CN111524778B - 气体输运管路、控制气体输运的方法及半导体设备 - Google Patents

气体输运管路、控制气体输运的方法及半导体设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体输运管路、控制气体输运的方法及半导体设备，其中，气体输运管路包括：至少两个供气管路，供气管路的一端与气源连通，另一端与反应腔室的入口连通，供气管路上设有第一控制阀、第二控制阀以及设置在第一控制阀和第二控制阀之间的管路控制元件；管路控制元件和第二控制阀之间的管路组成气体暂存管路；第一控制阀，设于气源与管路控制元件之间，用于控制气体从气源连续性地进入气体暂存管路；管路控制元件，用于控制气体按照设定流量输入气体暂存管路；第二控制阀设于气体暂存管路的出口处，用于控制气体暂存管路内的气体间断性地供给反应腔室。本发明在气体非反应时段对气体进行暂存，避免了工艺气体的浪费。

Description

气体输运管路、控制气体输运的方法及半导体设备
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，更具体地，涉及一种气体输运管路、应用气体输运管路控制气体输运的方法及半导体设备。
背景技术
晶圆刻蚀的原理是将通入反应腔室的气体暴露在电磁场区域形成电离气体，电离气体原子通过电场加速，轰击工件表面并发生反应，反应的挥发性副产物被真空泵抽走。随着集成电路的发展，对刻蚀技术的要求也越来越高，原子层刻蚀技术也逐步变成主流技术。原子层刻蚀是快速导入工艺气体，与晶圆的最上层原子发生反应后，然后快速导入另一种工艺气体，轰击最上层原子，这样逐层刻蚀。其主要目的是不影响下一原子层。因此在该项工艺中，气体流量控制和切换速度是关键点。
原子层刻蚀(ALE)技术主要为若干个包含四个步骤的循环：1)向腔室通入刻蚀气体一，使气体分子充分吸附在衬底表面上，直到达到饱和状态；2)通入吹扫气体将剩余刻蚀气体一及其副产物去除干净；3)向腔室通入刻蚀气体二，使之刻蚀掉已吸附在衬底表面的刻蚀气体一及衬底表层原子；4)通入吹扫气体将剩余刻蚀气体二及其副产物去除干净。原子层沉积(ALD)技术步骤与ALE类似。因此，在ALE反应各步骤间需要快速切换，以实现不同气体交替通入反应腔室。为了保持工艺气体的连贯性，同时避免质量流量计因憋压导致气流波动，影响沉积薄膜质量，当某种工艺气体不通入腔室时，往往会直接通往真空泵，这样不仅造成了工艺气体的过量消耗，而且会导致两种反应物在真空泵直接相遇，形成大量颗粒，影响真空泵寿命。
传统刻蚀设备中的质量流量控制器MFC的响应时间(约500ms)无法达到ALE/ALD工艺中气体快速切换的要求，因此在现有技术中，如图1所示，为了能够得到稳定气体流量的工艺气体，第一质量流量控制器2、第二质量流量控制器6和第一隔膜阀1、第二隔膜阀3、第四隔膜阀5、第五隔膜阀7为常开状态，在工艺过程中，需要有反应气体时，第三隔膜阀4和第六隔膜阀8开、第七隔膜阀9和第八隔膜阀10关，所需气体即可导入反应腔室11，需要切换时，第三隔膜阀4和第六隔膜阀8关、第七隔膜阀9和第八隔膜阀10开，气体被干泵12直接抽到尾排系统，进行处理，由于整个工艺过程中，1/4的时间需要工艺气体，3/4的时间工艺气体被抽走，直到工艺完成。设F为工艺气体单位时间的控制流量，T1为工艺时间，T2为工艺等待时间，其中T2＝3×T1，则有F×T1+F×T2＝总流量。那么总流量中有3/4的工艺气体是不参与工艺反应直接进入尾气厂排中。
现有技术的不足为：工艺气体使用量过大，浪费的气体过多(约为使用总量的3/4)，增加气体使用成本。因此，如何避免工艺气体的浪费是目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种气体输运管路、应用气体输运管路控制气体输运的方法及半导体设备，能够解决工艺气体浪费的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种气体输运管路，包括：
