CN105386012A - 用于在低温ald系统中的稳定沉积率控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在低温ALD系统中的稳定沉积率控制的方法和装置，具体公开了在半导体衬底上沉积材料膜的方法。该方法可以包括：在喷头基本上维持在第一温度时，使膜前体穿过喷头流入处理室内；以及在衬底保持架基本上维持在第二温度时，使膜前体吸附到保持在衬底保持架上的衬底上，使得前体形成吸附受限层。第一温度比第二温度高至少10℃，或者第一温度处于或低于第二温度。该方法还可以包括：从包围所吸附的膜前体的体积除去至少一些未被吸附的膜前体；以及之后，使所吸附的膜前体反应以形成膜层。本发明还公开了一种装置，该装置包括：处理室；衬底保持架；喷头；以及一个或多个控制器，其用于操作该装置以使用前述膜沉积技术。

Description

用于在低温ALD系统中的稳定沉积率控制的方法和装置

技术领域

本发明总体上涉及半导体处理领域，更具体地涉及用于在低温ALD系统中的稳定沉积率控制的方法和装置。

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，沉积薄的保形膜(具有均匀厚度的与下伏结构的形状相对应的材料膜，即使下伏结构不平坦也如此)的能力将继续得到重视。原子层沉积(ALD)是非常适合于沉积保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保形的，因此，所得到的膜与下伏的设备结构的形状基本一致。

但是，存在与ALD工艺相关联的许多挑战。通常这些挑战必须解决以下事实：每个ALD循环只沉积薄的吸附受限层，所以需要许多的ALD循环来制成显著厚度的膜。出于这个原因，为了经由ALD从晶片到晶片沉积均匀厚度的膜，尽量减少在可能造成所沉积的膜可测量的变化的工艺条件的任何变化是重要的。因此，寻求用改进的方法和装置来改进在多个半导体衬底上执行的多个ALD循环的工艺条件的一致性、可控性和/或重复性。

发明内容

本发明公开了在处理室中在半导体衬底上沉积材料膜的方法。所述方法可以包括：在喷头基本上维持在第一温度时，使膜前体穿过所述喷头流入处理室内；以及在衬底保持架基本上维持在第二温度时，使所述膜前体吸附到在所述处理室中的保持在所述衬底保持架上的衬底上，使得所述前体在所述衬底上形成吸附受限层。所述方法还可以包括：从包围所吸附的所述膜前体的体积除去至少一些未被吸附的膜前体；以及之后，使所吸附的膜前体反应，以在所述衬底上形成膜层。在一些实施方式中，所述第一温度可以比所述第二温度高至少10℃。

本发明还公开了在处理室中在半导体衬底上沉积材料膜的方法。所述方法可以包括：在喷头基本上维持在第一温度时，使膜前体穿过所述喷头流入处理室内；以及当衬底保持架基本上维持在第二温度时，使所述膜前体吸附到在所述处理室中的保持在所述衬底保持架上的衬底上，使得所述前体在所述衬底上形成吸附受限层。所述方法还可以包括：从包围所吸附的所述膜前体的体积除去至少一些未被吸附的膜前体；以及之后，使所吸附的膜前体反应，以在所述衬底上形成膜层。在一些实施方式中，所述第一温度处于或低于所述第二温度。

本发明还公开了用于在半导体衬底上沉积材料膜的装置，所述装置包括：处理室；在所述处理室中的衬底保持架；喷头，其用于使膜前体流入所述处理室；真空源，其用于从包围所述处理室中的所述衬底的体积去除未被吸附的膜前体；以及一个或多个控制器。所述一个或多个控制器可以包括用于操作所述喷头和真空源以在所述衬底上沉积材料膜的机器可读指令。所述指令可以包括用于以下操作的指令：在使喷头基本上维持在第一温度时，使膜前体穿过所述喷头流入处理室内；控制所述处理室内的条件，使得在所述衬底保持架基本上维持在第二温度时，膜前体吸附到在所述处理室中的被保持在衬底保持架上的衬底上，从而在所述衬底上形成吸附受限层，所述第二温度比所述第一温度低至少10℃；从包围所吸附的所述膜前体的体积除去至少一些未被吸附的膜前体；以及在去除所述未被吸附的膜前体之后，使所吸附的膜前体反应，以在所述衬底上形成膜层。

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横截面示意图。

图2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3A显示了在一批50个晶片上沉积(通过ALD)的结果，其中在前25个晶片后插入远程等离子体清洁。

图3B是对于基座温度设定点50℃、60℃和70℃，“厚度变量”(在远程等离子体清洁前后所沉积的膜厚的变化)与喷头温度的关系图。

图3C是“厚度变量”与喷头温度的关系图，其来自使用喷头温度调节的若干个工艺和没有使用喷头温度调节的一个工艺。

图3D显示了在没有同时进行喷头加热的情况下，所沉积的膜厚度与基座温度设定点的关系图及线性拟合。

图3E显示了在同时将喷头加热到80℃的情况下，所沉积的膜厚度与基座温度设定点的关系图及线性拟合。

图4A是具有热调节和/或控制功能的喷头的横截面图。

图4B是具有热调节和/或控制功能的喷头的另一横截面图，该图强调的方面不同于图4A强调的方面。

图4C是具有热调节和/或控制功能的喷头的另一横截面图，该图强调的方面不同于图4A-4B强调的方面。

图5是具有热交换器的冷却系统的示意图，该热交换器构造成向4个喷头提供冷却，或者可替代地，它可以构造成向4个衬底保持架提供冷却。

图6示意性示出了喷头热调节/控制系统。

图7A是具有内部加热和冷却元件的基座形衬底保持架的透视图。

图7B是图7A的基座形衬底保持架的剖切透视图，其示出了具有冷却块的内部基座插入冷却元件，所述冷却块内置于台座的中央圆筒内。

图7C是图7B的基座插入冷却元件的特写透视图。

图7D是具有在喷头的面内的内部加热和冷却元件的基座形衬底保持架的横截面图。

图7E是图7D的基座形衬底保持架的剖切透视图，其示出了其内部的加热和冷却元件。

图8是用于通过本文所公开的技术形成具有改进的一致性的膜的原子层沉积(ALD)操作的示例性序列的流程图，其涉及喷头和/或衬底保持架的主动热调节和/或控制。

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或硬件以免不必要地使所显示的工作的创造性方面难以理解。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。

本文公开了用于通过原子层沉积(ALD)沉积材料膜的改进的方法和装置。采用ALD技术形成材料膜的半导体制造步骤通常采用多个顺序的ALD循环。单个ALD循环只沉积薄的材料膜(通常情况下只有一个分子层厚度)。为了建立可观的所需厚度的膜，可以执行多个ALD循环。因此存在顺序重复“ALD循环”的构思。如在下面详细描述的，用于在处理室中在衬底上沉积单层材料的基本ALD循环可以包括：(i)将膜前体吸附到衬底上，使得所述前体形成吸附受限层，(ii)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，以及(iii)在去除未被吸附的膜前体之后，使所吸附的膜前体反应以在衬底上形成膜层。通常情况下，ALD循环另外涉及(iv)在使所吸附的膜前体反应以后，从围绕在衬底上形成的膜层的体积去除存在的解吸的膜前体和/或反应副产物的操作。在操作(ii)和(iv)中的去除可以经由清扫、通过抽真空到基本压强(“抽排至基压”)将围绕衬底的体积抽空等来完成。在一些实施方式中，这些清扫可以在逻辑上划分成在本文中称之为“初级清扫”或“脉冲(burst)清扫”，以及“次级清扫”的清扫。(于2014年7月30日提交的名称为“METHODSANDAPPARATUSESFORSHOWERHEADBACKSIDEPARASITICPLASMASUPPRESSIONINASECONDARYPURGEENABLEDALDSYSTEM,”的美国专利申请No.14/447,203中详细描述了初级清扫/脉冲清扫以及次级清扫的使用，该专利申请其全部内容通过引用基于所有目的并入本文。)操作(i)-(iii)–以及在某些实施方式中还有(iv)-因此构成ALD的单个循环，该循环然后可以重复一次或更多次以在衬底上沉积附加的膜层，并由此建立所期望的可观厚度的膜。

因为多个ALD循环被执行以沉积的膜材料，而且在许多半导体衬底(在典型的晶片制造工艺流程中)重复执行以在多个衬底上进行沉积，因此重要的是，每个ALD循环是可控的、可预测的和可重复的，使得所得到的沉积的膜具有均匀的组合物和一致的厚度。因此，理想的是既减小所沉积的膜的“晶片内”可变性(例如，所沉积的膜的在晶片表面上的不同的独特点处的厚度的变异)，又减小给定批次的晶片之间的在所沉积的膜的变异。通常情况下，除了控制进入反应处理室的膜前驱体和/或共反应物的组合物和流速，膜沉积工艺的可重复性还包括保持对处理室内的环境条件的控制。

在处理室内的温度，并且甚至更具体地，上面正在沉积膜的衬底的温度，通常对在ALD工艺中形成的膜的一致性具有显著的影响。例如，在某些低温(例如，50℃)ALD工艺中，由ALD工艺本身诱导在基座/晶片/喷头系统中的显著的温度变化。例如，在上述操作(iii)中的等离子体激活(在采用等离子体激活的实施方式中)可能导致衬底或处理室的“等离子体加热”。给定的晶片上的ALD操作之间或在不同的晶片的处理之间执行的其他操作，诸如室清洁操作，也可能会导致在该处理室中的温度波动。其结果是，如下所述，不可忽略的沉积速率的变化已被观察到(如所述的，这是在保形膜的应用中所不希望的)。

