专利名称：晶片及评价其载体浓度的方法
技术领域：
本发明涉及复合半导体晶片，特别是评价(profile)在含In的复合半导体晶片中载体浓度的方法。
对于Hall系数方法，由于必需从半导体晶片上切出长方形测试样片，因此半导体晶片的载体浓度不能在不破坏的情况下测试。这意味着，组成半导体器件的晶片本身的载体浓度不能得到评价。同样，Hall系数属于整个测试样片，不能够评价测试样片内部局部的载体浓度。
对于C/V技术，通常在半导体晶片上进行金属汽相沉积形成Schottky二极管，并且将分钟振幅的交流电压加在直流逆偏压上来测试C/V性能。由于其上形成用于测试C/V性能的Schottky二极管的半导体晶片内的区域不能随后被用于半导体器件的制备，因此该常规C/V技术不能说成非侵入性的评价方法。
同样，对于复合半导体晶片，常规的C/V技术也不是非常具有吸引力的方法。对于复合半导体晶片来说，其原因是，Schottky二极管的阻隔层高度低，不能控制氧化物膜的形成，此外，能够产生例如金属和复合半导体之间的化学反应的问题。
在这一点上，为了评价复合半导体晶片中的载体浓度，曾经使用了利用电解质作为电极的电化学C/V技术(例如，参见J.Electrochem.Soc.Vol.133，1986，第2278-2283页)。
参考图2，方框图简要地描述了常规电化学C/V技术。在图2中给出的电化学C/V分析器中，电池1的内部充满电解质2例如HCl水溶液。作为参比电极的甘汞电极3也插在电池1中。电池1有一个圆形开口1a，将预测试其C/V性能的复合半导体晶片4通过开口1a与电解质2接触，其中电解质2作为电极之一。作为另一个电极的探针电极5与复合半导体晶片4接触。电分析单元6向参比电极3和探针电极5提供直流逆偏压和大约3000Hz的交流叠加电压来测试C/V性能。
在从复合半导体晶片4与电解质电极2接触的表面始的深度w中，在晶片内部的载体浓度(cm3)可以根据下面的公式(1)来确定N(w)＝(-C3/qεA2)(dC/dV)-1(1)其中，w表示从晶片表面到耗尽层边缘的深度。也就是说，N(w)表示从晶片表面的深度w处的载体浓度N。同样，C表示直流逆偏压测试的电容；q是电荷；ε是介电常数；A是测试面积；和dC是在叠加的交流电压中，随着dV的变化产生的电压的变化。在此，深度w可以根据下面公式(2)计算w＝εA/C(2)对于利用如上所述电解质电极的电化学C/V技术来说，除非利用高于10V的逆偏压(reverse-bias voltage)，否则评价深度超过3μm的载体浓度是困难的。然而，当利用电解质电极例如HCl水溶液时，当施加高于10V的高逆偏压时，发生电解装置的电击穿，产生如下问题，氢气和氧气的气泡依附在晶片表面，不可能测试C/V特性。利用太高的电压也存在问题，问题在于漏电流增大，发生电解质泄漏。
因此，常规电化学C/V分析器中，利用的最大逆偏压一般限定为10V。为了绕过该限定，深度超过3μm的载体浓度是通过利用小于10V的施加电压重复C/V分析、并利用光蚀刻方法来蚀刻晶片表面来评价的。
这意味着，如图2所示，常规电化学C/V分析器中，电池1上安装有受光窗1b。通过向在圆形开口1a处与电解质2接触的晶片表面上照射光7，电解质2作为蚀刻剂，晶片表面通过光蚀刻除去到预定深度。然后，利用蚀刻形成的新表面作为新的参照物继续进行C/V分析。
通过重复C/V分析和该种方式的光蚀刻来评价载体浓度的方法，需要时间来蚀刻；对于为了评价深度大约2μm的载体浓度/分布的C/V分析来说，大约需要1小时。此外，进行了光蚀刻的位置随后不能被用于半导体器件的制备中，因此，常规电化学C/V技术不能称作为非侵入性的评价方法。
此外，用于形成光通信光检测器的含In复合半导体晶片必需具备厚度为5-8μm的外延层，并且如果在该厚度的外延层中的载体浓度是通过重复C/V分析和光蚀刻方法来评价的，那么单单是完成C/V分析大约就需要3-4小时。还有，进行均匀一致的光蚀刻并不容易，C/V分析中难以获得高的精确度。
