パワーデバイスの故障解析 あらゆるサイズ 形状のダイオード MOS FET IGBT 等のパワーデバイスに対し最適な前処理を行い 裏面 IR-OBIRCH 解析や裏面発光解析により不良箇所を特定し観察いたします 解析の前処理 - 裏面研磨 - 平面研磨 各種サンプル形態に対応します Si チップサイズ :200um~15mm 角 ヒートシンク チップ封止樹脂パッケージ状態の裏面研磨 開封済みチップの裏面研磨 不良箇所特定 - 裏面 IR-OBIRCH 解析 裏面エミッション解析 - IR-OBIRCH 解析 :~100m/10V ~100u/25V まで対応感度 : 数十 p 低倍最大視野 :6.5mm 角 Drain Source IR-Laser リーク箇所のピンポイント断面観察 SEM TEM- ボンディング 応力によるクラック Gat e レーザー加熱による電流変化を信号に変換する エミッション解析 : ~2kVまで対応感度 : 数 n 低倍最大視野 :6.5mm 角 Photo Emission リーク電流に伴う微弱発光を高感度カメラで検出する 低倍率 異物のアタック 低倍率 l 高倍率 超高感度近赤外 InGas カメラ使用 クラックゲート酸化膜 高倍率 PKG 樹脂 ILD Poly-Si gate Si IDS 0 チップ単体 Wafer 状態の裏面研磨 低抵抗ショート 微小リーク 高電圧耐圧不良など幅広い不良特性に対応 ショート不良 耐圧不良 旧型冷却 -CCD カメラ使用 Poly-Si gate 絶縁層 P- N+ VDS 良品 高倍率 l Contact ボンディング起因の不良イメージ裏面 OBIRCH 後のFIB-SEM 観察 FIB-SEMによる拡散層観察 (MOS- 機械研磨 SEM 観察 : 大きな破壊箇所 異物 広範囲の観察予測される不良に合わせてSEM FET) 観察 TEM 観察 拡散層観察 :TEM 試料加工前に不良箇所近傍にて観察可能 選択し リーク不良箇所をピンポイントで物理観構造により前処理が必要な場合あり 察 / 元素分析を実施することが出来ます FIB-SEM 観察 : クラック 形状異常 拡散層観察 (~ 50k) 断面 TEM 観察 : ゲート酸化膜の破壊 転位 (~ 400k) 特定位置精度 :±0.3um, 試料厚 :1.5um~
SiC デバイスの裏面発光解析 SiC は従来の Si 半導体と比べ エネルギーロスの少ないパワーデバイスであり注目を集めていますが Si 半導体とは物理特性が異なるため 故障解析も新たな手法が必要となります SI-CCD カメラ (Silicon Intensified CCD camera) 量子効率 (%) 100 80 60 40 20 0 SiC,GaN ホットエレクトロン発光領域 C-CCD Si ホットエレクトロン発光領域 SI-CCD 400 600 800 1000 1200 1400 1600 波長 (nm) LN2-InGas SiC SBD 裏面発光解析事例 浜松ホトニクス社製 SI-CCD カメラ (Si intensified CCD Camera) は信号増幅機能を有し 大幅なノイズ低減により超高感度で可視光領域の発光を検出できます 通常の Cooled-CCD と比較して積算時間が 10 分の 1 で済み 拡大観察時の感度 位置精度が飛躍的に向上します ワイドギャップ半導体の耐圧不良 リーク不良の解析に有効です SiC :SBD MOSFET GaN :HEMT LED LD スライドして切り替え Camera1 Camera2 画像処理装置パターン像 + 発光像 SI-CCD 光学顕微鏡 InGas 最大 2kVの高電圧印加 微弱発光 カソード電極 n - 基板ショットキー接合 n + ドリフト層 p 層アノード電極 Cree 社製 SiC ショットキーバリアダイオード Spec.: ピーク順方向電圧 :1.8V, 逆方向電圧 : 1200V VR=2000V を印加しアバランシェブレイクダウンを起こさせ その箇所を特定する 約 2u で活性領域端部でホットエレクトロン発光を検出した 研磨法にて金属電極除去 SiC SBD 逆バイアスIV 特性 2.5E-06 2.0E-06 1.5E-06 1.0E-06 5.0E-07 0.0E+00 0 500 1000 1500 2000 パターン像 + 発光像 x100 パターン像 + 発光像 x0.8
