專利名稱：用于半導(dǎo)體處理的氣體分配裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于處理半導(dǎo)體襯底，如集成電路晶片的反應(yīng)室，具體地說，涉及用在這些反應(yīng)室中的氣體分配系統(tǒng)的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體處理包括淀積過程，如金屬、電介質(zhì)以及半導(dǎo)體材料的化學(xué)汽相淀積(CVD)、對這些層的蝕刻、光刻膠掩蔽層的灰化等等。這些半導(dǎo)體處理通常是在真空室中進(jìn)行的，其中生產(chǎn)氣體用來處理襯底如半導(dǎo)體晶片、平板顯示器襯底等等。通過氣體分配系統(tǒng)如噴射頭(showerhead)、氣體分配環(huán)、氣體噴射器等等，能將生產(chǎn)氣體供應(yīng)到真空室內(nèi)部。在U.S專利No.5,134,965、5,415,728、5,522,934、5,614,055、5,772,771、6,013,155和6,042,687中公開了具有多個氣體分配系統(tǒng)的反應(yīng)器。
在蝕刻的情況下，通常使用等離子體蝕刻來蝕刻金屬、電介質(zhì)和半導(dǎo)體材料。等離子體蝕刻反應(yīng)器通常包括支撐底電極上的硅晶片的基座、將生產(chǎn)氣體激勵到等離子體狀態(tài)的能源以及將生產(chǎn)氣體提供給室的生產(chǎn)氣體源。
在集成電路制作中通常要求在電介質(zhì)材料中蝕刻開孔，如觸點(diǎn)和通孔。電介質(zhì)材料包括摻雜氧化硅，如氟化氧化硅(FSG)，無摻雜氧化硅，如二氧化硅、硅酸鹽玻璃，如硼磷硅玻璃(BPSG)和磷硅酸玻璃(PSG)、摻雜或無摻雜的熱生長氧化硅(grown silicon oxide)、摻雜或無摻雜TEOS淀積氧化硅等等。電介質(zhì)摻雜劑包括硼、磷和/或砷。電介質(zhì)能疊加在導(dǎo)體或半導(dǎo)體層，如多晶硅、金屬如鋁、銅、鈦、鎢、鉬或其合金，氮化物如氮化鈦、金屬硅化物如硅化鈦、硅化鈷、硅化鎢、硅化鉬等等上。在U.S.專利No.5,013,398中公開了一種等離子體蝕刻技術(shù)，其中平行板等離子體反應(yīng)堆用于蝕刻氧化硅中的開孔。
U.S.專利No.5,736,457描述了單和雙“波紋”金屬化方法。在“單波紋”方法中，在單獨(dú)的步驟中形成通孔和導(dǎo)體，其中將用于導(dǎo)體或通孔的金屬化圖形蝕刻在電介質(zhì)層中，將金屬層填充在電介質(zhì)層的蝕刻槽或通孔中，通過化學(xué)機(jī)械平面化(CMP)或通過深腐蝕過程來去除過剩金屬。在“雙波紋”方法中，將用于通孔和導(dǎo)體的金屬化圖形蝕刻在電介質(zhì)層中以及通過單金屬填充和過剩金屬去除過程，用金屬填充蝕刻槽和通孔。
希望在晶片的表面均勻地分配等離子體以便在晶片的整個表面上獲得均勻的蝕刻速率。當(dāng)前的氣體分配室設(shè)計包括多條供應(yīng)線和為室中的單個區(qū)域饋送的多個質(zhì)量流量控制器(MFCs)。然而，當(dāng)前的氣體分配設(shè)計要求許多元件，在設(shè)計上很復(fù)雜并且成本很高。因此，希望降低復(fù)雜性和成本來制造這些氣體分配裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于在半導(dǎo)體襯底處理中所用的反應(yīng)室的氣體分配系統(tǒng)，包括多個氣體供給設(shè)備、將來自多個氣體供給設(shè)備的氣體混合在一起的混合歧管(mixing manifold)、將混合氣體輸送給室中的不同區(qū)的多條氣體供應(yīng)線，該氣體供應(yīng)線包括將混合氣體輸送給室中的第一區(qū)的第一氣體供應(yīng)線以及將混合氣體輸送給室中第二區(qū)的第二氣體供應(yīng)線、至少一個控制閥，用于控制在第一和/或第二氣體供應(yīng)線中的混合氣體的流率以便在第一和第二氣體供應(yīng)線中實(shí)現(xiàn)想要的混合氣體的流率的比率、至少一個測量第一和/或第二氣體供應(yīng)線中的混合氣體的流率的流量測量設(shè)備以及響應(yīng)由該至少一個流量測量設(shè)備測量的流率來操作該至少一個控制閥的控制器。
根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例，控制器包括計算機(jī)或可編程邏輯設(shè)備，該控制器操作至少一個控制閥以便在處理室中的半導(dǎo)體襯底的過程中，被輸送給多條氣體供應(yīng)線的至少一條的混合氣體的比例由第一設(shè)定值改變?yōu)榈诙O(shè)定值。在一個實(shí)施例中，該至少一個控制閥包括第一和第二控制閥，以及該至少一個流量測量設(shè)備包括第一和第二流量測量設(shè)備，沿第一氣體供應(yīng)線設(shè)置第一控制閥以及第一測量設(shè)備，以及沿第二氣體供應(yīng)線設(shè)置第二控制閥和第二流量測量設(shè)備。在另一實(shí)施例中，該至少一個控制閥包括單個控制閥，該至少一個流量測量設(shè)備包括沿第一或第二氣體供應(yīng)線設(shè)置的單個流量測量設(shè)備。反應(yīng)室可包括真空室，如等離子體蝕刻室或CVD室。
