SiC功率器件中的溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量

以下文章來源于碳化硅芯觀察 ，作者Nick Keller

汽車和清潔能源領(lǐng)域的制造商需要更高效的功率器件，能夠適應(yīng)更高的電壓，擁有更快的開關(guān)速度，并且比傳統(tǒng)硅基功率器件提供更低的損耗，而溝槽結(jié)構(gòu)的 SiC 功率器件可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

但是，雖然基于溝槽的架構(gòu)可以降低導(dǎo)通電阻并提高載流子遷移率，但它們也帶來了更高的復(fù)雜性。對(duì)于 SiC 功率器件制造商來說，準(zhǔn)確測(cè)量外延層生長和這些溝槽中注入層深度的能力是相當(dāng)重要的，特別是在面臨不斷增加的制造復(fù)雜性時(shí)。

今天我們分享一下來自O(shè)nto Innovation 應(yīng)用開發(fā)總監(jiān)Nick Keller的文章，來重點(diǎn)介紹下SiC 功率器件中的溝槽結(jié)構(gòu)測(cè)量：

光學(xué)臨界尺寸 (OCD) 計(jì)量系統(tǒng)

來測(cè)量溝槽深度以及底部和頂部臨界尺寸 (CD)

隱形挑戰(zhàn)

使用基于溝槽的架構(gòu)測(cè)量 SiC 功率器件時(shí)的核心挑戰(zhàn)是： 自上而下的測(cè)量方法無法看到凹入式結(jié)構(gòu)和垂直凹入式結(jié)構(gòu)。這適用于臨界尺寸掃描電子顯微鏡 (CD-SEM) 和基于圖像的顯微鏡等方法。 因此，制造商已轉(zhuǎn)向 OCD 進(jìn)行尺寸計(jì)量。OCD 提供耗時(shí)不到一秒的無損測(cè)量，具有埃級(jí)重復(fù)性的高精度，并且是一種數(shù)據(jù)豐富的計(jì)量技術(shù)，能夠在復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)中同時(shí)測(cè)量數(shù)十個(gè)參數(shù)。

對(duì)于專為功率器件市場(chǎng)設(shè)計(jì)的 OCD 系統(tǒng)，制造商經(jīng)常使用光譜橢偏儀 (SE)(薄膜測(cè)量的黃金標(biāo)準(zhǔn))和偏振光譜反射儀 (SR)。SE 用于收集斜入射時(shí) 2D 和 3D 周期性結(jié)構(gòu)的深紫外 (DUV) 到近紅外 (NIR) 范圍內(nèi)的鏡面反射率，而對(duì)于 SR，除了法向入射外，其他情況相同。

這樣做有一個(gè)缺點(diǎn)：作為一種間接方法，OCD 需要一個(gè)模型來解釋復(fù)雜的光譜數(shù)據(jù)。因此，OCD 計(jì)量可能不準(zhǔn)確，并且設(shè)置時(shí)間較長。但是，好消息是：模型引導(dǎo)機(jī)器學(xué)習(xí) (MGML) 算法可以提高準(zhǔn)確性并縮短解決時(shí)間。

在我們的研究中，我們使用 SE 和 SR 測(cè)量 SiC 功率器件中的這些基于溝槽的結(jié)構(gòu)，然后使用基于 RCWA 的 EM 求解器分析數(shù)據(jù)。然后，該信息用于運(yùn)行高級(jí)過程控制。

雖然 OCD 可用于 SiC 溝槽 MOSFET 工藝流程中的多個(gè)工藝步驟，但溝槽蝕刻后的測(cè)量尤其令人感興趣。溝槽蝕刻是關(guān)鍵，因?yàn)榈撞繉挾?、底部圓角、側(cè)壁角度、深度和側(cè)壁粗糙度有助于關(guān)鍵性能屬性，包括擊穿電壓、導(dǎo)通電阻、溝道遷移率和時(shí)間相關(guān)的柵極氧化物擊穿。

SiC蝕刻具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗且环N極其堅(jiān)硬的物質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并且對(duì)SiO 2硬掩模的選擇性較低。

圖 1：光譜橢偏儀和正入射反射儀 OCD 通道的光譜變化。

對(duì)于我們研究中的第一個(gè)應(yīng)用，我們?cè)谒膫€(gè)晶圓上的溝槽蝕刻步驟中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DOE)。改變蝕刻時(shí)間以扭曲溝槽深度。

圖 1 顯示了 SE 和法向入射反射 OCD 通道的光譜變化，按晶圓分組，具有清晰的 DOE。圖2為四片晶圓上同一位點(diǎn)的物理模型和模型擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu);它還顯示平均溝槽深度與基于 DOE 條件的預(yù)期深度，具有良好的相關(guān)性。

圖 2：物理模型和模型擬合四個(gè) DOE 晶圓上的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。

對(duì)于第二個(gè)應(yīng)用，我們擴(kuò)展了上一個(gè)示例中的溝槽結(jié)構(gòu)。雖然之前的 DOE 重點(diǎn)關(guān)注溝槽深度，但需要考慮模型中的其他關(guān)鍵參數(shù)(包括溝槽底部寬度)，因此需要進(jìn)行測(cè)量。

