CN102820208B - 快速热处理中控制晶片温度的方法及其快速热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速热处理（RTP）中控制晶片温度的方法及其RTP方法，属于半导体芯片制造技术领域。该控制晶片温度的方法中，根据晶片的背面材料差异，选择相应的控温曲线来控制所述晶片的温度；其中，所述控温曲线通过背面材料不同的试验晶片分别预先试验得到。该RTP方法中使用以上所述的控制晶片温度的方法来实现。该方法可以实现不同半导体制造流程节点处的晶片的RTP温度能精确控制，并且成本低。

Description

快速热处理中控制晶片温度的方法及其快速热处理方法

技术领域

本发明属于半导体芯片制造技术领域，涉及快速热处理（Rapid Thermal Process，RTP）方法，尤其涉及根据晶片的背面材料差异来控制快速热处理中的晶片温度的方法以及使用该控制方法的快速热处理方法。

背景技术

    在半导体工艺制程中，RTP工艺具有能快速并且均匀地加热晶片的特点，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及栅极氧化层的回火处理等方面。

    随着半导体制程技术的不断发展，对RTP工艺中的温度控制精度要求也越来越高，以晶片在离子注入之后的RTP应用为例，随着特征尺寸的不断减小，低结深、高植入离子活化率的特性要求高温退火的温度精度越来越高。现有技术中，可以通过改进RTP装置的温度控制装置提高温度精度，但是，相对成本高。

    图1所示为现有技术的RTP装置的基本结构示意图。如图1所示，晶片20置于RTP装置的反应腔室11中，反应腔室11被外壳12包围形成，并且在反应腔室11周围设置了多个加热灯管13，通过控制加热灯管13，来实现热处理温度的控制。具体地，晶片20是置于热衬垫（hot liner）14之上。在RTP过程中，需要不断地测量晶片20的温度以使晶片20按预定的热处理过程进行高温处理。因此，RTP装置的温度控制装置部分还包括用于检测晶片温度的温度探测计15。在该实施例中，温度探测计15接收衬垫14背面发出的光线，根据该光线波长以及波长和温度的关系曲线而测得晶片的具体温度。明显地，这种测量晶片温度的方法没有考虑晶片20背面的材质的变化对其发出的光线的波长的影响。因此，在晶片20表面材料（例如背面材料）发生变化时，RTP装置的温度控制装置所采用的用来控制晶片温度的控温曲线并没有发生变化，而是，继续以原来的控温曲线来实现晶片的温度控制，晶片20的实际温度值是与控温曲线上所反映的温度存在误差。

    由于半导体芯片制造过程的多样性，在半导体制造流程的不同节点之后，晶片的背面材料可能会发生变化，例如，晶片的背面材料可能为多晶硅、氧化硅、氮化硅等。通过类似以上所述的RTP装置和方法进行RTP工艺时，明显地存在RTP工艺中某些晶片的温度难以控制准确的缺点，例如，晶片的背面材料为单晶硅片时，可以精确控制晶片的温度，而晶片的背面材料为多晶硅时，其晶片实际温度与目标温度发生较大误差。因此，处于半导体制造流程的不同节点的晶片之间的温度控制匹配性差。

