TW201410910A - 補償濃度不確定性之方法 - Google Patents

Abstract

本文揭示用於沉積均勻含硼薄膜之方法及設備。第一前驅物經由第一路徑輸送至腔室，第一路徑具有第一流量控制器及組合物感測器。第二前驅物由第二路徑輸送至混合點，第二路徑包括第二流量控制器，混合點流動地耦接第一路徑及第二路徑。控制器經耦接至振動感測器及第一流量控制器及第二流量控制器。第一前驅物可為二硼烷與稀釋氣體之混合物，且第二前驅物通常為稀釋氣體。第一前驅物之流動速率之設定方法可為：藉由根據組合物感測器讀數決定第一前驅物中之二硼烷的濃度，並設定流動速率以保持所需之二硼烷流動速率。第二前驅物之流動速率可經設定以保持進入腔室之所需流量。

Description

補償濃度不確定性之方法

本文所描述之實施例大體係關於用於沉積含硼薄膜之方法及設備。更特定而言，本文所描述之實施例係關於用於向沉積設備提供沉積前驅物之方法及設備。

硼係半導體製造中之重要材料。含硼薄膜在半導體製程之各種階段中係用作摻雜材料、遮罩材料，及絕緣材料。硼薄膜可沉積在半導體上，以作為摻雜劑源。氮化硼薄膜可經沉積以作為遮罩材料或作為絕緣材料。硼碳薄膜可用作遮罩材料。

用於形成含硼薄膜之典型製程涉及將二硼烷用作硼源。提供二硼烷至處理區域，有時與另一前驅物一同提供，且來自二硼烷之硼沉積在基材上。二硼烷經受活性轉變，該活性轉變係經設計以利用二硼烷分子之特殊能量配置及將硼萃取至基材之上。

二硼烷係硼烷之二聚體，且兩個硼烷以偽平衡之方式存在。二硼烷最常用於沉積製程，因為二硼烷易於儲存及輸送，且可在處理過程中汽化。儘管如此，隨著時間推移，二硼烷在一定程度上平衡反應為硼烷，及平衡反應為其他硼 烷寡聚物，從而減少前驅物中二硼烷的量。由於前驅物中之二硼烷的量減少，因此自活性轉變中獲得的可用硼量浮動，且沉積製程不均勻。

因為均勻性在製造尺寸遞減之半導體裝置的製程中為日益重要之特徵，因此需要在前驅物中之二硼烷濃度浮動時控制硼沉積製程的方法及設備。

本發明之實施例大體係關於用於沉積均勻之含硼薄膜之方法及設備。第一前驅物係經由包含第一流量控制器及組合物感測器之第一路徑而輸送至處理腔室。第二前驅物係由第二路徑輸送至混合點，該混合點流動地耦接第一路徑與第二路徑。第二路徑包括第二流量控制器。控制器經耦接至組合物感測器、第一流量控制器，及第二流量控制器。第一前驅物通常為諸如二硼烷之硼源與稀釋氣體之氣體混合物，且第二前驅物通常為稀釋氣體。第一前驅物之流動速率的設定方法可為：藉由自組合物感測器讀數決定第一前驅物中之硼濃度，並設定流動速率以保持所需的硼流動速率。然後，可設定第二前驅物之流動速率以保持進入處理腔室之恆定氣體流量。

組合物感測器可為諸如紅外感測器或質譜儀之光譜感測器，或諸如壓力感測器或運動感測器之振動感測器，該振動感測器可為聲音感測器，例如，諸如Piezocon之壓電感測器。遠程操縱閥可由電子控制器接收信號，以控制前驅物流動速率。

100‧‧‧處理系統

102‧‧‧處理腔室

104‧‧‧前驅物輸送系統

106‧‧‧第一路徑

108‧‧‧第二路徑

110‧‧‧混合點

112‧‧‧截流閥

114‧‧‧管道

116‧‧‧入口

118‧‧‧第一前驅物之源

120‧‧‧管道

122‧‧‧第一控制閥

124‧‧‧組合物感測器

126‧‧‧第一流量控制器

128‧‧‧管道

130‧‧‧第二控制閥

132‧‧‧第二流量控制器

134‧‧‧控制器

135‧‧‧組合物信號處理器

200‧‧‧方法

202‧‧‧步驟

204‧‧‧步驟

206‧‧‧步驟

208‧‧‧步驟

210‧‧‧步驟

212‧‧‧步驟

214‧‧‧步驟

為了採取可詳細理解上文所列舉之本發明特徵的方式，在上文中簡要概述之本發明之更具體描述可藉由參考實施例，其中一些實施例在附圖中圖示。儘管如此，應注意，附圖僅圖示本發明之典型實施例，且因此附圖不應被視作限制本發明之範疇，因為本發明可允許其他同等有效之實施例。

