隨著新能源的浪潮與節能減碳的全球化趨勢,汽車的龍頭廠商無不將電動車 (Electric Vehicle, EV) 功能的推展列入研發藍圖上。根據 Yole 的預測,從 2021 至 2027 年間,全球各類 EV 市場的平均年複合成長率 (CAGR) 可達 21%,而在電動車的零件組成中,功率元件諸如 DC-DC 轉換器、車載充電器與逆變器,應用也隨之水漲船高,儘管目前這些功率元件的產值,仍與成熟 IC 元件相差許多,但其 CAGR 預期至 2027 年皆有雙位數的成長。以 SiC module 為例,到了 2027 年,其產值可達 44 億美元,CAGR 為 38% (圖一),因此功率元件是未來各半導體產業鏈的發展重心之一。
圖一 各類功率元件 2021-2027 年的營收與 CAGR[1]。 |
在車載功率元件中,由於功率上的需求,第三代半導體逐漸抓取眾人的目光。 |
第三代半導體是以碳化矽 (SiC)、氮化鎵 (GaN) 等寬能隙材料應用的半導體,相較於傳統由矽製作的功率元件,第三代半導體擁有較高的頻率與功率的操作範圍,因此可以應用在許多新興產業上,例如自駕車、5G/6G、太空、AI、量子高速運算、發電設施等等。有鑑於此,中國在 2020 年頒布了「十四五規劃」,將第三代半導體納入產業發展,預計於 2021-2025 年間投入 10 兆人民幣,力求將第三代半導體自主化,避免被全球市佔前幾名的西方廠商壟斷與箝制。
許多傳統功率元件的台廠已紛紛宣布,於 2022 年下半年投入 SiC 元件的生產,為整個第三代半導體市場帶入更多的動力。圖二說明了由各類材料製造出的功率元件的操作頻率、功率範圍,並說明其應用的領域。
圖二 各類功率元件的操作範圍,從家電、電動車、鐵道,到發電廠等皆有其應用[1]。 |
依照不同的應用,皆有其適用的元件種類、電壓應用範圍,圖三是針對不同電壓對元件所作的區分,現今車載功率元件的主流範圍在 900V 以下,此部份以傳統的 Si 和 GaN MOSFET 即可支持;而 1200V 以上的需求,則以鐵道或發電廠的應用為主,此操作範圍便需要 IGBT 或 SiC 的元件了。
圖三 各類型材料之功率元件的操作電壓[2]。 |
隨著功率元件產值的提升,自然也帶動了分析檢測的需求。在故障分析的領域上,對元件結構的了解、電性量測是入門的基本功,儘管功率元件的結構較 IC 簡單,但其材質與金屬連接的佈局,卻是影響樣品製備、缺陷觀察的重要影響因子;而電性量測方面,由於其特殊規格,無法使用一般的參數分析儀來確認失效行為,因此需要高功率的量測儀器才能執行。綜合以上考量,在全方案分析流程上,可簡易地歸納出以下三大步驟:
1.電性參數量測
2.亮點定位
3.缺陷觀察
電性參數量測 |
在 IC 的量測上,可以分為靜態測試與動態測試兩種,前者就是 DC 量測,open/short 與 leak Hi/Lo 皆屬此類,在第三方分析實驗室皆可靠參數分析儀進行驗證,而缺陷的定位也是以靜態測試為主;動態測試即是功能測試 (function test),需要 ATE 或 bench test 才能夠達成,不同種類的 IC 有不同的測試程式,一般第三方分析實驗室無此分析能量,故大多無法進行功能失效的全方案流程。
功率元件由於結構簡單,且電性參數項目皆為固定,市場上已有單一儀器可進行量測,其電性參數在規格書定義得十分清楚,只要依照規格書的項目,便可逐一萃取各個項目值。首先,得了解哪些電性參數需要量測,以 600V 的 MOSFET 為例,其電性參數與其說明如圖四;了解電性參數的定義後,即可在某參數異常時,推測是哪一結構出現問題,以利後續擬定物性故障分析方案。
圖四 600V MOSFET 電性參數與其定義說明。 |
