处理装置可以实现多种效率。例如，单个真空栗（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。
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 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
[0038] 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。
[0039] 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1中。具 体地说，表1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/队等离子体的效果，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N 2O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）。
[0040] 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。
[0041] 因此，表1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1
[0042] 尽管在表1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1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。
[0043] 表1I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1I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。
[0044] 操作1建立基准温度，两个喷头3和4都在38°C下，而4个基座被加热至50°C。 在操作2中，N 2O等离子体施加1/2分钟，导致SHD 3的标称加热，并且SHD 4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°C的显著的温度增加。
[0045] (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°C，而在喷头4高达68°C。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1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°C )。
[0046] 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°C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SiOJ莫之后，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°C的温度上升，而基座保持在50°C。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°C的设定温度低约KTC上升到比基座的设定温度高约 10-20。。。
[0047] 鉴于表1I，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°C，"厚度变量"（4微米的SiOJX 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°C的喷头伴随约50°C的基座（实际温度 56°C )实现小于1埃的厚度变量；而80°C的喷头伴随60°C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°C或高于基座温度设定点约 15°C，后者表示喷头温度高于基座温度设定点约20°C。（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°C )。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l〇°C，可以显著减少在ALD工艺中清洁前/ 后沉积速率的变化。
[0048] 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。
[0049] 在一个系列的实施例中，表1II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°C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1II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°C和60°C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（error bars)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。
[*使用冷却的室壁完成]
[0050] 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°C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°C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-〇. 9758以及-1. 0782埃/°C对比 -0.5835A/°C )。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。
[0051] 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1V 中。表1V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°C和80°C下比较温度和所沉积的膜厚 度。通过表1V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 °c内可能是有利的。
[0052] 原子层沉积技术与所沉积的膜的详细描述
[0053] 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。
[0054] 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（Pl)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。Pl的一些分子可以在衬底表面上形成稠相，稠相包括Pl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Pl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Pl和/或P2和/ 或反应副产物（如果存在的话），结束ALD的单个循环。
[0055] 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"PLASMA ACTIVATED CONFORMAL FILM DEPOSITION" 的美国专利申请 No. 13/084, 399 (律师档案号 N0VLP405); 于 2011 年 9 月 23 日提交的、名称为 "PLASMA ACTIVATED CONFORMAL 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 N0VLP427);于2011 年9月 1 日提交的、名称为"PLASMA ACTIVATED CONFORMAL DIELECTRIC FILM DEPOSITION"的美国专利申请No. 13/224, 240(律师档案号N0VLP428);以及于2012 年9 月 7 日提交的、名称为 "CONFORMAL DOPING VIA PLASMA ACTIVATED ATOMIC LAYER DEPOSITION AND CONFORMAL FILM DEPOSITION" 的美国专利申请 No. 13/607, 386(律师档 案号N0VLP488);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Pl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。
[0056] 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.