Man muss kein begeisterter Anhänger der Transportbranche sein, um zu wissen, dass sie sich in der Anfangsphase eines bedeutenden Übergangs befindet, weg vom brummenden Verbrennungsmotor hin zu den ruhigen Tagen der Elektrofahrzeuge. Die Zeichen dieses Wandels sind mit Elektrobussen, Fahrrädern und Autos direkt auf den Straßen zu sehen. Der Weg in unsere elektrische Zukunft liegt vor uns, aber ohne Verbindungshalbleiter wie SiC werden wir ihn nicht erreichen.

Hersteller in den Bereichen Automobil und saubere Energie wünschen sich effizientere Leistungsgeräte, die höhere Spannungen bewältigen können, schnellere Schaltgeschwindigkeiten bieten und geringere Verluste als herkömmliche Leistungsgeräte auf Siliziumbasis bieten, was SiC-Leistungsgeräte mit Grabenstrukturen bieten können.

Doch während grabenbasierte Architekturen einen geringeren Einschaltwiderstand bieten und die Trägermobilität erhöhen, bringen sie eine erhöhte Komplexität mit sich. Für Hersteller von SiC-Leistungsbauelementen ist die Fähigkeit, das Epi-Schichtwachstum und die Tiefe der Implantationsschichten in diesen Gräben genau zu messen, von erheblicher Bedeutung, insbesondere angesichts der ständig zunehmenden Komplexität der Herstellung.

Im letzten Blog In dieser Serie haben wir untersucht, wie ein FTIR-basiertes System verwendet wird System ermöglicht die direkte Modellierung von Trägerkonzentrationen und Filmdicken und ermöglicht so Herstellern von SiC-Leistungsgeräten eine bessere Messung des Epi-Schichtwachstums, der Implantationsschichten und der Zusammensetzung. In dieser Folge untersuchen wir, wie Hersteller von SiC-Leistungsgeräten mit grabenbasierten Strukturen die Grabentiefe sowie die kritische Abmessung (CD) am Boden und an der Oberseite mithilfe eines messen optisches Messsystem für kritische Dimensionen (OCD). Entwickelt für Spezialgeräte.

Die Unsichtbarkeitsherausforderung

Die zentrale Herausforderung bei der Messung von SiC-Leistungsbauelementen mit grabenbasierten Architekturen besteht darin, dass einspringende und vertikal vertiefte Strukturen für Top-Down-Messungen unsichtbar sind. Dies gilt für Ansätze wie die Rasterelektronenmikroskopie mit kritischer Dimension (CD-SEM) und die bildbasierte Mikroskopie. Aus diesem Grund sind Hersteller für die dimensionale Messtechnik auf OCD umgestiegen. OCD bietet zerstörungsfreie Messungen, die weniger als eine Sekunde dauern, es ist hochpräzise mit Wiederholgenauigkeit im Angström-Bereich und es handelt sich um eine datenreiche Messtechnik, die in der Lage ist, 10 Sekunden von Parametern gleichzeitig in komplexen 3D-Strukturen zu messen.

Bei OCD-Systemen, die für den Markt für Leistungsgeräte entwickelt wurden, verwenden Hersteller häufig die spektroskopische Ellipsometrie (SE), den Goldstandard für Dünnschichtmessungen, und die polarisierte spektroskopische Reflektometrie (SR). SE wird verwendet, um die spiegelnde Reflexion im tiefen Ultraviolett (DUV) bis Nahinfrarotbereich (NIR) von periodischen 2D- und 3D-Strukturen bei schrägem Einfall zu erfassen, während bei SR das Gleiche gilt, außer bei normalem Einfall. Dies hat einen Nachteil: Als indirekte Methode erfordert OCD ein Modell zur Interpretation komplexer spektroskopischer Daten. Infolgedessen kann die OCD-Messtechnik ungenau sein und lange Rüstzeiten erfordern. Aber es gibt eine gute Nachricht: Algorithmen für modellgestütztes maschinelles Lernen (MGML) können die Genauigkeit und die Zeit bis zur Lösung verbessern.

