CN105088197B - 在多站式衬底沉积系统中单个ald循环厚度的控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在多站式衬底沉积系统中单个ALD循环厚度的控制，具体公开了在多站式处理室中在多个半导体衬底上沉积膜材料的方法。该方法可以包括：将第一成组的一个或多个衬底加载至所述处理室中第一成组的一个或多个处理站处以及通过执行N个膜沉积循环将膜材料沉积至所所述第一成组的衬底上。此后，该方法可以进一步包括将所述第一成组的衬底从所述第一成组的处理站传送到在所述第二成组的一个或多个处理站；将第二成组的一个或多个衬底加载至所述第一成组的处理站处；以及通过执行N'个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第一成组的衬底上以及所述第二成组的衬底上；其中，N'与N不相等。本发明还公开了可以用于执行类似操作的装置和计算机可读介质。

Description

在多站式衬底沉积系统中单个ALD循环厚度的控制
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年5月15日提交的、名称为“SINGLE ALD CYCLE THICKNESSCONTROL IN MULTI-STATION PARALLEL SUBSTRATE DEPOSITION SYSTEMS”的美国临时专利申请No.61/994,025的优先权，在此，基于所有目的通过引用将其全部内容并入。
技术领域
本发明总体上涉及半导体处理领域，更具体地涉及在多站式衬底沉积系统中单个ALD循环厚度的控制。
背景技术
在半导体行业中，随着器件和特征尺寸不断变小，并且随着三维器件结构(例如，英特尔公司的三栅极晶体管架构)在集成电路(IC)设计中变得越来越普遍，沉积薄的共形膜(具有与下伏结构的形状相对应的均匀厚度的材料膜，尽管下伏结构不是平坦的)的能力将继续得到重视。原子层沉积(ALD)是非常适合于沉积共形膜的一种膜形成技术，原因在于以下事实：单个循环ALD仅沉积单一的薄的材料层，其厚度受限于在成膜的化学反应本身之前可吸附到衬底表面上的一种或多种膜前体反应物的量(即，形成吸附受限层)。然后可以使用多个“ALD循环”来制成期望厚度的膜，由于每一层是薄的且是共形的，因此，所得到的膜与下伏的设备结构的形状基本一致。
但是，ALD面临的挑战是必须解决晶片处理的吞吐量问题。因为每个ALD循环只沉积一薄的吸附受限层，所以需要按顺序执行许多的ALD循环以沉积任何期望的显著厚度的膜，并且每个循环需要时间。因此，寻求用改进的方法和装置来并行处理晶片，从而提高在半导体制造操作中的晶片/衬底处理吞吐量。
发明内容
本发明公开了一种在多站式处理室中在多个半导体衬底上沉积膜材料的方法。在一些实施方式中，该方法可以包括：将第一成组的一个或多个衬底加载至所述处理室中第一成组的一个或多个处理站处以及通过执行N个膜沉积循环将膜材料沉积至所述第一成组的处理站处的所述第一成组的衬底上。此后，某些这样的方法可以包括将所述第一成组的衬底从所述第一成组的处理站传送到在所述处理室中的第二成组的一个或多个处理站；将第二成组的一个或多个衬底加载至所述处理室中所述第一成组的一个或多个处理站处；以及通过准确地执行N'个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第一成组的处理站处的所述第二成组的衬底上以及至所述第二成组的处理站处的所述第一成组的衬底上；其中，N'与N不相等。此外，在一些实施方式中，在沉积膜材料至第一成组的衬底和第二成组的衬底上之后，所述方法可以进一步包括从所述处理室卸载所述第一成组的衬底，将所述第二成组的衬底从所述第一成组的处理站传送到所述第二成组的处理站；可选地将第三成组的一个或多个衬底加载至所述处理室中第一成组的一个或多个处理站处以及通过执行N个膜沉积循环将膜材料沉积至所述第二成组的处理站处的所述第二成组的衬底上，以及可选地沉积至所述第一成组的处理站处的所述第三成组的衬底上。在某些这样的实施方式中，N和N'相差1。该操作序列可以以这样的方式重复进行，在每一沉积步骤中，交替进行N个沉积循环和N'个沉积循环，并且持续通过正在处理的整个批量的衬底，直至该批量中的最后两个衬底进行了最后的N个膜沉积循环或N'个膜沉积循环并且从处理室卸载。
在某些这样的实施方式中，(N和/或N'个循环中的)单个膜沉积循环可以包括：使膜前体吸附到所述衬底上，使得所述前体在所述衬底上形成吸附受限层；从围绕被吸附的所述前体的体积去除至少一些未被吸附的膜前体；去除未被吸附的前体之后，使被吸附的膜前体反应以在所述衬底上形成膜层；以及在被吸附的所述前体反应后，从围绕所述膜层的体积去除存在的解吸后的膜前体和/或反应副产物。在一些实施方式中，所沉积的所述膜材料可以包括电介质或导体材料，并且在某些这样的实施方式中，该电介质可以包括硅氧化物、硅碳化物或硅氮化物中的一种或者多种。尽管本发明所公开的技术和装置对于通过ALD工艺沉积硅氧化物膜是有效的，但是它们可以更通常地用于在半导体制造中使用的通过利用多个沉积循环的任意方法所沉积的任何类型的膜材料，并且本文所描述的沉积方法和处理室对于该用途是有效的。
在一些实施方式中，膜沉积方法可以包括：选择所沉积的所述膜的目标厚度D；判定最接近D/d的正整数M为奇数(其中，d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度)；以及选择N和N'，使得N+N'＝M且|N-N'|＝1。在一些实施方式中，膜沉积方法可以包括：选择所沉积的所述膜的目标厚度D；选择最接近1/2*D/d的正整数N(其中，d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度)；以及选择N'或者为N-1或者为N+1。
本发明还公开了一种在多站式处理室中在多个半导体衬底上沉积膜材料的方法。在一些实施方式中，该方法可以包括：(a)、将X个衬底加载至所述处理室中X个处理站处；(b)、在(a)以后，通过执行N个膜沉积循环，沉积膜材料至X个衬底上；(c)、将每一个衬底旋转至与在步骤(a)加载每一个衬底的处理站不同的处理站，以及(d)、在(c)中的旋转操作之后，通过执行N'个膜沉积循环，沉积膜材料至X个衬底上，其中执行至少1个膜沉积循环的每个处理站在每个衬底上沉积至少N-1个膜沉积循环。在一些实施方式中，X可以是2或更大的整数，将至少第一衬底加载到处理室中第一处理站处，而将至少第二衬底加载到处理室中第二处理站处。
本发明还公开了在多站式处理室中在多个半导体衬底上沉积膜材料的方法。在一些实施方式中，该方法可以包括：(a)在所述反应室的第一处理站接收至少第一衬底；(b)通过执行循环沉积工艺的N个循环，在至少所述第一衬底上沉积所述膜的厚度的一部分；(c)将至少所述第一衬底传送至第二处理站；(d)在(c)后，通过执行所述循环沉积工艺的N'个循环，在至少所述第一衬底上沉积所述膜的厚度的另一部分，其中，N不等于N'，并且选择N和N'以获得所述限定的厚度；以及(e)从所述反应室去除至少所述第一衬底。
在一些这样的实施方式中，N'可以等于N、N-1或等于N+1。在一些这样的实施方式中，可以在反应室的多个处理站中接收X个衬底。在某些进一步的这样的实施方案中，X可等于2，并且所述方法可以进一步包括选择限定的厚度D，确定所述最接近D/d的正整数M不是X的倍数，其中，d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度；以及选择N和N'，使得N+N'＝M且|N-N'|＝1。在一些进一步的这样的实施方式中，X可等于4，并且所述方法可以进一步包括选择限定的厚度D，选择N是最接近1/4*D/d的正整数，其中，d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度；以及选择N'为N-1、N或N+1。
在一些另外的实施方式中，该方法在(d)之后且在(e)之前还可以包括：(f)将至少所述第一衬底传送到在所述反应室中的第三处理站；以及(g)通过执行所述循环沉积工艺的N”个循环，在至少所述第一衬底上还沉积所述膜的厚度的另一部分，其中，N”等于N或不等于N，并且选择N、N'和N”以获得所述限定的厚度。
在一些另外的这样的实施方式中，该方法在(g)之后且在(e)之前还可以包括：(h)将至少第一衬底传送到在所述反应室中的第四处理站；以及(i)通过执行所述循环沉积工艺的N”'个循环，在至少所述第一衬底上沉积所述膜的厚度的额外部分，其中，N”'等于N或不等于N，并且选择N、N'、N”和N”'以获得所述限定的厚度。在某些进一步的这样的实施方案中，可以在反应室内的4个处理站接收4个衬底，并且所述方法可以进一步包括选择限定的厚度D，确定所述最接近D/d的正整数M不是4的倍数，其中，d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度；以及选择N和N'，使得N+N'＝M且|N-N'|＝1。
在一些另外的这样的实施方式中，在(a)中，可以在所述反应室中的多个处理站内接收多个衬底；在(b)中，可以通过执行所述循环沉积工艺的N个循环，在所述多个衬底上沉积所述膜的厚度的一部分；在(c)中，可以将所述多个衬底传送至所述反应室中的不同处理站；以及在(d)中，可以通过执行所述循环沉积工艺的N'个循环，在所述多个衬底上沉积所述膜的厚度的另一部分。在一些进一步的这样的实施方式中，所述多个衬底可以包括至少所述第一衬底和第二衬底，并且(c)可以进一步包括将所述第二衬底从所述第二处理站传送至所述第一处理站。
在一些另外的这样的实施方式中，在(c)之后且在(d)之前，在所述反应室中的处理站内接收至少一个附加的衬底，其中(d)还包括在所述至少一个附加的衬底上沉积所述膜的厚度的另一部分。在一些进一步的这样的实施方式中，可以在所述反应室中的所述第一处理站内接收所述至少一个附加的衬底。
本发明还公开了用于在多个半导体衬底上沉积膜材料的多站式衬底处理装置。在一些实施方式中，该装置可以包括：处理室；包含在所述处理室内的第一成组的一个或多个处理站，每一个处理站都具有衬底保持架；包含在所述处理室内的第二成组的一个或多个处理站，每一个处理站都具有衬底保持架；一个或多个阀，其用于控制膜前体的朝向所述处理站的流动；阀操作式真空源和/或气体清扫源，其用于从围绕包含在所述处理室中的所述处理站的体积去除膜前体；衬底加载设备，其用于将衬底加载到所述处理室中一个或多个所述处理站处；衬底传送设备，其用于将一个或多个衬底从所述第一成组的处理站传送到所述第二成组的处理站；以及一个或多个控制器。
在一些这样的实施方式中，在一些这样的实施方式中，所述一个或多个控制器可以包括用于操作所述衬底加载设备、所述衬底传送设备、所述一个或多个阀、以及所述真空源以沉积膜材料到所述衬底上的机器可读指令。在一些这样的实施方式中，所述机器可读指令包括用于下述操作的指令：将第一成组的一个或多个衬底加载至所述处理室中所述第一成组的一个或多个处理站处；通过执行N个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第一成组的处理站处的所述第一成组的衬底上。此后，在一些这样的实施方式中，所述机器可读指令可以进一步包括用于下述操作的指令：将所述第一成组的衬底从所述第一成组的处理站传送到所述第二成组的处理站；将第二成组的一个或多个衬底加载至所述处理室中所述第一成组的处理站处；以及通过执行N'个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第一成组的处理站处的所述第二成组的衬底上以及至所述第二成组的处理站处的所述第一成组的衬底上。此外，某些这样的装置实施方式可以用于之后的下述操作的附加的机器可读指令：从所述处理室卸载所述第一成组的衬底；将所述第二成组的衬底从所述第一成组的处理站传送到所述第二成组的处理站；以及将第三成组的一个或多个衬底加载至所述处理室中所述第一成组的处理站处；以及通过执行N个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第二成组的处理站处的所述第二成组的衬底上以及可选地至所述第一成组的处理站处的所述第三成组的衬底上。
在一些实施方式中，其中多站式衬底处理装置可以包括衬底加载设备，所述衬底加载设备可以包括用于将衬底放置到一个或多个处理站的衬底保持架上的衬底搬运机械手。在一些实施方式中，所述衬底传送设备可以包括转盘，所述转盘通过使所述衬底相对于基本上垂直于所述衬底的平面并且基本上等距地处于所述衬底之间的中心轴旋转的方式运行。
在一些实施方式中，所述处理室包含4个处理站，并且所述第一成组的处理站和所述第二成组的处理站各自由2个处理站组成。在一些实施方式中，所述处理室包含2个处理站，并且其中所述第一成组的处理站和所述第二成组的处理站各自由1个处理站组成。在一些实施方式中，所述处理室包含偶数个处理站S，并且其中所述第一成组的处理站和所述第二成组的处理站各自由S/2个处理站组成。在一些实施方式中，所沉积的膜材料可以包括电介质，如硅氧化物、硅氮化物或硅碳化物。在一些实施方式中，所沉积的膜材料可以包括导体。
