专利名称：前体供应系统的制作方法
背景技术：
半导体器件的制造一般是采用一系列工序在硅晶片等衬底上形成连续的器件层。在某些工序中，可以通过化学反应在晶片表面上形成一个层。这些工序包括化学气相淀积(CVD)工序和原子层淀积(ALD)工序。
在执行CVD和ALD工序时，要给处理室提供第一反应材料(它可以称做前体)。图1是一种前体供应系统的例子100。一种包含所要求前体材料的固态或液态源110置于前体室120内。一种加压的输运气体130(一般是氮或氦等非反应气体)将已升华或蒸发的前体140带到处理室150。
对于CVD工序，一般是将连续前体/输运气体流提供给处理室150直至该工序完成。对于ALD工序，要将脉冲伐160打开一小会儿，以将一个反应物和输运气体脉冲提供给室150。虽然采用ALD工序的淀积速度通常比CVD工序低，但ALD对淀积的控制较好，故在某些场合下可能更可取。
图1是按先前方法的一种前体供应系统示意图。
图2是采用象图1那样的系统时两个ALD脉冲的前体浓度曲线。
图3是一种前体供应系统实施例的示意图。
图4是一个前体供应系统另一实施例的示意图。
在各图中相似的参考符号表示类似的元件。
详细说明对于某些应用来说，如图1所示系统100那样的前体供应系统不能提供足够好的工序控制。尤其是当固态前体材料的升华率与给处理室提供前体的速度不一样时，前体的分压将随时间而改变。对于ALD工序，此分压除在单个脉冲期间变化外，还可能在多个脉冲内改变。变化的前体分压力可能导致不同的薄膜生长速度，这可能造成不均匀的薄膜厚度。表面间和体薄膜的特性(如电气特性)也可能受到前体分压力变化的影响。
举例来说，图2表示对于三种不同固态前体源结构在一段时间内的前体浓度曲线，这段时间开始于第一脉冲的起点而终止于第二脉冲的起点。如图所示每种不同结构对应于一个不同的前体表面积。这三种结构可以代表结构不同的源，或者代表一特定源随时间的演化，这时表面积随着材料从表面不均匀地升华及/或前体碎片或粉末溶合在一起而变化。
在图2所示例子中，升华率低于材料从前体室移走的速率。在第一脉冲的起点，输运气体内的前体浓度最大。随着脉冲继续，前体浓度下降。结果由反应产生的层的薄膜特性在整个晶片上可能不相同。例如，所产生层的厚度在晶片前部边缘(此处暴露在较高的前体浓度下)比尾部边缘(此处暴露在较低的前体浓度下)更大。
在第一脉冲终点，前体材料从室的流动停止，前体浓度开始恢复。如图所示，对于具有较大表面积的前体源前体浓度恢复更快。
在图2所示的例子中，各脉冲之间的时间短于将前体室重新充到初始浓度水平所需的时间。在第二脉冲的起点，前体浓度对三种结构中的每一种都不相同，且每个都比在第一脉冲起点处的相应浓度低。
这里所述的系统和技术可以改善对前体浓度预测的准确性。例如，现在的系统和技术可用来提供一个基本不变的前体浓度。图3表示按某些实施例的一个改进型前体供应系统300。前体源320处在可变容积室310内。源320可以支托在一个前体舟325内，所述舟可以做成能安放液态前体源，固态前体源，或者两者。虽然不需要输运气体，系统300也可以包含一个输运气体源350。
室310包括一个本体部312和一个活动活塞314，后者按图3所示为一个面积为A的圆形。为在室310内保持一个特定压力P，将一个F＝PA的力加到活塞314上(应指出，这是一种理想的无摩擦活塞的近似)。当伐316和318被关闭，材料从源320升华时，在室310内的前体材料量增加。这时不是体积保持不变和让压力增加(在如图1所示的固定体积系统中就是这样)，而是力F保持不变而体积改变。为保持这个力在所要求的水平，驱动系统可以包括一个压力检测器，以确定加到活塞314上的力。若所加的力与所要求的力不一样，则压力控制器可根据压力检测器的输出将所加的力改变成所要求的力。
为把前体材料提供到处理室360，可将伐318打开。如果升华率大于材料提供给室360的速度，则可增加室310的体积以维持所需的压力。若升华率小于材料提供给室360的速度，则可减小室310的体积以维持所需的压力。
室310可以有一个最大体积Vmax和一个最小体积Vmin。倘若室310内的前体材料量增加到使得在所需压力P下室310的体积为Vmax，则可将任何额外的升华或蒸发前体材料排到另一个贮藏区或排放掉，以保持所需的压力。或者，也可以降低前体源的温度以减小升华率。
