质量流控制流量检定和校准的方法.pdf

一种用于在半导体制造工艺中监视或校准通过质量流控制器的气体流率的方法和装置。参考质量流控制器设置在用于从与同样多个供给气体有关的多个质量流控制器的一个接收气体流量的旁路环路中。选择一个气体供给质量流控制器并将其控制为具有特定的气体流率。通过选定的质量流控制器的气体流量，当气体流向排气管时还通过参考质量流控制器。将气体供给质量控制器所要求的流率与由参考质量流控制器确定的实际流率相比，从而监视和校准气体供给质量流控制器。

1.  一种用于在进入处理室前，监视或校准具有多种工艺气体的系统中的气体流量的方法，包括：
a)使几种气体中的每一种在进入处理室前流过不同的质量流控制器；
b)使气体流转向参考质量流控制器以使参考质量流控制器与专用于所述气体的质量流控制器之间的流率确定相互关联。

2.  如权利要求1的方法，进一步包括响应参考质量流控制器和专用于所述气体的质量流控制器之间的流率确定来确定校准因子。

3.  如权利要求2的方法，进一步包括：
将校准因子提供作为专用于所述气体的质量流控制器的输入，用于根据校准因子调整其流率。

4.  如权利要求1的方法，其中，所述转向步骤进一步包括构造允许气体流过参考质量流控制器以及防止气体流向处理室的气流通路。

5.  如权利要求4的方法，其中，所述构造气流通路的步骤进一步包括使气体流向参考质量流控制器位于其中的排气流通路。

6.  一种用于确定在包括多种工艺气体种类的系统中用于特定气体种类的参考质量流控制器的校准因子的方法，其中，多种气体种类中的每一种通过相关的工艺气体质量流控制器操作，该方法包括：
a)使特定的气体种类以多种气体流率流过相关的工艺气体质量流控制器；
b)由参考质量流控制器确定用于多种气体流率中的每一个的参考流率；以及
c)基于参考流率和气体流率间的关系，确定用于特定气体种类的校准因子。

7.  一种用于监视或校准进入处理室的气体流量的装置，包括：
多种供给气体；
多个供给气体质量流控制器，其中，每种供给气体与用于控制从此通过的供给气体的流率的供给气体质量流控制器有关；
与所述多个供给气体质量流控制器选择性地实现流体相通的第一和第二流体通路，其中，处理室位于第一流体通路中；以及
位于第二流体通路中的参考质量流控制器，其中，通过参考质量流控制器的选定供给气体的流量与参考质量流控制器和与该选定的供给气体有关的供给气体质量流控制器之间的流率确定相关联。

8.  如权利要求7所述的装置，其中，第二流体通路包括排气通路和旁路环路，以及其中，参考质量流控制器位于该旁路环路中。

9.  如权利要求8所述的装置，进一步包括一个或多个阀，所述阀具有用于将选定的供给气体通过第二流体通路引向参考质量流控制器的第一配置，和用于将供给气体通过第一流体通路引向处理室的第二配置。

10.  如权利要求9所述的装置，进一步包括用于将所述一个或多个阀控制到具有所述第一或第二配置的系统控制器。

11.  如权利要求7所述的装置，进一步包括响应于参考质量流控制器和供给气体质量流控制器之间的流率确定的系统控制器，该系统控制器用于响应此，控制供给气体质量流控制器。

12.  如权利要求7所述的装置，其中，第二流体通路包括在此串联设置的第一和第二阀、排气端、从第一和第二阀之间的第二流体通路分支的入口流体通路、从第二阀和排气端之间的第二流体通路分支的出口流体通路，以及进一步包括串联设置在入口流体通路中的第三阀和串联设置在出口流体通路中的第四阀，其中，参考质量流控制器位于第三和第四阀之间。

13.  如权利要求12所述的装置，其中，为监视或校准气体流量，第一、第三和第四阀处于打开位置以及第二阀处于关闭位置。

14.  一种在制造半导体集成电路中使用的装置，包括：
处理室；
多个供给气体；
同样多个供给气体质量流控制器，其中，该多个供给气体的每一个与用于控制从此通过的气体流率的该多个供给气体质量流控制器中的一个有关；
与多个供给气体质量流控制器选择性地实现流体相通的第一和第二流体通路，其中，处理室位于第一流体通路中；
位于第二流体通路中的参考质量流控制器，其中，由参考质量流控制器确定选定的供给气体的流率以便与由和所选定的供给气体有关的供给气体质量流控制器所确定的流率相关联。

