退火设备的温度监控方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010884274.7 (22)申请日 2020.08.28 (71)申请人 上海华力微电子有限公司 地址 201315 上海市浦东新区良腾路6号 (72)发明人 李贇佳袁立军 (74)专利代理机构 上海思微知识产权代理事务 所(普通合伙) 31237 代理人 曹廷廷 (51)Int.Cl. H01L 21/66(2006.01) H01L 21/324(2006.01) (54)发明名称 退火设备的温度监控方法 (57)摘要 本发明提供了一种退火设备的温度监控方 法， 包。

2、括： 提供硅片， 在所述硅片上形成不透光薄 膜； 对所述硅片进行退火， 并在退火过程中实时 测量所述硅片的温度， 并利用测量的温度对退火 温度进行闭环控制。 本发明解决了现有技术中测 温精度差和加热稳定性差的问题。 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 CN 111900099 A 2020.11.06 CN 111900099 A 1.一种退火设备的温度监控方法， 其特征在于， 包括： 提供硅片， 在所述硅片上形成不透光薄膜； 对所述硅片进行退火， 并在退火过程中实时测量所述硅片的温度， 并利用测量的温度 对退火温度进行闭环控制。 2.如权利要求1所述的退火设备的温度监控方法， 所述不透光薄。

3、膜的材质为镍、 铂、 钛、 钴、 钽或钨中的一种或多种。 3.如权利要求1或2所述的退火设备的温度监控方法， 其特征在于， 所述不透光薄膜的 厚度为 4.如权利要求1所述的退火设备的温度监控方法， 其特征在于， 对所述硅片进行退火之 前， 还在所述不透光薄膜上形成二氧化硅层。 5.如权利要求4所述的退火设备的温度监控方法， 其特征在于， 所述二氧化硅层的厚度 为 6.如权利要求1所述的退火设备的温度监控方法， 其特征在于， 所述硅片的退火过程包 括： 预热过程、 升温过程、 主工艺退火过程和降温过程； 所述退火设备包括控温系统， 所述控 温系统根据所述硅片的温度控制退火温度， 并在所述预热过程。

4、和所述升温过程中提高退火 温度， 在所述主工艺退火过程中保持退火温度， 以及在所述降温过程中降低退火温度。 7.如权利要求6所述的退火设备的温度监控方法， 其特征在于， 所述控温系统包括测温 器、 控制器和加热灯源， 所述测温器用于实时测量所述硅片的温度， 所述控制器用于根据所 述测温器获取的温度控制所述加热灯源的开闭以及调节所述加热灯源的功率。 8.如权利要求7所述的退火设备的温度监控方法， 其特征在于， 当所述硅片的温度小于 设定温度， 所述控制器控制所述加热灯源增大功率； 当所述硅片的温度等于设定温度， 所述 控制器控制所述加热灯源保持功率； 当所述加热灯源的功率保持一设定时间之后， 所。

5、述控 制器控制所述加热灯源减小功率。 9.如权利要求8所述的退火设备的温度监控方法， 其特征在于， 所述设定时间为10秒 60秒。 10.如权利要求8或9所述的退火设备的温度监控方法， 其特征在于， 所述设定温度为 300摄氏度500摄氏度。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111900099 A 2 退火设备的温度监控方法 技术领域 0001 本发明涉及半导体技术领域， 尤其涉及一种退火设备的温度监控方法。 背景技术 0002 快速热退火工艺是一种应用广泛的半导体加工工艺， 其目的是将硅片在一定时间 内置于所需温度与环境条件下， 利用热能促使硅片内的原子进行晶格位置的重排， 以降低 晶格缺。

6、陷， 激活掺杂元素。 0003 随着器件性能飞升， 对工艺的要求也越来越高， 要求快速热退火工艺较高地加热 精度与重复性。 现有的快速热退火工艺主要采用灯源对硅片集中加热， 测温器在硅片底部 进行热辐射测温的方式进行闭环控温。 该方法获得硅片真实温度的前提条件是， 灯源发出 的光不能透过硅片， 否则测温器会检测到来自灯源的干扰辐射， 导致测温不准确， 影响控温 判断， 进而影响最终退火效果的重复性与稳定性降低， 产品品质下降。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种退火设备的温度监控方法， 以解决现有技术中测温精 度差和加热稳定性差的问题。 0005 为了达到上述目的， 本发明提供了一种。

