专利名称：用于改良电化学电容电压测量准确度及可重复性的监控装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于改良电化学电容电压(ECV)造形测量准确度的装置与方法，其方式是警示操作者蚀刻过程中存在表面薄膜或气泡，并在测量循环结束时测定该实际测量区域且使用新值重新计算该载流子浓度数据。通过使区域测量与ECV工具构成整体，可针对该实际测量区域修正每个样品的测量值，从而改良准确度并消除一大的错误源。通过使用整体测量系统在测量中监控该样品表面的表面薄膜及气泡可进一步减少错误。
背景技术：
半导体器件系通过层叠布置不同电气及/或光学性质的材料层而制成。该些夹层系通过采用外延生长、离子植入或扩散至基底大晶片内等方法而形成。器件正确运作的先决条件是密切控制包括载流子浓度及厚度在内的材料层性质。在美国专利第4,028,207号与第4,168,212号中描述了该ECV造形方法，其用于依据进入材料层的深度测定载流子的浓度并因而理想地适合于测量该些参数。
ECV造形方法可利用传导液体(电解质)与半导体接触时所形成的二极管结构。在反偏压区域内的结电容由所施加的偏压幅值及载流子浓度与纵深分布的关系来决定。通过依据偏压来测量此电容，可测定该载流子浓度的纵深分布。在此操作模式中，该ECV造形仪类似于工具，其使用金属化或汞取代电解质来形成二极管结构。然而，此类工具因金属半导体结的反偏压击穿而通常受限制于浅纵深分布。通过使用电解质可以克服此种限制。使用电解质可以电化学方式蚀刻样品，而无需增加测量偏压即可增加造形的纵深。这使得ECV造形方法成为表征多层次结构强有力的方法。
″I.Mayes-电化学造形仪的准确度与可再现性，Mat Sci & Eng B80(2001)160-163″一文中提及了某些可对ECV造形法准确度与可再现性产生影响的因素。此文章的结论是通过′最佳实践′，该方法可再现性可降低至标准偏差约2％左右。然而，如果不小心控制测量，典型的标准偏差约为8％左右。
通常一塑料环(称作一密封环)用来界定电解质与半导体样品之间的接触面积。此环的磨损与变形对该接触面积的可再现性有着显著的影响。此外还需考虑接触压力与电解质的湿润特性。所有该些因素均影响测量的准确度。
准确的测量取决于知晓试验样品与电解质之间的精确接触面积并确保该接触面积在整个测量过程中保持稳定。由于通过此方法所测定的载流子浓度与该平方面积成反比且该纵深分布也与该面积成反比，因而会产生诸多大错误。如果接触面积有10％的错误，就会导致10％的深度错误，且更重要的是会导致一20％的载流子浓度的计算错误。虽然通过测量最终的蚀刻井面积并非能更正所有错误，但在每次运行后对最终蚀刻井面积进行例行性测量可明显改良该测量的可重复性。
气泡及表面薄膜在造形期间会影响该测量。当初始填充电化学槽或在电解质循环期间均会因截存空气而产生气泡，或者气泡是因蚀刻该样品所用电化学反应而产生。表面薄膜产生于非理想性电化学蚀刻，且通常通过选择较合适的电解质即可避免。气泡与表面薄膜两者均导致非平面蚀刻，从而改变测量面积，并且在造形多层结构或载流子浓度变化的结构时能严重影响测量质量。气泡可通过控制电解质流量来移除，而表面薄膜可通过小心控制蚀刻条件来避免。蚀刻偏压、电流及电解质流速均为可控制变量，通过控制该些变量可缓解该些问题的产生。通常，操作者不会注意气泡或表面薄膜的产生且在该电化学测量看到其影响前不会采取任何措施，而此时该测量的准确性已甚差。
一般的惯例是使用一称作‘蓝色薄膜片’的阳极化n型GaAs基底对密封环区域进行例行性检查。该‘蓝色薄膜片’经造形形成一个典型深度小于0.5微米的浅蚀刻井。随后将该薄膜片自该工具中移除，并使用一测量显微镜或某种型式的照相机基度量衡系统测定该蚀刻井的面积。本发明的目的并非是不需要此测量，因为此测量可提供关于密封件质量的重要的额外信息且能够无需从使用本文所述装置的工具中移除样品即可实施。
