利用 Ga-FIB 洞察 SiC 和 GaN 功率半導體結

盡管傳統(tǒng)高壓平面 MOSFET 取得了進步，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。本文將講解超級結 MOSFET(例如意法半導體的 MDmesh 技術)通過晶圓上又深又窄的溝槽來應對這些挑戰(zhàn)。

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該技術非常適合開關模式電源，采用超級結多漏極結構來降低漏源壓降。高漏電或軟擊穿電壓等問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)關聯(lián)顯微鏡工作流程對于缺陷定位和分析至關重要，需要先進的硬件和軟件解決方案來進行有效的樣品研究。

功率半導體器件在感應加熱、電動汽車和可再生能源等應用中因其效率和多功能性而受到重視，它們依賴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，實現(xiàn)更高的擊穿電壓。

由高溫、過流和過壓等因素引起的運行故障需要徹底了解結效應和結構，這對于 SiC 在線監(jiān)測、缺陷定位和可靠性分析至關重要。對于 GaN，可通過電子束感應電流 (EBIC) 等技術檢測的位錯帶來了挑戰(zhàn)，突出表明需要采用整體方法來表征功率半導體，以確保各種應用中的可靠性。

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

在半導體的制造過程中，各種雜質(zhì)往往會在晶格中引入缺陷，導致局部區(qū)域出現(xiàn)高電阻或高導電率。為了進行有效的故障分析，訪問地下斷層點并了解構造和連接剖面至關重要。在這些情況下，銑削對于器件制造中精確蝕刻半導體晶圓至關重要，這有助于以高度受控的方式去除層。

Zeiss 和 Kleindiek Nanotechnik 提出的技術由多個要素組成，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，可用于 EBIC 測量。

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該解決方案如何幫助芯片制造商并提供進一步的見解

通過將被動電壓對比 (PVC) SEM 成像與連續(xù) FIB 材料去除相結合，F(xiàn)IB-SEM 斷層掃描不僅可以可視化設備架構，還可以以 3D 形式可視化植入物形狀。這用于連接點健康狀況的 2D EBIC 調(diào)查，以進行故障分析、流程開發(fā)和監(jiān)控。

根據(jù) Zeiss 的說法，“EBIC 測量是在設備表面的 FIB 斜切處進行的。這種切割使器件保持功能，從而實現(xiàn)電接觸，從而通過改變柵極電壓來研究器件中幾乎任何位置的結行為成為可能?！?/strong>

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 成像并表征有問題的區(qū)域。此外，它還通過提供有關各種植入?yún)^(qū)域的尺寸、均勻性和對準的信息來幫助工藝開發(fā)和監(jiān)控。該數(shù)據(jù)對于解釋單個橫截面中可訪問連接點的 2D EBIC 結果非常有價值。值得注意的是，這項研究并未包括對 GaN 器件的評估。

據(jù)觀察，高能 Ga-FIB 銑削對硅基和 SiC 功率器件中的 SEM 摻雜劑對比成像和 EBIC 測量的影響可以忽略不計。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，而無需采用成本更高且維護密集的等離子 FIB 工具。

“這兩種技術結合起來不僅可以告訴我們 pn 結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?！斑@樣的結果可以提供制造反饋以及功率器件實時運行的信息。這些對于 TCAD 仿真、器件性能和可靠性分析的總體驗證非常有用?！?/p>

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使用的顯微鏡??技術

使用了多種顯微鏡技術，將它們結合起來可以產(chǎn)生理想的結果。SEM、FIB 和 SEM 原位電探測技術是使用的一些主要技術，其中使用 FIB-SEM 斷層掃描的成熟技術完成摻雜劑區(qū)域的 3D 可視化，以補充 EBIC 的 2D 結檢查。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。

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 結處的耗盡區(qū)狀態(tài)，這些技術相互補充。

“PVC 是結點內(nèi)置電勢的函數(shù);有些人可能將其稱為結兩側不同電子親和力的特性，”研究人員說。“結的負電[p側]能夠比正電[n側]發(fā)射更多的二次電子。當您用電子束掃描結的兩側時，您會得到一張圖像，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可以以 3D 方式觀察這些植入物的分布，這是任何其他方法都無法實現(xiàn)的——整個設備可以被重建，”他們補充道。

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銑削工藝按其技術規(guī)范進行

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) 保護層。在 FIB-SEM 斷層掃描期間切割基準線以實現(xiàn)精確的切片厚度控制。

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

當談到 2D 摻雜劑成像和 2D EBIC 時，研究人員指出，“FIB 銑削方法的 EBIC 替代方案是機械切片，然后進行廣泛的氬離子束拋光。” 另一方面，對于 3D 摻雜劑成像，“沒有任何銑削方法可以替代使用 Ga 或其他離子種類的 FIB 銑削。”

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束損傷和 Ga+ 擴散對模型的影響

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比成像和EBIC的重要因素。

采用 EBIC 成像的 FIB-SEM 斷層掃描

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)復雜的結構和摻雜劑分布，大約三分之一的體積被選擇性地去除。

圖中的 SiC 樣品經(jīng)過原位 EBIC 成像，以觀察與柵極電壓相關的耗盡區(qū)。+4-Vg 圖像覆蓋了各個注入?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阱層在此過程中變得越來越明顯。

Zeiss 和 Kleindiek Nanotechnik 聯(lián)合解決方案提供了一種分析 SiC 和 GaN 器件中功率半導體結的創(chuàng)新方法。通過將 FIB-SEM 斷層掃描與先進的軟件工具相結合，該技術可以對植入物形狀進行精確的 3D 成像，從而為設備架構和連接健康狀況提供有價值的見解。

在傾斜 FIB 切割處包含 EBIC 測量可以增強對電氣行為的理解。這種綜合方法可幫助芯片制造商進行缺陷定位、工藝開發(fā)和監(jiān)控，從而提高功率半導體器件在各種應用中的可靠性。

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