TWI500941B - 由在製造元件的晶圓上執行的導電探針測量來表徵半導體元件的方法及其設備與電腦程式產品 - Google Patents

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Description

由在製造元件的晶圓上執行的導電探針測量來表徵半導 體元件的方法及其設備與電腦程式產品
相關申請
本申請基於並且要求2011年8月21日提交的美國臨時申請No.61/525,770的優先權。
本發明大體上有關於發光材料的測試領域。具體地，它有關於用於由在用於製造發光二極體(LED)的半導體晶圓上進行的測量來預測獨立發光二極體(LED)的電致發光性質的方法和相關的設備。
在晶圓級(即，在形成p-n結和有源量子阱層之後，但是在晶片加工步驟之前)的發光半導體結構的特徵通常利用非破壞性晶圓探針產生。諸如電流-電壓曲線、二極體理想因數、其反向飽和電流、及其在元件級的光譜性質的參數對於由晶圓製造的LED的特徵至關重要。為此，將導電探針臨時地放置成與外延晶圓(epi-wafer)(p-GaN)的頂部相接觸，而另一電極藉由該晶圓的 邊緣或藉由其他允許接近n-GaN層的手段來接觸n-GaN層。第1圖中示出了這樣的典型的佈局。當被激勵時，導電探針、在晶圓上的半導體p-n結結構、和電極形成臨時發光元件。藉由將已知電流注入到結中，將發光、並且能夠測量和表徵光譜性質及其與電氣性能的關係。
因此，使用探針來表徵半導體晶圓上的發光結構的諸多目的中的一個在於，在已經對晶圓進行處理之後預測在元件級的光學性質和電氣性質，由此來製造LED。然而，由於諸如幾何形狀和電接觸方法和配置中的差異等因素，由在晶圓上的探針所測量的參數都將通常有別於在由該晶圓製造的元件上所測量的那些參數。例如，在元件級，電極被永久地沉積在元件層上，如第2圖中所示，從而產生界限清楚的電流經過通道。在晶圓級，其中僅用預定的載入力來抵靠晶圓的表面而機械地擠壓探針，探針表面和晶圓表面的粗糙結構均產生接觸電阻，該接觸電阻在將p電極和n電極形成到相應的元件層上的獨立元件中不存在。另外，兩個電極之間的距離(對於元件測量而言是固定的)會在晶圓測量期間隨著電流通道位置和長度的相應變化因位置的不同而變化，這從第3圖中可以認識到。
因此，仍然需要能夠實現對由晶圓製造的LED的光學特性和電氣特性的可靠預測的晶圓測試方法。本發明描述了一種已經示出達到該目的的可靠的且可重複的結果的手段。
本發明依賴於以下的概念，使用二極體模型和在晶圓級所採取的導電探針測量，藉由去除從晶圓測試產生的串聯電阻來預測由該晶圓製造的半 導體元件的特徵參數。特別地，將表示作為電阻、理想因數、和反向飽和電流的函數的電流-電壓關係的電流-電壓曲線(I-V)模型擬合到多個導電探針測量資料。然後，藉由從I-V模型減去由擬合步驟產生的電阻乘以電流的積，來估算元件的電流-電壓曲線(I-Vd)。
在本發明的一個實施例中，假設電阻為常量，其使能夠僅利用三個測量資料點來表徵晶圓I-V模型曲線和相應的電阻。然後，簡單地藉由減去每個點處的電流乘以電阻的積，來獲得元件I-V曲線(I-Vd)。在另一實施例中，將作為電流的函數的電阻在數位上計算為從測量資料導出的I-V模型曲線的斜率。然後，將被擬合到如此產生的資料的電阻對電流模型和I-V模型一起處理，以直接得出元件的電流-電壓曲線I-Vd、理想因數、和反向飽和度。
本發明的各種其他方面和優勢將從接下來的描述和從所附申請專利範圍中具體列舉的新型特徵中而變得明顯。因此，為了完成上述目的，本發明由在下文的圖式中所示的、較佳實施例的詳細描述中充分描述的、以及在申請專利範圍中具體地指出的特徵組成。然而，這樣的圖式和描述公開了可以實踐本發明的各種方式中的僅一些。
10‧‧‧探針
12‧‧‧電極
14‧‧‧光纖
16‧‧‧光譜儀