然而，已经发现，在膜形成期间，通过对具有与所述处理室的内部体积热接触的各种硬件组件的温度调节，衬底的温度可能会受到影响、并在一定程度上是稳定的和受控制的。具体地，用于分配膜前体(和/或共反应物)的喷头的主动热调节(主动加热或冷却)，以及上面保持有衬底的基座(更通常被称为衬底保持架)的主动热调节，提供在ALD工艺期间可修改衬底的热性能和特征的机制。例如，如以下详细描述的，在一些实施方式中，已经发现，将喷头基本上保持在比衬底保持架所保持的温度高的升高的温度下，即例如高至少约5℃或10℃或15℃或20℃，会导致衬底的改进的热稳定性，以及经由ALD工艺沉积的膜的更大的一致性。

在喷头和衬底保持架之间的上述温度差可以通过主动热调节和/或控制喷头温度来维持，并且在一些实施方式中，也采用这样的衬底保持架温度的主动热调节/控制来维持。因此，在一些实施方式中，该喷头可以通过主动加热在较高的温度下操作，同时，衬底保持架(例如，基座式设备)可通过主动冷却在降低/较低的温度下独立地操作。总之，在这样的ALD工艺中，膜前体可以通过喷头流入处理室，而喷头基本上维持在第一温度下，然后，膜前体可以吸附到在处理室中保持在衬底保持架上的衬底，同时将衬底保持架基本上维持在不同于(低于)第一温度的第二温度下。

例如，第一温度(喷头的温度)可以被选择、挑选、编程、设置、维护在高于第二温度(衬底保持架的温度)、等等。例如，第一温度可以为高于第二温度至少约5℃、或高于第二温度至少约10℃、或高于第二温度至少约15℃、或高于第二温度至少约20℃、或甚至高于第二温度至少约30℃。在一些实施方式中，第一和第二温度之间的差可以落入可能的温度差值范围内。因此，例如，在一些实施方式中，第一和第二温度之间的差可以介于约5和30℃之间，或介于约10和20℃之间，或介于约10和15℃之间，或在约15和20℃之间，或介于约5和20℃之间，或介于约10和30℃等等。更一般地，根据实施方式的不同，第一和第二温度之间的差可以落入由下面的任何成对的温差值限定的数值范围内：5℃、10℃、15℃、20℃、25℃和30℃。因此，例如，第一温度高于第二温度的温度可以介于约10和20℃之间，或第一温度高于第二温度的温度可以介于约15和30℃之间，等等。

温度差可以是显著的，同时绝对温度也可以是显著的。因此，例如，在一些实施方式中，第二温度(衬底保持架的温度)可以介于约20和100℃之间，或介于约30和70℃之间，或介于约35和65℃之间，或介于约40和60℃之间，或介于约45和55℃之间，或介于约48和52℃之间。更一般地，根据实施方式的不同，在优选的ALD工艺期间基本上保持的衬底保持架的温度可落入包括由任何成对的以下温度限定的范围的可能的温度范围内：20、30、35、40、45、50、55、60、65、70、80、90和100℃。此外，在一些实施方式中，前述措施可稳定衬底的温度，使得衬底的温度在上述的操作(i)-(iii)和/或(iv)期间变化不到约2℃，或甚至在这些操作期间，变化不到约1℃。同样地，在一些实施方式中，前述措施可稳定喷头的温度，使得喷头的温度在上述的操作(i)-(iii)和/或(iv)期间变化不到约2℃，或甚至在这些操作期间，变化不到约1℃。

以这种方式，根据实施方式的不同，一方面，喷头可以在一定温度范围内操作，由于室清洁相关的蚀刻工艺导致在该温度范围内喷头对等离子体加热和加热是不敏感的，而在同时，衬底可以保持在较低温度下，该较低温度对于正在进行的低温ALD工艺是合适的。在这样做时，从晶片到晶片以及从晶片批次到晶片批次的ALD沉积速率的一致性和稳定性相对于在不存在主动热调节/控制下的沉积速率可显著提高。其他潜在的优点还可以涉及通过对基座和喷头系统的独立温度控制所提供的额外的灵活性。热调节/控制能力和/或温度的选择通常可提供有用的附加参数，以进行过程调谐并减少缺陷等级，例如，提高喷头的温度可降低或消除前体在喷头上凝结的风险。

替代地，在其它实施方式中，可以热调节和/或控制喷头和衬底保持架，以便保持喷头的温度约为或低于衬底保持架的温度。在喷头的温度低于衬底保持架的温度的实施方式中，使用主动冷却以从喷头去除等离子体产生的热负荷，从而促进其热稳定性。在这种状态中，衬底的主动冷却(例如，通过主动冷却基座)可能不需要，因为没有热量被从较高温度的喷头热传导到衬底，即，喷头的温度(确定为上述的第一温度)将约为或低于衬底保持架(确定为上述的第二温度)的温度。

因此，根据实施方式的不同，第一温度可被选择/挑选/编程/设置/维持/等等在第二温度以下，例如，第一温度可以为在第二温度以下至少约5℃，或在第二温度以下至少约10℃，或在第二温度以下至少约15℃，或甚至在第二温度以下至少约20℃。在一些实施方式中，第一温度和第二温度之间的差可以落入可能的温度差值的范围内。因此，例如，在一些实施方式中，第一和第二温度之间的差可以介于约5和20℃之间，或介于约10和20℃之间，或介于约10和15℃之间，或在约15和20℃之间，或介于约5和15℃之间，或介于约5和10℃等等。而且，在喷头被保持比衬底保持架冷的这些实施方式中，喷头和衬底保持架之间的温度差可以是显著的，同时所涉及的绝对温度也可以是显著的。因此，例如，上述的可能的衬底保持架的温度范围也可以适用于这些较冷的喷头实施方式，具体取决于特定的配置，例如，多少热控制和冷却能力是可用的。并且，在实际衬底处，相应的温度变化也可以如上所述例如为+/-1℃，如上所述。

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102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、次级/共反应物等。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，如在下面详细地描述的，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。

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2所示意性示出的那样，可以采用多站式衬底处理装置。图2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。所述装置还采用衬底加载设备(在这种情况下为衬底搬运机械手226)以在处理站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)以在各处理站201、202、203和204之间传送衬底。其他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。如图2所示，将在下面更详细地描述的是控制器150。在一些实施方式中，控制器150可以调节和/或控制一个或多个喷头、一个或多个衬底保持架(例如，一个或多个基座)、和/或一个或多个室壁等的温度，并且在这样做时，有助于执行多个晶片和多个批次晶片(正在进行ALD操作)之间的一致的和可重复的衬底沉积操作的目标。

注意，就设备成本和运营费用这两方面而言，通过使用如图2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2中示出，而是例如图1中的118)可以被用来排空所有4个处理站中的已用过的工艺气体，为所有的4个处理站创建单个高真空环境，等等。同样，在一些实施方式中，单个喷头可以在单个处理室之内的所有处理站中共享。

然而，在其它实施方式中，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)，但在某些这样的实施方式中，可以使用共同的气体输送系统(例如，图1中的101)。在每处理站具有专用喷头的实施方式中，每个喷头可以使它的温度单独地调节和/或控制。例如，每个喷头可以相对于衬底(该喷头传递气体到该衬底)进行温度调节，或相对于与该喷头相关联的衬底保持架进行温度调节，等等。通过同样的措施，在衬底保持架通过例如加热和/或冷却进行主动温度控制/调节的实施方式中，每一个衬底保持架的温度可以单独地调节。

可以在处理站中共享或者在每个处理站中按倍数存在或者单独专用的其它硬件元件包括等离子发生器设备的某些元件。所有处理站可以共享例如共同的等离子体电源，但，另一方面，如果专用淋浴喷头存在，并且如果它们被用于应用等离子体产生的电势，见下面图1的讨论，那么这些表示等离子体产生硬件的对于不同处理站单独专用的元件。再次，这些处理站专用喷头中的每一个可以使其温度根据例如特定的处理站的热性能的差异和被使用的ALD工艺的详情单独调节。当然，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。

通过喷头和/或衬底保持架的温度调节和/或控制改善沉积速率的一致性和均匀性

顺序执行的ALD工艺的均匀性取决于所采用的处理室体积内的一致的环境工艺条件的维持。然而，已经发现，例如，处理室内的由远程等离子体清洁(RPC)操作所导致的温度波动会改变条件，导致所沉积的膜的不希望有的可变性。例如，图3A显示了在一批50个晶片上沉积(通过ALD)的、其中在最先的25个晶片后被远程等离子体清洁(RPC)中断的结果。附图示出了沉积速率的明显的下降，以及紧接RPC(即从晶片序号25至26)后沉积的膜厚度的明显的下降。具体而言，图3A示出的在20分钟的RPC后的厚度下降被发现是-1.8埃。在另一个试验中，涉及在500晶片上进行沉积后的1小时、40分钟的RPC，厚度下降被发现是6.0埃，这表明，至少在这种情况下，较长的清洁时间导致在沉积的膜厚度上的较大变化(即“厚度变量”)和相应的沉积(“dep”)速率的较大变化。