7、退火设备的温度监控方法， 包括： 0006 提供硅片， 在所述硅片上形成不透光薄膜； 0007 对所述硅片进行退火， 并在退火过程中实时测量所述硅片的温度， 并利用测量的 温度对退火温度进行闭环控制。 0008 可选的， 所述不透光薄膜的材质为镍、 铂、 钛、 钴、 钽或钨中的一种或多种。 0009可选的， 所述不透光薄膜的厚度为 0010 可选的， 对所述硅片进行退火之前， 还在所述不透光薄膜上形成二氧化硅层。 0011可选的， 所述二氧化硅层的厚度为 0012 可选的， 所述硅片的退火过程包括： 预热过程、 升温过程、 主工艺退火过程和降温 过程； 所述退火设备包括控温系统， 所述控温系统。

8、根据所述硅片的温度控制退火温度， 并在 所述预热过程和所述升温过程中提高退火温度， 在所述主工艺退火过程中保持退火温度， 以及在所述降温过程中降低退火温度。 0013 可选的， 所述控温系统包括测温器、 控制器和加热灯源， 所述测温器用于实时测量 所述硅片的温度， 所述控制器用于根据所述测温器获取的温度控制所述加热灯源的开闭以 及调节所述加热灯源的功率。 0014 可选的， 当所述硅片的温度小于设定温度， 所述控制器控制所述加热灯源增大功 率； 当所述硅片的温度等于设定温度， 所述控制器控制所述加热灯源保持功率； 当所述加热 灯源的功率保持一设定时间之后， 所述控制器控制所述加热灯源减小功率。。

9、 0015 可选的， 所述设定时间为10秒60秒。 0016 可选的， 所述设定温度为300摄氏度500摄氏度。 说明书 1/6 页 3 CN 111900099 A 3 0017 在本发明提供的一种退火设备的温度监控方法， 通过在硅片上沉积不透光薄膜以 制备不透光薄膜硅片， 对硅片进行退火； 并在退火过程中实时测量硅片的温度， 控制器获得 测量的温度， 且控制加热灯源改变功率， 以改变硅片的退火温度， 从而实现硅片温度的闭环 控制； 采用不透光薄膜， 测温器测得的温度不会受加热灯源的辐射干扰， 测温器测得的温度 更加准确， 控制加热灯源的功率更加稳定， 因此在温度监控的闭环控制中， 提升了测。

10、温精度 和加热稳定性。 附图说明 0018 图1为本发明一实施例提供的温度监控流程图； 0019 图2a为本发明一实施例提供的形成不透光薄膜的示意图； 0020 图2b为本发明一实施例提供的形成二氧化硅层的示意图； 0021 图3为本发明一实施例提供的退火过程中不透光薄膜硅片和浅掺杂硅片的温度曲 线对比图； 0022 其中， 附图标记为： 11-硅片； 12-不透光薄膜； 13-二氧化硅层。 具体实施方式 0023 下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。 根据下列描述， 本发明的优点和特征将更清楚。 需说明的是， 附图均采用非常简化的形式且均使用非精准 的比例， 仅用以方便、。

11、 明晰地辅助说明本发明实施例的目的。 0024 图1为本实施例提供的温度监控流程图， 图2a为本实施例提供的形成不透光薄膜 的示意图， 图2b为本实施例提供的形成二氧化硅层的示意图； 图3为本实施例提供的退火过 程中不透光薄膜硅片和浅掺杂硅片的温度曲线对比图。 0025 一种退火设备的温度监控方法， 用于实时监控硅片的温度， 请参考图1， 包括： 0026 步骤S1： 提供硅片， 在硅片上形成不透光薄膜； 0027 步骤S2： 对硅片进行退火， 并在退火过程中实时测量硅片的温度， 并利用测量的温 度对退火温度进行闭环控制。 0028 下面结合附图对本发明退火设备的温度监控方法进行更详细的描述，。

12、 其中图示了 本发明的优选实施例。 0029 请参考图2a， 执行步骤S1， 先提供硅片11， 该硅片11可以为浅掺杂硅片， 浅掺杂硅 片是通过离子注入工艺将杂质注入到硅片中。 0030在硅片11上沉积不透光薄膜12， 具体是在硅片11上沉积的不透光薄膜12， 代表厚度单位 “埃” ， 在本实施例中不透光薄膜12的厚度为但不限于此厚度， 也可 为范围内的其他厚度。 本实施例中不透光薄膜12沉积采用物理气相沉积， 也 可为其他沉积方法。 不透光薄膜12的透光率接近为零， 透光率是指透过材质的光通量与其 入射光通量的百分率， 不透光薄膜12的材质为镍、 铂、 钛、 钴、 钽或钨中的一种或多种。 在。

