快速脉冲气体传输系统及其方法
【专利摘要】本发明提供一种向工具传输期望质量的气体的脉冲的系统，所述系统包括：包括流量传感器的质量流量控制器、控制阀、以及被配置且设置成接收用于打开和关闭所述控制阀的步骤序列的配方的专用控制器，以便根据所述配方来传输气体脉冲的序列。所述质量流量控制器被配置且设置成在至少两种操作模式中的一种操作模式下进行操作，所述两种模式为；传统质量流量控制器(MFC)模式或者脉冲气体传输模式(PGD)。此外，根据三种不同类型的脉冲气体传输工艺的任何一种，所述专用控制器被配置且设置成传输气体脉冲，所述三种工艺为：基于时间的脉冲传输工艺、基于摩尔的脉冲传输工艺以及基于分布图的脉冲传输工艺。
【专利说明】快速脉冲气体传输系统及其方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本文中提到的引用是以丁俊华的名义于2010年9月29日提交的名为“SYSTEMFOR AND METHOD OF FAST PULSE GAS DELIVERY”，并且委托给当前代理人(代理人案号N0.086400-0015 (MKS-218))的美国专利申请N0.12/893，554 ;以丁俊华的名义于2011年2月 25 日提交的名为“METHOD AND APPARATUS FOR MULTIPLE-CHANNEL PULSE GAS DELIVERYSYSTEM”，并且委托给当前代理人(代理人案号N0.086400-0027 (MKS-219))的美国专利申请N0.13/035，534 ;以及以Vladislav Davidkovich等人的名义于2011年7月28日提交的名为 “System and Methods of Controlling Time-Multiplexed Deep Reactive-1onEtching Processes”，并且委托给当前代理人(代理人案号N0.086400-0059 (MKS-220))的美国专利申请N0.13/193393，所有申请的全部被并入本文。所有的这些申请在下文中被称为“同时待审申请”。
[0003]本申请要求以丁俊华的名义于2012年I月5日提交的名为“SYSTEM FORAND METHOD OF FAST PULSE GAS DELIVERY”，并且委托给当前代理人(代理人案号N0.086400-0087 (MKS-224))的美国专利申请N0.13/344，387的权益；所述专利是以丁俊华的名义于2011年2月25日提交的名为“METHOD AND APPARATUS FORMULTIPLE-CHANNEL PULSE GAS DELIVERY SYSTEM”，并且委托给当前代理人(代理人案号N0.086400-0027 (MKS-219))的同时待审美国专利申请N0.13/035, 534的部分连续案；并且要求以丁俊华、Michael L’ Bassi和Tseng-Chung Lee的名义于2011年8月19日提交的名为“SYSTEM AND METHOD OF FAST PULSE GAS DELIVERY”，并且委托给当前代理人(代理人案号N0.086400-0078 (MK S-224PR))的美国临时专利申请N0.61/525，452的优先权。
【背景技术】
[0004]本公开总体上涉及摩尔或者气体传输装置，并且尤其涉及一种用于脉冲气体传输的方法和系统。本文中提到的术语“气体”包括术语“蒸汽”，两个术语被认为是不同的。
[0005]【背景技术】
[0006]半导体器件的生产或者制造经常要求仔细的同步以及向处理工具传输的多达十二种气体的精确测量。为了本文的目的，术语“工艺工具(process tool)”可以包括或者可以不包括处理腔。各种配方(recipe)用于生产过程中，涉及多种离散的处理步骤，其中半导体器件通常被清洗、抛光、氧化、掩模化、蚀刻、掺杂、金属化等等。所用的步骤、它们的特别序列以及涉及的材料均有助于制作特定器件。
[0007]由于器件尺寸已经收缩至90nm以下，已知的作为原子层沉积或ALD的一种技术被继续被要求用于多种应用，例如用于铜互连的阻挡层沉积、钨成核层的生成以及高导电电介质的生产。在ALD工艺中，两种或者更多种前体气体以脉冲的方式被传输并且在保持真空条件下的过程工其中流经晶圆表面。所述两种或者更多种前体气体以交替或者按序方式流动使得所述气体能够与晶圆表面上的地点或者官能团发生反应。当所有可获得的地点从一种前体气体(例如，气体A)中达到饱和时，反应停止并且清除气体被用于从工艺工具中清除多余的前体分子。随着下一前体气体(例如，气体B)流经晶圆表面，工艺重复进行。对于涉及两种前体气体的工艺，循环能够被定义为前体A的脉冲、清除、前体B的脉冲以及清除。循环可以包括额外前体气体的脉冲，前体气体的重复以及伴随着在前体气体的连续脉冲之间使用清除气体。该序列被重复进行直至获得最终的几何特性，例如厚度。这些连续的，自我限制表面反应导致每次循环沉积膜的单层。