18‧‧‧處理器
20‧‧‧電流源計
D‧‧‧元件
S‧‧‧表面
W‧‧‧晶圓
第1圖是用來測試發光半導體晶圓的常規探針系統的示意圖。
第2圖示出在LED結構中的電極的放置。
第3圖示出基於探針的位置，在晶圓測試期間如何應用不同的測試電流通道。
第4圖示出在產生本發明的開發工作期間使用的帶有球面末端的探針。
第5圖是代表根據本發明而使用的模型的示意圖，以利用在測試下的晶圓的特性來模擬元件。
第6圖示出當晶圓的串聯電阻假設為常量時，基於與從晶圓獲得的測量資料而擬合的二極體模型，藉由本發明產生的LED的預測I-V曲線。
第7圖示出由本發明產生的電阻對電流曲線，該曲線用於當晶圓的串聯電阻被假設為是電流依賴型時，在從晶圓測量預測LED的I-V曲線中使用。
第8圖示出當晶圓的串聯電阻被假設為是電流依賴型時，基於從晶圓獲得的測量資料所預測的具有第7圖的電阻特性的LED的I-V曲線。
第9圖示出用於如在產生本發明的開發工作期間使用的發光外延晶圓特徵的探針(測試)台。
為了改善對用於發光晶圓測試的探針的接觸面積的控制，較佳地使用成形且打磨的探針。參照圖式，其中相似的部件用相同的數位和符號引用，第4圖示出在本發明的開發期間使用的帶有球面末端的探針10。對於給定的探針和晶圓材料，接觸面積是載入力F和探針末端的曲率半徑R(即，接觸表面的形狀)的函數。因此，藉由控制探針的形狀和載入力，在幾微米至數千微米的範圍內調整接觸面積的半徑r是可能的。
如上所述，在晶圓級，利用一定的載入力將探針機械地放置成與晶圓的表面相接觸。探針和晶圓兩者表面的粗糙度引起接觸電阻的增加，當在晶圓表面上進行的不同測量之間將探針移至不同的位置時，該接觸電阻還受到在兩個電極之間的距離的影響。在n電極和n-GaN層(第3圖)之間的表面接觸類似地影響晶圓的總體串聯電阻。實質上，對於光學/電氣測量的目的，這是實際 二極體和製造該二極體的晶圓結構之間的差異。第5圖示出從Jay M.Shah等人在Journal of Applied Physics第94卷、第4期、第2627-2630頁“Experimental analysis and theoretical model for anomalously high ideality factors(n>>2.0)in AlGaN/GaN p-n junction diodes(用於AlGaN/GaN p-n結二極體中異常高理想因數(n>>2.0)的實驗分析和理論模型)”中提出的模型而導出的等效電路的圖示，藉由引用，將該文的整體內容合併與此。該模型被用於本發明的目的，但是本領域的技術人員將認識到，可以以同樣的方式使用完全代表二極體性能和串聯電阻的任何相似模型。
當測試LED時，被測正向電壓是p-n結兩端的電壓降；當測試晶圓時，被測的是探針、晶圓、和n電極兩端的總電壓降。因此，在沒有晶圓和相關元件之間的其他區別的任何附加瞭解的情況下，我決定測試該附加電阻是否為使得晶圓測試結果與由該晶圓製造的LED獲得的元件測試結果不一致的原因。本發明基於使用諸如第5圖的模型的二極體模型，以利用在測試下的晶圓的光學/電氣特性來模擬元件D，然後減去該附加電阻來預測最終的LED特性。
參照第5圖的圖示，當電流從p-GaN層注入到n-GaN層時，該模型代表等價於反向偏壓肖特基二極體的p-n結和兩個串聯的金屬半導體觸點。J1代表在p-GaN層和n-GaN層之間的p-n結，並且J2代表在探針10和p-GaN層之間的和在n電極12和n-GaN層之間的兩個串聯的金屬半導體結；RC是探針的電阻；RS是晶圓中的串聯電阻；並且Rp是p-n結兩端的並聯電阻。如本領域的技術人員將容易理解的，當使電流從探針10注入時，因為半導體材料J1的摻雜在正向偏壓下，所以J2在反向偏壓下。常用的二極體方程是： 其中V是二極體兩端的電壓，I是藉由二極體產生的電流，q是電子的電荷，k是波爾茲曼常量，T是溫度，n是二極體的理想因數，並且I0是二極體的反向飽和電流。
