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]。 |
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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
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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圖七 電容對電壓的關係圖。 |
圖八 Vgs 電壓對 gate 電荷的關係圖。 |
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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。
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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。
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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
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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
