CN116936423A - 外延机台温度校正方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种外延机台温度校正方法，该外延机台温度校正方法包括提供若干晶圆，并在若干晶圆上形成外延层；从若干晶圆中选取部分晶圆作为第一监控晶圆，并对每个第一监控晶圆依次进行第一离子注入和热退火处理，每个第一监控晶圆的热退火温度不同；根据每个第一监控晶圆的热退火温度和热波值生成标准曲线；从剩余晶圆中选取一晶圆作为第二监控晶圆，并对第二监控晶圆依次进行第二离子注入和预设温度的热退火处理；基于标准曲线和第二监控晶圆的热波值对外延机台的温度进行校正。本方案可以降低外延机台的温度监控成本。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种外延机台温度校正方法。
背景技术
在半导体技术中，从晶体管原理来看，要获得高频大功率，必须做到集电区击穿电压要高，串联电阻要小，即饱和压降要小。前者要求集电区材料电阻率要高，而后者要求集电区材料电阻率要低，两者互相矛盾。如果采用集电极区材料厚度减薄的方式来减少串联电阻，会使硅片太薄易碎，无法加工，若降低材料的电阻率，又与第一个要求矛盾。而外延技术的发展则成功地解决了这一困难，其在电阻极低的衬底上生长一层高电阻率外延层，器件制作在外延层上，这样高电阻率的外延层保证了管子有高的击穿电压，而低电阻的衬底又降低了基片的电阻，从而降低了饱和压降，从而解决了二者的矛盾，所以外延（Epitaxy，EPI）机台在半导体领域的应用越来越广泛。
而在EPI机台的反应过程中，温度的检测与控制对产品质量有着至关重要的影响。目前通常采用单晶硅薄层电阻法来对EPI机台温度进行监控，即在对单晶硅进行离子注入掺杂杂质原子，使晶圆表面成为有源层，用EPI机台对晶圆进行退火激活，通过监控晶圆表面的薄层电阻来反映EPI机台实际的控温能力。
然而，由于单晶硅薄层电阻法是通过有源层的激活效果来反映EPI机台生产时的实际温度，所以该方法不太适用于低温区域的EPI工艺，因此该方法存在局限性。而且测量单晶硅薄层电阻是使用探针扎入单晶硅薄膜形成的有源层，属于接触式量测。当探针性能的不好时，会导致量测数据不准确，且经过探针接触式量测后，监控晶圆无法重复使用，故监控的成本相对较高。
发明内容
本申请提供了一种外延机台温度校正方法，可以降低外延机台的温度监控成本。
本申请提供了一种外延机台温度校正方法，包括：
提供若干晶圆，并在若干所述晶圆上形成外延层；
从若干所述晶圆中选取部分晶圆作为第一监控晶圆，并对每个所述第一监控晶圆依次进行第一离子注入和热退火处理，每个所述第一监控晶圆的热退火温度不同；
根据每个所述第一监控晶圆的热退火温度和热波值生成标准曲线；
从剩余所述晶圆中选取一晶圆作为第二监控晶圆，并对所述第二监控晶圆依次进行第二离子注入和预设温度的热退火处理；
基于所述标准曲线和所述第二监控晶圆的热波值对外延机台的温度进行校正。
在本申请提供的外延机台温度校正方法中，所述基于所述标准曲线和所述第二监控晶圆的热波值对外延机台的温度进行校正，包括：
根据所述标准曲线和所述第二监控晶圆的热波值进行计算，得到外延机台的温度偏差；
根据所述温度偏差对所述外延机台的温度进行校正。
在本申请提供的外延机台温度校正方法中，所述根据所述标准曲线和所述第二监控晶圆的热波值进行计算，得到外延机台的温度偏差，包括：
对所述标准曲线进行线性拟合，得到热退火温度与热波值的线性关系表达式；
将所述第二监控晶圆的热波值输入至所述线性关系表达式，得到所述外延机台的当前温度；
根据所述当前温度和所述预设温度获取所述外延机台的温度偏差。
在本申请提供的外延机台温度校正方法中，在所述在若干所述晶圆上形成外延层之前，还包括：
采用湿法清洗工艺对若干所述晶圆进行清洗。
在本申请提供的外延机台温度校正方法中，所述湿法清洗工艺采用的化学试剂为氢氟酸，清洗时间为180秒。
在本申请提供的外延机台温度校正方法中，所述第一离子注入和所述第二离子注入的注入离子、注入能量和注入剂量相同。
