专利名称：：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
技术领域：
：本发明涉及半导体结构的光学特性刻画，尤其，涉及使用光一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一破坏性测量技术。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，可以使用己知为光一反射的光学技术来给出薄膜的电子特性。传统的光一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一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一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，光一反射(PR)信号一般展现出尖锐的导数状的形状。通常，PR信号采取AR/R=a△epAe2的形式，其中a和0是包含膜堆叠(filmstack)信息的"Seraphin系数"，而A^和Ae2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，Ae!和Ae2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Aej=33("ei)/3"3xUp，其中Up是自由载流子能量，而"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A￡1和Ae2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AR/R=Re[(a—iP)x33("e)/3"3]]xUp。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375mn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Up二e2h2F724m"2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ri=e。F72eV，其中Ii是诱发的载流子密度，V是内置的表面电压，以及e。是材料的介电常数(Shen，1990)。普通商用光一反射计的主要问题是没有选择探测波束的波长使之与在研究的电子材料的强光学吸收符合(Salnick，2003;Borden，2000)。因此，在传统的光一反射计中，在介电函数的三次导数是较小时的波长处得到PR信号，因此不可得到关于带结构的信息。因此，传统的光一反射计不能有用地确定内电场或应变。相反地，这些光一反射计对于经注入的掺杂剂的损伤分布是敏感的(Salnick，2003)。包含在PR信号中的膜堆叠信息是第二重要的，并且在作为注入深度的函数的PR响应中产生余弦状的曲线。此外，在这些光一反射计中，不能从注入剂量依赖性中减弱注入深度依赖性。在任何情况中，可通过诸如借助分光镜的椭圆偏光法之类的标准线性光学技术得到传统商用光一反射计提供的膜堆叠信息(Jellison，1995)。使用基于波长在强光学跃迁附近的借助分光镜的探测波束的灯的传统光一反射计再一个问题是当使用如此的波束时，它们必须i)使用单色器来进行在每个要求波长处的顺序锁相测量，或ii)使用与线性光电二极管检测阵列并联的多个锁相检测电路。在使用单色器的情况中，总的单点测量时间一般在5—10分钟的数量级上，这不能满足大批量制造的使用。在使用并联锁相电路的情况中，装置的成本和复杂性是最大的。此外，在使用这种基于灯的借助分光镜的探测波束的传统光一反射计中，灯提供不相干的光，因此不能有效地聚焦成像激光器束那样的小点。在这里描述的半导体结构中的应变和活化掺杂剂的光一反射特性刻画方法中，所有这些问题都以第一流的方式得到解决。首先，不需要使用单色器，因为激光器探测波长是预置在感兴趣的已知波长处的，或在多种多样的如此的己知波长上进行快速扫描。第二，不需要并联的锁相电路，因为只需要一个检测光电二极管。最后，激光器光源的使用允许根据大批量制造的工艺控制要求进行严密的聚焦和快速数据捕获。普通商用光一反射计的另外的问题是没有选择泵浦波束的波长以提供吸收深度，该吸收深度是适合于有效抽吸通常用于半导体制造中的绝缘衬底的。例如，为了有效地抽吸绝缘物上的硅衬底，吸收深度的要求把泵浦激光器波长限制在小于或相当于上部硅厚度。这暗示了小于约500nm的合适的泵浦波长，普通商用光—反射计不能满足的一个条件(Salnick，2003)。因此，在传统光一反射计/光谱仪可以适用于它们所着手的特定目的的同时，它们在器件完成之前不如本揭示那样适用于半导体纳米结构的活化电子特性。在这些方面，这里揭示的半导体结构中的应变和活化掺杂剂的光一反射特性刻画方法实质上离开了现有技术的传统概念和设计，并且在如此进行时提供了最初为大批量制造中的半导体纳米结构的活化电子特性的快速特征而开发的一种装置。
