一种提高快速退火炉片间重复性的方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，具体涉及一种提高快速退火炉片间重复性的方法。

背景技术

随着半导体集成电路的不断发展，竞争变得非常激烈，能够批量生产是在激烈竞争中赢得生存的至关重要因素，批量生产最基本要求是同一批次晶圆在生产过程中具有高度的片间重复性，快速退火炉作为半导体工艺中一个重要制程，对晶圆工艺过程中的片间重复性要求很高。

目前主流的快速退火炉是单片作业，由腔室外面的灯管对腔室里面的晶圆加热，整个加热过程时间非常短：5～30秒内快速上升到500～1250℃范围；退火约10～60秒；迅速(10～90秒)降温到500℃以下；一片晶圆退火过程一般不超过3分钟。在退火过程中，腔室同时需要通入工艺气体。除了灯管加热的温度，腔室温度和腔室气体也是影响快速退火工艺两个至关重要的因素。快速退火炉简单结构如图1所示。

在整个工艺过程中，腔室的环境需要一定的时间才能稳定，主要表现为：1)腔室升降温速度比灯管慢；2)工艺气体需要一定时间才能稳定分布在整个腔室里面。受升降温速度和气体分布影响，整个腔室环境变化滞后灯管的快速加热，直到工艺一定数量晶圆后，腔室环境才趋于稳定。晶圆退火时候除了受灯管加热温度影响外，还受腔室环境(腔室温度和气体在腔室的分布)的影响，在腔室环境稳定前作业的晶圆片由于受腔室环境变化的影响，片间差异较大，重复性比较差，尤其是第一片最明显，这种现象在半导体集成电路制造工艺中称为首片效应

综上所述，产品在工艺过程中如何快速稳定腔室环境，减少甚至消除首片效应，提高快速退火炉片间重复性，在半导体快速退火工艺中一直是难以解决的问题。

发明内容

针对现有技术中快速退火工艺中存在的片间重复性问题(即首片效应问题)，本发明提供一种提高快速退火炉片间重复性的方法，其利用不带氧化层的晶圆经过离子注入掺杂退火后测试方块电阻表征腔室环境，同时实现作业产品前对腔室进行一定时间的预热和工艺气体稳定，通过对预热时间的精确控制获得高度稳定的腔室环境，能够有效提高工艺的重复性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种提高快速退火炉片间重复性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在多片晶圆监控片上进行离子注入掺杂；

2)使用快速退火炉对离子注入掺杂后的多片晶圆监控片依次实施快速退火工艺，并记录各晶圆监控片作业的先后顺序；

3)测量经步骤2)处理后的每一片晶圆监控片的方块电阻，测试顺序与所述快速退火作业顺序一致；

4)根据步骤3)得到的各片晶圆监控片的方块电阻值得出方块电阻达到稳定时的值，将该稳定值记作K；

5)对单片离子注入掺杂后的晶圆监控片快速退火并引入预热工艺，测试得到不同预热时间点与晶圆监控片的方块电阻值数值关系H；根据数值关系H和所述稳定值K得到与稳定值K所对应的预热作业时间β；

以作业时间β为预热时间对快速退火炉腔室进行预热后再进行快速退火作业。

在一种可能的工艺设计方式中，步骤1)中所述晶圆监控片不带氧化层。

在一种可能的工艺设计方式中，步骤1)中所述离子注入掺杂的掺杂条件由快速退火温度、工艺气体种类和流量确定。

在一种可能的工艺设计方式中，晶圆监控片选用P型衬底，则对应掺杂P或As元素；晶圆片选用N型衬底则对应掺杂B或BF2元素。

进一步的，在所述步骤2)的快速退火炉工艺作业前不对快速退火炉腔室进行预热。

更进一步的，在所述步骤2)中快速退火炉作业前对机台进行闲置冷却，关闭工艺气体，待腔室温度冷却到室温再进行作业。

在一种可能的工艺设计方式中，所述步骤4)中连续两片或两片以上晶圆监控片的方块电阻值波动小于一定值时判定方块电阻达到稳定，K值取波动小于一定值时各晶圆监控片方块电阻平均值。

在一种可能的工艺设计方式中，所述步骤5)快速退火预热工艺采用预热菜单实现，预热菜单的结构与产品菜单一致，区别在于对预热菜单时间进行拉偏，拉偏时间大于产品菜单时间。

