TWI445949B - 藉由觀察晶圓上之磊晶層的生長而形成磊晶層於晶圓上之方法和生長磊晶層於晶圓上之設備 - Google Patents

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Description

藉由觀察晶圓上之磊晶層的生長而形成磊晶層於晶圓上之方法和生長磊晶層於晶圓上之設備
一般言之，本發明係有關於晶圓評估，且更明確地說，係有關於在磊晶生長期間對於整個晶圓之宏觀特徵的連續、原位評估方法。
如同習知技術所已知者，諸如藉由分子束磊晶(MBE)或有機金屬化學氣相沈積(MOCVD)所實施之半導體膜的磊晶生長極度取決於基板表面上之反應物原子的大小及一致性，以及温度及其遍及於基板上的一致性。在GaN之電漿MBE生長的特定例中，鎵原子在存在有由電漿源所提供的反應氮氣時被蒸鍍(evaporate)到該基板表面上。當淨的鎵射束通量(進入的鎵通量減去鎵的沈積速率)超過反應性氮射束通量而導致該生長表面上的鎵吸附層(adlayer)時，獲得到最高品質的膜。鎵自該表面的去吸附(desorption)速率與基板温度呈指數相依性。如果吸附層並不存在，則該表面將隨著劣化的材料特性而變得粗糙，且將可看見為表面霧霾。當淨的鎵射束通量超過反應性氮氣通量時，吸附層形成且開始增厚，產生小的鎵球。起初，這些小的鎵球對材料生長而言不是問題。不過，如果鎵球變得太大，它們將會回溶(back dissolve)基板表面，導致表面變得粗糙，並且也將會妨礙生長過程。因此，在生長期間，藉由中斷鎵與氮射束而周期性地去除大 的鎵球，其導致大的鎵球自基板表面被釋出。因此，在指定的基板温度下，為了獲得到光滑的表面而沒有霧霾或大的鎵球的形成，有一用於鎵通量與生長時間的生長視窗。在生長之前，如果基板表面不是原子級的清潔，也會形成表面霧霾，這是因為表面結晶性被斷裂而導致粗糙的表面。
在基板上生長磊晶膜(其需要供有效且均勻的加熱用之背側塗層)所遭遇的另一問題為針孔出現在該塗層中。針孔的出現會導致在針孔附近的基板温度不均勻，而且會干擾高溫計的讀數。
目前原位監視用於GaAs及GaN生長之基板表面的一種技術為RHEED(反射式高能量電子繞射)。在此技術中，經聚焦的高能量電子射束切線地撞擊在基板表面上，而產生對表面化學計量(stoichiometry)敏感的電子繞射圖案。RHEED強度也可被用來監視該表面上之蒸鍍物(evaporant)的增長(build-up)。不過，本案發明人等已瞭解到該項技術具有重大的限制。首先，在直徑可能達數英寸的基板表面上，RHEED射束僅能取樣該基板表面的數平方毫米。因此，藉由RHEED並無法清楚地描繪出遍及該基板上之通量非均勻性或温度非均勻性的影響。雖然在RHEED測量區域內的生長條件可以被正確地調整，但是在探針區域以外的生長條件則無法得知。隨著晶圓直徑的逐漸加大，此限制也變得更為嚴重，這不僅是由於取樣面積受到限制，而且也提高了遍及更大區域上之膜通量與 基板温度的非均勻性。本案發明人等也已瞭解到第二個顧慮是撞擊在基板表面上之RHEED高能量電子射束(典型為10-20KeV)可能會改變此區域中的生長。實際上，為了使RHEED射束對材料生長的任何影響減至最小，以RHEED來監視表面的時間少了10%。
還有其它的技術也可供使用來提供生長膜的原位資訊。一種技術使用高溫計來測量基板温度。不過，測量的範圍小於3吋晶圓之表面區域的10%。在其它實驗室中也曾使用過橢圓偏振測量術(Ellipsometry)來提供即使資訊。然而，其測量區域仍小於3吋晶圓的10%。
