CN104451608B - 应用于cvd成膜工艺的膜厚流量建模方法及在线优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种应用于CVD成膜工艺的膜厚与气体流量的建模方法，包括在基础工艺条件下获取测试硅片的基准膜厚；进行多组膜厚调节实验获得不同实验条件下测试硅片的膜厚，其中每组实验的实验条件为仅改变基础工艺条件的工艺气体流量；以及根据得到的多个测试硅片的膜厚相对于基准膜厚的多个膜厚变化值，以及多个测试硅片的膜厚所对应的气体流量相对于基础工艺条件的气体流量的多个流量变化值，计算得到线性的膜厚流量变化关系模型。本发明还提供了一种膜厚在线优化方法，根据膜厚流量变化关系模型、针对该关系模型设定的限制条件以及目标膜厚与基准膜厚的差值，计算气体流量的最优变化量。本发明可提高调试效率。

Description

应用于CVD成膜工艺的膜厚流量建模方法及在线优化方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备CVD成膜工艺技术领域，特别涉及应用于CVD成膜工艺的膜厚流量建模方法及在线优化方法。
背景技术
半导体硅片是一种重要的半导体材料，目前普遍采用自动化程度更高、工艺性能更优异的立式炉设备，对硅片进行批处理工艺，如淀积、氧化和扩散等加工工艺。对于上述批处理工艺，需要对立式炉内每个硅片的成膜量进行高精度的控制，以使得在工艺结束后硅片能够达到目标膜厚，满足对应的工艺制程。
在实际的批处理CVD工艺过程中，每个硅片的膜厚依赖主工艺时设定温度，工艺气体流量，压力，工艺时间等，也与工艺重复次数和变化的外部因素相关，膜厚的变化对这些条件的改变十分敏感。而由于影响因素众多，若每次只根据经验或直觉去改变某些工艺参数，难以确保工艺的一致性。因此，对于批处理成膜工艺而言，根据经验改变工艺参数来调节膜厚具有相当的盲目性，较难实现。若进行机台调试，则延长了调试时间，若进行新工艺研发，则延长了研发时间，均耗费了大量的人力、物力，带来不可估计的经济损失，不利于同型机台的工艺扩展复用。
发明内容
本发明的主要目的旨在提供一种膜厚与气体流量的建模方法以及基于该模型的膜厚在线优化方法。
为达成上述目的，本发明提供一种应用于CVD成膜工艺的膜厚与气体流量的建模方法，所述CVD成膜工艺为通过导入工艺气体在多个半导体硅片的表面形成薄膜，所述建模方法包括以下步骤：
S1：在基础工艺条件下获取所述多个半导体硅片中测试硅片的基准膜厚；
S2：进行多组膜厚调节实验以获得不同实验条件下所述测试硅片的膜厚，其中每组所述膜厚调节实验的实验条件为仅改变所述基础工艺条件的工艺气体的气体流量；以及
S3：根据得到的多个所述测试硅片的膜厚相对于所述基准膜厚的多个膜厚变化值，以及多个所述测试硅片的膜厚所对应的气体流量相对于所述基础工艺条件的气体流量的多个流量变化值，计算得到线性的膜厚流量变化关系模型。
优选地，步骤S3中建立的所述线性的膜厚流量变化关系模型表达为：ΔTK＝ΔFL·C，其中ΔTK为膜厚变化值，ΔFL为工艺气体的流量变化值，C为膜厚变化值与气体流量变化值的关系矩阵。
优选地，所述膜厚调节实验的数量为n，则所述关系矩阵表达为：其中ΔTKi为第i组所述膜厚调节实验所获得的膜厚变 化值，ΔFLi为第i组所述膜厚调节实验所采用的工艺气体的流量变化值，n为正整数。
