阅读说明：本技术 一种晶圆控片的快速热处理方法 (Rapid heat treatment method for wafer control wafer ) 是由 温育杰 叶李欣 吴小贤 蒋磊 于 2019-06-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种晶圆控片的快速热处理方法,涉及半导体器件制造技术领域。本方法至少包括以下步骤：提供第一晶圆控片；对所述第一晶圆控片进行第一次快速热处理；对经过第一次快速热处理后的所述第一晶圆控片进行第二次快速热处理,以取得第一电阻值趋势曲线；依据所述第一电阻值趋势曲线,取得所述预设电阻值趋势曲线；依据所述第一电阻值趋势曲线及预设电阻值趋势曲线,取得所述第一晶圆控片的标准快速热处理温度条件。本发明通过对晶圆控片进行两阶段的快速热处理,解决了现有技术所导致的晶圆控片表面边缘区域的电阻值再现性差、晶圆控片表面电阻值偏离目标值的问题。(The invention discloses a rapid heat treatment method of a wafer control wafer, and relates to the technical field of semiconductor device manufacturing. The method at least comprises the following steps: providing a first wafer control wafer; carrying out first rapid thermal treatment on the first wafer control wafer; performing a second rapid thermal processing on the first wafer control wafer after the first rapid thermal processing to obtain a first resistance value trend curve; obtaining the preset resistance value trend curve according to the first resistance value trend curve; and obtaining the standard rapid thermal processing temperature condition of the first wafer control wafer according to the first resistance value trend curve and a preset resistance value trend curve. The invention solves the problems of poor resistance reproducibility of the edge area of the surface of the wafer control wafer and deviation of the surface resistance of the wafer control wafer from a target value in the prior art by carrying out two-stage rapid heat treatment on the wafer control wafer.)

一种晶圆控片的快速热处理方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及一种晶圆控片的快速热处理方法。

背景技术

快速热退火(RTA)是半导体加工工艺中的一种常规技术手段，一般是用来激活半导体材料中的掺杂元素和将由离子注入造成的非晶结构恢复为完整晶格结构。在部分类型的半导体器件制造中，快速热退火过程中晶圆的面内各区域所需的热预算是不同的，经过快速热退火后的晶圆极易存在面内各区域受热匹配度不合适的问题，该问题的解决方法之一就是降低晶圆边缘区域的退火温度，以期达到良好的晶圆边缘区域的热匹配，进而获得具有优异性能的半导体器件。

现有快速热退火技术通常采用晶圆控片的电阻值来调适快速热退火设备腔体的工作条件。但现在常用的降低晶圆控片表面边缘区域退火温度的方法，都会产生晶圆控片表面区域的电阻值再现性差，电阻值偏离目标值的问题，严重影响热处理后晶圆控片的质量。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种晶圆控片的快速热处理方法，通过对晶圆控片进行两阶段的快速热处理，解决了现有技术所导致的晶圆控片表面边缘区域的电阻值再现性差、晶圆控片表面电阻值偏离目标值的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种晶圆控片的快速热处理方法，其至少包括以下步骤：

提供第一晶圆控片；

对所述第一晶圆控片进行第一次快速热处理；

对经过所述第一次快速热处理后的所述第一晶圆控片进行第二次快速热处理，以取得第一电阻值趋势曲线；

依据所述第一电阻值趋势曲线，取得预设电阻值趋势曲线；

依据所述第一电阻值趋势曲线及所述预设电阻值趋势曲线，取得所述第一晶圆控片的标准快速热处理温度条件。

作为上述方案的进一步改进，所述第一次快速热处理中所采用的退火温度为900-1050℃。

作为上述方案的进一步改进，所述第一次快速热处理中所采用的退火时间为1-20sec。

作为上述方案的进一步改进，所述第一次快速热处理中所述第一晶圆控片表面呈现如下温度分布状态：所述第一晶圆控片表面自中心区域向边缘区域温度升高。

作为上述方案的进一步改进，所述第二次快速热处理中所采用的退火温度为900-1100℃。

作为上述方案的进一步改进，所述第二次快速热处理中所述第一晶圆控片的表面呈现如下温度分布状态：所述第一晶圆控片的表面自中心区域向边缘区域温度递减。

作为上述方案的进一步改进，在所述第二次快速热处理中将所述第一晶圆控片的表面按照离所述晶圆控片中心点的距离平均划分为多个同心圆区域。

进一步地，依据所述第一电阻值趋势曲线及所述预设电阻值趋势曲线，取得所述第一晶圆控片的标准快速热处理温度条件包括：依据所述第一电阻值趋势曲线及所述预设电阻值趋势曲线，对所述第一晶圆控片表面的所述多个同心圆区域分别进行温度调整，使所述第一电阻值趋势曲线与所述预设电阻值趋势曲线重合，此时对应的各区域温度条件则为所述第一晶圆控片的标准快速热处理温度条件。

