外延裝置和外延過程中外延層的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種外延裝置和外延過程中外延層的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，集成電路的集成度不斷提高，其工藝的復(fù)雜程度也在不斷提高。因此，在生產(chǎn)工藝中對(duì)溫度、壓力、生長(zhǎng)速率、摻雜濃度以及氣流場(chǎng)均勻性等各種參數(shù)提出了嚴(yán)格的要求。
[0003]在硅同質(zhì)外延中，外延層的厚度、均勻性和表面平整度是非常關(guān)鍵的參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)后續(xù)的半導(dǎo)體器件工藝和器件性能有著直接且至關(guān)重要的影響。在硅平面晶體管和集成電路的制備過程中，外延層均勻性的好壞直接影響著后步工序的完成。厚度不均勻的外延層會(huì)給后續(xù)工藝過程帶來嚴(yán)重問題。首先，厚度不均勻的外延層給隔離擴(kuò)散帶來很大困難，使在正常工藝條件下，外延層較厚的地方隔離不通，造成該區(qū)域的器件報(bào)廢。即使隔離擴(kuò)散能夠擴(kuò)通薄厚不均的外延層，也會(huì)由于各器件的集電區(qū)厚度不同而使電性能偏離設(shè)計(jì)指標(biāo)。外延層過厚會(huì)導(dǎo)致集電區(qū)電阻增大而降低最大耗散功率和頻率特性。外延層過薄會(huì)導(dǎo)致集電區(qū)薄而過早穿通，使器件的反向擊穿電壓下降。此外，若外延層中心和邊緣區(qū)域厚度相差巨大，還會(huì)影響光刻中的對(duì)板和曝光等工藝，導(dǎo)致器件報(bào)廢。由此可看出，外延層的厚度不一致嚴(yán)重影響著器件的制備。
[0004]鑒于外延層的厚度和其均勻性在研究和生產(chǎn)中的重要性，人們對(duì)其測(cè)量方法進(jìn)行了廣泛研究。目前，測(cè)量外延層的厚度通常有以下兩種方法:
[0005]1.傅里葉變換紅外光譜分析(FTIR)法是業(yè)界廣泛采用的一種測(cè)量硅同質(zhì)外延層厚度的方法。這種方法主要基于襯底和外延層光學(xué)性質(zhì)的差別來測(cè)量外延層厚度。
[0006]2.在氮化物金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延中，經(jīng)常用可見光干涉的方法對(duì)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的GaN基材料和器件的表面形貌進(jìn)行在位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0007]然而上述兩種方法均存在不同的缺點(diǎn):
[0008]1.傅里葉變換紅外光譜分析法只能用于對(duì)外延后的成品測(cè)量，無法測(cè)量在生長(zhǎng)過程中外延層的厚度等參數(shù)。
[0009]2.由于硅材料可以吸收全部可見光譜范圍的能量，因此可見光范圍內(nèi)的干涉，無法用于硅外延的測(cè)量。此外，這種利用可見光干涉的方法得到的是隨厚度變化的干涉譜，準(zhǔn)確的厚度數(shù)值需要根據(jù)時(shí)間計(jì)算得出，無法直接得到厚度數(shù)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0011]為此，本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提出一種外延裝置，該外延裝置可以對(duì)外延過程進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)，使得外延過程變得更加可控，大幅提高了外延過程中生產(chǎn)產(chǎn)品的良品率，有效避免了因工藝參數(shù)選擇不當(dāng)帶來的廢品，同時(shí)有利于提高外延過程中原材料的利用率和外延裝置的產(chǎn)量。
[0012]本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提出一種外延過程中外延層的測(cè)量方法。
[0013]為達(dá)上述目的，本發(fā)明第一方面實(shí)施例提出了一種外延裝置，包括:反應(yīng)腔；設(shè)置在所述反應(yīng)腔之上的觀察窗；設(shè)置在所述反應(yīng)腔內(nèi)的托盤，所述托盤上承載有晶圓；光纖式傅里葉紅外光譜分析儀，所述光纖式傅里葉紅外光譜分析儀具有光纖，所述光纖的一端與所述觀察窗對(duì)應(yīng)，所述光纖用于發(fā)射紅外光線，并通過所述觀察窗將所述紅外光線照射至所述晶圓，以及通過所述觀察窗接收所述晶圓反射的反射光，所述光纖式傅里葉紅外光譜分析儀用于根據(jù)所述反射光檢測(cè)所述晶圓的外延層厚度。
[0014]本發(fā)明實(shí)施例的外延裝置，通過在反應(yīng)腔上設(shè)置觀察窗，并利用光纖對(duì)外延過程中晶圓的外延層進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜測(cè)量，并通過上位機(jī)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析得到晶圓的外延層厚度，由此，可以對(duì)外延過程進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)，使得外延過程變得更加可控，大幅提高了外延過程中生產(chǎn)產(chǎn)品的良品率，有效避免了因工藝參數(shù)選擇不當(dāng)帶來的廢品，同時(shí)有利于提高外延過程中原材料的利用率和外延裝置的產(chǎn)量。
[0015]為達(dá)上述目的，本發(fā)明第二方面實(shí)施例提出了一種外延過程中外延層的測(cè)量方法，包括:所述光纖發(fā)射紅外光線，并通過所述觀察窗將所述紅外光線照射至設(shè)置在所述反應(yīng)腔內(nèi)的托盤上承載的晶圓；以及所述光纖通過所述觀察窗接收所述晶圓反射的反射光，以使所述光纖式傅里葉紅外光譜分析儀根據(jù)所述反射光檢測(cè)所述晶圓的外延層厚度。