在本申请提供的外延机台温度校正方法中，所述注入离子为硼离子，
在本申请提供的外延机台温度校正方法中，所述注入能量为100KeV，所述注入剂量为5.0E13/cm2。
在本申请提供的外延机台温度校正方法中，所述热退火处理的时间为20秒，采用的气体为氢气。
在本申请提供的外延机台温度校正方法中，所述晶圆和所述外延层的材料为P型单晶硅。
综上，本申请提供的外延机台温度校正方法包括提供若干晶圆，并在若干所述晶圆上形成外延层；从若干所述晶圆中选取部分晶圆作为第一监控晶圆，并对每个所述第一监控晶圆依次进行第一离子注入和热退火处理，每个所述第一监控晶圆的热退火温度不同；根据每个所述第一监控晶圆的热退火温度和热波值生成标准曲线；从剩余所述晶圆中选取一晶圆作为第二监控晶圆，并对所述第二监控晶圆依次进行第二离子注入和预设温度的热退火处理；基于所述标准曲线和所述第二监控晶圆的热波值对外延机台的温度进行校正。本方案中的晶圆在使用后，通过湿法清洗工艺去除表面的二氧化硅，然后再生长一层外延层即可重复使用，不会造成晶圆浪费，进而降低外延机台的温度监控成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的外延机台温度校正方法的流程示意图。
图2是本申请实施例提供的实验数据表。
图3是本申请实施例提供的标准曲线示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
除非另有定义，本申请所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本申请中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本申请所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
这里参考作为本申请的理想实施例的示意图来描述申请的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本申请的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本申请的范围。
本申请所使用的半导体领域词汇为本领域技术人员常用的技术词汇，例如对于P型和N型杂质，为区分掺杂浓度，简易的将P+型代表重掺杂浓度的P型，P型代表中掺杂浓度的P型，P-型代表轻掺杂浓度的P型，N+型代表重掺杂浓度的N型，N型代表中掺杂浓度的N型，N-型代表轻掺杂浓度的N型。
由于单晶硅薄层电阻法是通过有源层的激活效果来反映EPI机台生产时的实际温度，所以该方法不太适用于低温区域的EPI工艺，因此该方法存在局限性。而且测量单晶硅薄层电阻是使用探针扎入单晶硅薄膜形成的有源层，属于接触式量测。当探针性能的不好时，会导致量测数据不准确，且经过探针接触式量测后，监控晶圆无法重复使用，故监控的成本相对较高。
基于此，本申请实施例提供了一种外延机台温度校正方法。以下将通过具体实施例对本申请所示的技术方案进行详细说明。需要说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优先顺序的限定。
请参阅图1，图1是本申请提供的外延机台温度校正方法的流程示意图。该外延机台温度校正方法的具体流程可以如下：
101、提供若干晶圆，并在若干晶圆上形成外延层。
在本申请实施例中，该晶圆和外延层的材料为P型单晶硅。
可以理解的是，采用的晶圆数量越多，对外延机台温度监控的准确度越高。因此，不对晶圆数量进行限制，可以根据实际需求对晶圆数量进行调整。比如，晶圆的数量可以为5、10、15、20、25、30或35等。在本申请实施例中，采用的晶圆数量为25。
可以理解的是，该晶圆的表面会具有自然氧化层、表面颗粒、金属离子等。若直接对该晶圆进行热处理形成外延层，该晶圆的表面会形成多种氧化物，导致外延层不纯净。并且，晶圆的表面具有颗粒，容易导致外延层的表面不平整，出现外延层缺陷或缺失的情况，严重影响热外延层的可靠性。
