專利名稱：快速熱處理中控制晶片溫度的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體制造，尤其涉及快速熱處理中控制晶片溫度的方法。
背景技術：
在半導體制造中，快速熱處理(RTP)已經(jīng)廣泛用于晶片的快速熱氧化、快速熱退 火處理及在晶片上生長鎢化硅、鈷化硅等金屬硅化物的熱處理等工藝中。擴散爐是目前8 英寸及12英寸集成電路生產(chǎn)線中常見的熱處理設備，其工作原理是將整批晶片同時置于 高溫環(huán)境下一定時間(通常為數(shù)小時)，完成對晶片的生長及擴散。其主要優(yōu)點是工藝控 制簡單，成本低。然而，隨著集成電路工藝的不斷發(fā)展，對工藝的要求日益嚴格，一些原本 簡單的工藝隨著要求的提升而開始變得越來越復雜和不易控制。擴散爐設備已經(jīng)難以滿足 精確控制的要求。另一方面，隨著一些新材料、新技術的引入，工藝集成對熱預算(Thermal Budget)的要求日益提高。高溫處理時間以小時為單位的擴散爐在熱預算的控制上已經(jīng)無 法實現(xiàn)對于工藝精度的要求。因此，隨著柵極和溝道的尺寸不斷微縮，結深越來越淺，對于 超淺結離子注入后的退火，爐式單晶片快速熱處理系統(tǒng)已逐漸取代了傳統(tǒng)的用擴散爐進行 的等溫熱處理。爐式單晶片快速熱處理系統(tǒng)的升溫時間以秒為單位進行，晶片進入爐體的 生長室后，經(jīng)過很短的時間(例如，20-30秒)爐溫就可達到反應溫度，同時向反應爐內(nèi)通入 氧化氣體，對晶片表面進行熱氧化，或在惰性氣體環(huán)境中對晶片注入的雜質進行熱擴散等 處理工藝。與擴散爐相比，爐式單晶片快速熱處理系統(tǒng)具有升降溫速度快、熱預算更小、工 藝重復性、可靠性好，便于維護，以及機臺的有效使用率高等優(yōu)點，因而在納米級芯片制造 工藝中被廣泛使用。如圖1所示，是現(xiàn)有技術中的一種爐式單晶片快速熱處理設備100，該設備例如可 以是Axcelis公司制造的Summit XT型加熱爐。該設備100包括鐘罩形的反應室110，晶片 被放置在反應室110中的升降臺120上進行快速熱處理。在反應室110內(nèi)部設置有第一加 熱點121、第二加熱點122和第三加熱點123，在這三處加熱點分別設置有加熱模塊(未示 出)用于對待反應的晶片進行加熱。該第一加熱點121、第二加熱點122和第三加熱點123 的溫度例如可以分別設置為730°C、680°C和630°C。其中，如圖1所示，第一加熱點121可以 設置在反應室110的頂部，第二加熱點122和第三加熱點123可以設置在反應室110中部 的不同高度位置，分別用于加熱反應室中不同的區(qū)域。反應室110的底部設置有冷卻裝置 130，該冷卻裝置130用于在退火結束后對晶片進行降溫處理。晶片放置在升降臺120上，升 降臺120上與晶片的背面中心部位相接觸的位置設置有測溫裝置，用于感測晶片自身的溫 度。該測溫裝置采用高溫計(Pyrometer)和測定晶片熱輻射率的方法來測定晶片的溫度， 因此可以達到很高的溫度控制精度。測溫系統(tǒng)可以檢測晶片的溫度，并將該溫度反饋至熱 處理設備100的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過調(diào)整升降桿140的上升和下降使得晶片置于不同 的加熱區(qū)域，以便達到需要的溫度?，F(xiàn)在參考圖2A，以晶片的溫度隨時問變化的曲線來說明利用上述熱處理設備100 在對晶片實施快速熱處理時的加熱過程。晶片的快速熱處理主要包括以下幾個階段在第3一階段310，將晶片從室溫加熱至第一溫度，該第一溫度例如可以是490°C。第一階段310 是晶片自然升溫過程，只需要檢測晶片的溫度即可，不需要對晶片的升溫進行特殊的控制。 在第二階段320，將晶片從第一溫度加熱至退火溫度，該退火溫度例如可以是530°C。在第 二階段320中，需要對晶片的升溫進行控制，以使溫度逐步提高到530°C。在第三階段330， 將晶片溫度維持在該退火溫度一定的時間。該時間例如可以為30秒。在第四階段340，在 退火步驟結束后，通過上述的冷卻裝置130對晶片進行降溫?？梢允咕臏囟冉档嚼?430°C以下。在該快速熱處理過程中，溫度-時間的曲線如圖2A中的曲線300所示。該曲 線是對晶片快速熱處理中所希望達到的溫度曲線。