TW200903649A - Controlled annealing method - Google Patents

Description

200903649 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明的實施例涉及半導體製程領域，更具體地，涉 及半導體元件製造期間的熱退火。 【先前技術】 快迷熱處理（Rapid thermal processing , RTP)爲在半 導體製造期間用於退火基板的處理。在該處理期間，熱輻射 用於在可控的環境中將基板快迷加熱到超過室溫的9〇〇度 以上。根據該製程，該溫度可以保持在小於丨秒到數分鐘的 任意時間。隨後基板冷卻到室溫，用於下一步製程。高強度 的鎢燈或鹵素燈用於作爲熱輻射源。可傳導地將基板連接到 加熱的基座提供額外的熱量。 半導體製造製程具有幾個RTP的應用。該類應用包 括熱氧化（基板在氧氣或氧氣和氫氣的混合物中加熱，使得 石夕基板氧化以形成二氧化矽）；高溫均溫退火（high temperature soak anneal)(使用諸如氮、氨或氧等不同的氣 體/昆合物），低溫均溫退火（low temperature soak anneal)(退 火沈積有金屬的基板）；峰值退火（spike anneal )(用在基 板需要暴露在高溫中一段非常短時間的製程 在退火期間，利用燈陣列的熱輻射加熱基板。基板以 高達攝氏250度/秒的上升速度加熱到大於攝氏1〇〇〇度的溫 度。隨後利用惰性氣體（諸如氦氣）的覆蓋，將熱基板可傳導 200903649 地連接到冷的反射板來冷卻基板。這種強帝彳，陡％ # 快冷卻速度，下降速度達到攝氏80度/秒。 退火的目的在於使得整個基板達到基本均句 佈。高上升和下降速度需要在退火製裎期間，用以 性的改進方法。 【發明内容】 本發明大致提供一種快速熱退火的方法，基 基板溫度測量，控制腔室中多個陣列和/或燈的功 到均勻退火。在一個實施例中，一種退火方法包括 上的溫度變化，其中該基板係位於腔室内多個燈下 藉由根據檢測到的溫度變化來控制從每一個燈 量’以退火基板，從而使該退火在整個基板達到_太 在另一實施例中’一種退火方法包括檢測一 基板係位在腔室中的多個燈下方，且在至少一非徑 具有一非均勻溫度，該基板的至少一部分位於—邊 以及通過控制從該些燈發出的熱量來退火基板，從 勻的熱量施加到適當區域，以在整個基板上達到 度。 在又一實施例中’一種退火方法包括，當一 一腔室時’在整個基板上産生溫度梯度；以及藉由 度梯度來控制在基板上方’位於該腔室内多個燈中 發出的熱量，以退火基板，從而在整個基板達到一j 卻便於加 的溫度分 控制均勻 於即時的 率，以違 檢測基板 方；以及 發出的熱 J勻溫度。 基板，該 向方向上 緣環上； 而將不均 一均勻溫 基板插入 根據該溫 每個燈所 b勻溫度。 200903649 【實施方式】 本發明公開的實施例可以在RADIANCE™腔室或 VANTAGE頂RadiancePlus RTp腔室中實現，二者都可以從 Calif〇rnia的Santa Clara應用材料公司購買到。可知此述方 法可以在其他適合的腔室中實現，包括來自其他製造商的腔 室。