用远程等离子体清洁的这些和进一步的试验的结果连同相关评论示于表Ⅰ中。具体地说，表Ⅰ列出了在一系列晶片上进行的序列操作/处理，示出了远程等离子体“清洁”操作的效果和各种其它处理操作的效果，其它处理操作如在改善由清洁步骤所引起的变化时的喷头加热和冷却试验。表中的操作1对应于图3A中所示出的和刚刚所描述的。操作2示出了，通过用He气持续3小时将室填充至8托来冷却喷头将由清洗操作引起的厚度变量减小至0.5埃，或在不存在用He冷却的情况下减小至小于厚度变化的1/3。然而，从产量的角度来看，在仅处理25个晶片后中断3个小时以冷却喷头显然是不可取的。操作3示出了在室中运行Ar/N₂等离子体的效果，并且它不会导致显著的厚度变化。然而，操作4和5显示：在清洁操作后，运行N₂O等离子体(已知能产生显著的加热)6分钟，或仅2分钟，导致显著的厚度变化(厚度变量分别为1.3埃和2.2埃)。

处理6-9显示较高的压强(18托)的氦气流流过喷头以在清洁操作之后冷却喷头的效果。结果表明，使用较高压强的氦气流减少了喷头冷却所需的时间至约1小时(与在操作2中在8托的He流下使用的8小时冷却相比)，但它仍不能完全消除清洁引发的沉积速率方面的变化。此外，操作10-14发展到运行500晶片和1小时、20分钟的随后扩展清洁(得到6.0埃厚度变量，如上所述)，并且在这里，在这种状态，看出，它需要2小时的He冷却(经由填充有18托氦的室)以消除非均匀性，这从处理吞吐量的角度来看还是不能接受的。最后，操作15在已经是干净的室上运行RPC，没有厚度变量产生，这表明没有发生喷头加热。这倾向于表明来自RPC的加热是由在室(其是清洁的目标)中积累的膜的放热蚀刻本身导致的。

因此，表I示出了在远程等离子体清洁(RPC)后的沉积厚度和速率的可变性似乎是由于室的环境条件(特别是温度)因RPC造成的变化而导致的，这通过以下事实表明：即He冷却能(在不短的时间后)恢复沉积速率和厚度到它们的RPC前的值。

表I

尽管在表I中所示的试验结果显示了两难的问题，它们没有表明如何消除厚度变化又同时保持高的晶片产量处理操作。对于该问题的一种完全不同的解决方法是采用一种处理装置设计，其中该喷头不显示出由于沉积工艺或插入清洁操作而导致的温度变化。将喷头与处理室中产生的热能绝缘是一种这样的方法。另一种方法是采用其中喷头被主动冷却的处理装置，使得尽管其会暴露于显著数量的热能，但热能在其导致喷头温度升高之前被传导离开。几乎似乎与前述方法相对(以及与由表I的试验示出的相对)的第三种方法是有意加热喷头到升高的温度，使得通过沉积或清洁操作产生的热能不显著改变其温度。

表II显示了被设计来确定喷头(SHD)操作温度的合适范围以完成该第三种方法的试验结果。用于该试验的衬底处理装置是一个4处理站装置(例如，类似于图2中所示出的)，对于每个站具有专用喷头(如上所述)。表Ⅱ示出了与处理站3和4相关联的喷头的温度以及4个基座1-4(用作晶片保持架)的温度。

操作1建立基准温度，两个喷头3和4都在38℃下，而4个基座被加热至50℃。在操作2中，N₂O等离子体施加1/2分钟，导致SHD3的标称加热，并且SHD4的温度没有变化。但是，在随后的操作3中，执行定时远程等离子体清洁(在两个步骤中，持续300秒，并且接着600秒，而不是如在其他的在本文提到的RPC清洁那样直到特定的结束点被检测到)，导致两个喷头3和4都有17℃的显著的温度增加。

(请注意，喷头3和4安装有热电偶，使得温度可以通过这些操作直接测量。)在操作4-6中的附加等离子体处理则表明等离子体处理还导致喷头温度升高。具体地讲，在操作4，5和6分别施加N₂O等离子体2分钟、6分钟、10分钟，导致显著的温度升高，直到在操作6，在喷头3高达125℃，而在喷头4高达68℃。在喷头3和4之间的差分温度变化产生于站3和4之间的等离子体功率方面相差3倍。这些结果再次表明，工艺等离子体施加以及远程等离子体清洁(RPC)操作导致喷头加热。操作7，如表I所示，确认He冷却确实将喷头温度恢复至接近它们的基准值。基座温度通过这些等离子体处理保持稳定是由它们在操作5中的稳定和一致的读数支持(但可能由于在使用时在站3的较高的等离子体功率，因此在基座3的温度高出约3℃)。

操作8和9然后再次表明：沉积工艺(这里25个晶片的序列用500瓦特等离子体激活步骤进行沉积)之后进行远程等离子体清洁确实逐步提高了喷头的温度(再次，在站3更加会这样)，但对温度受控基座没有很强的影响。可以看出，喷头升高的温度在约10-20℃之间，具体取决于处理站。然而，在操作10中，在另一个后续的氦冷却之后，可以看出，在沉积4微米的SiO₂膜之后，进行远程等离子体清洁，导致在两个站3和4都有一致的20℃的温度上升，而基座保持在50℃。一个结论是，在没有温度调节和/或控制的情况下，喷头可以预期从比基座的50℃的设定温度低约10℃上升到比基座的设定温度高约10-20℃。

表II

鉴于表II，在一系列的ALD试验中使用多种喷头和基座温度的组合来评估各组合的能力，以尽量减少在RPC前和RPC后沉积速率和膜厚度的可变性。图3B显示了结果。具体而言，图3B显示了对于基座温度设定点为50，60和70℃，“厚度变量”(4微米的SiO₂沉积后在RPC前和RPC后所沉积的膜厚的变化)与喷头温度的关系图。数据显示两个喷头/基座温度的组合导致约1埃或更小的厚度变量：65℃的喷头伴随约50℃的基座(实际温度56℃)实现小于1埃的厚度变量；而80℃的喷头伴随60℃的基座导致在RPC前和RPC后基本上没有厚度减小。前者表示喷头温度高于实际基座温度9℃或高于基座温度设定点约15℃，后者表示喷头温度高于基座温度设定点约20℃。(请注意，对于这两种情况，基座温度在清洁前和清洁后之间上升约1℃)。因此，这些实施例说明，通过调节喷头的温度，使得其高于衬底温度和/或基座温度设定点至少约10℃，可以显著减少在ALD工艺中清洁前/后沉积速率的变化。

在还有的其他实施方式中，人们可以采用用于衬底处理室中主动衬底保持架(例如，基座)冷却的机构，以减少在ALD工艺中沉积的变化。这可以在具有或没有同时喷头热调节/控制的条件下来实现，具体取决于实施方式。在一个实施方式中，这样的主动基座冷却可以通过使用冷却的下部室壁来实现，冷却的下部室壁可以通过充当用于将热量扩散远离基座和基底的散热器而具有其期望的效果。在其他实施方式中，使用具有用于主动冷却的内部机构的基座可能更方便，并且至少具有同等效力。例如，基座具有用于使冷却流体直接流过基座结构的内部导管，从而该基座会导致冷却流体对基座和衬底有其更直接的冷却效果。采用用于使冷却和加热流体循环的分开的导管的主动冷却基座的一个实施例在下文进行说明，并示意性地示于图7A-7E。

在一个系列的实施例中，表Ⅲ列出了采用用于主动基座冷却的机构所产生的厚度变量。这是通过使冰冷的水穿过基座本身循环进行的，或如表中所示的，通过使用主动冷却室壁进行的。在任一硬件配置中，效果主要是给基座提供额外主动冷却，以改善在50℃设定点的温度控制。这可从以下观点来理解：如果将给衬底本身提供足够的温度控制，则喷头的热稳定性不是关键的。然而，表III仍然还说明，如果也实施喷头温度控制，则也可获得改进的厚度变量。例如，从处理3所得的相关厚度变量(不采用喷头温度调节)是在所希望的1埃的目标水平，但是处理1和2(使用80℃和60℃的喷头温度设定点)可实现低于1埃的厚度变量。这些结果图示绘制在图3C中。处理4将等离子体功率提高了4倍达到2000瓦，而-0.8埃的厚度变量表明，喷头和基座温度设定点的这样的组合是能够控制(handle)较高的等离子体功率的。在处理5中累积到2微米的沉积(使用与处理4相同的温度设定点和等离子体功率)导致厚度变量从1埃增加到1.3埃，这在典型的测量误差棒(errorbars)内是有效地忽略不计的，显示从批到批的良好的沉积速率控制被保持在较大批量尺寸(2um)。这些结果还以图形方式描绘于图3C中。比较图3C与图3B，可以看出，将基座的主动冷却与温度调节喷头组合利用(图3C)相比于仅利用温度调节喷头(图3B)较好地将清洁前/后的厚度变量较有效地保持在1埃的目标窗内。

表III

[*使用冷却的室壁完成]

