第三類半導體功率元件究竟如何量測？電性測量及故障分析全攻略

隨著新能源浪潮與全球節能減碳趨勢，汽車龍頭廠商將電動車（Electric Vehicle, EV）功能列入研發藍圖上。

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、逆變器等應用水漲船高，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 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]。

因應功率元件需求，各國積極投入第三類半導體

第三類半導體是以碳化矽（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，第三類半導體擁有較高的頻率與功率的操作範圍，能應用在許多高科技產業上，例如自駕車、5G/6G、太空、AI、量子高速運算、發電設施等等。

像是中國在 2020 年頒布了「十四五規劃」，將第三類半導體納入產業發展，力求將第三類半導體自主化，預計於 2021-2025 年間投入 10 兆人民幣，避免被全球市場占有率前幾名的廠商壟斷與箝制。

許多傳統功率元件廠商紛紛宣布2022 年下半年投入 SiC 元件的生產，為整體第三類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與功率範圍，並說明可應用的領域。

圖二　各類功率元件的操作範圍，從家電、電動車、鐵道，到發電廠等應用[1]。

依照不同的應用情境選擇適用的元件種類和電壓應用範圍，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為主；而 1200V 以上的需求，則以鐵道或發電廠的應用為主，此操作便需要 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]。

功率元件全方位檢測分析三大步驟

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，不過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；電性量測方面，由於功率元件的特殊規格，無法使用一般的參數分析儀確認失效行為，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：

電性參數量測
亮點定位
缺陷觀察

1.電性參數量測

IC 的量測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，電性參數項目固定，市場上已有單一儀器可進行量測，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。首先電性參數需要量測，以 600V 的 MOSFET 為例，電性參數與說明如圖四；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，擬定物性故障分析方案。

圖四　600V MOSFET 電性參數與定義說明。

閎康科技為迎接第三類半導體世代的到來，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，一次抓取所有想量測的參數。

（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）產品開發與客退品的分析上，具有快速的故障機制判斷能力。

表一　B1506A 可量測的電性參數。

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。

圖五　B1506A 外觀圖。

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。

2.亮點定位

不論執行何種半導體元件的亮點定位，主要以這三項工具：微光顯微鏡（PEM）、雷射致阻值變化偵測（OBIRCH）、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，選擇合適的定位儀器；從晶片的正面或背面偵測亮點，則視樣品製備難易度而定。

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，原因在於功率元件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。

3.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，亮點定位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。在第三類半導體的材料中，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。

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。

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。