本案發明人等已瞭解到，由於射束通量與基板温度的非均勻性，吾人需要一種技術，用以監視整個晶圓之基板刮痕及研磨損壞、表面霧霾、金屬堆積(諸如，鎵球)、金屬塗層中的針孔、以及其它的宏觀瑕疵。此外，還需要一種技術用以監視晶圓，該晶圓被旋轉以改善射束通量及基板温度的非均勻性。有了此種技術，在生長期間，大的鎵球可藉由調整生長條件而被周期性地消除。因此，可用超量的鎵對該表面進行GaN生長，但沒有影響生長之大的鎵球的結果。此外，在生長期間之霧霾的位置及外觀可能有助於診斷有關生長條件及/或基板製備的問題。針孔或其它宏觀瑕疵的位置及密集度也都需要被描繪出。此外，遍及晶圓上之相對温度的均勻性可被決定為導致鎵球的冷點(降低的鎵去吸附性)及導致霧霾的熱點(增加的鎵去吸附性)。
因此，依據本發明，提供一種在晶圓上生長磊晶層及觀察磊晶層之生長的設備及方法，該設備包括：磊晶生長設備；光源，被安裝而在生長該磊晶層於該晶圓之整個表面上的期間，在該設備中照射該晶圓的該整個表面；以及觀察設備，用以在生長該磊晶層於該晶圓之該整個表面上的期間，觀察光自該晶圓之該整個表面散射而出。該設備係適合用於靜止或旋轉的晶圓。
該方法包括生長該磊晶層於該晶圓的表面上，以及在生長該磊晶層於該晶圓之該整個表面上的期間，觀察該光自該晶圓之該整個表面散射而出。依據該觀察來改變生長過程。
在一個實施例中，該磊晶層為氮化鎵(GaN)，且為鎵球而觀察該晶圓的該整個表面。
在附圖及以下的描述中提出本發明之一或多個實施例的細節。從描述與圖式以及從申請專利範圍中將可明瞭本發明的其它特徵、目的、及優點。
現請參照圖1，圖中顯示出本發明與分子束磊晶(MBE)設備10相結合的示意圖，在此所顯示的設備為由VEECO所製造，型號為Gen 20 MBE。在此，安裝在MBE設備10的一個凸緣上之白色光源12(亦即，涵蓋整 個可見光譜的光)被用來照射晶圓14或基板(在此，例如是3吋的SiC晶圓)的整個生長表面。視頻攝影機16以相關於光源12呈非鏡面反射的幾何形狀而被安裝在另一凸緣上。攝影機16的視角與光源12之射束軸自晶圓之表面20的反射角不同。攝影機16係連接到用來觀看晶圓的整個表面之TV監視器22及電腦24，以拍攝由攝影機16所產生的影像。當晶圓14的生長表面20為光滑時，該光被鏡面地反射離開該表面20，且不會被攝影機16所明顯地偵測到，導致產生暗的晶圓影像，如圖3C所示。不過，考慮生長GaN的例子，鎵球或霧霾(haze)(如圖3A所示)將會散射來自光源12的白光，且將會被攝影機16所偵測到。因此，在TV監視器22上，晶圓之具有霧霾或鎵球的區域將會看起來像是光在3吋晶圓14的暗背景上(如圖3A所示)。基板背側金屬塗層中的針孔導致光從基板加熱器通過該晶圓，並被攝影機所偵測到。
此技術的一些關鍵特性為：
1.在整個生長過程中，可全程連續地監視整個晶圓。
2.該晶圓可以是旋轉或靜止的。
3.鎵球具有次微米至微米的尺寸，並且可以與表面霧霾做出區別。
4.在生長期間，藉由調整生長條件，可周期性地消除大的鎵球。如同以下的圖3A、3B、及3C所示，吾人已觀察到在GaN生長期間的鎵球，並且已藉由改變生長條件來消除這些鎵球。
5.此技術可按各種不同的晶圓尺寸而加以調整。
6.以上所討論者已著重於III族氮化物膜的MBE生長。不過，本發明為一通用技術，適合偵測在幾乎為任何類型之膜(III-V族、II-VI族、IV-IV族等)之MBE生長期間的表面霧霾、宏觀瑕疵、以及金屬堆積。
7.本發明並不需要MBE的超高真空(UHV)條件(或任何真空)。而且，該裝置並不在生長設備之內(ex situ)。因此，本發明也適合其它的磊晶生長技術，諸如MOCVD。
8.攝影機觀察散射光，而非反射光。因此，除了不是鏡面反射角之外，光源對攝影機的角度並不重要。此外，光源或攝影機的幾何形狀都不需要是垂直於該生長表面。此幾何形狀(geometry)的彈性對於大部分的生長設備而言係重要的，而這大部分的生長設備對於用來觀察生長表面之視窗埠的選擇很有限。
現在參照圖2，顯示在晶圓上生長氮化鎵磊晶層的過程，在此的晶圓例如是碳化矽。首先，晶圓被清潔且以任何習用的方法來將一個表面(亦即，背面)金屬化。接下來，經清潔及金屬化的晶圓被置入MBE中。該晶圓被加熱至預定的磊晶層生長温度。
