JP2007523466A - 合わせられた温度の均一性 - Google Patents

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Abstract

マイクロプロセッサ製造工程を収容するチャンバ内で合わせられた熱伝逹プロファイルを得るための方法および装置であって、チャンバの熱伝逹特性を評価するステップと、ウエハの熱吸収特性を評価するステップと、熱伝逹特性を補正するために、チャンバの物理的特徴を調整するステップと、上記チャンバを利用してマイクロプロセッサを製造するステップとを含む方法および装置。
【選択図】 図2

Description

発明の背景
発明の分野
[0001]本発明は、一般的に、半導体処理分野に関し、より具体的には、半導体デバイスの製造過程における熱アニールに関する。
関連技術の説明
[0002]急速加熱処理(RTP)は、半導体製作過程におけるウエハをアニールする処理である。この処理過程では、室温以上の900℃を超える最大温度に制御した環境でウエハを急速に加熱するために、熱放射線が使用される。この最大温度は、その処理によって、1秒未満から数分までの特定時間にわたって維持される。その後、ウエハを更に処理するために、室温に冷却する。熱放射源としては、高強度のタングステンまたはハロゲンランプが広く使用される。加熱したサセプタにウエハを導電結合することによって追加熱を提供する。
[0003]半導体製作工程は、RTPの様々な用途を有する。このような用途は、熱酸化(ウエハが酸素または酸素と水素との組み合わせで加熱され、シリコン基板を酸化して二酸化シリコンを形成する)、高温ソークアニール(窒素、アンモニア、または酸素などの異なるガス混合物が使用される)、低温ソークアニール(通常、金属が堆積されたウエハをアニールする)、およびスパイクアニール(主に、ウエハが非常に短時間で高温に露出されなければならない工程で使用される)を含む。スパイクアニール過程では、ドーパントを活性化するのに十分な最高温度にウエハを急熱および急冷してドーパントの実質的な拡散前に活性化工程を終了する。
[0004]2003年10月2日に公開された米国特許出願第2003/0183611にスパイクアニールのための方法および装置が記載されており、その開示内容を参照として本明細書に組み入れる。スパイクアニール過程において、ランプの配列から熱放射線を使用してウエハを加熱する。通常、ウエハは、250℃/secまでのランプ速度で1000℃以上の温度に加熱する。その後、上記加熱されたウエハをヘリウムガスなどの不活性ガスのブランケットを使用して冷却反射板に導電結合することによって、ウエハを冷却する。この強制的な冷却は、80℃/secまでのランプ下降速度を達成する速やかな冷却速度を容易にする。
[0005]スパイクアニールの目的は、通常、ウエハを横切って実質的に均一な温度プロファイルを得ることである。これは、前方側上のウエハを均一に加熱するとともに、ウエハの後方側上の反射面がウエハの後方に熱を均一に反射するランプまたは他の熱源の配列を制御することによって達成される。基板を横切って均一な温度勾配を改善するために、放射率測定および補償法が使用されてきた。しかし、チャンバ成分がすべての作動条件で均一に動かないため、スパイクアニールチャンバの均一な制御は、ウエハの径を横切って実質的に均一な温度プロファイルを提供しないことが多い。したがって、均一性を改善するための装置および方法が残された課題である。
発明の概要
[0006]一般的に、本発明の実施形態は、マイクロプロセッサ製造工程を収容するチャンバ内で合わせられた熱伝逹プロファイルを得るための装置および方法を含み、チャンバの熱伝逹特性を評価するステップと、ウエハの熱吸収特性を評価するステップと、チャンバの物理的特徴を調整して熱伝逹特性を補正するステップと、上記チャンバを利用してマイクロプロセッサを製造するステップとを備える。

[0007]本発明の上記特徴部を詳細に理解することができるように、上記簡単に要約した発明のより具体的な説明について、その一部を添付した図面に示す実施形態を参照して説明する。しかし、添付図面は、本発明の通常的な実施形態だけを示すもので、発明の範囲を限定するものではなく、その他の同等の効果を有する実施形態を許容することができることに注意されたい。
