专利名称：脉冲质量流量输送系统及方法
技术领域：
本发明通常涉及半导体制造设备，更具体地，涉及用于将精确数量的工艺气体输送到半导体工艺室的系统和方法。更加具体地，本发明公开涉及用于将前体气体(precursor gases)的脉冲质量流量输送到半导体工艺室中的系统和方法。
背景技术：
半导体器件的制造或加工通常需要严格地同步并精确测量输送到工艺室的许多气体的输送量。在制造工艺中使用各种方法和许多分立的工艺步骤，其中半导体器件需要被清洗、抛光、氧化、掩蔽、蚀刻、掺杂、金属化等。所使用的步骤、其具体次序和所包括的材料都对具体器件的制备有影响。
由于器件尺寸持续缩小到90nm以下，半导体发展(roadmap)提出一种将在许多应用中需要的原子层沉积(ALD)工艺，例如用于铜互连的阻挡层的沉积、钨晶核层的制造和高传导性介质的生产。在ALD工艺中，两种或更多种前体气体流过保持真空的工艺室中的晶片表面上方。两种或更多前体气体以交替(或脉冲)方式流动，以便使气体可以与晶片表面上的结构或功能组反应。当所有可用结构都以前体气体之一(例如，气体A)饱和时，停止反应并使用净化气体从工艺室清除过多的前体分子。当下一前体气体(即，气体B)流过晶片表面上方时，重复该工艺。将一个循环定义为前体A的一个脉冲、净化、前体B的一个脉冲和净化。重复该顺序直到达到最终的厚度。这些连续的、受自身制约的表面反应在每个循环产生沉积膜的一个单层。
一般使用开/关型阀门控制进入工艺室的前体气体的脉冲，开/关型阀门仅打开预定的时间段以便将所需量的前体气体输送到工艺室中。或者，在短时间间隔中，使用质量流量控制器输送可重复的气体流速，而不是一定质量或数量的气体，质量流量控制器是由传感器、控制阀和控制与信号处理电路构成的自给(self-contained)装置。在这两种情况中，不能实际测量流到工艺室中的材料(质量)数量。
仍然需要一种新的改进的系统和方法，用于测量并将前体气体的脉冲质量流量输送到半导体工艺室中。优选地，该系统和方法将实际测量流到工艺室中的材料(质量)数量。此外，优选地，该系统和方法提供用在诸如原子层沉积(ALD)工艺的半导体制造工艺中的高重复性和精确数量的气体质量。
发明内容
本公开提供了一种用于输送所需质量的气体的系统。该系统包括室；控制流入室中的气体的第一阀门；控制流出室的气流的第二阀门；提供室内压力测量的压力传感器；输入装置，用于提供将被该系统输送的所需气质量体；连接到阀门、压力传感器和输入装置的控制器。将控制器编程为从输入装置接收所需气体质量；关闭第二阀门并打开第一阀门；接收来自压力传感器的室压测量；当室内压力达到预定水平时关闭入口阀门；然后控制器被编程为等待预定的等待时间段，以使室内部的气体达到平衡状态；在时间＝t0时打开出口阀门；并且当释放的气体质量等于所需质量时在时间＝t*时关闭出口阀门。
根据本公开的一个方面，释放的质量Δm等于Δm＝m(t0)-m(t*)＝V/R[(P(t0)/T(t0))-(P(t*)/T(t*))]，其中，m(t0)是时间＝t0时输送室中的气体质量，m(t*)是时间＝t*时输送室中的气体质量，V是输送室的容积，R等于普适气体常数(8.3145J/mol K)，P(t0)是时间＝t0时室内的压力，P(t*)是时间＝t*时室内的压力，T(t0)是时间＝t0是室内的温度，T(t*)是时间＝t*时室内的温度。
根据本公开的另一方面，系统还包括固定到输送室并连接到控制器的温度探针，而且温度探针直接向控制器提供T(t0)和T(t*)。
根据本公开的再一方面，系统还包括固定到输送室并连接到控制器的温度探针。T(t0)和T(t*)由下式计算dT/dt＝(ρSTP/ρV)Qout(γ-1)T+(Nuk/l)(AW/VCvρ)(TW-T)。其中，ρSTP是标准温度和压力(STP)条件下的气体密度，ρ等于气体密度，V是室的容积，Qout是流出输送室的气流，T等于绝对温度，γ是比热比，Nu是Nusslets数，k是气体的热传导率，Cv是恒定体积下的比热，l是输送室的特征长度，且TW是由温度探针提供的室壁的温度。
