CN1278393C - 半导体机台气体反应室的气体配送系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体机台气体反应室的气体配送系统及方法，特别是在晶片进行等离子蚀刻或薄膜沉积工艺中，能通过气体流量控制阀参数设定，随时调整等离子气体在反应室里的分布状况，使同一片晶片的均匀度达到最佳的气体配送系统及方法。首先使输入反应室气体的输送管路经过气体分流器区分为两条管路，其中一条管路接至对应于上电极板气体分配器中心区域的气体喷嘴，另一条管路接至对应于上电极板气体分配器周边区域的气体喷嘴，且中心区域气体喷嘴及周边区域喷嘴并以O型环分隔，以避免两区域的气流发生局部扰流现象，通过流量控制阀调整两条管路的气体流量，并经过上电极板气体分配器的气孔后，可改变气体在反应室的分布情形，以满足不同工艺条件需求。
Description
技术领域
本发明是有关于一种半导体工艺中调整反应室等离子气体分布的气体配送系统及方法，特别是一种在晶片进行等离子蚀刻或薄膜沉积工艺中，能够通过气体流量控制阀的参数设定，随时调整等离子气体在反应室里的分布状况的气体配送系统及方法，因此不需更换反应室的上电极板气体分配器，就可在蚀刻或沉积的不同工艺下，使同一片晶片的均匀度达到最佳状况。
背景技术
当集成电路(IC)工艺步入纳米的阶段，而且晶片尺寸也逐渐加大(8英寸改变至12英寸)的同时，是否能控制好等离子气体在反应室内的分布将与产品的合格率有着重大的关连。目前由于晶片面积逐渐变大，单一晶片反应室因具备多项优点而逐渐成为趋势，因此如何能在等离子蚀刻或薄膜沉积等工艺中，在单一晶片反应室中提供所需的等离子气源分布，便成为相当重要的课题。
公知半导体机台在晶片干式等离子蚀刻或薄膜沉积工艺时，皆通过气态的化学源材料在晶片表面产生化学反应，气体输送系统输入气体进入单一晶片反应室100的机构如图1所示，输送管路102中的气体，首先经由气体喷嘴(gas nozzle)104作一前置的分散，再经由上电极板气体分配器(showerhead)106将所通入的气体分散到整个反应室100中。图2中所示的上电极板气体分配器(showerhead)106的气孔(gashole)108为一均匀分布状，可以将通入气体均匀通入到整个反应室100中，但是在等离子蚀刻或薄膜沉积过程中，由于工艺状况参数(输入气体种类、温度、压力、蚀刻或沉积作用高度等)的不同，将使得等离子蚀刻或薄膜沉积在晶片各处有所差异，例：在晶片中心区域与边缘区域可能高达30％以上的差异性，其中温度参数和压力参数已经可以在半导体机台直接进行精密调整，但是想要控制输入气体在反应室100的分布情形，就只能通过改变上电极板气体分配器106的气孔108的排列设计才能达到此一需求。因此在等离子蚀刻或薄膜沉积过程中，若想要在同一片晶片的中心区域与边缘区域，得到差异微小的蚀刻或沉积结果，就必须依不同的工艺状况，配合不同的上电极板气体分配器气孔的分布，但是这样一来，就必须停止机台运作，拆解反应室，使得生产机台的稼动率下降，造成生产成本亦将大幅提高。
发明内容
鉴于上述发明背景中，传统单一上电极板气体分配器上的气孔分布无法达到不同工艺中对同一片晶片均匀度需求的诸多缺点，本发明提供一调整反应室等离子气体分布的气体配送系统及方法，借以确保同一片晶片工艺均匀度的需求。
本发明的一个目的，在于提供一种调整反应室等离子气体分布的系统，其于不同工艺中满足对同一片晶片均匀度的需求。
本发明的另一目的，在于提供一种能随时监视并调整反应室等离子气体输送管路的气体流量的方法，使其符合不同工艺中设定的不同气体流量值。
