Si(111)材料應(yīng)力沿表面法線分布的信息的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Si(111)材料中應(yīng)力沿表面法線分布信息的測量方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)不能用x射線衍射儀獲取應(yīng)力沿表面法線分布信息的問題。其技術(shù)步驟是：將Si(111)材料水平放置于x射線衍射儀載物臺；依次對該Si(111)材料中的(111)和(220)晶面進行對光；以不小于50nm的步長減小x射線透射深度，并在各透射深度下獲取(220)晶面的布拉格角；將測得的一組布拉格角代入布拉格方程，得到一組(220)晶面的面間距；根據(jù)一組面間距計算Si(111)材料應(yīng)力沿表面法線分布的信息。本發(fā)明測試成本低，對被測材料無損傷，能獲取一組應(yīng)力沿表面法線的分布信息。
【專利說明】Si (111)材料應(yīng)力沿表面法線分布的信息的測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及半導(dǎo)體材料的測量方法，特別是一種Si(Ill)材料應(yīng)力沿表面法線分布信息的測量方法，可用于對Si (111)材料應(yīng)力的分析。
技術(shù)背景
[0002]Si材料具有儲量豐富、價格低廉且易于生長大尺寸高純度單晶體等優(yōu)點。目前，Si材料在半導(dǎo)體行業(yè)以及電子信息產(chǎn)業(yè)依然處于核心地位，90%以上的半導(dǎo)體器件和幾乎所有的集成電路都是基于Si (100)、Si (110)和Si (111)材料制作的。盡管Si基集成電路工藝的水平已非常高，在Si襯底和外延材料中采用多種元素進行η型或P型摻雜改變材料的電阻率，并以局部或全局的熱擴散或離子注入等工藝引入雜質(zhì)時，會引起Si材料的應(yīng)力沿深度方向的變化，對其器件和電路性能和可靠性會造成一定的影響。為了輔助分析和測量Si工藝引入的應(yīng)力對電路性能的影響，獲取應(yīng)力在Si材料中的分布信息十分必要。
[0003]目前，可對Si(Ill)材料的應(yīng)力進行測量的設(shè)備有拉曼散射儀、盧瑟福背散射儀和高分辨率X射線衍射儀。
[0004]拉曼散射儀是一種可對Si (111)材料應(yīng)力沿表面法線分布的信息進行測量的設(shè)備，參見 Stoica Τ, Meijers R, Calarco R, et al.analysis of depth-dependent strain ofSi (111)with Raman Scattering[J].Journal of crystal growth, 2006，290 (I):241-247。這種方法雖然可以直接獲取Si(Ill)材料應(yīng)力沿表面法線的分布信息，但測量前首先需要對被測材料進行切片，這對被測材料造成的損傷是不可逆轉(zhuǎn)的。
[0005]盧瑟福背散射儀可以對Si (111)材料應(yīng)力沿表面法線分布的信息進行無損測量，參見 Luo S，Zhou W，Zhang Z, et al.analysis of depth-dependent strain of Si (111)with Rutherford Back-scattering [J].Small, 2005, I (10): 1004-1009o 這種方法雖然對被測材料造成的損傷非常小，但是由于設(shè)備價格高昂，使用不廣泛，因此該測量不具有廣泛應(yīng)用價值。
[0006]高分辨率X射線衍射儀是一種對被測材料無損傷且低成本的材料測試設(shè)備。目前，采用該設(shè)備對Si (111)材料應(yīng)力進行測量的步驟為:(I)對與材料表面平行的晶面如(111)晶面做三軸晶2 θ-ω掃描，獲取該晶面的面間距，進而計算出沿表面法線即[111]軸方向的應(yīng)力分量ε丄；(2)對與(111)面有一定夾角的晶面如(422)晶面做掠入射三軸晶2 θ-ω掃描，獲取該晶面的面間距，結(jié)合⑴計算出的ε I算出(111)晶面的面內(nèi)應(yīng)力分量ε 〃。參見許振嘉《半導(dǎo)體的檢測與分析(第二版)》。然而，無論是對稱2 θ - ω掃描還是掠入射2 θ-ω掃描，X射線的透射深度都是固定的，因此這種方法給出的沿[111]軸的應(yīng)力分量ε I和(111)面內(nèi)應(yīng)力分量ε 〃僅能近似反映被測材料在一個固定的X射線透射深度下所受應(yīng)力的大小，無法給出應(yīng)力沿表面法線的分布信息。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種Si(Ill)材料應(yīng)力沿表面法線分布的信息的測量方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)不能用X射線衍射儀獲取應(yīng)力沿表面法線分布的信息這一問題。
[0008]實現(xiàn)本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)是:在Si (111)材料的晶面組中選擇具有較高出光強度、且晶面傾角略大于其Bragg角的晶面，通過使用三軸晶衍射對該晶面在不同X射線透射深度下做2 θ-ω掃描，獲取應(yīng)力沿表面法線分布的信息。其技術(shù)步驟如下:
[0009](I)將Si(Ill)材料水平放置于X射線衍射儀的載物臺，依次對Si(Ill)材料中的
(111)晶面和(220)晶面進行對光；
[0010](2)同時旋轉(zhuǎn)載物臺的ω軸、X軸和φ軸，使該Si (111)材料以(220)晶面法線為軸單方向旋轉(zhuǎn)，并以不小于50nm的步長逐漸減小X射線透射深度，每改變一次透射深度就對(220)晶面進行一次三軸晶2 θ-ω掃描，獲取與該透射深度所對應(yīng)的(220)晶面的布拉格角Θ。在所有X射線透射深度下都進行掃描后，最后得到一組(220)晶面的布拉格角Θ i, i = 1，2，…，N, N表示X射線不同透射深度的個數(shù)；
[0011](3)將測得的一組布拉格角Θ i代入以下布拉格方程，得到一組(220)晶面的面間距屯:

/7 2
[0012]4 =，.' , ’ i=l,2,…,N

2 sm Oi
[0013]其中，λ為X射線的波長，η為衍射級數(shù)；
[0014](4)將計算得到的一組面間距Cli代入以下方程組，得到Si (111)材料沿表面法線分布的(111)面內(nèi)應(yīng)力分量Si"和[111]軸方向應(yīng)力分量
d「d' ilr+e+l1)
[0015]ε!' =~^-’ i=l,2,...,N

(/ζ +k ) — ^


1 "vSi
丄2vsi//
[0016]Si =—~-Bi

!-^s1
[0017]其中，dr為所參考的(220)晶面的面間距，h、k、I為(220)晶面的米勒指數(shù)，Vsi為Si(Ill)材料的泊松比，取值為0.278。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0019]1.本發(fā)明將X射線透射深度可變的衍射技術(shù)與三軸晶2 θ-ω掃描相結(jié)合，可以獲取不同的X射線透射深度下Si材料沿表面法線分布的精細(xì)應(yīng)力信息；
[0020]2.本發(fā)明由于能夠給出一組沿表面法線分布的[111]軸應(yīng)力分量和(111)面內(nèi)應(yīng)力分量，因此為精確分析應(yīng)力影響Si集成電路性能的機理提供了依據(jù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明測量Si (111)材料應(yīng)力沿表面法線分布信息的流程圖；
[0022]圖2為本發(fā)明中Si (111)材料(220)晶面的χ射線透射深度隨Φ軸旋轉(zhuǎn)角變化曲線圖。

