一种控制半导体晶圆加热温度的方法与流程

1.本发明属于离子注入机高温注入技术领域，具体涉及一种控制半导体晶圆加热温度的方法。


背景技术：

2.半导体集成电路制造工艺的发展对半导体制造设备的性能和制造工艺控制方法提出了更高的要求。离子注入机是半导体器件制造的核心掺杂设备，使用离子注入机进行半导体注入时，会伴随产生半导体晶格结构的损伤，因此，在注入后，需要进行退火处理以消除这些损伤。对于碳化硅等具有高密度和低杂质扩散系数的材料，采用类似于硅材料的扩散在工艺上存在很大的难度，且常温注入方法存在杂质激活率低和缺陷难以恢复等问题，因此，需要将晶圆加热到一定温度进行注入，以实现消除注入缺陷和提高注入均匀性等目的。可见，在加热离子注入过程中，晶圆加热温度的控制对于高温注入的质量具有直接的影响。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种原理简单、控制精准且加热速度快的控制半导体晶圆加热温度的方法。
4.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
5.一种控制半导体晶圆加热温度的方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、使用非接触热源，对真空加热腔室内的晶圆进行初次加热，到达第一预定时间t1后，晶圆升温至第一预定温度t1；
7.步骤s2、在真空环境中，将晶圆从初次加热的加热腔室传输至二次加热的加热腔室，到达第二预定时间t2后，晶圆降温至第二预定温度t2；
8.步骤s3、在二次加热的加热腔室内，使用接触或半接触热源对晶圆进行二次加热，到达第三预定时间t3后，晶圆升温并保持在第三预定温度t3，开始对晶圆进行离子注入。
9.作为本发明的进一步改进，通过预先对步骤s1至步骤s3中晶圆加热和散热过程的温度变化进行测量，以形成对正常运行过程和异常运行过程的计时控制逻辑。
10.作为本发明的进一步改进，采用计时控制或采用晶圆温度检测结合计时控制的方式对步骤s1至步骤s3的三个实际处理时长进行控制，以实现对晶圆的加热过程进行控制。
11.作为本发明的进一步改进，在进行步骤s1之前，利用非接触式热源对晶圆进行初次加热，并对晶圆从常温升温至目标温度的时间进行测量，得到初次加热的温度随时间变化曲线，利用温度随时间的变化曲线对初次加热的第一预定时间t1进行确定。
12.作为本发明的进一步改进，在进行步骤s2之前，对温度不低于步骤s1所述目标温度的晶圆在真空中降温至室温的时间进行测量，得到晶圆传输过程的降温曲线，利用降温曲线对晶圆在第二预定时间t2时刻的温度进行确定。
13.作为本发明的进一步改进，在进行步骤s3之前，使用接触或半接触热源对晶圆进
行加热，并对晶圆从常温升温至注入作业目标温度的时间进行测量，得到二次加热的温度随时间的变化曲线，利用温度随时间的变化曲线对二次加热的第三预定时间t3进行确定。
14.作为本发明的进一步改进，在正常运行过程中，通过对第一预定时间t1和第二预定时间t2组合的选取，使得晶圆温度在第二预定时间t2时接近或略低于最终温度t3，以缩短第二预定时间t2到第三预定时间t3的二次加热时长。
15.作为本发明的进一步改进，导致在第二预定时间t2未达到预定温度的异常状况，包括第一预定时间t1提前到达或初次加热过程热源功率小于预期或第二预定时间t2意外推后。
16.作为本发明的进一步改进，在步骤s3中进行补偿加热以达到预设加热效果的步骤为，预先对初次加热过程中热源功率小于预期的温度-时间曲线进行测量，通过异常初次加热和降温过程的温度-时间曲线计算在第二预定时间t2时刻的晶圆温度，根据此温度推算第二预定时间t2和第三预定时间t3之间的时间间隔，延长二次加热时间以达到预设温度。
