CN111430236B - 一种晶圆的退火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种晶圆的退火方法，包括：提供一晶圆，所述晶圆包括多个区域，所述多个区域同心设置在所述晶圆上；对所述多个区域进行升温处理，所述升温处理具有多个升温阶段，每个所述升温阶段相应的升温速率不同，其中，所述多个区域在每个所述升温阶段中的温度不同；对所述多个区域进行保温处理；对所述多个区域采用氮气吹冷方式进行降温处理。本发明提出的晶圆的退火方法可以提高晶圆的电性均匀性。

Description

一种晶圆的退火方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种晶圆的退火方法。
背景技术
晶圆是半导体行业最重要的材料之一，通过在晶圆上形成各种电路元器件结构，即可形成特定电性功能的产品。在现在的生产过程中，由于制造设备的均匀性有一定的差异，即便每一道制程的均匀性都非常小，经过多道制程迭加后，通过对晶圆进行测试后，可以明显看到晶圆的电性分布不均匀，导致良率降低，晶圆边缘漏电严重。现有技术多通过黄光制程调节关键尺寸(Critical dimension，简称CD)来改善这一问题，但是黄光制程只针对小尺寸器件电性改善效果明显，随着尺寸增大，效果逐渐失效。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种晶圆的退火方法，以改善晶圆的电性均匀性，提高产品良率。
为实现上述目的及其他目的，本发明提出一种晶圆的退火方法，包括：
提供一晶圆，所述晶圆包括多个区域，所述多个区域同心设置在所述晶圆上；
对所述多个区域进行升温处理，所述升温处理具有多个升温阶段，每个所述升温阶段相应的升温速率不同，其中，所述多个区域在每个所述升温阶段中的温度不同；
对所述多个区域进行保温处理；
对所述多个区域采用氮气吹冷方式进行降温处理。
进一步地，所述多个区域包括第一区域到第七区域，相邻两个所述区域之间的温度差为1-4℃。
进一步地，所述第一区域到所述第七区域由所述晶圆中心向边缘依序排布。
进一步地，所述多个升温阶段包括第一阶段到第五阶段，所述第一阶段到所述第五阶段的所述升温速率由大到小依次为第三阶段、第四阶段、第一阶段、第五阶段和第二阶段。
进一步地，所述第一阶段的所述升温速率为33℃/s，所述第二阶段的所述升温速率为10℃/s，所述第三阶段的所述升温速率为75℃/s，所述第四阶段的所述升温速率为50℃/s，所述第五阶段的所述升温速率为25℃/s。
进一步地，所述第一阶段到所述第五阶段的升温时间分别为10-12s、9-10s、5-6s、0.5-1s、3-5s。
进一步地，所述第一区域到所述第七区域经过每个所述升温阶段后的温度分别为：
所述第一区域到所述第七区域经过所述第一阶段后的温度分别为：390-410℃、389-409℃、388-408℃、387-407℃、386-406℃、385-405℃、384-404℃；
所述第一区域到所述第七区域经过所述第二阶段后的温度分别为：485-505℃、484-504℃、483-503℃、482-502℃、481-501℃、480-500℃、479-499℃；
所述第一区域到所述第七区域经过所述第三阶段后的温度分别为：870-890℃、869-889℃、868-888℃、867-887℃、866-886℃、865-885℃、864-884℃；
所述第一区域到所述第七区域经过所述第四阶段后的温度分别为：920-940℃、919-939℃、918-938℃、917-937℃、916-936℃、915-935℃、914-934℃；
所述第一区域到所述第七区域经过所述第五阶段后的温度分别为：1020-1040℃、1019-1039℃、1018-1038℃、1017-1037℃、1016-1036℃、1015-1035℃、1014-1034℃；其中，靠近所述晶圆中心的温度大于远离所述晶圆中心的温度。
进一步地，所述第一区域到所述第七区域经过所述第一阶段后、所述第二阶段前，进行保温10-20s。
进一步地，所述保温时间为10-15s。
进一步地，所述降温速率为35℃/s。
本发明提出一种晶圆的退火方法，通过将晶圆划分为多个区域，对多个区域进行阶段式升温，每个阶段的升温速率不同，且在每个升温阶段中每个区域的温度也不同，靠近晶圆中心的温度大于远离晶圆中心的温度，由此提高了晶圆的电性均匀性，改善了晶圆上芯片与芯片之间的差异，降低了晶圆的漏电情况，提高了产品良率。同时该退火方法适用性广，可根据制程的调整，设置不同的区域温度。
