半導體是現代電子業的製程關鍵。在製造半導體元件時，必須嚴格控制半導體材料中的缺陷數量。 半導體存在缺陷會影響裝置的良率、效能和可靠性。
拉曼光譜學是檢查半導體材料的絕佳技術，因為它對晶格光學特性中最微妙的變化非常敏感。缺陷會導致周圍晶格的扭曲和應變，導致光電子特性改變，可以使用拉曼光譜法進行探測。 當與顯微鏡結合時，Raman非常強大，因為它可以成像半導體的特性變化。 在本應用說明中，使用愛丁堡儀器(Edinburgh Instrument)RM5拉曼顯微鏡分析和成像矽半導體晶圓缺陷的應變。
材料和方法
所有測量都是在RM5上使用波長532奈米雷射和2400柵數/毫米繞射光柵進行的。 矽半導體晶圓是從PI-KEM購買的。 透過在材料上進行壓痕處理，使其中一個晶圓上產生了缺陷。 使用SurfMAP®成像軟體對缺陷進行成像，以確保樣品在整個測量過程中保持對焦。 波峰位置和波峰寬度影像是在Ramacle®中建立的。
圖1。 RM5拉曼顯微鏡。
矽的拉曼光譜
結晶矽是電子裝置中最常用的半導體材料。 如圖2.3所示，當使用拉曼光譜法探測時，它會產生一個特徵光譜。光譜中的主要特徵是521cm-1的尖峰，對材料的結構和光電子變化非常敏感。
圖2。 搭配原理圖的矽拉曼光譜說明聲子模式。
在矽等結晶晶格材料中，拉曼模式透過聲子(Phonon)的非彈性光散射發生，聲子能量與晶格振動成正比。 聲子用於表現是晶格晶胞內原子振盪的相位及其相對於傳播波的振盪方向，如圖2的插圖所示。 當晶胞中的原子在相位中振盪時，聲子採聲學模式振動，當它們脫離相外振盪時，聲子採光學模式振動。 平行的振盪或垂直於傳播波，分別被稱為縱向波和橫向波。 在矽拉曼光譜中，521 cm-1的主峰來自縱向光學（LO）聲子，305 cm-1和965 cm-1的弱峰分別是橫向聲學（TA）和橫向光學（TO）聲子。
矽晶圓缺陷的拉曼成像
應變在固態材料中很常見，被定義為應力引起的原子位置和原子間距離的變化，應變由應力施加在材料上的力所產生的反應。 為了研究應變對矽光學效能的影響，在晶圓上發現了一個應力誘導的缺陷，可以在圖3a的可見光光影像中觀察到。
圖3。 矽半導體晶圓上缺陷和周圍區域的拉曼影像分析。
使用拉曼成像分析了缺陷和周圍區域。 觀察到LO聲子模式的峰值位置（圖3b）和全寬半最大值（FWHM）（圖3c）的顯著差異，這與矽的應變和結晶度的變化有關。 圖3d顯示了地圖上不同點的拉曼光譜，其位置在圖3a中標記。
在峰值位置圖中，LO聲子模式在缺陷周圍區域的521 cm-1和518 cm-1之間移動。 這與材料的拉伸應變一致；隨著晶格結構的拉長，原子會進一步分離，與未應變材料相比，振動的能量會減少。4此外，在缺陷中觀察到高達32 cm-1的更顯著的峰值偏移，這表明了奈米晶矽的存在。5
FWHM地圖證實了晶圓內存在不同的結晶狀態。 缺陷中LO聲子的極端擴大（4 cm-1至17 cm-1）顯示聲子限制與奈米晶矽的存在有關。6缺陷周圍區域的中等聲子擴大歸因於無法解析的應變狀態分佈。
結論與重點回顧
拉曼顯微鏡是一種分析矽半導體光電子特性的有效且靈敏的技術。 矽晶圓缺陷的拉曼成像顯示材料中存在應變和不同的結晶狀態。
- 半導體需要電子性質和機械應力的均勻性，以確保高品質和可靠性。
- 半導體的缺陷，如矽晶格差異或應力應變資訊，可以使用拉曼顯微鏡來識別。
- 波峰位置和波峰寬度拉曼成像用於了解晶圓缺陷區域周圍的應變和奈米晶矽區域分布。