进一步的，每次时间拉偏只用1片晶圆进行快速退火和测试，每次作业前对机台进行闲置冷却，关闭工艺气体，待腔室温度冷却到室温再进行作业。

更进一步的，所述预热菜单的工艺控制模式为时间。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

比较落后的快速退火炉或者开始老化的快速退火炉设备中，腔室温度反应远远慢于灯管温度，气路中的阀门和流量计的老化，腔室的排风性能变差也对工艺气体的稳定和分布影响很大，有的腔室要作业7，8片后腔室才趋于稳定，首片效应非常明显。这种机台首片效应产生的片间重复性较差，前十片片间差异达到1％以上(如图2中机台固有曲线所示)。目前业界为解决快速退火炉首片效应，提高片间重复性，提出了一些改进做法，例如：在产品快速退火工艺前直接加功率进行腔室加热，这种方法可以减小首片效应，片间重复性有提高，前十片片间差异在0.5％-1％(如图2中现有技术曲线所示)，但是，它只考虑腔室的温度因素，没有考虑腔室气体因素，没有准确得出工艺腔室稳定时腔室的环境，改善效果有限。

本发明通过不带氧化层的晶圆经过离子注入掺杂退火后测试方块电阻表征腔室环境，同时提供产品菜单设置预热菜单，作业前加热腔室和通工艺气体，然后对预热菜单的时间进行拉偏，算出腔室环境稳定时的时间，最后并将时间写入预热菜单的方法，实现作业晶圆前预热菜单对腔室环境的精确控制，获得高度稳定的腔室环境，大幅减少晶圆退火过程中首片效应现象，从而提高工艺的重复性。

附图说明

图1是快速退火炉简单结构示意图。

图2为快速退火炉片间重复性对比示意图；

图3为本发明快速退火炉工艺产品菜单(Product recipe)示意图；

图4为本发明产品菜单和预热菜单时间一致情况下的带有预热菜单(Pre-recipe)的快速退火炉产品菜单(Product recipe)示意图；

图5为本发明预热菜单工艺时间是和产品菜单2倍情况下的带有预热菜单(Pre-recipe)的快速退火炉产品菜单(Product recipe)示意图；

图6为本发明预热菜单工艺时间是拉偏后计算出的时间β情况下的带有预热菜单(Pre-recipe)的快速退火炉产品菜单(Product recipe)示意图；

图7为本发明实施例1中测量所得每一片晶圆的方块电阻记录曲线图；

图8为本发明实施例1中预热菜单时间和方块电阻的关系示意图；

图9为本发明实施例2中测量所得每一片晶圆的方块电阻记录曲线图；

图10为本发明实施例2中预热菜单时间和方块电阻的关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明以Mattson Technology Inc的2800型快速退火炉为例对发明具体制造过程进行阐述。

本发明所涉及到的具体制造工艺包括：

1、不加预热菜单的产品菜单(菜单界面如图3所示)；

2、加预热菜单的产品菜单，预热菜单和产品菜单工艺时间一致(菜单界面如图4所示)，其中，产品菜单(Product recipe)和预热菜单(Pre-recipe)时间一致；

3、加预热菜单的产品菜单，预热菜单时间是产品菜单工艺2倍(菜单界面如图5所示)，其中，预热菜单(Pre-recipe)工艺时间是和产品菜单(Product recipe)2倍，本发明不局限于2倍，仅为举例；

4、加预热菜单的产品菜单，预热菜单时间是通过本发明计算出时间(菜单界面如图6所示)，其中，预热菜单(Pre-recipe)工艺时间是拉偏后计算出的时间β。

需要指出的是：本发明附图仅显示退火炉工艺菜单的主工艺步骤，且主工艺步骤只显示时间，温度，气体，控制模式，其余未显示步骤均适用于附图。

具体制造工艺简要归纳为：(1)在多片晶圆监控片上离子注入掺杂；(2)用快速退火炉工艺菜单Product recipe A作业多片注入晶圆，并记录作业的先后顺序；(3)用方阻仪器按照退火顺序分别测试每片晶圆的方块电阻；(4)记录并计算方块电阻达到稳定时的值K值；(5)快速退火炉产品Product recipe菜单设置预热菜单Pre-recipe，其内容与产品菜单Product recipe保持一致；(6)用单片的注入监控片，对含预热菜单的快速退火炉工艺菜单进行预热菜单时间拉偏，得出预热菜单的时间和方块电阻的关系；(7)算出单片晶圆退火后电阻值为K时预热菜单的时间β；(8)对快速退火菜单的预热菜单Pre-recipe重新设置时间为β；(9)预热菜单Pre-recipe的工艺控制模式(condition)为时间。

