修正温度均匀度的方法

专利名称：修正温度均匀度的方法
技术领域：
本发明是有关于半导体处理的领域，更明确地说，有关于半导体装置制造中的热退火处理。
背景技术：
快速加热制程(RTP)为一种在晶片制造时，退火晶片的处理。于此处理中，热辐射被用以快速加热在控制环境中的晶片至超过腔温900度以上的最大温度。取决于制程而定，该最大温度是被持续一特定时间，范围由1秒至几分钟。晶片然后被冷却回到腔温，作进一步处理。高强度钨或卤素灯常被用作为热辐射源。将晶片传导耦合至一受热晶座提供额外的热能。
半导体制程有几项RTP应用。此等应用包含热氧化(一晶片被加热于氧或氧与氢的组合气氛中，而使得硅基材氧化，以形成二氧化硅)；高温均热退火(不同气体混合物，例如氮、氨、或氧被使用)；低温均热退火(典型退火沉积有金属的晶片)；及尖端退火(主要用于晶片需要被很短时间曝露至高温的处理中)。于尖端退火中，晶片被快速加热至足以活化一掺杂物的最大温度并被快速冷却以在掺杂物实质扩散前终止活化程序。
用于尖端退火的方法与设备是被描述于公开于2003年十月2日的美国专利申请案2003/0183611中，该案的揭示是并入作为参考。在一尖端退火中，晶片被以来自灯阵列的热辐射来加热。典型地，晶片被以每秒250℃的上升速率加热至超出1000℃的温度。晶片然后通过传导耦合热晶片至冷反射器板使用例如氦气的惰性气体团而加以冷却。此强迫冷却促成了较快的冷却速率，完成了到达80℃每秒的下降速率。
尖端退火的目的典型为在整个晶片上的实质均匀的温度分布。这是通过控制一阵列的灯或其他热源，以在前侧均匀加热晶片，同时，在晶片背侧上的反射面均匀地将热反射回到晶片。放射率量测及补偿法已经被用以改良在整个晶片上的均匀温度梯度。然而，尖端退火腔的均匀控制经常并未能提供整个晶片直径上的实质均匀温度分布，因为并非在所有操作状态中，腔元件都均匀地作动。因此，仍有需要设备与方法，用来改良均匀度。

发明内容
一般而言，本发明的实施例包含在收容有微处理器制程的腔内，取得修正的热传递分布的方法与设备，包含估计该腔的热传递特性；估计晶片的热吸收特性；调整该腔的物理特征，以校正该热传递特性；及利用该腔，以制造微处理器。


图1为依据本发明实施例的RTP系统一部份的垂直剖面图；图2为一边缘环设计实施例的剖面图；图3A-3C为边缘环设计的三个变化例的剖面图；图4为晶片缘温度范围为晶片前侧放射率的函数图；及图5为晶片径向温度扫描为晶片半径的函数图。
元件代表符号说明10 RTP腔12 基材14 传送位置 16 UV灯20 边缘环 21 定子22 反射面 23 致动器25 高温计 26 高温计27 高温计 28 控制器30 狭缝阀 200 平坦部201 唇部 301 唇部302 平坦部 303 唇部304 平坦部 305 唇部306 平坦部
具体实施例方式
本发明所述特征可以详细了解，以上所总括的本发明特定说明可以通过参考实施例加以完成。应注意的是，附图只例示本发明的典型实施例，因此，并不应被认为是本发明范围的限制，因为本发明可以采用其他等效一组合手段被用以建立具有可控制温度分布的RTP腔，其可用以补偿在该腔内的热传递不均匀。再者，一不均匀温度梯度可以提供下游或上游制程，校正在基材中的电气、厚度、化学性或结晶的不完美。例如，一不均匀温度梯度可以被修正，以补偿个别晶片的前侧发射率变动并提供改良的含硅的膜沉积。
图1显示一基材12是如何被支撑于具有一阵列UV灯16的修改RTP腔10中。基材12较佳停放在以下所详述的边缘环20上。一控制器28接收来自高温计25、26及27的量测值，以如下所详述地输出控制信号至UV灯16。
基材12下的反射面22具有用于冲洗气体管线及感应器(未示出)的开口。开口的位置与冲洗气体的流率可以加以架构，以完成基材的温度分布控制。
虽然反射面22可以被设计为被旋转，但如果反射面22如所示并未被旋转，则提供对晶片不均匀度的额外控制。一固定反射面22完成了局部化气体喷气冷却及灯调整。
或者，基材12可以被一旋转定子21的致动器23所磁性旋转。致动器23被磁耦合至定子21并适用以改变定子21的高度及/或相对于中心轴，调整定子21的角度取向。定子21的第一高度将基材12放置一传送位置14，用以经由狭缝阀30移除基材。然后被定子21放置新基材，作尖端退火。
