وصلات أشباه الموصلات بالطاقة في SiC وGaN مع رؤى Ga-FIB
على الرغم من التقدم في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFETs) المستوية التقليدية ذات الجهد العالي، إلا أن القيود لا تزال مستمرة حيث تختلف جهود الحجب أو التصريف إلى المصدر بسبب السُمك والمنشطات والهندسة. تعالج الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة فائقة التوصيل، مثل تقنية MDmesh من شركة STMicroelectronics، هذه التحديات من خلال خنادق عميقة وضيقة في الرقاقة. مثالية لإمدادات الطاقة ذات الوضع المبدل، تستخدم هذه التقنية بنية متعددة التصريف فائقة التوصيل لتقليل انخفاض جهد مصدر التصريف. يمكن أن تنشأ مشكلات مثل التسرب العالي أو جهد الانهيار الناعم من الملوثات أو العيوب في التكوين السائب. وبالتالي، يصبح سير عمل الفحص المجهري المترابط متعدد النطاقات ومتعدد الوسائط أمرًا بالغ الأهمية لتوطين العيوب وتحليلها، مما يتطلب حلولاً متقدمة للأجهزة والبرامج لإجراء فحص فعال للعينات.
تعتمد أجهزة أشباه موصلات الطاقة، التي تتميز بالكفاءة والتنوع في تطبيقات مثل التسخين بالحث والمركبات الكهربائية والطاقة المتجددة، على مواد مثل كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم. توفر هذه المواد فجوة نطاق واسعة وخصائص متفوقة مقارنة بالسيليكون، مما يتيح جهدًا كهربائيًا أعلى للانهيار. تتطلب حالات الفشل التشغيلي، الناجمة عن عوامل مثل درجات الحرارة المرتفعة والتيارات الزائدة والجهد الزائد، فهمًا شاملاً لتأثيرات الوصلات وهياكلها، وهو أمر بالغ الأهمية لـ SiC في مراقبة الخط وتوطين العيوب وتحليل الموثوقية. بالنسبة إلى GaN، فإن الاضطرابات، التي يمكن اكتشافها بواسطة تقنيات مثل التيار الناجم عن شعاع الإلكترون (EBIC)، تشكل تحديات، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى اتباع نهج شامل لتوصيف أشباه الموصلات بالطاقة لضمان الموثوقية في التطبيقات المختلفة.
حل مشترك مبتكر من زايس وكلينديك نانوتكنيك
أثناء عملية تصنيع أشباه الموصلات، تميل الشوائب المختلفة إلى إحداث عيوب في الشبكة البلورية، مما يسبب مناطق موضعية ذات مقاومة عالية أو موصلية. للحصول على تحليل فعال للفشل، يعد الوصول إلى مواقع الصدع تحت السطح وفهم ملفات تعريف البناء والوصلات أمرًا ضروريًا. في هذه الحالات، يعد الطحن أمرًا بالغ الأهمية لنقش رقائق أشباه الموصلات بدقة في تصنيع الأجهزة، مما يساعد على إزالة الطبقات بطريقة يتم التحكم فيها بدرجة عالية.
تتكون التكنولوجيا المقدمة من زايس وكلينديك نانوتكنيك من عدة عناصر حيث يتم استخدام المجهر الإلكتروني لمسح شعاع الأيونات المركزة من زايس كروسبيم (FIB-SEM) في الطحن والتصوير. ويتم بعد ذلك استخدام برنامجي Zeiss Atlas 5 وDragonfly Pro من شركة Object Research Systems Inc. لمعالجة بيانات التصوير المقطعي وتصورها. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام Zeiss GeminiSEM 300، المقترن بمكوك Kleindiek Nanotechnik PS8 Prober Shuttle ومحلل المعلمات Keithley 4200-SCS، في قياسات EBIC.
كيف يمكن لهذا الحل أن يساعد الشركات المصنعة للرقائق ويقدم المزيد من الأفكار
لا يمكن للتصوير المقطعي FIB-SEM تصور بنية الجهاز فحسب، بل أيضًا أشكال الزرع ثلاثية الأبعاد من خلال الجمع بين تصوير SEM بتباين الجهد السلبي (PVC) مع الإزالة المستمرة للمواد FIB. يتم استخدام هذا في تحقيق EBIC ثنائي الأبعاد لصحة الوصلات لتحليل الفشل وتطوير العملية ومراقبتها.
