热点应用丨半导体硅片应变的拉曼成像

2024-04-15 15:55:15, 天美

本期要点

●为确保高性能和可靠性，半导体对电气和力学均匀性要求很高。

●使用拉曼显微镜可以识别硅等半导体中的缺陷。

●拉曼成像的峰位和峰宽可用于分析晶片缺陷周围的应变和纳米晶硅。

引言

半导体对于现代电子工业来说至关重要。在制造半导体器件时，必须严格把控半导体组成材料中的缺陷量。半导体中存在的缺陷会影响设备的产量、性能和可靠性¹。

拉曼光谱仪是检测半导体材料的极绝佳技术，因为其对于晶格光学特性中极其细微的改变也非常敏感²。缺陷会导致周围晶格发生扭曲和应变，从而导致其光电特性发生变化，而拉曼光谱则可以敏锐地探测到这些变化。当拉曼与显微镜配合使用时，其功能将会更加强大，它可以对整个半导体特性的变化进行成像。在本应用说明中，将使用爱丁堡拉曼显微光谱仪RM5对半导体硅片中由于缺陷导致的应变进行分析和成像。

材料与方法

所有的测试将在RM5上进行，测试采用532nm的激光器和2400gr/mm的衍射光栅。半导体硅片购自PI-KEM。其中一个半导体硅片因为材料上的压痕而产生缺陷。利用SurfMAP®对缺陷进行成像，以确保样品在整个测试过程中保持聚焦。Ramacle®将会绘制峰位和峰宽图。

硅的拉曼光谱

晶体硅是电子设备中最常用的半导体材料。如图1所示，在使用拉曼光谱进行探测时，它会产生特征光谱³。光谱中的主要特征峰是位于521cm^-1处的尖锐峰值，它对材料的结构和光电性质变化极为敏感。

图1 硅的拉曼光谱，插入声子模式示意图

在硅等晶格材料中，拉曼模式是通过声子的非弹性光散射产生的，声子是能量与晶格振动成正比的量子。声子的特征在于晶格单元内原子振荡的相位及其相对于传播波的振荡方向，如图1的插图所示。当单元格中的原子同相振荡时，声子被命名为声子；当原子异相振荡时，声子被命名为光子。与传播波平行或垂直的振荡分别称为纵波和横波。在硅的拉曼光谱中，521cm^-1处的主峰来自纵向光学（LO）声子，305cm^-1和965cm^-1处的较弱峰分别是横向声子（TA）和横向光学（TO）声子。

硅片缺陷的拉曼成像

应变在固体材料中很常见，它被定义为应力（即施加在材料上的作用力）引起的原子位置和原子间距离的变化。为了研究应变对硅的光学性质的影响，在硅片上制造了一个由应力诱发的缺陷，可在宽场光学成像中观察到（图2a）。

图2 半导体硅片上的缺陷及周围区域的拉曼成像

利用拉曼成像对缺陷和周围区域进行分析。可以观察到LO声子模式的峰值位置（图2b）和半峰全宽（FWHM）（图2c）存在显著差异，这与硅的应变和结晶度变化有关。图2d显示了成像中不同点的拉曼光谱，图2a中标注了这些点的位置。

在峰值位置图中，缺陷周围区域的LO声子模式在521cm^-1和518cm^-1之间移动。这与材料中的拉伸应变是一致的；随着晶格结构的拉长，原子之间的距离越来越远，相对于未受应变的材料，振动的能量也随之降低⁴。此外，在缺陷中还观察到显著的峰值偏移，高达32cm^-1，这说明其中存在纳米晶硅⁵。

半峰全宽图证实了晶片中存在不同的结晶状态。缺陷中LO声子(4cm^-1~17cm^-1)的极度展宽表明声子限制与纳米晶硅的存在有关⁶。缺陷周围区域的适度声子展宽是由于无法分辨的应变状态分布造成的。

结论

拉曼显微镜是一种高效且高灵敏的技术，可用于监测硅半导体的光电特性。硅片缺陷的拉曼成像揭示了材料内部存在应变和不同的结晶状态。

参考文献

1. S. Mahajan et al., Defects in semiconductors and their effects on devices, Acta Mater., 2000, 48, 137-149.

2. D. Yamashita et al., Raman shift and strain effect in high-Q photonic crystal silicon nanocavity, Opt. Express, 2015, 23, 3951-3959.

3. J. H. Parker et al., Raman Scattering by Silicon and Germanium, Phys. Rev., 1967, 155, 712-714.

4. F. Ureña et al., Raman measurements of uniaxial strain in silicon nanostructures, J. Appl. Phys., 2013, 114, 114507.

5. S. V. Gaisler et al., Analysis of Raman spectra of amorphous-nanocrystalline silicon films, Phys. Solid State, 2004, 46, 1528-1532.

6. V. Paillard et al., Improved one-phonon confinement model for an accurate size determination of silicon nanocrystals, J. Appl. Phys., 1999, 86, 1921-1924.

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