发明内容由于目前存在于现有技术中的已知类型光谱学中固有的上述缺点，本揭示提供了半导体结构中的应变和活化掺杂剂的光—反射特征的新的方法。随后将更详细地描述的本揭示的一般目的是提供半导体结构中的应变和活化掺杂剂的光—反射特征的一种方法，该方法具有上述光谱学中的许多优点，以及许多新颖特征，这产生了半导体结构中的应变和活化掺杂剂的光一反射特征的一种方法，在任何现有技术中没有单独地或按任何组合的形式预见过、明显实行过、建议过或暗示过该方法。应变特性刻画技术的下述原理是测量在半导体带结构中强带间跃迁附近发生的光一反射信号中的小的波长偏移。PR峰的位置允许直接确定诸如应变之类的薄膜物理特性。活化掺杂剂特性刻画技术的下述原理同样是测量在半导体带结构中强带间跃迁附近发生的光一反射信号，并且通过在半导体表面处诱发的纳米级空间电荷场的效应，这对于经活化的掺杂剂是极敏感的。PR信号允许直接确定薄膜物理特性，诸如活化掺杂浓度。因此，半导体结构中的应变和活化掺杂剂的光一反射特性刻画方法提供产生和记录有关半导体纳米结构的活化电子特性的光一反射信息的能力。为了达到这个目的，作为一个可能的实施例，本揭示包括在NIR—VIS中工作的约15mW的二极管激光器泵浦波束。通过工作在100kHz-50MHz范围的信号发生器对泵浦波束进行幅度调制。可以直接调制泵浦激光器或可以通过传统的电一光或声一光调制技术来调制泵浦激光器。可以通过固定偏振器来改变泵浦光束偏振。作为一个可能的实施例，探测波束包括工作在VIS—UV的约5mW的二极管激光器波束。通过使用二色性分光器可以使泵浦光束和探测光束共线。把共线的泵浦光束和探测光束引导到釆样上的微米级点上，并且收集镜子的反射。然后使用滤色片使泵浦光衰减，然后把包含经调制的采样的反射率的其余的探测光聚焦到光电二极管上，并且转换成电流。使该电流通过测量反射率变化的幅度和相位的锁定(lock-in)放大器。然后存储该PR信号作为探测波长、泵浦强度以及泵浦光束和探测光束偏振的函数。因此捕获了关于半导体纳米结构的活化电子性质的光一反射信息。作为本揭示的主题的半导体材料可以是任何类型的半导体材料，并且可以包括，但是不局限于，II一VI族半导体材料或III一V族半导体材料。在某些实施例中，这种材料可以包括硅、碳、锗、碳化硅、硅锗、硼、磷、砷或它们的任何组合，或它们可以包括砷化镓、砷化铝、氮化镓、氮化铝、氮化铟、磷化镓、磷化铟、砷化铟或它们的任何组合。因此已经较广泛地概述了本揭示的一些更重要的特征，以便能较好地理解其详细说明，以及以便较好地理解本揭示在技术方面的贡献。在下文中将描述本揭示的一些另外的特征。在这个方面，在详细解释本揭示的至少一个实施例之前，要理解本揭示的应用不局限于下述说明或附图所示出的结构细节和部件安排。本揭示能够用于其它实施例，并且可以以各种方式来实现和进行。同样，要理解，这里所使用的措词和术语是为了说明的目的，不应该认为是限制。可以按附图所示出的形式来实现本揭示，然而，事实上要注意，附图只是示意性的，可以在所示出的特定结构中作出修改。下面的附图形成本说明书的一部分，并且所包含的这些附图进一步展示本揭示的某些方面。通过参考这些附图中的一幅或多幅并且结合这里所示出的特定实施例的详细说明可以较好地理解本揭示。图1示出可以使用本揭示的应变特性刻画技术进行分析的示范性有应变的膜结构；图2包含根据本揭示的光一反射装置的配置，可以使用该装置来提供半导体结构中的应变和活化掺杂剂的光一反射特性；图3包含根据本揭示的光一反射装置探测波束偏振的示意性配置，可以用来提供半导体结构中的应变和活化掺杂剂的光—反射特性；图4包含由双轴应变引起的硅中的"E,带间跃迁的示意性偏移以及示出本揭示的应变特性刻画技术的测量原理；图5是作为上部硅厚度和SiGe层Ge浓度的函数的、在入=375nm处对光学上为厚的硅锗层上部的薄硅膜计算得的DC反射率；图6是作为上部硅厚度和SiGe层Ge浓度的函数的、在A=375nm处对光学上为厚的硅锗层上的薄硅膜计算得的Seraphin系数a=d(lnR)/3e1;图7是作为上部硅厚度和SiGe层Ge浓度的函数的、在A=375nm处对光学上为厚的硅锗层上的薄硅膜计算得的Seraphin系数0=d(lnR)/3e2;图8是在20MHz的调制频率时对采样组1中每个采样标绘的实验PR信号；图9是在20MHz的调制频率时对采样组2中每个采样标绘的实验PR信号；图10示出可以使用本揭示的半导体结构中的活化掺杂剂的光一反射特性刻画方法进行分析的示范性经注入/退火的硅纳米膜结构；图11是对于泵浦诱发的F=430kV/cm的空间电荷场在接近SiE,带间跃迁能量处的计算的PR信号；图12是作为注入剂量和深度的函数的、在^=633nm处对光学上为厚的硅衬底上的薄注入损伤层计算得的Seraphin系数a=d(lnR)/3e1;图13是作为注入剂量和深度的函数的、在^=375nm处对光学上为厚的硅衬底上的薄注入损坏层计算得的Seraphin系数a=d(lnR)/3e1;图14是作为注入剂量和深度的函数的、在入=375nm处对光学上为厚的硅衬底上的薄注入损坏层计算得的Seraphin系数P=d(lnR)/3e2;图15是在2MHz的调制频率时具有10nm目标结(targetedjunction)深度的经注入和退火的As晶片的实验PR信号；图16是在2MHz的调制频率时具有20nm目标结深度的经注入和退火的As晶片的实验PR信号；图17是在2MHz的调制频率时具有30nm目标结深度的经注入和退火的As晶片的实验PR信号；图18是在2MHz的调制频率时具有40nm目标结深度的经注入和退火的As晶片的实验PR信号；图19是作为结深度的函数标绘的、图15—18中所示的经注入和退火的As晶片的实验PR信号；图20是作为结深度的函数标绘的、图15—18中所示的"低剂量"的经注入和退火的As晶片的实验PR信号；图21是在2MHz的调制频率时具有10nm目标结深度的"仅注入"(没有退火)的As晶片的实验PR信号；图22是在2MHz的调制频率时具有20nm目标结深度的"仅注入"的As晶片的实验PR信号；图23是在2MHz的调制频率时具有30nm目标结深度的"仅注入"的As晶片的实验PR信号；图24是在2MHz的调制频率时具有40nm目标结深度的"仅注入"的As晶片的实验PR信号；图25是作为结深度的函数标绘的、图21—24中所示的"仅注入"的As晶片的实验PR信号。具体实施例方式下面对于硅纳米结构中应变和活化掺杂剂的特征讨论半导体结构中应变和活化掺杂剂的光一反射特性刻画方法的使用。要理解，可以使用本揭示的半导体结构中的应变和活化掺杂剂的光一反射特性刻画方法来分析任何半导体结构，认为硅纳米膜结构的讨论仅是示范性的，并非对范围的限制。