TW202338141A - 前驅物遞送系統 - Google Patents

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傑瑞德 李 威克勒
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荷蘭商Ａｓｍ Ｉｐ私人控股有限公司
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Abstract

揭示一種用於遞送來自固相或液相前驅物源之大容量汽化前驅物的半導體處理系統。該系統利用一載體氣體將該汽化前驅物饋送至一設置有多個處理模組的遠端定位製程區。該系統包含配置以減少壓降及增加遞送速率的一第一及第二緩衝容積。亦揭示一種用於將大容量汽化前驅物遞送至該遠端定位製程區的方法。

Description

前驅物遞送系統及其方法
技術領域大體上係關於一前驅物遞送系統及其方法，包括，例如，一大容量汽化前驅物遞送系統，係利用一載體氣體將該汽化前驅物饋送至一遠端定位製程區。技術領域亦關於一種將一大容量汽化前驅物遞送至一遠端定位製程區的方法。
在半導體處理期間，各種（多個）汽化前驅物被饋送至一反應室中。在一些應用中，於環境壓力及溫度下為固相或液相之合適源化學物係提供在一源容器中。此等固相或液相源物質可被加熱至昇華或蒸發，以產生用於一反應製程，諸如，氣相沉積，的一汽化前驅物。化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)可能需要將前驅物蒸氣流連續供應至該反應室，而原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)、脈衝化學氣相沉積及其混合可能需要至該反應室的連續流或脈衝供應，此取決於所需配置，包括依時間分隔及空間分隔的脈衝製程。來自此類固相物質的氣相前驅物對於針對半導體產業(例如，蝕刻、摻雜等)及針對各種其他行業的其他類型化學反應而言亦為有用。
所揭示實施例之一個目的在於提供一大容量半導體處理系統，其可將一前驅物容器定位在遠離製程區中的反應室的位置及饋送至一單一反應室。
在一實施例中，該系統可包括一前驅物源容器，係配置成含有一前驅物。該前驅物可在環境壓力及溫度下處於固相或液相。該系統亦可包括設在位於無塵室外的一子晶圓區中的一第一緩衝容積。該前驅物源容器係配置以將該汽化前驅物供應至該第一緩衝容積。該系統亦可包括一位於一製程區中的第二緩衝容積，該製程區位於該無塵室中且與該子晶圓區分開。該第一緩衝容積係配置以將該汽化前驅物輸送至該第二緩衝容積。該系統亦可包括位於該製程區中的一反應室，該第二緩衝容積係配置以將該汽化前驅物輸送至該反應室。該系統可更包括一壓力轉換器，配置成測量該第一緩衝容積中之壓力，及一控制器，用以至少基於該第一緩衝容積中之已量測壓力的回授而控制至少一容器入口控制閥及至少一或多個容器出口控制閥中之至少一者的操作。該控制器係配置以在該第一緩衝容積中之壓力降至低於一預定值時填充該第一緩衝容積。
所揭示實施例之一或多個態樣的另一目的在於提供一大容量半導體處理系統，其能在能夠將前驅物容器定位在遠離製程區中的反應室的位置及能饋送至複數個反應室。
在一實施例中，該系統可包括一前驅物源容器，係配置成含有一前驅物。該前驅物可在環境壓力及溫度下處於固相或液相。該系統亦可包括設在位於無塵室外的一子晶圓區中的一第一緩衝容積。該前驅物源容器係配置以將該汽化前驅物供應至該第一緩衝容積。該系統亦可包括一位於一製程區中的第二緩衝容積，該製程區位於該無塵室中且與該子晶圓區分開。該第一緩衝容積係配置以將該汽化前驅物輸送至該第二緩衝容積。該系統亦可包括一位於該製程區中的反應室，該第二緩衝容積係配置以將該汽化前驅物輸送至各反應室。該系統可更包括一壓力轉換器，配置成測量該第一緩衝容積中之壓力，及一控制器，用以至少基於該第一緩衝容積中之已量測壓力的回授而控制至少一容器入口控制閥及至少一或多個容器出口控制閥中之至少一者的操作。該控制器係配置以在該第一緩衝容積中之壓力降至低於一預定值時填充該第一緩衝容積。
