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Die
Erfindung betrifft eine Fertigungsanlage für Halbleiterbauelemente mit
mindestens einem „Equipment
Front End Modul" (EFEM),
mindestens einer Ladestation, mindestens einer Transferkammer mit
mindestens zwei Stellen zur Anbindung von Prozesskammern und mindestens
einer Schleuse zwischen dem mindestens einen EFEM und der mindestens
einen Transferkammer. Ferner betrifft die Erfindung Messkammern
für derartige
Fertigungsanlagen.
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Zur
Qualitätskontrolle
wird in der Fertigung von Halbleiterchips, insbesondere für die Fertigung von
Wafern mit einem Durchmesser von 300 mm, zunehmend die integrierte
Messtechnik verwendet. Bei der integrierten Messtechnik wird das
Messgerät
im Unterschied zur konventionellen „Stand Alone"-Messtechnik direkt
mit der Fertigungsanlage verbunden und in diese integriert, wodurch
erreicht werden soll, dass die Qualitätskontrolle möglichst
prozessnah erfolgt.
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Die
Integration der Prozesstechnik in die Prozessanlagen ist häufig mit
sehr hohem Aufwand verbunden, da oftmals Veränderungen an beiden Systemen,
d.h. an der Fertigungsanlage und dem Messsystem notwendig sind,
was wiederum mit zusätzlichen
Kosten verbunden ist.
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In
der 300 mm-Wafertechnologie findet man jedoch einen hohen Grad der
Standardisierung vor. Die Prozessgeräte werden mit einem sogenannten „Equipment
Front End Modul" (EFEM)
versehen. Das EFEM stellt das Interface zwischen der Fertigungsfabrik
und den Prozessgeräten
dar und sorgt für
die Logistik, d.h. die automatische Beschickung der Anlage mit den
Wafern. Die EFEM verfügen üblicherweise über eine
oder mehr Ladestationen (Load Ports), deren Maße standardisiert sind. Auf
Ladestationen werden die Waferbehälter (Front Opening Unified
Port, FOUP) abgestellt, die die Wafer enthalten. Das EFEM verfügt weiterhin über einen
Roboter und ist rückseitig
entweder direkt mit der jeweiligen Prozesskammer verbunden. Oder
es ist über
mindestens eine Schleuse mit einer Transferkammer, in der Regel
eine Vakuumkammer, verbunden, die mindestens zwei Stellen zur Anbindung
von Prozesskammern aufweist. Innerhalb der Transferkammer ist in
der Regel ein weiterer Roboter vorhanden, der den Wafer von der
einen zur nächsten
Prozesskammer transportiert. Das EFEM enthält einen Waferbehälter (FOUP)
und bringt die Wafer über
die mindestens eine Schleuse mit Hilfe des Transferkammerroboters in
die jeweilige Prozesskammer und führt die Wafer nach dem Prozess
wieder einem FOUP zu.
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Mit
Hilfe der integrierten Messtechnik ist es möglich, den Wafer vor dem Prozess
einer Eingangsmessung zuzuführen
und nach dem Prozess einer Endkontrolle. Es wird dadurch möglich, die
weitere Bearbeitung von schlechten Wafern zu vermeiden und die Anlage
bei Feststellung von abweichenden Parametern in die vorgegebenen
Prozessfenster zurückzuführen.
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Beispielsweise
die Herstellung von Feldeffekttransistorstrukturen kann mit folgender
Abfolge durchgeführt
werden: Zunächst
werden die Wafer aus den FOUP entnommen und in die Vakuumtransferkammer
eingeschleust. Durch den Vakuumroboter werden die Wafer in die erste
Prozesskammer zur Abscheidung des Gate-Dielektrikums transportiert. Danach
werden sie in die nächste
Prozesskammer zur Abscheidung der Elektrode aus Polysilizium transportiert.
Gegebenenfalls können
sie in weitere Prozesskammern weitertransportiert werden. Zuletzt werden
sie aus der Vakuumtransferkammer ausgeschleust und als prozessierte
Wafer in einem weiteren FOUP abgelegt.
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Mit
immer kleiner werdenden Strukturen werden auch die Schichtendicken
immer geringer. So erreichen die Dicken der Gateoxide inzwischen
die Region zwischen 1 nm und 2 nm. Dies entspricht dann nur noch
wenigen Atomlagen. Die Prozesskontrolle derart geringer Schichtdicken
ist sehr komplex. Daher ist die Kontrolle der Schichtdicken mit
geeigneter Messtechnik sehr wichtig. Je prozessnäher die Schichtdicke gemessen
werden kann, desto besser gelingt es, durch Rückkopplung auf die Prozessparameter
die gewünschten
Zielwerte zu erreichen.
