CN100474547C - 半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，首先在硅片上淀积一层钛层和一层铝合金层，然后用光刻的方法制作出金属线条和大块金属，并测定金属线条的电阻，再将使硅片完成正常的生产工艺，之后再次测定金属线条的电阻，通过比较两次电阻值的变化，得到生产工艺流程中的温度。本发明与现有的温度监控方法比较，可以实时精确地测定在250℃到550℃温度范围之间的实际工艺温度及其均匀性，而不是以静态温度设定推算，采用的材料在半导体工艺中也最为常见，因此成本低廉，简便易行。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度测定的方法，尤其是一种应用于半导体工艺中的温度测定的方法。
背景技术
随着半导体工艺的进一步发展，半导体工艺要求越来越小的热预算，热工艺开始向低温发展。例如在硅化物生长工艺中，硅化物的材料逐渐从TiSi2(二硅化钛)到CoSi2(二硅化钴)，直到NiSi(硅化镍)，相应的，对于温度的控制从原来的600℃—700℃范围降低到400℃—500℃，直到250℃，而且控制的温度精度保持在5℃以内。
再比如，由于NiSi和Low-K(低介电系数)材料的采用，其高温不稳定性要求硅片制作过程中片内最高温度不能超过400℃-450℃，而且必须保持良好的均匀性。但是在比较先进的技术中，金属线条的宽度和间距又进一步减小，为了完全的填充线条以及各种介电材料的生长，HDPCVD(高密度等离子体化学气相沉积)和PECVD(等离子体增强化学气相沉积)等等离子体相关的技术普遍被采用，温度普遍设定于350℃-400℃之间。由于这种生长方式同时也是一种等离子体轰击衬底的过程，在轰击过程中超过90％以上的能量以热的形式被传递给了硅片，导致实际硅片生长过程中的温度大大高于设定值。因此，如何确切地获知硅片在加工过程中的温度成为了大规模生产中必须面对的一个难题，也是工艺技术进一步发展的前提。
现有的温度监控方法一般采用热电偶硅片或者红外高温仪来测定温度。对于采用热电偶硅片的方式，可参见图1所示。一般热电偶硅片在一片硅片内部五点贴上热电偶，然后放入需测温的设备处测温，估计一个设定温度与实际温度的差别进行调整。这种方法只能测设定的静态温度，对于实际温度就无能为力了；所测的温度均匀性由于取点数的限制，所得到的温度均匀性也显得很粗糙。更为重要的是，它只能在大于600℃的温度范围才可以保证误差5℃的精度，小于600℃，误差就会大于10℃。
另外一种常用的方法是利用红外高温仪。这种方法通过测定发热体的辐射波来计算温度，根据设定温度来调整所需要的温度。这种方法可以实时测定实际生产时的温度。但是由于成本和设备空间以及技术难度，没有办法测定实际硅片内部的温度场分布。并且它的有效测定范围只能在500℃以上(可以保证5℃的精度)，对于小于500℃的温度，则更多的是靠设定曲线外推，无法再保证同样的精度。
因此，上述两种方法只能测定设定温度和静态温度，对于半导体工艺特别是快速热处理和等离子体相关的工艺不能够测定实际生产时达到的温度；而且它们在各自的使用范围上也有限制，一般针对于大于600度以上的温度才具有较高的精度；更为重要的是不能够测定硅片内的实际半导体制作时的温度场均匀性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，可以在低温范围内监控硅片制作时的实际温度以及在硅片内的温度分布，并且保持足够的测量精度，该方法采用的材料在半导体工艺中最为常见，成本低廉，简便易行。
为解决上述技术问题，本发明半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法的技术方案是，依次包括如下步骤：
(1)在半导体硅片表面淀积一层氧化层；
(2)在硅片上以小于150℃的温度下淀积一层钛，然后在钛层之上以小于150℃的温度淀积一层铝合金；
(3)用光刻工艺定义金属线条以及线条引出的大块金属，然后制作出金属线条图形和大块金属；
(4)用探针台测定金属线条初始电阻并记录；
(5)将硅片放到设备上完成与实际工艺相同的过程；
(6)再一次用探针台测定金属线条的电阻，比较初始值，得出实际制作时的温度和温度场分布。
本发明与现有的温度监控方法比较，可以实时精确地测定在250℃到550℃温度范围之间的实际工艺温度及其均匀性，而不是以静态温度设定推算，采用的材料在半导体工艺中也最为常见，因此成本低廉，简便易行。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为现有安装有热电偶的硅片的示意图；
图2为本发明半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法的流程图；
图3为淀积了钛层和铝合金层的硅片示意图；
图4为对钛层和铝合金层进行光刻后的硅片示意图；
图5为大块金属和金属线条的示意图；
图6为在硅片完成实际工艺前用探针台测金属线条电阻的示意图；
图7为在完成实际工艺后的硅片上对氧化物进行平坦化的示意图；
图8为对氧化物进行光刻之后的示意图；
图9为在硅片完成实际工艺后用探针台测金属线条电阻的示意图；
图10为钛和铝合金的反应与时间的关系；
图11为钛和铝合金的反应与温度的关系。
图中附图标记为：1.热电偶；2.生长有氧化层的硅片；3.钛层；4.铝合金层；5.探针台；6.金属线条；7.大块金属；8.氧化层。
具体实施方式