本發(fā)明還提供一種處理反應(yīng)室中襯底的方法，該方法包括將半導(dǎo)體襯底提供給反應(yīng)室，用至少一個流量測量設(shè)備測量第一和/或第二氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率，以及通過將混合氣體提供給第一和第二區(qū)來處理襯底，響應(yīng)由至少一個流量測量設(shè)備測量的流率，由控制器調(diào)整該至少一個控制閥。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，控制器監(jiān)視由氣體供給設(shè)備提供給混合歧管的總的氣體流量以及將總的氣體流量和一條氣體供應(yīng)線中的測量的氣體流量與用于第二氣體供應(yīng)線的目標(biāo)流量進(jìn)行比較，由控制器重復(fù)調(diào)整該至少一個控制閥來獲得想要的第一和第二氣體供應(yīng)線中的流率的比率。半導(dǎo)體襯底可包括通過將材料層淀積在晶片上或通過等離子蝕刻晶片上的電介質(zhì)、半導(dǎo)體或?qū)w材料層來處理的硅晶片。


本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)通過結(jié)合附圖，閱讀下述的詳細(xì)說明將變得明白，其中圖1描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的氣體分配裝置；圖2是描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例控制反應(yīng)室中氣體分配的方法的流程圖；圖3描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的氣體分配裝置；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，控制反應(yīng)室中氣體分配的方法的流程圖；圖5描述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的氣體分配裝置；
圖6描述根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的氣體分配裝置；圖7A描述根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的氣體分配裝置；圖7B描述根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的氣體分配裝置；圖8描述氣體分配裝置，其中固定的節(jié)流孔用來分流對等離子體反應(yīng)室中各位置的氣體供給。
具體實(shí)施例方式
為更好地理解本發(fā)明，下述詳細(xì)描述參考附圖，其中舉例說明和描述了本發(fā)明的優(yōu)選的示范性的實(shí)施例。另外，在圖中，用來標(biāo)識相同元件的參考數(shù)字始終是相同的。
根據(jù)本發(fā)明，氣體供給裝置將所需比例的混合生產(chǎn)氣體提供給處理室中的多個區(qū)?？稍谌魏晤愋偷陌雽?dǎo)體處理裝置中使用氣體供給裝置，其中在半導(dǎo)體處理裝置中，希望選擇性地在半導(dǎo)體襯底上分配生產(chǎn)氣體。這種裝置包括CVD系統(tǒng)、灰化器(asher)、電容耦合等離子反應(yīng)堆、電感耦合等離子反應(yīng)堆、ECR反應(yīng)器等等。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，經(jīng)氣體分配系統(tǒng)將混合氣體輸送給半導(dǎo)體處理室，如反應(yīng)等離子蝕刻室或其他真空處理反應(yīng)器中的多個區(qū)，同時根據(jù)給定的設(shè)定值和至少一個流率讀數(shù)反饋控制輸送給每個區(qū)的生產(chǎn)氣體部分。在蝕刻半導(dǎo)體晶片上的二氧化硅、鋁或多晶硅膜時，通常希望以受控制的比例將混合生產(chǎn)氣體提供給靠近晶片的中央和周邊(邊緣)的區(qū)域。氣體供給的最佳空間分配有助于實(shí)現(xiàn)整個晶片上均勻的蝕刻結(jié)果，盡管所需的比例可能根據(jù)應(yīng)用而定。例如，對給定的應(yīng)用，將生產(chǎn)氣體的75％供給邊緣以及將生產(chǎn)氣體的25％供給晶片的中央可能是有利的。在可能于相同的工具上執(zhí)行的不同的蝕刻應(yīng)用中，將生產(chǎn)氣體的10％供給邊緣以及將90％供給晶片的中央可能是有利的。另外，也可能希望在復(fù)雜的多步蝕刻方法中，一步一步地改變輸送給兩個區(qū)的生產(chǎn)氣體的比例。在現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，根據(jù)利益和蝕刻均勻性要求的應(yīng)用中的折衷，通常選擇氣體供給的固定空間分配(例如具有特定的孔圖形的噴射頭)。
本發(fā)明的氣體分配系統(tǒng)能提供實(shí)時控制輸送給處理室中的多個區(qū)的生產(chǎn)供給氣體部分的能力，以便在處理室中處理中性氣體合成物，從而幫助實(shí)現(xiàn)整個晶片上的均勻工藝(例如蝕刻)結(jié)果。對先進(jìn)的半導(dǎo)體處理裝置來說，這是特別有用的特性，其中較大直徑的晶片正在集成電路制造中使用，同時設(shè)備上的部件尺寸卻繼續(xù)減小。
