应用分享丨功率半导体器件的物性与电性失效分析

2021-08-18 22:08:01, 赛默飞赛默飞材料表征仪器

从2018年到2050年，世界能源的消耗预计将增长近50%。随着我们的大部分能量转换为电力，从智能手机、电动汽车到工业机器人等一切设备都需要更高效率、更致密的功率半导体器件如二极管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、金氧半场效晶体管（MOSFET）和高电子迁移率晶体管（HEMT）等。

今天的半导体行业正在基于晶圆发展开发下一代功率器件。宽带隙功率器件使制造更高性能、更可靠的组件成为可能，这些组件可以使功率效率提升并在更高的温度下工作。然而，这些材料可能会引入新的失效模式，使用传统的电性失效分析来确定根本原因会变得更具挑战性，可能会影响操作的可靠性和制备良率。

以金属氧化物场效应管（MOSFET）为例，这些晶体管被设计用于处理高功率的需求，是大多数开关电源应用的主力。然而，随着更高的电压和频率被组装成更小尺寸，功率半导体器件MOSFET 的性能正在达到其极限。

通过使用新型半导体材料如碳化硅和氮化镓重新设计功率半导体器件MOSFET，工程师可以设计出符合高效率和紧凑的功率半导体器件需求的低成本电源开关解决方案。

传统电性失效分析方法的局限性

当工程师设计这些设备时，最主要的挑战是消除电路短路。与集成电路不同的是，集成电路是由数十亿个由极细电线连接的微型晶体管组成的，功率器件是由一个晶体管和一根完全由一片金属覆盖的细电线组成的。这种设计使隔离和分辨小的泄漏电流变得困难，并且需要使用不同于过去的电性失效分析方法。

微光显微镜和镭射光束诱发阻抗值变化测试(OBIRCH)是精准定位功率半导体器件MOSFET失效模式的传统方法。然而，这些方法被覆盖在表面的厚金属层所阻碍。为了克服这一限制，工程师们有时会使用活性离子或湿化学法穿透金属层以便更好地分析失效原因。这种方法的缺点是重现性低，导致设备完全失效的可能性高。

工程师们需要新的方法来设计含有宽带隙材料的先进功率器件

为了解决这些问题，赛默飞世尔科技开发了一套可靠的工作流程，将电性失效分析(EFA) 与物性失效分析(PFA) 相结合，以隔离故障，并表征微观结构，帮助工程师在微观结构水平上查明电流异常。这种工作流程不仅更快、更准确，而且能产生可重复的结果，并几乎不破坏元器件。工作流程包括以下步骤:

功率半导体器件的电性失效分析

定位目标区域: 赛默飞ELITE系统通过增强型锁相热成像技术，无论是否存在覆盖表面的金属层，都可准确定位到各种不同的缺陷位置。ELITE系统的独特之处在于，它能够将探测器锁定在一个倾斜的偏置上，并获得单独的振幅和相位信号。通常，振荡振幅与基本的热显微镜的信号是相同的，容易提供一个误导性的缺陷位置。ELITE的相位信号克服了这个问题，它增加了对热源的灵敏度，而不是热量积累的地方。

穿透金属层制备样品成像: 赛默飞Helios 5 PFIB双束扫描电镜使用惰性气体离子的细束在ELITE系统指示的位置穿透金属层成像。气体在样品上流动从而在装置上产生一个均匀的平底开口。双束扫描电镜被用来精准的停止离子铣削过程在一个适当的层内。在某些情况下，“脱层”会在金属层被移除时停止并暴露出源接触。在其他情况下，元器件将会被进一步延迟到栅电极。在此样品制备情况下，功率半导体器件将保持功能完整性，其原始性能也将保持不变。

纳米探测进一步定位缺陷位置: 如果在PFIB除层步骤中缺陷没有暴露，将会使用纳米探测进行进一步定位。使用赛默飞nProber IV系统的扫描电子显微镜(SEM)来进行纳米探测，或使用赛默飞Hyperion系统的原子力探测，将精细探针放置在目标区域的离散位置以提取电流-电压曲线。电流-电压曲线的异常会揭示缺陷位置，并指出对缺陷位置进行物性失效分析(PFA)检测所需的材料体积。

功率半导体器件的物性失效分析

表征导致失效的微观结构: Helios 5 PFIB 双束扫描电镜使用两种可能的方法来制备样品。

切片和成像: 该技术涉及一系列的聚焦离子束（FIB）切割，通过SEM 成像切割材料，直到发现缺陷。如果需要更详细的成像来表征缺损，则可以使用扫描透射电子显微镜(STEM)，例如赛默飞Talos 扫描透射电子显微镜（TEM），制备样品薄片并成像。

直接使用Talos 透射电子显微镜: 另一种进行样品制备的方法是使用Helios PFIB 双束扫描电镜提取几微米厚的材料，并将样品直接移动到Talos TEM 中。这是最快的方法，但是较厚的样品可能需要额外的稀释和分析来确定缺陷的表征。