根据以上所述的目的，本发明提供了一种半导体机台气体反应室的气体配送系统，包含：一输送气体管路，连接第一和第二输送气体分流管路；第一气体流量控制阀，位于第一输送气体分流管路，用以控制第一输送气体分流管路的气体流量；第二气体流量控制阀，位于第二输送气体分流管路，用以控制第二输送气体分流管路的气体流量；第一和第二气体喷嘴，分别位于第一和第二输送气体分流管路的出口；气体分隔装置，位于第一和第二气体喷嘴之间，用以分隔从第一和第二气体喷嘴喷出的气体；及上电极板气体分配器，具有第一多个气孔和第二多个气孔，其中第一气体喷嘴喷出的气体经由第一多个气孔送至气体反应室，第二气体喷嘴喷出的气体经由第二多个气孔送至该气体反应室。
根据上述构想，其中气体配送系统，更包含一控制系统，具有：一控制器，用以调整第一和第二气体流量控制阀；第一和第二气体流量侦测器，分别位于第一和第二输送气体分流管路，用以侦测第一和第二输送气体分流管路的气体流量，且将侦测值送回控制器。
根据上述构想，其中气体流量侦测器为加热线圈。
根据上述构想，其中气体流量控制阀以手动调整。
根据上述构想，其中第一气体喷嘴位于上电极板气体分配器的中心区域。
根据上述构想，其中第二气体喷嘴位于上电极板气体分配器的周围区域。
根据上述构想，其中气体分隔装置为0型环。
根据上述构想，其中0型环的材质为橡胶或塑胶。
根据上述构想，其中0型环的材质为耐腐蚀材质，例如铁弗龙。
根据上述构想，其中上电极板气体分配器的第一多个气孔为均匀分布。
根据上述构想，其中上电极板气体分配器的第二多个气孔为均匀分布。
附图说明
图1是公知气体输送系统的晶片反应室结构图；
图2是上电极板气体分配器的气孔分布图；
图3是应用本发明气体输送系统的晶片反应室结构图；
图4是晶片金属层连接洞的剖面图；
图5是本发明气体输送系统第一实施例的气体分流器构造图；
图6是公知惠斯登电桥的电路架构；
图7是使用本发明气体输送系统操作步骤的流程图；
图8是本发明气体输送系统第二实施例的气体分流器构造图。
100，200：单一晶片反应室
102，202，2021，2022，301，302，303：气体输送管路
104，2041，2042：气体喷嘴
106，206：上电极板气体分配器
108，208：气孔
203：气体分流器
205：0型环
2071，2072，304，305，304’，305’：气体流量控制阀
306，307：气体流量控制阀的控制电路
308，309：侦测器
402，404：连接洞
406 408：金属层
具体实施方式
本发明的较佳实施例，请参照如图3所示的等离子气体单一晶片反应室200的结构图，包括了部分的气体输送管路202及反应室200，其中输入反应室气体的输送管路202，先经过气体分流器(gasseperator)203后，再区分为两条管路2021及2022，其中管路2021接至中心区域的气体喷嘴2041，另一条管路2022则接至周边区域的气体喷嘴2042，且中心区域的气体喷嘴2041及周边区域喷嘴2042并以0型环(0 ring)205分隔，以避免两区域的气流发生局部的扰流现象，通过流量控制阀2071、2072调整此两条输入管路2021、2022的气体流量，并经过上电极板气体分配器206的气孔208后，就可以改变气体在反应室200的分布情形，以配合不同工艺条件的需求。0型环205的材质在不具腐蚀性的等离子气体中，可以使用便宜的橡胶或塑胶，而在具腐蚀性的等离子气体中，则需使用耐腐蚀材质，例如铁弗龙。
