CN101208779B - 用于沉积工艺的高效阱 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了通过减少或基本上消除半导体加工系统的设备部件中副产物的累积来改善半导体加工系统如沉积系统的效率的系统、设备和方法。本发明还涉及改善与半导体加工系统有关的前级管道阱的效率，其中，该阱除去了来自处理室的废气中的基本上所有的副产物，另外，本发明提供了有效地清空半导体加工系统的废气中累积的副产物的阱的系统、设备和方法。
Description
发明领域
本发明涉及用于半导体制造领域中的新的、有用的系统、设备和方法。
发明背景
用于沉积纯的化合物材料的膜的薄膜沉积方法是已知的。近年来，用于薄膜沉积的主要技术是化学蒸汽沉积(CVD)。已经考虑用CVD的变体，原子层沉积(ALD)来改善薄层沉积的均匀性和一致性，尤其是在低温沉积的情况下。
通常，ALD方法包括一系列常规的CVD方法，它们各自产生单一-单层沉积，其中，各个沉积步骤理论上在单个分子或原子单层厚度处趋于饱和，然后自动终止。这一沉积是输送到系统中的反应性分子前体与基材之间的化学反应的结果。这一净反应必须沉积纯的所需的膜，并消除构成分子前体的“额外”原子。
在CVD的情况下，分子前体同时送入CVD反应室中。基材保持在这样的温度下，该温度优化为促进分子前体之间的化学反应，以及副产物的高效解吸。因此，进行该反应以沉积所需的薄膜。
对于ALD应用，分子前体分开引入ALD反应室中。具体地说，引入第一前体，通常是与原子或分子配体结合以制造挥发性分子的金属，其与基材反应。在金属前体反应后，一般进行惰性气体吹扫以在引入下一种前体之前清空该室。因此，与CVD方法相反，ALD以前体和吹扫气体的连续交替脉冲的循环方式进行。通常，每个操作循环仅沉积一层单层。通常，ALD方法在小于1托的压力下进行。
ALD方法一般用于构造和处理集成电路(IC)装置及其其它需要规定的超薄层的基材。与ALD方法有关一个问题是产生粘着在沉积设备部件上或以其它方式导致沉积设备部件中的有害的加工效果。具体地说，所述副产物可沉积在真空泵中，导致泵被占用、泵失效、以及不纯的沉积。另外，所述副产物可粘着在反应室的壁上或其它设备部件上，这就需要停下沉积工艺，将副产物除去，或者替换弄脏的部件。制造工艺的中止以及部件的清洁或替换既费时又费钱。
这些缺陷也发生在CVD方法中，但是在ALD方法中发生的频率更高，因为预期的反应是被处理的基材上的表面反应。因此，在ALD方法中，大部分的供给气体“未经处理”就离开反应室，并进一步与来自前面的反应步骤或后续的反应步骤的气体混合。结果，大量的未反应的气体会在反应室外部在诸如工艺前级管路和泵的位置反应。这会导致更高的不利的非室内沉积率，从而导致泵和前级管路“堵塞”，并导致上述泵被占用或失效。
已经尝试了各种方案，但也是费时、费钱、或者出于各种原因(包括空间配置)而不实用。例如，一种方法使用在反应室的排气口处的阀，该阀物理地转换废气流交替至两条前级管路中的一条和真空泵中。阀的操作按照用于将不同气体脉冲入反应室中的循环时间同步进行，以试图避免所述室、前级管路和泵中气体的混杂。但是，这一方案需要各个泵的废气分开进入消除单元，这就增加了大量的加工成本。此外，部分反应气体依然会在达到室排气阀之前结合和反应。其它方案使用前级管路阱，以捕获工艺副产物，或者选择性地捕获一种或多种反应物，以避免交叉反应。这些系统未证明是有效的。公开于JP 11181421中的另一种提议的方案引入ClF3或F2以与CVD过程中形成的粘着到管表面上的副产物反应。但是，该方法对于ALD系统是无法工作的，因为在ALD系统中离开反应室的副产物的含量较高。
