盡管傳統(tǒng)高壓平面 MOSFET 取得了進(jìn)步，但由于阻斷或漏源擊穿電壓因厚度、摻雜和幾何形狀而變化，因此局限性仍然存在。本文將講解超級(jí)結(jié) MOSFET(例如意法半導(dǎo)體的 MDmesh 技術(shù))通過(guò)晶圓上又深又窄的溝槽來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

01

該技術(shù)非常適合開(kāi)關(guān)模式電源，采用超級(jí)結(jié)多漏極結(jié)構(gòu)來(lái)降低漏源壓降。高漏電或軟擊穿電壓等問(wèn)題可能是由塊狀形成中的污染物或缺陷引??起的。因此，多尺度和多模態(tài)關(guān)聯(lián)顯微鏡工作流程對(duì)于缺陷定位和分析至關(guān)重要，需要先進(jìn)的硬件和軟件解決方案來(lái)進(jìn)行有效的樣品研究。

功率半導(dǎo)體器件在感應(yīng)加熱、電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源等應(yīng)用中因其效率和多功能性而受到重視，它們依賴(lài)于碳化硅和氮化鎵等材料。與硅相比，這些材料具有較寬的禁帶寬度和優(yōu)異的性能，實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓。

由高溫、過(guò)流和過(guò)壓等因素引起的運(yùn)行故障需要徹底了解結(jié)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)，這對(duì)于 SiC 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、缺陷定位和可靠性分析至關(guān)重要。對(duì)于 GaN，可通過(guò)電子束感應(yīng)電流 (EBIC) 等技術(shù)檢測(cè)的位錯(cuò)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，突出表明需要采用整體方法來(lái)表征功率半導(dǎo)體，以確保各種應(yīng)用中的可靠性。

02

蔡司和 Kleindiek Nanotechnik 的開(kāi)創(chuàng)性聯(lián)合解決方案

在半導(dǎo)體的制造過(guò)程中，各種雜質(zhì)往往會(huì)在晶格中引入缺陷，導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)高電阻或高導(dǎo)電率。為了進(jìn)行有效的故障分析，訪(fǎng)問(wèn)地下斷層點(diǎn)并了解構(gòu)造和連接剖面至關(guān)重要。在這些情況下，銑削對(duì)于器件制造中精確蝕刻半導(dǎo)體晶圓至關(guān)重要，這有助于以高度受控的方式去除層。

Zeiss 和 Kleindiek Nanotechnik 提出的技術(shù)由多個(gè)要素組成，其中 Zeiss Crossbeam 聚焦離子束掃描電子顯微鏡 (FIB-SEM) 用于銑削和成像。然后使用 Object Research Systems Inc. 的 Zeiss Atlas 5 和 Dragonfly Pro 軟件來(lái)處理和可視化斷層掃描數(shù)據(jù)。此外，Zeiss GeminiSEM 300 與 Kleindiek Nanotechnik PS8 Prober Shuttle 和 Keithley 4200-SCS 參數(shù)分析儀配對(duì)，可用于 EBIC 測(cè)量。

03

該解決方案如何幫助芯片制造商并提供進(jìn)一步的見(jiàn)解

通過(guò)將被動(dòng)電壓對(duì)比 (PVC) SEM 成像與連續(xù) FIB 材料去除相結(jié)合，F(xiàn)IB-SEM 斷層掃描不僅可以可視化設(shè)備架構(gòu)，還可以以 3D 形式可視化植入物形狀。這用于連接點(diǎn)健康狀況的 2D EBIC 調(diào)查，以進(jìn)行故障分析、流程開(kāi)發(fā)和監(jiān)控。

根據(jù) Zeiss 的說(shuō)法，“EBIC 測(cè)量是在設(shè)備表面的 FIB 斜切處進(jìn)行的。這種切割使器件保持功能，從而實(shí)現(xiàn)電接觸，從而通過(guò)改變柵極電壓來(lái)研究器件中幾乎任何位置的結(jié)行為成為可能。”

FIB-SEM 斷層掃描是分析硅或 SiC 功率器件電氣故障的有用工具。它提供種植體形狀的精確 3D 成像并表征有問(wèn)題的區(qū)域。此外，它還通過(guò)提供有關(guān)各種植入?yún)^(qū)域的尺寸、均勻性和對(duì)準(zhǔn)的信息來(lái)幫助工藝開(kāi)發(fā)和監(jiān)控。該數(shù)據(jù)對(duì)于解釋單個(gè)橫截面中可訪(fǎng)問(wèn)連接點(diǎn)的 2D EBIC 結(jié)果非常有價(jià)值。值得注意的是，這項(xiàng)研究并未包括對(duì) GaN 器件的評(píng)估。

據(jù)觀(guān)察，高能 Ga-FIB 銑削對(duì)硅基和 SiC 功率器件中的 SEM 摻雜劑對(duì)比成像和 EBIC 測(cè)量的影響可以忽略不計(jì)。這一發(fā)現(xiàn)使芯片制造商能夠繼續(xù)采用現(xiàn)有的 Ga-FIB 銑削工具和技術(shù)，而無(wú)需采用成本更高且維護(hù)密集的等離子 FIB 工具。

“這兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)不僅可以告訴我們 pn 結(jié)的制造和植入物的去向，還可以告訴我們它的原位性能，”Kleindiek Nanotech 的發(fā)言人說(shuō)?！斑@樣的結(jié)果可以提供制造反饋以及功率器件實(shí)時(shí)運(yùn)行的信息。這些對(duì)于 TCAD 仿真、器件性能和可靠性分析的總體驗(yàn)證非常有用?！?/p>

