金 磊，魏 唯，陳 龍，陳章隆，范江華，鞏小亮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，長(zhǎng)沙410111)

隨著新能源電動(dòng)汽車(chē)及5G互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的突飛猛進(jìn)，功率半導(dǎo)體器件的市場(chǎng)需求依然保持旺盛地增長(zhǎng)。盡管碳化硅、氮化鎵、氧化鋅等第三代半導(dǎo)體在材料本征性能上有一定先天優(yōu)勢(shì)[1-2]，但受限于高成本、大規(guī)模量產(chǎn)的可控性問(wèn)題，目前硅基溝槽功率器件仍然是主流產(chǎn)品[3]。

硅基功率產(chǎn)品最基本的器件是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)，它們是組成MCU等模塊的關(guān)鍵單元。在量產(chǎn)的晶圓代工廠中，均保留了MOS和SBD相關(guān)工藝。以硅基溝槽SBD產(chǎn)品為例，CP測(cè)試可完成管芯正向?qū)▔航?VF)、導(dǎo)通電阻(Rd)、反向峰值電壓(VR)、反向飽和漏電流(IR)等電性參數(shù)的收集。VF與晶圓外延層厚度關(guān)聯(lián)較大，Rd與晶圓外延層電阻率、晶圓減薄厚度相關(guān)，VR與器件柵氧厚度相關(guān)性最強(qiáng)，而代表漏電參數(shù)的指標(biāo)IR無(wú)法直接進(jìn)行判斷，往往需要結(jié)合制備工藝流程進(jìn)行逐步排查及探究，從而進(jìn)行問(wèn)題分析及后續(xù)改善[4]。

本文介紹了微光顯微鏡(EMMI)及聚焦離子束-掃描電鏡(FIB-SEM)檢測(cè)方法，用于快速找出器件漏電相關(guān)電性趨勢(shì)及對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)失效[5]，其中，EMMI用于尋找晶圓或封裝器件的漏電區(qū)域位置，F(xiàn)IB-SEM法用于漏點(diǎn)區(qū)域?qū)崟r(shí)觀測(cè)。這兩種方法的有效結(jié)合可使晶圓漏電失效分析效率提高，漏電區(qū)域的SEM切片圖片清晰度較高，為量產(chǎn)或中試晶圓代工生產(chǎn)線快速排查提供重要幫助。

1 實(shí)驗(yàn)方案及失效分析原理

1.1 溝槽型功率器件制作流程

本實(shí)驗(yàn)采用200 mm（8英寸）n型＜100＞單晶Si外延片，在Si外延層上采用CVD淀積一層厚度為0.3 μm的SiO2作為堅(jiān)膜層，用光刻和反應(yīng)離子刻蝕制作出關(guān)鍵線寬為0.25～0.4 μm的Si深溝槽并依次填滿柵氧及多晶硅，完成P阱和N阱注入后，采用CVD淀積SiO2及BPSG的中間隔離層，完成接觸孔光刻、刻蝕及填孔后，采用PVD法沉積4 μm的AlCu金屬層；背面則減薄至200 μm，最終在背面沉積Ti、Ni、Ag金屬層，器件的最終結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 溝槽型肖特基勢(shì)壘二極管橫截面結(jié)構(gòu)

1.2 EMMI熱點(diǎn)分析原理介紹

EMMI(波長(zhǎng)范圍：400～1 100 nm)，用于偵測(cè)晶圓異常失效點(diǎn)定位，尋找亮點(diǎn)、熱點(diǎn)的工具。EMMI屬于非破壞性試驗(yàn)，可以從標(biāo)本的背面或正面進(jìn)行，發(fā)射的光子由高靈敏度的CCD相機(jī)檢測(cè)，能夠檢測(cè)當(dāng)電子/空穴對(duì)在設(shè)備中重新結(jié)合時(shí)發(fā)射的光子以獲取信號(hào)，對(duì)于器件而言，EMMI可用于檢測(cè)由器件缺陷引起的泄漏電流，例如柵極氧化缺陷/泄漏、閂鎖、ESD故障、結(jié)泄漏等。實(shí)驗(yàn)采用InGaAs EMMI技術(shù)，檢測(cè)范圍最大可達(dá)1 700 nm的紅外波段，響應(yīng)速度較普通EMMI快5～10倍，具備更快速、靈敏的優(yōu)勢(shì)。

