芯片热处理工艺的瞬变温度精确测控技术初探

在集成电路器件的制造工艺中，热处理设备是必不可少的。如杂质激活、金属合金化、氧化层生长或沉积、介质膜致密化等，都需要热处理工艺，用到热处理设备。在典型的热处理工艺如离子注入退火工艺过程中，退火可以使掺杂原子迁移到晶格空缺位置，从而使其活化。但是,任何高温退火工艺同时也会促进掺杂元素的扩散，并且扩散速度还会随着温度的提高而加快，因此，扩散程度取决于热处理总量，即温度和时间的乘积，而非最高温度。如果要想使结晶受很高温度的活化处理又不发生扩散，则晶片在高温下的处理时间必须非常短。在这种情况下传统的高温退火炉其升温速度（一般20℃/分钟）就远远不能满足现代工艺对热处理工艺瞬变温度精确测控技术的要求。随着半导体器件集成度越来越高，半导体器件的特征尺寸已经逐渐向亚微米、深亚微米以下发展时，传统的热处理设备技术由于其无法克服的热扩散效应，已经完全满不能足高端器件制造工艺的要求。特别是当器件尺寸进入纳米级的技术节点时，半导体集成电路器件制造工艺线上传统的热处理设备必将为新型的快速热处理设备所取代。

快速热处理工艺其优点在于：可以通过减少热预算来限制扩散和缺陷的形成，非常快的升温(250℃/秒)和降温速率(80℃/秒)，更短的工艺时间，硅中杂质运动最小，较小的腔体体积可以达到清洁的环境。此外，对于瞬变温度的精确测控技术来说，其快速升温、短时间快速处理的能力很重要，一方面先进半导体制造要求尽可能缩短热处理时间、限制杂质扩散程度。另一方面用快速热处理设备取代传统的高温炉可以大大缩短生产周期，减少制造耗时，因此对于良率提升阶段来说瞬变温度的精确测控技术特别有价值。快速热处理工艺已逐渐成为先进半导体工艺制造过程中必不可少的一项工艺，其工艺设备已成为先进半导体制造工艺中与光刻机、离子注入机等设备同等重要的关键设备之一。

由于卤钨素灯功率密度大、发光效率高、使用寿命长等优点，因此先进的瞬变温度的精确测控技术普遍采用卤钨素灯作为加热源，其工作原理框图如图1所示。

图 快速热处理原理示意图

从图示可知，热处理工艺瞬变温度精确测控技术实现的装置主要包括以下几个部分：①热处理反应腔；②红外测温高温计；③温度控制器；④加热灯功率调整驱动电路；其工作原理为：在控制计算机的指挥下，按照所设定的快速热处理工艺温度曲线，通过温度控制器给热处理反应腔体内的加热灯设置初始的加热功率；在加热灯的辐射下，硅晶片快速升温；红外高温计实时监测硅晶片的温度，大约0.01秒检测一次；红外高温计测得的温度值反馈给温度控制器；在温度控制器内，实时温度值与设定的温度值进行比较，得出温度差；温度控制器根据温度差和温度控制算法去调整加热灯的加热功率适时变化，从而使硅晶片的温度变化遵循设定的温度曲线，完成整个快速热处理周期。

热处理工艺瞬变温度精确测控技术主要技术特点有：

①先进的热处理瞬变温度精确测控技术要求加热系统的升温速率最大能达到250℃/秒，对加热腔体的加热效率提出了很高的要求。因此必须对热处理反应腔的热工模型进行分析研究，充分考虑到各种因素对热传递的影响，建立相应的数学模型并在计算机上进行仿真，计算出理论的加热功率、热源分布情况。在具体的加热腔体设计时，必须对加热源，加热源的分布以及部件采用的材料，腔体特殊涂覆层工艺进行研究。

②温度信号的测量：由于单晶片的快速热处理过程对温度的动态响应速度和静态指标要求都很高。否则温度的采样信号不能及时提供给控制系统，造成温度控制的滞后性，因此，温度的测量也必须作到“快速、准确”。

③由于升温速度快，因此传统的PID温度控制算法不能适用于瞬变温度的精确测控技术，我们寻找新的算法和实现途径，建立温度控制的新数学模型，并通过理论和实验的方法反复摸索、修正模型的参数，从而不断优化控制的模型。

瞬变温度的精确测控技术是半导体集成电路制造中所需热处理设备中的关键技术，集热工、机械、电子、控制、传感器、计算机等多学科先进技术于一体。：

1、加热腔体的结构设计

目前在国外的快速退火设备中，炉腔大多数为对称设计，一般为圆形或六角形，因此大部分的灯排列都采用同心圆的形式，晶片在加热过程中需要旋转，由于晶片大部分是放在石英顶针上，并未夹持，以防夹持处热集中或散失，这就必需有一套精密的旋转机构来实现以防止震动和保持水平，这对设计和加工都有一定的难度

2、加热灯的分区控制

晶片在加热腔体内的加热过程中将受到灯组视野因子、气体对流和热传导等因素的影响，这些因素将影响晶片边缘的温度比中心温度低。对于一组尺寸有限的灯组，来自晶片外侧的视野因子要比来自晶片中心的视野因子小，晶片的边缘部位和灯组之间几乎完全没有直接的辐射交换。而且对于任何形状的反应腔体，与晶片中心相比较，气流能更有效地冷却晶片的边缘部位。总之这些边缘效应可能导致几十度的温度梯度，这些温度梯度将导致工艺的不均匀性，严重时可导致滑移和晶片的翘曲。