为了解决以上问题，在对该晶圆进行热处理形成外延层之前，可以采用湿法清洗工艺对该晶圆进行清洗。例如，采用化学试剂对晶圆进行清洗，以去除晶圆表面的自然氧化层、表面颗粒、金属离子等。
其中，该化学试剂可以包括硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸中的一种或多种的组合。也就是说，该酸性溶液可以包括上述各种溶液中的任一种，或者，也可以包括上述各种溶液中的任意两种或两种以上溶液的组合。在本申请实施例中，该湿法清洗工艺采用的化学试剂为氢氟酸，清洗时间为180秒。
需要说明的是，在对晶圆进行湿法清洗之后，需要在预定时间内使用，以免晶圆表面再度形成氧化层。比如，可以在24个小时之内，通过外延机台在晶圆表面生长一层高质量的外延层。
在本申请实施例中，采用的外延机台为应用材料(AMAT)的300mm Centura ACPEpi。
102、从若干晶圆中选取部分晶圆作为第一监控晶圆，并对每个第一监控晶圆依次进行第一离子注入和热退火处理，每个第一监控晶圆的热退火温度不同。
在具体实施过程中，可以随机从若干晶圆中选取部分晶圆作为第一监控晶圆。可以理解的是，第一监控晶圆的数量越多，之后得到的标准曲线准确度越高。因此，不对第一监控晶圆的数量进行限制，可以根据实际需求对第一监控晶圆数量的进行调整。
在本申请实施例中，第一监控晶圆的数量为5。其中，5个第一监控晶圆的序号分别为1、2、3、4、5。5个第一监控晶圆的热退火温度可以等量递增或等量递减。比如，5个第一监控晶圆的热退火温度分别为840℃、845℃、850℃、855℃和860℃。
需要说明的是，第一离子注入的注入离子为硼离子，注入能量为100KeV，注入剂量为5.0E13/cm2。
103、根据每个第一监控晶圆的热退火温度和热波值生成标准曲线。
具体的，可以通过热波值量测机台对每个第一监控晶圆的热波值进行测量，得到每个第一监控晶圆的热波值。在本申请实施例中，采用的热波值量测机台为科天(KLA)的TP680。
需要说明的是，标准曲线为TW＝θT+ζ，其中，TW为热波值，T为热处理温度；θ为热波值对温度的灵敏度，ζ为常数。在具体实施过程中，得到实验数据如图2所示。
之后，以热退火温度T为横坐标，热波值TW为纵坐标，得到如图2所示的TW-T标准曲线。对其进行线性拟合即可得到热退火温度与热波值的线性关系表达式，即TW=-9.288T+8761.7。
需要说明的是，本申请实施例中热退火处理采用的气体为氢气，热退火处理的时间为20秒。
104、从剩余晶圆中选取一晶圆作为第二监控晶圆，并对第二监控晶圆依次进行第二离子注入和预设温度的热退火处理。
在本申请实施例中，第二离子注入的注入离子为硼离子，注入能量为100KeV，注入剂量为5.0E13/cm2。该预设温度为850℃。预设温度的热退火处理采用的气体为氢气，时间为20秒。
在一些实施例中，为了提高温度检测的准确性，可以从剩余晶圆中选取多个晶圆作为第二监控晶圆，然后对每个第二监控晶圆依次进行第二离子注入和预设温度的热退火处理，再测量每个第二监控晶圆的热波值，最后再计算第二监控晶圆的平均热波值。
105、基于标准曲线和第二监控晶圆的热波值对外延机台的温度进行校正。
具体的，可以根据标准曲线和第二监控晶圆的热波值进行计算，得到外延机台的温度偏差；根据温度偏差对外延机台的温度进行校正。
其中，步骤“根据标准曲线和第二监控晶圆的热波值进行计算，得到外延机台的温度偏差”可以包括：
对标准曲线进行线性拟合，得到热退火温度与热波值的线性关系表达式；
将第二监控晶圆的热波值输入至线性关系表达式，得到外延机台的当前温度；
根据当前温度和预设温度获取外延机台的温度偏差。
可以理解的是，外延机台的温度偏差Δ=(TW-ζ)/θ-T。
在具体实施过程中，测量得到第二监控晶圆的热波值为865.33。由上述实施例可知，本申请实施例中的线性关系表达式为TW=-9.288T+8761.7。之后，将865.33代入到该线性关系表达式即可求得Δ=0.169℃。
