在多站式襯底沉積系統中單個ald循環厚度的控制的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明總體上涉及半導體處理領域，更具體地涉及在多站式襯底沉積系統中單個 ALD循環厚度的控制。
【背景技術】
[0002] 在半導體行業中，隨著器件和特征尺寸不斷變小，并且隨著三維器件結構（例如， 英特爾公司的三柵極晶體管架構）在集成電路（IC)設計中變得越來越普遍，沉積薄的共形 膜（具有與下伏結構的形狀相對應的均勻厚度的材料膜，盡管下伏結構不是平坦的）的能 力將繼續得到重視。原子層沉積（ALD)是非常適合于沉積共形膜的一種膜形成技術，原因 在于以下事實：單個循環ALD僅沉積單一的薄的材料層，其厚度受限于在成膜的化學反應 本身之前可吸附到襯底表面上的一種或多種膜前體反應物的量（即，形成吸附受限層）。然 后可以使用多個"ALD循環"來制成期望厚度的膜，由于每一層是薄的且是共形的，因此，所 得到的膜與下伏的設備結構的形狀基本一致。
[0003] 但是，ALD面臨的挑戰是必須解決晶片處理的吞吐量問題。因為每個ALD循環只 沉積一薄的吸附受限層，所以需要按順序執行許多的ALD循環以沉積任何期望的顯著厚度 的膜，并且每個循環需要時間。因此，尋求用改進的方法和裝置來并行處理晶片，從而提高 在半導體制造操作中的晶片/襯底處理吞吐量。
【發明內容】
[0004] 本發明公開了一種在多站式處理室中在多個半導體襯底上沉積膜材料的方法。在 一些實施方式中，該方法可以包括：將第一成組的一個或多個襯底加載至所述處理室中第 一成組的一個或多個處理站處以及通過執行N個膜沉積循環將膜材料沉積至所述第一成 組的處理站處的所述第一成組的襯底上。此后，某些這樣的方法可以包括將所述第一成組 的襯底從所述第一成組的處理站傳送到在所述處理室中的第二成組的一個或多個處理站； 將第二成組的一個或多個襯底加載至所述處理室中所述第一成組的一個或多個處理站處； 以及通過準確地執行N'個膜沉積循環，沉積膜材料至所述第一成組的處理站處的所述第 二成組的襯底上以及至所述第二成組的處理站處的所述第一成組的襯底上；其中，N'與N 不相等。此外，在一些實施方式中，在沉積膜材料至第一襯底和第二襯底上之后，所述方法 可以進一步包括從所述處理室卸載所述第一成組的襯底，將所述第二成組的襯底從所述第 一成組的處理站傳送到所述第二成組的處理站；可選地將第三成組的一個或多個襯底加載 至所述處理室中第一成組的一個或多個處理站處以及通過執行N個膜沉積循環將膜材料 沉積至所述第二成組的處理站處的所述第二成組的襯底上，以及可選地沉積至所述第一成 組的處理站處的所述第三成組的襯底上。在某些這樣的實施方式中，N和N'相差1。該操 作序列可以以這樣的方式重復進行，在每一沉積步驟中，交替進行N個沉積循環和N'個沉 積循環，并且持續通過正在處理的整個批量的襯底，直至該批量中的最后兩個襯底進行了 最后的N個膜沉積循環或N'個膜沉積循環并且從處理室卸載。