وفقًا لزايس، “تم إجراء قياسات EBIC عند قطع FIB المائل في سطح الجهاز. مثل هذه القطع تترك الجهاز يعمل بحيث يصبح الاتصال الكهربائي، وبالتالي فحص سلوك الوصلة في أي موضع تقريبًا في الجهاز عن طريق تغيير جهد البوابة، ممكنًا.
يعد التصوير المقطعي FIB-SEM أداة مفيدة لتحليل الأعطال الكهربائية في أجهزة الطاقة المعتمدة على السيليكون أو SiC. يوفر تصويرًا دقيقًا ثلاثي الأبعاد لشكل الزرعة ويميز المنطقة التي بها مشكلة. بالإضافة إلى ذلك، فهو يساعد في تطوير العملية ومراقبتها من خلال تقديم معلومات حول الأحجام والتوحيد والمحاذاة لمختلف مناطق الزرع. تعتبر هذه البيانات ذات قيمة لتفسير نتائج EBIC ثنائية الأبعاد من الوصلات التي يمكن الوصول إليها في مقطع عرضي واحد. من المهم ملاحظة أن هذه الدراسة لم تتضمن تقييمًا لأجهزة GaN.
وقد لوحظ أن طحن Ga-FIB عالي الطاقة له تأثير ضئيل على تصوير التباين المنشط SEM وقياسات EBIC في أجهزة الطاقة المعتمدة على السيليكون وSiC. يسمح هذا الاكتشاف لصانعي الرقائق بمواصلة استخدام أدوات وتقنيات طحن Ga-FIB الراسخة دون الحاجة إلى اعتماد أدوات بلازما-FIB عالية التكلفة ومكثفة الصيانة.
“إن التقنيتين معًا يمكن أن تخبرنا ليس فقط عن تصنيع الوصلة pn وأين ذهبت الغرسات ولكن أيضًا عن أدائها في الموقع”، قال المتحدث باسم Kleindiek Nanotech. “يمكن أن توفر مثل هذه النتائج تعليقات التصنيع بالإضافة إلى معلومات حول التشغيل في الوقت الفعلي لجهاز الطاقة. وستكون هذه مفيدة للتحقق من صحة محاكاة TCAD وأداء الجهاز وتحليل الموثوقية بشكل عام.
تقنيات الفحص المجهري المستخدمة
تم استخدام العديد من تقنيات الفحص المجهري، والتي تم دمجها للحصول على نتائج مثالية. كانت تقنيات الفحص الكهربائي في الموقع SEM وFIB وSEM من بين التقنيات الرئيسية المستخدمة، حيث تم إجراء تصور ثلاثي الأبعاد للمناطق المشابهة لاستكمال فحص الوصلات ثنائية الأبعاد بواسطة EBIC باستخدام التقنية الناضجة للتصوير المقطعي FIB-SEM. في التصوير المشابه، استفاد الباحثون إلى أقصى حد من مادة PVC، وهي تقنية تصوير ثلاثية الأبعاد.
يستخدم التصوير المقطعي FIB-SEM التصوير الإلكتروني الثانوي لتصور مناطق الزرع النشطة كهربائيًا بشكل ثلاثي الأبعاد، بينما يلتقط EBIC حالة منطقة النضوب عند تقاطع pn، مع تكامل هذه التقنيات مع بعضها البعض.
“إن PVC هو وظيفة الإمكانات المضمنة للوصلة؛ وقال الباحثون إن البعض قد يشير إليها على أنها خاصية للارتباطات الإلكترونية المختلفة لجانبي الوصلة. “أكثر سلبية [p side] من الوصلة قادرة على انبعاث المزيد من الإلكترونات الثانوية من الموجبة [n side]. عندما تقوم بمسح جانبي الوصلة باستخدام شعاع الإلكترون، تحصل على صورة حيث تشير المناطق المظلمة إلى مناطق من النوع n. يوفر هذا التنميط المشابه صورة للمكان الذي ذهبت إليه عمليات الزرع، بدقة SEM.