反射面22可以被修改，以通过利用高温计25、26及27的开口及配气入口及出口，来改良处理腔的温度修正能力。因为孔并不会将能量反射回到晶片，所以，将气体射经在反射面22中的孔(未示出)协助加速冷却。修正在反射器板中的孔的设计可以提供促成热传递的另一机制。
边缘环20将基材12支撑于RTP腔内。图2显示边缘环20之一实施例，其具有一唇部201及一平坦部200。唇部201及平坦部200的厚度可以彼此相关或相关于晶片厚度而加以变化。
图3显示具有唇部及平坦部厚度不同比例的三种设计。例如，唇部301对平坦部302具有较唇部301对平坦部304为小的比例，但对唇部305对平坦部306有一类似比例。对于图2所示的实施例中，基材厚度对环厚度的比例较佳是于1.14至1.30之间。
图4提供用于具有不同热质量的各种边缘环与具有不同发射率的各种晶片的晶片边缘温度范围。因此，改变边缘环的热质量可造成想要的晶片边缘温度分布。涂层的出现可能使处理腔的热传递特性扭曲(distortion)。修正边缘环为补偿该扭曲的一种方式。在该图中的最低曲线是根据传统系统所产生的数据。两个较高的曲线是为使用不同唇部及平坦部厚度的系统所产生的数据。
图5显示晶片的径向温度扫描成为晶片半径的函数的结果。此测试是执行于约1000℃。用于两不同发射率表面的数据是被收集。在整个晶片的半径上，较低前侧发射率面具有较高及较恒定的径向温度扫描。
于操作中，可以个别或一起或各组合方式，使用以下设备与方法以在RTP腔内，建立想要的不均匀温度分布。
在RTP腔内处理前，一基材可以针对某些特征，例如发射率或堆叠厚度加以量测。系统的发射率可以直接量测或根据堆叠厚度加以估计。发射率的直接量测可以增加补偿系统的准确度。量测发射率有好几项选择。可以使用位在腔内的内部高温计，以取得腔环境的准确温度。内部高温计可以使用不同回授通道。两通道的一个为直接由晶片收集入射热能，而另一通道为自腔环境或腔环境与晶片的组合，收集入射热能。也可使用一外部反射率计，以量测反射率，以及，晶片的发射率。腔的内部背侧发射率也可以用以估计晶片的前侧发射率。为了估计前侧发射率，一牺牲晶片可以以上下颠倒方式加以处理。与牺牲晶片几乎同时制造的晶片可以被处理，当作它们具有相同发射率。即，假定为在同一群、同一批或同一次制造的晶片可以具有相同发射率。
发射率测试方法的结果可以馈入一控制器，用于RTP腔的其他处理参数，以及，该处理腔可以被调整，以取得想要的非均匀温度分布，以将补偿在腔或晶片设计的变动并最佳化一特定晶片的晶片温度分布。
边缘环设计以下的经验公式模型化有关在基材的边缘及中心的热量质与发射率的关是。
Tmaer＝εer/εw*tmaw/R其中，Tmaer＝边缘环的面向灯的每面积热质量tmaw＝基材的面向灯的每面积热质量εer＝边缘环的发射率εw＝基材面向灯的一侧的发射率R＝最佳比例，例如，对于如第3A-3C图所示的环的边缘环，200mm直径基材系统为～1.13，以及，对于300mm直径基材系统为～1.15。
每面积的热质量为一元件的整个质量乘以面向灯的表面积所除的平均热容量。热质量的单位为J/K/m2。热容量通常为想要退火范围，例如550℃至1100℃的平均。由此经验公式，当基材的特性为已知时，环的最佳设计参数可以被计算。
例如，为了设计用于具有0.95发射率的300mm基材的边缘环及具有最小边缘温度梯度的面向灯的热质量1715J/K/m2区域，边缘环为具有0.94发射率的氧化碳化硅，以及，用于300mm基材系统的最佳比例为1.15，及用于边缘环的面向灯的每面积的热质量为1476J/K/m2。
1.边缘环热质量的变动于一实施例中，基材的温度分布是通过使用由等静压制及烧结碳化硅所生产的低密度边缘环，例如由Bridgestone火焰喷涂处理公司所购得者加以变动。为了改良热稳定度，边缘环可以预氧化。同时，改变于环半径上的环的厚度造成非均匀电阻率，以补偿腔及基材变动。例如，低密度边缘环的较薄部份具有较快热传递。因此，边缘环可能并不需要一涂层以控制电阻率，然而，各种涂层可以被应用，以进一步控制整个边缘环的电阻率。
