CN1260407A - 液体输送系统 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了一种在制造半导体器件过程中通过化学气相淀积法淀积铜线时使用的液体输送系统(LDS),其包括:铜液体材料供给装置,用于经过以恒定速度旋转的注入孔向汽化器装置供给具有室温的铜液体材料;载体供给装置,用于经过注射喷嘴注射保持在铜汽化温度的载气,并使经过所述注入孔提供到所述汽化器装置的铜液体材料形成微小液滴;和注射装置,用于把汽化的铜蒸汽注射到反应室中,所述微小液滴是在所述汽化器装置中汽化的。
Description
本发明一般涉及一种液体输送系统(LDS)。更具体地讲，本发明涉及一种在半导体器件制造过程中利用化学气相淀积法形成铜线时不仅能够提高铜淀积速度而且能够实现高再生性的液体输送系统。
对于高集成化和高性能的半导体器件，广泛使用铜金属线作为半导体器件中使用的金属线。在铜金属线中，通过物理气相淀积(PVD)法，金属有机化学气相淀积(MOCVD)法，电镀法等来淀积金属层。通过化学气相淀积法淀积铜所用的常用液体输送装置可以包括鼓泡器(bubbler)和直接液体注射(DLI)装置。
在图1中可见，在常用的鼓泡器10中经过输入管线11引入载气。然后以给定的比率与盛在鼓泡器10的罐体12中的金属液体材料13混合，并经过输出管线14输出罐体12。载气与金属液体材料的混合比率取决于载气的质量流量，鼓泡器的温度和压力。这种常用类型的鼓泡器10不适用于像铜液体材料这样的具有很低蒸汽压的液体材料。更具体地讲，要求鼓泡器的温度必须保持恒定。这可能使铜液体材料分解，因而产生颗粒。因此，常用鼓泡器的问题在于，它不仅对半导体淀积膜造成不利影响，而且降低再生性，并且淀积速度低，等等。
图2是当前在通过金属有机化学气相淀积法淀积铜中最广泛使用的直接液体注射(DLI)装置230的示意图，下面详细说明它的操作。
DLI装置230主要包括一个微型泵20和一个汽化器30。DLI装置给来自安瓿19的金属液体材料施以大约20psi的压力，并把它们经过第一阀门21送到微型泵20。此时，当第一步进电机22提升第一活塞23时，金属液体材料充满第一缸体24。然后，第一阀门21关闭，第二阀门25打开。接着，由于第一活塞23的下降并且借助第二步进电机26提升第二活塞27，充入第一缸体24的金属液体材料经过第二阀门25流入第二缸体28。接下来，如果第二缸体28完全被金属液体材料充满，则第二阀门25关闭，第三阀门29打开。结果，由于第二活塞27下降，把金属液体材料通过第三阀门29输送到汽化器30。此时，随着第一阀门21打开和第一活塞23升起，金属液体材料再次充入第一缸体24。重复进行这些过程，把金属液体材料从微型泵20提供到汽化器30。质量流量的控制是由步进电机22和26的循环次数确定的。
从微型泵20供给的金属液体材料经过输送阀门31流入99个金属盘32，在金属盘32中由加热区33汽化，并随后与载气一同排出。
汽化器30中金属盘32的驱动依赖于引入的金属液体材料。汽化器30还有微型泵20可以在其中形成压力的结构。因此，存在的问题是，极难使金属液体材料的压力保持恒定，并且要花费很多时间(几十分钟)使金属液体材料的压力获得平衡态。此外，在初始状态，如果发生金属液体材料的抽吸，大量的金属液体材料将进入金属盘32。因而产生了金属液体材料汽化困难和一些金属材料未被汽化而造成汽化器30堵塞的问题。
因此，像铜金属液体材料这样的材料所具有的问题在于，由于很低的蒸汽压和易于分解，很难把它们均匀地淀积在晶片上。因此，由于材料在金属盘中分解，它们可能会造成堵塞。还有一个问题是，它们会降低再生性，并且由于极短的连续淀积周期，它们不可能应用于制造半导体器件过程的批量生产。
因此，本发明的目的是要提供一种液体输送系统，在制造半导体器件过程中借助金属有机化学气相淀积法利用铜液体材料淀积铜层时，不仅能够提高铜的淀积速度并且还能够实现高的再生性。
为了实现上述目的，根据本发明的液体输送系统(LDS)的特征在于它包括：铜液体材料供给装置，用于经过一个以恒定速度旋转的注入孔把具有室温的铜液体材料提供到汽化器装置；载气供给装置，用于通过注射喷嘴注射保持在铜汽化温度的载气，并使要经过所述注入孔提供到所述汽化器装置的铜液体材料形成微小液滴；和注射装置，用于把汽化的铜蒸汽注射到反应室，所述微小液滴在所述汽化器装置中汽化。