[0008]引入至工艺工具中的前体气体的脉冲的传输可以使用脉冲气体传输(I3DG)装置来控制(通过使用入口和出口的开/闭型阀门，受控气体流入和流出传输腔简单的将出口关闭阀门的开启时间设定为预定的时间周期(脉冲)以向工艺工具的处理腔传输理想量(质量)的前体气体)。可替代的，质量流量控制器(MFC)是一种包括换能器、控制阀以及控制和信号-处理电子装置的自足装置，所述装置以预定的并且可重复的流动速率在较短的时间间隔内被用于传输一定量的气体。
[0009]脉冲气体传输(POT)装置通常是基于压力的并且被优化成提供可重复的以及精确数量(质量)的气体用于半导体生产过程中，例如ALD工艺。典型地，如图1所示，当前P⑶装置包括传输气体腔12、用于控制从气体供应源52流入腔12的入口关闭阀14、以及用于控制从传输腔12流入工艺工具54的出口关闭阀16。主机控制器或者计算机50运行气体传输过程同时进行所有的关于工艺工具的控制及诊断功能，其包括例如安全监控和控制RF功率信号以及其它的普通工作。由于传输腔12的体积是固定的并且是已知的，伴随着每个脉冲引入到传输腔中的气体的量是在从腔12传输的脉冲持续期间的气体类型、所述腔内的气体温度、以及气体压降的函数，其以摩尔数被测量。因此，压力传感器18和温度传感器20向控制器24提供压力和温度测量结果，使得能够确定每个脉冲期间从所述腔传输的气体。
[0010]因此，用于运行P⑶装置的控制逻辑是传统的并且典型的在与工艺工具相关的主机控制器50上。在同时待审的申请中通过提供专用控制器24来描述了改进的措施，其通过操作入口阀14以及出口阀16以用于单独控制脉冲传输过程。
[0011]最近以来，已经开发了要求高速脉冲或者分时多工处理的特定工艺。例如，半导体工业正在开发先进的3D集成电路硅穿孔(TSV)以提供用于管芯至管芯以及晶圆至晶圆堆叠的互连能力。制造商最近正在考虑代表平等广泛范围的TSV蚀刻需求的各种3D集成方案。诸如Bosch工艺的等离子体蚀刻技术非常适合于TSV的形成，其已经广泛地用于MEMS生产以及存储器件中的深硅蚀刻。另外已知为高速脉冲的或者时分多工蚀刻的Bosch工艺在两种模式之间交替重复，以通过使用SF6实现近乎垂直的结构以及通过使用C4F8实现化学惰性钝化层的沉淀。用于商业成功的TSV目标具有足够的功能性、低成本以及被证明的可靠性。
[0012]这些高速处理在脉冲的过渡时间期间需要快速响应时间，以利用基于压力的脉冲气体传输装置来更好地控制所述处理。目前，一种增大响应时间的方案是使用快速响应质量流量控制器(MFC)以根据从主机控制器接收的信号来打开并且关闭传输至工艺工具的传输脉冲气体的气体流。然而，因为响应时间取决于主机控制器的工作负载，通过使用具有主机控制器的快速响应MFC，脉冲传输的可重复性和准确性留下了进一步改善的空间。如果主机控制器正在进行需要其注意的其它功能，可能阻止主机控制器发送及时的控制信号。此外，短持续时间控制信号被从主机控制器发送至质量流量控制器，通信抖动能够引起气体的脉冲传输中出现误差。当传输气体脉冲依赖于主机控制器和质量流量控制器之间的快速通信时，主机控制器的工作负载和通信抖动是降低了脉冲气体传输的可重复性以及准确性的两种误差源。
[0013]相关技术的说明
[0014]脉冲质量流量传输系统的示例能够在以下专利中发现:美国专利N0.7615120 ；7615120 ；7628860 ；7628861 ；7662233 ；7735452 和 7794544 ;美国专利申请N0.2006/0060139 ;和 2006/0130755 以及以 Paul Meneghini 的名义于 2010 年 I 月 19 日提交的名为“METHOD OF PULSED GAS DELIVERY”并且委托给当前代理人(代理人案号为56231-751 (MKS-194))的待审美国申请N0.12/689, 961 ;以丁俊华的名义于2010年9月 29 日提交的名为 “SYSTEM FOR AND METHOD OF FAST PULSE GAS DELIVERY” 并且委托给当前代理人(代理人案号为86400-015 (MKS-218))的美国专利申请N0.12/893, 554 ；以丁俊华的名义于2011年2月25日提交的名为“METHOD AND APPARATUS FORMULTIPLE-CHANNEL PULSE GAS DELIVERY SYSTEM”并且委托给当前代理人(代理人案号为86400-0027 (MKS-219))的美国专利申请 N0.13/035,534。
