CN101726496A - 用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统，包括：由硅材料与二氧化硅材料形成的待测样品，该待测样品中具有一硅材料与二氧化硅材料形成的界面；位于待测样品靠近二氧化硅材料一侧的激光产生装置，用于产生向待测样品以一定角度入射的入射激光；位于入射激光光路上的掩蔽物开关，用于掩蔽或允许入射激光向待测样品入射；位于入射激光经待测样品中界面反射后形成的反射激光光路上的棱镜，用于分离不同波长的反射激光，使波长为400nm的反射激光入射到光电倍增管；位于棱镜出射激光光路上的光电倍增管，用于接收棱镜分离出的波长为400nm的反射激光。本发明同时公开了一种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学方法。

Description

用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统及方法，更确切地说，是采用简单的光学测量办法，探测缺陷的存在和随时间变化的规律，可以在线检测薄栅氧的质量。本发明可以应用于集成电路工艺检测中。

背景技术

在非线性光学领域中，同样的光强波长输入会得到不同波长的输出。为什么要超越线性测量呢？一个主要的原因是界面总是很难表征，并且二次谐波产生总会带来这样的问题。二次谐波产生与输入光不同，而是输入频率的2倍。尽管二次谐波产生信号强度比输入信号弱许多，但是在某种特定的实验条件以及输入输出光的极化作用下，我们还是可以在界面获得较高的灵敏度。相对于线性光学方法，由光学非线性二次谐波带来的附加灵敏度是相当可观的。

光子激发电子(通过多光子吸收)，在氧化物中输运陷落在氧化物体和界面处。一旦电子陷落在氧化物界面处，如果氧化物足够薄或者经过x射线辐照损伤，载流子可以隧穿到体，减少陷落电子的数量，改变界面电场，导致信号减弱。X射线辐照后，界面时变电场减弱，这是由于陷阱辅助隧穿造成的。

电场E(t)和时变表面电荷密度强相关。而时变表面电荷密度与氧化物表面和体的电子陷阱密度相关，表达式如下：

$\frac{{\mathrm{dn}}_e\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=F\left(t\right)\frac{n_{0e}-n_e}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{trap}}}-\frac{n_e}{{\mathrm{\τ}}_{\det \mathrm{rap}}}$

n_e是已经俘获电子的表面陷阱，n_0e是表面电子陷阱密度，初始时认为全空，为陷阱俘获速率(与注入速率，输运速率和陷落速率相关)，τ_detrap是由于隧穿和界面处与空穴复合的电荷逃逸时间，F(t)是时间的函数，打开遮蔽，时变函数F(t)值为1，开关遮蔽，时变函数F(t)值为0。

打开遮蔽，激光入射样品，二次谐波产生信号达到饱和是因为光子诱生电子注入并被俘获的同时，又逃逸输运回衬底。开关遮蔽时，陷落的电子逃逸导致界面电场减小，二次谐波产生信号减弱。逃逸速率τ_detrap决定了二次谐波产生信号衰减的特性。对于厚栅氧，隧穿几率低，因此电子逃逸较少，相比于薄栅氧，二次谐波产生信号衰减较慢。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统及方法，以解决探测硅与二氧化硅界面缺陷的存在和随时间变化的规律的问题，达到快速无接触集成电路工艺中检测硅与二氧化硅界面特性的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统，该系统包括：

由硅材料与二氧化硅材料形成的待测样品1，该待测样品1中具有一硅材料与二氧化硅材料形成的界面；

位于待测样品1靠近二氧化硅材料一侧的激光产生装置2，用于产生向待测样品1以一定角度入射的入射激光；

位于入射激光光路上的掩蔽物开关7，用于掩蔽或允许入射激光向待测样品1入射；

位于入射激光经待测样品1中界面反射后形成的反射激光光路上的棱镜5，用于分离不同波长的反射激光，使波长为400nm的反射激光入射到光电倍增管6；

位于棱镜5出射激光光路上的光电倍增管6，用于接收棱镜5分离出的波长为400nm的反射激光。

上述方案中，该激光产生装置2产生的入射激光波长为800nm，单个光子能量为1.55eV，脉冲宽度150^，频率76MHz，平均功率250mW，光斑直径50μm。

上述方案中，该光电倍增管6是光探测器，该光探测器具有一感光材料，该感光材料由金属铯的氧化物与用于掺杂的活性金属氧化物构成。

上述方案中，该活性金属为镧系金属。

一种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学方法，应用于上述用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统，该方法包括：

开启掩蔽物开关7，使激光产生装置2产生的入射激光向待测样品1入射；

在入射激光的作用下，电子在待测样品1中由硅材料注入到二氧化硅材料，增大待测样品1中界面的电场，观察到二次信号的产生信号快速增加；

二次信号的产生信号达到饱和后，以一定频率开关掩蔽物开关7，使注入到二氧化硅材料中电子数目锐减，界面处电场减小，二次信号的产生信号减弱。

上述方案中，激光产生装置2产生的入射激光波长为800nm，单个光子能量为1.55eV，脉冲宽度150fs，频率76MHz，平均功率250mW，光斑直径50μm。

上述方案中，所述二次信号的产生信号达到饱和后以一定频率开关掩蔽物开关7，掩蔽物开关7的开关频率为0.5Hz，每2秒中开启1/8秒，将入射到样品上的波数减小16倍。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统及方法，可以表征Si/SiO₂界面特性，并可以应用于集成电路工艺检测中。

