TWI362080B - - Google Patents

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1362080 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於以非破壞性可判定各種半導體元件之製 作所使用的半導體磊晶晶圓的品質之半導體嘉晶晶圓的品 質判定方法，及使用彼之晶圓製造方法。 【先前技術】 具有在製作場效應電晶體（FET)等半導體元件時所 鲁 使用的場效應電晶體結構之半導體磊晶晶圓，通常爲了避 免起因於基板之缺陷、雜質位準的影響，在所準備的基板 上積層所需要的功能達成上必要的各種半導體嘉晶層前， 於該基板上形成磊晶成長之緩衝結構部。 - 因此種目的所形成在準備的基板上之緩衝結構部係在 - 前處理基板表面後，藉由分子束磊晶成長、有機金屬化學 氣相磊晶成長，或者氫化物氣相成長等磊晶成長而形成， 如此所形成的緩衝結構部的品質對於完成的半導體元件之 鲁 夾斷特性或臨界値電壓等之電氣輸送特性有大的影響。即 緩衝結構部的結晶品質如不好，則緩衝層的電氣絕緣性降 . 低，在所製作的半導體元件中，成爲夾斷不良等之電氣缺 陷發生的原因外，也會有引起半導體元件特性不適合設計 規範等之特性不良的結果。 因此，在半導體磊晶晶圓之製造工程中，期望藉由判 定緩衝結構部的品質，只利用特定水準之品質的晶圓以進 行半導體元件的製作，以謀求產品率的改善。以此種目的 -5- 1362080 所進行的緩衝結構部之習知的品質判定，係藉由對於晶圓 在進行半導體元件的加工後，直接連接電氣測量系統，對 晶圓實際通以電流，藉由測量此電流値而進行。因此，如 依據此習知方法，爲了判定晶圓的品質，半導體磊晶晶圓 的破壞係屬必須。因此，如依據上述之習知方法，檢查所 需要的時間或手續變多，短時間之檢查爲不可能，另外， 也有無法避免因晶圓之破壞所導致的產品率降低之問題點 •。 因此，使用光學式手法之評估法的採用，由於非破壞 ’被認爲較優異。此種情形的光學式評估法而爲所知悉的 習知之反射或透過分光法、或者發光分光法係以非破壞方 '式調查半導體嘉晶之電子能量結構的方法，係在此領域中 -一般被採用的方法。但是，在具有多層結構的半導體磊晶 之情形’於通常之反射或透過分光法所獲得的光譜中，會 觀測到由於法布里-佩洛干涉（Fabry-Perot)所導致之拍 鲁頻’電子能量多數會隱藏在該干涉中。另外，即使在以發 光分光法所獲得光譜，該發光是由標的之能量位準所發光 ’或者由雜質准爲等所發光，並無法做區別。總之，藉由 通常之反射或透過分光法、或者發光分光法，並無法進行 關於產生在半導體磊晶中的內部電場之評估。 如此’以非破壞方式判定場效應電晶體（FET )之製 造所使用的半導體磊晶晶圓的結晶品質，可容易地篩選適 合於製作電氣特性優異之半導體元件之品質評估方法，以 往以來並不存在。因此，在以往，於半導體磊晶晶圓之製 -6 - 1362080 造工程中，在品質評估工程需要很多時間和花工夫，也產 生由於檢查破壞所引起的損失，成爲成本上升的原因。另 外’由於無法進行充分的品質評估之理由，現況爲最終產 品之產品率也是無法令人滿意’乃期望所製造的半導體磊 晶晶圓之品質的偏差可進一步獲得改善。 本發明之目的在於提供：可獲得解決習知技術的上述 問題點之半導體磊晶晶圓的品質判定方法。 