一种用于半导体工艺的温度控制方法与流程

1.本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种用于半导体工艺的温度控制方法。


背景技术：

2.半导体工艺通常采用快速热退火工艺，快速热退火设备通常包括常压退火设备和低压退火设备。在半导体制造中，根据不同的应用，热退火工艺的温度范围通常在200℃～1250℃之间，属于高温工艺设备。温度是快速热退火设备中的重要参数，尤其在先进的制造工艺中，温度的偏差通常要求小于1℃。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种用于半导体工艺的温度控制方法，用于监控整个半导体工件的工艺均匀度，并且对工艺温度进行精准补偿。
4.根据本发明的一方面，提供了一种用于半导体工艺的温度控制方法，包括步骤：在第一工艺设备中设置第一位点分布的第一测量位点，用于测量所述第一工艺设备中的温度；在第二检测设备中设置第二位点分布的第二测量位点，用于测量目标参数；其中，所述第一位点分布包括径向间距不相等的同心圆状点阵；所述第二位点分布具有与所述第一位点分布相对应的同心圆状点阵。
5.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
6.附图用于更好地理解本方案，不构成对本发明的限定。其中：
7.图1是热处理设备中加热灯管的分区域和温度检测区域示意图；
8.图2是根据现有技术的测量机台中目标参数的测量点位分布图；
9.图3是根据本发明一个实施方式的测量点位分布图；
10.图4是根据本发明一个实施方式的温度控制方法的流程示意图。
具体实施方式
11.以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
12.在实际应用中，随着热退火设备反应腔内通过的晶圆数量的增加，设备的温度传感器(例如高温计)会发生偏移或被污染，并且会影响测温的精确度。另一方面，热退火设备中的加热灯管的老化也会影响反应腔内的实际温度。因此，为了设备的合格晶圆产出，需要在允许的温度区间范围内对热退火设备进行温度补偿，从而使反应腔内的工艺温度保持在
稳定的范围(例如温度偏差小于1℃)内。
13.在热处理工艺(即热退火工艺)中，在退火工艺进行过程中，通常根据热处理设备内的加热区域，利用传感器(例如高温计)对反应腔内的温度进行检测。热处理工艺过程结束后，半导体工件(例如晶圆)输送进入检测机台，对热处理后的半导体工件进行目标参数检测。根据目标参数的测试结果判定，是否需要对热处理工艺机台进行参数补偿。
14.由于涉及在两个不同机台中对半导体工件进行检测，由于晶圆上量测方块电阻率和氧化膜厚度的同心圆的半径与灯管分区控制的半径不一致，因此两个机台的测量位点分布的差异会造成温度补偿计算的不准确性，温度补偿值容易出现偏差，实际应用中需要多次重复计算去减小温度补偿的误差，影响生产效率。
15.如图1所示，在热处理设备中，通常采用多个加热元件进行加热，例如采用顶部灯组和底部灯组对待处理的半导体工件(例如晶圆)进行全辐射加热。现有技术中，每组灯组以晶圆的中心轴线为中心可分为多个区域，例如四个区域z1、z2、z3和z4，并且对这些区域进行单独控制。通过设置传感器，例如高温计对反应腔内温度进行测温t1和t2。
16.如图2所示，现有技术的检测设备(量测机台)的量测点通常设置为中心点和等间距(29.4mm)的5个同心圆(边缘去除3mm)。例如，对于12寸晶圆制造过程中的量测，目前通用的量测49点或者121点；49点量测为中心点和等间距的5个同心圆，121点量测为中心点和等间距的5个同心圆。
17.由以上图1和图2可看出，热处理设备的灯组的区域划分和量测机台的量测位点同心圆的半径不匹配，因此基于量测机台的检测结果得出的补偿数据不能与热处理设备的控制工艺参数(例如灯管的功率)精确对应，由此会导致补偿误差，或者补偿次数增加，降低了工艺效率。