13、本 实施例中， 不透光薄膜12的材质为镍金属和铂金属的合金材质， 镍金属和铂金属的合金材 质中含有9含量的铂金属， 一定含量的铂金属有利于不透光薄膜12退火时的稳定性以及 退火后不透光薄膜12的质量， 但铂金属含量不限于此含量， 也可为其他合适含量。 本实施例 说明书 2/6 页 4 CN 111900099 A 4 中， 不透光薄膜的材质不限于此镍金属和铂金属的合金材质， 也可为其他非金属不透光材 质。 0031 请参考图2b， 在不透光薄膜12上形成二氧化硅层13， 以制备完成不透光薄膜硅片。 在本实施例中， 二氧化硅层13的厚度为但不限于此厚度， 也可为范围内 的其他厚度。 二氧化硅层1。

14、3形成的化学反应式是： SiH4+2N2O+N2SiO2+3N2+2H2， 反应条件是 等离子体能量。 在本实施例中， 采用二氧化硅层13包不透光薄膜12， 防止不透光薄膜12中的 金属扩散， 进而避免影响不透光薄膜12退火时的稳定性。 0032 执行步骤S2， 将制备完成的不透光薄膜硅片放入退火设备中， 对硅片进行退火， 并 在退火过程中实时测量硅片的温度， 并利用测量的温度对退火温度进行闭环控制。 硅片的 退火过程包括： 预热过程、 升温过程、 主工艺退火过程和降温过程四个过程， 退火设备包括 控温系统， 闭环控制是控温系统根据硅片的温度控制退火温度， 以使在预热和升温过程中 使硅片上的温。

15、度持续升高， 在主工艺退火过程中保持硅片上的温度恒定， 在降温过程中使 硅片上的温度持续降低。 0033 控温系统包括加热灯源、 测温器和控制器， 测温器实时测量获得硅片的温度， 控制 器用于根据测温器获取的温度控制加热灯源的开闭以及调节加热灯源的功率。 当测温器测 得硅片的温度小于设定温度， 控制器控制加热灯源增大功率， 以提高硅片的温度； 当测温器 测得硅片的温度等于设定温度， 控制器控制加热灯源保持功率不变进行主工艺退火； 当加 热灯源的功率保持一设定时间之后， 控制器控制加热灯源减小功率， 以减小硅片的温度。 0034 在主工艺退火过程中， 镍金属沉积物与硅发生反应生成温度敏感度较高的。

16、镍硅化 合物Ni2Si， 反应式为： 2Ni+SiNi2Si， 反应条件是主工艺退火的高温。 0035 为了更加清楚得知不透光薄膜硅片比浅掺杂硅片的温度监控更准确及加热稳定 性更高， 将不透光薄膜硅片和浅掺杂硅片在相同环境下进行退火。 0036 请参考表1， 表1为退火过程中不透光薄膜硅片和浅掺杂硅片的功率变化对比表， 对不透光薄膜硅片和浅掺杂硅片进行加热功率模拟， 对比验证加热稳定性。 本实施例中， 设 定退火过程包括预热过程、 第一升温过程、 第二升温过程、 主工艺退火过程、 第一降温过程 和第二降温过程。 退火步骤切换规则是给预热过程、 第一升温过程、 第二升温过程、 主工艺 退火过程、。

17、 第一降温过程和第二降温过程都设定了一个温度阈值， 根据温度阈值切换退火 步骤， 当达到一个温度阈值切换到相应的退火工序， 并调节加热灯源的功率。 本实施例中设 定预热过程、 第一升温过程、 第二升温过程、 主工艺退火过程、 第一降温过程和第二降温过 程的阈值分别为250摄氏度、 250摄氏度、 350摄氏度、 450摄氏度、 350摄氏度和250摄氏度， 不 限于设定的温度阈值， 也可为其他合适温度阈值。 本实施例中， 设定温度为主工艺退火温 度， 设定温度为450摄氏度， 也可为300摄氏度500摄氏度等。 在实际中测得的温度值会很 小范围的浮动变化， 所以设定达到450摄氏度的正负2摄氏。

