004_095-008AP-TW

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004_095-008AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書


※申請案號：095109641	※I P C 分類：

一、	發明名稱：
	半導體摻雜製程的檢測方法(全文下載)

二、	中文發明摘要：
	一種半導體摻雜製程的檢測方法，適用於檢測一半導體於摻雜過程中是否有金屬團簇析出，該檢測方法包含以下步驟：(A)以一高頻複數阻抗分析儀量測出所述半導體之阻抗頻譜。
	(B)取阻抗頻譜之實部的對數為橫軸，虛部之對數為縱軸繪圖並求取特徵斜率。
	(C)如該特徵斜率為0.5，代表所述半導體中僅有一種介電遲豫行為產生，亦即半導體摻雜過程中無金屬團簇的析出。
	藉以提供一種簡便、快速又可靠以檢測半導體內是否有金屬奈米團簇析出，以迅速辨別半導體摻雜製程的品質優劣。

三、

英文發明摘要：

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第1圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：
	1．．．半導體
	11．．．電極
	2．．．高頻複數阻抗分析儀
	21．．．量測線

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[0001]	本發明是有關於一種檢測半導體摻雜過程的方法，特別是指一種以高頻技術檢測半導體摻雜過程的方法。
	【先前技術】
[0002]	在半導體材料中，藉由額外摻雜其他金屬元素便可控制半導體中的電性、磁性及光學性質，是半導體工業發展得以如此豐富的主要原因之一。然而，摻雜元素能否有效取代半導體中的原子，是控制半導體性質上一項重要的關鍵。
[0003]	由於元件尺度的日益減小。成功摻雜與否變得越來越難檢測，但摻雜不完全所形成的金屬奈米團簇對材料性質的影響卻越來越大，也影響該半導體材料之品質優劣。
[0004]	現有技術在檢測摻雜過程中是否有金屬奈米團簇形成在半導體間最常被使用的技術便是穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy，簡稱TEM)，雖然穿透式電子顯微鏡可以直接檢測出奈米團簇的微結構，但是此法需要相當繁複的樣品準備過程，而且所觀測的影像也只是局部的結構並非是呈現整個半導體材料的品質。因此，穿透式電子顯微鏡相當費時且所觀察到的結果並不一定等同於整個半導體材料的品質。
[0005]	近來也有其他研究提出一些其他方法對半導體內奈米團簇進行檢測，例如同步輻射吸收光譜技術、超導量子干涉儀低溫磁化量測，或低溫電傳導量測等方法等，上述之方法有些需要經過高強度的同步輻射光源技術或液氦的低溫系統才能檢測出金屬奈米團簇是否存在於半導體中，不僅程序複雜，檢測之成本也較高。因此仍然不能夠提供一個簡便、快速又可靠的檢測方法。
	【發明內容】
[0006]	因此，本發明之目的，即在提供一種用於檢測半導體內是否有金屬奈米團簇析出的方法，以簡便、快速又可靠地檢測半導體摻雜製程之品質優劣。
[0007]	於是，本發明半導體摻雜製程的檢測方法，適用於檢測一半導體於摻雜過程中是否有金屬團簇析出，該檢測方法包含以下步驟：(A)以一高頻複數阻抗分析儀量測出所述半導體之阻抗頻譜。
[0008]	(B)取阻抗頻譜之實部的對數為橫軸，虛部之對數為縱軸繪圖並求取特徵斜率。
[0009]	(C)如該特徵斜率為0.5，代表所述半導體中僅有一種介電遲豫行為產生，亦即半導體摻雜過程中無金屬團簇的析出。
	【實施方式】
[0010]	有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