在实际应用过程中，外延机台可以允许有一定的温度偏差（预设温度偏差）。以监控850℃的EPI工艺为例，工艺要求为温度偏差不超过±3℃。
因此，在一些实施例中，可以将上面得到的温度偏差与预设温度偏差进行比较，从而确定是否需要对外延机台的温度进行校正。可以理解的是，若温度偏差大于预设温度偏差，则对该外延机台的温度进行校正；若温度偏差小于预设温度偏差，则不对该外延机台的温度进行校正。
在具体实施过程中，经实验人员多次测试发现，本方案在选用合适的离子注入条件后，可以监测600℃-1200℃温度范围的EPI工艺机台，基本涵盖目前常规的EPI工艺温度范围。并且，由图3可知，在850℃左右时线性度接近1，且灵敏度θ=-9.288，说明本方案的温度监测精度很高。
综上，本申请实施例提供的外延机台温度校正方法包括提供若干晶圆，并在若干晶圆上形成外延层；从若干晶圆中选取部分晶圆作为第一监控晶圆，并对每个第一监控晶圆依次进行第一离子注入和热退火处理，每个第一监控晶圆的热退火温度不同；根据每个第一监控晶圆的热退火温度和热波值生成标准曲线；从剩余晶圆中选取一晶圆作为第二监控晶圆，并对第二监控晶圆依次进行第二离子注入和预设温度的热退火处理；基于标准曲线和第二监控晶圆的热波值对外延机台的温度进行校正。本方案中的晶圆在使用后，通过湿法清洗工艺去除表面的二氧化硅，然后再生长一层外延层即可重复使用，不会造成晶圆浪费，进而降低外延机台的温度监控成本。
以上对本申请所提供的外延机台温度校正方法进行了详细介绍，本申请中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种外延机台温度校正方法，其特征在于，包括：
提供若干晶圆，并在若干所述晶圆上形成外延层；
从若干所述晶圆中选取部分晶圆作为第一监控晶圆，并对每个所述第一监控晶圆依次进行第一离子注入和热退火处理，每个所述第一监控晶圆的热退火温度不同；
根据每个所述第一监控晶圆的热退火温度和热波值生成标准曲线；
从剩余所述晶圆中选取一晶圆作为第二监控晶圆，并对所述第二监控晶圆依次进行第二离子注入和预设温度的热退火处理；
基于所述标准曲线和所述第二监控晶圆的热波值对外延机台的温度进行校正。
2.如权利要求1所述的外延机台温度校正方法，其特征在于，所述基于所述标准曲线和所述第二监控晶圆的热波值对外延机台的温度进行校正，包括：
根据所述标准曲线和所述第二监控晶圆的热波值进行计算，得到外延机台的温度偏差；
根据所述温度偏差对所述外延机台的温度进行校正。
3.如权利要求2所述的外延机台温度校正方法，其特征在于，所述根据所述标准曲线和所述第二监控晶圆的热波值进行计算，得到外延机台的温度偏差，包括：
对所述标准曲线进行线性拟合，得到热退火温度与热波值的线性关系表达式；
将所述第二监控晶圆的热波值输入至所述线性关系表达式，得到所述外延机台的当前温度；
根据所述当前温度和所述预设温度获取所述外延机台的温度偏差。
4.如权利要求1所述的外延机台温度校正方法，其特征在于，在所述在若干所述晶圆上形成外延层之前，还包括：
采用湿法清洗工艺对若干所述晶圆进行清洗。
5.如权利要求4所述的外延机台温度校正方法，其特征在于，所述湿法清洗工艺采用的化学试剂为氢氟酸，清洗时间为180秒。
6.如权利要求1所述的外延机台温度校正方法，其特征在于，所述第一离子注入和所述第二离子注入的注入离子、注入能量和注入剂量相同。
7.如权利要求6所述的外延机台温度校正方法，其特征在于，所述注入离子为硼离子。
8.如权利要求6所述的外延机台温度校正方法，其特征在于，所述注入能量为100KeV，所述注入剂量为5.0E13/cm2。
9.如权利要求1所述的外延机台温度校正方法，其特征在于，所述热退火处理的时间为20秒，采用的气体为氢气。
10.如权利要求1所述的外延机台温度校正方法，其特征在于，所述晶圆和所述外延层的材料为P型单晶硅。
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