另一种由待审的申请US SN 11/018,641(该申请在本文中引用作为参考)所提出的方法提供了用于改善沉积系统的效率的方法、系统和设备，它是通过在沉积过程中提供氟气氛以及引入前级管路中的设备的氟气氛来减少或基本上消除沉积系统中产生的副产物的量，该气氛包括分子氟(F2)或呈自由基(radical)形式的氟(F*)。但是，该方法在氢加入沉积过程中时不工作。这是因为氟优先与氢反应。因此，除非加入过量的氟，否则没有氟剩余来形成所需的氟气氛。所需的过量的氟的量取决于加入该工艺中的氢的量，但是很容易导致氟、设备和能量的成本巨大。
因此，本领域仍然需要克服与沉积工艺的设备部件中的副产物累积相关的问题。
发明内容
本发明克服了上述问题，提供了通过减少或基本上消除半导体加工系统的设备部件中副产物的累积来改善半导体加工系统如沉积系统的效率的系统、设备和方法。
本发明还涉及改善与半导体加工系统有关的前级管道阱的效率，其中，该阱除去了来自处理室的废气中的基本上所有的副产物。
另外，本发明提供了有效地清空半导体加工系统的废气中累积的副产物的阱的系统、设备和方法。
附图说明
图1是用于半导体加工系统的阱的示意图。
图2是显示本发明的一个使用串联的多个阱的实施方式的示意图。
图3是显示本发明的另一个使用并联的多个阱的实施方式的示意图。
图4是显示本发明的另一个使用串联的多个阱，并进一步包括氟源的实施方式的示意图。
图5A是显示本发明的另一个使用串联的多个阱，以及与各个阱串组相关的氟源的实施方式的示意图。
图5B是显示本发明的另一个使用串联的多个阱，以及可用各个阱操作的单一氟源的实施方式的示意图。
图6是显示本发明的另一个使用串联的多个阱，并具有与各个阱相关的氟源的实施方式的示意图。
图7A是显示本发明的另一个使用串联的多个阱，并具有与各串中的各个阱相关的氟源的实施方式的示意图。
图7B是显示本发明的另一个使用串联的多个阱，并具有与各串阱相关的一系列氟源的实施方式的示意图。
图8是显示本发明的另一个使用单个阱，并具有与该阱相关的反应气体源和氟源的实施方式的示意图。
图9A是显示本发明的另一个使用并联的多个阱，并具有与各阱相关的反应气体源和氟源的实施方式的示意图。
图9B是显示本发明的另一个使用并联的多个阱，并具有与所述阱相关的单一反应气体源和单一氟源的实施方式的示意图。
具体实施方式
如上所述，在加工系统的设备部件中得自半导体制造方法的副产物的累积会导致设备失效，故还需要将系统停机，来清洁部件，从而导致成本巨大。
同样如上所述，已经尝试各种方法来克服副产物累积的问题。包括使用前级管路阱，如上所述，使用前级管路阱还未被证实是高效的。
本发明解决了前级管路低效的问题。具体地说，本发明提供了使用前级管路阱的半导体制造系统，它能从处理室的废气中除去99％或更多的副产物。另外，本发明提供了用于清洁累积的副产物的阱的方法，该方法无需将沉积系统停机，从而大大节约成本。将在下文中参照附图更详细地描述本发明。
具体地说，图1示出了标准的热阱10，它具有进口12、出口14、外室16、内室18和隔板20。在操作中，废气经进口12进入热阱10，流过外室16，然后进入内室18。用合适的加热装置如电加热装置22将隔板20保持在所需的操作温度。所述废气与热隔板20反应并累积在其上，剩余的废气经出口14离开热阱10。
存在两个与使用热阱10有关的问题，如图1所示。首先，为了使热阱可用于半导体加工系统中，副产物的除去必须超过99％。在本发明中进行的测试中，在约500℃的隔板温度下操作的如图1所示的热阱被证实仅有约70％的效率。其次，假设热阱的效率可提高到超过99％，大量的副产物(多达10磅一周)将累积在热阱中，由于必须要将其除去，从而会导致付出清洁费用和停机。本发明解决了上述两个问题。
为了增加阱效率，本发明提供了一系列阱来增加总的阱长度。例如，如果具有长度L的具体的阱提供对于给定批的工艺流和化学物质70％的副产物除去率，则通过加入长度为L的相同构型的第二阱，总的捕获效率可增加到91％。具体地说，第一阱将除去70％的副产物，第二阱将除去离开第一阱的剩余的30％的副产物中的70％。可加入更多的阱来进一步增加总的捕获效率。下表示出了长度L的数目，以及假定单个阱效率为70％(表1)、50％(表2)和90％(表3)的总捕获效率。