至少两个供气管路，所述供气管路的一端与气源连通，另一端与反应腔室的入口连通，所述供气管路上设有第一控制阀、第二控制阀以及设置在所述第一控制阀和所述第二控制阀之间的管路控制元件；
所述管路控制元件和所述第二控制阀之间的管路组成气体暂存管路；
所述第一控制阀，设于所述气源与所述管路控制元件之间，用于控制气体从所述气源连续性地进入所述气体暂存管路；
所述管路控制元件，用于控制气体按照设定流量输入所述气体暂存管路；
所述第二控制阀设于所述气体暂存管路的出口处，用于控制所述气体暂存管路内的气体间断性地供给所述反应腔室。
作为可选方案，所述管路控制元件为质量流量控制器。
作为可选方案，所述供气管路上还设有限流垫片，所述限流垫片设置于所述反应腔室的入口与所述第二控制阀之间，用于限制气体按照限定流量进入所述反应腔室。
作为可选方案，所述反应腔室设有排气口，所述气体输运管路还包括抽气管路，所述抽气管路与所述排气口连通，用于将剩余的气体抽出所述反应腔室。
作为可选方案，所述气体暂存管路的长度大于设定长度L，所述设定长度L与其中一路所述供气管路相邻两次供气给所述反应腔室的时间间隔T、单位时间内的气体流量F、标准大气压力P标、所述气体暂存管路内的压力P管、所述气体暂存管路的管路截面积S和零摄氏度所对应的开尔文温度T标相关。
作为可选方案，所述设定长度L采用以下公式计算：
Figure BDA0002465725520000031
其中，T的单位为分钟，L的单位为厘米，F1的单位为毫升/分钟，P标和P管的单位为千帕，截面积S的单位为平方厘米。
本发明还提供了一种半导体设备，包括反应腔室和与所述反应腔室连通的上述的气体输运管路。
本发明还提供了一种应用上述的气体输运管路控制气体输运的方法，用于在每个周期向所述反应腔室交替输入不同的气体，所述方法包括：
当达到每个周期的当前气体非反应时段，控制打开对应供气管路上的所述第一控制阀和所述管路控制元件以及控制关闭对应供气管路上的所述第二控制阀，以控制来自所属气源的当前气体按照设定流量输入并缓存在所述气体暂存管路；
当达到每个周期的当前气体反应时段，控制打开所述第二控制阀，以控制来自所属气源和预先缓存在所述气体暂存管路中的当前气体均输入所述反应腔室。
作为可选方案，所述当前气体非反应时段包括当前气体排气时段、其他气体反应时段和其他气体排气时段，所述方法还包括：
当达到每个周期的所述当前气体排气时段，控制抽气管路将剩余的当前气体抽出所述反应腔室。
作为可选方案，所述设定流量由所述当前气体反应时段与单个周期的长度比值确定。
本发明的有益效果在于：
在供气管路上设置用于暂存气体的气体暂存管路，在气体非反应时段将气体存储在气体暂存管路中，在气体反应时段内对反应腔室供气，避免了工艺气体的浪费，减少工艺气体使用量，降低工艺用气成本。
进一步地，在反应腔室的入口处设置限流垫片，防止工艺气体进气时出现压力激增，有效解决了工艺结果的稳定性和重复性问题。
进一步地，通过对第一控制阀、第二控制阀和质量流量控制器的开启和关闭及气体流量的控制，控制时间精确，简单易实现。
本发明还具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了现有的一种气体输运管路结构示意图。
图2示出了根据本发明一实施例的一种气体输运管路结构示意图。
图3示出了未安装限流垫片时气体进入反应腔室后流量示意图。
图4示出了安装限流垫片后气体进入反应腔室后流量示意图。
附图标记说明：
1-第一隔膜阀；2-第一质量流量控制器；3-第二隔膜阀；4-第三隔膜阀；5-第四隔膜阀；6-第二质量流量控制器；7-第五隔膜阀；8-第六隔膜阀；9-第七隔膜阀；10-第八隔膜阀；11-反应腔室；12-干泵；20-气体暂存管路；21-第一控制阀；22-管路控制元件；23-第二控制阀；24-限流垫片；25-压力表。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图2示出了根据本发明一实施例的一种气体输运管路的结构示意图。请参考图2，气体输运管路包括：
至少两个供气管路，供气管路的一端与气源连通，另一端与反应腔室11的入口连通，供气管路上设有第一控制阀21、第二控制阀23以及设置在第一控制阀21和第二控制阀23之间的管路控制元件22；