当样品为阳极(相对于一反电极受到正偏压)时，将发生电化学蚀刻。对于p型材料而言，此为正向偏压状态且随即发生电化学蚀刻。对于n型物质而言，此为反偏压状态且仅在辐照样品的光能量高于该材料的带隙时才会发生电化学蚀刻。
环状边缘下的渗溢表示辐照面积小于样品与电解质之间的接触面积。当对接触该液体的整个样品面积进行电容测量时，这种差异是非常重要的。该‘蓝色薄膜片’可用于测量此二个面积的差异。此多余面积Aexcess随密封环磨损而增大且定义为Aexcess＝Awetted-Aillum其中Awetted为电解质与样品的接触面积(湿润面积)，而Aillum为光线辐照面积；对于n-型材料而言，该面积为电化学蚀刻过程中的造形面积。该多余面积为一位于密封环边缘下面或接近于该密封环边缘的小环状材料。伴随此环状材料的电容会导致错误，对于具有高掺杂表面层与低掺杂内部(称作“Hi-Lo”结构)的样品尤其如此。
除了‘蓝色薄膜片’校准外，某些使用者于测量完成时还测量该蚀刻井区域。由于蚀刻井的深度与其直径相比通常较小，因此通常忽略其侧壁面积。偶尔地，也使用触针造形该样品以检查粗糙度并确认该蚀刻井是否平整。该些测量是使用其它仪器(诸如一测量显微镜及触针造形仪)实施的，其均非ECV造形工具的一部分。因此，该些测量并非一直进行，且此导致较差的可再现性。再者，由于在测量期间缺乏观察样品表面的手段，就难免出现导致粗糙且非平面蚀刻的情况。
发明内容
本发明的一个目的是减缓这些缺点的一部分或全部且由此改良EVC造形测量的准确度与可再现性。
本发明一个特别目标是提供一种ECV造形方法，其允许在电解质填充及ECV造形期间观察该样品，并允许在无需自该装置移除该样品的情况下观察该蚀刻井区域。
本发明一个特别目标是提供一种ECV造形方法，其可提供有价值的信息给使用者以使状况最佳化，缓解气泡及表面薄膜问题并改良测量的准确度与可重复性。
因此，依据本发明的第一个方面，一种用于改良电化学电容电压(EVC)造形准确度与可重复性的方法包含下列步骤提供一样品、一界定样品上测量区域的构件、一用于盛放与样品接触所用电解质的电化学槽及传统方式的ECV造形；在电解质填充循环中监控样品，以观察该样品上是否存在形成的气泡与表面薄膜并选择性地取得对所出现气泡与表面薄膜的测量；在造形期间监控该蚀刻井；在造形结束时测量该蚀刻井区域；将上述测量值应用至原始造形数据以产生可更再现性地代表该ECV造形的已调节数据。
依据该方法，使用一能够与该ECV造形装置相结合的合适光学系统在填充期间监控样品、在测量(即造形)期间监控蚀刻井并在测量完成时准确测量该井区域而无需自该装置上移除样品。此方法既能改良准确度与可再现性又能节省在非理想状况下实施测量时可能浪费的时间。
在电解质填充循环中监控样品的步骤可选择性地包含获取对样品上所形成气泡的测量。此测量可用来为消除气泡提供自动反馈及/或进一步调节该原始造形数据以产生可更再现性地代表该ECV造形的数据。
在该方法的一特定实施例中，对蚀刻井的观察与测量包含使用一其能量较佳高于样品带隙的光源辐照该样品，且使用图像收集构件收集样品的反射光图像及使用图像分析构件分析样品的反射光图像并自蚀刻井中获取该等测量值。
该图像收集构件较佳包含数字成像构件及/或结合数字化构件以将图像数字化供图像分析仪随后分析之用。举例而言，该成像构件包含一CCD照相机。
较佳地是，使用诸如分光镜等合适的导向构件将该反射光图像引导至该成像构件。
该光源具有双重用途提供光源用以蚀刻n-型半导体并用以观察蚀刻井的底部。可配备一能量低于样品带隙的第二光源用于在电测量期间辐照样品。