在一些实施方式中，所述多站式衬底处理装置的所述一个或多个控制器进一步包括用于下述操作的机器可读指令：选择所沉积的所述膜的目标厚度D；选择最接近1/2*D/d的正整数N(其中，d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度)；以及选择N'为N-1、N或者N+1。在一些实施方式中，所述一个或多个控制器进一步包括用于下述操作的机器可读指令：当|Δ|<d/2时，选择N'为N，其中Δ＝2*d*N-D；当|Δ|>d/2且Δ>0时，选择N'为N-1，其中Δ＝2*d*N-D；以及当|Δ|>d/2且Δ<0时，选择N'为N+1，其中Δ＝2*d*N-D。
本发明还公开了用于在多个半导体衬底上沉积膜材料的多站式衬底处理装置。在一些实施方式中，该装置可以包括：处理室；包含在所述处理室内的第一处理站；包含在所述处理室内的第二处理站；一个或多个阀，其用于控制膜前体的朝向所述处理站的流动；阀操作式真空源，其用于从围绕包含在所述处理室中的所述处理站的体积去除膜前体；衬底加载设备，其用于将衬底加载到所述处理室中一个或多个所述处理站处；衬底传送设备，其用于将一个或多个衬底从所述第一成组的处理站传送到所述第二成组的处理站；以及一个或多个控制器，其包括用于操作所述衬底加载设备、所述衬底传送设备、所述一个或多个阀、以及所述真空源以沉积膜材料到所述衬底上的机器可读指令。所述指令可以包括用于下述操作的指令：(a)将至少第一衬底加载至所述处理室中所述第一处理站处；(b)通过执行N个膜沉积循环，在所述第一处理站处的至少所述第一衬底上沉积限定的膜厚度的一部分；(c)将至少所述第一衬底传送到所述第二处理站；(d)在(c)之后，通过执行所述循环沉积工艺的N'个循环，在至少所述第一衬底上沉积所述限定的膜厚度的另一部分，其中，N不等于N'，选择N'和N以获得所述限定的膜厚度；以及(e)从所述反应室去除至少所述第一衬底。
在一些实施方式中，所述指令可以进一步包括：在(a)中，在多个处理站处加载多个衬底；在(b)中，通过执行所述循环沉积工艺的N个循环，在所述多个衬底上沉积所述限定的膜厚度的一部分；在(c)中，将所述多个衬底传送到所述处理室内的不同的处理站；以及在(d)中，通过执行所述循环沉积工艺的N'个循环，在所述多个衬底上沉积所述限定的膜厚度的另一部分。
在一些实施方式中，所述一个或多个控制器可以进一步包括用于下述操作的机器可读指令：在(c)之后且在(d)之前，在所述反应室中的处理站内加载至少一个附加的衬底，使得(d)还包括在所述至少一个附加的衬底上沉积所述膜厚度的另一部分。
在一些实施方式中，单个膜沉积循环可以包括：(i)使膜前体吸附到所述衬底上，使得所述前体在所述衬底上形成吸附受限层；(ii)从围绕被吸附的所述前体的体积去除至少一些未被吸附的膜前体；(iii)在(ii)中去除未被吸附的前体之后，使被吸附的膜前体反应以在所述衬底上形成膜层；以及(iv)在被吸附的所述前体反应后，从围绕所述膜层的体积去除存在的解吸后的膜前体和/或反应副产物。
在一些实施方式中，所述衬底加载设备可以包括用于将衬底放置到至少一个处理站上的衬底搬运机械手。
在一些实施方式中，所述衬底传送设备可以包括转盘，所述转盘通过使所述衬底相对于基本上垂直于所述衬底的平面并且基本上等距地处于所述衬底之间的中心轴旋转的方式运行。
在一些实施方式中，所述处理室可以包含4个处理站。在一些这样的实施方式中，所述一个或多个控制器可以进一步包括用于下述操作的机器可读指令：选择所沉积的膜的目标厚度D；选择最接近1/4*D/d的正整数N，其中，d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度；以及选择N'为N-1、N或者N+1。在一些这样的实施方式中，所述一个或多个控制器进一步包括用于下述操作的机器可读指令：当|Δ|<d/2时，选择N'为N，其中Δ＝4*d*N-D；当|Δ|>d/2且Δ>0时，选择N'为N-1，其中Δ＝4*d*N-D；以及当|Δ|>d/2且Δ<0时，选择N'为N+1，其中Δ＝4*d*N-D。
本文还公开了具有用于执行本发明所公开的操作的任何和所有的各种组合的机器可读指令的机器可读介质。这样的指令可以通过本文公开的多站式衬底处理装置的一个或一个以上的系统控制器来读取和/或执行。
附图说明
图1是具有带有单一处理站的处理室的衬底处理装置的示意图。
图2A是四站式衬底处理装置的示意图，其具有用于从两个处理站加载和卸载衬底的衬底搬运机械手和用于操作该装置的控制器。
图2B是四站式衬底处理装置的示意图，其具有用于从一个处理站加载和卸载衬底的衬底搬运机械手和用于操作该装置的控制器。
图3A示出了表示2×2模式(或2×2“灵活”模式)的操作序列的一个实施例。
图3B示出了表示一种典型的沉积模式的操作序列的一个实施例。
图3C示出了表示一种连续模式操作序列的一个实施例。
图4A是用于根据本文所公开的原理的在多站式处理室中的多个半导体衬底上沉积膜材料的方法的一个实施例的流程图。
图4B是使用交替轮次的N和N'个沉积循环向任意数量的成组的一个或多个衬底上进行沉积的操作序列的示例的流程图。
图4C是基于镶嵌模式在多站式处理室中的多个半导体衬底上沉积膜材料的方法的一个实施例的流程图。
图5A是显示经由ALD工艺在衬底上形成材料膜的操作序列的实施例的流程图。
图5B是显示经由沉积工艺在衬底上形成材料膜的基本操作序列的时序图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其它情况下，未详细描述公知的处理操作以免不必要地使本发明难以理解。尽管将会结合具体的详细实施方式描述本发明，但是应当理解，这些具体的详细实施方式并不旨在限制本发明所公开的创造性构思的范围。
本文所公开的是，在涉及多个膜沉积循环的半导体制造操作中不损失吞吐量的情况下，改善在半导体衬底上的薄膜的厚度精度(作为相对于目标厚度的偏差来量度)的方法和装置，其中每个膜沉积循环产生“离散型”的膜厚度。如上所述，ALD是一种这样的膜沉积方法，但放置多个薄层膜并以重复的顺序方式使用的任何技术可以被视为涉及多个沉积循环，并且本文所公开的方法和装置也通常可用于在这样的多循环沉积操作中控制膜厚度。
膜沉积装置概述
在诸如图1中所示的衬底处理装置中，通常可以执行用于在半导体衬底上沉积膜的操作。将在下面更详细描述的图1的装置100有单一的处理室102，处理室具有位于内部体积内的单一的衬底保持架108，该内部体积可通过真空泵118被保持在真空条件下。气体输送系统101和喷头106也流体耦合到室以输送(例如)膜前体、载体和/或清扫和/或工艺气体、二级反应物等。用于在处理室中产生等离子体的设备也显示于图1并将在下面进一步详细地描述。在任何情况下，在图1示意性地显示的装置提供了用于在半导体衬底上执行诸如ALD之类的膜沉积操作的基本设备。
用于加速膜沉积的并行的衬底处理装置的概述
虽然在某些情况下，像图1那样的衬底处理装置可能是足够的，但是当涉及费时的膜沉积操作时，通过同时在多个半导体衬底上并行地进行多个沉积操作以提高衬底处理吞吐量，这可能是有利的。基于这样的目的，如图2A所示意性示出的那样，可以采用多站式衬底处理装置。图2A的衬底处理装置200仍采用单个衬底处理室214，然而，在由处理室的壁所限定的单一内部体积内，是多个衬底处理站，每一个衬底处理站可以用于在被保持在该处理站的晶片保持架中的衬底上执行处理操作。在该特定实施方式中，多站式衬底处理装置200被显示为具有4个处理站201、202、203和204。其它类似的多站式处理装置可具有较多或较少的处理站，具体取决于实施方式以及例如并行晶片处理的期望程度、尺寸/空间的限制、成本限制等。图2A还示出了将在下面更详细地描述的衬底搬运机械手226和控制器250，衬底搬运机械手226和控制器250还有助于执行高效率的多衬底并行沉积操作这一目标。
就设备成本和运营费用这两方面而言，通过使用如图2A中所显示的那样的多站式处理装置可以实现多种效率。例如，单个真空泵(未在图2A中示出，而例如图1中的118)可以被用来为所有的4个处理站创建单个高真空环境，并且可以排空所有4个处理站中的已用过的工艺气体。根据实施方式的不同，每一个处理站可以具有它自己的用于气体输送的专用喷头(参见，例如，图1中的106)，但共享相同的气体输送系统(例如，图1中的101)。同样，等离子体发生器设备的某些元件可在处理站之间被共享(例如，电源)，但是根据实施方式的不同，某些方面可以是处理站专用的(例如，如果喷头用于施加生成等离子体的电位，参见以下图1的讨论)。然而，再次，应当理解的是，这样的效率还可以通过每个处理室使用更多或更少数量的处理站(例如每个反应室使用2个、3个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个或16个、或更多的处理站)而在较大或较小的程度上实现。
在4站式室中的并行衬底沉积操作序列
如上所述，在共同的衬底处理室中在多个处理站处理多个衬底可通过下述方式增大吞吐量：使膜沉积能同时且并行地在多个衬底上进行，同时在各站之间利用共同的处理设备。
图2A示出了适合于这种用途的处理装置的一个实施例，其中，衬底加载设备(在这种情况下为衬底搬运机械手226)用于在处理站201和202加载衬底，以及衬底传送设备(在这种情况下为衬底转盘290)用于在各处理站201、202、203和204之间传送衬底。鉴于这样的处理站和衬底加载设备以及衬底传送设备的配置，可以有多种处理顺序来使膜沉积(例如N个膜沉积循环)能在多个衬底上并行地进行。
例如，一种方法将被称为所谓的“静态模式”。在“静态模式”中，室经由端口220打开，将晶片加载到所有4个站，关断室，在所有的4个晶片上并行地进行N个沉积循环，结束沉积循环，将室打开，并且将4个晶片移走。
在如图2A所示的实施方式中，衬底加载设备被描绘成具有2个臂的用于衬底操控的衬底搬运机器手226，因此，如所描绘的，它可以(可能同时、或者可能顺序地)在两个站201和202都加载衬底。然后，在向站201和202加载后，衬底传送设备(如图2A所描绘的转盘290)可以旋转180度(绕其中心轴，中心轴基本上垂直于所述衬底的平面(从页面出来)，并且基本上等距地位于衬底之间)以将两个衬底从站201和202传送到站203和204。这时，搬运机器手226可以在站201和202加载2个新衬底，从而完成加载过程。要卸载时，这些步骤可以颠倒，所不同的是，如果要处理多个成组的4个晶片，则在将转盘290转动180度之前，每通过搬运机械手226卸载2个衬底将随之加载2个新衬底。类似地，配置成将衬底放置在仅1个站(例如201)的独臂搬运机械手将用在4步骤加载处理中，4步骤加载处理伴随有将转盘290旋转90度，旋转4次，从而向所有的4个站加载衬底。
在任何情况下，在刚刚描述的这种所谓的“静态模式”中，每个衬底在4个处理站中的1个处理站处完成其全部膜沉积(所有的N个循环)。然而，常常发现，如果每个衬底经历处理室内的多个处理站，即，对于每个衬底，在一个站沉积其膜的一部分，而在一个或多个其它处理站沉积一部分，则可以在不同的衬底上实现较一致的膜沉积。这致使在不同的站进行的沉积中的任何系统差异平均化(averaging-out)。
这样的不同站之间的沉积平均可以通过使用与刚刚描述的基本的“静态模式”不同的各种处理顺序来实现。例如，在一种被称为“连续模式”的操作方案中，在处理室中通过变换90度的转盘旋转交替地执行N个沉积循环，使得每个晶片在4个站中的每一站经历N个沉积循环。详而言之，在这种操作模式下，在站201，经由搬运机械手226加载第一衬底，执行N个沉积循环(其仅在第一衬底上进行沉积)，将转盘290旋转90度，从而将第一衬底移动到站202，在站201加载第二衬底，执行另一个N个沉积循环(这次在第一和第二衬底上都进行沉积)，等等，直至第一衬底在处理站201、202、203和204中的每一站都经历了N个沉积的循环，第二衬底在站201、202和203中的每一站都经历了N个沉积的循环，在204处的沉积随后进行，等等。需要注意的是，总计起来，每个衬底将因此进行总数为4N个的膜沉积循环。
相对于“静态模式”，“连续模式”是有益的，因为每个晶片以相同的情况经历每个站；但是这种操作模式的其它特性使它不太有吸引力。首先，连续模式涉及到大量的衬底加载/卸载、“换位”(即，衬底从一个处理站到另一个处理站的传送，以及处理室端口220的开/关)。特别应该注意的是，对于在4个站进行其被分配的4N个沉积的衬底而言，处理室必须打开和关断4次以进行加载/卸载操作，每次都伴随将室内部的环境恢复回到适合沉积的环境条件(例如，温度、压力、流率等)。静态模式下在使用1个站进行加载操作时可能涉及相同数量的换位(使用90度的变换旋转)以使4个晶片到达用于沉积的位置，但是室只打开和关断一次，因为在静态模式下，在所述变换旋转之间没有执行中间沉积。因此，在沉积之前，(逐个地)加载所有的4个晶片到多站式室也是可行的，但也导致由附加的换位步骤造成的显著更长的开销时间。
在4站式室内的镶嵌模式衬底沉积操作序列
沉积操作的替代方案可以称为“镶嵌模式”。镶嵌模式使每个晶片在大约相同的情形下经历每个站，但避免了为了加载/卸载操作而重复打开和关闭处理室。
图2B示出了适用于连续模式或镶嵌模式的处理装置的一个实施例。在图2B中，多站式衬底处理装置200A类似于图2A所示的多站式衬底处理装置200。然而，搬运机械手226A不同于搬运机械手226，不同之处在于如图2B所描绘的搬运机械手226A具有用于衬底操控的单个臂。在替代的实施方式中，搬运机械手226A可具有用于衬底操控的多个臂。图2B所示的搬运机械手226A可以将1至4个衬底加载到站201-204内。
