CN102054656B - 快速热处理中控制晶片温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明了一种快速热处理中控制晶片温度的方法，包括在第一时间段内将所述晶片自然升温；在第一时间段结束后，在第二时间段内使晶片加速升温；其特征在于，所述第二时间段内使晶片温度上升速度的变化率在-1.5℃/s2至-1.2℃/s2之间。优选地，所述第二时间段内晶片温度上升速度的变化率为-1.2℃/s2。根据本发明的升温控制方法，可以有效地消除尖峰现象，提高晶片的良品率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造，尤其涉及快速热处理中控制晶片温度的方法。
背景技术
在半导体制造中，快速热处理(RTP)已经广泛用于晶片的快速热氧化、快速热退火处理及在晶片上生长钨化硅、钴化硅等金属硅化物的热处理等工艺中。扩散炉是目前8英寸及12英寸集成电路生产线中常见的热处理设备，其工作原理是将整批晶片同时置于高温环境下一定时间(通常为数小时)，完成对晶片的生长及扩散。其主要优点是工艺控制简单，成本低。然而，随着集成电路工艺的不断发展，对工艺的要求日益严格，一些原本简单的工艺随着要求的提升而开始变得越来越复杂和不易控制。扩散炉设备已经难以满足精确控制的要求。另一方面，随着一些新材料、新技术的引入，工艺集成对热预算(Thermal Budget)的要求日益提高。高温处理时间以小时为单位的扩散炉在热预算的控制上已经无法实现对于工艺精度的要求。因此，随着栅极和沟道的尺寸不断微缩，结深越来越浅，对于超浅结离子注入后的退火，炉式单晶片快速热处理系统已逐渐取代了传统的用扩散炉进行的等温热处理。炉式单晶片快速热处理系统的升温时间以秒为单位进行，晶片进入炉体的生长室后，经过很短的时间(例如，20-30秒)炉温就可达到反应温度，同时向反应炉内通入氧化气体，对晶片表面进行热氧化，或在惰性气体环境中对晶片注入的杂质进行热扩散等处理工艺。与扩散炉相比，炉式单晶片快速热处理系统具有升降温速度快、热预算更小、工艺重复性、可靠性好，便于维护，以及机台的有效使用率高等优点，因而在纳米级芯片制造工艺中被广泛使用。
如图1所示，是现有技术中的一种炉式单晶片快速热处理设备100，该设备例如可以是Axcelis公司制造的Summit XT型加热炉。该设备100包括钟罩形的反应室110，晶片被放置在反应室110中的升降台120上进行快速热处理。在反应室110内部设置有第一加热点121、第二加热点122和第三加热点123，在这三处加热点分别设置有加热模块(未示出)用于对待反应的晶片进行加热。该第一加热点121、第二加热点122和第三加热点123的温度例如可以分别设置为730℃、680℃和630℃。其中，如图1所示，第一加热点121可以设置在反应室110的顶部，第二加热点122和第三加热点123可以设置在反应室110中部的不同高度位置，分别用于加热反应室中不同的区域。反应室110的底部设置有冷却装置130，该冷却装置130用于在退火结束后对晶片进行降温处理。晶片放置在升降台120上，升降台120上与晶片的背面中心部位相接触的位置设置有测温装置，用于感测晶片自身的温度。该测温装置采用高温计(Pyrometer)和测定晶片热辐射率的方法来测定晶片的温度，因此可以达到很高的温度控制精度。测温系统可以检测晶片的温度，并将该温度反馈至热处理设备100的控制系统，控制系统通过调整升降杆140的上升和下降使得晶片置于不同的加热区域，以便达到需要的温度。
现在参考图2A，以晶片的温度随时间变化的曲线来说明利用上述热处理设备100在对晶片实施快速热处理时的加热过程。晶片的快速热处理主要包括以下几个阶段：在第一阶段310，将晶片从室温加热至第一温度，该第一温度例如可以是490℃。第一阶段310是晶片自然升温过程，只需要检测晶片的温度即可，不需要对晶片的升温进行特殊的控制。在第二阶段320，将晶片从第一温度加热至退火温度，该退火温度例如可以是530℃。在第二阶段320中，需要对晶片的升温进行控制，以使温度逐步提高到530℃。在第三阶段330，将晶片温度维持在该退火温度一定的时间。该时间例如可以为30秒。在第四阶段340，在退火步骤结束后，通过上述的冷却装置130对晶片进行降温。可以使晶片的温度降到例如430℃以下。在该快速热处理过程中，温度-时间的曲线如图2A中的曲线300所示。该曲线是对晶片快速热处理中所希望达到的温度曲线。