短波長レーザーによる高分解能 OBIRCH 解析 532nm の短波長レーザーを使用した OBIRCH 解析により 従来の IR-OBIRCH 解析と比較し 飛躍的な空間分解能の向上を実現しました OBIRCH 解析の原理 (Optical Beam Induced Resistance CHange) 電流変化像 Control PC OBIRCH mp Power Unit Scanner 光学顕微鏡 OBIRCH の原理図 IR-OBIRCH 解析と GL-OBIRCH 解析の結果比較 IR-OBIRCH 解析 :1300nm レーザーを使用 IR パターン像 ( 400) パターン像 + 電流変化像 ( 400) GL-OBIRCH 解析 :532nm レーザーを使用 短波長レーザー近赤外レーザー 波長 空間分解能 短波長レーザー (GL) 532 nm 400 nm 近赤外レーザー (IR) 1300 nm 1000 nm 半導体回路に定電流を流し OBIRCH アンプで電流の変化をモニターしつつ レーザーを走査します レーザー加熱による電流変動を 2 次元の画像として表示させ リーク不良箇所を特定します IR-OBIRCH 解析では Si デバイスを裏面から解析するために 基板を透過する近赤外レーザー (Infrared Laser: 以下 IR) を使用しますが 空間分解能が約 1μm という制約があります 短波長レーザー (Green Laser: 以下 GL) は IR と比較して波長が短いため 高い空間分解能が期待できます IR デジタルズーム 4 約 400nm 幅の Poly- Si の TEG 配線に対して 2 つの波長のレーザ - を用いて OBIRCH 解析を実施しました 上段は IR レーザー 下段は短波長レーザーを用いた結果です 電流変化像を赤色と緑色に変換し パターン像と重ね合わせた図が中央のスーパーインポーズ像です 右図はスーパーインポーズ像のデジタルズーム ( 2) です GL パターン像 ( 400) パターン像 + 電流変化像 ( 400) GL デジタルズーム 4 IR レーザーでは配線の 1 本 1 本を識別することは出来なかったが 短波長レーザーでは明瞭に見えており レーザー波長による空間分解能の差が顕著に表れています 空間分解能の影響は電流像にも及び それらを重ね合わせた解析結果では GL と IR で反応箇所の位置特定精度に大きな差が生じています
IDS() SiC デバイスの裏面 OBIRCH 解析 SiC は従来の Si 半導体と比べ エネルギーロスの少ないパワーデバイスであり注目を集めていますが Si 半導体とは物理特性が異なるため 故障解析も新たな手法が必要となります OBIRCH 解析の原理 (Optical Beam Induced Resistance CHange) short heating void laser semiconducto laser r 結合エネルキ ー (ev) I 原子間距離 (nm) SiC MOSFET の解析 半導体回路に定電流を流して OBIRCH アンプで電流の変化をモニターしながら レーザーを走査します レーザー加熱による電流の変動を 2 次元の画像として表示させ リーク不良箇所を特定します 熱伝導度 (W/cmK) SiC 4.50 0.188 4.9 Si 1.12 0.235 1.5 SiC は Si と比べ結合エネルギーが大きく堅牢な構造のため 熱伝導度も高いため局所的な加熱が難しい IR-OBIRCH IR パターン像 + 電流変化像 GL-OBIRCH のみ信号検出される 1.E-05 D-S 間 IV 特性 5.E-06 ID IS IG 0.E+00 0 1 2 3 4 5-5.E-06 GL-OBIRCH GL パターン像 + 電流変化像 TEM 断面位置 波長 (nm) エネルキ ー密度 短波長レーザ (GL) 532 高 近赤外レーザ (IR) 1300 低 短波長レーザはエネルギー密度が高く SiC 構造を効率良く加熱でき また基板を透過するため高感度の OBIRCH 解析が可能である (GL-OBIRCH) リーク箇所断面 TEM 観察 SiO 2 Ref 断面 TEM 像 空洞 n + p Poly-Si 形成不良 Poly-Si Channel SiC -1.E-05 VDS(V) D-S 間 IV 特性 リーク箇所高倍率 IR 像 Cree 社製 SiC MOSFET (Spec:VDSS=1200V, VGS=25V):EOS による D-S 間リークを作製し リーク箇所を特定した 約 8u/3V にて IR-OBIRCH では検出出来なかった微少リーク箇所も GL-OBIRCH では高感度で検出できる リーク箇所断面 TEM 像 Channel 欠損 検出した信号箇所をピンポイントで TEM 観察実施 Poly-Si 形成不良 チャネル部である SiC 界面にて結晶ダメージを確認
