CN101431005A - 可控的退火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控的退火方法，其是一种快速热退火的方法。当衬底插入退火腔室中，由于来自腔室元件的热辐射使得衬底开始加热，腔室元件在衬底退火之前加热。因此，由于整个衬底的温度梯度，当衬底插入时衬底前缘可以为较高的温度，而衬底的后缘为室内温度。一旦衬底完全插入到退火腔室，温度梯度仍存在。通过在整个衬底补偿温度梯度，可以均匀退火衬底。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及半导体工艺领域，更具体地，涉及半导体器件制造期间的热退火。
背景技术
快速热处理(RTP)为在半导体制造期间用于退火衬底的工艺。在该工艺期间，热辐射用于在可控的环境中将衬底快速加热到超过室温的900度以上。根据该工艺，该温度可以保持在小于1秒到7分钟的任意时间。随后衬底冷却到室温，用于下一步工艺。高强度的钨灯或卤素灯用于作为热辐射源。可传导地将衬底连接到加热的基座提供额外的热量。
半导体制造工艺具有几个RTP的应用。该类应用包括热氧化(衬底在氧气或氧气和氢气的化合物中加热，其使得硅衬底氧化以形成二氧化硅)；高温浸泡退火(使用诸如氮、氨或氧等不同的气体混合物)；低温浸泡退火(退火用金属沉积的衬底)；峰值退火(spike anneal)(用在衬底需要暴露在高温一段非常短时间的工艺)。
在退火期间，利用灯阵列的热辐射加热衬底。衬底以高达250摄氏度/秒的上升速度加热到大于1000摄氏度的温度。随后利用诸如氦气的惰性气体将热衬底可传导地连接到冷的反射板来冷却衬底。这种强制性的冷却便于加快冷却速度，下降速度达到80摄氏度/秒。
退火的目的在于使得整个衬底达到基本均匀的温度分布。高上升和下降速度需要用于控制在退火工艺期间控制均匀性的改进方法。
发明内容
本发明提供一种快速热退火的方法，基于实时衬底温度测量，控制多个阵列和/或腔室中的灯的功率，达到均匀退火。在一个实施方式中，退火方法包括检测位于腔室内的多个灯下方的衬底上的温度变化，取决于检测到的温度变化，通过控制从每一个灯上发出的热量来退火衬底，从而在整个衬底退火达到均匀的温度。
在另一实施方式中，退火方法包括在腔室中多个灯下方的至少一个非径向方向、位于边缘环上的衬底的至少一部分中检测具有非均匀温度的衬底，并通过控制从灯发出的热量退火衬底，从而将不均匀的热量施加到适当区域，以在整个衬底上达到均匀的温度。
在又—实施方式中，退火方法包括，随着衬底插入到腔室在整个衬底上产生温度梯度，取决于温度梯度，通过控制从位于衬底上方的腔室中的多个灯中的每一个灯发出的热量来退火衬底，从而该退火在整个衬底达到均匀的温度。
附图说明
因此为了更详细地理解本发明的以上所述特征，将参照附图中示出的实施方式对以上简要所述的本发明进行更具体描述。然而，应该注意，附图中只示出了本发明典型的实施方式，因此不能认为是对本发明范围的限定，本发明可以有其他等效的实施方式。
图1示出了根据本发明一个实施方式的RTP腔室的部分垂直截面图；
图2示出了使用灯阵列的RTP腔室的盖组件的底表面的局部视图；
图3示出了移除灯阵列的图2的盖组件的底表面的局部视图；
图4示出了根据本发明一个实施方式的退火处理的流程图；
为了便于理解，尽可能，附图中相同的附图标记表示相同或相似的元件。可以认为一个实施方式中的元件和特征可以在不进行进一步修改的情况下引入到另一实施方式中。
具体实施方式
本发明公开的实施方式可以在RADIANCETM腔室或VANTAGETMRadiancePlus RTP腔室中实现，二者都可以从California的Santa Clara应用材料公司购买到。可以认为，在此所描述的方法可以在其它适合的腔室中实现，包括来自其它制造商的腔室。
图1示出了支撑在改进的RTP腔室100中的衬底112，腔室100具有设置在窗口132后面的灯阵列116。在一个实施方式中，窗口132可以是石英窗口。在另一实施方式中，窗口可以由透射材料制成。在一个实施方式中，灯116可以在红外区域发出辐射。在另一个实施方式中，灯116可以在近红外区域发出辐射。在又一实施方式中，灯116可以包括钨卤素灯。衬底112停留在边缘环120上，在边缘环120和衬底112之间具有缝隙104以便于将衬底112放置在边缘环120上，以及从边缘环120上移除衬底112。控制器128接收来自高温计125、126和127的测量以向灯116输出控制信号。
设置在衬底112下方的反射表面122具有用于净化气体管道的开口、升降销和传感器(未示出)。可以设置开口和净化气体流的位置以便于衬底的温度分布的控制。如果反射表面122不旋转，则可以提供衬底非均匀性的其它控制。在一个实施方式中，反射表面122可以旋转。固定的反射表面122便于定位的气体喷嘴(jet)冷却以及灯调整。
