CN114628270A

CN114628270A - 一种半导体衬底处理装置

Info

Publication number: CN114628270A
Application number: CN202011435862.9A
Authority: CN
Inventors: 朱宁炳; 朴兴雨; 李河圣; 熊文娟; 蒋浩杰; 崔恒玮; 李亭亭
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS; Zhenxin Beijing Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS; Zhenxin Beijing Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-06-14

Abstract

本申请涉及一种RTP的热处理系统及热处理方法，具体包括，提供热处理反应腔室；提供可控的辐射热源；提供支撑组件，用于支撑位于其上并与所述辐射热源相对的衬底，所述支撑组件可对所述衬底进行旋转；提供驱动部件，用于驱动所述衬底和/或所述辐射热源运动，从而使得所述衬底与所述辐射热源沿着与所述衬底平行的方向产生往复相对运动。本申请通过产生辐射热源组件与半导体衬底之间的往复相对运动，能够获得更均匀的RTP处理效果，并有效解决半导体衬底旋转所产生的半导体衬底表面的环形图案问题。

Description

一种半导体衬底处理装置

技术领域

本发明涉及半导体衬底工艺中的快速热处理(Rapid Thermal Processing，RTP)工艺，特别是一种采用旋转半导体衬底方式进行均匀热处理的RTP方法。

背景技术

在半导体工艺中，快速热处理(Rapid Thermal Processing，RTP)工艺用于快速并且均匀地加热半导体衬底，其通常被应用于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与栅极氧化层的回火处理等各方面。

在RTP工艺中，半导体衬底被放置在密闭的RTP反应舱中，利用特定热源及预设的升温程序进行衬底加热，以快速达到所要求的温度。在温度控制方面，有以高温计(Pyrometer)测量感应衬底所辐射出的在某特定波长下的热，以计算出最理想的精确度。

在以往的技术中，为了提高RTP工艺中加热温度和热处理的均匀性，通常采用以一定速度(例如240rpm)旋转半导体衬底的方法，即，1)将半导体衬底装载于刚刚降温下来的RTP反应舱中，其中半导体衬底平房在石英针上，且刚开始半导体衬底的温度约为室温，低于反应舱的内壁温度(如30-80℃)；2)使半导体衬底水平旋转；3)将工艺气体导入RTP反应舱中；4)以储存在计算机中的预设升温程序，开始进行半导体衬底的加热。

然而上述单靠旋转半导体衬底的方式对于改善衬底表面热处理的均匀性还是难以满足日益提高的要求，特别是容易引发由于旋转导致的半导体衬底表面出现环形图案。

发明内容

本申请的目的是通过以下技术方案实现的：

根据一个或多个实施例，本申请公开了一种热处理系统，包括：

热处理反应腔室；

可控的辐射热源；

支撑组件，用于支撑位于其上并与所述辐射热源相对的衬底，所述支撑组件可对所述衬底进行旋转；

驱动部件，用于驱动所述衬底和/或所述辐射热源运动，从而使得所述衬底与所述辐射热源沿着与所述衬底径向平行的方向产生往复相对运动。

根据一个或多个实施例，本申请还公开了一种半导体衬底的热处理方法，包括：

将半导体衬底装载于热处理反应腔室中；

控制辐射热源启动以对所述半导体衬底进行加热；

驱动半导体衬底进行旋转；

驱动所述衬底和/或所述辐射热源运动，从而使得所述衬底与所述辐射热源沿着与所述衬底平行的方向产生往复相对运动。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者，部分特征和优点可以从说明书中推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本申请实施方式的热处理系统的结构示意图；

图2是经本申请RTP工艺处理后半导体衬底表面的均一性Map图；

图3是经对比例的现有RTP工艺处理后半导体衬底表面的Map图。

具体实施方式

下文将参照附图更完全地描述本申请，在附图中显示本申请的实施例。然而，本申请不局限于在这里阐述的实施例。相反地，提供这些实施例以便彻底地并完全地说明，并完全地将本申请的范围传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清楚起见可能夸大了层和区域的厚度。全文中相同的数字标识相同的元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括相关所列项目的一个或多个的任何和所有组合。

这里所使用的术语仅仅是为了详细的描述实施例而不是想要限制本申请。如这里所使用的，除非本文清楚地指出外，否则单数形式“一”、“该”和“所述”等也包括复数形式。还应当理解的是说明书中使用的术语“包括”说明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他的特征、整体、步骤、操作、元件、部件、和/或其组合的存在或者增加。