管路控制元件22和第二控制阀23之间的管路组成气体暂存管路20；
第一控制阀21，设于气源与管路控制元件22之间，用于控制气体从气源连续性地进入气体暂存管路20；
管路控制元件22，用于控制气体按照设定流量输入气体暂存管路20；
第二控制阀23设于气体暂存管路20的出口处，用于控制气体暂存管路20内的气体间断性地供给反应腔室11。具体地，图2中示出了两条供气管路，两条供气管路部件组成相同。气体暂存管路20的前后分别设有第一控制阀21和第二控制阀23。第一控制阀21和第二控制阀23用于控制气体的流通，本实施例中，第一控制阀21和第二控制阀23均为气动隔膜阀。气动隔膜阀由压缩气体作为控制气动隔膜阀隔膜的动力源，在设定压力的情况下实现气动隔膜阀的开启或关闭。
本实施例中，管路控制元件22为质量流量控制器，质量流量控制器设置于气体暂存管路20的入口处。质量流量控制器用于控制气体的流量。本实施例中，供气管路上还包括压力表25，设置于第一控制阀21与气源之间。气体从气源进入质量流量控制器需要有一定的压力差，压力表25用于测量显示气源出口的压力，以保证气源与质量流量控制器之间维持设定的压力差。质量流量控制器的开启与关闭及流量的大小在软件系统的工艺菜单中进行设定，工艺开始后，下位机按照工艺步骤执行工艺，按照菜单中的工艺设定信息，控制质量流量控制器。
本实施例中，供气管路上还包括限流垫片24，设置于反应腔室11的入口与第二控制阀23之间，限流垫片24用于限制气体按照限定流量进入反应腔室11。参考图3，图3示出了未安装限流垫片24时气体进入反应腔室11后流量示意图。开始进气的瞬间会形成一个压力波峰，出现瞬间激增的现象，严重影响工艺结果的稳定性和重复性。参考图4，图4示出了安装限流垫片24后气体进入反应腔室11后流量示意图。安装限流垫片24后，进气过程形成矩形波，避免了气流瞬间激增，保证了工艺结果的稳定性和重复性。
本实施例中，工艺气体通过第一控制阀21、第二控制阀23和质量流量控制器进行控制，进入反应腔室11进行工艺反应，ALE/ALD工艺的反应过程是控制工艺气体的进气量和反应时间，因为反应时间只需要刻蚀掉或沉积一个原子层的物质，因此时间设置的非常短，气动隔膜阀和质量流量控制器都通过软件进行设置，以精确控制气体的进入时间。控制方式也是目前设备上的通用方式，整个气路系统不论是设计还是改造方面都易于实现，方便操作。
本实施例中，反应腔室还设有排气口，气体输运管路还包括抽气管路，抽气管路与排气口连通，用于将剩余的气体抽出反应腔室。如本实施例中，两种气体交替循环通入反应腔室，当其中一种气体通入反应腔室结束后，需要将剩余的未参加反应的气体抽出反应腔室，再通入另外一种气体。
举例说明，两种工艺气体对反应腔室进行循环供气，循环周期为T。在一个循环周期内执行以下操作：在第一个1/4T，向工艺腔室通入第一种气体，在第二个1/4T，对反应剩余的第一种气体进行抽气，在第三个1/4T，向工艺腔室通入第二种气体，在第四个1/4T，对反应剩余的第二种气体进行抽气。对每种气体而言，当前气体非反应时段为3/4T。将质量流量控制器单位时间内的流量设置为F1，整个通气循环周期T内，质量流量控制器处于常开状态，第一控制阀在整个通气循环周期T内也处于常开状态，F1×T为工艺需要的反应气体总量，1/4T为其中一种气体的工艺时间，3/4T为气体的非反应时段。则有F1×T＝F1×1/4T+F1×3/4T。3/4T时间内工艺气体通过质量流量控制器后暂存在气体暂存管路，第二控制阀在1/4T的时间内打开，工艺过程中反应气体总量F1×T通过限流垫片全部进入反应腔室。
因气体在3/4T时间内需暂存在气体暂存管路中，管路长度需有最小长度，其中最小长度与其中一路供气管路中的气体相邻两次供给反应腔室的时间间隔T、单位时间内的气体流量F、标准大气压力P标、气体暂存管路内的压力P管、气体暂存管路的管路截面积S和零摄氏度所对应的开尔文温度T标相关。设定长度L采用以下公式计算：
Figure BDA0002465725520000081