根据本公开的又一方面，流出输送室的气流Qout由下式计算Qout＝-(V/ρSTP)[(1/RT(dρ/dt)-(P/RT2)(dT/dt)]。
除了其他方面和优点之外，本公开提供了一种用于将前体气体的脉冲质量流量输送到半导体工艺室中的新的改进系统和方法。该质量流量输送系统和方法实际测量流入工艺室中的材料(质量)数量。此外，本系统和方法提供了在诸如原子层沉积(ALD)工艺的半导体制造工艺中使用的高重复性且精确数量的气体质量。
通过以下详细描述本公开的其他方面和优点对本领域技术人员来说将变得更加明显，其中仅以说明方式示出并描述了本公开的示例性实施例。如可理解的那样，本公开可以是其他不同的实施例，且其一些细节可以各种显而易见的方面进行修改，且完全不脱离本公开。因此，附图和说明书应被视为说明性的而不是限制性的。
参考附图，其中全文中具有相同参考符号的元件表示相同元件，且其中图1是根据本公开构造的脉冲质量流量输送系统的示例性实施例的示意图；图2是包括两个图1的脉冲质量流量输送系统的原子层沉积系统的示例性实施例的示意图；图3是说明根据本公开用于输送脉冲质量流量的方法的示例性实施例的流程图，其中该方法可用于操作图1的脉冲质量流量输送系统；图4是进行图3的方法时，图1系统的室内压力与时间的关系曲线图；图5是在完成图3的方法后，图1系统的室内压力与时间的关系曲线图；图6是进行图3的方法时，图1系统室内的实际压力、温度和质量与模拟温度和质量与时间的关系曲线图；图7是根据现有技术构造的原子层沉积系统的示例性实施例的示意图。
具体实施例方式
参考图1，本公开提供了质量流量输送系统10的示例性实施例，并且，在图2中，本公开提供了用于输送质量流量的方法100的示例性实施例。系统10和方法100具体用于将无污染的精确计量数量的工艺气体输送到半导体工艺室。质量流量输送系统10和方法100实际测量流到工艺室中的材料(质量)数量。此外，该系统和方法提供了在诸如原子层沉积(ALD)工艺的半导体制造工艺中使用的高重复性和精确数量的气体质量。然而，在描述本公开的系统10和方法100之前，首先描述原子层沉积设备的例子以提供背景信息。
图7是根据现有技术构造的原子层沉积系统30的示例性实施例的示意图。系统30包括用于容纳半导体晶片或衬底32的工艺室31。通常，晶片32位于支撑体(夹盘)33顶上并将加热器34连接到夹盘以便加热夹盘33和衬底32，以进行等离子体沉积。通过位于室31一端的气体分配器35将工艺气体引入室31中。将真空泵36和节流阀37设置在相反的一端，以便使气体流过晶片表面并调节工艺室内的压力。
系统30还包括用于混合各种工艺气体的混合汇流管38、用于形成等离子体的等离子体形成区39。可以利用各种用于组合气体并形成等离子体的化学气相沉积(CVD)技术，包括修改现有技术中已知的技术。然后将远程形成的等离子体送入气体分配器35中，再送入工艺室31中。
混合汇流管38具有用于引入气体和化学物质的两个入口。引入载气和气流，其在混合汇流管38处分开。载气通常是惰性气体，例如氮气。混合汇流管38还具有用于化学物质的两个入口。在图7的示意图中，示出了将化学物质A和化学物质B与载气组合化学物质A属于第一前体气体且化学物质B属于第二前体气体，用于在工艺室31中的半导体晶片32上进行原子层沉积。提供包括多个调节阀门的化学物质选择汇流管40和41，用于选择分别可用作前体气体A和B的化学物质。开/关型阀门42和43分别调节向混合汇流管38引入前体气体A和B。
一旦晶片32位于工艺室31中，就使室环境满足所需的参数。例如，为了进行原子层沉积而升高半导体晶片32的温度。打开载气流，以便在气体被通过泵36建立的真空吸引时存在恒定调节流量的载气。当将要进行原子层沉积时，打开阀门42使第一前体引入到载气流中。在预选时间后，关闭阀门42，并用载气从工艺室31中净化任何残留的活性成分。然后，打开阀门43将第二前体引入到载气流中。再次在另一预选时间后，关闭阀门43并用载气从工艺室31中净化活性成分。将两种化学物质A和B交替引入到载气流中，以进行原子层沉积循环以便在半导体晶片32上沉积膜层。