可在真空室中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的氣體分配系統(tǒng)，通過供給氣體供應(yīng)線、壓力調(diào)節(jié)器、質(zhì)量流量控制器(MFCs)、各種截流閥和相關(guān)管件，以及混合歧管，為真空室提供生產(chǎn)氣體。根據(jù)本發(fā)明，可物理地將氣體供給裝置設(shè)置在混合歧管和真空處理(蝕刻或CVD)室之間并用來將混合氣體流量分裂成用于輸送給室的多個區(qū)的多條線。最好由計算機(jī)控制從氣體箱輸送給室的流量，通常相同的計算機(jī)用來控制室的處理參數(shù)/操作。在操作中，用戶能將氣體分配系統(tǒng)設(shè)置成以特定的流率流動一種或多種氣體以便將混合生產(chǎn)氣體供給用于蝕刻晶片的反應(yīng)器。例如，在鋁蝕刻應(yīng)用中，在主蝕刻步驟中，用戶可能分別以100、200和4sccm的流率使Cl2、BCl3和N2的混合物流動?？捎蒑FCs控制和監(jiān)視生產(chǎn)氣體組分的流率。
在一個實(shí)施例中，本發(fā)明可包括至少一個流量測量設(shè)備、一個流量控制設(shè)備以及用于控制輸送給室中的至少兩個區(qū)的混合氣體流量的比例的反饋控制系統(tǒng)。該反饋控制系統(tǒng)可包括模擬電路和/或在可編程邏輯設(shè)備或計算機(jī)上執(zhí)行的數(shù)字控制算法。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的氣體分配系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖，其中經(jīng)氣體供應(yīng)線12(能將生產(chǎn)氣體提供給噴射頭或在室的上部分中排列的其他氣體供給裝置)和氣體供應(yīng)線14(將生產(chǎn)氣體提供給室的下面部分，如襯底支架周圍的氣體分配環(huán)或排列在襯底支座中的直通排氣管)將生產(chǎn)氣體提供給處理室10。然而，另一可替代的雙氣體供給裝置能將氣體提供給室的頂部中央和頂部周邊。將生產(chǎn)氣體從氣體供給設(shè)備16、18、20提供給氣體線12、14，來自供給設(shè)備16、18、20的生產(chǎn)氣體分別提供給質(zhì)量流量控制器22、24、26。在質(zhì)量流量控制器22、24、26將生產(chǎn)氣體提供給混合歧管28后，混合氣體經(jīng)過可選的流量計30，該流量計30隨后將混合生產(chǎn)氣體引導(dǎo)至流量線12、14。流量線12可包括可選的流量限制設(shè)備32，流量線14可包括流量測量設(shè)備34和反饋控制閥36?？刂葡到y(tǒng)40監(jiān)視流量測量設(shè)備34并有效地控制質(zhì)量流量控制器22、24、26和反饋控制閥36。該反饋控制系統(tǒng)允許調(diào)整輸送給處理室的兩個區(qū)的混合氣體的比例?？蛇x的流量限制設(shè)備32可是固定的節(jié)流孔或針閥，等等。
在操作中，用戶將選擇用于氣體箱中的每一供給氣體的流量的設(shè)定值，以及將選擇輸送給處理室的每個區(qū)的混合流量的部分。例如，用戶可能選擇經(jīng)線由12輸送75％和經(jīng)由線14輸送25％的100Cl2/200BCl3/4sccm O2的流量。根據(jù)相對于其目標(biāo)流量在線14中測量的實(shí)際流量，重復(fù)調(diào)整線14中的反饋控制閥來控制在各個輸送線中的混合流量部分。通過將總流量與由室輸送線12中的測量計測量的流量進(jìn)行比較，控制器能調(diào)整線14中閥36的節(jié)流程度以便實(shí)現(xiàn)所需的流量分配，在這種情況下，可通過將氣體箱中所有的質(zhì)量流量控制器22、24、26的流量讀數(shù)相加來測量總流量。或者，可將可選的總流量計正好安裝在混合歧管28的下游以便測量混合氣體的總流量，而不是通過將氣體箱中MFCs22、24、26的讀數(shù)相加來確定總流量。
在通過將氣體箱MFC讀數(shù)相加來確定總流量的情況下，可將這些測量的流率轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)氣體，如氮?dú)獾拿糠昼姷刃У臉?biāo)準(zhǔn)立方厘米(sccm)，以便在不同處理中氣體混合物可能不同的通常情況下提供精確和靈活的控制。因此，可執(zhí)行計算來將混合氣體流量轉(zhuǎn)換成“氮當(dāng)量流量”，并且可校準(zhǔn)線14內(nèi)的線內(nèi)(in-line)流量測量設(shè)備以便測量“氮當(dāng)量流量”，從而在相同的基礎(chǔ)上執(zhí)行所有流量測量。例如，在典型的基于熱的質(zhì)量流量測量計中，Cl2的100sccm相當(dāng)于氮的116.5sccm、BCl3的200sccm相當(dāng)于氮的444.4sccm以及O2的4sccm相當(dāng)于氮的4.08sccm。因此，上述例子中的混合氣體的“氮當(dāng)量流量”為564.98sccm，并且經(jīng)具有反饋控制閥的線輸送25％，控制環(huán)路可調(diào)整閥門來實(shí)現(xiàn)用于該例子的氮的0.25*564.98＝141.2sccm的流量讀數(shù)。注意在穩(wěn)態(tài)下，來自氣體箱的混合氣體的總流量將最終到達(dá)室，因為在該過程中不調(diào)整線12內(nèi)的可選流量限制設(shè)備，并且壓力將自然地在混合歧管中建立，直到總流量等于總輸出流量。