应该理解当将一元件例如层、区域或者衬底称为“在另一个元件上”或者延伸“到另一个元件之上”时，可以是直接在另一个元件上或者直接延伸到另一个元件之上或者存在中间元件。相反地，当将一元件称为“直接在另一个元件上”或者“直接延伸到另一个元件之上”，则就不存在中间元件。也应当理解的是当将一种元件称为“连接”或者“耦合”至另一个元件时，可以是直接地连接或者耦合到另一个元件或者存在中间元件。相反地，当将一种元件称为“直接连接”或者“直接耦合”至另一个元件时，就不存在中间元件。

应该理解，尽管这里可以使用术语第一、第二等等来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不受这些术语的限制。这些术语仅仅用于将一个元件、组件、区域、层或者部分与另一个元件、组件、区域、层或者部分区分开。因而，在不脱离本申请精神的情况下，可以将下文论述的第一元件、组件、区域、层或者部分称作第二元件、组件、区域、层或者部分。

而且，相对术语，例如“下面”或者“底部”和“上面”或者“顶端”在这里用于描述如附图中展示的一个元件与另一个元件的关系。应该理解相对术语除了包括附图中所述的方向外还包括器件的不同方向。例如，如果翻转图中的器件，则被描述为在另一元件的下边的元件变为在另一个元件的上边。因此示范性术语“下面”根据图的具体方向包括“下面”和“上面”两个方向。同样地，如果翻转一个图中的装置，描述为“在其他的元件下面”或者“在其他的元件之下”的元件定向为在其它元件上方。因此，示范性术语“在下面”或者“在...之下”包括上面和下面两个方向。

这里参照示意性说明本申请的理想化实施例的横截面图(和/或平面图)来描述本申请的实施例。同样地，可以预计会存在因例如制造工艺和/或容差而导致的与示意图形状的偏离。因而，不将本申请的实施例认为是对这里说明的区域的具体形状的限制，而是包括由例如制造导致的形状的偏差。因而，图中说明的区域本质上是示意性的，它们的形状不表示装置区域的精确的形状也不限制本申请的范围。

除非另有限定，这里使用的全部术语(包括技术和科学名词)与本申请所属领域的普通技术人员通常所理解的具有同样的意义。还应当理解的是术语，例如在常用词典中定义的术语应当被解释为与相关技术的文献中的意义相协调，除非这里清楚地限定外，不解释为理想化或者过分形式意义。本领域的技术人员应当理解，对邻近另一部件配置的结构或功能部件的引用可能具有重叠或者在另一部件之下的部分。

图1是根据本发明的一个实施方式的RTP热处理系统的结构示意图。RTP热处理系统1适于对定位在该系统的热处理腔室中的半导体衬底101进行RTP工艺。热处理系统可以包括热处理腔室主体102、位于腔室主体内的半导体衬底支撑组件以及位于腔室主体上方的与半导体衬底相对的辐射热源组件103。

其中，热处理腔室主体102可以由铝或铝合金、不锈钢等金属材料形成，并且适于将腔室压力维持在1Torr至约800Torr的范围内，诸如约10Torr至约350Torr。热处理腔室主体102可以包括形成在该热处理腔室主体中的流体管道(未图示)，以使温度控制流体流过该流体管道，以在处理期间对热处理腔室主体102进行冷却，对热处理腔室主体102的冷却减少了其劣化的可能性，此劣化例如可以是由于半导体衬底101加热期间的热应力所致。热处理腔室主体102的内表面周围可以设置例如由氮化铝等热绝缘材料形成的绝热衬里(未图示)，以便于在热处理腔室主体102内容纳热并且提高热处理效率。流体管道与绝热衬里的设置可以使得低成本材料(诸如铝或铝合金)得以用于形成热处理腔室主体102，同时使热处理腔室主体102仍能够承受热处理期间所施加的热应力。

可以在靠近热处理腔室主体102底部形成半导体衬底支撑件组件，半导体衬底支撑组件，例如可以包括圆柱状升降器104以及在升降器104上设置的由涂敷硅的碳化硅、不透明碳化硅、石墨、氮化铝等构成的支撑边缘环105，在RTP处理期间，可以将半导体衬底101放置于支撑边缘环105上。在圆柱状升降器104的对应位置的热处理腔室主体的外侧可以设置旋转驱动部件如旋转磁定子(未图示)，同时可以将圆柱状升降器104设置为磁转子，从而实现使得圆柱状升降器104旋转，进而带动其上的支撑边缘环105以及置于支撑边缘环105上的半导体衬底101产生旋转。可以设置多个升降针106(例如3个或4个，图中仅示出了1个)与热处理腔室主体102的底部壁的反射器板107滑动密封连接。未示出的升降机构可以提升以及降低所有升降针106以选择性地使半导体衬底101在支撑边缘环105升降以及在未示出的用于传输半导体衬底101进出热处理腔室主体102的机械臂上升降。