In unserer Studie haben wir SE und SR verwendet, um diese grabenbasierten Strukturen in SiC-Leistungsgeräten zu messen, und die Daten dann mit einem RCWA-basierten EM-Löser analysiert. Diese Informationen wurden dann verwendet, um eine erweiterte Prozesssteuerung durchzuführen.

Während OCD in mehreren Prozessschritten im SiC-Trench-MOSFET-Prozessablauf verwendet werden kann, sind Messungen nach dem Grabenätzen von besonderem Interesse. Die Grabenätzung ist von entscheidender Bedeutung, da Bodenbreite, Bodenabrundung, Seitenwandwinkel, Tiefe und Seitenwandrauheit zu wichtigen Leistungsmerkmalen beitragen, einschließlich Durchbruchspannung, Einschaltwiderstand, Kanalmobilität und zeitabhängigem Gate-Oxid-Durchbruch. Das Ätzen von SiC ist eine Herausforderung, da es sich um eine extrem harte Substanz handelt, die chemisch stabil ist und eine geringe Selektivität für SiO aufweist₂ harte Masken.

Abb. 1: Die spektrale Variation der OCD-Kanäle der spektroskopischen Ellipsometrie und der Normaleinfallsreflektometrie.

Für die erste Anwendung in unserer Studie haben wir ein Design of Experiment (DOE) beim Grabenätzschritt auf vier Wafern verarbeitet. Die Ätzzeit wurde variiert, um die Grabentiefe anzupassen. Abbildung 1 zeigt die spektrale Variation der SE- und Normalinzidenz-Reflektometrie-OCD-Kanäle, gruppiert nach Wafern, mit einem klaren DOE. Abbildung 2 zeigt das physikalische Modell und die Modellanpassung an die experimentelle Struktur derselben Stelle auf den vier Wafern; Es zeigt auch die durchschnittliche Grabentiefe im Vergleich zur erwarteten Tiefe basierend auf den DOE-Bedingungen mit ausgezeichneter Korrelation.

Abb. 2: Das physikalische Modell und die Modellanpassung an die experimentelle Struktur auf den vier DOE-Wafern.

Für die zweite Anwendung haben wir die Grabenstruktur aus dem vorherigen Beispiel erweitert. Während sich das vorherige DOE auf die Grabentiefe konzentrierte, war die Notwendigkeit, andere Schlüsselparameter im Modell zu berücksichtigen, einschließlich der Breite des Grabenbodens, relevant und musste daher gemessen werden. Anschließend verglichen wir Simulationen mit einzelnen OCD-Kanälen, SE und SR, und beiden Kanälen zusammen (Abbildung 3). Durch die Kombination beider Kanäle konnten wir die Grabentiefe messen; Der SE-Kanal selbst wurde zur Messung der unteren CD und der oberen CD verwendet. Daher haben wir festgestellt, dass die Messung aller wichtigen Parameter, die sich auf die Geräteausbeute und -leistung auswirken – einschließlich der Grabentiefe sowie der unteren und oberen CD – beim Grabenätzschritt mithilfe der OCD-Messtechnik möglich ist.

Abb. 3: Ein Vergleich von Simulationen mit Spektralellipsometrie (SE), Normalinzidenz (NI) und kombinierter SE und NI. 

Zusammenfassung

Ohne Verbundhalbleiter-Leistungsbauelemente könnte der Weg, der vor uns liegt, in eine Sackgasse führen. Die Herstellung von SiC-Leistungsbauelementen stellt jedoch mehrere erhebliche Herausforderungen bei der Prozesssteuerung dar, darunter die genaue Messung von Grabenstrukturen. Ähnlich wie die FTIR-basierten Systeme, die in unserem vorherigen Blog besprochen wurden, „Verwendung von FTIR zur Verbesserung der Leistung von SiC-Leistungsgeräten“ Die OCD-Messtechnik bietet Herstellern von SiC-Leistungsgeräten mehrere Möglichkeiten, diese Hindernisse mit Sicherheit und Klarheit anzugehen.

In unserem nächsten Blog, dem letzten dieser Reihe, werden wir uns damit befassen, wie Pikosekunden-Ultraschall bei der grabenbasierten Herstellung von SiC-Leistungsbauelementen eingesetzt werden kann. Wir hoffen, dass Sie sich uns anschließen.