外延装置和外延过程中外延层的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种外延装置和外延过程中外延层的测量方法。
【背景技术】
[0002]随着微电子技术的进步，集成电路的集成度不断提高，其工艺的复杂程度也在不断提高。因此，在生产工艺中对温度、压力、生长速率、掺杂浓度以及气流场均匀性等各种参数提出了严格的要求。
[0003]在硅同质外延中，外延层的厚度、均匀性和表面平整度是非常关键的参数。这些参数对后续的半导体器件工艺和器件性能有着直接且至关重要的影响。在硅平面晶体管和集成电路的制备过程中，外延层均匀性的好坏直接影响着后步工序的完成。厚度不均匀的外延层会给后续工艺过程带来严重问题。首先，厚度不均匀的外延层给隔离扩散带来很大困难，使在正常工艺条件下，外延层较厚的地方隔离不通，造成该区域的器件报废。即使隔离扩散能够扩通薄厚不均的外延层，也会由于各器件的集电区厚度不同而使电性能偏离设计指标。外延层过厚会导致集电区电阻增大而降低最大耗散功率和频率特性。外延层过薄会导致集电区薄而过早穿通，使器件的反向击穿电压下降。此外，若外延层中心和边缘区域厚度相差巨大，还会影响光刻中的对板和曝光等工艺，导致器件报废。由此可看出，外延层的厚度不一致严重影响着器件的制备。
[0004]鉴于外延层的厚度和其均匀性在研究和生产中的重要性，人们对其测量方法进行了广泛研究。目前，测量外延层的厚度通常有以下两种方法:
[0005]1.傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)法是业界广泛采用的一种测量硅同质外延层厚度的方法。这种方法主要基于衬底和外延层光学性质的差别来测量外延层厚度。
[0006]2.在氮化物金属有机物化学气相外延中，经常用可见光干涉的方法对在蓝宝石衬底上生长的GaN基材料和器件的表面形貌进行在位实时监测。
[0007]然而上述两种方法均存在不同的缺点:
[0008]1.傅里叶变换红外光谱分析法只能用于对外延后的成品测量，无法测量在生长过程中外延层的厚度等参数。
[0009]2.由于硅材料可以吸收全部可见光谱范围的能量，因此可见光范围内的干涉，无法用于硅外延的测量。此外，这种利用可见光干涉的方法得到的是随厚度变化的干涉谱，准确的厚度数值需要根据时间计算得出，无法直接得到厚度数值。
【发明内容】
[0010]本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0011]为此，本发明的第一个目的在于提出一种外延装置，该外延装置可以对外延过程进行实时指导，使得外延过程变得更加可控，大幅提高了外延过程中生产产品的良品率，有效避免了因工艺参数选择不当带来的废品，同时有利于提高外延过程中原材料的利用率和外延装置的产量。
[0012]本发明的第二个目的在于提出一种外延过程中外延层的测量方法。
[0013]为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种外延装置，包括:反应腔；设置在所述反应腔之上的观察窗；设置在所述反应腔内的托盘，所述托盘上承载有晶圆；光纤式傅里叶红外光谱分析仪，所述光纤式傅里叶红外光谱分析仪具有光纤，所述光纤的一端与所述观察窗对应，所述光纤用于发射红外光线，并通过所述观察窗将所述红外光线照射至所述晶圆，以及通过所述观察窗接收所述晶圆反射的反射光，所述光纤式傅里叶红外光谱分析仪用于根据所述反射光检测所述晶圆的外延层厚度。
[0014]本发明实施例的外延装置，通过在反应腔上设置观察窗，并利用光纤对外延过程中晶圆的外延层进行傅里叶变换红外光谱测量，并通过上位机对测量的数据进行实时采集和分析得到晶圆的外延层厚度，由此，可以对外延过程进行实时指导，使得外延过程变得更加可控，大幅提高了外延过程中生产产品的良品率，有效避免了因工艺参数选择不当带来的废品，同时有利于提高外延过程中原材料的利用率和外延装置的产量。
[0015]为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种外延过程中外延层的测量方法，包括:所述光纤发射红外光线，并通过所述观察窗将所述红外光线照射至设置在所述反应腔内的托盘上承载的晶圆；以及所述光纤通过所述观察窗接收所述晶圆反射的反射光，以使所述光纤式傅里叶红外光谱分析仪根据所述反射光检测所述晶圆的外延层厚度。
[0016]本发明实施例的外延过程中外延层的测量方法，通过在反应腔上设置观察窗，并利用光纤对外延过程中晶圆的外延层进行傅里叶变换红外光谱测量，并通过上位机对测量的数据进行实时采集和分析得到晶圆的外延层厚度，由此，可以对外延过程进行实时指导，使得外延过程变得更加可控，大幅提高了外延过程中生产产品的良品率，有效避免了因工艺参数选择不当带来的废品，同时有利于提高外延过程中原材料的利用率和外延装置的产量。
[0017]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0018]本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0019]图1是本发明一个实施例的外延装置的结构示意图；
[0020]图2是本发明一个实施例的外延装置的示意图；
[0021]图3是本发明一个实施例的迈克尔逊干涉装置的示意图；
[0022]图4是本发明另一个实施例的外延装置的结构示意图；
[0023]图5是本发明另一个实施例的外延装置的示意图；
[0024]图6是本发明一个实施例的外延过程中外延层的测量方法的流程图；
[0025]图7是本发明另一个实施例的外延过程中外延层的测量方法的流程图；以及
[0026]图8是本发明再一个实施例的外延过程中外延层的测量方法的流程图。
【具体实施方式】
[0027]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0028]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0029]流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0030]近年来，随着硅外延生长的晶圆尺寸不断增大，从目前主流的6-8寸向12寸过度，外延设备和技术也不断发展。目前，用于6-8寸晶圆的外延装置通常采用水平进气多片旋转式的反应腔设计。然而，在多个晶圆同时生长的情况下，对晶圆的外延层的均匀性提出了更高的要求，为此，本发明提出了一种外延设备。图1是本发明一个实施例的外延装置的结构示意图。
[0031]如图1所示，外延装置包括反应腔10、观察窗20、托盘30、光纤式傅里叶红外光谱分析仪40和上位机50,其中，光纤式傅里叶红外光谱分析仪40包括光纤41。
[0032]具体地，观察窗20设置在反应腔10之上，托盘30设置在反应腔10内，且托盘上承载有晶圆。具体而言，以在重掺砷(As)的娃(Si)衬底上外延掺磷(P)兀素的η型娃外延层为例说明本发明实施例中的外延装置。采用水平式进气石英反应腔10在η+晶圆上生长n-Si外延层，其中，晶圆的直径大约为8英寸，即200毫米。如图2所示，观察窗20设置在反应腔10的顶壁之上，石墨托盘30在反应腔10内，在SiC包裹的石墨托盘30上放置5片8英寸的晶圆，相邻2片晶圆的圆心与石墨托盘30的圆心之间的夹角为72度。在外延过程中，石墨托盘30沿顺时针方向旋转，以促使化学反应在各个晶圆上均匀的发生。优选的，反应压力为-1.5mbar，生长温度为1070°C，反应源为SiHCL3，载气为H2。
[0033]光纤式傅里叶红外光谱分析仪40具有光纤41，光纤的一端与观察窗20对应，光纤41用于发射红外光线，并通过观察窗20将红外光线照射