举例发明，图4为蚀刻第一连接洞(Vial)402与第二连接洞(Vial)404的工艺，虽然蚀刻用的气体都是Cl2或BCl3，但是由于第一金属层(Metal 1)406和第二金属层(Metal 2)408高度的不同，使用蚀刻第一金属层406的工艺参数去蚀刻第二金属层408时，在同一片晶片的中心区域和周边区域，会得到具有相当差异性的蚀刻结果，甚至有会超出容许规格的上限值。此时利用本发明的气体输送系统中输送气体管路202上的流量控制阀，分别调整通往中心区域气体喷嘴2041及周边区域气体喷嘴2042的气体流量，则可直接改变气体在反应室200的分布情形，使得同一片晶片的中心区域和周边区域，具有可接受的微小差异的蚀刻结果，而不必停止机台运作，来更换反应室上电极板气体分配器206，以确保同一片晶片蚀刻均匀度的方法。
图5则是本发明气体输送系统第一实施例的气体分流器(gasSeperator)203的内部设计图。包括了气体输送管路301、302、303，位于两条输入管路302、303的气体流量控制阀304、305，以及控制阀的控制电路306、307。例如气体经由单一输送管路301送入后，再分别流入两条气体输送管路302与303，其中每个分流的气体输送管路302、303皆有侦测气体流量的侦测器308、309，由此二侦测器308、309将侦测到的数据回馈至主控制系统，再与设定值比较，如果侦测值和设定值有差距，则可由主控制系统直接控制气体输送管路的气体流量控制阀304、305，以调整管路中气体流通量，进而达到设定的分流比例值。侦测器308、309是以加热的线圈来构成，其工作原理是当气体在管路中流动时，会带走线圈上的热量，造成线圈温度的改变，而当气体流量不同时，线圈的温度也会有所差异，进而改变线圈的电阻值，控制阀的控制电路306、307是包含如图6中所示的公知惠斯登电桥的电路架构，通过电阻的变化来计算出气体流量的大小，再调整控制阀304、305以使管路中气体流通量达到设定值。
图7为使用本发明气体输送系统操作步骤的流程图，首先依不同的工艺需求设定气体输送管路中气体流量值及容许偏差比(步骤301)，然后侦测器侦测气体输送管路中气体流量，并将其侦测值送回控制系统(步骤302)，控制系统计算侦测值和设定值的动态偏差比，将其与容许偏差比做比较(步骤303)，如果动态偏差比大于容许偏差比且其值为正，则控制系统发出一信号通知控制阀减少气体输送管路中气体流量(步骤304)，如果动态偏差比大于容许偏差比且其值为负，则控制系统发出一信号通知控制阀增加气体输送管路中气体流量(步骤305)，如果动态偏差比小于容许偏差比，表示气体输送管路中气体流量正常，控制系统将不发出一信号予控制阀来调整气体输送管路中气体流量(步骤306)。
请参照如图8所示，为本发明气体输送系统第二实施例的气体分流器203的内部设计图。包括了气体输送管路301、302、303，及气体流量控制阀304’及305’。如同第一实施例，气体经由单一输送管路301送入后，再分别流入两条气体输送管路302与303，但控制管路302、303的气体流量控制阀304’、305’则为手动模式，此时虽然无法同第一实施例中，通过控制阀的控制电路306、307和侦测气体流量的侦测器308、309，随时监视和控制气体输送管路302与303中的气体流量，但是可节省建置控制电路306、307和侦测器308、309的成本，且仍可在不需改变反应室上电极板气体分配器的硬件架构及拆解反应室的情况下，达到改变反应室中等离子气体的分布，而能维持同一片晶片的工艺均匀度。
Claims (16)
1.一种半导体机台气体反应室的气体配送系统，其特征是，包含：
一输送气体管路，连接一第一输送气体分流管路和一第二输送气体分流管路；
一第一气体流量控制阀，位于该第一输送气体分流管路，其控制该第一输送气体分流管路的气体流量；
