CN101457351B - 气体分配系统和应用该气体分配系统的半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于向反应区域输送工艺气体的气体分配系统，其包括顺序连接的气体供应部分、切换部分以及流量控制部分。气体供应部分用于提供工艺气体，并将其向切换部分输送；切换部分用于在前后工序转换时，停止向流量控制部分输送当前工序所需的工艺气体，转而向其输送下一道工序所需的工艺气体；流量控制部分为集成流量控制器，用于根据工艺要求控制工艺气体的流量，并将所述工艺气体向反应区域输送。此外，本发明还提供一种应用上述气体分配系统的半导体处理设备。本发明提供的气体分配系统及半导体处理设备具有体积小、便于安装和维护、应用成本低等特点；同时，应用该气体分配系统的半导体处理设备还具有产品产出率较高等特点。

Description

气体分配系统和应用该气体分配系统的半导体处理设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及半导体处理工艺中所使用的一种气体分配系统，以及应用该分配系统的半导体处理设备。 

背景技术

在半导体工艺中，例如在集成芯片生产过程中，往往需要使反应气体在射频功率的激发下产生电离而形成含有大量电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子的等离子体，以便对被刻蚀的硅片或者需要淀积的硅片进行物理/化学反应，从而获得所需要的刻蚀图形或者淀积层。 

在这种等离子体环境下进行的半导体工艺，可以有CVD(ChemicalVapor Deposition，化学气相沉积)、PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)、介质刻蚀和多晶硅刻蚀等等。这些工艺过程所使用的半导体设备通常都包括下述各部分：反应腔室、气体分配系统、射频系统和真空系统等。实际工艺过程中，气体分配系统将工艺过程所需的反应气体(即，工艺气体)输送到反应腔室，这些工艺气体在射频系统的电感耦合线圈的作用下被激发而形成等离子体，以进行刻蚀或淀积等工艺。 

上述刻蚀或淀积工艺通常都包含若干道工序，且每道工序所使用的工艺气体不尽相同。因此当工序发生变换时，工艺气体也需要相应地进行切换，也就是要求气体分配系统停止供应前道工序所需工艺气体，转而供应本道工序所需工艺气体。 

实际应用中，气体分配系统通常包括相互连接的气体供应部分和流量控制部分等。进行第一道工序时，气体分配系统中只有第一道工序所需工艺气体(以下称为工艺气体1)被输送，在第一道工序结束后，将第二道工序所需工艺气体(以下称为工艺气体2)送入相同的传输管 路。这样，仅当工艺气体2到达了传输管路的终点，才能将传输管路中的残存的工艺气体1排出，此后输送到反应腔室中的气体才是工艺气体2。因此，目前常采用的气体分配系统在进行前/后工序的工艺气体切换时，在停止前道工序的工艺气体供给并开始后一道工序的工艺气体供给时，后一道工序的工艺气体必须要流经气体供应部分和流量控制部分等的传输管路后才能到达反应腔室，并开始下一道工艺。换言之，在前道工序和后一道工序之间存在一个因气体切换而带来的反应间歇，这个反应间歇的时间长度为后一道工序的工艺气体开始进入传输管路直至到达反应腔室所经历的时间。 

由此可见，使用相同的传输管路来传输各道工序所需的工艺气体，只能是在前道工序结束后，才能将下道工序所需的工艺气体送入传输管路，并在等待反应间歇这段时间之后才能到达反应腔室而进行下一道工序。因此，使得前后工序之间的工艺气体切换所需的时间较长。而且，当工艺气体为多种气体的混合气体时，切换过程若持续得较长(也就是反应间歇较长)，则会使气体的混合比例不能立刻达到工艺要求，而是一个过渡的比例值，从而直接影响工艺结果。尤其是，随着半导体加工/处理技术的逐渐提高，工艺关键尺寸也越来越小，已经由原来的250nm、180nm、130nm、90nm逐渐减小到现在的65nm、甚至45nm，这就更为迫切地要求工艺过程中减小反应间歇的时间段，快速地进行工艺气体切换。 

