預(yù)計 2018 年至 2050 年間，世界能源消耗將增長近 50%，原因是對可再生能源的需求增加、汽車工業(yè)系統(tǒng) 電氣化，以及對電源管理應(yīng)用中設(shè)備小型化和提高效率的需求不斷增長。
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)合可以加深對故障機制的理解，并最終提高性能、可靠性和制造良率。當(dāng)先進的 EFA 和 PFA 分析工具組合成完整的 EFA 到 PFA 工作流程時，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))中的細微電氣問題和碳化硅 (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汽車或需要超長電池壽命的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計。不幸的是，像氮化鎵和碳化硅這樣的材料可能會經(jīng)歷開發(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法勝任這個任務(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)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)提供了一個有用的例子。專為高功率應(yīng)用設(shè)計，是大多數(shù)開關(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)達到了一個限制，因為新的要求在更小的形式因素封裝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，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制的能力提供了重要的見解，可用于改進生產(chǎn)方法、生產(chǎn)產(chǎn)量和未來的設(shè)計。
在物理實現(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晶體管之上(圖1)。這些不透明的圖層可能會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有力的理由。
2. 與電力設(shè)備制造商合作，開發(fā)并驗證了一個由四部分組成的工作流程，它結(jié)合了EFA和PFA的優(yōu)勢，實現(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檢測熱點及其通過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)確地識別故障及其確切位置，需要在金屬層中創(chuàng)建一個“窗口”來暴露單個晶體管。這是通過去處理來完成的，使用熱科學(xué)太陽神5 PFIB，以去除鋁和Ti/TiN的頂層。
3. 細故障隔離：然后使用熱科學(xué)精英或亥伯龍II對去處理區(qū)域進行細故障隔離，采用一或兩個尖端納米探測，以掃描和確定精確的斷層位置。
4. 成像和分析：在通過精細故障隔離確定確切的故障位置后，使用熱科學(xué)直升機5雙光束來觀察和分析實際的物理缺陷。
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模具和晶圓上進行了測試和驗證。
對于每個樣品，EFA通過厚鋁層檢測到一個單一的熱源。去處理可以快速、均勻地去除鋁和Ti/TiN屏障，以進入感興趣的區(qū)域(ROI)。對ROI進行掃描，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。
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