脉冲质量流量输送系统及方法技术方案

一种用于输送所需质量的气体的系统，包括：室；控制进入室的流的第一阀门；控制流出室的流的第二阀门；连接到室的压力传感器；输入装置，用于提供将所输送的所需气体质量；连接到阀门、压力传感器和输入装置的控制器。控制器被编程为：从输入装置接收所需气体质量，关闭第二阀门并打开第一阀门；从压力传感器接收室压的测量；当室内压力达到预定水平时关闭入口阀门。控制器被编程为等待预定的等待时间段以使室内部的气体达到平衡状态；然后在时间＝ｔ０时打开出口阀门；并且当释放的气体质量等于所需质量时在时间＝ｔ↑［＊］时关闭出口阀门。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及半导体制造设备，更具体地，涉及用于将精确数量的工艺气体输送到半导体工艺室的系统和方法。更加具体地，本专利技术公开涉及用于将前体气体(precursor gases)的脉冲质量流量输送到半导体工艺室中的系统和方法。
技术介绍
半导体器件的制造或加工通常需要严格地同步并精确测量输送到工艺室的许多气体的输送量。在制造工艺中使用各种方法和许多分立的工艺步骤，其中半导体器件需要被清洗、抛光、氧化、掩蔽、蚀刻、掺杂、金属化等。所使用的步骤、其具体次序和所包括的材料都对具体器件的制备有影响。由于器件尺寸持续缩小到90nm以下，半导体发展(roadmap)提出一种将在许多应用中需要的原子层沉积(ALD)工艺，例如用于铜互连的阻挡层的沉积、钨晶核层的制造和高传导性介质的生产。在ALD工艺中，两种或更多种前体气体流过保持真空的工艺室中的晶片表面上方。两种或更多前体气体以交替(或脉冲)方式流动，以便使气体可以与晶片表面上的结构或功能组反应。当所有可用结构都以前体气体之一(例如，气体A)饱和时，停止反应并使用净化气体从工艺室清除过多的前体分子。当下一前体气体(即，气体B)流过晶片表面上方时，重复该工艺。将一个循环定义为前体A的一个脉冲、净化、前体B的一个脉冲和净化。重复该顺序直到达到最终的厚度。这些连续的、受自身制约的表面反应在每个循环产生沉积膜的一个单层。一般使用开/关型阀门控制进入工艺室的前体气体的脉冲，开/关型阀门仅打开预定的时间段以便将所需量的前体气体输送到工艺室中。或者，在短时间间隔中，使用质量流量控制器输送可重复的气体流速，而不是一定质量或数量的气体，质量流量控制器是由传感器、控制阀和控制与信号处理电路构成的自给(self-contained)装置。在这两种情况中，不能实际测量流到工艺室中的材料(质量)数量。仍然需要一种新的改进的系统和方法，用于测量并将前体气体的脉冲质量流量输送到半导体工艺室中。优选地，该系统和方法将实际测量流到工艺室中的材料(质量)数量。此外，优选地，该系统和方法提供用在诸如原子层沉积(ALD)工艺的半导体制造工艺中的高重复性和精确数量的气体质量。
技术实现思路
本公开提供了一种用于输送所需质量的气体的系统。该系统包括室；控制流入室中的气体的第一阀门；控制流出室的气流的第二阀门；提供室内压力测量的压力传感器；输入装置，用于提供将被该系统输送的所需气质量体；连接到阀门、压力传感器和输入装置的控制器。将控制器编程为从输入装置接收所需气体质量；关闭第二阀门并打开第一阀门；接收来自压力传感器的室压测量；当室内压力达到预定水平时关闭入口阀门；然后控制器被编程为等待预定的等待时间段，以使室内部的气体达到平衡状态；在时间＝t0时打开出口阀门；并且当释放的气体质量等于所需质量时在时间＝t*时关闭出口阀门。根据本公开的一个方面，释放的质量Δm等于Δm＝m(t0)-m(t*)＝V/R，其中，m(t0)是时间＝t0时输送室中的气体质量，m(t*)是时间＝t*时输送室中的气体质量，V是输送室的容积，R等于普适气体常数(8.3145J/mol K)，P(t0)是时间＝t0时室内的压力，P(t*)是时间＝t*时室内的压力，T(t0)是时间＝t0是室内的温度，T(t*)是时间＝t*时室内的温度。根据本公开的另一方面，系统还包括固定到输送室并连接到控制器的温度探针，而且温度探针直接向控制器提供T(t0)和T(t*)。根据本公开的再一方面，系统还包括固定到输送室并连接到控制器的温度探针。T(t0)和T(t*)由下式计算dT/dt＝(ρSTP/ρV)Qout(γ-1)T+(Nuk/l)(AW/VCvρ)(TW-T)。