CN111829682A - 炉管温度校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种炉管温度校准方法，包括：提供待校准的炉管，所述炉管内放置有若干个温度测量仪，温度测量仪用于测量炉管的温度；于炉管内放置若干个已完成离子注入的衬底，若干个衬底与若干个温度测量仪对应设置；开启炉管以对衬底进行热退火处理；测量衬底的离子注入层电阻，通过测量得到的离子注入层电阻得到炉管内对应衬底所在位置的温度，依得到的温度与温度测量仪测得的温度对炉管进行温度校准。本发明可以最大程度减少人为干扰，降低人力成本，且可准确反映实际的工艺温度，提高校准的准确性；同时因无需使用贵金属材质的标准热电偶进行校准，可极大降低生产成本。

Description

炉管温度校准方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术，特别是涉及一种炉管温度校准方法。
背景技术
炉管设备(furnace)是半导体芯片制造过程中广泛使用的设备，主要用于薄膜沉积和退火等工艺。现在的炉管大多可以同时进行多片晶圆的工艺处理，即多片(通常以批次为单位，一个批次为25片)晶圆被放入炉管内以同时进行薄膜沉积和/或热处理。由于其极高的处理效率，使得炉管设备的应用越来越广泛。但其极高的处理效率下也隐藏着巨大的风险，一旦设备本身出现故障，则整个批次的晶圆都可能报废，造成极大的经济损失，因而对炉管设备的定期保养非常重要，需定期对炉管设备的各项参数进行检测和校准以确保设备始终保持在良好的工作状态。这其中，炉管设备的温度参数是非常重要的管控对象。温度直接影响薄膜沉积厚度，而薄膜厚度的片间均匀性和片内均匀性对半导体器件性能的影响非常大，且随着半导体器件尺寸的日益缩小，这种影响与日俱增，因而在薄膜沉积或退火工艺前对炉管温度进行校准是设备管理人员的重要工作。
现有的炉管温度校准工作通常是由工作人员手动进行。在炉管空载状态下，工作人员将铂金或铂铑等贵金属材质的标准热电偶升入炉管的炉膛内检测炉管内的实际温度，根据测量的实际温度对炉管进行温度校准。这种完全由人工操作的校准方法存在不少问题。比如，由于完全依赖工作人员的手动操作，而工作人员的水平不一，难以确保校准工作的稳定性和均一性；不同的炉管设备通常需要使用不同型号的标准热电偶进行校准，对备件管理提出了很高的要求；此外，高温校准过程中标准热电偶表面的贵金属有可能被融化而导致标准热电偶的失效，故标准热电偶的使用通常是一次性的，导致成本的攀升；另外，由于校准在完全空载的状态下进行，因而校准时测量的温度并不能如实反映工艺温度，使得校准后的结果仍无法完全满足工艺要求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种炉管温度校准方法，用于解决现有的炉管温度校准方法中存在的校准偏差大、对校准热电偶的要求高、校准成本高以及校准结果不能完全满足工艺要求等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种炉管温度校准方法，所述炉管温度校准方法包括步骤：
提供待校准的炉管，所述炉管内放置有若干个温度测量仪，所述温度测量仪用于测量所述炉管的温度；
于所述炉管内放置若干个已完成离子注入的衬底，若干个所述衬底与若干个所述温度测量仪对应设置；
开启所述炉管以对若干个所述衬底进行热退火处理；
测量所述衬底的离子注入层电阻，通过测量得到的所述离子注入层电阻得到所述炉管内对应所述衬底所在位置的温度，依得到的温度与所述温度测量仪测得的温度对所述炉管进行温度校准。
可选地，所述温度测量仪包括热电偶。
可选地，所述温度测量仪与所述衬底的数量均包括5个，所述衬底与所述温度测量仪一一对应设置。
可选地，所述炉管包括立式炉管，所述温度测量仪沿所述炉管的高度方向自上而下均匀间隔放置。
可选地，所述衬底的离子注入剂量大于等于2×1015/cm3。
可选地，所述衬底的注入离子包括硼、磷和砷中的一种或多种。
