CN101335183B - 可控制温度的负载室 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可控制温度的负载室，其用于半导体工艺。该负载室包括至少一个调节式冷却器、一质量流量控制器、至少一个温度传感器与一控制器。调节式冷却器供应具预定温度的流体至控温板，质量流量控制器供应气流至负载室，也有助于维持理想温度。此外，调节式冷却器和/或质量流量控制器可结合至少一个温度传感器，以提供反馈控制以易于调控温度。控制器也可通过至少一个温度传感器的温度读值来控制调节式冷却器和质量流量控制器。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体装置的制造，且特别涉及一种可控制温度的负载室。
背景技术
当集成电路特征尺寸(feature size)变小，场效应晶体管(Field EffectTransistors，FET)的栅介电层(gate dielectric)的厚度也随之减少。特征尺寸的变小部分来自于整体装置尺寸比例的需求。以栅极导体宽度变窄为例，其它装置的尺寸也需随之减少以维持适当的装置比例及作用。而另一个促使栅介电层厚度减少的原因是，通过减少栅介电层厚度可增加晶体管漏极(drain)电流。晶体管漏极电流和位于晶体管通道区的电荷数成正比，此电荷数是由施加于栅极的电压所诱发。由栅介电层两侧的电压差所诱发的电荷数为影响栅介电层电容(capacitance)的因素之一。
现有氧化物所制造的栅介电层(如SiOx)厚度只有10
以增加电容。然而超薄栅氧化层会增加栅极至通道的漏电流(leakage current)。鉴于此问题，因此采用介电常数比氧化硅(其k值约为3.9)高的材料。较高的k值(k≥20)可从各种不同的过渡金属氧化物所获得，如氮氧化物薄膜(oxynitride film)。k值高的介电层材料的电容大，因此可允许较厚的厚度。因此可避免超薄介电层所导致的问题，并同时提高晶体管的功能。
然而要形成具有高k值材料的栅介电层，在工艺上有其困难度。半导体工艺通常会使用至少一个集束型设备(cluster tools)，其包含各种工艺室以用于晶片操作系统或装置，来执行各种半导体工艺。例如包含氧化、氮化、退火(Annealing)及沉积之类的工艺。
以形成包含氮氧化物薄膜的栅介电层为例，需要一集束型设备以执行氧化工艺、氮化工艺及退火工艺。而其中每一个工艺基本上是在不同的工艺室内所执行。晶片(wafer)通过负载室在不同工艺室间运输，典型的负载室具有一个无法调控且固定在特定温度的冷却板来冷却晶片。然而，氧化室无法使晶片维持在均衡温度。而晶片温度的变化会导致等效氧化层厚度(Equivalent OxideThickness，EOT)产生差异，进一步造成场效应晶体管之间饱和驱动电流(Idsat)的差异。此差异不仅在不同晶片上的不同晶体管之间可观察到，也会在单一晶片不同裸片(dies)上的不同晶体管以及在单一裸片上的不同晶体管之间发生。饱和驱动电流的差异会对电路系统造成不利的影响，并降低产量因而提高成本。
因此，需要一方法以及一装置使晶片在工艺中维持整片晶片的较均衡的温度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种可控制温度的负载室，使晶片在工艺中能维持较均衡的温度，依照本发明的较佳实施例通常能解决或防止问题的发生，并达到技术上的优势。
为了实现上述目的，依照本发明一实施例，提出一种用于半导体工艺的负载室，包含具有一控温板(temperature-controlled plate)的一室及一冷却器。控温板具有由管路系统相连接的一第一入口(intake port)及一第一出口(outputport)，且该控温板包含多个销。冷却器中具有和第一入口相连接的一第二出口以及和第一出口相连接的一第二入口。冷却器可以经由第二出口及第一入口供应冷却液至控温板以调节温度。
