新エネルギーの波と、省エネ・低炭素化の世界的な流れを受けて、大手自動車メーカーは電気自動車（EV）関連の研究開発の青写真を描いています。 Yoleによると、世界のEV市場の年平均成長率（CAGR）は2021年から2027年にかけて21%に達すると予想されており、DC-DCコンバータ、オンボード充電器、インバータなど、パワーデバイスの用途も増加傾向にあります。これらのパワーデバイスのCAGRは、2027年まで二桁成長が見込まれています。 例えばSiCモジュールは、2027年までに年平均成長率38%で44億米ドルに達すると予想されており（図1）、パワーデバイスは今後の半導体産業チェーンの発展の重要な焦点となるでしょう。
 図1 パワーデバイスのカテゴリー別売上高とCAGR 2021-2027 [1]。 |
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車載用パワーデバイスの中でも、電力需要から注目を集める第3世代半導体 |
炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などのワイドギャップ材料を用いる第3世代半導体は、従来のシリコンパワーデバイスに比べて周波数と電力動作範囲が高いため、自動運転車、5G/6G、宇宙、AI、量子高速コンピューティング、発電設備など、多くの新興産業で使用できます。 こうした観点から、中国は2020年に第14次5カ年計画を公布し、その中に第3世代半導体の開発を盛り込みました。 第3世代半導体を自律的に発展させ、世界市場で欧米のトッププレーヤーに独占・支配されないようにするために、2021年から2025年の間に10兆人民元を投資すると予想されています。
台湾の伝統的なパワーデバイスメーカーの多くは、すでに2022年後半にSiC部品の生産を開始すると発表しており、第3世代半導体市場全体にさらなる勢いをもたらしています。 図2は、さまざまな材料で作られたパワーデバイスの動作周波数と電力範囲、およびその応用分野を示しています。
  図2 家電、電気自動車、鉄道から発電所まで、幅広い用途のパワーデバイスの動作範囲[1]。 |
アプリケーションにより、部品の種類や電圧範囲が異なります。図3は、電圧の違いによる部品の差別化を示しています。現在の車載用パワーデバイスの主流は900V以下で、従来のSiやGaN MOSFETで対応可能ですが、鉄道や発電所向けの1200V以上のパワーデバイスでは、IGBTやSiC部品が必要となります。
 図3 さまざまな種類の材料に対するパワーデバイスの動作電圧[2]。 |
パワーデバイスの生産額の増加につれ、解析と試験の需要も高まっています。 故障解析の分野では、部品構造の理解、電気測定が基本的なスキルです。パワーデバイスの構造は IC に比べて単純ですが、その材料や金属の接続レイアウトは、試料の作製や欠陥の観察に重要な影響を与えます。 電気的測定は、その特殊な仕様により、通常のパラメトリックアナライザーを使用して確認することはできません。 これらのことから、トータルソリューション解析プロセスは、以下の3つのステップで簡単にまとめることができます：
1.電気パラメータの測定
2.異常箇所（発光・発熱）の特定
3.欠陥観察
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電気パラメータの測定 |
ICの測定は静的試験と動的試験に分けられます。前者はDC測定、オープン/ショートとリークHi/Loで、第三者分析機関のパラメトリックアナライザーで検証でき、欠陥の位置も静的テストに基づいています。動的試験、すなわち機能試験には、ATEまたはベンチ・テストを実施する必要があり、 ICの種類によって試験手順が異なります。ほとんどの第三者分析機関ではそのような分析を実施する能力を持っていないため、完全な機能不良プロセスを実施することができません。
パワーデバイスはシンプルな構造で、電気パラメータがデータシートに明確に定義されており、データシートの項目を一つずつ抽出することができます。 例として、600V MOSFETの電気パラメータを図4に示します。電気パラメータが定義されていれば、パラメータに異常が発生したときにどの構造に異常が発生しているかを推測することができ、物理的な故障解析を展開することができます。
 図4 600V MOSFETの電気パラメータとその定義。 |
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MAtekは、第3世代半導体の到来に備え、台湾と上海でB1506Aを導入しました（図5）。このB1506Aは、すべての電気パラメータを自動的に取り込み、故障解析に必要な項目を含む仕様書のパラメータのほとんどを実行できます。 また、B1506Aには以下の特徴があります： (1)すべてのディスクリート電源部品に対応 (2)セットアップが完了すると同時に、測定する全パラメータを完全自動で、ワンタイムで取り込み可能 (3) 最大動作電圧3KV、最大電流500Aで、市販されているほとんどのパワーデバイスに対応 (4) ウエハレベルまたはダイレベル測定用の外部プローブステーション (5)製品開発やリターン品の解析において、故障メカニズムの迅速な特定が可能 |
