TWI420094B - 於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法 - Google Patents

於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法 Download PDF

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於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法
本發明係關於半導體結構之光學特徵，而更特定言之係關於使用光調變的反射將半導體結構中之應變及主動性摻雜物特徵化。
在電子裝置製造中進行程序控制時需要高敏感度的非破壞性測量技術。為了在生產期間盡可能最早獲得回授，需要在該裝置完成之前將電子特性特徵化。重要的係，控制裝置操作之物理現象在超薄主動層中發生，該等超薄主動層因其較小的體積而難以特徵化。例如，先進的電晶體結構可以包含一薄應變矽層，其中藉由矽晶格之應變來控制該電晶體之電特性。傳統的度量技術(例如橢圓偏光術)無法有效地將此類薄膜之電子特性特徵化。有幸的係，可以使用一稱為光反射之光學技術來將薄膜之電子特性特徵化。傳統的光反射組態採用一振幅調變之雷射幫浦光束以在相關薄膜中的電子電洞群體中感應較小的週期變化。接著，使用與經調變的幫浦光束共同入射之一第二光束並利用鎖相偵測來監視較小的樣本反射率變化。本揭示內容說明應用一新的光反射度量技術將奈米厚度矽膜之主動性電子特性特徵化。
本文所揭示的於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法藉由使用一接近Si中第一較強頻帶間轉變能量(其係發生於一約375 nm之波長)之探測波長來獲得對Si奈米膜結構之電子特性之敏感度。在此一轉變附近，該光反射(PR)信號一般將呈現一明顯的類導數形狀。一般地，該PR信號採取△R/R＝α△ε1 ＋β△ε2 形式，其中α及β係包含膜堆疊資訊之"賽若芬(Seraphin)係數"，而△ε1 及△ε2 分別係介電函數之實數與虛數部分之幫浦感應的變化(Seraphin，1965年)。換言之，△ε1 及△ε2 說明幫浦感應的薄膜特性調變。可以將此等所感應的變化寫作自由載子能量與該半導體介電函數之一第三導數之乘積，如下式：△εi ＝ 3 (ωεi )/ω3 ×UP ，其中UP 係該自由載子能量而ω係光子頻率(Aspnes，1980年)。因此，針對Si選擇375 nm之探測光束波長之動機在於針對△ε1 及△ε2 之明顯的導數形式。此第三導數項可以係依據已知的半導體光學常數而直接計算得出。因此，總PR信號變成△R/R＝Re[(α－iβ)× 3 (ωε)/ω3 ]×UP 。該第三導數函數形式僅在接近該半導體頻帶結構中的較強光學吸收時才會較大，而因此可以高精確度地隔離此等特徵。正因為此而允許該PR技術精確測量奈米級應變矽層中的應變，(例如)因為接近375 nm的Si中較強光學吸收在應變下經歷一精確的偏移。在接近此等較強光學吸收之情況下，該PR回應之振幅對在活化矽電晶體通道區域中之電場亦具有極佳的敏感度：應注意，該自由電子能量係給定為表達式UP ＝e2 h2 F2 /24 mω2 ，其中e係電子電荷，h係浦朗克(Plank)常數，F係空間電荷場，而m係電子有效質量。此自由電子能量亦與感應之載子強度成正比，此可從泊松(Poisson)關係式Ne ＝ε0 F2 /2 eV看出，其中Ne 係感應的載子強度，V係內建表面電壓，而ε0 係材料電容率(Shen，1990年)。
一般的商業光學反射計之一主要問題係該探測光束之波長並非選擇成與所調查的電子材料中較強的光學吸收一致(Salnick，2003年；Borden，2000年)。因此，在傳統的光反射計中，在該介電函數之第三導數較小之波長獲得該PR信號，而因此無法獲得任何關於頻帶結構之資訊。因此，傳統的光反射計無法有效地決定內部電場或應變。實際上，此等光反射計對植入的摻雜物之損壞輪廓具敏感度(Salnick，2003年)。包含於該PR信號中之此膜堆疊資訊之重要性居於其次，而產生與植入深度成函數關係之一PR回應的餘弦狀曲線。此外，在此等傳統的光反射計中，無法將植入深度相依性與植入劑量相依性解耦。在任何情況下，可透過標準的線性光學技術(例如，橢圓偏光術(Jellison，1995年))來獲得藉由傳統的商業光反射計提供之膜堆疊。
採用波長接近較強光學轉變之一以燈為主的光譜探測光束之傳統光反射計之另一問題係在使用此一光束時其必須作到：i)使用一單色儀在每一所需波長進行連續的鎖相測量，或者ii)使用與一線性光二極體偵測陣列平行操作之多個鎖相偵測電路。在使用一單色儀之情況下，總單點測量時間一般為5至10分鐘等級，其不能滿足批量製造應用。在使用並聯鎖相電路之情況下，設備成本及複雜性係最大化。此外，在採用此一以燈為主的光譜探測光束之傳統光反射計中，該燈提供非相干光，而因此無法像一雷射光束一樣有效地聚焦至一小點。本文所揭示之於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法中，以一極佳的方式解決所有此等問題。首先，無需使用一單色儀，因為該雷射探測波長係預設於一已知的相關波長，或者係快速掃描經過複數個此類已知波長。其次，無需並聯鎖相電路，因為僅需要一偵測光二極體。而最後，使用一雷射源允許依據針對批量製造之程序控制而緊密聚焦並快速獲取資料。