优选地，所述测试硅片的数量为n，所述工艺气体通过n路进气导入所述多个半导体硅片的表面；第i组所述膜厚调节实验的流量变化值ΔFLi表达为：ΔFLi＝[Δflowi,1,Δflowi,2.....Δflowi,n]；第i组的所述膜厚调节实验所获得的所述测试硅片的膜厚变化值ΔTKi表达为：ΔTKi＝[Δthki,1,Δthki,2.....Δthki,n]。
优选地，所述基准膜厚与所述CVD成膜工艺的目标膜厚的膜厚差为所述目标膜厚的5％～10％。
优选地，所述线性的膜厚流量变化关系模型设有限制条件，所述限制条件为所述膜厚变化值所对应的膜厚处于以所述目标膜厚为中心的区域D内。
优选地，所述区域D的半径小于等于所述CVD成膜工艺的目标膜厚的5％。
本发明还提供了一种应用于CVD成膜工艺的膜厚在线优化方法，所述CVD成膜工艺为通过导入工艺气体在多个半导体硅片的表面形成薄膜，所述在线优化方法包括以下步骤：
S11：在基础工艺条件下获取所述多个半导体硅片中测试硅片的基准膜厚；
S12：进行多组膜厚调节实验以获得不同实验条件下所述测试硅片的膜厚，其中每组所述膜厚调节实验的实验条件为仅改变所述基础工艺条件的工艺气体的气体流量；
S13：根据得到的多个所述测试硅片的膜厚相对于所述基准膜厚的多个膜厚变化值，以及多个所述测试硅片的膜厚所对应的气体流量相对于所述基础工艺条件的气体流量的多个流量变化值，计算得到线性的膜厚流量变化关系模型；
S14：设定所述膜厚流量变化关系模型的限制条件，并根据所述限制条件、所述CVD成膜工艺的目标膜厚相对于所述基准膜厚的目标膜厚变化值以及所述膜厚流量变化关系模型，计算得到相对于所述基础工艺条件的气体流量的最优流量变化值。
优选地，所述膜厚流量变化关系模型表达为：ΔTK＝ΔFL*C，其中ΔTK为膜厚变化值，ΔFL为工艺气体的流量变化值，C为膜厚变化值与气体流量变化值的关系矩阵。
优选地，所述膜厚调节实验的数量为n，则所述关系矩阵表达为：其中ΔTKi为第i组所述膜厚调节实验所获得的膜厚变 化值，ΔFLi为第i组所述膜厚调节实验所采用的工艺气体的流量变化值，n为正整数。
优选地，所述测试硅片的数量为n，所述工艺气体通过n路进气导入多个所述半导体硅片的表面；第i组所述膜厚调节实验的流量变化值ΔFLi表达为：ΔFLi＝[Δflowi,1,Δflowi,2.....Δflowi,n]；第i组的所述膜厚调节实验所获得的所述测试硅片的膜厚变化值ΔTKi表达为：ΔTKi＝[Δthki,1,Δthki,2.....Δthki,n]。
优选地，所述目标膜厚变化值为所述目标膜厚的5％～10％。
优选地，所述限制条件为所述膜厚变化值所对应的膜厚处于以所述目标膜厚为中心的区域D内。
优选地，步骤S14包括：
设定所述最优流量变化值的目标函数，其中所述最优流量变化值ΔFL最优为满足所述限制条件的最小流量变化值，其对应的膜厚变化值为最优膜厚变化值ΔTK最优，所述目标函数表达为：||ΔFL最优||＝||ΔTK最优*inv(C)||＝Min||(ΔTK目标+δTK)*inv(C)||，其中，||·||表示范数，ΔTK目标为目标膜厚变化值，变量δTK为所述最优膜厚变化值与目标膜厚变化值的差值，||δTK||＜r，r为所述区域D的半径；以及对所述目标函数求解得到所述变量δTK，所述最优膜厚变化值以及所述最优流量变化值。
优选地，所述区域D的半径小于等于所述目标膜厚的5％。
优选地，所述在线优化方法还包括：以步骤S14所得到的所述最优流量变化值调节所述基础工艺条件的气体流量作为新的所述基础工艺条件的气体流量，重复进行步骤S12至步骤S14，以不断迭代更新所述膜厚流量变化关系模型，并根据更新的所述膜厚流量变化关系模型计算对应的所述最优流量变化值，以得到所述CVD成膜工艺的理论最优流量变化值并实现所述成膜工艺的膜厚在线优化调节。