2、本发明提供的这种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统及方法，采用简单非接触，无破坏性的光学测量办法，快速准确的表征Si/SiO₂界面特性。

3、本发明提供的这种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统及方法，可以表征半导体器件中栅氧化物、隔离氧化物和绝缘体上硅氧化物埋层的Si/SiO₂界面特性，包括正常情况下，热载流子注入下和辐照损伤下的Si/SiO₂界面特性。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如下，其中：

图1是本发明提供的用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统的示意图；

图2是本发明提供的用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学方法的流程图；

图3(a)是本发明提供的入射激光的脉冲宽度和周期；

图3(b)是本发明提供的掩蔽物开关的开关情况；

图4是本发明提供的测试出的硅与二氧化硅界面特性的二次谐波产生信号。

附图标记：

1待测样品

2激光产生装置

5棱镜

6光电倍增管

7掩蔽物开关

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的这种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统及方法，采用简单非接触，无破坏性的光学测量办法，可以用来监控薄栅氧中的电荷-载流子动力学。光学二次谐波产生信号可以检测界面处的时变电场。单光子/多光子激活价带电子，这些电子通过扩散、隧穿等机制输运分离，在界面处产生电场。本发明可以应用于集成电路工艺检测中。

如图1所示，图1是本发明提供的用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统的示意图，该系统包括：

由硅材料与二氧化硅材料形成的待测样品1，该待测样品1中具有一硅材料与二氧化硅材料形成的界面；

位于待测样品1靠近二氧化硅材料一侧的激光产生装置2，用于产生向待测样品1以一定角度入射的入射激光；

位于入射激光光路上的掩蔽物开关7，用于掩蔽或允许入射激光向待测样品1入射；

位于入射激光经待测样品1中界面反射后形成的反射激光光路上的棱镜5，用于分离不同波长的反射激光，使波长为400nm的反射激光入射到光电倍增管6；

位于棱镜5出射激光光路上的光电倍增管6，用于接收棱镜5分离出的波长为400nm的反射激光。

该激光产生装置2产生的入射激光波长为800nm，单个光子能量为1.55eV，脉冲宽度150fs，频率76MHz，平均功率250mW，光斑直径50μm。

该光电倍增管6是光探测器，该光探测器具有一感光材料，该感光材料由金属铯的氧化物与用于掺杂的活性金属氧化物构成。该活性金属一般为镧系金属。

基于图1所示的用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统，图2示出了本发明还提供的用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学方法，该方法包括：

步骤201：开启掩蔽物开关7，使激光产生装置2产生的入射激光向待测样品1入射；

步骤202：在入射激光的作用下，电子在待测样品1中由硅材料注入到二氧化硅材料，增大待测样品1中界面的电场，观察到二次信号的产生信号快速增加；

步骤203：二次信号的产生信号达到饱和后，以一定频率开关掩蔽物开关7，使注入到二氧化硅材料中电子数目锐减，界面处电场减小，二次信号的产生信号减弱。

步骤203中，二次信号的产生信号达到饱和后以一定频率开关掩蔽物开关7，掩蔽物开关7的开关频率为0.5Hz，每2秒中开启1/8秒，将入射到样品上的波数减小16倍。

以下结合具体实施例详细描述本发明提供的这种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统及方法。

测试装备如图1所示，包括硅材料和二氧化硅材料形成的待测样品1，位于待测样品1靠近二氧化硅材料一侧的激光产生装置2，位于入射激光光路上的掩蔽物开关7，位于入射激光经待测样品1中界面反射后形成的反射激光光路上的棱镜5，位于棱镜5出射激光光路上的光电倍增管6。

在本实施例中，待测样品1中硅材料为Si(100)衬底，初始SiO₂厚度6.5nm。待测样品1放入1％的HF溶液，控制腐蚀速率，减薄SiO₂厚度。Ti：sapphire激光用来电子注入和测量界面电场。激光波长为800nm(1.55eV)，脉冲宽度150fs，频率76MHz，平均功率250mW，光斑直径50μm。

具体实验步骤如下：

首先打开掩蔽物开关7，让激光脉冲入射至待测样品1，由于电子由硅注入到氧化物，使得界面电场增加，观察到二次谐波的产生信号快速增加。一些注入的电子陷落在氧化物表面，产生界面时变电场。电子由硅注入到氧化物是三光子过程，因为硅的价带和SiO₂导带的差距为4.3eV(1.1eV硅禁带宽度，电子由Si导带激发到SiO₂导带的势垒高度为3.2eV)。