现在转到附图进行描述，图1在夸大了的视图中包含可使用本揭示的光一反射技术给出特征的、示范性的经应变的硅膜结构。可以使用分子束外延法、和/或化学气相沉积法、和/或金属一有机化学气相沉积法生长的、经应变的硅膜结构包括硅衬底1，在硅衬底上生长了增加Ge含量(达约10—30X的Ge)的分等级的合成硅锗层2，接着是均匀合成SiGe层3，以及最后是经应变的上薄硅膜4。SiGe层2和3形成与上硅晶格符合的虚拟的SiGe衬底，从而在上硅层中诱发张力应变。在一个示范性实施例中，经应变的上Si层4的厚度约为10.0nm。根据图2所示的本揭示的配置，可以使用半导体结构中应变和活化的掺杂剂的光-反射特性刻画方法来测量从经应变的硅纳米膜结构或任何其它半导体结构反射的光谱，以便给出半导体结构的物理性质，诸如带间跃迁的能量、活化的载流子浓度以及表面电场。如图2所示，所述光一反射配置包括泵浦激光器5、探测激光器6、二色性分光器7、偏振分光器8、消色差的四分之一一波板9、反射采样10、滤色片11、光电二极管12、锁定放大器13以及计算机14以控制测量参数和记录反射率变化。在一个示范性实施例中，使用来自锁定放大器13的1伏峰峰值的方波参考信号直接调制泵浦激光器强度。通过使用二色性分光器7使泵浦光束和探测波束在同一直线上。然后使用消色差的聚焦透镜使同一直线上的波束聚焦到反射釆样10上，并且使用收集透镜进行收集。接着使用滤色片11使泵浦光衰减。然后使包含经调制的采样反射率的其余的探测光聚焦到光电二极管12上，并且转换成电流。该电流通过测量反射率变化的幅度和相位的锁定放大器13。把该信息传送到计算机14，计算机记录作为驱动频率的函数的反射率差分变化。泵浦激光器5是光子能量处于被测半导体的带隙处或以上的连续波激光器。对于硅，带隙发生在约1100nm波长处。在一个示范性实施例中，泵浦波长约为488nm，而泵浦激光器功率约为15mW。当活化层是绝缘物上的硅衬底的薄的上硅层以致必须在上Si层中吸收泵浦光以有效地调制载流子密度时，这个波长特别有用。计算机14可以控制泵浦激光器强度。泵浦激光器5实施例包括在NIR-VIS波长范围内发射的以约5mW或以上功率工作的二极管激光器。可以对泵浦激光器波束进行直接调制或通过使用电一光或声一光幅度调制装置进行外部调制。在一个示范性实施例中，通过来自锁定放大器13的内部参考信号以高频率直接调制泵浦激光器5。驱动频率从约100kHz改变到50MHz。还可以通过角度位置受到计算机控制的偏振器来传送泵浦激光器波束。这提供了幅度调制的、可变的偏振泵浦波束。探测激光器6包括光子能量处于或接近被测半导体的带间跃迁能量的连续波激光二极管。对于硅，第一强带间吸收发生在约375nm波长处。在一个示范性实施例中，探测波长约为375nm，而探测激光功率约为5mW。在某些实施例中，探测激光器6是中心波长约为375nm和可调谐范围约为10纳米或更大的外部腔体式可调谐二极管激光器。探测激光器6实施例包括在VIS-UV波长范围内发射的以约10mW或更小的功率工作的二极管激光器。通过使用二色性分光器7使泵浦光束和探测波束在同一直线上。然后使用高数字孔径聚焦装置使同一直线上的波束聚焦到采样上，并且收集镜子的反射和引导到滤色片11。聚焦实施例包括同时发生波束装置，其中使每个激光束都聚焦成50微米或更小的直径。图3示意性地示出探测激光束和它通过光学系统时的偏振。所有光学元件都与各自的源波长匹配。一旦从反射采样10反射了探测波束，它就具有来自采样光学性质的诱发调制的泵浦调制频率处的幅度调制。因此，探测波束包含形式为1。[R(DC)+AR(Q)]的信号。用滤色片11使来自泵浦波束的光衰减，并且把其余的探测光传送到光电二极管12。因此，光电二极管输出包含与探测信号成正比的电流。来自光电二极管的DC信号与1。R成正比，而AC信号与1。AR成正比。为了测量AR/R，必须对强度1。进行归一化。这是通过把AC信号除以DC信号来实现的。示范性实施例的AR/R的典型的幅度为10—2—10—6的数量级。在光电二极管输出上执行相位灵敏度测量，并且计算机14记录测量光电流。计算机14可以控制探测波长、调制频率、泵浦激光强度以及每个波束的偏振。因此记录AR/R作为探测波长、调制频率、激光强度和偏振的函数。这些实施例包括不改变基本PR信号的装置的变型。如所述，应变特性刻画技术的下述原理是测量半导体带结构中发生在接近强带间跃迁附近的光一反射信号中的小的偏移。图4示出用于使用单个探测波长来监视薄的经应变的硅膜中的应变的下述原理。已知在入^375nra处发生的硅"EZ，带间跃迁是在应变下进行分裂和偏移。通过Ei二Ei十AEH土AEs给出经应变的带间跃迁能量的位置，其中AEH(〈0)和AEs分别对应于流体静力学和切变诱发的偏移。这两项在应变中都是线性的，导致总的偏移与应变成线性的正比。对于约1%的硅晶格应变，图4包含与未经应变的硅E:带间跃迁能量和经红移的E—带间跃迁能量对应的模拟PR信号。如所示，对于接近E,带间跃迁能量的单色探测波束，当存在应变时，PR信号将进行符号改变。因此，通过在被研究的未经应变的半导体的强带间跃迁处或极接近强带间跃迁处选择单个探测波长，就可以通过PR响应的符号的变化来确定应变的存在。此外，如图4中所展示，在或极接近这种带间跃迁处，PR信号是应变的线性函数。因此，可以根据近似线性公式AR/R=mx+b使用PR信号简单地监视应变的幅度，其中x是物理应变，m是经验确定的线性相关系数，而b是小的偏移。在PR信号AR/R与应变的相关中，重要的是要知道PR信号上膜堆叠的效果。这是通过基本关系式AR/R=a△e0Ae2来提供的，其中a和P是包含膜堆叠信息的Seraphin系数，而A^和Ae2分别是釆样伪一介电函数的实部和虚部中泵浦诱发的改变。吸收深度设置PR响应的深度，因此设置了范围，该范围对于知道PR信号上的膜堆叠的效果是重要的。