由此，通过简单地将开/关型阀门42和43打开预定时间段，以将需要量的前体气体输送到工艺室31中，来控制进入工艺室31中的前体气体脉冲。或者，可以使用质量流量控制器取代开/关型阀门42和43，以便在定时的时间间隔内向处理器31输送可重复的气体速度，质量流量控制器是由传感器、控制阀和控制及信号处理电路构成的自给装置。两种情况下，没有实际测量流入工艺室中的材料(质量)数量。相反，控制流体速度来估计质量流量。然而，本公开的质量流量输送系统10和方法100实际测量流入工艺室中的材料(质量)数量，而不是控制流速以估计质量流量。
再次参考图1，所公开的质量流量输送系统10包括输送室12、控制进入室12的质量流量的第一阀门14，和控制流出室12的质量流量的第二阀门16。例如，根据本公开的一个示例性实施例，第一和第二阀门14、16包括开/关型阀门，且至少第二或出口阀门16具有约1至5毫秒的相对非常快的响应时间。
质量流量输送系统10还包括用于提供室12内压力测量的压力传感器18，以及用于提供室12上或内温度测量的温度传感器20。例如，压力传感器18还具有约1至5毫秒的相对非常快的响应时间。根据本公开的一个示例性实施例，温度传感器20与室12的壁接触并提供室12的壁的温度测量。
用于本公开的输送系统10的合适的压力传感器18的例子是可从本公开受让人MKS Instruments of Andover，MA(http://www.mksinst.com)购得的Baratron俳压力传感器。合适的阀门14、16也可从受让人购得。
质量流量输送系统10的输入装置22接收所需的质量流量(直接来自人工操作者或间接通过晶片处理计算机控制器)，而且计算机控制器(即，计算机处理单元或“CPU”)24连接到压力传感器18、温度传感器20、阀门14、16和输入装置22。输入装置22也可以用于输入其他处理指令。输出装置26连接到控制器24，并提供由系统10输送的质量的指示(直接来自人工操作者或者间接地通过晶片处理计算机控制器)。输入和输出装置22、26可以组合到单个单元中，例如具有键盘和监视器的个人计算机。
如图2所示，可以提供包括图1的两个质量流量输送系统10的原子层沉积系统130。该原子层沉积系统130类似于图7现有技术的原子层沉积系统，因此相似的元件共用相同的参考数字。但是，图2的原子层沉积系统130包括两个图1的质量流量输送系统10，用于分别调节向混合汇流管38中引入前体气体A和B。
根据本公开的一个示例性实施例，图1的质量流量输送系统10的控制器24进行图3的方法100。参考图1和3，如图3的102所示，控制器24被编程为通过输入装置22接收所需的质量流量(即，给定值)；如图3的104所示，关闭出口阀门16；如图3的106所示，打开到室12的第一入口阀门14；如图3的108所示，使用压力传感器18测量室内的压力；如图3的11O所示，并且当室12内的压力达到预定水平时关闭入口阀门14。压力的预定水平由使用者设定并可以通过输入装置22来提供。例如，压力的预定水平可以包括200托。
在预定的等待时间段之后，在该等待时间段中室12内部的气体可以达到平衡状态，打开出口阀门16以便从室12释放气体质量，这如图3的112所示。预定的等待时间段由使用者设定并且可以通过输入装置22提供。例如，预定的等待时间段可以包括3秒。然后当释放的气体质量等于使用者设定的所需质量流量时，关闭出口阀门16，这如图3的114所示。出口阀门16仅仅打开一个非常短的时间段(例如，100至500毫秒)。然后控制器24向输出装置26提供释放的气体质量。
对于高压应用来说，可以使用温度探针20来测量系统10的输送室12内气体的温度。但是，对于低压应用和快速温度瞬变来说，使用探针测量温度不能足够快地得到精确读数。在低压应用和快速温度瞬变的情况下，使用如下所述的估计气体温度的实时物理模型。
根据理想气体定律输送室12中的总质量为m＝ρV＝(P/RT)V(1)其中ρ等于密度，V等于体积，P等于绝对压力，T等于绝对温度，且R等于普适气体常数(8.3145J/molK)。
输送室12内的密度的动态变化为dρ/dt＝-(QoutρSTP/V)(2)其中Qout是流出室12的流量，ρSTP是标准温度和压力(STP)条件下的气体密度。