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Die
Qualitätskontrolle
der hergestellten Schichten geschieht normalerweise außerhalb
der Prozessanlage in „Stand
Alone"-Messgeräten und zwar
in Reflektometern bei Schichten ab 50 nm oder in Ellipsometern für ultradünne Schichten.
Zum Beispiel bei der Herstellung des Gateoxidelektrodesystems ist
eine externe Messung der ultradünnen
Oxidschicht jedoch mit großen
Problemen verbunden. Zum einen kontaminiert die dünne Schicht,
sobald sie das Vakuum verlässt,
um an einem externen Messgerät
vermessen zu werden. Zum anderen werden durch die externe Messung
der Ablauf und die Logistik des Herstellungsprozesses erheblich
gestört
und der Durchsatz verringert.
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In
der
DE 102 17 028.2 findet
sich der Hinweis, dass das EFEM ein ideal geeigneter Platz sei, um
ein Messgerät
mit einer Fertigungsanlage zu verbinden, weil dabei ohnehin die
vorhandene Logistik des EFEM mit Robotern benutzt werden kann, um den
Messvorgang flexibel in den Fertigungsprozess zu integrieren. Nachteilig
bei der Anbindung des Messgerätes
an das EFEM ist jedoch, dass der Wafer zwischen zwei Prozessschritten
zunächst
durch die Schleuse zurück
in den Bereich des EFEM transportiert werden muss. Dadurch wird
die Logistik der Anlage gestört.
Außerdem
muss das EFEM mit einem Schutzgas wie z. B. Stickstoff gespült werden, um
eine Kontamination des Wafers an Luft zu vermeiden. Diese Schutzgasspülung stellt
einen höheren Aufwand
dar und ist nicht immer möglich.
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Es
sind auch Ellipsometer bekannt, die über Fenster oder spezielle
Vakuumadapter, wie in der
DE 100
42 123 A1 beschrieben, das Licht zur Messung in die Vakuumkammer
einkoppeln. Nachteil dieser Anordnung ist, dass besonders in der
Ellipsometrie Fenster die Messergebnisse negativ beeinflussen können. Denn
durch Spannungen im Glas können Doppelbrechungen
auftreten, die besonders bei der Messung ultradünner Schichten die Messergebnisse stark
verfälschen.
In der Produktion müssen
die Wafer an verschiedenen Stellen auf dem Wafer vermessen werden,
um Informationen über
die Homogenität der
Schicht zu gewinnen. Dies muss darüber hinaus in bestimmten, dafür vorgesehenen
Stellen des Wafers in kleinen Messfeldern geschehen. Diese Messfelder
haben typischerweise eine Größe von 80 μm × 80 μm. Die Positionierung
des Ellipsometers gegenüber
dem Wafer durch ein Sichtfenster erfordert einen sehr hohen Aufwand.
Insbesondere muss die Optik sehr nah an den Wafer gebracht werden,
um die erforderliche Ortsauflösung
zu erzielen. Dem sind Grenzen durch die Dicke der Vakuumfenster
gesetzt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur besseren Integration
der Kontrollmessungen in den Fertigungsablauf zu finden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Fertigungsanlage gemäß Anspruch
1. Ferner wird diese Aufgabe durch Messkammern gemäß den Ansprüchen 7 und
8 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
das gesamte Messmodul in der Messkammer unterzubringen und Fenster
zu vermeiden. Die Messkammer wird an standardisierten Stellen für Prozesskammern angebracht.
Dadurch werden Messfehler durch den Einfluss von Fenstern vermieden
und das gesamte Messsystem kann für die Vermessung feinster Strukturen
sehr nah an das Messobjekt gebracht werden. Indem die Messkammer
an eine Anbindungsstelle für eine
Prozesskammer angebracht ist, können
die Messungen unmittelbar nach bzw. unmittelbar zwischen zwei Prozessschritten
ausgeführt
werden. Dadurch kann sehr schnell auf die Abweichung von eventuellen
Sollwerten reagiert werden. Der Herstellungsprozess wird nur minimal
unterbrochen. Außerdem
wird die Wahrscheinlichkeit für
Verfälschungen des
Messergebnisses durch beispielsweise Kontamination minimiert.
