專利名稱：：半導體結構中應變和活化的摻雜劑的光-反射特性刻畫方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及半導體結構的光學特性刻畫，尤其，涉及使用光一調制反射率來給出半導體結構中應變和活化的摻雜劑的特性。
背景技術：
：在制造電子器件的工藝控制中需要高靈敏度的非一破壞性測量技術。為了在生產期間能獲得早期可能的反饋，需要在器件完工之前給出其電子特性。重要的是，支配器件工作的物理現(xiàn)象發(fā)生在極薄的活化層中，由于它們的體積很小而難于給出其特性。例如，先進的晶體管結構可以包括薄的有應變的硅層，其中硅晶格的應變控制了晶體管的電氣特性。諸如橢圓偏光法之類傳統(tǒng)的度量衡技術不能有效地給出這些薄膜的電子特性。幸運地，可以使用己知為光一反射的光學技術來給出薄膜的電子特性。傳統(tǒng)的光一反射配置使用幅度調制的激光器泵浦波束在感興趣的薄膜中的電子—空穴總數中誘發(fā)小周期變化。然后使用鎖相技術用與調制的泵浦波束符合的第二光束來監(jiān)視小采樣的反射率變化。這個揭示描述應用新的光一反射率度量衡技術來給出納米厚度硅膜的活化電子特性。通過使用接近Si中第一強帶間躍遷能量的探測波長，這里揭示的半導體結構中應變和活化的摻雜劑的光一反射特性刻畫方法獲得Si納米膜結構電子特性的靈敏度，這發(fā)生在約375nm的波長處。在這種躍遷的附近，光一反射(PR)信號一般展現(xiàn)出尖銳的導數狀的形狀。通常，PR信號采取AR/R=a△epAe2的形式，其中a和0是包含膜堆疊(filmstack)信息的"Seraphin系數"，而A^和Ae2分別是在介電函數的實部和虛部中的泵浦誘發(fā)的變化(Seraphin，1965)。換言之，Ae!和Ae2描述薄膜特性的泵浦誘發(fā)的調制?？梢园颜T發(fā)的這些變化寫成自由載流子的能量和半導體介電函數的三次導數的積如下Aej=33("ei)/3"3xUp，其中Up是自由載流子能量，而"是光子頻率(Aspnes，1980)。因此，對于Si選擇375nm的探測波束的波長的動機在于A￡1和Ae2的尖銳的導數形式。可以從已知的半導體光學常數直接計算出三次導數項。因此總的PR信號變成AR/R=Re[(a—iP)x33("e)/3"3]]xUp。在半導體帶結構中，三次導數函數形式只在接近強光學吸收處才是大的，因此可以用大的精度來離析這些特征。這就是為什么允許PR技術精確地測量納米級應變的硅層的應變，例如，由于Si中接近375mn的強的光學吸收在應變下遭受精確的偏移。接近于這些強的光學吸收，PR響應的幅度對在活化的硅晶體管溝道區(qū)中的電場也具有優(yōu)良的靈敏度注意自由電子能量由表達式Up二e2h2F724m"2給出，其中e是電荷，h是普朗克常數，F(xiàn)是空間電荷場以及m是電子有效質量。自由電子能量還與誘發(fā)的載流子密度成正比，這可以從泊松關系式看到ri=e。F72eV，其中Ii是誘發(fā)的載流子密度，V是內置的表面電壓，以及e。是材料的介電常數(Shen，1990)。普通商用光一反射計的主要問題是沒有選擇探測波束的波長使之與在研究的電子材料的強光學吸收符合(Salnick，2003;Borden，2000)。因此，在傳統(tǒng)的光一反射計中，在介電函數的三次導數是較小時的波長處得到PR信號，因此不可得到關于帶結構的信息。因此，傳統(tǒng)的光一反射計不能有用地確定內電場或應變。相反地，這些光一反射計對于經注入的摻雜劑的損傷分布是敏感的(Salnick，2003)。包含在PR信號中的膜堆疊信息是第二重要的，并且在作為注入深度的函數的PR響應中產生余弦狀的曲線。此外，在這些光一反射計中，不能從注入劑量依賴性中減弱注入深度依賴性。在任何情況中，可通過諸如借助分光鏡的橢圓偏光法之類的標準線性光學技術得到傳統(tǒng)商用光一反射計提供的膜堆疊信息(Jellison，1995)。使用基于波長在強光學躍遷附近的借助分光鏡的探測波束的燈的傳統(tǒng)光一反射計再一個問題是當使用如此的波束時，它們必須i)使用單色器來進行在每個要求波長處的順序鎖相測量，或ii)使用與線性光電二極管檢測陣列并聯(lián)的多個鎖相檢測電路。在使用單色器的情況中，總的單點測量時間一般在5—10分鐘的數量級上，這不能滿足大批量制造的使用。在使用并聯(lián)鎖相電路的情況中，裝置的成本和復雜性是最大的。此外，在使用這種基于燈的借助分光鏡的探測波束的傳統(tǒng)光一反射計中，燈提供不相干的光，因此不能有效地聚焦成像激光器束那樣的小點。