【发明内容】
[0015]如上面所讨论的，主机控制器的工作负载以及通信抖动降低了脉冲气体传输的可重复性和准确性。因此，通过降低主机控制器的工作负载并且移动从主机至MFC的控制器的控制信号，能够降低这两种因素，从而导致改善的气体脉冲传输的可重复性和准确性。
[0016]上述以及其它部件、步骤、特征、目的、益处以及优势将会从下面详细的说明性实施例和附图的全面概述中变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]附图公开了说明性实施例。他们没有阐述所有的实施实施例。其它实施例可以被额外的或者替代的使用。可能是明显的或者非必需的细节可能被忽略以节约空间或者用于更加有效的说明。相反地，可以在没有被公开的所有细节的情况下实践一些实施例。当同样的数字出现在不同的附图时，其指的是同样的或者类似的部件或者步骤。
[0018]图1是用于提供高速脉冲传输的现有技术气体传输系统的方框图；
[0019]图2是示出了随着时间过去的流率的测试气体脉冲的图示；
[0020]图3是使用高性能MFC的气体传输系统以及根据本文中描述的教导而修改的实施例；
[0021]图4示出了下载至MFC的典型基于时间的脉冲气体传输分布图(profile)，使得MFC能够在不需要与主机控制器交互的情况下就传输一系列气体脉冲，并且因此自由操作主机控制器的过载(overhead)功能；以及
[0022]图5A和图5B是用于配置MFC控制器的多组M脉冲分布图的示例，使得所述MFC控制器能够响应于来自主机控制器的触发信号而通过打开以及关闭自身来自动地传输M-脉冲分布图，以便产生由通过主机控制器下载的配方指示的一系列脉冲。
【具体实施方式】[0023]现在讨论示意性实施例。其它实施例可以被额外的或者替代的使用。可能忽略了可能明显的或者非必需的细节以节约空间或者用于更加有效的说明。相反地，可以在没有被公开的所有细节的情况下实践一些实施例。
[0024]使用用于通过使用由主机控制器控制的快速响应MFC来分析快速脉冲传输的测试机进行了实验，以说明从MFC传输的气体的每个脉冲的瞬态边缘的陡度，作为MFC从零流量至满流量以及从满流量至零流量的响应的测量结果。由MFC传输的气体的每个脉冲由主机控制，其包括配方的一系列典型传输步骤。在传输阶段由快速响应MFC产生的一个脉冲在图2中示出。如图所示,气体脉冲(流率/时间)的瞬态边缘相当的陡,表示MFC控制阀的快速响应时间。然而，在分析实验结果中，经受的性能使得所述系统不能可靠地用于诸如Bosch工艺的高速工艺。
[0025]更具体而言，所述实验利用质量流量验证器以测量从受主机控制器控制的快速响应MFC传输的气体的量，并且生成数据以确定系统的可重复性。由于MFC相对于对先前脉冲的响应定时而对每种脉冲的的响应定时的变化，即，相对于MFC对来自于主机计算机的命令的响应的可重复性误差，由MFC传输的气体脉冲经受可重复性误差，从而提供一种从基于先前脉冲的定时它就应该发生时以及它实际发生的时间而变化的脉冲。确定该误差的原因是对主机控制器的来源的高需求。尽管主机控制器可能对开启/关闭信号进行排队以发送至MFC，但是信号可能不会被立即发送。这取决于当时主机控制器的工作负载。相似地，即使当发送开启/关闭信号时，在主机控制器和MFC之间由短的和/或快速脉冲宽度产生的通信抖动降低了脉冲气体传输的性能，包括可重复性和准确性。脉冲的相对定时对很多高速脉冲传输应用来说是极其关键的。因此，理想的是提供一种用于高速脉冲传输应用的解决方法，例如用于TSV生成的Bosch工艺，其能够减少或者克服上述两题。
[0026]参考图3，一种在控制高速脉冲传输应用中有用的高性能MFC160的实施例被配置成连接在气体源140与工艺工具200之间以及接收一系列来自于用户接口 /主机控制器150的指示从而向工艺工具2 00提供一系列源气体的脉冲。高性能质量流量控制器(MFC) 160，例如由本受让人生产和出售的ii MFC，包括流量传感器170和可调整控制阀190。传感器170感测通过传感器的质量流量，并且向专用MFC控制器180提供表示所测得的流量的信号。专用控制器180将所测得的流量与流量设定点相比较以提供用于控制可调整控制阀190的控制信号，使得至工艺工具200 (例如，处理腔)的阀的输出流量保持在设定点值。
