提高寬帶隙功率器件故障分析的準(zhǔn)確性

預(yù)計(jì) 2018 年至 2050 年間，世界能源消耗將增長(zhǎng)近 50%，原因是對(duì)可再生能源的需求增加、汽車工業(yè)系統(tǒng) 電氣化，以及對(duì)電源管理應(yīng)用中設(shè)備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復(fù)雜化，缺陷定位和故障分析變得更加關(guān)鍵，也更具挑戰(zhàn)性。有了高密度互連、晶圓級(jí)堆疊、柔性電子和集成基板等結(jié)構(gòu)元素，導(dǎo)致故障的缺陷就有了更多的隱藏空間。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)，電氣故障分析 (EFA) 和物理故障分析 (PFA) 的結(jié)合可以加深對(duì)故障機(jī)制的理解，并最終提高性能、可靠性和制造良率。當(dāng)先進(jìn)的 EFA 和 PFA 分析工具組合成完整的 EFA 到 PFA 工作流程時(shí)，這些工具使您能夠更快、更準(zhǔn)確地定位和表征寬帶隙 (WBG) 材料(例如氮化鎵 (GaN))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

今天，半導(dǎo)體行業(yè)正在超越硅，開(kāi)發(fā)下一代電力設(shè)備： WBG電力設(shè)備。WBG電源設(shè)備非常適合用于要求很高的應(yīng)用程序，比如需要高功耗的電動(dòng)汽車或需要超長(zhǎng)電池壽命的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。不幸的是，像氮化鎵和碳化硅這樣的材料可能會(huì)經(jīng)歷開(kāi)發(fā)人員尚未看到的故障模式。因此，傳統(tǒng)的故障分析方法可能無(wú)法勝任這個(gè)任務(wù)。這使得確定可能影響產(chǎn)量和可靠性的根本原因變得更加困難。

硅金屬氧化硅半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)提供了一個(gè)有用的例子。專為高功率應(yīng)用設(shè)計(jì)，是大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用的首選設(shè)備。不幸的是，功率mosfet的性能已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)限制，因?yàn)樾碌囊笤诟〉男问揭蛩胤庋b中需要更高的電壓和更快的頻率。使用氮化鎵或碳化硅重新設(shè)計(jì)這類設(shè)備，已經(jīng)為新興的高功率應(yīng)用程序創(chuàng)建了可靠、緊湊和經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

電源MOSFET設(shè)備出現(xiàn)故障

當(dāng)使用WBG材料制造時(shí)，功率模塊具有垂直結(jié)構(gòu)，將源和排水管放置在晶片的相反兩側(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設(shè)備不同。

在電氣領(lǐng)域，漏極和源之間(IDSS)或柵極和源之間(IGSS)的漏電流是電源MOSFET中一般的故障類別。將故障分析集中于這些機(jī)制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)產(chǎn)量和未來(lái)的設(shè)計(jì)。

在物理實(shí)現(xiàn)中，鋁(Al)和鈦(Ti)或氮化鈦(氮化鈦)的金屬層通常沉積在單個(gè)晶體管之上(圖1)。這些不透明的圖層可能會(huì)造成故障隔離方面的困難。例如，很難使用光子發(fā)射顯微鏡或光束誘導(dǎo)電阻變化(OBIRCH)掃描來(lái)準(zhǔn)確地觀察或定位缺陷。光子不能穿透金屬層，而這些金屬可能會(huì)吸收OBIRCH激光。

EFA-TO-PFA工作流

1. WBG電源設(shè)備，如電源MOSFET所提出的一系列挑戰(zhàn)，為一種新的故障分析方法提供了強(qiáng)有力的理由。

2. 與電力設(shè)備制造商合作，開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了一個(gè)由四部分組成的工作流程，它結(jié)合了EFA和PFA的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了電氣和物理故障的快速定位、隔離和可視化。例如，使用賽默飛世爾科學(xué)公司的EFA和PFA解決方案，工作流程從EFA發(fā)展到PFA。該工作流程分為四個(gè)部分，包括：

1. 粗故障隔離：在電源MOSFET中，故障可能是由于IDSS或IGSS泄漏電流。在這一階段，熱科學(xué)精英和鎖定熱成像被用來(lái)檢測(cè)熱點(diǎn)及其通過(guò)厚厚的金屬頂層的位置。由于金屬層掩蓋了確切的缺陷，需要額外的步驟來(lái)準(zhǔn)確地確定故障及其確切位置。

2. 樣品制備和去處理：為了準(zhǔn)確地識(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”來(lái)暴露單個(gè)晶體管。這是通過(guò)去處理來(lái)完成的，使用熱科學(xué)太陽(yáng)神5 PFIB，以去除鋁和Ti/TiN的頂層。

3. 細(xì)故障隔離：然后使用熱科學(xué)精英或亥伯龍II對(duì)去處理區(qū)域進(jìn)行細(xì)故障隔離，采用一或兩個(gè)尖端納米探測(cè)，以掃描和確定精確的斷層位置。

4. 成像和分析：在通過(guò)精細(xì)故障隔離確定確切的故障位置后，使用熱科學(xué)直升機(jī)5雙光束來(lái)觀察和分析實(shí)際的物理缺陷。

結(jié)論

在同樣的例子中，與客戶一起工作，EFA-to-PFA工作流在有缺陷的MOSFET模具和晶圓上進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。

對(duì)于每個(gè)樣品，EFA通過(guò)厚鋁層檢測(cè)到一個(gè)單一的熱源。去處理可以快速、均勻地去除鋁和Ti/TiN屏障，以進(jìn)入感興趣的區(qū)域(ROI)。對(duì)ROI進(jìn)行掃描，以在納米尺度上明確隔離故障。PFA數(shù)據(jù)允許客戶成功地可視化和驗(yàn)證各自故障位置的缺陷。

在所有情況下，工作流都能以100%的成功率導(dǎo)航到并確定故障。