连续模式和镶嵌模式之间的差别在于：在连续模式中，最初只可以加载一个衬底，在沉积循环之间换位之后加载附加的衬底。在镶嵌模式中，可以将整组衬底加载到处理室中，然后对该组衬底进行处理。将衬底加载到站内后，可执行N个沉积循环。在执行N个沉积循环后，接着可以使转盘290旋转90度，并执行N'个沉积循环，等等，直到四个衬底中的每一个已经在处理站201、202、203和204中的每一站经历了N、N'、N”和N”'个沉积循环。针对某些膜的目标厚度，N、N'、N”和N”'可以全都是相同的数目，但对于许多的厚度，N'、N”和N”'中的一些或全部可以是不同于N的值。通常，N'、N”和N”'可以具有值N、N+1或N-1，但某些实现方案可以具有与N相差更大的值的N'、N”和N”'。例如，某些实施方式可具有的N'、N”、或N”'是值N、N+1、N+2、N+3、N-1、N-2或N-3。
2×2模式的衬底沉积
然而，操作的另一方案是所谓的“2×2模式”。在2×2模式中，交变的加载/沉积步骤在很大程度上类似于连续模式那样被使用，但使用2-衬底加载设备(如图2A所示的衬底搬运机械手226)以在2个处理站同时进行加载/卸载。在这样操作时，加载/卸载步骤的数量和室开关的数量被削减了一半，并且由于处理站之间的变换180度的旋转，因此换位的数量也减少了一半。因此，2×2模式涉及一次加载2个衬底，并对每个衬底进行2个沉积序列的处理(因此称“2×2”)。
衬底沉积的2×2模式的说明示例
表示2×2模式的操作序列的一个实施例示于图3A。需要注意的是，为简单起见，在图3A中，站201-204已重新标记为A-D。参照图3A，在步骤1中，衬底1和2由衬底加载设备(未示出)加载到站A和D，在步骤2中，执行N个沉积循环(例如，ALD循环)以在衬底1和2上沉积N层膜(例如，电介质膜)。在步骤3中，分别通过衬底传送设备(未示出)将衬底1和2旋转(换位)180度(如弯曲箭头所示)到达位置C和B，并执行N'个膜沉积循环以在衬底1、2、3和4中的每一个上沉积材料。典型地，在步骤2和4进行的沉积循环的数量将是相同的，从而在第4步骤结束时，留下具有2N层沉积膜的衬底1和2以及具有N层膜的衬底3和4。然而，在一些实施方式中，N和N'被选择为是不同的，如下面进一步详细说明的。在任何情况下，在步骤5中，衬底3和4分别旋转到站C和B，且衬底1和2与新衬底5和6交换(即，在站A和D处，1和2被卸载，而5和6被加载)。最后，在步骤6中，衬底3和4承受它们的第二轮沉积，此时是N个循环，而新的衬底5和6承受它们的第一轮的沉积循环，也是N个循环。注意，该处理可以无限期地继续以处理与所需要的量一样多的衬底对。另外要注意，再次，每个经完全处理的晶片已在2个处理站(或者A和C，或D和B)承受了膜沉积。因此，2×2模式表示在处理速度和多个处理站的沉积平均化之间的有效和可行的折衷方案。
衬底沉积的连续模式的说明示例
表示连续模式的操作序列的一个实施例示于图3B。如在图3A所示，为简单起见，站201-204已在图3B被重新标记为A-D。参照图3B，在步骤1中，衬底1由衬底加载设备(未示出)加载到站A并执行N个沉积循环以在衬底1上沉积N层膜。在步骤2中，将衬底1旋转(换位)90度(如弯曲箭头所示)以到达站B，并由衬底加载设备将衬底2加载到站A。在旋转衬底1及加载衬底2之后，执行N个膜沉积循环，以在衬底1和2中的每一个上沉积材料。在步骤3中，将衬底1和2分别旋转到站C和B，并通过衬底加载设备将衬底3加载到站A，然后对衬底1、2和3中的每一个执行N个膜沉积循环。在步骤4中，将衬底1、2和3分别旋转到站D、C和B，并通过衬底加载设备将衬底4加载到站A，然后对衬底1、2、3和4中的每一个执行N个膜沉积循环。在步骤5中，将这些衬底旋转90度，使得衬底1、2、3和4分别到达站A、D、C和B。在旋转之后，接着，通过衬底加载设备从站A将衬底1卸载，然后，通过衬底加载设备将衬底5加载到站A，然后执行N个膜沉积循环。然后该处理可以通过附加的换位、衬底的加载和卸载以及膜的沉积循环继续。该处理可以无限期地继续以处理与所需要的量一样多的衬底。
在连续模式的某些实施方式中，在步骤1-4中的每个步骤进行的沉积循环的数量在值方面可以不同。例如，在步骤1中执行的沉积循环的数量可以是N，在步骤2中执行的沉积循环的数量可以是N'，在步骤3中执行的沉积循环的数量可以是N”，而在步骤4中执行的沉积循环的数量可以是N”'。N、N'、N”和N”'可以以与在本公开内容其它部分所描述的方式相同的方式变化。所公开的方法允许有至少两个选项来定制沉积的膜的目标厚度：(a)选择N'、N”和/或N”'，和(b)站的数目，其中沉积循环的数量不是N。例如，在四站式反应器中，可以在一个、两个或三个站使用N'(不等于N)个循环。
连续模式使得每个衬底能经历每个站以进行数量相同的沉积循环。然而，如所提到的，连续模式涉及大量的衬底加载/卸载、换位、和处理室的打开/关闭。
衬底沉积的镶嵌模式的说明示例
表示镶嵌模式的操作序列的一个实施例示于图3C。如在图3A所示，为简单起见，站201-204已在图3C被重新标记为A-D。参照图3C，在步骤1中，衬底1、2、3和4都由衬底加载设备(未示出)分别加载到站A、B、C和D。在步骤2中，并执行N个沉积循环以在衬底1、2、3和4上沉积N层膜。在步骤3中，使衬底1、2、3和4旋转(换位)90度(如弯曲箭头所示)以分别到达站D、A、B和C。在步骤4中，执行N'个沉积循环以在衬底1、2、3和4上沉积N'层膜。在步骤5中，使衬底1、2、3和4旋转90度以分别到达站C、D、A和B。在步骤6中，执行N”个沉积循环以在衬底1、2、3和4上沉积N”层膜。在步骤7中，使衬底1、2、3和4旋转90度以分别到达站B、C、D和A。在步骤8中，执行N”'个沉积循环以在衬底1、2、3和4上沉积N”'层膜。在步骤9中，使衬底1、2、3和4从处理室卸载，将新的成组的衬底(衬底5、6、7和8)加载到处理室中。然后，可对衬底5、6、7和8重复上述过程，并且可以无限期地继续下去，直到已处理期望数量的衬底。
镶嵌模式使得执行的循环总数可以有灵活性。在某些半导体处理模式中，循环的总数量可以被限制为是在沉积期间衬底经历的站的数量的倍数的数量。在这样的情况下，如果，例如，每个循环在衬底上沉积1.62埃的材料，在图3B中所示的处理可以受限于6.48埃的倍数的衬底目标厚度水平。与此相反，例如，对于所描述的镶嵌模式，N'可以与N相同，或可以是N-1或N+1。N”和N”'也可各自为N、N-1或N+1。在图3C所示的实施例中，在每个站所执行的下面的循环数是可行的：
因此，镶嵌模式(和连续模式的某些实施方式)使得能将衬底的目标厚度控制低到一个循环沉积的厚度，例如1.62埃。此外，在典型的半导体处理操作中，每个衬底在每个站经历的循环数可以是相当多的。例如N(正如上面的段落所述)在某些半导体处理操作中可能会达到100以上。当在每个站执行这样大数量的循环时，增加或者减少在一个特定站进行的一个或两个或个位数的循环不会显著影响到晶片至晶片(wafer to wafer)以及点至点(point to point)的精度。因此，镶嵌模式使得每个衬底能经历来自每个站的数量相同的沉积循环。最后，由于在镶嵌模式下成组的衬底一起加载和卸载，因此大大减少了加载/卸载和处理室的关闭/打开。
可以根据目标膜厚度来选择N、N'、N”、N”'等的精确值。具有不同的目标膜厚度的处理可以有不同的值N、N'、N”、N”'等等以最好地匹配目标膜厚度。N、N'、N”、N”'等等之间的关系(即，N'是否等于N、N-1或N+1)也可以取决于目标膜厚度。
2×2模式、连续模式以及镶嵌模式的各种特征可以组合在一起。例如，沉积模式可以将在连续模式中所示的每个步骤以后或者进行每次换位之后单个衬底的加载和卸载与在镶嵌模式中所示的不同步骤的不均匀数量的沉积循环组合。因此，例如，如果沉积模式包括四个处理站，那么可以将衬底换位，以及可以在每个处理步骤之后加载和/或卸载衬底。在处理步骤中的三个中，可以进行N个沉积循环。然而，对于每个第四处理步骤，可以进行N+1个沉积循环。这样的沉积模式的其他实施方式可以改变具有N+1个沉积循环的处理步骤的数量，或者可以具有使用N-1个沉积循环而不是使用N+1个沉积循环的某些处理步骤。
提高2×2模式的目标厚度精度
再回过来参考图3A，上面已陈述，在步骤2期间执行的沉积循环数量N可以与在步骤4期间执行的沉积循环的数量N'相同或不同。事实证明，通过对N和N'的明智选择，2×2处理模式的厚度精度可以提高约2倍，而不对处理吞吐量带来任何实质性的影响。这可以按如下方式实现。
一般而言，如果衬底在多个处理站进行了一系列的沉积循环，那么沉积在衬底上的膜层的总数是由晶片所经历的处理站的数量和在每个处理站执行的循环数的乘积。因此，在2×2模式的情况下，通常，每个衬底在2个处理站进行N个沉积循环，因此总的沉积膜是由2N层组成，且具有厚度为2N*d，其中d是单层的平均厚度(即，d为每个循环的沉积率)。因此，虽然所得到的2-站式平均化改善了衬底之间的膜厚度均匀性，这也意味着，厚度精度的控制现在被限制为是2*d。例如，当经由ALD沉积双重图案化氧化物膜时，单一的ALD沉积层(即，由单一ALD循环产生的膜)的厚度d可以是约(埃)。因此，目标厚度只能从2*d＝3.24埃(假定最佳的理论厚度精度为)的整数倍中选择。静态模式(相比而言，其中每个衬底在单个处理站进行沉积)可以通过默认控制膜的厚度精度为d＝1.62埃的整数倍。
说明其另一种方式，在标准程序中，对于给定的目标厚度D，一个人选择沉积循环的数量N以使得2N*d尽可能接近D，这意味着膜厚度的控制受限于2*d的整数倍。然而，“2×2灵活模式”对厚度的控制达到了上面所概括的相同的基本的2×2灵活模式程序内的精度1*d。这在某些规定的情况下，通过使用由每个晶片所经历的在两个处理站中的一个处的不同数量的沉积循环来实现。因此，再次参照图3A，在修改后的“2×2灵活模式”程序中，步骤2进行N个膜沉积循环，但步骤4进行N'个膜沉积循环，其中N'可以不同于N。结果是，衬底1和2经历了总数为N+N'的膜沉积循环，并具有(N+N')*d的所得膜厚度。此外，在接下来的沉积步骤中，即图3A的步骤6中，如所示，再次进行N个沉积循环的沉积，使得下一对衬底，即衬底3和4，也经历总共N'+N＝N+N'个循环，因此，通过交替使用N或N'个循环的沉积步骤，将对每个随后的成对晶片进行相同总数的沉积步骤的处理。
接下来的问题是如何最佳地选择N和N'。在标准程序中，不区分N和N'，因此总的沉积膜厚总是如上所述的2N*d(d的偶数整数倍)。这里，在已修改的2×2灵活模式程序中，N'可以选择不同于N，例如，为N+1，所以得到的膜厚度可以被选择为是(N+N+1)*d＝(2N+1)*d，即d的奇数整数倍。因此，在灵活模式程序中，沉积循环的总数可以被选择为奇数或偶数，具体取决于选择N'是等于N还是等于N+1还是等于N-1，并且这使得厚度控制能低到一个沉积循环的分辨率。
因此，2×2灵活模式程序如下：对于给定的目标膜厚度D，判定最接近D/d的正整数M是否为奇数(d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度)，并且如果M是奇数，则选择N和N'，使得N+N'＝M且|N-N'|＝1。在另一方面，如果M是偶数，则选择N和N'，使得N＝N'＝1/2*D/d。
替代地，2×2灵活模式程序也可以被视为和操作如下：选择所沉积的膜的目标厚度D，以及选择N是最接近1/2*D/d的正整数(其中，d仍然是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度)。然后基于以下标准，选择N'是N-1、N或N+1：
当|Δ|<d/2时，选择N'为N；
否则，当|Δ|>d/2时，如果Δ>0，则选择N'为N-1，或如果Δ<0，则选择N'为N+1；
其中Δ＝2N*d-D。当然，可以交换标号N和N'而不改变技术的实质。例如，在作出上述判定后，N'可以在图3A的步骤2中使用，而N可以在图3A的步骤4中使用，这不会改变本发明所公开的原理，也不会改变由前面的描述所包含的方法的范围。需要注意的是，上述标准及其评估可以被实现为机器可读指令，该机器可读指令驻留在多站式衬底处理装置的控制器上(和/或可通过多站式衬底处理装置的控制器访问)或呈现在例如通过系统控制器可读取的非临时性计算机可读介质(如存储器设备/芯片、光盘等)中。
图4A示意性地示出了一种根据上述原理在多站式处理室中在多个半导体衬底上沉积膜材料的方法的一个实施例。在下面详细描述合适的装置的实施例。如该图4A所示，并且也在图3A中所指明的，该方法可以被看作是具有如垂直虚线的左侧所示的衬底加载/传送操作和如垂直虚线右侧所示的沉积操作。
参照图4A，在一些实施方式中，一种方法可开始于操作410，在操作410，加载第一成组的一个或多个衬底至处理室中第一成组的一个或多个处理站处。(该第一成组的站可以是图2A的站201和202或图3A的站D和A)。然后该方法可进行到操作420，在操作420，通过执行N个膜沉积循环在第一成组的处理站处将膜材料沉积到第一成组的衬底上。(也参见，图3A的步骤1和2等等)。在操作420中的沉积之后，可以在操作430中将第一成组的衬底在处理室中从第一成组的处理站传送到第二成组的一个或多个处理站，并且在操作440中，第二成组的一个或多个衬底可被加载到处理室中第一成组的处理站处。随着这两个成组的衬底现在都被加载到处理室中，在操作450可进行另一轮的沉积：即通过执行N'个膜沉积循环，将膜材料沉积到在第一成组的处理站处的第二成组的衬底上以及沉积到在第二成组的处理站处的第一成组的衬底上。如上面详细讨论的，在一些实施方式中，可以选择N'不等于N，以便提高所沉积的膜厚度的精度。最后，在该沉积步骤之后，在操作460中，可以从处理室卸载第一成组的衬底。(在一些实施方式中，这可以通过把它们传送回第一处理站进行，在第一处理站它们可以由诸如在图2A中所示的衬底搬运机械手226之类的衬底加载设备访问)。这时，第一成组的衬底已执行了完整的膜沉积序列并且已经退出处理室。为了完成针对第二成组的衬底的膜沉积序列，在可选操作470(如虚线所示)中，可以将第二成组的衬底从第一成组的处理站传送到第二成组的处理站以进行它们的第二成组的沉积循环。在这时，如果正在处理的批量衬底中有附加的衬底，则可以在操作480，将第三成组的衬底加载到处理室中第一成组的处理站处。然后，在操作490，通过执行N个膜沉积循环，可以将膜材料沉积到在第二成组的处理站处的第二成组的衬底上和任选地沉积到第一成组的处理站处的第三成组的衬底上。(同样，参见上述图3A的上下文中的关于在N和N'个沉积循环之间交替的讨论)。在图4A所示的序列可以继续完成第三成组的衬底上的沉积(在第三成组的第二轮的沉积循环中，它会是N'个沉积循环)并处理批量衬底中的附加的成组的衬底，例如，第四成组的衬底、第五成组的衬底等等。