作为本发明一种方式中限定的方法，它在包括含In的复合半导体表面层的晶片中利用了C/V技术评价载体浓度，其特征在于，通过在晶片表面接触液体电极，不使用光蚀刻方法，利用高至超过10V的施加电压，非侵入性的评价载体浓度。
在此，优选利用EDTA水溶液作为液体电极。同样，EDTA水溶液优选含有80wt％或更多的EDTA。此外，液体钛试剂或金属镓(Ga)熔体可以作为液体电极。
作为本发明另一种方式中限定的方法，它在包括含In的复合半导体表面层的晶片中利用了C/V技术评价载体浓度，其特征在于，在晶片表面上接触金属Ga熔体，然后固化金属Ga熔体形成金属Ga电极，利用高达超过10V的外加电压来评价载体浓度，并且在评价后清除掉金属Ga电极。
本发明限定的又一种方式的特征在于，非侵入性的评价包括含In复合半导体表面层的晶片中的载体浓度，其特征还在于，晶片中的载体浓度被非侵入性的评价后，能够原样被应用于器件处理(deviceprocessing)中。在此，该晶片可以是被上述非侵入性的载体浓度评价技术中的任何一种评价过的一种晶片。
根据本发明，在含In复合半导体晶片中，载体浓度/分布可以在短时间内，以高的精确度非侵入性的评价到几个μm的深度，并且评价的晶片本身可以直接被用于器件制备中。
本领域技术人员将从下面结合附图的详细描述中，更加容易地理解本发明的上述和其它目的、特征、方面以及优点。
EDTA水溶液(乙二胺四乙酸)被用作电解质2’。电解质2’优选含有80％重量或更多的EDTA。其原因是当利用高电压时，水的电解由此得到避免。
本发明实际上评价了用于制造光通信器件的复合半导体晶片中的载体浓度/分布。复合半导体晶片包括，在磷酸铟(InP)晶片上顺序外延生长的晶膜大约1μm厚的InP层，大约3μm厚的铟镓砷化物(InGaAs)层，和大约2μm厚的InP层。外延层含有高达1×1016cm-3的掺杂物。
图1中画出了该复合半导体晶片中，评价载体浓度/分布的结果。图中，从晶片表面到大约1μm的深度，没有表示载体浓度的曲线，这是由于通过该深度存在一个表面耗尽层。
具体地说，图1中，水平刻度表示从复合半导体晶片上的外延层表面到复合半导体晶片中耗尽层边缘的深度w(μm)；而垂直刻度表示整个深度w上的载体浓度N(cm3)的log10(常用对数)。从该图可以确定，任何一个外延层中的载体浓度都小于1×1016cm-3。同样可以确定，载体浓度峰值出现在异质结界面对应的位置，该界面大约距离晶片表面2μm和5μm。
图1中的数据是在大约10分钟测试中得到的。此外，图1中的数据与花费3小时而利用HCl水溶液进行光蚀刻得到的数据大约相同。另一方面，由于本发明不需要进行光蚀刻，因此不存在需要改变测试场所的蚀刻不均匀度的情况。而且，能够消除由于蚀刻不均匀度造成的评价误差。
应当说明的是，本发明实施方式中尽管没有光辐射，实际上还是观察到0.1nm厚度级的轻微蚀刻。然而，器件评价证实，实际操作中，这种方式的轻微蚀刻不会影响器件处理。简单的说，本发明的载体浓度评价方法是非侵入性的，这样评价的晶片本身能够直接用于器件制造中。
实施例2除了仅将电解质电极由EDTA水溶液变为钛试剂(钛试剂的分子式C6H2(OH)2(SO3Na)2·H2O)水溶液之外，实施例2类似于实施例1。
常规技术中，GaAs复合半导体晶片中的载体浓度是利用钛试剂水溶液作电极同时进行光蚀刻来评价的。然而，由于InP复合半导体晶片不能用钛试剂水溶液进行光蚀刻，因此钛试剂水溶液不能在InP复合半导体晶片中用于评价载体浓度。然而，通过反过来研究InP复合半导体晶片不能在钛试剂水溶液中进行光蚀刻的事实，本发明人成功地、非侵入性的评价了从表面到很深的深度处的InP复合半导体晶片中的载体浓度。
实施例3除了仅仅将电解质电极变为金属Ga熔体电极之外，实施例3类似于实施例1和2。
由于其熔点极低，为29℃，Ga可以被用作液体电极，对复合半导体晶片没有产生影响。在此，尽管利用汞作为液体金属电极也是可以接受的，但是由于其毒性对人体有害，从安全的角度讲容易出现加工问题，因此汞不能被认为是理想的液体电极。
