[发明专利]快速脉冲气体输送的系统及方法

说明书

相关申请

本申请要求于2010年9月29日提交的美国专利申请第12/893，554号的利益，这些申请的全部教导通过引用并入本文。

技术领域

本发明通常涉及气体输送装置，以及更具体地涉及适于快速脉冲气体输送的方法和系统。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。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原子层沉积或ALD工艺仍存在持续需求，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，两种或更多种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室内的晶圆表面。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之一（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。

通常使用通/断型阀来控制到处理室内的前体气体的脉冲，上述阀仅打开一段预定的时间以便将每次脉冲所需量（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，其可测量前体气体脉冲的质量流量且将其输送到半导体处理室以及其它处理工具。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。

PGD装置通常包括在处理室或工具上游的气体输送容器或输送室，其容纳在ALD工艺期间中将被输送的气体。通过测量输送室内气体的压力和温度，以及根据输送过程中输送室内气体的压降来控制来自输送室的气体流量，可精确地控制在ALD期间所输送的气体脉冲质量。由位于PGD输送室和接收气体的处理工具之间的通/断型排气阀来控制脉冲气体从输送室的流动（流量）。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还是处理室内的气体起始压力和处理室或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的一种或多种气体的量。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。

此外，当PGD的进气阀和排气阀根据指令用于给室充气或输送气体脉冲时，PGD的进气阀和排气阀具有从一种状态（通/断）过渡到另一种状态（断/通）的有限响应时间。例如，ALD应用中气动关断阀的典型响应时间约5至35毫秒之间。阀响应时间会导致对由PGD控制器发送的阀指令的响应延迟，这会导致PGD室过度充气或将过量的气体脉冲输送到如图2中所示的处理室或工具。例如，在PGD的充气模式下，排气阀关闭，进气阀打开以便于气体进入PGD的输送室，并且PGD控制器监测压力变化。在输送室达到通过考虑进气阀的响应时间（或延迟）而确定的压力设定值之前，PGD控制器需要将关断命令提前发送给进气阀；否则，输送室会被过度充气或输送室压力高于设定值。