激光

圖1 濱松自研的用于EMMI定位的CCD相機(jī) C13896-01

在技術(shù)革新和能源效率、小型化、可靠性需求的推動(dòng)下，新型功率半導(dǎo)體材料與器件技術(shù)正成為研究的前沿。硅(Si)和鍺(Ge)作為早期半導(dǎo)體材料的代表，尤其是硅基IGBT和MOSFET功率半導(dǎo)體器件，已在全球范圍內(nèi)取得了顯著成就。然而隨著新能源技術(shù)的蓬勃發(fā)展，第三代半導(dǎo)體材料——碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)——在國(guó)內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。眾多企業(yè)正積極布局第三代半導(dǎo)體生產(chǎn)線。這些新材料以其卓越的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和耐高溫特性，使得基于SiC的功率器件能在更高的電壓和更大的功率密度下工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低能耗和更緊湊的體積。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)第三代半導(dǎo)體失效分析的需求，濱松憑借其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，整合內(nèi)部資源，推出了專(zhuān)門(mén)針對(duì)SiC半導(dǎo)體器件的失效定位解決方案。

針對(duì)SiC特性的解決方案—CCD相機(jī)

SiC以其較寬的禁帶寬度而聞名，這在半導(dǎo)體材料中至關(guān)重要。禁帶指的是導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能量間隙，這個(gè)間隙越大，電子躍遷所需的能量就越高。因此，在面對(duì)需要高電壓如幾百甚至上千伏的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，SiC因其出色的電學(xué)特性而比Si更受青睞。這種材料的特性使其在高壓環(huán)境下展現(xiàn)出卓越的性能和穩(wěn)定性。

半導(dǎo)體發(fā)光時(shí)，光的峰值波長(zhǎng) 與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度之間的關(guān)系可以表示為：

?為普朗克常量，c為光速

不難看出，禁帶寬度越大，發(fā)光波長(zhǎng)越短。

圖2 不同相機(jī)的靈敏度及SiC的發(fā)光波長(zhǎng)范圍

Si的禁帶寬度大約為1.12 eV，SiC即使受不同的晶體結(jié)構(gòu)影響，其禁帶寬度也達(dá)到了2.3-3.2 eV。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單換算，Si材料的發(fā)光波長(zhǎng)在1100 nm左右，SiC材料的發(fā)光波長(zhǎng)380-550 nm左右。過(guò)去用于EMMI的相機(jī)常為InGaAs相機(jī)，其量子效率最高的波段(通常為900-1550 nm)可以很輕松地捕捉到來(lái)自Si材料的微光信號(hào)。但由于SiC的發(fā)光波長(zhǎng)變短，傳統(tǒng)的InGaAs相機(jī)變得有些吃力，難以捕捉到SiC的微光信號(hào)。因此，根據(jù)樣品的發(fā)光波段來(lái)選擇合適的EMMI相機(jī)是非常重要的，濱松采用自研高靈敏度科研級(jí)CCD相機(jī)來(lái)捕捉來(lái)自SiC的微弱光信號(hào)。

CCD相機(jī)在400 nm-1050 nm波段的量子效率更高(如圖1)，可以更好地捕捉來(lái)自SiC材料的微光，進(jìn)行失效定位。

針對(duì)SiC特性的解決方案—VIS OBIRCH & HV Current head

OBIRCH的原理用一句話來(lái)介紹，即“激光逐點(diǎn)掃描加熱樣品造成電路材料電阻瞬時(shí)變化，實(shí)時(shí)測(cè)量因電阻變化引發(fā)的電流(電壓)變化"。影響OBIRCH定位結(jié)果的因素有，“樣品加得夠不夠熱“以及”電流/電壓測(cè)得準(zhǔn)不準(zhǔn)“。前者影響信號(hào)變化是不是足夠明顯，后者影響探測(cè)信號(hào)變化的靈敏度是不是足夠高。

圖3 Si及SiC材料的光譜透射率

過(guò)去對(duì)Si材料進(jìn)行OBIRCH分析時(shí)，通常采用波長(zhǎng)為1300 nm的近紅外激光(IR)。近紅外激光可以更好地透入Si材料(如圖3)，對(duì)器件內(nèi)部深處進(jìn)行加熱，從而獲得理想的信號(hào)。

而我們看到的SiC晶圓通常是透明的，是因?yàn)閷?duì)于SiC材料而言，其對(duì)可見(jiàn)光的透光度更好(如圖)。濱松基于這一特性，獨(dú)家采用532 nm的可見(jiàn)激光進(jìn)行VIS-OBIRCH分析，來(lái)更好地透過(guò)SiC材料。(VIS在這里即visible的縮寫(xiě)，與infrared進(jìn)行區(qū)分)。

同時(shí)由于532 nm激光的波長(zhǎng)更短，在樣品上的激光光斑也會(huì)更小，相較于1300 nm的IR-OBIRCH精度會(huì)更高，從而更好的定位失效點(diǎn)。

另外，針對(duì)高壓器件OBIRCH分析的電流頭也做了升級(jí)，在最高3000 V的高壓量程下，電流的最小分辨精度為10 pA。對(duì)于高壓器件，可以進(jìn)行精度更高的OBIRCH失效定位。

圖4 用于高壓OBIRCH的高精度電流頭 A15781-01

“光，即可能性本身?！?濱松光學(xué)，70年如一日，致力于光子學(xué)領(lǐng)域的深耕細(xì)作。依托我們?cè)诠馓綔y(cè)技術(shù)方面的領(lǐng)先地位和深厚的失效分析經(jīng)驗(yàn)，自1987年推出以來(lái)，PHEMOS微光顯微鏡系統(tǒng)以其卓越性能和高穩(wěn)定性贏得了客戶(hù)的信賴(lài)與推崇。

目前，我們位于上海張江的FA實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)CCD+VIS OBIRCH功能進(jìn)行升級(jí)改造，預(yù)計(jì)將于12月正式投入使用。如果您對(duì)我們的新功能充滿(mǎn)好奇、有樣品需要測(cè)試或希望親自體驗(yàn)我們的設(shè)備，請(qǐng)隨時(shí)通過(guò)PHEMOS@hamamatsu.com.cn與我們?nèi)〉寐?lián)系。

圖5 PHEMOS-X 微光顯微鏡

審核編輯 黃宇