图4B进一步示出了这样的使用交替轮次的N和N'个沉积循环对任意数量的成组的一个或多个衬底进行沉积的多站式膜沉积方法。在图4B中所示的成组的操作开始于操作491，在操作491，向第一成组的处理站加载成组的衬底。(请注意，成组的衬底可以仅仅是一个衬底，而成组的处理站可以仅仅是一个处理站)。在该实施方式和其它实施方式中，在每一组中衬底的数量通常是相等的，而在室中的所有处理站被用于每一步骤中(不包括序列的开始或结束期间)。
然后在操作492进行膜沉积，其包括对在处理室中的所有衬底进行N个膜沉积循环。如果在操作491中加载的衬底构成该批次的第一成组的衬底，则推测，处理室否则是空的，并且因此在第一成组的处理站加载的第一成组的衬底将是在这一轮操作492中进行沉积的唯一衬底，但是，如果另外的成组的衬底存在于室中(例如，因为刚刚在操作491加载的成组的衬底不是在该批次中的第一成组的衬底)，则推测，在处理室中的这些另外的衬底也将在操作492中进行沉积。并且，这些另外的衬底在操作492期间位于第二成组的处理站处，这些另外的衬底已经在先前的操作中在第一成组的处理站处进行了沉积。因此，在操作493中，卸载在第二成组的处理站处的衬底，将在第一成组的处理站处的衬底传送到所述第二成组的处理站处，并且在第一成组的处理站处加载新的成组的衬底。
现在，在衬底位于它们的新的站时，在操作494中进行另一轮的膜沉积：具体地讲，在处理室中的所有衬底上进行N'个膜沉积循环。因此，刚从第一成组的处理站传送到第二成组的处理站的衬底现在其上面已执行了总数为N+N'个的膜沉积循环。在这时，在操作495中，将它们从第二成组的处理站处卸载，操作495还包括从第一成组的处理站传送衬底以填补现在空出的第二成组的处理站。
此时，至少有一个成组的衬底已被充分沉积(已经进行了N+N'个沉积循环，其中N可以等于N'或可以不等于N')并已经从处理室卸载。因此，在操作496中，判定正被处理的批量衬底是否还包含附加的尚未处理的成组的衬底。如果还包含，则操作序列返回到操作491以重复前述的步骤，从而处理新的成组的衬底；并处理完最初(在操作491和492期间)会定位在第二成组的处理站的先前的成组的衬底。如果在指定用于处理的批量的衬底中没有包含附加的成组的衬底，那么接下来就是将仍然存在于第二成组的处理站的成组的衬底(已经在操作495传送到该第二成组的处理站)处理完。因此，在操作497中执行N个膜沉积循环，并在操作498，将这些已经充分完成了N'+N个膜沉积循环的衬底最终卸载下来。
应当注意，上述程序(例如，图4A和4B)可在具有多于或少于4个处理站(如2或6或8或10或12或14或16个处理站)的处理室中进行。通常，采用偶数个处理站，使得以上所讨论的第一和第二成组的处理站可以具有相等数量的处理站。因此，用于以2×2模式和/或灵活模式执行膜沉积操作的处理室将通常含有偶数个处理站S，其中第一成组的处理站和第二成组的处理站中的每一者都具有S/2个处理站。然而，在处理室中存在附加的处理站(即，奇数个处理站)不会阻止所公开的技术的操作。还应当注意的是，上述“灵活模式”也以与“2×4模式”中的处理方式类似的方式工作，在“2×4模式”处理中，同时加载2个晶片，并执行4个沉积步骤。
在图4C示意性地示出了根据上文概述的镶嵌模式在多站式处理室中在多个半导体衬底上沉积膜材料的示例性方法。图4C示出了应用于具有两个处理站的示例性半导体处理室的镶嵌模式。
参照图4C，在一些实施方式中，一种方法可开始于操作415，在操作415，将第一衬底加载至处理室内第一处理站处，而将第二衬底加载至处理室内第二处理站处。该方法接着可进行到操作425，在操作425，通过执行N个膜沉积循环，将膜材料分别沉积到在第一和第二处理站的第一和第二衬底。在操作425的沉积后，在操作435中，可以将第一衬底从第一处理站传送到下一处理站，且可以将第二衬底从第二处理站传送到另一个下一处理站。在操作435之后，在操作445，可进行另一轮的沉积，即经由执行N'个膜沉积循环，将膜材料沉积在第一处理站中的第二衬底上并沉积在第二处理站的第一衬底上。如上面详细讨论的，在一些实施方式中，N'可以是N、N-1或N+1。在操作445之后，操作455检查第一和第二衬底是否已经承受了它们的所有的预定沉积循环。若没有，则该方法返回到操作435，以再次将第一和第二衬底转动到它们的相应的下一个处理站。
如果在操作455中判定第一和第二衬底已经执行了完整的膜沉积序列，则该方法可进行到可选的操作465。在可选操作465中，接着可以从处理室卸载第一和第二衬底。可重复图4C中的顺序，以处理批量衬底中的附加的衬底，例如，第三衬底、第四衬底、依此类推，直到期望数量的衬底已被处理。
在上述方法的某些实施方式中，衬底可以如所设定的被加载、被传送、以及接收膜材料。例如，第一成组的衬底可以被加载到第一成组的处理站上，在第一成组的处理站承受N个沉积循环，然后可以将第一成组的衬底传送到第二成组的处理站以进行进一步的沉积循环。
实施例
下面的实施例对应于各种所建议的目标膜厚度D(50埃、100埃、250埃、300埃)验证理论上的膜厚度的改进。在下表中表明标准的2×2模式或2×2灵活模式是否沉积了具有最接近目标厚度D的厚度的膜。对应于每个实施例的表格显示：给定的目标厚度D；通过单个ALD循环沉积的膜层的厚度d(每个循环的ALD膜沉积速度)；对应于典型的“2×2ALD循环”的2*d的厚度；对应于两种模式操作的ALD循环的最佳数目—在下面实施例1中的30和31；对应于2×2模式的数目的一半；对应于两种操作模式总的ALD循环数(N+N')的分解；和总的沉积膜厚度以及与目标厚度D的偏差。
参考上面的讨论，N被选择为最接近1/2*D/d的整数(如表中所指明的)，并且对应于2×2灵活模式的N'被选择为N±1，具体取决于哪个是最佳的。这使得所执行的ALD循环的总数或者是2N，或者是2N±1，具体取决于操作模式，如表中所指出的。注意，对于实施例1和4，2×2灵活模式是最佳的，但对于实施例2和3，标准的2×2模式提供了最好的结果。在实践中，通过执行这些计算(或等同方式)并相应地选择最佳的操作模式，可以实施膜沉积方法。
实施例1
实施例2
实施例3
实施例4
原子层沉积技术与所沉积的膜的详细描述
如上文所讨论的，随着器件尺寸继续缩小以及集成电路发展到使用3-D晶体管和其它3-D结构，沉积精确数量(厚度)的共形膜材料(特别是电介质，还有各种含掺杂剂的材料)的能力已变得日益重要。原子层沉积是一种用于实现保形膜沉积以得到所需厚度的膜的技术，该保形膜沉积通常涉及多个沉积循环。ALD常被用于沉积在上述处理(例如，在图3和4系列中所呈现的那些处理)中描述的单个层。
相比于化学气相沉积(CVD)工艺，其中，使用激活的气相反应来沉积膜，ALD工艺使用表面介导的沉积反应以逐层地沉积膜。例如，在一类ALD工艺中，第一膜前体(P1)被以气相引入处理室中，被暴露于衬底，以及被允许吸附在衬底的表面(通常在成群的表面活性位点处)上。P1的一些分子可以在衬底表面上形成稠相，稠相包括P1的化学吸附物质和物理吸附分子。然后，可以排空围绕衬底表面的体积以除去气相和物理吸附的P1，使得只有化学吸附物质存在。随后可将第二膜前体(P2)引入到处理室中，使得P2的一些分子吸附到衬底表面。在处理室中围绕衬底的体积可再次抽空，这一次是除去未结合的P2。接着，提供到衬底的能量(例如，热能或等离子体能量)活化P1和P2的吸附分子之间的表面反应，从而形成膜层。最后，围绕衬底的体积被再次抽空以除去未反应的P1和/或P2和/或反应副产物(如果存在的话)，结束ALD的单个循环。
在下述文献中详细描述了用于沉积具有多种化学物质(及在ALD工艺序列中的许多变体)的共形膜的ALD技术：于2011年4月11日提交的、名称为“PLASMA ACTIVATEDCONFORMAL FILM DEPOSITION”的美国专利申请No.13/084,399(律师档案号NOVLP405)；于2011年9月23日提交的、名称为“PLASMA ACTIVATED CONFORMAL DIELECTRIC FILMDEPOSITION”的美国专利申请No.13/242,084,现在的美国专利No.8,637,411(律师档案号NOVLP427)；于2011年9月1日提交的、名称为“PLASMA ACTIVATED CONFORMAL DIELECTRICFILM DEPOSITION”的美国专利申请No.13/224,240(律师档案号NOVLP428)；以及于2012年9月7日提交的、名称为“CONFORMAL DOPING VIA PLASMA ACTIVATED ATOMIC LAYERDEPOSITION AND CONFORMAL FILM DEPOSITION”的美国专利申请No.13/607,386(律师档案号NOVLP488)；其中的每一个其全部内容出于所有目的通过引用并入本文。如在这些现有申请中所描述的，用于在衬底上沉积单层材料的基本的ALD循环可以包括：(i)将膜前体吸附在衬底上使得其形成吸附受限层，(ii)从围绕被吸附的前体的体积去除未被吸附的前体，(iii)使被吸附的前体反应以在衬底上形成膜层，以及(iv)从围绕形成在衬底上的膜层的体积去除解吸后的膜前体和/或反应副产物。操作(ii)和(iv)中的去除可以经由将围绕衬底的体积清扫、抽排、抽空到基础压强(“抽排至基压”)等来完成。应注意的是，操作(i)到(iv)的这种基本的ALD序列不必要在上述的实施例中那样涉及两种化学吸附反应物质P1和P2，甚至也不会必然涉及第二反应物质，但这种可能性/选项都可以使用，具体取决于所涉及的所需沉积化学物质。
但是，由于ALD的吸附限定性质，因此单个ALD循环只沉积薄的材料膜，并且常常只沉积单个的单层材料。例如，根据膜前体投配操作的暴露时间和膜前体(对衬底表面)的粘着系数的不同，每个ALD循环可沉积仅约0.5-3埃厚的膜层。因此，典型的ALD循环中的操作序列(刚才所描述的操作(i)到(iv))通常被重复多次以形成所需厚度的共形膜。因此，在一些实施方案中，操作(i)到(iv)连续重复至少1次，或至少2次，或至少3次，或至少5次，或至少7次，或至少10次。ALD膜可以以以下速率沉积：每ALD循环介于约0.1埃和约2.5埃之间的厚度；或每ALD循环介于约0.2埃和约2.0埃之间的厚度；或每ALD循环介于约0.3埃和约1.8埃之间的厚度；或每ALD循环介于约0.5埃和约1.5埃之间的厚度；或每ALD循环介于约0.1埃和约1.5埃之间的厚度；或每ALD循环介于约0.2埃和约1.0埃之间的厚度；或每ALD循环介于约0.3埃和约1.0埃之间的厚度；或每ALD循环介于约0.5埃和约1.0埃之间的厚度。
在一些成膜化学物质中，除了使用被称为“膜前体”的物质外，还可使用辅助反应剂或共反应剂。在某些这样的实施方式中，在步骤(i)至(iv)的子步骤期间或者遍及步骤(i)至(iv)中的每一个步骤期间，辅助反应剂或共反应剂可以在重复这些步骤时连续流动。在一些实施方式中，这种其它活性化学物质(辅助反应剂、共反应剂等)可以在其与膜前体反应之前与膜前体被吸附到衬底的表面上(如在上述的涉及前体P1和P2的实施例中所示的)，然而，在其它实施方式中，辅助反应剂或共反应剂在没有事先吸附到衬底表面上的情况下、在与被吸附的膜前体接触时本身与被吸附的膜前体发生反应。此外，在一些实施方式中，使被吸附的膜前体反应的操作(iii)可以涉及使被吸附的膜前体与等离子体接触。等离子体可提供能量以在衬底表面上驱动成膜反应。在某些这样的实施方式中，等离子体可以是在反应室中通过应用合适的RF功率所产生的氧化性等离子体(但在一些实施方式中，其可以远程产生)。在其他实施方式中，不是使用氧化性等离子体，而是可以使用惰性等离子体。氧化性等离子体可以由一种或多种氧化剂(如O2、N2O、或CO2)形成，并且可以任选地包括如Ar、N2或He之类的一种或多种稀释剂。在一个实施方式中，氧化性等离子体由O2和Ar形成。合适的惰性等离子体可以由一种或多种惰性气体(如He或Ar)形成。在ALD工艺过程中的进一步的变体在刚刚所引述的现有的专利申请(并且其通过引用并入本发明)中进行了详细描述。
因此，图5A中的流程图示意性地示出了经由ALD工艺在衬底上形成材料膜的基本操作序列。如图中所示，用于在衬底上形成多层膜的ALD工艺可开始于操作511，在操作511，将膜前体吸附到衬底上，使得所述前体在衬底上形成吸附受限层，随后进行操作512，在操作512，从围绕被吸附的前体的体积去除至少一些未被吸附的膜前体和/或反应物副产物。此后，在操作513中，被吸附的膜前体反应从而在衬底上形成膜层，并且随后，在操作514，在使被吸附的前体于操作513中反应后，从围绕膜层的体积去除存在的解吸后的膜前体和/或反应副产物。