在一较佳的实施例中，使用相同的光源与成像构件在电解质填充循环期间观察并监控样品并随后观察并监控蚀刻井区域。在此实施例中，该方法包含使用该光源在电解质填充循环期间产生该样品的反射光图像并通过成像构件收集该图像；排泄该电化学槽；将该电化学槽移离光学路径；使用该光源产生蚀刻井区域的反射图像；及通过成像构件收集该图像以测量该区域。
依据本发明的第二个方面，一用于改良电化学电容电压(EVC)造形准确度及可重复性的装置包含监控构件，其用于在电解质填充循环期间监控一样品，以观察样品上是否存在形成的气泡及表面薄膜并选择性地进一步获取对所形成气泡及表面薄膜的测量；在造形期间用于监控该蚀刻井的构件；及在造形结束时用于获取对该蚀刻井区域测量的构件，藉此该些测量值可应用于原始造形数据以产生更能再现性地代表该ECV造形的调节数据。
较佳地是，配备一合适的光学系统来获取上述测量值。具体而言，一单一光学系统适合与ECV造形装置结合使用，以既可在测量期间监控蚀刻井又可在测量完成时无需自装置中移除样品即可准确地测量该井区域。
在一较佳的实施例中，在电解质填充循环期间监控样品的构件、在造形期间监控蚀刻井的构件及用于获取得蚀刻井测量的构件构成一单一光学系统，该系统较佳包括一能量较佳高于样品带隙的光源用以辐照该样品及图像收集构件用以自该样品收集反射光图像，且较佳进一步包括图像分析构件用以分析来自该样品的反射光图像并获取该些测量值。
因此，依据本发明，在就地装置中配备了一单一光学系统，用于在蚀刻过程中监控气泡及表面薄膜并在测量循环结束时测量该蚀刻井区域，该系统包含适宜地，对于带隙低于2.5eV的材料，该光源为石英卤素灯。然而，使用其它光源仍属于本发明之范畴，例如使用适合于较宽带隙材料的UV放电灯。
该图像收集构件较佳地包含数字成像构件及/或结合数字化构件，以数字化该图像供图像分析器随后分析之用。举例而言，该成像构件包含一CCD照相机。
该分析构件适宜地包含一合适的已编程计算机。该成像构件较佳连接至一计算机以将数字化图像传送至该计算机，从而可使用合适的分析软件以本发明的方式处理该些测量值及/或该些测量值应用于原始造形数据。
用于处理图像数据的软件能够析取蚀刻井区域，并在一合适样品(例如‘蓝色薄膜片’)的情形下能够区分湿润区域与辐照区域、测量该些区域并测定该多余区域。
另外或或者，可使用软件对图像数据进行处理，以分析该图像并使用分析结果为气泡及表面薄膜的清除提供自动反馈。
另外或或者，该软件可以控制成像构件上的可变放大率。
较佳地是，使用合适的导向构件(例如分光镜)将该反射图像引导至该成像构件。
在一较佳的实施例中，使用相同的光源及成像构件在电解质填充循环期间观察并监控样品且随后观察并监控蚀刻井区域。适宜地，该装置进一步包括在电解质填充循环期间于光学路径中接纳一电化学槽的构件，其能够随后将该电化学槽移离该光学路径，故可使用该相同的光源产生蚀刻井区域的反射光图像，并通过成像构件收集该图像以测量该区域。
适宜地配备一用于自光学路径中移离该电化学槽的机构，以使照相机能够在不受该电化学槽及任何密封环等干扰的情况下观察蚀刻井及周围的材料。
可配备聚焦构件以补偿该电化学槽窗口与电解质在该路径中时的焦距差异。可配备一变焦照相机或如类似的成像构件。更简单地，可配备一定焦照相机或类似的成像构件，及在该成像构件的光路径上配备一可拆卸式镜片以补偿该焦距的差异。可配备一机构来沿光学轴移动该样品，以使其聚焦于该定焦照相机或类似成像构件上。
该电化学槽可具有一窗口用以观察并辐照该样品，该样品较佳略微倾斜以避免窗口表面的反射损害照相机上或其它成像构件上的反射图像。
该装置可进一步在照相机或其他成像构件前面包括一翻转透镜，以在使用该装置观察及/或监控气泡及表面薄膜时纠正电解质及电化学槽窗口的折射。