为了更好地理解通过采用衬底保持架的改进的温度控制(例如，通过采用冷却的下室壁)所提供的有益效果的基础，在同期存在以及没有同时存在喷头加热的情况下，执行附加的一系列试验，这些试验测得作为基座温度设定点的函数的沉积膜厚度。图3D描绘了在没有喷头加热的情况下执行的这些试验的结果。图3E描绘了在同时存在喷头加热至80℃的情况下的这些试验的结果。在这两种情况下，一种负的线性关系显示在沉积的膜厚度和基座温度设定点之间，但是，在80℃加热的喷头情况下的最佳拟合线的斜率约为未加热的喷头情况下的最佳拟合线的斜率的两倍(比照：将-0.9758以及-1.0782埃/℃对比)。换句话说，数据显示，在存在加热的喷头的情况下，沉积速率受到升高的基座温度更强烈地阻碍。其理由推测如下：在没有来自喷头的加热时，晶片的温度一般稍低于在基座设定的温度，因此，基座加热对沉积速率的效果有所减损。相反，当喷头主动加热到比基座的温度高的温度时，那么，晶片也将通常具有比基座的温度高的温度，并且相应地来自基座的加热将有更明显的和不减损的效果。由于这些原因，在与冷却下部室壁与加热喷头的结合使用相关联的清洁前/后的厚度变量的进一步减小可以被理解为是衬底在喷头被加热时更强烈地吸附热能的这种倾向的后果。

这些试验因此表明，在采用加热喷头的装置中，衬底温度控制更为重要。为了确认冷却下室壁的添加提供了这样的增强的温度控制，进行了几次额外的测量，结果列于表IV中。表IV列出了在使用冷却的下室壁的装置的两个处理站(站3和4)处测量的实际基座温度和所沉积的膜厚度。在两个喷头温度设定点65℃和80℃下比较温度和所沉积的膜厚度。通过表Ⅳ中的数据证实了冷却的下室壁的优点，表明两个喷头设置点都导致一致的实际基座温度和膜厚度。具体地，该数据与上面提供的数据暗示，为了将清洁前/后的厚度变量维持在1埃的公差窗口内，在喷头被加热到高于基座的温度数度时，将基座温度保持控制在+/-1℃内可能是有利的。

表IV

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)的保形膜材料(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。

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)激活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)的保形膜的ALD技术：于2011年4月11日提交的、名称为“PLASMAACTIVATEDCONFORMALFILMDEPOSITION”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“PLASMAACTIVATEDCONFORMALDIELECTRICFILMDEPOSITION”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“PLASMAACTIVATEDCONFORMALDIELECTRICFILMDEPOSITION”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“CONFORMALDOPINGVIAPLASMAACTIVATEDATOMICLAYERDEPOSITIONANDCONFORMALFILMDEPOSITION”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、抽空、抽排到基本压强(“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保形膜。因此，在一些实施方式中，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循环大约0.1埃和2.5埃或介于0.1埃和2.5埃之间的厚度；或每ALD循环大约0.2埃和2.0埃或介于0.2埃和2.0埃之间的厚度；或每ALD循环大约0.3埃和1.8埃或介于0.3埃和1.8埃之间的厚度；或每ALD循环大约0.5埃和1.5埃或介于0.5埃和1.5埃之间的厚度；或每ALD循环大约0.1埃和1.5埃或介于0.1埃和1.5埃之间的厚度；或每ALD循环大约0.2埃和1.0埃或介于0.2埃和1.0埃之间的厚度；或每ALD循环大约0.3埃和1.0埃或介于0.3埃和1.0埃之间的厚度；或每ALD循环大约0.5埃和1.0埃或介于0.5埃和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。

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：保形地按顺序沉积具有一种组合物的多个层，接着保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“CONFORMALDOPINGVIAPLASMAACTIVATEDATOMICLAYERDEPOSITIONANDCONFORMALFILMDEPOSITION”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保形膜(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“PLASMAACTIVATEDCONFORMALFILMDEPOSITION”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“PLASMAACTIVATEDCONFORMALDIELECTRICFILMDEPOSITION”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“PLASMAACTIVATEDCONFORMALDIELECTRICFILMDEPOSITION”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“CONFORMALDOPINGVIAPLASMAACTIVATEDATOMICLAYERDEPOSITIONANDCONFORMALFILMDEPOSITION”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“CAPPEDALDFILMSFORDOPINGFIN-SHAPEDCHANNELREGIONSOF3-DICTRANSISTORS”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工艺常常用于沉积保形氧化硅膜(SiOx)，但是ALD工艺也可用于沉积其它化学物质的保形电介质膜，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“REMOTEPLASMABASEDDEPOSITIONOFSiOCCLASSOFFILMS”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“METHODTOOBTAINSiCCLASSOFFILMSOFDESIREDCOMPOSITIONANDFILMPROPERTIES”的美国专利申请No.13/907,699(律师档案号LAMRP046/3149)；名称为“GROUNDSTATEHYDROGENRADICALSOURCESFORCHEMICALVAPORDEPOSITIONOFSILICON-CARBON-CONTAININGFILMS”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“CAPPEDALDFILMSFORDOPINGFIN-SHAPEDCHANNELREGIONSOF3-DICTRANSISTORS”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。在一些实施方式中，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毫托和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从约0.1毫升/分钟至10毫升/分钟或介于0.1毫升/分钟至10毫升/分钟之间，或为约0.5毫升/分钟和5毫升/分钟之间或介于0.5毫升/分钟和5毫升/分钟之间，或为约1毫升/分钟和3毫升/分钟之间或介于1毫升/分钟和3毫升/分钟之间。

在多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约或介于1升/分钟和20升/分钟之间，或为约或介于2升/分钟和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，所采用的脉冲流率范围可以为约或介于20升/分钟和100升/分钟之间，或为约或介于40升/分钟和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，组合物可逐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)中公开的堆叠设计构思之类的某些堆叠设计构思来调节这些膜中的硼、磷或砷的浓度。

衬底处理装置的详细描述

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2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节。

处理站100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没有在合适位置受到充分的控制时(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下游的输送导管也可以进行热处理。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下游的导管具有从约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来调节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控制器的感应导管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，并显示为搁置在基座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，基座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，基座108可被降低，以使衬底112能被加载到基座108上。在衬底上进行沉积的处理阶段，基座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以及基座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，可将基座108在沉积处理的部分期间降低和/或升高以调节微体积107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，降低基座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，基座高度可以经由合适的系统控制器通过编程方式进行调节。

在另一种情况下，调节基座108的高度可以使得等离子体密度在包含例如在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，基座108可以在另一衬底传送阶段被降低以使得衬底112能从基座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基座，但应该理解的是，在一些实施方式中，喷头106的位置可以相对于基座108被调节以改变微体积107的体积。此外，应当理解的是，基座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，基座108可包括用于旋转衬底112的方位的旋转轴线。应该理解的是，在一些实施方式中，这些示例性调节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的指令。

返回至图1所示的实施方式中，喷头106和基座108电连通RF功率源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功率源114和匹配网络116可在任何合适的功率下进行操作，以形成具有所期望的自由基物质的组分的等离子体。合适的功率的实施例包括在上文中。同样地，RF功率源114可以提供任何适当频率的RF功率。在一些实施方式中，RF功率源114可以被配置为控制彼此独立的高频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节。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可能是重要的。

在一些实施方式中，基座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节。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2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2所示，多站式处理工具200具有衬底加载端口220和衬底搬运机械手226，衬底搬运机械手226被配置为将衬底从通过吊舱228装载的盒移动通过大气端口220，进入处理室214，并且最终到达处理站。具体地，在本案例中，衬底搬运机械手226在处理站201和202装载衬底，并且衬底传送装置(在本案例中为衬底转盘290)在各处理站201、202、203以及204之间传输衬底。在图2中所示的实施方式中，衬底装载装置被描绘为具有用于衬底操作的2个臂的衬底搬运机械手226，因此，如所描绘的，它可以在两个站201和202装载衬底(也许同时，或者也许按顺序地)。然后，在站201和202装载之后，图2中描绘的衬底传送装置、转盘290可以做180度的旋转(绕其中心轴线，中心轴线基本上垂直于衬底(从页面出来)的平面，并在衬底之间基本上等距)以从站201和202传送两个衬底到站203和204。在这一点上，搬运机械手226可在站201和202装载2个新衬底，完成装载过程。为了卸载，可以颠倒这些步骤，除了下列操作以外：如果要处理多组的4个晶片，那么每次通过搬运机械手226卸载2个衬底将伴随通过在将传送转盘290转动180度之前装载2个新的衬底。类似地，配置放置衬底在仅1站(例如201)的独臂搬运机械手将在伴随转盘290旋转90度4次的4步装载工艺中使用以在所有4个站装载衬底。

在图2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。每个站具有加热基座(对于处理站201以218显示)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)。

