一种半导体功率器件失效点定位方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种半导体功率器件失效点定位方法。


背景技术：

2.从2018年到2050年，世界能源的消耗预计将增长近50％。随着我们的大部分能量转换为电力，从智能手机、电动汽车到工业机器人等一切设备都需要更高效率、更致密的功率半导体器件如二极管、绝缘栅双极型晶体管(igbt)、金氧半场效晶体管(mosfet)和高电子迁移率晶体管(hemt)等。
3.今天的半导体行业正在基于晶圆发展开发下一代功率器件。宽带隙功率器件使制造更高性能、更可靠的组件成为可能，这些组件可以使功率效率提升并在更高的温度下工作。然而，这些材料可能会引入新的失效模式，使用传统的电性失效分析来确定根本原因会变得更具挑战性，可能会影响操作的可靠性和制备良率。
4.微光显微镜和镭射光束诱发阻抗值变化测试(obirch)是精准定位功率半导体器件mosfet失效模式的传统方法。如公开号为cn102565680a的发明专利中，就使用了微光显微镜和obirch进行定位。然而，这些方法被覆盖在表面的厚金属层所阻碍。为了克服这一限制，工程师们有时会使用活性离子或湿化学法穿透金属层以便更好地分析失效原因。这种方法的缺点是重现性低，导致设备完全失效的可能性高。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种半导体功率器件失效点定位方法，可以快速精准定位目标，并将电性失效分析(efa)与物性失效分析(pfa)相结合，以隔离故障，并表征微观结构，可以帮助工程师在微观结构水平上查明电流异常，这种工作流程不仅更快、更准确，而且能产生可重复的结果，并几乎不破坏元器件。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种半导体功率器件失效点定位方法，所述失效点定位方法包括：功率半导体器件的电性失效分析和功率半导体器件的物性失效分析，具体包括以下步骤：
7.s1、定位目标区域：对半导体功率器件进行失效位置分析，通过增强型锁相热成像技术，定位半导体器件上的目标区域；
8.s2、对除目标位置外的区域进行全面保护；
9.s3、对目标区域的内部以及边缘制作多个标识，用于标记目标区域，方便进行定位；
10.s4、穿透金属层制备样品成像：通过双束扫描电镜使用惰性气体离子的细束在elite系统指示的位置穿透金属层成像，气体在样品上流动从而在装置上产生一个均匀的平底开口，双束扫描电镜被用来精准的停止离子铣削过程在一个适当的层内；
11.s5、进一步定位失效点位置：在s4步骤中，若失效点位置没有暴露，则使用纳米探测进行进一步的定位；
12.s6、通过sem成像fib切割样品，直到发现失效点；
13.进一步地，在s4步骤中，在某些情况下，“脱层”会在金属层被移除时停止并暴露出源接触，在其他情况下，元器件将会被进一步延迟到栅电极，在此样品制备情况下，功率半导体器件将保持功能完整性，其原始性能也将保持不变；
14.再进一步地，在s5步骤中，所述纳米探测包括：使用扫描电子显微镜(sem)来进行纳米探测，或使用原子力探测，具体是将精细探针放置在目标区域的离散位置，以提取电流-电压曲线，电流-电压曲线的异常会揭示失效点位置，并指出对失效点位置进行物性失效分析(pfa)检测所需的材料体积；
15.再进一步地，如果需要更详细的成像来表征缺损，则可以使用扫描透射电子显微镜(stem)，制备样品薄片并成像；
16.再进一步地，所述失效点定位方法还包括：在s3步骤后，将包含目标区域的样品从半导体器件中分离，从而得到独立的切片样品。
17.作为本发明的一种优选技术方案，所述失效点定位方法还包括：对所有定位的区域都进行标识，并且采用不同的标记。
18.作为本发明的一种优选技术方案，所述标识选用长度2-4um，深度为0.7-1.8um的凹槽，所述凹槽可以为圆形、方形、三角形等形状，并且凹槽内设有荧光标记。
19.作为本发明的一种优选技术方案，另一种进行样品制备的方法是使用pfib双束扫描电镜提取几微米厚的材料，并将样品直接移动到扫描透射电子显微镜(tem)中；
20.进一步地，针对较厚的样品需要额外的稀释和分析来确定失效点的表征。
21.与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