本发明所提出的应用于CVD成膜工艺的膜厚与气体流量的建模方法，能够将流量变化与膜厚变化之间的非线性关系转化为线性关系并建立线性的膜厚流量变化关系模型。此外，本发明还提出了基于该线性模型的膜厚在线优化方法，利用非线性限制条件计算出最优的气体流量变化值。在实际使用过程中，还可根据先前计算的最优气体流量变化值，不断迭代更新关系模型，根据新的模型评估计算出的工艺气体流量是逐次逼近理论最优流量，可实现工艺膜厚的在线优化调节。采用本发明提出的方法，相比根据经验的膜厚调节方法，缩短了机台的调试时间，提高了调试效率，扩展了同型机台的适应性，工艺复用性。
附图说明
图1为本发明一实施例成膜装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例成膜装置中半导体硅片分布示意图；
图3为本发明一实施例应用于CVD成膜工艺的膜厚与气体流量的建模方法的流程图；
图4为本发明一实施例应用于CVD成膜工艺的在线优化方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
请参考图1和图2，成膜装置包括处理腔室，处理腔室中容纳晶舟，晶舟用于保持待进行CVD成膜工艺的半导体硅片W。在本实施例中，多个半导体硅片W以在垂直方向上以预定间隔设置的方式容纳在晶舟中。如图2所示，晶舟具有槽口1～125，可容纳125个半导体硅片W，这些半导体硅片中，槽口13、38、63、88和113中容纳的硅片为测试硅片M。在进行CVD成膜工艺时，测试硅片M的膜厚以及膜质即代表了成膜装置内这一批半导体硅片的工艺质量。气体供应单元用于向处理腔室内导入工艺气体，以在多个半导体硅片上形成薄膜。在本实施例中，工艺气体为多路进气(图中为n路进气)，例如气体供应单元可包括由多个从处理腔室底部向上延伸、并具有不同高度的气体供应管，这些气体供应管分别向晶舟上位于不同高度的半导体硅片供给工艺气体；气体供应单元也可以为从处理腔室底部向上延伸，且在其延伸方向上具有多个喷气孔的气体供应管，工艺气体通过这些喷气孔分别向不同高度的半导体硅片供给工艺气体。
第一实施例
图3为本发明一实施例应用于CVD成膜工艺的膜厚与气体流量的建模方法的流程图，以下将结合图1～3对本发明进行详细的说明。
本发明的膜厚与气体流量的建模方法包括以下步骤：
S1：在基础工艺条件下获取多个半导体硅片中测试硅片的基准膜厚。
具体来说，在成膜装置中，一个完整的CVD成膜工艺过程包括若干次不同的工艺步骤，而每个工艺步骤均有对应的工艺条件需求。尤其是主工艺阶段，对工艺条件有更加严格的要求，需要高精度的恒温热场控制，高精度的气体流量控制，高精度的压力控制等，这些工艺条件的高精度控制是实现硅片目标膜厚的基础。在步骤S1中的基础工艺条件指的是，半导体测试硅片M的膜厚较为接近CVD成膜工艺目标膜厚时，以能够形成最为接近目标膜厚的半导体测试硅片M的膜厚的工艺条件(包括温度、压力、工艺时间、气体流量等工艺条件)为基础工艺条件，而该基础工艺条件下形成的测试硅片的膜厚即为基准膜厚，可通过测量获得。本实施例中，基准膜厚与CVD成膜工艺的目标膜厚的膜厚差为目标膜厚的5％至10％。本实施例中，测试硅片M的数量为n，工艺气体为n路进气，n为正整数。
S2：进行多组膜厚调节实验以获得不同实验条件下测试硅片的膜厚。