第1圖不出了支撐在改良的RTp腔室1〇〇中的基板 U2,腔室1〇〇具有設置在窗口 132後面的燈陣列ιΐ6。在 一個實施例中，視窗132可以是石英視窗。在另一實施例 中’視窗可以由透射材料製成。在一個實施例中，燈116可 以在紅外區域發出輻射。在另一個實施例中，燈丨丨6可以在 近紅外區域發出輻射。在又一實施例中，燈116可以包括鎢 豳素燈。基扳112停留在邊緣環12〇上，在邊緣環12〇和基 板11 2之間具有縫隙1 04以便於將基板丨丨2玫置在邊緣環 120上’以及從邊緣環120上移除基板Η?。控制器128接 收來自面溫計1 2 5、1 2 6和1 2 7的測量以向燈11 6輸出控制 信號。 設置在基板112下方的反射表面122具有用於淨化氣 體管道的開口、升降梢和感測器（未示出）。開口和淨化氣 體流的位置可以設置成便於基板的溫度分佈的控制。如果反 射表面1 22不旋轉’則可以提供基板非均勻性的其他控制。 在一個實施例中’反射表面122可以旋轉。固定的反射表面 122便於定位的氣體噴嘴（jet)冷卻以及燈調整。 可選地’基板112可以通過旋轉轉子121的致動器123 200903649 磁性旋轉。致動器1 23磁耦合到轉子i 2 1。在一個實施例中， 致動器123適用於改變轉子121的仰角（elevation)和/或 調整轉子121相對於其中心軸的角度方向。轉子121的第一 仰角將基板112設置在轉換位置114，用於通過狹口閥130 移除基板。隨後通過轉子121定位新基板以進行退火。蓋子 102可在退火期間保護轉子121免於不適當的加熱。 在另一實施例中’機械手葉片可以進入腔室1〇〇，其 中升降梢可以將基板112舉起而離開機械手葉片。機械手葉 片隨後退回，狹口閥130可以關閉。基板！ 12可以由升降梢 傳導地加熱。隨後，升降梢可以將基板丨丨2降到邊緣環1 2〇 上0 可以改變反射表面122以改進腔室 (UHoring)能力。反射表面122可以具有開口以用於一個 或多個高溫計125、126釦c ^ 和127。反射表面122還包括氣體 分佈入口和出口。通過及舢主π Μ、，， 射表面122的孔（未示出）喷射氣 體有助於加速冷卻，这Θ m ^ , 〇 ^疋因爲孔不會將能量反射回基板 11 2。調整反射表面i 22 φ 中的孔s又什可以提供另一促進熱傳 遞的機制。諸如第1圖所千认也p 丄 厅不的實施例中的快速熱退火系統可 以包括用於退火的鐳射， 老如在美過專利申請序列號No. 2005/01 86765 A1中描械从… 的鐳射退火系統，在此引入其全部 内容作爲參考。 π $丨 通常’燈1 1 6和s ± &射表面122設計爲 對均勻的輻射照度。通過 、土板上産生相 射照度分佈，使其徑向對 了任意調整輻 。對於熱分佈以及用於基板112 9 200903649 冷卻的更好對流，需要將燈11 6放置在遠離中心的 1 上* βΓ 〇 樣’需要更高的温度的基板112的輻射區域，可且士， J丹有由較 功率燈116所構成之相應的燈Π6區域，而其他區拈 %可以 括較低功率燈116，或在一些區域可以移除燈116。*丄 昇中 要增加溫度梯度，産生較窄反射光束的反射表面112可用 降低輻射從一個控制區擴散到另一個控制區。此外，發光 極體（LED )可以設置在腔室内部以提供額外的溫度控制 可選地’燈116可用LED取代。 腔室也可以設計爲通過一些燈116或燈116的特定 段來輕射額外的能量。這些額外的能量可用於根據需要調 基板11 2上的溫度分佈。如果基板11 2相對於燈11 6頭 轉’隨後這些設計的溫度分佈將主要由沿基板半徑的非均 S度分佈組成。需要非均勻性的徑向區可依需要增加或減 相應之燈的功率。改變燈丨丨6參數可用於補償由於不同發 率之基板1 1 2而引起的邊緣溫度範圍作用的差異。 第2圖示出了使用燈202之陣列的蓋（lid )元件底 面200的部分示意圖。在示出了許多獨立的燈泡的同時， 2 0 2的陣列可以包括少至兩個燈泡，其由單一電源或獨立 源供電。例如，在一實施例中的燈202陣列包括第一燈泡 用於發出第一波長分佈；和第二燈泡，用於發出第二波長 佈。從而在除了調整氣流、組成、壓強以及基板温度之外 在給定的退火腔室中’可以通過利用不同的燈202定義不 的照明序列來控制退火製程。 燈202可以設置在整個燈陣列的區段或區域。區段 同 南 包 需 於 區 整 旋 勻 小 射 表 燈 電 分 5 同 可 10 200903649 以從基板的中心徑向延伸或可以設置在整個基板直徑的部 分中。例如’可以選擇區段將更多的熱量集中到基板的周 圍’或乂供具有不同頻譜的燈泡，以用於隨著基板旋轉而露 出的基板。當基板不旋轉時，燈泡的設置對產生的基板屬性 的影響更明顯。 通過在燈202的陣列中選擇並設置一個、兩個或多個 不同類型的單個燈泡，燈202的陣列可以設計爲滿足特定 UV光谱分佈需求。例如，可以從低壓Hg、中壓Hg和高壓 Hg中選擇燈泡。 燈2 02的陣列可利用諸如uv發光二極體的高效燈。 由微波供電的U V源或脈衝源相對於諸如1 〇 w · 1 0 0 W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 列中提供約2 0 %的轉換效率。利用微波功率源’總能量的 95%轉化爲熱量’其浪費能量且需要額外的冷卻需求，同時 僅有5 %的能量轉化爲UV放射。低功率燈泡的低冷卻需求 允許燈202的陣列設置在靠近基板的位置（例如在1和6 英吋之間）以減小反射的UV光和能量損失。 此外，蓋元件的底表面200可包括多個排氣管204， 其在燈202的陣列内交錯。因此，製程氣體可從上面引入到 腔室中的製程區。其他詳細資訊可以從美國專利申請]^0· 2 00 6/025 1 827 A1中獲得’在此引入其全部内容作爲參考。 再次參見第1圖，在製程期間，燈11 6可以將基板11 2 加熱到上面所述的高溫。退火不僅加熱基板11 2，而且加熱 各種腔室元件，包括將燈116從腔室1〇〇的製程區分開的石 200903649