附图说明
图1：本实施例中晶圆的退火方法流程图。
图2：本实施例中晶圆的多个区域的简要示意图。
图3：本实施例中晶圆的多个区域的另一简要示意图。
图4：本实施例中晶圆的多个升温阶段的简要示意图。
图5：本实施例中步骤S2完成后各个区域的温度值。
图6：本实施例中第一区域的保温阶段和降温阶段的简要示意图。
图7A：本实施例中晶圆的电阻值曲线示意图。
图7B：本实施例中晶圆的电阻值的重复测试图。
图8：本实施例中晶圆漏电情况测试曲线图。
图9：本实施例中晶圆的快速热处理方法流程图。
图10：本实施例中退火设备的简要示意图。
图11：本实施例中晶圆固定装置的俯视图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在本实施例中，晶圆可以为硅晶圆，蓝宝石晶圆，碳化硅晶圆等所有半导体材料支撑的晶圆。以硅晶圆为例，硅晶圆的尺寸可以为2寸，4寸，6寸，8寸或12寸等各种合适半导体衬底应用尺寸的硅晶圆。
离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入晶圆的过程。相对于扩散工艺，离子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。离子注入工艺是在真空系统中，通过电场对离子进行加速，并利用磁场使其运动方向改变，从而控制离子以一定的能量注入晶圆内部，从而在所选择的区域形成一个具有特殊性质的表面层(即注入层)，从而达到掺杂的目的。它的主要副作用是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。为消除该损伤必须在适当的时间与温度下对晶圆片进行热处理，以消除晶圆中的晶格缺陷和内应力，恢复晶格的完整性，使植入的掺杂原子扩散到替代位置，产生电特性。快速热处理可以用来激活半导体材料中的掺杂元素和将由离子注入造成的非晶结构恢复为完整晶格结构。
如图1所示，本实施例提出一种晶圆的退火方法，包括：
S1：提供一晶圆，所述晶圆包括多个区域，所述多个区域同心设置在所述晶圆上；
S2：对所述多个区域进行升温处理，所述升温处理具有多个升温阶段，每个所述升温阶段相应的升温速率不同，其中所述多个区域在每个所述升温阶段中的温度不同；
S3：对所述多个区域进行保温处理；
S4：对所述多个区域采用氮气吹冷方式进行降温处理。
如图2所示，在步骤S1中，在本实施例中，将该晶圆100分成多个区域，多个区域沿着晶圆100的中心向边缘分布，在本实施例中，可例如将晶圆100划分七个区域，七个区域例如为一个圆形区域和六个环形区域，所述七个区域由晶圆100的中心向边缘依次排布。具体地，第一区域101为圆形区域，第二区域102至第七区域107为环形区域。第二区域102围绕第一区域101的外周设置，第三区域103围绕第二区域102的外周设置，第四区域104围绕第三区域103的外周设置，第五区域105围绕第四区域104的外周设置，第六区域106围绕第五区域105的外周设置，第七区域107围绕第六区域106的外周设置。通过将晶圆100划分成七个区域，所述七个区域相互独立，因此可单独对每一区域进行温度控制。
如图2所示，第一区域101的半径与第二区域102的内径相等，位于外侧的环形区域的内径和与其相邻的位于内侧的环形区域的外径相等。例如，第二区域102的内径与第一区域101的半径相等，第二区域102的外径与第三区域103的内径相等，第三区域103的外径和与第四区域104的内径相等，以此类推。以避免在两个相邻的区域之间出现较为明显的温度过渡区。
如图3所示，在一些实施例中，晶圆100可根据炉体内加热器的分布来设置多个区域，例如可将晶圆划分四个区域，也就是第一区域101至第四区域104，第一区域101为圆形区域，第二区域102至第四区域104为环形区域。三个环形区域和圆形区域同心设置，且沿着第一区域101的外周分布。在一些实施例中，还可将晶圆100划分成两个，三个，五个或六个区域，应当注意的是，在其他实施例中，区域的个数并不以此为限。
