歪み解析とは何ですか?
半導体デバイスの歪みは広大かつ重要なテーマです。本能的に、歪みを一種の機械的故障と考えたくなるかもしれません。歪みが高すぎると亀裂が生じると考えてみましょう。しかし、歪みは半導体の電子特性に影響を及ぼすのにも使用でき、歪み工学でも同様に使用されます。 [1, 2, 3, 4, 5].
ラマン分光法は、結晶格子の非常に小さな変化にも反応するため、歪みを測定するのに理想的な手法です。また、従来のラマンを使用した場合は数百ナノメートル、TERS（チップ増強ラマン分光法）を使用した場合は数ナノメートルまでのエレクトロニクス要素の正確な分析のための高い空間分解能も実現します。
一般的に言えば、歪み解析は非常に複雑になる場合があります。歪みは、材料に応力が加わった結果です（変形、格子不整合、または不純物添加）。材料の結晶構造に対する応力の方向に応じて、歪みの伝播の様相が異なります。この件についての非常に包括的な説明が、Ingrid De Wolf（イングリッド・デウルフ）[6]による優れた記事で提示されています。
シリコンチップの解析
例この例では、ラマン分光法を使用してシリコンチップ上で行われた歪み測定を分析しました。金属部分は界面近傍のシリコンに機械的歪みを誘発しています。
この分析を単純化するために、ここでは歪みが一軸であると仮定します [6]。応力 σ とピーク シフトΔω の関係は線形であり、次のように説明されます [6,7]:。σ[MPa]= -500 × ∆ω[cm-1]
より高い波数へのピークシフトはサンプルが圧縮応力下にあることを意味し、より低い波数へのピークシフトは引張応力を示します。
ピークフィッティング
歪みによるピークシフトを解析するには、ピークフィッティングを使用します。ピークフィッティングでは、数学関数（主に分光法におけるガウス関数またはローレンツ関数）を使用して、ピーク位置、
ピーク幅、ピーク面積などのパラメーターを使用して実際の測定されたピークを一貫した方法で記述します。
下の図では、青い線は測定されたスペクトルに対応し、
緑の線はフィッティング関数に対応します。
データの前処理
データの視覚化と前処理は、正しい分析に必要な2つの予備ステップです。MountainsSpectral®では、ハイパースペクトル画像ビューにおいて、前処理ステップを決定するのに必要なすべての情報を取得するために、幅広い表示オプションを選択してスペクトルデータを多用途に視覚化できます。
この場合、分析用のデータを準備するために次の前処理ステップが選択されました。
1- 対象のピークの周囲の分析スペクトル領域を縮小する（スライス抜出演算子)
2- すべてのスペクトルをベースライン = 0にします（ベースライン演算子を修正します）
3- 金属部品で取得された、ラマン情報を含まないスペクトルの削除（クリーンアップまたは領域抜出演算子)
4- 傾斜面の影響を除去する（正規化演算子)
明らかに、これらの手順は常にデータとその後の分析に適応させる必要があります。
上部。スペクトル データに適用される前処理ステップ。
下部。研究したシリコンチップの光学顕微鏡画像とピークシフト
パラメータマップを重ねたもの。
データ分析
ピークフィッティング解析とパラメータマップ演算子を使用して、ピーク・フィッティングを実行し、結果を視覚化しました。
ここでは、理想的な歪みのない位置(520.7cm-1)からの対象のピークのピークシフトの分布を表す真上の画像に焦点を当てます。
ピークシフトが約1cm-1であるため、金属ピンの近くではシリコンが歪んでいることがわかります。
ピーク位置がより高い値にシフトするほど、圧縮歪みを示します。金属ピンから一定の距離を置くと、シフトピーク値が0に近づき、シリコンが緩和している(歪みがない)ことがわかります。
参考文献
[1] I. De Wolf, “Raman Spectroscopy: about chips and stress”, SpectroscopyEurope, 2003, www.spectroscopyeurope.com/system/files/pdf/Raman_15_2.pdf
[2] en.wikipedia.org/wiki/Strain_engineering
[3] Lue Tao et al 2020 “Recent advances in mechanical strain engineering of low-dimensional semiconductors and their applications in high-performance quantum emitters”, Semicond. Sci. Technol. 35 103002, iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6641/ab8e0b#sstab8e0bs3
[4] Minamisawa, R. et al., “Top-down fabricated silicon nanowires under tensile elastic strain up to 4.5%”, Nat Commun 3, 1096 (2012) www.nature.com/articles/ncomms2102
[5] Yongke Sun, Scott E. Thompson, Toshikazu Nishida, “Strain Effect in Semiconductors”, Springer, 2010
[6] I. De Wolf, “Micro-Raman spectroscopy to study local mechanical stress in silicon integrated circuits, Semicond. Sci. Technol. 11 (1996) 139–154, iopscience.iop.org/article/10.1088/0268-1242/11/2/001
[7] G. Sarau et al., “From Micro– to Macro–Raman Spectroscopy: Solar Silicon for a Case Study” in “Advanced Aspects of Spectroscopy”, InTech, 2012 DOI: 10.5772/2757, www.intechopen.com/chapters/38553
使用されたインスツルメントおよびソフトウェア
Raman spectroscopy & MountainsSpectral®
Author
レナタ・
レヴァンドフスカ著、
Digital Surfスペクトル用途向け製品マネージャー
