專利名稱：可控的退火方法
技術領域：
本發(fā)明的實施方式涉及半導體工藝領域，更具體地，涉及半導體器件制造 期間的熱退火。
背景技術：
快速熱處理(RTP)為在半導體制造期間用于退火襯底的工藝。在該工藝 期間，熱輻射用于在可控的環(huán)境中將襯底快速加熱到超過室溫的900度以上。 根據(jù)該工藝，該溫度可以保持在小于1秒到7分鐘的任意時間。隨后襯底冷卻 到室溫，用于下一歩工藝。高強度的鎢燈或鹵素燈用于作為熱輻射源?？蓚鲗?地將襯底連接到加熱的基座提供額外的熱量。
半導體制造工藝具有幾個RTP的應用。該類應用包括熱氧化(襯底在氧 氣或氧氣和氫氣的化合物中加熱，其使得硅襯底氧化以形成二氧化硅)；高溫 浸泡退火(使用諸如氮、氨或氧等不同的氣體混合物)；低溫浸泡退火(退火 用金屬沉積的襯底)；峰值退火(spike anneal)(用在襯底需要暴露在高溫一 段非常短時間的工藝)。
在退火期間，利用燈陣列的熱輻射加熱襯底。襯底以高達250攝氏度/秒 的上升速度加熱到大于1000攝氏度的溫度。隨后利用諸如氦氣的惰性氣體將 熱襯底可傳導地連接到冷的反射板來冷卻襯底。這種強制性的冷卻便于加快冷 卻速度，下降速度達到80攝氏度/秒。
退火的目的在于使得整個襯底達到基本均勻的溫度分布。高上升和下降速 度需要用于控制在退火工藝期間控制均勻性的改進方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種快速熱退火的方法，基于實時襯底溫度測量，控制多個陣 列和/或腔室中的燈的功率，達到均勻退火。在一個實施方式中，退火方法包 括檢測位于腔室內(nèi)的多個燈下方的襯底上的溫度變化，取決于檢測到的溫度變化，通過控制從每一個燈上發(fā)出的熱量來退火襯底，從而在整個襯底退火達到 均勻的溫度。
在另一實施方式中，退火方法包括在腔室中多個燈下方的至少一個非徑向 方向、位于邊緣環(huán)上的襯底的至少一部分中檢測具有非均勻溫度的襯底，并通 過控制從燈發(fā)出的熱量退火襯底，從而將不均勻的熱量施加到適當區(qū)域，以在 整個襯底上達到均勻的溫度。
在又一實施方式中，退火方法包括，隨著襯底插入到腔室在整個襯底上產(chǎn) 生溫度梯度，取決于溫度梯度，通過控制從位于襯底上方的腔室中的多個燈中 的每一個燈發(fā)出的熱量來退火襯底，從而該退火在整個襯底達到均勻的溫度。


因此為了更詳細地理解本發(fā)明的以上所述特征，將參照附圖中示出的實施 方式對以上簡要所述的本發(fā)明進行更具體描述。然而，應該注意，附圖中只示 出了本發(fā)明典型的實施方式，閑此不能認為是對本發(fā)明范圍的限定，本發(fā)明可
以有其他等效的實施方式。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的RTP腔室的部分垂直截面圖2示出了使用燈陣列的RTP腔室的蓋組件的底表面的局部視圖； 圖3示出了移除燈陣列的圖2的蓋組件的底表面的局部視圖； 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的退火處理的流程圖； 為了便于理解，盡可能，附圖中相同的附圖標記表示相同或相似的元件。
可以認為一個實施方式中的元件和特征可以在不進行進一步修改的情況下引
入到另一實施方式中。
具體實施例方式
本發(fā)明公開的實施方式可以在RADIANCE 腔室或VANTAGE RadiancePlus RTP腔室中實現(xiàn)，二者都可以從California的Santa Clara應用材 料公司購買到?？梢哉J為，在此所描述的方法可以在其它適合的腔室屮實現(xiàn)， 包括來自其它制造商的腔室。
圖1示出了支撐在改進的RTP腔室100中的襯底112，腔室100具有設置 在窗口 132后面的燈陣列U6。在一個實施方式中，窗口 132可以是石英窗口。在另一實施方式中，窗口可以由透射材料制成。在一個實施方式中，燈116 可以在紅外區(qū)域發(fā)出輻射。在另一個實施方式中，燈116可以在近紅外區(qū)域發(fā)
出輻射。在又一實施方式中，燈U6可以包括鎢鹵素燈。襯底112停留在邊緣 環(huán)120上，在邊緣環(huán)120和襯底112之間具有縫隙104以便于將襯底112放置 在邊緣環(huán)120上，以及從邊緣環(huán)120上移除襯底112。控制器128接收來自高 溫計125、 126和127的測量以向燈116輸出控制信號。