英窗口 132。進入腔室100的基板112最初可以處於室溫。 當基板112穿過狹口閥130到腔室100的時候’由於基板 11 2靠近石英窗口 1 3 2，基板11 2的前緣可以開始加熱。從 而，當基板112進入腔室100時，與在製程腔室100外的基 板112後緣相比，基板112的前緣具有高於室溫的溫度。因 此，當基板112進入腔室100時，在整個基板112上產生溫 度梯度。到基板112完全包含在製程腔室100的時候，由於 基板11 2的前緣相對於基板11 2的後緣暴露到加熱的腔室 1 00元件更長的時間，則基板11 2在整個基板1 1 2中不具有 均勻的溫度。 此外，當基板112插入到腔室1〇〇時，基板112停 留在邊緣環120上。由於在前面退火製程中，加熱了邊緣環 120’邊緣環120可以從前面退火製程中保持一些熱量，且 溫度大於基板112的溫度，從而可傳導地加熱基板H2。與 邊緣環120接觸的部分基板112可被傳導地加熱至一溫度， 該溫度高於基板112未與邊緣環120接觸的部分》因此，從 基板112的邊緣到基板Π2的中心存在溫度梯度。另一可能 引起的複雜因素是在基板112與邊緣環120重疊處加熱較大 的熱質量。相對於在相同半徑而較小重疊的區域處，在加熱 升面溫度期間’較多重疊的區域（即，非完全設置在中心所 造成）可以具有較低的加熱速度。溫度的非均勻性可能無法 通過完全地徑向控制區域減輕。在升降梢捿收基板丨丨2的實 施例中，由於在個別燈1 1 6功率中的任何不協調和/或基板 112的任何不旋轉中，整個基板112可能存在溫度非均句性。 12 200903649