输送室12内的温度动态变化为dT/dt＝(ρSTP/ρV)Qout(γ-1)T+(Nuk/l)(AW/VCvρ)(TW-T)(3)其中，γ是比热比，Nu是Nusslets数，k是气体的热传导率，Cv是恒定体积下的比热，l是输送室的特征长度，且TW是由温度探针20提供的室12的壁的温度。
流出流量Qout可以如下估计Qout＝-(V/ρSTP)[(1/RT)(dρ/dt)-(P/RT2)(dT/dt)](4)为了计算由室12输送的总质量Δm，与图1中使用温度探针20不同，将等式(4)代入等式(3)中的Qout以计算时间＝t时室12内的气体温度T(t)。压力传感器18提供时间＝t时，室12内的压力P(t)。
时间t0和t*之间由室12输送的总质量Δm为Δm＝m(t0)-m(t*)＝V/R[(P(t0)/T(t0))-(P(t*)/T(t*))](5)图4是进行图3的方法100时，图1系统10的室12内压力P(t)与时间的关系曲线。图5是完成图3的方法后，图1系统10的室12内的压力与时间的关系曲线，并示出了室压P(t)在出口阀门16关闭后稍微增大并稳定。图6是进行图3的方法100时，图1系统10的室12内计算出的或实际的性能与时间的关系曲线。具体地，图6的曲线图包括使用等式(3)计算的温度或模型温度“Tmodel”；由压力传感器18提供的室12内的实际压力“P”；由温度探针20提供的室12的壁的实际温度“Twall”；通过由等式(3)提供的模型温度“Tmodel””使用等式(5)计算的由输送室12输送的气体质量Mmodel；以及通过由温度探针20提供的壁温度“Twall”使用等式(5)计算的由输送室12输送的气体质量Mwall。
除了其他方面和优点，本公开提供了一种用于将前体气体的脉冲质量流量输送到半导体工艺室中的新的改进系统和方法。质量流量输送系统和方法实际测量流入工艺室中的材料(质量)数量。此外，该系统和方法提供了在诸如原子层沉积(ALD)工艺的半导体制造工艺中使用的高重复性且精确数量的气体质量。
已经通过说明性而非限制性的方式说明了本说明书中所述的示例性实施例，并且本领域技术人员在不脱离本公开更宽方面和所附权利要求所限定的精神或范围的情况下，可以进行各种修改、组合和置换。
权利要求
1.一种用于输送所需质量的气体的系统，包括室；控制进入该室中的气流的第一阀门；控制流出该室的气流的第二阀门；提供该室内压力测量的压力传感器；输入装置，用于提供将从该系统输送的所需气体质量；连接到所述阀门、所述压力传感器和所述输入装置的控制器，其被编程为通过所述输入装置接收所需质量的气体，关闭所述第二阀门；打开所述第一阀门；从所述压力传感器接收室压的测量；当所述室内的压力达到预定水平时关闭所述入口阀门；等待预定的等待时间段以使所述室内部的气体达到平衡状态；在时间＝t0时打开所述出口阀门；并且当释放的气体质量等于所需质量时在时间＝t*时关闭所述出口阀门。
2.根据权利要求1的系统，其中所述释放的质量Δm等于Δm＝m(t0)-m(t*)＝V/R[(P(t0)/T(t0))-(P(t*)/T(t*))](5)其中，m(t0)是时间＝t0时所述输送室中的气体质量，m(t*)是时间＝t*时所述输送室中的气体质量，V是所述输送室的容积，R等于普适气体常数(8.3145J/molK)，P(t0)是时间＝t0时所述室内的压力，P(t*)是时间＝t*时所述室内的压力，T(t0)是时间＝t0是所述室内的温度，T(t*)是时间＝t*时所述室内的温度。
3.根据权利要求2的系统，还包括固定到所述输送室并连接到所述控制器的温度探针，其中该温度探针直接向所述控制器提供T(t0)和T(t*)。
4.根据权利要求3的系统，还包括固定到所述输送室并连接到所述控制器的温度探针，且其中T(t0)和T(t*)由下式计算dT/dt＝(ρSTP/ρV)Qout(γ-1)T+(Nuk/l)(AW/VCvρ)(TW-T)(3)其中，ρSTP是标准温度和压力条件下的气体密度，ρ等于气体密度，V是所述室的容积，Qout是流出所述输送室的气流，T等于绝对温度，γ是比热比，Nu是Nusslets数，k是气体的热传导率，Cv是恒定体积下气体的比热，l是所述输送室的特征长度，且TW是由所述温度探针提供的所述室壁的温度。