圖2表示概述使用圖1的裝置控制分流氣體供給的方法的流程圖。在運(yùn)行給定過程期間能以假定為1-500Hz(例如50Hz)的速率重復(fù)執(zhí)行該過程，以便在實(shí)時基礎(chǔ)上適應(yīng)于方法條件(recipe conditions)和流量的改變。如圖2所示，流程圖舉例說明各步驟，其中S1是輸入分流(flow splitting)設(shè)定值如提供給具體的處理室部分的流率百分比的步驟，S2是讀取或確定提供給處理室的總的混合氣體流率的步驟，S3圖示說明了基于分流設(shè)定值和總流率，計算用于線14的目標(biāo)流量的步驟，S4圖示說明讀取線14中的氣體流率的步驟，S5圖示說明計算線14中的流量誤差的步驟，該誤差定義為線14中的目標(biāo)和實(shí)際流率間的差別，以及S6圖示說明使用比例(P)、比例和積分(PI)或比例和積分以及微分(PID)補(bǔ)償來調(diào)整閥門的控制設(shè)定值(例如，開度百分比)，以便降低線14中的流量誤差的步驟。
圖3描述根據(jù)本發(fā)明的氣體流量裝置的第二和最優(yōu)選的實(shí)施例，其中用流量計42和反饋控制節(jié)流閥44的組合來代替線12中的可選流量限制設(shè)備，即，實(shí)現(xiàn)用兩個節(jié)流閥和兩個流量計來分流生產(chǎn)供給氣體的實(shí)施例。根據(jù)用戶選擇的分流和流量計讀數(shù)的比較，可調(diào)整一個或兩個節(jié)流閥的開孔。通常，使用常規(guī)的質(zhì)量流量控制器來實(shí)現(xiàn)流量計和節(jié)流閥的組合(用虛線框圈起)，其中控制系統(tǒng)將各個流量設(shè)定值控制發(fā)送給每個支線以便實(shí)現(xiàn)用戶選擇的分流。該實(shí)施方式提供比圖1稍大的靈活性，因為有效地調(diào)整和控制每個氣體輸送線的傳導(dǎo)性的能力。例如，這允許如有能力將在每條線中的分流假定從0調(diào)整到100％。相反，圖1的實(shí)施方式可能不允許經(jīng)線14輸送100％流量而不對可選的流量限制設(shè)備32做一些(手動)調(diào)整。另外，圖3中的實(shí)施方式提供在每個混合氣體輸送線中流量的實(shí)時測量，這允許實(shí)時故障檢測(例如，檢測給定線中的流量阻塞或氣體箱MFC校準(zhǔn)中的偏差)，同時處理生產(chǎn)中的晶片。在操作中，根據(jù)用戶選擇的分流設(shè)定值和由在線12或14中的測量的比率確定的實(shí)際分流部分與總流量(通過將線12和14中的各個流量計讀數(shù)相加測量)的比較，調(diào)整一個或兩個節(jié)流閥的開孔。通常，使用常規(guī)的質(zhì)量流量控制器來實(shí)現(xiàn)線12和14中的一個或兩個流量計和節(jié)流閥的組合(用虛線框圈起)，其中控制系統(tǒng)將單獨(dú)流量設(shè)定值控制發(fā)送給線12和14中的每個MFC以實(shí)現(xiàn)用戶選擇的分流。
在將常規(guī)的MFCs用在線12和14的情況下，通常，最好命令一個MFC全開而另一個MFC由控制電路或在微處理器(或等效物)上執(zhí)行的算法有效地控制，以便實(shí)現(xiàn)用戶選擇的分流。這確?？偟幕旌狭髁康扔诳偟幕旌狭髁枯敵?，因此，在線12和14中的MFCs的上游沒有會影響室中最終處理結(jié)果的不必要的或過剩氣體存儲。另外，這有效地消除了為了獲得氣體供給這些MFCs彼此競爭的可能性，這種MFCs間的彼此競爭會導(dǎo)致控制不穩(wěn)定性。假定線12和14中的MFCs是相同的(例如，同樣的流量校準(zhǔn)和容量，同樣的壓降，等等)，并且具有最大請求的設(shè)定值的線上的MFC通常被控制為全開狀態(tài)，而在另一條線上的MFC將根據(jù)各設(shè)定值和各個流量讀數(shù)有效地控制以實(shí)現(xiàn)該條線中的較低流量。下面將對此進(jìn)行解釋。如果MFCs相同并且均控制到全開狀態(tài)，那么在每條線中的流量部分將是50％。為實(shí)現(xiàn)假定在線12中大于50％，必須降低線14的流量傳導(dǎo)性(flowconductance)(通過部分關(guān)閉線14節(jié)流閥)。該動作將引起混合歧管壓力的稍微增加，這將導(dǎo)致經(jīng)12的流量的增加，因為給定線中的流量與那條線中的壓降成比例。為描述目的，將控制到全開狀態(tài)的MFC稱為“主”MFC以及將有效控制的MFC稱為“從”MFC。