前面的操作序列511至514代表一个ALD循环。然而，由于单个ALD循环通常仅沉积一层薄膜，因此，可按顺序重复多个ALD循环，以形成多层膜(或者，等价地，所需厚度的多层膜)。因此，再次参照图5A，在操作514结束ALD循环后，在操作515中，判定是否已形成足够层数的膜(或者是否已经沉积足够厚度的膜)——在这个实施例中，该判定通过判定是否已执行N或N'个循环(如上所述)来进行——并且如果已形成足够层数的膜，则成膜操作结束，而如果还没有形成足够层数的膜，则处理程序返回到操作511，以开始ALD的另一个循环。应当指出，在图4A和4B的上下文中描述的多衬底处理和膜沉积操作可以采用图5A的这些ALD成膜操作以在多个衬底上同时沉积膜。
在图5B的时序图中进一步图解了通过诸如ALD工艺之类的沉积工艺在衬底上形成材料膜的序列的一个实施例。图5B示出了4个沉积循环的处理步骤，每一循环包括以下处理步骤：前体输送、RF功率输送、反应气体输送和处理室的加压。图5B的处理步骤通过它们相应的线示出并表示为布尔值，或开启或关断。如果在图5B中处理步骤的相应的线处于“开启”位置，则处理步骤是开启的，而如果在图5B中处理步骤的相应的线处于“关断”位置，则处理步骤是关断的。
在所有的四个沉积循环中，处理室可被加压。图5B中突出显示了1个沉积循环。在这1个循环中，所述沉积循环的第一阶段可以是投配阶段。在投配阶段，将前体输送到处理室，但是关断射频功率且不输送反应气体或气体。在投配阶段，衬底可以吸附前体并在衬底上形成吸附层。图5B的投配阶段对应于图5A的操作511。
在投配阶段之后，接着会是沉积循环的清扫阶段。在清扫阶段，前体输送停止，在RF功率仍关断，仍然不输送反应气体。清扫相可从围绕被吸附的前体的体积去除至少一些未被吸附的膜前体和/或反应副产物。图5B的清扫阶段对应于图5A的操作512。
在清扫阶段之后，接着沉积循环可进入转换阶段。在转换阶段，RF功率被接通，并且还输送反应气体或气体。在转换阶段期间，吸附膜前体可发生反应以在衬底上形成膜层。图5B的转换阶段对应于图5A的操作513。
最后，在转换阶段结束后，沉积循环可以进入后RF清扫阶段。后RF清扫阶段可在使被吸附的前体反应后从围绕膜层的体积去除存在的解吸后的膜前体和/或反应副产物。图5B的后RF清扫阶段对应于图5A的操作514。
在图5B中突出显示了1个循环中，厚度可能为d的一个薄层的膜可沉积在衬底上。在某些实施方案中，d可以是介于0.1埃和2.5埃之间的厚度。附加的循环也可在衬底上沉积厚度可能大约为d的膜层。
在一些实施方式中，所沉积的多层膜可以包括通过例如下述方式形成的交替组合物的区域/部分：共形地按顺序沉积具有一种组合物的多个层，接着共形地按顺序沉积具有另一种组合物的多个层，然后可以重复和交替这两个顺序。所沉积的ALD膜的这些方面中的一些例如描述在2012年9月7日提交的、名称为“CONFORMAL DOPING VIA PLASMA ACTIVATEDATOMIC LAYER DEPOSITION AND CONFORMAL FILM DEPOSITION”的美国专利申请No.13/607,386(律师档案号No.NOVLP488)中，该专利申请其全部内容基于所有目的通过引用并入本文。具有交替组合物的部分的共形膜(包括用于对下伏的目标IC结构或衬底区域进行掺杂的膜)的另外的实例以及形成这些膜的方法详细描述于下述文献中：于2011年4月11日提交的、名称为“PLASMA ACTIVATED CONFORMAL FILM DEPOSITION”的美国专利申请No.13/084,399(律师档案号NOVLP405)；于2011年9月23日提交的、名称为“PLASMA ACTIVATEDCONFORMAL DIELECTRIC FILM DEPOSITION”的美国专利申请No.13/242,084,现在的美国专利No.8,637,411(律师档案号NOVLP427)；于2011年9月1日提交的、名称为“PLASMAACTIVATED CONFORMAL DIELECTRIC FILM DEPOSITION”的美国专利申请No.13/224,240(律师档案号NOVLP428)；于2012年9月7日提交的、名称为“CONFORMAL DOPING VIA PLASMAACTIVATED ATOMIC LAYER DEPOSITION AND CONFORMAL FILM DEPOSITION”的美国专利申请No.13/607,386(律师档案号NOVLP488)；以及于2014年2月28日提交的、名称为“CAPPEDALD FILMS FOR DOPING FIN-SHAPED CHANNEL REGIONS OF 3-D IC TRANSISTORS”的美国专利申请No.14/194,549；这些专利文献中的每一个其全部内容基于所有目的通过引用并入本文。
正如在以上引用的说明书中所详细描述的，ALD工艺常常用于沉积共形氧化硅膜(SiOx)，但是ALD工艺也可用于沉积其它化学物质的共形电介质膜，如在前述并入的说明书中所公开的。ALD形成的电介质膜在一些实施方式中可以包含碳化硅(SiC)材料、氮化硅(SiN)材料、硅碳氮化物(SiCN)材料、或它们的组合。在一些实施方式中，硅-碳氧化物和硅-碳-氧氮化物以及硅-碳-氮化物也可以形成ALD形成的膜。用于沉积这些类型的膜的方法、技术和操作在下述专利文献中进行了详细描述：于2012年6月12日提交的、名称为“REMOTEPLASMA BASED DEPOSITION OF SiOC CLASS OF FILMS”的美国专利申请No.13/494,836,(律师档案号NOVLP466/NVLS003722)；于2013年5月31日提交的、名称为“METHOD TO OBTAINSiC CLASS OF FILMS OF DESIRED COMPOSITION AND FILM PROPERTIES”的美国专利申请No.13/907,699(律师档案号LAMRP046/3149)；名称为“GROUND STATE HYDROGEN RADICALSOURCES FOR CHEMICAL VAPOR DEPOSITION OF SILICON-CARBON-CONTAINING FILMS”的美国专利申请No.14/062,648；以及于2014年2月28日提交的、名称为“CAPPED ALD FILMS FORDOPING FIN-SHAPED CHANNEL REGIONS OF 3-D IC TRANSISTORS”的美国专利申请No.14/194,549；这些专利文献中的每一个其全部内容基于所有目的通过引用并入本文。
通过ALD沉积膜的其它实施例包括用于沉积含掺杂剂膜的化学物质，如上面通过引用所列出和并入的专利申请(美国专利申请No.13/084,399、No.13/242,084、No.13/224,240、以及No.14/194,549)中描述的。如其中所述，各种含掺杂剂的膜前体可用于形成含有掺杂剂的膜，例如硼掺杂的硅酸盐玻璃(BSG)膜、磷掺杂的硅酸盐玻璃(PSG)膜、硼磷掺杂的硅酸盐玻璃(BPSG)膜、砷(As)掺杂的硅酸盐玻璃(ASG)膜、以及类似物。含掺杂剂的膜可包括B2O3、B2O、P2O5、P2O3、As2O3、As2O5、以及类似物。因此，具有不同于硼的掺杂剂的含掺杂剂膜是可行的。实施例包括镓、磷、或砷掺杂剂、或适于对半导体衬底进行掺杂的其它元素，如其他III族和V族元素。
就ALD工艺条件而言，ALD工艺可以在多种温度下进行。在一些实施方案中，在ALD反应室中合适的温度范围可以介于约25℃和450℃之间，或介于约50℃和300℃之间，或介于约20℃和400℃之间，或介于约200℃和400℃之间，或介于约100℃和350℃之间。
类似地，ALD工艺可以在多种ALD反应室压强下进行。在一些实施方式中，反应室中适当的压强的范围可以介于约10毫托和10托之间，或介于约20毫托和8托之间，或介于约50毫托和5托之间，或介于约100毫托以及2托之间。
如果在操作(iii)中使用等离子体，则可以采用多种RF功率电平以产生该等离子体。在一些实施方式中，合适的RF功率的范围可以介于约100瓦和10千瓦之间，或介于约200瓦和6千瓦之间，或介于约500瓦和3千瓦之间，或介于约1千瓦和2千瓦之间。
在操作(I)中可以采用多种膜前体流率。在一些实施方式中，合适的流率范围可以为介于约0.1毫升/分钟至约10mL/分钟之间，或介于约0.5毫升/分钟和约5毫升/分钟之间，或介于约1毫升/分钟和约3毫升/分钟之间。
在各种操作中可以使用多种气体流率。在一些实施方式中，一般的气体流率范围可以为介于约1升/分钟和约20升/分钟之间，或为介于约2升/分钟和约10升/分钟之间。对于在操作(ii)和(iv)中的任选的惰性清扫步骤，所采用的冲击流率范围可以为介于约20升/分和约100升/分钟之间，或为介于约40升/分钟和约60升/分钟之间。
再次，在一些实施方式中，抽排至基压步骤指通过将反应室直接暴露于一个或多个真空泵从而抽排该反应室至基本压强。在一些实施方式中，基本压强通常可以只有几毫托(例如，介于约1至20毫托之间)。此外，如上面所指出的，抽排至基压步骤可以伴随着惰性清扫或可以不伴随着惰性清扫，因而当一个或多个阀打开通向真空泵的导通路径时，载气可以流动或可以不流动。
此外，再一次，可重复多个ALD循环以建立堆叠的保形层。在一些实施方式中，每一层可具有基本上相同的组合物，而在其它实施方式中，按顺序ALD沉积的层可以具有不同的组合物，或在某些这样的实施方式中，组合物可一层一层地交替变换或可以存在重复序列的具有不同组合物的层，如上所述。因此，根据实施方式的不同，可以使用诸如上文所列出且通过引用并入的专利申请(美国专利申请No.13/084,399、13/242,084以及13/224,240)中公开的某些堆叠设计构思来调整这些膜中的硼、磷或砷的浓度。
装置的详细描述
本文中所描述的方法可以用任何合适的半导体衬底处理装置来执行。合适的装置包括用于完成处理操作的硬件和具有用于根据本文公开的各种沟道掺杂方法控制处理操作的指令的系统控制器。在一些实施方式中，硬件可以包括包含在多站式衬底处理工具中的一个或多个处理站以及具有(或访问)用于根据本文公开的处理技术控制处理操作的机器可读指令的控制器。
因此，在一些实施方式中，适合在多个半导体衬底上沉积膜材料的装置可以包括：第一成组的一个或多个处理站，每一个处理站都具有包含在处理室中的衬底保持架；第二成组的一个或多个处理站，每一个处理站都具有包含在处理室中的衬底保持架；用于控制膜前体朝向处理站流动的一个或多个阀；以及用于从围绕包含在一个或多个处理室内的处理站的体积去除膜前体的一个或多个阀操作式真空源。并且，这样的装置还可以包括具有(或访问)用于操作衬底加载设备、衬底传送设备、一个或多个阀、以及真空源以沉积膜材料到衬底上的机器可读指令的控制器。
因此，在一些实施方式中，由控制器执行的所述指令可包括用于在包含在一个处理室中的多个处理站处的多个衬底上形成膜的指令，其中通过ALD循环序列在每个衬底上形成膜的多个层。因此，在某些这类实施方式中，由控制器执行的所述指令可以包括用于执行如上所述的ALD的操作(i)至(iv)的指令以及用于重复ALD的操作(i)至(iv)多次以在衬底处理装置的多个处理站处的多个衬底上形成膜的多个层的指令。
因此，图1示意性示出了衬底处理装置100的一种实施方式。为简单起见，处理装置100被描述成具有用于维持低压环境的处理室主体102的独立处理站。然而，应当理解，多个处理站可以包括在共同的处理工具环境中，例如，在共同的反应室内，如本文所述。例如，图2A描绘了多站式处理工具的一种实施方式。此外，应理解的是，在一些实施方式中，处理装置100的包括在上面详细讨论的那些硬件参数在内的一个或多个硬件参数可以通过编程方式由一个或多个系统控制器调整。
处理室102与反应物输送系统101流体地连通以便将工艺气体输送至分配喷头106。反应物输送系统101包括用于混合和/或调节输送至喷头106的工艺气体的混合容器804。一个或多个混合容器入口阀120可控制工艺气体朝向混合容器804的导入。
一些反应物可在汽化和随后输送到处理室102之前以液体形式存储。图1的实施方式包括用于将拟被供给到混合容器804的液体反应物汽化的汽化站点103。在一些实施方式中，汽化站点103可以是加热的液体喷射模块。在一些实施方式中，汽化站点103可以是加热的蒸发器。从这样的模块/蒸发器产生的饱和反应物蒸气在输送管路的合适位置没有受到充分的控制时(例如，当没有氦气用于汽化/雾化液体反应物时)会在输送管路下游凝结。不相容的气体暴露于凝结的反应物会产生小颗粒。这些小颗粒会堵塞管路、阻碍阀门操作、污染衬底等。解决这些问题的一些方法涉及打扫和/或排空输送管以去除残留的反应物。然而，打扫输送管可能会增加处理站的循环时间、降低处理站的吞吐量。因此，在一些实施方式中，汽化站点103下游的输送管道也可以进行热处理。在一些实施例中，混合容器804也可以进行热处理。在一个非限制性的实施例中，汽化站点103下游的管道具有从约100℃升高至在混合容器804处的约150℃的递增的温度分布。