作为上述方案的进一步改进，所述方法还包括依据所述标准快速热处理温度条件，对所述第二晶圆控片进行快速热退火，以验证所述标准快速热处理温度条件。

进一步地，所述验证方法至少包括：

提供第二晶圆控片；

依据所述标准快速热处理温度条件对所述第二晶圆控片进行快速热处理，取得经过所述快速热处理后的所述第二晶圆控片的第二电阻值趋势曲线；

设定晶圆控片的标准电阻值趋势曲线；

将所述第二晶圆控片的第二电阻值趋势曲线与所述晶圆控片的标准电阻值趋势曲线作比较，以证明利用所述标准快速热处理温度条件所获得的所述第二电阻值趋势曲线与所述标准电阻值趋势曲线之间是收敛的。本发明对第一晶圆控片进行两阶段的快速热处理，在第一次快速热处理的基础上，通过第二次快速热处理获得第一电阻值趋势曲线，对第一晶圆控片的各区域温度进行分别控温调整，在第一电阻值趋势曲线的基础上，取得预设电阻值趋势曲线，其中当第一电阻值趋势曲线与预设电阻值趋势曲线基本重合时，所对应的各区域温度条件，则为标准快速热处理温度条件。依据此标准快速热处理温度条件对第二晶圆控片进行快速热处理，则可以解决现有的对第二晶圆控片边缘降温后，产生的表面各区域电阻再现性差，电阻值偏离标准值的问题。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例中第一晶圆控片的快速热处理方法流程图；

图2为图1中所述第一晶圆控片经过第一次快速热处理后获得的第一电阻值趋势曲线图；

图3为图1中所述第一晶圆控片表面的控温区域划分图；

图4为图1中所述预设电阻值趋势曲线图；

图5为图3中所述第一晶圆控片表面各控温区域温度调整前后分别对应的第一电阻值趋势曲线比较图；

图6为图5中所述第一晶圆控片表面各控温区域温度调整后的第一电阻值趋势曲线与预设电阻值趋势曲线图的比较图；

图7为实施例中针对第二晶圆控片的标准快速热处理温度条件的验证流程图；

图8为图5中所述第二晶圆控片的第二电阻值趋势曲线与标准电阻值趋势曲线的比较图；

图9为另一实施例中第二晶圆控片递减降温且边缘降温为6℃所获得的第二电阻值趋势曲线图；

图10为另一实施例中第二晶圆控片递减降温且边缘降温为8℃所获得的第二电阻值趋势曲线图；

图11为另一实施例中不同设备采用标准快速热处理温度条件所获得的第二晶圆控片的第二电阻值趋势曲线比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种晶圆控片的快速热处理方法，这里的晶圆控片可以为硅晶圆控片、蓝宝石晶圆控片、碳化硅晶圆控片等所有半导体材料制成的晶圆控片，本实施例中以硅晶圆控片为例，例如2寸、4寸、6寸、8寸或12寸等各种合适半导体衬底应用尺寸的硅晶圆控片，它是在硅晶圆片的基础上经过离子注入获得的。

离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入晶圆片的过程。相对于扩散工艺，离子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂、可重复性和较低的工艺温度。离子注入工艺是在真空系统中，通过电场对离子进行加速，并利用磁场使其运动方向改变，从而控制离子以一定的能量注入晶圆片内部，从而在所选择的区域形成一个具有特殊性质的表面层(即注入层)，从而达到掺杂的目的。它的主要副作用是离子碰撞引起的半导体晶格断裂或损伤。为消除该损伤必须在适当的时间与温度下对晶圆片进行热处理，以消除晶圆片中的晶格缺陷和内应力，恢复晶格的完整性，使植入的掺杂原子扩散到替代位置，产生电特性。

快速热处理可以用来激活半导体材料中的掺杂元素和将由离子注入造成的非晶结构恢复为完整晶格结构。本发明中采用快速热处理方法对离子注入后的晶圆控片进行热处理，以消除晶圆控片中的晶格缺陷和内应力，使植入的掺杂原子扩散到替代位置，获得具有优质电特性的晶圆控片。

