发布日期：2023/12/5 GaN芯片异常
发布单位：iST宜特
宽能隙半导体大跃进！面对具有特殊结构且高功率密度的氮化镓芯片，如何突破故障分析的盲点让缺陷现形?
GaN芯片异常
宽能隙半导体(Wide Band Gap semiconductors)如氮化镓(Gallium Nitride，简称GaN)与碳化硅(Silicon Carbide，简称SiC)，是近年热门的化合物半导体材料，又称为第三类半导体。
相对于以往第一类(硅)与第二类(GaAs, InP)半导体，第三类半导体因具有宽能隙、低漏电、耐高电压及高温等特性，且其能源转换效率更好，因此普遍被应用于功率组件。而氮化镓组件可支持更高的开关切换频率，并提供极佳的功率密度，在相同电气性能下，可有效缩减整体系统的尺寸，通常被应用于中功率、中压(50V至900V)产品。至于SiC组件则适用于高功率、高压(1,000V以上)的相关应用。
以氮化镓晶体管为例，目前已广泛应用于手机和笔电等消费性电子产品的快速充电市场上，同时，数据中心(Data center)需求的快速成长，也成为氮化镓晶体管的另一个重要应用领域。再加上，未来随着各国陆续禁售燃油车，车载充电器(On Board Charger，简称OBC)和电动车DC-DC转换器等应用，也将成为氮化镓晶体管大放异彩的舞台。这一趋势表明，氮化镓晶体管不但将成为众多汽车制造商争相角逐的焦点领域，亦正逐步展现出广泛的市场潜力。
本期宜特小学堂，我们将先介绍常用的功率晶体管两大结构，再进一步分享如何透过宜特的独家手法，定位出氮化镓晶体管芯片异常点，有效提高物性故障分析时找到缺陷的机率，让你摆脱找不出异常点的困扰，加速产品的验证与良率的有效提升。
GaN芯片异常
GaN芯片异常
一、两大主流功率晶体管架构介绍
现今常用的功率晶体管架构，可概分为两大类，(一)垂直式结构 ; (二)水平式结构。
(一) 垂直式结构 (Vertical structure)
图一: 垂直式Power MOSFET结构示意图
(图片来源：A Review on Power MOSFET Device Structures, International Journal of Applied Science and Engineering, 2017)一般Si与SiC普遍使用的垂直式功率MOSFET结构(Vertical Double-diffused MOSFET，简称VDMOS )，在此结构中，电流路径如图一绿线所示。为了改善其电气特性，常用手法包括采用特殊的沟槽式闸极(Trench Gate)设计，以及减薄晶圆厚度等方式。
(二) 水平式结构
水平式功率MOSFET结构 (Lateral Double-diffused MOSFET，简称LDMOS)，通常被广泛应用于硅基材的晶体管中；而本文重点氮化镓高电子移动率晶体管(High Electron Mobility Transistor，简称HEMT)亦采用该类LDMOS的结构，示意图如图二。
图二: GaN水平式HEMT结构示意图
(图片来源：Lidow, A., Beach, R., Nakata, A., Cao, J., and Zhao, G.Y. (2013). US Patent 8,404,508, 26 March 2013.)目前市场主流为GaN-on-Si架构，利用氮化镓磊晶和金属导线等相关工艺，将P型掺杂氮化镓的闸极(Gate)，与源极(Source)和汲极(Drain)实现于硅基板(Si Substrate)之上，这种结构有以下优点：
- 可与标准的硅晶圆工艺兼容，工艺更具弹性化使之可于一般晶圆厂闲置产能进行量产，成本随之更加亲民。
- 在GaN和AlGaN之间形成的二维电子气(2-Dimensional Electron Gas, 2DEG)异质界面，具有非常高的电荷密度和迁移率，这样的组合有效降低RDS(on)并提高组件的指令周期。
- 利用P型GaN进行二维电子气信道的阻断设计，使原先常开模式(Normally Open)组件改变为增强型(enhance mode)的常闭模式(Normally Off)，其与Si MOSFET的驱动方式类似，以方便设计者使用。
- 该结构无闸极氧化物可提供高闸极可靠性。
二、氮化镓(GaN)与一般硅组件在故障分析上的差异
由于上述这类型的氮化镓芯片结构在闸极端附近的设计相对复杂，通常会使用不同型式的场板(Field Plate，简称FP)设计，用来降低峰值电场和界面陷阱(Interface trap)，并利用在最上层设计的线路重布层（Redistribution Layer，简称RDL），使芯片拥有最佳的电气特性。一如一般故障分析手法，在进行破坏性分析前，需要先透过特性电流曲线的量测，了解该芯片的电性异常模式，如：汲极饱和电流（Drain-source Saturation Current，简称IDSS）、闸极漏电流（Gate-Source Leakage Current，简称IGSS）或功能测试确认电性异常条件后，再针对该电性异常进一步进行亮点(Hot Spot)故障分析，以锁定目标。
然而，由试片正面进行亮点故障分析时，往往容易因为场板及常见的RDL的特殊结构造成亮点容易被遮蔽，也导致难以发现位于场板或门极下方的缺陷。因此，宜特故障分析实验室会建议客户进行背面热点定位，为使观测分辨率更加提升，首先会移除GaN磊晶材质下方的基板，再直接利用光学显微镜(Optical Microscope, 简称OM)进行观测，其分辨率比红外线光学显微镜(Infrared Ray Optical Microscope，简称IROM)穿透基板观测提升许多，异常亮点通常在此时都会现出蛛丝马迹，之后再搭配背向DB-FIB或TEM切片分析，即可让缺陷点无所遁形，客户也因此可以有明确的改善预防措施。