然后，我們比較了使用單獨(dú)的 OCD 通道、SE 和 SR 以及兩個(gè)通道一起進(jìn)行的模擬(圖 3)。通過結(jié)合兩個(gè)通道，我們能夠測(cè)量溝槽深度;SE 通道本身用于測(cè)量底部 CD 和頂部 CD。因此，我們確定可以使用 OCD 計(jì)量學(xué)在溝槽蝕刻步驟中測(cè)量影響器件良率和性能的所有關(guān)鍵參數(shù)，包括溝槽深度以及底部和頂部 CD。

圖 3：使用光譜橢圓偏振 (SE)、正入射 (NI) 以及 SE 和 NI 組合進(jìn)行的模擬比較。

使用皮秒超聲波來優(yōu)化具有溝槽架構(gòu)的 SiC 功率器件的性能

使用皮秒超聲波

皮秒超聲波(脈沖技術(shù))是一種泵浦探測(cè)技術(shù)，使用超快激光脈沖(大約 200fs)進(jìn)行金屬薄膜計(jì)量;包括基于溝槽的 SiC 功率器件的金屬膜計(jì)量。

通過使用這種無損技術(shù)，制造商可以同時(shí)測(cè)量多層金屬薄膜，同時(shí)還能夠區(qū)分重復(fù)金屬的各個(gè)層。對(duì)于 SiC 功率器件，皮秒超聲波為測(cè)量薄膜厚度和粗糙度提供了一種無損解決方案。

由于皮秒超聲波的優(yōu)點(diǎn)，它正在迅速取代更傳統(tǒng)的方法，例如四點(diǎn)探頭方法。其一，這些傳統(tǒng)的測(cè)量方法具有破壞性;皮秒超聲波則不然。第二，傳統(tǒng)方法不提供直接的厚度信息，并且無法檢測(cè)缺失的層或處理不當(dāng)?shù)木A。

對(duì)于具有溝槽結(jié)構(gòu)的 SiC 功率 MOFET，皮秒超聲波可用于金屬化工藝控制;該應(yīng)用包括監(jiān)測(cè)接觸勢(shì)壘 (Ti/TiN)、溝槽金屬化(W 基接觸)以及正面和背面金屬化 (Ti/NiV/Ag) 堆棧。

在我們的研究中，我們測(cè)量了帶有溝槽的 SiC 功率器件中源極和漏極接觸的歐姆接觸和導(dǎo)電金屬層厚度。這些測(cè)量很重要，因?yàn)樗鼈儗?duì)接觸電阻有直接影響;接觸電阻差的功率器件將無法正常工作。金屬厚度均勻性也會(huì)對(duì)終端設(shè)備的可靠性產(chǎn)生影響。

圖 1：(a) Ti 1000 ?、(b) NiV 3000 ? 和 (c) Ag 1500 ? 的 49 個(gè)點(diǎn)圖。

使用皮秒超聲波技術(shù)，我們測(cè)量了多層金屬堆疊;在本例中，層為 Ti/NiV/Ag。由于光斑尺寸小 (8μm x10μm) 和快速測(cè)量時(shí)間(每個(gè)位置 <4 秒)，我們能夠表征整個(gè)晶圓的均勻性。

此外，我們的研究中使用皮秒超聲波顯示出 3 sigma < 0.25% 標(biāo)準(zhǔn)差的出色精度。

如前所述，皮秒超聲波的主要優(yōu)點(diǎn)之一是能夠測(cè)量多層堆疊中的重復(fù)金屬。在本例中，我們測(cè)量了 Ti/Al/ox/Ti/Al 的堆棧，其中 Ti 重復(fù)。該技術(shù)生成的原始數(shù)據(jù)顯示出出色的信噪比，每一層的回波都清晰可見。

X 射線計(jì)量等競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)無法提供此類堆疊中的各個(gè)層，并且對(duì)覆蓋膜的測(cè)量并不代表產(chǎn)品性能。此外，還可以設(shè)置配方來標(biāo)記丟失的層或檢測(cè)錯(cuò)誤處理。

圖 2：多層金屬化堆疊測(cè)量。

除了厚度之外，皮秒超聲波還可用于監(jiān)測(cè)粗糙度，特別是厚金屬薄膜(數(shù)千埃到微米范圍)。粗糙度可作為監(jiān)控完善流程的定性指標(biāo)。

圖 3 顯示了用于驗(yàn)證此功能的鋁膜的測(cè)量結(jié)果。該測(cè)量結(jié)果與透射電子顯微鏡 (TEM) 和原子力顯微鏡 (AFM) 參考的相關(guān)性非常好，R 2 ~f 0.99。

圖 3：PULSE 測(cè)量與透射電子顯微鏡 (TEM) 和原子力顯微鏡 (AFM) 的相關(guān)性。

碳化硅 (SiC) 功率器件注定將成為推動(dòng)混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車以及其他綠色創(chuàng)新發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力之一。但部分由于這些 SiC 功率器件采用溝槽結(jié)構(gòu)，制造商需要做好準(zhǔn)備，以避免其過程中的許多工藝控制障礙。借助 FTIR、OCD 和皮秒超聲波計(jì)量，SiC 功率器件制造商有多種選擇能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，并在此過程中為未來掃清道路。