在多站式衬底沉积系统中单个ald循环厚度的控制的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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衬底和第二衬底上之后，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。
[0005] 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。
[0006] 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IN-N'I= 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l/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-I或者为N+1。
[0007] 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-I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。
[0008] 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。
[0009] 在一些这样的实施方式中，N'可以等于N、N-I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'I= 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l/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-l、N或N+1。
[0010] 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。
[0011] 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'I= 1。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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l/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-UN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IA|〈d/2时，选择N'为N，其中A= 2*d*N_D;当IA|>d/2且A>〇时， 选择N'为N-1，其中A= 2*d*N_D;以及当IA|>d/2且A〈〇时，选择N'为N+1，其中A= 2*d*N_D。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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l/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-UN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IA|〈d/2时，选择N'为N，其中A =4*d*N-D;当IA|>d/2 且A>〇 时，选择N' 为N-1，其中A= 4*d*N-D;以及当IA|>d/2 且A〈〇时，选择N'为N+1，其中A=4*d*N_D。
[0026] 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】
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 图3A示出了表示2X2模式（或2X2 "灵活"模式）的操作序列的一个实施例。
[0031] 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。
[0032] 图3C不出了表不一种连续模式操作序列的一个实施例。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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