專利名稱：半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)氣體反應(yīng)室的氣體配送系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體工藝中調(diào)整反應(yīng)室等離子氣體分布的氣體配送系統(tǒng)及方法，特別是一種在晶片進(jìn)行等離子蝕刻或薄膜沉積工藝中，能夠通過氣體流量控制閥的參數(shù)設(shè)定，隨時(shí)調(diào)整等離子氣體在反應(yīng)室里的分布狀況的氣體配送系統(tǒng)及方法，因此不需更換反應(yīng)室的上電極板氣體分配器，就可在蝕刻或沉積的不同工藝下，使同一片晶圓的均勻度達(dá)到最佳狀況。
背景技術(shù)：
當(dāng)集成電路(IC)工藝步入納米的階段，而且晶圓尺寸也逐漸加大(8英寸改變至12英寸)的同時(shí)，是否能控制好等離子氣體在反應(yīng)室內(nèi)的分布將與產(chǎn)品的合格率有著重大的關(guān)連。目前由于晶圓面積逐漸變大，單一晶片反應(yīng)室因具備多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為趨勢(shì)，因此如何能在等離子蝕刻或薄膜沉積等工藝中，在單一晶片反應(yīng)室中提供所需的等離子氣源分布，便成為相當(dāng)重要的課題。
公知半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)在晶片干式等離子蝕刻或薄膜沉積工藝時(shí)，皆通過氣態(tài)的化學(xué)源材料在晶圓表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，氣體輸送系統(tǒng)輸入氣體進(jìn)入單一晶片反應(yīng)室100的機(jī)構(gòu)如圖1所示，輸送管路102中的氣體，首先經(jīng)由氣體噴嘴(gas nozzle)104作一前置的分散，再經(jīng)由上電極板氣體分配器(showerhead)106將所通入的氣體分散到整個(gè)反應(yīng)室100中。圖2中所示的上電極板氣體分配器(showerhead)106的氣孔(gashole)108為一均勻分布狀，可以將通入氣體均勻通入到整個(gè)反應(yīng)室100中，但是在等離子蝕刻或薄膜沉積過程中，由于工藝狀況參數(shù)(輸入氣體種類、溫度、壓力、蝕刻或沉積作用高度等)的不同，將使得等離子蝕刻或薄膜沉積在晶圓各處有所差異，例在晶圓中心區(qū)域與邊緣區(qū)域可能高達(dá)30％以上的差異性，其中溫度參數(shù)和壓力參數(shù)已經(jīng)可以在半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)直接進(jìn)行精密調(diào)整，但是想要控制輸入氣體在反應(yīng)室100的分布情形，就只能通過改變上電極板氣體分配器106的氣孔108的排列設(shè)計(jì)才能達(dá)到此一需求。因此在等離子蝕刻或薄膜沉積過程中，若想要在同一片晶圓的中心區(qū)域與邊緣區(qū)域，得到差異微小的蝕刻或沉積結(jié)果，就必須依不同的工藝狀況，配合不同的上電極板氣體分配器氣孔的分布，但是這樣一來，就必須停止機(jī)臺(tái)運(yùn)作，拆解反應(yīng)室，使得生產(chǎn)機(jī)臺(tái)的稼動(dòng)率下降，造成生產(chǎn)成本亦將大幅提高。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述發(fā)明背景中，傳統(tǒng)單一上電極板氣體分配器上的氣孔分布無法達(dá)到不同工藝中對(duì)同一片晶圓均勻度需求的諸多缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一調(diào)整反應(yīng)室等離子氣體分布的氣體配送系統(tǒng)及方法，借以確保同一片晶圓工藝均勻度的需求。
本發(fā)明的一個(gè)目的，在于提供一種調(diào)整反應(yīng)室等離子氣體分布的系統(tǒng)，其于不同工藝中滿足對(duì)同一片晶圓均勻度的需求。
本發(fā)明的另一目的，在于提供一種能隨時(shí)監(jiān)視并調(diào)整反應(yīng)室等離子氣體輸送管路的氣體流量的方法，使其符合不同工藝中設(shè)定的不同氣體流量值。