具体来说，在获得基准膜厚之后，再进行多组膜厚调节实验。需要注意的是，膜厚调节实验的数量与工艺气体进气管路的数量以及测试硅片的数量相同，以在后续计算中可求解关系矩阵。在这些实验中，仅改变基础条件中的工艺气体的气体流量，不改变温度、压力、工艺时间等其他工艺条件。每一组实验均将工艺气体通过n路进气导入至成膜装置处理腔室内的所有半导体硅片的表面，并获得n个测试硅片的膜厚值。此外，这些膜厚调节实验应为可信的，即这些膜厚调节实验过程中，设备内各控制器均正常工作，机台十分稳定，则这些膜厚调节实验所获得的不同实验条件下的膜厚数据以及这些膜厚数据对应的气体流量是可用的。
S3：根据得到的多个测试硅片的膜厚相对于基准膜厚的多个膜厚变化值，以及多个测试硅片的膜厚所对应的气体流量相对于基础工艺条件的气体流量的多个流量变化值，计算得到线性的膜厚流量变化关系模型。
以下将详细描述关系模型的推算方法。
如前所述，在步骤S1和步骤S2中，以基础工艺条件下测试硅片的膜厚为基准膜厚，那么该基础工艺条件所采用的工艺气体流量可作为基准流量。在后续膜厚调节实验中不改变温度、压力、工艺时间等工艺条件，只改变工艺气体流量，因此可将测试硅片膜厚的变化值与气体流量变化值近似为线性关系，其满足以下公式：
ΔTK＝ΔFL*C，其中ΔTK表示膜厚变化值，ΔFL表示流量变化值，C为膜厚变化值与气体流量变化值的关系矩阵。其中，此处以及下文所述的“流量变化值”为膜厚调节实验中所采用的工艺气体流量相对于基础工艺条件的气体流量(基准流量)的差值，其对应的“膜厚变化值”为该采用的工艺气体流量所形成的测试硅片的膜厚相对于基准膜厚的差值。关系矩阵C通过以下方法求出。
本实施例中，共进行了n组膜厚调节实验(n为正整数)，定义第i组(1≤i≤n)膜厚调节实验对应的工艺气体的流量变化值ΔFLi，为n路进气的工艺气体流量分别相对于基础工艺条件的气体流量的流量变化值，即：
ΔFLi＝[Δflowi,1,Δflowi,2.....Δflowi,n] (1×n的矩阵)；
定义第i组(1≤i≤n)膜厚调节实验对应的测试硅片的膜厚变化值ΔTKi，为n个测试硅片的膜厚分别相对于基准膜厚的膜厚变化值，即：
ΔTKi＝[Δthki,1,Δthki,2.....Δthki,n] (1×n的矩阵)；
由于膜厚变化值与气体流量变化值近似为线性关系：
ΔTKi＝ΔFLiiC，其中C为n×n维矩阵，则关系矩阵C表示为：
综上，根据n组膜厚调节实验获得的测试硅片的膜厚分别相对于基准膜厚的膜厚变化值、这n组膜厚调节实验采用的气体流量分别相对于基准流量的流量变化值，就能够计算得到关系矩阵C，也就能够得到膜厚流量变化关系模型。需要注意的是，本发明是将流量变化与膜厚变化之间的非线性关系转化为线性关系，为使得该线性的膜厚流量变化关系模型更为准确，流量变化范围应在很小的区域。因此，本实施例的膜厚流量关系模型设有限制条件，该限制条件为，满足该关系模型的膜厚变化值所对应的膜厚应当处在以目标膜厚为中心的很小区域D内，则此时该膜厚变化值对应的流量变化值能够尽可能小。
第二实施例
在第一实施例的基础上，本发明还提供了一种在线优化方法。请参考图4，其所示为本实施例的在线优化方法的流程示意图，其包括以下步骤：
S11：在基础工艺条件下获取多个半导体硅片中测试硅片的基准膜厚；
S12：进行多组膜厚调节实验以获得不同实验条件下测试硅片的膜厚；
S13：根据多组膜厚调节实验得到的多个测试硅片的膜厚相对于基准膜厚的多个膜厚变化值，以及多个测试硅片的膜厚所对应的气体流量相对于基础工艺条件的气体流量的多个流量变化值，计算得到线性的膜厚流量变化关系模型；