为了尽量克服在加热过程中可能出现的温度边缘效应，必须采取相应的技术手段。在设计中我们采取两种技术手段来降低温度边缘效应的影响，即将灯管功率合理分配以及将加热灯管分成若干个可独立控制的加热区。加热灯源设计为上下两排，每排各14根，成正交方向排列，所有灯管被分为10个控温区域（上下各5个）以保证硅片上温度均匀度，提高晶片温度的均匀性。由于晶片在加热过程中，晶片本身也是一个热源，它本身的热量通过辐射或对流的方式发散。而且晶片热传导的物理特性以及愈近外缘其散热面积愈大，晶片的温度分布会沿着半径的方向向外递减，因此在灯管的功率选择上，外侧的功率要大于内侧，即区域1、区域5、区域6和区域10的灯管功率要大于其余区域的灯管功率。

3、温度测量系统设计

在快速热处理工艺过程中，要准确测到晶圆片的温度，还要跟得上最大250℃/秒的升温速度，测温传感器的选用是非常关键的因素。如果采用传统的热电偶测温，则热电偶必须与晶片表面接触才能真实可靠地测量其表面温度，但这种方式在高温时会导致两种结果的出现，一方面热电偶会与晶片发生化学反应粘结在一起，另一方面接触区域的温度会因为热电偶的导热而造成局部温度过低，造成温度分布不均匀；除此之外热电偶的响应速度慢、高温时易氧化、寿命短等特点决定了在快速热处理的高温快速升温工艺过程中不能采用热电偶作为温度传感器，必须采用红外高温计对晶片实行非接触式测温。

红外辐射高温计的测量原理在于：自然界一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量，红外辐射能量大小及其波长的分布与其表面温度有着十分密切的关系，通过测量物体在某一波长范围内向外辐射的红外能量的强度，便能准确地测定它的表面温度。

采用红外高温计进行非接触式测量晶片表面温度，合理选择红外高温计的响应波长是至关重要的。

对于温度高于绝对温度的物质，无论其形态如何都会发出红外辐射，辐射的频谱范围为0.7到1000µm波长范围，物体的温度越高，辐射的能量就越强，并且能量分布的峰值会向短波长方向移动。

在测温过程中，红外高温计测温并不是收集到被测物体在整个频谱范围的辐射能量，而是根据测温范围和被测物体的性质选定一个窄小的频段范围，收集该频段上物体辐射的能量，根据能量的变化，测算出物体的温度值。所以红外高温计有其特定的工作频谱。

4、温度测量校准设计

由于红外高温计测温受到物体发射率的影响，因此红外高温计测到的晶片表面温度如果不经过校准则不能反映晶片表面的真实温度。即便同是硅晶片，也会由于其表面光洁度的不同、沉积层的不同，导致其发射率变化，而带来测温误差。其次由于高温计要透过石英腔体测量硅晶片的温度，而在热处理工艺中，随着石英腔体表面微粒子的粘附，石英对红外光的透射率也会下降，也会引起测温误差。因此为了消除这些因素引起的测温误差，专门设计测温校准程序，其校准原理如下所述。

在加热腔中放入一块嵌有标准K型热偶的硅晶片（TC-Wafer），该硅晶片的温度同时可以用高温计和TC-Wafer测到，将TC-Wafer的温度读值视为标准读值,则两高温计读数值、TC-Wafer读数值三值之间的关系可拟合为一线性多项式：y=a0+a1x1+a2x2，y—TC-Wafer读数值，标准值；X1—高温计1的读数值；X2—高温计2的读数值。计算机控制加热灯点亮且调整好加热功率，硅晶片持续升温。在升温过程中，计算机通过高温计和热偶规同时采集到三组温度值x1i、x2i、yi，再用最小二乘法拟合法列出方程，求解得到一个标准的温度校准曲线作为系统文件保存在计算机内。

图 测温校准原理图

5、温度的自适应控制技术

根据温度测量传感器的测温特性，在快速热处理设备中温度测量将采用两种不同的传感器，其中热电偶用于400℃～650℃的低温度范围内的温度信号测量，在700℃～1200℃则采用光学高温计。

温度控制的功能就是要按照设定的工艺曲线，使放入加热腔中的晶片按照设定的升温速率快速加热到设定的温度值，然后维持这个温度一定时间的过程。由于其温度调节速率要快，传统的PID调节器已不能满足设备要求，必须采用新的自适应PID调节算法，为了实现其温度控制，必须软件与硬件的协调配合工作。

首先是要建立温度控制的数学模型，但由于影响快速热处理系统模型参数很多，如果想用纯理论方法来获取模型的各个参数，存在很大困难。因此在具体实施中采用了一种系统模型辨识的方法来获取系统模型。由于快速热处理的传热方式主要是通过热幅射，且工作温区大，使得系统存在高度非线性品质。影响系统热模型因素很多，其中主要包括加热灯功率、石英腔的大小、晶片的尺寸、温度计的测温精度和响应速度以及冷却系统冷却效率等几个方面。