在375nm波长处，硅中的吸收深度是S^22.6nm。这意味着对于大于22.6nm的上部硅厚度，375nm探测波束对于下面的膜结构快速地损失了灵敏度。对于10%、20%和30%的典型的SiGeGe浓度，图5包含作为上部硅厚度的函数的、图1所示的示范性膜结构的计算的反射率。通过相对于e,和e2对这个反射率进行数字上的微分，有可能计算Seraphin系数，即a二d(lnR)/3e!和P=d(lnR)/3e2。对于10%、20%和30%的典型的SiGeGe浓度，图6和7包含作为上部硅厚度的函数的、图1所示的示范性膜结构的Seraphin系数。Seraphin系数在感兴趣的参数空间上没有改变符号的事实展现出在375nrn处观察到的PR信号中的任何符号变化不可能是由于上部硅厚度或Ge浓度的变化而引起的。因此，AR/R的任何符号改变必定是由于表示应变存在的Ae,或Ae2的符号变化而引起的。计算的Seraphin系数还展现出膜堆叠参数的AR/R的依赖性。为了展现出与应变存在相关联的PR信号变化，分析了包含图1的示范性结构的变化的两个采样组。如果有的话，感兴趣的基本问题是，在这些组的每一个中，哪一个上部硅膜受到应变。包含5个晶片的采样组1:一个未经应变的硅衬底；在硅衬底上带有松弛的SiGe(18.5%的Ge)的两个晶片；以及在硅衬底上具有约6nm厚度的附加的上部经应变的硅膜的、带有松弛的SiGe(18.5X的Ge)的两个晶片。在下面的表1中描述采样组1。<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表1釆样组2包含6个晶片一每个包括图1的全部堆叠，在上部硅厚度和Ge浓度方面有变化。在下面表2中描述采样组2。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>表2图8示出在20MHz的固定调制频率处从采样组1取得的PR数据。晶片弁l、#3和#5，未经应变的硅衬底以及松弛的SiGe晶片，示出约+lxlO一5的PR信号。由于PR光谱是来自上部硅膜和松弛的SiGe层的响应的线性重叠，我们可以断定，如果晶片弁2和#4包含未经应变的上部硅，则这些晶片的响应必定是正的，与晶片井1、#3和#5相似。然而，带有上部硅的仅有的晶片，晶片#2和#4，示出符号相反的PR信号。此外，如图6和7所示，从晶片弁2和弁4看到的PR响应的符号变化不可能是膜堆叠效应。因此，根据图4描绘的应变测量原理，从晶片弁2和弁4看到的负的PR信号是由于上部硅中的应变引起的。图9示出在20MHz的固定调制频率处从采样组2取得的PR数据。晶片#1、#5和井6示出l一2x10—5的PR信号。然而，晶片#2、井3和弁4示出符号相反的和幅度为3—4xlO」的PR信号。通过对表2的检查，可以看到负的PR信号对应于具有约10nm厚度的上部硅膜的晶片，而正信号对应于厚度约20nm的膜。然而，如图6和7所示，负的PR响应不可能是膜堆叠效应。这表示在采样组2中，当上部硅厚度超过约20nm时使应变松弛。预测上部硅膜的厚度大于约15nm的厚度时应变松弛的独立的计算支持了这个结论(在这里的情况下)。在用采样组1的结果进行模拟的情况下，我们断定采样组2的晶片弁2、弁3和弁4受到应变，而其它晶片没有。现在转到活化掺杂剂特性刻画技术的说明，在一个示范性视图中，图10包含可以用本揭示的半导体结构中应变和活化的掺杂剂的光-反射特性刻画方法分析的经注入的和经退火的硅膜结构。经注入的和经退火的硅膜结构包括在集成电路制造中使用的标准硅衬底15，在该衬底中注入砷(As)掺杂剂的均匀层，并且此后执行活化退火。在一个示范性实施例中，注入层16在晶片表面处或接近晶片表面处的厚度约为10—40nm。实际上，经注入的掺杂剂形成分级的分布，所以图10只提供给出经注入的和经退火的硅纳米膜结构的光学性质的近似结构。产生一组注入砷的硅晶片，这些晶片具有变化的注入剂量和注入能量。使用具有注入剂量和深度的24个晶片的工艺模型是近似地针对当前和将来的制造规格的。变化注入能量以产生范围约10nm到40nm的深度，而变化剂量以产生范围约1018原子/立方厘米到102()原子/立方厘米的额定剂量密度。对于每个注入分裂，产生经退火的和未经退火的晶片。表3包含模型的信息，包括估计的掺杂分布。存在4个注入能量晶片井1一6、7—12、13一18和19—24分别对应于10、20、30和40nm的注入深度。这些目标深度的每一个进一步包括数量级为1012、1013和1014离子/平方厘米的三个剂量分裂。最高剂量对应于大约lx1018离子/立方厘米的密度。最后，执行退火分裂，包括1000°C处5秒的单次退火。这个退火旨在产生所有剂量和密度条件下的最大剂量活化。没有进行过使剂量扩散最小化的尝试。<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表3如所述，活化掺杂剂特性刻画技术的下面的原理是测量半导体带结构中在强带间跃迁附近发生的光一反射信号。对于大约对应于1018/cc的泵浦诱发的载流子密度的F=430kV/cm的诱发的空间电荷场，图11示出在SiE工光吸收附近的计算的PR信号。在大批量注入监视应用中例行地诱发这个载流子密度(0psal，1985)。如图11所示，在约360—380nm的波长范围上，该信号的幅度是十分大的。事实上，PR信号的幅度比现有注入监视系统得到的要大至少两个数量级(Opsal，1985)。此外，如下所示，可以使用活化掺杂剂特性刻画技术来区分和测量Si晶体管沟道中的活化掺杂剂，而现有系统已经证明不可能实现这个应用。为了理解PR信号上注入损伤的效应，需要再次估计Seraphin系数。损伤分布是造成材料的线性光学响应的原因，因此在历史上已经作为注入本身的一个量度来使用。