可选地，测量所述衬底的离子注入层电阻的方法包括四点探针测试法。
可选地，所述热退火的时间介于10min～200min之间。
可选地，对所述衬底进行离子注入之前还包括于所述衬底表面形成氧化膜的步骤，离子注入所述氧化膜所在的表面。
更可选地，所述氧化膜的厚度介于50～200A之间，形成所述氧化膜的方法包括热氧化法和气相沉积方法中的一种或多种。
可选地，依据公式T＝Rs/k得到所述炉管内对应所述衬底所在位置的温度T，其中，Rs为所述衬底经热退火后的离子注入层电阻，k为所述衬底的离子注入层电阻与热退火温度的比例系数。
更可选地，对所述若干个衬底进行热退火处理的温度介于600℃～1100℃之间。
如上所述，本发明的炉管温度校准方法，具有以下有益效果：本发明将进行离子注入后的衬底放入待校准的炉管内进行退火，通过测量退火后的衬底的离子注入层电阻以得到炉管内的实际温度并依该温度对炉管进行温度校准，可以最大程度减少人为干扰，降低人力成本，且可准确反映实际的工艺温度，提高校准的准确性；同时因无需使用贵金属材质的标准热电偶进行校准，可极大降低生产成本。
附图说明
图1显示为本发明的炉管温度校准方法的流程图。
图2显示为本发明的炉管校准方法中衬底放入待校准炉管内的示意图。
图3显示为不同剂量的硼掺杂离子电激活比例与退火温度的关系示意图。
图4显示为硼离子注入层与硼硅离子注入层经相同条件的退火后的方块电阻随退火温度的变化曲线；其中，曲线①为硼离子注入层退火后的方块电阻随退火温度的变化曲线，曲线②为硼硅离子注入层退火后的方块电阻随退火温度的变化曲线。
元件标号说明
炉管 1
温度测量仪 21
衬底 22
步骤 S01～S04
具体实施方式
以下通过特定的具体实施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。
请参阅图1至图4。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，虽图示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。且需要特别说明的是，本说明书中在采用“介于……之间”的方式描述数值时均包括端点值。
请参考图1，本发明的目的在于提供一种炉管温度校准方法，用于解决现有的炉管温度校准方法中存在的校准偏差大、对校准热电偶的要求高、校准成本高以及校准结果不能完全满足工艺要求等问题。本发明的炉管温度校准方法包括：
步骤S01：提供待校准的炉管1，所述炉管1内放置有若干个温度测量仪21，所述温度测量仪21用于测量所述炉管1的温度；
步骤S02：于所述炉管1内放置若干个已完成离子注入的衬底22，若干个所述衬底22与若干个所述温度测量仪21对应设置；
步骤S03：开启所述炉管1以对若干个所述衬底22进行热退火处理；
步骤S04：测量所述衬底22的离子注入层电阻，通过测量得到的所述离子注入层电阻得到所述炉管1内对应所述衬底22所在位置的温度，依得到的温度与所述温度测量仪21测得的温度对所述炉管1进行温度校准。
本发明的炉管温度校准方法，将进行离子注入后的衬底22放入待校准的炉管1内进行退火，通过测量退火后的衬底22的离子注入层电阻以得到炉管1内的实际温度并依该温度对炉管1进行温度校准，可以最大程度减少人为干扰，降低人力成本，且可准确反映实际的工艺温度，提高校准的准确性；同时因无需使用贵金属材质的标准热电偶进行校准，可极大降低生产成本。
接下来将结合附图对本发明的炉管温度校准方法做更详细的说明。
首先请参考图1的步骤S01、S02及图2，提供待校准的炉管1，所述炉管1内放置有若干个温度测量仪21，所述温度测量仪21用于测量所述炉管1的温度；于所述炉管1内放置若干个已完成离子注入的衬底22，若干个所述衬底22与若干个所述温度测量仪21对应设置。所述步骤S01和所述步骤S02并没有严格的顺序要求，即设置所述温度测量仪21的工作可以在放置所述衬底22之前，也可以在其之后，本实施例中不做严格限制。