設置在襯底112卜—方的反射表面122具有用于凈化氣體管道的開口、升降 銷和傳感器(未示出)?？梢栽O置開口和凈化氣體流的位置以便于襯底的溫度 分布的控制。如果反射表面122不旋轉，則可以提供襯底非均勻性的其它控制。 在一個實施方式中，反射表面122可以旋轉。固定的反射表面122便于定位的 氣體噴嘴(jet)冷卻以及燈調(diào)整。
可選地，襯底112可以通過旋轉轉子121的致動器123磁旋轉。致動器 123磁耦合到轉子121。在一個實施方式中，致動器]23適用于改變轉子121 的仰角(elevation)和/或調(diào)整轉子121相對于其中心軸的角度方向。轉子121 的第一仰角將襯底112設置在轉換位置114，用于通過狹口閥130移除襯底。 隨后通過轉子121定位新襯底用于退火。蓋子102可以保護轉子121在退后期 間避免不適當?shù)募訜帷?br> 在另一實施方式中，機械手葉片可以進入腔室100，其中升降銷可以舉起 襯底112離開機械手葉片。機械手葉片隨后退回，狹口閥130可以關閉。襯底 112可以由升降銷傳導地加熱。隨后，升降銷可以將襯底112降到邊緣環(huán)120 上。
可以改變反射表面122以改進腔室的溫度調(diào)整(tailoring)能力。發(fā)射表 面122可以具有開口用于一個或多個高溫計125、 126和127。反射表面122 還包括氣體分布入口和出口。通過反射表面122的孔(未示出)噴射氣體有助 于加速冷卻，這是因為孔不會將能量反射回襯底112。調(diào)整反射表面122中的 孔的設計可以提供另一機制以便于熱傳遞。諸如圖1所示的實施方式中的快速 熱退火系統(tǒng)可以包括激光，用于退火諸如在美過專利申請序列號No. 2005/0186765 Al中描述的激光退火系統(tǒng)，在此引入其全部內(nèi)容作為參考。
通常，燈116和反射表面122設計為在襯底上產(chǎn)生相對均勻的光輻照。通 過有意改變偏移溫度，可任意調(diào)整光輻照分布，使其徑向對稱。對于熱分布以及用于襯底112冷卻的更好對流，需要將燈116放置在遠離中心的位置。同樣， 需要更卨的溫度的襯底112的輻射區(qū)域，可以具有相應的含有較高功率燈116 的燈116的區(qū)域，而其它區(qū)域可以包括較低功率的功能116，或在一些區(qū)域可 以移除燈116。其中需要增加溫度梯度，產(chǎn)生較窄反射束的反射表面112可用 于減小輻射從一個控制區(qū)擴散到另一個控制區(qū)。此外，發(fā)光二極管(LED)可 以設置在腔室內(nèi)部以提供額外的溫度控制?？蛇x地，燈116可用LED取代。
腔室也可以設計為通過一些燈116或燈116的特定區(qū)段來輻射額外的能 量。這些額外的能量可用于根據(jù)需要調(diào)整襯底112上的溫度分布。如果襯底 112相對于燈116頭旋轉，隨后這些設計的溫度分布將主要由沿襯底半徑的非 均勻溫度分布組成。需要非均勻性的光線區(qū)具有相應的根據(jù)需要增加或減小功 率的燈。改變燈116參數(shù)可用于補償由于不同發(fā)射率的襯底112而引起的邊緣 溫度范圍作用的差異。
圖2示出了使用燈202的陣列的蓋(lid)組件的底表面200的部分示意圖。 在示出了許多獨立的燈泡的同時，燈202的陣列可以包括少到兩個燈泡，其由 單一電源或獨立電源供電。例如，在一個實施方式中的燈202的陣列包括第一 燈泡，用于發(fā)出第一波長分布；和第二燈泡，用于發(fā)出第二波長分布。從而在 除了調(diào)整氣流、化合物、壓強以及襯底溫度之外，在給定的退火腔室中可以通 過利用不同的燈202定義不同的照明序列來控制退火工藝。
燈202可以設置在整個燈陣列的區(qū)段或區(qū)域。區(qū)段可以從襯底的中心徑向 延伸或可以設置在整個襯底直徑的部分中。例如，可以選擇區(qū)段將更多的熱量 集中到襯底的周圍，或提供具有不同頻譜的燈泡用于隨著襯底旋轉露出的襯 底。當襯底不旋轉時，燈泡的設置對產(chǎn)生的襯底屬性的影響更明顯。
通過在燈202的陣列中選擇并設置一個、兩個或多個不同類型的單個燈 泡，燈202的陣列可以設計為滿足具體UV光譜分布需求。例如，可以從低壓 Hg、中壓Hg和高壓Hg中選擇燈泡。