第1圖係圖示依據一個實施例之處理系統之製程圖。

第2圖係概述依據另一實施例之方法之流程圖。

為便於理解，儘可能使用了相同之元件符號以表示圖式中所共有之相同元件。預期一個實施例之元件及特徵可以有益之方式併入其他實施例中而無需贅述。

第1圖係圖示依據一個實施例之處理系統100的製程圖。第1圖之處理系統100係用於執行一製程，該製程涉及在前驅物混合物中之特定組份之濃度變化時保持前驅物中之該組份的流動速率。處理系統100包括處理腔室102及前驅物輸送系統104，處理腔室102可為任何適合之處理腔室。示例腔室包括由美國加利福尼亞州聖克拉拉市之應用材料有限公司出售的PRODUCER^®腔室中之任一腔室。

前驅物輸送系統104包括：第一路徑106，該第一路徑106用於使第一前驅物流動至處理腔室102；及第二路徑108，該第二路徑108用於使第二前驅物流動至處理腔室。第一路徑106及第二路徑108在混合點110處相接，其中第一 前驅物及第二前驅物在此處混合，並流經截流閥112，然後經由管道114從入口116進入處理腔室102。

第一前驅物之源118經管道120耦接至第一路徑106中，管道120使第一前驅物自第一前驅物源118流至第一控制閥122。組合物感測器124經安置在第一路徑中以偵測第一前驅物中之所需組份之濃度。第一流量控制器126感測第一前驅物之流動速率。第二流量控制器132感測自耦接至第二前驅物源(圖中未顯示)的管道128流經第二控制閥130的第二前驅物之流動速率。

組合物感測器124可為諸如質譜儀或紅外感測器之光譜感測器，或為振動感測器，該振動感測器可為壓力感測器或運動感測器。壓力感測器之實例為諸如Piezocon之壓電感測器。運動感測器之實例為隔膜感測器。亦可使用諸如氣相層析儀之層析感測器。在大多數情況下，組合物感測器124將具有約為1%之相對精確度，以良好地控制處理腔室中執行之化學製程。例如，在精確度為1%之情況下，組合物感測器124可記錄10.0%的濃度、10.1%的濃度，或9.9%的濃度，從而精確地追蹤濃度的細微變化。

組合物感測器124向控制器134發送信號，該控制器134使來自組合物感測器124之信號與流經組合物感測器124之材料之密度相關聯。控制器134可具有組合物信號處理器135，該處理器專用於處理來自組合物感測器124之信號並將組合物資料傳遞至控制器134之其他部份。如果組合物感測器124為Piezocon，則組合物信號處理器135可為Piezocon 控制器。然後，自組合物感測器124所記錄之組合物，材料密度可關聯至第一前驅物之已知組份的濃度。例如，如果第一前驅物為二硼烷在氦中之氣體混合物，則該混合物之總密度的輕微變化指示二硼烷在氦中之濃度浮動。

流量感測器126及132分別將第一前驅物及第二前驅物之流動速率記錄至控制器134。基於由組合物感測器124所發送之濃度信號，控制器134可藉由操縱控制閥122來調整第一前驅物之流量，以在濃度變化時保持進入處理腔室102之諸如二硼烷等主要成份之所需流量。控制器134亦可藉由操縱第二控制閥130來調整第二前驅物之流量，以保持進入腔室102之所需的氣體總流量。在第1圖中，圖示控制閥122在前驅物源118與組合物感測器124之間，但控制閥122可位於沿第一路徑106之任何位置上。控制閥122亦可與流量感測器126整合以形成流量控制器，該流量控制器將信號發送至控制器134及接收來自控制器134之信號，並控制第一前驅物之流量。控制閥130及流量感測器132同樣可整合至流量控制器中，該流量控制器與控制器134通訊，並控制第二前驅物之流量。

第2圖係概述依據另一實施例之方法200的流程圖。方法200可使用第1圖之設備100進行實施。在202中，經由進料管線提供包含二硼烷及第一稀釋氣體之第一氣體進入處理腔室。在204中，使第二稀釋氣體流入該進料管線中以與第一氣體混合。