[0005] 在某些這樣的實施方式中，（N和/或N'個循環中的）單個膜沉積循環可以包括： 使膜前體吸附到所述襯底上，使得所述前體在所述襯底上形成吸附受限層；從圍繞被吸附 的所述前體的體積去除至少一些未被吸附的膜前體；去除未被吸附的前體之后，使被吸附 的膜前體反應以在所述襯底上形成膜層；以及在被吸附的所述前體反應后，從圍繞所述膜 層的體積去除存在的解吸后的膜前體和/或反應副產物。在一些實施方式中，所沉積的所 述膜材料可以包括電介質或導體材料，并且在某些這樣的實施方式中，該電介質可以包括 硅氧化物、硅碳化物或硅氮化物中的一種或者多種。盡管本發明所公開的技術和裝置對于 通過ALD工藝沉積硅氧化物膜是有效的，但是它們可以更通常地用于在半導體制造中使用 的通過利用多個沉積循環的任意方法所沉積的任何類型的膜材料，并且本文所描述的沉積 方法和處理室對于該用途是有效的。
[0006] 在一些實施方式中，膜沉積方法可以包括：選擇所沉積的所述膜的目標厚度D ;判 定最接近D/d的正整數M為奇數（其中，d是通過單個膜沉積循環所沉積的膜層的預期平均 厚度）；以及選擇N和N'，使得N+N' =M且IN-N'I= 1。在一些實施方式中，膜沉積方法 可以包括：選擇所沉積的所述膜的目標厚度D;選擇最接近l/2*D/d的正整數N(其中，d是 通過單個膜沉積循環所沉積的膜層的預期平均厚度）；以及選擇N'或者為N-I或者為N+1。
[0007] 本發明還公開了一種在多站式處理室中在多個半導體襯底上沉積膜材料的方法。 在一些實施方式中，該方法可以包括：(a)、將X個襯底加載至所述處理室中X個處理站處； (b) 、在（a)以后，通過執行N個膜沉積循環，沉積膜材料至X個襯底上；（c)、將每一個襯底 旋轉至與在步驟（a)加載每一個襯底的處理站不同的處理站，以及（d)、在（c)中的旋轉操 作之后，通過執行N'個膜沉積循環，沉積膜材料至X個襯底上，其中執行至少1個膜沉積循 環的每個處理站在每個襯底上沉積至少N-I個膜沉積循環。在一些實施方式中，X可以是 2或更大的整數，將至少第一襯底加載到處理室中第一處理站處，而將至少第二襯底加載到 處理室中第二處理站處。
[0008] 本發明還公開了在多站式處理室中在多個半導體襯底上沉積膜材料的方法。在一 些實施方式中，該方法可以包括：(a)在所述反應室的第一處理站接收至少第一襯底；(b) 通過執行循環沉積工藝的N個循環，在至少所述第一襯底上沉積所述膜的厚度的一部分； (c) 將至少所述第一襯底傳送至第二處理站；（d)在（c)后，通過執行所述循環沉積工藝的 N'個循環，在至少所述第一襯底上沉積所述膜的厚度的另一部分，其中，N不等于N'，并且 選擇N和N'以獲得所述限定的厚度；以及（e)從所述反應室去除至少所述第一襯底。
[0009] 在一些這樣的實施方式中，N'可以等于N、N-I或等于N+1。在一些這樣的實施方 式中，可以在反應室的多個處理站中接收X個襯底。在某些進一步的這樣的實施方案中，X 可等于2,并且所述方法可以進一步包括選擇限定的厚度D，確定所述最接近D/d的正整數 M不是X的倍數，其中，d是通過單個膜沉積循環所沉積的膜層的預期平均厚度；以及選擇N 和N'，使得N+N' =M且|N-N'I= 1。在一些進一步的這樣的實施方式中，X可等于4,并且 所述方法可以進一步包括選擇限定的厚度D，選擇N是最接近l/4*D/d的正整數，其中，d是 通過單個膜沉積循環所沉積的膜層的預期平均厚度；以及選擇N'為N-l、N或N+1。
[0010] 在一些另外的實施方式中，該方法在（d)之后且在（e)之前還可以包括：（f)將至 少所述第一襯底傳送到在所述反應室中的第三處理站；以及（g)通過執行所述循環沉積工 藝的N"個循環，在至少所述第一襯底上還沉積所述膜的厚度的另一部分，其中，N"等于N或 不等于N，并且選擇N、N'和N"以獲得所述限定的厚度。
