以下文章來源于碳化硅芯觀察 ，作者Nick Keller

汽車和清潔能源領域的制造商需要更高效的功率器件，能夠適應更高的電壓，擁有更快的開關速度，并且比傳統硅基功率器件提供更低的損耗，而溝槽結構的 SiC 功率器件可以實現這一點。

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

今天我們分享一下來自Onto Innovation 應用開發總監Nick Keller的文章，來重點介紹下SiC 功率器件中的溝槽結構測量：

光學臨界尺寸 (OCD) 計量系統

來測量溝槽深度以及底部和頂部臨界尺寸 (CD)

隱形挑戰

使用基于溝槽的架構測量 SiC 功率器件時的核心挑戰是： 自上而下的測量方法無法看到凹入式結構和垂直凹入式結構。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，制造商已轉向 OCD 進行尺寸計量。OCD 提供耗時不到一秒的無損測量，具有埃級重復性的高精度，并且是一種數據豐富的計量技術，能夠在復雜的 3D 結構中同時測量數十個參數。

對于專為功率器件市場設計的 OCD 系統，制造商經常使用光譜橢偏儀 (SE)(薄膜測量的黃金標準)和偏振光譜反射儀 (SR)。SE 用于收集斜入射時 2D 和 3D 周期性結構的深紫外 (DUV) 到近紅外 (NIR) 范圍內的鏡面反射率，而對于 SR，除了法向入射外，其他情況相同。

這樣做有一個缺點：作為一種間接方法，OCD 需要一個模型來解釋復雜的光譜數據。因此，OCD 計量可能不準確，并且設置時間較長。但是，好消息是：模型引導機器學習 (MGML) 算法可以提高準確性并縮短解決時間。

在我們的研究中，我們使用 SE 和 SR 測量 SiC 功率器件中的這些基于溝槽的結構，然后使用基于 RCWA 的 EM 求解器分析數據。然后，該信息用于運行高級過程控制。

雖然 OCD 可用于 SiC 溝槽 MOSFET 工藝流程中的多個工藝步驟，但溝槽蝕刻后的測量尤其令人感興趣。溝槽蝕刻是關鍵，因為底部寬度、底部圓角、側壁角度、深度和側壁粗糙度有助于關鍵性能屬性，包括擊穿電壓、導通電阻、溝道遷移率和時間相關的柵極氧化物擊穿。

SiC蝕刻具有挑戰性，因為它是一種極其堅硬的物質，化學性質穩定，并且對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。

對于我們研究中的第一個應用，我們在四個晶圓上的溝槽蝕刻步驟中進行了實驗設計 (DOE)。改變蝕刻時間以扭曲溝槽深度。

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的物理模型和模型擬合實驗結構;它還顯示平均溝槽深度與基于 DOE 條件的預期深度，具有良好的相關性。

圖 2：物理模型和模型擬合四個 DOE 晶圓上的實驗結構。

對于第二個應用，我們擴展了上一個示例中的溝槽結構。雖然之前的 DOE 重點關注溝槽深度，但需要考慮模型中的其他關鍵參數(包括溝槽底部寬度)，因此需要進行測量。

然后，我們比較了使用單獨的 OCD 通道、SE 和 SR 以及兩個通道一起進行的模擬(圖 3)。通過結合兩個通道，我們能夠測量溝槽深度;SE 通道本身用于測量底部 CD 和頂部 CD。因此，我們確定可以使用 OCD 計量學在溝槽蝕刻步驟中測量影響器件良率和性能的所有關鍵參數，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 組合進行的模擬比較。

使用皮秒超聲波來優化具有溝槽架構的 SiC 功率器件的性能

使用皮秒超聲波

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

通過使用這種無損技術，制造商可以同時測量多層金屬薄膜，同時還能夠區分重復金屬的各個層。對于 SiC 功率器件，皮秒超聲波為測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點，它正在迅速取代更傳統的方法，例如四點探頭方法。其一，這些傳統的測量方法具有破壞性;皮秒超聲波則不然。第二，傳統方法不提供直接的厚度信息，并且無法檢測缺失的層或處理不當的晶圓。

對于具有溝槽結構的 SiC 功率 MOFET，皮秒超聲波可用于金屬化工藝控制;該應用包括監測接觸勢壘 (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電金屬層厚度。這些測量很重要，因為它們對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對終端設備的可靠性產生影響。

圖 1：(a) Ti 1000 ?、(b) NiV 3000 ? 和 (c) Ag 1500 ? 的 49 個點圖。

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

此外，我們的研究中使用皮秒超聲波顯示出 3 sigma < 0.25% 標準差的出色精度。

如前所述，皮秒超聲波的主要優點之一是能夠測量多層堆疊中的重復金屬。在本例中，我們測量了 Ti/Al/ox/Ti/Al 的堆棧，其中 Ti 重復。該技術生成的原始數據顯示出出色的信噪比，每一層的回波都清晰可見。

X 射線計量等競爭技術無法提供此類堆疊中的各個層，并且對覆蓋膜的測量并不代表產品性能。此外，還可以設置配方來標記丟失的層或檢測錯誤處理。

圖 2：多層金屬化堆疊測量。

除了厚度之外，皮秒超聲波還可用于監測粗糙度，特別是厚金屬薄膜(數千埃到微米范圍)。粗糙度可作為監控完善流程的定性指標。

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

圖 3：PULSE 測量與透射電子顯微鏡 (TEM) 和原子力顯微鏡 (AFM) 的相關性。

碳化硅 (SiC) 功率器件注定將成為推動混合動力汽車和電動汽車以及其他綠色創新發展的主要驅動力之一。但部分由于這些 SiC 功率器件采用溝槽結構，制造商需要做好準備，以避免其過程中的許多工藝控制障礙。借助 FTIR、OCD 和皮秒超聲波計量，SiC 功率器件制造商有多種選擇能夠應對這些挑戰，并在此過程中為未來掃清道路。