如上所指出的，图2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。

主动热可调/受控喷头的详细描述

如上所述，本文公开的各种沉积工艺和技术采用用于分配膜前体的可以具有热调节和/或控制功能的喷头。热可调节和/或控制喷头可以改善经由ALD工艺沉积的膜的晶片到晶片和批次到批次的均匀性，但它也可以通过消除非处理延迟，通过减少不希望的温度变化而减少颗粒的产生，从而提高产量，而且，通常，可提供用于微调膜性能的附加的有价值的工艺参数。ALD形成的膜的均匀性可在批次内从晶片到晶片得到改善，因为，通过使用温度受控的喷头，温度在连续批次的晶片上将变化较小-例如，从而避免以下情形：在一批次中的开始的晶片使用一个或多个冷喷头沉积，而在该批次的最后的晶片使用已达到其平衡温度的一个或多个喷头沉积。同样，通过控制在一个室的所有喷头是在相同温度下，可以改善不同的子层之间的膜的性质的均匀性。非处理时间(只是加热喷头的虚设的沉积时间)可以消除，从而提高产量。类似地，热循环可以减少，因为在站处于待机状态或被清洁时，喷头温度可保持，而不是让喷头冷却。附加的好处可以是，热循环的减少降低了室组件之间(和组件上的涂层之间)的不同的热膨胀系数的效果，从而减少颗粒产生。

在一些实施方式中，合适的温度可调节的喷头可以是吊灯型喷头，此外，这样的喷头的设计特征可以是在该喷头面和主体之间的界面处的热断裂(thermalbreak)，从而能对所施加的热(添加的加热和/或减少了的加热工作周期)或增强的冷却作出快速的热响应。这种快速响应可能在下述情况时是有利的：插入的基于等离子体的清洁步骤(在执行于序列的衬底批次上的ALD操作之间执行)提供大量的热能至喷头，并且因此该喷头的温度调节和/或控制硬件必须对热变化迅速作出反应(例如，通过切断热量的产生或提高冷却剂流速，等等)。现在提供这种喷头的某些实施例的详细描述。

通常，吊灯型喷头具有一端连接到室顶部而另一端连接到面板的杆，从而类似于吊灯。杆的一部分可从室顶部突出以使气体线路能够与RF电源连接。为了控制温度，基于喷头的温度，添加或除去热量。当等离子体接通时，因为带电粒子碰撞喷头而赋予能量，和/或所施加的RF能量被耦合至喷头，因此喷头的温度升高。喷头温度还可以因为外部热量通过例如作为来自电加热器的电能有意加入而升高。当冷却物材料(例如，在较低温度下的反应物气体或在环境温度下的晶片)进入室，当通过传导(例如，通过喷头杆材料向上朝室顶板传导热)以及通过喷头表面的辐射来去除热时，喷头温度下降。这些热事件中的一些作为正常室操作的一部分发生，而其他的可被用于控制喷头温度。

图4A、4B和4C是根据本发明的多种实施例的喷头的横截面示意图。参考图4A，喷头400包括杆404、背板406和面板410。杆404可以被划分成上部部分和下部部分，其可以具有不同的直径。在一个实施方式中，上部杆具有的直径为约1.5至2英寸，优选约1.75英寸。下部杆直径为约2至2.5英寸，优选约2.25英寸。面板直径可以稍大，并且与晶片尺寸相当或比晶片尺寸稍大，优选约晶片尺寸的100％至125％。例如，对于300mm(12英寸)的处理室，面板直径可以是约13英寸或约15英寸。面板和背板可各自具有的厚度为约0.25至0.5英寸，或约0.125至0.5英寸，或者约0.25-0.375英寸。面板可以由铝、阳极化铝或经涂覆的铝、或者被配制成耐高温、耐化学品和耐等离子体的金属制成。

在一个实施方式中，背板是约0.5英寸厚，而面板是约八分之三英寸厚。反应物气体通过该喷头杆404内的气体入口通道402引入，流过背板406，并进入背板406和面板410之间的歧管区408。参照图4B，挡板412在整个歧管区域408均匀分配气体。挡板412可以经由挡板中的带螺纹插入物或带螺纹孔442和若干螺丝444附连到背板406。歧管区域的体积是由背板和面板之间的间隙限定。该间隙可为约0.5至1英寸，优选为约0.75英寸。为了保持在间隙中的均匀气流，间隙可以利用若干分离器/隔离物432保持恒定，若干分离器/隔离物432位于所述背板和面板之间的多个位置，例如：3个、6个或多至10个位置。如图所示，螺丝438通过隔离体/隔离物432将背板406在带螺纹盲孔428处紧固到面板。在其他实施方式中，可使用具有或不具有内螺纹的各种形状的隔板或套管。虽然示出的螺丝进入背板并拧进面板中，但也可以使用相反的配置。例如，螺丝可被嵌入面板中并穿过隔离物进入背板内的通孔。螺丝可以用螺母固定到背板。

气体通过面板410中的穿孔或通孔(434)进入处理区域以引起晶片表面上的沉积。通孔可被机加工、研磨、或钻穿。每个孔可为约0.04英寸的直径，或约0.01至0.5英寸的直径。一些孔可以具有不同的尺寸。孔的数量可以是100-10,000，2-5000，约3-4000，或约200-2000个孔。孔可以以各种模式均匀分布在整个面板，例如，蜂巢模式或越来越大的圆。根据包括所希望的膜均匀性、膜轮廓和气体流在内的各种因素，孔可具有多种非均匀分布的模式，如被更密集地分布在面板的中间或更密集地分布在面板的边缘。在一个实施方式中，孔可以具有均匀间隔的圆的模式，离中心越远，孔的间隔越大。通常，可以使用各种孔模式和密度。

在一些情况下，面板410被可拆卸地连接到背板406，以使穿孔/孔结构可以容易地改变并且面板容易地清洁。在面板410的背面可包括配合特征以与背板连接和分离。如图所示，该配合特征可以是凹槽430和带螺纹盲孔446。凹槽430可以配合到在背板上的相应唇状物。在背板或面板上的螺丝孔440沿周边定位并匹配孔446。螺丝将背板和面板连接一起。沿周边定位的螺丝的数量可以是超过4个、超过10个、约24个、或多到约50个。可使用用于背板和面板的其他配合特征。例如，其它紧固机构可以包括带或夹，或者如果面板的尺寸紧密配合背板的对应接收器的那些尺寸，则可以使用简单的基于摩擦的接合。如图4A所示，面板可包括具有凸缘的周边侧壁。背板可定位在凸缘上并被用螺丝固定。在一个实施方式中，在背板或面板的周边侧壁边缘上的专门加工的凹口与对应件上的齿状物紧密配合的情况下，使用互锁卡爪机构。当喷头被加热，并且齿状物和凹口膨胀时，背板和面板可通过摩擦连接起来。相对于必须被拧入并且会剥落和释放颗粒的螺丝而言，涉及非运动部件的这样的机构会是优选的。又一可能的机构涉及在面板或背板的周边侧壁上的可拧入相应的对应件中的螺纹。不论配合特征和紧固机构如何，背板和面板都以使得两者之间保持良好的电接触和热接触的方式连接。

在操作过程中，喷头面板经受在室内的应力条件。例如，来自达到非常高的温度(例如，高于300℃)的温度变化的热应力会使背板或面板翘曲，并且使材料退化。操作过程中的等离子体会侵蚀表面材料，造成颗粒和薄弱点。反应物(如氟气)也能以化学侵蚀的方式腐蚀面板。不想要的反应产物或副产物的沉积会堵塞气流孔，影响工艺性能，膜在表面上形成时导致颗粒，或在氟化铝的情况下影响等离子体的性能。通过积累，这些事件可能会影响有关颗粒、均匀性和等离子体性能方面的工艺性能。仅清洁或更换面板的能力，而不必更换整个喷头组件，这是具有成本效益的。

再次参照图4A，电阻元件形式的加热器414可以热连接到如图中所示的背板406上。在一些实施方式中，加热器414可被嵌入背板406中。该加热器可以通过真空钎焊工艺连接。电阻元件形式的加热器414通过加热器导线416来控制，加热器导线416穿过杆连接到该电阻元件。因为在室操作期间喷头经受高射频能量，电阻元件的全部或部分可以是与RF绝缘和隔离的。RF隔离可以通过EMI/RFI滤波器或任何其他市售的RF隔离设备来实现。

图4C示出喷头的稍微不同的横截面，以强调其他元件。在该图中，温度传感器418被示出为与面板410热接触，以测量喷头的温度，具体地测量在喷头面板的温度。在一些实施例中，诸如图4C所示，温度传感器418可以是热电偶。这里热电偶/温度传感器418穿过背板406和面板410之间的支座420与上杆相连。在面板410处，热电偶可接触传感器接触孔中的面板材料。类似于加热器导线和元件，热电偶也与RF绝缘和分离。RF隔离可以在一频率通过RF带且在另一频率通过RF滤波器来实现。在其他实施方式中，可以使用其他类型的温度感测装置来测量面板的温度。具体地讲，可以使用非接触式温度传感器。示例包括测温、基于荧光的测温和红外测温。

温度受控的喷头通过传导、对流和辐射增强了散热。热量被传导通过喷头杆本身离开，喷头杆连接到室顶部。杆直径可被设计成使到室顶部的传导热损失最大化。热也可以通过对流穿过在杆404中的冷却流体导管流动的冷却流体去除。图4C所示的实施方式包括冷却流体入口422，冷却流体，例如，清洁干燥空气(CDA)、氩、氦、氮、氢、或它们的混合物，可以流入冷却流体入口422。流体可以跟随螺旋路径沿杆向下。螺旋路径在图4C中显示为通过对流冷却流体通路的导管424。冷却流体可以通过一个或多个冷却流体出口通道426。在一个实施方式中，提供了两条冷却流体出口通道。虽然这里的实施例使用螺旋状的通路，但本领域的技术人员可以设计出曲折的通路，以有效地将热量从喷头传递到冷却流体。