该装置较佳连接至一合适的计算机，且该计算机适宜地控制该ECV造形测量，以便可在电气测量的同时能够实时观察蚀刻井的图像。
下文将参照下面的附图仅以举例方式描述本发明的一个实施例，图中图1是本发明装置的一示意图。
图2是图1所示成像装置的更详细示意图。
图3是一显示气泡形成的图像。
图4是一适合用于蚀刻井区域测量的视图。
图5是本发明装置另一实施例的示意图。
图6是本发明装置另一实施例的示意图。
具体实施例方式
参照附图，首先图1所示为本发明一装置的示意图。
该装置基本上包含一照相机观察系统，其右侧包含一光源[1-6]，其左侧包含一样品[17]、密封环[16]、电化学槽[19]及一将该密封环及电化学槽移离光学路径的构件[20]，其顶端包含一照相机[23]用以观察样品，且在中心处具有各种用于引导光线穿过该系统的光学组件。
在图1所示实施例中，使用一石英卤素灯[1]及滤光器[4]提供能量高于样品带隙的光，以蚀刻样品并观察蚀刻井。
来自灯[1]的光线在穿过热滤光器[3]、短带通滤光器或带通滤光器[4]、场镜[5]及光圈[6]之前由聚光器[2]进行准直。该光线随后穿过快门[7]，快门由一个螺线管[8]操控以控制样品的蚀刻时间。一折迭反射镜[9]将光束反射至成像镜片[10]，其在样品位置[17]处对光圈[6]进行再次成像。
源于图像水晶体[10]的光束穿过一分光镜[11]、蒸汽屏障[13]中的蒸汽屏障窗口[12]、电化学槽后窗口[14]、电解质[15]后到达密封环[16]，该密封环紧临样品夹持器[18]所定位的样品[17]。该蒸汽屏障窗口[12]与电化学槽后窗口[14]以微小角度倾斜，以避免其表面的反射光进入照相机[23]的视野。
照相机[23]通过透镜[22]及辅助透镜[21]藉助于分光镜[11R]后表面的反射来监控蚀刻过程。该分光镜[11]的厚度足以防止前表面[11F]内部的反射光进入该照相机的视野；来自前表面[11F]外部的反射光由一非反射表面[24]吸收，见图2。该辅助透镜[21]可补偿电化学槽后窗口[14]及电解质[15]的折射系数[在该光路径中]的变化。
在不存在气泡或薄膜时，可从密封环边缘所围绕的样品上看到均匀的光背景。位于光学路径上的气泡会散射进入电化学槽的光线并形成黑暗区域，如图3所示。样品表面的气泡聚焦清晰且能够清楚地看见其极小的尺寸，该等尺寸典型地为50微米。表面薄膜可产生不同的对比度等级并破坏图像的均匀性，因而也易于观察到。
在本发明的一较佳实施例中，来自照相机[23]的一图像经由电缆[24]传送至一控制该ECV造形测量的计算机[25]，并可在蚀刻该样品时实时观察蚀刻井的图像。
在本发明的另一较佳实施例中，软件使用分析结果对图像进行分析，以便为气泡及表面薄膜的清除提供自动的反馈。
在本实例所描述的本发明一较佳实施例中，可使用先前观察所用相同的照相机[23]及透镜[22]来测量蚀刻区域。为进行测量，机构[20]将电化学槽[19]回缩至一避开样品[19R]的位置，且辅助透镜[21]旋转移出光束路径。光学元件的放大率和照相机的分辨力能够以足够的分辨率(通常好于0.5％)测量蚀刻井区域。自光束路径移出辅助透镜[21]可提供较稳定的光学架构，实现准确的区域测定。然而，虽然可能不是较佳实施例，但反转校正透镜的角色仍属于本发明的范畴。
在该实例所描述的本发明一较佳实施例中，照相机的放大率是固定的且经过校准。该照相机连接至一计算机[25]且图像已数字化。处理来自图像的数据所用软件能析取蚀刻井区域(图4)并在‘蓝色薄膜片’或其它合适样品的情况下能够区分湿润区域和辐照区域，测量该些区域并测定多余区域。
在另一种布置中，可通过软件改变并控制照相机的放大率。
在再一种布置中，可省却辅助透镜[21]，样品夹持器[18]及样品[17]沿光学轴移动而将样品带至照相机上的聚焦点。