发明内容

本发明的目的在于，提高RTP工艺中对晶片的温度控制的准确性。

为实现以上目的或者其它目的，本发明提供以下技术方案：

按照本发明的一方面，提供一种快速热处理中控制晶片温度的方法，其根据晶片的背面材料差异，选择相应的控温曲线来控制所述晶片的温度；

其中，所述控温曲线通过背面材料不同的试验晶片分别预先试验得到。

按照本发明提供的控制晶片温度的方法的一实施例，其中，所述控温曲线包括初始控温曲线以及其它控温曲线，每条其它控温曲线相对初始控温曲线偏移一定温度值。

较佳地，所述初始控温曲线通过背面为单晶硅的晶片试验得出，所述其它控温曲线通过其相应试验晶片预先试验得到相对于所述初始控温曲线的偏移温度值。

具体地，所述其它控温曲线为三条，其分别为对应于试验晶片的背面材料分别为多晶硅、氧化硅、氮化硅的情形试验得到。

具体地，所述试验晶片的背面材料分别对应为多晶硅、氧化硅、氮化硅的控温曲线相对所述初始控温曲线的偏移温度值分别为+2℃、+5℃、+10℃。

较佳地，所述控温曲线的温度范围基本为600℃至1300℃。

所述选择为手动方式选择完成或者根据所述晶片所处的半导体制造流程的节点来自动选择完成。

具体地，所述晶片置于热衬垫之上，所述晶片的温度通过温度探测计接收所述热衬垫背面发出的光线的波长测量得出。

按照本发明的又一方面，提供一种快速热处理方法，用于使晶片在预定的温度和时间条件下进行热处理，其使用以上所述及的任一种控制晶片温度的方法来控制所述温度条件。

本发明的技术效果是，该发明充分考虑了晶片所处的半导体制造流程的节点的不同导致其背面材料的差异，通过晶片的背面材料来从不同的控温曲线中相应选择，从而可以实现不同节点处的晶片的RTP温度能精确控制，并且相对于改进硬件的方式成本低。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是现有技术的RTP装置的基本结构示意图。

图2是本发明提供的RTP中控制晶片温度的方法实施例中的不同控温曲线示意性图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其它实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

本发明中，晶片的“正面”为半导体制程中主要处理的表面，例如，光刻的表面、离子注入的表面等，晶片的“背面”为与晶片的“正面”相反的一面，在RTP工艺中，晶片的正面避免与RTP装置接触，而晶片的“背面”可以用于与RTP装置接触，例如，如图1所示，晶片20置于热衬垫14之上，晶片的背面与热衬垫14接触。

如背景技术中所描述，在现有RTP工艺中，对于背面材料不同的多种晶片的热处理过程，其温度控制也是温度控制装置以相同的控温曲线来控制，该控温曲线一般以背面为硅的单晶硅晶片试验得出，该控温曲线的试验得出方法为本领域技术人员所公知，在此不再详述。以下实施例中，以晶片的背面材料为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅四种材料为例来说明RTP中晶片的温度控制方法。

图2所示为本发明提供的RTP中控制晶片温度的方法实施例中的不同控温曲线示意性图。该控温曲线表示在一定温度范围内，随着温度的变化，相应校正值也需要发生相应变化，从而使RTP装置可以在一定温度范围内使反应腔室11的温度准确地被设定于预定温度值。如图2所示，纵坐标代表温度，横坐标代表校准点数（其反映校准值），其中，控温曲线110为通过背面为单晶硅材料的晶片试验得出，也即，此时晶片的背面未覆盖其它任何材料，在此情况下，例如要控制反应腔室11的温度为某一值时，温度控制装置需要被设定为该温度值在该温曲线110上的校正点数；控温曲线120为通过背面为多晶硅材料的晶片试验得出；控温曲线130为通过背面为氧化硅材料的晶片试验得出；控温曲线140为通过背面为氮化硅材料的晶片试验得出。在试验得出的控温曲线的过程中，相应的试验晶片可以与欲RTP处理的晶片同步地制备形成，也即试验晶片为被RTP处理的晶片的冗余（dummy）晶片。图2所示的控温曲线需要在晶片被热处理之前试验得到，试验得到控温曲线120、130、140的方法与试验得到控温曲线110的方法基本相同，可以参考背面为硅的控温曲线110的试验方法得出，因此，在此不再一一赘述。

结合图1所示RTP装置，当被RTP处理的晶片20的背面为单晶硅材料时，选择其相应的控温曲线为110；当被RTP处理的晶片20的背面为多晶硅材料时（例如，在栅氧化层和边墙（spacer）沉积完成以后的工艺节点），选择其相应的控温曲线为120；当被RTP处理的晶片20的背面为氧化硅材料时（例如，在氧化物-氮化物-氧化物（ONO）边墙沉积完成以后的工艺节点），选择其相应的控温曲线为130；当被RTP处理的晶片20的背面为氮化硅材料时（例如，在氧化物-氮化物（ON）边墙沉积完成以后的工艺节点），选择其相应的控温曲线为140。这样，充分考虑了由于晶片背面的材质的差异导致的控温曲线的变化，从而能准确控制晶片20于相应预定温度值。在晶片处于半导体芯片制造流程的不同节点时，可以选择不同控温曲线进行RTP工艺。在选择控温曲线时，可以通过操作人员手动的方式来选择，也可以根据晶片所处的半导体芯片制造流程的节点来自动选择。