以光源來照射該晶圓的整個生長表面，操作人員從來自TV監視器之該晶圓之整個生長表面的影像來觀察針孔 (可從該晶圓之金屬化之背面的反射而看見)、霧霾及表面刮痕。如果有無法接受的針孔、霧霾或晶圓刮痕，則將該晶圓丟棄；否則，打開MBE之鎵與氮快門(shutter)，以致能氮化鎵之磊晶層的生長。在大約10分鐘的生長之後，以光源來照射晶圓的整個生長表面，操作人員觀察來自TV監視器之該晶圓之整個生長表面的影像。
更特別的是，在圖2中，觀察該TV監視器及給予該過程。藉由增加或減少鎵的通量(提高或降低鎵爐的温度)來調整生長條件。例如，在10分鐘後檢查TV監視器以決定該表面被鎵球所覆蓋的百分比。
在磊晶生長過程期間，藉由觀察該晶圓的整個生長表面來偵測晶圓表面被鎵球所覆蓋的區域。如前所述，藉由調整生長條件即可調整(增加或減少)此區域。因此，特別是在GaN之MBE生長的情況中，本發明能夠偵測鎵球的形成，見圖3A及3B。
更特別的是，圖3A為在圖1之MBE中磊晶生長GaN層於晶圓的生長表面上的期間，由圖1之TV監視器所產生之圖1之晶圓的影像，此種影像係依據本發明而被拍攝到，此種影像顯示在GaN生長於幾乎整個3吋晶圓(除了主要平坦部分附近之外)上的期間所形成的鎵球(淺色區域)；圖3A被拍攝於GaN生長已進行30分鐘之後。圖3B為在圖1之MBE中磊晶生長GaN層於晶圓的生長表面上的期間，由圖1之TV監視器所產生之圖1之晶圓的影像，此種影像係依據本發明而被拍攝到，此種影像顯示在 GaN的磊晶生長期間，藉由停止鎵與氮的射束，大部分的鎵球都已被蒸鍍，須注意的是，該晶圓上的亮點係由於背側金屬塗層中的針孔所致。圖3C為在圖1之MBE中磊晶生長GaN層於晶圓的生長表面上的期間，由圖1之TV監視器所產生之圖1之晶圓的影像，此種影像係依據本發明而被拍攝到，此種影像顯示圖3B的鎵球已被消除，晶圓上的條紋為晶圓背側上之擦痕。如剛才所述，該等鎵球已藉由停止鎵與氮的射束而被移除。該等鎵球然後從該生長表面蒸鍍。
如果在GaN生長10分鐘後該鎵球的覆蓋範圍係小於該晶圓之生長表面的百分之20，則藉由提高鎵爐的温度以使鎵的通量增加，如果鎵球的覆蓋範圍係介於該晶圓之生長表面的百分之20至百分之50之間，則維持鎵爐的温度，且如果鎵球的覆蓋範圍係大於該晶圓之生長表面的百分之50，則藉由降低鎵爐的温度以使鎵的通量減少。
接下來，在GaN生長的另一個10分鐘之後；並且該光源照射該晶圓的整個生長表面，由操作人員觀察來自TV監視器之該晶圓之整個生長表面的影像。如果鎵球的覆蓋範圍係小於該晶圓之生長表面的百分之40，則增加鎵的通量，如果該覆蓋範圍係介於該晶圓之生長表面的百分之40至百分之75之間，則藉由維持鎵爐的温度以維持鎵的通量，且如果該覆蓋範圍係大於該晶圓之生長表面的百分之75，則藉由降低鎵爐的温度以使鎵的通量減少。
接下來，在另一個10分鐘之後，關閉該鎵與氮的快 門。藉由去吸附作用(desorption)以使鎵被剝離開該晶圓的生長表面。
接下來，重複剛才描述的過程，直至生長出所想要的厚度為止。接著，停止該生長；冷卻該晶圓，並將該晶圓從機器中取出。
性能驗證
圖3A、3B、及3C顯示取自GaN HEMT運行的螢幕擷圖(screen shot)。在圖3A中，在生長於幾乎整個晶圓上的30分鐘期間，鎵球已被形成。淨的鎵生長通量係高於反應性氮通量，其導致超量的鎵累積在表面上而形成鎵球。該等鎵球使該光散射，某些光到達視頻攝影機。因此，明亮的區域指示鎵球的位置。在該等鎵球可能變得太大並損害到該表面之前，然後鎵及氮的生長通量被停止僅2-3分鐘，以允許基板表面上之超量的鎵能夠蒸鍍。圖3B顯示大部分的鎵都已被蒸鍍。圖3C顯示在下一個GaN生長循環的開始(尚未形成有任何鎵球)時之後來的表面。圖3A與3B也顯示針孔出現在該背側金屬塗層中。由於來自灼熱之基板加熱器的光通過該背側金屬並被視頻攝影機所偵測到，所以該等針孔以亮點呈現。