燈202的陣列可利用諸如UV發(fā)光二極管的高效燈。由微波供電的UV源 或脈沖源相對于諸如10W-100W的低功率燈具有5%的轉換效率，所述低功率 燈可以在燈202的陣列中，以提供約20%的轉換效率。利用微波功率源，總 能量的95%轉化為熱量，其消耗能量并需要額外的冷卻需求，同時僅有5%的 能量轉化為UV放射。低功率燈泡的低冷卻需求允許燈202的陣列設置在靠近襯底的位置(例如在1和6英尺之間)以減小反射的UV光和能量損失。
此外，蓋組件的底表面200可包括多個排氣管204，其在燈202的陣列內(nèi) 交錯。因此，工藝氣體可以引入到上面的腔室中的工藝區(qū)。其它詳細信息可以 從美國專利申請No. 2006/0251827 Al中獲得，在此引入其全部內(nèi)容作為參考。 再次參見圖l，在工藝期間，燈116可以將襯底112加熱到上面所述的高 溫。退火不僅加熱襯底112，而且加熱各種腔室元件，包括將燈116從腔室100 的工藝區(qū)分開的石英窗口 132。進入腔室IOO的襯底112最初可以處于室溫。 當襯底112穿過狹口閥130到腔室100的時候，由于襯底靠近石英窗口 132， 襯底112的前緣可以開始加熱。從而，當襯底112進入腔室100時，與襯底 112的后緣相比，襯底112的前緣具有高于室溫的溫度，襯底112的后緣在工 藝腔室100的外面。因此，當襯底112進入腔室100時，整個襯底112的溫度 梯度擴大。到襯底112完全包含在工藝腔室100的時候，由于襯底112的前緣 相對于襯底U2的后緣暴露到加熱的腔室100組件更長的時間，則襯底112 在整個襯底112中不具有均勻的溫度。
此外，當襯底U2插入到腔室IOO時，襯底112停留在邊緣環(huán)120上。 由于在前面退火工藝屮，加熱了邊緣環(huán)120，邊緣環(huán)120可以從前面退火工藝 中保持一些熱量，大于襯底112的溫度，從而可傳導地加熱襯底112?？蓚鲗?地加熱襯底112與邊緣環(huán)120接觸的部分，以使得溫度高于襯底112未與邊緣 環(huán)120接觸的部分。因此，從襯底112的邊緣到襯底112的中心存在溫度梯度。 引起的另一復雜因素是在襯底112與邊緣環(huán)120重疊處加熱較大的熱質(zhì)量。相 對于在較小重疊處位于相同半徑的區(qū)域，在加熱升卨溫度期間，較多重疊區(qū)域 (即，優(yōu)選不設置在中心所引起的)，可以具有較低的加熱速度。溫度的非均 勻性可以通過完全地徑向控制區(qū)域減輕。在升降銷接收襯底112的實施方式 中，由于單個燈116功率的任何不匹配和/或襯底112的任何非旋轉中，整個 襯底112存在溫度非均勻性。
當襯底112設置在邊緣環(huán)120上，襯底112優(yōu)選地不位于邊緣環(huán)120的中 心。由于邊緣環(huán)120和襯底112的邊緣之間的縫隙，襯底112可以稍微遠離邊 緣環(huán)120中心。此外或可選地，機械手可以不重復地將襯底112設置在完全相 同的位置。因此，停留在邊緣環(huán)120的襯底112的部分離襯底112的中心不具 有均勻的徑向距離。因此，不僅從襯底112的邊緣到襯底112的中心存在溫度梯度，而且從襯底112的邊緣到襯底112的中心的溫度梯度在圍繞在襯底112
的每寸角度位置可以變化。
為了補償整個襯底112的溫度梯度，燈可以分為多個區(qū)段(302a-k,302m, 302n和302p-302t)，每一個區(qū)段包含一個或多個燈。圖3為移除燈后的圖2 的蓋組件的底部表面的局部視圖。每一個區(qū)段(302a-k, 302m, 302n和 302p-302t)可以由邊界304、 306定義。每一個區(qū)段(302a-k, 302m， 302n和 302p-302t)的燈可以集中供電或提供更強的控制，可以在每一個區(qū)段(302a-k, 302m, 302n和302p-302t)獨立供電。施加到區(qū)段(302a-k, 302m, 302n和 302p-302t)的功率和/或單個燈可以基于由高溫計提供的實時反饋調(diào)整。此夕卜， 在退火期間旋轉襯底時，施加到不同區(qū)段(302a-k，302m，302n和3O2p-302t) 的功率和/或單個燈可以調(diào)整，以補償在區(qū)段(302a-k， 302m， 302n和302p-302t) 下出現(xiàn)的襯底部分的溫度和/或任何瞬時的燈的溫度。來自高溫計的實時反饋 允許功率的實時控制，從而提供給區(qū)段(302a-k, 302m，302n和302p-302t)和 /或單個燈的功率可以不斷調(diào)整?？刂瓶梢园ㄌ峁┹^低或較高功率，甚至不 為區(qū)段G02a-k，302m，302n和302p-302t)和/或單個燈提供功率。 一旦溫度梯 度不再存在，則可以為所有的區(qū)段(302a-k,302m, 302n和302p-302t)和/或所 有的單個燈提供相同的功率等級。