[0027]在根据本公开的一个实施例中，MFC160具有两种操作模式,提供相对于基于压力的脉冲气体传输装置的一种显著优势。第一模式是传统的质量流量控制器(MFC)模式，其中主机控制器150发送流量设定点信号至MFC160以控制传输至工艺工具200的流量。第二模式是脉冲气体传输(PGD)模式。在PGD传输工艺中，MFC160被设置成接收脉冲分布图以及必需的分布图和脉冲排序，使得MFC能够根据包括由用户提供的定时脉冲的分布图和序列的配方而从供应源140向腔200传输气体。能够通过从用户接口 /主机控制器150下载至专用MFC控制器180的信息而对所述脉冲的分布图和排序进行初始编程。响应于来自接口 /控制器150的单个触发信号，下载的分布图和排序允许MFC执行所有的排序步骤。通过使用专用MFC160，专用控制器能够被配置并且被设置成以良好的受控和及时方式来执行所有的排序步骤，使得主机控制器/接口在不妨碍脉冲气体传输的情况下自由执行所有的其它功能。
[0028]所述PGD模式提供操作步骤以用于三种传输类型的脉冲气体传输工艺-基于时间的传输，基于摩尔的传输，以及基于分布图的传输，其相对于基于压力的气体脉冲传输装置提供进一步的优势。在基于时间的脉冲传输工艺中，用户被要求配置并且设置专用MFC控制器180的用于将要对其进行控制的工艺的下列参数:(I)至少一个目标流量设定点(Qsp)；
(2)至少一个脉冲启动周期的时间长度(TJ ；(3)至少一个每个脉冲停止周期的时间长度(Toff);以及⑷需要用于完成所述工艺的脉冲的总数(N)。
[0029]如图4所示，参数被配置或者从主机控制器下载至MFC的专用MFC控制器，使得MFC控制器根据这些参数来控制脉冲传输。当脉冲气体传输序列将要被传输时，主机简单地向MFC提供触发信号，并且MFC执行脉冲序列。如图4所不,一旦MFC160从主机控制器150接收触发信号以启动传输，基于规定的每个脉冲周期的脉冲启动周期和脉冲停止周期，MFC160根据所述配方通过开启MFC(通过调整阀门的开启来控制流量为目标流量设定点)以及关闭MFC(通过关闭阀门来控制流量为零)来控制PGD工艺。这导致了脉冲的排序、定时以及持续时间非常良好的控制。
[0030]对于基于摩尔的脉冲传输，用户指定了下列参数:(I)摩尔传输设定点(nsp) ； (2)脉冲启动周期的目标时间长度(TJ ；(3)总的脉冲启动和停止周期(Tttrtal),以及⑷脉冲的数量(N)。基于该信息，MFC160的专用控制器180被配置并且设置成自动调整流量设定点以及脉冲启动周期，以在目标脉冲启动周期内根据下列等式基于流量传感器170进行的测量来精确地传输气体的目标摩尔量:
【权利要求】
1.一种用于向工具传输期望质量的气体的脉冲的系统，包括: 质量流量控制器，所述质量流量控制器包括流量传感器、控制阀和专用控制器，所述专用控制器被配置且设置成接收用于打开和关闭所述控制阀的步骤序列的配方，以便根据所述配方来传输气体脉冲的序列。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述专用控制器被配置且设置成响应于触发信号而运行所述配方。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括主机控制器，其中在所述主机控制器中提供所述触发信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述主机控制器被配置且设置成向所述专用控制器上传所述配方。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述质量流量控制器在至少两种操作模式中的一种操作模式下进行操作。
6.根据权利要求5所述的系统，其中在所述模式中的一种下，所述质量流量控制器被配置且设置成根据传统质量流量控制器(MFC)模式进行操作，其接收作为所述配方的一部分的流量设定点信号，以便控制传输至工艺工具的气体的流率。
7.根据权利要求5所 述的系统，其中在所述模式中的一种下，所述质量流量控制器被配置且设置成以脉冲气体传输(POT)模式进行操作。