三、宜特独家基板移除技术，背向分析提升故障分析成功率
接接着，我们将不藏私地分享宜特故障分析实验室如何运用独家手法找出GaN芯片的故障点。主要四项步骤如下：
(一) 先透过电性量测分析，从正面定位出故障点。
(二) 再运用宜特独家手法移除磊晶材质下的基板，并从芯片背面更精确定位出故障点。
(三) 大幅收敛异常区域后，即可用光学显微镜(OM)直接观察异常点(Defect)。
(四) 最后可再接续背向DB-FIB或TEM来对异常点(Defect)做切片分析，进一步厘清实际失效原因。补充说明：除了以上四步骤所述的宜特独家背向分析之外，亦可视需求采用Nano-Prober在芯片正面取得精准定位，再用DB-FIB或TEM切片分析。另外，因各家晶圆厂使用的基板材质有所不同，所以步骤(一)和(二)的顺序，可依实际试片状况与客户需求进行前后交换。流程图如图三。
图三：宜特故障分析实验室运用独家手法找出GaN芯片的故障点。
步骤一：电性量测分析及故障点定位
当氮化镓芯片产生电性故障如短路(Short)、漏电(Leakage)、高阻值(High Resistance)或是功能失效(Function Failure)时，可依据不同的电性失效模式，经由直流通电或上测试板通电，并透过适合的亮点(Hot Spot)故障分析工具进行定位，包括激光束电阻异常侦测(Optical Beam Induced Resistance Change，简称OBIRCH)、热辐射异常侦测显微镜(Thermal EMMI)、砷化镓铟微光显微镜(InGaAs)，请见表一。藉由故障点定位设备找出可能的异常热点(Hot Spot)位置，以利后续的物性故障分析(Physical Failure Analysis，简称PFA)。(延伸阅读：CIS芯片遇到异常 求助无门 怎么办)
设备 OBIRCH Thermal EMMI InGaAs 侦测目标 晶体管/金属层 金属层/ 封装/印刷电路板 晶体管/ 金属层 失效模式 漏电, 短路, 高阻值 漏电, 短路, 高阻值 漏电, 短路, 功能失效 表一：各电性量测分析设备的使用时机表。
图四：OBIRCH热点分析影像，可在上方发现异常亮点。
(图片来源:宜特科技)
图五：Thermal EMMI热点分析影像，可在上方发现收敛亮点。
(图片来源:宜特科技)
图六：InGaAs热点分析影像，可在上方发现收敛亮点。
(图片来源:宜特科技)步骤二：宜特独家技术移除磊晶材质下的基板与精确故障点定位
传统所用的基板材料是以低掺杂的硅基板为主，红外线显微镜可以穿透，只需依照一般的背向分析方式即可进行。然而随着科技日新月异，基板的材料也与日俱进，例如重掺杂的硅基板、氮化铝（AlN）(如氮化镓硅基板厂Qromis开发出的QST基板)等陶瓷材料基板也随之出现，这些基板都是红外线显微镜无法轻易穿透的，造成背向亮点定位分析的瓶颈。
为因应此问题，宜特科技独家研发出新式基板移除技术，针对各类基板移除并进行过程优化，可精准且均匀地移除各类基板并且顺利完成高精确度的故障点定位。
步骤三：针对热点区域用光学显微镜直接观测异常点
在芯片上有了准确的定位后，便可大幅缩小须检视的区域。接着用高分辨率光学显微镜检查，此时往往就能发现故障点的蛛丝马迹，如图七所示，可以成功进行定位。
图七: 使用针对热点区域用光学显微镜直接观测异常点。
(图片来源:宜特科技)步骤四：背向DB-FIB或TEM切片分析，顺利找到异常点
不论是在光学显微镜下发现疑似异常点，或是已经有准确的热点定位，接下来都可以进行背向双束聚焦离子束(Dual-beam FIB，简称DB-FIB)与穿透式电子显微镜(Transmission Electron Microscopy，简称TEM)切片分析，来对异常点进行结构确认，以进一步厘清失效原因(图八)。
图八: DB-FIB切片分析(左图)和TEM分析(右图)，可以发现结构细部出现异常。
(图片来源:宜特科技)补充说明：在步骤一之后，亦可使用Nano-Prober在正面取得精准定位，并用DB-FIB或TEM切片分析
除了宜特独家的背向亮点定位之外，在某些特殊情况下，无法透过上述电性机台定出异常点位置时，也可使用奈米探针电性量测(Nano-Prober)在样品的正面进行异常点定位分析，包括电子束感应电流（Electron Beam Induced Current，简称 EBIC）、电子束吸收电流（Electron Beam Absorbed Current，简称 EBAC）、与电子束感应阻抗侦测（Electron Beam Induced Resistance Change，简称 EBIRCH）等定位法(图九) (延伸阅读: 名针探精准定位 让奈米电性量测找出缺陷)。而Nano-Prober亦可针对晶体管进行电性量测，以获取如Vt、IdVg、IdVd等基本参数。
当透过上述分析手法精准找到异常点后，亦可再透过DB-FIB或是TEM来对异常点进行结构确认。
图九: EBIRCH 异常点定位分析，可以更精确的锁定异常点位置，以利后续执行DB-FIB or TEM。
(图片来源:宜特科技)
宜特科技以独家基板移除技术从样品的背面定位出热点，解决了GaN芯片故障分析的困难，并结合电性量测和物性故障等一站式分析，成功提升故障点定位率。此突破有助GaN技术在多个应用领域快速发展，带来高效能和可靠的半导体组件。
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