但是在实际的退火过程中，由于炉体本身发生问题，比如加热器工作状态不正常、电阻丝发生故障等原因，实际测得的温度-时间曲线通常不会呈理想的曲线300，而是在某些时间点上发生偏移。图2B中的曲线301为实践中测得的温度-时间曲线图。从中可以看到，在上述的第二阶段320，即晶片从第一温度加热升温至退火温度的过程中，晶片的温度会出现一个“尖峰”突变，如图2B中圆圈圈出的部分，从而造成晶片的温度先到达正常的退火温度(即530℃)，然后继续上升到另一较高温度(图2B中为540℃左右)，最后温度再降到正常的退火温度。这种“尖峰”的温度变化会导致晶片的退火温度实际高于理想的退火温度530℃，这会影响到晶片热处理后的结构，可能会造成晶片的缺陷，因此是现有技术中需要解决的问题。
因此，针对上述问题，需要一种快速热处理中控制晶片加热温度的方法
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了在快速热处理中控制晶片加热温度，避免在加热过程中产生尖峰现象，本发明提供了一种快速热处理中控制晶片温度的方法，包括在第一时间段内将所述晶片自然升温；在第一时间段结束后，在第二时间段内使晶片加速升温；其特征在于，所述第二时间段内使晶片温度上升速度的变化率在-1.5℃/s2至-1.2℃/s2之间。优选地，所述第二时间段内晶片温度上升速度的变化率为-1.2℃/s2。
优选地，在所述第二时间段结束后，在第三时间段内使晶片继续加速升温；在所述第三时间段结束后，在第四时间段内使晶片保持一恒定温度；在所述第四时间段结束后，使晶片自然降温。
优选地，在所述第三时间段内晶片的升温包括以一恒定加速度升温的第一阶段和以一变化的温度加速的升温的第二阶段。
优选地，所述第二时间段为5秒。
优选地，所述恒定温度为530℃。
优选地，所述晶片升温的过程是在炉式单晶片快速热处理设备中进行的。
优选地，所述炉式单晶片快速热处理设备包括升降台和升降杆，将所述晶片置于所述升降台上，通过移动所述升降杆将晶片置于不同的加热区域进行升温或降温。
优选地，所述温度上升速度的变化率对应于所述升降杆的移动速率。
根据本发明的升温控制方法，可以有效地消除尖峰现象，提高晶片的良品率。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1是实施本发明实施例的方法的炉式单晶片快速热处理设备的结构示意图；
图2A和图2B分别示出了快速热处理中的理想状态的温度-时间曲线和现有技术中的温度-时间曲线；
图3A和图3B分别示出了示出了现有技术中的温度变化率-时间曲线和根据本发明实施例的方法的温度变化率-时间曲线对比图；
图4示出了快速热处理中的理想状态的温度-时间曲线和采用了根据本发明实施例的方法的温度-时间曲线的对比图；
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
在晶片的快速热处理中，对于温度的控制，常常使用温度变化率和温度加速度两个参数来反应晶片温度的变化情况。温度变化率，也称为爬升速率，表示了单位时间内温度的变化值，即温度变化值与时间的比率，其单位是摄氏度每秒(℃/s)。温度加速度是单位时间内温度变化率的变化值，即温度变化率的变化值与时间的比率，其单位是摄氏度每平方秒(℃/s2)。温度加速度的计算是测量结束的温度变化率减去测量开始的温度变化率，然后除以测量时间。温度加速度反映在温度变化率-时间曲线上，就是该曲线某一处的斜率。在上述的炉式单晶片快速热处理设备100中，温度加速度间接地反映了晶片升降杆140的上升或下降速度。温度加速度越大，晶片升降机140运动的越快，这样才会使温度变化更快地发生。
参看图3A和图3B，分别示出了示出了现有技术中的温度变化率-时间曲线和根据本发明实施例的方法的温度变化率-时间曲线对比图。其中图3A的曲线500是现有技术中温度变化率-时间的曲线，对应于图2B中的温度随时间变化的曲线；图3B中的曲线600是根据本发明实施例的方法的温度变化率-时间的曲线。曲线500示出了温度爬升速率变化的三个阶段510、520和530。第一阶段510是从大约30秒到35秒，是晶片的自然升温过程，因此不需要特别的温度控制，此时温度变化率和温度上升速度的变化率的值都为零。第二阶段520对应图2B中的第二阶段320，从大约35秒到46秒，即将晶片温度由第一温度升高到退火温度的过程。在本实施例中为将晶片温度由490度升高到530度。在温度变化率-时间曲线上，可以看出，第二阶段520还包括三个子阶段：第一子阶段521、第二子阶段522和第三子阶段523。这三个子阶段的温度变化率都大于零，表明晶片的温度一直处于加速升高阶段。而每个阶段的曲线斜率的变化，表明了温度上升速度也在变化。具体来说，在第一子阶段521和第三子阶段523，曲线的斜率为负，即温度上升速度的变化率的变化率为负值，此处的负值表明温度上升速度的变化率的变化率在降低，例如为-1。第二子阶段522曲线的斜率为零，即温度上升速度的变化为零，温度的加速度是恒定的。这表明在第一子阶段521和第三子阶段523，温度变化率较第二子阶段522下降的更快。第三阶段530对应图2B中的第三阶段330，从大约46秒到50秒。图中只示出了部分曲线。第三阶段530为晶片的保温阶段，温度不需要变化，因此此时的温度变化率和温度上升速度的变化率都为零。