如图2及图4所示，图4显示为各个区域的升温曲线示意图，需要说明的是，升温曲线L1表示第一区域101的升温过程，升温曲线L7表示第七区域107的升温过程，图4中未显示出其他第二区域102至第六区域106的升温曲线。在步骤S2中，当晶圆100放置在退火炉体内时，通过多个升温阶段对该晶圆100进行升温处理，可例如通过五个升温阶段对晶圆100的多个区域进行升温处理，从而进行退火处理。在本实施例中，通过五个升温阶段后，晶圆100的多个区域的温度不同，靠近晶圆100中心的温度大于远离晶圆100中心的温度，也就是温度从晶圆100的中心向边缘递减。在本实施例中，相邻两个区域的温差在1-4℃，例如为2℃或3℃。
如图2和图4所示，在本实施例中，当将晶圆100放入在退火炉体内时，首先进行第一阶段A1升温过程，升温速率例如为33℃/s，时间可以为10-12s，例如为11s，使得各个区域达到预设的温度，且晶圆100的温度从第一区域101向第七区域107逐渐递减。例如，在经过第一阶段A1后，第一区域100的温度可以在390-410℃，例如为396℃；第二区域102的温度可以在389-409℃，例如为395℃；第三区域103的温度可以在388-408℃，例如为394℃；第四区域104的温度可以在387-407℃，例如为393℃；第五区域105的温度可以在386-406℃，例如为392℃；第六区域106的温度可以在385-405℃，例如为391℃；第七区域107的温度可以在384-404℃，例如为390℃。在本实施例中，经过第一升温阶段A1后，第一区域101至第七区域107的温度逐步递减，且相邻两个区域的温差为1℃。
如图2和图4所示，当第一阶段A1完成后，还可以保温10-20s，例如保温15s之后再对晶圆100进行第二阶段A2升温过程，升温速率例如为10℃/s，升温时间可以为9-10s，例如为10.2s，经过第二阶段A2后，第一区域101的温度可以在485-505℃，例如为498℃；第二区域102的温度可以在484-504℃，例如为497℃；第三区域103的温度可以在483-503℃，例如为496℃；第四区域104的温度可以在482-502℃，例如为495℃；第五区域105的温度可以在481-501℃，例如为494℃；第六区域106的温度可以在480-500℃，例如为493℃；第七区域107的温度可以在479-499℃，例如为492℃。在本实施例中，经过第二阶段A2后，第一区域101至第七区域107的温度逐步递减，且相邻两个区域的温差为1℃。
如图2及图4所示，当第二阶段A2完成后，开始对晶圆100进行第三阶段A3升温过程，升温速率例如为75℃/s，升温时间可以为5-6s，例如为5.2s，经过第三阶段A3后，第一区域101的温度可以在870-890℃，例如为888℃；第二区域102的温度可以在869-889℃，例如为887℃；第三区域103的温度可以在868-888℃，例如为886℃；第四区域104的温度可以在867-887℃，例如为885℃；第五区域105的温度可以在866-886℃，例如为884℃；第六区域106的温度可以在865-885℃，例如为883℃；第七区域107的温度可以在864-884℃，例如为882℃。在本实施例中，经过第三阶段A3后，第一区域101至第七区域107的温度逐步递减，且相邻两个区域的温差为1℃。
如图2及图4所示，当第三阶段A3完成后，对晶圆100进行第四阶段A4升温过程，升温速率例如为50℃/s，升温时间可以为0.5-1s，例如为0.84s，经过第四阶段A4后，第一区域101的温度可以在920-940℃，例如为930℃；第二区域102的温度可以在919-939℃，例如为929℃；第三区域103的温度可以在918-938℃，例如为928℃；第四区域104的温度可以在917-937℃，例如为927℃；第五区域105的温度可以在916-936℃，例如为926℃；第六区域106的温度可以在915-935℃，例如为925℃；第七区域107的温度可以在914-934℃，例如为924℃。在本实施例中，经过第四阶段A4后，第一区域101至第七区域107的温度逐步递减，且相邻两个区域的温差为1℃。
如图2及图4所示，当第四阶段A4完成后，对晶圆100进行第五阶段A5升温过程，升温速率例如为25℃/s，升温时间可以为3-5s，例如为4s，经过第五阶段A5后，第一区域101的温度可以在1020-1040℃，例如为1030℃；第二区域102的温度可以在1019-1039℃，例如为1029℃；第三区域103的温度可以在1018-1038℃，例如为1028℃；第四区域104的温度可以在1017-1037℃，例如为1027℃；第五区域105的温度可以在1016-1036℃，例如为1026℃；第六区域106的温度可以在1015-1035℃，例如为1025℃；第七区域107的温度可以在1014-1034℃，例如为1024℃。在本实施例中，经过第五阶段A5后，第一区域101至第七区域107的温度逐步递减，且相邻两个区域的温差为1℃。