【具體實施方式】
[0023]參照圖1，本發(fā)明根據(jù)所參考的不同應(yīng)力狀態(tài)下(220)晶面的面間距，給出如下兩種實施例。
[0024]實施例1，以無應(yīng)力狀態(tài)下(220)晶面的面間距為參考，對Si (111)材料沿表面法線分布的(111)面內(nèi)應(yīng)力分量ε i〃和[111]軸方向應(yīng)力分量ε i I進行測量。
[0025]步驟I，選用測量設(shè)備。
[0026]本實例選用但不限于配有Ge (220)四晶單色器和三軸晶的Bruker D8Discover系統(tǒng)的X射線衍射儀。該X射線衍射儀設(shè)有一個X射線源、一個X射線探測器、一個真空泵和一個載物臺。
[0027]所述載物臺設(shè)有三個轉(zhuǎn)動軸，分別為ω軸、X軸和φ軸，其中，ω軸平行于載物臺，且垂直于X射線入射光束與X射線探測器組成的平面，X軸平行于載物臺，且與ω軸垂直，Φ軸垂直于載物臺，探測器可繞與ω軸重合的2 Θ軸旋轉(zhuǎn)。
[0028]步驟2，放置被測材料。
[0029]將Si (111)材料水平放置于該X射線衍射儀的載物臺中央，然后開啟真空泵，使該Si(Ill)材料吸附于載物臺上。
[0030]步驟3，對所述Si (111)材料中的(111)晶面進行對光。
[0031](3a)將X射線衍射儀工作模式調(diào)為雙軸晶衍射模式；
[0032](3b)對(111)晶面做ω掃描，即固定χ射線源和χ射線探測器，讓載物臺以ω軸為軸心做角度擺動，得到該晶面的搖擺曲線，然后將載物臺ω角旋轉(zhuǎn)至該曲線的衍射峰中心位置；
[0033](3c)對(111)晶面做探測器掃描，即固定χ射線源和載物臺，讓χ射線探測器以2Θ軸為軸心做角度擺動，得到探測器掃描曲線，然后將探測器2 Θ角旋轉(zhuǎn)至該曲線的衍射峰中心位置；
[0034](3d)重復(fù)步驟(3b)，再對該(111)晶面做一次χ掃描，即固定χ射線源和χ射線探測器，讓載物臺以X軸為軸心做角度擺動，得到X掃描曲線，并將載物臺X角旋轉(zhuǎn)至X掃描曲線最高點所在位置；
[0035](3e)重復(fù)步驟(3b)_(3c)，直到搖擺曲線的峰值不再增大，得到(111)晶面雙軸晶最佳對光條件，推出ω、2θ和χ軸的零點校正角。
[0036]步驟4，對Si (111)材料中的(220)晶面進行對光。
[0037](4a)將載物臺的χ角調(diào)為χ軸零點校正角加35.2643°，將載物臺的ω角調(diào)為ω軸零點校正角加23.652°，將探測器2 Θ角調(diào)為2 Θ軸零點校正角加47.304°，便于(220)晶面衍射出光；
[0038](4b)對(220)晶面做Φ掃描，即固定χ射線源和χ射線探測器，讓載物臺以Φ軸為軸心旋轉(zhuǎn)，得到該晶面的Φ掃描曲線，然后將載物臺旋轉(zhuǎn)至該曲線的衍射峰中心位置；
[0039](4c)對(220)晶面做ω掃描，得到該晶面的搖擺曲線，然后將載物臺ω角旋轉(zhuǎn)至該曲線的衍射峰中心位置；
[0040](4d)對(220)晶面做探測器掃描，得到探測器掃描曲線，然后將探測器2 Θ角旋轉(zhuǎn)至該曲線的衍射峰中心位置；
[0041](4e)重復(fù)步驟(4c)和(4b)，再按順序重復(fù)步驟(4c)、(4d)、(4c)和(4b)，直到搖擺曲線的峰值不再增大；
[0042](4f)將χ射線衍射儀工作模式調(diào)為三軸晶衍射模式；
[0043](4g)重復(fù)步驟(4d)，得到(220)晶面三軸晶最佳對光條件。
[0044]步驟5，獲取不同χ射線透射深度下(220)晶面的布拉格角。
[0045]參照圖2，χ射線透射深度與Φ軸旋轉(zhuǎn)角具有--對應(yīng)的關(guān)系，Φ軸每旋轉(zhuǎn)一個角度，通過配合旋轉(zhuǎn)X軸和ω軸，使(220)晶面位置保持不變，可以實現(xiàn)相應(yīng)的χ射線透射深度。
[0046]測試時，以10nm為步長逐漸減小χ射線透射深度，且每改變一次透射深度就對(220)晶面進行一次三軸晶2 θ-ω掃描，即固定χ射線源，使載物臺繞ω軸旋轉(zhuǎn)，同時χ射線探測器以兩倍于載物臺的旋轉(zhuǎn)速度繞2 Θ軸旋轉(zhuǎn)，得到2 θ-ω曲線，其峰值位置即為該透射深度所對應(yīng)的(220)晶面的布拉格角Θ。在所有χ射線透射深度下都進行掃描后，最后得到一組(220)晶面的布拉格角θρ? = 1，2，...，Ν，Ν表示χ射線不同透射深度的個數(shù)。
[0047]步驟6，計算不同χ射線透射深度下(220)晶面的面間距。
[0048]將測得的一組布拉格角Θ i代入以下布拉格方程，得到一組(220)晶面的面間距di:
H義 ,
[0049]d； = / ■, i=l,2,...,N

zsiniy,.
[0050]其中，λ為χ射線源所發(fā)射的χ射線的波長，η為衍射級數(shù)。
[0051]步驟7，計算Si (111)材料應(yīng)力沿表面法線分布的信息。
[0052]將計算得到的一組面間距Cli代入以下方程組，得到Si (111)材料沿表面法線分布的(111)面內(nèi)應(yīng)力分量Si"和[111]軸方向應(yīng)力分量ε/:

+ k2+12、
[0053]ε!' =~^-，1=1,2,..,,N

(h2 H- k1)-」,Si I2

i_KSi
丄//
[0054]S1 =---Si ,
1-h
[0055]其中，dQ = 0.151nm為無應(yīng)力狀態(tài)下(220)晶面的面間距，h = 2、k = 2、1 = 0為(220)晶面的米勒指數(shù)，vSi為Si(Ill)材料的泊松比，取值為0.278。
[0056]實施例2，以斜對稱衍射下得到的(220)晶面的面間距為參考，對Si (111)材料沿表面法線分布的(111)面內(nèi)應(yīng)力分量ε i〃和[111]軸方向應(yīng)力分量ε i I進行測量。
[0057]步驟A，選用測量設(shè)備。
[0058]本步驟與實施例1的步驟I相同。
[0059]步驟B，放置被測材料。
[0060]本步驟與實施例1的步驟2相同。
[0061]步驟C，對Si (111)材料中的(111)晶面進行對光。
[0062]本步驟的具體實現(xiàn)與實施例1的步驟3相同。
[0063]步驟D JiSi(Ill)材料中的(220)晶面進行對光。
[0064]本步驟的具體實現(xiàn)與實施例1的步驟4相同。
[0065]步驟E，獲取不同χ射線透射深度下(220)晶面的布拉格角。
[0066]參照圖2給出的χ射線透射深度隨Φ軸旋轉(zhuǎn)角變化曲線圖，以200nm為步長逐漸減小X射線透射深度，且每改變一次透射深度就對(220)晶面進行一次三軸晶2 θ-ω掃描，得到2 θ-ω曲線，其峰值位置即為該透射深度所對應(yīng)的(220)晶面的布拉格角Θ。在各個χ射線透射深度下都進行掃描后，最后得到一組(220)晶面的布拉格角Qyi =1,2,…，N，N表示χ射線不同透射深度的個數(shù)。
[0067]步驟F，計算不同χ射線透射深度下(220)晶面的面間距。
[0068]將測得的一組布拉格角Θ i代入以下布拉格方程，得到一組(220)晶面的面間距di:
[0069]A =、/ , 1=1,2,.--,N

2 sm Oj
[0070]其中，λ為χ射線源所發(fā)射的χ射線的波長，η為衍射級數(shù)。
[0071]步驟G，計算Si(Ill)材料應(yīng)力沿表面法線分布的信息。
[0072]將計算得到的一組面間距Cli代入以下方程組，得到Si (111)材料沿表面法線分布的(111)面內(nèi)應(yīng)力分量Si"和[111]軸應(yīng)力分量