當基板112設置在邊緣環120上時，基板112可能不 完全地對準邊緣環120中心。由於邊緣環12〇和基板112邊 緣間的缝隙，基板11 2可以稍微遠離邊緣環1 2 0中心。此外 或可選地，機械手可以不重複地將基板H2設置在完全相同 的位置。因此，放在邊緣環120上的部分基板112離基板 112的中心不具有—致的徑向距離。因此’不僅從基板112 的邊緣到基板112的中心存在溫度梯度’而且從基板112邊 緣到基板11 2中心的溫度梯度在圍繞在基板11 2的每一個角 度位置可以變化。 爲了補償整個基板112的溫度梯度，燈可以分爲多個 區段（302a-k，3 02m，3 02η 和 302p-302t )，每一個區段包含 一個或多個燈。第3圖爲移除燈後第2圖蓋元件的底部表面 局部視圖。每一個區段（302a-k，302m，3 02η 和 302p-302t ) 可以由邊界304、306定義。每一個區段（3 02a-k，302m，302η 和3 02ρ-3 0 2t )的燈可集中供電以提供更大的控制，或可在 每一個區段（302a-k，302m，302η 和 302p-302t)獨立供電。 施加到區段（302a-k，302m，302η和302p-302t)的功率和/ 或個別燈可基於由高溫計提供的即時反饋來調整。此外，在 退火期間隨著旋轉基板，可調整施加到不同區段（3〇2a_k 3〇2m，302n和302p-302t)和/或個別燈的功率以在任一時 刻即時補償出現在區段（302a_k，3〇2m，3〇2n和3〇2p_3〇2t) 和/或燈下之部分基板部分的溫度。來自高溫計的即時反饋 允許功率的即時控制，從而可持續調整提供給區段（ 302a-k， 302m，302η 和 302p-302t) /々 v 或個別燈的功率。控制可以包 13 200903649 括提供較低或較高功率’甚至不爲區段（302 a-k，302m，302η 和302p-302t)和/或個別燈提供功率。一旦溫度梯度不再存 在，則可爲所有的區段（302a-ks 302m，3 02η和302p-302t ) 和/或所有的個別燈提供相同的功率。 如第3圖所示’基板可以以箭頭“A”的方向進入蓋元 件下方的腔室。一旦基板位於腔室内，高溫計（見第丨圖） 可以在多個預定位置測量基板的溫度。隨後，基於在各個預 定位置測量到的溫度，設定施加到每一個區段（3〇2a_k， 302m，302η和302p-302t)的功率。例如，由於基板的前緣 相對於基板後緣，可能具有更高的溫度’因而相較於對應於 基板前緣的區段30 2j’可供給對應於基板後緣的區段3〇2a 更高的功率。其他區段（3021Μ，3〇2k，3〇2m，3〇2n和 302p-3 02t )也可以根據溫度的測量進行調整。區域（3〇2a_k， 302m，3 02η和3 02p-3 02t )和/或個別燈的功率可以與基板的 旋轉同步。控制施加到區段（302a_k, 3〇2m，3〇2n，和 302p-3 02t )和/或個別燈之功率的控制能力補償在基板中的 度變化，包括在離基板的中心相同徑向距離處的變化 第4圖示出了根據本發明一個實施例之退火製程的流 程圖400。在步驟402’基板插入到腔室。隨著基板的插入， 開始加熱基板前緣。在步驟4〇4，將基板設置在邊緣環上。 如上所示’基板可以完全地設置成對準邊緣環中心或可以設 置在稍微偏離邊緣環中心的位置。 在步驟406，基板開始旋轉。在步驟4〇8中，在基板 旋轉的時候，基於整個基板多個位置的即時溫度反饋的溫度 14 200903649 來調整供至燈的功率變化速率。最初以低功率退火基板，直 到基板不傳熱。從而，退火溫度可以上升到預定的溫度。退 火之後’溫度可以降低（步驟4 1 0 )並且開始旋轉步驟（步 驟412)。隨後可以移除基板（步驟414)。 基於整個基板之溫度測量的即時反饋，藉由個別控制 燈的區段和/或各別的燈，可達成基板的均勻退火。 雖然前述涉及本發明的實施例，但在不偏離本發明的 基本範圍内可設計其他和進一步的實施例，並且本發明的範 圍由以下申請專利範圍確定。 【圖式簡單說明】 因此爲了更詳細地理解本發明的以,+、 货上所述特徵，將參 照附圖中示出的實施例對以上簡要所述的本發明進行更具 體描述。然而’應該注意，附圖中只示出了本發明典型的實 施例，因此不能認爲是對本發明範圍的限定，本發明可以有 其他等效的實施例。 第1圖示出了根據本發明—接祐如— 货月只把例之RTP腔室的部分 垂直截面圖； 第2圖示出了使用燈陣列之RTp脉h 平幻之RTP腔室的蓋元件的底表 面局部視圖； 第3圖示出了移除燈陣 干幻的第2圖盍元件之底表面的 局部視圖； 第4圖示出了根據本發 个赞切 貫細例的退火處理流程 15 200903649 圖； 爲了便於理解，附圖中相同的元件符號儘可能用以表 示相同或相似的元件。可知一實施例中的元件和特徵可在不 進行進一步修改的情況下引入另一實施例中。

【主要元件符號說明】 1 00腔室 102 蓋子 1 0 4縫隙 112 基板 11 4轉換位置 116 燈 1 2 0邊緣環 121 轉子 122反射表面 123 致動器 1 2 5高溫計 126 ifj温計 1 2 7高溫計 128 控制器 130狹口閥 132 窗口 200底表面 202 燈 204排氣管 302 a區段 302b區段 3 0 2 c區段 3 0 2 d區段 3 0 2 e區段 302f區段 3 0 2 g區段 302h區段 3 0 2 i區段 3 02j區段 302k區段 3 0 2 m區段 302η區段 16 200903649 302p區段 3 0 2 q區段 3 0 2 r區段 3 0 2 s區段 3 02t區段 304邊界 306邊界 4 0 0流程圖 402步驟 4 04步驟 4 0 6步驟 408步驟 4 1 0步驟 4 1 2步驟 4 1 4步驟 A箭頭