流体冷却导管(或通道)可被设计成使得离开的流体被完全加热到喷头杆的温度。因为面板温度和杆温度是相关的，所以可以通过测量离开的流体的温度来推断面板温度。离开的流体温度可远离由射频所引起的电磁干扰来测量。这种设计可避免使用该喷头内的热电偶和其相关联的RF滤波电路。

在另一种情况下，冷却流体可以进一步被调制以控制冷却的程度。基于离开的流体温度的反馈回路可以增加或减少流量来改变冷却的程度。这种冷却可以是附加于背板上的热或代替背板上的热。对于要求较低的应用，可以仅使用冷却来控制喷头温度；并且，所述加热器元件和射频隔离装置可以省略。对于要求较高的应用中，冷却流体的调节是控制喷头温度的额外的参数。

除了传导和对流外，热量也可从背板辐射远离喷头。为了改善辐射冷却，背板的外表面可以涂覆有具有高发射率的材料。例如，涂层可以是阳极氧化铝。辐射可以被室的顶部吸收。室顶部也可用具有高发射率的材料处理，以增强辐射热传递。室顶部的内表面可以涂覆有阳极氧化铝。室顶部可以例如用冷却水线路独立地冷却。

导电性和辐射性热去除保持喷头在足够低的温度，由此电加热器可以反过来精确加热它。在没有热去除的情况下，喷头温度将保持较高的和不可控的。热去除创建用于温度控制的顶部空间(headroom)。在一个实施方式中，热去除保持低于约200℃的喷头温度。因为面板和背板之间的大多数的热传递是围绕周边的，所以加热器可以是围绕背板周边的简单线圈。喷头与背板之间的更好的热接触也改善了温度控制，因为传导性热传递以及因此通过杆的热损失也得到提高。

在一些实施方式中，冷却系统可被连接到一个或多个喷头杆(类似于图4所示的喷头杆)并且可冷却流经喷头杆的对流冷却流体。该冷却系统包括液体冷却的热交换器和通向喷头的连接件。图5是根据本发明的实施方式的冷却系统的示意图。在本实施方式中，热交换器501被连接到四个喷头511、513、515和517。对流冷却流体依次流动通过各喷头和热交换器501的隔室。但是，请注意，根据该实施方式，如果一个人示意准备用四个基座形衬底保持架取代四个喷头511、513、515和517，则前述冷却系统也可以作为衬底保持架冷却系统的实施方案，前提是对冷却剂流体流率、热交换器容量等方面进行合适的调节以调节对应于4个喷头与4个衬底保持架的总热负荷的差别。

在使用这样的被实施来主动冷却喷头的(如在图5通过喷头511、513、515和517示意性地表示的)冷却系统的示例的任何情况下，对流冷却流体在入口509处进入系统，在该处对流冷却流体进入第一喷头杆。对流冷却流体在流过一个喷头之后，被热交换器中的液体冷却剂冷却，然后流过下一喷头。对流冷却流体在通过热交换器中的最后隔室的最后冷却后，在出口511处从冷却系统排放。对流冷却流体可以是清洁干燥空气(CDA)、氩、氦、氮、氢、或它们中的一种或多种的组合。对于热调节/受控的基座的情况，也可以使用冷冻水。在一个实施方式中，对流冷却流体是在设施压力下的设施提供的CDA。不同的流速会需要不同的设施压力。例如，在80psi的设施压力下，也可以使用每分钟(slm)100标准升的CDA。排放可处于大约或略高于环境温度和环境压力。虽然示出了开放的系统，其中对流冷却流体没有返回到系统中，但是按顺序流过喷头并通过一个热交换器进行中间冷却的构思也可以用封闭的系统实施。

在一些实施方式中，从喷头离开的冷却流体的温度被测量并被用于确定喷头温度。温度传感器541、543、545和547可以被热耦合到离开的冷却流体并且还是在RF干扰的范围之外。这种构造将不再需要RF滤波装置。如上所述，对流冷却通道可以被设计为使得离开的冷却流体的温度与喷头杆的温度是相同的。然后本领域的技术人员将能够设计算法来使测得的离开的流体的温度和喷头温度关联，从而了解各种组件的热性能。

在某些实施方式中，喷头可以不包括连接到背板的加热器。在处理、预热和远程等离子体清洁过程中，喷头温度升高。在这些实施方式中，来自冷却流体的主动冷却可以用于控制喷头温度。控制阀521、523、525和527基于来自控制器的输入控制冷却流体流到喷头的流量。冷却流体或者流至喷头杆或改道到旁通回路531、533、535或537中。基于冷却流体到喷头的流量可以实现较大程度或较小程度的冷却。在某些要求较低的应用(其中可接受的喷头温度的范围是较大的)中，或在一些实施方式(其中采用主动喷头冷却以稳定喷头温度并且最小化或防止由于远程等离子体清洁导致的温度波动)中，仅有主动冷却的设计可能是适当的。在这些实施方式中，基于离开的冷却流体的温度来确定喷头温度或者通过接触热电偶或通过非接触热感测装置在喷头处来测量喷头温度可能是可行的。

请注意，虽然图5示出了4个喷头和四个隔室，但冷却系统可被设计成具有其它数量的喷头和隔室。这样的冷却系统也可以被配置为给4个衬底保持架提供冷却，具体取决于实施方式。在一些实施方式中，冷却系统可用于冷却用于一个以上的半导体处理室或工具的喷头。例如，如果每个半导体处理工具具有一个多站式室，每个多站式室具有四个站，则具有与8个喷头连接的8个隔室的冷却系统可被设计成服务于2个工具。一些半导体处理工具可以具有超过一个的多站式室。在这种情况下，冷却系统可被设计成在单一工具中服务于超过一个的室内的所有喷头。如果四隔室热交换器用于具有超过一个的四站式室的工具，则每个工具可以使用超过一个的热交换器。

在某些情况下，喷头中的一个或多个可以被绕过，以便冷却流体流完全对流。因此，每个喷头连接件还可以包括具有相应的阀的旁路回路。对于某些处理，不是每个站可被配置成沉积材料到晶片，也不是每个站需要温度受控的喷头。在这种情况下，旁通回路可在站4使用。

用于热交换器501的液体冷却剂在入口505进入该系统中，沿冷却剂路径503行进，然后在出口507处退出系统。虽然对于冷却剂路径503只示出了一个环路，但冷却剂路径可以由许多环路组成，具体取决于冷却剂路径的直径、所需要的热传递、在入口处的冷却剂温度、以及在出口处的任何冷却剂的温度要求。液体冷却剂可以是水或任何其它类型的已知的液体冷却剂，例如，氟利昂。在一个实施方式中，液体冷却剂是设施输送水。在离开热交换器后，液体冷却剂在被释放到例如排放处前可以或可以不进一步处理。例如，作为液体冷却剂的设施输送水可直接排放。然而，如果使用其它液体冷却剂，冷却剂可被压缩并再循环返回到热交换器，产生闭环冷却系统。

也可以使用热交换器501的不同设计。图5示出了交叉流热交换器，其中电流彼此近似垂直地运行。然而，也可以使用逆流式或并流式热交换器。本领域的技术人员将能够设计出具有足够表面积以引起期望的热传递的热交换器。在某些实施方式中，热交换器501可以是包围液体冷却剂和对流冷却流体导管的铸造金属。该金属可以是铝或具有所需的热传递特性的其他金属。铸造金属设计使得紧凑式换热器没有多少占用面积和空间需求。

该喷头–以及，对于这个情况，温度可调节/可控的衬底支架也-可以与温度控制系统连接。喷头的温度控制系统在图6示意性示出，其描述了温度控制系统的主要部件，如冷却子系统，其涉及一个喷头。注意在该图中的喷头图形包括到室顶部的连接部件。对流冷却流体从组件602流进喷头杆，在这里对流冷却流体在冷却喷头的过程中被加热，并退出到热交换器606。在一些实施方式中，进入喷头的冷却流体流通过控制阀或其他流调制器622调制。通过调制流，由冷却流体提供的冷却可以增强或减弱。

如上所述，对流冷却流体可以从热交换器606流动到另一个组件，如604。如果喷头被配置作为在室中的第一站，那么部件602可以是设备空气，而组件604可是另外一个喷头，如站喷头。如果喷头没有被配置作为第一站，那么组件602和606可以是相同的部件，如上所述为液体冷却的热交换器。需要注意的是，冷却回路可以不具有反馈回路，在反馈回路中可以在或大或小的程度上调节冷却。简单的设计仅仅足以冷却喷头，使得电加热器618可以精确地加热喷头到一定温度。

热电偶610与面板物理接触，如以上所讨论的。热电偶610连接到RF隔离装置612以从热电偶信号去除施加在作为电极的喷头上的RF的影响。通常，在PECVD施加的射频具有两个频率分量，高频(例如，13.56MHz)带和低频(例如，400kHz)。RF隔离装置可以包括一个或多个滤波器。在一个实施方式中，RF隔离装置包括高频和低频滤波器。在没有RF隔离的情况下，相信，由于RF干扰将是太大的，因此热电偶测量将不会是有用的。

