CN100472734C - 半导体晶片的快速热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体晶片的快速热处理方法。提供RTP反应舱，包括加热源、旋转驱动机制以及冷却系统，用以冷却该RTP反应舱的内壁。将半导体晶片加载RTP反应舱中时，RTP反应舱的内壁由冷却系统降温至第一温度，且半导体晶片的温度低于第一温度，导致附着并累积在RTP反应舱的较热内壁上的微粒污染物有朝向刚载入RTP反应舱中的半导体晶片的较冷表面移动扩散的倾向。接着，以加热源快速预热该半导体晶片至第二温度，其中第二温度高于该第一温度，藉此消除微粒污染物扩散倾向。当半导体晶片的温度到达第二温度时，启动旋转驱动机制，进行半导体晶片的旋转，同时间亦持续将半导体晶片的温度拉升至第三温度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体晶片工艺中的快速热处理(rapid thermal processing，以下简称为RTP)工艺，特别是涉及采旋转半导体晶片方式进行均匀热处理的RTP方法。
背景技术
在半导体工艺中，快速热处理或RTP工艺用于快速并且均匀地加热晶片，其通常被应用在离子注入之后的掺杂物活化及扩散、形成金属硅化物之后的回火处理以与栅极氧化层的回火处理等方面。
在RTP工艺中，单片晶片被放置在密闭的RTP反应舱中，利用特定热源及预设的升温程序进行加热晶片，以快速达到所要求的温度。在温度控制方面，有以高温计(pyrometer)量测感应晶片所辐射出的在某特定波长下的热，以计算出最理想的精确度。过去所努力的焦点都是放在如何精密地控温而提高温度的均一性，及发展出不同的加热周期与程序以降低热预算(thermalbudget)。然而，影响半导体工艺品质的因素除了RTP工艺温度的均一性之外，也不能忽视在RTP工艺中产生的微粒污染。
请参阅图1，其绘示的是现有技艺RTP反应舱10的剖面示意图，其中半导体晶片12被平放在三根石英针14上，并准备以配置在RTP反应舱10中的加热灯管16及18进行加热。RTP反应舱10具有外壳20，其具有高抛光内壁22，并有气密门24使晶片得以进出。半导体晶片的温度利用高温计26进行量测，并连结至计算机32以控制加热灯管16及18的输出，同时计算机也控制气体流量单元30以及工艺气体28。
现有技艺利用旋转半导体晶片的方式使其加热温度或使成长在晶片表面的薄膜能够更为均匀，请参阅图2，其绘示的是现有RTP方法的流程图。首先，如步骤42，先将半导体晶片载入刚刚降温下来的RTP反应舱中，其中半导体晶片平放在石英针上，且一开始，半导体晶片的温度约为室温，低于RTP反应舱的内壁温度(通常为30至80℃)。接着，如步骤44，使半导体晶片水平旋转。接着，如步骤46，将工艺气体导入RTP反应舱中。最后，如步骤48，以储存在计算机中的预设升温程序，开始进行半导体晶片的加热。然而，上述现有技艺以旋转半导体晶片方式进行均匀热处理的RTP方法却容易导入微粒污染。
发明内容
因此，本发明的主要目的在提供一种改良的半导体晶片热处理方法，以解决在RTP工艺中可能产生的微粒污染问题。
根据本发明的优选实施例，本发明揭露一种半导体晶片的快速热处理方法，包括以下步骤：
(1)提供一快速热处理(RTP)反应舱，其包括有至少一加热源、一旋转驱动机制，用以转动半导体晶片，以及一冷却系统，用以冷却该RTP反应舱的内壁；
(2)将一半导体晶片载入该RTP反应舱中，此时该RTP反应舱的内壁由该冷却系统降温至第一温度；
(3)以该加热源快速预热该半导体晶片至一第二温度，其中该第二温度高于该第一温度；以及
(4)当该半导体晶片的温度到达该第二温度时，始启动该旋转驱动机制，进行该半导体晶片的旋转，且同时间亦持续将该半导体晶片的温度拉升至第三温度。
为了进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。然而所附图式仅供参考与辅助说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1绘示的是现有技术的RTP反应舱的剖面示意图。
图2绘示的是现有RTP方法的流程图。
图3绘示的是本发明优选实施例的RTP工艺流程图。
图4以及图5分别绘示的是本发明RTP工艺在“浸泡(soak)”模式及“尖峰(spike)”模式下的升温程序曲线图。