一般的商業光反射計之一額外問題係該幫浦光束之波長並非選擇成提供一適用於對絕緣基板(常用於半導體製造)進行有效抽吸之吸收深度。例如，為了有效對絕緣物上矽基板進行有效抽吸，藉由該吸收深度應小於或等於頂部矽厚度之要求來限制該幫浦雷射波長。此意謂著小於約500 nm之合適的幫浦波長，此係一般商業光反射計所未滿足之一條件(Salnick，2003年)。
因此，儘管傳統的光反射計/光譜儀可能適用於其所針對之特定目的，但其並非如本揭示內容一樣適用於在該裝置完成之前半導體奈米結構之主動性電子特性之特徵。
在此等方面，本文所揭示的於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法實質上脫離先前技術之傳統概念及設計，而因此提供一種主要係開發用於在批量製造中半導體奈米結構之主動性電子特性之快速特徵的設備。
鑒於先前技術中現有之習知類型的光學光譜法所固有之前述缺點，本揭示內容提供一種於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的新方法。
本揭示內容之一般目的(隨後將更詳細地說明)係提供一種於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法，其具有前面提到的光學光譜法之諸多優點，並具有許多新穎特徵來以單獨特徵或任何特徵組合產生在任何先前技術中未曾預見、明顯提出、建議或暗示之一於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法。
該應變特徵技術之基本原理係測量在該半導體頻帶結構中的較強頻帶間轉變附近發生的光反射信號之較小波長偏移。該等PR峰值之位置允許直接決定薄膜物理特性(例如應變)。該主動性摻雜物特徵技術之基本原理同樣係透過在該半導體表面感應的奈米級空間電荷場之效應來測量在半導體頻帶結構中的較強頻帶間轉變附近發生而且對活化摻雜物非常敏感之光反射信號。該PR信號允許直接決定薄膜物理特性，例如主動性摻雜濃度。因此，於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法提供產生並記錄與半導體奈米結構的主動性電子特性相關之光反射資訊之能力。
為達到此目的，本揭示內容包含在NIR－VIS中操作之一約15 mW的二極體雷射幫浦光束，此係作為一可能的具體實施例。藉由一在100 kHz至50 MHz範圍內操作的信號產生器對該幫浦光束進行振幅調變。可直接調變該幫浦雷射，或者可以透過傳統的電光或聲光調變技術來調變該幫浦光束。可以藉由固定一偏光器來改變幫浦偏光。該探測光束包含在VIS－UV中操作之一約5 mW的二極體雷射光束，此係作為一可能的具體實施例。藉由使用一二色性分光器使得該幫浦及探測成為共線。該共線幫浦與探測係朝向該樣本上之一微米級的點，並收集鏡面反射。接著藉由使用一濾色片來令該幫浦光衰減，並接著將其餘的探測光(包含該樣本之調變的反射率)聚焦進入該光二極體並轉換為電流。將此電流傳遞至鎖定放大器，該鎖定放大器測量該反射率變化之振幅及相位。接著，將此PR信號儲存為探測波長、幫浦強度及幫浦與探測偏光之函數。從而，獲取與半導體奈米結構的主動性電子特性相關之光反射資訊。
作為本揭示內容標的之半導體材料可以係任何半導體材料，並可以包括但不限於II至VI族半導體材料或III至V族半導體材料。在特定的具體實施例中，此類材料可以包括矽、碳、鍺、碳化矽、矽鍺、硼、磷、砷或其任何組合，或者其可以包括砷化鎵、砷化鋁、氮化鎵、氮化鋁、氮化銦、磷化鎵、磷化銦、砷化銦或其任何組合。
至此，已從相當廣義的角度概述本揭示內容之較重要特徵，從而使得可更佳理解其詳細說明，並使得可更佳明白本發明對此項技術之貢獻。後面將說明本揭示內容之額外特徵。
在此方面，在詳細說明本揭示內容之至少一具體實施例之前，應瞭解本揭示內容在其應用方面並不限於構造細節以及後面說明內容中所提出或者圖中所示組件之配置。本揭示內容能夠採取其他具體實施例而且可以採取各種方式來實作及實施。還應瞭解，本文所使用的措辭及術語係作為說明之用，而不應視為限制。本揭示內容可以係具體化為附圖所示之形式，但是應注意，事實上該等圖式僅係解說性，而可在圖示特定構造中加以變更。
下文說明針對矽奈米膜結構中應變及主動性摻雜物之特徵來使用於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法。應瞭解，本揭示內容之於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法可用於分析任何半導體結構，矽奈米膜結構之說明僅係視為範例性而對範疇無任何限制意義。