所揭示實施例之一或多個態樣的又一目的在於提供一種用於將大容量汽化前驅物遞送至製程區中之一遠端定位反應室的方法。
在一實施例中，該方法可包括汽化設置在一前驅物源容器中的一前驅物。該方法亦可包括將該汽化前驅物供應至位於一子晶圓區中的一第一緩衝容積。該方法亦可包括將該汽化前驅物輸送至位於與該子晶圓區分開之一製程區中的一第二緩衝容積，以及將該汽化前驅物輸送至該製程區中的該反應室。該方法可更包括至少基於該第一緩衝容積中之已量測壓力的回授而控制至少一容器入口控制閥及至少一容器出口控制閥的操作。此外，該方法亦可包括將該汽化前驅物遞送至如請求項28所述之一反應室，且更包含利用一載體氣體夾帶該汽化前驅物。
一經設計以將前驅物遞送至多個處理室的遞送系統可包含一大容量固相或液相前驅物源，其使用專用於每一製程室（亦稱為一反應室）之塊狀、單個前驅物容器外殼。藉由提供一遠端蒸發或昇華總成，可減少該處理系統的佔用空間。然而，由於在遠端源與該製程室之間的長距離，該源容器與該製程室之間可能發生一大壓降，限制遞送量（流動）且延長暴露時間。一些實施方式可包括位於該遠端系統外殼中的一緩衝容積，但由於該遠端系統與該製程室之間的長距離，此並無法解決壓力及流量損失。若使用一載體氣體來將該汽化前驅物夾帶或攜帶至該反應室（通常用於低揮發性前驅物），係可提供一附加、高溫相容濃度測量及/或控制系統，以確保至各製程室的持續遞送。
在下文中，係藉由隨附圖式中所示之較佳實施例來詳細描述所揭示實施例的設備及方法。除非另外定義，否則本文中所用之所有技術及科學用語具有與熟悉該項技藝者通常理解相同的含義。
在所揭示實施例之下列詳細描述中，係闡述許多特定細節以便提供所揭示實施例之透徹理解。然而，對熟悉該項技藝者將為顯而易見，所揭示之實施例可在無須此等特定細節下實行。在其他實例中，熟知之方法、程序、組件及機構並未詳細描述，以免不必要地模糊所揭示實施例的態樣。
第1圖係為根據一實施例之一半導體處理系統1的一示意系統圖。該半導體處理系統1可包含一前驅物源容器2，其係配置成含有一前驅物化學物，例如，一固相或液相前驅物。該前驅物源容器2設置在一容器溫度區16中，以維持在一第一溫度範圍內，其可導致固相前驅物源粒子昇華為汽化前驅物或一液相前驅物源蒸發為該汽化前驅物。該前驅物源容器2可配置以經由至少一容器入口控制閥7而與一壓力流量控制器(pressure flow controller，PFC)10流體連通，以接收一載體氣體。該壓力流量控制器10可配置成基於一前驅物蒸氣壓力與一載體控制壓力之比率而維持載體氣體壓力恆定。該壓力流量控制器10可包含一用於該載體氣體的壓力控制器及可具有一可控制孔口，並具有一壓力計及控制元件，以控制該載體氣體之壓力且監測壓力及流率兩者。一壓力流量控制器之使用係允許使用者控制離開該前驅物源容器2之載體與前驅物的濃度及比率而不依賴計時等。一壓力流量控制器之使用係允許控制自該源容器流出之前驅物的濃度、載體與前驅物的比率而不依賴計時等。
此外，可利用一封閉迴路控制製程並基於藉由該壓力轉換器6已量測之該第一緩衝容積3或該第二緩衝容積4的壓力來打開閥的入口及出口。例如，已設定該第一緩衝容積3或該第二緩衝容積4的一設定點，且在將前驅物遞送至平台中心12的操作期間，當壓力降至該設定點以下時，係以一封閉迴路方式觸發該等容器出口控制閥8以連續饋送該第一緩衝容積3。