再次参照图6，加热器元件618被连接到它的RF隔离装置608上。RF隔离装置608可以是RF滤波器或其他可用的装置以将加热器电信号与RF所施加的影响隔离开来。温度控制器616从热电偶610读取通过隔离装置612的温度信息，并调节在反馈回路中通过RF隔离装置608到达加热器618的输入。

在另一个实施方式中，离开的冷却流体温度可通过处于RF干扰的范围之外的温度感测装置620进行测量。在本实施方式中，对于温度感测装置620，不要求有RF滤波器。控制器可以使离开冷却流体温度与喷头温度关联。

温度控制器616也可采取来自部件614的前馈信息。前馈信息可以是直到等离子体开启的时间周期。在某些情况下，前馈信息也可以包括影响喷头温度的其他可预见的事件，如用冷冻水处理晶片、气体流进入喷头。控制器可以根据预期的冷却事件(例如，室清洁)增大加热器输入，或根据预期的加热事件(例如，等离子体“开启”)减小加热器输入。该控制器还可以根据预期的加热事件通过增大冷却流体流量来增强冷却，或者根据预期的冷却事件通过减少冷却流体流量来减弱冷却。

输入和输出部件的各种组合可以在不同的控制方案中使用。例如，在一些实施方式中，主动冷却(调制冷却流体流量)可以与主动加热(在背板的加热器)一起使用，以精确控制喷头温度。根据实施方式的不同，喷头温度可直接用连接到面板的热电偶来测量，或间接地从离开的冷却流体的温度来确定。在一些实施方案中，仅主动冷却或仅主动加热可以被包括在控制系统中。还可以包括其它输入，例如，在入口处的冷却流体的温度感测，以准确地确定从喷头除去的热。在某些实施方案中，温度控制器可以与系统控制器集成在一起。因此，在一些实施方式中，用于经由相对于喷头实施上述热调节/控制技术/操作的ALD工艺在衬底上形成膜的装置可以包括：具有用于加热喷头的电阻元件和温度传感器的喷头，以及具有用于响应于来自温度传感器的信号控制流过电阻元件的电流的指令的一个或多个控制器。这样的用于控制这种装置的这些和其它操作的控制器在下面更详细地描述。

值得注意的是，类似于前述热调节/控制系统的热调节/控制系统也可以用于具有热调节和/或控制功能的衬底保持架的热调节/控制，衬底保持架如，具有用于使冷却流体流动的导管的衬底保持架，如下所述。在某些实施方式中，这种热调节/控制系统可串联式控制各自具有热调节和/或控制功能的喷头和衬底保持架两者，以便以实现上述的ALD工艺。

主动热可调节/受控的衬底保持架的详细描述

如上所述，具有热调节和/或控制功能的衬底保持架可以组合具有热调节和/或控制功能的喷头一起使用，以便实施如上所述的ALD工艺，以减少等离子体清洁前/等离子体清洁后的沉积变化。在一些实施方式中，衬底保持架可具有基座形构造，且在一些实施例中，它可以形成有一个或多个内部的加热元件和一个或多个内部的冷却元件。

具有分开的内部加热元件和冷却元件的基座形衬底保持架的一个实施例示意性地示出在图7A-7C中。在这种设计中，基座插入件750(参照图7C)用于提供主动冷却，而加热由加热元件770提供，在这种情况下，加热元件770由形成在盘形保持架中的电阻性线圈加热元件。

图7A示出了这个示例性的衬底保持架700的外部透视图。衬底保持架700具有用于接触待被加工的衬底的底面的上接触面710以及与衬底保持架的中心支撑柱730连接的下表面720，中心支撑柱730支撑衬底保持架700。该图还示出了环绕基座的中心支撑柱730的盘形安装凸缘740，并促进基座的室安装。值得注意的是，盘形支撑件的上部710面和下部720面产生相对低的轮廓，使得衬底保持架的热容量和/或热惯性被减小，从而使内部温度控制机制更迅速地实现其预期的效果。

图7B提供了示出内置于中心支撑柱730内的基座插入件750(用于主动冷却)的剖切透视图，而图7C提供了这种基座插入件750的特写透视图，基座插入件750由冷却块755和冷却流体导管760组成。由图7B、7C可见，冷却块755和导管760配合在中心支撑柱730内，在沿中心支撑柱730的轴线定位的圆筒形空间内。冷却块755可以由导热材料制成，导热材料如金属，例如铝。因此，当冷却流体流动通过冷却导管760时，基座可以主动冷却。冷却流体流动(“冷却剂”)通过冷却导管760的流率和所选择的具体的冷却流体的热性能也会影响基座主动冷却的程度。

另外，应注意，衬底保持架的热响应受中心支撑柱730的热导率影响，中心支撑柱730包括基座插入件750，以及它们的连接盘形支撑件(由上、下表面710和720限定)的物理连接件。例如，冷却导管760限定中心支撑柱730内的区域，其主要是具有低导热性的空间/空气/等。因此，通过冷却块755填充的该筒状空间的体积比率也可用来调节支承柱730的热传导率。在图7B-C看出，例如，该体积比是约1：4(冷却块：空间)。所述支撑柱的这样的热导率调节可改变衬底保持架的整体的热灵敏度。此外，还注意到，根据本实施方式，冷却块755的半径可以用于实现有差别的中心到边缘(中心对称)的加热和/或冷却。因此，在某些实施方式中，沉积控制加特定中心到边缘的温度分布可以被组合。

具有内部冷却元件的基座形衬底保持架的另一个实施例在7D-7E示意性地示出。图7D和7E分别显示了该衬底保持架的内部加热元件770与冷却元件780的横截面图和剖视图。图7D的横截面图示出了在本实施方式中，加热元件770位于冷却元件780的平面之上的平面内。在该特定实施方式中，加热元件770是电阻性线圈(如在图7A-7B中所示的实施方式)，而冷却元件780是冷却流体导管，两者都形成在圆盘状的衬底保持架中。然而，应当注意，在其他实施方式中，加热元件也可以是流体导管，在这种情况下，流体导管用于加热流体的流动。

图7E的剖视图示出了每个平面内，加热元件和冷却元件被设计成使得它们的结构的某些部分在空间上合理紧邻衬底保持架的整个上接触面710，并因此与衬底保持架的整个上接触面710保持合理适当的热接触。当然，可以设想用于这些元件的许多复杂的设计，这些设计确保所述结构的某些部分合理地紧邻衬底支架的上接触面710的每一个区域。例如，加热元件和冷却元件可被设计为使得它们的结构是垂直交错/交织的，使得不需要对哪种元件占据最接近衬底的平面作出选择。用于冷却流体(冷却剂)和加热流体(当加热元件采用加热流体时)的不同选择是可能的。如本文所使用的，流体是指液体和气体。因此，例如，加热流体可以被加热的惰性气体，例如，冷却流体可以是冷却剂，如氟利昂、或冷冻水、或Galden(热传导液)。('Galden'是可从SolvaySpecialtyPolymers购买的一系列传热流体。)图7D的剖面图还图解了，从导管向在盘形衬底支撑件内的冷却流体导管馈送冷却流体以使该流体在中心支撑柱730上下流动。

尽管具有用于加热和冷却流体的分离的流体导管的设计可以在原则上提供非常灵活的温度控制功能，但是在加热或冷却被独立地视为是最重要的或唯一重要的的情况下，可以采用单一的流体流导管，以产生稍微较简单的设计。如果需要从主动加热到主动冷却的切换足够不频繁，或者如果从主动加热到主动冷却可通过调节单个流动流体自身的温度来调制，那么这样的单一的导管设计也可能是足够的。如果选择另一种机制用于主动加热，例如使用一个或多个电阻性线圈加热元件，如在图7D-7E所示的实施方式中进行的，则单个导管设计也可能是好的选择。这可以在整个上接触面710提供分布式的加热。

如上所述，温度控制系统(类似于以上参照图6描述的用于调节和/或控制喷头温度的温度控制系统)也可用于例如通过使用在图7D-7E所示的加热和冷却元件和任选的一个或多个温度传感器调节和/或控制衬底保持架温度。(根据本实施方式，温度传感器可以是上述相对于热可调节/受控喷头描述的类型)。此外，这样的温度控制系统可以串联式调节和/或控制喷头和衬底保持架两者的温度，这可在用于减少上述沉积变化的各种ALD方法的背景中进行。同样地，应该注意，流体冷却系统(类似于以上参照图5描述的用于调节和/或控制喷头温度的温度控制系统)可用于通过使用类似于图5中的501的液体冷却的热交换器来冷却和调节流过图7D-8E中的导管780的冷却流体的温度。在这种实施方式中，冰冷的冷却流体可以从热交换器接收到冷却流体导管880，在这里，冷却流体将对基座衬底保持架具有冷却效果，然后其在离开导管780后可以沿给定路线返回热交换器。因此，在一些实施方式中，用于经由相对于喷头和衬底保持架实施上述热调节/控制技术/操作的ALD工艺在衬底上形成膜的装置可以包括：具有内冷却导管和温度传感器的基座衬底保持架，以及具有用于响应于来自温度传感器的信号控制通过冷却导管的流体流量的指令的一个或多个控制器。这样的用于控制这种装置的这些和其它操作的控制器在下面更详细地描述。