22.本发明通过对带有失效点的目标区域单独切片，并采用凹槽和荧光进行标记，在进行分析时，可以快速对其进行定位，并且将电性失效分析(efa)与物性失效分析(pfa)相结合，以隔离故障，并表征微观结构，可以帮助工程师在微观结构水平上查明电流异常，这种工作流程不仅更快、更准确，而且能产生可重复的结果，并几乎不破坏元器件。
具体实施方式
23.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
24.实施例一
25.本发明提供一种半导体功率器件失效点定位方法，所述失效点定位方法包括：功率半导体器件的电性失效分析和功率半导体器件的物性失效分析，具体包括以下步骤：
26.s1、定位目标区域：对半导体功率器件进行失效位置分析，通过增强型锁相热成像技术，定位半导体器件上的目标区域；
27.s2、对除目标位置外的区域进行全面保护；
28.s3、对目标区域的内部以及边缘制作多个标识，用于标记目标区域，方便进行定位，所述标识选用长度2-4um，深度为0.7-1.8um的凹槽，所述凹槽可以为圆形、方形、三角形
等形状，并且凹槽内设有荧光标记；
29.s4、穿透金属层制备样品成像：通过双束扫描电镜使用惰性气体离子的细束在elite系统指示的位置穿透金属层成像，气体在样品上流动从而在装置上产生一个均匀的平底开口，双束扫描电镜被用来精准的停止离子铣削过程在一个适当的层内，在某些情况下，“脱层”会在金属层被移除时停止并暴露出源接触，在其他情况下，元器件将会被进一步延迟到栅电极，在此样品制备情况下，功率半导体器件将保持功能完整性，其原始性能也将保持不变；
30.s5、进一步定位失效点位置：在s4步骤中，若失效点位置没有暴露，则使用纳米探测进行进一步的定位，所述纳米探测包括：使用扫描电子显微镜(sem)来进行纳米探测，或使用原子力探测，具体是将精细探针放置在目标区域的离散位置，以提取电流-电压曲线，电流-电压曲线的异常会揭示失效点位置，并指出对失效点位置进行物性失效分析(pfa)检测所需的材料体积；
31.s6、通过sem成像fib切割样品，直到发现失效点；
32.如果需要更详细的成像来表征缺损，则可以使用扫描透射电子显微镜(stem)，制备样品薄片并成像；
33.所述失效点定位方法还包括：在s3步骤后，将包含目标区域的样品从半导体器件中分离，从而得到独立的切片样品；
34.所述失效点定位方法还包括：对所有定位的区域都进行标识，并且采用不同的标记；
35.另一种进行样品制备的方法是使用pfib双束扫描电镜提取几微米厚的材料，并将样品直接移动到扫描透射电子显微镜(tem)中，针对较厚的样品需要额外的稀释和分析来确定失效点的表征；
36.在本发明的具体实施例中，先对半导体功率器件进行失效位置分析，具体通过增强型锁相热成像技术，定位半导体器件上的目标区域，无论半导体是否存在覆盖表面的金属层，增强型锁相热成像技术都可准确定位到各种不同的失效点位置，它能够将探测器锁定在一个倾斜的偏置上，并获得单独的振幅和相位信号，通常，振荡振幅与基本的热显微镜的信号是相同的，容易提供一个误导性的失效点位置，elite的相位信号克服了这个问题，它增加了对热源的灵敏度，而不是热量积累的地方；而后对除目标位置外的区域(即有失效点的区域)进行全面保护；之后对目标区域的内部以及边缘制作多个标识，用于标记目标区域，方便进行定位，所述标识选用长度2-4um，深度为0.7-1.8um的凹槽，所述凹槽可以为圆形、方形、三角形等形状，并且凹槽内设有荧光标记，并将包含目标区域的样品从半导体器件中分离，从而得到独立的切片样品；而后通过双束扫描电镜使用惰性气体离子的细束在elite系统指示的位置穿透金属层成像，气体在样品上流动从而在装置上产生一个均匀的平底开口，双束扫描电镜被用来精准的停止离子铣削过程在一个适当的层内，在某些情况下，“脱层”会在金属层被移除时停止并暴露出源接触，在其他情况下，元器件将会被进一步延迟到栅电极，在此样品制备情况下，功率半导体器件将保持功能完整性，其原始性能也将保持不变，在此步骤中，若失效点位置没有暴露，则使用纳米探测进行进一步的定位，纳米探测包括：使用扫描电子显微镜(sem)来进行纳米探测，或使用原子力探测，具体是将精细探针放置在目标区域的离散位置，以提取电流-电压曲线，电流-电压曲线的异常会揭示失
