CN107356606A - 半导体晶片位错密度的检测方法 - Google Patents

半导体晶片位错密度的检测方法 Download PDF

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孙聂枫
韩应宽
孙同年
李晓岚
付莉杰
王书杰
王阳
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
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Abstract

本发明公开了一种半导体晶片位错密度的检测方法，涉及半导体材料检测领域。本发明包括以下步骤：将腐蚀好的样品放在白光干涉仪上进行扫描，设定扫描上下边距及扫描点个数；逐个图像扫描：对每个图像进行微调，使其干涉条纹更加清晰明显；进行数据自动统计：自动识别出位错腐蚀坑，并自动统计出各个图像中位错腐蚀坑的数量，计算出位错密度；生成测试报告：位错密度测量报告中应包括视场数目、放大倍数、晶片位错密度分布图以及所有视场的位错计数、位错密度，半导体晶片的位错密度为所有视场的位错密度的平均值。本发明能实现位错密度的自动统计和分析，具有扫描精度高、分析速度快等优点。

Description

半导体晶片位错密度的检测方法
技术领域
本发明涉及半导体材料检测领域，尤其涉及一种半导体晶片位错密度的检测方法。
背景技术
半导体有许多种类，常用的元素半导体为硅和锗，常用的III-V族化合物半导体砷化镓和磷化铟，化合物半导体通常为直接带隙半导体，有着广泛的应用。在制备半导体材料过程中，由于热应力会产生位错，位错将影响外延层和器件的质量，因此需要准确测量出晶片的位错密度。常规测量位错密度的方法是先将晶片腐蚀，然后用金相显微镜进行晶片扫描，再对每个图像上的位错坑进行人工统计。金相显微镜下InP晶片的腐蚀坑如图4所示，其中，S为平底坑，不作为位错数目计数，D为尖底坑，作为位错数目计数。
晶体表面的电化学不均匀性是导致腐蚀坑现象的重要原因，晶体表面缺陷如位错、晶界、杂质等的露头点，很容易形成侵蚀核心。化合物半导体晶片腐蚀后会出现不同的腐蚀坑，只有一部分的腐蚀坑是位错腐蚀坑，对InP来说，分为平底的S坑和尖底的D坑，根据位错腐蚀坑的定义，只有尖底的D坑为位错腐蚀坑，而S坑可能与配比有关而与位错无关，因此统计时需要分辨D坑和S坑，然后数出D坑的个数。由于金相显微镜无法分辨腐蚀坑的纵向深度，只能人工通过二维表面图形判断S坑和D坑,通常情况下需要逐个图像逐点进行人工分辨，费时费力，很不方便，并且在识别D坑和S坑上也比较困难，所以统计存在较大误差。低位错密度的晶片用传统的金相显微镜容易造成漏数，则测量值与实际值偏差较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种半导体晶片位错密度的检测方法，能实现位错密度的自动统计和分析，具有扫描精度高、分析速度快等优点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种半导体晶片位错密度的检测方法，包括以下步骤：
1）、将腐蚀好的样品放在白光干涉仪上进行扫描，设定扫描上下边距及扫描点个数；
2）、逐个图像扫描：对每个图像进行微调，使其干涉条纹更加清晰明显；
3）、进行数据自动统计：自动识别出位错腐蚀坑，并自动统计出各个图像中位错腐蚀坑的数量，计算出位错密度；
4）、生成测试报告：位错密度测量报告中应包括视场数目、放大倍数、晶片位错密度分布图以及所有视场的位错计数、位错密度，半导体晶片的位错密度为所有视场的位错密度的平均值。
进一步地，样品的腐蚀方法如下：在通风柜中将抛光样品片放入新配制的腐蚀液内，腐蚀完成后经去离子水反复冲洗，取出晶片风干，准备观察测量位错密度。
选择的，步骤3）中，将测试数据进行分析，根据数据做出每个图像的晶片腐蚀坑三维图像，通过腐蚀坑的三维形貌自动区分S坑和D坑，通过图像识别区分S坑和D坑，自动筛选和统计D坑。