現在參看圖式之說明，圖1包含一可以使用本揭示內容之光反射技術來特徵化之一範例性的應變矽膜結構之一放大視圖。應變的矽膜結構可以係使用分子束磊晶及/或化學汽相沉積及/或金屬有機化學汽相沉積來生長，其包含：一矽基板1，在其上面生長一Ge含量增加(最高達到約10至30%的Ge)之分級式組合矽鍺層2；接下來係一均勻的組合SiGe層3；而最後係一頂部薄應變矽膜4。該等SiGe層2及3形成一虛擬SiGe基板，該頂部矽晶格與此基板一致，從而在該頂部矽層中感應拉伸應變。在一範例性具體實施例中，該頂部應變Si層4包含一約10.0 nm之厚度。
依據如圖2所示本揭示內容之配置，於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法可用於測量自該應變矽奈米膜結構或任何其他半導體結構之反射光譜，以便將該半導體結構之物理特性(例如頻帶間轉變能量、主動性載子濃度及表面電場)特徵化。如圖2所示，該光反射配置包含一幫浦雷射5、一探測雷射6、一二色性分光器7、一偏光分光器8、一無色四分之一波板9、一反射樣本10、一濾色片11、一光二極體12、一鎖定放大器13及一電腦14，以控制測量參數並記錄反射率變化。在一範例性具體實施例中，使用來自該鎖定放大器13之一1伏特峰值至峰值方波參考信號來直接調變該幫浦雷射強度。透過使用該二色性分光器7來使得該等幫浦及探測光束成為共線。接著，使用一無色聚焦透鏡將該等共線光束聚焦到該反射樣本10上，並使用一聚光透鏡來加以收集。接著使用一濾色片來令該幫浦光衰減。接著，將其餘探測光(包含該樣本之調變的反射率)聚焦進入該光二極體12並轉換為電流。將此電流傳遞至鎖定放大器13，該鎖定放大器13測量該反射率變化之振幅及相位。將此資訊傳遞至該電腦14，該電腦14將反射率之差動變化記錄為驅動頻率之函數。
該幫浦雷射5係一連續波雷射，其光子能量處於或高於所調查半導體之帶隙。對於矽，該帶隙發生於約1100 nm波長。在一範例性具體實施例中，該幫浦波長約為488 nm，而該幫浦雷射功率約為15 mW。當該主動層係一絕緣物上矽基板之薄頂部矽層以至於必須在該頂部Si層內吸收該幫浦光來有效調變該載子密度時，此波長尤其有用。可以藉由電腦14來控制該幫浦雷射強度。幫浦雷射5具體實施例包括以約5 mW或更高功率進行操作而在NIR－VIS波長範圍內發射之二極體雷射。可以透過使用一電光或聲光振幅調變配置來直接調變或在外部調變該幫浦雷射光束。在一範例性具體實施例中，藉由來自該鎖定放大器13之內部參考信號對該幫浦雷射5進行高頻率的直接調變。該驅動頻率從約100 kHz至50 MHz變化。還可以讓該幫浦雷射光束穿過一偏光器，該偏光器之角度位置可以係藉由該電腦來控制。此提供一振幅調變、可變偏光之幫浦光束。該探測雷射6包含光子能量處於或接近受調查半導體之一頻帶間轉變能量之一連續波雷射二極體。對於矽，該第一較強頻帶間吸收發生於約375 nm波長。在一範例性具體實施例中，該探測波長約為375 nm，而該幫浦雷射功率約為5 mW。在特定具體實施例中，該探測雷射6係一中心波長約為375 nm且具有約10奈米或更大的可調諧範圍之外部腔可調諧二極體雷射。探測雷射6具體實施例包括以約10 mW或更小功率進行操作而在VIS－UV波長範圍內發射之二極體雷射。透過使用二色性分光器7來使得該等幫浦及探測光束成為共線。使用一高數值孔徑聚焦配置將該等共線光束聚焦至該樣本上，並且收集該等鏡面反射且將其引導至一濾色片11上。聚焦具體實施例包括共同入射光束配置，其中任一雷射光束係聚焦為一50微米或更小之直徑。圖3示意性顯示穿過該光學系統時的探測雷射光束及偏光。所有光學元件皆與個別的光源波長匹配。一旦該探測光束從該反射樣本10反射，其便因所感應的樣本光學特性調變而在該幫浦調變頻率具有一振幅調變。因此，該探測光束包含形式為Io [R(DC)＋△R(Ω)]之一信號。藉由該濾色片11讓來自該幫浦光束之光衰減，並將其餘探測光傳遞至該光二極體12。因此，該光二極體輸出包含與該探測信號成正比之電流。
來自該光二極體之直流信號與Io R成正比，而交流信號與Io △R成正比。為測量△R/R，必須將強度Io 正規化。此係藉由將該交流信號除以該直流信號來實現。針對該範例性具體實施例之△R/R典型振幅處於10－2 至10－6 等級。對該光二極體輸出執行相位敏感測量，而電腦14記錄測量光電流。該電腦14可以控制探測波長、調變頻率、幫浦雷射強度及任一光束之偏光。因此，將△R/R記錄為探測波長、調變頻率、雷射強度及偏光之函數。具體實施例包括對不改變基本PR信號之配置進行改變。
如上面所提到，該應變特徵技術之基本原理係測量在該半導體頻帶結構中的較強頻帶間轉變附近發生的光反射信號之較小偏移。圖4解說用以使用一單一探測波長來監視薄應變矽膜中的應變之基本原理。吾等習知，發生於λ375 nm之矽"E1 "頻帶間轉變在應變下會經歷一分割及偏移。該等應變頻帶間轉變能量之位置係給定為：E± ＝E1 ＋△EH ±△ES ，其中△EH (<0)及△ES 分別對應於流體靜力及剪力感應偏移。此等兩項皆係線性應變，從而產生與應變成線性比例之一總偏移。圖4包含在約1%之一矽晶格應變下對應於無應變的矽E1 頻帶間轉變能量及紅移的E－ 頻帶間轉變能量之模擬的PR信號。如圖所示，對於在該E1 頻帶間轉變能量附近之一單色探測光束，該PR信號在應變之存在下將經歷一符號變化。因此，藉由選擇一處於或很接近受調查的無應變半導體之一較強頻帶間轉變的單一探測波長，可以藉由該PR回應之一符號變化來決定應變之存在。此外，如圖4所示，若處於或很接近此一頻帶間轉變，則該PR信號與應變成一線性函數關係。因此，該PR信號可用於依據一近似線性方程式：△R/R＝mχ＋b，來簡單地監視該應變之量級，其中χ係物理應變，m係一據經驗決定的線性相關係數，而b係一小偏移。