[0016]本發(fā)明實(shí)施例的外延過程中外延層的測(cè)量方法，通過在反應(yīng)腔上設(shè)置觀察窗，并利用光纖對(duì)外延過程中晶圓的外延層進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜測(cè)量，并通過上位機(jī)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析得到晶圓的外延層厚度，由此，可以對(duì)外延過程進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)，使得外延過程變得更加可控，大幅提高了外延過程中生產(chǎn)產(chǎn)品的良品率，有效避免了因工藝參數(shù)選擇不當(dāng)帶來的廢品，同時(shí)有利于提高外延過程中原材料的利用率和外延裝置的產(chǎn)量。
[0017]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0018]本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0019]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的外延裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的外延裝置的示意圖；
[0021]圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的邁克爾遜干涉裝置的示意圖；
[0022]圖4是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的外延裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的外延裝置的示意圖；
[0024]圖6是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的外延過程中外延層的測(cè)量方法的流程圖；
[0025]圖7是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的外延過程中外延層的測(cè)量方法的流程圖；以及
[0026]圖8是本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的外延過程中外延層的測(cè)量方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0028]此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上，除非另有明確具體的限定。
[0029]流程圖中或在此以其他方式描述的任何過程或方法描述可以被理解為，表示包括一個(gè)或更多個(gè)用于實(shí)現(xiàn)特定邏輯功能或過程的步驟的可執(zhí)行指令的代碼的模塊、片段或部分，并且本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的范圍包括另外的實(shí)現(xiàn)，其中可以不按所示出或討論的順序，包括根據(jù)所涉及的功能按基本同時(shí)的方式或按相反的順序，來執(zhí)行功能，這應(yīng)被本發(fā)明的實(shí)施例所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
[0030]近年來，隨著硅外延生長(zhǎng)的晶圓尺寸不斷增大，從目前主流的6-8寸向12寸過度，外延設(shè)備和技術(shù)也不斷發(fā)展。目前，用于6-8寸晶圓的外延裝置通常采用水平進(jìn)氣多片旋轉(zhuǎn)式的反應(yīng)腔設(shè)計(jì)。然而，在多個(gè)晶圓同時(shí)生長(zhǎng)的情況下，對(duì)晶圓的外延層的均勻性提出了更高的要求，為此，本發(fā)明提出了一種外延設(shè)備。圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的外延裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]如圖1所示，外延裝置包括反應(yīng)腔10、觀察窗20、托盤30、光纖式傅里葉紅外光譜分析儀40和上位機(jī)50,其中，光纖式傅里葉紅外光譜分析儀40包括光纖41。
[0032]具體地，觀察窗20設(shè)置在反應(yīng)腔10之上，托盤30設(shè)置在反應(yīng)腔10內(nèi)，且托盤上承載有晶圓。具體而言，以在重?fù)缴?As)的娃(Si)襯底上外延摻磷(P)兀素的η型娃外延層為例說明本發(fā)明實(shí)施例中的外延裝置。采用水平式進(jìn)氣石英反應(yīng)腔10在η+晶圓上生長(zhǎng)n-Si外延層，其中，晶圓的直徑大約為8英寸，即200毫米。如圖2所示，觀察窗20設(shè)置在反應(yīng)腔10的頂壁之上，石墨托盤30在反應(yīng)腔10內(nèi)，在SiC包裹的石墨托盤30上放置5片8英寸的晶圓，相鄰2片晶圓的圓心與石墨托盤30的圓心之間的夾角為72度。在外延過程中，石墨托盤30沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，以促使化學(xué)反應(yīng)在各個(gè)晶圓上均勻的發(fā)生。優(yōu)選的，反應(yīng)壓力為-1.5mbar，生長(zhǎng)溫度為1070°C，反應(yīng)源為SiHCL3，載氣為H2。
[0033]光纖式傅里葉紅外光譜分析儀40具有光纖41，光纖的一端與觀察窗20對(duì)應(yīng)，光纖41用于發(fā)射紅外光線，并通過觀察窗20將紅外光線照射