实施例4实施例4类似于实施例3，利用金属Ga作为电极。然而，实施例4中，没有必要制成图2中所描述的电池1。在实施例4的载体浓度评价方法中，开始将金属Ga熔体浸泡在海绵状固定物质中。然后将该固定物质接触在复合半导体晶片表面。这样，晶片表面被湿润，并与浸泡在海绵状保留物质中的金属Ga熔体接触。然后，将金属Ga熔体在这种条件下固化，在复合半导体晶片表面形成固体金属Ga电极，该固体金属Ga电极离开海绵状保留物质。
利用固体金属Ga电极在复合半导体晶片内评价载体浓度后，将固体金属Ga电极再次熔融，并从晶片表面清除。随后，金属Ga电极被清除后的晶片本身可用于器件制造。简单的说，该实施例中，复合半导体晶片中的载体浓度也可以非侵入性的评价。
这些选择的实施例仅仅是被选择用于说明本发明。然而，对于本领域技术人员来说，从上面的描述可以清楚的看出，在不偏离后面权利要求限定的本发明的范围内，可以对其作出多种改变和改进。此外，根据本发明，上面描述的这些实施例仅仅是用于说明，而绝对不是同后面权利要求和其等价方式限定的一样，用于限定本发明。
权利要求
1非侵入性评价载体浓度的方法，该方法在包括含In复合半导体晶片表面层的晶片中，利用C/V技术评价载体浓度，其中该载体浓度评价方法包括在晶片上表面性接触液体电极；和施加高达超过10V的外加电压，在不进行光蚀刻的情况下，评价晶片的C/V性能。
2根据权利要求1的载体浓度评价方法，其中EDTA水溶液被用作液体电极。
3根据权利要求2的载体浓度评价方法，其中EDTA水溶液含有80％或更多的EDTA。
4根据权利要求1的载体浓度评价方法，其中液体钛试剂被用作液体电极。
5根据权利要求1的载体浓度评价方法，其中金属Ga熔体被用作液体电极。
6评价载体浓度的方法，该方法在包括含In复合半导体晶片表面层的晶片中，利用C/V技术评价载体浓度，其中该载体浓度评价方法包括将晶片与金属Ga熔体表面性接触，随后固化该金属Ga熔体，形成金属Ga电极；施加高达超过10V的外加电压来评价载体浓度；和评价之后，熔融清除金属Ga电极。
7一种包括含In复合半导体表面层的复合半导体晶片，其中晶片中的载体浓度被非侵入性的评价，其载体浓度被非侵入性评价的晶片能够原样被用于器件处理。
8一种包括含In复合半导体表面层的复合半导体晶片，其中晶片中的载体浓度是根据权利要求1中的方法非侵入性的评价，其中其载体浓度被非侵入性评价的晶片能够原样被用于器件处理。
9一种包括含In复合半导体表面层的复合半导体晶片，其中晶片中的载体浓度是根据权利要求2中的方法非侵入性的评价，其中其载体浓度被非侵入性评价的晶片能够原样被用于器件处理。
10一种包括含In复合半导体表面层的复合半导体晶片，其中晶片中的载体浓度是根据权利要求3中的方法非侵入性的评价，其中其载体浓度被非侵入性评价的晶片能够原样被用于器件处理。
11一种包括含In复合半导体表面层的复合半导体晶片，其中晶片中的载体浓度是根据权利要求4中的方法非侵入性的评价，其中其载体浓度被非侵入性评价的晶片能够原样被用于器件处理。
12一种包括含In复合半导体表面层的复合半导体晶片，其中晶片中的载体浓度是根据权利要求5中的方法非侵入性的评价，其中其载体浓度被非侵入性评价的晶片能够原样被用于器件处理。
13一种包括含In复合半导体表面层的复合半导体晶片，其中晶片中的载体浓度是根据权利要求6中的方法非侵入性的评价，其中其载体浓度被非侵入性评价的晶片能够原样被用于器件处理。
全文摘要
本发明涉及一种在含In复合半导体晶片中非侵入性评价载体浓度的方法，该方法能够在半导体器件应用中利用评价的晶片本身。利用C/V技术，在包括含In复合半导体表面层的晶片中评价载体浓度的方法，其特征在于，通过在晶片表面接触液体电极，不利用光蚀刻的情况下，利用超过10V的外加电压来非侵入性的评价载体浓度。
文档编号G01N27/22GK1420539SQ0215024
公开日2003年5月28日 申请日期2002年11月6日 优先权日2001年11月6日
发明者泽田滋, 岩崎孝 申请人:住友电气工业株式会社