[0011] 在一些另外的這樣的實施方式中，該方法在（g)之后且在（e)之前還可以包括： (h)將至少第一襯底傳送到在所述反應室中的第四處理站；以及（i)通過執行所述循環沉 積工藝的N"'個循環，在至少所述第一襯底上沉積所述膜的厚度的額外部分，其中，N"'等 于N或不等于N，并且選擇N、N'、N"和N"'以獲得所述限定的厚度。在某些進一步的這樣 的實施方案中，可以在反應室內的4個處理站接收4個襯底，并且所述方法可以進一步包括 選擇限定的厚度D，確定所述最接近D/d的正整數M不是4的倍數，其中，d是通過單個膜沉 積循環所沉積的膜層的預期平均厚度；以及選擇N和N'，使得N+N' =M且|N-N'I= 1。
[0012] 在一些另外的這樣的實施方式中，在（a)中，可以在所述反應室中的多個處理站 內接收多個襯底；在（b)中，可以通過執行所述循環沉積工藝的N個循環，在所述多個襯底 上沉積所述膜的厚度的一部分；在（c)中，可以將所述多個襯底傳送至所述反應室中的不 同處理站；以及在（d)中，可以通過執行所述循環沉積工藝的N'個循環，在所述多個襯底上 沉積所述膜的厚度的另一部分。在一些進一步的這樣的實施方式中，所述多個襯底可以包 括至少所述第一襯底和第二襯底，并且（c)可以進一步包括將所述第二襯底從所述第二處 理站傳送至所述第一處理站。
[0013] 在一些另外的這樣的實施方式中，在（c)之后且在（d)之前，在所述反應室中的 處理站內接收至少一個附加的襯底，其中（d)還包括在所述至少一個附加的襯底上沉積所 述膜的厚度的另一部分。在一些進一步的這樣的實施方式中，可以在所述反應室中的所述 第一處理站內接收所述至少一個附加的襯底。
[0014] 本發明還公開了用于在多個半導體襯底上沉積膜材料的多站式襯底處理裝置。在 一些實施方式中，該裝置可以包括：處理室；包含在所述處理室內的第一成組的一個或多 個處理站，每一個處理站都具有襯底保持架；包含在所述處理室內的第二成組的一個或多 個處理站，每一個處理站都具有襯底保持架；一個或多個閥，其用于控制膜前體的朝向所述 處理站的流動；閥操作式真空源和/或氣體清掃源，其用于從圍繞包含在所述處理室中的 所述處理站的體積去除膜前體；襯底加載設備，其用于將襯底加載到所述處理室中一個或 多個所述處理站處；襯底傳送設備，其用于將一個或多個襯底從所述第一成組的處理站傳 送到所述第二成組的處理站；以及一個或多個控制器。
[0015] 在一些這樣的實施方式中，在一些這樣的實施方式中，所述一個或多個控制器可 以包括用于操作所述襯底加載設備、所述襯底傳送設備、所述一個或多個閥、以及所述真空 源以沉積膜材料到所述襯底上的機器可讀指令。在一些這樣的實施方式中，所述機器可讀 指令包括用于下述操作的指令：將第一成組的一個或多個襯底加載至所述處理室中所述第 一成組的一個或多個處理站處；通過執行N個膜沉積循環，沉積膜材料至所述第一成組的 處理站處的所述第一成組的襯底上。此后，在一些這樣的實施方式中，所述機器可讀指令可 以進一步包括用于下述操作的指令：將所述第一成組的襯底從所述第一成組的處理站傳送 到所述第二成組的處理站；將第二成組的一個或多個襯底加載至所述處理室中所述第一成 組的處理站處；以及通過執行N'個膜沉積循環，沉積膜材料至所述第一成組的處理站處的 所述第二成組的襯底上以及至所述第二成組的處理站處的所述第一成組的襯底上。此外， 某些這樣的裝置實施方式可以用于之后的下述操作的附加的機器可讀指令：從所述處理室 卸載所述第一成組的襯底；將所述第二成組的襯底從所述第一成組的處理站傳送到所述第 二成組的處理站；以及將第三成組的一個或多個襯底加載至所述處理室中所述第一成組 的處理站處；以及通過執行N個膜沉積循環，沉積膜材料至所述第二成組的處理站處的所 述第二成組的襯底上以及可選地至所述第一成組的處理站處的所述第三成組的襯底上。