如上所述的，在一些实施方式中，汽化站点103可以是加热的液体喷射模块(简称“液体喷射器”)。这样的液体喷射器可喷射液体反应物的脉冲到混合容器上游的载气流中。在一种情况下，液体喷射器可通过从较高的压强到较低的压强来闪蒸液体，从而汽化反应物。在另一种情况下，液体喷射器可将液体雾化成随后在加热的输送管中汽化的分散微滴。应该理解的是，较小的液滴比较大的液滴会较快汽化，从而减少液体喷射和完全汽化之间的延迟。较快汽化可以缩短汽化站点103下游管路的长度。在一种情况下，液体喷射器可直接安装到混合容器804上。在另一种情况下，液体喷射器可直接安装到喷头106上。
在一些实施方式中，汽化站点103上游的液体流量控制器(LFC)可以被设置用于控制液体的质量流量以便使其汽化并输送到处理室102。例如，LFC可包括位于LFC下游的热质量流量计(MFM)。然后可响应于由与该MFM电通信的比例-积分-微分(PID)控制器提供的反馈控制信号调节LFC的柱塞阀。然而，它可能需要一秒或更多时间以使用反馈控制来稳定液体流。这可能延长投配液体反应物的时间。因此，在一些实施方式中，LFC可以在反馈控制模式和直接控制模式之间进行动态切换。在一些实施方式中，LFC可以通过禁用LFC和PID控制器的感应管道而被动态地从反馈控制模式切换到直接控制模式。
喷头106将工艺气体和/或反应物(例如，膜前体)朝在处理站处的衬底112分配，工艺气体和/或反应物(例如，膜前体)的流动由喷头上游的一个或多个阀(例如，阀120，120A，105)控制。在图1中所示的实施方式中，衬底112位于喷头106的下方，并显示为搁置在底座108上。应该理解的是，喷头106可具有任何合适的形状，并且可以具有任何合适数量和布置的端口以便分配工艺气体到衬底112。
在一些实施方式中，微体积107位于喷头106下方。在处理站靠近衬底的微体积中执行ALD工艺而不是在处理室的整个体积中执行ALD工艺，这样可以减少反应物的暴露和打扫次数，可减少用于改变工艺条件(例如，压力，温度等)的次数，可以限制处理站的机械手暴露于工艺气体等。微体积尺寸的实施例包括但不限于介于0.1升和2升之间的体积。
在一些实施方式中，底座108可以升高或降低以暴露衬底112给微体积107和/或改变微体积107的体积。例如，在衬底传送阶段，底座108可被降低，以使衬底112能被加载到底座108上。在衬底上进行沉积的处理阶段，底座108可被升高以将衬底112定位在微体积107内。在一些实施方式中，微体积107可完全围绕衬底112以及底座108的一部分，以在沉积处理期间创建高流动性阻抗区域。
任选地，可将底座108在沉积处理的部分期间降低和/或升高以调节微体积307内的处理压强、反应物浓度等。在处理室主体102在处理期间保持在基本压强的一种情况下，降低底座108可使得微体积107能被抽空。微体积比处理室体积的示例性比率包括，但不限于，介于1:500和1:10之间的体积比。应理解的是，在一些实施方式中，底座高度可以经由合适的系统控制器通过编程方式进行调整。
在另一种情况下，调整底座108的高度可以使得等离子体密度在包含例如于ALD或CVD工艺中的等离子体活化和/或处理循环期间能够变化。在沉积处理阶段结束时，底座108可以在另一衬底传送阶段被降低以使得衬底112能从底座108移走。
虽然在本发明描述的示例性微体积变化指的是高度可调的底座，但应该理解的是，在一些实施方式中，喷头106的位置可以相对于底座108被调整以改变微体积107的体积。此外，应当理解的是，底座108和/或喷头106的垂直位置可以通过本公开内容的范围内的任何合适的机构来改变。在一些实施方式中，底座108可包括用于旋转衬底112的方向的旋转轴线。应该理解的是，在一些实施方式中，这些示例性调整中的一个或多个可以通过一个或多个适当的系统控制器以编程方式执行，该控制器具有用于执行前述操作的全部或子集。
返回至图1所示的实施方式中，喷头106和底座108电连通RF电源114和匹配网络116以激励等离子体。在一些实施方式中，等离子体的能量可通过控制处理站的压强、气体的浓度、RF源功率、RF源频率以及等离子体功率脉冲时序中的一个或多个来控制(例如，经由具有适当的机器可读指令的系统控制器)。例如，RF电源114及匹配网络116可在任何合适的功率下进行操作，以形成具有自由基物质的所期望的组分的等离子体。合适的功率的实施例包括在上文中。同样地，RF电源114可以提供任何适当频率的RF功率。在一些实施方式中，RF电源114可以被配置为彼此独立地控制高频RF功率源和低频RF功率源。示例性的低频RF频率可以包括，但不限于，介于50kHz和500kHz之间的频率。示例性的高频RF频率可以包括，但不限于，介于1.8MHz和2.45GHz之间的频率。应当理解，任何合适的参数可被离散地或连续地调制以提供用于表面反应的等离子体能量。在一个非限制性实例中，等离子体功率可以间歇地施以脉冲，以相对于被连续激励的等离子体减少对衬底表面的离子轰击。
在一些实施方式中，等离子体可由一个或多个等离子体监控器原位监控。在一种情形中，等离子体功率可通过一个或一个以上的电压、电流传感器(例如，VI探针)进行监控。在另一种情况下，等离子体密度和/或工艺气体的浓度可以由一个或多个光发射谱(OES)传感器来测量。在一些实施方式中，一个或多个等离子体参数可基于来自这样的原位等离子体监控器的测量结果通过编程方式进行调整。例如，OES传感器可用于反馈回路中以提供对等离子体功率的编程式控制。应理解的是，在一些实施方式中，可使用其它监控器来监控等离子体和其他工艺特性。这样的监控器可包括，但不限于，红外(IR)监控器、声学监控器、以及压力传感器。
在一些实施方式中，可以经由输入/输出控制(IOC)测序指令来控制等离子体。在一个示例中，用于设置等离子体激活阶段的等离子条件的指令可被包括在工艺配方的相应的等离子体激活配方阶段中。在某些情况下，工艺配方阶段可按顺序排列，使得用于工艺阶段的所有指令与该工艺阶段同时执行。在一些实施方式中，用于设定一个或一个以上的等离子体参数的指令可以被包括在等离子体工艺阶段之前的配方阶段中。例如，第一配方阶段可以包括用于设置惰性气体(例如，氦)和/或反应气体的流率的指令、用于设置等离子体发生器至功率设定点的流率的指令、以及用于第一配方阶段的时延指令。后续的第二配方阶段可包括用于启用等离子体发生器的指令以及用于第二配方阶段的时延指令。第三配方阶段可以包括用于禁用等离子体发生器的指令以及用于第三配方阶段的时延指令。应当理解，这些配方阶段可进一步以在本公开的范围内的任何合适的方式细分和/或重复。
在一些沉积处理中，等离子体激励持续约几秒钟或更长的持续时间。在此处描述的某些实施方案中，远远较短时间的等离子体激励可应用在处理循环期间。这些远远较短时间可以是约50毫秒至1秒，0.25秒是一个具体实施例。如此短时间的RF等离子体激励要求等离子体的快速稳定。为了实现这一点，可以将等离子体发生器配置为使得所述阻抗匹配被预设为特定的电压，同时使频率能浮动。按惯例，高频等离子体在约13.56MHz的RF频率下产生。在本文公开的各种实施方式中，使频率能浮动到不同于该标准值的值。通过使频率能浮动，同时固定阻抗匹配到预定电压，可以远远较快地稳定等离子体，其结果在使用与ALD循环相关的非常短时间的等离子体激励时这可能是重要的。
在一些实施方式中，底座108可通过加热器110进行温控。另外，在一些实施方式中，对于处理装置100的压力控制可通过诸如蝶形阀118之类的一个或者多个阀操作式真空源来提供。如图1的实施方式中所示，蝶形阀118调节由下游真空泵(未示出)提供的真空。然而，在一些实施方式中，处理装置100的压力控制也可以通过改变引入到处理室102的一种或多种气体的流率进行调整。在一些实施方式中，一个或多个阀操作式真空源(如蝶形阀118)可以用于在合适的ALD操作阶段从围绕处理站的体积去除膜前体。
如上所述，一个或多个处理站可以被包括在多站式衬底处理工具中。图2A示意性地示出了多站式处理工具200的一实施例，其包括在共同的低压处理室214中的多个处理站201、202、203和204。通过将每个站保持在低压环境中，可避免由膜沉积处理之间的真空中断所引起的缺陷。
如图2A所示，多站式处理工具200具有衬底加载端口220和机械手226，机械手226被配置为将衬底从通过吊舱228装入的盒移动通过大气端口220，进入处理室214，并且到达4个站201、202、203或204中的一个。
在图2A中示出的所描述的处理室214提供了四个处理站201、202、203和204。每个站具有加热底座以及气体管线入口。应当理解，在一些实施方式中，每一个处理站可以具有不同的用途或多个用途。例如，在一些实施方式中，处理站可以在ALD工艺模式和CVD工艺模式之间切换。附加地或替代地，在一些实施方式中，处理室214可以包括一个或多个匹配的成对的ALD/CVD处理站。虽然所描绘的处理室214包括四个处理站，但是应当理解，根据本公开的处理室可以具有任何适当的数目的站。例如，在一些实施方式中，处理室可具有1个、或2个、或3个、或4个、或5个、或6个、或7个、或8个、或9个、或10个、或11个、或12个、或13个、或14个、或15个、或16个、或更多的处理站(或成组的实施方式可以被描述为每个反应室具有在由任何成对的前述值所限定的范围内的处理站的数量，例如每个反应室具有2至6个处理站，或每个反应室具有4至8个处理站，或每个反应室8至16个处理站等)。
图2A还示出了衬底传送设备290的实施方式，衬底传送设备290用于在处理室214内的处理站201，202，203和204之间传送衬底。应当理解，可以采用任何合适的衬底传送设备。非限制性的实施例包括晶片转盘和衬底搬运机械手。
图2A还示出了用于控制处理工具200的工艺条件和硬件状态的系统控制器250的一个实施方式。系统控制器250可包括一个或多个存储器设备256、一个或多个大容量存储设备254以及一个或多个处理器252。处理器252可以包括一个或多个CPU、ASIC、通用计算机和/或专用计算机、一个或多个模拟和/或数字输入/输出连接件、一个或多个步进电机控制器板等。
在一些实施方式中，系统控制器250控制处理工具200的包括其单个的处理站的操作在内的操作中的一些或全部。系统控制器250可以执行在处理器252上的机器可读系统控制指令258，在一些实施方式中，系统控制指令258可以从大容量存储装置254加载到存储器设备256中。系统控制指令258可包括用于控制时序、气体和液体反应物的混合物、室和/或站的压强、室和/或站的温度、晶片的温度、目标功率电平、RF功率电平、RF暴露时间、衬底底座、卡盘和/或基座的位置、以及通过处理工具200执行的特定处理的其它参数的指令。这些处理可以包括各种类型的处理，包括但不限于与在衬底上沉积膜相关的处理。系统控制指令258可以以任何合适的方式进行配置。例如，各种处理工具组件子程序或控制的对象可以被写入以控制执行各种处理工具的进程所需要的处理工具组件的操作。系统控制指令258可以以任何合适的计算机可读编程语言进行编码。在一些实施方式中，系统控制指令258在软件中实现，在其他实施方式中，指令可在硬件中实现，例如，作为逻辑硬编码在ASIC(专用集成电路)中，或者，在其他实施方式中，作为软件和硬件的组合实现。
在一些实施方式中，系统控制指令258可包括用于控制上述各种参数的输入/输出控制(IOC)测序指令。例如，一个或者多个沉积处理的每个阶段可以包括用于由系统控制器250执行的一个或多个指令。用于设置膜沉积处理阶段的处理条件的指令例如可以包括在相应的沉积配方阶段并同样可以用于覆盖膜沉积阶段。在一些实施方式中，配方阶段可按顺序设置，以便处理阶段的所有指令与该处理阶段同时执行。
在一些实施方式中可以采用存储在与系统控制器250相关联的大容量存储设备254和/或存储器设备256上的其它计算机可读指令和/或程序。程序或程序段的实例包括衬底定位程序、工艺气体控制程序、压强控制程序、加热器控制程序以及等离子体控制程序。
衬底定位程序可以包括用于处理工具组件的指令，该处理工具组件用于将衬底加载到底座218上并控制衬底和处理工具200的其它部件之间的间隔。该定位程序可以包括用于根据需要适当地移动衬底进出反应室以将膜沉积在衬底上的指令。
工艺气体控制程序可包括用于控制气体组成和流率的指令和任选地用于使气体在沉积之前流到围绕一个或多个处理站的体积中以稳定在这些体积中的压强的指令。在一些实施方式中，工艺气体控制程序可以包括用于在衬底上沉积膜期间引入某些气体到围绕在处理室中的一个或多个处理站的体积的指令。工艺气体控制程序还可以包括以相同速率在相同的期间、或者以不同的速率和/或在不同的期间引入这些气体的指令，具体取决于将被沉积的膜的组分。工艺气体控制程序还可以包括用于在加热的喷射模块中在存在氦或一些其它的载气的情况下雾化/汽化液体反应物的指令。
压强控制程序可以包括用于通过调节例如在处理站的排放系统中的节流阀、流入处理站内的气流等等来控制处理站内的压强的指令。压强控制程序可以包括用于在衬底上沉积各种类型的膜期间保持相同或不同的压强的指令。
加热器控制程序可包括用于控制流向用于加热衬底的加热单元的电流的指令。可替代地或附加地，加热器控制程序可控制传热气体(如氦)朝向衬底上的传送。加热器控制程序可包括在衬底上沉积各种类型的膜期间用于在反应室和/或围绕处理站的体积内保持相同或不同的温度的指令。
等离子体控制程序可包括用于根据本文的实施方式设置一个或多个处理站内的RF功率电平、频率和暴露次数的指令。在一些实施方式中，等离子体控制程序可以包括用于在衬底上沉积膜期间使用相同或不同的RF功率电平和/或频率和/或暴露次数的指令。
在一些实施方式中，可以存在与系统控制器250相关联的用户界面。用户界面可以包括显示屏、装置和/或工艺条件的图形软件显示器、以及诸如定点设备、键盘、触摸屏、麦克风等用户输入设备。