本發明之其他目的在於提供：以非破壞方式、短時間 評估具有緩衝結構的半導體磊晶晶圓的品質，特別是晶圓 的緩衝結構部的結晶品質，可容易地篩選適合於電氣特性 優異之半導體元件的製作之半導體磊晶晶圓的品質判定方 法。 本發明之別的目的在於提供：獲得改善之半導體磊晶 晶圓之製造方法。 本發明之進而別的目的在於提供：高品質之半導體磊 晶晶圓。 【發明內容】 爲了解決上述課題，本發明人等各式各樣地檢討藉由 非破壞方式獲得晶圓品質，特別是關於形成在基板上之緩 衝結構部的結晶品質之資料的方法。結果令人驚訝的是， 本發明人等發現藉由光反射率法所獲得的光譜和利用該磊 晶所製作的場效應電晶體的夾斷特性或臨界値等之電氣輸 送特性間有相關，重複各種檢討的結果，而完成本發明。 1362080 如依據本發明，從藉由光反射率法所獲得之光譜而以 _ 非破壞方式判定起因於緩衝結構部的結晶品質之電氣輸送 特性的良否一事，此在以往很難，卻變成可能，可以容易 地篩選適合於電氣特性優異的半導體元件之製作的半導體 晶晶晶圓。 本發明所使用的光反射率法係調變分光的一種。所謂 調變分光法是藉由對半導體裝置等試料給予週期性的外部 φ 擾動（電場、磁場、壓力或溫度等），試料中的頻帶結構 與外部擾動同步而被調變，高感度地檢出其結果所產生的 反射光或透過光的調變成分之方法。如依據此調變分光法 ’可高感度地測量內藏電場。在光反射率法中，使用激發 光作爲週期性的外部擾動’以反射取出藉由激發光而被調 - 變之頻帶結構的變化，獲得光反射率光譜（以下，略稱爲 PR光譜）。在此PR光譜中，通常可觀測與試料的內藏電 場相關之振動結構。此振動結構也被稱爲光電效應的弗朗 擊玆-凱爾迪甚效應（Franz Keldysh effect)振動（以下， 略稱爲FK振動）。本發明係依據pr光譜、其之ρκ振動 等，以判定半導體磊晶晶圓的品質。 起因於半導體磊晶晶圓之緩衝結構部的結晶品質之電 氣輸送特性’可舉：夾斷特性、臨界値電壓、汲極_源極 電流等場效應電晶體之電晶體特性爲例。依據本發明之判 定法，特別適合於關於夾斷特性或臨界値電壓之特性的良 否判定。 影響緩衝結構部的結晶品質之原因有：殘留雜質濃度 -8- 9 1362080 、結晶缺陷密度、錯位缺陷密度、基板和磊晶層界面之殘 留雜質等。這些都對緩衝結構部的能帶結構賦予變化故， 被認爲對半導體元件的電氣輸送特性造成影響的因素。 在利用PR光譜以判定半導體磊晶晶圓之品質時，預 先選出具有電氣輸送特性的限度特性之半導體磊晶晶圓， 藉由比對此晶圓的PR光譜和應判定晶圓的.光譜以進行品 質判定。此處’具有限度特性的半導體磊晶晶圓之PR光 譜’可爲實測的，也可爲藉由數値模擬而獲得的。 泰 P R光譜的比對方法例如可舉比對：P r光譜的形狀、 由PR光譜中的FK振動所算出的電場強度、傅利葉變換 FK振動而獲得之光譜，或者傅利葉變換fk振動而算出 的電場強度等之方法。 ^ 如此’以非破壞方式測量要判定的半導體磊晶晶圓之 — P R光譜’藉由與從事先選出的具有電氣輸送特性的限度 特性之半導體聶晶晶圓所求得之p R光譜比對，可以非破 壞方式且迅速地判定晶圓的良否。而且，利用此判定方法 ® 來進行半導體磊晶晶圓ϋ造時，在半導體磊晶晶圓的製 造工程中，品質評估工程的時間和所花工夫可大幅縮短， 也不會有由於檢査破壞所導致的損失故，可使成本顯著降 低。