JP2005045210A - マス・フロー制御の方法、フローの検証および較正 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体製造プロセスにおいてマス・フロー・コントローラを通るガス流量を監視または較正するための方法および装置を提供する。
【解決手段】 基準マス・フロー・コントローラ７０は、同様に複数の供給ガスに関連付けられた複数のマス・フロー・コントローラ１２〜１８の１つからガス・フローを受け取るためにバイパス・ループに配設される。ガス供給マス・フロー・コントローラ１２〜１８の１つは選択され、特定のガス流量に対して命令される。選択されたマス・フロー・コントローラ１２〜１８を通るガス・フローも通気口へのガス・フローとして基準マス・フロー・コントローラ７０を通る。ガス供給マス・フロー・コントローラ１２〜１８命令流量を基準マス・フロー・コントローラ７０によって決定された実際の流量と比較することはガス供給マス・フロー・コントローラ１２〜１８の監視および較正を実現する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に半導体集積回路の製造に関し、より詳細には、集積回路製造中に使用されるプロセス・チャンバにガスがそれを通って供給されるマス・フロー・コントローラの検証および較正のための方法および装置に関する。

本出願は、２００３年５月１２日に出願され、出願番号第６０／４６９６６９号が割り当てられた仮特許出願の、米国特許法第１１９（ｅ）条による特典を主張するものである。

集積回路（またはチップ）は、基板内のドープされた領域から形成された、トランジスタなどの半導体デバイスを有するシリコン基板を備える。半導体基板上にある複数の平行な層に形成された導電性相互接続構造は、集積回路内で電気回路を形成するために半導体デバイスを電気的に接続する。

集積回路の製造は、シリコン・ウエハを複数の連続的な製造プロセスにかけて、ウエハに多数の同じチップを形成することから始まり、各チップは所望の機能を与えるように動作する能動デバイス（たとえばトランジスタ）と受動デバイス（たとえばコンデンサおよび抵抗）を備える。

いくつかの異なる連続的なプロセスが実行され、デバイスを形成し、相互接続する。一般に、プロセスは、限定はしないが、ドーパント不純物を埋め込み、拡散する工程と、物理および化学気相蒸着によって基板の上面に要素を配設する工程と、導電性および誘電性構造をマスキングし、パターニングし、エッチングする工程と、上面からの誘電性および半導体材料を成長させる工程とを含む。

各プロセスは、１つまたは複数のウエハを包囲するプロセス・チャンバ（同じくプロセス・ツールとも呼ばれる）で実施される。プロセスの最後に、ウエハは電流チャンバから取り外され、別のチャンバに移送され、そこで次のプロセスが実行される。各プロセスは、プロセス・コントローラによって自動的に開始および制御される複数のプロセス工程を備える。いくつかのプロセス工程中、様々なガスおよび材料がチャンバに導入されると同時に、チャンバ温度および圧力が慎重に制御される。各工程の持続時間、チャンバに供給されるガスおよび材料の量およびタイミング、ならびにチャンバの温度および圧力は、各プロセス工程の制御を実施するプロセス・コントローラに入力されるプロセス・レシピで指定される。

図１はガス供給１、２、３および４からの複数のガス種の１つまたは複数を受け取るためのプロセス・チャンバ１０を示す。当業者に周知のように、図１に示されるガス供給の数は単に例示的なものである。プロセス・チャンバ１０内で実行されるプロセスに応じて、より多くまたはより少ないガス供給が必要とされることがある。たとえば、ゲルマニウムがシリコン上に選択的に堆積されるプロセス・チャンバでは、ガスはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、水素（Ｈ_２）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、塩酸（ＨＣｌ）およびゲルマン（ＧｅＨ_４）を含むことができる。

ガスは、それぞれマス・フロー・コントローラ１２、１４、１６および１８、と通気バルブ２２、２４、２６および２８の直列構成を通してガス供給１、２、３および４の各々から流体ノード１９に供給される。マス・フロー・コントローラ１２、１４、１６および１８はプロセス・チャンバ１０への種ガスのフローを調整する。正確なプロセス制御にはガス・フローを慎重に調節する必要があるので、それができないと欠陥集積回路が製造されることがある。正確なガス・フローを保証するために、各マス・フロー・コントローラの較正が定期的にチェックされる。