[0011]	參閱圖1，本發明半導體摻雜製程的檢測方法之較佳實施例適用於檢測一半導體1於摻雜過程中是否有金屬團簇析出，所述半導體1上具有複數電極11，該半導體摻雜製程的檢測方法包含以下步驟：(A)以一高頻複數阻抗分析儀2量測出半導體1之阻抗頻譜。本實施例中該高頻複數阻抗分析儀2是型號HP4294A之阻抗量測計，但實施上不以此為限。該高頻複數阻抗分析儀2具有二量測線21，該等量測線21分別電連接該半導體之電極11，以量測所述半導體1之阻抗頻譜，本實施例中，是以具有電極11之半導體1為例作說明，但實際實施時，只要量測線21可與所述半導體1電連接即可，實施範圍不以半導體1上是否具有電極11為限。
[0012]	(B)將量測出之阻抗頻譜的阻抗值實部為橫軸，阻抗值之虛部為縱軸繪出Cole－Cole圖。便可發現其頻譜概略是由一個半圓弧線所組成的。
[0013]	(C)取阻抗頻譜之實部的對數為橫軸，虛部之對數為縱軸繪製圖並求取特徵斜率。
[0014]	(D) 若將兩軸取對數，其半圓弧線取對數下的特徵斜率為0.5，代表所述半導體1中僅有一種介電遲豫行為產生，亦即所述半導體1摻雜過程中無金屬團簇的形成。當斜率偏離0.5越多時可視為半導體中有二組或二組以上的遲豫行為呈相對比例地增加。此額外的遲豫行為便是來自於取代不完全的金屬團簇與半導體1所形成的介面所產生的結果。
[0015]	以下用一實驗例以說明本發明半導體摻雜過程之檢測方法且以下所提及的參閱圖式皆須同時配合參圖1。本實驗例中是以一實驗組樣品及一對照組樣品進行檢測並予以比較。實驗之前，先說明樣品製程與特性。樣品製程是利用離子束濺鍍系統在一塊氧化鋁基板上成長50nm氧化鋅摻雜5%－CoFe的半導體1為實驗組之樣品，以及於另一塊氧化鋁基板上成長 50nm氧化鋅摻雜10%－CoFe的半導體1為對照組之樣品。
[0016]	接著，利用一超導量子干涉儀量(圖未示)測樣品的磁性質。由於在磁性半導體系統中，其磁性來源主要是來自於過渡金屬取代半導體1晶格中之原子形成磁性半導體 1化合物所引致的本質性的磁性，或者是由於取代不完全所形成的磁性團簇所貢獻的外質磁性。兩者在作為自旋電子元件的設計應用上完全不同，因此檢測材料中有無磁性團簇的形成就可了解摻雜過程中是否有金屬團簇析出。圖2是氧化鋅摻雜5%－CoFe之實驗組樣品以及氧化鋅摻雜10%－CoFe的對照組樣品於 300K所量測的磁滯曲線圖，兩樣品在室溫皆觀測到鐵磁的磁滯曲線，顯現類似的室溫鐵磁性行為，表示實驗組及對照阻之樣品都是磁性半導體1。
[0017]	之後，利用本發明半導體摻雜製程的檢測方法針對實驗組及對照阻之樣品檢測其中是否有金屬團簇的析出。以高頻複數阻抗分析儀HP4294A利用兩點量測方式，以量測實驗阻與對照組之樣品的的阻抗頻譜。其中量測的震盪電壓為500mV，外加額外直流偏壓0~1.5V，頻率範圍為500Hz至110MHz。
[0018]	再將兩樣品之頻譜的阻抗實部對阻抗虛部繪製出如圖3所示之Cole－Cole圖，便可發現實驗阻之頻譜弧線是概略呈一半圓的圓弧曲線，而對照組之圓弧曲線除高頻區之半圓弧線外，於低頻時有一隨頻率增加而下垂之短弧線。
[0019]	參閱圖4，若將頻譜之阻抗實部取對數為橫軸，對阻抗虛部取對數為縱軸，並求取特徵斜率。實驗組樣品的半圓圓弧曲線取對數下的特徵斜率為0.5，表示實驗組之樣品遵守單一晶界的遲豫行為，亦即實驗組之樣品是取代完全(5%－CoFe摻雜)的氧化鋅。相反的，對照組樣品的圓弧曲線取對數下的特徵斜率為0.7，此結果表示了對照組樣品裡具有複數介電遲豫行為產生。此額外的遲豫行為便是來自於取代不完全的金屬團簇與半導體1所形成的介面所產生的結果。亦即，對照組樣品是有金屬磁性團簇析出(10%－CoFe摻雜)的氧化鋅。
[0020]	本發明半導體摻雜製程的檢測方法之主要原理是當斜率為0.5時，代表Cole－Cole圖中之圓弧曲線為單一的半圓(簡略推導為R² ＋X² ＝Constant² 同取數會得斜率為1/2的方程式)，因此當斜率偏離0.5越多時，可視為有二組或二組以上的遲豫行為產生，此額外的遲豫行為便是來自於取代不完全的金屬團簇與半導體1所形成的介面產生的結果。且該斜率並不會隨著不同材料之半導體1或不同材料之摻雜物質所影響，只會受到是否有第二雜相(如金屬團簇析出物)而影響，因此可用於不同材料之半導體1上作為檢測之用。