另外，進行足夠的品質評估故，最終產品的產品率也 獲得提升，所製造的半導體磊晶晶圓的品質偏差也小。 本發明之特徵係一種具有由磊晶層所形成的緩衝結構 部，且具有場效應電晶體結構的半導體磊晶晶圓之品質判 定方法，對上述半導體磊晶晶圓照射調變上述緩衝結構部 -9- 1362080 的內藏電場之激發光，依據來自上述半導體磊晶晶圓之 PR光譜，以預測利用該半導體磊晶晶圓所製作之場效應 電晶體的電氣輸送特性。 上述電氣輸送特性之預測可藉由比對由具有電氣輸送 特性的限度特性之半導體磊晶晶圓所得之PR光譜和來自 上述半導體磊晶晶圓之PR光譜而進行。 另外，上述比對可利用PR光譜的形狀、由FK振動 φ 所算出的電場強度、傅利葉變換FK振動所獲得的光譜形 狀、或者傅利葉變換FK振動所算出的電場強度中的至少 一種來進行。 本發明之其他特長係一種半導體磊晶晶圓之製造方法 .，包含：藉由磊晶成長法以獲得具有由磊晶層所形成的緩 . 衝結構部，且具有場效應電晶體結構之半導體磊晶晶圓的 步驟；和對上述半導體磊晶晶圓照射調變上述緩衝結構部 的內藏電場之激發光，依據來自上述半導體磊晶晶圓之 φ PR光譜，以判定該半導體磊晶晶圓的品質的步驟。 【實施方式】 爲了更詳細說明本發明，依據所附圖面來做說明° 第1圖係顯示藉由本發明之方法以進行半導體晶圓之 判定所使用的判定裝置之結構方塊圖。測量裝置1係利用 光反射率法來測量半導體磊晶晶圓之PR光譜’以獲得判 定評估半導體磊晶晶圓之電氣輸送特性的良否之資料而所 構成的裝置。測量裝置1係在通常藉由反射分光法來'測量 -10- S) 1362080 之光學系統附加調變光之雷射光的光學系統的結構。在所 附加的光學系統中，雷射光例如被以截波器（chopper ) 所調變，對試料之半導體磊晶晶圓照射經過調變的雷射光 。而且，以鎖定檢出器檢測以此雷射光照射時和未照射時 之反射光強度（DR )的差，或此雷射光之照射強度強時 和弱時之反射光強度（DR )的差之方法。 第1圖之實施例的測量試料之晶圓S係製作場效應電 晶體（FET )所使用的半導體磊晶晶圓。晶圓S係在 GaAs基板上積層含i-GaAs層和AlGaAs層之緩衝層後， 在其上積層以調變摻雜之AlGaAs層夾住之結構的InGaAs 層的單一量子井層，另外，在其上積層外罩層之η-GaAs 層之結構。 利用如上述結構之晶圓S以製作場效應電晶體（FET )時，由於晶圓S成長製程中的某種原因，產生了夾斷特 性良好和不好之情形。將夾斷特性良好之晶圓稱爲0K晶 圓，將夾斷特性不好之晶圓稱爲NG晶圓。此NG晶圓係 成爲半導體磊晶晶圓之品質判定基準的具有電氣輸送特性 之限度特性的半導體磊晶晶圓。 測量裝置1係具備白色光源2，來自白色光源2的光 在分光器3被分光而成爲探測光3A，探測光3A藉由透鏡 4而被聚焦，照射於試料之晶圓S上的所期望觀測點。 來自雷射光源5的雷射光係藉由調變用截波器6而被 脈衝化，當成脈衝激發光5 A。脈衝激發光5A被照射於晶 圓S，藉此，藉由探測光3 A而來自晶圓S之反射探測光 -11 - 1362080 3B藉由脈衝激發光5A而被調變。 如上述般被賦予調變之反射探測光3B藉由透鏡8而 被收斂，輸入於光檢測器7，來自光檢測器7的檢測電壓 R + Λ R則輸入於鎖定放大器9。 