さらに図１に示すように、通気バルブ３０が流体ノード１９とプロセス・チャンバ１０の間のプロセス・ライン２０に配設される。

プログラマブル・システム・コントローラ４０は通気バルブ２２、２４、２６、２８および３０を制御し、特定のプロセス工程中にプロセス・チャンバ１０へのガス・フローの要件に従ってバルブを開放または閉鎖する。さらに、システム・コントローラ４０は、各プロセス工程のレシピに従ってガス流量を確立するためにマス・フロー・コントローラ１２、１４、１６および１８の各々に設定点値を供給する。ガス流量は一般にｓｃｃｍ（標準温度および圧力での立方センチメートル毎分）またはｓｌｍ（標準温度および圧力でのリットル毎分）で測定される。

図１は、通気バルブ４８が開いているときに排気および減少のために種ガスを通気するために流体ノード１９と直列流体連通する通気ライン４６および通気バルブ４８をも示す。

システム・コントローラ４０がマス・フロー・コントローラの流量を設定するとき、ガス・フローが新しい流量に達するために有限の過渡間隔が必要なことが知られている。ガスを間違った流量でプロセス・チャンバ１０に導入するのを防ぐために、この過渡間隔中に、ガス供給は通気バルブ４８を介して通気ライン４６に通気される。比較的平坦または一定の流量によって示される過渡間隔後、通気バルブ４８は閉鎖され、プロセス・ライン・バルブ３０は開放され、ガスはプロセス・チャンバ１０に流れる。

各マス・フロー・コントローラは特定のガス種に対して較正され、一度設置されると、マス・フロー・コントローラがプロセス工程に対してガスを命令されたまたは所望の流量で供給しているかどうかを判定することが困難なことがある。ガス流量を検証するための１つの従来技術技法によれば、マス・フロー・コントローラが取り外され、ガスを命令された流量で供給することが知られているマス・フロー・コントローラと交換される。これは、マス・フロー・コントローラの交換の前および後に、チャンバの完全性が損なわれた場合、流体ラインをパージしなければならず、プロセス・チャンバ１０を清浄化しなければならないことがあるので、時間がかかり、労働集約的なプロセスである。

別の検証技法によれば、マス・フロー・コントローラを通る実際のガス流量は、プロセス・チャンバがガスでいっぱいになる速度から決定される。プロセス・チャンバ１０を排気した後、テスト中のマス・フロー・コントローラからのガス・フローはプロセス・ライン２０を通してプロセス・チャンバ１０に導入される。チャンバ容積が既知なので、チャンバへの流量を理想気体の法則ＰＶ＝ｎＲＴから計算することが可能である。チャンバ温度および容積は既知であり、定数Ｒは既知である。チャンバ圧力が、ガス・フローが停止する時点のガス供給圧力に等しくなるまで、ガスはチャンバ１０に供給される。これらのパラメータを使用して、ガスのモル数を理想気体の法則の式から決定することができる。チャンバを充填するための持続時間が測定されるので、流量はモル数を、チャンバを充填するために必要な時間で割ることによって決定される。
米国仮特許出願第６０／４６９６６９号

このいわゆる「上昇率」測定技法は誤りを生じやすいことが知られている。たとえば、チャンバ壁の不均一性のためにチャンバ容積を正確に知れないことがある。また、チャンバ温度を一定に保持すること、またはチャンバ温度を決定することが可能でないことがある。

いくつかのガス種はチャンバ構成要素と反応し、したがって構成要素がこれらのガスに曝されることによって損傷することが知られている。正規のチャンバの動作中、これらのガスは、チャンバ構成要素の損傷を防ぐために損傷の原因になるガスと反応する中和ガスが伴うときにのみチャンバに供給される。そのようなプロセス・システムでは、流量確度を決定するために上昇率技法を使用することは賢明でない。

これらのチャンバに対して流量を決定するために、多数のガス・フローがプロセス・チャンバに導入され、その時間中、チャンバに配設されたウエハ上に独自のフィルムが形成される。いくつかのガス流量をフィルムの測定特性から決定することができる。