[0016] 在一些實施方式中，其中多站式襯底處理裝置可以包括襯底加載設備，所述襯底 加載設備可以包括用于將襯底放置到一個或多個處理站的襯底保持架上的襯底搬運機械 手。在一些實施方式中，所述襯底傳送設備可以包括轉盤，所述轉盤通過使所述襯底相對于 基本上垂直于所述襯底的平面并且基本上等距地處于所述襯底之間的中心軸旋轉的方式 運行。
[0017] 在一些實施方式中，所述處理室包含4個處理站，并且所述第一成組的處理站和 所述第二成組的處理站各自由2個處理站組成。在一些實施方式中，所述處理室包含2個處 理站，并且其中所述第一成組的處理站和所述第二成組的處理站各自由1個處理站組成。 在一些實施方式中，所述處理室包含偶數個處理站S，并且其中所述第一成組的處理站和所 述第二成組的處理站各自由S/2個處理站組成。在一些實施方式中，所沉積的膜材料可以 包括電介質，如硅氧化物、硅氮化物或硅碳化物。在一些實施方式中，所沉積的膜材料可以 包括導體。
[0018] 在一些實施方式中，所述多站式襯底處理裝置的所述一個或多個控制器進一步包 括用于下述操作的機器可讀指令：選擇所沉積的所述膜的目標厚度D;選擇最接近l/2*D/d 的正整數N(其中，d是通過單個膜沉積循環所沉積的膜層的預期平均厚度）；以及選擇N' 為N-UN或者N+1。在一些實施方式中，所述一個或多個控制器進一步包括用于下述操作的 機器可讀指令：當IA|〈d/2時，選擇N'為N，其中A= 2*d*N_D;當IA|>d/2且A>〇時， 選擇N'為N-1，其中A= 2*d*N_D;以及當IA|>d/2且A〈〇時，選擇N'為N+1，其中A= 2*d*N_D。
[0019] 本發明還公開了用于在多個半導體襯底上沉積膜材料的多站式襯底處理裝置。在 一些實施方式中，該裝置可以包括：處理室；包含在所述處理室內的第一處理站；包含在所 述處理室內的第二處理站；一個或多個閥，其用于控制膜前體的朝向所述處理站的流動； 閥操作式真空源，其用于從圍繞包含在所述處理室中的所述處理站的體積去除膜前體；襯 底加載設備，其用于將襯底加載到所述處理室中一個或多個所述處理站處；襯底傳送設 備，其用于將一個或多個襯底從所述第一成組的處理站傳送到所述第二成組的處理站；以 及一個或多個控制器，其包括用于操作所述襯底加載設備、所述襯底傳送設備、所述一個或 多個閥、以及所述真空源以沉積膜材料到所述襯底上的機器可讀指令。所述指令可以包括 用于下述操作的指令：（a)將至少第一襯底加載至所述處理室中所述第一處理站處；(b)通 過執行N個膜沉積循環，在所述第一處理站處的至少所述第一襯底上沉積限定的膜厚度的 一部分；（c)將至少所述第一襯底傳送到所述第二處理站；（d)在（c)之后，通過執行所述 循環沉積工藝的N'個循環，在至少所述第一襯底上沉積所述限定的膜厚度的另一部分，其 中，N不等于N'，選擇N'和N以獲得所述限定的膜厚度；以及（e)從所述反應室去除至少所 述第一襯底。