根據(jù)以上所述的目的，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)氣體反應(yīng)室的氣體配送系統(tǒng)，包含一輸送氣體管路，連接第一和第二輸送氣體分流管路；第一氣體流量控制閥，位于第一輸送氣體分流管路，用以控制第一輸送氣體分流管路的氣體流量；第二氣體流量控制閥，位于第二輸送氣體分流管路，用以控制第二輸送氣體分流管路的氣體流量；第一和第二氣體噴嘴，分別位于第一和第二輸送氣體分流管路的出口；氣體分隔裝置，位于第一和第二氣體噴嘴之間，用以分隔從第一和第二氣體噴嘴噴出的氣體；及上電極板氣體分配器，具有第一多個(gè)氣孔和第二多個(gè)氣孔，其中第一氣體噴嘴噴出的氣體經(jīng)由第一多個(gè)氣孔送至氣體反應(yīng)室，第二氣體噴嘴噴出的氣體經(jīng)由第二多個(gè)氣孔送至該氣體反應(yīng)室。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中氣體配送系統(tǒng)，更包含一控制系統(tǒng)，具有一控制器，用以調(diào)整第一和第二氣體流量控制閥；第一和第二氣體流量偵測(cè)器，分別位于第一和第二輸送氣體分流管路，用以偵測(cè)第一和第二輸送氣體分流管路的氣體流量，且將偵測(cè)值送回控制器。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中氣體流量偵測(cè)器為加熱線圈。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中氣體流量控制閥以手動(dòng)調(diào)整。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中第一氣體噴嘴位于上電極板氣體分配器的中心區(qū)域。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中第二氣體噴嘴位于上電極板氣體分配器的周圍區(qū)域。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中氣體分隔裝置為O型環(huán)。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中O型環(huán)的材質(zhì)為橡膠或塑膠。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中O型環(huán)的材質(zhì)為耐腐蝕材質(zhì)，例如鐵弗龍。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中上電極板氣體分配器的第一多個(gè)氣孔為均勻分布。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中上電極板氣體分配器的第二多個(gè)氣孔為均勻分布。


圖1是公知?dú)怏w輸送系統(tǒng)的晶片反應(yīng)室結(jié)構(gòu)圖；圖2是上電極板氣體分配器的氣孔分布圖；圖3是應(yīng)用本發(fā)明氣體輸送系統(tǒng)的晶片反應(yīng)室結(jié)構(gòu)圖；圖4是晶片金屬層連接洞的剖面圖；圖5是本發(fā)明氣體輸送系統(tǒng)第一實(shí)施例的氣體分流器構(gòu)造圖；圖6是公知惠斯登電橋的電路架構(gòu)；圖7是使用本發(fā)明氣體輸送系統(tǒng)操作步驟的流程圖；圖8是本發(fā)明氣體輸送系統(tǒng)第二實(shí)施例的氣體分流器構(gòu)造圖。
100，200單一晶片反應(yīng)室102，202，2021，2022，301，302，303氣體輸送管路
104，2041，2042氣體噴嘴106，206上電極板氣體分配器108，208氣孔203氣體分流器205O型環(huán)2071，2072，304，305，304’，305’氣體流量控制閥306，307氣體流量控制閥的控制電路308，309偵測(cè)器402，404連接洞406 408金屬層具體實(shí)施方式
