提高寬帶隙功率器件的故障分析精度?

預(yù)計(jì) 2018 年至 2050 年間，世界能源消耗將增長(zhǎng)近 50%，隨著對(duì)可再生能源的需求增加、汽車(chē)工業(yè)系統(tǒng)電氣化以及對(duì)電源管理應(yīng)用中設(shè)備的小型化和提高效率的需求不斷增長(zhǎng)。

隨著半導(dǎo)體器件尺寸的縮小和變得更加復(fù)雜，缺陷定位和故障分析變得更加關(guān)鍵，也更具挑戰(zhàn)性。借助高密度互連、晶圓級(jí)堆疊、柔性電子器件和集成基板等結(jié)構(gòu)元素，導(dǎo)致故障的缺陷有更多的隱藏空間。更糟糕的是，這些故障可能發(fā)生在設(shè)備封裝階段，導(dǎo)致產(chǎn)量下降和上市時(shí)間增加。

為了克服這一挑戰(zhàn)，結(jié)合電氣故障分析 （EFA） 和物理故障分析 （PFA） 可以更深入地了解故障機(jī)制，并最終提高性能、可靠性和制造良率。當(dāng)先進(jìn)的 EFA 和 PFA 分析工具結(jié)合到完整的 EFA 到 PFA 工作流程中時(shí)，這些工具使您能夠更快、更準(zhǔn)確地定位和表征氮化鎵 （GaN） 等寬帶隙 （WBG） 材料中的細(xì)微電氣問(wèn)題和碳化硅 （SiC）。

在功率器件中使用新材料

如今，半導(dǎo)體行業(yè)正在超越硅，開(kāi)發(fā)下一代功率器件：WBG 功率器件。WBG 功率器件非常適合要求苛刻的應(yīng)用，例如需要高功率的電動(dòng)汽車(chē)或需要超長(zhǎng)電池壽命的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。不幸的是，GaN 和 SiC 等材料可能會(huì)遇到開(kāi)發(fā)人員尚未見(jiàn)過(guò)的故障模式。因此，傳統(tǒng)的故障分析方法可能無(wú)法勝任這項(xiàng)任務(wù)。這使得識(shí)別可能影響產(chǎn)量和可靠性的根本原因變得更加困難。

硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 提供了一個(gè)有用的示例。這些產(chǎn)品專(zhuān)為大功率應(yīng)用而設(shè)計(jì)，已成為大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用的首選設(shè)備。不幸的是，功率 MOSFET 的性能已達(dá)到極限，因?yàn)樾碌囊笠笤诟〉姆庋b中提供更高的電壓和更快的頻率。使用 GaN 或 SiC 重新設(shè)計(jì)此類(lèi)設(shè)備，可以為新興的大功率應(yīng)用創(chuàng)建可靠、緊湊且具有成本效益的解決方案。

功率 MOSFET 器件的故障

當(dāng)使用 WBG 材料制造時(shí)，功率 MOSFET 具有垂直結(jié)構(gòu)，將源極和漏極放置在晶圓的相對(duì)兩側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)更高的電流和電壓偏置。這與使用并行結(jié)構(gòu)的 CMOS 器件不同。

在電氣領(lǐng)域，漏極和源極之間的漏電流 （I DSS ） 或柵極和源極之間的漏電流 （I GSS ） 是功率 MOSFET 故障的一般類(lèi)別。將故障分析集中在這些機(jī)制上的能力提供了重要的見(jiàn)解，可用于改進(jìn)生產(chǎn)方法、生產(chǎn)良率和未來(lái)設(shè)計(jì)。

圖 1：電子束圖像顯示了功率 MOSFET 晶片的漏極側(cè)，鋁沉積在鈦/氮化鈦層的頂部。

在物理實(shí)現(xiàn)中，鋁 （Al） 和鈦 （Ti） 或氮化鈦 （TiN） 的金屬層通常沉積在單個(gè)晶體管的頂部（圖 1）。這些不透明的層會(huì)造成故障隔離的困難。例如，很難使用光子發(fā)射顯微鏡或光束感應(yīng)電阻變化 （OBIRCH） 掃描來(lái)準(zhǔn)確觀察或定位缺陷。光子無(wú)法穿透金屬層，金屬可能會(huì)吸收 OBIRCH 激光。

EFA-TO-PFA 工作流程

WBG 功率器件（如功率 MOSFET）所帶來(lái)的一系列挑戰(zhàn)為采用新的故障分析方法提供了強(qiáng)有力的理由。

與功率設(shè)備制造商合作，開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證了一個(gè)由四部分組成的工作流程，該工作流程結(jié)合了 EFA 和 PFA 的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)電氣和物理故障的快速定位、隔離和可視化。例如，使用 Thermo Fisher Scientific 的 EFA 和 PFA 解決方案，工作流程從 EFA 進(jìn)展到 PFA。四部分工作流程包括：

粗略故障隔離：在功率 MOSFET 中，故障可能是由于 I DSS或 I GSS泄漏電流。在這個(gè)階段，Thermo Scientific ELITE 和鎖定熱成像儀用于通過(guò)厚厚的頂層金屬檢測(cè)熱點(diǎn)及其位置。由于金屬層掩蓋了確切的缺陷，因此需要額外的步驟來(lái)準(zhǔn)確確定故障及其確切位置。

樣品制備和去處理：為了準(zhǔn)確識(shí)別故障及其確切位置，需要在金屬層中創(chuàng)建一個(gè)“窗口”以暴露各個(gè)晶體管。這是通過(guò)使用 Thermo Scientific Helios 5 PFIB 進(jìn)行去處理來(lái)完成的，以去除 Al 和 Ti/TiN 的頂層。

精細(xì)故障隔離：然后使用帶有一個(gè)或兩個(gè)尖端納米探針的 Thermo Scientific ELITE 或 Hyperion II 對(duì)去處理區(qū)域進(jìn)行精細(xì)故障隔離，以?huà)呙璨⒋_定精確的故障位置。

成像和分析：通過(guò)精細(xì)故障隔離確定準(zhǔn)確的故障位置后，使用 Thermo Scientific Helios 5 DualBeam 觀察和分析實(shí)際的物理缺陷。

圖 2：工作流程從粗故障隔離到去處理，再到精細(xì)故障隔離，再到缺陷成像，這是一個(gè)失敗的源接觸。

結(jié)果

在同一個(gè)示例中，我們與客戶(hù)合作，在有缺陷的 MOSFET 芯片和晶圓上測(cè)試和驗(yàn)證了 EFA 到 PFA 的工作流程。

對(duì)于每個(gè)樣品，EFA 通過(guò)厚鋁層檢測(cè)到一個(gè)熱源。去處理快速、均勻地去除了鋁和 Ti/TiN 屏障，以進(jìn)入感興趣區(qū)域 （ROI）。掃描 ROI 以在納米尺度上專(zhuān)門(mén)隔離故障。PFA 數(shù)據(jù)使客戶(hù)能夠成功地可視化和驗(yàn)證各個(gè)故障位置的缺陷。

在所有情況下，工作流都實(shí)現(xiàn)了 100% 的成功率來(lái)導(dǎo)航并確定故障。

審核編輯：郭婷