简单符号说明
10 RTP反应舱 12 半导体晶片
14 石英针 16 加热灯管
18 加热灯管 20 外壳
22 高抛光内壁 24 气密门
26 高温计 28 工艺气体
30 气体流量单元 32 计算机
具体实施方式
本发明提供一种新颖的RTP工艺流程，特别修正在RTP工艺过程中晶片的旋转启动时机，以解决在RTP工艺中可能产生的微粒污染问题。这种微粒污染来自于同一RTP反应舱需要处理许多批次的晶片，而使得RTP反应舱不可避免地会在其内壁上附着污染物所致。当处理完某一片晶片之后，下一片晶片(存放在室温下)会自动地被加载到刚刚降温下来的RTP反应舱中。
在现有技艺中，为了使产能能够提升或者其它工艺因素，前述的RTP反应舱通常被降温至30至80℃左右，而不是室温。当下一片晶片被加载到RTP工艺中，随即开始旋转，工艺气体也开始注入RTP反应舱中，然后，储存在计算机中的预设升温程序，这时才被启动并在所谓的“浸泡(soak)”模式下或者“尖峰(spike)”模式下进行旋转中半导体晶片的加热。
在经过许多批次的晶片的处理之后，发现到在RTP反应舱内壁上附着并累积微粒污染物。本案发明人经过长期悉心观察以及多年经验的累积发现到现有技艺的RTP工艺流程会导致附着并累积在RTP反应舱的较热内壁上的微粒污染物有朝向刚载入RTP反应舱中的半导体晶片的较冷表面移动扩散的倾向，而造成半导体晶片的污染。这种发生在RTP工艺早期阶段的微粒污染物扩散倾向会严重影响到后续光刻工艺的精密度，进而恶化集成电路产品的可靠度、成品率及品质。本发明的主要目的之一即在于去除这种发生在RTP工艺早期阶段的微粒污染物扩散倾向。
本发明经改良的RTP工艺流程在可采旋转半导体晶片方式进行热处理的先进RTP系统中实施，这种RTP系统可以由许多知名的快速热处理设备供货商购得，例如美商应用材料公司(Applied Materials，Inc.)、德国玛特森科技公司(Mattson Technology，Inc.)或者德国史特克公司(Steag AST)。举例来说，本发明经改良的RTP工艺流程可在德国史特克公司(Steag AST)所生产的Steag AST 3000型RTP机器上进行。通常，这类的RTP机器包括一RTP反应舱，支撑半导体晶片的部分特定内壁会以相对于其它部位做旋转，使得在加热过程中，半导体晶片也等于相对于加热源，例如卤素灯或钨丝灯，做相对的旋转动作。此外，RTP反应舱的内壁通常有一部份是能够使卤素灯所释放的热辐射穿透，达到直接或间接均匀加热晶片的目的。由于这种RTP机器的使用在该领域及业界乃通常知识，因此其细部构造将不再赘述，以简洁篇幅。
请参阅图3，其绘示的是本发明优选实施例改良的RTP工艺流程图。如图3所示，首先进行步骤152，将半导体晶片加载RTP反应舱中，半导体晶片静置平放在石英针上，并不进行转动，且此时半导体晶片的温度约为室温，低于RTP反应舱的内壁温度(通常为30至80℃)。接着，如步骤154，先以储存在计算机中的预设升温程序执行半导体晶片的加热升温，此时，半导体晶片仍然静置平放在石英针上，并不进行转动。上述的计算机除了控制加热源的输出功率之外，亦同时可以控制RTP系统的旋转驱动机制以及控制工艺气体流量单元。
本发明的特征在于上述储存在计算机中的预设升温程序在半导体晶片仍然静置平放在石英针上，不进行转动的状态下即已启动，且该预设升温程序包括有一预热阶段，其快速地将静置平放在石英针上的半导体晶片的温度在极短时间内从原本的T1(约为室温)加热至T2，其中T2约为100至250℃，如步骤154。根据本发明的优选实施例，前述的预热阶段由封闭回路控制，并在固定的加热功率下进行，而通常达到温度T2的时间约为5至30秒内。由于RTP反应舱的内壁是由冷却水系统冷却，其升温不会如半导体晶片般快速，如此，使得RTP反应舱的内壁在完成前述的预热阶段后，其温度变成低于半导体晶片的温度。
如步骤156，在半导体晶片的温度达到T2后，立即启动RTP系统的旋转驱动机制，这时才开始旋转半导体晶片，同时间亦继续将半导体晶片的温度拉升到更高的工艺目标温度T3。本发明RTP系统的旋转驱动机制可以为机械方式，例如利用齿轮组合，或者以磁力方式或气动(gas-driven)方式。根据本发明的优选实施例，不论用何种旋转驱动机制，半导体晶片的旋转速率约在70rpm至85rpm之间，最重要的是在前述的预热阶段完成后，该旋转驱动机制始被启动。