在一些实施方式中，由系统控制器250调整的参数可以涉及处理条件。非限制性实例包括工艺气体组成和流率、温度、压强、等离子体条件(例如，RF偏置功率电平和暴露次数)等。这些参数可以以配方的形式提供给用户，配方可以利用所述用户界面输入。
用于监控处理的信号可以由系统控制器250的模拟和/或数字输入连接件从各种处理工具传感器提供。用于控制处理的信号可以通过处理工具200的模拟和/或数字输出连接件输出。可被监控的处理工具传感器的非限制性实例包括质量流量控制器(MFC)、压力传感器(例如压力计)、热电偶等。经适当编程的反馈和控制算法可以与来自这些传感器的数据一起使用，以保持工艺条件。
系统控制器250可以提供用于执行上述沉积处理的机器可读指令。所述指令可以控制多种处理参数，如DC功率电平、RF偏置功率电平、压力、温度等。所述指令可以控制这些参数以根据本发明所描述的多种实施方式操作膜堆叠的原位沉积。
系统控制器通常包括一个或多个存储器设备和被配置成执行机器可读指令的一个或多个处理器以使该装置将执行本文所公开的工艺的操作。包含用于控制根据本发明所公开的衬底掺杂工艺的操作的指令的机器可读的非临时性介质可以耦合到系统控制器。
上面所描述的各种装置和方法可以与光刻图案化工具和/或工艺结合使用，例如，以用于制造或生产半导体器件、显示器、发光二极管、光伏电池板等。典型地，但不必然地，此类工具将在普通的制造设施中一起和/或同时使用，或者此类工艺将在普通的制造设施中一起和/或同时执行。
光刻图案化膜通常包括以下操作中的一些或全部，每个操作能够使用多种可行的工具：(1)使用旋涂或喷涂工具将光致抗蚀剂涂覆在衬底上，例如涂覆在上面形成有氮化硅膜的衬底上；(2)使用热板或炉或其它合适的固化工具固化光致抗蚀剂；(3)使用例如晶片步进式曝光机之类的工具将光致抗蚀剂暴露于可见光或紫外线或X射线；(4)使抗蚀剂显影以便使用诸如湿式台或喷射显影器之类的工具选择性地去除抗蚀剂，从而使其图案化；(5)通过使用干式或等离子体辅助式的刻蚀工具将抗蚀剂图案转移到下伏膜或衬底；并且(6)使用例如射频或微波等离子体抗蚀剂剥离器之类的工具去除抗蚀剂。在一些实施方式中，可灰化硬掩模层(例如无定形碳层)和另一种合适的硬掩模(例如抗反射层)可以在施加光致抗蚀剂之前沉积。
其它实施方式
尽管为了促进清楚和理解的目的，在具体实施方式的背景下，已经详细描述了前述公开的技术、操作、处理、方法、系统、装置、工具、膜、化学品和组合物，但对于本领域的普通技术人员而言，显而易见的是，存在许多实施前述实施方式的落入本发明的主旨和范围内的替代方式。因此，本文所描述的实施方式应被看作是说明本发明公开的创造性构思，而不是限制，并且不应被用作不适当地限制最终指向本发明的主题的任何权利要求的范围的不允许的基础。

Claims (25)

1.一种在4站式处理室中执行多步骤原子层沉积以在一批半导体衬底上沉积膜材料的方法，每批具有多对衬底，该方法包括：
(a)将第一成对的衬底加载至所述处理室中第一成组的处理站处；
(b)通过准确地执行N个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第一成组的处理站处的所述第一成对的衬底上，其中在所述第一成组的处理站处的每个膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(c)在(b)中的沉积步骤之后，将所述第一成对的衬底从所述第一成组的处理站传送到在所述处理室中的第二成组的处理站；
(d)将第二成对的衬底加载至所述处理室中所述第一成组的处理站处；
(e)通过准确地执行N'个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第一成组的处理站处的所述第二成对的衬底上以及至所述第二成组的处理站处的所述第一成对的衬底上；其中，N'与N不相等，其中N'等于N+1或者N－1，从而使得两次沉积循环的所述总的组合的厚度为2N+1或2N-1，其中N和N'各自都大于或等于50，并且其中在所述第一和第二成组的处理站处的每次膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(f)在(e)中的沉积步骤之后，从所述处理室卸载所述第一成对的衬底，将所述第二成对的衬底从所述第一成组的处理站传送到所述第二成组的处理站，并且将第三成对的衬底加载到在所述第一成组的处理站处的所述处理室；以及
(g)在(f)之后，通过准确地执行N个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第二成组的处理站处的所述第二成对的衬底上以及至所述第一成组的处理站处的所述第三成对的衬底上，其中在所述第一和第二成组的处理站处的每个膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(h)在(g)中的沉积步骤之后，从所述处理室卸载所述第二成对的衬底；将所述第三成对的衬底传送到所述第二成组的处理站，并且将第四成对的衬底加载到在所述第一成组的处理站处的所述处理室；以及
(i)为所述第三成对的衬底、第四成对的衬底以及在所述一批衬底中的其他成对的衬底中的每个重复步骤(e)至步骤(h)，以使得所述第三成对的衬底、所述第五成对的衬底以及在所述一批衬底中的其他奇数对的衬底中的每个在所述第一成组的处理站准确地接收N个膜沉积循环并且在所述第二成组的处理站准确地接收N'个膜沉积循环，并且使得所述第四成对的衬底、所述第六成对的衬底以及在所述一批衬底中的其他偶数对的衬底中的每个在所述第一成组的处理站准确地接收N'个膜沉积循环并且在所述第二成组的处理站准确地接收N个膜沉积循环。
2.根据权利要求1所述的方法，其中单个膜沉积循环包括：
(i)使膜前体吸附到所述衬底上，使得所述前体在所述衬底上形成吸附受限层；
(ii)从围绕被吸附的所述前体的体积去除至少一些未被吸附的膜前体；
(iii)在(ii)中去除未被吸附的前体之后，使被吸附的膜前体反应以在所述衬底上形成膜层；以及
(iv)在被吸附的所述前体反应后，从围绕所述膜层的体积去除存在的解吸后的膜前体和/或反应副产物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
在(a)、(d)、(f)和(h)中的每个中的加载还包括将所述衬底加载到转盘，并且在(a)、(d)、(f)和(h)中的每个中的卸载还包括将所述衬底从所述转盘中卸载，以及
在(c)、(f)和(h)中的每个中的传送还包括将所述转盘旋转180°。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
选择所沉积的所述膜的目标厚度D；
判定最接近D/d的正整数M为奇数，其中，d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度；以及
选择N和N'，使得N+N'＝M且|N-N'|＝1。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
选择所沉积的所述膜的目标厚度D；以及
选择最接近1/2*D/d的正整数N，其中，d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中沉积的膜材料包括电介质。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述电介质包括一种或多种硅氧化物。
8.一种在具有四个处理站的处理室中执行原子层沉积以在一批半导体衬底上沉积限定的厚度的膜的方法，该方法包括：
(a)将4个衬底接收入所述处理室，其中所述第一衬底在第一处理站处，所述第二衬底在第二处理站处，所述第三衬底在第三处理站处，所述第四衬底在第四处理站处；
(b)在(a)之后，通过在所述4个处理站处准确地执行循环沉积工艺的N个循环，在至少4个衬底上沉积所述膜的厚度的一部分，其中在所述第一成组的处理站处的每个膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(c)将所述第一衬底从所述第一处理站传送至所述第二处理站，将所述第二衬底从所述第二处理站传送至所述第三处理站，将所述第三衬底从所述第三处理站传送至所述第四处理站，将所述第四衬底从所述第四处理站传送至所述第一处理站；
(d)在(c)后，通过在所述4个处理站准确地执行所述循环沉积工艺的N'个循环，在所述4个衬底上沉积所述膜的厚度的另一部分，其中，N不等于N'，其中N'等于N+1或者N－1，从而使得在(b)和(d)中的两次沉积循环的所述总的组合的厚度为2N+1或2N-1，其中选择N和N'以获得所述限定的厚度，其中N和N'各自都大于或等于50，并且其中在所述第一和第二成组的处理站处的每次膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(e)在(d)之后，将所述第一衬底从所述第二处理站传送至所述第三处理站，将所述第二衬底从所述第三处理站传送至所述第四处理站，将所述第三衬底从所述第四处理站传送至所述第一处理站，并且将所述第四衬底从所述第一处理站传送至所述第二处理站；
(f)在(e)之后，通过在所述4个处理站准确地执行所述循环沉积工艺的N”个循环，在所述4个衬底上沉积所述膜的厚度的又一部分，其中，N”等于N、N+1或N－1，其中选择N、N'和N”以获得所述限定的厚度，其中N”大于或等于50，并且其中每次膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(g)在(f)之后，将所述第一衬底从所述第三处理站传送至所述第四处理站，将所述第二衬底从所述第四处理站传送至所述第一处理站，将所述第三衬底从所述第一处理站传送至所述第二处理站，并且将所述第四衬底从所述第二处理站传送至所述第三处理站；
(i)在(g)之后，通过在所述4个处理站准确地执行所述循环沉积工艺的N”'个循环，在所述4个衬底上沉积所述膜的厚度的另外的部分，其中，N”'等于N、N+1或N－1，其中选择N、N'、N”和N”'以获得所述限定的厚度，其中N”'大于或等于50，并且其中每次膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；以及
(j)从所述反应室去除所述第四衬底。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
(k)在(j)之后，将来自所述一批衬底的四个另外的衬底接收入所述处理室，所述四个处理站中的每个处理站上一个衬底；以及
(l)对于该四个另外的衬底重复(b)至(j)。
10.根据权利要求8所述的方法，其中：
在(a)中接收所述四个衬底还包括将所有的四个衬底接收到转盘上，并且
在(c)、(e)和(g)中的每个中的传送所述四个衬底还包括将所述转盘旋转90°。
11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
选择限定的厚度D；以及
选择最接近1/4*D/d的正整数N，其中d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括：
选择限定的厚度D；
判定最接近D/d的正整数M不是4的倍数，其中d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度；并且
选择N和N'，使得N+N'＝M并且N不等于N'。
13.一种用于在四站式处理室内执行多步骤原子层沉积以在一批半导体衬底上沉积膜材料的多站式衬底处理装置，每批具有多个成对的衬底，该装置包括：
处理室；
包含在所述处理室内的第一成组的处理站，每一个处理站都具有衬底保持架；
包含在所述处理室内的第二成组的处理站，每一个处理站都具有衬底保持架；
一个或多个阀，其用于控制膜前体的朝向所述处理站的流动；
阀操作式真空源，其用于从围绕包含在所述处理室中的所述处理站的体积去除膜前体；
衬底加载设备，其用于将衬底加载到所述处理室中所述处理站处；
衬底传送设备，其用于将一个或多个衬底从所述第一成组的处理站传送到所述第二成组的处理站；
一个或多个控制器，其包括用于操作所述衬底加载设备、所述衬底传送设备、所述一个或多个阀、以及所述真空源以沉积膜材料到所述衬底上的机器可读指令，包括用于下述操作的指令：
(a)将第一成对的衬底加载至所述处理室中所述第一成组的一个或多个处理站处；
(b)通过准确地执行N个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第一成组的处理站处的所述第一成对的衬底上，其中在所述第一成组的处理站处的每个膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(c)在(b)中的沉积步骤之后，将所述第一成对的衬底从所述第一成组的处理站传送到所述第二成组的处理站；
(d)将第二成对的衬底加载至所述处理室中所述第一成组的处理站处；
(e)通过准确地执行N'个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第一成组的处理站处的所述第二成对的衬底上以及至所述第二成组的处理站处的所述第一成对的衬底上；其中，N'不等于N，其中N'等于N+1或N－1，从而使得两次沉积循环的所述总的组合的厚度为2N+1或2N-1，其中N和N'各自大于或等于50，并且其中在所述第一成组的处理站处的每次膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；以及