本発明は、プロセス・チャンバに入る前に多数のプロセス・ガスでシステム中のガス・フローを監視または較正するための方法を備える。本方法は、プロセス・チャンバに入る前にいくつかのガスの各々を異なるマス・フロー・コントローラに流す工程と、基準マス・フロー・コントローラと前記ガスに固有のマス・フロー・コントローラとの間の流量決定を相関させるためにガス・フローを基準マス・フロー・コントローラに分流する工程とを備える。

本発明は、プロセス・チャンバへのガス・フローを監視または較正するための装置をさらに備える。本装置は多数の供給ガスと、多数の供給ガス・マス・フロー・コントローラとを備え、各供給ガスは、その中を通る供給ガスの流量を制御するための供給ガス・マス・フロー・コントローラに関連付けられる。供給ガスの１つまたは複数が第１流体経路からプロセス・チャンバに流れる。基準マス・フロー・コントローラが第２流体経路に配設され、基準マス・フロー・コントローラと供給ガスに関連付けられた供給ガス・マス・フロー・コントローラとの間の流量決定を相関させるために、供給ガスの少なくとも１つが基準マス・フロー・コントローラを流れるようになされる。

本発明の上記および他の特徴は、同じ参照符号が異なる図を通じて同じ部品をさす添付の図面に示す、本発明についての以下の詳細な説明から明らかになろう。図面は必ずしも一定の縮尺であるとは限らず、代わりに本発明の原理を示すことに強調を置いている。

本発明による特定の半導体集積回路プロセス方法および装置について詳細に説明する前に、本発明はハードウェア要素とプロセス工程の新規の明確でない組合せにあることに気付くべきである。したがって、これらの要素は図面および明細書の従来の要素によって表されており、当技術分野で従来知られている要素およびプロセス工程についてはあまり詳細には説明せず、本発明を理解するのに関連する要素およびプロセス工程については詳細に説明する。

図２に示すように、本発明による流量較正または検証のためのプロセス・ツール構成は、バイパス・ループ６８を形成するために通気ライン４６内に配設されたバルブ６０、６２および６４を備える。バルブ６０はバイパス・ループ６８の流体入口経路に配設され、バルブ６２はバイパス・ループ６８の流体出口経路に配設される。好ましい実施形態では、バルブ６０、６２および６４の各々は手動バルブを備える。別の実施形態では、本発明によるフロー検証または較正プロセスを開始する前にバルブ６０、６２および６４に（図２には示されない導体を介して）システム・コントローラ４０によって開放を命令することができる。さらに別の実施形態では、他のバルブ作用構成を使用して、供給ガス・フローを監視または較正することが望まれるときに流体フローを基準マス・フロー・コントローラ７０に入れ、プロセス実行中に供給ガス・フローをプロセス・チャンバに入れる。たとえば、必要に応じて流体フローを制御するためにバルブ４８、６０、６２および６４の１つまたは複数を単一のバルブに組み合わせることができる。

バイパス・ループ６８は、そこを通る流量を決定するための基準マス・フロー・コントローラ７０をさらに備える。基準マス・フロー・コントローラ７０は双方向電気リンク７３上でコンピュータまたはプログラマブル・コントローラ７２から情報を受け取り、それに情報を供給する。好ましい実施形態では、デジタル・マス・フロー・コントローラがアナログ・バージョンよりも正確になる傾向があることが知られているので、マス・フロー・コントローラ７０はデジタル・マス・フロー・コントローラを備える。別の実施形態では、マス・フロー・コントローラ７０はアナログ・マス・フロー・コントローラを備える。

本発明の教示によるマス・フロー・コントローラ１２、１４、１６または１８の１つの検証または較正を実行するために、バルブ６４は閉鎖され、バルブ６０および６２は開放される。また、通気バルブ４８は開放され、プロセス・ライン・バルブ３０は閉鎖される。これらのバルブ設定はガス供給１、２、３および４の１つからのガス種をそのそれぞれのマス・フロー・コントローラおよびバイパス・ループ６８に流れさせる。