选择的，步骤3）中，通过腐蚀坑的投影来区分S坑和D坑，在垂直于晶片表面的平面作出每个腐蚀坑的投影图，根据其开口大小L与深度H的比值a，若x<a<y即为D坑，若a>y即为S坑，由此筛选出投影为三角形的D坑，并给出其统计分布，x和y的值根据材料种类和晶片晶向决定。
进一步地，所述半导体晶片为磷化铟，当5<a<18即为D坑，当a>18即为S坑，筛选出投影为三角形的D坑，并给出其统计分布。
进一步地，新配制的腐蚀液的组分的体积比为：85%的H3PO4 溶液：40%HBr溶液=1:2，在室温下，腐蚀时间为2-5 min。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明用白光作为光源，白色光源发出的光经反射镜和被测样品表面反射后产生干涉，白光光源的相干长度非常短，只有当两路光束的光程接近相等时才能观察到白光干涉条纹，白光干涉条纹的光强随光程差变化，当光程差为零时，光强出现峰值。在扫描时，如果记录下被测面上每一点对应的干涉光强达到最大时垂直工作台的位置，则在完成扫描后整个被测区域的表面形貌就能计算出来，进而计算出平均位错密度。白光干涉能够给出晶片表面三维形貌，纵向分辨率超高且很敏感，白光干涉法可以达到亚纳米级的垂直分辨率，具有非接触、高精度、高测量速度等优点，因此，采用白光作为光源的检测方法，能实现位错密度的自动统计和分析，具有扫描精度高、分析速度快等优点，适用于半导体单抛片、双抛片的位错密度统计分析，还可用于其他材料腐蚀坑的鉴定及自动测量。
附图说明
图1是白光干涉显微镜下本发明磷化铟晶片（100）面腐蚀坑三维图像；
图2是白光干涉显微镜下典型的D坑及其切面投影图；
图3是白光干涉显微镜下典型的S坑及其切面投影图；
图4是金相显微镜下磷化铟晶片（100）面腐蚀坑的俯视图；
图5是本发明白光干涉原理图；
图中：1、滤光片；2、白光光源；3、分光镜一；4、分光镜二；5、被测物；6、CCD电荷耦合元件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的半导体晶片位错密度的检测方法，包括以下步骤：
1）、将腐蚀好的样品放在白光干涉仪上进行扫描，设定扫描上下边距及扫描点个数，白光干涉仪的原理如图5所示；
2）、逐个图像扫描：对每个图像进行微调，使其干涉条纹更加清晰明显；
3）、进行数据自动统计：自动识别出位错腐蚀坑，并自动统计出各个图像中位错腐蚀坑的数量，计算出位错密度；
4）、生成测试报告：位错密度测量报告中应包括视场数目、放大倍数、晶片位错密度分布图以及所有视场的位错计数、位错密度，半导体晶片的位错密度为所有视场的位错密度的平均值。
其中，样品的腐蚀方法如下：在通风柜中将抛光样品片放入新配制的腐蚀液内，腐蚀完成后经去离子水反复冲洗，取出晶片风干，准备观察测量位错密度。
进一步的，对于磷化铟所用腐蚀液的组分的体积比为：85%的H3PO4 溶液：40%的HBr溶液=1:2。对于砷化镓所用腐蚀液为：熔融的KOH。不同的半导体所用腐蚀液组分及配比有所不同，此处不再列举。
由于有的半导体材料只有一种腐蚀坑即位错腐蚀坑，对于这种位错直接统计个数即可。但是对于有多种腐蚀坑的材料，需要统计位错数量，本发明采用两种统计位错的方法。以InP为例，一种是：将测试数据进行分析，根据数据做出每个图像的晶片腐蚀坑三维图像，如图1所示，通过腐蚀坑的三维形貌自动区分S坑和D坑，图3为典型的D坑及其切面投影图，图4为典型的S坑及其切面投影图，由图中很明显的得知，S坑为半球形，D坑为锥形，通过图像识别区分S坑和D坑，自动筛选和统计D坑。
另一种方法是，通过腐蚀坑的投影来区分S坑和D坑，由图2、图3可知， S坑的投影为圆弧形，而D坑的投影为三角形，在垂直于晶片表面的平面作出每个腐蚀坑的投影图，根据其开口大小L与深度H的比值a，若x<a<y即为D坑，若a>y即为S坑，由此筛选出投影为三角形的D坑，并给出其统计分布，x和y的值根据材料种类和晶片晶向决定。
本发明以统计磷化铟晶片（100）面位错密度为实例进一步说明：
（1）在通风柜中将晶向为（100）方向的2英寸磷化铟抛光样品片放入新配制的腐蚀液内，腐蚀液的组分是体积比为：85%的H3PO4 溶液：40%的HBr溶液=1:2，在室温下腐蚀3min。腐蚀完成后经去离子水反复冲洗，取出晶片风干，准备观察测量位错密度。