辐射热源组件103可以包括石英窗口108和辐射光源109。其中，石英窗口108可以由可透过红外光的材料构成，例如清晰的熔融硅土石英，辐射光源109覆盖在该窗口108上部。辐射光源109可以包括多个由电插座(未图示)支撑并且通过该电插座提供能量的辐射灯，可选的辐射灯例如是发出强烈红外光的高强度白炽灯，诸如卤钨灯，其在由诸如溴的含卤族气体填充并由惰性气体稀释以清洁的石英灯管内部具有钨灯丝，当然也可以是诸如UV灯、激光二极管、微波动力加热器、发光二极管(LED)等各种辐射光源。每个辐射灯均由相对多孔的陶瓷制造的化合物装配。在辐射热源组件103中形成阵列排布的垂直定向的柱状灯孔并于其内部设置辐射灯，从而形成辐射灯阵列，该灯阵列可以统一进行控制，也可以每个辐射灯分别独立控制。在辐射热源组件103内部可以形成环绕各辐射灯孔的液体冷却通道(未图示)。诸如水的冷却剂被引入冷却通道以冷却辐射热源组件103并且经由流动靠近辐射灯孔的冷却剂冷却辐射灯。

在热处理腔室主体102的下方，可以通过诸如兰宝石棒的光导管或者柔性光纤110选择性地将若干个高温计111的热传感器耦接到形成热处理腔室主体102的底壁的反射器板107的间隔设置的贯通孔隙上。高温计111更具体地说可以是一种辐射测温计并且包括一光学窄带滤波器，从而半导体衬底101吸收从辐射灯发出的较短波长可见光辐射，使得高温计111对来自半导体衬底101的黑体辐射敏感而对来自辐射灯的辐射不敏感。高温计111向控制器112提供温度信号，其中该控制器111响应于测量温度并控制施加给辐射灯的能量。可以在径向排列区域例如15个区域控制辐射灯以提供解决热边缘效应的更适合的径向热轮廓。高温计110一起向控制器112提供表示整个半导体衬底101上温度轮廓的信号，该控制器112响应于所述测量温度控制并提供给辐射光源109的各个区域的能量，从而提供闭环温度控制。

此外，热处理腔室主体102还可以包括处理气体入口和气体出口(未图示)。在使用时，为在经过入口引入工艺气体以前，将处理腔室内的气压降低至次大气压还可以包括真空泵(未图示)以抽空工艺腔室内部。典型地可以将压力降低到约10至160Torr之间。当然，在存在某些指定气体的情况下，某些工艺可以在大气压力下执行，并且对这些工艺不需要抽空该工艺腔室。

在本实施例中，辐射热源组件还包括驱动辐射热源组件沿着与半导体衬底平行的方向来回往复运动的驱动部件(未图示)，驱动部件能够驱动辐射热源组件以其上方虚拟的箭头方向来回往复运动，其驱动行程范围可以在1-10mm之间，其往复运动的频率可以在0-10Hz。如此，可以使得辐射热源组件与半导体衬底产生相对运动