示例性的工艺流程

图8提供了一个示例性的流程图，其图解了与本文所公开的用于通过对喷头和衬底保持架的主动热调节和/或控制来改进ALD膜的均匀性的技术一致的ALD操作的序列。

如图中所示，用于在衬底上形成单层膜的ALD工艺可开始于操作810，在操作810，在将喷头保持在第一温度的同时，使膜前体通过喷头流到处理室内。然后，在操作811中，在衬底保持架基本上维持在第二温度的同时，膜前驱体被吸附到保持在处理室中的衬底保持架上的衬底上，使得所述前体在衬底上形成吸附受限层。如图8所示，在这个特殊的实施例中，第一温度至少高于第二温度约10℃。吸附操作之后是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的操作812，此后，在操作813，被吸附的膜前体反应，以在衬底上形成膜层。最后，在一些实施方式(由图8中的虚线绘制的框所示)中并根据成膜反应的化学过程，操作813之后可以进行操作814，在操作814，在使被吸附的前体于操作813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810至814代表单个ALD循环，单个ALD循环导致形成单个膜层。然而，由于经由ALD形成的单个膜层通常非常薄-通常仅单个分子的厚度，因此按顺序重复多个ALD循环以制成预期厚度的膜。因此，再次参照图8，如果要沉积N层的膜(或，等同地，可以说是N层膜)，则按顺序重复多个ALD循环(操作810至814)，并且在操作814结束每个ALD循环后，在操作815中，判定是否已执行N个ALD循环。然后，如果已经执行N个循环，则成膜操作结束，而如果还没有执行N个循环，则处理程序返回到操作810，以开始另一个ALD循环。通过这样执行，可以沉积期望厚度的保形膜。

系统控制器

图2还描绘了用于控制处理工具200的工艺条件和硬件状态以及其处理站的系统控制器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、衬底基座、卡盘和/或底座的位置、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，系统控制软件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中。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基座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调节的参数会涉及工艺条件。非限制性实例包括工艺气体组成和流率、温度(例如衬底保持架和喷头温度)、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)、热电偶之类的温度传感器、等等。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。

因此，系统控制器将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根据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处理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。

在一些实施方案中，控制器是系统的一部分，该系统的一部分可以是上述实施例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个加工工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定的处理部件(晶片基座、气体流动系统等)。这些系统可与电子器件集成，以便在半导体晶片或衬底的处理之后、期间或之后控制这些系统的操作。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种组件或子部分。根据处理要求和/或系统的类型的不同，控制器可以被编程，以控制本发明所公开的工艺中的任何一些，包括控制处理气体的输送、温度的设置(例如，加热和/或冷却)、压力的设置、真空的设置、电源的设置、射频(RF)发生器的设置、RF匹配电路的设置、频率的设置，流率的设置、流体输送的设置、位置和操作的设置、晶片的进出工具和其他工具转移和/或连接到特定系统的或与特定系统接口的负载锁的传送。

从广义上讲，控制器可以被定义为接收指令、发出指令、控制操作、使能清洁操作、使能终点测量等的具有各种集成电路、逻辑、存储器、和/或软件的电子器件。该集成电路可以包括定义为固件形式的存储程序指令的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片和/或执行程序指令(例如，软件)的一个或多个微处理器、或微控制器。程序指令可以是与各种不同的设置(或程序文件)形式的控制器通信的指令，确定在或用于半导体晶片或向系统进行特定处理的操作参数。在一些实施方式中，所述操作参数可以是由工艺工程师定义的以完成晶片的一个或多个层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或管芯的制造过程中的一个或多个处理步骤的配方的一部分。

在一些实施方案中，控制器可以是与系统集成、耦接或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦接。例如，控制器可以在“云端”或者是fab主机系统的全部或一部分，它们可以允许远程访问晶片加工。计算机可以启用对系统的远程访问以监测制造操作的当前处理，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的工艺。在一些实例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入或编程参数和/或设置的用户界面，这些输入或编程参数和/或设置然后从远程计算机通信到系统。在一些实例中，控制器接收数据形式的指令，该指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而分布，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本文所述的工艺和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实例可以是与结合以控制室内工艺的一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的室内的一个或多个集成电路。

在没有限制的情况下，示例的系统可以包括等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转冲洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制造中可以关联上或使用的任何其他的半导体处理系统。

如上所述，根据工具将要执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其他的工具电路或模块、其他工具组件、组合工具、其他工具界面、相邻的工具、邻接工具、位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者将晶片的容器往来于半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口搬运的材料搬运中使用的工具。

光刻图案化

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蚀刻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，并且不应允许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基础。

Claims (20)

1.一种在处理室中在半导体衬底上沉积材料膜的方法，所述方法包括：

(a)在喷头基本上维持在第一温度时，使膜前体穿过所述喷头流入处理室内；

(b)在衬底保持架基本上维持在第二温度时，使所述膜前体吸附到在所述处理室中的保持在所述衬底保持架上的衬底上，使得所述前体在所述衬底上形成吸附受限层；

(c)从包围所吸附的所述膜前体的体积除去至少一些未被吸附的膜前体；以及

(d)在(c)中去除所述未被吸附的膜前体之后，使所吸附的膜前体反应，以在所述衬底上形成膜层；

其中所述第一温度比所述第二温度高至少10℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

(e)在所吸附的膜前体反应之后，从包围所述膜层的所述体积去除存在的解吸的膜前体和/或反应副产品。

3.根据权利要求2所述的方法，其还包括重复(a)-(e)一次或多次以在所述衬底上沉积膜的一个或多个附加层。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度介于约45℃和55℃之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一温度高于所述第二温度的温度介于约10℃和20℃之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一温度高于所述第二温度的温度介于约15℃和25℃之间。

7.根据权利要求1所述的方法，其中在(a)-(d)期间，所述喷头的温度相对于所述第一温度变化小于约2℃。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在(a)-(d)期间，所述喷头的温度相对于所述第一温度变化小于约1℃。

9.根据权利要求1所述的方法，其中在(a)-(d)期间，所述衬底的温度相对于所述第二温度变化小于约2℃。

10.根据权利要求1所述的方法，其中在(a)-(d)期间，所述衬底的温度相对于所述第二温度变化小于约1℃。

11.根据权利要求1所述的方法，其中通过主动冷却所述衬底保持架使所述衬底保持架基本上维持在所述第二温度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述衬底保持架是基座，通过使流体流过在所述基座内的导管而使所述基座主动冷却。

13.根据权利要求1所述的方法，其中通过加热所述喷头使所述喷头基本上维持在所述第一温度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中通过使电流运行通过嵌在所述喷头内的电阻元件加热所述喷头。

15.一种用于在半导体衬底上沉积材料膜的装置，所述装置包括：

处理室；

在所述处理室中的衬底保持架；

喷头，其用于使膜前体流入所述处理室；

真空源，其用于从包围所述处理室中的所述衬底的体积去除未被吸附的膜前体；

一个或多个控制器，其包括用于操作所述喷头和真空源以在所述衬底上沉积材料膜的机器可读指令，包括用于以下操作的指令：

(a)在使所述喷头基本上维持在第一温度时，使膜前体穿过所述喷头流入所述处理室内；

(b)控制所述处理室内的条件，使得在所述衬底保持架基本上维持在第二温度时，所述膜前体吸附到在所述处理室中的被保持在所述衬底保持架上的衬底上，从而在所述衬底上形成吸附受限层，所述第二温度比所述第一温度低至少10℃；

(d)从包围所吸附的所述膜前体的体积除去至少一些未被吸附的膜前体；以及

(e)在(d)中去除未被吸附的膜前体之后，使所吸附的膜前体反应，以在所述衬底上形成膜层。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述喷头包括用于加热所述喷头的电阻元件，并且所述衬底保持架是包含内部冷却导管的基座。

17.根据权利要求15所述的装置，其中所述喷头包括温度传感器和用于加热所述喷头的电阻元件，并且所述一个或多个控制器的所述指令还包括用于响应于来自所述温度传感器的信号控制流过所述电阻元件的电流的指令。

18.根据权利要求15所述的装置，其中所述衬底保持架是包括内部冷却导管和温度传感器的基座，并且所述一个或多个控制器的所述指令还包括用于响应于来自所述温度传感器的信号控制流过所述冷却导管的流体流的指令。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述基座衬底保持架还包括内部电阻元件，并且所述一个或多个控制器的所述指令还包括用于响应于来自所述温度传感器的信号控制流过所述电阻元件的电流的指令。

20.一种在处理室中在半导体衬底上沉积材料膜的方法，所述方法包括：

(a)在喷头基本上维持在第一温度时，使膜前体穿过所述喷头流入处理室内；

(b)当衬底保持架基本上维持在第二温度时，使所述膜前体吸附到在所述处理室中的保持在所述衬底保持架上的衬底上，使得所述膜前体在所述衬底上形成吸附受限层；

(c)从包围所吸附的所述膜前体的体积除去至少一些未被吸附的膜前体；以及

(d)在(c)中去除未被吸附的膜前体之后，使所吸附的膜前体反应，以在所述衬底上形成膜层；

其中所述第一温度处于或低于所述第二温度。