17.作为本发明的进一步改进，在步骤s3中进行补偿加热以达到预设加热效果的步骤为，在晶圆传输阶段增加晶圆温度检测，推算或直接测量第二预定时间t2时刻的晶圆温度，并根据此温度，通过二次加热过程温度-时间曲线，第二预定时间t2和第三预定时间t3之间的时间间隔，延长二次加热时间以达到预设温度。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于：
19.本发明的控制半导体晶圆加热温度的方法，通过将晶圆加热升温过程分成初次加热、晶圆传输和二次加热三个阶段，使晶圆最终达到100℃～600℃的特定注入作业温度，对加热过程的时间进行监控以保证晶圆以最快速度到达预定加热温度。具体方法为：使用带有温度传感器的装置、非接触测温装置或模拟计算对晶圆在初次加热、晶圆传输和二次加热中温度随时间的变化曲线进行测量，并对晶圆初次加热不足和传输过程时间过长等异常情况下的温度随时间的变化曲线进行测量。根据对三个阶段的温度变化过程的时间进行测量或计算，在正常加热情况下，对初次加热的时间进行控制，以达到一定的晶圆加热温度，并对晶圆传输降温过程中的降温水平进行评估，以推定适当的二次加热时间；或在初次加热不足和晶片传输延宕等异常情况下，对二次加热过程的时间进行相应的补偿。本方法可以通过前期对晶圆加热等过程的测量，通过对流程时间的监控和调整，实现了对晶圆温度升高过程的控制；采用这种方法，可以规避过程中晶圆温度实时测量困难的问题，在保证晶圆温度达到预定水平的基础上，缩短了加热所需的时间。
附图说明
20.图1为本发明控制半导体晶圆加热温度的方法流程示意图。
21.图2为本发明控制半导体晶圆加热温度的方法在处理过程中的曲线图之一。
22.图3为本发明控制半导体晶圆加热温度的方法在处理过程中的曲线图之二。
具体实施方式
23.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
24.实施例
25.如图1至图3所示，本发明的控制半导体晶圆加热温度的方法，加热过程在不同的真空腔室中进行，在不同的加热阶段，使用机械手或其他装置，进行晶圆的传输，在晶圆传输阶段，可以选择使用红外等非接触方式，进行辅助温度测量。方法包括以下步骤：
26.步骤s1、使用位于真空内或真空室外部的非接触热源，对真空加热腔室内的晶圆进行初次加热，到达第一预定时间t1后，晶圆升温至第一预定温度t1。非接触热源具体可以采用可见光或红外热灯、激光或感应加热，在加热过程中，可以通过改变热源输出功率来调节加热的速度。
27.步骤s2、在真空环境中，将晶圆从初次加热的加热腔室传输至二次加热的加热腔室，到达第二预定时间t2后，晶圆降温至第二预定温度t2。在传输的过程中，由于辐射等原因，晶圆的温度会有所下降。
28.步骤s3、在二次加热的加热腔室内，使用带加热功能的机械卡盘或静电吸盘作为恒温热源，以接触或半接触的方式对晶圆进行二次加热，到达第三预定时间t3后，晶圆升温并保持在第三预定温度t3，开始对晶圆进行离子注入。
29.在上述分段加热过程中，通过预先对步骤s1至步骤s3中晶圆加热和散热过程的温度变化进行测量，以形成对正常运行过程和异常运行过程的计时控制逻辑。在测量过程中，可采用带有温度传感器的硅片，或红外等非接触方式进行温度测量。进而采用计时控制或采用晶圆温度检测结合计时控制的方式对步骤s1至步骤s3的三个实际处理时长进行控制，以实现对晶圆的加热过程进行控制。
30.在进行步骤s1之前，利用非接触式热源对晶圆进行初次加热，并对晶圆从常温升温至目标温度(例如可以是500℃)的时间进行测量，得到初次加热的温度随时间变化曲线，利用温度随时间的变化曲线对初次加热的第一预定时间t1进行确定。