为了实现上述目的，依照本发明另一实施例，提出一种用于半导体工艺的负载室，包含一室，室内具有一控温板、一调节式冷却器以及一质量流量控制器。调节式冷却器和控温板相连接。质量流量控制器和室内的一入气口相连接，使气流能进入室。
为了实现上述目的，依照本发明又一实施例，提出一种用于半导体工艺的负载室，包含一室、一质量流量控制器、一冷却板、一调节式冷却器、至少一个温度传感器与一控制器。冷却板位于室内部并和冷却器相连接，使冷却器能将适当温度的液体流经冷却板。控制器和至少一个温度传感器、调节式冷却器以及质量流量控制器相连接。控制器接收至少一个温度传感器的读值，以调控质量流量控制器的气流或是调节式冷却器的流体温度。
以下将描述本发明实施例其它特征及优点，即本发明的申请保护范围。任何本领域的技术人员可易于应用所揭露的特定实施例，并以之为基础来改变或设计其它结构或工艺，以实现本发明的目的。任何本领域的技术人员应能了解，与所述实施例相同的概念及改变并未脱离本发明的精神和范围，如所提出的后附权利要求书。
为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，以下结合附图详细说明。
附图说明
图1是示出依照本发明一实施例的负载室图；
图2是示出依照本发明一实施例的负载室示意图；
图3是示出依照本发明一实施例的流程图，说明在一负载室中控制晶片温度的流程。
【主要器件符号说明】
100：集束型设备 218：支架
112：第一工艺室 220：控温板
114：第二工艺室 222：冷却器
116：第三工艺室 223：销
120：缓冲室 230：质量流量控制器
121：负载室 232：控制阀
122：前开式晶片盒对接系统 234：气源
124：制造接口 240：温度传感器
200：负载室 242：控制器
210：密闭室 244：第一入口
212：顶部 246：第一出口
214：底部 248：第二出口
216：侧壁 250：第二入口
305～314：步骤
具体实施方式
除非另有指示，一般而言，不同图内相对应的数字及符号请参照相对应的部分。附图是为清楚说明较佳实施例相关部分的用途，不需依比例绘制。为了更清楚说明某些实施例，图标内的数字后面可接上字母以表示相同结构、材料及工艺步骤的变更。
本发明实施例的操作及工艺将详细叙述如下。然而，在此所述的实施例或例子并非本发明所思忖的惟一应用或用途。所述的特定实施例仅作为说明本发明特定的制造方法与使用方法，并不局限本发明或后附权利要求书的范围。
依照本发明实施例，提供金属氧化半导体场效应晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)的范例结构和方法如下。虽然所示范的实施例描述了一系列的步骤，然其并非用以限定本发明，仅为说明的用途。如果某些步骤次序与本说明不尽相同，其仍在本发明的范围内。此外，本发明并不一定需要执行所有的说明步骤。另外，本发明实施例的结构和方法可能需要结合其它未说明的半导体结构的装配或工艺来执行。
请参照图1，其示出依照本发明一实施例的一种集束型设备100。包含由一缓冲室(buffer chamber)120所互相连接的一第一工艺室112、一第二工艺室114和一第三工艺室116。依据一实施例，第一工艺室112为氧化室，第二工艺室114为氮化室，第三工艺室116为退火室，例如可为氧化环境为氧气较佳的快速热退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)室。与缓冲室120互相连接的至少一个负载室121，上述两者能使至少一个晶片在第一工艺室112、第二工艺室114和第三工艺室116之间运输，而不会破坏不同工艺室中的真空度。