在該PR信號△R/R與應變之關聯中，知道膜堆疊對該PR信號之影響係要點。此係藉由組成關係式△R/R＝α△ε1 ＋β△ε2 提供，其中α及β係包含膜堆疊資訊之賽若芬係數，而△ε1 及△ε2 分別係該樣本偽介電函數之實數與虛數部分之幫浦感應的變化。藉由吸收深度來設定該PR回應之深度並因此設定其中以知道該膜堆疊對PR信號的影響為要點之範圍。在375 nm波長，矽中的吸收深度為δ22.6 nm。此意謂著對於大於22.6 nm之頂部矽厚度，一375 nm之探測光束快速損失對下部膜結構之敏感度。圖5包含針對典型的10%、20%及30% SiGe之Ge濃度，與頂部矽厚度成函數關係而計算的圖1所示範例性膜結構之反射。藉由將此反射率相對於ε1 及ε2 從數值上加以區分，可以計算出賽若芬係數，即：α＝(lnR)/ε1 及β＝(lnR)/ε2 。圖6及7包含針對典型的10%、20%及30% SiGe之Ge濃度，與頂部矽厚度成函數關係的針對圖1所示範例性膜結構之賽若芬係數。該等賽若芬係數在相關參數空間中不改變符號之事實表明在375 nm觀察到的PR信號之任何符號變化不可能係由於頂部矽厚度或Ge濃度之變化而產生。因此，△R/R符號之任何變化必定係由於△ε1 或△ε2 符號之一變化而產生，此指示應變之存在。計算的賽若芬係數亦表明△R/R與膜堆疊參數之相依性。
為了表明與應變之存在相關之PR信號變化，分析包含圖1所示範例性結構變化之兩個樣本集。相關的基本問題係，此等集之每一集中的頂部矽膜中的哪一膜(在存在之前提下)有應變。樣本集1包含五個晶圓：一無應變的矽基板；在矽基板上具有鬆弛的SiGe(~18.5% Ge)之兩個晶圓；以及在矽基板上具有鬆弛的SiGe(~18.5% Ge)且具有約6 nm厚的額外頂部應變矽膜之兩個晶圓。下表1說明樣本集1。
樣本集2包含六個晶圓，每一晶圓包含圖1所示的整個堆疊，而頂部矽厚度及Ge濃度有變化。下表2說明樣本集2。
圖8顯示在20 MHz之一固定調變頻率下對樣本集1所取之PR資料。晶圓#1、#3及#5、無應變的矽基板及鬆弛的SiGe晶圓，顯示約＋1×10－5 之PR信號。由於該PR光譜係來自該頂部矽膜及鬆弛的SiGe層之回應之一線性重疊，因此吾等可以推斷若晶圓#2及#4包含無應變的頂部矽，則此等晶圓之回應必定為正，此與晶圓#1、#3及#5類似。但是，作為唯一具有頂部矽的晶圓之晶圓#2及#4顯示相反符號之PR信號。進一步，圖6及7表明，針對晶圓#2及#4所見之該PR回應的符號變化不可能係一膜堆疊效果。因此，依據圖4所描述之應變測量原理，針對晶圓#2及#4所見之負PR信號係由於該頂部矽中的應變而產生。
圖9顯示在20 MHz之一固定調變頻率下對樣本集2所取之PR資料。晶圓#1、#5及#6顯示~1－2×10－5 之PR信號。但是，晶圓#2、#3及#4顯示相反符號而量級~3－4×10－5 之PR信號。藉由檢查表2，可以看出該等負PR信號對應於頂部矽膜厚度約為10 nm之晶圓，而該等正信號對應於厚度約為20 nm之膜。但是，圖6及7表明，負PR回應不可能係一膜堆疊效果。此顯示對於樣本集2，當該頂部矽厚度超過約20 nm時該應變鬆弛。進行獨立計算來預測針對比約15 nm厚度更厚的頂部矽膜之應變釋放(在本文之條件下)，從而支援此結論。與樣本集1之結果類似，吾等推斷樣本集2之晶圓#2、#3及#4有應變，而其他晶圓無應變。
現在來看主動性摻雜物特徵技術之說明。圖10包含可使用本揭示內容之於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法來分析之一植入並退火的矽膜結構之一範例性圖式。該植入並退火的矽奈米膜結構包含用於製造積體電路之一標準矽基板15，將一均勻的砷(As)摻雜物層植入於該基板中，而此後執行一活化退火。在一範例性具體實施例中，該植入層16包含位於該晶圓表面或其附近之一約10至40 nm的厚度。實際上，植入的摻雜物形成一分級式分佈，因此圖10僅提供一近似結構來模擬植入並退火的矽奈米膜結構之光學特性。產生具有變化的植入劑量及植入能量之一組植入砷的矽晶圓。該處理矩陣使用24個晶圓，而其植入劑量及深度係以估計當前及未來製造規格為目的。改變植入能量以產生在約10 nm至40 nm範圍內之深度，而同時改變該等劑量以產生約1018 個原子/cc至1020 個原子/cc之標稱摻雜密度。針對每一分割植入產生退火與未退火的晶圓。表3包含關於該矩陣之資訊，其中包括估計的摻雜輪廓。有4個植入能量：晶圓#1至6、7至12、13至18及19至24分別對應於10、20、30及40 nm之植入深度。此等目標深度之每一深度進一步包含等級為每平方公分1012 、1013 及1014 個離子之三個分割劑量。最輕的劑量對應於約1×1018 個離子/cc之一密度。最後，執行一分割退火，其包含在1000℃下5秒鐘之一單一退火。此退火意在針對所有劑量及密度條件產生最大的摻雜物活化。不對摻雜物擴散的最小化作任何嘗試。