31.在进行步骤s2之前，对温度不低于步骤s1的目标温度(例如可以是100℃～500℃之间)的多个晶圆在真空中降温至室温的时间进行测量，得到晶圆传输过程的降温曲线，利用降温曲线对晶圆在第二预定时间t2时刻的温度进行确定。
32.在进行步骤s3之前，使用接触或半接触热源对晶圆进行加热，并对晶圆从常温升温至注入作业目标温度(例如可以是100℃～600℃之间)的时间进行测量，得到二次加热的温度随时间的变化曲线，利用温度随时间的变化曲线对二次加热的第三预定时间t3进行确定。
33.以上温度随时间的变化曲线，是设计温度控制算法的参考，除使用上述实测外，还可以结合计算机模拟，使用有限差分、有限元等方法，对其进行必要的修正和内、外推扩展。
34.如图2所示，在正常运行过程中，通过对第一预定时间t1和第二预定时间t2组合的选取，使得晶圆温度在第二预定时间t2时接近或略低于最终温度t3，以缩短第二预定时间t2到第三预定时间t3的二次加热时长。
35.如图3所示，而对于初次加热不能超过特定温度tmax的情况，或加热速度存在限制的过程，通过对其初次加热过程和传输散热过程进行组合计算，推算t2时刻晶圆温度，并计算t2和t3之间的再加热时间以达到最终温度。
36.导致在第二预定时间t2未达到预定温度的异常状况，包括第一预定时间t1提前到达或初次加热过程热源功率小于预期或第二预定时间t2由于机械卡滞意外推后等。
37.为了应对第二预定时间t2未达到预定温度的异常状况，在步骤s3中进行补偿加热
以达到预设加热效果的步骤为，预先对初次加热过程中热源功率小于预期的温度-时间曲线进行测量，通过异常初次加热和降温过程的温度-时间曲线计算在第二预定时间t2时刻的晶圆温度，根据此温度推算第二预定时间t2和第三预定时间t3之间的时间间隔，延长二次加热时间以达到预设温度。
38.为了应对第二预定时间t2未达到预定温度的异常状况，在步骤s3中进行补偿加热以达到预设加热效果的步骤还可以是，在晶圆传输阶段增加晶圆温度检测，推算或直接测量第二预定时间t2时刻的晶圆温度，并根据此温度，通过二次加热过程温度-时间曲线，第二预定时间t2和第三预定时间t3之间的时间间隔，延长二次加热时间以达到预设温度。
39.本实施例中，通过将晶圆加热升温过程分成初次加热、晶圆传输和二次加热三个阶段，使晶圆最终达到100℃～600℃的特定注入作业温度，对加热过程的时间进行监控以保证晶圆以最快速度到达预定加热温度。具体方法为：使用带有温度传感器的装置、非接触测温装置或模拟计算对晶圆在初次加热、晶圆传输和二次加热中温度随时间的变化曲线进行测量，并对晶圆初次加热不足和传输过程时间过长等异常情况下的温度随时间的变化曲线进行测量。根据对三个阶段的温度变化过程的时间进行测量或计算，在正常加热情况下，对初次加热的时间进行控制，以达到一定的晶圆加热温度，并对晶圆传输降温过程中的降温水平进行评估，以推定适当的二次加热时间；或在初次加热不足和晶片传输延宕等异常情况下，对二次加热过程的时间进行相应的补偿。本方法可以通过前期对晶圆加热等过程的测量，通过对流程时间的监控和调整，实现了对晶圆温度升高过程的控制；采用这种方法，可以规避过程中晶圆温度实时测量困难的问题，在保证晶圆温度达到预定水平的基础上，缩短了加热所需的时间。
40.虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种控制半导体晶圆加热温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、使用非接触热源，对真空加热腔室内的晶圆进行初次加热，到达第一预定时间t1后，晶圆升温至第一预定温度t1；步骤s2、在真空环境中，将晶圆从初次加热的加热腔室传输至二次加热的加热腔室，到达第二预定时间t2后，晶圆降温至第二预定温度t2；步骤s3、在二次加热的加热腔室内，使用接触或半接触热源对晶圆进行二次加热，到达第三预定时间t3后，晶圆升温并保持在第三预定温度t3，开始对晶圆进行离子注入。