在206中，使用組合物感測器量測二硼烷在第一氣 體中之濃度。組合物感測器可為光譜感測器或振動感測器，如上文中結合第1圖之描述。然後，基於與該氣體的已知密度關係，而後基於經由氣體定律的已知濃度關係，將信號轉換至濃度。

隨著氣體流經組合物感測器，按規律的間隔對感測器信號取樣。在208中，在諸如60秒之較長持續時間中與在諸如3秒之較短持續時間中得自感測器信號的濃度保持平均值。在210中，在每個間隔時間中測得之濃度與較長持續時間之平均濃度之間的差，經計算作為第一氣體中之二硼烷的濃度變化之指示。

在212中，依據201中獲取之差，基於較長持續時間之平均濃度或是基於較短持續時間之平均濃度而調整第一氣體之流動速率。如果該差相對較大，則顯示與目標流動速率較大或快速之偏差，因此當該差高於某閾值時，使用較短持續時間之平均濃度以決定流量設定點，以便追蹤迅速變化之濃度，並將二硼烷之流動速率保持在所需水平上。如果該差相對較小，且低於該閾值水平，則使用較長持續時間之平均濃度以將流動速率之變化降至最低。

在214中，基於第一氣體之流動速率調整第二稀釋氣體之流動速率，以保持進入處理腔室之所需的氣體總流動速率。

在一個實例中，使用類似於第1圖中之設備的設備，該設備具有壓電壓力感測器以用於監測濃度，二硼烷在氦中之前驅物混合物流經第一路徑進入處理腔室。二硼烷在氦中 之濃度在正常情況下約為10重量%，但本文所描述之前驅物輸送系統容納源濃度之變化。經由第二路徑提供氦氣。

使用壓電感測器監測二硼烷在前驅物中之濃度。藉由控制器保持3秒移動平均濃度及60秒移動平均濃度。每個瞬時濃度讀數與60秒移動平均值對比，並監測與60秒移動平均值之偏差。含有二硼烷之前驅物的流動速率決定如下：F_P=F_T(X_T/(1+X_T))*(1+1/X_P)其中，F_P為含有二硼烷之前驅物的所需流動速率，F_T為進入處理腔室之所需氣體總流動速率，X_T為流入處理腔室之氣體中的二硼烷之目標濃度，且X_P為二硼烷在含有二硼烷之前驅物中之濃度。

由控制器用於決定目標流動速率F_P之濃度取決於瞬時濃度與60秒移動平均值之偏差。如果偏差大於0.001，則使用3秒移動平均值，以便控制器可更快地調整流動速率以補償前驅物中迅速變化的濃度。如果偏差小於0.001，則使用60秒移動平均值，以便使流量調整更小。流經第二路徑之氦的流量經調整以補償對含有二硼烷的前驅物之流量調整，使得總氣體流動速率保持在或近似於目標速率F_T。

此種控制方法可在二硼烷分解至硼烷及其他硼烷寡聚物時用於補償前驅物之二硼烷濃度的浮動，及補償諸如射頻衝擊及前驅物源安瓶變化之破壞性製程事件，該等事件通常具有變化的二硼烷濃度。使用該等方法，二硼烷在處理腔室中之濃度變化可降至最低，並實現均勻處理。

應注意，儘管前述之實例論述本文所述之設備及方 法在二硼烷及氦流入處理腔室之情形下的使用，但可使用相同或類似之設備及方法以控制烴料的濃度，該等烴料流入處理腔室並在諸如氫之稀釋劑中稀釋，以用於沉積諸如非晶碳之含碳薄膜。儘管諸如C₁-C₄烴之烴族，例如，乙炔、乙烯，及丙烯，在氫或氦稀釋氣體中隨時間推移比二硼烷穩定，但可使用本文所述之方法及設備補償源濃度之變化。

除氦之外的稀釋氣體可用於本文所述之設備及方法。可依據前驅物而決定使用氫氣、氬，及氮。一般而言，需要獲取前驅物與稀釋氣體之間的分子重量之較大差值以準確監測濃度，且稀釋氣體在處理腔室中一般具有所需之化學反應性或惰性。在上述實例中，在第一前驅物為在氦中流動的二硼烷的情況下，第二前驅物可為除氦之外的稀釋劑，例如，氮，或氫，依據腔室內之處理條件而定。用於第一前驅物之稀釋劑同樣可為除氦之外的其他稀釋劑，例如，氮或氫。