本發(fā)明的較佳實(shí)施例，請(qǐng)參照如圖3所示的等離子氣體單一晶片反應(yīng)室200的結(jié)構(gòu)圖，包括了部分的氣體輸送管路202及反應(yīng)室200，其中輸入反應(yīng)室氣體的輸送管路202，先經(jīng)過氣體分流器(gasseperator)203后，再區(qū)分為兩條管路2021及2022，其中管路2021接至中心區(qū)域的氣體噴嘴2041，另一條管路2022則接至周邊區(qū)域的氣體噴嘴2042，且中心區(qū)域的氣體噴嘴2041及周邊區(qū)域噴嘴2042并以O(shè)型環(huán)(O ring)205分隔，以避免兩區(qū)域的氣流發(fā)生局部的擾流現(xiàn)象，通過流量控制閥2071、2072調(diào)整此兩條輸入管路2021、2022的氣體流量，并經(jīng)過上電極板氣體分配器206的氣孔208后，就可以改變氣體在反應(yīng)室200的分布情形，以配合不同工藝條件的需求。O型環(huán)205的材質(zhì)在不具腐蝕性的等離子氣體中，可以使用便宜的橡膠或塑膠，而在具腐蝕性的等離子氣體中，則需使用耐腐蝕材質(zhì)，例如鐵弗龍。
舉例發(fā)明，圖4為蝕刻第一連接洞(Vial)402與第二連接洞(Vial)404的工藝，雖然蝕刻用的氣體都是Cl2或BCl3，但是由于第一金屬層(Metal 1)406和第二金屬層(Metal 2)408高度的不同，使用蝕刻第一金屬層406的工藝參數(shù)去蝕刻第二金屬層408時(shí)，在同一片晶圓的中心區(qū)域和周邊區(qū)域，會(huì)得到具有相當(dāng)差異性的蝕刻結(jié)果，甚至有會(huì)超出容許規(guī)格的上限值。此時(shí)利用本發(fā)明的氣體輸送系統(tǒng)中輸送氣體管路202上的流量控制閥，分別調(diào)整通往中心區(qū)域氣體噴嘴2041及周邊區(qū)域氣體噴嘴2042的氣體流量，則可直接改變氣體在反應(yīng)室200的分布情形，使得同一片晶圓的中心區(qū)域和周邊區(qū)域，具有可接受的微小差異的蝕刻結(jié)果，而不必停止機(jī)臺(tái)運(yùn)作，來更換反應(yīng)室上電極板氣體分配器206，以確保同一片晶圓蝕刻均勻度的方法。
圖5則是本發(fā)明氣體輸送系統(tǒng)第一實(shí)施例的氣體分流器(gasSeperator)203的內(nèi)部設(shè)計(jì)圖。包括了氣體輸送管路301、302、303，位于兩條輸入管路302、303的氣體流量控制閥304、305，以及控制閥的控制電路306、307。例如氣體經(jīng)由單一輸送管路301送入后，再分別流入兩條氣體輸送管路302與303，其中每個(gè)分流的氣體輸送管路302、303皆有偵測(cè)氣體流量的偵測(cè)器308、309，由此二偵測(cè)器308、309將偵測(cè)到的數(shù)據(jù)回饋至主控制系統(tǒng)，再與設(shè)定值比較，如果偵測(cè)值和設(shè)定值有差距，則可由主控制系統(tǒng)直接控制氣體輸送管路的氣體流量控制閥304、305，以調(diào)整管路中氣體流通量，進(jìn)而達(dá)到設(shè)定的分流比例值。偵測(cè)器308、309是以加熱的線圈來構(gòu)成，其工作原理是當(dāng)氣體在管路中流動(dòng)時(shí)，會(huì)帶走線圈上的熱量，造成線圈溫度的改變，而當(dāng)氣體流量不同時(shí)，線圈的溫度也會(huì)有所差異，進(jìn)而改變線圈的電阻值，控制閥的控制電路306、307是包含如圖6中所示的公知惠斯登電橋的電路架構(gòu)，通過電阻的變化來計(jì)算出氣體流量的大小，再調(diào)整控制閥304、305以使管路中氣體流通量達(dá)到設(shè)定值。
圖7為使用本發(fā)明氣體輸送系統(tǒng)操作步驟的流程圖，首先依不同的工藝需求設(shè)定氣體輸送管路中氣體流量值及容許偏差比(步驟701)，然后偵測(cè)器偵測(cè)氣體輸送管路中氣體流量，并將其偵測(cè)值送回控制系統(tǒng)(步驟702)，控制系統(tǒng)計(jì)算偵測(cè)值和設(shè)定值的動(dòng)態(tài)偏差比，將其與容許偏差比做比較(步驟703)，如果動(dòng)態(tài)偏差比大于容許偏差比且其值為正，則控制系統(tǒng)發(fā)出一信號(hào)通知控制閥減少氣體輸送管路中氣體流量(步驟704)，如果動(dòng)態(tài)偏差比大于容許偏差比且其值為負(fù)，則控制系統(tǒng)發(fā)出一信號(hào)通知控制閥增加氣體輸送管路中氣體流量(步驟705)，如果動(dòng)態(tài)偏差比小于容許偏差比，表示氣體輸送管路中氣體流量正常，控制系統(tǒng)將不發(fā)出一信號(hào)予控制閥來調(diào)整氣體輸送管路中氣體流量(步驟706)。