| 表1 | ||
| 单个阱效率＝70％ | ||
| 总的阱长度 | 总的捕获效率(％) | 流出物中的副产物含量(％) |
| 1L | 70 | 30 |
| 2L | 91 | 9 |
| 3L | 97.3 | 2.7 |
| 4L | 99.19 | 0.81 |
| 5L | 99.757 | 0.243 |
| 6L | 99.9271 | 0.0729 |
| 表2 | ||
| 单个阱效率＝50％ | ||
| 总的阱长度 | 总的捕获效率(％) | 流出物中的副产物含量(％) |
| 1L | 50 | 50 |
| 2L | 75 | 25 |
| 3L | 87.5 | 12.5 |
| 4L | 93.75 | 6.25 |
| 5L | 96.875 | 3.125 |
| 6L | 98.4375 | 1.5625 |
| 7L | 99.21875 | 0.78125 |
| 表3 | ||
| 单个阱效率＝90％ | ||
| 总的阱长度 | 总的捕获效率(％) | 流出物中的副产物含量(％) |
| 1L | 90 | 10 |
| 2L | 99 | 1 |
| 3L | 99.9 | 0.1 |
| 4L | 99.99 | 0.01 |
本发明的一个实施方式示于图2，其中，来自处理室210的废气在流过真空泵230之前通过一系列热阱220，并作为废气流240离开。图2示出了4个热阱220，但是可使用用来满足所需的总捕获效率的任意数量的阱。图2示出了单一串联路径的热阱，其可在处理室中的工艺运行之间有足够时间允许阱清洁的情况下使用。另外，如图2所示，所述热阱串组(series of trap)中的各个阱是相同的类型，具有相同的参数，包括长度L和捕获效率。本发明还包括这样的排列，其中串联的阱是不同的类型，或者具有不同的参数，如不同的长度。阱串组中阱的任意组合都是可行的，只要满足系统所需的捕获效率。
本发明的另一个实施方式示于图3，其在没有足够的时间来清洁阱时，或者在需要更连续的操作时是可用的。具体地说，图3示出了两个平行的串联路径的热阱，即，第一串热阱320和第二串热阱325。图3所示的系统还包括三向阀315，以使得自处理室310的废气从一个热阱串组转换到另一热阱串组中。这允许连续操作，例如，当第一串热阱320接收废气并捕获副产物时，第二串热阱325可被清洁，反之亦然。在任一情况下，当废气通过热阱串组时，其可通过真空泵330，没有明显的副产物沉积，然后达到废气流340。通过使用本发明的系统，可避免真空泵和其它部件中的副产物累积，并且几乎可消除泵被占用或失效，以及系统堵塞的危险。
并且，虽然图3的各串热阱中示出了4个阱，可使用任意数量的阱来满足所需的捕获效率。通常，理想的是两串混联包括相同数量的阱，但是本发明包括可替代的排列，其中不同串的阱包括不同数量的阱。如上所述，串联的阱的任意组合是可接受的，只要满足所需的总的捕获效率。通常，对于两串阱，所需的总的捕获效率是相同的，但是本发明无需如此。并且，不同串的阱可具有不同的所需总捕获效率。虽然两串混联的阱对于大多数半导体制造系统来说应当注意确保连续操作，但是视需要可添加一个或多个附加的热阱串组。
图2-3所示的本发明的系统解决了上述第一个问题，即，增加了热阱的总的捕获效率。但是，清洁图2-3所示的系统中的热阱的副产物累积的第二个问题需要拆卸和困难的清洁操作，或者常见的阱替换。因此，本发明还提供了更容易地清洁阱的方法。
具体地说，在本发明的一个实施方式中，阱可如图4所示清洁，其中，来自处理室410的废气通过热阱串组420以在达到真空泵430之前除去超过99％的副产物，并送往废气流440。图4所示的系统还包括氟源418，用以向系统提供氟，氟能侵蚀副产物并清洁阱420。氟源418可以是工业中已知的任意合适的源，例如MKS Astron或MKS Astroni，或者可以是在室清洁或其它过程中通过处理室410的过量的氟。供给到系统中的氟侵蚀了沉积在热阱420中的副产物，接着流出物可被真空泵430加工(没有进一步沉积的风险)，并被送往废气流440。如上述对于其它实施方式，可具有尺寸相同或不同的任意数量的热阱，只要能达到所需的总捕获效率。