在這里描述的半導體結構中的應變和活化摻雜劑的光一反射特性刻畫方法中，所有這些問題都以第一流的方式得到解決。首先，不需要使用單色器，因為激光器探測波長是預置在感興趣的已知波長處的，或在多種多樣的如此的己知波長上進行快速掃描。第二，不需要并聯(lián)的鎖相電路，因為只需要一個檢測光電二極管。最后，激光器光源的使用允許根據大批量制造的工藝控制要求進行嚴密的聚焦和快速數據捕獲。普通商用光一反射計的另外的問題是沒有選擇泵浦波束的波長以提供吸收深度，該吸收深度是適合于有效抽吸通常用于半導體制造中的絕緣襯底的。例如，為了有效地抽吸絕緣物上的硅襯底，吸收深度的要求把泵浦激光器波長限制在小于或相當于上部硅厚度。這暗示了小于約500nm的合適的泵浦波長，普通商用光—反射計不能滿足的一個條件(Salnick，2003)。因此，在傳統(tǒng)光一反射計/光譜儀可以適用于它們所著手的特定目的的同時，它們在器件完成之前不如本揭示那樣適用于半導體納米結構的活化電子特性。在這些方面，這里揭示的半導體結構中的應變和活化摻雜劑的光一反射特性刻畫方法實質上離開了現(xiàn)有技術的傳統(tǒng)概念和設計，并且在如此進行時提供了最初為大批量制造中的半導體納米結構的活化電子特性的快速特征而開發(fā)的一種裝置。
發(fā)明內容由于目前存在于現(xiàn)有技術中的已知類型光譜學中固有的上述缺點，本揭示提供了半導體結構中的應變和活化摻雜劑的光—反射特征的新的方法。隨后將更詳細地描述的本揭示的一般目的是提供半導體結構中的應變和活化摻雜劑的光—反射特征的一種方法，該方法具有上述光譜學中的許多優(yōu)點，以及許多新穎特征，這產生了半導體結構中的應變和活化摻雜劑的光一反射特征的一種方法，在任何現(xiàn)有技術中沒有單獨地或按任何組合的形式預見過、明顯實行過、建議過或暗示過該方法。應變特性刻畫技術的下述原理是測量在半導體帶結構中強帶間躍遷附近發(fā)生的光一反射信號中的小的波長偏移。PR峰的位置允許直接確定諸如應變之類的薄膜物理特性。活化摻雜劑特性刻畫技術的下述原理同樣是測量在半導體帶結構中強帶間躍遷附近發(fā)生的光一反射信號，并且通過在半導體表面處誘發(fā)的納米級空間電荷場的效應，這對于經活化的摻雜劑是極敏感的。PR信號允許直接確定薄膜物理特性，諸如活化摻雜濃度。因此，半導體結構中的應變和活化摻雜劑的光一反射特性刻畫方法提供產生和記錄有關半導體納米結構的活化電子特性的光一反射信息的能力。為了達到這個目的，作為一個可能的實施例，本揭示包括在NIR—VIS中工作的約15mW的二極管激光器泵浦波束。通過工作在100kHz-50MHz范圍的信號發(fā)生器對泵浦波束進行幅度調制?？梢灾苯诱{制泵浦激光器或可以通過傳統(tǒng)的電一光或聲一光調制技術來調制泵浦激光器?？梢酝ㄟ^固定偏振器來改變泵浦光束偏振。作為一個可能的實施例，探測波束包括工作在VIS—UV的約5mW的二極管激光器波束。通過使用二色性分光器可以使泵浦光束和探測光束共線。把共線的泵浦光束和探測光束引導到釆樣上的微米級點上，并且收集鏡子的反射。然后使用濾色片使泵浦光衰減，然后把包含經調制的采樣的反射率的其余的探測光聚焦到光電二極管上，并且轉換成電流。使該電流通過測量反射率變化的幅度和相位的鎖定(lock-in)放大器。然后存儲該PR信號作為探測波長、泵浦強度以及泵浦光束和探測光束偏振的函數。因此捕獲了關于半導體納米結構的活化電子性質的光一反射信息。作為本揭示的主題的半導體材料可以是任何類型的半導體材料，并且可以包括，但是不局限于，II一VI族半導體材料或III一V族半導體材料。在某些實施例中，這種材料可以包括硅、碳、鍺、碳化硅、硅鍺、硼、磷、砷或它們的任何組合，或它們可以包括砷化鎵、砷化鋁、氮化鎵、氮化鋁、氮化銦、磷化鎵、磷化銦、砷化銦或它們的任何組合。因此已經較廣泛地概述了本揭示的一些更重要的特征，以便能較好地理解其詳細說明，以及以便較好地理解本揭示在技術方面的貢獻。在下文中將描述本揭示的一些另外的特征。在這個方面，在詳細解釋本揭示的至少一個實施例之前，要理解本揭示的應用不局限于下述說明或附圖所示出的結構細節(jié)和部件安排。本揭示能夠用于其它實施例，并且可以以各種方式來實現(xiàn)和進行。同樣，要理解，這里所使用的措詞和術語是為了說明的目的，不應該認為是限制?？梢园锤綀D所示出的形式來實現(xiàn)本揭示，然而，事實上要注意，附圖只是示意性的，可以在所示出的特定結構中作出修改。