一載體氣體可供應至該前驅物源容器2以夾帶該汽化前驅物，以便將該前驅物蒸氣攜帶至該反應室5。該載體氣體可為任何合適的非活性氣體，諸如氮氣或氬氣。該至少一載體氣體供應閥7可沿一氣體供應管路提供，以調節該載體氣體的流動。在第1圖之實施例中，該系統1可包括一單一源容器2。然而，如第3圖所示，在一些實施例中，該半導體處理系統1可包含複數個前驅物源容器。在一些實施例中，該等前驅物源容器2之各者可持有相同的前驅物且可具有一獨立載體氣體源，以便藉由自一耗盡容器切換至一已填充容器而實現無縫操作，進而使得未使用中容器可執行維護。
一第一緩衝容積3可設置在一子晶圓區11中，且泵及其他公用設施係位在其中。在一些實施例中，該子晶圓區11可與該反應室5設置於其中的一製程區13物理上為分開。例如，在一些實施例中，該子晶圓區11可設置於該製程區13（例如，一無塵室）設置處的地板下方。然而，在其他實施例中，該子晶圓區11可位於與該製程區13物理分開的任何其他合適位置。例如，該子晶圓區11可設置於一機櫃溫度區17中，以維持在與該第一溫度範圍不同的一第二溫度範圍內。在其他實施例中，該機櫃溫度區17可維持在與該第一溫度範圍部分或完全重疊的一第二溫度範圍內。一般而言，該容器溫度區16中之該前驅物源容器2係維持在低於該子晶圓區11及該製程區13之溫度的溫度，且該子晶圓區11處之溫度係小於該製程區13之溫度。該汽化前驅物可自該前驅物源容器2提供至該第一緩衝容積3。一第二緩衝容積4可設置於與該子晶圓區11分開的該製程區13中，且位於一具輻射、對流或接觸加熱的通風機櫃中，以使該第二緩衝容積4加熱。該第一緩衝容積3之一入口可經由一或多個容器出口控制閥8及一第一緩衝入口閥14而與該前驅物源容器2流體連通。該第一緩衝容積3之一出口可與該第二緩衝容積4流體連通，以將該汽化前驅物自該第一緩衝容積3輸送至該第二緩衝容積4。該第一緩衝容積3可藉由一加熱管18而連接至該第二緩衝4。
該半導體處理系統1可包含一位於該製程區13中的反應室5。該第二緩衝容積4可設置成靠近該反應室5且可配置以將該汽化前驅物輸送至該反應室5，以使來自遠端前驅物源之壓降可被減少。該第二緩衝容積4可位於該平台中心12之頂部上且可饋送至該反應室5。該平台中心12係為通風的機櫃，且包含連接點。該第一及第二緩衝容積可調整尺寸以儲存用於該反應室5之一(1)個循環的一前驅物負載的五至十倍。該第一及第二緩衝容積3、4可充當為在氣體累積時（類似於電容器積聚電荷之方式）於各緩衝容積中積聚壓力類型的流體電容器。一控制器9係發送指令至該等閥以供應前驅物至緩衝容積，進而積聚壓力至沉積所需值。在第1圖之實施例中，該系統1可在一些實施例中包括一單一反應室5。在其他實施例中，如第3圖所示，該半導體處理系統1可包含複數個反應室5，及一第三緩衝容積19可連接至該平台中心12。
該半導體處理系統1可更包含一配置以測量該第一緩衝容積3中壓力之壓力轉換器6，及一配置以控制該（等）容器入口控制閥7及該（等）容器出口控制閥8中之至少一者之操作的控制器9。在操作期間，該壓力轉換器6可監視該第一緩衝容積3之壓力並將已量測壓力傳輸至該控制器9。基於已量測壓力，該控制器9可發送指令至該容器入口控制閥7及/或該容器出口控制閥8以打開或關閉該等閥，在實施例中，該容器入口控制閥7及該容器出口控制閥8包含一二元開/關閥。在該等閥7及/或8為可調整閥的實施例中，該控制器9可發送指令至該等閥7及/或8以連續調整該等閥7及/或8的一流體傳導。當該第一緩衝容積3中之壓力降至低於一預定壓力值時，該控制器9可發送指令以填充該第一緩衝容積3。
