提高宽带隙功率器件故障分析的准确性

[导读]预计 2018 年至 2050 年间，世界能源消耗将增长近 50%，原因是对可再生能源的需求增加、汽车工业系统电气化，以及对电源管理应用中设备小型化和提高效率的需求不断增长。

预计 2018 年至 2050 年间，世界能源消耗将增长近 50%，原因是对可再生能源的需求增加、汽车工业系统电气化，以及对电源管理应用中设备小型化和提高效率的需求不断增长。

随着半导体器件尺寸的缩小和复杂化，缺陷定位和故障分析变得更加关键，也更具挑战性。有了高密度互连、晶圆级堆叠、柔性电子和集成基板等结构元素，导致故障的缺陷就有了更多的隐藏空间。更糟糕的是，这些故障可能发生在设备封装阶段，导致产量下降和上市时间增加。

为了克服这一挑战，电气故障分析 (EFA) 和物理故障分析 (PFA) 的结合可以加深对故障机制的理解，并最终提高性能、可靠性和制造良率。当先进的 EFA 和 PFA 分析工具组合成完整的 EFA 到 PFA 工作流程时，这些工具使您能够更快、更准确地定位和表征宽带隙 (WBG) 材料(例如氮化镓 (GaN))中的细微电气问题和碳化硅 (SiC)。

在功率器件中使用新材料

今天，半导体行业正在超越硅，开发下一代电力设备： WBG电力设备。WBG电源设备非常适合用于要求很高的应用程序，比如需要高功耗的电动汽车或需要超长电池寿命的物联网设计。不幸的是，像氮化镓和碳化硅这样的材料可能会经历开发人员尚未看到的故障模式。因此，传统的故障分析方法可能无法胜任这个任务。这使得确定可能影响产量和可靠性的根本原因变得更加困难。

硅金属氧化硅半导体场效应晶体管(MOSFETs)提供了一个有用的例子。专为高功率应用设计，是大多数开关电源应用的首选设备。不幸的是，功率mosfet的性能已经达到了一个限制，因为新的要求在更小的形式因素封装中需要更高的电压和更快的频率。使用氮化镓或碳化硅重新设计这类设备，已经为新兴的高功率应用程序创建了可靠、紧凑和经济有效的解决方案。

电源MOSFET设备出现故障

当使用WBG材料制造时，功率模块具有垂直结构，将源和排水管放置在晶片的相反两侧，从而实现更高的电流和电压偏置。这与使用并行结构的CMOS设备不同。

在电气领域，漏极和源之间(IDSS)或栅极和源之间(IGSS)的漏电流是电源MOSFET中一般的故障类别。将故障分析集中于这些机制的能力提供了重要的见解，可用于改进生产方法、生产产量和未来的设计。

在物理实现中，铝(Al)和钛(Ti)或氮化钛(氮化钛)的金属层通常沉积在单个晶体管之上(图1)。这些不透明的图层可能会造成故障隔离方面的困难。例如，很难使用光子发射显微镜或光束诱导电阻变化(OBIRCH)扫描来准确地观察或定位缺陷。光子不能穿透金属层，而这些金属可能会吸收OBIRCH激光。

EFA-TO-PFA工作流

1. WBG电源设备，如电源MOSFET所提出的一系列挑战，为一种新的故障分析方法提供了强有力的理由。

2. 与电力设备制造商合作，开发并验证了一个由四部分组成的工作流程，它结合了EFA和PFA的优势，实现了电气和物理故障的快速定位、隔离和可视化。例如，使用赛默飞世尔科学公司的EFA和PFA解决方案，工作流程从EFA发展到PFA。该工作流程分为四个部分，包括：

1. 粗故障隔离：在电源MOSFET中，故障可能是由于IDSS或IGSS泄漏电流。在这一阶段，热科学精英和锁定热成像被用来检测热点及其通过厚厚的金属顶层的位置。由于金属层掩盖了确切的缺陷，需要额外的步骤来准确地确定故障及其确切位置。

2. 样品制备和去处理：为了准确地识别故障及其确切位置，需要在金属层中创建一个“窗口”来暴露单个晶体管。这是通过去处理来完成的，使用热科学太阳神5 PFIB，以去除铝和Ti/TiN的顶层。

3. 细故障隔离：然后使用热科学精英或亥伯龙II对去处理区域进行细故障隔离，采用一或两个尖端纳米探测，以扫描和确定精确的断层位置。

4. 成像和分析：在通过精细故障隔离确定确切的故障位置后，使用热科学直升机5双光束来观察和分析实际的物理缺陷。

结论