[发明专利]热处理腔中的晶圆支架的温度测量和控制

说明书

技术领域

本发明一般地涉及半导体处理领域。更具体地，本发明涉及热处理半导体衬底的方法和装置。

背景技术

快速热处理(RTP)是一种在半导体处理过程中用于退火衬底的工艺。在RTP过程中，热辐射一般用来在受控的环境中快速加热衬底达到大约1350℃的最大温度。该最大温度保持一定的时间，其范围根据工艺从小于一秒到几分钟变化。然后衬底冷却到室温以进一步处理。高亮度的卤钨灯一般用做热辐射源。通过传导地耦接到衬底的热的基座给衬底提供额外的热量。

半导体的制造工艺有很多RTP的应用。这样的应用包括热氧化、高温浸泡(soap)退火、低温浸泡退火、和尖峰瞬时加热，其使得硅衬底氧化形成二氧化硅。在高温浸泡退火中，衬底暴露于比如氮气、氨气或者氧气的不同气体混合物中。低温浸泡退火一般用于退火沉积金属的衬底。当衬底需要暴露在高温下很短的时间时，使用瞬时退火。在瞬时退火期间，衬底被迅速加热到足够激活掺杂剂的最高温度并且迅速冷却以在掺杂剂大量扩散之前结束活化工艺。

RTP通常要求在整个衬底上基本均匀的温度曲线。在本领域工艺发展水平中，可以通过控制诸热源来改善温度均匀性，比如配置为当后侧的反射表面把热反射回衬底时，在前侧加热衬底的激光、灯阵列。发射率测量和补偿方法已经用于改善在整个衬底上的温度梯度。

随着半导体工业的发展，在RTP期间的温度均匀性的要求也增加。在一些工艺中，在距离衬底的边缘内侧大约2mm具有充分小的温度梯度是很重要的。特别地，可能需要在大约200℃到大约1350℃之间的温度下且其中温度偏差大约1℃到1.5℃来加热衬底。RTP系统的现有技术很难达到这类均匀性，尤其是在衬底边缘附近。在RTP系统中，边缘环通常用于在外围附近支撑衬底。边缘环和衬底在衬底的边缘附近重叠，从而产生复杂的加热情况。在一个方案中，衬底可以在边缘附近具有不同的热特性。对于构图的衬底，或对于硅上绝缘体(SOI)衬底，这更明显。在另一方案中，衬底和边缘环在边缘附近重叠，从而只通过测量和调节衬底的温度难以在边缘附近获得均匀的温度曲线。根据边缘环的热特性相对于衬底的热特性和光学特性，衬底的温度曲线一般为或者边缘高或边缘低类型。

图1示意性地示出了在RTP腔中处理的衬底的两类公共温度曲线。垂直轴表示在衬底上测得的温度。水平轴表示到衬底边缘的距离。曲线1是衬底的边缘具有最高温度测量的边缘高曲线。曲线1是衬底的边缘具有最低温度测量的边缘低曲线。在RTP系统的现有技术中，难以消除在衬底边缘附近的温度偏差。

因此，需要一种在RTP中使用以改善温度均匀性的装置和方法。

发明内容

本发明一般提供用于在快速热处理工艺中获得均匀加热衬底的装置和方法。

本发明的一个实施方式提供一种用于处理衬底的腔，包括一腔外壳，用于限定处理空间；设置在处理空间中的衬底支架；设置在所述衬底支架上的边缘环，所述边缘环被配置用于在所述衬底的外围上支撑所述衬底；第一热源，用于加热所述衬底；和第二热源，用于加热所述边缘环，其中所述第二热源是独立于所述第一热源可控的。

本发明的另一个实施方式提供一种快速热处理腔，包括限定腔空间的腔体；设置在腔空间中的温度受控边缘环，其中温度受控边缘环配置用于与在衬底外围附近处理的衬底热连接；第一热源，主要用于加热衬底的表面，和第二热源，主要用于加热温度受控边缘环。

本发明的再一实施方式提供一种用于均匀加热衬底到目标温度的方法，包括在和第一热源相连接的处理腔中设置衬底；热连接所述衬底的外围到边缘环；用所述第一热源加热衬底的表面；以及将边缘环保持在与目标温度不同的环温度。

附图说明

为了能详细理解本发明的上述特征，将参照实施方式对以上的简要概述进行本发明的更具体说明，其中部分实施方式在附图中示出。然而，应该注意到，附图只示出了本发明的典型实施方式，因此不能认为限制本发明的范围，因为本发明可以承认其他等效的实施方式。

图1示意性示出了在RTP腔中处理的衬底的两类公共温度曲线；

图2示意性示出了根据本发明一个实施方式的快速热处理系统的截面图；

图3示意性示出了根据本发明另一实施方式的快速热处理系统的截面图；

图4示意性示出了根据本发明一个实施方式的边缘环的截面图。

具体实施方式

本发明提供用于在快速热处理工艺中获得均匀加热衬底的装置和方法。更具体地，本发明提供用于在快速热处理工艺中控制支撑衬底的边缘环的温度的装置和方法，以改善整个衬底上的温度均匀性。