为了说明，考虑在633nm波长处的注入损伤的Si的Seraphin系数。这是普通大批量注入监视PR系统的波长(Opsal,1985)。由于探测波长的位置离开硅中任何重要的光学特征很远，因此从(Drude)载流子密度的调制直接发生光一反射信号。对于633mn的波长，只有介电函数的实部中的变化才是重要的。因此，我们有AR/R^aAh，其中所有的膜堆叠信息都包含在a中。为了计算a二d(lnR)/3e^我们首先可以根据损伤层、衬底的折射率以及损伤层的厚度得到R的分析表达式。这还可以通过数字方法来进行，以及对于入射或偏振条件下的任何角度来进行。然后可以相对于介电函数的实部在数字上对R微分以及构成a。通常，Seraphin系数会以4axnd/A的周期进行振荡，其中n是损伤层上的折射率，d是损伤层的厚度以及A是探测波束波长。周期取决于光在材料中的光径长度，所以还取决于入射角。此外，通过光的吸收深度来阻尼振荡。然而，对于法向入射和在Si为透明度较大的波长处，这些考虑是不重要的。图12示出对于633nm的探测波束，Seraphin系数对损伤层深度和损伤片段的依赖性。上部、中部和下部曲线分别对应于注入层的10%、30%和50%非晶体化。以前已经使这些余弦状的曲线的周期符合于获取结深度灵敏度的尝试。然而，在实际中，当包含在a中的AR/R的结深度依赖性不能与包含在Ae,中的剂量依赖性分开时，633nm探测器使灵敏度损失约15nm或更小的注入深度。尤其，同时增加注入深度和剂量两者可以导致633nm探测信号不变化。这是结深度工艺控制中现有工具无效的一个原因。此外，现有工具受到低剂量测量的严峻挑战，因为它们依赖于Drude载流子离散中对固有小变化的灵敏度。进一步说明以考虑375nm波长处注入损伤Si的Seraphin系数。对于这个波长，介电函数的实部和虚部两者的变化是重要的。因此，当确定AR/R中包含膜堆叠信息时，我们必须考虑a和0两者。在375nm波长处，硅中的吸收深度是S^22.6nm。吸收深度设置了PR响应的深度，因此设置了一个区域，该区域对于知道PR信号上的膜堆叠效应是重要的。这意味着对于表面膜厚度大于22.6nm，375nm的探测波束很快就变成对下面的膜结构不敏感。图13示出375nm波束的Seraphin系数a对损伤层深度和损伤片段的依赖性。上部、中部和下部曲线分别对应于10%、30%和50%非晶体化损伤。由在该波长处的吸收引起的余弦状的曲线的阻尼是显而易见的。在375run探测波长处的Seraphin系数的较短的振荡周期展现出这个波长将展示对结深度的灵敏度下降到约10nm或以下(优先于633nm波长探测器)。图14示出375nm波束的Seraphin系数e对损伤层深度和损伤片段的依赖性。上部、中部和下部曲线分别对应于10%、30%和50%非晶体化。为了证明活化掺杂剂特性刻画技术的能力，用在具有45。入射角的、在同一直线上的泵浦和探测波束来配置PR装置。泵浦和探测波长分别是845nm和374nm。用通过锁定放大器产生的2MHz方波直接调制泵浦激光强度。泵浦激光强度约为15mW。使用消色差的显微镜物镜使在同一直线上的泵浦和探测器聚焦成直径约6.5微米的一个点。对于这些条件，泵浦产生的载流子密度比传统大批量系统所使用的数值至少小两个数量级，或SlxlO"/cc。然而，大大地增加374run探测器的灵敏度容易地补偿了这个减小了的泵浦强度，导致信号电平与大批量系统的电平相当。图15示出晶片#2、弁4将ft6的PR信号。这些晶片具有相同的7钱电子伏特能量As注入，目标为在IOnm深度处形成一个结。晶片弁2接收lxl0"/cm2的剂量，晶片#4接收lxlO"/cm2的剂量，而晶片#8接收lxl0"/cm2的剂量。每个晶片接受同等的退火，并且预期能使每个晶片完全活化。从晶片#2到#6，PR信号IAR/RI的模数从^3x10—6上升到"3xl0—5，或约幅度的一个数量级。这展示了对于10nm结深度，两个十进位的剂量变化导致约一个十进位的信号变化。因此，对于将来制造工艺中要求的极端浅薄的结深度，PR技术展示了对经退火的晶片中的剂量的优良灵敏度。还可以看到，数据是可高度再现的在载入和卸载之后的数据点几乎能相互确切地再现。PR信号的绝对测量精度是"5x10—7。图16、17和18示出为了更大的注入能量而相似地以剂量来增加信号。图16示出晶片#8、#10和#12的PR信号。这些晶片具有相同的20千电子伏特能量As注入，目标为在20nm深度处形成一个结。晶片弁8接收2xl0"/cm2的剂量，晶片弁10接收2x1013/cm2的剂量，而晶片#12接收2xlO"/cm2的剂量。每个晶片接受同等的退火，并且预期能使每个晶片完全活化。从晶片井8到弁12，PR信号的模数从"4x10一6上升到"2.6xl0—5，或约幅度的一个数量级。这再次展示了在20mn的极端浅薄的结深度的经退火的晶片中，对剂量的优良的灵敏度以及优良的信号再现性。图17示出晶片#14、#16和#18的PR信号。这些晶片具有相同的35千电子伏特能量注入，目标为在30nm深度处形成一个结。晶片弁14接收3x1012/cm2的剂量，晶片弁16接收3xlOVcm2的剂量，而晶片#18接收3xl014/cm2的剂量。每个晶片接受同等的退火，并且预期能使每个晶片完全活化。从晶片#14到#18，PR信号IAR/RI的模数从"5x10—6上升到^3x10—5，或约幅度的一个数量级。这再次展示了在30nm的极端浅薄的结深度的经退火的晶片中，对剂量的优良的灵敏度以及优良的信号再现性。图18示出晶片#20、#22和#24的PR信号。这些晶片具有相同的50千电子伏特能量注入，目标为在40nm深度处形成一个结。晶片#20接收4xl0"/cm2的剂量，晶片#22接收4xl013/cm2的剂量，而晶片弁24接收4xl0"/cm2的剂量。每个晶片接受同等的退火，并且预期能使每个晶片完全活化。