Il n'est pas nécessaire d'être un adepte dévoué de l'industrie du transport pour savoir qu'elle en est aux premiers stades d'une transition importante, passant du grondement du moteur à combustion interne aux jours calmes des véhicules électriques. Les signes de cette transition sont visibles dans les rues sous la forme de bus, de vélos et de voitures électriques. La route vers notre avenir électrique est devant nous, mais nous n’y parviendrons pas sans les semi-conducteurs composés comme le SiC.

Les fabricants des secteurs de l'automobile et des énergies propres souhaitent des dispositifs d'alimentation plus efficaces, capables de supporter des tensions plus élevées, de posséder des vitesses de commutation plus rapides et d'offrir des pertes inférieures à celles des dispositifs d'alimentation traditionnels à base de silicium, ce que les dispositifs d'alimentation en SiC dotés de structures en tranchée peuvent offrir.

Mais si les architectures basées sur des tranchées offrent une résistance à l'activation réduite et augmentent la mobilité des porteurs, elles entraînent une complexité accrue. Pour les fabricants de dispositifs de puissance SiC, la capacité à mesurer avec précision la croissance des couches épi et la profondeur des couches d'implants dans ces tranchées constitue une préoccupation considérable, en particulier face à une complexité de fabrication toujours croissante.

Dans le précédent article dans cette série, nous avons exploré comment utiliser un système basé sur FTIR combustion propre permet la modélisation directe des concentrations de porteurs et de l'épaisseur du film, permettant ainsi aux fabricants de dispositifs de puissance SiC de mieux mesurer la croissance des couches épi, les couches d'implants et la composition. Dans cet article, nous explorons comment les fabricants de dispositifs de puissance SiC dotés de structures basées sur des tranchées mesurent la profondeur des tranchées et les dimensions critiques inférieure et supérieure (CD) à l'aide d'un système de métrologie de dimension critique optique (OCD) conçu pour les appareils spécialisés.

Le défi de l'invisibilité

Le principal défi lors de la mesure de dispositifs de puissance SiC avec des architectures basées sur des tranchées est le suivant : les structures réentrantes et encastrées verticalement sont invisibles pour les métrologies descendantes. Cela s’applique à des approches telles que la microscopie électronique à balayage de dimension critique (CD-SEM) et la microscopie basée sur l’image. C’est pourquoi les fabricants se sont tournés vers l’OCD pour la métrologie dimensionnelle. L'OCD offre des mesures non destructives qui prennent moins d'une seconde, il est très précis avec une répétabilité au niveau de l'angström et il s'agit d'une technique de métrologie riche en données capable de mesurer simultanément des dizaines de paramètres dans des structures 10D complexes.

Avec les systèmes OCD conçus pour le marché des appareils électriques, les fabricants utilisent souvent l'ellipsométrie spectroscopique (SE), la référence en matière de mesures de couches minces, et la réflectométrie spectroscopique polarisée (SR). SE est utilisé pour collecter la réflectance spéculaire dans les plages de l'ultraviolet profond (DUV) au proche infrarouge (NIR), des structures périodiques 2D et 3D à incidence oblique, tandis qu'avec SR, c'est la même chose sauf à incidence normale. Il y a un inconvénient à cela : en tant que méthode indirecte, l’OCD nécessite un modèle pour interpréter des données spectroscopiques complexes. En conséquence, la métrologie OCD peut être imprécise et soumise à de longs temps de configuration. Mais la bonne nouvelle est là : les algorithmes d’apprentissage automatique guidé par modèle (MGML) peuvent améliorer la précision et les délais de résolution.

Dans notre étude, nous avons utilisé SE et SR pour mesurer ces structures basées sur des tranchées dans des dispositifs électriques SiC, puis analysé les données à l'aide d'un solveur EM basé sur RCWA. Ces informations ont ensuite été utilisées pour exécuter un contrôle avancé des processus.

Bien que l'OCD puisse être utilisé à plusieurs étapes du processus dans le flux de processus MOSFET à tranchée SiC, les mesures de gravure après tranchée présentent un intérêt particulier. La gravure des tranchées est essentielle car la largeur du fond, l'arrondi du fond, l'angle des parois latérales, la profondeur et la rugosité des parois latérales contribuent aux attributs de performances clés, notamment la tension de claquage, la résistance à l'état passant, la mobilité des canaux et la rupture de l'oxyde de grille en fonction du temps. La gravure du SiC est un défi car il s'agit d'une substance extrêmement dure, chimiquement stable et peu sélective envers le SiO.₂ masques durs.

Fig. 1 : La variation spectrale des canaux OCD de l'ellipsométrie spectroscopique et de la réflectométrie à incidence normale.

Pour la première application de notre étude, nous avons traité un plan d'expérience (DOE) à l'étape de gravure de tranchée sur quatre tranches. Le temps de gravure a été modifié pour fausser la profondeur de la tranchée. La figure 1 montre la variation spectrale des canaux OCD de réflectométrie SE et à incidence normale, regroupés par tranche, avec un DOE clair. La figure 2 montre le modèle physique et le modèle adapté à la structure expérimentale d'un même site sur les quatre tranches ; il montre également la profondeur moyenne des tranchées par rapport à la profondeur attendue en fonction des conditions du DOE avec une excellente corrélation.

Fig. 2 : Le modèle physique et le modèle adapté à la structure expérimentale sur les quatre tranches DOE.

Pour la deuxième application, nous avons développé la structure de tranchée de l’exemple précédent. Alors que le précédent DOE se concentrait sur la profondeur des tranchées, la nécessité de prendre en compte d'autres paramètres clés dans le modèle, notamment la largeur du fond de la tranchée, était pertinente et, en tant que telle, devait être mesurée. Nous avons ensuite comparé les simulations utilisant des canaux OCD individuels, SE et SR, et les deux canaux ensemble (figure 3). En combinant les deux canaux, nous avons pu mesurer la profondeur des tranchées ; le canal SE lui-même a été utilisé pour mesurer le CD inférieur et le CD supérieur. En tant que tel, nous avons déterminé qu'il était possible de mesurer tous les paramètres clés ayant un impact sur le rendement et les performances du dispositif, notamment la profondeur de la tranchée et les CD inférieur et supérieur, à l'étape de gravure de la tranchée, grâce à la métrologie OCD.

Fig. 3 : Comparaison de simulations utilisant l'ellipsométrie spectrale (SE), l'incidence normale (NI) et la SE et NI combinées. 

Conclusion

Sans dispositifs de puissance à semi-conducteurs composés, le chemin à parcourir pourrait bien conduire à une impasse. Mais la fabrication de dispositifs de puissance SiC pose plusieurs défis importants en matière de contrôle des processus, parmi lesquels la mesure précise des structures de tranchées. Tout comme les systèmes basés sur FTIR évoqués dans notre blog précédent, « Utiliser FTIR pour améliorer les performances des dispositifs d'alimentation SiC » La métrologie OCD offre aux fabricants de dispositifs de puissance SiC plusieurs options pour surmonter ces obstacles avec certitude et clarté.

Dans notre prochain blog, le dernier de cette série, nous examinerons comment les ultrasons picosecondes peuvent être utilisés dans la fabrication de dispositifs de puissance SiC basés sur des tranchées. Nous espérons que tu te joignes à nous.