CN113405683A - 晶片温度测量方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种晶片温度测量方法，用于测量热处理过程中待测晶片的温度，包括：在待测晶片上形成测温晶片，所述测温晶片至少包括相变材料层；在热处理过程中获取测温晶片至少一个位置的体积变化；根据测温晶片至少一个位置的体积变化确定待测晶片的温度。本申请还公开了一种晶片温度测量装置，通过位于待测晶片上的测温晶片在热处理过程中至少一个位置的体积变化标定待测晶片上相应位置的实际温度，实现点对点的温度测量，提高测量的精准性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体的制造工艺领域，特别涉及晶片温度测量方法。
背景技术
半导体制造中，不同的工艺需要不同的温度，有的工艺温度甚至达到1000℃以上。现有技术中，通常在热处理室(thermal processing chamber)中对半导体晶片加热使其满足相应的工艺温度。热处理室指的是迅速加热物体，例如半导体晶片的设备。这种设备通常包括用于保持一个或更多半导体晶片或其它物体的基板保持器，以及用于加热晶片的能源，例如加热灯和/或加热器(heater)。在热处理期间，半导体晶片根据预设的温度体制在受控条件下被加热。
许多半导体加热过程要求晶片被加热到高温，使得在晶片被制造成器件时可出现各种化学和物理转换。在快速热处理期间，例如，半导体晶片被通常由灯阵列用通常少于几分钟的时间从大约300℃加热到大约1200℃的温度。在这些过程期间，一个主要目标是尽可能均匀地加热晶片。
在半导体晶片的快速热处理期间，需要监视和控制晶片温度。具体地，对于所有当前和可预见到的高温晶片处理，具有高精度、重复性和速度地确定晶片真实温度很重要。准确测温晶片温度的能力在所制造集成电路的质量和尺寸上具有直接的收益。
目前常用的温度测量方法主要是使用ThermalCouple(热电偶，以下简称TC)测量。然而TC测量适用于部分高温工艺(例如工艺温度小于400℃)，当高温工艺的温度过高(例如工艺温度大于400℃)时无法使用TC测量半导体晶片的温度。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种晶片温度测量方法，利用相变材料层在热处理过程中的体积变化对热处理过程中的待测晶片实际温度进行标定。
根据本发明的一方面，提供一种晶片温度测量方法，用于测量热处理过程中待测晶片的温度，包括：在待测晶片上形成测温晶片，所述测温晶片至少包括相变材料层；在热处理过程中获取测温晶片至少一个位置的体积变化；根据测温晶片至少一个位置的体积变化确定待测晶片的温度。
优选地，所述测温晶片的尺寸与所述待测晶片的尺寸相同，所述测温晶片完全覆盖所述待测晶片。
优选地，在所述待测晶片上形成测温晶片的步骤包括：在所述待测晶片上沉积一层相变材料层。
优选地，在所述待测晶片上形成测温晶片的步骤包括：在衬底上形成一层相变材料层，从而形成测温晶片；将测温晶片放置在所述待测晶片上。
优选地，获取测温晶片各位置的体积变化的步骤包括：在热处理过程前，获取测温晶片至少一个位置的初始膜层厚度；在热处理过程中，获取测温晶片相应位置的当前膜层厚度；根据测温晶片至少一个位置的当前膜层厚度和初始膜层厚度获取测温晶片各位置的收缩比。
优选地，根据测温晶片至少一个位置的体积变化确定待测晶片的温度的步骤包括：根据测温晶片至少一个位置的收缩比以及相变材料层的温度与收缩比的对应关系确定待测晶片的温度。
优选地，通过光度计或椭偏仪测试所述测温晶片上至少一个位置的膜层厚度。
优选地，所述晶片温度测量方法还包括：根据热处理过程的温度范围选择不同相变温度的相变材料。
优选地，所述晶片温度测量方法还包括：当热处理过程的温度大于预设阈值时，在待测晶片上设置测温晶片测温；当热处理过程的温度小于预设阈值时，在待测晶片上设置热电偶测温。
优选地，所述晶片温度测量方法还包括：在热处理过程中每隔一定预设时间获取测温晶片各位置的体积变化以测量待测晶片的温度。
