[发明专利]半导体结构中应变和活化的掺杂剂的光-反射特性刻画方法

说明书

有关申请的交叉参考

本发明要求2005年10月27日提交的美国临时专利申请60/730,293以及2006年7月17日提交的美国临时专利申请60/831,363的权益，这里全面地结合这两个专利申请作为参考。

发明领域

本发明涉及半导体结构的光学特性刻画，尤其，涉及使用光—调制反射率来给出半导体结构中应变和活化的掺杂剂的特性。

背景技术

在制造电子器件的工艺控制中需要高灵敏度的非—破坏性测量技术。为了在生产期间能获得早期可能的反馈，需要在器件完工之前给出其电子特性。重要的是，支配器件工作的物理现象发生在极薄的活化层中，由于它们的体积很小而难于给出其特性。例如，先进的晶体管结构可以包括薄的有应变的硅层，其中硅晶格的应变控制了晶体管的电气特性。诸如椭圆偏光法之类传统的度量衡技术不能有效地给出这些薄膜的电子特性。幸运地，可以使用已知为光—反射的光学技术来给出薄膜的电子特性。传统的光—反射配置使用幅度调制的激光器泵浦波束在感兴趣的薄膜中的电子—空穴总数中诱发小周期变化。然后使用锁相技术用与调制的泵浦波束符合的第二光束来监视小采样的反射率变化。这个揭示描述应用新的光—反射率度量衡技术来给出纳米厚度硅膜的活化电子特性。

通过使用接近Si中第一强带间跃迁能量的探测波长，这里揭示的半导体结构中应变和活化的掺杂剂的光—反射特性刻画方法获得Si纳米膜结构电子特性的灵敏度，这发生在约375nm的波长处。在这种跃迁的附近，光—反射(PR)信号一般展现出尖锐的导数状的形状。通常，PR信号采取ΔR/R＝αΔε₁+βΔε₂的形式，其中α和β是包含膜堆叠(filmstack)信息的“Seraphin系数”，而Δε₁和Δε₂分别是在介电函数的实部和虚部中的泵浦诱发的变化(Seraphin，1965)。换言之，Δε₁和Δε₂描述薄膜特性的泵浦诱发的调制。可以把诱发的这些变化写成自由载流子的能量和半导体介电函数的三次导数的积如下：Δϵj=∂3(ωϵi)/∂ω3×Up,]]>其中U_p是自由载流子能量，而ω是光子频率(Aspnes，1980)。因此，对于Si选择375nm的探测波束的波长的动机在于Δε₁和Δε₂的尖锐的导数形式。可以从已知的半导体光学常数直接计算出三次导数项。因此总的PR信号变成ΔR/R=Re[(α-iβ)×∂3(ωϵ)/∂ω3]]×Up.]]>在半导体带结构中，三次导数函数形式只在接近强光学吸收处才是大的，因此可以用大的精度来离析这些特征。这就是为什么允许PR技术精确地测量纳米级应变的硅层的应变，例如，由于Si中接近375nm的强的光学吸收在应变下遭受精确的偏移。接近于这些强的光学吸收，PR响应的幅度对在活化的硅晶体管沟道区中的电场也具有优良的灵敏度：注意自由电子能量由表达式U_p＝e²h²F²/24mω²给出，其中e是电荷，h是普朗克常数，F是空间电荷场以及m是电子有效质量。自由电子能量还与诱发的载流子密度成正比，这可以从泊松关系式看到：N_e＝ε₀F²/2eV，其中N_e是诱发的载流子密度，V是内置的表面电压，以及ε₀是材料的介电常数(Shen，1990)。