本發明提供以下的特徵：1.在整個生長過程期間，可全程連續地監視整個晶圓；2.該晶圓可以是旋轉或靜止的；3.本發明可偵測鎵球，即使該等鎵球才剛被形成；4.可檢視大面積的晶圓(吾人監視5吋平台)；以及5.本技 術係原位(in situ)技術，並不限於MBE，也不限於真空室。本技術可被使用於其它的生長過程，諸如MOCVD。
在磊晶生長監視及最佳化方面，本發明提供了重大的改進。本技術致能遍及整個晶圓上之材料品質及均勻性的最佳化(並非如其它技術只能提供晶圓中的僅一部分)，而且是重要的生長反饋機制。對於使半導體裝置之產量及性能最大化而言，使遍及整個晶圓上之材料品質及均勻性的最佳化係重要的。
已描述了本發明的數個實施例。僅管如此，吾人須瞭解，可做到各種的修改而不會偏離本發明的精神與範圍。例如，雖然是以生長GaN來描述本發明，但其也可被使用來觀察其它薄膜材料的生長，諸如AlGaN、InN、InGaN、AlInN、AlGaInN。因此，其它的實施例也在以下之申請專利範圍的範疇之內。
10‧‧‧分子束磊晶設備
12‧‧‧光源
14‧‧‧晶圓
16‧‧‧視頻攝影機
20‧‧‧生長表面
22‧‧‧TV監視器
24‧‧‧電腦
圖1係依據本發明之設備的示意圖，該設備具有照射晶圓的整個表面之白色光源，其中，光從該晶圓之該整個表面散射而出被位於與晶圓照射之光束呈非鏡面反射角度處的視頻攝影機所偵測到，此種攝影機被連接至供顯示用之TV監視器及供視頻拍攝之電腦；圖2係依據本發明，使用圖1之設備來處理圖1之基板之方法的流程圖；圖3A係在圖1之MBE中磊晶生長GaN層於晶圓的 生長表面上的期間，由圖1之TV監視器所產生之圖1之晶圓的影像，此種影像係依據本發明而被拍攝到，此種影像顯示在GaN生長於幾乎整個3吋晶圓上(除了主要平坦部分的附近之外)的期間所形成之鎵球(淺色區域)；此照片係拍攝於在GaN生長開始之後的30分鐘。
圖3B係在圖1之MBE中磊晶生長GaN層於晶圓的生長表面上的期間，由圖1之TV監視器所產生之圖1之晶圓的影像，此種影像係依據本發明而被拍攝到，此種影像顯示在GaN的磊晶生長期間，藉由停止鎵與氮的射束，大部分的鎵球都已被蒸鍍，須注意到，該晶圓上的亮點係由於背側金屬塗層中的針孔所致；以及圖3C係在圖1之MBE中磊晶生長GaN層於晶圓的生長表面上的期間，由圖1之TV監視器所產生之圖1之晶圓的影像，此種影像係依據本發明而被拍攝到，此種影像顯示圖3C的鎵球已被消除，晶圓上的條紋為晶圓背側上之擦痕。
各圖中之相同的參考符號表示相同的元件。
10‧‧‧分子束磊晶設備
12‧‧‧光源
14‧‧‧晶圓
16‧‧‧視頻攝影機
20‧‧‧生長表面
22‧‧‧TV監視器
24‧‧‧電腦

Claims (24)

  1. 一種藉由觀察晶圓上之磊晶層的生長而形成該磊晶層於該晶圓上之方法，包括：生長該磊晶層於該晶圓的表面上；在生長該磊晶層於該晶圓之整個表面上的期間，觀察光自該晶圓之該整個表面的散射；以及依據所觀察到之該晶圓之該表面被該磊晶層之化學元素的球體所覆蓋之百分比而調整該磊晶層的生長條件。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，為在該磊晶層的該生長中所使用之材料的球體而觀察該晶圓的該整個表面。
  3. 如申請專利範圍第2項的方法，其中，該生長該磊晶層於該晶圓之該整個表面上的期間所觀察到之光自該晶圓之該整個表面的散射包括在生長該磊晶層於該晶圓之該整個表面上的期間，拍攝該晶圓之該整個表面的影像。
  4. 如申請專利範圍第3項的方法，其包含在該生長期間使該晶圓轉動。
  5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，該等球體為鎵。