對每個結應用該方程，並且假設V>>kT/q(這通常是常規二極體應用的情況)，藉由J1(正向p-n結)的電流的方程變成： 類似地，藉由反向金屬半導體結J2的電流的方程變成： 其中n’是第二個結J2的反向偏壓理想因數，注意n2=n’/(n’-1)。
從方程1和2，可以表明， ；以及(3)
其中I=1、2，Vd是在代表第5圖的模型中的LED的兩個結(J1,J2)兩端施加的正向電壓。注意，I J1=I J2
其中數量Σn i =n 並且是常量。(6) 因此，能夠將兩個結視為等價於一個二極體，且理想因數n是該兩個結的理想因數的和，並且具有由方程6給出的等價反向飽和電流I0。
假設晶圓兩端的總串聯電阻R是晶圓串聯電阻RS和探針晶圓接觸電阻RC的和，即，R=RS+RC。此外，考慮到p-n結兩端的並聯電阻RP，模型變成： 其中V=Vd+IR，V是在測量期間施加到晶圓的正向電壓，並且Vd是模型預測的兩個結(J1,J2)兩端的正向電壓，其對應於當將電流I注入到由該晶圓製造的元件時將在該元件的兩端測量的正向電壓。
基於方程7的模型，遵循兩種不同的方法，以根據本發明的晶圓測量來預測元件的I-Vd曲線，這取決於關於注入的電流I與串聯電阻R和並聯電阻RP之間的關係而作出的假設。當R不大並且晶圓的表面相對光滑(例如，粗糙度小於2nm Ra)時，在不存在洩漏的情況下，可以將R假設為常量(即，不依賴於注入電流)並且RP→∞。在這樣的情況下，方程8變成： 因此，可以如下藉由使用少至三個晶圓測量資料點(I i ,V i ),i=1...3...來對三個參數I0、n和R進行計算(參見Lumileds Lighting,LLC,2002年11月公開的No.AB20-3A，藉由引用將其合併與此)：
一旦如此確定三個參數n、R和I0，就可以根據方程8計算晶圓的對應的模型電流I(常規I-V曲線)。然後，當經受電流I時，在測試下，預期將在由晶圓製造的元件(即，等效二極體)的兩端測量的正向電壓Vd可以藉由如下公式計算：V d =V-IR (12)使用方程12，僅藉由減去串聯電阻R的影響，可以使二極體的I-Vd曲線的預測點從晶圓的測量的I-V曲線中導出。第6圖示出這樣的預測點的示例，和根據本發明推導的對應的I-Vd曲線。被測數據(在該圖的右側上的打叉的點)從EL晶圓探針設置獲得，在該探針設置中，導電探針由軟導電材料製成。用於計算n、R和 I0的三個數據點被加圈。晶圓的最終擬合I-V曲線被示出為藉由這些測量資料點。預測的二極體資料點，被示出為在左邊的圈，其藉由使用方程12從測量資料點減去總的串聯電阻影響來推導。在該圖的左邊上的最終I-Vd曲線藉由擬合預測的二極體資料點來獲得。該圖示出I-Vd曲線，該I-Vd曲線對於LED比藉由測量產生的晶圓I-V曲線更切實際，其包括約3伏的預測接通二極體電壓，這對於正向偏壓氮化鎵LED來說是典型的。這表明，使用如由本發明教導的二極體模型來從晶圓測量中預測LED的I-Vd曲線產生有用的結果。
當電阻隨注入電流變化時，將電阻模型化為注入電流的函數也變得必要。在沿著被測I-V曲線的任何點處，能夠以常規方式將電阻計算為其斜率，即，在數字上，計算為： 其中R是晶圓兩端的總電阻。第7圖示出從第8圖中所示的被測I-V資料而如此計算的這樣的電阻對注入電流曲線圖。然而，為了利用這樣的電阻資訊以用於產生完整的I-Vd曲線的目的，有必要利用如下方程來模型化該電阻資訊，所述方程然後可以與方程12組合以得出感興趣的I-Vd曲線。例如，我發現下列方程表示第7圖的曲線圖的可行模型： 其中α,β和C是常量參數。相應地，可以使用常規最小二乘多參數過程來最小化在所有數據點i(i=1,2,….N)上的下列方程， 從而產生α,β和C的估算值，對任何I值可以根據所述估算值計算R。然後，方程8(再次假設不洩漏)和12提供用於計算對應於每個測量資料點的預測的二極體電壓資料點Vd的手段，如上所示的。