如上面所提到，該主動性摻雜物特徵技術之基本原理係測量在該半導體頻帶結構中的較強頻帶間轉變附近發生之光反射信號。圖11顯示在一F＝430 kV/cm之感應空間電荷場(其大致對應於1018 /cc之一幫浦感應的載子密度)之情況下在Si E1 光學吸收附近之計算的PR信號。在商業植入監視應用中作為常規而感應此載子濃度(Opsal，1985年)。如圖11所示，在約360至380 nm之波長範圍內，此信號之振幅相當大。事實上，其比在現有的植入監視系統中所獲得之PR信號至少大兩個量級等級(Opsal，1985年)。此外，下文表明，該主動性摻雜物特徵技術可用於區分並測量在Si電晶體通道中的主動性摻雜物，而現有系統已經證實無法實施此應用。
為瞭解植入損壞對該PR信號之影響，再次需要評估該等賽若芬係數。該損壞輪廓對該材料之線性光學回應負責而歷史上已用作對該植入本身之一測量。為進行解說而考量在633 nm波長下針對植入損壞的Si之賽若芬係數。此係一般商業植入監視PR系統之波長(Opsal，1985年)。由於探測波長之位置遠離矽中任何明顯的光學特徵，因此直接由(居德(Drude))載子密度之調變而產生光反射信號。針對633 nm波長，明顯的僅係在該介電函數之實數部分中的變化。因此，吾等可得出△R/Rα△ε1 ，而在α中包含所有膜堆疊資訊。為計算α＝(lnR)/ε1 ，吾等可以首先根據該損壞層、基板之折射率及該損壞層之厚度而推導針對R之一分析表達式。此亦可以採取數值方式並針對任何入射角或偏光條件來實行。接著，可將R相對於該介電函數之實數部分而從數值上加以區分，而構造α。一般地，該等賽若芬係數將以一4πnd/λ週期振盪，其中n係該損壞層上之折射率，d係該損壞層之厚度，而λ係該探測光束波長。該週期與該材料中的光路徑長度相關，而因此亦與該入射角相關。此外，該等振盪因該光之吸收深度而減幅。但是，對於正交入射以及在Si大部分透明時所處之波長，此等考量因素並不重要。圖12顯示在633 nm探測光束之情況下該賽若芬係數α與該損壞層深度及損壞分率之相依性。該等頂部、中部及底部曲線分別對應於該植入層之10%、30%及50%非晶化。此等餘弦狀曲線之週期先前已獲適配以嘗試擷取接面深度敏感度。但是，實務上，該633 nm的探測損失對約15 nm或更小植入深度之敏感度，因為α中包含的△R/R之接面深度相依性無法與△ε1 中包含的劑量相依性解耦。特定言之，植入深度與劑量之一同時增加不可能引起該633 nm探測信號之任何變化。此係現有工具無法有效地用於接面深度程序控制之一原因。此外，低劑量測量之要求對現有工具提出嚴峻的挑戰，因為其依賴於對該居德載子分散之本質上較小變化之敏感度。
對在波長375 nm下針對植入損壞的Si之賽若芬係數進行考量以作進一步解說。針對此波長，該介電函數之實數與虛數部分皆有明顯變化。因此，在決定包含於△R/R中的膜堆疊資訊時，吾等必須考量α與β。在375 nm波長，矽中的吸收深度為δ22.6 nm。該吸收深度設定該PR回應之深度並因此設定其中以知道該膜堆疊對PR信號的影響為要點之範圍。此意謂著對於大於22.6 nm之表面膜厚度，一375 nm之探測光束很快變成對下部膜結構不敏感。圖13顯示在375 nm光束之情況下該賽若芬係數α與損壞層深度及損壞分率之相依性。頂部、中部及底部曲線分別對應於10%、30%及50%之非晶化損壞。可明顯看出由於此波長之吸收而產生的餘弦狀曲線之減輕。在375 nm探測下該等賽若芬係數之較短振盪週期表明此波長將呈現對低達約10 nm及更低接面深度之敏感度(優於該633 nm波長探測)。圖14顯示在375 nm光束之情況下該賽若芬係數β與該損壞層深度及損壞分率之相依性。該等頂部、中部及底部曲線分別對應於10%、30%及50%之非晶化。
為建立該主動摻雜物特徵技術之能力，該PR設備係配置有一共線幫浦及45°入射角之探測光束。該等幫浦及探測波長分別為845 nm及374 nm。藉由一由該鎖定放大器產生之2 MHz方波來直接調變該幫浦雷射強度。該幫浦雷射強度約為15 mW。使用一無色顯微物鏡將該共線幫浦及探測聚焦至一約6.5微米之點直徑。對於此等條件，藉由該幫浦產生之載子密度比在傳統商業系統中所用者至少小兩個量級等級，或者1×1016 /cc。但是，該374 nm探測之大大提高的敏感度容易補償此減小的幫浦強度，而使得信號位準與商用系統位準相當。圖15顯示針對晶圓#2、#4及#6之PR信號。此等晶圓具有相同的7 keV能量As植入，其目標係形成一10 nm深度之接面。晶圓#2接收一1×1012 /cm2 劑量，晶圓#4接收一1×1013 /cm2 劑量，而晶圓#6接收一1×1014 /cm2 劑量。每一晶圓接收一相同退火，且預期會受到完全活化。該PR信號之模數|△R/R|從3×10－6 升高至3×10－5 ，或者升高約一量級等級，從晶圓#2升高至#6。此表明大約在10 nm接面深度情況下，劑量變化二十倍，則信號變化十倍。