专利名称：一种在线检测硅纳米晶形态的方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米晶颗粒检测的方法，特别涉及一种利用测量单色光反射率的 变化在线检测硅纳米晶形态的方法。
背景技术：
自从1967年，贝尔实验室的D. Kahng和S. M. Sze提出了浮栅结构的非易失性半导 体存储器以来，基于栅堆叠的M0SFET结构的浮栅半导体存储器就在容量、成本和功耗上以 占有极大的优势取代了之前长期使用的磁存储器。在此基础上，日本东芝公司在1984年成 功提出了 Flash存储器的概念，目前Flash存储器是非易失性半导体存储器市场上的主流 器件，但是随着微电子技术节点不断向前推进，工艺线宽将进一步减小，基于浮栅结构的传 统Flash器件正在遭遇严重的技术难点，主要原因是由于隧穿介质层的持续减薄，漏电现 象越发严重，严重限制了 Flash器件的可缩小化，导致浮栅存储器件的密度难以提升。目前 解决此类问题的解决方案有两种。一种革命式方案，就是采用完全不同存储机理和结构的 存储介质，如RRAM，FeRAM, PCRAM等；另外一种改进型方案，就是在现有非易失性浮栅存储 器的基础上，采用新的浮栅存储介质，如Nitride，纳米晶等等。对于前一种方案，由于采用 两端式存储结构，存储单元占用芯片的面积会大幅减少，密度可以进一步提高，但是在这种 方案当中，有的与传统CMOS工艺的兼容性不是很高，需要增加额外的工艺步骤，有的存储 机理还有待进一步研究，因此目前还不是很成熟。而对于第二种方案，采用氮化硅，非金属 纳米晶，几乎与传统CMOS工艺完全兼容，甚至不需要增加额外的光刻模板，对于目前65nm 以下的非易失性浮栅存储器领域，有着非常广阔的应用前景。但是对于纳米晶颗粒的检测，特别是硅纳米晶形态的在线检测缺少一种准确可靠 的方法。目前分析纳米晶的形态最常用的方法就是采用高精度扫描电镜(SEM)和透射电镜 (TEM)检测。SEM的工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次 级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，因此可以根据收集 到的次级电子的多少来检测表面形态。TEM的工作原理是以电子束透过样品，经过减薄的样 品聚焦与放大后所产生的物像来检测表明表面形态。但这两种方法都需要破片分析，周期长，成本也较高，而且这两种方法主要在于检 测单个纳米晶的形态，对于尺寸大小不一的纳米晶很难快速统计出平均值，不适合大规模 生产的快速检测。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明需要解决的技术问题就在于，克服现有技术中需要用扫描电镜对硅片进行 破片分析的缺点，提供一种利用测量单色光反射率的变化在线检测硅纳米晶形态的方法， 以实现对硅纳米晶形态的在线快速检测。
( 二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种在线检测硅纳米晶形态的方法，该方法包 括步骤1 准备若干片硅片作为衬底，在该各衬底表面分别生长一隧穿介质层；步骤2 用稀释氢氟酸处理衬底表面，再用LPCVD的方法在该各衬底表面分别生长 一层硅纳米晶；步骤3 利用波长为365nm的单色光作为入射光入射至各衬底表面，由于表面材料 和形貌的不同，反射光强必然会发生变化，记录各种生长时间的纳米晶硅片的反射率，建立 生长时间与反射率之间的关系式；步骤4:将以上各种硅片用扫描电镜和透射电镜进行破片分析，确定不同生长时 间纳米晶的形态，建立不同纳米晶形态与生长时间的关系式；步骤5 将纳米晶不同形态与反射率对应起来，建立相应的关系式，从而根据反射 率来确定生长的纳米晶形态。上述方案中，步骤1中所述隧穿介质层为3102或5@4。上述方案中，步骤2中所述在各衬底表面分别生长一层硅纳米晶，在各衬底表面 的生长时间依次相差0. 