一種用于半導體器件材料反射率的光學測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體器件材料參數的測量技術領域，具體涉及一種用于半導體器件 材料反射率的光學測量方法。
【背景技術】
[0002] 聚焦的激光微束能夠與半導體器件相互作用，以此技術能夠實現的應用領域包 括：用于失效分析的光子發射顯微鏡、掃描光束技術和共聚焦激光掃描顯微鏡，用于故障注 入的密碼芯片激光攻擊安全評測技術，用于器件抗輻照能力測試的脈沖激光模擬單粒子效 應和瞬態劑量率效應試驗技術。上述應用領域的一個共同特征在于聚焦的激光微束需要穿 過器件襯底材料或正面鈍化層，定位于器件內部的特定區域才能完成試驗測試。在光與材 料的作用過程中，包括了器件材料表面和界面處的反射，光穿過材料引起的能量衰減等。為 方便將聚焦激光微束定位于器件指定位置，并能得到指定區域的激光能量數值，需要明確 器件材料的反射率。
[0003] 針對半導體材料表面反射率的測量，分光光度法是測量多數材料及元件反射率最 常用的方法，如：美國專利US4831276A所揭示的利用測量入射平行光的能量與反射能量的 比值得到材料表面的反射率；中國專利CN100561199C提出了一種準確測量待測物體表面 反射率（尤其是曲面反射率）的方法沖國專利CN102169050B公開了一種測量任意反射率 光學元件和大口徑光學元件反射率的方法。但是，考慮聚焦的激光微束入射到材料表面或 界面處時，入射光與表面會存在一定的入射角度而非平行光束，鑒于反射率與入射光角度 存在一定關系，傳統的平行光反射率測量已經不適用于前述的應用領域。同時，由于不同的 應用領域及測試情況所使用的聚焦設備（如顯微物鏡的倍數）不盡相同，導致入射光的角 度并不唯一。因此，新的測量系統必須能夠與實際應用中使用的顯微物鏡兼容，才能測量得 到器件材料實際的反射率，而傳統測量方法并未考慮到這一因素的影響。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于，為解決聚焦光束入射到半導體器件材料表面時，由于入射光 與材料表面會產生一定入射角度的非平行光束，導致利用現有的平行光反射率測量方法不 適用于材料表面反射率測量的技術問題，本發明提出了一種用于半導體器件材料反射率的 光學測量方法，利用該光學測量方法能夠滿足聚焦光束在器件材料表面反射率測量的要 求。
[0005] 為實現上述目的，本發明的一種用于半導體器件材料反射率的光學測量方法，包 括：
[0006] 步驟1)判斷置于空氣中的半導體器件被測表面的材料表層是否單一，如果材料 表層單一執行步驟2)，否則執行步驟3);
[0007] 步驟2)利用能量計分別測量入射于被測表面的入射光能量Ei和經被測表面反射 的反射光能量E/后，計算獲得在空氣中的半導體器件材料反射率R1=E/ /E1;
[0008] 步驟3)分別測量兩種相接觸的材料在空氣中的反射率^和r2后，根據材料界面
處反射率公￥ 算獲得兩種材料的折射率叫和n2，其中113表示空氣 的折射率；
[0009] 步驟4)利用步驟3)中獲得的兩種材料的折射率ndPn2，計算獲得兩種材料接觸 面處的反射2
[0010] 作為上述技術方案的進一步改進，所述的入射于被測表面的入射光采用聚焦激光 微束。
[0011] 作為上述技術方案的進一步改進，所述的反射光能量E/ =E2k，其中k表示反射 光經被測表面傳輸至能量計的衰減系數。
[0012] 本發明的創新性在于：
[0013] 本發明的光學測量方法彌補了當前反射率測量方法僅限于平行光的問題，提出了 一種利用聚焦光束進行反射率測量的方法，能夠實現對不同聚焦程度光束的反射率測量。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明的用于半導體器件材料反射率的光學測量方法流程圖。
[0015] 圖2是實施本發明光學測量方法的光學測量系統結構圖。
[0016] 圖3是光學測量系統衰減系數的測量原理圖。
[0017] 圖4是利用圖2中的光學測量系統測量被測樣品表面反射率的工作原理圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖和實施例對本發明所述的用于半導體器件材料反射率的光學測量 方法進行詳細說明。
[0019] 如圖1所示，本發明的一種用于半導體器件材料反射率的光學測量方法，包括：
[0020] 步驟1)判斷置于空氣中的半導體器件被測表面的材料表層是否單一，如果材料 表層單一執行步驟2)，否則執行步驟3);
[0021] 反射率測量涉及半導體器件材料表面與空氣接觸面之間的反射率，以及半導體器 件內的不同材料接觸面之間的反射率兩種情況。
[0022] 步驟2)采用直接測量方式，通過能量計分別測量入射到材料被測表面處的入射 光能量El和經被測表面反射的反射光能量Ei'數值，計算得到在空氣中的半導體器件材料 反射率R1=E/ /E1;
[0023] 步驟3)這種反射率的測量需要分為兩個步驟，首先是采用直接的測量方式，即利 用步驟2)的方法分別測量兩種相接觸的材料在空氣中的反射率^和r2后，然后再依據材 料界面處反射率公另卜算獲得兩種材料的折射率ndPn2 (空氣的 折射率n3取值為1)。
[0024] 步驟4)利用步驟3)中獲得的兩種材料的折射率ndPn2，即可計算出光在兩種材 料接觸面處的反射_
[0025] 基于上述光學測量方法，所述的入射于被測表面的入射光可采用聚焦激光微束。
