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            芯片熱處理工藝的瞬變溫度精確測控技術初探

            發布時間:2018-9-9??????發布人:澤天傳感??????點擊:

            在集成電路器件的制造工藝中,熱處理設備是必不可少的。如雜質激活、金屬合金化、氧化層生長或沉積、介質膜致密化等,都需要熱處理工藝,用到熱處理設備。在典型的熱處理工藝如離子注入退火工藝過程中,退火可以使摻雜原子遷移到晶格空缺位置,從而使其活化。但是,任何高溫退火工藝同時也會促進摻雜元素的擴散,并且擴散速度還會隨著溫度的提高而加快,因此,擴散程度取決于熱處理總量,即溫度和時間的乘積,而非最高溫度。如果要想使結晶受很高溫度的活化處理又不發生擴散,則晶片在高溫下的處理時間必須非常短。在這種情況下傳統的高溫退火爐其升溫速度(一般20℃/分鐘)就遠遠不能滿足現代工藝對熱處理工藝瞬變溫度精確測控技術的要求。隨著半導體器件集成度越來越高,半導體器件的特征尺寸已經逐漸向亞微米、深亞微米以下發展時,傳統的熱處理設備技術由于其無法克服的熱擴散效應,已經完全滿不能足高端器件制造工藝的要求。特別是當器件尺寸進入納米級的技術節點時,半導體集成電路器件制造工藝線上傳統的熱處理設備必將為新型的快速熱處理設備所取代。

            快速熱處理工藝其優點在于:可以通過減少熱預算來限制擴散和缺陷的形成,非??斓纳郎?250℃/秒)和降溫速率(80℃/秒),更短的工藝時間,硅中雜質運動最小,較小的腔體體積可以達到清潔的環境。此外,對于瞬變溫度的精確測控技術來說,其快速升溫、短時間快速處理的能力很重要,一方面先進半導體制造要求盡可能縮短熱處理時間、限制雜質擴散程度。另一方面用快速熱處理設備取代傳統的高溫爐可以大大縮短生產周期,減少制造耗時,因此對于良率提升階段來說瞬變溫度的精確測控技術特別有價值??焖贌崽幚砉に囈阎饾u成為先進半導體工藝制造過程中必不可少的一項工藝,其工藝設備已成為先進半導體制造工藝中與光刻機、離子注入機等設備同等重要的關鍵設備之一。

            由于鹵鎢素燈功率密度大、發光效率高、使用壽命長等優點,因此先進的瞬變溫度的精確測控技術普遍采用鹵鎢素燈作為加熱源,其工作原理框圖如圖1所示。

                

            圖 快速熱處理原理示意圖

            從圖示可知,熱處理工藝瞬變溫度精確測控技術實現的裝置主要包括以下幾個部分:①熱處理反應腔;②紅外測溫高溫計;③溫度控制器;④加熱燈功率調整驅動電路;其工作原理為:在控制計算機的指揮下,按照所設定的快速熱處理工藝溫度曲線,通過溫度控制器給熱處理反應腔體內的加熱燈設置初始的加熱功率;在加熱燈的輻射下,硅晶片快速升溫;紅外高溫計實時監測硅晶片的溫度,大約0.01秒檢測一次;紅外高溫計測得的溫度值反饋給溫度控制器;在溫度控制器內,實時溫度值與設定的溫度值進行比較,得出溫度差;溫度控制器根據溫度差和溫度控制算法去調整加熱燈的加熱功率適時變化,從而使硅晶片的溫度變化遵循設定的溫度曲線,完成整個快速熱處理周期。

            熱處理工藝瞬變溫度精確測控技術主要技術特點有:

            ①先進的熱處理瞬變溫度精確測控技術要求加熱系統的升溫速率最大能達到250℃/秒,對加熱腔體的加熱效率提出了很高的要求。因此必須對熱處理反應腔的熱工模型進行分析研究,充分考慮到各種因素對熱傳遞的影響,建立相應的數學模型并在計算機上進行仿真,計算出理論的加熱功率、熱源分布情況。在具體的加熱腔體設計時,必須對加熱源,加熱源的分布以及部件采用的材料,腔體特殊涂覆層工藝進行研究。

            ②溫度信號的測量:由于單晶片的快速熱處理過程對溫度的動態響應速度和靜態指標要求都很高。否則溫度的采樣信號不能及時提供給控制系統,造成溫度控制的滯后性,因此,溫度的測量也必須作到“快速、準確”。

            ③由于升溫速度快,因此傳統的PID溫度控制算法不能適用于瞬變溫度的精確測控技術,我們尋找新的算法和實現途徑,建立溫度控制的新數學模型,并通過理論和實驗的方法反復摸索、修正模型的參數,從而不斷優化控制的模型。

            瞬變溫度的精確測控技術是半導體集成電路制造中所需熱處理設備中的關鍵技術,集熱工、機械、電子、控制、傳感器、計算機等多學科先進技術于一體。:

            1、加熱腔體的結構設計

            目前在國外的快速退火設備中,爐腔大多數為對稱設計,一般為圓形或六角形,因此大部分的燈排列都采用同心圓的形式,晶片在加熱過程中需要旋轉,由于晶片大部分是放在石英頂針上,并未夾持,以防夾持處熱集中或散失,這就必需有一套精密的旋轉機構來實現以防止震動和保持水平,這對設計和加工都有一定的難度

            2、加熱燈的分區控制

            晶片在加熱腔體內的加熱過程中將受到燈組視野因子、氣體對流和熱傳導等因素的影響,這些因素將影響晶片邊緣的溫度比中心溫度低。對于一組尺寸有限的燈組,來自晶片外側的視野因子要比來自晶片中心的視野因子小,晶片的邊緣部位和燈組之間幾乎完全沒有直接的輻射交換。而且對于任何形狀的反應腔體,與晶片中心相比較,氣流能更有效地冷卻晶片的邊緣部位??傊@些邊緣效應可能導致幾十度的溫度梯度,這些溫度梯度將導致工藝的不均勻性,嚴重時可導致滑移和晶片的翹曲。

            為了盡量克服在加熱過程中可能出現的溫度邊緣效應,必須采取相應的技術手段。在設計中我們采取兩種技術手段來降低溫度邊緣效應的影響,即將燈管功率合理分配以及將加熱燈管分成若干個可獨立控制的加熱區。加熱燈源設計為上下兩排,每排各14根,成正交方向排列,所有燈管被分為10個控溫區域(上下各5個)以保證硅片上溫度均勻度,提高晶片溫度的均勻性。由于晶片在加熱過程中,晶片本身也是一個熱源,它本身的熱量通過輻射或對流的方式發散。而且晶片熱傳導的物理特性以及愈近外緣其散熱面積愈大,晶片的溫度分布會沿著半徑的方向向外遞減,因此在燈管的功率選擇上,外側的功率要大于內側,即區域1、區域5、區域6和區域10的燈管功率要大于其余區域的燈管功率。

            3、溫度測量系統設計

            在快速熱處理工藝過程中,要準確測到晶圓片的溫度,還要跟得上最大250℃/秒的升溫速度,測溫傳感器的選用是非常關鍵的因素。如果采用傳統的熱電偶測溫,則熱電偶必須與晶片表面接觸才能真實可靠地測量其表面溫度,但這種方式在高溫時會導致兩種結果的出現,一方面熱電偶會與晶片發生化學反應粘結在一起,另一方面接觸區域的溫度會因為熱電偶的導熱而造成局部溫度過低,造成溫度分布不均勻;除此之外熱電偶的響應速度慢、高溫時易氧化、壽命短等特點決定了在快速熱處理的高溫快速升溫工藝過程中不能采用熱電偶作為溫度傳感器,必須采用紅外高溫計對晶片實行非接觸式測溫。