図5 B1506A外観。 |
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表1 B1506Aで測定可能な電気パラメータ。
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図6 B1506Aで測定したIV曲線（クラッシュ電圧やBJTのICE-VCEなど）。 |
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図7 静電容量と電圧の関係。 |
図8 Vgsとゲート電荷量の関係。 |
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表2 サンプルバッチ測定結果を用いた、問題のあるデバイスの効果的な特定。
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異常箇所の特定 |
位置を特定する半導体デバイスの種類に関係なく、電気的故障の挙動とサンプル構造に応じて、異常箇所の位置を特定するために使用できるツールは、PEM（フォトエミッション顕微鏡）、OBIRCH（光ビーム加熱抵抗変動法）、Thermal EMMI（サーマルエミッション顕微鏡）の3つです。電気的欠陥の挙動と試料の構造に応じて適切な装置を選択します。異常箇所をウェハの前面から検出するか背面から検出するかの選択は、試料調製の難易度によります。
パワー部品は構造が単純な反面、ウェハ表面には厚いアルミ層があり、異常箇所の観察が妨げられるため、試料作製はICプロセスよりも困難です。 最初の異常箇所の確認には熱伝導性を活かしたThermal EMMIを使用するのが望ましく、より精密なエリアが必要であれば、他の位置決めツールを選択することができます。
MAtekが現在使用しているThermal EMMIシステムの最大電圧は3KVで、高出力部品の異常箇所の位置決めに適しています。 高電圧動作下では、マイクロアンペアのリークも検出できるため、パワーデバイスの故障解析には必須のツールです。
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図9 500Vでは、わずか1uAのリーク電流にもかかわらず、端子付近に異常箇所（輝点）が見られます。左の画像は輝点と光学像の重ね合わせ、右の画像は輝点の元の写真です。 |
欠陥観察
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MOSFETやIGBTのようなパワーデバイスの構造は単純なため、多数のセルがアレイ状に並列に配置されており、単一の明瞭な輝点が欠陥の位置を示します。さらに電気的挙動からリークの経路を特定し、構造から物理的故障の可能性を推測することができるため、輝点の確認後に直接断面を観察するのが一般的な手順です。
パワーデバイスの場合、サンプルの断面を作製し、欠陥の外観を観察する方法には、主にFIB（集束イオンビーム）とTEM（透過電子顕微鏡）の2つがあります。 この2つの違いは主に分解能の違いによるもので、それぞれに用途があります。FIBは溶融、プロセス異常、異物などの明らかな異常を観察でき、TEMは格子欠陥を観察できます。第三世代の半導体材料では、格子の配列が乱れている場合があり、FIBを行っても明らかな異常が見られなければ、TEMで欠陥の観察を行うことができます。
イオン注入の問題によるリークの場合、上記の2つの顕微鏡では確認できず、p型とn型の不純物の分布を観察するSCM（Scanning Capacitance Microscopy）が必要となります。 濃度異常はセルリークの原因となるだけでなく、電界分布に影響を与え、絶縁破壊現象による大電流問題を引き起こします。
まとめると、適切な解析ツールを用い、確立された解析手順で、電気的特性と物理的構造を統合することにより、故障の真の原因を効果的に解明することができます。 パワーデバイスがより広く使用されるようになるにつれ、この解析プロセスは、パワーデバイスメーカーの迅速な開発、量産歩留まりの向上に役立つと考えられます。 |
図 10 FIB と TEM による GaN MOSFET のクラックと転位。
図 11 TEM観察による SiC MOSFET の転位。 |
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Reference:
[1]Yole
[2]Power semiconductor roadshow hosted by UBS, London, 10-11 Nov. 2018