下面的附圖形成本說明書的一部分，并且所包含的這些附圖進一步展示本揭示的某些方面。通過參考這些附圖中的一幅或多幅并且結合這里所示出的特定實施例的詳細說明可以較好地理解本揭示。圖1示出可以使用本揭示的應變特性刻畫技術進行分析的示范性有應變的膜結構；圖2包含根據本揭示的光一反射裝置的配置，可以使用該裝置來提供半導體結構中的應變和活化摻雜劑的光一反射特性；圖3包含根據本揭示的光一反射裝置探測波束偏振的示意性配置，可以用來提供半導體結構中的應變和活化摻雜劑的光—反射特性；圖4包含由雙軸應變引起的硅中的"E,帶間躍遷的示意性偏移以及示出本揭示的應變特性刻畫技術的測量原理；圖5是作為上部硅厚度和SiGe層Ge濃度的函數的、在入=375nm處對光學上為厚的硅鍺層上部的薄硅膜計算得的DC反射率；圖6是作為上部硅厚度和SiGe層Ge濃度的函數的、在A=375nm處對光學上為厚的硅鍺層上的薄硅膜計算得的Seraphin系數a=d(lnR)/3e1;圖7是作為上部硅厚度和SiGe層Ge濃度的函數的、在A=375nm處對光學上為厚的硅鍺層上的薄硅膜計算得的Seraphin系數0=d(lnR)/3e2;圖8是在20MHz的調制頻率時對采樣組1中每個采樣標繪的實驗PR信號；圖9是在20MHz的調制頻率時對采樣組2中每個采樣標繪的實驗PR信號；圖10示出可以使用本揭示的半導體結構中的活化摻雜劑的光一反射特性刻畫方法進行分析的示范性經注入/退火的硅納米膜結構；圖11是對于泵浦誘發(fā)的F=430kV/cm的空間電荷場在接近SiE,帶間躍遷能量處的計算的PR信號；圖12是作為注入劑量和深度的函數的、在^=633nm處對光學上為厚的硅襯底上的薄注入損傷層計算得的Seraphin系數a=d(lnR)/3e1;圖13是作為注入劑量和深度的函數的、在^=375nm處對光學上為厚的硅襯底上的薄注入損壞層計算得的Seraphin系數a=d(lnR)/3e1;圖14是作為注入劑量和深度的函數的、在入=375nm處對光學上為厚的硅襯底上的薄注入損壞層計算得的Seraphin系數P=d(lnR)/3e2;圖15是在2MHz的調制頻率時具有10nm目標結(targetedjunction)深度的經注入和退火的As晶片的實驗PR信號；圖16是在2MHz的調制頻率時具有20nm目標結深度的經注入和退火的As晶片的實驗PR信號；圖17是在2MHz的調制頻率時具有30nm目標結深度的經注入和退火的As晶片的實驗PR信號；圖18是在2MHz的調制頻率時具有40nm目標結深度的經注入和退火的As晶片的實驗PR信號；圖19是作為結深度的函數標繪的、圖15—18中所示的經注入和退火的As晶片的實驗PR信號；圖20是作為結深度的函數標繪的、圖15—18中所示的"低劑量"的經注入和退火的As晶片的實驗PR信號；圖21是在2MHz的調制頻率時具有10nm目標結深度的"僅注入"(沒有退火)的As晶片的實驗PR信號；圖22是在2MHz的調制頻率時具有20nm目標結深度的"僅注入"的As晶片的實驗PR信號；圖23是在2MHz的調制頻率時具有30nm目標結深度的"僅注入"的As晶片的實驗PR信號；圖24是在2MHz的調制頻率時具有40nm目標結深度的"僅注入"的As晶片的實驗PR信號；圖25是作為結深度的函數標繪的、圖21—24中所示的"僅注入"的As晶片的實驗PR信號。具體實施例方式下面對于硅納米結構中應變和活化摻雜劑的特征討論半導體結構中應變和活化摻雜劑的光一反射特性刻畫方法的使用。要理解，可以使用本揭示的半導體結構中的應變和活化摻雜劑的光一反射特性刻畫方法來分析任何半導體結構，認為硅納米膜結構的討論僅是示范性的，并非對范圍的限制?，F(xiàn)在轉到附圖進行描述，圖1在夸大了的視圖中包含可使用本揭示的光一反射技術給出特征的、示范性的經應變的硅膜結構?？梢允褂梅肿邮庋臃?、和/或化學氣相沉積法、和/或金屬一有機化學氣相沉積法生長的、經應變的硅膜結構包括硅襯底1，在硅襯底上生長了增加Ge含量(達約10—30X的Ge)的分等級的合成硅鍺層2，接著是均勻合成SiGe層3，以及最后是經應變的上薄硅膜4。SiGe層2和3形成與上硅晶格符合的虛擬的SiGe襯底，從而在上硅層中誘發(fā)張力應變。在一個示范性實施例中，經應變的上Si層4的厚度約為10.0nm。根據圖2所示的本揭示的配置，可以使用半導體結構中應變和活化的摻雜劑的光-反射特性刻畫方法來測量從經應變的硅納米膜結構或任何其它半導體結構反射的光譜，以便給出半導體結構的物理性質，諸如帶間躍遷的能量、活化的載流子濃度以及表面電場。