例如，在各種實施例中，一封閉迴路控制系統可基於該壓力轉換器8已量測之該第一緩衝容積3之壓力的回授而控制該等閥7及/或8(例如，閥計時、頻率等)之打開及/或關閉。在各種實施例中，例如，一比例-積分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制器可用於控制該容器入口控制閥7及/或該容器出口控制閥8的操作。在一些實施例中，該控制器9可決定該容器出口控制閥8打開的持續時間，以便達到或維持已提供至該PID或其他控制器之該第一緩衝容積3的一所需壓力。
在各種實施例中，該系統中使用的管道、閥及過濾器可具有大流量係數(Cv)以減少或最小化壓降。例如，可使用½”（英寸）或3/8”直徑管道及3/8”饋送模組。
在第1圖中，該系統1包括一封閉迴路控制系統，其中該控制器9監測及/或控制該子晶圓區11中之該第一緩衝容積3的壓力。如第2圖所示，在一些實施例中，該壓力轉換器6可額外或替代地配置以測量該第二緩衝容積4中之壓力，且該控制器9可配置成至少基於該第二緩衝容積4中之已量測壓力的回授而控制該（等）容器入口控制閥7及該（等）容器出口控制閥8中之至少一者的操作。當該第二緩衝容積4中之壓力降至低於一預定值時，該控制器9可發送指令以填充該第二緩衝容積4。應瞭解，在再其他實施例中，壓力轉換器可用於監測該第一及第二緩衝容積3、4兩者分之相應壓力。在此類實施例中，一或多個控制器可配置成提供對緩衝容積3、4兩者的回授控制。
第4圖係繪示根據各種實施例，一種用於將汽化前驅物遞送至該製程區13中之一遠端定位反應室5的方法的一流程圖。該方法30起始於方塊31，其中設置於一前驅物源容器2中之一固相或液相前驅物係透過一昇華或蒸發製程而汽化，例如，加熱至高於該前驅物源材料之昇華或蒸發溫度的溫度。
在方塊32中，該非活性載體氣體係提供至該前驅物源容器2，以使該汽化前驅物夾帶該載體氣體而遞送至該反應室5。可使用任何合適的非活性載體氣體，諸如氬(Ar)氣或氮(N 2)氣。流動至該前驅物源容器2中之該載體氣體之流動可藉由一流量控制器，諸如可使用一具流量監控器(PFC)之壓力控制器10，來量測。
在方塊33中，該汽化前驅物可自該容器溫度區16中之該前驅物源容器2供應至一子晶圓區11中的一第一緩衝容積3。如上文所解釋，該子晶圓區11可與該製程區13（其可包含一無塵室）物理且熱分離。移至方塊34，可藉由該壓力轉換器6量測該第一緩衝容積3中的壓力。藉由操作（多個）容器入口控制閥7及（多個）容器出口控制閥8中之至少一者，在該第一緩衝容積3中之壓力降至低於一預定值時，回授控制方法可用於監測壓力，並填充該第一緩衝容積3。
在方塊35中，該汽化前驅物可輸送至該製程區13中的該第二緩衝容積4。該壓力轉換器6可設置於該第二緩衝容積4中，且方塊34的操作可在方塊35之後實行以控制該第二緩衝容積34的壓力。在方塊36中，該汽化前驅物可輸送至該製程區13中的該反應室5。在一些實施例中，如第3圖所示，該汽化前驅物可藉由多個對應的已加熱管而遞送至多個不同的反應室5。
為了本揭露之目的，本文中係描述某些態樣、優點、及新穎特徵。不必然可根據任何特定實施例達成所有此類優點。因此，例如，所屬技術領域中具有通常知識者將認知到，可以達成如本文中所教示之一個優點或一組優點來體現或實行本揭露，而無須達成本文中可教示或建議之其他優點的方式。
除非另外具體陳述，或另外在如所使用的背景下有所瞭解，條件語言（諸如「可（can、could、might、或may）」 ）大體上係意欲傳達某些實施例包括，而其他實施例不包括，某些特徵、元件及/或步驟。因此，此類條件語言通常並非意欲暗指特徵、元件及/或步驟以任何方式為一或多個實施例所必需，或者在有無使用者輸入或提示的情況下，一或多個實施例必然包括用於決定這些特徵、元件及/或步驟是否包括或是否欲在任何特定實施例中執行的邏輯。