在以下的说明中结合附图解释本发明的上述各个方面和其它特征，其中：
图1是在半导体器件的化学气相淀积法中使用的常用鼓泡器装置的示意图；
图2是在半导体器件的化学气相淀积法中使用的常用直接液体注射(DLI)装置的示意图；
图3是在根据本发明的半导体器件的化学气相淀积法中使用的液体输送系统(LDS)的示意图。
下面参考附图通过优选实施例详细说明本发明，其中相同或相似的部件使用相同的参考号标注。
图3是用于使用根据本发明的金属有机化学气相淀积法淀积铜层的液体输送系统(LDS)的示意图。
根据本发明的液体输送系统100包括铜液体材料供给装置40，载气供给装置50，汽化器装置60，和注射装置70。
铜液体材料供给装置40包括：加压气体输入管线41，其设置有第一阀门42，用于把加压气体引入充有铜液体材料44的罐体43；和铜液体材料输出管线46，设置有第二阀门45，用于利用来自输入管线41的压力把铜液体材料44输送到注入孔47。
可以使用氩(Ar)或氦(He)之类的气体作为加压气体。在注入孔47的顶部装备有一个用电机49转动的旋转装置48，在系统运行时该旋转装置48转动注入孔47。此时，供给装置40的温度在各个方面必须保持在室温。
载气供给装置50包括：第一质量流量控制器(MFC)52，用于控制从载气输入管线51引入的载气的质量流量；载气输出管线53，用于把载气从第一MFC 52输送到被用于保持铜液体材料44汽化温度的第一加热套54围绕的注射喷嘴55；隔热块56，在注入孔47和载气输出管线53之间用于防止第一加热套54的热传递到注入孔47区并把注入孔47区总是保持在室温；和密封装置57，安装在注射喷嘴55区，用于防止真空通过载气输出管线53从汽化器装置60的汽化器泄漏。
汽化器装置60包括：汽化器61，用于通过输出管线53的注射喷嘴55对通过注入孔47注射铜液体材料产生的铜液体材料的超微液滴进行汽化；第二加热套62，安装在汽化器61侧面，用于使汽化器61的内部保持在铜汽化温度；加热器63，安装在汽化器61底部，用于汽化一些经过汽化器61而未汽化的超微液滴；压力测量装置64，用于使汽化器61内部保持在恒定压力；和具有节流阀66的压力泵65。
注射装置70包括：铜蒸汽输入管线71，用于把在汽化器装置60汽化的铜与载气一起输送到第二MFC 72；和铜蒸汽注射器74，用于从铜蒸汽输出管线73接收其质量流量受第二MFC 72控制的铜蒸汽，从而将其注射到反应室80。环绕铜蒸汽输入管线71提供有第三加热套75。
下面说明根据本发明的液体输送系统100的操作，液体输送系统100被构造成在半导体器件制造过程中，通过金属有机化学气相淀积法利用铜液体材料在晶片上淀积铜层。
当通过氩(Ar)或氦(He)气把装有铜液体材料44的罐体43加压到10至200psi的压力时，其中的铜液体材料将上升到铜液体材料输出管线46，同时被加压气体输入管线41加压。然后，它们被输送到由转动装置48驱动以10至1000rpm转速旋转的注入孔47。此时，要求铜液体材料输出管线46必须保持在室温。氩(Ar)、氦(He)、氢(H)之类的载气通过载气输入管线51到达第一MFC 52，MFC 52把气体质量流量控制在20至1000sccm。接着，将受控的载气经过载气输出管线53输送到锥形注射喷嘴55。此时，通过第一加热套54，载气输出管线53把铜液体材料保持在它们的汽化温度，因而总是把注射到汽化器61的载气保持在这个温度。以高压把这些载气与从注射喷嘴55流至注入孔47的铜液体材料一起注射进旋风式汽化器61。此时，旋转注入孔47区由隔热块56保持在室温。注射的铜液体材料在汽化器61中保持为超微液滴(液体+气体)状态。但是，由于汽化器61中的第二加热套62将温度保持在铜汽化温度，因而大部分超微液滴经过汽化器61汽化。而一些未汽化的超微液滴将被安装在汽化器61底部的加热器63汽化。压力测量装置64一直监测着汽化器61中的压力。因此，连接到压力泵65的节流阀66将使汽化器61中的压力保持恒定。接下来，被第二加热套62和加热器63汽化的铜蒸汽经过铜蒸汽输入管线71，第二MFC72和铜蒸汽输出管线73连续地输送到铜蒸汽注射器74。铜蒸汽注射器74把输送的铜蒸汽注射到安装着晶片的反应室80。