本発明の詳細な説明
[0013]チャンバ内の熱伝逹不均一性を補償する、制御可能な温度プロファイルを有するRTPチャンバを作成するために、近似法の組み合わせが使用される。更に、不均一な温度勾配が、基板における電気的、厚さ、化学的、または結晶欠陷に対する下流または上流処理補正を提供することができる。例えば、個別のウエハに対する前方側の放射率変化を補償し、膜堆積を含む改善したシリコンを提供するために、不均一な温度勾配を合わせることができる。
[0014]図1は、UVランプ16の配列を有する変形したRTPチャンバ10に基板12がどのように支持されるかを示す。基板12は、好ましくは、以下に更に詳しく説明するエッジリング20上に置かれている。以下に更に詳しく説明するように、制御器28が高温計25、26、27から測定を受けてUVランプ16に制御信号を出力する。
[0015]基板12下の反射面22は、パージガスラインおよびセンサ(図示せず)に対して開口を有する。開口の位置およびパージガスの流れは、基板の温度プロファイルの制御を容易にするように構成することができる。
[0016]反射面22は、回転するように設計することができるが、反射面22が図示のように回転しなければ、ウエハ不均一性の追加制御が提供される。固定した反射面22は、限られたガス噴出口の冷却およびランプ調整を容易にする。
[0017]代わりに、基板12は、ステータ21を回転させるアクチュエータ23によって磁気回転することもできる。アクチュエータ23は、ステータ21に磁気結合し、ステータ21の高さを変化させるかおよび/またはその中心軸に関してステータ21の角度配向を調整するように適合される。ステータ21の第1高さは、スリットバルブ30を通じて基板を除去するための伝達位置14に基板12を配置する。その後、新しい基板がスパイクアニールのためにステータ21によって位置される。
[0018]反射面22は、ガス分配入口および出口と高温計25、26、27のための開口とを利用することによって、チャンバの温度合わせ機能を改善するために変形させることもできる。孔がウエハ後方のエネルギーを反射しないため、反射面22の孔(図示せず)を通じてガスを排出させることは、速やかな冷却を補助する。反射板における孔の設計を合わせることによって、熱伝逹を容易にするもう1つの機構を提供することができる。
[0019]エッジリング20は、RTPチャンバに基板12を支持する。図2は、リップ201およびフラット200を有するエッジリング20の実施形態を示す。リップ201およびフラット200の厚さは、互いに対して、またウエハ厚さに対して変えることができる。
[0020]図3は、リップおよびフラット厚さの割合が異なる3つの設計を示す。例えば、フラット302に対するリップ301の割合は、フラット304に対するリップ303の割合より小さいが、フラット306に対するリップ305の割合と類似する。リング厚さに対する基板厚さの割合は、図2に示した実施形態に対して1.14と1.30の間であることが好ましい。
[0021]図4は、異なる熱質量を有する多様なエッジリングおよび異なる放射率を有する多様なウエハに対するウエハエッジ温度範囲を提供する。したがって、エッジリングの熱質量を変化させることによって、望ましいウエハエッジ温度プロファイルを得ることもできる。コーティングの存在は、チャンバの熱伝逹特性を歪めることもできる。エッジリングを合わせることは、上記歪みを補償する1つの方法である。チャートにおいて、最も低い曲線は、従来のシステムによって生じるデータに基づいたものである。2つの最も高い曲線は、リップおよびフラットの厚さが異なることを使用したシステムからのデータによって生じるものである。
[0022]図5は、ウエハの半径の関数としてのウエハの放射状温度スキャンの結果を示す。これら試験は、約1000℃で行われた。そのデータは、2つの異なる放射率表面に対して収集された。より低い前方側の放射率表面がウエハの半径を横切ってより高く、かつより一貫した放射状温度スキャンを有する。