现有技术一，即，公开号为20070066038、发明名称为“Fast gasswitching plasma processing apparatus”的美国专利申请文件就公开了一种能够实现快速气体切换的等离子体处理装置。 

请参阅图1，现有技术一中的等离子体处理装置100包括气体供应部分200、流量控制部分300以及气体切换部分400。其中，气体供应部分200用于在工艺过程中提供各道工序所用气体，例如，提供工序1中所用的工艺气体1，工序2中所用的工艺气体2；流量控制部分300通过2个气体管路235和245而与气体供应部分200相连，通过4个管路324，326，364，366而与气体切换部分400相连，并且该流量控制部分300由若干分立的气动阀组成，通过对不同组合的阀门进行 开/关操作，来控制工艺气体1、工艺气体2等向反应腔室中的内区和外区(即，反应腔室内的中间区域和边缘区域)的进气比例；气体切换部分400由分别与上述4个管路324、326、364和366相连的4组阀门组成，每一组阀门又包括2个气动阀，通过对不同组合的气动阀进行开/关操作而实现由工艺气体1向工艺气体2的快速切换。 

在实际应用中，工序1所需工艺气体1通过管路245而进入流量控制部分300，由流量控制部分300进行流量和混合比例的调节后，经由管路326和324进入到切换部分400，并使切换部分400的气动阀417和415关闭，气动阀418和416开启，而将工艺气体1分别输送到反应腔室中的内区和外区。待工序1快结束时，工序2所需工艺气体2通过管路235而进入流量控制部分300，由流量控制部分300进行流量和混合比例的调节后，经由管路364和366进入到切换部分400，并使切换部分400的气动阀414和412关闭，气动阀413和411开启，而将工艺气体1通过旁路排出。当工序1结束时，关闭气动阀418和416，开启气动阀417和415，同时开启气动阀414和412，关闭气动阀413和411。这样就可以实现工艺气体1和工艺气体2的快速切换，而不必等待前述的反应间歇时间。 

尽管现有技术一提供的等离子体处理装置中的气体分配系统可以实现工艺气体的快速切换，但是在实际应用中，其不可避免地存在下述缺陷： 

其一，现有技术一中的流量控制部分由多个分立的部件构成，这样不仅所需的部件较多，而且部件之间的管路也较多，使得该流量控制部分的体积较大，以致整个气体分配系统的体积也较大。 

其二，由于现有技术一中的流量控制部分由多个分立的部件构成，需要的部件多，且管路复杂，这样便使得流量控制部分以及整个气体分配系统的安装和维护较为复杂。 

其三，现有技术一中的气体分配系统体积较大，使得其占用的机台空间也就较大，而机台通常需要设置在洁净室内，这样，气体分配系统体积大必然占用洁净室内的较大空间。而洁净室单位面积的成本很高，因此应用该气体分配系统时会导致成本较高。 

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种气体分配系统以及应用该分配系统的半导体处理设备，其具有体积较小、便于安装和维护、以及应用成本较低等特点。 

为此，本发明提供了一种用于向工艺室的N个反应区域输送工艺气体的气体分配系统，其中N大于或等于1，该气体分配系统包括顺序连接的气体供应部分、切换部分以及流量控制部分。所述气体供应部分用于提供工艺气体，并将其向切换部分输送；所述切换部分用于在前后工序转换时，停止向流量控制部分输送当前工序所需的工艺气体，转而向其输送下一道工序所需的工艺气体，所述气体供应部分通过两路气路与所述切换部分相连，其中的一路气路用于输送当前工序所需的工艺气体，另一路气路用于输送下一道工序所需的工艺气体；所述切换部分包括两个选择气路，每一个所述选择气路包括两个气动阀门，所述两个气动阀门使工艺气体选择性地流向流量控制部分或气体分配系统之外；所述流量控制部分为集成流量控制器，用于根据工艺要求控制工艺气体的流量，并将所述工艺气体向反应区域输送。 