儘管前述係針對本發明之實施例，但可在不脫離本發明之基本範疇的前提下，設計本發明之其他及進一步的實施例，且本發明之範疇由下文之申請專利範圍所決定。

100‧‧‧處理系統

102‧‧‧處理腔室

104‧‧‧前驅物輸送系統

106‧‧‧第一路徑

108‧‧‧第二路徑

110‧‧‧混合點

112‧‧‧截流閥

114‧‧‧管道

116‧‧‧入口

118‧‧‧第一前驅物之源

120‧‧‧管道

122‧‧‧第一控制閥

124‧‧‧組合物感測器

126‧‧‧第一流量控制器

128‧‧‧管道

130‧‧‧第二控制閥

132‧‧‧第二流量控制器

134‧‧‧控制器

135‧‧‧組合物信號處理器

Claims (15)

1. 一種前驅物輸送設備，包含：一第一前驅物輸送路徑，包含一第一流量控制器及一振動感測器；一第二前驅物輸送路徑，包含一第二流量控制器；一混合點，該點流動地耦接該第一前驅物輸送路徑與該第二前驅物輸送路徑；及一控制器，耦接至該第一流量控制器、該第二流量控制器，及該振動感測器。
2. 如請求項1所述之前驅物輸送設備，其中該振動感測器為一壓力感測器。
3. 如請求項1所述之前驅物輸送設備，其中該振動感測器為一壓電裝置。
4. 如請求項1所述之前驅物輸送設備，進一步包括一背壓調節器，該調節器流動地耦接至該混合點。
5. 一種用於形成一含硼薄膜之設備，包含：一處理腔室；及一前驅物輸送系統，耦接至該處理腔室，該前驅物輸送系統包含： 一第一前驅物輸送路徑，包含一第一流量控制器及一組合物感測器；一第二前驅物輸送路徑，包含一第二流量控制器；一混合點，流動地耦接該第一前驅物輸送路徑、該第二前驅物輸送路徑，及該處理腔室；及一控制器，耦接至該第一流量控制器、該第二流量控制器，及該振動感測器。
6. 如請求項5所述之設備，其中該組合物感測器為一壓力感測器、一壓電裝置、一振動感測器、一質譜儀，或一氣相層析儀。
7. 如請求項5所述之設備，其中該組合物感測器為一壓電裝置。
8. 如請求項5所述之設備，其中該組合物感測器為一振動感測器。
9. 一種控制二硼烷向一處理腔室輸送之方法，該方法包含以下步驟：使包括二硼烷及一稀釋氣體之一氣體混合物流經一第一路徑進入該處理腔室；使一稀釋氣體流經一第二路徑進入該處理腔室，該第二路徑與該第一路徑在一混合點上相交； 感測該氣體混合物及該稀釋氣體之一流動速率；感測該氣體混合物之一密度並根據該氣體混合物之該密度決定該氣體混合物中之二硼烷之一濃度；基於二硼烷之一所需流動速率調整該氣體混合物之一流動速率；及基於進入該處理腔室之一所需氣體總流動速率調整該稀釋氣體之一流動速率。
10. 如請求項9所述之方法，其中感測該氣體混合物之一密度之步驟包含感測該第一路徑之振動。
11. 如請求項9所述之方法，其中調整該氣體混合物之該流動速率之步驟包含保持一較長持續時間之平均濃度及一較短持續時間之平均濃度。
12. 如請求項11所述之方法，其中調整該氣體混合物之該流動速率之步驟進一步包含決定該濃度與該較長持續時間之平均值之間之一差。
13. 如請求項12所述之方法，其中調整該氣體混合物之該流動速率之步驟進一步包含根據該差而基於該較長持續時間之平均值或該較短持續時間之平均值來決定該氣體混合物之一目標流動速率。
14. 如請求項12所述之方法，其中調整該氣體混合物之該流動速率之步驟進一步包含計算該較長持續時間之平均值與該較短持續時間之平均值之間之一差，並對比該差與一閾值。
15. 如請求項14所述之方法，其中調整該氣體混合物之該流動速率之步驟進一步包含當該差小於該閾值時對比該較長持續時間之平均值與一目標值，及在該差大於該閾值時對比該較短持續時間之平均值與該目標值。