信号达到饱和后，使掩蔽物开关7频率为0.5Hz，每2秒中开启1/8秒，将入射到待测样品1上的波数减小16倍，使得注入到氧化物中电子数目锐减，由于待测样品1中存在隧穿/陷阱协助过程，使得界面处电场减小，SHG信号减弱。

二次谐波产生是一种非接触，无破坏性的技术，可以用来监控薄栅氧中的电荷-载流子动力学。光学二次谐波产生信号可以检测界面处的时变电场。单光子/多光子激活价带电子，这些电子通过扩散、隧穿等机制输运分离，在界面处产生电场。电场导致二次谐波产生表达式如下：

I^(2ω)(t)＝|χ⁽²⁾+χ⁽³⁾E(t)|²(I^(ω))²

I^(ω)是基频信号的强度，I^(2ω)是时变二次谐波产生信号的强度，三级非线性级化率，χ⁽²⁾是界面和其他源的有效二级级化率，E(t)是光子诱生电场。时变电场是氧化物界面处积累电子密度的一种量度。当激光脉冲入射样品时，界面处电场瞬时增加。瞬时行为的产生是由于SiO₂/Si界面处电子和空穴的分离。当激光脉冲入射样品时，一定数目的电子被激活，跨越氧化物势垒，输运到SiO₂/Si界面，这些电子有可能陷落在氧化物界面，随着激光脉冲，界面处电场持续增加，直至陷阱全部填充，系统达到饱和。在这一过程中，空穴的作用可以不计，因为跨越SiO₂/Si界面空穴需要更多的能量。

对于薄栅氧(＜3nm)，电子陷落的同时，量子隧穿导致表面陷落电子的复合，降低界面处电场，可以通过二次谐波产生信号进行测量。掩蔽光源，初始陷落在界面的电子将通过薄栅氧泄漏，和SiO₂/Si界面Si中的空穴复合，使得界面电场降低。

图4给出了采用此方法测得的表征硅与二氧化硅界面特性的二次谐波产生信号。可以看出，二次谐波产生信号上升达到饱和，然后激光束平均功率减小(掩蔽物开关)，二次谐波产生信号明显减弱，意味着俘获的电子由氧化物界面又返回到衬底。因此，硅与二氧化硅界面特性不佳。

本发明涉及一种表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统及方法，更确切地说，采用简单非接触，无破坏性的光学测量办法，可以用来监控薄栅氧中的电荷-载流子动力学。光学二次谐波产生信号可以检测界面处的时变电场。单光子/多光子激活价带电子，这些电子通过扩散、隧穿等机制输运分离，在界面处产生电场。本发明可以应用于集成电路工艺检测中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统，其特征在于，该系统包括：

由硅材料与二氧化硅材料形成的待测样品(1)，该待测样品(1)中具有一硅材料与二氧化硅材料形成的界面；

位于待测样品(1)靠近二氧化硅材料一侧的激光产生装置(2)，用于产生向待测样品(1)以一定角度入射的入射激光；

位于入射激光光路上的掩蔽物开关(7)，用于掩蔽或允许入射激光向待测样品(1)入射；

位于入射激光经待测样品(1)中界面反射后形成的反射激光光路上的棱镜(5)，用于分离不同波长的反射激光，使波长为400nm的反射激光入射到光电倍增管(6)；

位于棱镜(5)出射激光光路上的光电倍增管(6)，用于接收棱镜(5)分离出的波长为400nm的反射激光。

2.根据权利要求1所述的用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统，其特征在于，该激光产生装置(2)产生的入射激光波长为800nm，单个光子能量为1.55eV，脉冲宽度150fs，频率76MHz，平均功率250mW，光斑直径50μm。

3.根据权利要求1所述的用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统，其特征在于，该光电倍增管(6)是光探测器，该光探测器具有一感光材料，该感光材料由金属铯的氧化物与用于掺杂的活性金属氧化物构成。

4.根据权利要求1所述的用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统，其特征在于，该活性金属为镧系金属。

5.一种用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学方法，应用于权利要求1所述的用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学系统，其特征在于，该方法包括：

开启掩蔽物开关(7)，使激光产生装置(2)产生的入射激光向待测样品(1)入射；

在入射激光的作用下，电子在待测样品(1)中由硅材料注入到二氧化硅材料，增大待测样品(1)中界面的电场，观察到二次信号的产生信号快速增加；

二次信号的产生信号达到饱和后，以一定频率开关掩蔽物开关(7)，使注入到二氧化硅材料中电子数目锐减，界面处电场减小，二次信号的产生信号减弱。

6.根据权利要求5所述的用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学方法，其特征在于，激光产生装置(2)产生的入射激光波长为800nm，单个光子能量为1.55eV，脉冲宽度150fs，频率76MHz，平均功率250mW，光斑直径50μm。

7.根据权利要求5所述的用于表征硅与二氧化硅界面特性的光学方法，其特征在于，所述二次信号的产生信号达到饱和后以一定频率开关掩蔽物开关(7)，掩蔽物开关(7)的开关频率为0.5Hz，每2秒中开启1/8秒，将入射到样品上的波数减小16倍。

Images