在步骤156中，半导体晶片从温度T2到更高的工艺目标温度T3的加热过程仍是以前述的固定加热功率进行。而实际的工艺目标温度T3端视RTP工艺的目的而决定，如离子注入之后的掺杂物活化及扩散、形成金属硅化物之后的回火处理或栅极氧化层的回火处理等皆有不同工艺目标温度T3的设定。通常，工艺目标温度T3介于700℃与1100℃之间。
此外，本发明并不限于在“浸泡(soak)”模式或者“尖峰(spike)”模式下进行旋转中半导体晶片热处理。请参阅图4以及图5，其分别绘示的是本发明RTP工艺在“浸泡(soak)”模式及“尖峰(spike)”模式下的升温程序曲线图，且图中皆标示出启动半导体晶片旋转的时机点。在图4中，当半导体晶片从温度T2到工艺目标温度T3后，温度即保持在定值，并维持一段时间，例如，30至90分钟，而升温程序曲线即有如图所示的高原区域。之后，再将温度降至30-80℃，如步骤158。图5所示的“尖峰(spike)”模式则无图4中的高原区域，直接在温度达到工艺目标温度T3后，立刻降温到30-80℃。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (13)
1、一种半导体晶片的快速热处理方法，包括：
提供一快速热处理反应舱，其包括有至少一加热源、一旋转驱动机制，用以转动半导体晶片，以及一冷却系统，用以冷却该快速热处理反应舱的内壁；
将一半导体晶片加载该快速热处理反应舱中，此时该快速热处理反应舱的内壁由该冷却系统降温至第一温度；
以该加热源快速预热该半导体晶片至一第二温度，其中该第二温度高于该第一温度；以及
当该半导体晶片的温度到达该第二温度时，开始启动该旋转驱动机制，进行该半导体晶片的旋转，且同时间亦持续将该半导体晶片的温度拉升至第三温度。
2、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中以该加热源快速预热该半导体晶片至该第二温度在30秒内完成。
3、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中该第一温度介于30℃至80℃。
4、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中该第二温度介于100℃至250℃。
5、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中该第三温度介于700℃至1100℃。
6、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中该旋转驱动机制为机械方式，该机械方式包括齿轮组合。
7、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中该旋转驱动机制为磁力方式。
8、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中该旋转驱动机制为气动方式。
9、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中该快速热处理反应舱另有一计算机，控制该旋转驱动机制、该加热源的输出以及工艺气体的流量。
10、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中该半导体晶片的温度被拉升至该第三温度后，维持在该第三温度一段时间。
11、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中该半导体晶片的温度被拉升至该第三温度后，随即被冷却。
12、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中该加热源包括卤素灯以及钨丝灯。
13、如权利要求1所述的半导体晶片的快速热处理方法，其中在加载到该快速热处理反应舱中时该半导体晶片的温度低于所述第一温度，导致附着并累积在该快速热处理反应舱的较热内壁上的微粒污染物有朝向刚载入快速热处理反应舱中的该半导体晶片的较冷表面移动扩散的倾向；以及其中通过将该第二温度设置为高于该第一温度，藉此消除该微粒污染物扩散倾向。
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