18、度， 即进入主工艺退火。 本实施例 中， 设定加热灯源的总功率为4.5千瓦， 但不限于此功率， 也可为其他合理的功率大小。 本实 施例中， 主工艺退火设定时间为30秒， 也可为10秒60秒等。 0037 表1： 退火过程中不透光薄膜硅片和浅掺杂硅片的功率变化对比表 说明书 3/6 页 5 CN 111900099 A 5 0038 0039 退火步骤切换规则具体是当硅片的温度低于250摄氏度时， 加热灯源进行预热； 当 测温器测得硅片的温度大于250摄氏度， 硅片进入第一升温过程， 在第一升温过程中硅片升 温到350摄氏度； 当测温器测得硅片的温度大于350摄氏度， 硅片进入第二升温过程， 在。

19、第二 升温过程中硅片升温到450摄氏度； 当测温器测得硅片的温度等于450摄氏度， 硅片进入主 工艺退火过程， 设定温度保持450摄氏度对硅片进行主工艺退火； 在设定时间内的主工艺退 火结束后， 进入硅片降温过程， 当测温器测得硅片的温度大于350摄氏度， 硅片进入第一降 温过程， 在第一降温过程中硅片降温到350摄氏度； 当测温器测得硅片的温度大于250摄氏 度， 硅片进入第二降温过程， 在第二降温过程中硅片降温到250摄氏度， 然后加热灯源保持 低功率进行预热。 0040 在设定的不同退火过程中， 不透光薄膜硅片和浅掺杂硅片在相同功率的加热灯源 下的功率变化不同。 将浅掺杂硅片和不透光薄膜。

20、硅片进行对比分析， 由于在退火过程中， 加 热灯源的功率在实时变化， 为了清楚得知加热功率的变化， 所以表1中设定的每个退火过程 的加热灯源功率值为该过程的平均功率值。 从表1中可以看出浅掺杂硅片和不透光薄膜硅 片在预热过程的加热灯源功率分别为总功率的百分之五和百分之四； 在进入到第一升温过 程后， 浅掺杂硅片和不透光薄膜硅片的加热灯源功率分别增加为总功率的百分之十一和百 分之十三； 在进入到第二升温过程后， 浅掺杂硅片和不透光薄膜硅片的加热灯源功率均增 加为总功率的百分之十四； 在进入到主工艺退火过程后， 浅掺杂硅片和不透光薄膜硅片的 加热灯源功率分别增加为总功率的百分之十六和百分之十五； 。

21、在进入到第一降温过程后， 浅掺杂硅片和不透光薄膜硅片的加热灯源功率分别增加为总功率的百分之十和百分之十 三； 在进入到第二降温过程后， 浅掺杂硅片和不透光薄膜硅片的加热灯源功率分别增加为 总功率的百分之五和百分之六。 0041 从浅掺杂硅片和不透光薄膜硅片的加热灯源功率变化可以看出， 加热灯源给浅掺 杂硅片退火时的功率变化没有不透光薄膜硅片退火时的功率变化稳定， 其中浅掺杂硅片退 火时第一升温过程到主工艺退火过程的功率从百分之十一、 百分之十四到百分之十六逐步 上升， 不透光薄膜硅片退火时第一升温过程到主工艺退火过程的功率从百分之十三、 百分 之十四到百分之十五逐步上升， 可以看出不透光薄膜硅。

22、片退火时加热灯源的功率上升速度 更稳定。 在浅掺杂硅片退火时主工艺退火过程到第一退火过程的功率从百分之十六下降到 百分之十， 不透光薄膜硅片退火时主工艺退火过程到第一退火过程的功率从百分之十五下 降到百分之十三， 可以看出不透光薄膜硅片退火时加热灯源的功率下降速度同样更稳定。 0042 请参考图3， 对不透光薄膜硅片和浅掺杂硅片进行温度曲线模拟， 对比验证升温稳 定性， 不透光薄膜硅片和浅掺杂硅片在退火过程中的环境一致。 图3为双纵坐标， 设置了一 说明书 4/6 页 6 CN 111900099 A 6 定的重叠系数， 使区别更易明显看出， 横坐标为各个退火过程， 双纵坐标均为温度。 从图中。