可选地，衬底112可以通过旋转转子121的致动器123磁旋转。致动器123磁耦合到转子121。在一个实施方式中，致动器123适用于改变转子121的仰角(elevation)和/或调整转子121相对于其中心轴的角度方向。转子121的第一仰角将衬底112设置在转换位置114，用于通过狭口阀130移除衬底。随后通过转子121定位新衬底用于退火。盖子102可以保护转子121在退后期间避免不适当的加热。
在另一实施方式中，机械手叶片可以进入腔室100，其中升降销可以举起衬底112离开机械手叶片。机械手叶片随后退回，狭口阀130可以关闭。衬底112可以由升降销传导地加热。随后，升降销可以将衬底112降到边缘环120上。
可以改变反射表面122以改进腔室的温度调整(tailoring)能力。发射表面122可以具有开口用于一个或多个高温计125、126和127。反射表面122还包括气体分布入口和出口。通过反射表面122的孔(未示出)喷射气体有助于加速冷却，这是因为孔不会将能量反射回衬底112。调整反射表面122中的孔的设计可以提供另一机制以便于热传递。诸如图1所示的实施方式中的快速热退火系统可以包括激光，用于退火诸如在美过专利申请序列号No.2005/0186765 A1中描述的激光退火系统，在此引入其全部内容作为参考。
通常，灯116和反射表面122设计为在衬底上产生相对均匀的光辐照。通过有意改变偏移温度，可任意调整光辐照分布，使其径向对称。对于热分布以及用于衬底112冷却的更好对流，需要将灯116放置在远离中心的位置。同样，需要更高的温度的衬底112的辐射区域，可以具有相应的含有较高功率灯116的灯116的区域，而其它区域可以包括较低功率的功能116，或在一些区域可以移除灯116。其中需要增加温度梯度，产生较窄反射束的反射表面112可用于减小辐射从一个控制区扩散到另一个控制区。此外，发光二极管(LED)可以设置在腔室内部以提供额外的温度控制。可选地，灯116可用LED取代。
腔室也可以设计为通过一些灯116或灯116的特定区段来辐射额外的能量。这些额外的能量可用于根据需要调整衬底112上的温度分布。如果衬底112相对于灯116头旋转，随后这些设计的温度分布将主要由沿衬底半径的非均匀温度分布组成。需要非均匀性的光线区具有相应的根据需要增加或减小功率的灯。改变灯116参数可用于补偿由于不同发射率的衬底112而引起的边缘温度范围作用的差异。
图2示出了使用灯202的阵列的盖(lid)组件的底表面200的部分示意图。在示出了许多独立的灯泡的同时，灯202的阵列可以包括少到两个灯泡，其由单一电源或独立电源供电。例如，在一个实施方式中的灯202的阵列包括第一灯泡，用于发出第一波长分布；和第二灯泡，用于发出第二波长分布。从而在除了调整气流、化合物、压强以及衬底温度之外，在给定的退火腔室中可以通过利用不同的灯202定义不同的照明序列来控制退火工艺。
灯202可以设置在整个灯阵列的区段或区域。区段可以从衬底的中心径向延伸或可以设置在整个衬底直径的部分中。例如，可以选择区段将更多的热量集中到衬底的周围，或提供具有不同频谱的灯泡用于随着衬底旋转露出的衬底。当衬底不旋转时，灯泡的设置对产生的衬底属性的影响更明显。
通过在灯202的阵列中选择并设置一个、两个或多个不同类型的单个灯泡，灯202的阵列可以设计为满足具体UV光谱分布需求。例如，可以从低压Hg、中压Hg和高压Hg中选择灯泡。
灯202的阵列可利用诸如UV发光二极管的高效灯。由微波供电的UV源或脉冲源相对于诸如10W-100W的低功率灯具有5％的转换效率，所述低功率灯可以在灯202的阵列中，以提供约20％的转换效率。利用微波功率源，总能量的95％转化为热量，其消耗能量并需要额外的冷却需求，同时仅有5％的能量转化为UV放射。低功率灯泡的低冷却需求允许灯202的阵列设置在靠近衬底的位置(例如在1和6英尺之间)以减小反射的UV光和能量损失。
此外，盖组件的底表面200可包括多个排气管204，其在灯202的阵列内交错。因此，工艺气体可以引入到上面的腔室中的工艺区。其它详细信息可以从美国专利申请No.2006/0251827 A1中获得，在此引入其全部内容作为参考。
再次参见图1，在工艺期间，灯116可以将衬底112加热到上面所述的高温。退火不仅加热衬底112，而且加热各种腔室元件，包括将灯116从腔室100的工艺区分开的石英窗口132。进入腔室100的衬底112最初可以处于室温。当衬底112穿过狭口阀130到腔室100的时候，由于衬底靠近石英窗口132，衬底112的前缘可以开始加热。从而，当衬底112进入腔室100时，与衬底112的后缘相比，衬底112的前缘具有高于室温的温度，衬底112的后缘在工艺腔室100的外面。因此，当衬底112进入腔室100时，整个衬底112的温度梯度扩大。到衬底112完全包含在工艺腔室100的时候，由于衬底112的前缘相对于衬底112的后缘暴露到加热的腔室100组件更长的时间，则衬底112在整个衬底112中不具有均匀的温度。