作为示例，所述炉管1优选但不限于立式炉管，若干个所述温度测量仪21沿所述炉管1的高度方向自上而下(或自下而上)均匀间隔放置。立式炉管具有晶圆进出操作方便、晶圆在立式炉管内呈水平放置而有利于降低晶圆损伤，适合大批次晶圆处理等优点，但同时对工艺温度的要求更高，一旦温度出现偏差，极容易导致薄膜沉积的片间均匀性和片内均匀性下降，因而尤其适宜通过本发明的方法对炉管进行温度校准。当然，在其他示例中，所述炉管1也可以是卧式炉管，本实施例中不做严格限制。所述炉管1单次可处理的最大晶圆数可依需要而定，但优选以批次为单位，比如为单批次25片或两批次50片甚至更多个批次的晶圆，这样便于与芯片制造厂的其他工艺相匹配。所述温度测量仪21的数量可以根据需要设置，比如为1个，2个或任意个，但为更准确地了解所述炉管1内各个位置的准确温度以进行温度校准，优选根据所述炉管1单次可处理的最大晶圆数而设置多个所述温度测量仪21，比如所述温度测量仪21的数量可以为所述炉管1单次可处理的最大晶圆数的1/5或1/10，且优选在所述炉管1内的最顶部和最底部至少设置一个所述温度测量仪21，所述温度测量仪21在待校准的所述炉管1内的设置可以如图2所示。在一示例中，所述温度测量仪21与所述衬底22的数量均包括5个，所述温度测量仪21与所述衬底22一一对应设置，即单个的所述温度测量仪21与单个所述衬底22处于同一水平面上。当然，在其他示例中，所述温度测量仪21的数量和具体设置方式还可以有其他选择，比如还可以在所述炉管1的两侧对称设置所述温度测量仪21，以更全面地对所述炉管1的温度进行测量，本示例中不做严格限制。所述衬底22包括但不限于硅衬底、锗衬底或其他材质的衬底，且所述衬底22可以是工艺晶圆(process wafer)或伪片(dummy wafer)，从成本的角度考量优选伪片。
所述温度测量仪21可以是任何可以测量温度的仪器，考虑到所述炉管1经常处于数百摄氏度甚至上千摄氏度的高温工作环境，所述温度测量仪21优选热电偶，热电偶具有耐高温和测量准确度高等优点，因而尤其适宜测量所述炉管1内的温度，且所述温度测量仪21需预先进行校准以确保所述温度测量仪21的测量结果的准确性。
在设置好所述温度测量仪21后，将若干个已经完成离子注入的衬底22放置到所述炉管1内，即经离子注入工艺后在所述衬底22上形成了离子注入层，若干个所述衬底22优选与所述温度测量仪21一一对应设置。所述衬底22优选但不限于在离子注入设备中完成所述离子注入，可以确保离子注入剂量的精确度。为了减少离子注入过程中对离子注入设备造成的污染且便于离子注入，同时也为了减少后续的高温退火工艺中注入离子外逸(out-diffuse)对所述炉管1造成污染，作为示例，对所述衬底22进行离子注入之前还包括于所述衬底22表面形成氧化膜的步骤，离子注入所述氧化膜所在的衬底22表面。所述氧化膜的厚度可以根据需要设置，比如介于50～200A之间(包括端点值)，优选为50～100A。因为经发明人实验验证，这个厚度的氧化膜可以有效防止注入离子的外逸，同时不会对后续测量离子注入层的电阻造成干扰，且因该厚度相对较小可以减少形成所述氧化膜所需的工艺时间。形成所述氧化膜的方法包括但不限于热氧化法和气相沉积方法中的一种或多种，优选热氧化法以减少工艺时间。
需要说明的是，在所述炉管1的离子注入精度可精确控制的情况下，该离子注入过程也可以在所述炉管1设备内进行，因而该离子注入过程和所述退火过程可在同一腔室内连续进行，可以避免腔室转换过程中对衬底22可能造成的污染而导致的电阻测量偏差，以及减少校准过程中所需的设备数量等问题，有利于提高校准准确性和降低校准成本。