[0023]作動時に、RTPチャンバ内の望ましい不均一温度プロファイルを作成するために、以下の装置および方法を個別的または集団的または多様に組み合わせて使用することもできる。
[0024]RTPチャンバの処理前に、基板を放射率またはスタック厚さなどのある特徴に対して測定することができる。システムの放射率は、スタック厚さに基づいて直接測定するか、または評価することができる。放射率の直接測定は、補償システムの正確性を増加させることもできる。放射率を測定するためのいくつかのオプションがある。チャンバ内部に位置する内部高温計を使用してチャンバ環境の正確な温度を得ることもできる。内部高温計は、2つの異なるフィードバックチャネルを使用することもできる。両チャネルのうち1つは、ウエハから直接入射する熱を収集し、もう1つは、チャンバ環境またはチャンバ環境とウエハとの組み合わせから入射する熱を収集することになる。外部反射率計は、反射率を測定し、それによってウエハの放射率を測定するのに使用することができる。チャンバの内部後方側の放射率を利用してウエハの前方側の放射率を評価することができる。前方側の放射率を評価するために、上側下に犠牲ウエハを処理することもできる。上記犠牲ウエハとほぼ同時に製造したウエハは、それらが同一の放射率を有しているように処理することもできる。すなわち、同一の群、ロット、またはバッチで製造されたウエハが同一の放射率を有すると考えられる。
[0025]放射率試験方法の結果は、RTPチャンバの一部工程パラメータに対する制御器に供給されることもでき、チャンバは、チャンバまたはウエハ設計の変化を補償し、特定ウエハに対するウエハ温度分布を最適化する、望ましい不均一な温度プロファイルを得るように調整されることができる。
エッジリング設計
[0026]下記実験式は、基板の中心およびエッジにおける熱質量および放射率がどのように関連付けられるかを示す。
[0027]Tmaer=εer/ε maw/R
式中、
maer=エッジリングに対して、ランプと対面する面積当たり熱質量、
maw=基板に対して、ランプと対面する面積当たり熱質量、
εer=エッジリングの放射率、
ε=ランプに対面する側の基板の放射率、
R=最適の割合。例えば、図3A〜図3Cに示すリングなどのエッジリングについて、200mm径の基板システムに対して〜1.13、また300mm径の基板システムに対して〜1.15である。
[0028]面積当たり熱質量は、ランプと対面する表面積で除した平均熱容量に成分の全体質量を乗じた値である。熱質量の単位は、J/K/mである。熱容量は、大体、通常550℃〜1100℃の関連するアニール範囲において算出した平均値である。この実験式から、基板の特性が知られるとき、リングの最適設計パラメータを計算することができる。
[0029]例えば、最小エッジ温度勾配を有するランプと対面する熱質量面積1715J/K/mおよび放射率0.95を有する300mm基板用エッジリングを設計するためには、エッジリングは、放射率0.94を有するシリコンカーバイドに酸化され、300mm基板システムに対する最適の割合は、1.15であり、エッジリングに対して、ランプと対面する熱質量は、1476J/K/mである。
1.エッジリングの熱質量の変化
[0030]一実施形態において、市販のBridgestoneのフレーム溶射工程によって処理するなどの、平衡に押圧焼結されたシリコンカーバイドから生産された低密度のエッジリングを使用することによって、基板の温度プロファイルは変化することもできる。改善した熱安定性のために、エッジリングを予備酸化することもできる。また、リングの半径を横切ってリング厚さを変えることは、チャンバおよび基板の変化を補償する不均一抵抗性をもたらす。例えば、低密度のエッジリングの薄い部分は、より速い熱伝逹を有する。したがって、エッジリングは、抵抗性を制御するために、コーティングする必要はないが、エッジリングを横切って抵抗性を更に制御するためには多様なコーティングを適用することができる。
2.エッジリング吸収率の変化
[0031]上記の同じ式によって、熱容量および放射線プロファイルがエッジリングに対する構成材料およびコーティングの選択にどのように影響を与えるかについて示す。エッジリングの放射率が変化するとき、方程式の他の成分が影響を受けることもできる。