18.根据本发明的一个方面，提供用于半导体工艺的温度控制方法，包括步骤：在第一工艺设备中设置第一位点分布的第一测量位点，用于测量所述第一工艺设备中的温度；在第二检测设备中设置第二位点分布的第二测量位点，用于测量目标参数；其中，所述第一位点分布包括径向间距不相等的同心圆状点阵；所述第二位点分布具有与所述第一位点分布相对应的同心圆状点阵。
19.根据一个具体实施方式，所述温度控制方法还可包括步骤：
20.在所述第一工艺设备中，获取标准工艺条件下所述第一位点分布中测试半导体工件的各个位点的工艺温度；
21.在所述第二检测设备中，检测测试半导体工件的与所述工艺温度对应的目标参数，确定工艺温度与目标参数的对应关系；
22.在所述第二检测设备中，检测待测半导体工件的目标参数，将待测半导体工件的目标参数的测量值与目标参数的设定标准范围对比；
23.如果所述待测半导体工件的目标参数的测量值超出所述设定标准范围，则计算所述目标参数的偏差值；
24.根据所述对应关系，由所述目标参数的偏差值计算出各个加热区域中的温度偏差值；
25.上述对应关系是指通过第一工艺设备中的工艺温度变化1℃，第二检测设备中测到的相应目标参数的变化量来确定变化率。
26.根据一个具体实施例，在标准快速退火的工艺条件下，例如1～760托的低压，200～1200℃的工艺温度，包含氧气、氮气、氧气和氮气或者氧气和氢气的工艺气体中，气流总流速为1～60slm，检测退火机台中工艺温度变化1℃时，在量测机台中检测到测试晶圆的方块电阻率变化为2ω
·
cm-2
，则该变化率确定为2ω
·
cm-2
·
℃-1
。其中，晶圆的方块电阻率基准值可为160ω
·
cm-2
，待测晶圆在退火机台中经过设定条件的快速退火处理后，在量测机台中检测到退火处理后的晶圆的方块电阻率为170ω
·
cm-2
，则需要补充的温度值按照以下计算：
[0027][0028]
即，需要进行温度补偿5℃。
[0029]
根据另一个实施例，还可在量测机台中检测晶圆表面氧化膜的厚度变化，并确定单位温度变化下的厚度变化为厚度变化率。测试并计算得到待检测晶圆表面氧化膜的厚度相对设定标准厚度值的偏差值，该偏差值除以厚度变化率即可得到温度补偿值。
[0030]
具体地，在快速热退火设备中，晶圆在工艺过程中是旋转的，尤其是12寸以上晶圆的退火设备，为了保持晶圆退火温度的均匀性，需要对加热灯管进行分区域控制，每个区域可以独立控制功率，从而达到温度均匀性的调节。
[0031]
具体地，参见图3和图4，根据本发明的温度控制方法可包括测量位点设置步骤、第一工艺设备的温度和第二检测设备测量的目标参数之间对应关系的确定步骤以及参数补偿步骤。
[0032]
具体地，测量位点设置步骤100可包括在第一工艺设备(例如热退火设备)中设置第一位点分布，并在第二检测设备(例如检测机台，用于检测方块电阻率或者氧化膜厚度)中设置第二位点分布。其中，第一位点分布的中心点与第一工艺设备的加热元件(例如顶部加热灯组和底部加热灯组)的中心点在同一垂直线上。进一步地，根据加热元件的区域划分，相应地设定位点分布的同心圆半径距离，使得位点分布的同心圆分别与加热元件的相应区域对应，即第一工艺设备中位点分布的同心圆间距不相等。
[0033]
根据一个实施例，如图3所示，半导体工件为12寸晶圆，热处理工艺为快速热退火工艺。此时，快速热退火设备包括多个加热灯组(例如顶部加热灯组和底部加热灯组)，并且包括多个加热区域(例如6个加热区域)。根据上述温度控制方法，通常设置第一位点分布包括中心点和6个不等间距的同心圆。进一步地，相邻同心圆之间的间距从中心点向边缘依次可为25mm、35mm、20mm、30mm、10mm和27mm(即半径依次为25mm、60mm、80mm、110mm、120mm和147mm)，其中边缘除去3mm。相应地，设置检测机台中的第二位点分布也可为中心点，和6个不等间距的同心圆，并且，相邻同心圆之间的间距从中心点向边缘依次可为25mm、35mm、20mm、30mm、10mm和27mm(即半径依次为25mm、60mm、80mm、110mm、120mm和147mm)，其中边缘除去3mm。即第二位点分布与第一位点分布完全对应，因此检测机台的量测数据能更精确地反应热处理工艺的均匀性。