图5A示出了本发明的另一个实施方式，其中，两个平行的串联热阱，即，第一串热阱520和第二串热阱525，用来从处理室510的废气中除去废产物。提供三向阀以使废气从一串热阱转换到另一串热阱，并可进行连续的操作。图5的系统还包括氟源518，其连通热阱520，以及氟源528，其连通热阱525，向系统提供氟以从热阱中侵蚀副产物并清洁热阱。然后，经加工的废气，以及氟气体和经清洁的副产物通过真空泵530送往系统外部，作为废物540。所述氟源可以是上述氟源中的任一种，所述热阱可以上述构型中的任一种提供，只要能满足所需的总捕获效率。图5B示出了本发明的另一个实施方式，其中，单个氟源518用于两串热阱520和525。它减少了系统中所需的部件的总数，但是以图5A所示的实施方式所述相同的方式进行操作。
只有在所述热阱具有足够高的表面温度时，图4-5所示的构型才能充分地工作。具体地说，已经发现，分子氟(F2)不能侵蚀设备部件表面上的副产物。因此，氟自由基(F*)是必需的。此外，在较低的温度下，F*会很快重新结合为F2，因而不能进行清洁操作。但是，在高温下，F*能保持并成功地进行清洁操作。此外，当开始进行侵蚀时，反应的热量可使反应继续，即使加热器关闭。事实上，在一些情况下，可需要提供冷却装置。因此，当形成足够高的初始温度时，即，约150℃或更高时，对各串热阱或整个系统使用单个氟源的图4-5所示的构型是可能的。换句话说，单个氟源可用于高温热阱，F*的存在和与副产物的反应可在整个热阱串组中持续。
但是，如果热阱中的表面温度并不足够热或者下降太快，F*会很快回复为F2，从而不能进行清洁操作。一般地，F*在通过串中的第一阱时将无法继续存在。因此，需要提供多个氟源。
图6示出了本发明的一个实施方式，其中，提供一串氟源618，用于热阱串组620中的各个热阱。如上述实施方式中所述，来自处理室610中的废气通过阱串组620，然后被副产物充分地消耗，接着通过真空泵630，离开废气流640。各个氟源618向连通的热阱620提供F*。该F*清洁热阱中的副产物，同时被真空泵630加工并送往废气流640。具有相同或不同操作参数的任何合适的热阱可用在图6所示的排列中。此外，可以结合氟源618中的一个或多个，并在氟源618与单个的阱620之间提供分开的路径。
图7A描述了同样使用多个氟源的本发明的另一个实施方式。图7A所示的排列包括两个平行的串联阱，即，第一串阱720和第二串阱725，它们接收来自处理室710的废气，由三向阀715来控制。当需要连续的操作或者如果没有足够的时间来在处理室710中的加工操作之间进行阱清洁操作时，可能需要这一平行排列。在这一构型中，第一串氟源718向第一串阱720提供F*，第二串氟源728向第二串阱725提供F*。废气流和清洁步骤废气都经真空泵730送往废气流740中。可使用上述其它实施方式所述的任何合适数量的阱和用于阱的操作设计。在操作中，来自处理室710的废气供给一串阱，同时清洁其它串的阱。图7B提供了本发明的另一个实施方式，其中，单串的氟源718用来向两串阱720和725提供F*。操作和系统排列与图7A所示的实施方式所述相同。
上述实施方式需要使用多个阱来增加捕获效率，以及用于清洁有沉积的副产物的阱的装置。在另一个实施方式中，通过向阱中注入气体来驱动副产物反应完成。例如，对于许多半导体加工可加入氨气来使反应过程在阱中完成。用这一方法，避免了泵和其它设备部件的结垢。然后，将氟提供到阱中来清洁沉积的副产物，并将它们从系统中除去。通过使用阱中的反应气体，增加了捕获效率，避免了对使用多个阱来延长阱的总长度的需要。