通过对比图2B的温度随时间变化的曲线和图3A的温度的变化率随时间变化的曲线可以看出，尖峰现象出现在晶片升温过程中大约40秒处。尖峰现象表明了温度在达到预定值后还在继续升高，这说明晶片从自然升温变化到加速升温的过程开始的过早，导致温度的继续上升，产生了高于理想温度的尖峰现象。
图3B中所示的曲线600是根据本发明实施例进行调整后的温度变化率-时间曲线。对应于图3A中的曲线500，曲线600同样包括三个阶段：第一阶段610、第二阶段620和第三阶段630。三个阶段的含义和上述的曲线500的三个阶段的含义相同。同样，第二阶段620也包括三个子阶段：第一子阶段621、第二子阶段622和第三子阶段623。如图所示，在根据本发明的曲线600，第二阶段620相比图3A中第二阶段520开始的较晚，即大约在36秒处开始，因此表示温度开始加速升温的时间较晚。而第二阶段620中的第一子阶段621结束的时间基本上等于图3A中第二阶段520中的第一子阶段521结束的时间，即大约在41秒处结束。因此，第一子阶段621的持续时间从大约36秒到41秒，相比于现有技术中的第一子阶段521持续时间缩短了大约1秒，持续时间为5秒。由此可见，第一子阶段621所示的温度变化率曲线的斜率的绝对值要大于图3A中第二阶段520中的第一子阶段521的温度变化率曲线的斜率。也就是说，温度变化率降低的更快。因此，根据本发明的温度变化率曲线，晶片从自然升温进入加速升温的时刻较晚，而且温度变化率下降地更快，因此不会使得晶片温度在到达理想温度后还继续升温，消除了现有技术中的尖峰现象。在本发明中，该温度上升速度的变化率可以设置为-1.2至-1.5之间，优选地，该温度上升速度的变化率选择为-1.2。
图4是示出了采用本发明实施例的方法的温度-时间变化曲线。从图4中可以看出，在将温度上升速度的变化率由原来的-1.0℃/s2降低到本发明的-1.2℃/s2后，实际的温度-时间曲线700基本上和图2A所示的理想状态曲线300完全重合。消除了现有技术中的“尖峰”现象。可以使得晶片的整个退火温度处于理想的状态。虽然在退火的开始的几秒内，两条曲线并不完全重合，但由于开始阶段是自然升温阶段，不需要对晶片的升温进行控制，因此，该段曲线不重合对于晶片的退火并没有影响。
通过本发明的这种对晶片快速退火处理中温度进行控制的方法，可以消除现有技术中的“尖峰”现象，使得晶片在快速退火处理中的温度变化符合理想的温度变化，以生产出较高质量的晶片。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (8)
1.一种快速热处理中控制晶片温度的方法，包括：
在第一时间段内将所述晶片自然升温；
在第一时间段结束后，在第二时间段内使晶片加速升温；
其特征在于，所述第二时间段为5秒，所述第二时间段的起始温度为490℃，所述第二时间段内使晶片温度上升速度的变化率在-1.5℃/s2至-1.2℃/s2之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二时间段内晶片温度上升速度的变化率为-1.2℃/s2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述第二时间段结束后，在第三时间段内使晶片继续加速升温；
在所述第三时间段结束后，在第四时间段内使晶片保持一恒定温度；
在所述第四时间段结束后，使晶片自然降温。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述第三时间段内晶片的升温包括以一恒定加速度升温的第一阶段和以一变化的温度加速的升温的第二阶段。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述恒定温度为530℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶片升温的过程是在炉式单晶片快速热处理设备中进行的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述炉式单晶片快速热处理设备包括升降台和升降杆，将所述晶片置于所述升降台上，通过移动所述升降杆将晶片置于不同的加热区域进行升温或降温。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述温度上升速度的变化率对应于所述升降杆的移动速率。
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