バンプ下 ESD 破壊箇所の裏面からの故障解析 半導体素子表面に配線層あるいは W/B パッド バンプ等が存在する場合は表面からの発光解析が困難ですが 裏面から解析を行い 不良箇所の位置特定と物理解析が可能となります EDS 破壊 LED 素子表面と裏面の OBIRCH 解析比較 裏面拡大視野 OBIRCH 電流変化像 OBIRCH 反応 アノート レーサ ー カソート LED チップ 表面 IR-OBIRCH 解析結果および模式図 OBIRCH 反応 裏面研磨 LED 裏面 IR-OBIRCH 解析結果および模式図 表面からの OBIRCH 解析 : バンプ下は直接レーザー光が当たらず チップの裏面で反射した光が間接的に照射されるため 正確な位置が特定できない 裏面からの OBIRCH 解析 : バンプ下にも直接レーザが照射されるため 正確にリーク箇所が特定できる FIB による破壊箇所断面観察 / 裏面からのアプローチ (a) (b) 破壊痕 基板を薄膜化 FIB 加工 : 位置精度サブミクロン SEM 観察 (c) (d) GaN 基板 u PD p-gan u ボンディング u ボンディング (a): 裏面薄膜化後破壊痕跡 : 裏面からの光学像 (b): 試料加工模式図 : OBIRCH 解析にて破壊位置を特定後にさらに薄膜化し FIB にて破壊箇所の断面を作製する (c): 破壊箇所断面全体像 :SEM 観察 (d): 破壊箇所断面拡大像 :SEM 観察 樹脂 ボンディング N-GaN 破壊痕
I() 半導体部品の ESD 試験と解析 ESD(Electro Static Discharge: 静電気破壊 ) は半導体部品の故障原因の 1 つで 回路設計時に対策が施されています この評価は設計どおりに ESD 耐性があるか また予測された部位が破壊しているか 回路設計を検証することが可能です ESD 試験の方法と規格 試験のタイプ モデル準拠規格試験装置詳細 ESD 試験 ラッチアップ試験 IR-OBIRCH 解析による ESD 試験試料の破壊箇所特定 平面研磨 チップ D1 端子 IR-Laser ヒートシンク 解析概要図 人体モデル (HBM) マシンモデル (MM) GND 封止樹脂 裏面研磨 IR-OBIRCH 1.2E-04 6.0E-05 0.0E+00-6.0E-05 JEDEC, JEIT, ESD, IEC JEDEC, ESD, IEC D1-DGND 間 IV 特性 -1.2E-04-2.5-1.3 0.0 1.3 2.5 V(V) 試料は研磨にてヒートシンク 電極部を取除き IR 顕微鏡にて裏面から回路パターンを観察できるようにします 半導体回路に定電圧を印加して OBIRCH アンプで電流の変化をモニターしながら レーザーを走査します レーザー加熱による電流の変動を 2 次元の画像 ( 電流変化像 ) として表示させ リーク不良箇所を特定します IR-OBIRCH 解析で信号が検出され 下図の黄矢印部で溶融破壊の異常が認められました ( 破壊部位特定 ) 破壊前破壊後 東京電子交易 M7000 デバイス帯電モデル (CDM) JEDEC, JEIT, ESD, EIJ 阪和電子工業 HED-C5002 電流パルス印加法 電源過電圧法 コンデンサ電圧印加法 JEDEC, JEIT JEDEC, JEIT EIJ 東京電子交易 M7000 最大印加電圧は人体モデル :4.5kV マシンモデル :2.0kV デバイス帯電モデル :4.0kV です 海外製 /D コンバータ (28pin DIP) マシンモデルの ESD 試験 (MX 印加電圧 1000V) にて 故意に静電破壊を起こし解析試料としました /D コンバータ破壊前後の IV 特性 ( 左図 ) 拡大 IR パターン像 + 電流変化像 10 IR 電流変化像 500 IR パターン像 + 電流変化像 500