            紅外輻射高溫計的測量原理在于:自然界一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量,紅外輻射能量大小及其波長的分布與其表面溫度有著十分密切的關系,通過測量物體在某一波長范圍內向外輻射的紅外能量的強度,便能準確地測定它的表面溫度。

            采用紅外高溫計進行非接觸式測量晶片表面溫度,合理選擇紅外高溫計的響應波長是至關重要的。

            對于溫度高于絕對溫度的物質,無論其形態如何都會發出紅外輻射,輻射的頻譜范圍為0.7到1000μm波長范圍,物體的溫度越高,輻射的能量就越強,并且能量分布的峰值會向短波長方向移動。

            在測溫過程中,紅外高溫計測溫并不是收集到被測物體在整個頻譜范圍的輻射能量,而是根據測溫范圍和被測物體的性質選定一個窄小的頻段范圍,收集該頻段上物體輻射的能量,根據能量的變化,測算出物體的溫度值。所以紅外高溫計有其特定的工作頻譜。

            4、溫度測量校準設計

            由于紅外高溫計測溫受到物體發射率的影響,因此紅外高溫計測到的晶片表面溫度如果不經過校準則不能反映晶片表面的真實溫度。即便同是硅晶片,也會由于其表面光潔度的不同、沉積層的不同,導致其發射率變化,而帶來測溫誤差。其次由于高溫計要透過石英腔體測量硅晶片的溫度,而在熱處理工藝中,隨著石英腔體表面微粒子的粘附,石英對紅外光的透射率也會下降,也會引起測溫誤差。因此為了消除這些因素引起的測溫誤差,專門設計測溫校準程序,其校準原理如下所述。

            在加熱腔中放入一塊嵌有標準K型熱偶的硅晶片(TC-Wafer),該硅晶片的溫度同時可以用高溫計和TC-Wafer測到,將TC-Wafer的溫度讀值視為標準讀值,則兩高溫計讀數值、TC-Wafer讀數值三值之間的關系可擬合為一線性多項式:y=a0+a1x1+a2x2,y—TC-Wafer讀數值,標準值;X1—高溫計1的讀數值;X2—高溫計2的讀數值。計算機控制加熱燈點亮且調整好加熱功率,硅晶片持續升溫。在升溫過程中,計算機通過高溫計和熱偶規同時采集到三組溫度值x1i、x2i、yi,再用最小二乘法擬合法列出方程,求解得到一個標準的溫度校準曲線作為系統文件保存在計算機內。

            圖 測溫校準原理圖

            5、溫度的自適應控制技術

            根據溫度測量傳感器的測溫特性,在快速熱處理設備中溫度測量將采用兩種不同的傳感器,其中熱電偶用于400℃~650℃的低溫度范圍內的溫度信號測量,在700℃~1200℃則采用光學高溫計。

            溫度控制的功能就是要按照設定的工藝曲線,使放入加熱腔中的晶片按照設定的升溫速率快速加熱到設定的溫度值,然后維持這個溫度一定時間的過程。由于其溫度調節速率要快,傳統的PID調節器已不能滿足設備要求,必須采用新的自適應PID調節算法,為了實現其溫度控制,必須軟件與硬件的協調配合工作。

            首先是要建立溫度控制的數學模型,但由于影響快速熱處理系統模型參數很多,如果想用純理論方法來獲取模型的各個參數,存在很大困難。因此在具體實施中采用了一種系統模型辨識的方法來獲取系統模型。由于快速熱處理的傳熱方式主要是通過熱幅射,且工作溫區大,使得系統存在高度非線性品質。影響系統熱模型因素很多,其中主要包括加熱燈功率、石英腔的大小、晶片的尺寸、溫度計的測溫精度和響應速度以及冷卻系統冷卻效率等幾個方面。

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