因此，該PR技術表明在未來製程所需要的超淺接面深度之情況下在退火晶圓中對劑量之極佳敏感度。還可以看出該資料具有極高的可重製性：載入/卸載後的資料點幾乎精確地互相重製。針對該等PR信號之絕對測量精度為5×10－7 。圖16、17及18顯示隨著針對更大植入能量之劑量而增加之類似信號。圖16顯示針對晶圓#8、#10及#12之PR信號。此等晶圓具有相同的20 keV能量As植入，其目標係形成一20 nm深度之接面。晶圓#8接收一2×1012 /cm2 劑量，晶圓#10接收一2×1013 /cm2 劑量，而晶圓#12接收一2×1014 /cm2 劑量。每一晶圓接收一相同退火，且預期會受到完全活化。該PR信號之模數從4×10－6 升高至2.6×10－5 ，或者升高約一量級等級，從晶圓#8升高至#12。此再次表明針對20 nm超淺接面深度在退火晶圓中極佳的PR對劑量之敏感度及極佳的信號可重製性。圖17顯示針對晶圓#14、#16及#18之PR信號。此等晶圓具有相同的35 keV能量植入，其目標係形成一30 nm深度之接面。晶圓#14接收一3×1012 /cm2 劑量，晶圓#16接收一3×1013 /cm2 劑量，而晶圓#18接收一3×1014 /cm2 劑量。每一晶圓接收一相同退火，且預期會受到完全活化。該PR信號之模數|△R/R|從5×10－6 升高至3×10－5 ，或者約升高一量級等級，從晶圓#14升高至#18。此再次表明針對30 nm超淺接面深度在退火晶圓中極佳的PR對劑量之敏感度及極佳的信號可重製性。圖18顯示針對晶圓#20、#22及#24之PR信號。此等晶圓具有相同的50 keV能量植入，其目標係形成一40 nm深度之接面。晶圓#20接收一4×1012 /cm2 劑量，晶圓#22接收一4×1013 /cm2 劑量，而晶圓#24接收一4×1014 /cm2 劑量。每一晶圓接收一相同退火，且預期會受到完全活化。該PR信號之模數從4×10－6 升高至4×10－5 ，或者升高約一量級等級，從晶圓#20升高至#24。此再次表明針對40 nm超淺接面深度在退火晶圓中極佳的PR對劑量之敏感度及極佳的信號可重製性。
如先前所述，預期PR信號隨接面深度有一正弦變化。圖19顯示與接面深度成函數關係的針對每一退火晶圓之PR信號模數。圖19中大致對應於1×1018 /cc、1×1019 /cc及1×1020 /cc恆定摻雜密度的三"列"之每一列呈現此一正弦變化。圖20藉由縮放圖19之最低密度列來進一步表明針對最低劑量之該PR資料之此特徵。
圖21顯示針對晶圓#1、#3及#5之PR信號。此等系不退火的"僅植入"晶圓。此等晶圓具有相同的7 keV能量As植入，其目標係形成一10 nm深度之接面。晶圓#1接收一1×1012 /cm2 劑量，晶圓#3接收一1×1013 /cm2 劑量，而晶圓#5接收一1×1014 /cm2 劑量。該PR信號之模數|△R/R|從1.6×10－5 減小至3×10－6 ，約為一量級等級，從晶圓#1減小至#5。此隨著劑量增加之信號減小(其與針對該退火晶圓而觀察到的特性相反)係由於因該植入而產生的損壞減低該晶體SiE1 頻帶間轉變能量之銳度所致。此表明針對10 nm超淺接面深度在"僅植入"晶圓中極佳的PR對劑量之敏感度。圖22、23及24顯示隨著針對更大植入能量之劑量而減小之類似信號。圖22顯示針對晶圓#7、#9及#11之PR信號。此等晶圓具有相同的20 keV能量As植入，其目標係形成一20 nm深度之接面。晶圓#7接收一2×1012 /cm2 劑量，晶圓#9接收一2×1013 /cm2 劑量，而晶圓#11接收一2×1014 /cm2 劑量。每一晶圓係"僅植入"而不退火。該PR信號之模數|△R/R|從1.2×10－5 減小至3×10－6 ，減小約一因數4，從晶圓#7減小至#11。此表明針對20 nm超淺接面深度在"僅植入"晶圓中極佳的PR對劑量之敏感度。圖23顯示針對晶圓#13、#15及#17之PR信號。此等晶圓具有相同的35 keV能量As植入，其目標係形成一30 nm深度之接面。晶圓#13接收一3×1012 /cm2 劑量，晶圓#15接收一3×1013 /cm2 劑量，而晶圓#17接收一3×1014 /cm2 劑量。每一晶圓係"僅植入"而不退火。該PR信號之模數|△R/R|從1×10－5 減小至2×10－6 ，減小約一因數5，從晶圓#13減小至#17。此再次表明針對30 nm超淺接面深度在"僅植入"晶圓中極佳的PR對劑量之敏感度。圖24顯示針對晶圓#19、#21及#23之PR信號。此等晶圓具有相同的50 keV能量As植入，其目標係形成一40 nm深度之接面。晶圓#19接收一4×1012 /cm2 劑量，晶圓#21接收一4×1013 /cm2 劑量，而晶圓#23接收一4×1014 /cm2 劑量。每一晶圓係"僅植入"而不退火。該PR信號之模數|△R/R|從6×10－6 減小至2×10－6 ，減小約一因數3，從晶圓#19減小至#23。此表明針對40 nm超淺接面深度在"僅植入"晶圓中極佳的PR對劑量之敏感度。