从晶片弁20到#24，PR信号的模数从"4x10—6上升到"4x10—5，或约幅度的一个数量级。这再次展示了在40nni的极端浅薄的结深度的经退火的晶片中，对剂量的优良的灵敏度以及优良的信号再现性。如前所述，期望PR信号随结深度正弦变化。图19示出作为结深度的函数的、每个经退火的晶片的PR信号的模数。对应于约lxl018/cc、lxl(T/cc和lxl02°/cc的恒定掺杂密度的、图19中三个"行"中的每一个展示出如此的正弦变化。通过对图19的最低密度行进行定标，图20进一步展现出最低剂量的PR数据的这个特性。图21示出晶片井1、井3和弁5的PR信号。这些是没有退火的"仅注入"晶片。它们具有相同的7千电子伏特能量As注入，目标为在10nm深度处形成一个结。晶片#1接收1><1012/0112的剂量，晶片#3接收lxlO"/cn^的剂量，而晶片弁5接收lxl0"/cm2的剂量。从晶片#1到#5，PR信号IAR/RI的模数从"1.6x10—5减小到"3xl0—6，或约幅度的一个数量级。与从经退火的晶片观察到的性能相反的以增加剂量来减小信号的这个情况是由于注入引起的损伤较小了晶体SiEi带间跃迁能量的尖锐度而引起的。对于10nm的极端浅薄的结深度，这展现出"仅注入"晶片中对剂量的优良PR灵敏度。图22、23和24示出以更大的注入能量相似地用剂量来减小信号。图22示出晶片#7、弁9和弁11的PR信号。这些晶片具有相同的20千电子伏特能量As注入，目标为在20nm深度处形成一个结。晶片井7接收2xl(^/cn^的剂量，晶片#9接收2xl0"/ci^的剂量，而晶片#11接收2xl0"/cn^的剂量。每个晶片都是"仅注入"而没有退火。从晶片#7到#11，PR信号IAR/RI的模数从"1.2x10—s减小到^3x10—6，约4倍。对于20nm的极端浅薄的结深度，这展现出"仅注入"晶片中对剂量的优良PR灵敏度。图23示出晶片#13、#15和弁17的PR信号。这些晶片具有相同的35千电子伏特能量As注入，目标为在30nm深度处形成一个结。晶片弁13接收3xl0"/cn^的剂量，晶片弁15接收3xl0"/cn^的剂量，而晶片弁17接收3xl0"/ci^的剂量。每个晶片都是"仅注入"而没有退火。从晶片#13到#17，PR信号IAR/RI的模数从"lx10—5减小到"2xl0—6，约5倍。对于30nm的极端浅薄的结深度，这再次展现出"仅注入"晶片中对剂量的优良PR灵敏度。图24示出晶片#19、#21和#23的PR信号。这些晶片具有相同的50千电子伏特能量As注入，目标为在40nm深度处形成一个结。晶片弁19接收4xl0"/cr^的剂量，晶片弁21接收4x1013/ci^的剂量，而晶片弁23接收4xl0"/cii^的剂量。每个晶片都是"仅注入"而没有退火。从晶片#19到#23，PR信号IAR/RI的模数从"6x10—6减小到"2x10—6，约3倍。对于40nm的极端浅薄的结深度，这再次展现出"仅注入"晶片中对剂量的优良PR灵敏度。图25示出作为结深度的函数的每个As注入晶片的PR信号的模数。通过跟随图25中的每个"行"，可以看到目标掺杂密度(lxl018/cc、lxl019/cc和lxl02Q/cc)的每个组遵循受阻尼的正弦变化。观察到随注入深度的变化对剂量的灵敏度减小，这是由于损伤层中晶体性减少和较大的总吸收的组合引起的。因此，如这里所揭示的，半导体结构中应变和活化的掺杂剂的光-反射特性刻画方法提供了区分和测量半导体纳米结构中应变和活化掺杂剂的新的和精确的能力，并且如此进行时，实质上脱离了现有技术的传统概念和设计。当对本揭示的使用方式和操作的进一步讨论时，从上述说明，相同的内容是显而易见的。因此，不再提供关于使用方式和操作的进一步的讨论。那么，相对于上述说明，要理解，认为揭示部分的最佳的大小关系包括大小、材料、形状、形式、功能和操作方式、装配和使用中的变化，这些对于熟悉本领域的技术人员是容易明白和显而易见的，旨在使附图中示出的和说明书中描述的所有的等效关系都包括在本揭示中。因此，认为上面的内容仅为了说明本揭示的原理。此外，由于熟悉本领域的技术人员容易作出许多修改和变化，所以不希望本揭示受到所示出的和所描述的确切结构和操作的限制，因此，可以求助于落在本揭示范围内的所有合适的修改和等效物。参考文献美国专利文献6,邻3，邻2U/2冊5CM狐…，…,,',…,』塞76,195,1662/2001Gray.……—:,……说/4774,931,132脂卯Aspnes......,…,",…156細其它出版物"Dynamicsoftheplasmaandthermalwavesinsurface-modifiedsemiconductors(invited),"AlexSalnick禾卩JonOpsal,Rev.Sci.Inst.74,545(2003)."Nondestructiveprofilemeasurementsofannealedshallowimplants,"P.Borden,等人，J.Vac.Sci.Technol.B18,602(2000)."DielectricresponseofstrainedandrelaxedSii.x.yGexCyalloysgrownbymolecularbeamepitaxyonSi(001),"R.Lange等人，J.Appl.Phys.80,4578(1996)."Opticalfunctionsofion-implanted,laser-annealedheavilydopedsilicon,"G.E.Jellison等人，Phys,Rev.B52,14607(1995)."ModulationSpectroscopyofSemiconductorsandSemiconductorMicrostructures,"F.H.Pollack,在M.Balkanski所编辑的半