其中，所述N个反应区域为两个反应区域，所述流量控制部分通过两路输出管路将当前工序所需工艺气体输送至反应区域的中央区域和边缘区域。 

其中，所述集成流量控制器包括比例流量控制器。所述比例流量控制器对输送到不同反应区域的气体流量进行比例调节，其调节范围在1∶1至9∶1之间。 

其中，所述集成流量控制器包括质量流量控制器。所述质量流量控制器的数量为2个，并且通过编程来对输送到不同反应区域的气体流量进行比例控制。 

本发明还提供了这样一种用于向工艺室的N个反应区域输送工艺气体的气体分配系统，其中N大于或等于1，该气体分配系统包括顺序连接的气体供应部分、流量控制部分以及切换部分。所述气体供应部分用于提供工艺气体，并将其向流量控制部分输送；所述流量控制部分包括集成流量控制器，用于根据工艺要求控制工艺气体的流量，并将所述工艺气体输送到切换部分；所述切换部分用于在前后工序转换时，停止向反应区域输送当前工序所需的工艺气体，转而向其输送 下一道工序所需的工艺气体，所述切换部分包括N个选择气路，每一个所述选择气路包括两个气动阀门，所述两个气动阀门使工艺气体选择性地流向所述工艺室内或所述工艺室外。 

其中，所述气体供应部分通过至少两路气路与所述流量控制部分相连，其中的一路气路用于输送当前工序所需的工艺气体，另一路气路用于输送下一道工序所需的工艺气体。 

其中，所述流量控制部分通过至少两路气路与所述切换部分相连，其中的一路气路用于输送当前工序所需的工艺气体，另一路气路用于输送下一道工序所需的工艺气体。 

其中，所述N个选择气路为两个选择气路，所述两个选择气路将当前工序所需工艺气体分别输送至反应区域的中央区域和边缘区域。 

其中，所述集成流量控制器包括比例流量控制器。所述比例流量控制器对输送到不同反应区域的气体流量进行比例调节，其调节范围在1∶1至9∶1之间。 

其中，所述集成流量控制器包括质量流量控制器。所述质量流量控制器的数量为2个，并且通过编程来对输送到不同反应区域的气体流量进行比例控制。 

此外，本发明还提供了一种半导体处理设备，包括反应腔室以及上述气体分配系统，所述气体分配系统根据工艺要求将工艺气体输送至反应腔室。 

相对于现有技术，本发明提供的气体分配系统具有下述有益效果： 

其一，体积小。由于本发明提供的气体分配系统中的流量控制部分采用集成的流量控制器，而无需像现有技术那样采用若干分立的气动阀等部件，因此，相对于现有技术中的气体分配系统而言，本发明提供的气体分配系统结构紧凑、体积较小。 

其二，便于安装和维护。由于本发明提供的气体分配系统中的流量控制部分采用集成的流量控制器，而无需像现有技术那样采用若干分立的气动阀等部件，也无需在各个气动阀之间建立管路连接。因此，相对于现有技术中的气体分配系统而言，本发明提供的气体分配系统安装和维护较为便捷。 

其三，应用成本低。由于本发明提供的气体分配系统的体积较小，无需像现有技术那样占用较大的机台空间和洁净室空间，因而不会像现有技术那样因占用较大的机台空间和洁净室空间而导致应用成本较高。 

类似地，应用了本发明提供的气体分配系统的半导体处理设备也具有上述特点。而且，由于本发明提供的半导体处理设备应用了能够进行快速气体切换的气体分配系统，使得前/后工序之间的反应间歇时间得以缩短，因此该半导体处理设备还具有产品产出率较高的特点。 