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Die
im Messkopf integrierte Messeinrichtung kann beispielsweise ein
Spektrometer zur Messung von Schichtdicken und Schichtzusammensetzungen, ein
FTIR-Spektrometer (Fourier Transform-Infrarot-Spektrometer) zur
Messung von Verunreinigungen, ein Ellipsometer zur Messung von Schichtdicken,
ein Mikroskop zur Vermessung von lateralen Strukturen sowie von
Deffekten, ein Streulichtmessgerät
zur Vermessung von Partikeln oder anderen Defekten oder ein Rasterkraftmikroskop
(AFM, atomic force microscope) sein. Miniaturisierte Messreinrichtungen
sind beispielsweise aus der
US
5,502,567 und der
US
6,091,499 bekannt.
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Vorzugsweise
beträgt
die Breite der Messkammer maximal die Breite einer Ladestation.
Z.B. für
die Verarbeitung von 300 mm-Wafern sind die entsprechenden Abmesssungen
im Standard SEMI Nr. E 63 festgelegt. Dadurch, dass während der
Vermessung der Wafer rotiert wird, wobei gleichzeitig der Messkopf
mittels einer translatorischen Bewegung verschoben wird, ist der
Platzbedarf während
der Vermessung des Wafers so gering, dass die Breite der Messkammer
auf die Breite einer Ladestation und kleiner beschränkt werden
kann und somit hervorragend geeignet ist, in Fertigungsanlagen für Halbleiterbauelemente,
insbesondere anstelle einer Prozesskammer integriert zu werden.
Dies hat den Vorteil, dass an der Fertigungsanlage für Halbleiterbauelemente
keine konstruktiven Veränderungen vorgenommen
werden müssen.
Es wird dadurch ein hohes Maß an
Integrierbarkeit und Kompatibilität erreicht.
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Um
die Anpassung an die Gegebenheiten der Fertigungsanlage für Halbleiterbauelemente noch
weiter zu verbessern, ist die Beschickungsöffnung vorzugsweise in einer
Interfaceplatte angeordnet, die eine Seitenwand der Messkammer bildet
und Mittel zum Verbinden mit einer Transferkammer sowie Anschlüsse zur
Verbindung mit den Medien der Fertigungsanlage aufweist. Diese Anschlüsse betreffen
vorzugsweise elektrische Anschlüsse,
Druckluftanschlüsse,
Vakuumanschlüsse
und Anschlüsse
zu einem Rechner-Interface.
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Bezüglich der
Messkammern gibt es zwei besonders bevorzugte Ausführungsformen.
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Die
Messkammer für
Messungen unter Vakuum oder Niederdruck-Schutzgas weist einfach nur eine Beschickungsöffnung auf.
In diesem Fall steht das Innere der Messkammer immer unter demselben Druck
und derselben Atmosphäre
wie die Transferkammer. So können
die Messobjekte ohne jegliche Verzögerung sofort in die Messkammer
eingebracht und vermessen werden. Allerdings muss auch die Messeinrichtung
vakuumtauglich sein. So sollten alle Bauteile komplett vergossen
sein, geschlossene Hohlräume
vermieden werden und/oder vakuumtaugliche elektronische Bauteile
verwendet werden. Zusätzlich
empfiehlt es sich, Maßnahmen
zur Kühlung
relevanter Bauteile zu treffen wie z. B. Wärmeableitung über Metallbuchsen
oder auch eine aktive Kühlung über z. B.
wasserdurchströmte
Kühlelemente.
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Für Messungen
unter atmosphärischem Druck
weist die Messkammer nicht nur eine verschließbare Beschickungsöffnung auf,
sondern auch eine Inertgaszuführung
sowie einen Vakuumpumpenanschluss. Nachdem bei offener Beschickungsöffnung ein
Messobjekt in die Messkammer eingebracht worden ist, wird die Beschickungsöffnung geschlossen
und die Messkammer mit Inertgas belüftet. Nach Durchführung der
Messung wird mit Hilfe einer Vakuumpumpe ein Druckausgleich mit
der Transferkammer hergestellt. Danach kann die Beschickungsöffnung wieder
geöffnet
werden und das Messobjekt entnommen werden. Diese Anordnung hat
den Vorteil, die Messeinrichtung nicht gesondert für den Betrieb
im Vakuum ausgelegt sein muss. Sie muss lediglich im Ruhezustand,
d.h. bei offener Beschickungsöffnung
einen Druckausgleich ohne Schaden überstehen und das Vakuum bzw.
die Atmosphäre der
Transferkammer nicht übermäßig beeinflussen.
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Die
Erfindung soll anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert werden.
Dazu zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Fertigungsanlage
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2 einen Schnitt durch eine
Transferkammer mit angebundener Messkammer.
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In 1 ist eine Fertigungsanlage 1 für Halbleiterbauelemente
dargestellt. Sie umfasst ein EFEM 2 mit Laderoboter 7.