实际半导体生产中普遍采用钛和铝合金作为金属连线材料。钛和铝会形成TixAly金属间化合物，其中x和y根据温度和Ti，Al比例的不同而变化，测量方块电阻就可以知道Ti与铝合金之间的反应程度。这个反应是前进式的和不可逆的过程，也就是说，它可以记录一个最高的温度，测量方块电阻变化通过已经建立的模型可以推算出Ti和铝合金之间的反应程度，再精确地推算实际生产时的最高温度。
本发明半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法的流程图可参见图2，首先在半导体硅片表面淀积一层氧化层，之后在硅片上以小于150℃的温度下淀积一层钛，所述钛层厚度在50nm与200nm之间，然后在钛层之上以小于150℃的温度淀积一层铝合金；铝合金层厚度在20nm与800nm之间，淀积有钛层和铝合金层的硅片结构可参见图3。再用光刻工艺定义金属线条以及线条引出的大块金属，然后制作出金属线条图形和大块金属，如图5所示。所述制作金属线条图形和大块金属的方式为采用反应离子刻蚀的方法，或者采用化学药品选择性腐蚀的方法，或者采用采用反应离子刻蚀与化学药品选择性腐蚀相结合的方法去掉多余的铝合金和钛，留下氧化层，形成金属线条和线条引出的大块金属。制作好的金属线条及大块金属如图6所示，其中所述金属线条之间间隔S大于0.5微米，线宽W1在0.1微米与100微米之间，所述大块金属的边长L和W2都在10微米与100微米之间。然后用探针台测定金属线条初始电阻并记录，如图7所示。再将硅片放到设备上完成与实际工艺相同的过程，该过程中最高温度不超过550℃。最后再一次用探针台测定金属线条的电阻，比较初始值，得出实际制作时的温度和温度场分布。
在将硅片完成与实际工艺相同的过程之后，可用化学机械抛光将氧化层平坦化，如图7所示，厚度减少到1000nm以下，然后在大块金属上用RIE(反应等离子体刻蚀)刻出pad(引脚)，如图8所示，之后再一次用探针台测定金属线条的电阻，如图9所示，比较初始值，得出实际制作时的温度和温度场分布。
本发明中钛和铝合金反应与时间的关系如图10所示，钛与铝合金反应与温度的关系如图11所示，根据经典理论，反应模式为层状推进，反应速率受扩散控制，与温度呈现良好的指数关系。与现有方法相比，本发明可以实时精确地测定在250℃到550℃温度范围之间的实际工艺温度及其均匀性，成本低廉，简便易行。
Claims (10)
1.半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
(1)在半导体硅片表面淀积一层氧化层；
(2)在硅片上以小于150℃的温度下淀积一层钛，然后在钛层之上以小于150℃的温度淀积一层铝合金；
(3)用光刻工艺定义金属线条以及线条引出的大块金属，然后制作出金属线条图形和大块金属；
(4)用探针台测定金属线条初始电阻并记录；
(5)将硅片放到设备上完成与实际工艺相同的过程；
(6)再一次用探针台测定金属线条的电阻，比较初始值，得出实际制作时的温度和温度场分布。
2.根据权利要求1所述的半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，其特征在于，所述钛层厚度在50nm与200nm之间；铝合金层厚度在20nm与800nm之间。
3.根据权利要求1所述的半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，其特征在于，所述制作金属线条图形和大块金属的方式为采用反应离子刻蚀的方法去掉多余的铝合金和钛，留下氧化层，形成金属线条和线条引出的大块金属。
4.根据权利要求1所述的半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，其特征在于，所述制作金属线条图形和大块金属的方式为采用化学药品选择性腐蚀的方法去掉多余的铝合金和钛，留下氧化层，形成金属线条和线条引出的大块金属。
5.根据权利要求1所述的半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，其特征在于，所述制作金属线条图形和大块金属的方式为采用反应离子刻蚀与化学药品选择性腐蚀相结合的方法去掉多余的铝合金和钛，留下氧化层，形成金属线条和线条引出的大块金属。
6.根据权利要求1所述的半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，其特征在于，所述光刻之后的金属线条之间间隔大于0.5微米。
7.根据权利要求1所述的半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，其特征在于，所述光刻之后的金属线条的线宽在0.1微米与100微米之间。
8.根据权利要求1所述的半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，其特征在于，所述大块金属的边长在10微米与100微米之间。
9.根据权利要求1所述的半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，其特征在于，所述步骤(5)中的最高温度不超过550℃。
10.根据权利要求1所述的半导体工艺中250℃到550℃范围内温度测定的方法，其特征在于，在所述步骤(5)之后用化学机械抛光将氧化层平坦化，厚度减少到1000nm以下，然后在大块金属上用反应等离子体刻蚀刻出引脚，之后进行步骤(6)。
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