图8示出了使用反应气体的本发明的实施方式，其中，在作为废气流840通过真空泵830离开系统之前，来自处理室810的废气输送通过820以除去副产物。还包括反应气体源840和氟源818。反应气体源840向阱820提供反应气体如氨气，用以完成阱820中的副产物的反应，并将阱820的捕获效率增加到所需的水平。然后，将来自氟源818的氟供给到阱820，用以侵蚀阱820中沉积的副产物。这一实施方式中使用的部件可以是任意标准的设计，如上述其它实施方式中所述。
图9A和9B示出了使用两个阱920和925用于加工来自处理室910中的废气的本发明的其它实施方式。提供两个分开的阱可允许连续操作，因为三向阀915提供了将废气直接导向阱920或925中任一个的手段。在图9A的实施方式中，各个阱920和925分别具有反应气体源940和945，以及与它们各自连通的氟源918和928。在图9B所示的实施方式中，作为单个的反应气体源940和单个的氟源918，分别用于阱920和925。在操作中，当反应气体如氨气供给阱920时，F*供给阱925，反之亦然。用这一方法，在一个阱利用反应气体驱动反应完成以从废气中除去副产物时，另一个阱清洁沉积物。接着，所有气体可通过真空泵930，作为废气流940离开系统。图9A和9B所示的部件可以是任何相同的或不同的标准设计，如上述其它实施方式中所述。此外，虽然图中示出了完全分开的或完全共享的反应气体和氟源，但是其它排列也是可行的。例如，单个的反应气体源可用于两个阱，但是可包括用于各个阱的分开的氟源。或者，可使用用于各个阱的分开的反应气体源，但是单个的共享氟源也是可用的。
在各种情况下，只有当处理室的时序不允许在过程之间具有足够时间的阱清洁时，才需要平行的路径。此外，在那些提供阱串组的实施方式中，阱的数量和构型只需要满足所需的捕获效率。反应气体如氨气的注入提供了供应阱串组的另一种方案。所述的实施方式都显示了在单个泵上游或之前的阱。但是，泵送系统可包括呈串联或平行构型的多个进，并且阱可置于所有泵之前或之间。另外，当使用平行的路径时，可使用分开的泵，例如，一个泵可泵送经处理的废气，另一个泵可泵送经侵蚀的副产物和清洁气体。
本发明解决了与在半导体加工系统的真空泵和其它设备部件中形成沉积的副产物有关的问题。本发明使用阱从真空加工单元的废气中除去基本上所有的副产物，从而避免了系统的泵和其它部件的堵塞以及可能的占用或失效。另外，本发明提供了用于清洁有累积的副产物的阱的手段，以及允许半导体加工系统连续操作的手段。
根据前述说明，可以预见本发明的其它实施方式和变体对于本领域技术人员而言将变得显而易见，这些实施方式和变体同样包括在所附权利要求书中列出的本发明的范围内。
Claims (6)
1.一种半导体加工系统，它包括至少一个用于从真空加工单元的废气流中除去所有的副产物的阱串组，以及与所述阱串组相关的氟源，所述氟源向所述阱提供氟以侵蚀所述阱中累积的副产物。
2.如权利要求1所述的半导体加工系统，其特征在于，它包括至少两个平行的阱串组。
3.一种半导体加工系统，它包括至少一个用于从真空加工单元的废气流中除去所有的副产物的阱；用于向所述阱提供反应气体以驱动废气中的副产物在所述阱内完成反应的反应气体源；以及用于向所述阱提供氟以从所述阱中侵蚀累积的副产物的氟源。
4.如权利要求3所述的半导体加工系统，其特征在于，它包括至少两个平行的阱串组。
5.一种从半导体加工单元的废气中除去副产物的方法，该方法包括：
使所述废气通过阱串组以从所述废气中除去所有的副产物；以及
将氟引入所述阱串组中以从所述阱中侵蚀累积的副产物。
6.一种从半导体加工单元的废气中除去副产物的方法，该方法包括：
使所述废气通过阱串组；
将反应气体引入所述阱串组中，以驱动所述废气中的副产物在所述阱串组内完成反应；以及
将氟引入所述阱串组中，以从所述阱串组中侵蚀累积的副产物。
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