如圖2所示，所述光一反射配置包括泵浦激光器5、探測激光器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、反射采樣10、濾色片11、光電二極管12、鎖定放大器13以及計算機14以控制測量參數和記錄反射率變化。在一個示范性實施例中，使用來自鎖定放大器13的1伏峰峰值的方波參考信號直接調制泵浦激光器強度。通過使用二色性分光器7使泵浦光束和探測波束在同一直線上。然后使用消色差的聚焦透鏡使同一直線上的波束聚焦到反射釆樣10上，并且使用收集透鏡進行收集。接著使用濾色片11使泵浦光衰減。然后使包含經調制的采樣反射率的其余的探測光聚焦到光電二極管12上，并且轉換成電流。該電流通過測量反射率變化的幅度和相位的鎖定放大器13。把該信息傳送到計算機14，計算機記錄作為驅動頻率的函數的反射率差分變化。泵浦激光器5是光子能量處于被測半導體的帶隙處或以上的連續(xù)波激光器。對于硅，帶隙發(fā)生在約1100nm波長處。在一個示范性實施例中，泵浦波長約為488nm，而泵浦激光器功率約為15mW。當活化層是絕緣物上的硅襯底的薄的上硅層以致必須在上Si層中吸收泵浦光以有效地調制載流子密度時，這個波長特別有用。計算機14可以控制泵浦激光器強度。泵浦激光器5實施例包括在NIR-VIS波長范圍內發(fā)射的以約5mW或以上功率工作的二極管激光器?？梢詫Ρ闷旨す馄鞑ㄊM行直接調制或通過使用電一光或聲一光幅度調制裝置進行外部調制。在一個示范性實施例中，通過來自鎖定放大器13的內部參考信號以高頻率直接調制泵浦激光器5。驅動頻率從約100kHz改變到50MHz。還可以通過角度位置受到計算機控制的偏振器來傳送泵浦激光器波束。這提供了幅度調制的、可變的偏振泵浦波束。探測激光器6包括光子能量處于或接近被測半導體的帶間躍遷能量的連續(xù)波激光二極管。對于硅，第一強帶間吸收發(fā)生在約375nm波長處。在一個示范性實施例中，探測波長約為375nm，而探測激光功率約為5mW。在某些實施例中，探測激光器6是中心波長約為375nm和可調諧范圍約為10納米或更大的外部腔體式可調諧二極管激光器。探測激光器6實施例包括在VIS-UV波長范圍內發(fā)射的以約10mW或更小的功率工作的二極管激光器。通過使用二色性分光器7使泵浦光束和探測波束在同一直線上。然后使用高數字孔徑聚焦裝置使同一直線上的波束聚焦到采樣上，并且收集鏡子的反射和引導到濾色片11。聚焦實施例包括同時發(fā)生波束裝置，其中使每個激光束都聚焦成50微米或更小的直徑。圖3示意性地示出探測激光束和它通過光學系統(tǒng)時的偏振。所有光學元件都與各自的源波長匹配。一旦從反射采樣10反射了探測波束，它就具有來自采樣光學性質的誘發(fā)調制的泵浦調制頻率處的幅度調制。因此，探測波束包含形式為1。[R(DC)+AR(Q)]的信號。用濾色片11使來自泵浦波束的光衰減，并且把其余的探測光傳送到光電二極管12。因此，光電二極管輸出包含與探測信號成正比的電流。來自光電二極管的DC信號與1。R成正比，而AC信號與1。AR成正比。為了測量AR/R，必須對強度1。進行歸一化。這是通過把AC信號除以DC信號來實現(xiàn)的。示范性實施例的AR/R的典型的幅度為10—2—10—6的數量級。在光電二極管輸出上執(zhí)行相位靈敏度測量，并且計算機14記錄測量光電流。計算機14可以控制探測波長、調制頻率、泵浦激光強度以及每個波束的偏振。因此記錄AR/R作為探測波長、調制頻率、激光強度和偏振的函數。這些實施例包括不改變基本PR信號的裝置的變型。如所述，應變特性刻畫技術的下述原理是測量半導體帶結構中發(fā)生在接近強帶間躍遷附近的光一反射信號中的小的偏移。圖4示出用于使用單個探測波長來監(jiān)視薄的經應變的硅膜中的應變的下述原理。已知在入^375nra處發(fā)生的硅"EZ，帶間躍遷是在應變下進行分裂和偏移。通過Ei二Ei十AEH土AEs給出經應變的帶間躍遷能量的位置，其中AEH(〈0)和AEs分別對應于流體靜力學和切變誘發(fā)的偏移。這兩項在應變中都是線性的，導致總的偏移與應變成線性的正比。對于約1%的硅晶格應變，圖4包含與未經應變的硅E:帶間躍遷能量和經紅移的E—帶間躍遷能量對應的模擬PR信號。如所示，對于接近E,帶間躍遷能量的單色探測波束，當存在應變時，PR信號將進行符號改變。因此，通過在被研究的未經應變的半導體的強帶間躍遷處或極接近強帶間躍遷處選擇單個探測波長，就可以通過PR響應的符號的變化來確定應變的存在。