法难以确保超薄氧化层的品质，有鉴于此，一种快速热处理(RTP)程序因而被应用藉以精确地控制热能与温度。举例而言，在半导体设备中有关于温度上升(temperatureramping)的原因之一为一个或多个晶片在同一制程中并不一定会经历相同的热力曲线，而后续的制程亦是如此，然而上述热力曲线的差异性将可能导致产品的良率和品质下降。习知运用测试晶片(dummy wafer)于制程系统中虽可避免前述热力缺陷，然而却会导致产品的良率下降并增加成本。有鉴于此，如何提出一套热力补偿系统及方法藉以解决上述问题实成为一重要课题。
发明内容
本发明揭露一种半导体组件制造系统，包括一制程腔室、一温度控制次系统以及一热力补偿次系统，其中温度控制次系统具有一制程次系统加热组件藉以产生一制程温度曲线。上述热力补偿次系统包括一温度传感器、一补偿热力控制单元以及一补偿加热组件，其中温度传感器用以侦测制程腔室温度曲线，而补偿热力控制单元用以计算制程温度曲线与一目标温度曲线间的差值，补偿加热组件则根据上述补偿热力控制单元所得的温度差值，而改变制程温度曲线。
本发明同时提供一种补偿热力次系统，与上述制程腔室以及温度控制次系统共同设置于一半导体组件制造系统中。上述补偿热力次系统具有一制程次系统加热组件，用以产生一制程腔室温度曲线。于一较佳实施例中，上述热力补偿次系统包括一温度传感器，藉以侦测制程腔室温度曲线，而补偿热力控制单元用以计算制程温度曲线与一目标温度曲线间的差值，补偿加热组件则可根据上述温度差值而改变制程温度曲线。
此外，本发明提供一种补偿修正制程温度曲线与一目标温度曲线间差值的方法，藉由整合制程次系统加热组件与制程系统中的温度控制次系统，可适用于一半导体组件制造系统。于一较佳实施例中，上述方法包括侦测制程腔体温度曲线、决定制程温度曲线与一目标温度曲线间的差值，接着可根据上述差值，同时藉由补偿加热组件可适时地调整并提供所需的热能。
图1是表示本发明中半导体组件制造系统具有一温度控制次系统以及一热力补偿系统的方块图；图2是表示图1中温度控制次系统的方块图；图3是表示本发明中半导体组件制造系统的局部示意图；图4是表示本发明中修正制程腔室内温度曲线与一目标温度曲线间误差的方法的流程图。
符号说明100～半导体组件制造系统102～制程腔室104～电子次系统106～真空次系统108～气体次系统110～机械次系统112～控制模块114～软件116～温度控制次系统
118～热力补偿次系统120～制程次系统加热组件210～附加组件/次系统220～补偿加热组件230～温度传感器240～补偿热力控制单元300～半导体组件制造系统310～制程腔体320～壳体330～半导体晶片340～棒状结构350～加热/冷却板360～闸门阀总成370～真空次系统具体实施方式
为使本发明的上述及其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一具体的较佳实施例，并配合所附图式做详细说明。
首先请参阅图1，该图是表示本发明中半导体组件制造系统100的方块图。半导体组件制造系统100可能包含或被包含于一单一制程装置或集束型半导体制程设备(Cluster Tool)中，并可藉以于一任意尺寸的晶片(包括150mm，200mm或300mm尺寸晶片)上制造半导体组件。此外，上述半导体组件制造系统100亦可使用于任何技术节点，包括微米、次微米以及深次微米制程技术(例如0.5um、0.25um、0.18um、0.13um甚至更低的制程技术)。
举例而言，上述半导体组件制造系统100可用于化学气相沉积(CVD)、电浆加强式化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)或高密度电浆化学气相沉积(HDP-CVD)中。此外，上述半导体组件制造系统100亦可应用于一物理气相沉积(PCD)制程，例如游离金属电浆物理气相沉积(IMP-PVD)，甚至是离子布植、扩散、蚀刻、热氧化或快速热处理(RTP)制程中。