然而，在之前的情況下，期望具有從測量資料中還產生理想因數n和反向飽和電流I0的估算值的演算法。這可以再次藉由使用包括作為常量參數的n和I0的方程8實現(再次假設不洩漏)。對於電壓和電流這兩者來對方程8與方程14的組合進行求解，其中Vd=V-IR，得出下列具有α、β、C、n和I0作為參數的三個方程組： 因此，可以藉由利用諸如例如如下估算式的多參數最小化計算，來將方程組16擬合到被測資料來估算參數α、β、C、n和I0，其中，所述估算式為： 其中，Ii、Vi和Ri由方程16表示，M表示測量資料點，並且wi是經驗加權因數，其說明I-V曲線對在高電流值下的電流和對在低電流值下的電壓的增加的靈敏度。一旦這些參數如此計算，方程16就直接得出由根據本發明的從被測晶圓製 造的元件的預測I-Vd曲線。第8圖中的曲線圖示出了測量資料點(打叉的點)、從測量資料點獲得的模型擬合曲線、圓圈中所示的預測二極體資料點、以及從方程16獲得的預測I-Vd曲線。基於具有比第6圖被從其推導的材料粗糙得多的表面(大於7nm Ra)的不同的材料的該圖再次示出比晶圓的I-V曲線切合實際得多的LED I-Vd曲線。
當樣品的串聯電阻基本上是常量時，基於測量資料的最小化過程使得β變為零，這進而導致R=α+C，α、C這兩個參數不依賴於電流。因此，值得注意的是，在這樣的情況下，方程16簡化為方程8，即，以上使用的用於常量電阻的情況下的方程。
因此，已經示出用於從製造半導體元件的晶圓上進行的測量來表徵該半導體元件的新型方法。結果表明，與先前產生自晶圓測量的任何結果相比，裝置的如此預測的電流-電壓曲線，即，在本領域中使用的主要特徵資訊，實際上更加接近預期曲線。此外，本發明的方法提供了元件的理想因數和反向飽和電流的預測措施。
本發明可以利用諸如第9圖中所示的習知探針系統來實現，其中使用彈簧載入式之探針10用作陽極電極。探針被接合到晶圓W的表面S，並且與p-GaN層接觸。使電極12的觸點在晶圓的側邊緣處，使得能夠接近n-GaN層。探針10、電極12連同外延晶圓形成臨時LED結構。當電流從探針10注入到晶圓中時，致使在探針下發光，並且發出的光藉由光纖14和光譜儀16從感測器收集在晶圓的前側和後側中。光譜儀的資料輸出由電腦處理器18獲取用於分析和顯示。電流源計20對注入到晶圓W中的電流的電平進行控制。根據本發明，處理 器18被適當地編程以執行上述測量、擬合、和計算功能，以及以(以顯示或其他形式)產生由本發明產生的特徵資訊。
在此處所示的和在所附申請專利範圍中限定的本發明的原理和範圍的情況下，本領域的技術人員可以對已經描述的細節作出各種改變。例如，已經從晶圓測量來預測LED特徵參數的角度描述了本發明，但是，應理解，可以以同樣的方式使用本發明以由晶圓級所採取的測量來表徵其他半導體元件。類似地，預期的是，可以使用來自晶圓測量的I-V資料和發光強度來模型化諸如內部量子效應的其他LED性質。因此，雖然已經以被認為是最切實際的且較佳的實施例來示出和描述了本發明，但是認識到的是，在本發明的範圍內，其可以發生變化，其並不限於此處所公開的細節，而是應符合申請專利範圍的全部範圍，從而包含任何和所有等同的設備和方法。

Claims (21)

