[发明专利]快速热处理基板的适应性性控制方法

说明书

发明背景

技术领域

本发明的实施例一般涉及热处理诸如半导体基板的材料的方法。

相关技术的描述

许多涉及热处理半导体与其它材料的应用中需要精确测量和控制 材料温度。例如，处理半导体基板需要精确测量和控制大范围的温度。 处理方式的一个例子为用于许多制造工艺的快速热处理(RTP)，包括快 速热退火(RTA)、快速热清洗(RTC)、快速热化学气相沉积(RTCVD)、 快速热氧化(RTO)、及快速热氮化(RTN)。在以RTO或RTN形成互补 式金氧半导体(CMOS)栅极介电层的特殊应用中，栅极介电层的厚度、 成长温度与均匀度皆为影响整体组件性能与产率的因素。部分制造工艺 要求整个基板的温度差异小于摄氏几度。

在热处理基板的过程中获得基板的温度均匀性是合乎需要的。温度 的均匀性可在温度活化步骤(如膜层沉积、氧化物成长与蚀刻)时基板上 提供一致的制造工艺变量(如层厚、电阻率、蚀刻深度等)。此外，基板 上的温度需均匀以免热应力造成基板损坏，如弯曲、产生缺陷与滑移。 例如，在1150℃时，4英寸硅晶片的中央与边缘温度差异约为5℃会引 起位错形成(dislocation formation)与滑移(slip)。

其它因素也可能产生温度梯度。例如，因基板的表面积或体积的空 间改变(spatial modification)，使得基板可能具有不均匀的发射率 (emissivity)。这些改变可包括已由光刻法图案化的膜层或局部掺杂的区 域，如双极晶体管的埋层。另外，基板温度梯度可由与处理室设计相关 的局部气体冷却或加热作用、及处理时基板表面上不均匀的吸热或放热 反应所引起。

除了在快速热处理过程中最小化基板所有区域间的温度不均外，使 基板实际的时间-温度关系曲线和期望的时间-温度关系曲线的差异(尤 其是与峰值温度的差值)尽可能小也很重要。时间-温度关系曲线及峰值 温度将参照图1说明于下。

图1绘示一示例性快速热处理的时间-温度关系的理想曲线，以下 是指目标时间-温度关系曲线100，快速热处理在此为尖峰退火处理 (spike anneal process)。横坐标代表时间，纵坐标代表基板温度，而目 标时间-温度关系曲线100代表基板于尖峰退火处理时的期望温度。在 时间120时，开始热处理实质上为室温的温度130的基板。基板温度 于初次升温201时升高成温度132，其将参照图2说明于下。基板温度 的提高是使用高幅度照灯，其将参照图3说明于下且为一示例性RTP 室的一部分。自时间122起，基板温度于稳定期间202保持为温度132。 基板温度于时间123时快速增加以达时间124时的峰值温度133，紧接 着降至时间125时的温度134。若基板在RTP过程中未达峰值温度133， 则可能无法完成重要的基板处理步骤，如植入后退火。若在RTP过程 中超过峰值温度133，则可能会对处理步骤造成不良影响，例如植入原 子不当扩散到基板中或超过形成于基板上的组件的热预算(thermal budget)。

图2为典型的快速热处理程序200(如上述图1的尖峰退火处理)的 流程图。此过程一般起始于基板的初次升温201。初次升温201的第一 区段为进行开路加热，直到基板达到约300℃至约400℃。再参照图1， 开路加热乃在时间120与时间121之间进行。在开路加热的过程中， 基板温度回馈并未并入控制处理步骤中，反之是以预定数值的照灯功率 施加至基板达一预定时间，以加热基板至一温度分布，此时基板实质上 不传导大部分施加其上的照灯能量。小于约300℃时，典型的RTP基 板(如硅晶片)大半可供典型加热照灯的辐射能量穿透。此时，穿过基板 的辐射能量接着由测量基板背面温度的高温计探测，因而产生不正确的 基板温度测量。就闭环加热控制算法而言，不正确的基板温度测量可能 会在初次升温201的过程中造成严重的控制问题，例如不稳定及/或摆 动(hunting)。开路加热通常用于RTP之初以避免此问题产生。开路加 热的设定点一般则凭经验确定。