本发明的半导体组件制造系统100主要包括一或多个制程腔室102、一电子次系统104、一真空次系统106、一气体次系统108、一机械次系统110、一控制模块112、一软件114以及一温度控制次系统116。更进一步地，上述半导体组件制造系统100更包括一热力补偿次系统118，其中一附加及/或交互次系统亦可纳入此半导体组件制造系统100中，藉以扩大其功能与应用范围。举例而言，一残留气体分析(RGA)次系统可被纳入其中藉以监看制程污染物，并可进行制程相关度分析，或者亦可纳入一网络接口，藉以透过一区域或因特网藉以进行控制。
上述制程腔室102是提供一密死循环境予一或多个半导体晶片。举例而言，温度、压力、制程条件(例如蚀刻化学性质)以及在制程腔室102中的其它制程环境参数可能需要适当地被调整，藉以达到一理想的半导体制程操作状态。其中，上述参数可由一半导体组件制造系统100内的次系统(例如控制模块112)所控制。
前述电子次系统104可包含电力、数据、控制或其它讯号传输装置，藉以连接半导体组件制造系统100内的任意不同的次系统。此外，前述真空次系统106可包括一般泵浦以及高真空泵浦，例如油封旋转机械泵浦、浦鲁式真空泵浦(Roots pump)、干式机械泵浦、冷冻泵浦(Cryo-Pump)以及涡轮分子泵浦(turbo-molecular pump)。又，上述真空次系统106可直接或间接地与前述制程腔室102耦合连接或整合于一体。
前述气体次系统108可提供氩、氮、氧或者其它气体于一化学气相沉积(CVD)制程或者其它半导体组件制程之中，此外可藉由主要流体控制(MFC)以及各种类的传感器，藉以维持一压力或分压在一默认值或预设函数曲线上，同时亦可控制流速于一预设范围内。
前述机械次系统110可包括机械和/或手动装置，藉以在半导体组件制造系统100内部传送晶片，上述机械次系统110亦可包括一机械模块，用以将晶片由一底材或较低晶片之处抬升至一支撑平台或其它底材上。
前述控制模块112主要是包括硬件装置，其中控制模块112包括传感器，藉以感测温度、压力以及其它制程参数。此外，一计算机装置可用以控制半导体组件制造系统100的制程进行，而软件114则可被整合于前述控制模块112中，其中软件114包括程序代码以及一或数个数据库系统，上述程序代码则可包括装置操作指令以及一制造执行系统(MES)，数据库则可包括一制程配方数据库、一制程步骤数据库以及一承载警报数据库。
前述温度控制次系统116可根据一特定制程配方，同时针对一预设的目标温度曲线藉以控制制程腔室102内的温度，上述目标温度曲线可为持续一段特定时间的温度定值，或者亦可为一随时间变化的函数。上述温度控制次系统116则可包括一或多个制程次系统加热组件120，用以改变制程腔室102内的热力环境。此外，如图1所示，上述温度控制次系统116可包括一整合于其中的热力补偿次系统118，然而于其它情况下，热力补偿次系统118仍可视需要而与温度控制次系统116分离(或设置于外部)。
请参阅图2，该图是表示图1中温度控制次系统116的方块图。如前所述，热力补偿次系统118可为一内建于温度控制次系统116中的模块。于本发明中，温度控制次系统116可包括附加和/或交互模块、组件或次系统210。举例而言，上述附加组件210可整合于温度控制次系统116中，其可包含计算机处理和/或数据储存装置、一使用者接口以及网络接口等。
前述热力补偿次系统118包括一补偿加热组件220、一温度传感器230以及一补偿热力控制单元240。如图1所示，补偿加热组件220可包括一或数个位在制程腔室102内具特定方向性构成的加热组件，藉由制程次系统加热组件120藉以改变制程腔室102内的热力环境。前述制程次系统加热组件120以及补偿加热组件220可以是(或包含)电子加热灯泡、加热灯管、红外线发射源、激光、加热线、加热线圈以及/或者其它加热组件。
温度传感器230可包括一或多个设置于制程腔室102内任意或预设位置的温度传感器，藉以侦测制程腔室102的温度或者温度曲线(以下简称制程腔室温度曲线)，上述温度传感器230可以是(或包含)一红外线传感器、一热敏电阻(thermistor)、热电偶(thermocouple)和/或其它形式的温度感测装置。此外，温度传感器230亦可包括一传输装置，藉以传送侦测到的温度数据至前述补偿热力控制单元240，其中上述传输形式可透过有线、无线、数字、模拟、电子、机械或磁力方式进行。