如图5所示，在另一实施例中，一旋转反射镜[26]旋转至成像透镜[10]前面。这可使第二光源[27]辐照样品[17]。该第二光源可用于以能量低于该样品带隙的光辐照该样品，由此可在电气测量(例如电容电压测量)中观察样品。通过改变光源的波长可将光源用于实施其它光学/电气测量，例如反射光谱分析、光电压光谱分析、光电流光谱分析及调制光电压光谱分析。
使用能量低于样品带隙的光，可在蚀刻p型层而不蚀刻n型层期间观察含有pn结的样品，若蚀刻n型层，电气测量的条件可能有所不同。
在图6所示另一实施例中，一折迭反射镜[30]代替了非反射表面[24]。此反射镜将分光镜[11]的光线反射至透镜[31]，供其将该光线聚焦在一个光检测器[32]上用于监控光线强度。
权利要求
1.一种用以改良电化学电容电压(ECV)造形准确度及可重复性的方法，其包含如下步骤提供一样品、一在所述样品上界定一测量区域的构件、一盛有电解质且所述电解质接触所述样品的电化学槽、及传统方式的ECV造形；在所述电解质填充循环期间监控所述样品以观察所述样品是否存在所形成的气泡；在造形期间监控所述蚀刻井；在所述造形结束时测量所述蚀刻井区域；及将所述测量应用至所述原始造形数据以产生更能可再现性地代表所述ECV造形的已调节数据。
2.如权利要求1所述的方法，其中使用一能够与所述ECV造形装置结合使用的合适光学系统在填充和造形期间监控所述蚀刻井，且在所述造形完成时准确地测量所述井区域而无需自所述装置中移除所述样品。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中对所述蚀刻井的所述观察与测量步骤包含使用一高于带隙能量的光源辐照所述样品且使用图像收集构件自所述样品收集一个反射光图像，并使用图像分析构件分析来自所述图像之反射光图像并自所述蚀刻井获取所述测量值。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述图像收集构件包含数字成像构件及/或结合有数字化构件，以数字化所述图像供所述图像分析器随后分析之用。
5.如权利要求3或4所述的方法，其中使用诸如一分光镜等合适导向构件将所述反射光图像引导至所述成像构件。
6.如权利要求3至5中任一权利要求所述的方法，其中使用所述同样的光源与成像构件在所述电解质填充循环期间观察并监控所述槽并随后观察并监控所述蚀刻井区域，所述方法包括使用所述光源在所述电解质填充循环期间产生一所述槽的反射光图像并通过所述成像构件收集所述图像；排泄所述电化学槽；将所述槽移离所述光学路径；使用所述光源产生所述蚀刻井区域的反射光图像；及通过所述成像构件收集所述图像来测量所述区域。
7.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述在所述电解质填充循环期间监控所述样品的步骤包括下述步骤获取所述样品上形成气泡的测量并使用此测量为清除气泡提供自动的反馈及/或进一步调节所述原始造形数据以产生更可再现性地代表所述ECV造形的已调节数据。
8.一种用以改良电化学电容电压(ECV)造形准确度及可重复性的装置，其包括下列构件在所述电解质填充循环期间用于监控一样品以观察所述样品上所形成气泡及表面薄膜存在情况的构件；在造形期间用于监控所述蚀刻井的构件；及在所述造形结束时用于获取所述蚀刻井区域测量的构件，由此可将所述测量值应用至原始造形数据以产生可更再现性地代表所述ECV造形的已调节数据。
9.如权利要求8所述的装置，其中配备一合适的光学系统来获取所述测量。
10.如权利要求9所述的装置，其中配备一可与所述ECV造形装置结合使用的单一光学系统既在所述测量中监控所述蚀刻井又在所述测量完成时准确测量所述井区域，而无需自所述装置移动所述样品。