其中，T的单位为分钟，L的单位为厘米，F的单位为毫升/分钟，P标和P管的单位为千帕，截面积S的单位为平方厘米。公式推导过程如下：根据理想气体定律PV＝nRt(P：气体压强；V：气体体积；n：气体的量；t：气体的温度；R：通用气体常量)，推出PV/t＝nR，对于固定质量的气体nR恒定，也就是PV/t为定值，即P标×V标/T标＝P管×V管/T管，V管＝S×L，S为管路截面积，L为管路的长度，推出P标×V标/T标＝P管×S×L/T管，进而得出/>
Figure BDA0002465725520000082
按质量流量控制器的后端压力为150Kpa，T管为20摄氏度，即开尔文温度为293，管路为1/4英寸管路，则有L＝[(0.75×101/273)/(0.152×150/293)]×T×F1＝3.6TF1。/>
Figure BDA0002465725520000083
Figure BDA0002465725520000084
典型地，若循环时间T＝2s＝1/30min，F1＝500sccm，则最小长度约为58.8cm。
在该实施例中，质量流量控制器设置的流量F1由当前气体反应时段与单个周期的长度比值确定。例如，当前气体的反应时段为单个周期长度的1/4，因此设置的流量F1是现有技术中流量F的1/4。背景技术实现快速切换的方式为质量流量控制器常开至工艺所需流量F，通过切换两个隔膜阀实现通腔室和不通腔室，其中通腔室的气体量为1/4T×F，浪费的气体量为3/4T×F；本发明中通过控制质量流量控制器开至1/4工艺所需流量F1＝1/4F，在不通腔室的3/4T时间内对气体进行暂存，气体暂存量为3/4T×F1，通气的1/4T时间通气量为1/4T×F1，则腔室总进气量为二者之和T×F1＝T×1/4F＝1/4T×F，保证了工艺气体总量。
本发明一实施例还提供了一种半导体设备，包括反应腔室和与反应腔室连通的上述的气体输运管路。半导体设备包括原子层沉积设备或原子层刻蚀设备。
本发明一实施例还提供了一种应用上述的气体输运管路控制气体输运的方法，用于在每个周期向反应腔室交替输入不同的气体，该控制气体输运的方法包括：
当达到每个周期的当前气体非反应时段，控制打开对应供气管路上的第一控制阀和管路控制元件以及控制关闭对应供气管路上的第二控制阀，以控制来自所属气源的当前气体按照设定流量输入并缓存在气体暂存管路。
当达到每个周期的当前气体反应时段，控制打开第二控制阀，以控制来自所属气源和预先缓存在气体暂存管路中的当前气体均输入反应腔室。
本实施例中，当前气体非反应时段包括当前气体排气时段、其他气体反应时段和其他气体排气时段。上述方法还包括：当达到每个周期的当前气体排气时段，控制抽气管路将剩余的当前气体抽出反应腔室。
本实施例以两个供气管路为例进行说明，第一气体通过第一供气管路通入反应腔室，第二气体通过第二供气管路通入反应腔室。本实施例具体采用如下步骤：
步骤1：通入第一气体前，关闭第一供气管路上的第二控制阀和第二供气管路上的第二控制阀，打开第一供气管路上的第一控制阀，以使第一气体从所属气源进入第一供气管路上的气体暂存管路。
步骤2：第一供气管路上的第一控制阀打开3/4T时间后，打开第一供气管路上的第二控制阀，第一气体通入反应腔室，设定第一气体通入反应腔室的时长为1/4T。
步骤3：第一气体通入反应腔室1/4T时间后，关闭第一供气管路上的第二控制阀，对反应腔室内剩余的第一气体进行抽气，抽气时长为1/4T。
步骤4：在第一供气管路上的第一控制阀开启1/4T后，，打开第二供气管路上的第一控制阀，以使第二气体从所属气源进入第二气体供气管路上的气体暂存管路。
步骤5：对反应腔室的第一气体抽气结束后，打开第二供气管路上的第二控制阀，第二气体进入反应腔室，设定时长为1/4T，第二气体通入反应腔室前，第二供气管路上的第二控制阀已经开启3/4T。
步骤6：第二气体通入反应腔室1/4T后，关闭第二供气管路上的第二控制阀，对反应腔室内剩余的第二气体进行抽气，抽气时间为1/4T。
第一气体通入反应腔室的气量等于3/4T内通入气体暂存管路的气量和1/4T内通入反应腔室的气量之和。第二气体通入反应腔室的气量等于3/4T内通入气体暂存管路的气量和1/4T内通入反应腔室的气量之和。