补偿热力控制单元240可包括具有制程参数及/或其它数据的电子电路、处理器或存储器储存装置、软件、数据库等，此外前述补偿热力控制单元240亦可包括一接收器或扫瞄装置，藉以搜集温度传感器230所得的温度数据。其中，补偿热力控制单元240可包括一或多个接收器，藉以接收由上述温度传感器230传送来的温度数据。如此一来，补偿热力控制单元240可根据上述制程腔室温度曲线的温度数据，藉以控制补偿加热组件220，同时可修正制程腔室102中的温度曲线与一目标温度曲线间的差值。
在半导体制造过程中，温度上升(ramping)缺陷(或其它形式的热力曲线缺陷)的产生可能肇因于前述温度控制次系统116的性能局限、过度使用或因损坏，进而可能导致热能的运用效率不佳及/或导致潜在的热能产生。如此一来不仅无法达到一理想的目标制程温度或温度曲线，同时将导致半导体组件损坏或者性能不佳。举例而言，当欲提升制程环境至一目标温度的时间往往比所期望的时间更久(例如一较低的温度上生速率)。
如前所述，当处于特定制造配方下的半导体组件制造过程时，第一个或者更多的晶片在同一制造流程中可能历经一种与理想或目标温度曲线不同的制程腔体热力曲线。然而，前述热力补偿次系统118可于制程腔体102中导入额外的热能，并可对温度传感器230和/或补偿热力控制单元240所感测到的制程腔体温度曲线做出适时的反应与调整，藉以修正上述温度差值。
接着请参阅图3，该图是表示本发明中半导体组件制造系统300的局部示意图，其中半导体组件制造系统300是表示如图1中半导体组件制造系统100的实体状态。于图3中，上述半导体组件制造系统300亦可至少形成半导体组件制造系统100的局部结构，且可实质地近似于前述半导体组件制造系统100。
如图所示，半导体组件制造系统300是包括一制程腔室310，上述制程腔室310可被支撑或定义于一壳体320内，其中壳体320具有陶瓷材料并形成一研磨良好的内表面，藉以达到最佳化的辐射反射率以及热效率。此外，前述制程腔室310是用以容纳一或更多的半导体晶片330，其中在制程中包括一测试晶片以及一目标工作晶片，于本实施例中上述半导体晶片330则是可互换的。上述半导体晶片330透过一支撑臂或者一棒状结构340作为支撑，其中棒状结构340可包含石英材质并由制程腔室310的内壁延伸而出。如此，半导体组件制造系统300以及制程腔室310是组成而可作为各种半导体制程之用，其中包含沉积、蚀刻、扩散、氧化以及其它热制程等。
此外，上述半导体组件制造系统300亦可包括一具有导热性材质的加热/冷却板350，藉以利于传导热能至/由制程腔室310。其中，上述加热/冷却板350可帮助保持制程腔室310内温度的均匀性，如此一来可避免制程腔室310的热梯度产生同时使得热梯度极小化。
上述半导体组件制造系统300同时亦可包括如前所述的制程次系统加热组件120，如图3所示，上述制程次系统加热组件120可位于制程腔室310中半导体晶片330的上或下方位置。
上述半导体组件制造系统300亦可包括一节流阀以及一闸门阀总成360，藉以连接并/或作为控制制程腔室310以及真空次系统370间的接口。上述真空次系统370是类似于图1中的真空次系统106，举例而言，真空次系统370可包括一般泵浦、涡轮分子泵浦(turbo-molecular pump)及/或冷冻泵浦(Cryo-Pump)等。此外真空次系统370可结合一气体产生源，藉以提供在许多半导体制程中所需的低压以及化学环境，例如提供氮、氩以及其它钝气于一快速热处理(RTP)或者快速退火(RTA)程序、提供氧气环境于一热氧化程序，提供氩、氮环境于一溅镀等类似制程，或者提供其它化学制程环境作为化学气相沉积(CVD)之用。