本申请的发明人在长期工作中发现，在离子注入剂量一定的情况下，衬底22的离子注入层电阻与退火温度存在对应关系，且呈正相关，因此本发明人基于这个发现提出了本发明的炉管温度校准方法。理论上离子注入的类型和注入剂量可以根据需要任意设置，只要能够预先获知离子注入层的电阻与退火温度的对应关系即可。但是本发明人发现，在离子注入剂量越大时，尤其是在离子注入剂量大于等于2×1015/cm3时，这种正相关性表现地越加明显。当然离子注入剂量并非越大越好，当达到一定剂量时，由离子注入本身带来的缺陷有可能影响离子电激活，发明人经实验发现，离子注入剂量介于2×1015/cm3～1×1019/cm3是一个较优的范围。如图3显示为在相同的退火条件下，经退火30分钟后不同注入剂量(也可以称为掺杂剂量)的硼离子的电激活比例与退火温度的关系示意图，可以看到，在退火温度介于600℃～1100℃之间时，注入离子的电激活比例与退火温度呈正相关，尤其是离子注入剂量达到2×1015/cm3时，几乎呈直线正相关，因而经高温退火后的离子注入层的电阻呈现出直线下降，比如如图4所示的硼离子注入和硼硅离子注入后的离子注入层电阻与退火温度的关系示意图可以看到，在600℃～1100℃区间，退火后的硼离子注入层的电阻与退火温度的比例系数为一定值，比如在掺杂离子为硼离子、注入剂量为2×1015/cm3、退火温度为600℃～1100℃的情况下经退火30分钟后，该比例为2(Ω/℃)，即退火温度每升高一摄氏度，退火后的离子注入层的电阻降低2欧姆左右，相比硼硅掺杂，硼掺杂后的线性关系要明显地多。依据此线性关系，在测量得到所述离子注入层电阻后，通过公式T＝Rs/k(其中，Rs为所述衬底22经热退火后的离子注入层电阻，k为所述衬底22的离子注入层电阻与热退火温度的比例系数)可得到所述炉管1内对应所述衬底22所在位置的温度T，该温度即对应所述炉管1内的实际退火工艺温度，且由于该热退火的工艺条件正是所述炉管1的实际工艺条件，因而得到的该温度如实反映了所述炉管1内的工艺温度，可极大提高校准的准确性。所述注入离子优选为硼、磷、砷或其混合，优先单个种类的离子掺杂，有利于提高测量结果的准确性，这些离子都是常规的掺杂离子，不仅离子注入的工艺条件成熟，注入成本相对较低，且经大量的试验可建立离子注入层电阻与退火温度的对应关系对照表，因而后续在测得所述离子注入层的电阻后可通过表格查询得到对应的退火温度而免去了计算过程，可以进一步简化校准工作量。甚至可以在存储设备内，比如一计算机内建立离子注入层电阻与退火温度匹配数据库，在探针测量得到离子注入层的电阻后直接与数据库进行匹配即可得到对应的退火温度。在其他示例中，在提前获知退火温度和离子注入层电阻的比例关系的情况下，所述注入离子的类型和注入剂量还可以有其他选择，本实施例中不做严格限制。且需要特别说明的是，如图3所示，相同剂量的同一类型注入离子在不同的退火温度区间(比如图3中所示的I区，II区和III区)可能呈现出不同的电激活性，因而所述k值通常是在一定区间内为常数，而在不同区间的k值可能不同，确定不同退火温度区间的k值非常重要。所述热退火的时间可以根据注入离子的类型、注入剂量和热退火温度等参数而定，通常介于10min～200min(分钟)之间，优选为20～60分钟，更优选地，在注入离子为硼、磷和砷中的其中一种且注入剂量大于等于2×1015/cm3时，退火时间优选为30分钟，这个时间有利于兼顾校准准确性和减少校准所需时间，有利于降低校准成本。当然，需要说明的是，根据工作人员的个人经验不同，根据测得的电阻也可以知道对应的退火温度。
作为示例，测量所述衬底22的离子注入层电阻的方法包括但不限于四点探针测试法，该测量通常在常温下进行(比如25℃室温环境下)，考虑到退火后的衬底22表面有可能形成氧化层，因而该测量过程中需确保探针深入到所述离子注入层内进行测量，或者可以在该步骤的测量前对所述衬底22进行清洗以去除所述衬底22表面的氧化层。四点探针测试法测量方便、测量结果准确，尤其适合测量离子注入层的方块电阻，有利于提高校准的准确性。当然，在其他示例中，也可以采用诸如二点探针测量法等方法进行测量，本实施例中不做严格限制。且为确保结果的准确性，可对所述衬底22的离子注入层的多个位置进行多次测量以计算得到平均值。