集束型设备100如果能包含一前开式晶片盒对接系统122(Front-OpeningUnified Pod docking system，FOUP docking system)和一制造接口124(factoryinterface)则较为理想。前开式晶片盒对接系统122和制造接口124使晶片在负载与卸载过程中，不会让负载室121、缓冲室120、第一工艺室112、第二工艺室114和第三工艺室116暴露在空气中。前开式晶片盒对接系统122的压力通常为1大气压(与晶片厂环境相同)。然而，负载室121的压力较低，通常是在真空环境(如小于约10Torr)。
在操作上，单独或一组晶片可通过前开式晶片盒对接系统122运输进出集束型设备100。晶片通过制造接口124，由前开式晶片盒对接系统122运输到负载室121。一旦被运输到负载室121，晶片即与周围环境隔离。若负载室121不是处于真空之下，则通常会通过抽气清除空气以降低其内部压力(通常是200至1000Pa)，并以惰性气体(如氮气)清洗之。将晶片运输到第一工艺室112、第二工艺室114和第三工艺室116中之一。此三工艺室通过缓冲室120进行抽气使其内部压力下降至与负载室121的压力大致平衡。
工艺可由将晶片从负载室121运输到工艺室(即第一工艺室112、第二工艺室114和第三工艺室116)开始。传输的方式如利用传送带、机器手臂或其它已知的运输机构(图未显示)。每个工艺室可配备如加热组件、气流孔、射频线圈或其它工艺所需要的装置(图未显示)。
在本实施例的说明中，氧化层在第一工艺室112中沉积，当晶片形成氧化层后可经由缓冲室120将晶片从第一工艺室112运输至负载室121进行冷却后，再送至第二工艺室114。热氮化或等离子体氮化在第二工艺室114内执行。值得注意的是，通过集束型设备100，当晶片在工艺室之间运输时，真空度并不会被破坏，可消除晶片和空气或湿气反应的可能性，也可降低操作过程中晶片遭受破坏和被周围环境污染的机率。晶片氮化之后，可经由缓冲室120将晶片从第一工艺室114运输至负载室121进行冷却后，再送至第三工艺室116进行晶片退火，真空度也不会被破坏。
值得注意的是，图1所示的具有三个工艺室的集束型设备100仅为说明的目的，其它实施例可能包含较少或较多的工艺室。再者，其它实施例可能会使用上述实施例工艺室的部分、全部或不使用上述实施例工艺室。本发明的实施例可用于任何集束型设备，或其它当晶片从第一个位置运输至第二个位置时，以能控制其温度为佳的工艺装置。
参照图2，其示出依照本发明一实施例的负载室200的截面图，其可做为图1中的负载室121之用。任何本领域的技术人员应了解图2是说明本发明的一实施例，而本发明实际的实施例可能会有各种形状或形式。
大体上，负载室200包含具有顶部212、底部214和多个侧壁216的密闭室210。在晶片运输过程中，可由多个支架218托住至少一个晶片。一控温板220位于底部214之上并和一调节式冷却器222相连接，冷却器222提供冷水至控温板220。在一实施例中，控温板220具有由管路系统相连接的一第一入口244及一第一出口246。冷却器222中具有和第一入口244相连接的一第二出口248以及和第一出口246相连接的一第二入口250。冷却器222可以经由第二出口248及第一入口244供应冷却液至控温板220以调节温度。冷却器222可调节地提供可调节温度的冷却液(如水)至控温板220。冷却器222也可被调整成能提供可调节压力的冷却液。大体上，控温板220包含具有良好导热材料所制造的管路系统，在一实施例中为使用铜管。冷却器222为可调节地提供温度约17℃至约120℃的冷却液，但以约30℃至约90℃为佳。另外，冷却器222及控温板220为约1大气压至约10大气压的压力系统较佳。
控温板220包含高起的部分，如置放晶片的销(pins)223。可调整销223的高度而达到最大冷却效果，包含特定用途所需的冷却速率。例如可以降低销的高度以缩短将晶片冷却到特定温度所需要的时间。在一实施例中，销223的高度介于约1mm至约0.1mm之间。然而也可使用其它高度及形状，如控温板220上的销可为任意形状，可由山脊或螺旋状所组成。