マス・フロー・コントローラ１２が検証または較正のために選択されたと仮定すると、システム・コントローラ４０はガス流量に対してマス・フロー・コントローラ１２に命令する。ガスは、基準マス・フロー・コントローラ７０を含むマス・フロー・コントローラ１２およびバイパス・ループ６８を直列に通るガス供給１から流れる。コンピュータ７２は基準マス・フロー・コントローラ７０によって測定された流量、すなわち基準流量を決定する。

基準流量は、コンピュータ７２に記録すること、またはマス・フロー・コントローラ１２に対する命令された流量と基準マス・フロー・コントローラ７０によって測定された基準流量との間の差を表す、マス・フロー・コントローラ７０に対する補正係数の計算に使用するためにシステム・コントローラ４０への入力として供給すること、またはその両方が可能である。マス・フロー・コントローラ１２がプロセス工程中に動作可能のとき、システム・コントローラ４０は補正係数を使用して所望のガス流量から訂正されたガス流量を計算する。システム・コントローラ４０は、そこを通る実際の流量が所望の流量に等しくなることを保証するために訂正されたガス流量に対してマス・フロー・コントローラ１２を命令する。この技法を使用すると、残りのマス・フロー・コントローラ１４、１６および１８も較正することができる。

基準流量（または補正係数）はマス・フロー・コントローラ１２に対するベース・ライン流量をも表す。後で、マス・フロー・コントローラ１２は同じガス種に対して上述の別の検証／較正プロセスを受ける。ベース・ラインと後で決定される基準流量との間の差は、マス・フロー・コントローラ１２の流量制御機構の変化を示す。

有利には、本発明による装置および方法は、基準マス・フロー・コントローラ７０での障害の自動チェックである。基準マス・フロー・コントローラ７０を使用したガス流量の通常の検証中、すべての流量が前に決定されたベース・ライン流量から外れている場合、基準マス・フロー・コントローラの不適切な動作が示される。

当技術分野で知られているように、マス・フロー・コントローラの流量制御機構がガス種のいくつかの特性（たとえば分子サイズおよびガス温度）に基づいているので、マス・フロー・コントローラを特定のガス種に対して較正するのが有利である。基準マス・フロー・コントローラ７０が特定のガス種に対して較正されていない実施形態では、基準マス・フロー・コントローラ７０によって決定される基準流量と所与のガス種に対する実際の流量との間の相関を決定するために一連の較正テストを行うことができる。ひとたび相関係数が分かると、数学アルゴリズムを使用してガス種に対する基準流量から実際のガス流量を計算することができる。

基準マス・フロー・コントローラが窒素などの「一般的な」ガスに対して較正されることが予想される。約５％またはそれ以下のフロー偏位を認識するために基準マス・フロー・コントローラ７０を正しく寸法決定することが有利である。すなわち、１００ｓｃｃｍの流量が所望される場合、基準マス・フロー・コントローラは約９５ｓｃｃｍ（９５％）から約１０５ｓｃｃｍ（１０５％）までの流量を提供することが可能なはずである。

以下に記載する手順を使用すると、基準マス・フロー・コントローラを任意のガス種に対して較正することができる。特定のガス種に対して生成される相関曲線および較正係数は、基準マス・フロー・コントローラのフロー読みの、任意の種に対する実際のガス流量への変換を可能にする。相関曲線は基準マス・フロー・コントローラ７０によって測定された流量からの特定のガスに対する実際の流量の決定を可能にする。たとえば、基準マス・フロー・コントローラがガスＡの４０ｓｃｃｍの流量を示す場合、相関曲線を使用して、ガスＡが実際に５０ｓｃｃｍで流れていることを決定することができる。相関曲線から、基準マス・フロー・コントローラの読みと実際のガス流量との間のずれは、基準値の１．２５倍（５０／４０＝１．２５）である。したがって、較正係数は１．２５である。基準マス・フロー・コントローラ７０がガスＡに対して８０ｓｃｃｍの流量を後で測定した場合、コンピュータ７２は１．２５の較正係数を使用して１００ｓｃｃｍ（８０×１．２５＝１００）の実際の流量を決定する。