[0020] 在一些實施方式中，所述指令可以進一步包括：在（a)中，在多個處理站處加載多 個襯底；在（b)中，通過執行所述循環沉積工藝的N個循環，在所述多個襯底上沉積所述限 定的膜厚度的一部分；在（c)中，將所述多個襯底傳送到所述處理室內的不同的處理站；以 及在（d)中，通過執行所述循環沉積工藝的N'個循環，在所述多個襯底上沉積所述限定的 膜厚度的另一部分。
[0021] 在一些實施方式中，所述一個或多個控制器可以進一步包括用于下述操作的機器 可讀指令：在（c)之后且在（d)之前，在所述反應室中的處理站內加載至少一個附加的襯 底，使得（d)還包括在所述至少一個附加的襯底上沉積所述膜厚度的另一部分。
[0022] 在一些實施方式中，單個膜沉積循環可以包括：（i)使膜前體吸附到所述襯底上， 使得所述前體在所述襯底上形成吸附受限層；（ii)從圍繞被吸附的所述前體的體積去除 至少一些未被吸附的膜前體；（iii)在（ii)中去除未被吸附的前體之后，使被吸附的膜前 體反應以在所述襯底上形成膜層；以及（iv)在被吸附的所述前體反應后，從圍繞所述膜層 的體積去除存在的解吸后的膜前體和/或反應副產物。
[0023] 在一些實施方式中，所述襯底加載設備可以包括用于將襯底放置到至少一個處理 站上的襯底搬運機械手。
[0024] 在一些實施方式中，所述襯底傳送設備可以包括轉盤，所述轉盤通過使所述襯底 相對于基本上垂直于所述襯底的平面并且基本上等距地處于所述襯底之間的中心軸旋轉 的方式運行。
[0025] 在一些實施方式中，所述處理室可以包含4個處理站。在一些這樣的實施方式中， 所述一個或多個控制器可以進一步包括用于下述操作的機器可讀指令：選擇所沉積的膜的 目標厚度D;選擇最接近l/4*D/d的正整數N，其中，d是通過單個膜沉積循環所沉積的膜層 的預期平均厚度；以及選擇N'為N-UN或者N+1。在一些這樣的實施方式中，所述一個或多 個控制器進一步包括用于下述操作的機器可讀指令：當IA|〈d/2時，選擇N'為N，其中A =4*d*N-D;當IA|>d/2 且A>〇 時，選擇N' 為N-1，其中A= 4*d*N-D;以及當IA|>d/2 且A〈〇時，選擇N'為N+1，其中A=4*d*N_D。
[0026] 本文還公開了具有用于執行本發明所公開的操作的任何和所有的各種組合的機 器可讀指令的機器可讀介質。這樣的指令可以通過本文公開的多站式襯底處理裝置的一個 或一個以上的系統控制器來讀取和/或執行。
【附圖說明】
[0027] 圖1是具有帶有單一處理站的處理室的襯底處理裝置的示意圖。
[0028] 圖2A是四站式襯底處理裝置的示意圖，其具有用于從兩個處理站加載和卸載襯 底的襯底搬運機械手和用于操作該裝置的控制器。
[0029] 圖2B是四站式襯底處理裝置的示意圖，其具有用于從一個處理站加載和卸載襯 底的襯底搬運機械手和用于操作該裝置的控制器。
[0030] 圖3A示出了表示2X2模式（或2X2 "靈活"模式）的操作序列的一個實施例。
[0031] 圖3B示出了表示一種典型的沉積模式的操作序列的一個實施例。
[0032] 圖3C不出了表不一種連續模式操作序列的一個實施例。
[0033] 圖4A是用于根據本文所公開的原理的在多站式處理室中的多個半導體襯底上沉 積膜材料的方法的一個實施例的流程圖。
[0034] 圖4B是使用交替輪次的N和N'個沉積循環向任意數量的成組的一個或多個襯底 上進行沉積的操作序列的示例的流程圖。
[0035] 圖4C是基于鑲嵌模式在多站式處理室中的多個半導體襯底上沉