S14：设定膜厚流量变化关系模型的限制条件，并根据该限制条件、CVD成膜工艺的目标膜厚相对于基准膜厚的目标膜厚变化值以及膜厚流量变化关系模型，计算得到相对于基础工艺条件的气体流量的最优流量变化值。
步骤S11至步骤S13与第一实施例中步骤S1至步骤S3相同，在此不作赘述。在步骤 S3求取了关系矩阵后，现已知目标膜厚相对基准膜厚的 目标膜厚变化值ΔTK目标，若直接采用ΔFL目标＝ΔTK目标*inv(C)推算出的实现目标膜厚的气 体流量变化ΔFL目标是不可用的。如前所述，为使得线性的膜厚流量变化关系模型准确，流量 变化范围应在很小的区域。因此，还需对膜厚流量变化关系模型设定限制条件，该限制条件 为，满足该线性的关系模型的膜厚变化值所对应的膜厚应当处在以目标膜厚为中心的很小 区域D内，若此时该膜厚变化值对应的流量变化值尽可能小，则线性膜厚流量变化模型的准 确性也更高。
假设满足上述限制条件时，最小的流量变化值为最优流量值ΔFL最优，该流量变化所对应的膜厚变化为最优膜厚变化值ΔTK最优，最优膜厚变化值ΔTK最优与目标膜厚变化值ΔTK目标满足以下公式：ΔTK最优＝ΔTK目标+δTK，引入的变量δTK代表了最优膜厚变化与目标膜厚变化的差异值。由于ΔFL最优和ΔTK最优满足线性膜厚流量变化模型的限制条件，因此，也就满足公式ΔFL最优＝ΔTK最优*inv(C)。
为求得最优流量ΔFL最优，首先建立以δTK为变量的目标函数：
MinF(δTK)＝||ΔFL最优||＝||ΔTK最优*inv(C)||＝Min||(ΔTK目标+δTK)*inv(C)||，
其中||·||表示范数，变量δTK满足约束条件||δTK||＜r，这里的r值为区域D的半径，r值优选为小于等于所述目标膜厚的5％。根据已知的目标膜厚变化值ΔTK目标、关系矩阵C以及约束条件||δTK||＜r，对目标函数求解得到变量δTK，也就能够得到最优膜厚ΔTK最优。再结合关系矩阵C，计算出最优气体流量ΔFL最优。
在实际使用过程中，还可将最优流量变化值来调节基础工艺条件的气体流量作为新的基准流量，再进行多组膜厚调节实验获得相应的膜厚变化值，以更新关系矩阵，从而更新膜厚流量变化关系模型。之后，再根据更新的膜厚流量变化关系模型计算对应的最优流量变化值。如此循环往复，以前一次计算出的最优流量变化值不断调节基础工艺条件的气体流量、进行多组膜厚调节实验、根据实验结果迭代更新关系模型并根据新的关系模型评估计算出的新的最优流量变化值，而新的最优流量变化值对应的工艺气体流量是逐次逼近理论最优流量，由此就可实现工艺膜厚的在线优化调节。采用本发明提出的方法，相比根据经验的膜厚调节方法，缩短了机台的调试时间，提高了调试效率，扩展了同型机台的适应性，工艺复用性。
综上所述，本发明只需通过几组简单的膜厚调节实验的实验结果，即可建立膜厚与气体流量的线性关系模型，利用关系模型就可计算及评估出最优的气体流量变化值，无需采用大量的实验进行统计分析。此外，本发明还可根据先前计算的最优气体流量变化值，不断迭代更新关系模型，根据新的模型评估计算出的工艺气体流量是逐次逼近理论最优流量，可实现工艺膜厚的在线优化调节。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (3)

1.一种应用于CVD成膜工艺的膜厚在线优化方法，所述CVD成膜工艺为通过导入工艺气体在多个半导体硅片的表面形成薄膜，其特征在于，所述在线优化方法包括以下步骤：
S11：在基础工艺条件下获取所述多个半导体硅片中测试硅片的基准膜厚；
S12：进行多组膜厚调节实验以获得不同实验条件下所述测试硅片的膜厚，其中每组所述膜厚调节实验的实验条件为仅改变所述基础工艺条件的工艺气体的气体流量；
