[发明专利]多通道脉冲气体输送系统的方法和装置

说明书

相关申请

本申请要求于2011年2月25日提交的美国专利申请第13/035，534号的利益，该美国专利申请第13/035，534号是于2010年9月29日提交的美国专利申请序列号为12/893，554的继续部分申请，这些申请的全部教导通过引用并入本文。

技术领域

本公开通常涉及摩尔或气体输送装置，以及更具体地涉及快速脉冲气体输送(PGD)的方法和系统。如本文所用的术语“气体”包括术语“蒸气”，如果这两个术语被认为是不同的话。

背景技术

半导体器件的制造或加工往往需要将多达十几种的气体以密切同步以及精确测量的方式输送到处理工具，例如真空处理室。对于本发明目的，术语“处理工具”意旨包括工具和处理室两者。在制造过程中使用各种配方，且会需要许多分立的处理步骤，在上述处理步骤中通常对半导体器件进行清洗、抛光、氧化、掩膜、蚀刻、掺杂、金属化等。所使用的步骤、其特定的顺序和涉及的材料都有助于特定器件的制备。

随着越来越多的器件尺寸缩小到90nm以下，对于各种应用而言对已知为原子层沉积或ALD的技术仍存在持续需求，诸如沉积屏蔽层以便铜互连、形成钨成核层、以及制备高导电的电介质。在ALD工艺中，两种或两种以上的前体气体以脉冲的方式输送以及流过在保持于真空下的处理工具内的晶圆表面。两种或两种以上的前体气体以交替或相继的方式流动，这样气体可与晶圆表面上的位点或官能团起反应。当所有可用的位点由前体气体(例如，气体A)饱和后，反应停止，并使用吹扫气体将多余的前体分子从处理室中吹扫走。当下一前体气体(即，气体B)流过晶圆表面时，该过程重复进行。对于涉及两种前体气体的过程而言，一次循环可限定成前体A的一次脉冲，吹扫，前体B的一次脉冲，以及吹扫。一次循环可包括附加前体气体的多次脉冲，以及前体气体的多次重复，在两种前体气体的相继脉冲之间使用吹扫气体。该顺序重复，直到达到最终厚度。这些按序的自限式表面反应导致在每次循环中沉积一个单层膜。

使用通/断型阀来控制引入到处理工具内的前体气体的脉冲输送，上述阀仅打开一段预定的时间以便将每个脉冲所需量(质量)的前体气体输送到处理室内。备选地，质量流量控制器用于在短的时间间隔内以预定的和可重复的流率输送一定量(质量)的气体，该质量流量控制器为自我控制装置，其包括换能器、控制阀、以及控制和信号处理的电子器件。在这两种情况下，流入处理室内的材料量(质量)未经实际测量，而是由理想气体定律的测量参数来推断的。

已知为脉冲气体输送(PGD)装置的系统已被研发出来，其可将测量的前体气体脉冲的质量流量输送到半导体处理工具内。这种装置设计成提供适用于半导体制造工艺(诸如原子层沉积(ALD)工艺)中的可重复的和精确量(质量)的气体。

每个单通道PGD装置包括在处理工具上游的输送容器或输送室，其包括在ALD工艺期间中将被输送的气体。在充气阶段(当相应的进气阀和排气阀分别打开和关闭)，气体通过进气阀被引入到输送室，而在输送阶段，气体通过排气阀从输送室输送走。压力传感器和温度传感器用于测量输送室内的气体压力和温度，以及专用控制器用于感测压力和温度信息以及控制进气阀和排气阀的打开和关闭。由于输送室的体积是固定的且是已知的，由每一脉冲输送的测得的摩尔数气体量为在脉冲的持续时间内的气体类型、室内气体温度以及气体压降的函数。

多通道PGD装置包括多个输送室，每个输送室都包括在气体输送过程中使用的前体或吹扫气体。然后在气体输送过程中使用的每一前体和吹扫气体可以通过不同的通道而被引入。这允许装置在充气阶段操作提供到一个通道内的气体，同时输送另一个通道内提供的气体脉冲。由位于PGD输送室和接收气体的处理工具之间的通/断型排气阀来控制从每个输送室的气体脉冲流动。阀打开即接通以便输送给定质量的脉冲气体所需的时间量进一步是相应输送室内的气体起始压力和处理工具的下游侧压力的函数。例如，对于需要输送的给定量的气体而言，输送室内的起始压力处于较高的起始压力与处于较低的起始压力相比需要阀打开更短的时间，其原因在于在较高的起始压力下更迅速地发生质量流量。对于快速脉冲气体输送应用而言，应严格控制PGD的充气阶段和输送阶段，以确保精确地输送规定量的一种或多种气体。因此应严格控制PGD的上游侧压力以及PGD中的充气压力，以便满足ALD工艺的可重复性和精确性的要求。通过使用多个通道，以及通道的充气和输送阶段错开，与由单一通道的装置相比，不同气体的按序脉冲输送的速度更快，其原因在于多通道装置能够用一个通道给输送室充气，同时用另一通道从气体输送室输送预定量的气体。