此外，如圖4中所展示，在或極接近這種帶間躍遷處，PR信號是應變的線性函數。因此，可以根據近似線性公式AR/R=mx+b使用PR信號簡單地監(jiān)視應變的幅度，其中x是物理應變，m是經驗確定的線性相關系數，而b是小的偏移。在PR信號AR/R與應變的相關中，重要的是要知道PR信號上膜堆疊的效果。這是通過基本關系式AR/R=a△e0Ae2來提供的，其中a和P是包含膜堆疊信息的Seraphin系數，而A^和Ae2分別是釆樣偽一介電函數的實部和虛部中泵浦誘發(fā)的改變。吸收深度設置PR響應的深度，因此設置了范圍，該范圍對于知道PR信號上的膜堆疊的效果是重要的。在375nm波長處，硅中的吸收深度是S^22.6nm。這意味著對于大于22.6nm的上部硅厚度，375nm探測波束對于下面的膜結構快速地損失了靈敏度。對于10%、20%和30%的典型的SiGeGe濃度，圖5包含作為上部硅厚度的函數的、圖1所示的示范性膜結構的計算的反射率。通過相對于e,和e2對這個反射率進行數字上的微分，有可能計算Seraphin系數，即a二d(lnR)/3e!和P=d(lnR)/3e2。對于10%、20%和30%的典型的SiGeGe濃度，圖6和7包含作為上部硅厚度的函數的、圖1所示的示范性膜結構的Seraphin系數。Seraphin系數在感興趣的參數空間上沒有改變符號的事實展現(xiàn)出在375nrn處觀察到的PR信號中的任何符號變化不可能是由于上部硅厚度或Ge濃度的變化而引起的。因此，AR/R的任何符號改變必定是由于表示應變存在的Ae,或Ae2的符號變化而引起的。計算的Seraphin系數還展現(xiàn)出膜堆疊參數的AR/R的依賴性。為了展現(xiàn)出與應變存在相關聯(lián)的PR信號變化，分析了包含圖1的示范性結構的變化的兩個采樣組。如果有的話，感興趣的基本問題是，在這些組的每一個中，哪一個上部硅膜受到應變。包含5個晶片的采樣組1:一個未經應變的硅襯底；在硅襯底上帶有松弛的SiGe(18.5%的Ge)的兩個晶片；以及在硅襯底上具有約6nm厚度的附加的上部經應變的硅膜的、帶有松弛的SiGe(18.5X的Ge)的兩個晶片。在下面的表1中描述采樣組1。<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表1釆樣組2包含6個晶片一每個包括圖1的全部堆疊，在上部硅厚度和Ge濃度方面有變化。在下面表2中描述采樣組2。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>表2圖8示出在20MHz的固定調制頻率處從采樣組1取得的PR數據。晶片弁l、#3和#5，未經應變的硅襯底以及松弛的SiGe晶片，示出約+lxlO一5的PR信號。由于PR光譜是來自上部硅膜和松弛的SiGe層的響應的線性重疊，我們可以斷定，如果晶片弁2和#4包含未經應變的上部硅，則這些晶片的響應必定是正的，與晶片井1、#3和#5相似。然而，帶有上部硅的僅有的晶片，晶片#2和#4，示出符號相反的PR信號。此外，如圖6和7所示，從晶片弁2和弁4看到的PR響應的符號變化不可能是膜堆疊效應。因此，根據圖4描繪的應變測量原理，從晶片弁2和弁4看到的負的PR信號是由于上部硅中的應變引起的。圖9示出在20MHz的固定調制頻率處從采樣組2取得的PR數據。晶片#1、#5和井6示出l一2x10—5的PR信號。然而，晶片#2、井3和弁4示出符號相反的和幅度為3—4xlO」的PR信號。通過對表2的檢查，可以看到負的PR信號對應于具有約10nm厚度的上部硅膜的晶片，而正信號對應于厚度約20nm的膜。然而，如圖6和7所示，負的PR響應不可能是膜堆疊效應。這表示在采樣組2中，當上部硅厚度超過約20nm時使應變松弛。預測上部硅膜的厚度大于約15nm的厚度時應變松弛的獨立的計算支持了這個結論(在這里的情況下)。在用采樣組1的結果進行模擬的情況下，我們斷定采樣組2的晶片弁2、弁3和弁4受到應變，而其它晶片沒有。現(xiàn)在轉到活化摻雜劑特性刻畫技術的說明，在一個示范性視圖中，圖10包含可以用本揭示的半導體結構中應變和活化的摻雜劑的光-反射特性刻畫方法分析的經注入的和經退火的硅膜結構。經注入的和經退火的硅膜結構包括在集成電路制造中使用的標準硅襯底15，在該襯底中注入砷(As)摻雜劑的均勻層，并且此后執(zhí)行活化退火。在一個示范性實施例中，注入層16在晶片表面處或接近晶片表面處的厚度約為10—40nm。實際上，經注入的摻雜劑形成分級的分布，所以圖10只提供給出經注入的和經退火的硅納米膜結構的光學性質的近似結構。