重复执行步骤1至步骤6，直至循环工艺结束，关闭第一供气管路上的第一控制阀和第二控制阀，关闭第二供气管路上第一控制阀和第二控制阀。
本实施例中，质量流量控制器在整个循环过程中处于常开的状态，且工艺气体以某一设定流量通过质量流量控制器。设定流量由当前气体反应时段与单个周期的长度比值确定。以保证在非反应时间内气体通过质量流量控制器的气量与在反应时间内气体通过质量流量控制器的气量之和等于在反应时间内气体通入反应腔室的气量。
本实施例中，第一控制阀和第二控制阀可以均为气动隔膜阀，供气管路上还设有质量流量控制器，质量流量控制器设置于第一控制阀和气体暂存管路的入口之间。在第一控制阀与气源之间还设有压力表。在反应腔室的入口与第二控制阀之间还设有限流垫片，限流垫片限制气体按照限定流量进入反应腔室。本实施例中，第一控制阀和质量流量控制器处于常开状态，工艺开始前，进入气体暂存管路的气量与工艺开始后进入暂存管路的气量之和等于气体反应时段内通入反应腔室的气量。通气过程参照前文所述，此处不再赘述。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (9)

1.一种气体输运管路，其特征在于，包括：
至少两个供气管路，所述供气管路的一端与气源连通，另一端与反应腔室的入口连通，所述供气管路上设有第一控制阀、第二控制阀以及设置在所述第一控制阀和所述第二控制阀之间的管路控制元件；
所述管路控制元件和所述第二控制阀之间的管路组成气体暂存管路；
所述第一控制阀，设于所述气源与所述管路控制元件之间，用于控制气体从所述气源连续性地进入所述气体暂存管路；
所述管路控制元件，用于控制气体按照设定流量输入所述气体暂存管路；
所述第二控制阀设于所述气体暂存管路的出口处，用于控制所述气体暂存管路内的气体间断性地供给所述反应腔室；
所述气体暂存管路的长度大于设定长度L，所述设定长度L与其中一路所述供气管路相邻两次供气给所述反应腔室的时间间隔T、单位时间内的气体流量F1、标准大气压力P标、所述气体暂存管路内的压力P管、所述气体暂存管路的管路截面积S和零摄氏度所对应的开尔文温度T标相关。
2.根据权利要求1所述的气体输运管路，其特征在于，所述管路控制元件为质量流量控制器。
3.根据权利要求1所述的气体输运管路，其特征在于，所述供气管路上还设有限流垫片，所述限流垫片设置于所述反应腔室的入口与所述第二控制阀之间，用于限制气体按照限定流量进入所述反应腔室。
4.根据权利要求1所述的气体输运管路，其特征在于，所述反应腔室设有排气口，所述气体输运管路还包括抽气管路，所述抽气管路与所述排气口连通，用于将剩余的气体抽出所述反应腔室。
5.根据权利要求1所述的气体输运管路，其特征在于，所述设定长度L采用以下公式计算：
Figure FDA0004172340110000021
其中，T的单位为分钟，L的单位为厘米，F1的单位为毫升/分钟，P标和P管的单位为千帕，截面积S的单位为平方厘米。
6.一种半导体设备，其特征在于，包括反应腔室和与所述反应腔室连通的如权利要求1-5任一项所述的气体输运管路。
7.一种应用权利要求1-5中任一项所述的气体输运管路控制气体输运的方法，用于在每个周期向所述反应腔室交替输入不同的气体，其特征在于，所述方法包括：
当达到每个周期的当前气体非反应时段，控制打开对应供气管路上的所述第一控制阀和所述管路控制元件以及控制关闭对应供气管路上的所述第二控制阀，以控制来自所属气源的当前气体按照设定流量输入并缓存在所述气体暂存管路；
当达到每个周期的当前气体反应时段，控制打开所述第二控制阀，以控制来自所属气源和预先缓存在所述气体暂存管路中的当前气体均输入所述反应腔室。
8.根据权利要求7所述的控制气体输运的方法，其特征在于，所述当前气体非反应时段包括当前气体排气时段、其他气体反应时段和其他气体排气时段；
所述方法还包括：
当达到每个周期的所述当前气体排气时段，控制抽气管路将剩余的当前气体抽出所述反应腔室。
9.根据权利要求7所述的控制气体输运的方法，其特征在于，所述设定流量由所述当前气体反应时段与单个周期的长度比值确定。
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