但是在實際的退火過程中，由于爐體本身發(fā)生問題，比如加熱器工作狀態(tài)不正常、 電阻絲發(fā)生故障等原因，實際測得的溫度-時間曲線通常不會呈理想的曲線300，而是在某 些時間點上發(fā)生偏移。圖2B中的曲線301為實踐中測得的溫度-時間曲線圖。從中可以 看到，在上述的第二階段320，即晶片從第一溫度加熱升溫至退火溫度的過程中，晶片的溫 度會出現(xiàn)一個“尖峰”突變，如圖2B中圓圈圈出的部分，從而造成晶片的溫度先到達正常的 退火溫度(即530°C)，然后繼續(xù)上升到另一較高溫度(圖2B中為540°C左右)，最后溫度 再降到正常的退火溫度。這種“尖峰”的溫度變化會導致晶片的退火溫度實際高于理想的 退火溫度530°C，這會影響到晶片熱處理后的結構，可能會造成晶片的缺陷，因此是現(xiàn)有技 術中需要解決的問題。因此，針對上述問題，需要一種快速熱處理中控制晶片加熱溫度的方法

發(fā)明內(nèi)容
在發(fā)明內(nèi)容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式
部分中進 一步詳細說明。本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的 關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。為了在快速熱處理中控制晶片加熱溫度，避免在加熱過程中產(chǎn)生尖峰現(xiàn)象，本發(fā) 明提供了一種快速熱處理中控制晶片溫度的方法，包括在第一時間段內(nèi)將所述晶片自然升 溫；在第一時間段結束后，在第二時間段內(nèi)使晶片加速升溫；其特征在于，所述第二時間段 內(nèi)使晶片溫度上升速度的變化率在-1. 5°c /s2至-1. 2V /S2之間。優(yōu)選地，所述第二時間 段內(nèi)晶片溫度上升速度的變化率為-1. 2V /S20優(yōu)選地，在所述第二時間段結束后，在第三時間段內(nèi)使晶片繼續(xù)加速升溫；在所述 第三時間段結束后，在第四時間段內(nèi)使晶片保持一恒定溫度；在所述第四時間段結束后，使 晶片自然降溫。優(yōu)選地，在所述第三時間段內(nèi)晶片的升溫包括以一恒定加速度升溫的第一階段和 以一變化的溫度加速的升溫的第二階段。優(yōu)選地，所述第二時間段為5秒。優(yōu)選地，所述恒定溫度為530°C。優(yōu)選地，所述晶片升溫的過程是在爐式單晶片快速熱處理設備中進行的。優(yōu)選地，所述爐式單晶片快速熱處理設備包括升降臺和升降桿，將所述晶片置于 所述升降臺上，通過移動所述升降桿將晶片置于不同的加熱區(qū)域進行升溫或降溫。優(yōu)選地，所述溫度上升速度的變化率對應于所述升降桿的移動速率。
根據(jù)本發(fā)明的升溫控制方法，可以有效地消除尖峰現(xiàn)象，提高晶片的良品率。


本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā) 明的實施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，圖1是實施本發(fā)明實施例的方法的爐式單晶片快速熱處理設備的結構示意圖；圖2A和圖2B分別示出了快速熱處理中的理想狀態(tài)的溫度-時間曲線和現(xiàn)有技術 中的溫度-時間曲線；圖3A和圖;3B分別示出了示出了現(xiàn)有技術中的溫度變化率-時間曲線和根據(jù)本發(fā) 明實施例的方法的溫度變化率-時間曲線對比圖；圖4示出了快速熱處理中的理想狀態(tài)的溫度-時間曲線和采用了根據(jù)本發(fā)明實施 例的方法的溫度-時間曲線的對比具體實施例方式在下文的描述中，給出了大量具體的細節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然 而，對于本領域技術人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個或多個這些細節(jié)而得以 實施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進 行描述。在晶片的快速熱處理中，對于溫度的控制，常常使用溫度變化率和溫度加速度兩 個參數(shù)來反應晶片溫度的變化情況。溫度變化率，也稱為爬升速率，表示了單位時間內(nèi)溫度 的變化值，即溫度變化值與時間的比率，其單位是攝氏度每秒CC/S)。