產生一組注入砷的硅晶片，這些晶片具有變化的注入劑量和注入能量。使用具有注入劑量和深度的24個晶片的工藝模型是近似地針對當前和將來的制造規(guī)格的。變化注入能量以產生范圍約10nm到40nm的深度，而變化劑量以產生范圍約1018原子/立方厘米到102()原子/立方厘米的額定劑量密度。對于每個注入分裂，產生經退火的和未經退火的晶片。表3包含模型的信息，包括估計的摻雜分布。存在4個注入能量晶片井1一6、7—12、13一18和19—24分別對應于10、20、30和40nm的注入深度。這些目標深度的每一個進一步包括數量級為1012、1013和1014離子/平方厘米的三個劑量分裂。最高劑量對應于大約lx1018離子/立方厘米的密度。最后，執(zhí)行退火分裂，包括1000°C處5秒的單次退火。這個退火旨在產生所有劑量和密度條件下的最大劑量活化。沒有進行過使劑量擴散最小化的嘗試。<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表3如所述，活化摻雜劑特性刻畫技術的下面的原理是測量半導體帶結構中在強帶間躍遷附近發(fā)生的光一反射信號。對于大約對應于1018/cc的泵浦誘發(fā)的載流子密度的F=430kV/cm的誘發(fā)的空間電荷場，圖11示出在SiE工光吸收附近的計算的PR信號。在大批量注入監(jiān)視應用中例行地誘發(fā)這個載流子密度(0psal，1985)。如圖11所示，在約360—380nm的波長范圍上，該信號的幅度是十分大的。事實上，PR信號的幅度比現(xiàn)有注入監(jiān)視系統(tǒng)得到的要大至少兩個數量級(Opsal，1985)。此外，如下所示，可以使用活化摻雜劑特性刻畫技術來區(qū)分和測量Si晶體管溝道中的活化摻雜劑，而現(xiàn)有系統(tǒng)已經證明不可能實現(xiàn)這個應用。為了理解PR信號上注入損傷的效應，需要再次估計Seraphin系數。損傷分布是造成材料的線性光學響應的原因，因此在歷史上已經作為注入本身的一個量度來使用。為了說明，考慮在633nm波長處的注入損傷的Si的Seraphin系數。這是普通大批量注入監(jiān)視PR系統(tǒng)的波長(Opsal,1985)。由于探測波長的位置離開硅中任何重要的光學特征很遠，因此從(Drude)載流子密度的調制直接發(fā)生光一反射信號。對于633mn的波長，只有介電函數的實部中的變化才是重要的。因此，我們有AR/R^aAh，其中所有的膜堆疊信息都包含在a中。為了計算a二d(lnR)/3e^我們首先可以根據損傷層、襯底的折射率以及損傷層的厚度得到R的分析表達式。這還可以通過數字方法來進行，以及對于入射或偏振條件下的任何角度來進行。然后可以相對于介電函數的實部在數字上對R微分以及構成a。通常，Seraphin系數會以4axnd/A的周期進行振蕩，其中n是損傷層上的折射率，d是損傷層的厚度以及A是探測波束波長。周期取決于光在材料中的光徑長度，所以還取決于入射角。此外，通過光的吸收深度來阻尼振蕩。然而，對于法向入射和在Si為透明度較大的波長處，這些考慮是不重要的。圖12示出對于633nm的探測波束，Seraphin系數對損傷層深度和損傷片段的依賴性。上部、中部和下部曲線分別對應于注入層的10%、30%和50%非晶體化。以前已經使這些余弦狀的曲線的周期符合于獲取結深度靈敏度的嘗試。然而，在實際中，當包含在a中的AR/R的結深度依賴性不能與包含在Ae,中的劑量依賴性分開時，633nm探測器使靈敏度損失約15nm或更小的注入深度。尤其，同時增加注入深度和劑量兩者可以導致633nm探測信號不變化。這是結深度工藝控制中現(xiàn)有工具無效的一個原因。此外，現(xiàn)有工具受到低劑量測量的嚴峻挑戰(zhàn)，因為它們依賴于Drude載流子離散中對固有小變化的靈敏度。進一步說明以考慮375nm波長處注入損傷Si的Seraphin系數。對于這個波長，介電函數的實部和虛部兩者的變化是重要的。因此，當確定AR/R中包含膜堆疊信息時，我們必須考慮a和0兩者。在375nm波長處，硅中的吸收深度是S^22.6nm。吸收深度設置了PR響應的深度，因此設置了一個區(qū)域，該區(qū)域對于知道PR信號上的膜堆疊效應是重要的。這意味著對于表面膜厚度大于22.6nm，375nm的探測波束很快就變成對下面的膜結構不敏感。圖13示出375nm波束的Seraphin系數a對損傷層深度和損傷片段的依賴性。