[0034]
根据另一个实施例，在晶圆的快速热退火工艺中，第一工艺设备(热退火设备)可包括多个加热元件，例如可包括顶部加热灯组和底部加热灯组，并且加热灯组可分为4个区域(例如参见图1)。每个区域的尺寸可根据具体工艺条件调节。对应于该加热灯组的区域划分，该第一工艺设备中的第一位点分布可包括中心点和3个同心圆，对应地在晶圆上，相邻
同心圆之间的间距从中心点向边缘依次可为60mm、50mm和37mm(即半径依次为60mm、110mm和147mm)，其中边缘除去3mm。在该工艺设备中，机台并不直接测试工艺温度，而是通过传感器感测电流或电压值等，经过计算得到温度值。随着设备的使用或者污染，传感器的传感数值容易发生漂移或存在误差，使得该工艺设备感测出的温度不准确。
[0035]
在第二检测设备中，进行第二位点分布，使得第二位点分布的量测位点与第一位点分布一一对应，即包括中心点和间距不相同的多个同心圆。利用第二检测设备可对半导体工件进行方块电阻率或者氧化膜厚度进行物理检测。具体地，同一同心圆上的量测位点测得的参数数据的平均值为该区域的参数测量数值。
[0036]
根据一个实施例，对12寸晶圆的快速热退火工艺，退火设备的四个区域对应晶圆的位置分别为0、60mm、110mm、147mm；因此在量测中，调节同心圆半径为60mm、110mm、147mm，通过对这几个同心圆的数据进行独立分析，计算后对温度进行预设补偿值。其他同心圆的量测值可以适当根据需要调节，对工艺起到监控的目的。
[0037]
具体地，上述位点分布的同一同心圆上的位点数量可根据工艺需要设置，例如可为49点阵或121点阵。例如，处理的半导体工件为12寸的晶圆时，第一位点分布包括中心点，以及从中心点径向向外延伸距离分别为25mm、60mm、80mm、110mm、120mm和147mm的同心圆状的49点阵或121点阵。
[0038]
对应关系的确定步骤110可包括通过第一工艺设备中的工艺温度变化1℃，第二检测设备中测到的目标参数(例如方块电阻率或者氧化膜厚度)的变化量来确定变化率。
[0039]
根据一个具体实施例，在第一工艺设备(热退火设备)中，获取标准工艺条件下第一位点分布(例如中心点和3个同心圆)中测试半导体工件(测试晶圆)的各个位点的工艺温度(标准传感器感测)。然后，在第二检测设备(即量测机台)中，按照与前述第一位点分布对应的第二位点分布的量测位点检测测试半导体工件(测试晶圆)的目标参数(例如方块电阻率或者氧化膜厚度)，确定工艺温度与目标参数的对应关系。该对应关系即如上文所述的是指通过第一工艺设备中的工艺温度变化1℃，第二检测设备中测到的相应目标参数(即方块电阻率或者氧化膜厚度)的变化量来确定变化率。
[0040]
根据一个实施例，在快速热退火工艺中，上述目标参数为晶圆的方块电阻率或者表面氧化膜的厚度，其相对于所述第一工艺设备中的工艺温度的变化率可为2。
[0041]
参见图4，上述温度控制方法还包括将目标参数的测量值与设定的该参数的标准范围进行对比的步骤120，并且判断目标参数的测量值是否超出设定标准范围130，如果测量值超出设定的标准范围，则计算目标参数的测量值相对于标准范围的偏差值140，根据该计算得到的偏差值和上文得到的对应关系，计算并设定相应加热区域的温度补偿值，并对各个加热区域进行温度补偿150。如果测量值未超出设定的标准范围，则无需进行温度补偿，继续对热退火后的晶圆进行目标参数检测和对比120。
[0042]
根据一个实施例，上述温度补偿步骤通过调节各个加热区域的加热元件的功率来进行。
[0043]
本发明提供的所述温度控制方法，利用后续检测机台的准确测试参数，通过预先确定的对应关系，对未进行准确温度测量的工艺处理机台进行温度补偿的方法，从而提高温度补偿的准确性。具体地，本发明的方法检测机台的量测位点设置为包括中心点和不等间距的同心圆，并且这些同心圆与工艺设备的加热区域一一对应，能够准确反映工艺状况
的变化，从而可以精准地对工艺过程进行调节。
[0044]