11.如权利要求10所述的装置，其中在所述电解质填充循环期间监控一样品的构件、在造形期间监控所述蚀刻井的构件、及获取所述蚀刻井测量的构件构成一单一光学系统，所述单一学系统包括一高于带隙能量的光源以辐照所述样品；用于自所述样品收集一反射光图像的图像收集构件；及用于分析来自所述样品的反射光图像并获取所述测量的分析构件。
12.如权利要求8至11中任一权利要求所述的装置，其中所述光源为一石英卤素光源。
13.如权利要求8至12中任一权利要求所述的装置，其中所述图像收集构件包含数字成像构件及/或结合有数字化构件以数字化所述图像供所述图像分析器随后进行分析之用。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述成像构件包含一CCD照相机。
15.如权利要求8至14中任一权利要求所述的装置，其中所述分析构件包含一编程带有合适分析软件的合适计算机。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述成像构件连接至所述计算机，以使用合适的分析软件以本发明方式将一数字化图像传送至所述计算机供处理所述测量及/或将所述测量应用至原始造形数据。
17.如权利要求15或16所述的装置，其中所述软件适于处理来自所述图像的数据以便析取所述蚀刻井区域，且在一‘蓝色薄膜片’情况下能够区分所述湿润区域与辐照区域，测量该些区域并测定所述多余区域。
18.如权利要求15至17中任一权利要求所述的装置，其中使用软件处理所述图像来分析所述图像并使用所述分析结果为消除气泡及表面薄膜提供自动反馈。
19.如权利要求8至18中任一权利要求所述的装置，其进一步包含一分光镜用以将所述反射光图像引导至所述成像构件。
20.如权利要求8至19中任一权利要求所述的装置，其进一步包括在所述电解质填充循环期间在所述成像构件的光学路径上接纳一电化学槽的构件，所述构件能够随后将所述电化学槽移离所述光学路径，以便可使用所述相同的光源产生所述蚀刻井区域的一反射光图像并通过所述成像构件收集所述图像来测量所述区域。
21.如权利要求8至20中任一权利要求所述的装置，其进一步包含一在所述电化学槽窗口与电解质位于所述路径中时用于补偿焦距差的聚焦构件。
22.如权利要求21所述的装置，其中配备一定焦成像构件，且在所述成像构件的光路径中配备一可拆卸式透镜，以补偿所述焦距差。
23.如权利要求8至22中任一权利要求所述的装置，其进一步包含聚焦构件以聚焦所述样品的反射图像。
24.如权利要求23所述的装置，其包含定焦成像构件，且其中配备一机构用于沿所述光学轴移动所述样品使聚焦在所述定焦成像构件上。
25.如权利要求8至24中任一权利要求所述的装置，其中所述电化学槽具有一窗口用以观察并辐照所述样品，所述样品较佳略微倾斜，以避免所述窗口的表面反射破坏所述成像构件上的反射图像。
26.如权利要求8至25中任一权利要求所述的装置，其进一步在所述成像构件前包含一翻转透镜，以在使用所述装置观察及/或监控气泡及表面薄膜时纠正所述电解质及电化学槽窗口的折射。
全文摘要
一种用于改良电化学电容电压(EVC)造形测量准确度的装置与方法，其方式是警示操作者蚀刻过程中产生表面薄膜或气泡，使用该就地监控装置在测量循环结束时测定实际测量区域，并使用新值重新计算该数据。通过使区域测量与EVC工具形成整体，可针对该实际测量区域修正每个样品的测量，从而可改良准确度并消除一大的错误源。
文档编号H01L21/3063GK1666328SQ03815541
公开日2005年9月7日 申请日期2003年7月4日 优先权日2002年7月6日
发明者爱恩·克里斯多夫·玛亚斯, 麦克·丝唯妮, 哈维·宝沟倪, 克里夫·米顿 申请人:Aoti营运公司