實(shí)際上，由于制造公差，對兩個MFCs來說，使通過它們的壓降相同是難得的，即使流量控制和校準(zhǔn)可能相同。事實(shí)上，在某些情況下，使用不同的MFC范圍來實(shí)現(xiàn)想要的控制性能是有用的。例如，一種情況可能使用1000sccm和250sccm MFCs的組合，以便在具有250sccm MFC的線中在低流量(例如，低于100sccm)時提供好4倍的流量控制精確度。由于MFCs通常僅精確地控制低于整個標(biāo)度范圍的百分之幾的流量，從而實(shí)現(xiàn)具有較低范圍MFC的線中的改進(jìn)的方案。(MFCs的內(nèi)部PID調(diào)整將補(bǔ)償這些差值)。因此，對給定的分流設(shè)定值來說，選擇哪個MFC是主以及哪個MFC是從通常將根據(jù)校準(zhǔn)試驗來確定，該校準(zhǔn)試驗在與控制成全開狀態(tài)的兩個MFCs一起使用時測量具體的MFCs的固有的分流量。另外，該固有的分流量可是除正使用的MFCs的相對范圍(例如，1000和250sccm MFCs對1000和1000 MFCs)和流率外的正流動的氣體的類型的函數(shù)，因此，可能有必要使用查找表來選擇用于給定條件的適當(dāng)?shù)闹骱蛷腗FC。另外，控制算法可包括控制環(huán)中的檢驗以便確定是否選擇了正確的主(全開)MFC并根據(jù)用戶選擇的分流公差按需調(diào)整該主選擇。
在圖4中示出的流程圖中概述了用于該實(shí)施方式的總的控制算法(減去(less)主/從檢查特征)，圖4示出了用于單獨(dú)地控制處理室的至少兩個不同區(qū)域的流量而執(zhí)行的基本功能的流程圖，其中步驟S10是輸入用于混合氣體分流的總流量的設(shè)定值的步驟，S11是讀取每條氣體輸送線(如正處理的晶片的中央和邊緣)的實(shí)際流量并確定總流量的步驟，S12是根據(jù)分流設(shè)定值和總流率計算用于每條氣體輸送線的目標(biāo)流量的步驟，S13是選擇主和從(受控)流量控制器的步驟，S14是計算從流量控制器設(shè)定值以滿足目標(biāo)流量的步驟(通過計算當(dāng)前分流誤差和實(shí)現(xiàn)對新設(shè)定值的計算的PID補(bǔ)償，該步驟可用來加快達(dá)到目標(biāo)流量)，S15是將設(shè)定值寫入每條氣體輸送線流量控制器(如正處理的晶片的中央和邊緣)的步驟。通過將PID補(bǔ)償增加到計算出的從MFC的目標(biāo)流量，可進(jìn)一步提高分流供給控制的響應(yīng)時間。例如，將比例補(bǔ)償加到新的從設(shè)定值可通過由下述公式計算新設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)新的從MFXC流量設(shè)定值＝從MFC目標(biāo)流量+比例增益×(從MFC目標(biāo)流量-從MFC實(shí)際流量)圖5表示本發(fā)明的另一可能的實(shí)現(xiàn)，其中使用一個輸入兩個輸出的節(jié)流閥46分流生產(chǎn)供給氣體，根據(jù)預(yù)定的閥門校準(zhǔn)，控制設(shè)定值選擇從每條支線排出的流量部分。這種實(shí)現(xiàn)的一個限制是閥門分流部分的校準(zhǔn)是氣體合成的并與流量相關(guān)。沒有流量計來監(jiān)視每條輸送通道中的相對流量，對于不同工藝條件，對給定氣體混合物在給定流量下的分流的精確性可能改變。缺少線內(nèi)流量計也阻礙了對例如能導(dǎo)致晶片處理結(jié)果的工藝偏差的流量阻塞或校準(zhǔn)偏差的情況的故障檢測。這種實(shí)現(xiàn)的另一缺點(diǎn)是與廣泛可獲得的商業(yè)質(zhì)量流量計、流量控制閥和質(zhì)量流量控制器相比，當(dāng)前缺少商業(yè)上可獲得的一個輸入兩個輸出的節(jié)流閥。
圖6示出通過在氣體輸送線中提供至少一個流量計42、34以允許分流器閥門的反饋控制和故障檢測能力，從而增強(qiáng)圖5所示的實(shí)現(xiàn)方式。如果在圖6中僅使用一個流量計，則通過將氣體箱中MFCs的流量讀數(shù)相加來確定總的流量測量。如果實(shí)現(xiàn)兩個流量計，那么可通過將由線12和14中的流量計測量的流量相加來確定總流量。
圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的氣體噴射裝置，其中將來自氣體歧管28的氣體分流以提供給頂部氣體(top gas)供應(yīng)線12和周邊氣體供應(yīng)線14，每條供應(yīng)線包括流量計42、34和反饋控制節(jié)流閥44、36。在所示的實(shí)施例中，在U.S.專利No.4,948,458(其所公開的內(nèi)容在此引入作為參考)所示的室的電介質(zhì)窗口的中央提供頂部氣體供給，并且將周邊氣體供給提供給窗口下的氣體環(huán)。
圖7B表示根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的氣體噴射系統(tǒng)，其中氣體供給提供兩個區(qū)噴射頭，一個例子如共同擁有的U.S.申請No.09/343,690(P510)所述，其公開的內(nèi)容在此引入作為參考。如圖所示，該氣體噴射系統(tǒng)將來自氣體歧管28的氣體經(jīng)氣體供應(yīng)線50提供給中央壓力通風(fēng)系統(tǒng)并經(jīng)氣體供應(yīng)線52提供給向外設(shè)置在中央壓力通風(fēng)系統(tǒng)50的環(huán)形外部壓力通風(fēng)系統(tǒng)。中央壓力通風(fēng)系統(tǒng)可具有各種結(jié)構(gòu)，如圓形壓力通風(fēng)系統(tǒng)或直徑小于外部壓力通風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)形壓力通風(fēng)系統(tǒng)。