导体手册第二巻第527-635页(North-Holland,Amsterdam,1994)."Photo-reflectancecharacterizationofGaAsasafunctionoftemperature,carrierconcentration,andnear-surfaceelectricfield,"A.Badakhshan等人,J.Vac.Sci.Technol.B11,169(1993)."Photo-reflectancestudyofphotovoltageeffectsinGaAsdiodestructures,"V.M.Airaksinen和H.K.Lipsanen,Appl.Phys.Lett.60,2110(1992)."Photo-reflectancestudiesofsiliconfilmsonsapphire,"A.Giordana禾卩R.Glosser,J.Appl.Phys.69，3303(1991)."Correlationbetweenthephoto-reflectanceresponseatEtandcarrierconcentrationinn-andp-GaAs,"A.Badakhshan,R.Glosser,禾口S.Lambert,J.Appl.Phys.69,2525(1991)."Dynamicsofphoto-reflectancefromundopedGaAs,"H.Shen等人，Appl.Phys.Lett.59,321(1991)."Photo-reflectancestudyofsurfaceFermilevelinGaAsandGaAlAs,"H.Shen等人，Appl,Phys.Lett.57,2118(19卯)."GeneralizedFranz-Keldyshtheoryofelectromodulation，"H.Shen禾口F.H.Pollak,Phys.Rev.B42，7097(1990)."Photo-reflectancestudyofFermilevelchangesinphotowashedGaAs，"H.23Shen，F.H.Pollak,和J.M.Woodall,J.Vac.Sci.Technol.B8,413(1990)."Electricfielddistributionsinamolecular-beamepitaxyGa0.83Al0.17As/GaAs/GaAsstructureusingphoto-reflectance,"Ff.Shen,F.H.Pollak:J.M.Woodall,和R.N.Sacks,J.Vac.Sci.Technol,B7,804(1989)."Thermalandplasmawavedepthprofilinginsilicon,"JonOpsal禾卩AllanRosencwaig,Appl.Phys.Lett.47,498(1985)."Photo-reflectancecharacterizationofinterbandtransitionsinGaAs/AlGaAsmultiplequantumwellsandmodulation-dopedheterojunctions,"O.J.Glembocki等人，Appl.Phys.Lett.46,970(1985)."ModulationSpectroscopy,"D.Aspnes，在M.Balkanski所编辑的半导体手册第二巻第109页(North-Holland,Amsterdam,1980)."Photo-reflectanceLineShapeattheFundamentalEdgeinUltrapureGaAs，"J丄.Shay,Phys.Rev.B2，803(1970)."ReflectanceModulationbytheSurfaceFieldinGaAs，"R.E.Nahory禾口J.L.Shay,Phys.Rev,Lett.21,1569(1968)."Band-StructureAnalysisfromElectro-ReflectanceStudies,"B.O.Seraphin和N.Bottka,Phys.Rev.145,628(1966)."OpticalFieldEffectinSilicon,"B.O.Seraphin,Phys.Rev.140,A1716(1965)."Optical-FieldEffectonThresholds,Saddle-PointEdges,andSaddle-PointExcitons,"J.C.Philips和B.O.Seraphin,Phys.Rev.Lett.15,107(1965),"FieldEffectoftheReflectanceinSilicon,"B.O.Seraphin禾口N.Bottka,Phys.Rev.Lett.15,104(1965).权利要求1.一种用于确定半导体结构的物理性质的方法，所述方法包括下列步骤a)使用幅度调制的泵浦激光波束照射半导体结构的表面的一个区域，泵浦波束包含其能量大于半导体结构中的半导体材料的最小带间跃迁能量的至少一个波长，从而诱发半导体结构中的电荷密度的时间周期性变化，以致半导体结构中的电场得到时间周期性调制，并且其中半导体结构中的半导体材料经受带间跃迁能量的时间周期性调制；b)用独立的探测激光波束照射步骤a)的所述区域的一部分，探测波束包含至少一个接近半导体结构中的半导体材料的带间跃迁能量的波长，并且适合于记录发生在带间跃迁能量附近的半导体材料光学响应的诱发变化；c)记录来自半导体结构的照射的经反射的交流探测光，其中交流探测光包含被称为光—反射信号的、半导体材料光学响应的诱发变化；以及d)使用步骤a)、b)、c)中收集的信息来确定半导体结构的物理性质。