8.根据权利要求7所述的系统，其中在所述PGD模式下，所述质量流量控制器被配置且设置成接收脉冲分布图以及必需的脉冲排序，使得所述质量流量控制器能够根据包括由用户提供的时间脉冲的序列和分布图的配方而从供应源向工艺工具传输气体。
9.根据权利要求8所述的系统，其中响应于从主机控制器下载至或配置至所述专用控制器的信息，利用所述脉冲的排序和所述分布图对专用控制器进行编程。
10.根据权利要求9所述的系统，其中从主机控制器下载至或配置至所述专用控制器的信息允许所述质量流量控制器响应于从所述主机控制器接收的单个触发信号来执行所有的排序步骤。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述专用控制器能够被配置且设置成执行至少三种不同类型的脉冲气体传输工艺中的任何一种。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述三种不同类型的脉冲气体传输工艺包括基于时间的传输工艺、基于摩尔的传输工艺以及基于分布图的传输工艺。
13.根据权利要求12所述的系统，其中当被配置成根据所述基于时间的传输工艺来传输气体时，所述专用控制器被用户配置且设置成包括用于所述基于时间的传输工艺的下列参数:(1)至少一个目标流量设定点(Qsp)，⑵至少一个脉冲启动周期的时间长度(TJ，(3)至少一个每个脉冲停止周期的时间长度Orff),以及(4)完成整个脉冲气体传输工艺所需要的脉冲的总数(N)。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述质量流量控制器包括流量传感器，所述流量传感器用于提供表示流经所述质量流量控制器的气体的质量的信号，并且其中当被配置成根据所述基于摩尔的传输工艺来传输气体时，所述专用控制器被所述用户配置且设置成包括用于所述基于摩尔的传输工艺的下列参数:(I)至少一个摩尔传输设定点(nsp)，(2)至少一个脉冲启动周期的目标时间长度(Tm)，(3)至少一个总的脉冲启动和停止周期的时间长度(Ttotal)，以及(4)将要被传输的脉冲的数量(N)，使得所述专用控制器被配置且设置成自动调整所述流量设定点以及所述脉冲启动周期，以在所述目标脉冲启动周期内基于所述流量传感器进行的测量以及先前传输量的反馈来精确地传输气体的目标摩尔量。
15.根据权利要求14所述的系统，其中根据下列等式来传输气体: An = 0*dt 其中，An是在所述脉冲启动周期期间(时间tl和t2之间)传输的气体的摩尔数；以及 Q是在所述脉冲启动周期期间由所述流量传感器测量的流率。
16.根据权利要求12所述的系统，其中当被配置成根据所述基于分布图的传输工艺来传输气体时，根据正在运行的工艺的类型，所述专用控制器被所述用户配置且设置成包括用于所述基于分布图的传输工艺的每个脉冲的一组参数。
17.根据权利要求12所述的系统，其中当被配置成根据所述基于分布图的传输工艺来传输气体时，所述专用控制器被所述用户配置且设置成包括用于所述基于分布图的传输工艺的每个脉冲的下列参数: (I)流量设定点Qspl和相应的第一脉冲启动和停止周期(TmlJtjffl)；⑵流量设定点Qsp2和相应的第二脉冲启动和停止周期(Tm2，T0ff2)，...(m)流量设定点Qspm和相应的第m脉冲启动和停止周期等。因此，为整组脉冲的每个脉冲提供一组参数，从而允许所述脉冲根据正在运行的工艺的类型而发生变化。
18.根据权利要求12所述 的系统，其中当被配置成根据所述基于分布图的传输工艺来传输气体时，所述专用控制器被所述用户配置且设置成包括用于所述基于分布图的传输工艺的每个脉冲的下列参数: (I)摩尔传输设定点(nspl)和相应的第一脉冲启动和停止周期(Tml，Toffl) ；(2)摩尔传输设定点(nsp2)和相应的第二脉冲启动和停止周期(Trai2, T0ff2),...(m)摩尔传输设定点(nspm)和相应的第m脉冲启动和停止周期(Tmi, Toffm)等。
19.根据权利要求1所述的系统，还包括用于传输多组气体脉冲的多个所述质量流量控制器。
20.根据权利要求19所述的系统，所述主机控制器被配置成使得至多个所述质量流量控制器的触发信号错开，从而使得这些器件的脉冲传输处于分时多工的方式。
【文档编号】C23C16/455GK103608486SQ201280010585
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年2月24日 优先权日:2011年2月25日
【发明者】丁军华, M·L·勒巴希, T－C·李 申请人:Mks仪器公司