2.根据权利要求1所述的控制半导体晶圆加热温度的方法，其特征在于，通过预先对步骤s1至步骤s3中晶圆加热和散热过程的温度变化进行测量，以形成对正常运行过程和异常运行过程的计时控制逻辑。3.根据权利要求2所述的控制半导体晶圆加热温度的方法，其特征在于，采用计时控制或采用晶圆温度检测结合计时控制的方式对步骤s1至步骤s3的三个实际处理时长进行控制，以实现对晶圆的加热过程进行控制。4.根据权利要求2所述的控制半导体晶圆加热温度的方法，其特征在于，在进行步骤s1之前，利用非接触式热源对晶圆进行初次加热，并对晶圆从常温升温至目标温度的时间进行测量，得到初次加热的温度随时间变化曲线，利用温度随时间的变化曲线对初次加热的第一预定时间t1进行确定。5.根据权利要求4所述的控制半导体晶圆加热温度的方法，其特征在于，在进行步骤s2之前，对温度不低于步骤s1所述目标温度的晶圆在真空中降温至室温的时间进行测量，得到晶圆传输过程的降温曲线，利用降温曲线对晶圆在第二预定时间t2时刻的温度进行确定。6.根据权利要求5所述的控制半导体晶圆加热温度的方法，其特征在于，在进行步骤s3之前，使用接触或半接触热源对晶圆进行加热，并对晶圆从常温升温至注入作业目标温度的时间进行测量，得到二次加热的温度随时间的变化曲线，利用温度随时间的变化曲线对二次加热的第三预定时间t3进行确定。7.根据权利要求6所述的控制半导体晶圆加热温度的方法，其特征在于，在正常运行过程中，通过对第一预定时间t1和第二预定时间t2组合的选取，使得晶圆温度在第二预定时间t2时接近或略低于最终温度t3，以缩短第二预定时间t2到第三预定时间t3的二次加热时长。8.根据权利要求7所述的控制半导体晶圆加热温度的方法，其特征在于，导致在第二预定时间t2未达到预定温度的异常状况，包括第一预定时间t1提前到达或初次加热过程热源功率小于预期或第二预定时间t2意外推后。9.根据权利要求8所述的控制半导体晶圆加热温度的方法，其特征在于，在步骤s3中进行补偿加热以达到预设加热效果的步骤为，预先对初次加热过程中热源功率小于预期的温度-时间曲线进行测量，通过异常初次加热和降温过程的温度-时间曲线计算在第二预定时间t2时刻的晶圆温度，根据此温度推算第二预定时间t2和第三预定时间t3之间的时间间隔，延长二次加热时间以达到预设温度。10.根据权利要求8所述的控制半导体晶圆加热温度的方法，其特征在于，在步骤s3中进行补偿加热以达到预设加热效果的步骤为，在晶圆传输阶段增加晶圆温度检测，推算或
直接测量第二预定时间t2时刻的晶圆温度，并根据此温度，通过二次加热过程温度-时间曲线，第二预定时间t2和第三预定时间t3之间的时间间隔，延长二次加热时间以达到预设温度。

技术总结
本发明公开了一种控制半导体晶圆加热温度的方法，包括以下步骤：步骤S1、使用非接触热源，对真空加热腔室内的晶圆进行初次加热，到达第一预定时间t1后，晶圆升温至第一预定温度T1；步骤S2、在真空环境中，将晶圆从初次加热的加热腔室传输至二次加热的加热腔室，到达第二预定时间t2后，晶圆降温至第二预定温度T2；步骤S3、在二次加热的加热腔室内，使用接触或半接触热源对晶圆进行二次加热，到达第三预定时间t3后，晶圆升温并保持在第三预定温度T3，开始对晶圆进行离子注入。本发明具有原理简单、控制精准且加热速度快等优点，解决了半导体高温注入中晶圆加热的控制问题，提高了晶圆高温注入的质量。注入的质量。注入的质量。


技术研发人员：喻晓 王肇龙 赵官源 倪玉河 李进 李士会
受保护的技术使用者：北京烁科中科信电子装备有限公司
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/8/1