[發(fā)明專利]快速脈沖氣體輸送的系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201180056074.1
• 申請日: 2011-09-28
• 公開（公告）號: CN103221576A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁軍華
• 申請（專利權(quán)）人: MKS儀器公司
• 主分類號: C23C16/52
• 分類號: C23C16/52;C23C16/455;C23C16/448;G05D7/06
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 張文達

相關(guān)申請

本申請要求于2010年9月29日提交的美國專利申請第12/893，554號的利益，這些申請的全部教導(dǎo)通過引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明通常涉及氣體輸送裝置，以及更具體地涉及適于快速脈沖氣體輸送的方法和系統(tǒng)。如本文所用的術(shù)語“氣體”包括術(shù)語“蒸氣”，如果這兩個術(shù)語被認為是不同的話。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體器件的制造或加工往往需要將多達十幾種的氣體以密切同步以及精確測量的方式輸送到處理工具，例如真空處理室。在制造過程中使用各種配方，且會需要許多分立的處理步驟，在上述處理步驟中對半導(dǎo)體器件進行清洗、拋光、氧化、掩膜、蝕刻、摻雜、金屬化等。所使用的步驟、其特定的順序和涉及的材料都有助于特定器件的制備。

隨著越來越多的器件尺寸縮小到90nm以下，對于各種應(yīng)用而言對原子層沉積或ALD工藝仍存在持續(xù)需求，諸如沉積屏蔽層以便銅互連、形成鎢成核層、以及制備高導(dǎo)電的電介質(zhì)。在ALD工藝中，兩種或更多種的前體氣體以脈沖的方式輸送以及流過在保持于真空下的處理室內(nèi)的晶圓表面。兩種或兩種以上的前體氣體以交替或相繼的方式流動，這樣氣體可與晶圓表面上的位點或官能團起反應(yīng)。當(dāng)所有可用的位點由前體氣體之一（例如，氣體A）飽和后，反應(yīng)停止，并使用吹掃氣體將多余的前體分子從處理室中吹掃走。當(dāng)下一前體氣體（即，氣體B）流過晶圓表面時，該過程重復(fù)進行。對于涉及兩種前體氣體的過程而言，一次循環(huán)可限定成前體A的一次脈沖、吹掃、前體B的一次脈沖、以及吹掃。一次循環(huán)可包括附加前體氣體的多次脈沖、以及前體氣體的多次重復(fù)，在前體氣體的相繼脈沖之間使用吹掃氣體。該順序重復(fù)，直到達到最終厚度。這些按序的自限式表面反應(yīng)導(dǎo)致在每次循環(huán)中沉積一個單層膜。

通常使用通/斷型閥來控制到處理室內(nèi)的前體氣體的脈沖，上述閥僅打開一段預(yù)定的時間以便將每次脈沖所需量（質(zhì)量）的前體氣體輸送到處理室內(nèi)。備選地，質(zhì)量流量控制器用于在短的時間間隔內(nèi)以預(yù)定的和可重復(fù)的流率輸送一定量（質(zhì)量）的氣體，該質(zhì)量流量控制器為自我控制裝置，其包括換能器、控制閥、以及控制和信號處理的電子器件。在這兩種情況下，流入處理室內(nèi)的材料量（質(zhì)量）未經(jīng)實際測量，而是由理想氣體定律的測量參數(shù)來推斷的。

已知為脈沖氣體輸送（PGD）裝置的系統(tǒng)已被研發(fā)出來，其可測量前體氣體脈沖的質(zhì)量流量且將其輸送到半導(dǎo)體處理室以及其它處理工具。這種裝置設(shè)計成提供適用于半導(dǎo)體制造工藝（諸如原子層沉積（ALD）工藝）中的可重復(fù)的和精確量（質(zhì)量）的氣體。

PGD裝置通常包括在處理室或工具上游的氣體輸送容器或輸送室，其容納在ALD工藝期間中將被輸送的氣體。通過測量輸送室內(nèi)氣體的壓力和溫度，以及根據(jù)輸送過程中輸送室內(nèi)氣體的壓降來控制來自輸送室的氣體流量，可精確地控制在ALD期間所輸送的氣體脈沖質(zhì)量。由位于PGD輸送室和接收氣體的處理工具之間的通/斷型排氣閥來控制脈沖氣體從輸送室的流動（流量）。閥打開即接通以便輸送給定質(zhì)量的脈沖氣體所需的時間量還是處理室內(nèi)的氣體起始壓力和處理室或處理工具的下游側(cè)壓力的函數(shù)。例如，對于需要輸送的給定量的氣體而言，輸送室內(nèi)的起始壓力處于較高的起始壓力與處于較低的起始壓力相比需要閥打開更短的時間，其原因在于在較高的起始壓力下更迅速地發(fā)生質(zhì)量流量。對于快速脈沖氣體輸送應(yīng)用而言應(yīng)嚴格控制PGD的充氣階段和輸送階段，以確保精確地輸送規(guī)定的一種或多種氣體的量。因此應(yīng)嚴格控制PGD的上游側(cè)壓力以及PGD中的充氣壓力，以便滿足ALD工藝的可重復(fù)性和精確性的要求。

此外，當(dāng)PGD的進氣閥和排氣閥根據(jù)指令用于給室充氣或輸送氣體脈沖時，PGD的進氣閥和排氣閥具有從一種狀態(tài)（通/斷）過渡到另一種狀態(tài)（斷/通）的有限響應(yīng)時間。例如，ALD應(yīng)用中氣動關(guān)斷閥的典型響應(yīng)時間約5至35毫秒之間。閥響應(yīng)時間會導(dǎo)致對由PGD控制器發(fā)送的閥指令的響應(yīng)延遲，這會導(dǎo)致PGD室過度充氣或?qū)⑦^量的氣體脈沖輸送到如圖2中所示的處理室或工具。例如，在PGD的充氣模式下，排氣閥關(guān)閉，進氣閥打開以便于氣體進入PGD的輸送室，并且PGD控制器監(jiān)測壓力變化。在輸送室達到通過考慮進氣閥的響應(yīng)時間（或延遲）而確定的壓力設(shè)定值之前，PGD控制器需要將關(guān)斷命令提前發(fā)送給進氣閥；否則，輸送室會被過度充氣或輸送室壓力高于設(shè)定值。