2.边缘环吸收率的变动来自上述的相同公式显示热容量及辐射分布可能影响用于该边缘环的涂层与建构材料的选择。当边缘环的发射率变动时，该公式的其他元件可能受影响。
A.建构材料先前边缘环使用具有硅涂层的CVD成长碳化物，以造成边缘环对红外线感应器为透通的。吾人更想要使用包含一含氮的压制烧结碳化硅的低密度边缘环，以避免当环并未反射腔热量时，可能造成的透通问题。多孔边缘环是通过烧结碳化硅粉末及在火焰喷涂程序中的非金属辅助烧结剂的混合加以取得。因为密度更均匀，所以该材料可以提供更均匀热传递；由该材料所逃出的氮较由碳化物逃出的气体对制程伤害较低，及透光率是较想要的。
B.涂层涂层可以用在边缘环上，以修正于腔中的温度梯度。加入氮化物或石墨涂层可以增加发射率。例如多晶硅的其他涂层也可以用以增加反射率，以增加腔中的冷却。涂层的厚度变化也可以影响边缘环反射率。如果基材并未旋转，则涂层也可以影响腔的热传递分布。
引入朝向边缘环或晶片的多气体喷射排放于晶片或边缘环上的冲洗气体喷射可以产生局部的冷却效果。喷射的数量及位置、气体的本质、及气体速度可以调整冷却的量与范围。如果想要的话，每一喷射的速度及组成可以被个别规划。改变径向气体流及组成物可以增加温度的径向梯度。
反射器板反射率的局部变动可以通过选择地以铝、氧化铝、或其他材料，来涂覆反射面22，以改良对晶片温度分布的控制。以切割入反射器的孔或其他形状或通过将带条或螺栓加至反射器板上，来改变反射面22的表面积也可以用以修正温度分布。再者，例如使反射器板起泡或将反射器板压窝的几何方式也可以单独使用或配合涂层一起使用，以进一步改良晶片温度分布。
偏移温度的使用，以使用灯控制系统，开展径向温度梯度通常，UV灯16及反射器22被设计以在晶片上产生相对均匀照射。此照射分布可以以径向对称设计以改变偏移温度的方式加以任意调整。吾人想要将灯放置偏移开中心以用以热分布及晶片冷却的较佳对流。同时，在想要较高温度的晶片径向位置可以具有由较高功率灯构成的对应灯位置，而邻近的较冷位置可以由较低功率灯构成，于部份位置中，灯可以被移除。在需要增加温度梯度处，于反射时，产生较窄光束的反射器可以用以降低由一控制区到另一控制区所散开的辐射。
该腔也可以被加工，以透过某些灯或某些区域的灯，来发散其他功率。此额外的功率也可以用以修正在晶片上的温度分布。如果晶片被绕着灯头旋转，则这些加工温度分布可以主要由沿着晶片的半径的非均匀温度分布构成。想要非均匀的径向位置可以令对应灯的功率如想要地增减。改变灯参数可以用以补偿由不同发射率晶片所造成的在边缘温度范围作用中之差。
不同灯反射器的局部引入反射器也可以条件性地安排呈六角形，以均匀地反射至一旋转晶片。同时，灯排的中心灯并不与在其后的其他灯有相同反射器图案，因为空间限制之故。
扩散光学件是可能具有被涂覆或喷砂的中心灯泡。其他区域可以通过使用扩散光学件的优点，以控制在晶片上的直接照射。即，可能想要加重于基材与边缘环间的边界。修改灯泡与反射器系统的方法也可以包含修改灯泡的线圈或推拔角度。
晶片-反射器板分离的局部变动晶片-反射器板分离的局部变动是有利于调整传导冷却机制。通过改变晶片-反射器板分离，可以改良黑体效应。改良黑体效应也可以改良温度量测。调整观看角，气体进入反射器板的角度也可以改良冷却。
于晶片与反射器板间的媒介的热传导率的局部变动改变于晶片与反射器板间的媒介的热传导率也可以协助修正在腔中的温度分布。在该区域中的气体出口位置也可以加以变化。气体流率也可以改变。同时，气体的传导率也可以通过根据其传导率及分子量来选择气体，加以改良。另外，不同气体的浓度也可以用以改良冷却控制。例如，可能想要在反射面的不同部份中有100％的Xe；50％的Xe；及50％的He；及100％的He出口。最后，出口及入口埠也可以为了不均匀气体分布而加以修改。
在边缘环上配置突出物，以加强扰流在边缘环上配置突出物来加强扰流也可以协助修正腔的温度分布。
另外，也可以使用个别一个基材一个基材的方式，来补偿在基材前侧发射率分布的变动。即，个别装置晶片的发射率也可以用以设定在整个基材的想要温度变动，以校正在个别基材的发射率的不想要的变动。
一非均匀温度分布也可以用以协助在特定晶片上开发不同装置或产品类型。处理机速度及所得装置的其他特征取决于在尖端退火时，该特定装置所看到的温度及高温曝露的持续时间。通过加工温度分布，在晶片上的不同区域也可以得到不同处理机速度的不同装置。