此外，当衬底112插入到腔室100时，衬底112停留在边缘环120上。由于在前面退火工艺中，加热了边缘环120，边缘环120可以从前面退火工艺中保持一些热量，大于衬底112的温度，从而可传导地加热衬底112。可传导地加热衬底112与边缘环120接触的部分，以使得温度高于衬底112未与边缘环120接触的部分。因此，从衬底112的边缘到衬底112的中心存在温度梯度。引起的另一复杂因素是在衬底112与边缘环120重叠处加热较大的热质量。相对于在较小重叠处位于相同半径的区域，在加热升高温度期间，较多重叠区域(即，优选不设置在中心所引起的)，可以具有较低的加热速度。温度的非均匀性可以通过完全地径向控制区域减轻。在升降销接收衬底112的实施方式中，由于单个灯116功率的任何不匹配和/或衬底112的任何非旋转中，整个衬底112存在温度非均匀性。
当衬底112设置在边缘环120上，衬底112优选地不位于边缘环120的中心。由于边缘环120和衬底112的边缘之间的缝隙，衬底112可以稍微远离边缘环120中心。此外或可选地，机械手可以不重复地将衬底112设置在完全相同的位置。因此，停留在边缘环120的衬底112的部分离衬底112的中心不具有均匀的径向距离。因此，不仅从衬底112的边缘到衬底112的中心存在温度梯度，而且从衬底112的边缘到衬底112的中心的温度梯度在围绕在衬底112的每一个角度位置可以变化。
为了补偿整个衬底112的温度梯度，灯可以分为多个区段(302a-k，302m，302n和302p-302t)，每一个区段包含一个或多个灯。图3为移除灯后的图2的盖组件的底部表面的局部视图。每一个区段(302a-k，302m，302n和302p-302t)可以由边界304、306定义。每一个区段(302a-k，302m，302n和302p-302t)的灯可以集中供电或提供更强的控制，可以在每一个区段(302a-k，302m，302n和302p-302t)独立供电。施加到区段(302a-k，302m，302n和302p-302t)的功率和/或单个灯可以基于由高温计提供的实时反馈调整。此外，在退火期间旋转衬底时，施加到不同区段(302a-k，302m，302n和302p-302t)的功率和/或单个灯可以调整，以补偿在区段(302a-k，302m，302n和302p-302t)下出现的衬底部分的温度和/或任何瞬时的灯的温度。来自高温计的实时反馈允许功率的实时控制，从而提供给区段(302a-k，302m，302n和302p-302t)和/或单个灯的功率可以不断调整。控制可以包括提供较低或较高功率，甚至不为区段(302a-k，302m，302n和302p-302t)和/或单个灯提供功率。一旦温度梯度不再存在，则可以为所有的区段(302a-k，302m，302n和302p-302t)和/或所有的单个灯提供相同的功率等级。
如图3所示，衬底可以以箭头“A”的方向进入盖组件下方的腔室。一旦衬底位于腔室内，高温计(见图1)可以在多个预定位置测量衬底的温度。随后，基于在各个预定位置测量到的温度，设置施加到每一个区段(302a-k，302m，302n和302p-302t)的功率。例如，由于衬底的前缘相对于衬底后缘，可以处于更高的温度，则与衬底的后缘对应的区段302a，相对于与衬底的前缘对应的区段302j，具有更高的功率。其它区段(302b-I，302k，302m，302n和302p-302t)也可以根据温度测量进行调整。区域(302a-k，302m，302n和302p-302t)和/或单个灯的功率可以与衬底的旋转同步。控制施加到区段(302a-k，302m，302n，和302p-302t)和/或单个灯的功率的控制能力补偿在衬底中的温度变化，包括在离衬底的中心相同径向距离处的变化
图4示出了根据本发明一个实施方式的退火工艺的流程图400。在步骤402，衬底插入到腔室。随着衬底的插入，衬底前缘开始加热。在步骤404，衬底设置在边缘环上。如上面所示，衬底可以优选地设置在边缘环中心或可以设置在稍微远离边缘环中心的位置。
在步骤406，衬底开始旋转。在步骤408中，在衬底旋转的时候，基于整个衬底多个位置的实时温度反馈的温度来调整灯的功率的变化速率。最初以低功率退火衬底，直到衬底不传热。从而，退火温度可以上升到预定的温度。退火之后，温度可以降低(步骤410)并且开始旋转步骤(步骤412)。随后可以移除衬底(步骤414)。
基于整个衬底的温度测量的实时反馈，分通过别控制灯的区段和/或单个灯，衬底的均匀退火是可能的。
虽然前述涉及本发明的实施方式，但在不偏离本发明的基本范围内可设计其它和进一步的实施方式，并且本发明的范围由以下权利要求书确定。
Claims (20)
1、一种退火方法，包括：
检测位于腔室中的多个灯下方的衬底的温度变化；以及
根据检测到的温度，通过控制从每一个灯发出的热量来退火衬底，从而所述退火在所述整个衬底达到均匀温度。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述退火期间旋转所述衬底；