参照图2，其还示出依照本发明一实施例的一质量流量控制器(mass flowcontroller)230和一控制阀232。质量流量控制器230和控制阀232一起作用以产生并维持负载室200的气压。尤其质量流量控制器230和一气源234相连接以控制气流进入负载室200。而控制阀232和和负载室200相连接，通过泵释放负载室200内的气体。在一实施例中，质量流量控制器230和控制阀232协同作用以维持负载室200的特定气压(约3Torr至约760Torr较佳)。
在一较佳实施例中，负载室200包含与一控制器242相连接的温度传感器240(如远红外线温度传感器)，其也可和冷却器222、质量流量控制器230及/或控制阀232连接。此实施例中，控制器242从温度传感器240接收温度信息并自动控制冷却器222、质量流量控制器230及/或控制阀232以维持理想温度。理想温度除了其它因素的考虑，还可基于在前工艺、后续工艺、晶片大小及厚度之类的考虑。
值得注意的是，图2所示的单一温度传感器240仅为说明的目的，本发明若干实施例可使用多个且可能是不同形式的温度传感器。如多个温度传感器可位于负载室200内部的不同位置，以提供晶片不同区域的温度测量(包含横越晶片及晶片两侧的位置)。
请参照图3，其示出依照本发明一实施例的流程图，说明执行控制晶片温度的步骤。由步骤305开始，先设定所欲温度(步骤305)，所欲温度可由使用者、数据库读值之类所设定。值得注意的是，所欲温度可基于工艺或正在执行的晶片工艺而设定。例如在第一工艺执行完毕后而使晶片温度快速减少/增加或慢速减少/增加，但第二工艺可能需要不同温度，此时即可立即设定第一所欲温度。以另一例而言，在执行特定工艺之前，也许需要维持晶片的特定温度。
接着进行到接收至少一个温度样本(步骤310)。通过负载室200内部不同位置的至少一个温度传感器接收温度样本。如温度传感器可间隔分开并横越地置于负载室200的顶部212表面，使温度传感器能检测包含晶片周围及内部等不同部位的温度。额外的温度传感器可沿着晶片底部的位置放置以测量其底部温度。
接着决定是否要调整温度(步骤312)。比较所欲温度(参见步骤305)和温度样本以决定是否要调整温度。如需调整温度，则接着进行温度调整(步骤314)。温度调整包含通过质量流量控制器230增加气流及压力、通过质量流量控制器230及控制阀232降低气流及压力、调整冷却器222所供应的冷却液温度和/或调整冷却器222所供应的冷却液流速等之类。
若不需要调整温度则回到步骤310，接收新的温度样本以继续进行工艺。
由上述本发明实施例可知负载室200具有一调节式冷却器及一质量流量控制器以分别供应流体及气体来调整温度，然而本发明的实施例可使用单一或多个上述特征。如本发明的实施例可利用一调节式冷却器。另一本发明的实施例可利用一调节式冷却器和一温度传感器。另一本发明的实施例可利用一质量流量控制器以维持特定温度。另一本发明的实施例可利用一质量流量控制器和一温度传感器。另一本发明的实施例可利用一调节式冷却器、一质量流量控制器和一温度传感器。
任何本领域的技术人员可知在此所揭露的可控制温度的负载室提供动态控制及反馈路径，以维持特定工艺的理想温度，由此以产生较一致的半导体器件，包含较一致的栅介电层。而增加一致性可以产生更精确且更一致的集成电路。
虽然本发明已将多个实施例及其优点详细揭露如上，然而其并非用以限定本发明。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的改变、取代与替换。例如任何本领域的技术人员已知在本发明的范围内，在此所述的许多特征、功能、工艺及材料可以变更。此外，本发明的应用范围并未局限于上述说明书中的特定实施例的工艺、机器、制品、物质组成、工具、方法及步骤。任何本领域的技术人员将易于理解所揭露的本发明、工艺、机器、制品、物质组成、工具、方法或步骤，和已存在或日后所发展之物，是与本发明所述的相对应实施例大体上执行相同功能或达到相同结果。因此，后附的权利要求书旨在包含此类的工艺、机器、制品、物质组成、工具、方法或步骤。