效点位置，并指出对失效点位置进行物性失效分析(pfa)检测所需的材料体积，如果需要更详细的成像来表征缺损，则可以使用扫描透射电子显微镜(stem)，制备样品薄片并成像，制备样品还可使用pfib双束扫描电镜提取几微米厚的材料，并将样品直接移动到扫描透射电子显微镜(tem)中，但针对较厚的样品需要额外的稀释和分析来确定失效点的表征，最后通过sem成像fib切割样品，直到发现失效点，在整个过程中，若第一次失效点位置没有暴露，再次定位失效点位置时，也需要底定位区域进行标记，方便查找，本发明通过对带有失效点的目标区域单独切片，并采用凹槽和荧光进行标记，在进行分析时，可以快速对其进行定位，并且将电性失效分析(efa)与物性失效分析(pfa)相结合，以隔离故障，并表征微观结构，可以帮助工程师在微观结构水平上查明电流异常，这种工作流程不仅更快、更准确，而且能产生可重复的结果，并几乎不破坏元器件。
37.尽管已经示出和描述了发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种半导体功率器件失效点定位方法，其特征在于：所述失效点定位方法包括：功率半导体器件的电性失效分析和功率半导体器件的物性失效分析，具体包括以下步骤：s1、定位目标区域：对半导体功率器件进行失效位置分析，通过增强型锁相热成像技术，定位半导体器件上的目标区域；s2、对除目标位置外的区域进行全面保护；s3、对目标区域的内部以及边缘制作多个标识，用于标记目标区域，方便进行定位；s4、穿透金属层制备样品成像：通过双束扫描电镜使用惰性气体离子的细束在elite系统指示的位置穿透金属层成像，气体在样品上流动从而在装置上产生一个均匀的平底开口，双束扫描电镜被用来精准的停止离子铣削过程在一个适当的层内；s5、进一步定位失效点位置：在s4步骤中，若失效点位置没有暴露，则使用纳米探测进行进一步的定位；s6、通过sem成像fib切割样品，直到发现失效点。2.根据权利要求1所述的一种半导体功率器件失效点定位方法，其特征在于：在s5步骤中，所述纳米探测包括：使用扫描电子显微镜(sem)来进行纳米探测，或使用原子力探测，具体是将精细探针放置在目标区域的离散位置，以提取电流-电压曲线，电流-电压曲线的异常会揭示失效点位置，并指出对失效点位置进行物性失效分析(pfa)检测所需的材料体积。3.根据权利要求1所述的一种半导体功率器件失效点定位方法，其特征在于：如果需要更详细的成像来表征缺损，则可以使用扫描透射电子显微镜(stem)，制备样品薄片并成像。4.根据权利要求3所述的一种半导体功率器件失效点定位方法，其特征在于：所述失效点定位方法还包括：在s3步骤后，将包含目标区域的样品从半导体器件中分离，从而得到独立的切片样品。5.根据权利要求4所述的一种半导体功率器件失效点定位方法，其特征在于：另一种进行样品制备的方法是使用pfib双束扫描电镜提取几微米厚的材料，并将样品直接移动到扫描透射电子显微镜(tem)中。6.根据权利要求5所述的一种半导体功率器件失效点定位方法，其特征在于：针对较厚的样品需要额外的稀释和分析来确定失效点的表征。7.根据权利要求1所述的一种半导体功率器件失效点定位方法，其特征在于：所述失效点定位方法还包括：对所有定位的区域都进行标识，并且采用不同的标记。8.根据权利要求1所述的一种半导体功率器件失效点定位方法，其特征在于：所述标识选用长度2-4um，深度为0.7-1.8um的凹槽，所述凹槽可以为圆形、方形、三角形等形状，并且凹槽内设有荧光标记。

技术总结
本发明公开了一种半导体功率器件失效点定位方法，失效点定位方法包括以下步骤：S1、对半导体功率器件进行失效位置分析，通过增强型锁相热成像技术，定位半导体器件上的目标区域；S2、对除目标位置外的区域进行全面保护；S3、对目标区域的内部以及边缘制作多个标识，用于标记目标区域，方便进行定位；S4、通过双束扫描电镜使用惰性气体离子的细束在ELITE系统指示的位置穿透金属层成像，气体在样品上流动从而在装置上产生一个均匀的平底开口，双束扫描电镜被用来精准的停止离子铣削过程在一个适当的层内；S5、在S4步骤中，若失效点位置没有暴露，则使用纳米探测进行进一步的定位；S6、通过SEM成像FIB切割样品，直到发现失效点。直到发现失效点。


技术研发人员：袁光明 南柯 王林 南亦婷
受保护的技术使用者：无锡科微半导体有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/13