如图2及图4所示，升温曲线L1表示第一区域101的升温过程，升温曲线L7表示第七区域107的升温过程。经过五个升温阶段之后，第一区域101的温度最高，第七区域107的温度最低，也就是温度从第一区域101向第七区域107逐渐降低，也就是靠近晶圆100中心的温度大于远离晶圆100中心的温度。从升温曲线L1或L7中可以得知，第三升温阶段A3的升温速率大于第四升温阶段A4，第四升温阶段A4的升温速率大于第一升温阶段A1的升温速率，第一升温阶段A1的升温速率大于第五升温阶段A5的升温速率，第五升温阶段A5的升温速率大于第二升温阶段A2的升温速率。
如图5所示，图5显示为经过步骤S2后各个区域的温度值。从图中可以看出温度从第一区域101向第七区域107逐渐降低，也就是第一区域101的温度最高，例如为1040℃，第七区域107的温度最低，例如为1014℃。
如图6所述，在本步骤S3-S4，当步骤S2完成后，也就是当晶圆100内的各个区域加热到相应的温度后，还可以进行保温处理，保温时间可以为10-15s，例如保温12s，之后再进行冷却处理，也就是对晶圆100的各个区域进行降温，例如可以采用氮气冷吹的方式进行冷却，晶圆100的降温速率例如为35℃/s。需要说明的是，图6中仅显示出第一区域101的保温阶段和降温阶段。
在本实施例中，通过五个升温阶段对晶圆100进行升温，在一些实施例中，还可以通过三个或四个升温阶段对晶圆100进行升温，需要指出的是，本发明提供的升温阶段数量，并不以此为限。
如图7A-图7B所示，在图7A中，曲线1为通过本实施例中的退火方法获得的测试曲线，曲线2为通过现有技术获得的标准测试曲线。通过对比曲线1和曲线2可知，由于通过多个区域控温的方法，即晶圆的温度自晶圆中心区域向边缘区域逐步递减，且设置多个升温阶段，每个升温阶段的升温速率不同，从而呈现出晶圆的电阻值从中心向边缘逐渐上升的趋势，符合晶圆内的电阻的变化规律，同时还使晶圆表面边缘区域的热预算降低。根据本实施例中的退火方法进行多次验证，由图7B可知，三次验证试验获得的曲线基本一致，重合性好，灵敏度高，具有良好的再现性。在本实施例中的电阻值趋势曲线是指在晶圆的表面按照离晶圆中心的距离，由近至远取若干点，并测量相应点的电阻值后连成的一条曲线。
如图8所示，为通过三种方式获得的晶圆的漏电测试图，曲线3和曲线4均为现有技术获得的测试曲线，其中，曲线3为没有设置多道曝光工艺获得的测试曲线，曲线4为设置多道曝光工艺获得的测试曲线，曲线5为通过本实施例中的退火方法获得的测试曲线。通过对比三组曲线可知，曲线5位于曲线3和曲线4的下方，也就是说通过本实施例中的退火方法获得的晶圆表面电性均匀性好，各个区域的漏电均下降，即晶圆整体的漏电情况明显下降，从而提高了晶圆的良率。
如图9所示，本实施例提出一种晶圆快速热处理方法，包括：
S101：提供一晶圆，所述晶圆包括同心设置的多个区域，所述多个区域沿着所述晶圆的中心向边缘分布；
S102：对所述晶圆进行快速热处理。
其中，如图2所示，在步骤S101中，所述晶圆100包括多个区域，多个区域按照同心设置的方式从晶圆100的中心向边缘分布，具体地，第二区域102围绕第一区域101的外周设置，第三区域103围绕第二区域102的外周设置，第四区域104围绕第三区域103的外周设置，以此类推，将该晶圆100分成一个圆形区域和六个环形区域，本实施例中的多个区域相互独立，可单独对每一区域进行加热，也可同时进行加热。
在步骤S102中，当对晶圆进行快速热处理时，晶圆上的多个区域的温度不同，且晶圆中心的温度大于晶圆边缘的温度。
在本实施例中，在进行快速热处理时，可例如包括四个或五个升温阶段，快速热处理所采用的退火温度例如为900-1100℃，例如为1000℃，退火时间为5-60s，例如为30s，气氛可以为N2，气体流量为10-30slm，例如为20slm。
本实施例中通过对晶圆进行快速热处理，能够在降低晶圆边缘温度的同时，还可以提高晶圆的电性均匀性，提高产品良率。