如圖3所示，襯底可以以箭頭"A"的方向進入蓋組件下方的腔室。 一旦襯 底位于腔室內(nèi)，高溫計(見圖1)可以在多個預定位置測量襯底的溫度。隨后， 基于在各個預定位置測量到的溫度，設置施加到每一個區(qū)段(302a-k, 302m， 302n和302p-302t)的功率。例如，由于襯底的前緣相對于襯底后緣，可以處 于更高的溫度，則與襯底的后緣對應的區(qū)段3C)2a，相對于與襯底的前緣對應 的區(qū)段302j，具有更高的功率。其它區(qū)段(302b-1, 302k, 302m， 302n和 302p-302O也可以根據(jù)溫度測量進行調(diào)整。區(qū)域(302a-k, 302m, 302n和 302p-302t)和/或單個燈的功率可以與襯底的旋轉同步。控制施加到區(qū)段 (302a-k, 302m, 302n,和302p-302t)和/或單個燈的功率的控制能力補償在襯 底中的溫度變化，包括在離襯底的中心相同徑向距離處的變化
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的退火工藝的流程圖400。在步驟 402，襯底插入到腔室。隨著襯底的插入，襯底前緣開始加熱。在步驟404， 襯底設置在邊緣環(huán)上。如上面所示，襯底可以優(yōu)選地設置在邊緣環(huán)中心或可以設置在稍微遠離邊緣環(huán)中心的位置。
在步驟406，襯底開始旋轉。在步驟408中，在襯底旋轉的時候，基于整 個襯底多個位置的實時溫度反饋的溫度來調(diào)整燈的功率的變化速率。最初以低 功率退火襯底，直到襯底不傳熱。從而，退火溫度口了以上升到預定的溫度。退 火之后，溫度可以降低(步驟410)并且開始旋轉步驟(歩驟412)。隨后可 以移除襯底(歩驟414)。
基于整個襯底的溫度測量的實時反饋，分通過別控制燈的區(qū)段和/或單個 燈，襯底的均勻退火是可能的。
雖然前述涉及本發(fā)明的實施方式，但在不偏離本發(fā)明的基本范圍內(nèi)可設計 其它和進一步的實施方式，并且本發(fā)明的范圍由以下權利要求書確定。
權利要求
1、一種退火方法，包括檢測位于腔室中的多個燈下方的襯底的溫度變化；以及根據(jù)檢測到的溫度，通過控制從每一個燈發(fā)出的熱量來退火襯底，從而所述退火在所述整個襯底達到均勻溫度。
2、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括 在所述退火期間旋轉所述襯底；其中，所述檢測包括當所述襯底旋轉時，檢測整個襯底多個位置的溫度；以及其中，所述退火包括根據(jù)檢測到的溫度來使得從每一個燈發(fā)出的熱量的控 制與所述襯底的旋轉同步。
3、 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制發(fā)出的熱量包括 減小一個或多個燈的功率數(shù)量，以及以下之中的至少一個增加一個或多個其它燈的功率數(shù)量；以及 保持施加到一個或多個其它燈的功率數(shù)量。
4、 根據(jù)權利要求l所述的方法，其特征在于，在所述襯底的多個位置檢 測所述溫度變化，所述多個位置與襯底中心具有相等的徑向距離。
5、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火包括將不同數(shù)量 的熱量施加到多個位置，所述多個位置與襯底中心具有相等的徑向距離。
6、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個燈中的兩個或多 個連接在一起并同時控制。
7、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制發(fā)出的熱量包括 減小一個或多個燈的功率數(shù)量以及以下之中的至少一個增加一個或多個其它燈的功率數(shù)量；以及 保持施加到一個或多個其它燈的功率數(shù)量。