來自截波器6之調變訊號被當成同步用參考訊號而輸 入於鎖定放大器9，檢測電壓R+Λ R中，對應探測光3 A 的反射率R之訊號當成基準訊號R，對應藉由脈衝激發光 φ 5A所被調變的探測光反射率之調變份△ R之訊號當成輸 出訊號AR而由鎖定放大器9所輸出。輸出訊號ΔΙΙ和基 準訊號R係被輸入電腦1 0。 在電腦10中，依據輸出訊號AR和基準訊號R，計 -算由於反射率之激發光所引起的微小變化的比率△ R/ R -。-通常AR/R對於分光波長或者分光分光波長的能量的 光譜稱爲PR光譜。另外，分別適當地運算波長以及ΔΙΙ / R後，予以曲線化者也可視爲PR光譖。知道在此PR φ 光譜中，於比半導體之帶隙能量還高能量側會出現稱爲 FK振動之振動。由此FK振動之波形的峰値位置的週期 可算出晶圓S之緩衝結構部的內藏電場強度。 接著，參考第2圖，具體說明基於PR光譜之晶圓S 的良否判定處理。第2圖係在室溫所測量的OK晶圓以及 NG晶圓的PR光譜的一例。具有在1.43eV附近觀測到的 大振幅成分之能量，可認爲係對應基於包含在緩衝結構部 的GaAs的帶隙能量。在比此帶隙能量還高能量側，明確 觀測到稱爲FK振動之振動。此處，由出現在PR光譜之 -12- Φ 1362080 FK振動的波形，可明確知道OK晶圓和NG晶圓其峰値位 置的週期不同。如此，很清楚可由FK振動的波形之峰値 位置的週期明確區別OK晶圓和NG晶圓。因此，很清楚 可由PR光譜的比對來判定半導體磊晶晶圓之電氣輸送特 性的良否。 接著，爲了調查具有此磊晶結構之晶圓S內部所產生 的內部電場，由上述觀測到的FK振動來·進行電場強度f 的計算。此FK振動係具有下式 acos{{213,)[En-Ε0)IhQ]^2 -k-n{d-\)l2),{h€lf ={eFh)2 /8// ( 1)

R 之形式。 此處，n爲振動結構的振動次數，En爲振動的第n次 之能量，Ε0爲電子轉變能（transition energy)，F爲內部 電場強度，V爲關於轉變之電子、電洞轉換質量，d爲與 次元有關之値，h爲普朗克常數，e爲電子的電量，Ω爲 光電能量。由此式（1 )，將PR光譜所觀測到的FK振動 的Εη-EO當成振動的次數函數予以描繪，可以算出試料所 產生的電場強度F。以實線顯示在第2圖的是，利用所算 出的電場強度F所獲得之依據式（1)的模擬結果。 此處，第2圖係在OK晶圓、NG晶圓個別之FK振動 的峰値附上指數。以與此指數有關的値（η )爲橫軸，以 附上指數之振動峰値的能量爲縱軸予以描繪，由其之傾斜 可以算出Ο Κ晶圓之內部電場強度爲6 · 5 k V / c m，N G晶圓 -13- Γ362080 之內部電場強度爲10kV/cm。即藉由採用利用由PR光譜 的FK振動所算出的電場強度之方法，很清楚可以判定半 導體磊晶晶圓的電氣輸送特性之良否。 接著，參考第3圖，具體說明基於傅利葉解析在PR 光譜中所觀測到的FK振動之晶圓S的良否判定處理。此 處，利用具有與上述晶圓S不同的緩衝結構之半導體磊晶 晶圓S2(以下，都稱爲晶圓S2)作爲試料，以測量PR光譜 φ 。與上述相同，將夾斷特性良好之晶圓以及不良的晶圓分 別稱爲OK2晶圓以及NG2晶圓。 如上述般，在PR光譜中所觀測到的FK振動可由式 (1)所表示。在此式中，設r三（En-EO) 3/2、7?三（ _ 2/3) (l/h0)3/2)’則式（1)可變形爲下式： AR . , —αοο$(ητ + φ) (2) Κ 此處，0係與維數有關的項目。