وأضافوا: “إن تقنية التصوير المقطعي لدينا تعطي نظرة ثلاثية الأبعاد على توزيع هذه الغرسات، بطريقة غير ممكنة بأي طريقة أخرى – قد يتم إعادة بناء الجهاز بأكمله”.
تتم عملية الطحن بمواصفاتها الفنية
تم قطع المقاطع العرضية لأجهزة IGBT القائمة على السيليكون وأجهزة MOSFET المستندة إلى SiC بزاوية 36 درجة على سطح القالب باستخدام مسبار Ga-FIB بقدرة 30 كيلو فولت 30 nA. وكانت الأحجام الناتجة 330 × 100 ميكرومتر2 لIGBT السيليكون و100 × 20 ميكرومتر2 ل SiC MOSFET. تم ترسيب طبقات الحماية البلاتينية (Pt) والكربون (C) على المقاطع العرضية باستخدام سلائف Pt وC الغازية. تم قطع الخطوط الإيمانية للتحكم الدقيق في سماكة الشريحة أثناء التصوير المقطعي FIB-SEM. تم طحن خندق كبير أمام الحجم محل الاهتمام، وتمت إزالة الشرائح بسماكة 50 نانومتر (السيليكون IGBT) أو 30 نانومتر (SiC MOSFET) في عملية آلية. تم تسجيل صور SEM بعد كل شريحة، مما أدى إلى مجموعات بيانات مكونة من 1120 شريحة لـ IGBT السيليكون (38.5 × 13.4 × 56.0 ميكرومتر3) و 320 شريحة لـ SiC MOSFET (16.3 × 4.6 × 9.6 ميكرومتر3).
عندما يتعلق الأمر بالتصوير ثنائي الأبعاد و2D EBIC، لاحظ الباحثون أن “بدائل EBIC لطريقة طحن FIB ستكون عبارة عن تقطيع ميكانيكي يتبعه تلميع عريض بشعاع أيرون الأرجون”. من ناحية أخرى، بالنسبة للتصوير ثلاثي الأبعاد، “لا توجد طريقة طحن بديلة لطحن FIB باستخدام Ga أو الأنواع الأيونية الأخرى.”
تأثير تلف الشعاع وانتشار Ga+ على النموذج
أشار البحث إلى أنه في أجهزة الطاقة، لا يعد تغيير الشكل السطحي وزرع Ga الناجم عن Ga-FIB من العوامل المهمة التي تؤثر على تصوير التباين المنشط و EBIC.
الجزء العلوي من الشكل 1 يصور أ مجموعة بيانات التصوير المقطعي FIB-SEM تم التقاطها من SiC MOSFET. للكشف عن البنية المعقدة وتوزيعات المنشطات داخل الجهاز، تمت إزالة ما يقرب من ثلث الحجم بشكل انتقائي.
خضعت عينة SiC في الشكل 1 لتصوير EBIC في الموقع لمراقبة مناطق الاستنفاد فيما يتعلق بجهد البوابة. توضح صورة +4-Vg، مع تراكب يوضح مناطق الزرع المختلفة، إضعافًا تدريجيًا لمنطقة النضوب بين طبقة P well وN CSL مع زيادة جهد البوابة. والجدير بالذكر أن طبقة البئر N+ source/P تصبح مرئية بشكل متزايد في هذه العملية.
يقدم الحل المشترك لكل من Zeiss وKleindiek Nanotechnik نهجًا مبتكرًا لتحليل وصلات أشباه موصلات الطاقة في أجهزة SiC وGan. من خلال الجمع بين التصوير المقطعي FIB-SEM وأدوات البرمجيات المتقدمة، تتيح هذه التقنية تصويرًا دقيقًا ثلاثي الأبعاد لأشكال الغرسات، مما يوفر رؤى قيمة حول بنية الجهاز وصحة الوصلات. إن إدراج قياسات EBIC في قطع FIB المائلة يعزز فهم السلوك الكهربائي. يساعد هذا النهج الشامل الشركات المصنعة للرقائق في توطين العيوب وتطوير العمليات ومراقبتها، وتحسين موثوقية أجهزة أشباه موصلات الطاقة في التطبيقات المختلفة.
ظهرت تقاطعات أشباه الموصلات الكهربائية في SiC & GaN مع Ga-FIB Insights لأول مرة على Power Electronics News.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