A.構成材料
[0032]従来のエッジリングは、赤外線センサに透過するエッジリングから得られたシリコンコーティングを有するCVD成長カーバイドを使用している。リングがチャンバの熱を反射することができないときに生じ得る透過性問題を避けるために、窒素を含有する加圧焼結されたシリコンカーバイドから構成される低密度のエッジリングを使用することがより望ましい。多孔質エッジリングは、フレーム溶射工程における非金属焼結助剤およびシリコンカーバイドの粉末の混合物を焼結することによって得られる。この材料は、密度がより均一であるため、より均一な熱伝逹を提供することができ、その材料から逃げる窒素がカーバイドから逃げるガスより工程に低有害であり、光の透過がより好ましい。
B.コーティング
[0033]更に、チャンバ内の温度勾配を合わせるために、エッジリングにコーティングを使用することもできる。窒化物またはグラファイトコーティングを追加することによって、放射率を増加させることができる。チャンバ内の冷却を向上するように反射を増加させるため、ポリシリコンなどの他のコーティングを使用することもできる。コーティングの厚さを変えることによって、エッジリングの反射率に影響を与えることもできる。コーティングは、基板が回転しない場合、チャンバの熱伝逹プロファイルに、より著しく影響を与えることもできる。
エッジリングまたはウエハに誘導された複合ガス噴出口の導入
[0034]ウエハまたはエッジリングに放出したパージガス噴出口は、限られた冷却をもたらすこともできる。噴出口の数および位置、ガスの性質、およびガスの速度は、冷却の程度および量に対して調整することができる。各噴出口の速度および組成は、必要に応じて個別にプログラム化することができる。放射状のガス流および組成を変化させることによって、温度の放射状の勾配を作成することができる。
反射板の反射率の局部的な変化
[0035]ウエハ温度プロファイルの制御は、アルミニウム、アルミニウム酸化物、またはその他の材料で反射面22を選択的にコーティングすることによって改善することができる。温度プロファイルを合わせるために、孔、または反射器で切断した他の形状を有する反射面22の表面積を変化させるか、または反射板の表面にテープまたはボルトを追加することができる。更に、ウエハ温度プロファイルをより改善するために、反射板に凹凸をつけるなどの幾何学的な近似法を単独、またはコーティングと組み合わせて使用することができる。
ランプ制御システムを使用して放射状の温度勾配を展開するためのオフセット温度の使用
[0036]普通、UVランプ16および反射器22は、ウエハ上に比較的に均一な発光を生成するようにデザインされる。この発光分布は、オフセット温度を意図的に変化させることによって、放射状対称により任意に調整されることができる。ランプを中心からずらして置くことは、熱分布およびウエハ冷却に関して、良好な対流という点で望ましい。また、より高い温度が望ましいウエハに対する放射状位置は、より高電力のランプから構成される対応するランプ位置を有する一方、隣接するより冷たい位置は、より低電力のランプから構成されることができ、一部位置では、ランプを除去することができる。増加した温度勾配が求められる場合には、反射時に、より狭いビームを生成する反射器を使用して、1つの制御区域から他の区域への放射線の拡散を減少させることができる。
[0037]チャンバは、あるランプまたはランプのある区域を通じて追加電力を放射するように設計することもできる。これらの追加電力は、必要に応じてウエハの温度プロファイルを合わせるために使用することができる。ウエハがランプヘッドに対して回転している場合、このように設計した温度プロファイルは、主に、ウエハの半径に沿って不均一な温度プロファイルから構成される。不均一性が望ましい放射状位置は、必要に応じて電力が増加または減少する対応するランプを有することができる。ランプパラメータを変化させることによって、異なる放射率のウエハによって生じるエッジ温度範囲効果の差を補償するために使用することもできる。
異なるランプ反射器の限られた導入