需要特别说明的是，根据所述温度测量仪21和所述衬底22的数量不同，最终的温度校准步骤可以根据需要进行调整。比如，如果所述温度测量仪21和所述衬底22的数量均只有一个，则直接根据测量所述衬底22的离子注入层的电阻得到所述炉管1内的实际温度，并将该温度与所述温度测量仪21所量测的温度进行比较，所得到的差值即为需校准的温度；而如果所述衬底22和所述温度测量仪21的数量均为多个，则可以通过先各自计算得到平均值，比如通过计算得到所述炉管1内的实际温度的平均值与所述温度测量仪21得到的温度平均值，将两个平均值进行比较以得到需校准的温度，然后进行温度校准；在所述炉管1为分段独立控制加热的情况下，也可以对不同位置的温度一一进行比较并一一进行温度校准，本实施例中不做严格限制。而温度校准的过程可以采用业内的常用方法，比如将所述炉管1的加热装置(未图示)和所述温度测量仪21相连接，所述温度测量仪21通过温度补偿导线与温控器相连接，由与温控器相连接的变压器提供电压给加热装置，温控器依据所述温度测量仪21测量的温度对变压器进行反馈调节以对所述炉管1的加热装置进行温度补偿，最终完成所述炉管1的温度校准。在所述炉管1为分段独立控制加热的情况下，该最终校准的步骤可分多次进行。
综上所述，本发明提供一种炉管温度校准方法，所述炉管温度校准方法包括步骤：提供待校准的炉管，所述炉管内放置有若干个温度测量仪，所述温度测量仪用于测量所述炉管的温度；于所述炉管内放置若干个已完成离子注入的衬底，若干个所述衬底与若干个所述温度测量仪对应设置；开启所述炉管以对若干个所述衬底进行热退火处理；测量所述衬底的离子注入层电阻，通过测量得到的所述离子注入层电阻得到所述炉管内对应所述衬底所在位置的温度，依得到的温度与所述温度测量仪测得的温度对所述炉管进行温度校准。本发明的炉管温度校准方法可以最大程度减少人为干扰，降低人力成本，且可准确反映实际的工艺温度，提高校准的准确性；同时因无需使用贵金属材质的标准热电偶进行校准，可极大降低生产成本。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种炉管温度校准方法，其特征在于，至少包括步骤：
提供待校准的炉管，所述炉管内放置有若干个温度测量仪，所述温度测量仪用于测量所述炉管的温度；
于所述炉管内放置若干个已完成离子注入的衬底，若干个所述衬底与若干个所述温度测量仪对应设置；
开启所述炉管以对若干个所述衬底进行热退火处理；
测量所述衬底的离子注入层电阻，通过测量得到的所述离子注入层电阻得到所述炉管内对应所述衬底所在位置的温度，依得到的温度与所述温度测量仪测得的温度对所述炉管进行温度校准。
2.根据权利要求1所述的炉管温度校准方法，其特征在于：所述温度测量仪包括热电偶。
3.根据权利要求1所述的炉管温度校准方法，其特征在于：所述温度测量仪与所述衬底的数量均包括5个，所述衬底与所述温度测量仪一一对应设置。
4.根据权利要求1所述的炉管温度校准方法，其特征在于：所述炉管包括立式炉管，所述温度测量仪沿所述炉管的高度方向自上而下均匀间隔放置。
5.根据权利要求1所述的炉管温度校准方法，其特征在于：所述衬底的离子注入剂量大于等于2×1015/cm3。
6.根据权利要求1所述的炉管温度校准方法，其特征在于：所述衬底的注入离子包括硼、磷和砷中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的炉管温度校准方法，其特征在于：测量所述衬底的离子注入层电阻的方法包括四点探针测试法。
8.根据权利要求1所述的炉管温度校准方法，其特征在于：所述热退火的时间介于10min～200min之间。
9.根据权利要求1所述的炉管温度校准方法，其特征在于：对所述衬底进行离子注入之前还包括于所述衬底表面形成氧化膜的步骤，离子注入所述氧化膜所在的表面。
10.根据权利要求9所述的炉管温度校准方法，其特征在于：所述氧化膜的厚度介于50～200A之间，形成所述氧化膜的方法包括热氧化法和气相沉积方法中的一种或多种。
11.根据权利要求1至10任一项所述的炉管温度校准方法，其特征在于：所述热退火温度介于600℃～1100℃之间。
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