1.3 FIB-SEM原理介紹

聚焦離子束(FIB)儀器幾乎與SEM相同，但使用的是離子束而不是電子束。聚焦離子束可以通過(guò)濺射過(guò)程直接修改或“研磨”樣品表面，并且這種研磨可以以納米精度進(jìn)行控制。通過(guò)精確控制離子束的能量和強(qiáng)度，可以進(jìn)行非常精確地納米加工。FIB系統(tǒng)與普通掃描電子顯微系統(tǒng)同時(shí)放置在同一機(jī)臺(tái)內(nèi)，樣品可調(diào)節(jié)至共心高度的位置，可在測(cè)試過(guò)程中旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)，使樣品表面垂直于電子束或離子束，以實(shí)現(xiàn)電子束實(shí)時(shí)觀察及離子束切割或微納加工的功能。FIB-SEM超高分辨率雙束系統(tǒng)，可滿足樣品檢測(cè)，半導(dǎo)體器件形貌觀察等用途。結(jié)合實(shí)驗(yàn)采用的硅基溝槽型功率器件產(chǎn)品，F(xiàn)IB技術(shù)可實(shí)現(xiàn)截面分析，即精確完成漏電或失效特定區(qū)域切割后，對(duì)其橫截面/斷面的分析。與傳統(tǒng)SEM對(duì)比，其優(yōu)勢(shì)在于是切割加工時(shí)有極高的定位精度，樣品受到應(yīng)力影響較小，可保留完整的切割橫截面。

1.4 晶圓失效分析流程及測(cè)試儀器設(shè)備

圖2為晶圓的失效分析流程圖。如測(cè)試樣品為未封裝樣品，則直接從I-V測(cè)試開(kāi)始進(jìn)行作業(yè)流程。測(cè)試儀器包括：超景深三維顯微鏡(基恩士VHX-7000)、半導(dǎo)體分析儀(是德科技B1500A)、微光顯微鏡(濱松PHEMOS-1000)、雙束聚焦離子束顯微鏡（賽默飛Helios 5 UX）。

圖2 晶圓漏電失效分析流程

2 結(jié)果與討論

按照溝槽工藝、勢(shì)壘層濺射及減薄背金的順序制備溝槽SBD產(chǎn)品，即最大正向電流(Io)為30 A、最大反向峰值電壓(VRM)為45 V。實(shí)驗(yàn)選取了4顆已完成封裝的產(chǎn)品，采用晶圓失效分析流程方法對(duì)器件依次檢測(cè)，并快速找到異常。

2.1 揭蓋及電性能測(cè)試

完成目檢、鏡檢確認(rèn)器件外觀無(wú)明顯異常后，采用機(jī)械揭蓋的方法將封裝器件進(jìn)行開(kāi)蓋處理。圖3為封裝器件開(kāi)蓋前后宏觀及顯微鏡下照片。

圖3 封裝硅基SBD器件（左）及開(kāi)蓋后圖（右）

對(duì)4顆開(kāi)蓋后器件進(jìn)行I-V曲線測(cè)試，測(cè)試條件為電流恒定為500 μA，因器件VRM為45 V，電壓測(cè)試區(qū)間調(diào)整為0～60 V。圖4為4顆管芯進(jìn)行I-V測(cè)試后的曲線圖。圖4中，3#、4#符合器件VR變化規(guī)律，在50 V有漏電變大趨勢(shì)；但是1#、2#在20 V以下漏電有顯著增大，疑似出現(xiàn)軟擊穿的效應(yīng)。為進(jìn)一步驗(yàn)證，采用在低電壓漏電更大的1#進(jìn)行EMMI及熱點(diǎn)分析。

