靠這招，速找寬能隙 GaN 晶片異常點

寬能隙半導體大躍進，面對具有特殊結構且高功率密度的氮化鎵晶片，如何突破故障分析的盲點讓缺陷現形？

寬能隙半導體（Wide Band Gap semiconductors）如氮化鎵（Gallium Nitride，簡稱 GaN）與碳化矽（Silicon Carbide，簡稱 SiC），是近年熱門的化合物半導體材料，又稱為第三類半導體。

相對於以往第一類（矽）與第二類（GaAs, InP）半導體，第三類半導體因具有寬能隙、低漏電、耐高電壓及高溫等特性，且其能源轉換效率更好，因此普遍被應用於功率元件。而氮化鎵元件可支援更高的開關切換頻率，並提供極佳的功率密度，在相同電氣性能下，可有效縮減整體系統的尺寸，通常被應用於中功率、中壓（50V 至 900V）產品。至於 SiC 元件則適用於高功率、高壓（1,000V 以上）的相關應用。

以氮化鎵電晶體為例，目前已廣泛應用於手機和筆電等消費性電子產品的快速充電市場上，同時，資料中心（Data center）需求的快速成長，也成為氮化鎵電晶體的另一個重要應用領域。再加上，未來隨著各國陸續禁售燃油車，車載充電器（On Board Charger，簡稱 OBC）和電動車 DC-DC 轉換器等應用，也將成為氮化鎵電晶體大放異彩的舞台。這一趨勢表明，氮化鎵電晶體不但將成為眾多汽車製造商爭相角逐的焦點領域，亦正逐步展現出廣泛的市場潛力。

本期宜特小學堂，我們將先介紹常用的功率電晶體兩大結構，再進一步分享如何透過宜特的獨家手法，定位出氮化鎵電晶體晶片異常點，有效提高物性故障分析時找到缺陷的機率，讓你擺脫找不出異常點的困擾，加速產品的驗證與良率的有效提升。

一、兩大主流功率電晶體架構介紹

現今常用的功率電晶體架構，可概分為兩大類，（一）垂直式結構 ; （二）水平式結構。

（一）垂直式結構（Vertical structure）

▲圖一：垂直式 Power MOSFET 結構示意圖（Source：A Review on Power MOSFET Device Structures, International Journal of Applied Science and Engineering, 2017）

一般 Si 與 SiC 普遍使用的垂直式功率 MOSFET 結構（Vertical Double-diffused MOSFET，簡稱VDMOS），在此結構中，電流路徑如圖一藍線所示。為了改善其電氣特性，常用手法包括採用特殊的溝槽式閘極（Trench Gate）設計，以及減薄晶圓厚度等方式。

（二）水平式結構

水平式功率 MOSFET 結構（Lateral Double-diffused MOSFET，簡稱 LDMOS），通常被廣泛應用於矽基材的電晶體中；而本文重點氮化鎵高電子移動率電晶體（High Electron Mobility Transistor，簡稱 HEMT）亦採用該類 LDMOS 的結構，示意圖如圖二。

▲圖二：GaN 水平式 HEMT 結構示意圖（Source：Lidow, A., Beach, R., Nakata, A., Cao, J., and Zhao, G.Y.（2013）. US Patent 8,404,508, 26 March 2013.）

目前市場主流為 GaN-on-Si 架構，利用氮化鎵磊晶和金屬導線等相關製程，將P型摻雜氮化鎵的閘極（Gate），與源極（Source）和汲極（Drain）實現於矽基板（Si Substrate）之上，這種結構有以下優點：

可與標準的矽晶圓製程相容，製程更具彈性化使之可於一般晶圓廠閒置產能進行量產，成本隨之更加親民。
在 GaN 和 AlGaN 之間形成的二維電子氣（2-Dimensional Electron Gas, 2DEG）異質界面，具有非常高的電荷密度和遷移率，這樣的組合有效降低 RDS_(on)並提高元件的運算速度。
利用 P 型 GaN 進行二維電子氣通道的阻斷設計，使原先常開模式（Normally Open）元件改變為增強型（enhance mode）的常閉模式（Normally Off），其與 Si MOSFET 的驅動方式類似，以方便設計者使用。
該結構無閘極氧化物可提供高閘極可靠性。

二、氮化鎵（GaN）與一般矽元件在故障分析上的差異

由於上述這類型的氮化鎵晶片結構在閘極端附近的設計相對複雜，通常會使用不同型式的場板（Field Plate，簡稱 FP）設計，用來降低峰值電場和界面陷阱（Interface trap），並利用在最上層設計的線路重佈層（Redistribution Layer，簡稱 RDL），使晶片擁有最佳的電氣特性。一如一般故障分析手法，在進行破壞性分析前，需要先透過特性電流曲線的量測，了解該晶片的電性異常模式，如：汲極飽和電流（Drain-source Saturation Current，簡稱 IDSS）、閘極漏電流（Gate-Source Leakage Current，簡稱 IGSS）或功能測試確認電性異常條件後，再針對該電性異常進一步進行亮點（Hot Spot）故障分析，以鎖定目標。

然而，由試片正面進行亮點故障分析時，往往容易因為場板及常見的 RDL 的特殊結構造成亮點容易被遮蔽，也導致難以發現位於場板或閘極下方的缺陷。因此，宜特故障分析實驗室會建議客戶進行背面熱點定位，為使觀測解析度更加提升，首先會移除 GaN 磊晶材質下方的基板，再直接利用光學顯微鏡（Optical Microscope, 簡稱 OM）進行觀測，其解析度比紅外線光學顯微鏡（Infrared Ray Optical Microscope，簡稱 IROM）穿透基板觀測提升許多，異常亮點通常在此時都會現出蛛絲馬跡，之後再搭配背向 DB-FIB 或 TEM 切片分析，即可讓缺陷點無所遁形，客戶也因此可以有明確的改善預防措施。