23、 可以看出不透光薄膜硅片的退火过程的温度曲线比浅掺杂硅片的退火过程的温度曲线更 稳定。 由于加热灯源的光会透过浅掺杂硅片以干扰测温器的检测结果， 测温器的检测结果 会影响加热灯源的功率调节， 导致浅掺杂硅片的温度曲线的不稳定， 而加热灯源的光难以 透过不透光薄膜硅片， 测温器检测到的辐射能量全部来自于不透光薄膜硅片， 反映了不透 光薄膜硅片的真实温度， 使得不透光薄膜硅片的升温曲线平滑， 测温器测温准确性高利于 控制器准确调节加热灯源的功率， 改善加热灯源功率的加热准确性， 提升温度监控的精确 性与稳定性。 0043 进一步地， 测量退火后的浅掺杂硅片和不透光薄膜硅片的电阻值， 具体是分别测 。

24、量浅掺杂硅片和不透光薄膜硅片表面的电阻值， 对比判断重复性和温度敏感度。 本实施例 中， 采用了四探针阻值测量法， 四探针阻值测量法是调节好测量装置的测试条件， 将测量装 置的4个金属探针排成一直线， 并以一定压力压在被测物体上， 测试装置就可输出被测物体 的电阻值、 电阻值率、 电导率等信息。 0044 参考图1， 在不透光薄膜硅片测量电阻值时， 将4个探针压在不透光薄膜的侧面； 在 浅掺杂硅片测量电阻值时， 将4个探针压在硅片表面， 即可通过测量装置得到相应的电阻 值。 0045 测得浅掺杂硅片和不透光薄膜硅片的电阻值后， 参照电阻值与温度的关系， 以得 知相应的温度。 通过单位温度变化可。

25、得出在单位温度下电阻值的变化， 在单位温度下电阻 值变化越大， 温度敏感度越高。 例如提供两硅片， 假设第一硅片升温1摄氏度测得电阻值降 低1欧姆， 第二硅片升温1摄氏度测得电阻值降低3欧姆， 假设温度与电阻值成线性反比关 系， 当第一硅片和第二硅片均测得电阻值降低0.6欧姆， 第一硅片升温0.6摄氏度， 第二硅片 升温0.2摄氏度； 当测得电阻值降低0.1欧姆， 第一硅片升温0.1摄氏度， 第二硅片约升温 0.03摄氏度， 可以看出当电阻值变化相同时， 第二硅片温度变化精度高， 温度变化精度等同 于温度敏感度， 所以第二硅片的温度敏感度高于第一硅片的温度敏感度。 由此得出在单位 温度下电阻值。

26、变化越大， 温度敏感度越高。 0046 取退火后的浅掺杂硅片和不透光薄膜硅片， 经过多次阻值测量对照温度， 在单位 温度下， 经试验测得浅掺杂硅片电阻变化值约为1.5欧姆/摄氏度， 不透光薄膜硅片电阻变 化值约为3.9欧姆/摄氏度， 欧姆/摄氏度是指温度变化1摄氏度电阻变化的数值， 此处的电 阻变化值为绝对值， 看出不透光薄膜硅片电阻变化值大于浅掺杂硅片电阻变化值， 得出不 透光薄膜硅片的温度敏感度高于浅掺杂硅片的温度敏感度。 不透光薄膜硅片的温度敏感度 高， 有利于退火过程中的温度监控， 提升控温精确性。 0047 综上， 本发明提供的一种退火设备的温度监控方法， 通过在硅片上沉积不透光薄 。

27、膜以制备不透光薄膜硅片， 对硅片进行退火； 并在退火过程中实时测量硅片的温度， 控制器 获得测量的温度， 且控制加热灯源改变功率， 以改变硅片的退火温度， 从而实现硅片温度的 闭环控制； 采用不透光薄膜， 测温器测得的温度不会受加热灯源的辐射干扰， 测温器测得的 温度更加准确， 控制加热灯源的功率更加稳定， 因此在温度监控的闭环控制中， 提升了测温 精度和加热稳定性。 0048 上述仅为本发明的优选实施例而已， 并不对本发明起到任何限制作用。 任何所属 技术领域的技术人员， 在不脱离本发明的技术方案的范围内， 对本发明揭露的技术方案和 说明书 5/6 页 7 CN 111900099 A 7 技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动， 均属未脱离本发明的技术方案的内容， 仍 属于本发明的保护范围之内。 说明书 6/6 页 8 CN 111900099 A 8 图1 图2a 图2b 说明书附图 1/2 页 9 CN 111900099 A 9 图3 说明书附图 2/2 页 10 CN 111900099 A 10 。