請(qǐng)參照如圖8所示，為本發(fā)明氣體輸送系統(tǒng)第二實(shí)施例的氣體分流器203的內(nèi)部設(shè)計(jì)圖。包括了氣體輸送管路301、302、303，及氣體流量控制閥304’及305’。如同第一實(shí)施例，氣體經(jīng)由單一輸送管路301送入后，再分別流入兩條氣體輸送管路302與303，但控制管路302、303的氣體流量控制閥304’、305’則為手動(dòng)模式，此時(shí)雖然無法同第一實(shí)施例中，通過控制閥的控制電路306、307和偵測(cè)氣體流量的偵測(cè)器308、309，隨時(shí)監(jiān)視和控制氣體輸送管路302與303中的氣體流量，但是可節(jié)省建置控制電路306、307和偵測(cè)器308、309的成本，且仍可在不需改變反應(yīng)室上電極板氣體分配器的硬件架構(gòu)及拆解反應(yīng)室的情況下，達(dá)到改變反應(yīng)室中等離子氣體的分布，而能維持同一片晶圓的工藝均勻度。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)氣體反應(yīng)室的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，包含一輸送氣體管路，連接一第一輸送氣體分流管路和一第二輸送氣體分流管路；一第一氣體流量控制閥，位于該第一輸送氣體分流管路，其控制該第一輸送氣體分流管路的氣體流量；一第二氣體流量控制閥，位于該第二輸送氣體分流管路，其控制該第二輸送氣體分流管路的氣體流量；一第一氣體噴嘴，位于該第一輸送氣體分流管路的出口；一第二氣體噴嘴，位于該第二輸送氣體分流管路的出口；一氣體分隔裝置，位于該第一氣體噴嘴和該第二氣體噴嘴之間，用以分隔從該第一氣體噴嘴和該第二氣體噴嘴噴出的氣體；及一上電極板氣體分配器，具有第一多個(gè)氣孔和第二多個(gè)氣孔，其中該第一氣體噴嘴噴出的氣體經(jīng)由該第一多個(gè)氣孔進(jìn)至該氣體反應(yīng)室，該第二氣體噴嘴噴出的氣體經(jīng)由該第二多個(gè)氣孔進(jìn)至該氣體反應(yīng)室。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，更進(jìn)一步包含一控制系統(tǒng)，具有一控制器，用以調(diào)整該第一氣體流量控制閥和該第二氣體流量控制閥；一第一氣體流量偵測(cè)器，位于該第一輸送氣體分流管路，其偵測(cè)該第一輸送氣體分流管路的氣體流量，且將偵測(cè)值送回該控制器；一第二氣體流量偵測(cè)器，位于該第二輸送氣體分流管路，其偵測(cè)該第二輸送氣體分流管路的氣體流量，且將偵測(cè)值送回該控制器。
3.如權(quán)利要求2所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該第一氣體流量偵測(cè)器為加熱線圈。
4.如權(quán)利要求2所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該第二氣體流量偵測(cè)器為加熱線圈。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該第一氣體流量控制閥以手動(dòng)調(diào)整。
6.如權(quán)利要求1所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該第二氣體流量控制閥以手動(dòng)調(diào)整。
7.如權(quán)利要求1所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該第一氣體噴嘴位于該上電極板氣體分配器的中心區(qū)域上方。
8.如權(quán)利要求1所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該第二氣體噴嘴位于該上電極板氣體分配器的周圍區(qū)域上方。
9.如權(quán)利要求1所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該氣體分隔裝置為O型環(huán)。
