先進成像技術加速SiC MOSFET離子佈植現形

作者 : 汎銓科技

此次「反向工程」分析利用電子顯微鏡先進成像技術,簡單且快速地呈現SiC MOSFET離子佈植分佈狀況;同時輔以穿透式電子顯微鏡(TEM)分析,讓因離子佈植所造成的原子級缺陷無所遁形...

近幾年,受到5G、電動車(EV)以及物聯網(IoT)應用的驅動,功率金屬氧化半導體(MOSFET)晶片的需求強勁成長。雖然矽功率MOSFET目前是商業市場上的主流,但隨著製程漸趨成熟、製造成本降低以及有較佳的效能(高壓/省電),具有寬能隙(Wild band gap;WBG)的第三類半導體功率MOSFET,如氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC),已在較高階應用市場慢慢滲透並取代現有Si MOSFET。

其中,SiC MOSFET相對於Si MOSFET有諸多優勢,包括:

  1. 更高的崩潰電場(Breakdown electric field);
  2. 較低的漏電/較快的開關速度;
  3. 較高電流密度的表現。

因此,在電動車(功率轉換/充電樁)、5G電源與開關以及太陽能(PV)逆變器應用都是SiC MOSFET的利基市場。根據已發表的市場趨勢報告,第三類半導體預計在往後十年(2020-2029)的市場規模將以兩位數的速度成長。

SiC MOSFET除了因材料天然特性的關係有較高的崩潰電場,另一個優於Si MOSFET是高速且低開關損耗,其關鍵因素在於低導通電阻,因此,如何了解通道的離子佈植分佈狀況以降低表面電阻,是獲得低導通電阻相當重要的一環。

離子佈植分佈狀況一般利用掃描式電容顯微鏡(Scanning capacitance microscopy;SCM)所獲得,但因為繁複的試片製備,SCM分析往往曠日廢時,為加快SiC MOSFET研發工程師獲得離子佈植分佈重要資訊,汎銓科技(MSSCORPS Co.)開發出利用電子顯微鏡先進成像技術,簡單且快速地呈現SiC MOSFET離子佈植分佈狀況,協助客戶加快研發時程。此外,汎銓科技也利用原本擅長的穿透式電子顯微鏡(Transmission electronmicroscopy;TEM)分析,讓因離子佈植所造成的原子級缺陷無所遁形。

在此次「反向工程」(reverse engineering)分析的元件是在市面上購買由Cree製造的SiC power n-MOSFET,型號為C3M0160120J。該元件採用Cree C3M技術的N通道加強型SiC MOSFET,其應用包含再生能源、高壓DC/DC變流器、交換式電源供應器以及不斷電系統等。此次分析的重點在於利用電子顯微鏡先進成像技術呈現該元件的離子佈植分佈狀況。

圖1:a. 此次分析的主角——Cree SiC power n-MOSFET元件外觀,該元件一共有7只接腳(Pin;由左到右標示1-7):Pin 1為閘極,Pin 2是驅動源極,Pin 3-7為功率源極,上方Tab則為汲極。b. 元件開蓋後內部晶片的光學顯微鏡照片,為了能夠承載大電流,Power source有三個電極(紅色圓圈標示)。

圖1a是購買元件的原始外觀,元件一共有7支Pin (標示1-7),其中Pin 1為閘極(Gate),Pin 2為Driver源極(Source),Pin 3-7為Power源極,上方Tab則為汲極(Drain)。1b是元件開蓋後內部晶片的光學顯微鏡照片。

截面試片是由研磨方式所製備,為了能夠了解晶片與封裝結合狀況,我們在製備時仍保留原本封裝,研磨大概位置由2a右下角插入圖的紅線所標示,2a是試片截面的掃描式電子顯微鏡影像,綠色與紅色圓點所標示結構/位置與1b相同,由2a除了可以清楚觀察到封裝內部結構,在特定位置(黃色箭頭標示)還觀察到有聚醯亞胺(Polyimide;PI)層的存在。

圖2:a. 元件截面掃描式電子顯微鏡影像,截面大概位置由右下角插入圖的紅線所標示。b. 圖a綠色虛線方框的放大影像。c. Poly-imide點EDS分析,分析點位置為b圖中星號標示處。

圖2b2a綠色虛線方框的放大影像,可以清楚看到PI膜是介於封裝與晶片之間,單點EDS (紅色星號)的結果(圖2c)確認該PI膜主要的成分為碳、氮、以及氧。由於PI有良好的耐高低溫性能、環境穩定性、力學性能以及優良的介電性能,因此做為需要在高溫與高電壓運作的SiC power MOSFET的絕緣材料再適合也不過了。

圖3:a. SiC MOSFET掃描式電子顯微鏡影像。b. 使用先進成像技術所獲得的影像,可以清楚觀察到離子佈植狀況,紅色箭號標示當晶片作動時,電流的流動方向。c. 更大倍率的掃描式電子顯微鏡影像,右邊為一般灰階呈現影像,左邊是使用色溫呈現影像,綠色虛線描繪出離子佈植介面。

圖3a為使用一般掃描式電子顯微鏡成像條件的電晶體影像,由圖中可以觀察到Gate (紅色圓圈)、Source、包住Gate的絕緣層(藍色圓圈)以及下方SiC基板,但卻無法獲得離子佈植分佈狀況的資訊。因此,採用汎銓科技開發的先進成像技術,可望顯著提高影像品質。

圖3b即為使用先進成像技術所得到的結果,對比3a,可以清楚觀察到離子佈植分佈的狀況(N+與P well),如果採用不同色溫來呈現(圖3c),影像對比會更加明顯。

此先進成像技術相較於SCM有三大優勢:

  1. 試片製備難度不高;
  2. 搭配聚焦離子束(Focused ion-beam;FIB)設備,可做定點分析;
  3. 分析速度快。

當晶片作動時,電流的是由底部Drain端經過N−、P well、N+,最後到Source端,如3b紅色箭號所示。

我們知道離子佈植是利用高能量離子打進單晶基板中,雖然佈植之後還會有熱處理過程減少大部分的缺陷,但仍有一定濃度的原子級缺陷存在,具有高空間解析度的穿透式電子顯微鏡剛好可以用來觀察這樣的缺陷。

圖4:a. 穿透式電子顯微鏡在電晶體的放大影像。b. EDS mapping結果。c. 穿透式電子顯微鏡在Gate多晶矽(圖a綠色虛線方框)的放大影像。d. SiC基板的高解析穿透式電子顯微鏡影像。e. 離子佈植處(藍色箭號標示)的高解析穿透式電子顯微鏡影像,黃色箭號標示原子錯位的缺陷。

較高濃度的N +離子佈植分佈在穿透式電子顯微鏡也可以觀察到(圖4a,藍色箭頭),但P well分佈相較於3b3c並沒有明顯觀察到。4b4c分別是4a區域的EDS mapping與Gate材料多晶矽(Poly Si)的放大圖(綠色虛線方框)。

圖4d為本次試片SiC基板的高解析度穿透式電子顯微鏡影像,可以觀察到完美的SiC原子影像;如果分析離子佈植內區域(如藍色箭號標示位置),我們仍可以觀察到如原子錯位的缺陷(圖4e黃色箭號標示位置),這可提供製程工程師如何優化離子佈植與熱處理相當重要的訊息,因為減少缺陷密度就可以減少導通電阻,增加電流密度與減少能耗。

汎銓科技在第一代與第二代半導體材料分析深耕多年,累積相當多分析經驗與優勢工法,第三代半導體正值方興未艾,汎銓科技將持續研發新工法,提供客戶高品質的材料分析。

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