MA 專題文章 / 2020-05-29
第三代半導體故障分析與材料分析

   5G商轉的到來帶動週邊產業的蓬勃發展,加速了人類進入智慧生活,藉著物聯網(IoT)的應用與資料中心(data center)的運算與儲存能力聯結了人工智慧(AI)與車用(automotive)在消費者端的穿透力,在此趨勢下,第三代半導體扮演相當關鍵的角色,逐漸在半導體產業的舞台上嶄露頭角。

   所謂第三代半導體指的是GaN與SiC所製作的元件,相較於矽,它擁有許多優異的物理性質,比如寬能隙(wide bandgap)、高崩潰電場與高熔點,使得以GaN與SiC製作的高功率元件,如MOSFET與IGBT,具有可在高電壓、高溫與高頻率操作環境下的特性;而發展相對成熟的GaN還可製作LED與射頻元件(RF IC),使得在諸多產品應用上已可看到第三代半導體的身影。

 

   圖一   GaN與SiC在頻率與功率的操作範圍,可應用在新能源車用、發電廠、鐵道運輸或基地台上

 

   第三代半導體產值日增,產業鏈從晶圓、磊晶、元件設計、元件製造到封裝的研究開發與良率改善上,故障分析與材料分析的需求也日益迫切。閎康科技在第三代半導體的分析檢測能量有全方位式的設備提供服務,為客戶解決各種面向的問題,茲就主要的分析項目做基本的介紹:

 

   

SIMS : 結構分析

   SIMS的高偵測極限的定量分析能力,在縱深結構層別上能夠精準的量測出各層結構與元素佔比,在製程開發與監控上可得到高信賴度的數據。

 

圖二   以SIMS分析化合物半導體的結構

 

 

SIMS : 摻雜濃度分析

   SIMS除了高偵測極限的能力以外,全週期元素的檢出也讓SIMS成為晶圓製造必備的分析工具。下圖是晶圓不同位置的氫(H)元素攙雜比較,過高的H可能會造成元件可靠度的問題。

圖三   以SIMS分析化合物半導體內的濃度攙雜

 

 

SIMS : Surface Mapping 表面元素分佈

   除了一般人所熟知的濃度縱深分析以外,SIMS-7f還具有分析2D元素分佈的能力。下圖為分析一SiC高功率元件的角落,此區位於cell和guard ring的交界處,surface mapping的技術可以清楚地勾繪出鋁(Al)的輪廓。

圖四   以SIMS分析在不同深度下元素的2D平面與縱深的分佈

 

 

AFM : 表面粗糙度

   原子力顯微鏡是利用一奈米級的探針接近或接觸試片表面,藉著與試片之間的作用力而得知物體的形貌,縱深解析度可達0.1nm等級,因此常運用在晶圓表面粗糙度檢測與奈米級的particle分析上。下圖左側為GaN試片的表面粗糙度,右側則是SiC試片表面上的particle分析。

   

圖五    (左) GaN 試片表面的3D粗糙度 (右) SiC 試片表面 particle 分析的3D profile

 

 

SEM/TEM : 結構分析

   SIMS是針對結構做一維的分析,若是要觀察二維的截面,仍非SEM或TEM不可。SEM可以做大範圍的檢視,快速且方便,尺寸的量測、結構的輪廓與缺陷的觀察有快速取得的能力,而TEM則是針對更小尺度的觀察,其解析度可達0.1nm,在高解析模式下,其原子分佈與晶格方向和缺陷無所遁形。

圖六   GaN HEMT 的SEM結構分析

 

圖七   以TEM分析SiC wafer bonding的界面

 


圖八   對SiC wafer bonding界面做高解析的觀察

 

 

TEM : 繞射分析 (Diffraction Pattern)

   在SiC的磊晶過程,其晶格成長分向有其特定角度,利用高解析模式與繞射分析可以得知晶格方向,進而確認其磊晶角度。

圖九   以繞射分析與晶格量測確認磊晶角度

 

P-N染結與SCM

   傳統上Si-substrate可以用染結(stain)的方式顯現P-N摻雜的範圍,但對於SiC,傳統的染結方式已不適用。閎康科技已開發出染結的配方,成功地觀察到P-N攙雜輪廓,不過若是想得到更精確的分佈範圍,且確認P與N型的區域,掃描式電容顯微鏡(SCM)絕對是最佳的選擇。它雖非定量分析,顏色的深淺仍能透露出濃度的高低,且濃度偵測極限比染結還高3個級數,對精度有一定要求的分析是必要的方案。


圖十    Stain後以SEM觀察濃度摻雜分佈

 

圖十一    以SCM觀察cell與termination junction profile 

 

 

Total solution故障分析

   閎康科技深受各國際大廠信賴,與客戶合作解決出第三代半導體故障分析的案件,在分析經驗上頗有心得,舉凡從非破壞的檢測,到亮點的定位,最後做物性的觀察,尤其是微小的缺陷定位上游刃有餘,快速地幫助客戶找到問題,改善問題。

圖十二    GaN MOSFET 燒熔的現象

 

經過以上詳盡的介紹,應該對閎康科技在第三代半導體分析檢測能力的信心增加不少,若是有進一步的問題,隨時歡迎與我們聯絡!

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