15.  如权利要求14所述的装置，其中，第二流体通路包括排气通路和旁路环路，其中参考质量流控制器位于该旁路环路中。

16.  如权利要求15所述的装置，其中，第二流体通路包括用于控制通过第二流体通路的气体流量的排气阀和用于控制通过旁路环路的气体流量的排气阀。

17.  如权利要求14所述的装置，进一步包括具有用于将气体流量引向第一流体通路的第一配置和用于将气体流量引向第二流体通路的第二配置的阀。

质量流控制流量检定和校准的方法
本申请根据35U.S.C.119(e)，要求2003年5月12提交的临时专利申请并指定申请号60/469,669的优先权。
技术领域
本发明通常涉及半导体集成电路的制造，以及更具体地说，涉及用于质量流控制器的检定和校准的方法和装置，通过该质量流控制器，将气体供给在集成电路制造期间使用的处理室(process chamber)。
背景技术
集成电路(或芯片)包括具有用衬底内的掺杂区形成的半导体器件，诸如晶体管的硅衬底。在覆盖该半导体衬底的多个并行层(parallellayer)中形成的导电互连结构电连接半导体器件以便形成集成电路内的电子电路。
制造集成电路从硅晶片开始，该硅晶片经过多个顺序的制造工艺以便在晶片中形成多个相同的芯片，每个芯片包含进行协作以提供所需功能性的有源器件(例如晶体管)和无源器件(例如电容器和电阻器)。
执行几个不同的顺序工艺以便形成和互连各器件。通常，这些工艺包括但不限于：注入和扩散掺杂剂杂质；通过物理和化学汽相沉积在衬底的上表面上淀积元件；掩膜，构图以及蚀刻导电和介电结构；以及从表面生成介电和半导体材料。
在密封一个或多个晶片的处理室(也称为处理工具(processtool))中执行每个工艺。当该工艺结束时，从当前处理室移出晶片并转移到执行下一工艺的另一处理室。每个工艺包括自动地启动并受工艺控制器控制的多个工艺步骤。在某些工艺步骤期间，各种气体和材料被引入该处理室，同时仔细地控制处理室温度和压力。在输入到工艺控制器以对每个工艺步骤实行控制的工艺制法中规定每个步骤的持续时间、供给该处理室的气体和材料的量及时间，以及处理室温度和压力。
图1示例说明用于从气体供给(gas supply)1、2、3和4接收多个气体种类中的一个或多个的处理室10。如本领域技术人员所公知的，在图1中所示的气体供给的数量仅是示例性的。根据在处理室10中执行的工艺，可以要求更多或更少的气体供给。例如，在将锗有选择地淀积在硅上的处理室中，气体可包括二氯甲硅烷(SiH₂Cl₂)、氢气(H₂)、乙硼烷(B₂H₆)、盐酸(HCl)和锗烷(GeH₄)。
气体通过质量流控制器12、14、16和18分别与气动阀22、24、26和28的串联结构，从气体供给1、2、3和4的每一个供应到流体节点19。质量流控制器12、14、16和18调节进入处理室10的种类气体的流量。精确的工艺控制要求仔细地调节气体流量，当不能这样做时，会导致制造有缺陷的集成电路。为确保精确的气体流量，定期地检查每个质量流控制器的校准。
如图1中进一步所述，在流体节点19和处理室10间的生产流水线20中布置气动阀30。
可编程系统控制器40控制气动阀22、24、26、28以及30，在指定工艺步骤期间，根据流入处理室10内的气体的需求打开或关闭这些阀门。另外，系统控制器40将设定值提供给每个质量流控制器12、14、16和18以便根据用于每个工艺步骤的制法来确定气体流率(flowrate)。通常按sccm(在标准温度和压力下，每分钟立方厘米)或slm(在标准温度和压力下每分钟升)测量气体流率。
图1还示例说明与流体节点19串联流体相通的排气管线46和气动排气阀48，用于当排气阀48打开时排放种类气体至排气和消除。
已知当系统控制器40设置质量流控制器流率时，要求用于气体流量的有限瞬时间隔以便达到新的流率。为防止以不正确的流率将气体引入处理室10内，在这一瞬时间隔期间，经排气阀48将气体供给排放到排气管线46。在该瞬时间隔后，如由相对平坦或恒定的流率所示的，关闭排气阀48，打开生产流水线阀30，以及气体流入处理室10。
对特定的气体种类校准每个质量流控制器，只要安装后，难以确定质量流控制器是否正以工艺步骤所要求或所需的流率供给气体。根据用于检验气体流率的一种现有技术，取下质量流控制器并用已知的、以所要求的流率供给气体的质量流控制器代替。这是耗时和劳动密集的工艺，因为如果在替换质量流控制器前后破坏了处理室完整性，则必须净化流体线路以及必须清洁处理室10。