附图说明

图1是现有技术一提供的气体分配系统的原理框图； 

图2是现有技术一提供的气体分配系统的结构示意图； 

图3是本发明提供的气体分配系统的一个优选实施方式的原理框图； 

图4是图3所示气体分配系统的一个具体实现方式的结构示意图； 

图5是图4所示气体分配系统中的气体供应部分的结构示意图； 

图6是图4所示气体分配系统中的切换部分的结构示意图； 

图7是图4所示气体分配系统中的流量控制部分的结构示意图； 

图8是本发明提供的气体分配系统中的流量控制部分的另一种结构示意图； 

图9是图8所示流量控制部分的工作流程示意图；以及 

图10是本发明提供的气体分配系统的另一个具体实现方式的结构示意图。 

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的气体分配系统及装置进行详细描述。 

请参阅图3，本发明提供的气体分配系统100包括下述各个部分：气体供应部分200，其用于提供半导体加工/处理工艺中各道工序所用 的工艺气体，如工序1所用工艺气体1，工序2所用工艺气体2；切换部分400，其通过管路203和管路213而与气体供应部分200相连，该切换部分400通过对其内的气动阀进行不同组合的开/关操作来实现前/后工序所用气体的切换，例如，由工艺气体1切换到工艺气体2；以及流量控制部分300，其通过管路303而与切换部分400相连，该流量控制部分300对各道工序所用气体进行流量控制和混合比例控制，并且将流量被控制的工艺气体通过管路403和管路413输送到反应腔室中，例如将工艺气体分别输送到反应腔室的内区和外区中，从而实现反应腔室的双区进气。 

本发明提供的气体分配系统100的具体工作过程为： 

在工序1中，气体供应部分200通过管路203向切换部分400输送工序1所用工艺气体1(其可以为一种气体，也可以为多种气体)；切换部分400通过管路303将工艺气体1传输至流量控制部分300；流量控制部分300对来自管路303的工艺气体1进行流量控制，并将其通过管道403和413输送到反应腔室内，例如输送到反应腔室的内区和外区，以进行工序1的加工/处理。 

当工序1即将结束时，继续通过上述管路向反应腔室输送工艺气体1。同时，气体供应部分200通过管路213向切换部分400输送工序2所用工艺气体2(其可以为一种气体，也可以为多种气体)。此时，切换部分400并不将工艺气体2输送到反应腔室内，而是将其通过旁路管线排出。 

工序1结束，转而进行工序2。此时，气体供应部分200停止供应工艺1所用工艺气体1，切换部分400切断工艺气体1到流量控制部分300的传输路径，不再将工艺气体1输送至反应腔室，并将传输路径中残余的工艺气体1通过旁路管线排出。同时，切换部分400切断工艺气体2到旁路管线的传输路径，并且连通工艺气体2到流量控制部分300的传输路径，将工艺气体2通过管路303传输至流量控制部分300。流量控制部分300对来自切换部分400的工艺气体2进行流量控制，并将其通过管道403和管道413输送到反应腔室内，例如输送到反应腔室的内区和外区，以进行工序2的加工/处理。 

由工序1切换到工序2后，工序3所用气体3进入原工艺气体1的传输路径中，以待工序2完成后可以快速地从当前工序2切换到工序3，......，以此类推，即可完成工艺过程中前/后工序之间的快速气体切换。 

需要指出的是，本发明提供的气体分配系统不但可以实现双区进气(即，气体分配系统向反应腔室内的两个区域输送工艺气体)，而且也可以实现单区进气(即，气体分配系统集中向反应腔室内的一个区域输送工艺气体)，当然也可以实现多区进气(即，气体分配系统向反应腔室内的多个区域输送工艺气体)。为使工艺气体在反应腔室内均匀分布，进而提高工艺结果的均一性，优选地采用双区或者多区进气方式。 

进一步需要指出的是，为了实现快速气体切换，切换部分400和流量控制部分300应该靠近反应腔室设置，以使气体从切换部分400传输到反应腔室所经历的时间尽可能地短。 

请参阅图4，为图3所示气体分配系统的具体实现方式。图5至图8分别示出分解后的气体分配系统100的各个部分。下面结合图4至图8来详细说明气体供应部分200、切换部分400、流量控制部分300以及气体分配系统100的组成和工作原理。 

请参阅图5，气体供应部分200包括下述各部分：4个气源，即，气源201、211、221和231；与这4个气源相连的4路气路202、212、222和232，每一路气路上均设置有气动阀23、流量控制器24以及气动阀25和26。其中，流量控制器24一般为MFC(Mass Flow Controller，质量流量控制器)。每一路气路上的气动阀25的输出端并联连接，之后与管路213相连。类似地，每一路气路上的气动阀26的输出端并联连接之后与管路203相连。 

