Je hoeft geen toegewijde volger van de transportsector te zijn om te weten dat deze zich in de beginfase van een belangrijke transitie bevindt, weg van de ronkende verbrandingsmotor naar de stille dagen van elektrische voertuigen. De tekenen van deze transitie zijn op straat te zien in de vorm van elektrisch aangedreven bussen, fietsen en auto’s. De weg naar onze elektrische toekomst ligt voor ons, maar we zullen er niet komen zonder samengestelde halfgeleiders zoals SiC.

Fabrikanten in de auto- en schone energiesector willen efficiëntere energieapparaten die hogere spanningen aankunnen, snellere schakelsnelheden hebben en lagere verliezen bieden dan traditionele op silicium gebaseerde energieapparaten, iets wat SiC-energieapparaten met geulstructuren kunnen bieden.

Maar hoewel op greppels gebaseerde architecturen minder weerstand bieden en de mobiliteit van dragers vergroten, brengen ze een grotere complexiteit met zich mee. Voor fabrikanten van SiC-vermogensapparaten is het vermogen om de groei van epilagen en de diepte van implantaatlagen in deze sleuven nauwkeurig te meten van groot belang, vooral wanneer ze worden geconfronteerd met de steeds toenemende complexiteit van de fabricage.

In het vorige blog in deze serie hebben we onderzocht hoe je een op FTIR gebaseerde system maakt de directe modellering van dragerconcentraties en filmdikte mogelijk, waardoor makers van SiC-vermogensapparaten de groei van epi-lagen, implantaatlagen en samenstelling beter kunnen meten. In deze aflevering onderzoeken we hoe fabrikanten van SiC-energieapparaten met op greppels gebaseerde structuren de sleufdiepte en de kritische afmeting (CD) van de onder- en bovenzijde meten met behulp van een metrologiesysteem met optische kritische dimensie (OCD). ontworpen voor speciale apparaten.

De onzichtbaarheidsuitdaging

De kernuitdaging bij het meten van SiC-vermogensapparaten met op greppels gebaseerde architecturen is deze: inspringende en verticaal verzonken structuren zijn onzichtbaar voor metrologieën van bovenaf. Dit geldt voor benaderingen zoals scanning-elektronenmicroscopie met kritische dimensies (CD-SEM) en beeldgebaseerde microscopie. Als zodanig zijn fabrikanten voor dimensionale metrologie overgestapt op OCD. OCD biedt niet-destructieve metingen die minder dan een seconde duren, het is zeer nauwkeurig met herhaalbaarheid op Angström-niveau, en het is een datarijke metrologietechniek die in staat is om tientallen parameters tegelijkertijd te meten in complexe 10D-structuren.

Bij OCS-systemen die zijn ontworpen voor de markt voor elektrische apparaten, maken fabrikanten vaak gebruik van spectroscopische ellipsometrie (SE), de gouden standaard voor dunnefilmmetingen, en gepolariseerde spectroscopische reflectometrie (SR). SE wordt gebruikt om spiegelreflectie te verzamelen in het diepe ultraviolette (DUV) tot nabij-infrarode (NIR) bereik van 2D- en 3D periodieke structuren bij schuine inval, terwijl dit bij SR hetzelfde is, behalve bij normale inval. Hier zit een keerzijde aan: als indirecte methode vereist OCD een model om complexe spectroscopische gegevens te interpreteren. Als gevolg hiervan kan OCD-metrologie onnauwkeurig zijn en onderhevig zijn aan lange insteltijden. Maar er is goed nieuws: modelgestuurde machine learning-algoritmen (MGML) kunnen de nauwkeurigheid en de tijd tot oplossing verbeteren.

In onze studie hebben we SE en SR gebruikt om deze op greppels gebaseerde structuren in SiC-energieapparaten te meten en vervolgens de gegevens geanalyseerd met behulp van een op RCWA gebaseerde EM-oplosser. Deze informatie werd vervolgens gebruikt om geavanceerde procescontrole uit te voeren.

Hoewel OCD kan worden gebruikt bij verschillende processtappen in de SiC-geul-MOSFET-processtroom, zijn metingen na het etsen van de sleuf van bijzonder belang. Sleufetsen is van cruciaal belang omdat bodembreedte, bodemafronding, zijwandhoek, diepte en zijwandruwheid bijdragen aan belangrijke prestatiekenmerken, waaronder doorslagspanning, aan-weerstand, kanaalmobiliteit en tijdsafhankelijke poortoxidedoorslag. SiC-etsen is een uitdaging omdat het een extreem harde substantie is, chemisch stabiel is en een lage selectiviteit voor SiO heeft₂ harde maskers.

Fig. 1: De spectrale variatie van de spectroscopische ellipsometrie en normale incidentie reflectometrie OCS-kanalen.

Voor de eerste toepassing in ons onderzoek hebben we een design of experiment (DOE) verwerkt bij de greppeletsstap op vier wafers. De etstijd werd gevarieerd om de diepte van de sleuf te scheeftrekken. Figuur 1 toont de spectrale variatie van de OCD-kanalen voor SE en normale incidentie reflectometrie, gegroepeerd per wafer, met een duidelijke DOE. Figuur 2 toont het fysieke model en het model dat past bij de experimentele structuur van dezelfde locatie op de vier wafers; het toont ook de gemiddelde sleufdiepte versus de verwachte diepte op basis van DOE-omstandigheden met uitstekende correlatie.

Fig. 2: Het fysieke model en het model passen bij de experimentele structuur op de vier DOE-wafels.

Voor de tweede toepassing hebben we de sleufstructuur uit het vorige voorbeeld uitgebreid. Terwijl de vorige DOE zich concentreerde op de diepte van de sleuf, was de noodzaak om andere belangrijke parameters in het model in aanmerking te nemen, waaronder de bodembreedte van de sleuf, relevant en moest deze als zodanig worden gemeten. Vervolgens vergeleken we simulaties met behulp van individuele OCS-kanalen, SE en SR, en beide kanalen samen (figuur 3). Door beide kanalen te combineren konden we de sleufdiepte meten; het SE-kanaal zelf werd gebruikt om de onderste CD en de bovenste CD te meten. Daarom hebben we vastgesteld dat het meten van alle belangrijke parameters die van invloed zijn op de opbrengst en prestaties van het apparaat – inclusief sleufdiepte en bodem- en boven-CD, tijdens de sleufetsstap mogelijk is met behulp van OCD-metrologie.

Fig. 3: Een vergelijking van simulaties met behulp van spectrale ellipsometrie (SE), normale incidentie (NI) en gecombineerde SE en NI. 

Conclusie

Zonder samengestelde halfgeleiderapparaten zou de weg die voor ons ligt misschien wel eens doodlopen. Maar de productie van SiC-energieapparaten brengt een aantal belangrijke uitdagingen op het gebied van procesbeheersing met zich mee, waarvan er één het nauwkeurig meten van sleufstructuren is. Net zoals de op FTIR gebaseerde systemen die we in onze vorige blog hebben besproken, “FTIR gebruiken om de prestaties van SiC Power Devices te verbeteren,” OCD-metrologie biedt fabrikanten van SiC-vermogensapparaten verschillende opties om deze obstakels met zekerheid en duidelijkheid aan te pakken.

In onze volgende blog, de laatste van deze serie, zullen we bekijken hoe picoseconde ultrasoon geluid kan worden gebruikt bij de productie van SiC-energieapparaten op basis van greppels. Wij hopen dat u zich bij ons aansluit.