[0021]	本發明半導體摻雜製程的檢測方法可以利用高頻複數阻抗技術很清楚的直觀的分辨出摻雜過程中有無金屬團簇的形成，以辨別摻雜過程品質優劣。且檢測所得結果為所述半導體1整體之特性，非局部特性。
[0022]	以下利用兩種目前常用之檢測方法驗證實驗組及對照組之樣品檢驗結果是否與本發明半導體摻雜製程的檢測方法檢驗結果相同。
[0023]	首先，利用台灣國家同步輻射中心的X光吸收光譜技術鑑定材料的微結構，兩樣品經過同步輻射光源的吸收光譜技術檢測後，其光譜圖是如圖5所示，首先於實驗組之樣品的譜圖與ZnO的譜圖很接近，於1.8跟3附近的兩根波峰分別分別代表Co－O與Co－Zn的鍵結，表示摻雜的Co沒有形成金屬的團簇，而是進行取代Zn原子的作用。而於對照組樣品的結果在2.2附近有明顯的波峰，此波峰的位置與CoFe金屬峰的位置接近，表示對照組樣品中的Co是以金屬的鍵結方式存在，亦即對照組的樣品中有奈米級金屬磁性團簇的形成。
[0024]	參閱圖6及圖7，其次再利用等效電路法對實驗組及對照組的樣品於不同外加偏壓下觀察其阻抗頻譜的結果與參數，利用此方式經分析後可清楚的看到圖8之實驗組樣品只需兩組RC就可作一完整的擬合，表示半導體中無金屬團簇析出的阻抗頻譜圖，圖中R_o _g _b 、C_o _g _b 及R_o _g 、C_o _g 分別代表晶界(oxide grain boundary)與晶粒(oxide grain)的貢獻。而圖9之對照組樣品須三組RC才有辦法作一完整的擬合，其中三組RC分別為R_o _g _b 、C_o _g _b 、R_o _g 、C_o _g 及R_m _o 、C_m _o ，其中多出之R_m _o 、C_m _o 代表metal－oxide的介面，表示對照組樣品中有金屬團簇析出。最後再由圖10及圖11中，於不同偏壓下之參數變化，可發現金屬團簇與半導體1形成之介面項所貢獻的電阻與電容參數，皆隨著偏壓增加而減少，與氧化物半導體1本身晶粒與晶界的行為不同，可更加確定證明本發明之檢驗效果。
[0025]	經由上述之同步輻射光源的吸收光譜技術檢測及等效電路法檢測實驗組與對照組之樣品結果，與本發明半導體摻雜製程的檢測方法檢驗之結果相同，可證明本發明所提供之檢測方法確實可正確檢驗半導體摻雜製程之優劣。上述之同步輻射光源的吸收光譜技術檢測及等效電路法非本發明之特徵技術，其詳細原理不再贅述。
[0026]	綜上所述，本發明半導體摻雜製程的檢測方法利用量測簡便，成本較低之高頻複數阻抗分析儀2，對所述半導體1量測其阻抗頻譜，並經由取阻抗實部與虛部之對數繪出圖形的特徵斜率，以判斷半導體1是否有二組或以上的遲豫行為，以確認半導體1摻雜過程中，是否有金屬團簇的析出，而判別出摻雜製程的品質優劣，檢測程序簡便、快速又可靠，所以確實可達到本發明之目的。
[0027]	惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
	【圖式簡單說明】
[0032]	圖 1是本發明半導體摻雜製程的檢測方法之較佳實施例的設備與一半導體的立體圖；圖2是本發明半導體摻雜製程的檢測方法之實驗例的一實驗組樣品與一對照組樣品於室溫下之磁滯曲線圖；圖3是該實驗組與對照組之樣品將其高頻複數阻抗頻譜之實部對虛部作圖；圖4是該實驗組與對照組之樣品將其高頻複數阻抗頻譜之實部對虛部歸一化並取對數後所作之圖形；圖5是利用同步輻射X光研究該實驗例中實驗組及對照組樣品結構的譜圖；圖6是該實驗組樣品於不同外加偏壓下的阻抗頻譜之實部對虛部作圖；圖7是該對照組樣品於不同外加偏壓下的阻抗頻譜之實部對虛部作圖；圖8是類似於圖4之示圖，以說明實驗組樣品之兩組RC所代表的意義；圖 9是類似於圖6之示圖，以說明對照組樣品之三組RC所代表的意義；圖10是該實驗組樣品於不同外加偏壓下氧化物晶界與晶粒個別貢獻之電阻與電容對偏壓之關係圖；及圖11是該對照組樣品於不同外加偏壓下氧化物金屬界面、晶界、與晶粒個別貢獻之電阻與電容對偏壓之關係圖
	【主要元件符號說明】
[0028]	1．．．半導體
[0029]	11．．．電極
[0030]	2．．．高頻複數阻抗分析儀
[0031]	21．．．量測線