根据另一种检定技术，由处理室填充气体的速率确定通过质量流控制器的实际气体流率。在排空处理室10后，来自试验中的质量流控制器的气体流通过生产流水线20引入处理室10。由于处理室体积是已知的，可以由理想气体定律PV＝nRT计算进入处理室内的流率。处理室温度和体积是已知的，常数R是已知的。将气体供应到处理室10直到处理室压力等于气体供给压力，在此时，气体流结束。使用这些参数，气体的摩尔数能由理想气体定律方程式确定。由于测量了填充处理室的持续时间，由摩尔数除以填充处理室所需的时间来确定流率。
已知这种“上升率(rate of rise)”测量技术易于出错。例如，由于处理室壁内的不均匀性，不可能精确地知道处理室体积。同时，也不可能使处理室温度保持恒定或确定处理室温度。
已知某些气体种类与处理室部件起反应，从而由于暴露向这些气体而破坏这些部件。在常规处理室操作期间，仅当伴随有与导致破坏的气体反应的中和气体以便防止处理室部件破坏时，才将这些气体提供到处理室。在这些工艺系统中，使用上升率技术来确定流率精确率是不可取地。
为确定用于这些处理室的流率，将多种气体流引入处理室，在这一时间期间，在淀积在处理室内的晶片上形成独特的膜。可由所测量的该膜的特性来确定特定气体流率。
发明内容
本发明包括一种用于在进入处理室前，监视或校准具有多种工艺气体(process gas)的系统中的气体流量的方法。该方法包括使几种气体的每一种在进入处理室前流过不同的质量流控制器，以及使气体流量转向参考质量流控制器以使参考质量流控制器与专用于所述气体的质量流控制器之间的流率确定相互关联。
本发明进一步包括一种用于监视或校准进入处理室的气体流量的装置。该装置包括多种供给气体和多个供给气体质量流控制器，其中，每种供给气体与用于控制从此通过的供给气体的流率的供给气体质量流控制器有关。供给气体的一种或多种通过第一流体通路进入处理室。参考质量流控制器位于第二流体通路中，其中，使至少一种供给气体流过参考质量流控制器，以便使参考质量流控制器和与供给气体有关的供给气体质量流控制器之间的流率确定相互关联。
附图说明
从下述对附图中所述的本发明的更具体的描述，本发明的上述和其他特征将是显而易见的，其中在不同图中，相同的标记表示相同部件。这些图不一定按比例，而是强调示例说明本发明的原理。
图1是现有技术处理室工艺配置的示意图。
图2是根据本发明的教导的处理室工艺配置的示意图。
具体实施方式
在详细地描述根据本发明的特定半导体集成电路工艺方法和装置前，应注意到本发明是硬件元件和工艺步骤的新颖的和非显而易见的组合。因此，在附图和说明书中，用传统的元件表示这些元件，其中不很详细地描述在本领域中传统公知的各元件和工艺步骤，但是更详细地描述与理解本发明有关的各元件和步骤。
如图2所示，根据本发明，用于流量校准或检定的处理工具结构包括位于排气管线46内的阀60、62、64以形成旁路环路68。阀60位于旁路环路68的流体入口通路中，以及阀62位于旁路环路68的流体出口通路中。在一个优选实施例中，每个阀60、62和64包括手控阀。在另一实施例中，根据本发明，阀60、62和64能在启动流量检定或校准工艺前(经图2中未示出的导体)，由系统控制器40命令打开。在另一实施例中，当期望其监视或校准供给气体流时，可采用其他阀装置来允许流体流过参考质量流控制器70，以及允许在工艺执行期间供给气体流入处理室。例如，可将阀48、60、62和64的一个或多个组合成单个阀以便根据需要控制流体流。
旁路环路68进一步包括用于确定通过此的流率的参考质量流控制器70。参考质量流控制器70通过双向电子链路73从计算机或可编程控制器72接收信息并将信息提供给该计算机或可编程控制器72。在一个优选实施例中，质量流控制器70包括数字质量流控制器，因为已知数字质量流控制器比模拟型更精确。在另一实施例中，质量流控制器70包括模拟质量流控制器。
为根据本发明的教导执行对质量流控制器12、14、16或18中的一个的检定或校准，关闭阀64和打开阀60和62。同时，打开排气阀48以及关闭生产流水线阀30。这些阀设置允许来自气体供给1、2、3和4中一个的气体种类流过其各自的质量流控制器和旁路环路68。
假定选择质量流控制器12用于检定或校准，系统控制器40将质量流控制器12控制为具有一个气体流率。气体从气体供给1流过，连续流过质量流控制器12和旁路环路68，包括参考质量流控制器70。计算机72确定由参考质量流控制器70所测量的流率，即，参考流率。