如图10所示，本实施例还提出一种退火设备200，该退火设备200包括一腔体201，在所述腔体201的顶部设置了多个加热单元202，多个加热单元202用于对待退火晶圆的多个区域进行单独的退火处理。在腔体201的底部还设有晶圆固定装置203，在该晶圆固定装置203上用于承载一个或多个晶圆。
如图10-图11所示，在本实施例中，该晶圆固定装置203上承载了一个晶圆100，每一所述晶圆100包括同心设置的多个区域，多个区域沿着晶圆100的中心向晶圆100的边缘分布。在本实施例中，通过多个加热单元202对晶圆100的多个区域进行升温，以进行退火处理，加热单元202可例如为激光器或灯管。需要说明的是，可根据多个加热单元202对多个区域进行升温，使得多个区域的温度不同，且晶圆100中心的温度大于晶圆100边缘的温度。在本实施例中，通过该退火设备200，晶圆100的退火温度可以例如达到950-1050℃，退火时间例如在32-36s。在一些实施例中，该晶圆固定装置203上可例如承载多个晶圆100。
综上所述，本发明提出一种晶圆的退火方法，通过多个升温阶段对晶圆进行升温，且自第一升温阶段起，晶圆表面的温度从中心向边缘逐步递减，提高了晶圆的电性均匀性，改善了晶圆上芯片与芯片之间的差异，还降低了晶圆的漏电情况，提高了产品良率，且该退火方法适用范围广，可适用于大尺寸产品和小尺寸产品。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (9)

1.一种晶圆的退火方法，其特征在于，包括：
提供一晶圆，所述晶圆包括多个区域，所述多个区域同心设置在所述晶圆上；
对所述多个区域进行升温处理，所述升温处理具有多个升温阶段，每个所述升温阶段相应的升温速率不同，其中，所述多个区域在每个所述升温阶段中的温度不同；
对所述多个区域进行保温处理；
对所述多个区域采用氮气吹冷方式进行降温处理；
其中，所述多个区域包括第一区域到第七区域，相邻两个所述区域之间的温度差为1-4℃。
2.根据权利要求1所述的退火方法，其特征在于：所述第一区域到所述第七区域由所述晶圆中心向边缘依序排布。
3.根据权利要求1所述的退火方法，其特征在于：所述多个升温阶段包括第一阶段到第五阶段，所述第一阶段到所述第五阶段的所述升温速率由大到小依次为第三阶段、第四阶段、第一阶段、第五阶段和第二阶段。
4.根据权利要求3所述的退火方法，其特征在于：所述第一阶段的所述升温速率为33℃/s，所述第二阶段的所述升温速率为10℃/s，所述第三阶段的所述升温速率为75℃/s，所述第四阶段的所述升温速率为50℃/s，所述第五阶段的所述升温速率为25℃/s。
5.根据权利要求4所述的退火方法，其特征在于：所述第一阶段到所述第五阶段的升温时间分别为10-12s、9-10s、5-6s、0.5-1s、3-5s。
6.根据权利要求4所述的退火方法，其特征在于：所述第一区域到所述第七区域经过每个所述升温阶段后的温度分别为：
所述第一区域到所述第七区域经过所述第一阶段后的温度分别为：390-410℃、389-409℃、388-408℃、387-407℃、386-406℃、385-405℃、384-404℃；
所述第一区域到所述第七区域经过所述第二阶段后的温度分别为：485-505℃、484-504℃、483-503℃、482-502℃、481-501℃、480-500℃、479-499℃；
所述第一区域到所述第七区域经过所述第三阶段后的温度分别为：870-890℃、869-889℃、868-888℃、867-887℃、866-886℃、865-885℃、864-884℃；
所述第一区域到所述第七区域经过所述第四阶段后的温度分别为：920-940℃、919-939℃、918-938℃、917-937℃、916-936℃、915-935℃、914-934℃；
所述第一区域到所述第七区域经过所述第五阶段后的温度分别为：1020-1040℃、1019-1039℃、1018-1038℃、1017-1037℃、1016-1036℃、1015-1035℃、1014-1034℃；其中，靠近所述晶圆中心的温度大于远离所述晶圆中心的温度。
7.根据权利要求6所述的退火方法，其特征在于：所述第一区域到所述第七区域经过所述第一阶段后、所述第二阶段前，进行保温10-20s。
8.根据权利要求1所述的退火方法，其特征在于：所述保温时间为10-15s。
9.根据权利要求1所述的退火方法，其特征在于：所述降温速率为35℃/s。
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