Non è necessario essere un appassionato sostenitore del settore dei trasporti per sapere che si trova nelle prime fasi di una transizione significativa, dal rombante motore a combustione interna ai giorni tranquilli dei veicoli elettrici. I segnali di questa transizione sono proprio lì, per le strade, sotto forma di autobus, biciclette e automobili elettrici. La strada verso il nostro futuro elettrico è davanti a noi, ma non ci arriveremo senza semiconduttori compositi come il SiC.

I produttori dei settori automobilistico e dell'energia pulita desiderano dispositivi di potenza più efficienti in grado di sopportare tensioni più elevate, possedere velocità di commutazione più elevate e offrire perdite inferiori rispetto ai tradizionali dispositivi di potenza basati su silicio, qualcosa che i dispositivi di potenza SiC con strutture a trincea possono offrire.

Ma mentre le architetture basate su trench offrono una resistenza in conduzione ridotta e aumentano la mobilità dei carrier, comportano una maggiore complessità. Per i produttori di dispositivi di potenza SiC, la capacità di misurare con precisione la crescita dello strato epi e la profondità degli strati di impianto in queste trincee rappresenta una notevole preoccupazione, soprattutto di fronte alla sempre crescente complessità di fabbricazione.

Nel blog precedente in questa serie, abbiamo esplorato come utilizzare un'analisi basata su FTIR sistema consente la modellazione diretta delle concentrazioni dei portatori e dello spessore del film, consentendo così ai produttori di dispositivi di potenza SiC di misurare meglio la crescita dello strato epi, gli strati dell'impianto e la composizione. In questa puntata, esploriamo come i produttori di dispositivi di potenza SiC con strutture basate su trincee misurano la profondità della trincea e la dimensione critica inferiore e superiore (CD) utilizzando un sistema metrologico di dimensione critica ottica (OCD). progettato per dispositivi speciali.

La sfida dell'invisibilità

La sfida principale quando si misurano dispositivi di potenza SiC con architetture basate su trench è questa: le strutture rientranti e incassate verticalmente sono invisibili alle metrologie top-down. Ciò vale per approcci come la microscopia elettronica a scansione di dimensioni critiche (CD-SEM) e la microscopia basata su immagini. Pertanto, i produttori sono passati all’OCD per la metrologia dimensionale. L'OCD offre misurazioni non distruttive che richiedono meno di un secondo, è estremamente preciso con ripetibilità a livello di angstrom ed è una tecnica metrologica ricca di dati in grado di misurare decine di parametri simultaneamente in strutture 10D complesse.

Con i sistemi OCD progettati per il mercato dei dispositivi di potenza, i produttori spesso utilizzano l'ellissometria spettroscopica (SE), lo standard di riferimento per le misurazioni di film sottili, e la riflettometria spettroscopica polarizzata (SR). SE viene utilizzato per raccogliere la riflettanza speculare negli intervalli dell'ultravioletto profondo (DUV) e del vicino infrarosso (NIR) da strutture periodiche 2D e 3D con incidenza obliqua, mentre con SR è lo stesso tranne che con incidenza normale. C’è uno svantaggio in questo: come metodo indiretto, il DOC richiede un modello per interpretare dati spettroscopici complessi. Di conseguenza, la metrologia OCD può essere imprecisa e soggetta a lunghi tempi di configurazione. Ma ecco una buona notizia: gli algoritmi di machine learning guidato dal modello (MGML) possono migliorare la precisione e il tempo necessario per raggiungere la soluzione.

Nel nostro studio, abbiamo utilizzato SE e SR per misurare queste strutture basate su trincee nei dispositivi di potenza SiC e quindi abbiamo analizzato i dati utilizzando il solutore EM basato su RCWA. Queste informazioni sono state quindi utilizzate per eseguire un controllo avanzato del processo.

Sebbene l'OCD possa essere utilizzato in diverse fasi del processo nel flusso di processo del MOSFET trench SiC, le misurazioni dell'attacco post-trench sono di particolare interesse. L'incisione della trincea è fondamentale perché la larghezza del fondo, l'arrotondamento del fondo, l'angolo della parete laterale, la profondità e la ruvidità della parete laterale contribuiscono ad attributi prestazionali chiave, tra cui tensione di rottura, resistenza in conduzione, mobilità del canale e rottura dell'ossido di gate dipendente dal tempo. L'incisione del SiC è impegnativa perché è una sostanza estremamente dura, chimicamente stabile e ha una bassa selettività verso SiO₂ maschere dure.

Fig. 1: La variazione spettrale dei canali OCD dell'ellissometria spettroscopica e della riflettometria ad incidenza normale.

Per la prima applicazione nel nostro studio, abbiamo elaborato un disegno dell'esperimento (DOE) nella fase di incisione del trench su quattro wafer. Il tempo di attacco è stato variato per distorcere la profondità della trincea. La Figura 1 mostra la variazione spettrale dei canali OCD SE e riflettometria ad incidenza normale, raggruppati per wafer, con un DOE chiaro. La Figura 2 mostra il modello fisico e il modello adattato alla struttura sperimentale dello stesso sito sui quattro wafer; mostra anche la profondità media della trincea rispetto alla profondità prevista in base alle condizioni DOE con un'eccellente correlazione.

Fig. 2: Il modello fisico e il modello si adattano alla struttura sperimentale sui quattro wafer DOE.

Per la seconda applicazione, abbiamo ampliato la struttura della trincea dell'esempio precedente. Mentre il precedente DOE si concentrava sulla profondità della trincea, la necessità di considerare altri parametri chiave nel modello, inclusa la larghezza del fondo della trincea, erano rilevanti e, come tali, dovevano essere misurati. Abbiamo quindi confrontato le simulazioni utilizzando i singoli canali OCD, SE e SR, ed entrambi i canali insieme (figura 3). Combinando entrambi i canali, siamo stati in grado di misurare la profondità della trincea; lo stesso canale SE è stato utilizzato per misurare il CD inferiore e il CD superiore. Pertanto, abbiamo stabilito che, utilizzando la metrologia OCD, è possibile misurare tutti i parametri chiave che influiscono sulla resa e sulle prestazioni del dispositivo, tra cui la profondità della trincea e il CD inferiore e superiore, nella fase di incisione della trincea.

Fig. 3: Un confronto tra simulazioni utilizzando l'ellissometria spettrale (SE), l'incidenza normale (NI) e la combinazione SE e NI. 

Conclusione

Senza dispositivi di potenza composti da semiconduttori, la strada da percorrere potrebbe portare a un vicolo cieco. Ma la produzione di dispositivi di potenza SiC pone diverse sfide significative per il controllo del processo, una delle quali è la misurazione accurata delle strutture delle trincee. Proprio come i sistemi basati su FTIR discussi nel nostro blog precedente, "Utilizzo di FTIR per migliorare le prestazioni dei dispositivi di potenza SiC" La metrologia OCD offre ai produttori di dispositivi di potenza SiC diverse opzioni per affrontare questi ostacoli con certezza e chiarezza.

Nel nostro prossimo blog, l'ultimo di questa serie, esamineremo come gli ultrasuoni a picosecondi possono essere utilizzati nella produzione di dispositivi di potenza SiC basati su trench. Speriamo che tu ti unisca a noi.