上部、中部和下部曲線分別對應于10%、30%和50%非晶體化損傷。由在該波長處的吸收引起的余弦狀的曲線的阻尼是顯而易見的。在375run探測波長處的Seraphin系數的較短的振蕩周期展現(xiàn)出這個波長將展示對結深度的靈敏度下降到約10nm或以下(優(yōu)先于633nm波長探測器)。圖14示出375nm波束的Seraphin系數e對損傷層深度和損傷片段的依賴性。上部、中部和下部曲線分別對應于10%、30%和50%非晶體化。為了證明活化摻雜劑特性刻畫技術的能力，用在具有45。入射角的、在同一直線上的泵浦和探測波束來配置PR裝置。泵浦和探測波長分別是845nm和374nm。用通過鎖定放大器產生的2MHz方波直接調制泵浦激光強度。泵浦激光強度約為15mW。使用消色差的顯微鏡物鏡使在同一直線上的泵浦和探測器聚焦成直徑約6.5微米的一個點。對于這些條件，泵浦產生的載流子密度比傳統(tǒng)大批量系統(tǒng)所使用的數值至少小兩個數量級，或SlxlO"/cc。然而，大大地增加374run探測器的靈敏度容易地補償了這個減小了的泵浦強度，導致信號電平與大批量系統(tǒng)的電平相當。圖15示出晶片#2、弁4將ft6的PR信號。這些晶片具有相同的7錢電子伏特能量As注入，目標為在IOnm深度處形成一個結。晶片弁2接收lxl0"/cm2的劑量，晶片#4接收lxlO"/cm2的劑量，而晶片#8接收lxl0"/cm2的劑量。每個晶片接受同等的退火，并且預期能使每個晶片完全活化。從晶片#2到#6，PR信號IAR/RI的模數從^3x10—6上升到"3xl0—5，或約幅度的一個數量級。這展示了對于10nm結深度，兩個十進位的劑量變化導致約一個十進位的信號變化。因此，對于將來制造工藝中要求的極端淺薄的結深度，PR技術展示了對經退火的晶片中的劑量的優(yōu)良靈敏度。還可以看到，數據是可高度再現(xiàn)的在載入和卸載之后的數據點幾乎能相互確切地再現(xiàn)。PR信號的絕對測量精度是"5x10—7。圖16、17和18示出為了更大的注入能量而相似地以劑量來增加信號。圖16示出晶片#8、#10和#12的PR信號。這些晶片具有相同的20千電子伏特能量As注入，目標為在20nm深度處形成一個結。晶片弁8接收2xl0"/cm2的劑量，晶片弁10接收2x1013/cm2的劑量，而晶片#12接收2xlO"/cm2的劑量。每個晶片接受同等的退火，并且預期能使每個晶片完全活化。從晶片井8到弁12，PR信號的模數從"4x10一6上升到"2.6xl0—5，或約幅度的一個數量級。這再次展示了在20mn的極端淺薄的結深度的經退火的晶片中，對劑量的優(yōu)良的靈敏度以及優(yōu)良的信號再現(xiàn)性。圖17示出晶片#14、#16和#18的PR信號。這些晶片具有相同的35千電子伏特能量注入，目標為在30nm深度處形成一個結。晶片弁14接收3x1012/cm2的劑量，晶片弁16接收3xlOVcm2的劑量，而晶片#18接收3xl014/cm2的劑量。每個晶片接受同等的退火，并且預期能使每個晶片完全活化。從晶片#14到#18，PR信號IAR/RI的模數從"5x10—6上升到^3x10—5，或約幅度的一個數量級。這再次展示了在30nm的極端淺薄的結深度的經退火的晶片中，對劑量的優(yōu)良的靈敏度以及優(yōu)良的信號再現(xiàn)性。圖18示出晶片#20、#22和#24的PR信號。這些晶片具有相同的50千電子伏特能量注入，目標為在40nm深度處形成一個結。晶片#20接收4xl0"/cm2的劑量，晶片#22接收4xl013/cm2的劑量，而晶片弁24接收4xl0"/cm2的劑量。每個晶片接受同等的退火，并且預期能使每個晶片完全活化。從晶片弁20到#24，PR信號的模數從"4x10—6上升到"4x10—5，或約幅度的一個數量級。這再次展示了在40nni的極端淺薄的結深度的經退火的晶片中，對劑量的優(yōu)良的靈敏度以及優(yōu)良的信號再現(xiàn)性。如前所述，期望PR信號隨結深度正弦變化。圖19示出作為結深度的函數的、每個經退火的晶片的PR信號的模數。對應于約lxl018/cc、lxl(T/cc和lxl02°/cc的恒定摻雜密度的、圖19中三個"行"中的每一個展示出如此的正弦變化。通過對圖19的最低密度行進行定標，圖20進一步展現(xiàn)出最低劑量的PR數據的這個特性。圖21示出晶片井1、井3和弁5的PR信號。這些是沒有退火的"僅注入"晶片。它們具有相同的7千電子伏特能量As注入，目標為在10nm深度處形成一個結。