铜蒸汽输入管线71设置有用于保持铜汽化温度的第三加热套75，因而使输入管线中的铜蒸汽不会再液化。还把输入管线71向上倾斜大约30度以上，最好是40至70度安装，从而使任何未完全汽化的铜的副产品不会流入反应室80。此外，铜蒸汽输出管线73最好是足够短，以提高它的传导性，其长度大约为5至20cm，直径大约为1/4″。
淀积处理完成后，压力泵65将汽化器61保持在真空状态，然后充入保护气体(atmosphere gas)。
上述液体输送系统100也可以用于汽化难于汽化的液体材料，例如，半导体器件制造过程中广泛使用的铝(Al)，钽(Ta)，TEOS等之类的氧化物，BST等之类的材料，以及铜。
从以上对本发明的说明可以知道，液体输送系统能够将载气经过旋转注入孔注射到锥形喷嘴，因而使得铜液体材料可以形成超微颗粒。因此，与常用液体输送装置(鼓泡器和DLI装置)相比，本发明可以消除常用汽化器中的堵塞现象，可以实现高再生性，并且因此可以提高淀积速度。因此，它的突出优点在于，它使利用化学气相淀积法制造铜膜可以应用于半导体器件，并且由于汽化装置的简化，便利了设备的管理和清洁。
本发明是参考了与特定应用有关的特定实施例说明的。熟悉本领域并了解本发明的普通技术人员，应当知道其范围内的额外修改和应用。
因此，附属的权利要求将包括任何和所有本发明范围内的应用、修改和实施。
Claims (12)
1.一种液体输送系统，包括：
铜液体材料供给装置，用于经过以恒定速度旋转的注入孔向汽化器装置供给具有室温的铜液体材料；
载气供给装置，用于经过注射喷嘴注射保持在铜汽化温度的载气，并使经过所述注入孔提供到所述汽化器装置的铜液体材料形成微小液滴；和
注射装置，用于把汽化的铜蒸汽注射到反应室中，所述微小液滴是在所述汽化器装置中汽化的。
2.根据权利要求1所述的液体输送系统，其中所述铜液体材料供给装置包括：充有铜液体材料的罐体；加压气体输入管线，用于把加压气体引入所述罐体；和铜液体材料输出管线，用于利用来自输入管线的压力把铜液体材料输送到注入孔。
3.根据权利要求2所述的液体输送系统，其中所述加压气体是氩或氦气，并被加压到10至200psi。
4.根据权利要求2所述的液体输送系统，其中所述注入孔在其顶部具有一个由电机转动的装置，该装置以10至1000rpm的转速旋转。
5.根据权利要求1所述的液体输送系统，其中所述载气供给装置包括：第一质量流量控制器，用于控制载气的质量流量；载气输出管线，具有用于把来自所述第一质量流量控制器的载气保持在铜汽化温度的第一加热套；隔热块，用于防止所述第一加热套的热传递到所述注入孔；和密封装置，用于防止所述汽化器装置的真空泄漏到所述注射喷嘴。
6.根据权利要求5所述的液体输送系统，其中所述载气是氩、氦和氢中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的液体输送系统，其中所述汽化器装置包括：汽化器，具有用于汽化所述微小液滴的第二加热套和一个加热器；和压力泵，具有用于使所述汽化器中的压力保持恒定的压力测量装置和一个节流阀。
8.根据权利要求7所述的液体输送系统，其中所述加热套安装在所述汽化器的侧面以使所述汽化器保持在铜汽化的温度，并且所述加热器安装在所述汽化器的底部以汽化任何未汽化的微小液滴。
9.根据权利要求7所述的液体输送系统，其中所述压力测量装置监测所述汽化器的压力，连接到所述压力泵的所述节流阀保持所述汽化器的压力恒定。
10.根据权利要求1所述的液体输送系统，其中所述注射装置包括：铜蒸汽输入管线，具有用于使所述铜蒸汽保持稳定的第三加热套；第二质量流量控制器，用于控制都是从所述铜蒸汽输入管线输入的所述铜蒸汽和所述载气的质量流量；和铜蒸汽输出管线，用于把所述铜蒸汽和所述载气从所述第二质量流量控制器输送到用于把它们注射到所述反应室的所述铜蒸汽注射器。
11.根据权利要求10所述的液体输送系统，其中所述铜蒸汽输入管线以向上倾斜40至70度的角度安装，使得未完全汽化的铜副产品不能进入所述反应室。
12.根据权利要求10所述的液体输送系统，其中所述铜蒸汽输出管线的长度为5至20cm，直径为大约1/4″。
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