根据本发明的另一方面，提供一种晶片温度测量装置，包括：测量模块，用于获取设置在待测晶片上的测温晶片至少一个位置的体积变化，其中，所述测温晶片至少包括相变材料层；控制器，用于根据测温晶片至少一个位置的体积变化确定待测晶片的温度。
优选地，所述晶片温度测量装置还包括：热电偶，设置在所述待测晶片上；控制器还用于根据热处理过程的温度范围将热电偶或者测温晶片设置在所述待测晶片上。
优选地，当热处理过程的温度大于预设阈值时，所述控制器将测温晶片设置在待测晶片上测温；当热处理过程的温度小于预设阈值时，将热电偶设置在待测晶片上测温。
优选地，所述测量模块在热处理过程前，获取测温晶片至少一个位置的初始膜层厚度；在热处理过程中，获取测温晶片相应位置的当前膜层厚度；根据测温晶片至少一个位置的当前膜层厚度和初始膜层厚度获取测温晶片相应位置的收缩比。
优选地，所述控制器根据测温晶片各位置的收缩比以及相变材料层的温度与收缩比的对应关系确定待测晶片的温度。
优选地，所述测量模块为光度计或椭偏仪。
优选地，根据热处理过程的温度范围选择不同相变温度的相变材料。
优选地，所述控制器还控制所述测量模块每隔一定预设时间获取测温晶片至少一个位置的体积变化以测量待测晶片的温度。
本发明提供的晶片温度测量方法及装置，通过位于待测晶片上的测温晶片在热处理过程中各位置的体积变化标定待测晶片上各位置的实际温度，实现点对点的温度测量。
进一步地，不同的热处理过程的温度范围不同，可以根据热处理过程的温度范围选择不同相变温度的相变材料。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出本发明实施例的晶片温度测量方法的流程图；
图2示出本发明实施例提供的相变材料层的温度与收缩比的关系示意图；
图3示出本发明实施例提供的相变材料层的相变完成前后的示意图。
图4示出本发明实施例提供的晶片温度测量装置的结构图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明中描述的“上方”，是指位于基板平面的上方，可以是指材料之间的直接接触，也可以是间隔设置。
在本申请中，术语“半导体结构”指在制造存储器件的各个步骤中形成的整个半导体结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出本发明实施例提供的晶片温度测量方法的流程图。参见图1，所述晶片温度测量方法用于测量热处理过程中待测晶片的温度。该晶片温度测量方法包括以下步骤。
在步骤S01中，在待测晶片上形成测温晶片，所述测温晶片至少包括相变材料层。
在本实施例中，直接在待测晶片上沉积一层相变材料层作为测温晶片。测温晶片的尺寸与待测晶片的尺寸相同，完全覆盖待测晶片，测温晶片各位置的温度可以作为待测晶片相应位置的温度。
在一个优选的实施例中，可以单独的在一个衬底上形成相变材料层作为测温晶片，然后将测温晶片放置在待测晶片上。
在步骤S02中，在热处理过程中获取测温晶片至少一个位置的体积变化。
在本实施例中，可以获取测温晶片中至少一个位置的体积变化得到测温晶片与至少一个位置相应的温度，从而得到待测晶片相应位置的温度。从待测晶片至少一个位置的温度平均求和的方式或者取中值的方式计算出待测晶片的实际温度。
具体地，步骤S02具体包括步骤S021～步骤S023(如图2所示)。
在步骤S021中，在热处理过程前，获取测温晶片至少一个位置的初始膜层厚度。
在放入热处理腔室之前，通过光度计或椭偏仪测试所述测温晶片上至少一个位置的初始膜层厚度。
在步骤S022中，在热处理过程中，获取测温晶片至少一个位置的当前膜层厚度。
将待测晶片和测温晶片放入热处理腔室进行热处理，在热处理过程中，通过光度计或椭偏仪测量所述测温晶片上至少一个位置的当前膜层厚度。热处理过程例如是快速热退火(RTA，rapid thermal annealing)。
在步骤S023中，根据测温晶片至少一个位置的当前膜层厚度和初始膜层厚度获取测温晶片各位置的收缩比。
具体地，通过光度计或椭偏仪测试所述测温晶片上各位置的膜层厚度。在热处理过程中每隔一定预设时间获取测温晶片各位置的体积变化以测量待测晶片的温度，实现实时检测待测晶片的温度。