溫度加速度是單位 時間內(nèi)溫度變化率的變化值，即溫度變化率的變化值與時間的比率，其單位是攝氏度每平 方秒(°C /s2)。溫度加速度的計算是測量結束的溫度變化率減去測量開始的溫度變化率，然 后除以測量時間。溫度加速度反映在溫度變化率-時間曲線上，就是該曲線某一處的斜率。 在上述的爐式單晶片快速熱處理設備100中，溫度加速度間接地反映了晶片升降桿140的 上升或下降速度。溫度加速度越大，晶片升降機140運動的越快，這樣才會使溫度變化更快 地發(fā)生。參看圖3A和圖;3B，分別示出了示出了現(xiàn)有技術中的溫度變化率-時間曲線和根據(jù) 本發(fā)明實施例的方法的溫度變化率-時間曲線對比圖。其中圖3A的曲線500是現(xiàn)有技術 中溫度變化率-時間的曲線，對應于圖2B中的溫度隨時間變化的曲線；圖:3B中的曲線600 是根據(jù)本發(fā)明實施例的方法的溫度變化率-時間的曲線。曲線500示出了溫度爬升速率變 化的三個階段510、520和530。第一階段510是從大約30秒到35秒，是晶片的自然升溫過 程，因此不需要特別的溫度控制，此時溫度變化率和溫度上升速度的變化率的值都為零。第 二階段520對應圖2B中的第二階段320，從大約35秒到46秒，即將晶片溫度由第一溫度 升高到退火溫度的過程。在本實施例中為將晶片溫度由490度升高到530度。在溫度變化 率-時間曲線上，可以看出，第二階段520還包括三個子階段第一子階段521、第二子階段 522和第三子階段523。這三個子階段的溫度變化率都大于零，表明晶片的溫度一直處于加 速升高階段。而每個階段的曲線斜率的變化，表明了溫度上升速度也在變化。具體來說，在 第一子階段521和第三子階段523，曲線的斜率為負，即溫度上升速度的變化率的變化率為5負值，此處的負值表明溫度上升速度的變化率的變化率在降低，例如為-1。第二子階段522 曲線的斜率為零，即溫度上升速度的變化為零，溫度的加速度是恒定的。這表明在第一子階 段521和第三子階段523，溫度變化率較第二子階段522下降的更快。第三階段530對應圖 2B中的第三階段330，從大約46秒到50秒。圖中只示出了部分曲線。第三階段530為晶 片的保溫階段，溫度不需要變化，因此此時的溫度變化率和溫度上升速度的變化率都為零。通過對比圖2B的溫度隨時間變化的曲線和圖3A的溫度的變化率隨時間變化的曲 線可以看出，尖峰現(xiàn)象出現(xiàn)在晶片升溫過程中大約40秒處。尖峰現(xiàn)象表明了溫度在達到預 定值后還在繼續(xù)升高，這說明晶片從自然升溫變化到加速升溫的過程開始的過早，導致溫 度的繼續(xù)上升，產(chǎn)生了高于理想溫度的尖峰現(xiàn)象。圖;3B中所示的曲線600是根據(jù)本發(fā)明實施例進行調(diào)整后的溫度變化率_時間曲 線。對應于圖3A中的曲線500，曲線600同樣包括三個階段第一階段610、第二階段620 和第三階段630。三個階段的含義和上述的曲線500的三個階段的含義相同。同樣，第二 階段620也包括三個子階段第一子階段621、第二子階段622和第三子階段623。如圖所 示，在根據(jù)本發(fā)明的曲線600，第二階段620相比圖3A中第二階段520開始的較晚，即大約 在36秒處開始，因此表示溫度開始加速升溫的時間較晚。而第二階段620中的第一子階段 621結束的時間基本上等于圖3A中第二階段520中的第一子階段521結束的時間，即大約 在41秒處結束。因此，第一子階段621的持續(xù)時間從大約36秒到41秒，相比于現(xiàn)有技術中 的第一子階段521持續(xù)時間縮短了大約1秒，持續(xù)時間為5秒。由此可見，第一子階段621 所示的溫度變化率曲線的斜率的絕對值要大于圖3A中第二階段520中的第一子階段521 的溫度變化率曲線的斜率。也就是說，溫度變化率降低的更快。因此，根據(jù)本發(fā)明的溫度變 化率曲線，晶片從自然升溫進入加速升溫的時刻較晚，而且溫度變化率下降地更快，因此不 會使得晶片溫度在到達理想溫度后還繼續(xù)升溫，消除了現(xiàn)有技術中的尖峰現(xiàn)象。在本發(fā)明 中，該溫度上升速度的變化率可以設置為-1. 2至-1. 5之間，優(yōu)選地，該溫度上升速度的變 化率選擇為-1.2。圖4是示出了采用本發(fā)明實施例的方法的溫度-時間變化曲線。從圖4中可以看 出，在將溫度上升速度的變化率由原來的-1. O0C /s2降低到本發(fā)明的-1. 