（2）将腐蚀好的样品放在白光干涉仪上进行扫描，设定扫描69点及上下边距。
（3）进行图像扫描：对每个图像进行微调，使其干涉条纹更加清晰明显。
（4）进行数据自动统计：将测试数据进行分析，根据数据做出每个图像的晶片位错腐蚀坑三维图像，在垂直于晶片表面的平面作出每个腐蚀坑的投影图，根据其开口大小L与深度H的比值a，判断S坑和D坑，若5<a<18即为D坑，若a>18即为S坑，不计入统计，因此程序筛选出投影为三角形的D坑，并自动统计出各个图像中位错腐蚀坑的数量，并计算出平均位错密度（EPD）为49247.97 个/cm2。
需要说明的是，本发明的检测方法不限于磷化铟，其还可用于其他半导体材料如砷化镓进行位错密度的检测，及III-V族化合物半导体进行检测，其中腐蚀温度、时间、腐蚀液的配比即扫描点的数量均根据不同的半导体材料选择优化，不仅适用于半导体单抛片、双抛片的位错密度统计分析，还可用于其他材料腐蚀坑的鉴定及自动测量。
其中，进一步说明的是，CCD--Charge-coupled Device，中文全称:电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器,也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。
再进一步说明的是，白光干涉仪是利用干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定于测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长(～10-7米)，所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可对本发明进行若干改进，这些改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种半导体晶片位错密度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、将腐蚀好的样品放在白光干涉仪上进行扫描，设定扫描上下边距及扫描点个数；
2）、逐个图像扫描：对每个图像进行微调，使其干涉条纹更加清晰明显；
3）、进行数据自动统计：自动识别出位错腐蚀坑，并自动统计出各个图像中位错腐蚀坑的数量，计算出位错密度；
4）、生成测试报告：位错密度测量报告中应包括视场数目、放大倍数、晶片位错密度分布图以及所有视场的位错计数、位错密度，半导体晶片的位错密度为所有视场的位错密度的平均值。
2.根据权利要求1所述的半导体晶片位错密度的检测方法，其特征在于，样品的腐蚀方法如下：在通风柜中将抛光样品片放入新配制的腐蚀液内，腐蚀完成后经去离子水反复冲洗，取出晶片风干，准备观察测量位错密度。
3.根据权利要求1所述的半导体晶片位错密度的检测方法，其特征在于，步骤3）中，将测试数据进行分析，根据数据做出每个图像的晶片腐蚀坑三维图像，通过腐蚀坑的三维形貌自动区分S坑和D坑，通过图像识别区分S坑和D坑，自动筛选和统计D坑。
4.根据权利要求1所述的半导体晶片位错密度的检测方法，其特征在于，步骤3）中，通过腐蚀坑的投影来区分S坑和D坑，在垂直于晶片表面的平面作出每个腐蚀坑的投影图，根据其开口大小L与深度H的比值a，若x<a<y即为D坑，若a>y即为S坑，由此筛选出投影为三角形的D坑，并给出其统计分布，x和y的值根据材料种类和晶片晶向决定。
5.根据权利要求4所述的半导体晶片位错密度的检测方法，其特征在于，所述半导体晶片为磷化铟，当5<a<18即为D坑，当a>18即为S坑，筛选出投影为三角形的D坑，并给出其统计分布。
6.根据权利要求5所述的半导体晶片位错密度的检测方法，其特征在于，新配制的腐蚀液的组分的体积比为：85%的H3PO4 溶液：40%的HBr溶液=1:2，在室温下，腐蚀时间为2-5min。
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