假设工序1所用工艺气体1为来自气源231的气体和来自气源211的气体的混合气体(为便于说明，本发明中将工序1的混合气体称为工艺气体1，将来自气源231的气体称为工艺气体231，将来自气源211的气体称为工艺气体211，以此类推)，至于工艺气体231或工艺气体211占工艺气体1的比例，可以通过调节工艺气体231和工艺气体211 的流量来得到。假设工序2所用工艺气体2为工艺气体221和工艺气体201的混合气体。 

在工序1中，需要向反应腔室中输送工艺气体1。此时，气路232和212上的气动阀23和气动阀26均处于开启状态，工艺气体231和工艺气体211分别进入气路232和212中，并由流量控制器24来控制其流量，之后流经相应的气动阀26而汇入管路203，以便输送到下游的切换部分400中。 

当工序1快要结束时，打开气路222和202上的气动阀23和气动阀26，工艺气体221和工艺气体201分别进入气路222和202，并由流量控制器24来控制其流量，之后流经相应的气动阀25而汇入管路213，以便输送到下游的切换部分400中，并等待气体切换。 

请参阅图6，切换部分400通过管路301和管路302而与气体供应部分200相连，通过管路303而与流量控制部分300相连。该切换部分400还设置有延伸至气体分配系统100之外的旁路304。在连接管路301和管路303的管路上、以及在连接管路302和管路303的管路上均设置有气动阀31，而且，在连接管路301和旁路304的管路上、以及在连接管路302和旁路304的管路上均设置有气动阀32。此外，在管路301和管路302上均设置有节流阀33。 

切换部分400的具体工作过程为：在工序1中，来自管路203的工艺气体1进入切换部分400，由管路301进行分配，具体地，对与管路301相连的管路上的气动阀31和气动阀32进行下述操作：即，打开气动阀31，关闭气动阀32，使工艺气体1通过管路303进入流量控制部分300。 

在工序1即将结束时，来自管路213的工艺气体2进入切换部分400，由管路302进行分配，具体地，对与管路302相连的管路上的气动阀31和气动阀32进行下述操作：即，打开气动阀32，关闭气动阀31，使工艺气体2通过旁路304而排出气体切换系统100。该旁路304例如可以与真空泵相连，由该真空泵将旁路304中的工艺气体2抽走。 

当工序1完成时，切换部分400对与管路301相连的管路上的气动阀31和气动阀32进行下述操作：即，关闭气动阀31，打开气动阀 32，以停止向下游的流量控制部分300输送工艺气体1。此外，切换部分400对与管路302相连的管路上的气动阀31和气动阀32进行下述操作：即，关闭气动阀32，打开气动阀31。经过上述一系列操作就可以实现气体切换，即，由工序1所使用的工艺气体1切换到工序2所使用的工艺气体2。 

请参阅图7，流量控制部分300采用集成的流量控制器，例如可以采用美国MKS公司的FRC产品系列的流量控制器，以对欲输送到反应腔室中的工艺气体进行流量控制，以及对欲输送到反应腔室的内区和外区的工艺气体进行比例控制(即，在某一个工艺过程中，控制输送到反应腔室内区的工艺气体和输送到反应腔室外区的工艺气体之间的比例关系)。采用该FRC系列的流量控制器对欲输送到反应腔室内区和外区的工艺气体进行比例调节时，其调节范围为1∶1到9∶1或9∶1到1∶1。 

请参阅图8，流量控制部分300也可以采用MFC。由于单个MFC只能进行流量控制，而不能独立地实现不同区域的气体比例控制，因此，当需要通过不同管路向反应腔室中的两个区域输送工艺气体，并对这两个区域的工艺气体进行比例控制时，就需要设置两路MFC。其中，每一路MFC对应一个区域，通过调节每一个MFC的流量来实现两个区域的工艺气体比例调节。 