圖4 3045溝槽SBD產(chǎn)品Decap后I-V測(cè)試曲線圖

2.2 EMMI、熱點(diǎn)及熱點(diǎn)定位分析

EMMI測(cè)試結(jié)果在50 V、500 μA下無(wú)明顯異常，采用熱分析法后，在40 V、316.3 μA的有明顯熱點(diǎn)，圖5為不同倍率熱點(diǎn)分析檢測(cè)圖片。

圖5 不同倍率熱點(diǎn)分析

熱點(diǎn)問(wèn)題，即本文所述漏電問(wèn)題與器件柵、漏極存在關(guān)系，而上層鋁金屬僅用于減小導(dǎo)通電阻的平面互聯(lián)層，為進(jìn)一步更好地定位，采用濕法進(jìn)行鋁及引線腐蝕，得到有源區(qū)器件并采用EMMI分析，去除鋁層后在50 V、50 μA下發(fā)現(xiàn)異常并迅速定位以便于下一步FIB切片尋點(diǎn)。

2.3 FIB-SEM切片形貌分析

在熱點(diǎn)分析完成后，在定位處進(jìn)行FIB樣品制備及推刀處理。圖6為推刀過(guò)程器件剖面形貌圖，可看出器件柵氧、多晶硅側(cè)壁無(wú)鋸齒狀，倒角較為圓滑，及中間隔離層部分無(wú)明顯顆粒及空洞。

圖6 FIB-SEM推刀過(guò)程動(dòng)態(tài)圖

圖7為器件明顯異常處的剖面圖，有2個(gè)管芯內(nèi)溝槽內(nèi)多晶硅部分存在異?？斩?。

圖7 器件溝槽空洞失效剖面圖

2.4 形貌異常分析及后續(xù)預(yù)防措施

結(jié)合FIB-SEM推刀過(guò)程中形貌圖，出現(xiàn)異?？斩吹牟糠譃闇喜蹆?nèi)的多晶硅處，而多晶硅刻蝕后沉積了一層厚度約為800 nm的SiO2中間隔離層，對(duì)溝槽部分影響不大，因而異常空洞在多晶硅刻蝕及更前端工序發(fā)生；

多晶硅刻蝕過(guò)程是控制時(shí)間的方式來(lái)停止，而溝槽外的硅與多晶硅表面的高度差一般在100 nm以下，因此不會(huì)出現(xiàn)溝槽內(nèi)部刻蝕過(guò)量導(dǎo)致的空洞形成；

多晶硅淀積過(guò)程中，生長(zhǎng)方式為先從底部開(kāi)始不斷生長(zhǎng)多晶硅，逐漸從底部向上、向側(cè)壁不斷生長(zhǎng)，該生長(zhǎng)方式與圖7溝槽內(nèi)空洞形成方式較為相似；在多晶硅淀積前的柵氧側(cè)壁厚度較為均勻，無(wú)明顯鋸齒狀及空洞、顆粒；因此可判斷器件失效是多晶硅沉積過(guò)程中異常導(dǎo)致，即完成底部多晶硅淀積后，由于設(shè)備管路中或腔體內(nèi)顆粒掉落至管芯溝槽處，阻塞了反應(yīng)氣體進(jìn)入溝槽內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)，導(dǎo)致異常產(chǎn)生。

結(jié)合實(shí)際機(jī)臺(tái)作業(yè)情況，由于工藝環(huán)境條件發(fā)生變化或工藝操作過(guò)程中，硅片表面被“損傷”或“污染”，導(dǎo)致淀積的摻雜多晶硅出現(xiàn)填孔覆蓋率低或顆粒變粗等異常情況。由于設(shè)備使用時(shí)間長(zhǎng)（超期使用）、頻率高，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性退化。可采取的措施是定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清洗，保持系統(tǒng)的潔凈，同時(shí)適當(dāng)減小吹氣閥和放氣閥使用的N2流量，以減小管路內(nèi)多晶硅顆粒及其他雜質(zhì)的形成。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)EMMI及FIB-SEM的檢測(cè)方法，溝槽SBD器件多晶硅淀積異常已快速排查。器件電性、結(jié)構(gòu)的快速檢測(cè)能更好的解決量產(chǎn)器件漏電失效問(wèn)題，對(duì)功率器件的低成本生產(chǎn)提供保障。