在步骤S03中，根据测温晶片至少一个位置的体积变化确定待测晶片的温度。
在本实施例中，根据测温晶片至少一个位置的收缩比以及相变材料层的温度与收缩比的对应关系确定待测晶片的温度。
由于相变材料层在不同温度下其相应的收缩比不同。可以通过测量相变材料层在热处理过程中至少一个位置的收缩比来确定待测晶片相应位置的温度。
图3示出了其中一种相变材料的温度与收缩比的关系示意图。该相变材料例如为相变材料A，其相变温度为940℃，在温度达到940℃后该相变材料A的收缩比处于一个相对稳定的区间。在相变完成之前，不同的温度相变材料A的收缩比不同。
在一个优选地实施例中，在步骤S01之前还包括步骤S04，根据热处理过程的温度范围选择不同相变温度的相变材料。
由于热处理过程的温度范围不同，可以选择不同相变温度的相变材料。例如当热处理过程的温度范围在940℃时，可以选择相变温度为940℃的相变材料。
在一个优选地实施例中，在步骤S04之前还包括步骤S05，判断热处理过程的温度是否大于预设阈值，当热处理过程的温度大于预设阈值时，执行步骤S04、步骤S01-步骤S03，即在待测晶片上设置测温晶片测温；当热处理过程的温度小于预设阈值时，执行步骤S06，在待测晶片上设置热电偶测温。
在本实施例中，预设阈值为400℃。
本发明提供的晶片温度测量方法，通过位于待测晶片上的测温晶片在热处理过程中各位置的体积变化标定待测晶片上各位置的实际温度，实现点对点的温度测量以及实时检测，提高测量的精准性。
进一步地，不同的热处理过程的温度范围不同，可以根据热处理过程的温度范围选择不同相变温度的相变材料。
图4示出本发明实施例提供的晶片温度测量装置的结构图。参见图4，所述晶片温度测量装置包括测量模块130以及控制器140。
测量模块130用于获取设置在待测晶片110上的测温晶片120至少一个位置的体积变化，所述测温晶片120至少包括相变材料层。
在本实施例中，直接在待测晶片上沉积一层相变材料层作为测温晶片。测温晶片的尺寸与待测晶片的尺寸相同，完全覆盖待测晶片，测温晶片各位置的温度可以作为待测晶片相应位置的温度。
在一个优选的实施例中，可以单独的在一个衬底上形成相变材料层作为测温晶片，然后将测温晶片放置在待测晶片上。
在本实施例中，所述测量模块130为光度计或椭偏仪，测量所述测温晶片上至少一个位置的膜层厚度。
测量模块130可以获取测温晶片中至少一个位置的体积变化得到测温晶片与至少一个位置相应的温度，从而得到待测晶片相应位置的温度。从待测晶片至少一个位置的温度平均求和的方式或者取中值的方式计算出待测晶片的实际温度。
具体地，所述测量模块130在热处理过程前，获取测温晶片至少一个位置的初始膜层厚度；在热处理过程中，获取测温晶片相应位置的当前膜层厚度；根据测温晶片至少一个位置的当前膜层厚度和初始膜层厚度获取测温晶片相应位置的收缩比。
控制器140用于根据测温晶片的体积变化确定待测晶片的温度。
在本实施例中，根据测温晶片至少一个位置的收缩比以及相变材料层的温度与收缩比的对应关系确定待测晶片的温度。
由于相变材料层在不同温度下其相应的收缩比不同。可以通过测量相变材料层在热处理过程中至少一个位置的收缩比来确定待测晶片相应位置的温度。
图3示出了其中一种相变材料的温度与收缩比的关系示意图。该相变材料例如为相变材料A，其相变温度为940℃，在温度达到940℃后该相变材料A的收缩比处于一个相对稳定的区间。在相变完成之前，不同的温度相变材料A的收缩比不同。
在一个优选地实施例中，所述晶片温度测量装置还包括热电偶150设置在所述待测晶片上。控制器140还用于根据热处理过程的温度范围将热电偶或者测温晶片设置在所述待测晶片上。
具体地，当热处理过程的温度大于预设阈值时，所述控制器140将测温晶片120设置在待测晶片110上测温；当热处理过程的温度小于预设阈值时，所述控制器140将热电偶150设置在待测晶片110上测温。
本发明提供的晶片温度测量装置，通过位于待测晶片上的测温晶片在热处理过程中各位置的体积变化标定待测晶片上各位置的实际温度，实现点对点的温度测量以及实时检测，提高测量的精准性。