2V /s2后，實際的 溫度-時間曲線700基本上和圖2A所示的理想狀態(tài)曲線300完全重合。消除了現(xiàn)有技術 中的“尖峰”現(xiàn)象?？梢允沟镁恼麄€退火溫度處于理想的狀態(tài)。雖然在退火的開始的 幾秒內(nèi)，兩條曲線并不完全重合，但由于開始階段是自然升溫階段，不需要對晶片的升溫進 行控制，因此，該段曲線不重合對于晶片的退火并沒有影響。通過本發(fā)明的這種對晶片快速退火處理中溫度進行控制的方法，可以消除現(xiàn)有技 術中的“尖峰”現(xiàn)象，使得晶片在快速退火處理中的溫度變化符合理想的溫度變化，以生產(chǎn) 出較高質量的晶片。本發(fā)明已經(jīng)通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于 舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實施例范圍內(nèi)。此外本領域技術人 員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實施例，根據(jù)本發(fā)明的教導還可以做出更多種的 變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護范圍由 附屬的權利要求書及其等效范圍所界定。
權利要求
1.一種快速熱處理中控制晶片溫度的方法，包括在第一時間段內(nèi)將所述晶片自然升溫；在第一時間段結束后，在第二時間段內(nèi)使晶片加速升溫；其特征在于，所述第二時間段內(nèi)使晶片溫度上升速度的變化率在-1.5 °C /s2 至-1.2°C /s2 之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二時間段內(nèi)晶片溫度上升速度的 變化率為-1. 2 V /S20
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二時間段結束后，在第三時間段內(nèi)使晶片繼續(xù)加速升溫；在所述第三時間段結束后，在第四時間段內(nèi)使晶片保持一恒定溫度；在所述第四時間段結束后，使晶片自然降溫。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，在所述第三時間段內(nèi)晶片的升溫包括以 一恒定加速度升溫的第一階段和以一變化的溫度加速的升溫的第二階段。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二時間段為5秒。
6.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述恒定溫度為530°C。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶片升溫的過程是在爐式單晶片快 速熱處理設備中進行的。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述爐式單晶片快速熱處理設備包括升 降臺和升降桿，將所述晶片置于所述升降臺上，通過移動所述升降桿將晶片置于不同的加 熱區(qū)域進行升溫或降溫。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，所述溫度上升速度的變化率對應于所述 升降桿的移動速率。
全文摘要
本發(fā)明了一種快速熱處理中控制晶片溫度的方法，包括在第一時間段內(nèi)將所述晶片自然升溫；在第一時間段結束后，在第二時間段內(nèi)使晶片加速升溫；其特征在于，所述第二時間段內(nèi)使晶片溫度上升速度的變化率在-1.5℃/s2至-1.2℃/s2之間。優(yōu)選地，所述第二時間段內(nèi)晶片溫度上升速度的變化率為-1.2℃/s2。根據(jù)本發(fā)明的升溫控制方法，可以有效地消除尖峰現(xiàn)象，提高晶片的良品率。
文檔編號H01L21/00GK102054656SQ20091019794
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權日2009年10月30日
發(fā)明者元琳, 溫傳敬 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司