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Claims (1)

1. 200903649 十、申請專利範圍： 1. 一種退火方法，其包含： 檢測一基板上的一溫度變化，該基板係位於一腔室中 多個燈下方；以及 藉由根據檢測到的溫度來控制從每一個燈發出的熱 量，以退火該基板，從而使該退火在整個基板達到一均勻溫 度0

   2 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含： 在該退火期間旋轉該基板； 其中，該檢測步驟包括當該基板旋轉時，檢測整個基 板多個位置的溫度；以及 其中，該退火步驟包括根據檢測到的温度，使從每一 個燈所發出的熱量的控制與該基板的旋轉同步。

   3.如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該控制發出熱 量的步驟包括減小供至一或多個燈的功率量，以及下列步驟 中的至少一者： 增加供至一或多個其他燈的功率量；以及 保持施加到一或多個其餘燈的功率量。 4.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該基板的多 個位置檢測該溫度變化，該些位置距離該基板之中心相等的 18 200903649 徑向距離。 5.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該退火 括將不同的熱量施加到多個位置，該些位置距離該基 心相等的徑向距離。 6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該些燈 個或多個係連接在一起並同時受控制。 7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該控制 量的步驟包括減小供至一或多個燈的功率量，以及下 中的至少一者： 增加供至一或多個其他燈的功率量；以及 保持施加到一或多個其餘燈的功率量。

   步驟包 板之中 中的兩 發出熱 列步驟 8. —種退火方法，其包含： 下方， 的至少 而將不 均勻溫 檢測一基板，該基板係位在一腔室中的多個燈 且在至少一非徑向方向上具有一非均勻溫度，該基板 一部分位於一邊緣環上；以及 通過控制從該些燈發出的熱量退火該基板，從 均勻的熱量施加到適當的區域，以在整個基板達到一 度。 19 200903649 9.如申請專利範圍“項所述之方法，更包含： 在該退火期間，旋轉該基板； 其中該檢測步驟包括當該基板旋轉時，檢測 多個位置處的溫度；以及 其中該退火步驟包括根據檢測到的n & 燈所發出的熱量的控制與該基板的旋轉同步。 O 1G.如申請專利範圍帛9項所述之方法，其中該控 量的步驟包括減小供至一或多個燈的功率量，以及 中的至少一者： 增加供至一或多個其他燈的功率量；以及 保持施加到一或多個其餘燈的功率量。 .如申請專利範圍第8項所述之方法，更包含： 在該基板上的多個位置處檢測一溫度變化， Ο 距離該基板之中心相同的徑向距離。 12.如申請專利範圍第11項所述之方法，更包含 在該退火期間旋轉該基板，其中在該檢測溫 步驟發生在該旋轉期間；以及 根據檢測到的溫度，使從每一個燈發出的熱 與該基板的旋轉同步。 整個基板 從每一個 制發出熱 下列步驟 該些位置 度變化之 量的控制 20 200903649 13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該退火步 包括將不同的熱量施加到多個位置，該些位置距離該其板 中心相同的徑向距離。 14. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該些燈中的 個或多個係連接在一起並同時受控制。 15. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該控制發出 量的步驟包括減小供至—或多個燈的功率量，以及下列步 中的至少一者： 增加供至一或多個其他燈的功率量；以及 保持施加到一或多個其餘燈的功率量。 16. —種退火方法，其包含： 當一基板插入一腔室時’在整個基板産生一溫度 度；以及 藉由根據該溫度梯度，來控制在該基板上方，位於 腔至内夕個燈中每個燈所發出的熱量，以退火該基板，從 在整個基板達到一均勻溫度。 17如申清專利範圍第16項所述之方法’更包含： 退火期間旋轉該基板； β該基板旋轉時，檢測整個基板多個位置處的溫度 驟 之 兩 熱 驟 梯 該 而 21 200903649 以及 根據檢測到的溫度，使從每一個燈發出的熱量的控制 與該基板的旋轉同步。 1 8 ·如申請專利範圍第1 7項所述之方法，其中該控制發出 熱量的步驟包括減小供至一或多個燈的功率量，以及下列步 驟中的至少一者：

   增加供至一或多個其他燈的功率量；以及 保持施加到一或多個其餘燈的功率量。 19. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該退火步驟 包括將不同的熱量施加到多個位置，該些位置距離該基板之 中心相同的徑向距離。 20. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該些燈中的 兩個或多個係連接在一起並同時受控制。

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