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

  1. V. Poborchii, T. Tada, and T. Kanayama, Appl. Phys. Lett. 91, 241902 (2007).
Сдвиг Рамановского пика кремния
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).
Измерение механических напряжений в кремнии
Рис.2. Измерение механических напряжений в кремнии при использовании голубого (488нм) и красного (633нм) лазеров для возбуждения спектров. Образец содержит полоски кремния с ширинами 1, 1.5, 2 и 4 мкм, разделенные промежутками в 4 мкм из диоксида кремния.
Дата публикации: 14 января 2015

Вас также может заинтересовать:

Консультация и техподдержка

связаться с нами