No es necesario ser un seguidor dedicado de la industria del transporte para saber que se encuentra en las primeras etapas de una transición significativa, que se aleja del ruidoso motor de combustión interna a los días tranquilos de los vehículos eléctricos. Las señales de esta transición están ahí, en las calles, en forma de autobuses, bicicletas y automóviles eléctricos. El camino hacia nuestro futuro eléctrico está ante nosotros, pero no lo lograremos sin semiconductores compuestos como el SiC.

Los fabricantes de los sectores del automóvil y de las energías limpias quieren dispositivos de energía más eficientes que puedan soportar voltajes más altos, posean velocidades de conmutación más rápidas y ofrezcan pérdidas más bajas que los dispositivos de energía tradicionales basados ​​en silicio, algo que los dispositivos de energía de SiC con estructuras de zanja pueden ofrecer.

Pero si bien las arquitecturas basadas en trincheras ofrecen una menor resistencia y aumentan la movilidad de los operadores, conllevan una mayor complejidad. Para los fabricantes de dispositivos de potencia de SiC, la capacidad de medir con precisión el crecimiento de la capa epi y la profundidad de las capas del implante en estas zanjas es una preocupación considerable, especialmente cuando se enfrenta a una complejidad de fabricación cada vez mayor.

En blog anterior En esta serie, exploramos cómo usar un sistema basado en FTIR te permite el modelado directo de las concentraciones de portadores y el espesor de la película, lo que permite a los fabricantes de dispositivos de potencia de SiC medir mejor el crecimiento de la capa epi, las capas del implante y su composición. En esta entrega, exploramos cómo los fabricantes de dispositivos de potencia de SiC con estructuras basadas en zanjas miden la profundidad de la zanja y la dimensión crítica (CD) inferior y superior mediante el uso de un sistema de metrología de dimensión crítica óptica (OCD) Diseñado para dispositivos especiales.

El desafío de la invisibilidad

El principal desafío al medir dispositivos de potencia de SiC con arquitecturas basadas en zanjas es el siguiente: las estructuras reentrantes y empotradas verticalmente son invisibles para las metrologías de arriba hacia abajo. Esto se aplica a enfoques como la microscopía electrónica de barrido de dimensiones críticas (CD-SEM) y la microscopía basada en imágenes. Como tal, los fabricantes han recurrido al OCD para la metrología dimensional. OCD ofrece mediciones no destructivas que toman menos de un segundo, es altamente preciso con repetibilidad a nivel de angstrom y es una técnica de metrología rica en datos capaz de medir decenas de parámetros simultáneamente en estructuras 10D complejas.

Con los sistemas OCD diseñados para el mercado de dispositivos eléctricos, los fabricantes suelen utilizar elipsometría espectroscópica (SE), el estándar de oro para mediciones de películas delgadas, y reflectometría espectroscópica polarizada (SR). SE se utiliza para recolectar reflectancia especular en los rangos de ultravioleta profundo (DUV) a infrarrojo cercano (NIR), desde estructuras periódicas 2D y 3D en incidencia oblicua, mientras que con SR, es lo mismo excepto en incidencia normal. Esto tiene una desventaja: como método indirecto, el TOC requiere un modelo para interpretar datos espectroscópicos complejos. Como resultado, la metrología TOC puede ser inexacta y estar sujeta a largos tiempos de configuración. Pero aquí hay buenas noticias: los algoritmos de aprendizaje automático guiado por modelos (MGML) pueden mejorar la precisión y el tiempo de solución.

En nuestro estudio, utilizamos SE y SR para medir estas estructuras basadas en zanjas en dispositivos de energía de SiC y luego analizamos los datos utilizando un solucionador EM basado en RCWA. Esta información luego se utilizó para ejecutar un control de proceso avanzado.

Si bien el OCD se puede utilizar en varios pasos del proceso en el flujo del proceso MOSFET de zanja de SiC, las mediciones de grabado posteriores a la zanja son de particular interés. El grabado de zanjas es clave porque el ancho del fondo, el redondeo del fondo, el ángulo de la pared lateral, la profundidad y la rugosidad de la pared lateral contribuyen a los atributos clave de rendimiento, incluido el voltaje de ruptura, la resistencia, la movilidad del canal y la descomposición del óxido de la puerta dependiente del tiempo. El grabado de SiC es un desafío porque es una sustancia extremadamente dura, químicamente estable y tiene baja selectividad al SiO.₂ máscaras duras.

Fig. 1: La variación espectral de los canales OCD de elipsometría espectroscópica y reflectometría de incidencia normal.

Para la primera aplicación de nuestro estudio, procesamos un diseño de experimento (DOE) en el paso de grabado en zanja en cuatro obleas. Se varió el tiempo de grabado para sesgar la profundidad de la zanja. La Figura 1 muestra la variación espectral de los canales OCD de reflectometría de incidencia normal y SE, agrupados por oblea, con un DOE claro. La Figura 2 muestra el modelo físico y el modelo ajustado a la estructura experimental del mismo sitio sobre las cuatro obleas; también muestra la profundidad promedio de la zanja versus la profundidad esperada según las condiciones del DOE con una correlación excelente.

Fig. 2: El modelo físico y el modelo se ajustan a la estructura experimental de las cuatro obleas DOE.

Para la segunda aplicación, ampliamos la estructura de zanja del ejemplo anterior. Si bien el DOE anterior se centró en la profundidad de la zanja, la necesidad de considerar otros parámetros clave en el modelo, incluido el ancho del fondo de la zanja, eran relevantes y, como tales, debían medirse. Luego comparamos simulaciones utilizando canales TOC individuales, SE y SR, y ambos canales juntos (figura 3). Al combinar ambos canales, pudimos medir la profundidad de la zanja; el propio canal SE se utilizó para medir el CD inferior y el CD superior. Como tal, determinamos que medir todos los parámetros clave que afectan el rendimiento y el rendimiento del dispositivo, incluida la profundidad de la zanja y el CD inferior y superior, en el paso de grabado de la zanja es posible utilizando la metrología OCD.

Fig. 3: Comparación de simulaciones utilizando elipsometría espectral (SE), incidencia normal (NI) y SE y NI combinados. 

Conclusión

Sin dispositivos de potencia semiconductores compuestos, el camino por recorrer podría conducir a un callejón sin salida. Pero la fabricación de dispositivos de potencia de SiC plantea varios desafíos importantes en el control de procesos, uno de los cuales es la medición precisa de las estructuras de las zanjas. Al igual que los sistemas basados ​​en FTIR discutidos en nuestro blog anterior, "Uso de FTIR para mejorar el rendimiento de los dispositivos de potencia de SiC" La metrología OCD proporciona a los fabricantes de dispositivos de potencia de SiC varias opciones para abordar estos obstáculos con certeza y claridad.

En nuestro próximo blog, el último de esta serie, veremos cómo se pueden utilizar los ultrasonidos de picosegundos en la fabricación de dispositivos de energía de SiC basados ​​en zanjas. Esperamos que te unas a nosotros.