圖8表示一種裝置，其中混合歧管下游的一個或多個固定節(jié)流孔或者流量孔用來將氣體供給分流到處理室的多個位置。圖8的裝置已經(jīng)在平板顯示蝕刻工具中實(shí)現(xiàn)，其中使用中央和邊緣氣體噴射。中央氣體供應(yīng)線具有插入供給單一中央氣體供應(yīng)噴射器的線中的固定節(jié)流孔，而邊緣供應(yīng)線沒有固定的節(jié)流孔但提供多個邊緣噴射器。中央噴射器的固定節(jié)流孔的目的是限制到室中央的氣體供給。即，沒有該固定的節(jié)流孔，提供到室中央的流量的比例將大于所需。
根據(jù)本發(fā)明的氣體分配系統(tǒng)可用在高密度等離子反應(yīng)堆中。這種等離子反應(yīng)堆通常具有使用RF能源、微波能源、磁場等等的高能量源以便產(chǎn)生高密度等離子體。例如，可在變壓器耦合等離子體(TCPTM)中產(chǎn)生高密度等離子，變壓器耦合等離子體也可稱為電感耦合等離子反應(yīng)堆、電子回旋加速器共振(ECR)等離子反應(yīng)堆、螺旋波等離子反應(yīng)堆，等等。能提供高密度等離子體的高流量等離子反應(yīng)堆的一個例子在共同擁有的U.S.專利No.5,820,723中公開，其公開的內(nèi)容在此引入作為參考。
根據(jù)本發(fā)明的氣體分配系統(tǒng)可用于等離子體蝕刻過程，其中可相對于彼此改變由上述實(shí)施例中的第一和第二氣體供給設(shè)備提供的生產(chǎn)氣體，舉例來說，在槽的蝕刻過程中，例如，可提供Ar、氧和碳氟化合物(例如，CHF3和C4F8)的混合物，并且在通孔的蝕刻過程中，通過降低提供給中央?yún)^(qū)的混合氣體的流量能降低到晶片的中央?yún)^(qū)的氧的流量。在蝕刻低k電介質(zhì)層的情況下，生產(chǎn)氣體可包括碳?xì)浠衔?，如C2H4，可以徑向地改變晶片的中央和周界區(qū)域中碳?xì)浠衔?氧氣氣體流率的比率以實(shí)現(xiàn)均勻蝕刻。因此，根據(jù)本發(fā)明，可調(diào)整提供給晶片的中央和邊緣的混合氣體量以補(bǔ)償?shù)入x子體室中的邊緣快速蝕刻和中央快速蝕刻情形。例如，在常規(guī)的等離子體蝕刻器中，可能發(fā)生邊緣快速蝕刻情形直到侵蝕光刻膠，之后發(fā)生中央快速蝕刻情況。利用根據(jù)本發(fā)明的氣體分配裝置，當(dāng)晶片具有光刻膠層時在中央能提供更多的氧氣，而當(dāng)侵蝕掉光刻膠層時，能降低到中央的氧氣的流量。結(jié)果，通過補(bǔ)償邊緣快速和中央快速蝕刻情形，可以實(shí)現(xiàn)更均勻的蝕刻。
本發(fā)明已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述。然而，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯然可能以除上面描述過的特定實(shí)施例以外的其他實(shí)施例來具體化本發(fā)明而不脫離本發(fā)明的精神。優(yōu)選實(shí)施例是描述性的而絕不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是限制。本發(fā)明的范圍由附后的權(quán)利要求而不是前述的說明限定，落在權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有改變和等效應(yīng)認(rèn)為包含在此之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于在半導(dǎo)體襯底處理中所用的反應(yīng)室的氣體分配系統(tǒng)，包括多個氣體供給設(shè)備；混合歧管，其中將來自多個氣體供給設(shè)備的氣體混合在一起；多條氣體供應(yīng)線，用于將混合氣體輸送給該室中的多個區(qū)，該氣體供應(yīng)線包括將混合氣體輸送給室中的第一區(qū)的第一氣體供應(yīng)線以及將混合氣體輸送給室中的第二區(qū)的第二氣體供應(yīng)線；至少一個控制閥，用于控制第一和/或第二氣體供應(yīng)線中的混合氣體的流率，以便在第一和第二氣體供應(yīng)線中實(shí)現(xiàn)混合氣體的流率的想要的比率；至少一個流量測量設(shè)備，用于測量第一和/或第二氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率；以及控制器，用于響應(yīng)由該至少一個流量測量設(shè)備所測量的流率來操作該至少一個控制閥。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體分配系統(tǒng)，其中控制器包括用于操作該至少一個控制閥的計算機(jī)或可編程邏輯設(shè)備，以便在室中處理半導(dǎo)體襯底期間，將輸送給多條氣體供應(yīng)線中的至少一條的混合氣體的比例由第一設(shè)定值改變?yōu)榈诙O(shè)定值。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體分配系統(tǒng)，其中控制閥和流量測量設(shè)備沿著第一氣體供應(yīng)線設(shè)置。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體分配系統(tǒng)，其中該至少一個控制閥包括第一和第二控制閥，該至少一個流量測量設(shè)備包括第一和第二流量測量設(shè)備，該第一控制閥和第一測量設(shè)備沿著第一氣體供應(yīng)線設(shè)置，以及該第二控制閥和第二測量設(shè)備沿著第二氣體供應(yīng)線設(shè)置。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體分配系統(tǒng)，其中該至少一個控制閥和至少一個流量測量設(shè)備包括沿著第一氣體供應(yīng)線設(shè)置的單個控制閥和單個流量測量設(shè)備，該裝置進(jìn)一步包括沿著第二氣體供應(yīng)線設(shè)置的流量限制設(shè)備。