S13：根据得到的多个所述测试硅片的膜厚相对于所述基准膜厚的多个膜厚变化值，以及多个所述测试硅片的膜厚所对应的气体流量相对于所述基础工艺条件的气体流量的多个流量变化值，计算得到线性的膜厚流量变化关系模型；其中所述膜厚流量变化关系模型表达为：ΔTK＝ΔFL×C，其中ΔTK为膜厚变化值，ΔFL为工艺气体的流量变化值，C为膜厚变化值与气体流量变化值的关系矩阵；
S14：设定所述膜厚流量变化关系模型的限制条件，并根据所述限制条件、所述CVD成膜工艺的目标膜厚相对于所述基准膜厚的目标膜厚变化值以及所述膜厚流量变化关系模型，计算得到相对于所述基础工艺条件的气体流量的最优流量变化值，其中所述限制条件为所述膜厚变化值所对应的膜厚处于以所述目标膜厚为中心的区域D内，所述区域D的半径小于等于所述CVD成膜工艺的目标膜厚的5％；
以步骤S14所得到的所述最优流量变化值调节所述基础工艺条件的气体流量作为新的所述基础工艺条件的气体流量，重复进行步骤S12至步骤S14，以不断迭代更新所述膜厚流量变化关系模型，并根据更新的所述膜厚流量变化关系模型计算对应的所述最优流量变化值，以得到所述CVD成膜工艺的理论最优流量变化值并实现所述成膜工艺的膜厚在线优化调节；
其中步骤S14包括：
设定所述最优流量变化值的目标函数，其中所述最优流量变化值ΔFL最优为满足所述限制条件的最小流量变化值，其对应的膜厚变化值为最优膜厚变化值ΔTK最优，所述目标函数表达为：||ΔFL最优||＝||ΔTK最优×inv(C)||＝Min||(ΔTK目标+δTK)×inv(C)||，其中，||·||表示范数，ΔFL最优为最优流量变化值，ΔTK最优为最优膜厚变化值，inv(C)为膜厚流量变化关系模型矩阵求逆，Min的含义为最小化求解，ΔTK目标为目标膜厚变化值，变量δTK为所述最优膜厚变化值与目标膜厚变化值的差值，||δTK||＜r，r为所述区域D的半径；以及
对所述目标函数求解得到所述变量δTK，所述最优膜厚变化值以及所述最优流量变化值。
2.根据权利要求1所述的膜厚在线优化方法，其特征在于，所述关系矩阵表达式为：其中inv代表逆矩阵，ΔTKi为通过第i组所述膜厚调节实验所获得的膜厚变化值，ΔFLi为第i组所述膜厚调节实验所采用的工艺气体的流量变化值，n为测试硅片的数量且为正整数；
所述工艺气体通过n路进气导入所述多个半导体硅片的表面；第i组所述膜厚调节实验的流量变化值ΔFLi表达为如下矩阵表达式：ΔFLi＝[Δflowi,1,Δflowi,2.....Δflowi,n]；第i组的所述膜厚调节实验所获得的所述测试硅片的膜厚变化值ΔTKi表达为如下矩阵表达式：ΔTKi＝[Δthki,1,Δthki,2.....Δthki,n]；其中Δflowi,1,Δflowi,2.....Δflowi,n分别代表第i组所述膜厚调节实验中第1路，第2路，……第n路气体的气体流量变化值，根据第i组所述膜厚调节实验中每一路气体采用的气体流量与所述基础工艺条件的气体流量计算得到；Δthki,1,Δthki,2.....Δthki,n分别代表第i组所述膜厚调节实验中第1个，第2个……第n个测试硅片中每个测试硅片的膜厚变化值，根据第i组所述膜厚调节实验中每一个测试硅片的膜厚与其基准膜厚计算得到。
3.根据权利要求1或2所述的膜厚在线优化方法，其特征在于，所述目标膜厚变化值为所述目标膜厚的5％～10％。
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