利用真空环境的半导体退火方法
【专利说明】利用真空环境的半导体退火方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年3月15日提交的发明，发明人为詹尊仁(Tsun-JenChan)，标题为“利用真空环境的半导体退火工艺(SEMICONDUCTOR ANNEALING PROCESS UTILIZING AVACUUM ENVIRONMENT) ”的美国非临时专利申请第61/779，424号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
[0003]本发明总体涉及半导体技术领域，更具体地，涉及利用真空环境的半导体退火方法。
【背景技术】
[0004]已经开发了用于不同目的各种退火方法(均温退火、尖峰退火、毫秒退火等)。然而，所有这些方法均有其缺点。对于优势的技术而言，重点不仅在于对热量的控制，还在于对腔室环境的管理。现有的退火方法在处理期间都具有存在于工艺腔室内的气体(02、队或其他气体)。因此，环境控制和微粒问题的出现将不利的影响退火工艺。对于亚秒退火或毫秒退火而言，在非常短的时间内释放大量热能将引起严重的湍流(turbulence)，其将在晶圆表面上产生积累的微粒。考虑到环境控制，氧敏感的工艺通常使用质量流量控制器(MFC)和N2再填充以降低O2浓度。然而，残留的O2仍然具有某种水平的影响。同时，一致的环境控制(包括腔室匹配)是很困难的。
[0005]因此，对于现有技术中的退火工艺而言，需要减轻或消除前文中所述的缺点。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种半导体退火方法，包括:加热位于退火腔室内的半导体晶圆；以及改变所述退火腔室内的气压从而产生真空环境。
[0007]在上述半导体退火方法中，其中，改变所述气压包括:检测所述退火腔室内的气压；将所述检测的气压与用于所述半导体晶圆的处理规范的气压相比较；以及调整所述退火腔室内的所述气压以与所述处理规范的气压基本上相匹配。
[0008]在上述半导体退火方法中，其中，改变所述气压包括:检测所述退火腔室内的气压；将所述检测的气压与用于所述半导体晶圆的处理规范的气压相比较；以及调整所述退火腔室内的所述气压以与所述处理规范的气压基本上相匹配；进一步包括使用位于所述退火腔室内的电离真空计检测所述气压。
[0009]在上述半导体退火方法中，其中，改变所述气压包括:检测所述退火腔室内的气压；将所述检测的气压与用于所述半导体晶圆的处理规范的气压相比较；以及调整所述退火腔室内的所述气压以与所述处理规范的气压基本上相匹配；进一步包括使用可操作地连接至所述退火腔室的真空泵系统调整所述气压。
[0010]在上述半导体退火方法中，进一步包括:检测所述退火腔室内的温度；将所述检测的温度与用于所述半导体晶圆的处理规范的温度相比较；以及调整所述退火腔室内的所述温度以与所述处理规范的温度基本上相匹配。
[0011]在上述半导体退火方法中，其中，改变所述退火腔室内的所述气压包括产生小于0.076torr 的气压。
[0012]在上述半导体退火方法中，其中，改变所述退火腔室内的所述气压去除了所述半导体晶圆上的气体元素影响。
[0013]根据本发明的另一个方面，提供了一种半导体退火系统，包括:退火腔室，在所述退火腔室中退火半导体晶圆；加热元件，用于在退火过程中加热所述半导体晶圆；以及真空泵系统，可操作地连接至所述退火腔室，从而在所述退火腔室中产生真空环境。
[0014]在上述半导体退火系统中，进一步包括:温度传感器，位于所述退火腔室内；以及压力传感器，位于所述退火腔室内。
[0015]在上述半导体退火系统中，进一步包括:温度传感器，位于所述退火腔室内；以及压力传感器，位于所述退火腔室内；进一步包括可操作地连接至所述温度传感器、所述压力传感器和所述真空泵系统的控制系统，从而控制所述退火腔室内的温度和压力。
[0016]在上述半导体退火系统中，进一步包括:温度传感器，位于所述退火腔室内；以及压力传感器，位于所述退火腔室内；所述温度传感器为高温计；所述压力传感器为电离真空计；以及所述真空泵系统包括一个或多个初步抽气泵、涡轮泵和低温抽气泵。
[0017]在上述半导体退火系统中，其中，所述退火腔室是正侧退火腔室；背侧退火腔室；两侧退火腔室或激光退火腔室。
[0018]根据本发明的又一个方面，提供了一种半导体退火方法，包括:加热位于退火腔室内的半导体晶圆；以及从所述退火腔室中去除气体元素。
[0019]在上述半导体退火方法中，其中，从所述退火腔室中去除所述气体元素包括在所述退火腔室内产生真空环境。
[0020]在上述半导体退火方法中，其中，从所述退火腔室中去除所述气体元素包括:检测所述退火腔室内的气压；将所述检测的气压与用于所述半导体晶圆的处理规范的气压相比较；以及调整所述退火腔室内的所述气压以与所述处理规范的气压基本上相匹配。
[0021]在上述半导体退火方法中，其中，从所述退火腔室中去除所述气体元素包括:检测所述退火腔室内的气压；将所述检测的气压与用于所述半导体晶圆的处理规范的气压相比较；以及调整所述退火腔室内的所述气压以与所述处理规范的气压基本上相匹配；进一步包括使用位于所述退火腔室内的电离真空计检测所述气压。