閎康科技為迎接第三代半導體世代的到來,不惜砸下重本,在台灣與上海實驗室購置 B1506A 電性參數分析儀(圖五),可自動抓取所有電性參數,進行規格書裡大多數的參數量測,其中涵蓋故障分析的必要項目。此外,B1506A 還具有以下特點: (1)適用於所有的分離式 (discrete) 功率元件。 (2)只要完成設定,便可全自動、一次抓取所有欲量測的參數。 (3)最高操作電壓可達 3KV,最大電流 500A,適用於市場上大多數的功率元件。 (4)可外接探針台,進行 wafer-level 或 die-level 的量測。 (5)在產品的開發與客退品的分析上,具有快速的故障機制判斷能力。 |
圖五 B1506A 外觀圖。 |
表一 B1506A 可量測的電性參數。 |
圖六 B1506A 量測的 IV 曲線,如崩潰電壓與 BJT 的 ICE-VCE。 |
圖七 電容對電壓的關係圖。 |
圖八 Vgs 電壓對 gate 電荷的關係圖。 |
表二 樣品批次量測完成後的結果,可有效層別有問題的元件。 |
亮點定位 |
不論要執行何種半導體元件的亮點定位,不外乎這三種工具—微光顯微鏡 (PEM) 、雷射致阻值變化偵測 (OBIRCH) 與熱影像分析儀 (Thermal Emission Microscope, Thermal EMMI),依電性故障行為與樣品結構考量,去選擇適當的定位儀器,而亮點從晶片的正面或背面偵測,則是依樣品製備難易度去做選擇。
功率元件的結構雖然簡單,但樣品製備的難度卻高於 IC 製程,原因在於其晶片表面有一層厚厚的鋁,遮擋了亮點的觀察,不過在初步的亮點定位上,我們可優先選擇使用 Thermal EMMI,利用其熱傳導的特性,先進行第一次定位,待定位完成後,若需要更精細的範圍,再選擇其它的定位工具。
閎康科技目前採用的 Thermal EMMI 系統,最高電壓可達 3KV,非常適合高功率元件的亮點定位。在高電壓的操作下,即便是微安級的漏電,也有機會被偵測到,是功率元件進行故障分析時必備的分析工具。
圖九 在 500V 的電壓下,儘管漏電流只有 1uA,仍發現亮點在接近終端區的位置,左圖為亮點和光學影像的疊加圖,右圖是亮點的原始照片。 |
缺陷觀察
由於功率元件的結構簡單,比如 MOSFET 或 IGBT,皆是許多 cell 以陣列的方式並聯排列,而單一明確的亮點即代表缺陷所在的位置,再加上由電性行為可以判斷漏電的路徑,對照結構就可以推論出可能的物性故障現象,所以一般來說,亮點完成後直接進行截面的觀察是標準作業流程。
對於功率元件來說,要進行截面的樣品製備並觀察缺陷的外貌,主要有兩種方式,一是聚焦離子束 (Focused Ion Beam, FIB),另一種則是穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy, TEM),兩者的差別主要在於解析度差異,FIB 可觀察燒熔、製程異常、外來物等較明顯可見的異狀,而 TEM 則可以觀察晶格缺陷,各有其應用之處。在第三代半導體的材料中,可能存在差排的晶格缺陷,若執行 FIB 後未見明顯異常,可再轉做 TEM 觀察。
若是因離子佈植問題造成的漏電,上述兩種顯微鏡便無法派上用場,需要使用掃描式電容顯微鏡 (Scanning Capacitance Microscopy, SCM) 來觀察 p-type 與 n-type 攙雜的分布。濃度異常除了會造成 cell leakage,還會因為影響了電場分布,而導致擊穿現象所產生的大電流問題。
綜觀以上,只要有適當的分析工具,組合成既定的分析步驟,再整合電性特徵與物性結構,便能有效地挖掘出故障的真因。隨著功率元件的應用愈發廣泛,相信此套分析流程,能夠協助功率元件廠商快速研發與提升量產良率。 |
圖十 GaN MOSFET 以 FIB 和 TEM 觀察到的 crack 與 dislocation。
圖十一 SiC MOSFET 以 TEM 觀察到的dislocation。 |
Reference:
[1]Yole
[2]Power semiconductor roadshow hosted by UBS, London, 10-11 Nov. 2018