晶片边缘温度范围是变化为用于边缘环热传递速率及300mm晶片的晶片热传递速率的比例的函数，结果是被绘出。晶片边缘温度范围是为在接近晶片边缘的一点与晶片直径的最接近温度量测值间的温度差。两共相关线被描绘出，以估计数据的共相关性及准确度。用于类似径向分布的公式较用于不同平坦部厚度分布的公式有较低的共相关因数。即，用于不同平坦部厚度分布的模型是较类似径向分布模型为准确。因此，改变边缘环热质量也可以改变热传递速率的比例。
测试以决定晶片边缘温度如何变化为边缘环热传递率与用于200mm晶片的晶片热传递率的比例的函数。因为相较于晶片热传递率，边缘环加热率增加，所以，晶片边缘温度范围随着大于95％的共相关作线性增加。这表示热传递程序可以通过选择边缘环热传递特性加以修正。
虽然前述是有关于本发明的较佳态样，但本发明的其他及进一步态样可以在不脱离其基本范围加以想出，本申请的范围是由以下的权利要求所决定。
权利要求
1.一种在收容有微处理器制程的腔中取得修正热传递分布的方法，其至少包含以下步骤估计该腔的热传递特性；估计晶片的热吸收特性；调整该腔的物理特征，以校正该热传递特性；及利用该腔，以制造微处理器。
2.如权利要求1所述的方法，其中上述的热传递特性也通过改变支撑一晶片的边缘环的热质量加以调整。
3.如权利要求1所述的方法，其中上述的热传递特性也通过利用一边缘环加以调整，该边缘环包含一含氮的受压烧结碳化硅。
4.如权利要求1所述的方法，其中上述的热传递特性也通过利用一边缘环加以调整，该边缘环包含边缘环厚度对基材厚度的比例为1.14∶1.30。
5.如权利要求1所述的方法，其中上述的热传递特性也通过改变在一反射面开口的配置加以调整。
6.如权利要求1所述的方法，其中上述的热传递特性也通过改变供给至该腔中的灯的功率加以调整。
7.一种用于在微处理器制造腔内修正热传递的方法，至少包含以下步骤估计该腔的热传递特性；调整一边缘环的物理特征，以校正热传递特性；及利用该腔，以制造微处理器。
8.如权利要求7所述的方法，其中上述的热传递特性也通过改变边缘环的热质量加以调整。
9.如权利要求7所述的方法，其中上述的边缘环包含一含氮的受压烧结碳化硅。
10.如权利要求7所述的方法，其中上述的边缘环包含边缘环厚度对基材厚度的比例为1.14∶1.30。
11.如权利要求7所述的方法，其中上述的热传递特性也通过改变在一反射面开口的配置加以调整。
12.如权利要求7所述的方法，其中上述的热传递特性也通过改变供给至该腔中的灯的功率加以调整。
13.如权利要求7所述的方法，其中上述的调整边缘环的物理特征的步骤修改热传递特性，以使接近一晶片边缘的温度下降低于摄氏1度。
14.一种在微处理器制造腔内修正热传递的方法，至少包含以下步骤调整进出该腔的气体流的位置、体积、含量或压力；调整该腔内的反射面的反射率；调整一边缘环的旋转速率；或调整一边缘环的热质量。
15.如权利要求14所述的方法，更包含调整该腔内的灯的位置或建构材料及灯功率，以取得想要的温度分布。
16.如权利要求14所述的方法，其中上述的边缘环包含一含氮的受压烧结碳化硅。
17.如权利要求14所述的方法，其中上述的边缘环包含边缘环厚度对基材厚度的比例为1.14∶1.30。
18.如权利要求14所述的方法，其中上述的反射面的反射率是通过改变在一反射面的开口的配置加以调整。
19.如权利要求14所述的方法，更包含改变供给至该腔中的灯的功率。
20.如权利要求14所述的方法，其中上述的腔被调整，以使接近一晶片边缘的温度下降低于摄氏1度。
全文摘要
本申请揭示一种在收容有微处理器制程的腔内，取得修正热传递分布的方法与设备，包含估计该腔的热传递特性；估计晶片的热吸收特性；调整该腔的物理特征，以校正该热传递特性；及利用该腔，以制造微处理器。
文档编号H01L21/00GK1871688SQ200480031540
公开日2006年11月29日 申请日期2004年10月20日 优先权日2003年10月27日
发明者B·罗摩钱德兰, J·M·拉尼什, R·杰拉帕利, S·拉马默蒂, R·阿楚塔拉曼, B·哈斯, A·亨特 申请人:应用材料股份有限公司