[0038]反射器は、回転したウエハに均一に反射するために、条件によって六角形に配列することもできる。また、ランプのバンクの中間ランプは、空間制限のため、他のランプのようにその後ろに同一の反射器パターンを持たない。
[0039]拡散性光学機器は、コーティングまたは砂吹きされる中間バルブによって可能になる。他の区域は、ウエハに対する直接放射を制御するために、拡散性光学機器を使用することによって有利になることもできる。すなわち、基板とエッジリングとの間の境界を強調することが好ましい。バルブおよび反射器システムを変形させる方法は、バルブのコイルまたはテーパ角を変形させることを含むこともできる。
ウエハ反射板分離の限られた変化
[0040]ウエハ反射板分離の限られた変化は、導電性冷却機構を調整するのに有用である。ウエハ反射板分離を変化させることによって、黒体の有効性を改善することができる。黒体の有効性を調整することによって、温度測定を改善することもできる。視野角を調整することによって、ガスが反射板を通じて入る角度が冷却を更に改善することができる。
ウエハと反射板との間の媒体の熱伝導性の限られた変化
[0041]ウエハと反射板との間の媒体の熱伝導性を変化させることによって、チャンバ内の温度プロファイルを合わせることを更に補助することができる。領域内のガス出口の位置を変化させることができる。ガス流の速度を変化させることができる。また、その伝導性および分子量に基づいてガスを選択することによって、ガスの伝導性を改善することができる。追加的に、異なるガス濃度は、冷却制御を改善するのに使用されることもできる。例えば、反射面の異なる部分において、100%Xe、50%Xeおよび50%He、および100%Heの出口が好ましい。最後に、不均一なガス分布のために、出口および入口を変形させることもできる。
乱流を強化するためのエッジリング上の突起の配置
[0042]乱流を強化するために、エッジリング上に突起を配置することによって、チャンバの温度プロファイルを合わせることを補助することができる。
[0043]追加的に、個別な基板単位の接近は、基板前方側の放射率プロファイルの変化を補償するために使用されることもできる。すなわち、個別素子のウエハの放射率を使用して、基板を横切って望ましい温度変化に設定することによって、個別の基板の放射率の望ましくない変化を補正することができる。
[0044]不均一な温度プロファイルは、特定ウエハに対する異なる素子または製品タイプを開発するのに有用である。得られた素子に対する処理器速度および他の特性は、スパイクアニール過程で特定素子が観察される高温露出期間および温度に依存する。温度プロファイルを設計することによって、ウエハに対する異なる面積は、異なる処理器速度を有する異なる素子を収得することができる。
[0045]ウエハエッジ温度範囲は、300mmウエハに対してエッジリング熱伝逹速度およびウエハ熱伝逹速度の割合の関数として変えられ、その結果を図示した。ウエハエッジ温度範囲は、ウエハエッジ近傍の地点とウエハの径を横切って最も近い温度測定点との間の温度差である。2つの補正ラインを引いてデータの補正および正確性を評価した。類似する放射状分布に対する方程式は、異なるフラット厚さ分布に対する方程式より低い補正因子を有する。すなわち、異なるフラット厚さ分布に対するモデルは、類似する放射状分布モデルより正確である。したがって、エッジリングの熱質量を変化させることによって、熱伝逹速度の割合を変化させることもできる。
[0046]ウエハエッジ温度が、200mmウエハに対して、エッジリング熱伝逹速度およびウエハ熱伝逹速度の割合の関数として変えるかどうかを決定するための試験を行った。エッジリングの加熱速度がウエハの熱伝逹速度に比べて大きくなるにしたがって、ウエハエッジ温度範囲が95%以上の補正によって線形に増加した。これは、エッジリングの熱伝逹特性を選択することによって、熱伝逹工程を合わせることができることを示す。
[0047]以上、本発明の好ましい態様について説明したが、その基本的な範囲を脱しない限り、本発明の他のさらなる態様を考案することができ、その範囲は、特許請求の範囲によって決定される。