在部分类型的半导体器件制造中，快速热退火过程中晶圆的面内各区域所需的热预算是不同的，经过快速热退火后的晶圆极易存在面内各区域受热匹配度不合适的问题，该问题的解决方法之一就是降低晶圆边缘区域的退火温度，以期达到良好的晶圆边缘区域的热匹配，进而获得具有优异性能的半导体器件。

现有快速热退火技术通常采用晶圆控片的电阻值来调适快速热退火设备腔体的工作条件，但现在常用的降低晶圆表面边缘区域退火温度的方法，都会产生晶圆表面区域的电阻值再现性差，电阻值偏离目标值的问题，严重影响热处理后晶圆的质量。对于降低晶圆控片表面边缘区域的热处理温度，可以采用直接对晶圆控片表面边缘区域降温，使晶圆控片表面边缘区域的热预算减小，但是由于对晶圆控片表面边缘区域的控温不稳定，因此晶圆控片表面边缘区域的电阻值再现性差，相对于目标电阻值发生偏离。

对于降低晶圆控片表面边缘区域的热处理温度，还可以采用递减降温的方法实现，即自晶圆控片表面中心区域向晶圆控片表面边缘区域递减降温，从而使晶圆控片表面边缘区域的热预算降低，但是由于快速热处理的腔室的状态是非恒定的，这也了导致热处理状态的不恒定。另外，温度调整所对应的区域也存在电阻值偏离目标值的问题，并且越靠近晶圆控片表面边缘区域，电阻值偏离目标值也就越严重。

本发明提供了一种晶圆控片的快速热处理方法，它是对离子注入后的晶圆控片采用两阶段的快速热处理方法，在降低晶圆控片表面边缘区域的热处理温度的同时，还能避免出现晶圆控片的电阻值偏离目标值的问题。

请参阅图1，本发明提供的一种晶圆控片的快速热处理方法，至少包括以下步骤：

本实施例中，在步骤S101中，首先提供第一晶圆控片，在步骤S102中，对第一晶圆控片进行第一次快速热处理，这里的第一晶圆控片与生产中所用的晶圆控片参数一致，在第一次快速热处理中所采用的退火温度为900-1050℃，例如1000℃，退火时间为1-20sec，例如15sec，气氛可以为O2；气体流量为10-20slm，例如15slm。在第一次快速热处理中保证第一晶圆控片的表面呈现自中心区域向边缘区域温度升高的温度分布状态。

请参阅图1及图2，通过对第一次快速热处理后的第一晶圆控片进行电阻值检测可以看到，由于第一次快速热处理中的温度分布是呈现第一晶圆控片的表面自中心区域向边缘区域温度升高的状态，所以检测得到的电阻值呈现出的是由第一晶圆控片的表面中心区域向边缘区域逐渐下降的趋势。这是因为在热处理的高温下，第一晶圆控片内的本征激发开始起作用，第一晶圆控片内的载流子浓度呈现指数式的增加，虽然这时的迁移率仍然随着温度的升高而降低，但是这种迁移率降低的作用不如载流子浓度增加的影响作用强，所以总的效果是呈现电阻随着热处理温度的升高而下降。

在步骤S103中，对经过第一次快速热处理后的第一晶圆控片进行第二次快速热处理，对第二次快速热处理后的第一晶圆控片进行电阻检测，并获得第一电阻值趋势曲线，此第一电阻值趋势曲线上所对应的电阻值是第一晶圆控片经过第一次快速热处理后的电阻值与第一晶圆控片经过第二次快速热处理后电阻值的叠加值，是基于第一晶圆控片经过第一次快速热处理后的电阻值趋势曲线获得的。这里的电阻值趋势曲线是指在晶圆控片的表面按照离晶圆控片中心点的距离，由近至远取若干点，并测量相应点的电阻值后连成的一条曲线。

本实施例中，第二次快速热处理所采用的退火温度为900-1100℃，例如950℃，退火时间为5-60sec，例如40sec，气氛可以为N2；气体流量为10-30slm，例如20slm。在第二次快速热处理中使第一晶圆控片表面呈现自中心区域向边缘区域温度递减的温度分布状态。

请参阅图3、图4及图5所示，将第一晶圆控片的表面按照离中心点的距离平均划分为多个同心圆区域，例如划分为7个同心圆区域，分别标记为T1-T7区，在步骤S104中，设定在第一电阻值趋势曲线的基础上将曲线上的电阻值调整到同一水平线上后所呈现的曲线作为预设电阻值趋势曲线，由于第一晶圆控片的电阻值会随着温度的变化而变化，因此依据第一电阻值趋势曲线和预设电阻值趋势曲线，在步骤S105中，在已知的热处理温度基础上对T1-T7区域分别进行温度调整，使第一电阻值趋势曲线与预设电阻值趋势曲线基本重合，同时保证调整后的温度仍然保持中心区域温度高，边缘区域温度低的温度分布状态，此时获取的调整后的T1-T7区域的温度，即为标准快速热处理温度条件。