[0022]在上述半导体退火方法中，其中，从所述退火腔室中去除所述气体元素包括:检测所述退火腔室内的气压；将所述检测的气压与用于所述半导体晶圆的处理规范的气压相比较；以及调整所述退火腔室内的所述气压以与所述处理规范的气压基本上相匹配；进一步包括使用可操作地连接至所述退火腔室的真空泵系统调整所述气压。
[0023]在上述半导体退火方法中，进一步包括:检测所述退火腔室内的温度；将所述检测的温度与用于所述半导体晶圆的处理规范的温度相比较；以及调整所述退火腔室内的所述温度以与所述处理规范的温度基本上相匹配。
[0024]在上述半导体退火方法中，其中，从所述退火腔室中去除所述气体元素包括从所述退火腔室中去除队或O 2气体元素中的至少一种。
[0025]在上述半导体退火方法中，其中，从所述退火腔室中去除所述气体元素包括在所述退火腔室中产生小于0.076torr的气压。
【附图说明】
[0026]当结合参考附图进行阅读时，根据下文具体的描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该强调，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘出且仅用于示出的目的。事实上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
[0027]图1是根据本发明的特定示例性实施例的利用真空腔室的半导体退火系统的方框图解视图；
[0028]图2是根据本发明的特定示例性方法的实施半导体退火方法的流程图；以及
[0029]图3是根据本发明的更详细的示例性方法的图2的方框206的流程图。
【具体实施方式】
[0030]本发明的以下内容提供了许多用于实施不同实施例的不同特征的不同实施例或实例。以下描述组件和配置的具体实例以简化本发明。当然，这仅仅是实例，并不用于限制本发明。另外，本发明可以在多个实例中重复参考标号和/或字符。这种重复用于简化和清楚，并且其本身不表示所述多个实施例和/或配置之间的关系。
[0031]根据本文的描述，在退火工艺过程中，本发明的示例性实施例利用真空环境消除和/或减轻了由退火腔室气体引起的问题。在普遍的实施例中，半导体退火系统包括退火腔室、加热元件和连接至退火腔室的真空泵从而在腔室中建立真空环境。将控制系统连接至该系统以使用由退火腔室内放置的传感器测量获得的温度和压力来控制真空压力。控制系统利用控制回路以保持由晶圆处理规范(wafer recipe)描述的温度和气压。通过使用真空环境，将消除O2或其他不期望的气体元素对晶圆的影响。此外，消除了在亚秒退火或毫秒退火过程中由气体湍流引起的微粒问题。因此，改进了微粒性能和气体元素敏感工艺的质量(例如，类似于高k介电(HK)工艺的氧敏感的工艺)。
[0032]参考图1，现在将描述本发明的特定示例性实施例。图1示出了利用正侧退火工艺的本发明的半导体退火系统100的第一示例性实施例。半导体退火系统100包括退火腔室102，在退火腔室102中对半导体晶圆116进行退火；用于加热半导体晶圆116的加热元件112、114 ;以及可选择地通过导管113连接至退火腔室102的真空泵系统118。
[0033]如本领域的理解，半导体晶圆116包括衬底，诸如硅衬底。可选地或附加地，半导体衬底可以包括元素半导体(包括锗)；化合物半导体(包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟);合金半导体(包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP或它们的组合)。此外，衬底也可以是绝缘体上半导体。而且，衬底可以包括各种互连件和/或集成电路和组件。如本领域普通技术人员可以从本发明中获知的，多个导电元件可以设置在衬底内，其可以包括多种导电金属，其可以具有各种大小和尺寸。此夕卜，半导体晶圆116可以进一步包括未单独描述的各种层，并且这些层可以结合在一起以形成微电子元件，诸如晶体管、二极管、栅极、介电层、掺杂的区域、逻辑器件等。
[0034]如图1所示，退火工艺腔室102包括位于半导体晶圆116之上的加热元件112 (例如，照射器)。另一个加热元件114位于半导体晶圆116之下以加热晶圆116的底部。如本领域普通技术人员将可以从本发明中获知的，在退火过程中，加热元件112、114加热半导体晶圆116。
[0035]退火腔室102进一步包括用于在退火腔室102中放置半导体晶圆116的狭缝阀门106。如将在下文中进行的更详细的描述，为了将压力/温度测量提供至用于控制腔室102的压力和温度的控制系统，在退火腔室102内放置多个温度和压力传感器。在这个示例性实施例中，提供了两个气压传感器104和一个温度传感器107ο压力传感器可以是例如电离真空计，而温度传感器107可以是例如高温计以检测晶圆116或腔室102的温度。在特定实施例中，气压传感器104位于邻近门106和排气口 109的位置，由于排气口 109所在的区域气体更容易发生泄漏，因此排气口 109将气体排入导管113内。然而，在可选实施例中，传感器可以位于其他位置。
[0036]真空泵系统118通过导管113可操作地连接至腔室102，以在退火过程中提供真空环境。在这个实施例中，真空泵系统118可以包括多个不同真空度的泵，诸如初步抽气泵、涡轮泵和低温抽气泵。在一个示例性实施例中，真空泵系统118可以具体有不同真空度的工作阶段。例如，在第一阶