在其他的实施例中，还可以同时为支撑组件设置驱动部件，其能够驱动支撑组件沿着与灯阵列平行的方向往复运动，从而带动半导体衬底发生于辐射热源组件的相对运动。

在其他的实施例中，也可以同时设置辐射热源组件的驱动部件和支撑组件的驱动部件，使得辐射热源组件和支撑组件同时沿着与对方平行的方向往复运动。

在其他的实施例中，上述辐射热源组件的驱动部件和支撑组件的驱动部件还可以驱动辐射热源组件和支撑组件产生在与对方平行的平面内进行的圆形或者椭圆形的往复运动。

采用本申请上述实施例热处理系统进行改良的RTP工艺具体如下：首先，可以将半导体衬底101装载于热处理腔室中，半导体衬底101静置平放在衬底支撑环105上，先不进行转动，且此时半导体衬底101的温度可以约为室温，从而低于热处理腔室主体102内壁的温度(通常可能为30-80℃)。接着，先以储存在控制器112中的预设升温程序执行半导体衬底101的加热升温，可以同时启动支撑组件的旋转驱动部件驱动支撑组件带动半导体衬底101以240rpm的速度进行旋转，当然，也可以等半导体衬底101经过加热升温一定时间从而达到一定的预热温度后，再启动支撑组件的旋转驱动部件驱动支撑组件带动半导体衬底进行旋转，该预热温度可以是高于热处理腔室主体内壁的温度，例如100-200℃。在启动支撑组件的旋转驱动部件驱动支撑组件带动半导体衬底101进行旋转时，可以同时启动辐射热源组件的驱动部件以驱动辐射热源组件沿着与半导体衬底101平行的方向进行往复运动(如图1中上方箭头所示方向)，该往复运动的行程例如可以是1-10mm之间，往复运动的频率例如可以是0-10Hz；当然，也可以在晚于半导体衬底101开始旋转的一段时间之后，再启动辐射热源组件的驱动部件以驱动辐射热源组件产生上述往复运动。通过施加辐射热源组件相对于半导体衬底的往复运动，可以使得半导体衬底表面获得更为均匀的RTP处理效果(参见图2经本申请RTP工艺处理后半导体衬底表面的均一性Map图)，从而很好地解决现有技术中单靠旋转而不施加其他运动而产生的环形Map，图3是经对比例的现有RTP工艺处理后半导体衬底表面的Map图，其中对比例仅仅对支撑组件施加了旋转驱动，而未驱动辐射热源组件以及支撑组件产生水平方向的往复相对运动。

在RTP工艺实施过程中，通过高温计111的热传感器时刻监测半导体衬底101的温度并将监测数据反馈至控制器112，并通过控制器112对辐射热源组件103施加控制，以增加或者降低辐射热量，以精确控制半导体衬底101的温度。

在本申请的其他实施例中，还可以通过驱动支撑组件或者同时驱动辐射热源组件和支撑组件，以使得辐射热源组件与半导体衬底之间产生往复相对运。

在本申请的其他实施例中，当然也可以先驱动支撑组件旋转再进行加热、驱动辐射热源组件与半导体衬底之间产生往复相对运，或者，先驱动辐射热源组件与半导体衬底之间产生往复相对运，再进行旋转、加热，上述加热、驱动支撑组件旋转以及驱动辐射热源组件与半导体衬底之间产生往复相对运的操作顺序，是可以根据实际需要进行调整和设置的，本申请不做特别限定。

本申请的热处理系统和RTP工艺，通过产生辐射热源组件与半导体衬底之间的往复相对运动，能够获得更均匀的RTP处理效果，并有效解决半导体衬底旋转所产生的半导体衬底表面的环形图案问题。

在以上的描述中，对于热处理系统以的气体导入导出部件、RTP工艺的温度控制的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，来形成上述部件和达到目的。另外，为了形成衬底处理装置，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的结构并不完全相同的结构。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。

以上对本公开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，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，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公开的范围之内。

Claims

1.一种热处理系统，包括：

热处理反应腔室；

可控的辐射热源；

2.根据权利要求所述的热处理系统，其特征在于：

所述驱动部件驱动所述衬底和/或所述辐射热源进行运动轨迹为直线的运动，从而使得所述衬底与所述辐射热源沿着与所述衬底径向平行的方向产生往复相对运动。

3.根据权利要求1任意一项所述的热处理系统，其特征在于：

所述驱动部件驱动所述衬底和/或所述辐射热源进行运动轨迹为圆形或椭圆形的运动，从而使得所述衬底与所述辐射热源沿着与所述衬底径向平行的方向产生往复相对运动。

4.一种半导体衬底的热处理方法，包括：

将半导体衬底装载于热处理反应腔室中；

控制辐射热源启动以对所述半导体衬底进行加热；

驱动半导体衬底进行旋转；

5.根据权利要求4所述的热处理方法，其特征在于：

所述衬底和/或所述辐射热源的运动轨迹为直线。

6.根据权利要求5所述的热处理方法，其特征在于：

所述直线运动的行程在1-10mm之间。

7.根据权利要求5所述的热处理系统，其特征在于：

所述直线运动的频率为0-10Hz。

8.根据权利要求4所述的热处理系统，其特征在于：

所述衬底和/或所述辐射热源的运动轨迹为圆形或椭圆形。

9.根据权利要求4所述的热处理方法，其特征在于：

所述驱动半导体衬底进行旋转与驱动所述衬底和/或所述辐射热源运动，是同时进行的。