(f)在(e)中的沉积步骤之后，从所述处理室卸载所述第一成对的衬底，将所述第二成对的衬底从所述第一成组的处理站传送到所述第二成组的处理站，并且将第三成对的衬底加载到在所述第一成组的处理站处的所述处理室；以及
(g)在(f)之后，通过准确地执行N个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第二成组的处理站处的所述第二成对的衬底上以及至所述第一成组的处理站处的所述第三成对的衬底上，其中在所述第一和第二成组的处理站处的每个膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(h)在(g)中的沉积步骤之后，从所述处理室卸载所述第二成对的衬底；将所述第三成对的衬底传送到所述第二成组的处理站，并且将第四成对的衬底加载到在所述第一成组的处理站处的所述处理室；以及
(i)为所述第三成对的衬底、第四成对的衬底以及在所述一批衬底中的其他成对的衬底中的每个重复步骤(e)至步骤(h)，以使得所述第三成对的衬底、所述第五成对的衬底以及在所述一批衬底中的其他奇数对的衬底中的每个在所述第一成组的处理站准确地接收N个膜沉积循环并且在所述第二成组的处理站准确地接收N'个膜沉积循环，并且使得所述第四成对的衬底、所述第六成对的衬底以及在所述一批衬底中的其他偶数对的衬底中的每个在所述第一成组的处理站准确地接收N'个膜沉积循环并且在所述第二成组的处理站准确地接收N个膜沉积循环。
14.根据权利要求13所述的装置，其中
单个膜沉积循环包括：
(i)使膜前体吸附到所述衬底上，使得所述前体在所述衬底上形成吸附受限层；
(ii)从围绕被吸附的所述前体的体积去除至少一些未被吸附的膜前体；
(iii)在(ii)中去除未被吸附的前体之后，使被吸附的膜前体反应以在所述衬底上形成膜层；以及
(iv)在被吸附的所述前体反应后，从围绕所述膜层的体积去除存在的解吸后的膜前体和/或反应副产物。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述衬底加载设备包括用于将衬底放置到一个或更多个处理站的所述衬底保持架上的衬底搬运机械手。
16.根据权利要求13所述的装置，其中所述衬底传送设备包括转盘，所述转盘通过使所述衬底相对于基本上垂直于所述衬底的平面并且基本上等距地处于所述衬底之间的中心轴旋转的方式运行。
17.根据权利要求13-16中任一项所述的装置，其中所述一个或多个控制器进一步包括用于下述操作的机器可读指令：
选择所沉积的所述膜的目标厚度D；以及
选择最接近1/2*D/d的正整数N，其中，d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度。
18.一种用于在具有四个处理站的处理室中执行多步骤原子层沉积以在一批半导体衬底上沉积膜材料的多站式衬底处理装置，该装置包括：
处理室；
包含在所述处理室内的第一处理站；
包含在所述处理室内的第二处理站；
包含在所述处理室内的第三处理站；
包含在所述处理室内的第四处理站；
一个或多个阀，其用于控制膜前体的朝向所述处理站的流动；
阀操作式真空源，其用于从围绕包含在所述处理室中的所述处理站的体积去除膜前体；
衬底加载设备，其用于将衬底加载到所述处理室中所述处理站处；
衬底传送设备，其用于将一个或多个衬底从所述第一成组的处理站传送到所述第二成组的处理站；
一个或多个控制器，其包括用于操作所述衬底加载设备、所述衬底传送设备、所述一个或多个阀、以及所述真空源以沉积膜材料到所述衬底上的机器可读指令，所述机器可读指令包括用于下述操作的指令：
(a)将4个衬底接收入所述处理室，其中所述第一衬底在第一处理站处，所述第二衬底在第二处理站处，所述第三衬底在第三处理站处，所述第四衬底在第四处理站处；
(b)在(a)之后，通过在所述4个处理站处准确地执行循环沉积工艺的N个循环，在所述第一处理站处的所述4个衬底上沉积限定的膜厚度的一部分，其中在所述第一成组的处理站处的每个膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(c)将所述第一衬底从所述第一处理站传送到所述第二处理站，将所述第二衬底从所述第二处理站传送至所述第三处理站，将所述第三衬底从所述第三处理站传送至所述第四处理站，将所述第四衬底从所述第四处理站传送至所述第一处理站；
(d)在(c)之后，通过在所述4个处理站准确地执行所述循环沉积工艺的N'个循环，在所述4个衬底上沉积所述限定的膜厚度的另一部分，其中，N不等于N'，其中N'等于N+1或者N－1，从而使得在(b)和(d)中的两次沉积循环的所述总的组合的厚度为2N+1或2N-1，其中选择N'和N以获得所述限定的膜厚度，其中N和N'各自都大于或等于50，其中在所述第一成组的处理站处的每次膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(e)在(d)之后，将所述第一衬底从所述第二处理站传送至所述第三处理站，将所述第二衬底从所述第三处理站传送至所述第四处理站，将所述第三衬底从所述第四处理站传送至所述第一处理站，并且将所述第四衬底从所述第一处理站传送至所述第二处理站；
(f)在(e)之后，通过在所述4个处理站准确地执行所述循环沉积工艺的N”个循环，在所述4个衬底上沉积所述膜的厚度的又一部分，其中，N”等于N、N+1或N－1，其中选择N、N'和N”以获得所述限定的厚度，其中N”大于或等于50，并且其中每次膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(g)在(f)之后，将所述第一衬底从所述第三处理站传送至所述第四处理站，将所述第二衬底从所述第四处理站传送至所述第一处理站，将所述第三衬底从所述第一处理站传送至所述第二处理站，并且将所述第四衬底从所述第二处理站传送至所述第三处理站；
(i)在(g)之后，通过在所述4个处理站准确地执行所述循环沉积工艺的N”'个循环，在所述4个衬底上沉积所述膜的厚度的另外的部分，其中，N”'等于N、N+1或N－1，其中选择N、N'、N”和N”'以获得所述限定的厚度，其中N”'大于或等于50，并且其中每次膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；以及
(j)从所述反应室去除所述第四衬底。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述一个或多个控制器进一步包括用于下述操作的机器可读指令：
(k)在(j)之后，将来自所述一批衬底的四个另外的衬底接收入所述处理室，其中所述四个处理站中的每个处理站上一个衬底；以及
(l)对于该四个另外的衬底重复(b)至(j)。
20.根据权利要求18所述的装置，其中单个膜沉积循环包括：
(i)使膜前体吸附到所述衬底上，使得所述前体在所述衬底上形成吸附受限层；
(ii)从围绕被吸附的所述前体的体积去除至少一些未被吸附的膜前体；
(iii)在(ii)中去除未被吸附的前体之后，使被吸附的膜前体反应以在所述衬底上形成膜层；以及
(iv)在被吸附的所述前体反应后，从围绕所述膜层的体积去除存在的解吸后的膜前体和/或反应副产物。
21.根据权利要求18所述的装置，其中所述衬底加载设备包括用于将衬底放置到所述处理站中的至少一个处理站上的衬底搬运机械手。
22.根据权利要求18所述的装置，其中所述衬底传送设备包括转盘，所述转盘通过使所述衬底相对于基本上垂直于所述衬底的平面并且基本上等距地处于所述衬底之间的中心轴旋转的方式运行。
23.根据权利要求18所述的装置，其中所述一个或多个控制器进一步包括用于下述操作的机器可读指令：
选择所沉积的膜的目标厚度D；以及
选择最接近1/4*D/d的正整数N，其中，d是通过单个膜沉积循环所沉积的膜层的预期平均厚度。
24.一种具有用于下述操作的机器可读指令的机器可读介质：
(a)将第一成对的衬底加载至所述处理室中第一成组的处理站处；
(b)通过准确地执行N个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第一成组的处理站处的所述第一成对的衬底上，其中在所述第一处理站处的每个膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(c)在(b)中的沉积步骤之后，将所述第一成对的衬底从所述第一成组的处理站传送到所述处理室中的所述第二成组的处理站；
(d)将第二成对的衬底加载至所述处理室中所述第一成组的处理站处；
(e)通过执行N'个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第一成组的处理站处的所述第二成对的衬底上以及至所述第二成组的处理站处的所述第一成对的衬底上；其中，N'与N不相等，其中N'等于N+1或者N－1，从而使得两次沉积循环的所述总的组合的厚度为2N+1或2N-1，其中N和N'各自都大于或等于50，并且其中在所述第一和第二成组的处理站处的每个膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(f)在(e)中的沉积步骤之后，从所述处理室卸载所述第一成对的衬底，将所述第二成对的衬底从所述第一成组的处理站传送到所述第二成组的处理站，并且将第三成对的衬底加载到在所述第一成组的处理站处的所述处理室；以及
(g)在(f)之后，通过准确地执行N个膜沉积循环，沉积膜材料至所述第二成组的处理站处的所述第二成对的衬底上以及至所述第一成组的处理站处的所述第三成对的衬底上，其中在所述第一和第二成组的处理站处的每个膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(h)在(g)中的沉积步骤之后，从所述处理室卸载所述第二成对的衬底；将所述第三成对的衬底传送到所述第二成组的处理站，并且将第四成对的衬底加载到在所述第一成组的处理站处的所述处理室；以及
(i)为所述第三成对的衬底、第四成对的衬底以及在所述一批衬底中的其他成对的衬底中的每个重复步骤(e)至步骤(h)，以使得所述第三成对的衬底、所述第五成对的衬底以及在所述一批衬底中的其他奇数对的衬底中的每个在所述第一成组的处理站准确地接收N个膜沉积循环并且在所述第二成组的处理站准确地接收N'个膜沉积循环，并且使得所述第四成对的衬底、所述第六成对的衬底以及在所述一批衬底中的其他偶数对的衬底中的每个在所述第一成组的处理站准确地接收N'个膜沉积循环并且在所述第二成组的处理站准确地接收N个膜沉积循环。
25.一种具有用于下述操作的机器可读指令的机器可读介质：
(a)将4个衬底接收入处理室中，其中所述第一衬底在第一处理站处，所述第二衬底在第二处理站处，所述第三衬底在第三处理站处，所述第四衬底在第四处理站处；
(b)在(a)之后，通过在所述4个处理站处准确地执行循环沉积工艺的N个循环，在所述4个衬底上沉积膜的厚度的一部分，其中在所述第一处理站处的每个膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(c)将所述第一衬底从所述第一处理站传送至所述第二处理站，将所述第二衬底从所述第二处理站传送至所述第三处理站，将所述第三衬底从所述第三处理站传送至所述第四处理站，将所述第四衬底从所述第四处理站传送至所述第一处理站；
(d)在(c)后，通过在所述4个处理站准确地执行所述循环沉积工艺的N'个循环，在所述4个衬底上沉积所述膜的厚度的另一部分，其中，N不等于N'，其中N'等于N+1或者N－1，从而使得在(b)和(d)中的两次沉积循环的所述总的组合的厚度为2N+1或2N-1，其中选择N和N'以获得限定的厚度，其中N和N'各自都大于或等于50，并且其中在所述第一处理站处的每个膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；以及
(e)在(d)之后，将所述第一衬底从所述第二处理站传送至所述第三处理站，将所述第二衬底从所述第三处理站传送至所述第四处理站，将所述第三衬底从所述第四处理站传送至所述第一处理站，并且将所述第四衬底从所述第一处理站传送至所述第二处理站；
(f)在(e)之后，通过在所述4个处理站准确地执行所述循环沉积工艺的N”个循环，在所述4个衬底上沉积所述膜的厚度的又一部分，其中，N”等于N、N+1或N－1，其中选择N、N'和N”以获得所述限定的厚度，其中N”大于或等于50，并且其中每次膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；
(g)在(f)之后，将所述第一衬底从所述第三处理站传送至所述第四处理站，将所述第二衬底从所述第四处理站传送至所述第一处理站，将所述第三衬底从所述第一处理站传送至所述第二处理站，并且将所述第四衬底从所述第二处理站传送至所述第三处理站；
(i)在(g)之后，通过在所述4个处理站准确地执行所述循环沉积工艺的N”'个循环，在所述4个衬底上沉积所述膜的厚度的另外的部分，其中，N”'等于N、N+1或N－1，其中选择N、N'、N”和N”'以获得所述限定的厚度，其中N”'大于或等于50，并且其中每次膜沉积循环产生具有介于0.1埃和2.5埃之间的厚度的膜材料；以及
(j)从所述反应室去除所述第四衬底。
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