利用 Ga-FIB 洞察 SiC 和 GaN 功率半導體結(jié)

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(jié) MOSFET(例如意法半導體的 MDmesh 技術(shù))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(shù)非常適合開關(guān)模式電源，采用超級結(jié)多漏極結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)顯微鏡工作流程對于缺陷定位和分析至關(guān)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(jié)效應和結(jié)構(gòu)，這對于 SiC 在線監(jiān)測、缺陷定位和可靠性分析至關(guān)重要。對于 GaN，可通過電子束感應電流 (EBIC) 等技術(shù)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(gòu)造和連接剖面至關(guān)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(guān)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(shù)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(jié)合，F(xiàn)IB-SEM 斷層掃描不僅可以可視化設備架構(gòu)，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(jié)行為成為可能。”

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(guān)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(jié)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(shù)，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(shù)結(jié)合起來不僅可以告訴我們 pn 結(jié)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(jié)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。”

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使用的顯微鏡??技術(shù)

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

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(jié)處的耗盡區(qū)狀態(tài)，這些技術(shù)相互補充。

“PVC 是結(jié)點內(nèi)置電勢的函數(shù);有些人可能將其稱為結(jié)兩側(cè)不同電子親和力的特性，”研究人員說。“結(jié)的負電[p側(cè)]能夠比正電[n側(cè)]發(fā)射更多的二次電子。當您用電子束掃描結(jié)的兩側(cè)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(shù)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(shù)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?！?/strong>

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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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)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(jié)合，該技術(shù)可以對植入物形狀進行精確的 3D 成像，從而為設備架構(gòu)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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