Контроль локальных механических напряжений в кремниевых структурах является важной задачей при производстве микросхем. Значительные напряжения в кремнии могут привести к формированию микротрещин в выпускаемых чипах. Метод спектроскопии комбинационного рассеяния света, или Рамановской спектроскопии, становится все более популярным для анализа напряжений в кремниевых полупроводниковых пластинах так как он дает возможность проводить их неразрушающий контроль с высоким пространственным разрешением и высокой чувствительностью.
В данной работе представлены результаты измерения напряжений в микро структурированном кремнии методом рамановской спектроскопии. Использовался коммерчески доступный конфокальный рамановский микроскоп Confotec® NR500 (SOL instruments Ltd.) с эшелле решеткой. Тестируемый образец содержал 1, 1.5, 2 и 4 мкм полоски из Si, разделенные 4 мкм промежутками диоксида кремния.
Типичные рамановские спектры, полученные при обратном рассеянии света от образца, показаны на Рис.1. Любые механические напряжения в кремниевых структурах приводят к видоизменению спектров комбинационного рассеяния. При наличии компрессионных воздействий на кристаллическую решетку кремния, его рамановский пик будет сдвигаться в сторону бóльших волновых чисел. При снятии компрессии пик смещается в противоположную (более коротковолновую) сторону (Рис.1).
Для оценки механических напряжений в кремнии можно применять следующее уравнение:
σ (MПа) = −435 • (ω — ω0) (cм−1) (1)
Где σ – величины механических напряжений в MПа, w0 = 520.5 cм-1 – позиция пика кремния в ненапряженном состоянии [1], ω – позиция Si пика в напряженном состоянии.
Уравн. (1) позволяет вычислить уровень напряжений в MПa. Рамановский микроскоп Confotec® NR500 с эшелле решеткой обладает спектральной точностью порядка 0.01 cм–1 (достигается либо при анализе положения центра масс Si пика, либо при аппроксимации экспериментальных данных кривой Лоренца с последующим анализом позиции максимума). Указанная величина соответствует чувствительности к напряжениям порядка 4.35 MПa.
На Рис.2 приводятся экспериментальные данные для двух различных возбуждающих длин волн (488 и 633 нм), полученные при одномерном сканировании поперек кремниевых полосок. Смещение рамановского пика напряженного кремния по отношению к ненапряженному представлено на Рис.2 как функция координаты. Механические напряжения в промежутках между кремниевыми полосками отсутствуют, так как соответствующий пик в рамановском спектре не смещается (Рис.2). Экспериментальные результаты указывают на небольшое увеличение напряжений сжатия при переходе от более узких полосок кремния к более широким (рамановский пик сдвигается в сторону более высоких волновых чисел). Механические напряжения, соответствующие рамановским сдвигам на Рис.2, варьируются в интервале от +7.7 MПa (напряжение растяжения) до -108.7 MПa (сжатия).
С целью изучения распределения напряжений по глубине для возбуждения рамановских спектров использовались две лазерные длины волны (488 и 633 нм), различающиеся глубинами проникновения света в образец. В связи с тем, что детектируются меньшие величины напряжений при использовании лазера с длиной волны 633 нм (Рис.2), имеющего большую глубину проникновения в образец, можно предположить, что напряжения преимущественно локализованы вблизи поверхности кремния.
Выводы
Микроскопия комбинационного рассеяния света — Рамановская микроскопия — является мощным неразрушающим методом анализа локальных напряжений в кремнии. Конфокальный рамановский микроскоп Confotec® NR500 с эшелле решеткой может применяться для анализа распределения механических напряжений в кремнии с высоким пространственным разрешением. Контроль по глубине может проводиться при использовании лазеров с различными длинами волн.
Список литературы
- V. Poborchii, T. Tada, and T. Kanayama, Appl. Phys. Lett. 91, 241902 (2007).
Рис.1. Применение рамановской спектроскопии для анализа механических напряжений в кремнии. Любые напряжения в кремниевых структурах приводят к модификации спектров (наблюдается сдвиг рамановского пика кремния по отношению к его положению в ненапряженном состоянии).