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据一个通过经验确定的校正曲线来监视物理应变，该校正曲线将归一化的光一反射信号的符号和幅度与物理应变关联起来。3.如权利要求l所述的方法，其特征在于，根据关系式AR/R二mx+b来监视所述物理应变，其中AR/R是归一化的光一反射信号，x是物理应变，m是通过经验确定的线性相关系数，而b是通过经验确定的偏移。4.如权利要求l所述的方法，其特征在于，根据一个通过经验确定的校正曲线来监视电荷密度，该校正曲线将归一化的光一反射信号与电荷密度关联起来。5.如权利要求l所述的方法，其特征在于，根据关系式AR/R=mI^+b来监视电荷密度，其中AR/R是归一化的光一反射信号，Ne是电荷密度，m是通过经验确定的线性相关系数，而b是通过经验确定的偏移。6.如权利要求l所述的方法，其特征在于，根据关系式AR/R二mF2+b来监视电场，其中AR/R是归一化的光一反射信号，F是电场，m是通过经验确定的线性相关系数，而b是通过经验确定的偏移。7.如权利要求l所述的方法，其特征在于，根据一个通过经验确定的校正曲线来监视电荷深度分布，该校正曲线将归一化的光一反射信号与电荷深度分布关联起来。8.如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述探测激光器是波长可调谐激光器，用于提供与半导体材料的光学响应中的至少一个带间跃迁能量接近的多个波长，并且其中使用交流探测光波长信息来确定带间跃迁能量的位置、幅度、光谱宽度、和/或光谱形状。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体结构包括绝缘物上半导体膜结构，并且其中选择泵浦波束的波长以提供小于或相当于电气绝缘的半导体层的厚度的吸收深度，因此适合于诱发绝缘的半导体层中的电荷密度的时间周期性变化。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体结构包括电气绝缘的半导体材料，并且其中选择泵浦波束的波长以提供小于或相当于半导体材料的物理大小的吸收深度，因此适合于诱发绝缘的半导体材料中的电荷密度的时间周期性变化。11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定作为泵浦波束强度的函数的光一反射信号的变化。12.用于检测半导体结构的物理性质的装置，包括具有反射表面的半导体结构；泵浦激光器系统，它提供调制频率在100kHz到50MHz范围内的幅度调制的激光波束，以约5mW或更大的光功率工作，并且包含至少一个其能量大于半导体结构中的半导体材料的最小带间跃迁能量的波长；探测激光器系统，它提供连续波激光波束，以约10mW或更小的光功率工作，并且包含至少一个接近半导体结构中的半导体材料的带间跃迁能量的波长；光学系统，它有效地把激光波束聚焦到半导体结构表面上直径为50微米或更小的一个共焦斑点上，并且把从样品反射的探测光分开和引导到光电接收器上；光电接收器，它被配置成产生与输入强度成正比的电流；锁相信号检测系统，连接它以记录光电接收器输出；以及带有测量和系统控制软件的计算机。13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述半导体结构包括绝缘物上硅衬底，并且泵浦激光器波长约为500nm或更小。14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述探测激光器波长约为37515.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述探测激光器是外部腔体式波长可调谐激光器，它提供与半导体结构中的半导体材料的带间跃迁能量接近的多个波长。16.如权利要求12所述的装置，其特征在于，通过使用二色性分光器，使泵浦激光波束和探测激光波束共线。17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，通过使用消色差的物镜，使在同一直线上的泵浦激光波束和探测激光波束共同聚焦到半导体结构的表面的一个区域上。18.如权利要求12所述的装置，其特征在于，通过使用滤色片，将泵浦光从反射的交流探测光中分开。19.如权利要求12所述的装置，其特征在于，用锁相检测系统内部产生的参考信号，直接调制泵浦激光强度。全文摘要已经针对半导体结构的物理性质的特性刻画开发了半导体结构中应变和活化的掺杂剂的光-反射特性刻画的新方法。应变和活化掺杂剂特性刻画技术的下述原理是通过在半导体表面处诱发的纳米级空间电荷场效应来测量在半导体带结构中带间跃迁附近发生的、对于应变和/或活化掺杂剂极敏感的光-反射信号。为了达到这点，本发明包括一致聚焦在半导体结构上的强度调制的泵浦激光波束和连续波探测激光波束。泵浦激光器提供在NIR-VIS中的约15mW的光功率。通过工作在100kHz-50MHz范围中的信号发生器对泵浦光进行幅度调制。探测波束为工作在VIS-UV中的约5mW，并且通常其波长接近半导体结构中的强光吸收波长。泵浦光束和探测光束一致地聚焦成样品上的微米级斑点。收集探测器镜子反射，并且使用滤色片除去泵浦波长光。把其余的探测光引导到光电二极管，并且转换成电信号。探测器AC信号则包含半导体材料光学响应中的泵浦诱发的变化。在光电二极管输出上执行相敏测量，并且AC信号除以DC反射信号。因此，记录光-反射信息作为探测波长、调制频率、泵浦强度以及泵浦光束和探测光束偏振的函数。文档编号G01N21/00GK101467022SQ200680048938公开日2009年6月24日申请日期2006年10月25日优先权日2005年10月27日发明者W·W·克里什姆二世申请人:伊克西乔尼克斯股份有限公司