除非另外具體陳述，否則諸如片語「X、Y及Z中之至少一者」的連接語言在所使用之上下文的情況下應理解為一般傳達項目、用語等可為X、Y或Z。因此，此連接語言大體上並不意欲暗示某些實施例需要存在X中的至少一者、Y中的至少一者，以及Z中的至少一者。
本文中所使用之程度語言（諸如如本文中所使用之用語「大約(approximately)」、「約(about)」、「大體上(generally)」及「實質上(substantially)」）表示接近所陳述的值、量或特性之值、量或特性仍執行所欲功能或達成所欲結果。例如，用語「大約(approximately)」、「約(about)」、「大體上(generally)」及「實質上(substantially)」可指在所述量之小於10%內、小於5%內、小於1%內、小於0.1%內及小於0.01%內的量。
本揭露的範疇並非意欲受此節或本說明書中別處之較佳實施例的特定揭露所限制，並可由如此節或本說明書中別處所呈現或如未來所提出的申請專利範圍而定義。申請專利範圍之語言應基於申請專利範圍中所採用之語言作廣義解讀，且不限於本說明書中或在本申請案之審查期間所述之實例，該等實例應詮釋為非排他性。
1:半導體處理系統 2:前驅物源容器 3:第一緩衝容積 4:第二緩衝容積 5:反應室 6:壓力轉換器 7:容器入口控制閥 8:容器出口控制閥 9:控制器 10:壓力流量控制器 11:子晶圓區 12:平台中心 13:製程區 14:第一緩衝入口閥 15:載體氣體供應閥 16:容器溫度區 17:機櫃溫度區 18:加熱管 19:第三緩衝容積 31,32,33,34,35,36:步驟
前述及其他目的與優點將由於以下描述而展現。在描述中，係參考所附圖式，其形成本文之一部分，且其中藉由可實行所揭示實施例之圖示特定實施例來展示。此等實施例將充分詳細描述以使得熟悉該項技藝者可實行所揭示之實施例，且應瞭解，可使用其他實施例且結構改變可不離開所揭示實施例之範疇而進行。因此，所附圖式僅提交作為顯示所揭示實施例的較佳示例。因此，以下詳細描述並非意欲限制，且所揭示實施例之範疇係最佳地由所附申請專利範圍界定。 第1圖係為根據一實施例之一半導體處理裝置的一示意圖，其包括一前驅物容器源及一反應器室，並具備一壓力轉換器及控制系統，以控制在一第一緩衝容積中的流量。 第2圖係為根據一實施例之一半導體處理裝置的一示意圖，其包括一前驅物容器源及一反應器室並具備一壓力轉換器及控制系統，以控制在該第二緩衝容積中的流量。 第3圖係為一半導體處理裝置之一示意圖，其包括複數個前驅物容器源及複數個反應器室，並具備一壓力轉換器及控制系統，以控制一第一緩衝容積中的流量。 第4圖係為繪示根據各種實施例之一半導體處理方法的一流程圖。
31,32,33,34,35,36:步驟

Claims (20)

  1. 一種半導體處理系統，包含： 一前驅物源容器，係配置成含有一前驅物； 一第一緩衝容積，其設置於一子晶圓區中，該前驅物源容器係配置以將該汽化的前驅物供應至該第一緩衝容積； 一第二緩衝容積，其位於一與該子晶圓區分開的製程區中，該第一緩衝容積係配置以將該汽化的前驅物輸送至該第二緩衝容積； 一反應室，其位於該製程區中，該第二緩衝容積係配置以輸送該汽化的前驅物至該反應室。
  2. 如請求項1所述之半導體處理系統，更包含複數個前驅物源容器。
  3. 如請求項1所述之半導體處理系統，其中該第一緩衝容量的一入口係經由一或多個容器出口控制閥而與該前驅物源容器流體連通，且該第一緩衝容積的一出口係與該第二緩衝容積流體連通，及 其中該第二緩衝容積係配置以分配該汽化的前驅物至該反應室。
  4. 如請求項1所述之半導體處理系統，其中該前驅物源容器係配置成經由至少一容器入口控制閥而與一壓力流量控制器流體連通，以提供一載體氣體至該前驅物源容器，且其中該壓力流量控制器係配置成基於前驅物蒸氣壓對載體控制壓力的比例而維持載體氣體壓力恆定。