此變成以77-1爲週 •期之r的振動函數（三角函數），顯示藉由傅利葉變換 FK振動可以獲得7?値。此次測量之晶圓可認爲係電場在 深度方向改變之晶圓。因此，即使在對於內部電場在深度 方向處改變的情形’設由個別產生電場之區域可獨立觀測 FK振動’設以式（1 )的疊合所表示。即即使電場強度在 晶圓S2的深度方向改變時，設以下式所表示。 ^-aYjAJcos^jT + (^J) ( 3 ) K j -14- 1362080 附加的j係表示以疊合表示的第j個FK振動。藉由 傅利葉變換上式，可獲得關於7；之光譜Ψ ( 7/ )。 ψ(7)« jX Aj cos(77y + φ]) exp(-/ητ)άτ ( 4 ) 此式表示將PR光譜的橫軸修正爲r的函數後，予以 傅利葉變換’在所獲得的光譜中，讀取觀測到峰値之77値 ，可以求得晶圓S2的電場分布。 實際上，第3圖係將在此次測量的試料中，於Pr光 譜中所觀測到的FK振動予以傅利葉變換，以橫軸爲電場 強度而予以描繪之圖。電場強度的分布係表示Ga As層存 在區域之電場強度，顯示著複雜的結構。如比較OK2晶 圓和N G 2晶圓，則內部電場的分布一致之點和不一致之 點混合存在著。例如，在傅利葉變換光譜中，於OK2晶 圓中，觀測到峰値約37kV/cm，在NG2晶圓中，觀測到 峰値約 33kV/cm。此可認爲表示產生於NG2晶圓之內部 電場強度比產生於OK2晶圓之內部電場強度小。 因此，很清楚利用由藉由傅利葉變換F K振動所獲得 的光譜而算出的內部電場強度，可判定半導體磊晶晶圓的 電氣輸送特性之良否。 另外，在約26kV/cm的內部電場中，於OK晶圓中， 雖在傅利葉變換光譜觀測到峰値，但是，在N G 2晶圓中 ，該峰値並未出現。即利用藉由傅利葉變換FK振動所獲 得的光譜形狀，ί艮清楚可判疋半導體晶晶晶圓的電氣輸送 -15- l362〇8〇 特性之良否。 如上述般，以非破壞方式可在短時間評估具有緩衝結 構之半導體磊晶晶圓的緩衝結構部的結晶品質，而且，可 容易地篩選適合於電氣特性優異之半導體元件的製作之半: 導體磊晶晶圓，可顯著提升製造效率以及產品率。 第4圖係顯示說明依據本發明之半導體磊晶晶圓製造 方法的一實施例之工程說明圖。參考第4圖來說明其製造 % 方法。首先，在步驟SI中，準備GaAs基板。在接著的 步驟S2中，在該GaAs基板上積層緩衝層。此緩衝層係 含GaAs層或AlGaAs層之結構。在步驟S3中，於步驟 S2中所形成的緩衝層上形成場效應電晶體結構層。此場 •效應電晶體結構層係藉由積層以調變摻雜之AlGaAs層夾 - 住之結構的InGaAs層的單一量子井層，進而，在其上積 層外罩層之n-GaAs層而形成。但是，緩衝層以及場效應 電晶體結構層的結構並不限定於此一例，可設爲周知的適 φ 當層結構。另外，積層方法可使用周知的適當方法。 如此，可一面獲得具有由磊晶層所形成的緩衝結構部 ，且具有場效應電晶體結構之半導體磊晶晶圓，一面在步 驟S4中，進行此晶圓之品質判定。此處之品質判定係利 用第1圖所示之測量裝置1，依據已經說明的步驟來進行 。即依據來自半導體磊晶晶圓之PR光譜，預測利用該半 導體磊晶晶圓所製作的場效應電晶體之電氣輸送特性，可 判定該半導體磊晶晶圓之良否。關於此判定方法可使用詳 細說明過的幾種方法中的一種。 -16- S) 1362080 即電氣輸送特性的預測可藉由比對由具有電氣輸送特 性的限度特性之半導體磊晶晶圓所獲得之PR光譜和來自 當成試料所準備的半導體磊晶晶圓之PR光譜而進行。 