圖25顯示與接面深度成函數關係的針對每一As植入晶圓之PR信號模數。藉由跟隨圖25中的每一"列"，可看出每一組目標摻雜密度(1×1018 /cc、1×1019 /cc及1×1020 /cc)跟隨一減幅的正弦變化。觀察所見隨植入深度減小的對劑量敏感度係由於該損壞層內減小的結晶性與較大的完全吸收之一組合所致。
因此，如本文所揭示，於半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵的方法提供對半導體奈米結構中的應變及主動性摻雜物加以區分及測量之一新穎而精確的能力，而因此實質上脫離先前技術之傳統概念及設計。
對於關於本揭示內容之使用及操作方式之進一步說明，相同方面可從以上說明內容中明白。因此，將不提供與使用及操作方式相關的任何進一步說明。
因此，對於以上說明，應明白對於本揭示內容之部分，欲包括尺寸、材料、形狀、形式、功能及操作方式、組裝及使用之最佳尺寸關係對於熟習此項技術者而言容易顯現並明白，而與圖中所示及在說明書中說明的該些關係等效之所有關係皆希望係由本揭示內容來涵蓋。
因此，前述內容應視為僅解說本揭示內容之原理。進一步，由於熟習此項技術者可輕易地發現許多修改及變化，因此不需要將本揭示內容限制於圖示及所說明的精確構造及操作，而因此可以轉而採用任何合適的修改及等效方案而不超出本揭示內容之範疇。
參考文獻
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1．．．矽基板
2．．．分級式組合矽鍺層
3．．．均勻的組合SiGe層
4．．．頂部薄應變矽膜
5．．．幫浦雷射
6．．．探測雷射
7．．．二色性分光器
8．．．偏光分光器
9．．．無色四分之一波板
10．．．反射樣本
11．．．濾色片
12．．．光二極體
13．．．鎖定放大器
14．．．電腦
15．．．標準矽基板
16．．．植入層
以下圖式形成本說明書之部分，而且係隨附用於進一步表明本揭示內容之特定方面。藉由參考此等圖式之一或更多圖式並結合本文關於特定具體實施例所作之詳細說明，可更佳理解本揭示內容。
圖1解說可藉由使用本揭示內容之應變特徵技術來分析之一範例性的應變矽膜結構；圖2包含依據本揭示內容可用於提供半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵之光反射率設備之一配置；圖3包含依據本揭示內容可用於提供半導體結構中應變及主動性摻雜物之光反射特徵之光反射率設備探測光束偏光之一示意性配置；圖4包含矽中的"E1 "頻帶間轉變因雙軸應變而產生之一示意性偏移，並解說本揭示內容之應變特徵技術之測量原理；圖5係與頂部矽厚度及SiGe層Ge濃度成函數關係的在一光學厚矽鍺層頂部上之一薄矽膜在λ＝375 nm下計算的直流反射；圖6係與頂部矽厚度及SiGe層Ge濃度成函數關係的在一光學厚矽鍺層上之一薄矽膜在λ＝375 nm下計算的賽若芬係數α＝(lnR)/ε1 ；圖7係與頂部矽厚度及SiGe層Ge濃度成函數關係的在一光學厚矽鍺層上之一薄矽膜在λ＝375 nm下計算的賽若芬係數β＝(lnR)/ε2 ；圖8係針對樣本集1中的每一樣本而標繪的處於一20 MHz調變頻率下之實驗性PR信號；圖9係針對樣本集2中的每一樣本而標繪的處於一20 MHz調變頻率下之實驗性PR信號；圖10解說可藉由使用本揭示內容之於半導體結構中主動性摻雜物之光反射特徵的方法來分析之一範例性植入/退火的矽奈米膜結構；圖11係針對F＝430 kV/cm之一幫浦感應的空間電荷場，在SiE1 頻帶間轉變能量附近之計算的PR信號；圖12係與植入劑量及深度成函數關係的在一光學厚矽基板上之一薄植入損壞層在λ＝633 nm下計算的賽若芬係數α＝(lnR)/ε1 ；圖13係與植入劑量及深度成函數關係的在一光學厚矽基板上之一薄植入損壞層在λ＝375 nm下計算的賽若芬係數α＝(lnR)/ε1 ；圖14係與植入劑量及深度成函數關係的在一光學厚矽基板上之一薄植入損壞層在λ＝375 nm下計算的賽若芬係數β＝(lnR)/ε2 ；圖15係針對目標接面深度為10 nm之As植入並退火的晶圓在一2 MHz調變頻率下之實驗性PR信號；圖16係針對目標接面深度為20 nm之As植入並退火的晶圓在一2 MHz調變頻率下之實驗性PR信號；圖17係針對目標接面深度為30 nm之As植入並退火的晶圓在一2 MHz調變頻率下之實驗性PR信號；圖18係針對目標接面深度為40 nm之As植入並退火的晶圓在一2 MHz調變頻率下之實驗性PR信號；圖19係與接面深度成函數關係而標繪之如圖15至18所示針對As植入及退火的晶圓之實驗性PR信號；圖20係與接面深度成函數關係而標繪之如圖15至18所示針對"低劑量"As植入及退火的晶圓之實驗性PR信號；圖21係針對目標接面深度為10 nm之As"僅植入"(未退火)的晶圓在一2 MHz調變頻率下之實驗性PR信號；圖22係針對目標接面深度為20 nm之As"僅植入"的晶圓在一2 MHz調變頻率下之實驗性PR信號；圖23係針對目標接面深度為30 nm之As"僅植入"的晶圓在一2 MHz調變頻率下之實驗性PR信號；圖24係針對目標接面深度為40 nm之As"僅植入"的晶圓在一2 MHz調變頻率下之實驗性PR信號；圖25係與接面深度成函數關係而標繪之如圖21至24所示針對As"僅植入"的晶圓之實驗性PR信號。
