SiC功率器件中的沟槽结构测量

以下文章来源于碳化硅芯观察 ，作者Nick Keller

汽车和清洁能源领域的制造商需要更高效的功率器件，能够适应更高的电压，拥有更快的开关速度，并且比传统硅基功率器件提供更低的损耗，而沟槽结构的 SiC 功率器件可以实现这一点。

但是，虽然基于沟槽的架构可以降低导通电阻并提高载流子迁移率，但它们也带来了更高的复杂性。对于 SiC 功率器件制造商来说，准确测量外延层生长和这些沟槽中注入层深度的能力是相当重要的，特别是在面临不断增加的制造复杂性时。

今天我们分享一下来自Onto Innovation 应用开发总监Nick Keller的文章，来重点介绍下SiC 功率器件中的沟槽结构测量：

光学临界尺寸 (OCD) 计量系统

来测量沟槽深度以及底部和顶部临界尺寸 (CD)

隐形挑战

使用基于沟槽的架构测量 SiC 功率器件时的核心挑战是： 自上而下的测量方法无法看到凹入式结构和垂直凹入式结构。这适用于临界尺寸扫描电子显微镜 (CD-SEM) 和基于图像的显微镜等方法。 因此，制造商已转向 OCD 进行尺寸计量。OCD 提供耗时不到一秒的无损测量，具有埃级重复性的高精度，并且是一种数据丰富的计量技术，能够在复杂的 3D 结构中同时测量数十个参数。

对于专为功率器件市场设计的 OCD 系统，制造商经常使用光谱椭偏仪 (SE)(薄膜测量的黄金标准)和偏振光谱反射仪 (SR)。SE 用于收集斜入射时 2D 和 3D 周期性结构的深紫外 (DUV) 到近红外 (NIR) 范围内的镜面反射率，而对于 SR，除了法向入射外，其他情况相同。

这样做有一个缺点：作为一种间接方法，OCD 需要一个模型来解释复杂的光谱数据。因此，OCD 计量可能不准确，并且设置时间较长。但是，好消息是：模型引导机器学习 (MGML) 算法可以提高准确性并缩短解决时间。

在我们的研究中，我们使用 SE 和 SR 测量 SiC 功率器件中的这些基于沟槽的结构，然后使用基于 RCWA 的 EM 求解器分析数据。然后，该信息用于运行高级过程控制。

虽然 OCD 可用于 SiC 沟槽 MOSFET 工艺流程中的多个工艺步骤，但沟槽蚀刻后的测量尤其令人感兴趣。沟槽蚀刻是关键，因为底部宽度、底部圆角、侧壁角度、深度和侧壁粗糙度有助于关键性能属性，包括击穿电压、导通电阻、沟道迁移率和时间相关的栅极氧化物击穿。

SiC蚀刻具有挑战性，因为它是一种极其坚硬的物质，化学性质稳定，并且对SiO 2硬掩模的选择性较低。

图 1：光谱椭偏仪和正入射反射仪 OCD 通道的光谱变化。

对于我们研究中的第一个应用，我们在四个晶圆上的沟槽蚀刻步骤中进行了实验设计 (DOE)。改变蚀刻时间以扭曲沟槽深度。

图 1 显示了 SE 和法向入射反射 OCD 通道的光谱变化，按晶圆分组，具有清晰的 DOE。图2为四片晶圆上同一位点的物理模型和模型拟合实验结构;它还显示平均沟槽深度与基于 DOE 条件的预期深度，具有良好的相关性。

图 2：物理模型和模型拟合四个 DOE 晶圆上的实验结构。

对于第二个应用，我们扩展了上一个示例中的沟槽结构。虽然之前的 DOE 重点关注沟槽深度，但需要考虑模型中的其他关键参数(包括沟槽底部宽度)，因此需要进行测量。

然后，我们比较了使用单独的 OCD 通道、SE 和 SR 以及两个通道一起进行的模拟(图 3)。通过结合两个通道，我们能够测量沟槽深度;SE 通道本身用于测量底部 CD 和顶部 CD。因此，我们确定可以使用 OCD 计量学在沟槽蚀刻步骤中测量影响器件良率和性能的所有关键参数，包括沟槽深度以及底部和顶部 CD。