6.如權(quán)利要求1所述的氣體分配系統(tǒng)，其中控制閥包括可通過操作將第一比例的混合氣體輸送給第一供應(yīng)線以及將第二比例的混合氣體輸送給第二氣體供應(yīng)線的可調(diào)分流閥。
7.如權(quán)利要求6所述的氣體分配系統(tǒng)，其中該至少一個流量測量設(shè)備包括第一和第二流量測量設(shè)備，該第一流量測量設(shè)備測量第一氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率，該第二流量測量設(shè)備測量第二氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率，控制器響應(yīng)由第一和第二流量測量設(shè)備測量的流率來操作該至少一個控制閥。
8.如權(quán)利要求1所述的氣體分配系統(tǒng)，其中該至少一個控制閥包括沿著第一氣體供應(yīng)線設(shè)置的第一控制閥以及沿著第二氣體供應(yīng)線設(shè)置的第二控制閥，控制器操作該第一控制閥以使其處于全開狀態(tài)，并且該控制器有效地操作該第二控制閥以便在第二氣體供應(yīng)線中提供的流率低于在第一氣體供應(yīng)線中提供的流率。
9.如權(quán)利要求1所述的氣體分配系統(tǒng)，其中該至少一個控制閥包括沿著第一氣體供應(yīng)線設(shè)置的第一控制閥以及沿著第二氣體供應(yīng)線設(shè)置的第二控制閥，該控制器操作第一控制閥以使其處于全開狀態(tài)，并且該控制器有效地操作該第二控制閥以迫使更多的流量通過第一氣體供應(yīng)線。
10.如權(quán)利要求1所述的氣體分配系統(tǒng)，進(jìn)一步包括位于氣體供給設(shè)備和混合歧管之間的質(zhì)量流量控制器，該質(zhì)量流量控制器用于控制提供到混合歧管中的氣體的流率。
11.如權(quán)利要求1所述的氣體分配系統(tǒng)，其中所述室包括等離子體蝕刻室，其中RF能源用來將混合氣體激勵到等離子態(tài)。
12.一種用于處理反應(yīng)室中的襯底的方法，其中一個氣體分配系統(tǒng)包括多個氣體供給設(shè)備；在其中將來自多個氣體供給設(shè)備的氣體混合在一起的混合歧管；將混合氣體輸送給該室中的不同區(qū)的多條氣體供應(yīng)線，該氣體供應(yīng)線包括將混合氣體輸送給該室中的第一區(qū)的第一氣體供應(yīng)線以及將混合氣體輸送給該室中的第二區(qū)的第二氣體供應(yīng)線；至少一個控制閥，用于控制第一和/或第二氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率，以便在第一和第二氣體供應(yīng)線中實(shí)現(xiàn)混合氣體的流率的想要的比率；至少一個流量測量設(shè)備，用于測量在第一和/或第二氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率；以及控制器，用于響應(yīng)由該至少一個流量測量設(shè)備所測量的流率來操作該至少一個控制閥，該方法包括將半導(dǎo)體襯底提供給反應(yīng)室；用至少一個流量測量設(shè)備測量第一和/或第二氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率；以及通過將混合氣體提供給第一和第二區(qū)來處理襯底，響應(yīng)由該至少一個流量測量設(shè)備測量的流率，由控制器調(diào)整該至少一個控制閥。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中控制器操作該至少一個控制閥以便在處理襯底期間，將第一氣體供應(yīng)線中的混合氣體的流率從第一設(shè)定值改變?yōu)榈诙O(shè)定值。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中測量第一氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率，以及調(diào)整該至少一個控制閥來控制該第一氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該至少一個控制閥包括在第一氣體供應(yīng)線中的第一控制閥以及在第二氣體供應(yīng)線中的第二控制閥，該方法包括測量第一和第二氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率并調(diào)整第一和/或第二控制閥以便控制該第一和第二氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括測量第一氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率；調(diào)整該至少一個控制閥來控制第一氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率；以及引導(dǎo)混合氣體通過第二氣體供應(yīng)線中的流量限制設(shè)備。