如何利用先进成像技术呈现SiC MOSFET离子布值分布

近几年，受到5G、电动车、以及物联网应用的驱动下，功率金属氧化半导体(Metal oxide semiconductor filed-effect transistor, MOSFET)芯片的需求有强劲的成长。虽然硅功率MOSFET目前是商业市场上的主流，但随着制程渐趋成熟、制造成本降低、以及有较佳的效能(高压/省电)，具有宽能隙(Wild band gap, WBG)的第三类半导体功率MOSFET，如GaN与SiC，已慢慢渗透并取代现有Si MOSFET在较高阶应用的市场，其中SiC MOSFET相对于Si MOSFET有1) 更高的崩溃电场(Breakdown electric field)、2) 较低的漏电/较快的开关速度、与3) 较高电流密度的表现，因此在电动车(功率转换/充电桩)、5G电源与开关、以及太阳能逆变器应用都是SiC MOSFET的利基市场，根据已发表的市场趋势报告，第三类半导体预计十年(2020-2029)的市场规模将以两位数的速度增长^[1]。

SiC MOSFET除了因材料天然特性的关系有较高的崩溃电场，另一个优于Si MOSFET是高速且低开关损耗，其关键因素在于低的导通电阻，因此如何了解信道的离子布植分布状况以降低表面电阻是获得低导通电阻相当重要的一环。离子布植分布状况一般都是利用扫描式电容显微镜(Scanning capacitance microscopy, SCM)所获得^[2]，但因为繁复的试片制备，SCM分析往往旷日废时，为加快SiC MOSFET研发工程师获得离子布植分布重要信息，泛铨科技开发出利用电子显微镜先进成像技术，简单且快速地呈现SiC MOSFET离子布植分布状况，加快客户研发时程；另外，泛铨科技也利用原本擅长的穿透式电子显微镜(Transmission electron microscopy, TEM)分析，让因离子布植所造成的原子级缺陷无所遁形。

本次分析的组件是由市面上购买由Cree制造的SiC power n-MOSFET，型号是C3M0160120J^[3]。该组件是采用Cree C3M技术的N通道加强型SiC MOSFET^[4]，其应用包含再生能源、高压DC/DC变流器、交换式电源供应器、以及不断电系统等。我们此次分析的重点是利用电子显微镜先进成像技术呈现该组件的离子布植分布状况。

图1a是购买组件的原始外观，组件一共有七支Pin脚(标示1-7)，其中Pin 1为闸极(Gate)，Pin 2为Driver源极(Source)，Pin 3-7为Power源极，上方Tab则为汲极(Drain)。图1b是组件开盖后内部芯片的光学显微镜照片。截面试片是由研磨方式所制备，为了能够了解芯片与封装结合状况，我们在制备时仍保留原本封装，研磨大概位置由图2a右下角插入图的红线所标示，图2a是试片截面的扫描式电子显微镜影像，绿色与红色圆点所标示结构/位置与图1b相同，由图2a我们除了可以清楚观察到封装内部结构，在特定位置(黄色箭头标示) 还观察到有聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)层的存在，图2b为图2a绿色虚线方框的放大影像，可以清楚看到PI膜是介于封装与芯片之间，单点EDS(红色星号)的结果(图2c)确认该PI膜主要的成分为碳、氮、以及氧。由于PI有良好的耐高低温性能、环境稳定性、力学性能以及优良的介电性能^[5]，因此做为需要在高温与高电压运作的SiC power MOSFET的绝缘材料再适合也不过了。

图1：(a )此次分析Cree SiC power n-MOSFET组件的外观，组件一共有七支Pin脚(由左到右，标示1-7)，Pin 1为Gate，Pin 2为Driver source，Pin 3-7为Power source，上方Tab则为Drain。(b)组件开盖后内部芯片的光学显微镜照片，为了能够承载大电流，Power source有三个电极(红色圆圈标示)。

图2：（a ）组件截面扫描式电子显微镜影像，截面大概位置由右下角插入图的红线所标示。（b ）为a绿色虚线方框的放大影像。（c ）Polyimide点EDS分析，分析点位置为b图中星号标示处。

图3a为使用一般扫描式电子显微镜成像条件的晶体管影像，由图中可以观察到Gate(红色圆圈)、Source、包住Gate的绝缘层(蓝色圆圈)、以及下方SiC基板，但却无法获得离子布植分布状况的信息；如果采用泛铨科技开发的先进成像技术，则影像质量有卓著的提高，图3b是使用先进成像技术所得到的结果，对比图3a，我们可以清楚观察到离子布植分布的状况(N+与P well)，如果采用不同色温来呈现(图3c)，影像对比会更加明显。此先进成像技术比起SCM有三大优势: 1) 试片制备难度不高、2) 搭配聚焦离子束(Focused ion-beam, FIB)设备，可做定点分析、以及3) 分析速度快。当芯片作动时，电流的是由底部Drain端经过N-、P well、N+、最后到Source端，如图3b红色箭号所示。

图3 ：（a ）SiC MOSFET扫描式电子显微镜影像。（b） 使用先进成像技术所获得的影像，可以清楚观察到离子布植状况，红色箭号标示当芯片作动时，电流的流动方向。（c ）更大倍率的扫描式电子显微镜影像，右边为一般灰阶呈现影像，左边是使用色温呈现影像，绿色虚线描绘出离子布植界面。

较高浓度的N+离子布植分布在穿透式电子显微镜也可以观察到(图4a，蓝色箭头)，但P well分布相较于图3b与c并没有明显观察到。图4b与c分别是图4a区域的EDS mapping与Gate材料多晶硅(Poly Si)的放大图(绿色虚线方框)。我们知道离子布植是利用高能量离子打进单晶基板中，虽然布植之后还会有热处理过程减少大部分的缺陷，但仍有一定浓度的原子级缺陷存在，具有高空间分辨率的穿透式电子显微镜刚好可以用来观察这样的缺陷。图4d为本次试片SiC基板的高分辨率穿透式电子显微镜影像，可以观察到完美的SiC原子影像；如果分析离子布植内区域(如蓝色箭号标示位置)，我们仍可以观察到如原子错位的缺陷(图e黄色箭号标示位置)，这可提供制程工程师如何优化离子布植与热处理相当重要的讯息，因为减少缺陷密度就可以减少导通电阻，增加电流密度与减少能耗。

图4： （ a ）穿透式电子显微镜在晶体管的放大影像。（b ）EDS mapping结果。（c）穿透式电子显微镜在Gate多晶硅(图a绿色虚线方框)的放大影像。（d ）SiC基板的高解析穿透式电子显微镜影像。(e )离子布植处(蓝色箭号标示)的高解析穿透式电子显微镜影像，黄色箭号标示原子错位的缺陷。

泛铨科技不但在第一代与第二代半导体材料分析已深耕多年，累积相当多分析经验与优势工法，第三代半导体正值方兴未艾，泛铨科技一样不会缺席，也会持续研发新工法，提供客户高质量的材料分析。

参考文献：

[1] Omdia “2020年SiC和GaN功率半导体报告”。

[2] L. Wouters, A. Minj, U. Celano, T. Hantschel, W. Vandervorst, and K. Paredis, Carrier profiling in high vacuum using scanning spreading resistance microscopy and scanning capacitance microscopy, Park application note #54。

[3] Cree webpage。

[4] V_DS=1200 V，I_D@25 °C=17 A，RDS(on)=160 mW。

[5] Wikipedia webpage。

责编：Amy Guan