本発明の一実施形態によるRTPシステムの一部縦断面図である。 エッジリング設計の実施形態の断面図である。 エッジリング設計の一変形の断面図である。 エッジリング設計の一変形の断面図である。 エッジリング設計の一変形の断面図である。 ウエハの前方側の放射率の関数としてのウエハエッジ温度範囲のチャートである。 ウエハの半径の関数としてのウエハの放射状温度スキャンのチャートである。
符号の説明
12…基板、200…リップ、201…フラット。

Claims (20)

  1. マイクロプロセッサ製造工程を収容するチャンバ内で合わせられた熱伝逹プロファイルを得るための方法であって、
    チャンバの熱伝逹特性を評価するステップと、
    ウエハの熱吸収特性を評価するステップと、
    熱伝逹特性を補正するために、チャンバの物理的特徴を調整するステップと、
    前記チャンバを利用してマイクロプロセッサを製造するステップと、
    を備える方法。
  2. 前記熱伝逹特性がまた、ウエハを支持するエッジリングの熱質量を変化させることによって調整される、請求項1に記載の方法。
  3. 前記熱伝逹特性がまた、窒素を含有する加圧焼結されたシリコンカーバイドから構成されるエッジリングを利用することによって調整される、請求項1に記載の方法。
  4. 前記熱伝逹特性がまた、基板厚さに対するエッジリング厚さの割合が1.14〜1.30であるエッジリングを利用することによって調整される、請求項1に記載の方法。
  5. 前記熱伝逹特性がまた、反射面の開口の配置を変化させることによって調整される、請求項1に記載の方法。
  6. 前記熱伝逹特性がまた、チャンバ内のランプに供給される電力を変えることによって調整される、請求項1に記載の方法。
  7. マイクロプロセッサ製造のためのチャンバ内で熱伝逹を合わせる方法であって、
    チャンバの熱伝逹特性を評価するステップと、
    前記熱伝逹特性を補正するために、エッジリングの物理的特徴を調整するステップと、
    前記チャンバを利用してマイクロプロセッサを製造するステップと、
    を備える方法。
  8. 前記熱伝逹特性がまた、前記エッジリングの熱質量を変えることによって調整される、請求項7に記載の方法。
  9. 前記エッジリングが、窒素を含有する加圧焼結されたシリコンカーバイドから構成される、請求項7に記載の方法。
  10. 前記エッジリングが、基板厚さに対するエッジリング厚さの割合が1.14〜1.30である、請求項7に記載の方法。
  11. 前記熱伝逹特性がまた、反射面の開口の配置を変化させることによって調整される、請求項7に記載の方法。
  12. 前記熱伝逹特性がまた、チャンバ内のランプに供給される電力を変えることによって調整される、請求項7に記載の方法。
  13. 前記エッジリングの物理的特性を調整するステップが、熱伝逹特性を変形させてウエハエッジ近傍の温度を1℃未満に下げる、請求項7に記載の方法。
  14. マイクロプロセッサ製造のためのチャンバ内で熱伝逹を合わせる方法であって、
    チャンバの内または外へのガス流の位置、体積、含有量、または圧力を調整するステップと、
    チャンバ内の反射面の反射率を調整するステップと、
    エッジリングの回転速度を調整するステップと、
    エッジリングの熱質量を調整するステップと、
    を備える方法。
  15. 望ましい温度プロファイルを得るために、前記チャンバ内のランプに対する構成材料または位置およびランプ電力を調整するステップを更に備える、請求項14に記載の方法。
  16. 前記エッジリングが、窒素を含有する加圧焼結されたシリコンカーバイドから構成される、請求項14に記載の方法。
  17. 前記エッジリングが、基板厚さに対するエッジリング厚さの割合が1.14〜1.30である、請求項14に記載の方法。
  18. 前記反射面の反射率が反射面の開口の配置を変化させることによって調整される、請求項14に記載の方法。
  19. 前記チャンバ内のランプに供給される電力を変えるステップを更に備える、請求項14に記載の方法。
  20. 前記チャンバが、ウエハエッジ近傍の温度を1℃未満に下げることによって調整される、請求項14に記載の方法。
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