  5. 如請求項1所述之半導體處理系統，更包含： 一壓力轉換器，其係配置以測量該第一緩衝容積中的壓力，及 一控制器，其係配置以至少基於該第一緩衝容積中之已量測壓力的回授而控制至少一容器入口控制閥及一或多個容器出口控制閥中之至少一者的操作。
  6. 如請求項5所述之半導體處理系統，其中該控制器係配置成當該第一緩衝容積中之壓力降至低於一預定值時填充該第一緩衝容積。
  7. 如請求項1所述之半導體處理系統，其中該前驅物源容器係設置於一容器溫度區中，以維持在一第一溫度範圍內，且該子晶圓區係設置於一機櫃溫度區中，以維持在一第二溫度範圍內。
  8. 如請求項1所述之半導體處理系統，其中該第二緩衝容積係利用輻射、對流或接觸加熱。
  9. 如請求項1所述之半導體處理系統，其中該第一緩衝容積及該第二緩衝容積之尺寸係調整以儲存供該反應室用於一個循環的一前驅物負載的五至十倍。
  10. 如請求項1所述之半導體處理系統，其中該第二緩衝容積係設置於該反應室附近。
  11. 如請求項1所述之半導體處理系統，其中該第一緩衝容積係藉由一加熱管而連接至該第二緩衝容積。
  12. 一種半導體處理系統，其包含： 一前驅物源容器，其係配置成含有一汽化前驅物； 一第一緩衝容積，其係配置以自該前驅物源容器接收該汽化前驅物； 一第二緩衝容積，其係配置以自該第一緩衝容積接收該汽化前驅物；及 複數個反應室，其定位為與該第二緩衝容積流體連通。
  13. 如請求項12所述之半導體處理系統，其中該第一緩衝容積的一入口係經由一或多個容器出口控制閥而與該前驅物源容器流體連通，且該第一緩衝容積的一出口係與該第二緩衝容積流體連通，及 其中遞送至該第二緩衝容積的該汽化前驅物係透過一平台中心而分配至該等反應室之各者。
  14. 如請求項13所述之半導體處理系統，其中該第一緩衝容積及該第二緩衝容積的尺寸係調整以儲存用於在該平台中心上同時運行之所有該複數個反應室之一個循環的前驅物負載的五至十倍。
  15. 如請求項14所述之半導體處理系統，其中一第三緩衝容積係連接至該平台中心。
  16. 如請求項13所述之半導體處理系統，更包含複數個前驅物源容器，其中每一前驅物源容器係配置成經由至少一容器入口控制閥而與分別之壓力流量控制器流體連通，以提供一載體氣體至該前驅物源容器。
  17. 如請求項16所述之半導體處理系統，更包含： 一壓力轉換器，其係配置以測量該第一緩衝容積中的壓力，及 一控制器，其用以至少基於該第一緩衝容積中之已量測壓力的回授而控制該至少一容器入口控制閥及該一或多個容器出口控制閥的操作。
  18. 如請求項12所述之半導體處理系統，其中該第一緩衝容積係設置在處於一第一溫度的一子晶圓區中，且該第二緩衝容積係位於一製程區中，該製程區係與該子晶圓區物理地分開且處於一第二溫度。
  19. 如請求項16所述之半導體處理系統，更包含： 一壓力轉換器，其係配置以測量該第二緩衝容積中的壓力，及 一控制器，其用以至少基於該第一緩衝容積中之已量測壓力的回授而控制該至少一容器入口控制閥及該一或多個容器出口控制閥中之至少一者的操作，其中該控制器係配置成在該第一緩衝容積中之壓力降至低於一預定值時填充該第二緩衝容積。
  20. 一種半導體處理系統，其包含： 一前驅物源容器，其係配置成含有一汽化前驅物； 一第一緩衝容積，其設置在一處於一第一溫度的子晶圓區中，且配置成接收來自該前驅物源容器的該汽化前驅物； 一第二緩衝容積，其設置在一處於一第二溫度的製程區中，且配置成接收來自該第一緩衝容積的該汽化前驅物，其中該第二溫度係大於該第一溫度；及 複數個反應室，其定位為與該第二緩衝容積流體連通。
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