  6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，該磊晶層為GaN、AlGaN、InN、InGaN、AlInN、或AlGaInN。
  7. 如申請專利範圍第6項的方法，照射該整個表面，並且隨著如此之整個表面被照射而觀察該整個表面。
  8. 一種藉由觀察晶圓上之磊晶層的生長而形成該磊晶 層於該晶圓上方法，包括：生長該磊晶層於該晶圓的表面上；在生長該磊晶層於該晶圓之該表面上的期間，觀察光自該晶圓之整個表面的散射；其中，該磊晶層為氮化鎵(GaN)，且其中，為鎵球而觀察該晶圓的該整個表面；以及依據所觀察到之該晶圓的該表面被該等鎵球所覆蓋之百分比而調整該磊晶層的生長條件。
  9. 如申請專利範圍第8項的方法，其包含在該生長期間使該晶圓轉動。
  10. 一種藉由觀察晶圓上之磊晶層的生長而形成該磊晶層於該晶圓上之方法，包括：生長該磊晶層於該晶圓的表面上；在該磊晶層的該生長期間，觀察光自該晶圓之該表面的散射，以偵測在該磊晶層的該生長中所使用之材料的球體；以及依據所觀察到之該晶圓之該表面被該等球體所覆蓋之百分比而調整該磊晶層的生長。
  11. 如申請專利範圍第10項的方法，其包含在該生長期間使該晶圓轉動。
  12. 如申請專利範圍第11項的方法，其中，該等球體為鎵。
  13. 如申請專利範圍第10項的方法，其中，該磊晶層為GaN、AlGaN、InN、InGaN、AlInN、或AlGaInN。
  14. 如申請專利範圍第13項的方法，其包含在該生長期間使該晶圓轉動。
  15. 一種藉由觀察晶圓上之磊晶層的生長而生長該磊晶層於該晶圓上之設備，包括：磊晶生長設備，用以收納該晶圓於其中；光源，被安裝而在生長該磊晶層於該晶圓之整個表面上的期間，同時地照射該晶圓的該整個表面於該設備中；以及觀察設備，用以在生長該磊晶層於該晶圓之該整個表面上的期間，觀察該光自該晶圓之該整個表面的散射。
  16. 如申請專利範圍第15項的設備，其中，該磊晶生長設備包含分子束磊晶設備。
  17. 如申請專利範圍第15項的設備，其中，該觀察設備包含視頻攝影機。
  18. 如申請專利範圍第17項的設備，其中，該視頻攝影機係以到晶圓照明之光束的非鏡面反射角度來予以定位的。
  19. 如申請專利範圍第15項的設備，其中，該觀察設備包括TV監視器。
  20. 如申請專利範圍第15項的設備，其中，該觀察設備包括電腦。
  21. 如申請專利範圍第15項的設備，其中，該光源係相對於該磊晶生長設備來予以固定的，且其中，該晶圓被支承在相關於該磊晶生長設備而轉動的支架上。
  22. 如申請專利範圍第21項的設備，其中，用以觀察該光自該晶圓之該整個表面的散射之該觀察設備在使該晶圓轉動的同時觀察如此之散射，而且在該晶圓的該整個表面同時被該光源所照射的同時觀察如此之散射。
  23. 一種藉由觀察晶圓上之層的生長而生長該層於該晶圓上之設備，包括：層生長設備，用以在隨著可調整之溫度生長條件而生長的期間沉積材料於該晶圓上，並且用以收納該晶圓於其中；光源，被安裝而在生長該層於該晶圓之整個表面上的期間，同時地照射該晶圓之該整個表面於該設備中；以及觀察設備，用以在生長該層於該晶圓之該整個表面上的期間，以同時地照射該整個表面的該光源來觀察該光自該晶圓之該整個表面的散射，以偵測在生長該層於該晶圓之該表面上中所使用之材料的球體，其中，依據所觀察到之該晶圓之該表面被該等球體所覆蓋之百分比而調整該設備的該等溫度生長條件。
  24. 一種藉由觀察晶圓上之磊晶層的生長而生長該磊晶層於該晶圓上之設備，包括：磊晶生長設備，用以收納該晶圓於其中；光源，被安裝而在生長該磊晶層於該晶圓之整個表面上的期間，照射該晶圓之該整個表面於該設備中；以及觀察設備，用以在生長該磊晶層於該晶圓之該整個表面上的期間，觀察該光自該晶圓之該整個表面的散射。
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