晶片#1接收1><1012/0112的劑量，晶片#3接收lxlO"/cn^的劑量，而晶片弁5接收lxl0"/cm2的劑量。從晶片#1到#5，PR信號IAR/RI的模數從"1.6x10—5減小到"3xl0—6，或約幅度的一個數量級。與從經退火的晶片觀察到的性能相反的以增加劑量來減小信號的這個情況是由于注入引起的損傷較小了晶體SiEi帶間躍遷能量的尖銳度而引起的。對于10nm的極端淺薄的結深度，這展現(xiàn)出"僅注入"晶片中對劑量的優(yōu)良PR靈敏度。圖22、23和24示出以更大的注入能量相似地用劑量來減小信號。圖22示出晶片#7、弁9和弁11的PR信號。這些晶片具有相同的20千電子伏特能量As注入，目標為在20nm深度處形成一個結。晶片井7接收2xl(^/cn^的劑量，晶片#9接收2xl0"/ci^的劑量，而晶片#11接收2xl0"/cn^的劑量。每個晶片都是"僅注入"而沒有退火。從晶片#7到#11，PR信號IAR/RI的模數從"1.2x10—s減小到^3x10—6，約4倍。對于20nm的極端淺薄的結深度，這展現(xiàn)出"僅注入"晶片中對劑量的優(yōu)良PR靈敏度。圖23示出晶片#13、#15和弁17的PR信號。這些晶片具有相同的35千電子伏特能量As注入，目標為在30nm深度處形成一個結。晶片弁13接收3xl0"/cn^的劑量，晶片弁15接收3xl0"/cn^的劑量，而晶片弁17接收3xl0"/ci^的劑量。每個晶片都是"僅注入"而沒有退火。從晶片#13到#17，PR信號IAR/RI的模數從"lx10—5減小到"2xl0—6，約5倍。對于30nm的極端淺薄的結深度，這再次展現(xiàn)出"僅注入"晶片中對劑量的優(yōu)良PR靈敏度。圖24示出晶片#19、#21和#23的PR信號。這些晶片具有相同的50千電子伏特能量As注入，目標為在40nm深度處形成一個結。晶片弁19接收4xl0"/cr^的劑量，晶片弁21接收4x1013/ci^的劑量，而晶片弁23接收4xl0"/cii^的劑量。每個晶片都是"僅注入"而沒有退火。從晶片#19到#23，PR信號IAR/RI的模數從"6x10—6減小到"2x10—6，約3倍。對于40nm的極端淺薄的結深度，這再次展現(xiàn)出"僅注入"晶片中對劑量的優(yōu)良PR靈敏度。圖25示出作為結深度的函數的每個As注入晶片的PR信號的模數。通過跟隨圖25中的每個"行"，可以看到目標摻雜密度(lxl018/cc、lxl019/cc和lxl02Q/cc)的每個組遵循受阻尼的正弦變化。觀察到隨注入深度的變化對劑量的靈敏度減小，這是由于損傷層中晶體性減少和較大的總吸收的組合引起的。因此，如這里所揭示的，半導體結構中應變和活化的摻雜劑的光-反射特性刻畫方法提供了區(qū)分和測量半導體納米結構中應變和活化摻雜劑的新的和精確的能力，并且如此進行時，實質上脫離了現(xiàn)有技術的傳統(tǒng)概念和設計。當對本揭示的使用方式和操作的進一步討論時，從上述說明，相同的內容是顯而易見的。因此，不再提供關于使用方式和操作的進一步的討論。那么，相對于上述說明，要理解，認為揭示部分的最佳的大小關系包括大小、材料、形狀、形式、功能和操作方式、裝配和使用中的變化，這些對于熟悉本領域的技術人員是容易明白和顯而易見的，旨在使附圖中示出的和說明書中描述的所有的等效關系都包括在本揭示中。因此，認為上面的內容僅為了說明本揭示的原理。此外，由于熟悉本領域的技術人員容易作出許多修改和變化，所以不希望本揭示受到所示出的和所描述的確切結構和操作的限制，因此，可以求助于落在本揭示范圍內的所有合適的修改和等效物。參考文獻美國專利文獻6,鄰3，鄰2U/2冊5CM狐…，…,,',…,』塞76,195,1662/2001Gray.……—:,……說/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所編輯的半導體手冊第二巻第527-635頁(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(xiàn).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所編輯的半導體手冊第二巻第109頁(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.Sera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