七、

申請專利範圍：

1. 一種半導體摻雜製程的檢測方法，適用於檢測一半導體於摻雜過程中是否有金屬團簇析出，該檢測方法包含以下步驟：(A)以一高頻複數阻抗分析儀量測出所述半導體之阻抗頻譜；(B)取阻抗頻譜之實部的對數為橫軸，虛部之對數為縱軸繪圖並求取特徵斜率；(C)如該特徵斜率為0.5，代表所述半導體中僅有一種介電遲豫行為產生，亦即半導體摻雜過程中無金屬團簇的析出。
2.依據申請專利範圍第1項所述之半導體摻雜製程的檢測方法，其中，於步驟(A)中，是使用一高頻複數阻抗分析儀利用兩點量測方式量測所述半導體。
3.依據申請專利範圍第2項所述之半導體摻雜製程的檢測方法，其中，於步驟(A)中，量測的震盪電壓為500mV，外加額外直流偏壓0~1.5V，以量測所述半導體500Hz至110MHz的阻抗頻譜。
4.依據申請專利範圍第2項所述之半導體摻雜製程的檢測方法，其中，於步驟(A)中，該高頻複數阻抗分析儀之型號是HP4294A。
5.依據申請專利範圍第1項所述之半導體摻雜製程的檢測方法，其中，於步驟(A)量測出阻抗頻譜之後，將量測之阻抗值的實部為橫軸，虛部為縱軸繪出阻抗實部與虛部關係圖，觀察曲線是否為完整的半圓。

八、	圖式：
	圖1 圖2 圖3 圖4 圖5 圖6 圖7 圖8 圖9 圖10 圖11

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