进一步地，不同的热处理过程的温度范围不同，可以根据热处理过程的温度范围选择不同相变温度的相变材料。
在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
Claims (18)
1.一种晶片温度测量方法，其特征在于，包括：
待测晶片上形成有测温晶片，所述测温晶片至少包括相变材料层；
在热处理过程中获取测温晶片上至少一个位置的体积变化；
根据测温晶片上至少一个位置的体积变化确定待测晶片的温度。
2.根据权利要求1所述的晶片温度测量方法，其特征在于，所述测温晶片的尺寸与所述待测晶片的尺寸相同，所述测温晶片完全覆盖所述待测晶片。
3.根据权利要求1所述的晶片温度测量方法，其特征在于，在所述待测晶片上形成测温晶片的步骤包括：
在所述待测晶片上沉积一层相变材料层。
4.根据权利要求1所述的晶片温度测量方法，其特征在于，在所述待测晶片上形成测温晶片的步骤包括：
在衬底上形成一层相变材料层，从而形成测温晶片；
将测温晶片放置在所述待测晶片上。
5.根据权利要求1所述的晶片温度测量方法，其特征在于，获取测温晶片至少一个位置的体积变化的步骤包括：
在热处理过程前，获取测温晶片至少一个位置的初始膜层厚度；
在热处理过程中，获取测温晶片相应位置的当前膜层厚度；
根据测温晶片至少一个位置的当前膜层厚度和初始膜层厚度获取测温晶片相应位置的收缩比。
6.根据权利要求5所述的晶片温度测量方法，其特征在于，根据测温晶片各位置的体积变化确定待测晶片的温度的步骤包括：
根据测温晶片至少一个位置的收缩比以及相变材料层的温度与收缩比的对应关系确定待测晶片的温度。
7.根据权利要求1所述的晶片温度测量方法，其特征在于，通过光度计或椭偏仪测试所述测温晶片上至少一个位置的膜层厚度。
8.根据权利要求1所述的晶片温度测量方法，其特征在于，还包括：
根据热处理过程的温度范围选择不同相变温度的相变材料。
9.根据权利要求1所述的晶片温度测量方法，其特征在于，当热处理过程的温度大于预设阈值时，在待测晶片上设置测温晶片测温；当热处理过程的温度小于预设阈值时，在待测晶片上设置热电偶测温。
10.根据权利要求1所述的晶片温度测量方法，其特征在于，在热处理过程中每隔一定预设时间获取测温晶片各位置的体积变化以测量待测晶片的温度。
11.一种晶片温度测量装置，其特征在于，包括：
测量模块，用于获取设置在待测晶片上的测温晶片至少一个位置的体积变化，其中，所述测温晶片至少包括相变材料层；
控制器，用于根据测温晶片至少一个位置的体积变化确定待测晶片的温度。
12.根据权利要求11所述的晶片温度测量装置，其特征在于，还包括：
热电偶，设置在所述待测晶片上；
控制器还用于根据热处理过程的温度范围将热电偶或者测温晶片设置在所述待测晶片上。
13.根据权利要求12所述的晶片温度测量装置，其特征在于，当热处理过程的温度大于预设阈值时，所述控制器将测温晶片设置在待测晶片上测温；当热处理过程的温度小于预设阈值时，将热电偶设置在待测晶片上测温。
14.根据权利要求11所述的晶片温度测量装置，其特征在于，所述测量模块在热处理过程前，获取测温晶片至少一个位置的初始膜层厚度；在热处理过程中，获取测温晶片相应位置的当前膜层厚度；根据测温晶片至少一个位置的当前膜层厚度和初始膜层厚度获取测温晶片相应位置的收缩比。
15.根据权利要求14所述的晶片温度测量装置，其特征在于，所述控制器根据测温晶片至少一个位置的收缩比以及相变材料层的温度与收缩比的对应关系确定待测晶片的温度。
16.根据权利要求11所述的晶片温度测量装置，其特征在于，所述测量模块为光度计或椭偏仪。
17.根据权利要求11所述的晶片温度测量装置，其特征在于，根据热处理过程的温度范围选择不同相变温度的相变材料。
18.根据权利要求11所述的晶片温度测量装置，其特征在于，所述控制器还控制所述测量模块每隔一定预设时间获取测温晶片各位置的体积变化以测量待测晶片的温度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210917 |