更普遍的情况是，升华率可能足够低，使得在一个工序或脉冲中室310内的前体材料量减少至使室310的体积变成Vmin。超过这一点，室310内的压力将下降到低于所需的压力P，而且给处理室360提供前体的速度将降低。对于发生这种情况的工序，可以提供一个或几个额外的可变体积前体室(如室370)。
多个室的使用可以有几种方式。在一个实施例中，升华率足够低以致需要多个室来提供单个工序或脉冲的前体材料，这时可打开伐318，使前体材料从室310提供给处理室360，直至室310的体积达到Vmin(或者别的体积)。然后将伐318关闭，并打开通向室370的伐372。可以采用多个额外的室或者通过室310和370之间的交替来继续这个过程。
多个室也可以用在单个室足以提供一个特定工序或脉冲的材料时，但当各脉冲之间的时间比重新充满室所需的时间短时，它们足以用来为后续脉冲提供材料。在这种情况下，进入处理室360的前体材料的第一个脉冲可由室310来提供，而进入处理室360的前体材料的第二个脉冲可由室370来提供。因此，在第二脉冲期间室310可能“重新充满”，并可为了后续一个脉冲给处理室360提供前体材料。
图3所示的实施例中可变体积前体室是用一个活动活塞来实现的。也可以用其它的实施方式。图4所示的系统采用波纹管结构，用于一个或多个可变体积前体室。
系统400包括三个波纹管室410，每个处在一个外部空间435内。每个室做成能安放液态和/或固态前体材料。例如，每个室410可以包含一个前体舟425，它可以安放液态和/或固态前体材料。可用压力传感器430来监测外部空间435内的压力。
对于采用固态前体源的工序例子，可用系统400按以下方法进行器件处理。把一个前体源装到一个或几个波纹管室410内。然后打开伐402和404与真空室406(即用一个或几个真空泵抽气的区域)接通，从波纹管室410抽出残余气体。
接着将前体源加热至靶温度。随着温度升高，前体材料从源升华，同时波纹管室410内的压力增高。这使得波纹管上的外部压力(即在外部空间435的压力)增高。一旦在外部空间435内的压力超过一个设定点压力Pset(例如对一个特定工序所需要的前体压力)，控制伐412被打开使压力降至Pset。
在脉冲期间伐402是打开的，让已升华的前体材料供应给处理室460。若前体材料流出波纹管室410的速度大于源的升华率，则波纹管压力下降，同时波纹管被压缩。结果在外部空间435内的压力开始降低。为了使外部空间435的压力维持在Pset，可以打开控制伐414，使外部空间435与气体源连起来。
前体材料可以作为一种纯蒸气或与隋性输运气体的混合物提供给处理室460。为了以纯蒸气形式提供前体材料，可以打开伐402和处理室460之间的全部中间伐。波纹管室410可以提供一个基本不变的背压力，使得脉冲期间前体材料的流动速率基本不变。
也可以通过伐418将前体材料首先提供给波纹管槽465。波纹管槽465的压力达到所需值后可将伐418关闭。将伐422打开，并利用驱动活塞467将波纹管槽465压缩。可以对前体材料的出口压力进行监测，并控制驱动活塞467压缩波纹管槽465的速度。这个实施例对高浓度，短持续时间的脉冲可能特别有用。
为了将与一种输运气体混合的前体材料提供给处理室460，可以打开与质量流控制器426(它与输运气体源相连)相连的伐424。控制器426可以按要求控制输运气体的流动速率。输运气体源也可用来在脉冲之间净化系统400的部分。
在某些实施例中，波纹管410可能与处理室460热绝缘，因而前体温度可以不同于处理温度。但是，为防止系统400内前体蒸气凝结，可能需要使处理室460的温度保持在高于波纹管室410的温度。
热绝缘可以包括在波纹管410和处理室460间提供一个足够的热阻(对热流动的阻力)，使得波纹管室410的温度可保持在一个所要求的第一温度，而处理室的温度可以一定温度差保持在与第一要求温度不相同的第二要求温度。
该热阻可通过在波纹管室410和处理室460之间使用低导热性材料来提供。例如，可以通过由低导热性材料组成的绝热区475将波纹管室410和处理室460分开。此外，在波纹管室410和处理室460间流体管路的热阻抗可能就足以获得所需的温差。