5.根据权利要求4的系统，其中流出所述输送室的气流由下式计算Qout＝-(V/ρSTP)[(1/RT)(dρ/dt)-(P/RT2)(dT/dt)](4)
6.根据权利要求1的系统，其中所述压力的预定水平通过所述输入装置提供。
7.根据权利要求1的系统，其中所述预定的等待时间段通过所述输入装置提供。
8.根据权利要求1的系统，还包括连接到所述控制器的输出装置并且所述控制器被编程为向所述输出装置提供释放的气体质量。
9.根据权利要求1的系统，还包括通过所述第二阀门连接到所述输送室的工艺室。
10.根据权利要求1的系统，其中所述压力传感器具有约1至5亳秒的响应时间。
11.根据权利要求1的系统，其中所述第二阀门具有约1至5毫秒的响应时间。
12.一种用于输送所需质量的气体的方法，包括提供室；接收将从所述室输送的所需气体质量；阻止气体流出所述室；使气体流入所述室内；测量所述室内压力；当所述室内压力达到预定水平时，阻止更多的气流流入所述室内；等待预定的等待时间段，以使所述室内部的气体达到平衡状态；在时间＝t0时使气流流出所述室；以及当释放的气体质量等于所需质量时，在时间＝t*时停止使气体流出所述室。
13.根据权利要求12的方法，其中所述释放的质量Δm等于Δm＝m(t0)-m(t*)＝V/R[(P(t0)/T(t0))-(P(t*)/T(t*))](5)其中，m(t0)是时间＝t0时所述输送室中的气体质量，m(t*)是时间＝t*时所述输送室中的气体质量，V是所述输送室的容积，R等于普适气体常数(8.3145J/molK)，P(t0)是时间＝t0时所述室内的压力，P(t*)是时间＝t*时所述室内的压力，T(t0)是时间＝t0时所述室内的温度，T(t*)是时间＝t*时所述室内的温度。
14.根据权利要求13的方法，还包括测量所述输送室的壁的温度并将所述壁的温度测量结果T(t0)和T(t*)直接提供给所述控制器。
15.根据权利要求13的方法，还包括测量所述输送室的壁的温度，并且使用下式计算其中的T(t0)和T(t*)dT/dt＝(ρSTP/ρV)Qout(γ-1)T+(Nu k/l)(AW/VCvρ)(TW-T)(3)其中，ρSTPSTP是标准温度和压力条件下的气体密度，ρ等于气体密度，V是所述室的容积，Qout是流出所述输送室的气流，T等于绝对温度，γ是比热比，Nu是Nusslets数，k是气体的热传导率，Cv是恒定体积下气体的比热，l是所述输送室的特征长度，且TW是所述室的壁的温度。
16.根据权利要求15的方法，其中使用下式计算流出所述输送室的气体Qout＝-(V/ρSTP)[(l/RT)(dρ/dt)-(P/RT2)(dT/dt)](4)
17.根据权利要求12的方法，其中压力的预定水平通过所述输入装置接收。
18.根据权利要求12的方法，其中预定的等待时间段通过所述输入装置接收。
19.根据权利要求12的方法，还包括向输出装置提供释放到所述输出装置的气体质量。
20.根据权利要求12的方法，还包括将工艺室连接到所述输送室，用于接收从所述输送室释放质量的气体。
全文摘要
一种用于输送所需质量的气体的系统，包括室；控制进入室的流的第一阀门；控制流出室的流的第二阀门；连接到室的压力传感器；输入装置，用于提供将所输送的所需气体质量；连接到阀门、压力传感器和输入装置的控制器。控制器被编程为从输入装置接收所需气体质量，关闭第二阀门并打开第一阀门；从压力传感器接收室压的测量；当室内压力达到预定水平时关闭入口阀门。控制器被编程为等待预定的等待时间段以使室内部的气体达到平衡状态；然后在时间＝t0时打开出口阀门；并且当释放的气体质量等于所需质量时在时间＝t
文档编号C23C16/52GK101023199SQ200580017313
公开日2007年8月22日 申请日期2005年2月23日 优先权日2004年4月12日
发明者阿里·沙吉, 西达尔斯·纳加尔卡蒂, 马修·M·贝森, 威廉·R·克拉克, 丹尼尔·A·史密斯, 博拉·阿克盖尔曼 申请人:Mks仪器公司