实施例1：

当快速退火炉温度大于900℃时，具体制造工艺包括：

1)15片P型晶圆监控片，进行离子注入，条件为As元素，能量为20KEV，剂量为1E16，需要连续注入或大盘一起作业，确保监控片状态一致。

2)快速退火炉关闭气体，闲置20分钟以上，放入10片注入后的监控片连续作业，快速退火工艺产品菜单为需要优化菜单，如：主工艺温度为1000度，主工艺时间为20秒，通5slm的N2，简写1000RT20。并记录作业的先后顺序。

3)用方阻仪器按照退火顺序依次测试每一片晶圆的方块电阻，并做记录，如表1。画出方块电阻图，如图7所示，第7-9片的电阻波动小于0.2％，算出7-9片方块电阻值平均值83.57Ω/□时为稳定值。

表1每一片晶圆的方块电阻记录表(快速退火炉温度大于900℃时)

4)产品菜单1000RT20设置预热菜单Pre-1000RT20，设置与产品菜单一致，快速退火炉关闭工艺气体，闲置20分钟以上，用产品菜单1000RT20秒退火作业一片注入监控片，测出方块电阻为81Ω/□。

5)产品菜单1000RT20设置预热菜单Pre-1000RT40，主工艺时间为40秒，其余设置与产品菜单一致，快速退火炉关闭工艺气体，闲置20分钟以上，用产品菜单1000RT20秒退火作业一片注入监控片，测出方块电阻为84.6Ω/□。

6)根据预热菜单20秒对应方块电阻81Ω/□，40秒对应方块电阻84.6Ω/□的关系，得出预热菜单时间和方块电阻的关系，如图8所示。根据图8算出方块电阻为83.57时候，预热菜单Pre-1000RTXX时间为35秒。

7)产品菜单1000RT20设置上预热菜单，为Pre-1000RT35，其工艺时间为35秒。

实施例2：

当快速退火炉温度小于900℃时，具体制造工艺过程阐述如下：

1)15片P型晶圆监控片，进行离子注入，条件为P元素，能量为50KEV，剂量为1E14，需要连续注入或大盘一起作业，确保监控片状态一致。

2)快速退火炉关闭气体，闲置20分钟以上，放入10片注入后的监控片连续作业，快速退火工艺菜单为需要优化产品菜单，主工艺温度为800度，主工艺时间为30秒，通3slm的N2，简写800RT30。并记录作业的先后顺序。

3)用方阻仪器按照退火顺序依次测试每一片晶圆的方块电阻，并做记录，如表2。画出方块电阻图如图9所示，第8-10片的电阻波动小于0.2％，算出8-10片方块电阻值平均值875.7Ω/□时为稳定值。

表2每一片晶圆的方块电阻记录表(快速退火炉温度小于900℃时)

4)产品菜单800RT30设置预热菜单Pre-800RT30，主工艺时间为30秒，快速退火炉关闭工艺气体，闲置20分钟以上，用产品菜单800RT30秒退火作业一片监控片，测出方块电阻为867.5Ω/□。

5)产品菜单800RT30设置预热菜单Pre-800RT60，主工艺时间为60秒，快速退火炉关闭工艺气体，闲置20分钟以上，用产品菜单800RT30秒退火作业一片监控片，测出方块电阻为881Ω/□。

6)根据预热菜单30秒对应方块电阻867.5Ω/□，60秒对应方块电阻881Ω/□的关系得出预热菜单时间和方块电阻的关系，如图10所示。根据图10算出方块电阻为875.7时候，预热菜单Pre-1000RTXX时间为48秒。

7)将产品菜单800RT30设置上预热菜单，为Pre-800RT48，预热菜单Pre-800RT48的工艺时间为48秒。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。