在某些实施例中，前体材料被吸收在一个衬底表面上，接着给处理室460提供一种氧化剂与前体材料起反应。图4中并未表示出氧化剂材料的流体管路，但是可以提供。可用的氧化剂包括水蒸气、氧、臭氧、过氧化氢、金属烃氧化物、或其它氧化剂。类似地，在一些实施例中，前体材料与氮分子(如铵)起反应产生金属氮化物。
上面已描述了几种实施例。但是应该指出，可以作各种修改而不背离本发明的思想和范围。例如，可以采用不同数量的可变体积前体室。虽然上面显示的是一些带活塞和波纹管的室，但也可以是别的东西。例如，某些实施例可以采用包含导热或不导热柔性薄膜的室，这时室压力可以利用外部压力、电磁场、或其它控制机构来控制。因而，其它的实施例也包括在下面权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种半导体处理系统，包括可变体积室，它为半导体工序提供材料；压力检测器，用来检测指示可变体积室压力的参数，并产生指示所述可变体积室压力的输出；及与压力检测器和可变体积室相连的压力控制器，它根据压力检测器的输出将力施加到可变体积室。
2.如权利要求1的系统，其中压力控制器施加力以使可变体积室的压力基本保持不变。
3.如权利要求1的系统，还包括处理室，且可变体积室给处理室提供一种前体材料。
4.如权利要求3的系统，其中前体材料将与处理室中的另一种材料起反应。
5.如权利要求1的系统，其中所述半导体工序是化学气相淀积工序。
6.如权利要求1的系统，其中所述半导体工序是原子层淀积工序。
7.如权利要求1的系统，其中可变体积室包含波纹管。
8.如权利要求7的系统，其中波纹管包含在加压区内。
9.如权利要求8的系统，其中压力控制器包括气体源，该气体源有选择地与加压区联通。
10.如权利要求9的系统，其中当加压区的压力低于希望的压力时气体源有选择性地与加压区联通。
11.如权利要求8的系统，其中压力控制器包括真空源，该真空源有选择性地与加压区联通。
12.如权利要求11的系统，其中真空源在加压区的压力高于希望值时与加压区有选择性地联通。
13.如权利要求1的系统，其中可变体积室包含活塞。
14.如权利要求13的系统，其中指示压力的参数是在活塞上的力。
15.如权利要求1的系统，还包括另一个可变体积室。
16.一种方法，包括将一种材料从可变体积室输运到半导体处理室；在输运过程中检测指示可变体积室压力的参数；及根据检测结果改变可变体积室的体积。
17.如权利要求16的方法，其中根据检测结果改变可变体积室的体积包括若该参数指示压力大于所希望的值，则增加可变体积室的体积。
18.如权利要求16的方法，其中根据检测结果改变可变体积室的体积包括若该参数指示压力小于所希望的值，则减小可变体积室的体积。
19.如权利要求16的方法，其中检测包括检测可变体积室外面的加压区的压力。
20.如权利要求19的方法，其中改变可变体积室的体积包括增加加压区的压力。
21.如权利要求19的方法，其中改变可变体积室的体积包括减小加压区的压力。
22.如权利要求16的方法，其中改变可变体积室的体积包括给活塞加一个力。
23.一种化学供应系统，包括可变体积区，它有用来将材料从可变体积区的内区输运到另一个区的出口；压力检测器，用来检测指示可变体积室压力的参数，并产生指示可变体积室压力的输出；及与压力检测器和可变体积室相连的压力控制器，它根据压力检测器的输出将力施加到可变体积室。
24.如权利要求23的系统，其中压力控制器施加力以使可变体积室的压力基本保持不变。
25.如权利要求23的系统，其中可变体积室包含波纹管。
26.如权利要求25的系统，其中波纹管包含加压区。
27.如权利要求26的系统，其中压力控制器包括气体源，它有选择地与加压区联通。
28.如权利要求26的系统，其中压力控制器包括真空源，它有选择地与加压区联通。
29.如权利要求23的系统，其中可变体积室包括活塞。
30.如权利要求23的系统，还包括另一个可变体积室。
全文摘要
一种半导体处理系统包括一个可变体积室。此可变体积室内可包含一个液态或固态前体源。可变体积室的体积可以控制，以为处理室提供一个可预测的前体流。在某些实施例中，可提供多个可变体积室。
文档编号C30B25/14GK1853002SQ200480026642
公开日2006年10月25日 申请日期2004年9月15日 优先权日2003年9月15日
发明者R·库斯 申请人:英特尔公司