各ガス種に対する相関曲線を決定するための１つの方法について以下で説明する。マス・フロー・コントローラ１２などの選択されたマス・フロー・コントローラおよび基準マス・フロー・コントローラ７０は良好なマス・フロー・コントローラであることが分かっていると仮定する。注目するガス（すなわち、マス・フロー・コントローラ１２が選択されたのでガス供給１からのガス）に対する流量が、たとえば１００ｓｃｃｍの流量に識別される。注目する流量の上および下の十分なマージンを保証するために低流量と高流量の間の流量範囲が選択される。たとえば、＋／−５０％のマージンが一般に十分であると考えられる。流量増分、すなわち流量が各テスト・トライアル中に変化する量が選択される。選択された増分は、製造プロセスが耐えることができる最大ガス・フロー偏位、たとえばターゲット・フローの５％すなわち５ｓｃｃｍよりも少なくすべきである。

選択されたマス・フロー・コントローラは低流量に対して命令され、増分率で高流量に増分的に増加される。たとえば、本例では、５０、５５、６０、６５．．．１４０、１４５および１５０の流量が使用される。これらの流量の各々に対して、基準流量が基準マス・フロー・コントローラ７０によって決定される。相関曲線はｘ軸上の命令されたガス・フロー値対ｙ軸上の基準流量をプロットすることによって作成される。曲線の等式も決定でき、選択されたガス種に対する相関等式または較正係数として使用される。基準マス・フロー・コントローラ７０によって決定された将来の流量値は、所与のガス種のために基準マス・フロー・コントローラ７０によって測定された実際のガス流量を決定するために相関等式で使用できる。この手順は各種に対して相関曲線を生成するためにプロセス・システムでの各ガス種に対して実行される。

以上、本発明について好ましい実施形態を参照しながら説明したが、様々な変更を行うことができ、本発明の範囲を逸脱せずに均等な要素をその要素の代わりに使用することができることを当業者なら理解されよう。本発明の範囲は、本明細書に記載の様々な実施形態からの要素の任意の組合せをさらに含む。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに特定の状況を本発明の教示に適合させるために改変を行うことができる。たとえば、本発明の教示は半導体製造工業でのマス・フロー・コントローラの使用に限定されず、食品および薬品工業でのマス・フロー・コントローラに適用することもできる。したがって、本発明は開示された特定の実施形態に限定されず、本発明は首記の特許請求の範囲に入るすべての実施形態を含むものとする。

従来技術チャンバ・プロセス構成の概略図である。 本発明の教示によるチャンバ・プロセス構成の概略図である。

Claims (17)