  1. 一種由在製造元件的晶圓上執行的導電探針測量來表徵半導體元件的方法，該晶圓包含p型半導體層和n型半導體層而定義p-n結，該方法包括如下步驟：藉由該導電探針直接接觸該p型半導體層和該n型半導體層的其中之一，向該晶圓施加電激勵，以產生導電探針測量資料；將電流-電壓曲線模型擬合到該導電探針測量資料，該電流-電壓曲線模型表示作為電阻的函數的電流-電壓關係；以及藉由從該電流-電壓曲線模型除去根據由此擬合步驟產生的資料所計算出的電阻效應來估算該半導體元件的電流-電壓曲線；其中假設該電阻隨電流可變、並且根據以下方程的測量資料點來計算該電阻： 其中R是該電阻，V是電壓，並且I是電流；其中該半導體元件的正向電壓、理想因數、該電阻、和反向飽和電流都根據下列方程組計算； 其中，Vd是該半導體元件的正向電壓，I0是反向飽和電流，n是理想因數，並且α、β、和C是用多參數最小化計算來擬合N個電流-電壓該測量資料點(I i ,V i ),i=1...N而估算出的常量參數；其中利用下列估算式來進行該多參數最小化計算： 其中M表示該測量資料點，並且wi是經驗加權因數，該經驗加權因數說明該半導體元件的電流-電壓曲線對於在高電流值下的電流和對於在低電流值下的電壓的增加的靈敏度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該電流-電壓曲線模型包括由該擬合步驟產生的擬合預測參數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該擬合預測參數是理想因數。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該擬合預測參數是反向飽和電流。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中假設該電阻為常量，並且該電流-電壓曲線模型具有下列形式： 其中I是電流，I0是反向飽和電流，n是理想因數，R是該電阻，q是電子電荷，k是波爾茲曼常量，並且T是溫度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中根據下列方程組和至少三個電流-電壓測量資料點(I i ,V i ),i=1...3...來計算理想因數、該 電阻和反向飽和電流：
  7. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該半導體元件是發光二極體。
  8. 一種由在製造元件的晶圓上執行的導電探針測量來表徵半導體元件的設備，該晶圓包含p型半導體層和n型半導體層而定義p-n結，該設備包括如下：導電探針，該導電探針適於直接接觸該晶圓之p型半導體層和n型半導體層的其中之一的表面，用於藉由電激勵進行的特徵測量；電極，該電極適於電連接到該晶圓之另一該p型半導體層和n型半導體層的其中之一；電源，該電源能夠藉由該導電探針和該電極向該晶圓施加電激勵；以及 處理器，該處理器包括用於基於由此電激勵產生的電流-電壓測量資料來表徵該晶圓的表徵裝置；其中該表徵裝置包括裝置以用於：將電流-電壓曲線模型擬合到該測量資料，該電流-電壓曲線模型表示作為電阻的函數的電流-電壓關係；以及用於藉由從該電流-電壓曲線模型除去根據由此擬合步驟產生的資料所計算出的電阻效應來估算該半導體元件的電流-電壓曲線；其中假設該電阻隨電流可變、並且根據以下方程的測量資料點來計算該電阻： 其中R是該電阻，V是電壓，並且I是電流；如申請專利範圍第17項所述的設備，其中根據下列方程組來計算該半導體元件的正向電壓、理想因數、該電阻和反向飽和電流： 其中Vd是該半導體元件的正向電壓，I0是反向飽和電流，n是理想因數，並且α、β、和C是用多參數最小化計算來擬合N個電流-電壓該測量資料點(I i ,V i ),i=1...N而估算出的常量參數； 其中利用下列估算式進行該多參數最小化計算： 其中M表示該測量資料點，並且wi是經驗加權因數，該經驗加權因數說明該半導體元件的電流-電壓曲線對於在高電流值下的電流和對於在低電流值下的電壓的增加的靈敏度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的設備，其中該電流-電壓曲線模型包括由該擬合步驟產生的擬合預測參數。