An das EFEM 2 sind zwei FOUPs 3 angedockt. Über zwei
Schleusen 4 ist das EFEM 2 mit einer unter Vakuum
stehenden Transferkammer 5 verbunden. An die Transferkammer 5 sind zwei
Prozesskammern 6a, 6b sowie eine Messkammer 11 angebunden. Über Transferroboter 8 wird
der Wafer 9 innerhalb der Transferkammer 5 von
einer Prozesskammer 6a zur anderen 6b bzw. zu
einer Messkammer 11 transportiert.
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In
der Messkammer 11 ist ein Messmodul aus Messkopf 12 und
Messtisch 13 eingebaut. Der Messtisch 13 ist rotierbar
um seine eigene Achse. Der Messkopf ist lateral über dem Messtisch 13 verfahrbar.
Dadurch wird gewährleistet,
dass jeder beliebige Punkt auf der Waferoberfläche angefahren werden kann
und vermessen werden kann. Die Messkammer hat im wesentlichen die
Form eines Kubus mit einer Kantenlänge etwas unter 450 mm und
ist damit etwas weniger breit als eine Ladestation gemäß SEMI Nr.
E 63.
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Die
Messkammer 11 ist über
die Beschickungsöffnung 14 mit
der Transferkammer 5 verbunden. Die Seitenwand der Messkammer 11,
in der sich die Beschickungsöffnung 14 befindet,
ist als Interfaceplate ausgebildet, so dass sie mit der Transferkammer 5 problemlos
verbunden werden kann und über passende
Anschlüsse
die Medien der Fertigungsanlage 1 wie z. B. Strom und Rechneranschlüsse nutzen
kann.
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Im
Rahmen der Herstellung von Feldeffekttransistoren auf 300 mm-Wafern werden zu
verarbeitende Wafer in einem FOUP 3 an das EFEM 2 herangeführt. Der
Laderoboter 2 nimmt aus dem FOUP 3 jeweils einen
Wafer 9 heraus und führt
ihn durch die Schleuse 4 dem Transferroboter 8 in
der Transferkammer 5 zu. Der Transferroboter 8 übergibt
den Wafer 9 an die Prozesskammer 6a, wodurch ein
Rapid Thermal Process (RTP-Prozess) eine ultradünne Gateoxidschicht hergestellt
wird. Im Anschluss daran transferiert der Transferroboter 8 den
beschichteten Wafer 9 in die Messkammer 12.
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Nachdem
der Wafer 9 in die Messkammer eingebracht worden ist, wird
die Beschickungsöffnung 14 geschlossen
und die Messkammer 11 mit Stickstoff über den Pumpenanschluss 15 belüftet. In der
Stickstoffatmosphäre
bei Normaldruck wird die im Messkopf 12 befindliche Messeinrichtung
angestellt und die Waferoberfläche
an verschiedensten Punkten ellipsometrisch vermessen. Nach Abschluss
der Messung wird über
den Pumpenanschluss 15 das Stickstoffgas evakuiert und
ein Druckausgleich mit der Transferkammer hergestellt und die Messeinrichtung
ausgeschaltet.
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Wenn
dies abgeschlossen ist, wird die Beschickungsöffnung wieder geöffnet und
der Wafer 9 von dem Transferroboter 8 der Messeinrichtung 11 entnommen
und der Prozesskammer 6b zugeführt. Dort wird durch Beschichten
mit Polysilizium die Polysiliziumelektrode hergestellt. Von der
Prozesskammer 6b wird der Wafer 9 erneut der Messkammer 11 zugeführt. Dort
werden wie zuvor beschrieben die Dicke und Homogenität der Schicht
wieder ellipsometrisch bestimmt. Dabei wird das Ergebnis der ersten Messung
als Eingangsergebnis für
die Ermittlung der Schichtdicke der Polysiliziumschicht benutzt.
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Nach
Abschluss der zweiten Messung übergibt
der Transferroboter 8 den Wafer 9 durch die Schleuse 4 dem
Laderoboter 7 im EFEM 2, der den Wafer 9 in
einen zweiten FOUP 3 räumt,
in der sich die übrigen
bereits prozessierten Wafer 9 befinden.
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Die
Ergebnisse der Messungen an den Einzelschichten werden sofort im
Rechner der Anlage mit den Solldaten und Maßnahmen zur Nachregelung der
Prozessparameter getroffen. Damit kann die Waferproduktion in sehr
viel engeren Grenzen gefahren werden als es mit externer Messtechnik
möglich ist,
wo die Reaktionszeit auf Prozessabweichungen mitunter Stunden betragen
kann.