5分钟，分别为1分钟、1. 5分钟、2分钟、2. 5分钟.......上述方案中，步骤3中所述波长为365nm的单色光是由在线膜厚检测设备产生的， 或者是用分光镜将白光分解成不同波长的单色光，并且构成连续的可见光光谱，然后截取 波长为365nm附近极窄的一段光谱作为该单色光。上述方案中，步骤3中所述入射光的光斑面积为2. 7iimX2. 7iim。上述方案中，步骤3中所述反射率是所有反射光与初始入射光的光强之比。(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、本发明提供的利用测量单色光反射率的变化在线检测硅纳米晶形态的方法，通 过纳米晶颗粒对入射光的吸收，从而影响反射光强的变化，导致反射率出现规律性的改变， 因此可以定性地将纳米晶形态与光的反射率联系起来，从而可以实现对硅纳米晶的在线快 速检测。2、利用本发明，可以将反射率与硅纳米晶的实际形态之间建立联系，实现快速检 测硅纳米晶。3、利用本发明，可以用于在线检测硅纳米晶的形态，也可以在线监测其它颗粒的 形态。此方法形式简单，测量方便，速度快，效率高，可用于大规模生产的在线监测。
图1是本发明的实现原理示意图；图2-1是Si02衬底上不同尺寸硅纳米晶对反射率影响的示意图；图2-2是Nitride衬底上不同尺寸硅纳米晶对反射率影响的示意图；图2-3是Si02和Si3N4衬底上不同生长时间的纳米晶对反射率影响的示意图；图3是本发明提供的利用测量单色光反射率的变化在线检测硅纳米晶形态的方 法流程其中，1-入射光；2-硅纳米晶；3-经过硅纳米晶的反射光；4-经过硅纳米晶和隧 穿层介质的反射光；5-隧穿介质层；6-入射光发射器；7-反射光接收器。
具体实施例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。本发明提供的利用测量单色光反射率的变化在线检测硅纳米晶形态的方法，通过 纳米晶颗粒对入射光的吸收，从而影响反射光强的变化，导致反射率出现规律性的改变，因 此可以定性地将纳米晶形态与光的反射率联系起来，从而可以实现对硅纳米晶的在线快速 检测。如图1所示，本发明的实现原理如下对于二氧化硅(如图2-1)，纳米晶密度越 大，厚度越大，入射光的损失就越大，反射光强也就会降低，从而可以建立相应的关系式， 达到在线监测的目的；而对于氮化硅，纳米晶密度增大，由于衬底材料的性质，不同检测波 长的反射率变化趋势也不同，但对于特定区间的波长，反射率也呈现规律性的变化(如图 2-2)，从而也可以选取特定波长的光作为检测光。对于波长位于区间325nm 420nm的检测光，二氧化硅和氮化硅衬底的反射率变 化呈现一致的变化规律纳米晶尺寸增大，反射率减小。因而选择反射率变化趋势最显著的 波长为365nm的光作为检测光(如图2_3)。本发明采用入射光照射硅片表面，通过检测反射率的变化来检测纳米晶形态的方 法。所述入射光可以是单色光，也可以是波长带宽极小的连续光，如图1所示，当光线1入 射到纳米晶表面，除了没有被纳米晶覆盖表面的部分反射，还有一部分光线3、4经过纳米 晶内部被折射吸收，导致反射的光线强度减弱，从而反射率会下降(所述反射率为所有反 射光的强度总和与入射光强度之比)。纳米晶尺寸越大，厚度也越大，光线经过纳米晶的路 程也会越大，吸收的几率也会越大，所以反射光强会相应减少，所以可以把反射率和纳米晶 的尺寸联系起来，在硅纳米晶生长时间大于2分钟时，反射率与生长时间(即硅纳米晶的大 小)近似成线性关系(如图2-3)，因此可以通过反射率的大小来检测硅片表面纳米晶的形 态状况。如图3所示，图3是本发明提供的利用测量单色光反射率的变化在线检测硅纳米 晶形态的方法流程图，该方法包括以下步骤步骤1 准备若干片硅片作为衬底，在该各衬底表面分别生长一隧穿介质层；该隧 穿介质层为Si02或Si3N4。