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的設備，其中該擬合預測參數是理想因數。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的設備，其中該擬合預測參數是反向飽和電流。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的設備，其中假設該電阻為常量，並且該電流-電壓曲線模型具有下列形式： 其中I是電流，I0是反向飽和電流，n是理想因數，R是該電阻，q是電子電荷，k是波爾茲曼常量，並且T是溫度。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的設備，其中根據下列方程組和至少三個電流-電壓測量資料點(I i ,V i ),i=1...3...來計算理想因數、該電阻和反向飽和電流：
  14. 如申請專利範圍第8項所述的設備，其中該半導體元件是發光二極體。
  15. 一種在資訊存儲介質中編碼並且可與可編程電腦處理器一起使用的電腦程式產品，該產品被編程以藉由導電探針直接接觸p型半導體層和n型半導體層的其中之一，向晶圓施加電激勵，以產生導電探針測量資料，該晶圓包含該p型半導體層和該n型半導體層而定義p-n結；將電流-電壓曲線模型擬合到該導電探針測量資料，該電流-電壓曲線模型表示作為電阻的函數的電流-電壓關係；並且藉由從該電流-電壓曲線模型除去電阻效應，估算由該晶圓製造的半導體元件的電流電壓曲線，其中該電阻效應是根據將該電流-電壓曲線模型擬合到來自該晶圓的導電探針測量資料而產生的資料所計算出的；其中假設該電阻隨電流可變、並且根據以下方程的測量資料點來計算該電阻： 其中R是該電阻，V是電壓，並且I是電流；其中根據下列方程組來計算該半導體元件的正向電壓、理想因數、該電阻和反向飽和電流： 其中Vd是該半導體元件的正向電壓，I0是反向飽和電流，n是理想因數，並且α、β、和C是由用多參數最小化計算來擬合N個電流-電壓該測量資料點(I i ,V i ),i=1...N而估算出的常量參數；其中利用下列估算式來進行該多參數最小化計算： 其中M表示該測量資料點，並且wi是經驗加權因數，該經驗加權因數說明該半導體元件的電流-電壓曲線對於在高電流值下的電流和對於在低電流值下的電壓的增加的靈敏度。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的電腦程式產品，其中該電流-電壓曲線模型包括藉由將該電流-電壓曲線模型擬合到來自該晶圓的導電探針測量資料而產生的擬合預測參數。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的電腦程式產品，其中該擬合預測參數是理想因數。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的電腦程式產品，其中該擬合預測參數是反向飽和電流。
  19. 如申請專利範圍第15項所述的電腦程式產品，其中假設該電阻為常量並且該電流-電壓曲線模型具有下列形式： 其中I是電流，I0是反向飽和電流，n是理想因數，R是該電阻，q是電子電荷，k是波爾茲曼常量，並且T是溫度。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的電腦程式產品，其中根據下列方程組和至少三個電流-電壓測量資料點(I i ,V i ),i=1...3...來計算理想因數、該電阻和反向飽和電流：
  21. 如申請專利範圍第15項所述的電腦程式產品，其中該半導體元件是發光二極體。
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