靠這招 速找寬能隙GaN晶片異常點

現今常用的功率電晶體架構，可概分為兩大類，(一)垂直式結構 ; (二)水平式結構。

(一) 垂直式結構 (Vertical structure)

(二) 水平式結構

水平式功率MOSFET結構 (Lateral Double-diffused MOSFET，簡稱LDMOS)，通常被廣泛應用於矽基材的電晶體中；而本文重點氮化鎵高電子移動率電晶體(High Electron Mobility Transistor，簡稱HEMT)亦採用該類LDMOS的結構，示意圖如圖二。

目前市場主流為GaN-on-Si架構，利用氮化鎵磊晶和金屬導線等相關製程，將P型摻雜氮化鎵的閘極(Gate)，與源極(Source)和汲極(Drain)實現於矽基板(Si Substrate)之上，這種結構有以下優點：

• 可與標準的矽晶圓製程相容，製程更具彈性化使之可於一般晶圓廠閒置產能進行量產，成本隨之更加親民。
• 在GaN和AlGaN之間形成的二維電子氣(2-Dimensional Electron Gas, 2DEG)異質界面，具有非常高的電荷密度和遷移率，這樣的組合有效降低RDS_(on)並提高元件的運算速度。
• 利用P型GaN進行二維電子氣通道的阻斷設計，使原先常開模式(Normally Open)元件改變為增強型(enhance mode)的常閉模式(Normally Off)，其與Si MOSFET的驅動方式類似，以方便設計者使用。
• 該結構無閘極氧化物可提供高閘極可靠性。

由於上述這類型的氮化鎵晶片結構在閘極端附近的設計相對複雜，通常會使用不同型式的場板(Field Plate，簡稱FP)設計，用來降低峰值電場和界面陷阱(Interface trap)，並利用在最上層設計的線路重佈層（Redistribution Layer，簡稱RDL），使晶片擁有最佳的電氣特性。一如一般故障分析手法，在進行破壞性分析前，需要先透過特性電流曲線的量測，了解該晶片的電性異常模式，如：汲極飽和電流（Drain-source Saturation Current，簡稱IDSS）、閘極漏電流（Gate-Source Leakage Current，簡稱IGSS）或功能測試確認電性異常條件後，再針對該電性異常進一步進行亮點(Hot Spot)故障分析，以鎖定目標。

然而，由試片正面進行亮點故障分析時，往往容易因為場板及常見的RDL的特殊結構造成亮點容易被遮蔽，也導致難以發現位於場板或閘極下方的缺陷。因此，宜特故障分析實驗室會建議客戶進行背面熱點定位，為使觀測解析度更加提升，首先會移除GaN磊晶材質下方的基板，再直接利用光學顯微鏡(Optical Microscope, 簡稱OM)進行觀測，其解析度比紅外線光學顯微鏡(Infrared Ray Optical Microscope，簡稱IROM)穿透基板觀測提升許多，異常亮點通常在此時都會現出蛛絲馬跡，之後再搭配背向DB-FIB或TEM切片分析，即可讓缺陷點無所遁形，客戶也因此可以有明確的改善預防措施。

接著，我們將不藏私地分享宜特故障分析實驗室如何運用獨家手法找出GaN晶片的故障點。主要四項步驟如下：

(一) 先透過電性量測分析，從正面定位出故障點。
(二) 再運用宜特獨家手法移除磊晶材質下的基板，並從晶片背面更精確定位出故障點。
(三) 大幅收斂異常區域後，即可用光學顯微鏡(OM)直接觀察異常點(Defect)。
(四) 最後可再接續背向DB-FIB或TEM來對異常點(Defect)做切片分析，進一步釐清實際失效原因。

補充說明：除了以上四步驟所述的宜特獨家背向分析之外，亦可視需求採用Nano-Prober在晶片正面取得精準定位，再用DB-FIB或TEM切片分析。另外，因各家晶圓廠使用的基板材質有所不同，所以步驟(一)和(二)的順序，可依實際試片狀況與客戶需求進行前後交換。流程圖如圖三。

步驟一：電性量測分析及故障點定位

當氮化鎵晶片產生電性故障如短路(Short)、漏電(Leakage)、高阻值(High Resistance)或是功能失效(Function Failure)時，可依據不同的電性失效模式，經由直流通電或上測試板通電，並透過適合的亮點(Hot Spot)故障分析工具進行定位，包括雷射光束電阻異常偵測(Optical Beam Induced Resistance Change，簡稱OBIRCH)、熱輻射異常偵測顯微鏡(Thermal EMMI)、砷化鎵銦微光顯微鏡(InGaAs)，請見表一。藉由故障點定位設備找出可能的異常熱點(Hot Spot)位置，以利後續的物性故障分析(Physical Failure Analysis，簡稱PFA)。(延伸閱讀：CIS晶片遇到異常 求助無門 怎麼辦)

步驟三：針對熱點區域用光學顯微鏡直接觀測異常點

在晶片上有了準確的定位後，便可大幅縮小須檢視的區域。接著用高解析度光學顯微鏡檢查，此時往往就能發現故障點的蛛絲馬跡，如圖七所示，可以成功進行定位。

步驟四：背向DB-FIB或TEM切片分析，順利找到異常點

不論是在光學顯微鏡下發現疑似異常點，或是已經有準確的熱點定位，接下來都可以進行背向雙束聚焦離子束(Dual-beam FIB，簡稱DB-FIB)與穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy，簡稱TEM)切片分析，來對異常點進行結構確認，以進一步釐清失效原因(圖八)。

補充說明：在步驟一之後，亦可使用Nano-Prober在正面取得精準定位，並用DB-FIB或TEM切片分析

除了宜特獨家的背向亮點定位之外，在某些特殊情況下，無法透過上述電性機台定出異常點位置時，也可使用奈米探針電性量測(Nano-Prober)在樣品的正面進行異常點定位分析，包括電子束感應電流（Electron Beam Induced Current，簡稱 EBIC）、電子束吸收電流（Electron Beam Absorbed Current，簡稱 EBAC）、與電子束感應阻抗偵測（Electron Beam Induced Resistance Change，簡稱 EBIRCH）等定位法(圖九) (延伸閱讀: 名針探精準定位 讓奈米電性量測找出缺陷)。而Nano-Prober亦可針對電晶體進行電性量測，以獲取如Vt、IdVg、IdVd等基本參數。

當透過上述分析手法精準找到異常點後，亦可再透過DB-FIB或是TEM來對異常點進行結構確認。