另外，此比對可使用PR光譜的形狀 '由FK振動所 算出的電場強度、傅利葉變換FK振動所獲得的光譜之形 狀、或者傅利葉變換FK振動而算出的電場強度中之至少 —種來進行。 · 在步驟S5中，判定晶圓是否已經在步驟S4中被判定 爲良品否。在晶圓被判定爲良品時，步驟S 5的判定結果 成爲YES’進入步驟S6’就此晶圓進行其他的檢查，此 檢查合格者被當成產品出貨（步驟S7)。 另一方面’在步驟S 5中’晶圓被判定爲不良品時， 步驟S5的判別結果變成NO’進入步驟S8，此處該晶圓 被當成檢查不合格，被停止出貨。 產業上之利用可能性 如上述般’依據本發明之半導體磊晶晶圓的品質判定 方法以及使用彼之晶圓製造方法，以非破壞方式，可短時 間評估晶圓的結晶品質，能夠容易地篩選適合於電氣特性 優異之半導體元件的製作之晶圓，有助於成本的降低。 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示藉由本發明之方法以進行半導體晶圓之 判定所使用的判定裝置之結構方塊圖。 -17- 1.362080 第2圖係顯示以第1圖所示裝置所測量的PR光譜圖 〇 第3圖係傅利葉變換PR光譜的FK振動之光譜圖。 第4圖係說明依據本發明之半導體磊晶晶圓的製造工 程之一例的工程說明圖。

主要 元件 對 昭 、、 表 1 測 量 裝 置 2 白 色 光 源 3 分 光 器 4 透 鏡 5 雷 射 光 源 6 截 波 器 7 光 檢 測 器 8 透 鏡 9 鎖 定 放 大器 10 電 腦 S 晶 圓 -18-

Claims (1)

1362080 第093 1 〇43 3 4號專利申請案中文申請專利範圍修正本 民國100年7月7 日修正 拾、申請專利範圍 1. 一種半導體磊晶晶圓的品質判定方法，是用於判定 具有由磊晶層所形成的緩衝結構部，而且，具有場效應電 晶體結構之半導體聶晶晶圓的電氣輸送品質，其特徵爲： 對上述半導體磊晶晶圓照射調變上述緩衝結構部的內 藏電場之激發光， ® 依據來自上述半導體磊晶晶圓之光反射率光譜來評價 上述緩衝結構部的結晶品質，藉此預測利用該半導體磊晶 晶圓所製作之場效應電晶體的夾斷特性。 2. 如申請專利範圍第丨項所記載之半導體磊晶晶圓的 品質判定方法t，其中’上述預測可利用：光反射率光譜的 形狀、由弗朗玆-凱爾迪甚效應 （Franz Keldysh effect ) 振動所算出的電場強度、傅利葉變換弗朗玆-凱爾迪甚效 應（Franz Keldysh effect )振動而獲得之光譜的形狀 '或 Φ 者傅利葉變換弗朗玆-凯爾迪甚效應 （Franz Keldysh effect )振動而算出的電場強度中的至少其中—種來進行 ’品質判定係將電場強度的値與基準値作比較來進行。 3. —種半導體磊晶晶圓之製造方法，其特徵爲包含： 藉由嘉晶成長法以獲得具有由晶晶層所形成的緩衝糸吉 構部’且具有場效應電晶體結構之半導體磊晶晶圓的步，驟 ;和 利用申請專利範圍第1或2項所記載的方法，以判定 1362080 上述半導體磊晶晶圓的電氣輸送品質的步驟。 4.一種半導體磊晶晶圓，其特徵爲： 利用申請專利範圍第3項所記載之製造方法而所製造

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