10.如權(quán)利要求9所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該O型環(huán)的材質(zhì)為橡膠。
11.如權(quán)利要求9所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該O型環(huán)的材質(zhì)為塑膠。
12.如權(quán)利要求9所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該O型環(huán)的材質(zhì)為耐腐蝕材質(zhì)。
13.如權(quán)利要求12所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該耐腐蝕材質(zhì)為鐵弗龍。
14.如權(quán)利要求1所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該上電極板氣體分配器的該第一多個(gè)氣孔為均勻分布。
15.如權(quán)利要求1所述的氣體配送系統(tǒng)，其特征是，該上電極板氣體分配器的該第二多個(gè)氣孔為均勻分布。
16.一種半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)氣體反應(yīng)室的氣體配送方法，其特征是，該方法包含設(shè)定第一與第二氣體輸送管路中氣體流量值及容許偏差比；偵測(cè)該第一氣體輸送管路中氣體流量，并將其偵測(cè)值送回一控制系統(tǒng)；計(jì)算該第一氣體輸送管路中流量偵測(cè)值和流量設(shè)定值的動(dòng)態(tài)偏差比；比較該第一氣體輸送管路的動(dòng)態(tài)偏差比與容許偏差比，如果動(dòng)態(tài)偏差比大于容許偏差比且其值為正，則該控制系統(tǒng)發(fā)出一信號(hào)通知該第一氣體輸送管路的控制閥減少該第一氣體輸送管路中氣體流量，如果動(dòng)態(tài)偏差比大于容許偏差比且其值為負(fù)，則該控制系統(tǒng)發(fā)出一信號(hào)通知該第一氣體輸送管路的控制閥增加該第一氣體輸送管路中氣體流量；偵測(cè)該第二氣體輸送管路中氣體流量，并將其偵測(cè)值送回該控制系統(tǒng)；計(jì)算該第二氣體輸送管路中流量偵測(cè)值和流量設(shè)定值的動(dòng)態(tài)偏差比；比較該第二氣體輸送管路的動(dòng)態(tài)偏差比與容許偏差比，如果動(dòng)態(tài)偏差比大于容許偏差比且其值為正，則該控制系統(tǒng)發(fā)出一信號(hào)通知該第二氣體輸送管路的控制閥減少該第二氣體輸送管路中氣體流量，如果動(dòng)態(tài)偏差比大于容許偏差比且其值為負(fù)，則該控制系統(tǒng)發(fā)出一信號(hào)通知該第二氣體輸送管路的控制閥增加該第二氣體輸進(jìn)管路中氣體流量。
全文摘要
一種半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)氣體反應(yīng)室的氣體配送系統(tǒng)及方法，特別是在晶片進(jìn)行等離子蝕刻或薄膜沉積工藝中，能通過氣體流量控制閥參數(shù)設(shè)定，隨時(shí)調(diào)整等離子氣體在反應(yīng)室里的分布狀況，使同一片晶圓的均勻度達(dá)到最佳的氣體配送系統(tǒng)及方法。首先使輸入反應(yīng)室氣體的輸送管路經(jīng)過氣體分流器區(qū)分為兩條管路，其中一條管路接至對(duì)應(yīng)于上電極板氣體分配器中心區(qū)域的氣體噴嘴，另一條管路接至對(duì)應(yīng)于上電極板氣體分配器周邊區(qū)域的氣體噴嘴，且中心區(qū)域氣體噴嘴及周邊區(qū)域噴嘴并以O(shè)型環(huán)分隔，以避免兩區(qū)域的氣流發(fā)生局部擾流現(xiàn)象，通過流量控制閥調(diào)整兩條管路的氣體流量，并經(jīng)過上電極板氣體分配器的氣孔后，可改變氣體在反應(yīng)室的分布情形，以滿足不同工藝條件需求。
文檔編號(hào)H01L21/3065GK1538507SQ03121918
公開日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2003年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月14日
發(fā)明者周仲彥, 田宇中 申請(qǐng)人:華邦電子股份有限公司