其中，所述检测包括当所述衬底旋转时，检测整个衬底多个位置的温度；以及
其中，所述退火包括根据检测到的温度来使得从每一个灯发出的热量的控制与所述衬底的旋转同步。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制发出的热量包括减小一个或多个灯的功率数量，以及以下之中的至少一个：
增加一个或多个其它灯的功率数量；以及
保持施加到一个或多个其它灯的功率数量。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述衬底的多个位置检测所述温度变化，所述多个位置与衬底中心具有相等的径向距离。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火包括将不同数量的热量施加到多个位置，所述多个位置与衬底中心具有相等的径向距离。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个灯中的两个或多个连接在一起并同时控制。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制发出的热量包括减小一个或多个灯的功率数量以及以下之中的至少一个：
增加一个或多个其它灯的功率数量；以及
保持施加到一个或多个其它灯的功率数量。
8、一种退火方法，包括：
在腔室中的多个灯下方的至少一个非径向方向上，至少位于边缘环上方的衬底的一部分中检测具有非均匀温度的衬底；以及
通过控制从灯发出的热量退火所述衬底，从而将不均匀的热量施加到适当的区域，以在整个衬底达到均匀温度。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述退火期间，旋转所述衬底；
其中所述检测包括在整个衬底的多个位置，当衬底旋转的时候检测温度；以及
其中所述退火包括根据检测到的温度来使得从每一个灯发出的热量的控制与所述衬底的旋转同步。
10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制发出的热量包括减小一个或多个灯的功率数量以及以下之中的至少一个：
增加一个或多个其它灯的功率数量；以及
保持施加到一个或多个其它灯的功率数量。
11、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
在衬底上距离所述衬底中心具有相同径向距离的多个位置检测温度变化。
12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述退火期间旋转所述衬底，其中在所述检测温度变化发生在所述旋转期间；以及
根据检测到的温度，使从每一个灯发出的热量的控制与所述衬底的旋转同步。
13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述退火包括将不同数量的热量施加到与所述衬底的中心具有相同径向距离的多个位置。
14、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多个灯中的两个或多个连接在一起并同时控制。
15、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制发出的热量包括减小一个或多个灯的功率数量以及以下之中的至少一个：
增加一个或多个其它灯的功率数量；以及
保持施加到一个或多个其它灯的功率数量。
16、一种退火方法，包括：
随着衬底插入到腔室，在整个衬底产生温度梯度；以及
根据所述温度梯度，通过控制衬底上方位于腔室中的多个灯中每一个灯发出的热量来退火衬底，从而在整个衬底达到均匀的温度。
17、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述退火期间旋转所述衬底；
当所述衬底旋转时，在整个衬底的多个位置检测温度；以及
根据检测到的温度，使从每一个灯发出的热量的控制与所述衬底的旋转同步。
18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述控制发出的热量包括减小一个或多个灯的功率数量以及以下之中的至少一个：
增加一个或多个其它灯的功率数量；以及
保持施加到一个或多个其它灯的功率数量。
19、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述退火包括将不同数量的热量施加到与所述衬底的中心具有相同径向距离的多个位置。
20、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多个灯中的两个或多个连接在一起并同时控制。
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