以快速热退火设备为例，加热灯管分为四个加热区域，工艺过程中，可以单独对某一个或者几个区域进行加热功率调节控制，以达到均匀的均匀度。对于大规模量产设备，在一个设备维护保养周期内，由于灯管的老化和测温点精准温度的漂移，需要对每个加热区域进行预设温度补偿值，从而达到均匀的温度。四个区域对应晶圆的位置分别为0mm、60mm、110mm和147mm；因此在量测中，调节量测位点的同心圆半径为60mm、110mm和147mm，通过对这几个同心圆的数据进行独立分析，计算后对温度进行预设补偿值。进一步地，还可以设置其他同心圆的量测值，可以适当根据工艺需要进行调节，对整个工艺过程起到监控的目的，提高工艺的稳定性，改善生产效率。
[0045]
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0046]
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于半导体工艺的温度控制方法，其特征在于，包括步骤：在第一工艺设备中设置第一位点分布的第一测量位点，用于测量所述第一工艺设备中的温度；在第二检测设备中设置第二位点分布的第二测量位点，用于测量目标参数；其中，所述第一位点分布包括径向间距不相等的同心圆状点阵；所述第二位点分布具有与所述第一位点分布相对应的同心圆状点阵。2.根据权利要求1所述的温度控制方法，其中，所述第一位点分布的同心圆与第一工艺设备的加热区域一一对应。量测点阵的同心圆分别对应于所述多个加热区域。3.根据权利要求2所述的温度控制方法，还包括步骤：在所述第一工艺设备中，获取标准工艺条件下所述第一位点分布中测试半导体工件的各个位点的工艺温度；在所述第二检测设备中，检测测试半导体工件的与所述工艺温度对应的目标参数，确定工艺温度与目标参数的对应关系；在所述第二检测设备中，检测待测半导体工件的目标参数，将待测半导体工件的目标参数的测量值与目标参数的设定标准范围对比；如果所述待测半导体工件的目标参数的测量值超出所述设定标准范围，则计算所述目标参数的偏差值；根据所述对应关系，由所述目标参数的偏差值计算出各个加热区域中的温度偏差值；根据所述各个加热区域中的温度偏差值对所述各个加热区域进行温度补偿。4.根据权利要求3所述的温度控制方法，其中，所述温度补偿通过调节各个加热区域的加热元件的功率来进行。5.根据权利要求1至4中任一项所述的温度控制方法，其中，所述目标参数为所述半导体工件的方块电阻率或者表面氧化膜的厚度。6.根据权利要求1至4中任一项所述的温度控制方法，其中，所述第一工艺设备是快速热退火设备，处理的半导体工件为晶圆。7.根据权利要求6所述的温度控制方法，其中，所述快速热退火设备包括多个加热灯组，并且包括多个加热区域。8.根据权利要求5所述的温度控制方法，其中，所述对应关系通过所述第一工艺设备中的工艺温度变化1℃，所述第二检测设备中测到的目标参数的变化量来确定变化率。9.根据权利要求8所述的温度控制方法，所述目标参数为晶圆的方块电阻率或者表面氧化膜的厚度，相对于所述第一工艺设备中的工艺温度的变化率为2。10.根据权利要求1至4中任一项所述的温度控制方法，其中，处理的半导体工件为12寸的晶圆时，所述第一位点分布包括中心点，以及从所述中心点径向向外延伸距离分别为25mm、60mm、80mm、110mm、120mm和147mm的同心圆状49点阵或121点阵。

技术总结
本发明提供了一种用于半导体工艺的温度控制方法，包括步骤：在第一工艺设备中设置第一位点分布的第一测量位点，用于测量所述第一工艺设备中的温度；在第二检测设备中设置第二位点分布的第二测量位点，用于测量目标参数；其中，所述第一位点分布包括径向间距不相等的同心圆状点阵；所述第二位点分布具有与所述第一位点分布相对应的同心圆状点阵。本发明的方法能够监控整个半导体工件的工艺均匀度，并且对工艺温度进行精准补偿。对工艺温度进行精准补偿。对工艺温度进行精准补偿。


技术研发人员：冀建民 李文艺
受保护的技术使用者：北京屹唐半导体科技股份有限公司
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/8