参考流率可被记录在计算机72和/或提供用作在计算用于质量流控制器70的校正因子中的系统控制器40的输入，该校正因子表示用于质量流控制器12所要求的流率与由参考质量流控制器70所测量的参考流率之间的差。当在一个工艺步骤期间质量流控制器12可操作时，系统控制器40使用校正因子以便由所需要的气体流率计算校正的气体流率。系统控制器40将质量流控制器12控制到具有所校正的气体流率，以确保从此通过的实际流率等于所需流率。使用这一技术，还可校准剩余的质量流控制器14、16和18。
参考流率(或校正因子)还表示用于质量流控制器12的基线流率。在稍后的某一时间，质量流控制器12对相同的气体种类，经受如上所述的另一检定/校准工艺。基线流率和稍后确定的参考流率间的任何差异表示质量流控制器12的流率控制机制中的变化。
有利地，根据本发明的装置和方法是用于参考质量流控制器70中的故障的自检查。在使用参考质量流控制器70的气体流率的常规检定期间，如果所有流率偏离先前确定的基线流率，则指示参考质量流控制器的不正确操作。
如本领域所公知的，将质量流控制器校准到特定的气体种类是有利的，因为质量流控制器的流率控制机制基于气体种类的某些特性(例如分子大小和气体温度)。在未将参考质量流控制器70校准到特定的气体种类的一个实施例中，能实施一系列校准测试以便确定对指定的气体种类，由参考质量流控制器70确定的参考流率与实际流率间的关联。只要相关因子已知，就能使用数学算法由用于气体种类的参考流率来计算实际气体流率。
期望对“类属”气体，诸如氮，校准参考质量流控制器。正确地校正参考质量流控制器70以便识别约5％或更小的流量偏差是有利的。即，如果期望100sccm的流率，那么参考质量流控制器应当能提供从约95sccm(95％)至约105(105％)的流率。
使用下面阐述的过程，能校准用于任何气体种类的参考质量流控制器。为特定气体种类生成的相关曲线和校准因子允许将参考质量流控制器流量读数转换成用于任何种类气体的实际气体流率。相关曲线允许由参考质量流控制器70所测量的流率来确定用于特定气体的实际流率。例如，如果参考质量流控制器表示气体A的流率为40sccm，可使用一校准曲线来确定气体A实际上正按50sccm流动。根据相关曲线，参考质量流控制器读数和实际气体流量之间的偏移量是参考值的1.25倍(50/40＝1.25)。因此，校准因子是1.25。如果参考质量流控制器70稍后测量用于气体A的流率为80sccm，则计算机72使用该校准因子1.25来确定实际流率为100sccm(80*1.25＝100)。
下面描述确定用于每种气体种类的相关曲线的一种方法。假定所选择的质量流控制器，诸如质量流控制器12以及参考质量流控制器70是已知的良好的质量流控制器。识别用于感兴趣的气体(即，来自气体供给1的气体，因为选择了质量流控制器12)的流率，例如，流率为100sccm。选择低流率和高流率间的流率范围以确保在感兴趣的流率的上下具有适当的余量。例如+/-50％的余量通常被视为是适当的。选择流率增量，即在每次检查试验期间流率将按其改变的量。所选择的增量应当小于制造工艺能容许的最大流率偏差，例如目标流量的5％或5sccm。
将所选定的质量流控制器控制到低流率，以及按增量率递增到高流率。例如，在本例子中，使用50、55、60、65、…140、145和150的流率。对这些流率的每一个，由参考质量流控制器70确定参考流率。通过将所要求的气体流量值绘在x轴上以及将参考流率绘在y轴上，创建相关曲线。可确定该曲线的方程式并将该方程式作为用于所选定的气体种类的相关方程式或校准因子。能在相关方程式中使用由参考质量流控制器70确定的未来的流率值以便确定由参考质量流控制器所测量的、用于指定气体种类的实际气体流率。在该工艺系统中，执行用于每种气体种类的这种过程以生成用于每个气体种类的相关曲线。
尽管参考优选实施例描述了本发明，本领域的技术人员将理解到在不背离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变以及可以用等效的元件替代其中的各元件。本发明的范围进一步包括来自在此阐述的各个实施例的元件的任何组合。另外，在不背离其本质范围的情况下，可以做出改进以便使特定的情形适应于本发明的教导。例如，本发明的教导不限于在半导体制造工业中使用的质量流控制器，而是也能应用于食品和制药工业中的质量流控制器。因此，本发明意图是不限于所公开的特定实施例，而是将包括落在附后权利要求范围内的所有实施例。