8、 一種退火方法，包括在腔室中的多個燈下方的至少一個非徑向方向上，至少位于邊緣環(huán)上方的 襯底的一部分中檢測具有非均勻溫度的襯底；以及通過控制從燈發(fā)出的熱量退火所述襯底，從而將不均勻的熱量施加到適當?shù)膮^(qū)域，以在整個襯底達到均勻溫度。
9、 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括 在所述退火期間，旋轉所述襯底；其中所述檢測包括在整個襯底的多個位置，當襯底旋轉的時候檢測溫度；以及其中所述退火包括根據(jù)檢測到的溫度來使得從每一個燈發(fā)出的熱量的控 制與所述襯底的旋轉同步。
10、 根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制發(fā)出的熱量包括 減小一個或多個燈的功率數(shù)量以及以下之中的至少一個增加一個或多個其它燈的功率數(shù)量；以及 保持施加到一個或多個其它燈的功率數(shù)量。
11、 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括 在襯底上距離所述襯底中心具有相同徑向距離的多個位置檢測溫度變化。
12、 根據(jù)權利要求ll所述的方法，其特征在于，還包括 在所述退火期間旋轉所述襯底，其中在所述檢測溫度變化發(fā)生在所述旋轉期間；以及根據(jù)檢測到的溫度，使從每一個燈發(fā)出的熱量的控制與所述襯底的旋轉同步。
13、根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于，所述退火包括將不同數(shù)量的熱量施加到與所述襯底的屮心具有相同徑向距離的多個位置。
14、根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，所述多個燈中的兩個或多 個連接在一起并同時控制。
15、 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制發(fā)出的熱量包括減小一個或多個燈的功率數(shù)量以及以下之中的至少一個 增加一個或多個其它燈的功率數(shù)量；以及 保持施加到一個或多個其它燈的功率數(shù)量。
16、 一種退火方法，包括隨著襯底插入到腔室，在整個襯底產(chǎn)生溫度梯度；以及根據(jù)所述溫度梯度，通過控制襯底上方位于腔室中的多個燈中每一個燈發(fā) 出的熱量來退火襯底，從而在整個襯底達到均勻的溫度。
17、根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在丁，還包括 在所述退火期間旋轉所述襯底；當所述襯底旋轉時，在整個襯底的多個位置檢測溫度；以及 根據(jù)檢測到的溫度，使從每一個燈發(fā)出的熱量的控制與所述襯底的旋轉同步o
18、根據(jù)權利要求17所述的方法，其特征在于，所述控制發(fā)出的熱量包 括減小一個或多個燈的功率數(shù)量以及以下之中的至少一個 增加一個或多個其它燈的功率數(shù)量；以及 保持施加到一個或多個其它燈的功率數(shù)量。
19、 根據(jù)權利耍求16所述的方法，其特征在于，所述退火包括將不同數(shù) 量的熱量施加到與所述襯底的中心具有相同徑向距離的多個位置。
20、 根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，所述多個燈中的兩個或多個連接在一起并同時控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可控的退火方法，其是一種快速熱退火的方法。當襯底插入退火腔室中，由于來自腔室元件的熱輻射使得襯底開始加熱，腔室元件在襯底退火之前加熱。因此，由于整個襯底的溫度梯度，當襯底插入時襯底前緣可以為較高的溫度，而襯底的后緣為室內(nèi)溫度。一旦襯底完全插入到退火腔室，溫度梯度仍存在。通過在整個襯底補償溫度梯度，可以均勻退火襯底。
文檔編號H01L21/324GK101431005SQ20081009803
公開日2009年5月13日 申請日期2008年5月20日 優(yōu)先權日2007年5月20日
發(fā)明者亞倫·亨特, 巴拉蘇布若門尼·拉馬錢德倫, 布賴恩·埃絲, 拉維·加勒巴利, 森德·拉馬默蒂, 沃爾夫岡·阿德霍爾德, 約瑟夫·邁克爾·拉內(nèi)什, 韋達普蘭姆·S·阿楚坦拉曼 申請人:應用材料股份有限公司