继续如图2所示，在该实施例中，控温曲线的温度范围优选地为600-1300摄氏度。其中，选择控温曲线110为初始控温曲线，其它控温曲线120、130、140是相对初始控温曲线偏移（offset）一定温度值得出，当然，该偏移温度值也是在以上所述的试验过程得出。例如，试验得出，控温曲线120相对于控温曲线110的偏移温度值（也可以理解为补偿温度值）为+2℃，控温曲线130相对于控温曲线110的偏移温度值为+5℃，控温曲线140相对于控温曲线110的偏移温度值为+10℃。具体地，控温曲线可以以“offset+**”的方式命名，例如，“offset+0”、“offset+1”分别表示控温曲线110和120。

尽管以上实施例仅给出了4条控温曲线，但是，本领域技术人员完全可以根据半导体芯片制程各节点需要RTP时对应的晶片背面材料的差异，试验得出更多的控温曲线并根据晶片背面材料选择相应控温曲线。

以下表一反应采用新的温度控制方法后的效果：

表一   新的温度控制方法与原来的控制方法的技术效果比对。

在表一的实例中，以离子植入硼（离子注入能量为5Kev）、剂量为3.2×10¹⁵/厘米²的离子注入过程后进行1035℃、10秒的RTP过程为例，原来的控制方法中，不管晶片的背面是硅（单晶硅）还是二氧化硅，都采用控温曲线offset+0（110）来控制温度，在新的控制方法中，晶片的背面分别是硅（单晶硅）和二氧化硅时，分别采用控温曲线offset+0（110）和offset+3（130）来控制温度。在RTP结束后，通过测量硅的实际阻值来验证晶片在RTP过程温度是否准确。从表一可以看出，晶片的背面是二氧化硅时，硅的实际阻值与目标值发生较大偏移，从而可以反应出采用控温曲线offset+0（110）来控制RTP温度时，晶片的实际温度并不与目标温度相符，温度控制不精确；而对于采用新的控制方法时，相反地，晶片的背面是二氧化硅时，硅的实际阻值与目标值基本符合，从而可以反应出采用控温曲线offset+0（110）来控制RTP温度时，晶片的实际温度与目标温度相符，温度控制相对精确。因此，使用新的控制方法可以避免处于半导体制造流程的不同节点的晶片在RTP中温度不匹配的问题，不需要修改RTP装置，可以低成本地实现温度的精确控制。

具体地，在RTP方法中，处于半导体制造流程的某一节点处的晶片需要进行快速热处理时，根据具体工艺方法（recipe）设定具体快速热处理的温度及时间等条件；并在RTP过程中，根据该晶片的背面材料，RTP装置的温度控制装置按照以上实施例来选择相应的控温曲线来实现温度的控制；从而准确地完成快速热处理过程。

以上例子主要说明了本发明的快速热处理中控制晶片温度的方法以及使用该方法的RTP方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (9)

1.一种快速热处理中控制晶片温度的方法，其特征在于，

根据晶片的背面材料差异，选择相应的控温曲线来控制所述晶片的温度；

其中，所述控温曲线通过背面材料不同的试验晶片分别预先试验得到。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控温曲线包括初始控温曲线以及其它控温曲线，每条其它控温曲线相对初始控温曲线偏移一定温度值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述初始控温曲线通过背面为单晶硅的晶片试验得出，所述其它控温曲线通过其相应试验晶片预先试验得到相对于所述初始控温曲线的偏移温度值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述其它控温曲线为三条，其分别为对应于试验晶片的背面材料分别为多晶硅、氧化硅、氮化硅的情形试验得到。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述试验晶片的背面材料分别对应为多晶硅、氧化硅、氮化硅的控温曲线相对所述初始控温曲线的偏移温度值分别为+2℃、+5℃、+10℃。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控温曲线的温度范围为600℃至1300℃。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择为手动方式选择完成或者根据所述晶片所处的半导体制造流程的节点来自动选择完成。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶片置于热衬垫之上，所述晶片的温度通过温度探测计接收所述热衬垫背面发出的光线波长测量得出。

9.一种快速热处理方法，用于使晶片在预定的温度和时间条件下进行热处理，其特征在于，使用如权利要求1至8中任一项所述的方法控制所述温度条件。