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該至少一個控制閥包括可調(diào)分流閥，該方法包括操作該可調(diào)分流閥來將第一比例的混合氣體輸送給第一供應(yīng)線以及將第二比例的混合氣體輸送給第二氣體供應(yīng)線。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中該至少一個流量測量設(shè)備測量第一和第二氣體供應(yīng)線中混合氣體的流率，以便響應(yīng)測量的流率操作控制閥。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，其中半導(dǎo)體襯底包括硅晶片，并且該方法包括于蝕刻晶片上的電介質(zhì)、半導(dǎo)體或?qū)w材料層。
20.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該方法包括將一材料層淀積在半導(dǎo)體襯底上。
21.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括操作在氣體供給設(shè)備和混合歧管之間的質(zhì)量流量控制器以便控制提供給混合歧管的氣體的流率。
22.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，該室包括等離子體蝕刻室，其中RF能源電感性地耦合到該室中，該方法包括用等離子體蝕刻襯底。
23.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，該室包括等離子體蝕刻室，其中在該室中生成等離子體，該方法包括用等離子體蝕刻襯底上的二氧化硅、鋁或多晶硅。
24.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，該室包括等離子體蝕刻室，其中在該室中生成等離子體，該方法包括在混合歧管中，將從Cl2、HCl3和HBr中選擇的至少一種鹵素氣體與O2、N2或從CHF3和CF4中選擇的碳氟化合物混合，并將混合氣體激勵成等離子態(tài)，以及用該等離子體蝕刻襯底。
25.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，該室包括等離子體蝕刻室，其中在該室中生成等離子體，該方法包括將碳氟化合物與O2或C2H4混合，將混合氣體激勵成等離子態(tài)，以及用該等離子體蝕刻襯底。
26.如權(quán)利要求12所述的方法，其中控制器監(jiān)視由氣體供給設(shè)備提供給混合歧管的總氣體流量并將該總氣體流量和在一條氣體供應(yīng)線中的測量的氣體流量與用于第二氣體供應(yīng)線的目標(biāo)流量進(jìn)行比較，由控制器重復(fù)調(diào)整該至少一個控制閥以實(shí)現(xiàn)第一和第二氣體供應(yīng)線中的流率的想要的比率。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中使用第一和第二質(zhì)量流量控制器，在全開狀態(tài)下操作該第一質(zhì)量流量控制器以及重復(fù)調(diào)整該第二質(zhì)量流量控制器設(shè)定值。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中使用第一和第二質(zhì)量流量控制器，根據(jù)當(dāng)前流量讀數(shù)加上當(dāng)前和目標(biāo)流量之間的差值的倍數(shù)，通過重復(fù)地將新設(shè)定值應(yīng)用到受控質(zhì)量流量控制器來降低分流氣體流量穩(wěn)定時間。
全文摘要
用于處理半導(dǎo)體襯底的氣體分配系統(tǒng)，包括多個氣體供給設(shè)備；在其中將來自多個氣體供給設(shè)備的氣體混合在一起的混合歧管；將混合氣體輸送給室中的各個區(qū)的多條氣體供應(yīng)線；以及控制閥。氣體供應(yīng)線包括將混合氣體輸送給室中的第一區(qū)的第一氣體供應(yīng)線以及將混合氣體輸送給室中的第二區(qū)的第二氣體供應(yīng)線?？刂崎y控制第一和/或第二供應(yīng)線中混合氣體的流率以便在第一和第二氣體供應(yīng)線中實(shí)現(xiàn)混合氣體的流率的想要的比率。在使用該裝置的方法中，將半導(dǎo)體襯底提供給反應(yīng)室以及通過將混合氣體提供給第一和第二區(qū)來處理襯底，調(diào)整控制閥以便在第一和/或第二氣體供應(yīng)線中的混合氣體的流率提供第一和第二區(qū)中混合氣體的流率的想要的比率。
文檔編號B01J4/00GK1468441SQ01816884
公開日2004年1月14日 申請日期2001年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月6日
發(fā)明者布賴恩·K·邁克米林, 布賴恩 K 邁克米林, 諾普, 羅伯特·諾普 申請人:蘭姆研究公司