Claims (17)
1.一种用于半导体工艺的负载室，其特征在于，该负载室至少包含：
一室，具有多个侧壁、一顶部及一底部；
位于该室内部的一控温板，该控温板具有一第一入口及一第一出口，其中该控温板包含多个销；以及
一冷却器，具有和该第一入口相连接的一第二出口，以及和该第一出口相连接的一第二入口，该冷却器可通过该第二出口及该第一入口，供应具有一定温度范围的冷却液至该控温板以调整该控温板的温度。
2.根据权利要求1所述的负载室，其特征在于，还包含一质量流量控制器以供应气体到该室内部。
3.根据权利要求2所述的负载室，其特征在于，还包含：
至少一个温度传感器于该室内部；以及
和该至少一个温度传感器及该质量流量控制器相连接的一控制器，该控制器由该至少一个温度传感器所接收的至少一个温度样本，来调节由该质量流量控制器所供应的气流速率。
4.根据权利要求1所述的负载室，其特征在于，还包含：
至少一个温度传感器，位于该室内部；以及
和该至少一个温度传感器及该冷却器相连接的一控制器，该控制器由该至少一个温度传感器所接收的至少一个温度样本，来调节温度。
5.根据权利要求1所述的负载室，其特征在于，该冷却器供应约1大气压至约10大气压的冷却液。
6.根据权利要求1所述的负载室，其特征在于，该温度范围为约17℃至约120℃。
7.一种用于半导体工艺的负载室，其特征在于，该负载室至少包含：
一室，具有多个侧壁、一顶部及一底部；
位于该室内部的一控温板；
和该控温板相连的一调节式冷却器，该调节式冷却器供应冷却液至该控温板；
一入气口；以及
和该入气口相连接的一质量流量控制器，该质量流量控制器允许气流进入该室。
8.根据权利要求7所述的负载室，其特征在于，该调节式冷却器供应约1大气压至约10大气压的冷却液。
9.根据权利要求7所述的负载室，其特征在于，该调节式冷却器供应介于约17℃至约120℃间任一温度的冷却液。
10.根据权利要求7所述的负载室，其特征在于，还包含至少一个温度传感器安装于该室内部。
11.根据权利要求10所述的负载室，其特征在于，还包含和该至少一个温度传感器相连接的一控制器，该控制器由该至少一个温度传感器，来控制由该调节式冷却器所供应的冷却液的至少一个温度或压力。
12.根据权利要求10所述的负载室，其特征在于，还包含和至少一个温度传感器相连接的一控制器，该控制器由该至少一个温度传感器来控制由该质量流量控制器供应至该室的气流速率。
13.一种用于半导体工艺的负载室，其特征在于，该负载室至少包含：
具有一内部区域及一外部区域的一室，该室具有一入气口；
和该室相连接的一质量流量控制器，该质量流量控制器通过该入气口供应气体至该室的内部区域；
位于该室内部的一冷却板；
和该冷却板相连接的一调节式冷却器，该调节式冷却器输送可调节温度的液体通过该冷却板；
至少一个温度传感器于该室内部；以及
一控制器，和该至少一个温度传感器、该调节式冷却器及该质量流量控制器相连接，该控制器由该至少一个温度传感器接收至少一个温度样本，并依照该至少一个温度样本来调节该质量流量控制器或该调节式冷却器。
14.根据权利要求13所述的负载室，其特征在于，该调节式冷却器供应约1大气压至约10大气压的冷却液。
15.根据权利要求13所述的负载室，其特征在于，该调节式冷却器供应介于约17℃至约120℃间任一温度的冷却液。
16.根据权利要求13所述的负载室，其特征在于，该控制器调节由该调节式冷却器供应至该冷却板的冷却液温度。
17.根据权利要求13所述的负载室，其特征在于，该控制器调节由该质量流量控制器所供应的气体的气流速率。
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