[发明专利]外延装置和外延过程中外延层的测量方法

说明书

本发明提出一种外延装置和外延过程中外延层的测量方法。其中，该装置包括：反应腔；设置在反应腔之上的观察窗；设置在反应腔内的托盘，托盘上承载有晶圆；光纤式傅里叶红外光谱分析仪，光纤式傅里叶红外光谱分析仪具有光纤，光纤的一端与观察窗对应，光纤用于发射红外光线，并通过观察窗将红外光线照射至晶圆，以及通过观察窗接收晶圆反射的反射光，光纤式傅里叶红外光谱分析仪用于根据反射光检测晶圆的外延层厚度。本发明实施例的外延装置，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。

技术领域

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

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。

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。

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：

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。

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。

然而上述两种方法均存在不同的缺点：

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。

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

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。

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。

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。

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。