반도체 산업에서의 라만 분광기의 응용

트랜지스터, 광전지, 발광 다이오드 및 기타 반도체 장치에 사용되는 반도체 재료를 분석하는 데는 라만 분광법이 최선의 선택입니다. 결정 품질, 미세 구조, 변형, 합금 구성 및 자유 캐리어 밀도에 민감한 반도체의 진동 및 전자 특성에 대한 정보를 제공합니다. 이것은 까다로운 반도체 응용 분야에서 잘 작동하는 강력한 분석 방법이며 Si, SiGe, InGaAs, GaAs, GaN 및 그래핀과 같은 원자재의 균질성을 특성화하는 데 적합하며 정확하고 뚜렷한 라만 밴드를 나타냅니다.

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본질적으로 라만 산란은 물질(고체, 액체 또는 기체)의 원자 진동에 의해 입사하는 단색광 입자의 비탄성 분산을 검사합니다. 결정질 물질의 원자 운동은 양자화되며(음자라고 함) 도핑 및 스트레스와 같은 내부 및 외부 교란에 극도로 민감합니다. 산란된 빛(나가는 광자)의 주파수는 매질이 교란되었는지 여부를 나타내는 근처 지표 역할을 합니다.

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Micro-Raman 분광기는 (다른 많은 광학 방법과 마찬가지로) 현대 클린룸 시설의 산업 수준에서 매우 매력적인 특성화 장비로 발전했습니다. 이는 마찰이 없고 손상되지 않는 특성 때문입니다. 다양한 레이저 파장을 사용하면 특정 반도체 또는 장치의 복잡한 프로파일을 탐색할 수 있습니다.

라만 이미징

최근 라만 매핑 시스템은 CCD 검출기를 사용하여 데이터를 빠르게 수집하는 라만 이미징 시스템으로 전환되었습니다.

좁은 간격의 III-V 반도체, Ge, Si, 다이아몬드와 같은 IV-IV 반도체, SiC 및 AlGaN을 포함한 광대역 간격 반도체 및 기타 반도체의 물리적 특성의 공간 패턴을 라만 이미징(매핑)을 사용하여 조사했습니다.

결정 성장 과정의 특성

결정 성장과 같은 동적 메커니즘은 라만 이미징에 의해 드러납니다. 절연체에서 열적으로 어닐링된 박막 Si 필름(TSF)의 결과는 이 애플리케이션(SOI)에 대한 좋은 예시를 제공합니다. Si 층은 실란(SiH4)과 디실란(Si2H6) 가스 소스를 사용하여 저압 화학 기상 증착에 의해 형성된 후 600 °C에서 5시간 동안 열처리되었습니다. 라인 조명을 사용하고 샘플 스테이지를 변환하여 편광된 라만 밴드의 강도 사진을 이 필름에서 측정했습니다. 파동은 필름의 입자가 입자 경계에서 얽히고 다양한 결정학적 방향을 가지기 때문에 발생할 수 있습니다. 한편, 액상에서 생성된 Si 막의 강도 패턴은 결정립계에서 급격한 이동을 나타낸다.

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디실란(Si2H6)(a) 및 실란(SiH4)(b)을 사용하여 증착되고 사후 어닐링된 막에 대한 520cm-1의 Si 밴드에 대한 라만 강도의 2차원 이미지[48]. 필름은 600ºC에서 5시간 동안 어닐링됩니다. 라만 스펙트럼은 편광 구성으로 측정됩니다.

마이크로 파이프 주변의 응력 및 캐리어 밀도 분포

반도체의 구조적, 전기적 특성은 결함에 의해 크게 영향을 받습니다. 라만 스펙트럼은 이러한 특성에 민감하기 때문에 결함을 감지하는 데 사용할 수 있습니다. Micro-Raman 이미징은 결함의 유형과 위치에 대한 새로운 통찰력을 제공할 것으로 예상됩니다. 라만 이미징은 지금까지 이온 주입 반도체의 성장 관련 결함 및 손상의 양을 평가하는 데 사용되었습니다.

SiC 결정에는 종종 0001 방향으로 확대되는 이상 현상인 마이크로파이프가 있습니다. SiC 장치의 효능은 이러한 종류의 결함으로 인해 어려움을 겪는 것으로 알려져 있습니다. 편광 광학 현미경과 라만 현미경을 사용하여 마이크로 파이프 주변의 응력을 감지했습니다. 샘플을 선 아래로 0.5m씩 점진적으로 전진시키면 2차원 라만 사진이 구성됩니다. 각 스펙트럼의 피크 위치는 고유한 Lorentzian 라인 모양에 세심하게 맞춰진 후 정확하게 결정됩니다.

(a) 6H-SiC에서 마이크로파이프 주변의 편광 광학 사진. (b) 6H-SiC에서 TO(E2) 대역의 라만 피크 주파수의 2차원 이미지

다이오드 및 변조 도핑 표본

p-n 접합 장치, 에피택셜로 형성된 재료 및 드물게 불순물이 많이 도핑된 반도체에서는 자유 캐리어 밀도가 불규칙한 분포를 보입니다. LOPC 모드의 선 형태 연구를 사용하여 자유 캐리어 농도를 계산할 수 있습니다. 마이크로 라만 이미징을 사용하여 GaP 다이오드의 p-n 접합에서 캐리어 집중 및 움직임이 확인되었습니다.

수정된 Lely 기술을 사용하여 (11 00) 방향으로 성장한 4H-SiC 잉곳에서 (0001) 면을 가진 샘플을 채취했습니다. N2 가스 소스는 변조 도핑을 생성하기 위해 켜졌다 꺼짐을 반복했으며, 이로 인해 불순물 함량이 박스카와 같은 분포를 갖게 되었습니다. 주변 온도에서 LOPC 모드의 1차원 라만 사진을 만드는 데 라인 조명이 사용되었습니다.

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(a) 변조 도핑된 6H-SiC의 도핑 및 도핑되지 않은 영역에서 LOPC 모드의 라만 이미지. (b) 전이 영역에서 LOPC 모드의 일반적인 스펙트럼.