一第二气体流量控制阀，位于该第二输送气体分流管路，其控制该第二输送气体分流管路的气体流量；
一第一气体喷嘴，位于该第一输送气体分流管路的出口；
一第二气体喷嘴，位于该第二输送气体分流管路的出口；
一气体分隔装置，位于该第一气体喷嘴和该第二气体喷嘴之间，用以分隔从该第一气体喷嘴和该第二气体喷嘴喷出的气体；及
一上电极板气体分配器，具有第一多个气孔和第二多个气孔，其中该第一气体喷嘴喷出的气体经由该第一多个气孔进至该气体反应室，该第二气体喷嘴喷出的气体经由该第二多个气孔进至该气体反应室。
2.如权利要求1所述的气体配送系统，其特征是，更进一步包含一控制系统，具有：
一控制器，用以调整该第一气体流量控制阀和该第二气体流量控制阀；
一第一气体流量侦测器，位于该第一输送气体分流管路，其侦测该第一输送气体分流管路的气体流量，且将侦测值送回该控制器；
一第二气体流量侦测器，位于该第二输送气体分流管路，其侦测该第二输送气体分流管路的气体流量，且将侦测值送回该控制器。
3.如权利要求2所述的气体配送系统，其特征是，该第一气体流量侦测器为加热线圈。
4.如权利要求2所述的气体配送系统，其特征是，该第二气体流量侦测器为加热线圈。
5.如权利要求1所述的气体配送系统，其特征是，该第一气体流量控制阀以手动调整。
6.如权利要求1所述的气体配送系统，其特征是，该第二气体流量控制阀以手动调整。
7.如权利要求1所述的气体配送系统，其特征是，该第一气体喷嘴位于该上电极板气体分配器的中心区域上方。
8.如权利要求1所述的气体配送系统，其特征是，该第二气体喷嘴位于该上电极板气体分配器的周围区域上方。
9.如权利要求1所述的气体配送系统，其特征是，该气体分隔装置为O型环。
10.如权利要求9所述的气体配送系统，其特征是，该O型环的材质为橡胶。
11.如权利要求9所述的气体配送系统，其特征是，该O型环的材质为塑胶。
12.如权利要求9所述的气体配送系统，其特征是，该O型环的材质为耐腐蚀材质。
13.如权利要求12所述的气体配送系统，其特征是，该耐腐蚀材质为铁弗龙。
14.如权利要求1所述的气体配送系统，其特征是，该上电极板气体分配器的该第一多个气孔为均匀分布。
15.如权利要求1所述的气体配送系统，其特征是，该上电极板气体分配器的该第二多个气孔为均匀分布。
16.一种半导体机台气体反应室的气体配送方法，其特征是，该方法包含：
设定第一与第二气体输送管路中气体流量值及容许偏差比；
侦测该第一气体输送管路中气体流量，并将其侦测值送回一控制系统；
计算该第一气体输送管路中流量侦测值和流量设定值的动态偏差比；
比较该第一气体输送管路的动态偏差比与容许偏差比，如果动态偏差比大于容许偏差比且其值为正，则该控制系统发出一信号通知该第一气体输送管路的控制阀减少该第一气体输送管路中气体流量，如果动态偏差比大于容许偏差比且其值为负，则该控制系统发出一信号通知该第一气体输送管路的控制阀增加该第一气体输送管路中气体流量；
侦测该第二气体输送管路中气体流量，并将其侦测值送回该控制系统；
计算该第二气体输送管路中流量侦测值和流量设定值的动态偏差比；
比较该第二气体输送管路的动态偏差比与容许偏差比，如果动态偏差比大于容许偏差比且其值为正，则该控制系统发出一信号通知该第二气体输送管路的控制阀减少该第二气体输送管路中气体流量，如果动态偏差比大于容许偏差比且其值为负，则该控制系统发出一信号通知该第二气体输送管路的控制阀增加该第二气体输进管路中气体流量。
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