步骤2 用稀释氢氟酸处理衬底表面，再用LPCVD的方法在该各衬底表面分别生长 一层硅纳米晶；在各衬底表面分别生长一层硅纳米晶，在各衬底表面的生长时间依次相差0. 5分 钟，分别为1分钟、1. 5分钟、2分钟、2. 5分钟.......步骤3 利用波长为365nm的单色光作为入射光入射至各衬底表面，由于表面材料 和形貌的不同，反射光强必然会发生变化，记录各种生长时间的纳米晶硅片的反射率，建立 生长时间与反射率之间的关系式；波长为365nm的单色光是由在线膜厚检测设备产生的，或者是用分光镜将白光分解成不同波长的单色光，并且构成连续的可见光光谱，然后截取波长为365nm附近极窄的 一段光谱作为该单色光。入射光斑面积为〗.？!!!!!※〗.？!!!!!。反射率是所有反射光与初始入 射光的光强之比。步骤4:将以上各种硅片用扫描电镜和透射电镜进行破片分析，确定不同生长时 间纳米晶的形态，建立不同纳米晶形态与生长时间的关系式；步骤5 结合步骤3和步骤4，将纳米晶不同形态与反射率对应起来，建立相应的关 系式，从而可以根据反射率来确定生长的纳米晶形态，达到快速检测的目的。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。
权利要求
一种在线检测硅纳米晶形态的方法，其特征在于，该方法包括步骤1准备若干片硅片作为衬底，在该各衬底表面分别生长一隧穿介质层；步骤2用稀释氢氟酸处理衬底表面，再用LPCVD的方法在该各衬底表面分别生长一层硅纳米晶；步骤3利用波长为365nm的单色光作为入射光入射至各衬底表面，由于表面材料和形貌的不同，反射光强必然会发生变化，记录各种生长时间的纳米晶硅片的反射率，建立生长时间与反射率之间的关系式；步骤4将以上各种硅片用扫描电镜和透射电镜进行破片分析，确定不同生长时间纳米晶的形态，建立不同纳米晶形态与生长时间的关系式；步骤5将纳米晶不同形态与反射率对应起来，建立相应的关系式，从而根据反射率来确定生长的纳米晶形态。
2.根据权利要求1所述的在线检测硅纳米晶形态的方法，其特征在于，步骤1中所述隧 穿介质层为SiO2或Si3N4。
3.根据权利要求1所述的在线检测硅纳米晶形态的方法，其特征在于，步骤2中所述在 各衬底表面分别生长一层硅纳米晶，在各衬底表面的生长时间依次相差0. 5分钟，分别为1 分钟、1. 5分钟、2分钟、2. 5分钟.......
4.根据权利要求1所述的在线检测硅纳米晶形态的方法，其特征在于，步骤3中所述波 长为365nm的单色光是由在线膜厚检测设备产生的，或者是用分光镜将白光分解成不同波 长的单色光，并且构成连续的可见光光谱，然后截取波长为365nm附近极窄的一段光谱作 为该单色光。
5.根据权利要求1所述的在线检测硅纳米晶形态的方法，其特征在于，步骤3中所述入 射光的光斑面积为2. 7 μ mX2. 7 μ m。
6.根据权利要求1所述的在线检测硅纳米晶形态的方法，其特征在于，步骤3中所述反 射率是所有反射光与初始入射光的光强之比。
全文摘要
本发明公开了一种在线检测硅纳米晶形态的方法，包括准备若干片硅片作为衬底，在该各衬底表面分别生长一隧穿介质层；用稀释氢氟酸处理衬底表面，再在该各衬底表面分别生长一层硅纳米晶；利用波长为365nm的单色光作为入射光入射至各衬底表面，由于表面材料和形貌的不同，反射光强必然会发生变化，记录各种生长时间的纳米晶硅片的反射率，建立生长时间与反射率之间的关系式；将以上各种硅片用扫描电镜和透射电镜进行破片分析，确定不同生长时间纳米晶的形态，建立不同纳米晶形态与生长时间的关系式；将纳米晶不同形态与反射率对应起来，建立相应的关系式，从而根据反射率来确定生长的纳米晶形态。利用本发明，实现了对硅纳米晶形态的在线快速检测。
文档编号G01N21/55GK101813624SQ20091007855
公开日2010年8月25日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者刘明, 杨潇楠, 王永, 王琴 申请人:中国科学院微电子研究所