图 3：使用光谱椭圆偏振 (SE)、正入射 (NI) 以及 SE 和 NI 组合进行的模拟比较。

使用皮秒超声波来优化具有沟槽架构的 SiC 功率器件的性能

使用皮秒超声波

皮秒超声波(脉冲技术)是一种泵浦探测技术，使用超快激光脉冲(大约 200fs)进行金属薄膜计量;包括基于沟槽的 SiC 功率器件的金属膜计量。

通过使用这种无损技术，制造商可以同时测量多层金属薄膜，同时还能够区分重复金属的各个层。对于 SiC 功率器件，皮秒超声波为测量薄膜厚度和粗糙度提供了一种无损解决方案。

由于皮秒超声波的优点，它正在迅速取代更传统的方法，例如四点探头方法。其一，这些传统的测量方法具有破坏性;皮秒超声波则不然。第二，传统方法不提供直接的厚度信息，并且无法检测缺失的层或处理不当的晶圆。

对于具有沟槽结构的 SiC 功率 MOFET，皮秒超声波可用于金属化工艺控制;该应用包括监测接触势垒 (Ti/TiN)、沟槽金属化(W 基接触)以及正面和背面金属化 (Ti/NiV/Ag) 堆栈。

在我们的研究中，我们测量了带有沟槽的 SiC 功率器件中源极和漏极接触的欧姆接触和导电金属层厚度。这些测量很重要，因为它们对接触电阻有直接影响;接触电阻差的功率器件将无法正常工作。金属厚度均匀性也会对终端设备的可靠性产生影响。

图 1：(a) Ti 1000 Å、(b) NiV 3000 Å 和 (c) Ag 1500 Å 的 49 个点图。

使用皮秒超声波技术，我们测量了多层金属堆叠;在本例中，层为 Ti/NiV/Ag。由于光斑尺寸小 (8μm x10μm) 和快速测量时间(每个位置 <4 秒)，我们能够表征整个晶圆的均匀性。

此外，我们的研究中使用皮秒超声波显示出 3 sigma < 0.25% 标准差的出色精度。

如前所述，皮秒超声波的主要优点之一是能够测量多层堆叠中的重复金属。在本例中，我们测量了 Ti/Al/ox/Ti/Al 的堆栈，其中 Ti 重复。该技术生成的原始数据显示出出色的信噪比，每一层的回波都清晰可见。

X 射线计量等竞争技术无法提供此类堆叠中的各个层，并且对覆盖膜的测量并不代表产品性能。此外，还可以设置配方来标记丢失的层或检测错误处理。

图 2：多层金属化堆叠测量。

除了厚度之外，皮秒超声波还可用于监测粗糙度，特别是厚金属薄膜(数千埃到微米范围)。粗糙度可作为监控完善流程的定性指标。

图 3 显示了用于验证此功能的铝膜的测量结果。该测量结果与透射电子显微镜 (TEM) 和原子力显微镜 (AFM) 参考的相关性非常好，R 2 ~f 0.99。

图 3：PULSE 测量与透射电子显微镜 (TEM) 和原子力显微镜 (AFM) 的相关性。

碳化硅 (SiC) 功率器件注定将成为推动混合动力汽车和电动汽车以及其他绿色创新发展的主要驱动力之一。但部分由于这些 SiC 功率器件采用沟槽结构，制造商需要做好准备，以避免其过程中的许多工艺控制障碍。借助 FTIR、OCD 和皮秒超声波计量，SiC 功率器件制造商有多种选择能够应对这些挑战，并在此过程中为未来扫清道路。