04

使用的顯微鏡??技術(shù)

使用了多種顯微鏡技術(shù)，將它們結(jié)合起來(lái)可以產(chǎn)生理想的結(jié)果。SEM、FIB 和 SEM 原位電探測(cè)技術(shù)是使用的一些主要技術(shù)，其中使用 FIB-SEM 斷層掃描的成熟技術(shù)完成摻雜劑區(qū)域的 3D 可視化，以補(bǔ)充 EBIC 的 2D 結(jié)檢查。在摻雜成像中，研究人員最大限度地利用了 PVC，這是一種 3D 成像技術(shù)。

FIB-SEM 斷層掃描利用二次電子成像以 3D 方式可視化電活性注入?yún)^(qū)域，而 EBIC 捕獲 pn 結(jié)處的耗盡區(qū)狀態(tài)，這些技術(shù)相互補(bǔ)充。

“PVC 是結(jié)點(diǎn)內(nèi)置電勢(shì)的函數(shù);有些人可能將其稱(chēng)為結(jié)兩側(cè)不同電子親和力的特性，”研究人員說(shuō)。“結(jié)的負(fù)電[p側(cè)]能夠比正電[n側(cè)]發(fā)射更多的二次電子。當(dāng)您用電子束掃描結(jié)的兩側(cè)時(shí)，您會(huì)得到一張圖像，其中黑色區(qū)域表示 n 型區(qū)域。該摻雜劑分析提供了植入物去向的圖片以及 SEM 的分辨率。

“我們的斷層掃描技術(shù)可以以 3D 方式觀(guān)察這些植入物的分布，這是任何其他方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的——整個(gè)設(shè)備可以被重建，”他們補(bǔ)充道。

05

銑削工藝按其技術(shù)規(guī)范進(jìn)行

使用 30 kV 30 nA Ga-FIB 探針以與芯片表面成 36° 的角度切割硅基 IGBT 和 SiC 基 MOSFET 器件的橫截面。硅 IGBT 的最終尺寸為 330 × 100 μm 2 ， SiC MOSFET 的尺寸為100 × 20 μm 2 。使用氣態(tài) Pt 和 C 前驅(qū)體在橫截面上沉積鉑 (Pt) 和碳 (C) 保護(hù)層。在 FIB-SEM 斷層掃描期間切割基準(zhǔn)線(xiàn)以實(shí)現(xiàn)精確的切片厚度控制。

在感興趣的體積前面銑削出一個(gè)大溝槽，并在自動(dòng)化過(guò)程中去除厚度為 50 nm(硅 IGBT)或 30 nm(SiC MOSFET)的切片。每個(gè)切片后記錄 SEM 圖像，形成硅 IGBT 的 1,120 個(gè)切片的數(shù)據(jù)集 (38.5 × 13.4 × 56.0 μm 3)和 320 個(gè) SiC MOSFET 切片(16.3 × 4.6 × 9.6 μm 3)。

當(dāng)談到 2D 摻雜劑成像和 2D EBIC 時(shí)，研究人員指出，“FIB 銑削方法的 EBIC 替代方案是機(jī)械切片，然后進(jìn)行廣泛的氬離子束拋光?！?另一方面，對(duì)于 3D 摻雜劑成像，“沒(méi)有任何銑削方法可以替代使用 Ga 或其他離子種類(lèi)的 FIB 銑削。”

06

束損傷和 Ga+ 擴(kuò)散對(duì)模型的影響

研究表明，在功率器件中，Ga-FIB引起的表面非晶化和Ga注入并不是影響摻雜劑對(duì)比成像和EBIC的重要因素。

上圖中的頂部描繪了從 SiC MOSFET 捕獲的FIB-SEM 斷層掃描數(shù)據(jù)集。為了揭示器件內(nèi)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和摻雜劑分布，大約三分之一的體積被選擇性地去除。

圖中的 SiC 樣品經(jīng)過(guò)原位 EBIC 成像，以觀(guān)察與柵極電壓相關(guān)的耗盡區(qū)。+4-Vg 圖像覆蓋了各個(gè)注入?yún)^(qū)域，顯示出隨著柵極電壓的增加，P 阱和 N CSL 外延層之間的耗盡區(qū)逐漸減弱。值得注意的是，N+源極/P阱層在此過(guò)程中變得越來(lái)越明顯。

Zeiss 和 Kleindiek Nanotechnik 聯(lián)合解決方案提供了一種分析 SiC 和 GaN 器件中功率半導(dǎo)體結(jié)的創(chuàng)新方法。通過(guò)將 FIB-SEM 斷層掃描與先進(jìn)的軟件工具相結(jié)合，該技術(shù)可以對(duì)植入物形狀進(jìn)行精確的 3D 成像，從而為設(shè)備架構(gòu)和連接健康狀況提供有價(jià)值的見(jiàn)解。

在傾斜 FIB 切割處包含 EBIC 測(cè)量可以增強(qiáng)對(duì)電氣行為的理解。這種綜合方法可幫助芯片制造商進(jìn)行缺陷定位、工藝開(kāi)發(fā)和監(jiān)控，從而提高功率半導(dǎo)體器件在各種應(yīng)用中的可靠性。

以上就是關(guān)于如何利用 Ga-FIB 洞察 SiC 和 GaN 功率半導(dǎo)體結(jié)的全部?jī)?nèi)容分享。浮思特科技專(zhuān)注在新能源汽車(chē)、電力新能源、家用電器、觸控顯示，4大領(lǐng)域，主要供應(yīng)功率半導(dǎo)體元器件：IGBT/IGBT模塊、單片機(jī)、AC-DC芯片、IPM等。