5．．．幫浦雷射
6．．．探測雷射
7．．．二色性分光器
8．．．偏光分光器
9．．．無色四分之一波板
10．．．反射樣本
11．．．濾色片
12．．．光二極體
13．．．鎖定放大器
14．．．電腦

Claims (19)

  1. 一種決定一半導體結構之物理特性的方法，該方法包含以下步驟：a)使用一振幅調變的幫浦雷射光束來照射該半導體結構之一表面之一區域，該幫浦光束包含能量大於該半導體結構內之一半導體材料的最小頻帶間轉變能量之至少一波長，從而感應該半導體結構中的該電子電荷密度之時間週期變化以至於該半導體結構內的該電場獲得一時間週期調變，而其中該半導體結構內的半導體材料受到頻帶間轉變能量之一時間週期調變；b)藉由一分離的探測雷射光束來照射步驟a)之該區域之一部分，該探測光束包含至少一波長，該至少一波長在該半導體結構內之一半導體材料之一頻帶間轉變能量附近並適用於記錄在頻帶間轉變能量附近發生的半導體材料光學回應之感應變化；c)記錄來自該半導體結構之該照射之反射的交流探測光，其中該交流探測光包含稱為該光反射信號的該半導體材料光學回應之該感應變化；以及d)使用在步驟a)、b)及c)中收集之資訊來決定該半導體結構之物理特性。
  2. 如請求項1之方法，其中依據一據經驗決定的校準曲線來監視該物理應變，該校準曲線將該正規化的光反射信號之該符號及振幅與該物理應變關聯。
  3. 如請求項1之方法，其中依據關係式△R/R＝m χ＋b來監視該物理應變，其中△R/R係該正規化的光反射信號，χ係該物理應變，m係一據經驗決定之線性相關係數，而b係一據經驗決定的偏移。
  4. 如請求項1之方法，其中依據將該正規化的光反射信號與該電子電荷密度關聯之一據經驗決定的校準曲線來監視該電子電荷密度。
  5. 如請求項1之方法，其中依據關係式△R/R＝mNe ＋b來監視該電子電荷密度，其中△R/R係該正規化的光反射信號，Ne 係該電荷密度，m係一據經驗決定之線性相關係數，而b係一據經驗決定之偏移。
  6. 如請求項1之方法，其中依據關係式△R/R＝mF2 ＋b來監視該電場，其中△R/R係該正規化的光反射信號，F係該電場，m係一據經驗決定之線性相關係數，而b係一據經驗決定之偏移。
  7. 如請求項1之方法，其中依據將該正規化的光反射信號與該電子電荷密度輪廓關聯之一據經驗決定的校準曲線來監視該電子電荷深度輪廓。
  8. 如請求項1之方法，其中該探測雷射係在該半導體材料之該光學回應中提供與至少一頻帶間轉變能量接近的多個波長之一可調諧波長雷射，而其中交流探測光波長資訊係用於決定該頻帶間轉變能量之位置、振幅、光譜寬度及/或光譜形狀。
  9. 如請求項1之方法，其中該半導體結構包含一絕緣物上半導體之膜結構，而其中該幫浦光束之該波長係選擇成提供一小於或等於該電絕緣半導體層的厚度之一吸收深度，而因此適用於感應該絕緣半導體層內該電子電荷強度之時間週期變化。
  10. 如請求項1之方法，其中該半導體結構包含一電絕緣半導體材料，而其中該幫浦光束之該波長係選擇成提供一小於或等於該半導體材料的該等物理尺寸之一吸收深度，而因此適用於感應該絕緣半導體層內該電子電荷密度之時間週期變化。
  11. 如請求項1之方法，其中決定與幫浦光束強度成函數關係的該光反射信號之變化。
  12. 一種用以偵測一半導體結構的物理特性之設備，其包含：一半導體結構，其具有一反射表面；一幫浦雷射系統，其提供具有一在100 kHz至50 MHz範圍內的調變頻率之一振幅調變的雷射光束，其以約5 mW或更大之光學功率進行操作，並包含能量大於該半導體結構內之一半導體材料的該最小頻帶間轉變能量之至少一波長；一探測雷射系統，其提供一連續波雷射光束，其操作於約10 mW或更小之光學功率，並包含與該半導體結構內之一半導體材料之一頻帶間轉變能量接近之至少一波長；一光學系統，其有效地將任一雷射光束聚焦至直徑50微米或更小的該半導體結構之一表面上之一共同焦點，並將從樣本反射的探測光分離且引導進一光接收器；一光接收器，其係組態用於產生與輸入強度成正比之一電流；一鎖相信號偵測系統，其係連接用於記錄該光接收器輸出；以及一電腦，其具有測量及系統控制軟體。
  13. 如請求項12之設備，其中該半導體結構包含一絕緣物上矽基板，而該幫浦雷射波長約為500 nm或更小。
  14. 如請求項12之設備，其中該探測雷射波長約為375 nm。
  15. 如請求項12之設備，其中該探測雷射係一外部腔可調諧波長雷射，其提供與該半導體結構內之一半導體材料之一頻帶間轉變能量附近之多個波長。
  16. 如請求項12之設備，其中透過使用一二色性分光器來使得該等幫浦與探測雷射光束變成共線。
  17. 如請求項16之設備，其中使用一無色物鏡將該等共線幫浦與探測雷射光束共同聚焦至該半導體結構之一表面之一區域上。
  18. 如請求項12之設備，其中藉由使用一濾色片將該幫浦光與該反射的交流探測光分離。
  19. 如請求項12之設備，其中藉由在該鎖相偵測系統內部產生之一參考信號來直接調變該幫浦雷射強度。
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