[0026] 如圖2所示，為實施本發明上述光學測量方法的光學測量系統結構，在實際測量 中所使用的光學測量系統組成包括：完成入射光束分光的透反鏡或其它具有分光功能的光 學鏡片組件、聚焦光束用的顯微物鏡和測量激光能量用的能量計。其中，對于透反鏡的透 反比例沒有要求，所用顯微物鏡應該與實際應用領域中使用的顯微物鏡具有相同功能與參 數。此處必須用分光鏡片或系統，通過分光改變原來入射光的能量，從而使得能量計能夠測 量到反射光。只有這樣才能保證照射到被測樣品表面的光，再反射后能夠有一部分透過分 光鏡直射到安裝于系統上部的能量計4,如圖1所示中那樣。這樣反射光的能量才能是可測 試的，能夠實現與入射到樣品表面的能量進行比較，從而計算樣品表面反射率的數值。所用 能量計應該能夠滿足實際測量精度的要求。
[0027] 利用上述結構的光學測量系統針對單一材料表面與空氣接觸面之間的反射率測 量的實施方式為：
[0028] 首先，判斷材料的結構特性：被測樣品必須是組成成分單一的材料，且不存在與空 氣外的其它材料相接觸的界面，如果在被測材料表面的非被測面存在另一種材料層，則必 須去除該材料層。例如，在測量半導體器件襯底材料表面的反射率時，器件正面的金屬布線 層與鈍化層的混合材料必須去除，以避免光的二次反射對被測面反射率測量的影響。
[0029] 其次，確定光學測量系統的衰減系數：圖2中的可測量的入射光為直接照射到被 測樣品表面的光束，而可測量的反射光為由被測樣品表面直接反射的光束，并經過顯微物 鏡和透反鏡衰減后的反射光能量，兩者的比值并非被測樣品表面在空氣中的反射率。為此 需要確定光學測量系統的衰減系數k，具體測量方法見圖3所示，將光學測量系統中的被測 樣品換為全反射鏡，可測量的入射激光能量Ejf、射到全反射鏡后全部反射到顯微物鏡中， 經過衰減后獲得可測量的反射光能量&，兩者的比值E2/EjP為光學測量系統的衰減系數 k〇
[0030] 最后，計算獲得被測樣品表面在空氣中的反射率：在確定了光學測量系統的衰竭 系數k后，在圖4中可測量的入射光能量為Ei，經過被測樣品的反射后光的能量為E/，經過 光學測量系統的衰減后可測量的反射光能量為E2，可得到被測樣品表面在空氣中的反射率 R = Ei ' /Ei = (E 2 ? k) /Ei〇
[0031] 利用上述結構的光學測量系統針對不同材料接觸面之間的反射率測量的實施方 式為：
[0032] 對于被測樣品表面具有兩種材料層的折射率或反射率均未知或有一種材料未知， 就必須使用間接測量方式測量兩種材料接觸面之間的反射率。
[0033] 首先，分別測量出兩種相接觸的材料表面在空氣中的反射率^和r2，所述反射率 的測量采用上述單一材料表面與空氣接觸面之間的反射率測量的實施方式；如果一 種材料的折射率為已知，則只要進行另一種材料折射率的測量即可。
[0034] 然后，依據材料界面處反射率公式1'1=|^^和計算獲得這兩種材料 的折射率，其中叫和n2分別為兩種材料的折射率（空氣的折射率n3取值為1)。
[0035] 最后，再依據材料界面處反射率公式代入兩種材料的折射率nJP112得 到這兩種材料接觸面之間的反射率R2。
[0036] 最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參 照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種用于半導體器件材料反射率的光學測量方法，其特征在于，包括： 步驟1)判斷置于空氣中的半導體器件被測表面的材料表層是否單一，如果材料表層單 一執行步驟2)，否則執行步驟3); 步驟2)利用能量計分別測量入射于被測表面的入射光能量El和經被測表面反射的反 射光能量El'后，計算獲得在空氣中的半導體器件材料反射率Ri=E/ /El; 步驟3)分別測量兩種相接觸的材料在空氣中的反射率ri和r2后，根據材料界面處反 射率公式計算獲得兩種材料的折射率ni和n2,其中ri3表示空氣的 折射率； 步驟4)利用步驟3)中獲得的兩種材料的折射率ni和n2,計算獲得兩種材料接觸面處 的反射率2. 根據權利要求1所述的用于半導體器件材料反射率的光學測量方法，其特征在于， 所述的入射于被測表面的入射光采用聚焦激光微束。3. 根據權利要求1所述的用于半導體器件材料反射率的光學測量方法，其特征在于， 所述的反射光能量E/ =E2k，其中k表示反射光經被測表面傳輸至能量計的衰減系數。
【專利摘要】本發明提供了一種用于半導體器件材料反射率的光學測量方法，對于單一材料利用能量計分別測量入射于被測表面的入射光能量E1和經被測表面反射的反射光能量E1’后，計算獲得在空氣中的半導體器件材料反射率R1＝E1’/E1，對于雙層材料分別測量兩種相接觸的材料在空氣中的反射率r1和r2后，根據材料界面處反射率公式和計算獲得兩種材料的折射率n1和n2，其中n3表示空氣的折射率，進而計算獲得兩種材料接觸面處的反射率上述光學測量方法彌補了當前反射率測量方法僅限于平行光的問題，能夠實現對不同聚焦程度光束的反射率測量。
【IPC分類】G01N21/55
【公開號】CN105004697
【申請號】CN201510432217
【發明人】封國強, 馬英起, 韓建偉, 上官士鵬, 朱翔, 陳睿
【申請人】中國科學院國家空間科學中心
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年7月21日