[发明专利]用于对半导体层的生长进行监控的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年11月22日提交的美国临时申请No.61/416,063的权益。上述申请的整个教导通过参考并入于此。

技术领域

本发明涉及用于对半导体层的生长进行监控的方法。

背景技术

大多数化合物半导体器件的制造开始于使用诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)之类的沉积技术在衬底上生长半导体薄膜(也称为外延层)。对于这两种技术而言，在膜生长期间精确控制温度、厚度、生长速率、组分和掺杂浓度是至关重要的。期望原位(在生长工艺期间)测量这些参数以提供关于生长期间外延层特性的信息。例如，在多晶片MOCVD反应器中，可以使用这些原位数据来针对每个晶片同时提供晶片内和晶片间均匀性信息。此外，在外延生长工艺期间，多个层通常连续沉积在起始衬底上。一旦完成这些层之后，大多数度量技术就仅实现对完整结构的分析(即，存在无法清楚或单独识别的多个类似层一般会混淆分析)。因而，在不进行原位监控的情况下，会丢失关于复杂多层结构的每个层的信息。通过采用原位监控，可以同时检测外延层的特性的偏移和最小化膜生长之后等待数据收集的时间。该实时反馈可以允许在生长附加失效的晶片之前采取矫正动作。

通过监控生长期间薄膜结构的反射率和热辐射度，可以使用光学技术进行这种原位测量。发射率校正高温测量实现通过史蒂芬-玻尔兹曼定律从热辐射度精确确定衬底温度。通过将已知波长和强度的光源引到衬底上，然后测量在外延生长期间返回的反射光的强度，由此来收集反射率数据。由结构中外延层的折射率的差异造成的反射光的相移导致称为法布里-珀罗(Fabry-Pérot)振荡的正弦干扰图案。正弦波的周期提供有关生长速率的信息，幅度与来自下覆层的折射率的变化有关，阻尼可能由生长膜的吸收引起。

不利的是，用于原位测量的该光学技术不完全适合于测量极薄(例如小于100nm)的外延层，因为薄外延层可能不产生正弦干扰图案的一个或多个完整周期。结果，可能难以分辨沉积的层的实际厚度。

此外，也可能难以精确地描绘包括多个薄层的器件，诸如双极-高电子迁移率晶体管(BiHEMT)，其是具有外延层结构的半导体器件，该外延层结构包括在高电子迁移率晶体管(HEMT)结构顶上生长的异质结双极晶体管(HBT)。应注意到的是，在某些情况下，这些层的顺序可以颠倒并且在HBT上方生长HEMT可能是有利的。这样的器件有时也称为双极-场效应晶体管(BiFET)。这里使用术语BiHEMT来描述结合双极晶体管和场效应晶体管的功能性的任何外延层结构。在任一情况下，通过将HBT和HEMT的优势组合在同一单片结构中，BiHEMT可以满足对于来自单个芯片的更大电路功能性(即，增加的集成度)的需求。BiHEMT电路对于诸如无线手机和无线局域网之类的许多应用是有吸引力的。作为例子，代替在HBT结构中具有单独的功率放大器电路和在HEMT结构中具有单独的开关电路，可以在单个BiHEMT芯片中集成功率放大器电路和开关。

组合的BiHEMT的外延层结构的生产极具挑战性，并且该组合的BiHEMT的外延层结构可以包括三十个或更多个分立层，每个层在膜厚度、组分、掺杂浓度和跨越衬底的均匀性上具有严格容限。出于这些理由，存在对于控制BiHEMT结构的生长的方法的需求。然而，通过原位技术监控BiHEMT生长由于该结构中的关键外延层可能很薄(例如少于100nm厚)的事实而复杂化。如此，也存在对于用于按照实现生长期间薄膜特性分析的方式从原位数据提取信息的方法的需求。

发明内容

一种对薄膜在衬底上的沉积进行监控的方法，包括以下步骤：在薄膜的生长期间进行原位监控以生成反射率振荡数据；对反射率振荡数据进行曲线拟合以由此提取关于薄膜的厚度、生长速率、组分或掺杂的信息；以及对包括BiHEMT结构的至少一部分的薄膜进行监控。

在另一实施方式中，该方法校准厚度均匀性，并且包括以下步骤：在薄膜的生长期间进行原位监控以生成反射率振荡数据；对反射率数据进行曲线拟合以由此提取关于薄膜的厚度、生长速率、组分或掺杂的信息；以及对包括薄膜的器件结构的多层的厚度进行校准。

与其它原位监控技术相比，本原位监控技术提供关于更薄层的厚度信息。例如，本技术可以从仅包括干扰图案的振荡的一小部分的反射率曲线得出厚度信息。随着外延层结构的复杂度增加，原位监控的好处相应增加。另外，本技术使得可以按照实现生长期间薄膜特性分析的方式从原位数据提取信息。

附图说明