半导体组件制造系统300亦可包括一类似于前图2所示的热力补偿次系统118，此热力补偿次系统118包括一补偿加热组件220、一温度传感器230以及一补偿热力控制单元240。温度传感器230可包括多个传感器，并可被置放于一任意或者预设位置(或靠近)制程腔室310处，例如靠近半导体晶片330、补偿加热组件220或者制程次系统加热组件120处。上述补偿热力控制单元240可与壳体320整合，例如以耦接方式或者设置于壳体320所形成的凹槽进而结合。然而，如图3所示，补偿热力控制单元240亦可为一独立分离的组件而耦接于壳体320的一外侧表面。再者，另一实施方式亦可将补偿热力控制单元240设置远离于上述壳体320处，如此一来补偿热力控制单元240以及半导体组件制造系统300中的其它组件可仅透过导线或者透过无线传输方式耦接。
再请一并参阅第2、3以及图4，其中图4是表示本发明中修正制程腔室内温度曲线与一目标温度曲线间误差的方法400的流程图。方法400可实施于如图1所示的系统100及/或图3所示的系统300中。上述方法400是开始于步骤402，在步骤402中透过温度传感器230感测制程腔体温度曲线，于一较佳实施例中，上述感测动作可包括量测制程腔体310内部邻近晶片330、制程次系统加热组件120以及补偿加热组件220位置处的温度。此外，于步骤402中可同时包括传送有关于制程腔体温度曲线的感测数据至补偿热力控制单元240中。
在接下来的步骤404中，补偿热力控制单元240计算补偿加热组件220所需作用的热能量，藉以修正补偿任何制程腔室温度曲线与目标温度曲线间的差值。举例而言，用以补偿上述差值所需的热能可藉由一事先定义的函数计算而得到，此步骤可能运用到温度传感器230所感测的温度原始数据，并可在得知任何制程腔室温度曲线与目标温度曲线间的差值后，再进一步计算出所需的补偿热能。然而，感测到的温度数据亦可与所需补偿热能同步地计算得知，此外上述感测温度数据亦可根据制程腔室310中已知或推测的热梯度，或者根据系统300中已知或推测的缺陷或效能不足处(可以透过反复实施方法400进而减少缺陷)而赋予不同的权值。于一较佳实施方式中，补偿加热组件220是包括多个加热组件，所需补偿热能的计算则亦包括决定个别加热组件所需的热能。其中，热力补偿次系统118可形成一闭回路，由温度传感器230至补偿热力控制单元240、补偿加热组件220，再回到温度传感器230，如此一来，前述补偿热能可随时动态地被调整。
为了实现温度补偿，事先定义用以计算所需补偿热能的函数可与所量测温度和预设温度的差值呈一比例，抑或可与一时间内温度差值的积分或微分值相关，或者可结合上者各项参数。
于步骤406中，补偿控制单元240传送所需补偿热能的一或一组参数至补偿加热组件220，其中所需补偿热能可为针对单一补偿加热组件的参数，或者可为一组个别包含有关于各个不同补偿加热组件的参数。
于步骤408中，补偿加热组件220将上述步骤406所得到的参数转换为所需的热能，如此一来透过提供特定量的热能至制程腔室310中，可藉以补偿制程腔室温度曲线与一目标温度曲线间的差值。此外，当补偿加热组件220包含多个补偿加热组件时，各个补偿加热组件则可设定为不同的加热等级，并可藉此传递不同程度的热能到制程腔室310。
综上所述，本发明揭露一种半导体组件制造系统，包括一制程腔室、一温度控制次系统以及一热力补偿次系统，其中温度控制次系统具有一制程次系统加热组件藉以产生一制程温度曲线。上述热力补偿次系统包括一温度传感器、一补偿热力控制单元以及一补偿加热组件，其中温度传感器用以侦测制程腔室温度曲线，而补偿热力控制单元用以计算制程温度曲线与一目标温度曲线间的差值，补偿加热组件则根据上述补偿热力控制单元所得的温度差值，而改变制程温度曲线。
本发明同时提供一种补偿热力次系统，与上述制程腔室以及温度控制次系统共同设置于一半导体组件制造系统中。上述补偿热力次系统具有一制程次系统加热组件，用以产生一制程腔室温度曲线。于一较佳实施例中，上述热力补偿次系统包括一温度传感器，藉以侦测制程腔室温度曲线，而补偿热力控制单元用以计算制程温度曲线与一目标温度曲线间的差值，补偿加热组件则可根据上述温度差值而改变制程温度曲线。