在实际应用中，通过多路MFC进行工艺气体比例控制时，往往需要借助于软件来实现。图9就示出了某一工序中两个区域(内区和外区)的气体比例控制的软件流程。 

首先，获得欲输送到反应腔室中的工艺气体的总流量值以及分别输送到反应腔室的内区和外区的工艺气体的比例值。 

然后，根据上述总流量值以及比例值来计算每个MFC的流量值。 

其后，根据上述计算得出的流量值来对每一个MFC进行设定，以使每一个MFC根据其设定值而向反应腔室的相应区域输送给定流量的工艺气体。 

为了更为精确地控制进入内区和外区的工艺气体的流量及二者之间的比例值，可以采用反馈控制来对每一个MFC的设定值进行调整。 具体地，可以对每一个MFC设置一个反馈回路，这样，对每一个MFC的输出进行采样，并根据采样值对每一个MFC的设定值进行调整，以获得期望的流量以及内区和外区之间的比例值。 

可以理解，尽管前述实施例中切换部分400位于流量控制部分300之前，换言之，前述实施例中先进行前/后工序的工艺气体切换，再进行欲输送到反应腔室中的工艺气体的流量控制。然而，在实际应用中，切换部分400也可以位于流量控制部分300之后，换言之，也可以先对欲输送到反应腔室中的工艺气体进行流量控制，再进行前/后工序的工艺气体切换，例如图10就示出了这种布局结构的气体分配系统。本实施例中的气体分配系统100与图4所示实施例相比，二者的不同之处在于：图10中的流量控制部分300在切换部分400的上游，而图4中的流量控制部分300在切换部分400的下游。至于气体供应部分200和切换部分400的内部组成和结构大致类似，而且流量控制部分300同样采用集成的流量控制器。 

通过前述实施例的描述可以看出：由于本发明提供的气体分配系统中的流量控制部分采用集成的流量控制器，并且在实际应用中流量控制部分和切换部分靠近反应腔室设置，从而使得本发明提供的气体分配系统结构简单紧凑、体积小，可以减小机台和洁净室的占用空间，进而节约成本。 

此外，本发明还提供一种半导体处理设备，其采用了本发明提供的前述气体分配系统。至于该半导体处理设备的其他构成部分，诸如反应腔室、射频系统和真空系统等均可以采用现有技术，在此不再赘述。 

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种气体分配系统，用于向工艺室的N个反应区域输送工艺气体，其中N大于或等于1，所述气体分配系统，包括顺序连接的气体供应部分、切换部分以及流量控制部分，所述气体供应部分用于提供工艺气体，并将其向切换部分输送；所述切换部分用于在前后工序转换时，停止向流量控制部分输送当前工序所需的工艺气体，转而向其输送下一道工序所需的工艺气体，其特征在于，

所述气体供应部分通过两路气路与所述切换部分相连，其中的一路气路用于输送当前工序所需的工艺气体，另一路气路用于输送下一道工序所需的工艺气体；

所述切换部分包括N个选择气路，每一个所述选择气路包括两个气动阀门，其中一个气动阀门用于控制所述气体供应部分与所述流量控制部分的通断，另一个气动阀门用于控制所述气体供应部分与旁路的通断；

所述流量控制部分为集成流量控制器，用于根据工艺要求控制工艺气体的流量，并将所述工艺气体向反应区域输送。

2.根据权利要求1所述的气体分配系统，其特征在于，所述N个反应区域为两个反应区域，所述流量控制部分通过两路输出管路将当前工序所需工艺气体输送至反应区域的中央区域和边缘区域。

3.根据权利要求2所述的气体分配系统，其特征在于，所述集成流量控制器包括比例流量控制器。

4.根据权利要求3所述的气体分配系统，其特征在于，所述比例流量控制器对输送到不同反应区域的气体流量进行比例调节，其调节范围在1∶1至9∶1之间。

5.根据权利要求2所述的气体分配系统，其特征在于，所述集成流量控制器包括质量流量控制器。

6.根据权利要求5所述的气体分配系统，其特征在于，所述质量流量控制器的数量为2个，并且通过编程来对输送到不同反应区域的气体流量进行比例控制。

7.一种半导体处理设备，包括反应腔室，其特征在于，还包括如权利要求1至6中任意一项所述的气体分配系统，所述气体分配系统根据工艺要求将工艺气体输送至反应腔室。

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