1. プロセス・チャンバに入る前に多数のプロセス・ガスでシステム中のガス・フローを監視または較正するための方法であって、
   ａ）前記プロセス・チャンバに入る前にいくつかのガスの各々を異なるマス・フロー・コントローラに流す工程と、
   ｂ）基準マス・フロー・コントローラと前記ガスに固有のマス・フロー・コントローラとの間の流量決定を相関させるためにガス・フローを前記基準マス・フロー・コントローラに分流する工程と
   を備える方法。
2. 前記基準マス・フロー・コントローラと前記ガスに固有の前記マス・フロー・コントローラとの間の前記流量決定に応答して較正係数を決定する工程をさらに備える請求項１に記載の方法。
3. 前記較正係数によってその流量を調節するために前記ガスに固有の前記マス・フロー・コントローラへの入力として前記較正係数を供給する工程
   をさらに備える請求項２に記載の方法。
4. 前記分流する工程が、ガス・フローを前記基準マス・フロー・コントローラに通し、前記プロセス・チャンバへのガス・フローを防ぐガス・フロー経路を構成する工程をさらに備える請求項１に記載の方法。
5. 前記ガス・フロー経路を構成する工程が、前記基準マス・フロー・コントローラが配設される通気流路に前記ガスを流す工程をさらに備える請求項４に記載の方法。
6. 多数のプロセス・ガス種を含むシステムで特定のガス種に対する基準マス・フロー・コントローラに対する較正係数を決定するための方法であって、前記多数のガス種の各々が関連するプロセス・ガス・マス・フロー・コントローラとともに動作し、
   ａ）複数のガス流量で前記関連するプロセス・ガス・マス・フロー・コントローラに特定のガス種を流す工程と、
   ｂ）前記複数のガス流量の各々に対して前記基準マス・フロー・コントローラから基準流量を決定する工程と、
   ｃ）前記基準流量と前記ガス流量の間の関係に基づいて前記特定のガス種に対する前記較正係数を決定する工程と
   を備える方法。
7. プロセス・チャンバへのガス・フローを監視または較正するための装置であって、
   多数の供給ガスと、
   各供給ガスが、その中を通る前記供給ガスの流量を制御するための供給ガス・マス・フロー・コントローラに関連付けられる、複数の供給ガス・マス・フロー・コントローラと、
   前記プロセス・チャンバが第１流体経路に配設される、前記複数の供給ガス・マス・フロー・コントローラと選択的流体連通する第１および第２流体経路と、
   基準マス・フロー・コントローラを通る選択された供給ガスのフローが前記基準マス・フロー・コントローラと前記選択された供給ガスに関連付けられた供給ガス・マス・フロー・コントローラの間の流量決定を相関させる、前記第２流体経路に配設された前記基準マス・フロー・コントローラと
   を備える装置。
8. 前記第２流体経路が通気経路およびバイパス・ループを備え、前記基準マス・フロー・コントローラが前記バイパス・ループに配設される請求項７に記載の装置。
9. 前記第２流体経路を通って前記選択された供給ガスを前記基準マス・フロー・コントローラに導くための第１構成と、前記第１流体経路を通って前記供給ガスを前記プロセス・チャンバに導くための第２構成とを有する１つまたは複数のバルブをさらに備える請求項８に記載の装置。
10. 前記第１または第２構成への前記１つまたは複数のバルブに命令するためのシステム・コントローラをさらに備える請求項９に記載の装置。
11. 前記基準マス・フロー・コントローラと前記供給ガス・マス・フロー・コントローラの間の流量決定に応答し、それに応答して前記供給ガス・マス・フロー・コントローラを制御するためのシステム・コントローラをさらに備える請求項７に記載の装置。
12. 前記第２流体経路が、その中に直列に配設された第１および第２バルブと、通気端部と、前記第１および第２バルブ間の前記第２流体経路から分岐した入口流体経路と、前記第２バルブと前記通気端部の間の前記第２流体経路から分岐した出口流体経路とを備え、前記入口流体経路に直列に配設された第３バルブと、前記出口流体経路に直列に配設された第４バルブとをさらに備え、前記基準マス・フロー・コントローラが前記第３および第４バルブ間に配設される請求項７に記載の装置。
13. ガス・フローを監視または較正するために、前記第１、第３および第４バルブが開放位置にあり、前記第２バルブが閉鎖位置にある請求項１２に記載の装置。
14. 半導体集積回路を製造するのに使用する装置であって、
    プロセス・チャンバと、
    複数の供給ガスと、
    前記複数の供給ガスの各々が、そこを通るガス流量を制御するための複数の供給ガス・マス・フロー・コントローラの１つに関連付けられる、前記同じ複数の供給ガス・マス・フロー・コントローラと、
    前記プロセス・チャンバが第１流体経路に配設される、前記複数の供給ガス・マス・フロー・コントローラと選択的流体連通する第１および第２流体経路と、
    選択された供給ガスに関連付けられた供給ガス・マス・フロー・コントローラによって決定された流量と相関させるために前記基準マス・フロー・コントローラによって前記選択された供給ガスの流量が決定される、前記第２流体経路に配設された基準マス・フロー・コントローラと
    を備える装置。
15. 前記第２流体経路が通気経路およびバイパス・ループを備え、前記基準マス・フロー・コントローラが前記バイパス・ループに配設される請求項１４に記載の装置。
16. 前記第２流体経路が、前記第２流体経路を通るガス・フローを制御するための通気バルブと、前記バイパス・ループを通るガス・フローを制御するためのバイパス・ループ・バルブとを備える請求項１５に記載の装置。
17. ガス・フローを前記第１流体経路に分流するための第１構成と、ガス・フローを前記第２流体経路に分流するための第２構成とを有するバルブをさらに備える請求項１４に記載の装置。
    

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