此外，本发明提供一种补偿修正制程温度曲线与一目标温度曲线间差值的方法，藉由整合制程次系统加热组件与制程系统中的温度控制次系统，可适用于一半导体组件制造系统。于一较佳实施例中，上述方法包括侦测制程腔体温度曲线、决定制程温度曲线与一目标温度曲线间的差值，接着可根据上述差值，同时藉由补偿加热组件可适时地调整并提供所需的热能。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。
权利要求
1.一种半导体组件制造系统，其特征在于，包括一制程腔室；一温度控制次系统，具有一制程次系统加热组件藉以产生一制程腔室温度曲线；一热力补偿次系统，包括一温度传感器，侦测该制程腔室温度曲线；一热力补偿控制单元，计算该制程温度曲线与一目标温度曲线间的差值；以及一补偿加热组件，根据该热力补偿控制单元所得的该差值，进而修正该制程温度曲线。
2.根据权利要求1所述的半导体组件制造系统，其特征在于，该热力补偿次系统具有多个补偿加热组件。
3.根据权利要求1所述的半导体组件制造系统，其特征在于，该补偿加热组件具有选自加热灯泡、红外线发射源或激光之一的组件。
4.根据权利要求1所述的半导体组件制造系统，其特征在于，该补偿加热组件具有一加热线。
5.根据权利要求1所述的半导体组件制造系统，其特征在于，该热力补偿次系统具有多个温度传感器。
6.根据权利要求1所述的半导体组件制造系统，其特征在于，该温度传感器具有选自红外线传感器、热敏电阻或热电偶之一的组件。
7.根据权利要求1所述的半导体组件制造系统，其特征在于，该制程腔室温度曲线为一随时间变化的函数。
8.根据权利要求1所述的半导体组件制造系统，其特征在于，藉由调整传递至该补偿加热组件的热能，可透过使得该补偿加热组件修正该制程温度曲线。
9.根据权利要求8所述的半导体组件制造系统，其特征在于，该制程温度曲线与该目标温度曲线间的差值呈一比例。
10.根据权利要求8所述的半导体组件制造系统，其特征在于，该热能是与该制程温度曲线和该目标温度曲线间的差值对于时间的数值积分或微分呈一比例。
11.一种热力补偿次系统，与一制程腔体以及一温度控制次系统结合，适用于一半导体组件制造系统中，该温度控制次系统具有一制程次系统加热组件，用以产生一制程腔室温度曲线，其特征在于，该热力补偿次系统包括一温度传感器，用以侦测该制程腔室温度曲线；一热力补偿控制单元，计算该制程温度曲线与一目标温度曲线的差值；以及一补偿加热组件，根据该热力补偿控制单元所得的该差值，进而修正该制程温度曲线。
12.一种修正一制程温度曲线与一目标温度曲线间差值的方法，其中该制程温度曲线是经由一制程次系统加热组件产生于一制程腔体内，且该制程次系统加热组件是与一温度控制次系统整合于一半导体组件制造系统中，该方法包括侦测该制程腔室温度曲线；计算该制程温度曲线与一目标温度曲线的差值；以及根据该热力补偿控制单元所得的该差值，调整传递至该补偿加热组件的热能。
13.根据权利要求12所述的方法，该热能是与该制程温度曲线和该目标温度曲线间的差值呈一比例。
14.根据权利要求12所述的方法，该热能是与该制程温度曲线和该目标温度曲线间的差值对于时间的数值积分或微分呈一比例。
全文摘要
一种半导体组件制造系统，包括一制程腔室、一温度控制次系统以及一热力补偿次系统，其中温度控制次系统具有一制程次系统加热组件藉以产生一制程温度曲线。上述热力补偿次系统包括一温度传感器、一补偿热力控制单元以及一补偿加热组件，其中温度传感器用以侦测制程腔室温度曲线，而补偿热力控制单元用以计算制程温度曲线与一目标温度曲线间的差值，补偿加热组件则根据上述补偿热力控制单元所得的温度差值，而改变制程温度曲线。
文档编号F27D19/00GK1638031SQ20041010416
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月30日 优先权日2004年1月5日
发明者吴学昌, 张知天, 陆志诚, 陈炳宏, 周梅生 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司