其中，ρSTP是标准温度和压力(STP)条件下的气体密度，ρ等于气体密度，V是室的容积，Qout是流出输送室的气流，T等于绝对温度，γ是比热比，Nu是Nusslets数，k是气体的热传导率，Cv是恒定体积下的比热，l是输送室的特征长度，且TW是由温度探针提供的室壁的温度。根据本公开的又一方面，流出输送室的气流Qout由下式计算Qout＝-(V/ρSTP)。除了其他方面和优点之外，本公开提供了一种用于将前体气体的脉冲质量流量输送到半导体工艺室中的新的改进系统和方法。该质量流量输送系统和方法实际测量流入工艺室中的材料(质量)数量。此外，本系统和方法提供了在诸如原子层沉积(ALD)工艺的半导体制造工艺中使用的高重复性且精确数量的气体质量。通过以下详细描述本公开的其他方面和优点对本领域技术人员来说将变得更加明显，其中仅以说明方式示出并描述了本公开的示例性实施例。如可理解的那样，本公开可以是其他不同的实施例，且其一些细节可以各种显而易见的方面进行修改，且完全不脱离本公开。因此，附图和说明书应被视为说明性的而不是限制性的。附图说明参考附图，其中全文中具有相同参考符号的元件表示相同元件，且其中图1是根据本公开构造的脉冲质量流量输送系统的示例性实施例的示意图；图2是包括两个图1的脉冲质量流量输送系统的原子层沉积系统的示例性实施例的示意图；图3是说明根据本公开用于输送脉冲质量流量的方法的示例性实施例的流程图，其中该方法可用于操作图1的脉冲质量流量输送系统；图4是进行图3的方法时，图1系统的室内压力与时间的关系曲线图；图5是在完成图3的方法后，图1系统的室内压力与时间的关系曲线图；图6是进行图3的方法时，图1系统室内的实际压力、温度和质量与模拟温度和质量与时间的关系曲线图；图7是根据现有技术构造的原子层沉积系统的示例性实施例的示意图。具体实施例方式参考图1，本公开提供了质量流量输送系统10的示例性实施例，并且，在图2中，本公开提供了用于输送质量流量的方法100的示例性实施例。系统10和方法100具体用于将无污染的精确计量数量的工艺气体输送到半导体工艺室。质量流量输送系统10和方法100实际测量流到工艺室中的材料(质量)数量。此外，该系统和方法提供了在诸如原子层沉积(ALD)工艺的半导体制造工艺中使用的高重复性和精确数量的气体质量。然而，在描述本公开的系统10和方法100之前，首先描述原子层沉积设备的例子以提供背景信息。图7是根据现有技术构造的原子层沉积系统30的示例性实施例的示意图。系统30包括用于容纳半导体晶片或衬底32的工艺室31。通常，晶片32位于支撑体(夹盘)33顶上并将加热器34连接到夹盘以便加热夹盘33和衬底32，以进行等离子体沉积。通过位于室31一端的气体分配器35将工艺气体引入室31中。将真空泵36和节流阀37设置在相反的一端，以便使气体流过晶片表面并调节工艺室内的压力。系统30还包括用于混合各种工艺气体的混合汇流管38、用于形成等离子体的等离子体形成区39。可以利用各种用于组合气体并形成等离子体的化学气相沉积(CVD)技术，包括修改现有技术中已知的技术。然后将远程形成的等离子体送入气体分配器35中，再送入工艺室31中。混合汇流管38具有用于引入气体和化学物质的两个入口。引入载气和气流，其在混合汇流管38处分开。载气通常是惰性气体，例如氮气。混合汇流管38还具有用于化学物质的两个入口。在图7的示意图中，示出了将化学物质A和化学物质B与载气组合化学物质A属于第一前体气体且化学物质B属于第二前体气体，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于输送所需质量的气体的系统，包括：室；控制进入该室中的气流的第一阀门；控制流出该室的气流的第二阀门；提供该室内压力测量的压力传感器；输入装置，用于提供将从该系统输送的所需气体质量；连接到所述阀门、所述压力传感器和所述输入装置的控制器，其被编程为：通过所述输入装置接收所需质量的气体，关闭所述第二阀门；打开所述第一阀门；从所述压力传感器接收室压的测量；当所述室内的压力达到预定水平时关闭所述入口阀门；等待预定的等待时间段以使所述室内部的气体达到平衡状态；在时间＝ｔ０时打开所述出口阀门；并且当释放的气体质量等于所需质量时在时间＝ｔ＊时关闭所述出口阀门。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿里沙吉，西达尔斯纳加尔卡蒂，马修M贝森，威廉R克拉克，丹尼尔A史密斯，博拉阿克盖尔曼，
申请(专利权)人：MKS仪器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]