三、宜特獨家基板移除技術，背向分析提升故障分析成功率

接著，我們將不藏私地分享宜特故障分析實驗室如何運用獨家手法找出 GaN 晶片的故障點。主要四項步驟如下：

（一）先透過電性量測分析，從正面定位出故障點。

（二）再運用宜特獨家手法移除磊晶材質下的基板，並從晶片背面更精確定位出故障點。

（三）大幅收斂異常區域後，即可用光學顯微鏡（OM）直接觀察異常點（Defect）。

（四）最後可再接續背向 DB-FIB 或 TEM 來對異常點（Defect）做切片分析，進一步釐清實際失效原因。

補充說明：除了以上四步驟所述的宜特獨家背向分析之外，亦可視需求採用 Nano-Prober 在晶片正面取得精準定位，再用 DB-FIB 或 TEM 切片分析。另外，因各家晶圓廠使用的基板材質有所不同，所以步驟（一）和（二）的順序，可依實際試片狀況與客戶需求進行前後交換。流程圖如圖三。

▲圖三：宜特故障分析實驗室運用獨家手法找出 GaN 晶片的故障點。（Source：宜特科技）

步驟一：電性量測分析及故障點定位

當氮化鎵晶片產生電性故障如短路（Short）、漏電（Leakage）、高阻值（High Resistance）或是功能失效（Function Failure）時，可依據不同的電性失效模式，經由直流通電或上測試板通電，並透過適合的亮點（Hot Spot）故障分析工具進行定位，包括雷射光束電阻異常偵測（Optical Beam Induced Resistance Change，簡稱 OBIRCH）、熱輻射異常偵測顯微鏡（Thermal EMMI）、砷化鎵銦微光顯微鏡（InGaAs），請見表一。藉由故障點定位設備找出可能的異常熱點（Hot Spot）位置，以利後續的物性故障分析（Physical Failure Analysis，簡稱 PFA）。（延伸閱讀：CIS 晶片遇到異常求助無門怎麼辦）

▲表一：各電性量測分析設備的使用時機表。（Source：宜特科技）

▲圖四：OBIRCH 熱點分析影像，可在上方發現異常亮點。（圖片來源：宜特科技）

▲圖五：Thermal EMMI 熱點分析影像，可在上方發現收斂亮點。（圖片來源：宜特科技）

▲圖六：InGaAs 熱點分析影像，可在上方發現收斂亮點。（圖片來源：宜特科技）

步驟二：宜特獨家技術移除磊晶材質下的基板與精確故障點定位

傳統所用的基板材料是以低摻雜的矽基板為主，紅外線顯微鏡可以穿透，只需依照一般的背向分析方式即可進行。然而隨著科技日新月異，基板的材料也與日俱進，例如重摻雜的矽基板、氮化鋁（AlN）（如氮化鎵矽基板廠 Qromis 開發出的 QST 基板）等陶瓷材料基板也隨之出現，這些基板都是紅外線顯微鏡無法輕易穿透的，造成背向亮點定位分析的瓶頸。

為因應此問題，宜特科技獨家研發出新式基板移除技術，針對各類基板移除並進行過程優化，可精準且均勻地移除各類基板並且順利完成高精確度的故障點定位。

步驟三：針對熱點區域用光學顯微鏡直接觀測異常點

在晶片上有了準確的定位後，便可大幅縮小須檢視的區域。接著用高解析度光學顯微鏡檢查，此時往往就能發現故障點的蛛絲馬跡，如圖七所示，可以成功進行定位。

▲圖七：使用針對熱點區域用光學顯微鏡直接觀測異常點。（圖片來源：宜特科技）

步驟四：背向 DB-FIB 或 TEM 切片分析，順利找到異常點

不論是在光學顯微鏡下發現疑似異常點，或是已經有準確的熱點定位，接下來都可以進行背向雙束聚焦離子束（Dual-beam FIB，簡稱 DB-FIB）與穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy，簡稱 TEM）切片分析，來對異常點進行結構確認，以進一步釐清失效原因（圖七）。

▲圖八：DB-FIB 切片分析（左圖）和 TEM 分析（右圖），可以發現結構細部出現異常。（圖片來源：宜特科技）

補充說明：在步驟一之後，亦可使用 Nano-Prober 在正面取得精準定位，並用 DB-FIB 或 TEM 切片分析

除了宜特獨家的背向亮點定位之外，在某些特殊情況下，無法透過上述電性機台定出異常點位置時，也可使用奈米探針電性量測（Nano-Prober）在樣品的正面進行異常點定位分析，包括電子束感應電流（Electron Beam Induced Current，簡稱 EBIC）、電子束吸收電流（Electron Beam Absorbed Current，簡稱 EBAC）、與電子束感應阻抗偵測（Electron Beam Induced Resistance Change，簡稱 EBIRCH）等定位法（圖八）（延伸閱讀：名針探精準定位讓奈米電性量測找出缺陷）。而 Nano-Prober 亦可針對電晶體進行電性量測，以獲取如 Vt、IdVg、IdVd 等基本參數。

當透過上述分析手法精準找到異常點後，亦可再透過 DB-FIB 或是 TEM 來對異常點進行結構確認。

▲圖九：EBIRCH 異常點定位分析，可以更精確的鎖定異常點位置，以利後續執行 DB-FIB or TEM。（圖片來源：宜特科技）