di~d{' (Ir+k2+12)
[0073]ε.=~---，i=l,2?..,N

{,r

>-^s,
丄//
[0074]Ei =---Si ,
1-4
[0075]其中，Cl0'為斜對稱衍射下得到的(220)晶面的面間距，h = 2、k = 2、I = O為(220)晶面的米勒指數(shù)，vSi為Si(Ill)材料的泊松比，取值為0.278。
【權(quán)利要求】
1.一種Si (111)材料應(yīng)力沿表面法線分布信息的測量方法，采用X射線衍射儀進行測試，該衍射儀設(shè)有載物臺，該載物臺設(shè)有三個轉(zhuǎn)動軸，分別為ω軸、X軸和Φ軸，其中，ω軸平行于載物臺，且垂直于X射線入射光束與X射線探測器組成的平面，X軸平行于載物臺，且與ω軸垂直，φ軸垂直于載物臺；探測器可繞與ω軸重合的2 Θ軸旋轉(zhuǎn)，其特征在于，測試步驟包括如下: (1)將Si(Ill)材料水平放置于X射線衍射儀的載物臺，依次對Si(Ill)材料中的(111)晶面和(220)晶面進行對光； (2)同時旋轉(zhuǎn)載物臺的ω軸、X軸和φ軸，使該Si(111)材料以(220)晶面法線為軸單方向旋轉(zhuǎn)，并以不小于50nm的步長逐漸減小X射線透射深度，每改變一次透射深度就對(220)晶面進行一次三軸晶2 θ-ω掃描，獲取與該透射深度所對應(yīng)的(220)晶面的布拉格角Θ。在所有X射線透射深度下都進行掃描后，最后得到一組(220)晶面的布拉格角θ”1 = 1,2,…，N, N表示X射線不同透射深度的個數(shù)； (3)將測得的一組布拉格角Qi代入以下布拉格方程，得到一組(220)晶面的面間距di:
η/ 式=，1=1,2,...,N
2 sin 其中，λ為X射線的波長，η為衍射級數(shù)； (4)將計算得到的一組面間距屯代入以下方程組，得到Si(111)材料沿表面法線分布的(111)面內(nèi)應(yīng)力分量Si"和[111]軸方向應(yīng)力分量ε/:
ci^1Hh2+k2+12、 ￡*.7/ =-----, 1=1,2,...,N
(A2 十人)-、-Z2 丄2 vSia ~
J-V' 其中，4為所參考的(220)晶面的面間距，h、k、I為(220)晶面的米勒指數(shù)，vSi為Si(Ill)材料的泊松比，取值為0.278。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(I)所述的對Si(111)材料中的(111)晶面進行對光，其步驟如下: (2a)將X射線衍射儀工作模式調(diào)為雙軸晶衍射模式； (2b)對(111)晶面做ω掃描，得到該晶面的搖擺曲線，然后將載物臺ω角旋轉(zhuǎn)至該曲線的衍射峰中心位置，其中，ω角表示載物臺繞ω軸相對于載物臺初始位置旋轉(zhuǎn)過的角度； (2c)對(111)晶面做探測器掃描，得到探測器掃描曲線，然后將探測器2 Θ角旋轉(zhuǎn)至該曲線的衍射峰中心位置，其中，2 Θ角表示探測器繞2Θ軸相對于探測器初始位置旋轉(zhuǎn)過的角度； (2d)重復(fù)步驟(2b)，再對該(111)晶面做一次X掃描，得到X掃描曲線，并將載物臺X角旋轉(zhuǎn)至X掃描曲線最高點所在位置，其中，X角表示載物臺繞X軸相對于載物臺初始位置旋轉(zhuǎn)過的角度； (2e)重復(fù)步驟(2b)-(2c)，直到搖擺曲線的峰值不再增大，得到(111)晶面雙軸晶最佳對光條件，推出ω、2θ和X軸的零點校正角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(I)所述的對Si(111)材料中的(220)晶面進行對光，其步驟如下: (3a)將載物臺的X角調(diào)為X軸零點校正角加35.2643°，將載物臺的ω角調(diào)為ω軸零點校正角加23.652°，將探測器2 Θ角調(diào)為2 Θ軸零點校正角加47.304°，便于(220)晶面衍射出光； (3b)對(220)晶面做Φ掃描，即固定X射線源和X射線探測器，讓載物臺以Φ軸為軸心旋轉(zhuǎn)，得到該晶面的Φ掃描曲線，然后將載物臺旋轉(zhuǎn)至該曲線的衍射峰中心位置； (3c)對(220)晶面做ω掃描，得到該晶面的搖擺曲線，然后將載物臺ω角旋轉(zhuǎn)至該曲線的衍射峰中心位置； (3d)對(220)晶面做探測器掃描，得到探測器掃描曲線，然后將探測器2 Θ角旋轉(zhuǎn)至該曲線的衍射峰中心位置； (3e)重復(fù)步驟(3c)和(3b)，再按順序重復(fù)步驟(3c)、(3d)、(3c)和(3b)，直到搖擺曲線的峰值不再增大； (3f)將X射線衍射儀工作模式調(diào)為三軸晶衍射模式； (3g)重復(fù)步驟(3d)，得到(220)晶面三軸晶最佳對光條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(2)所述的三軸晶2θ-ω掃描，其操作是:在三軸晶衍射模式下，固定X射線源，使載物臺繞ω軸旋轉(zhuǎn)的同時X射線探測器以兩倍于載物臺的旋轉(zhuǎn)速度繞2 Θ軸旋轉(zhuǎn)，得到2 θ - ω曲線。
【文檔編號】G01N23/207GK104316552SQ201410578904
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】張金風(fēng), 聶玉虎, 閆冉, 張進成, 郝躍 申請人:西安電子科技大學(xué)