请参阅图5及图6所示，本实施例中采用如下热处理温度调整方式对第二次快速热处理中T1-T7区域的温度分别进行控温调整，例如T1区+2℃，T2区-1℃，T3区+0℃，T4区+0℃，T5区+1℃，T6区+1.5℃，T7区+3℃。图5中曲线1为区域控温调整前第一晶圆控片所获得的电阻值趋势曲线，曲线2为区域控温调整后第一晶圆控片所获得的电阻值趋势曲线，由图5可以看到通过调整T1-T7区域的热处理温度，电阻值趋势曲线发生了变化，原本电阻值上升的部分通过调高温度使其下降，原本电阻值下降的部分通过调低温度使其上升，如图6所示，最终使原本的第一电阻值趋势曲线(曲线2)上的电阻值趋向于预设电阻值趋势曲线(曲线1)，此时所对应的调整后的热处理温度，即为标准快速热处理温度条件。

请参阅图7及图8所示，本实施例中本方法还包括依据标准快速热处理温度条件，对第二晶圆控片进行验证，这里的第二晶圆控片是生产中通用的晶圆控片，它的各项参数均与第一晶圆控片保持一致。对第二晶圆控片进行验证的方法至少包括以下步骤：在步骤S106中，提供第二晶圆控片；在步骤S107中，依据标准快速热处理温度条件对第二晶圆控片进行快速热处理，取得经过快速热处理后的第二晶圆控片的第二电阻值趋势曲线；在步骤S108中，设定晶圆控片的标准电阻值趋势曲线；在步骤S109中，将第二晶圆控片的第二电阻值趋势曲线与晶圆控片的标准电阻值趋势曲线作比较，以证明利用标准快速热处理温度条件所获得的第二电阻值趋势曲线与标准电阻值趋势曲线之间是收敛的，这就证明该标准快速热处理温度条件基本解决了电阻偏离标准值的问题。若两曲线偏离较多，则需要根据上述方法重新调整第一晶圆控片上多个同心圆区域的温度，重新获取标准快速热处理温度条件。如图8所示，图中曲线1为本实施例中对第二晶圆控片验证后所得到的第二电阻值趋势曲线，曲线2为第二晶圆控片的标准电阻值趋势曲线，由图可见，两者之间基本重合，证明本实施例所获得的标准快速热处理温度条件是合适的。

本发明的方法所获得的标准快速热处理温度条件实现了对第二晶圆控片边缘区域的降温，同时不会造成电阻值相对于标准电阻值偏离的问题。本发明方法在第二次快速热处理过程中还可用于不同幅度的区域降温，只需要对第一次快速热处理的条件进行调整即可。

请参阅图9所示，另一实施例中，在第二次快速热处理过程中，采用各区域递减降温的方式调整已知的各区域热处理温度，晶片边缘的最大降温幅度为6℃，所获得的第二电阻值趋势曲线与图8中的第二晶圆控片的标准电阻值趋势曲线，即曲线2，基本一致，符合第二晶圆控片内电阻值的变化规律，证明本发明的方法可以实现第二晶圆控片边缘较大幅度的降温，且不会造成电阻值相对于标准电阻值偏离的问题。

请参阅图10所示，另一实施例中，在第二次快速热处理过程中，采用各区域递减降温的方式调整已知的热处理温度，晶片边缘的最大降温幅度为8℃，所获得的第二电阻值趋势曲线与图8中的第二晶圆控片的标准电阻值趋势曲线，即曲线2，基本一致，符合第二晶圆控片内电阻值的变化规律，证明本发明的方法可以实现第二晶圆控片边缘更大幅度的降温，且不会造成电阻值相对于标准电阻值的偏离。

请参阅图11所示，在其他实施例中还可以采用已经在一台设备上验证过的标准快速热处理温度条件，在多台设备上，例如3台，对第二晶圆控片的第二电阻值趋势曲线进行验证，并将3台设备所获得的第二晶圆控片的第二电阻值趋势曲线作比较，所获得的三条第二电阻值趋势曲线基本重合，证明所获得的标准快速热处理温度条件对于多台生产设备是通用的。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。