溝槽柵FS-IGBT HTRB失效的調(diào)查分析

梁賽嫦 史波 江偉 敖利波

摘? 要：IGBT作為功率轉(zhuǎn)換、功率控制的新型器件，已廣泛應(yīng)用于變頻空調(diào)、電磁爐、電飯煲等產(chǎn)品。鑒于成本壓力，在通流能力保持不變的前提下，IGBT將變得更小更薄。工藝上不論是給晶圓代工廠還是封裝代工廠，都是極大地挑戰(zhàn)。本文主要通過(guò)對(duì)溝槽柵FS-IGBT芯片封裝后，HTRB上機(jī)時(shí)出現(xiàn)漏電增長(zhǎng)的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查分析，澄清在芯片設(shè)計(jì)不變的前提下，找出HTRB失效的解決方法。

關(guān)鍵詞：溝槽柵FS-IGBT;HTRB;漏電檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN322.8? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）09-0025-05

0? 引? 言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），又稱(chēng)絕緣柵雙極型晶體管，可以簡(jiǎn)單地看成為一個(gè)電路開(kāi)關(guān)，導(dǎo)通電壓達(dá)幾百伏，甚至上千伏，電流幾十到幾百安培，為弱電控制強(qiáng)電的功率器件，而溝槽柵FS-IGBT（Field Stop，場(chǎng)截止）具有通態(tài)損耗低，通流能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、白色家電、汽車(chē)電子等消費(fèi)領(lǐng)域。

因IGBT工作在高壓大電流高溫的嚴(yán)苛環(huán)境下，且所代表的產(chǎn)品更新?lián)Q代周期較長(zhǎng)，所以IGBT流入市場(chǎng)前必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的可靠性驗(yàn)證。

HTRB（High Temperature Reverse Bias，高溫反偏試驗(yàn)）為驗(yàn)證IGBT芯片性能最為關(guān)鍵的可靠性試驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方法是在IGBT結(jié)溫條件下，施加最大反偏電壓的80%或100%，在電和熱應(yīng)力的作用下，監(jiān)控集電極和發(fā)射極漏電情況。

溝槽柵FS-IGBT晶圓厚度較薄，一般在70-100μm左右，且大小為8寸，不論是晶圓流片，還是封裝加工，在工藝實(shí)現(xiàn)上都是挑戰(zhàn)。

本文主要對(duì)溝槽柵FS-IGBT做HTRB可靠性試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)漏電急劇增長(zhǎng)的問(wèn)題展開(kāi)調(diào)查分析，先從封裝代工環(huán)節(jié)切入，逐一排查，再?gòu)木A流片工藝角度進(jìn)行分析，以找到影響HTRB漏電問(wèn)題的關(guān)鍵因素，從而推動(dòng)產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度。

圖1為產(chǎn)品焊線圖，以此原型進(jìn)行封裝分析。

圖2HTRB漏電曲線圖橫坐標(biāo)單位為時(shí)間小時(shí)（h），縱坐標(biāo)單位為電流微安（μA）。從圖中曲線可看出，漏電在極短時(shí)間內(nèi)急劇上漲后跌為零，表明產(chǎn)品已被擊穿，產(chǎn)品下機(jī)，F(xiàn)T失效。抽取樣品進(jìn)行開(kāi)封分析，發(fā)現(xiàn)失效點(diǎn)帶有規(guī)律，均在焊線下方芯片右下角附近。如圖3所示。

1? 焊線應(yīng)力對(duì)可靠性影響分析

根據(jù)以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，初步推斷失效可能跟焊線應(yīng)力對(duì)芯片造成的損傷有關(guān)，安排實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，看問(wèn)題是否重現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)中分別從減小線徑，減少焊線數(shù)量，改變線材及旋轉(zhuǎn)芯片四個(gè)方面與原始條件作對(duì)比，減少線徑、焊線數(shù)量的目的為降低應(yīng)力對(duì)芯片的影響;鋁線變更為金線，其焊線工藝基本不一樣，可判斷是否為焊線工藝的影響;旋轉(zhuǎn)芯片，主要看如果產(chǎn)品失效，失效點(diǎn)是仍在芯片右下角，還是會(huì)隨著焊點(diǎn)而發(fā)生轉(zhuǎn)移，或是由于其它工藝原因?qū)е碌氖?。如?所示。

由漏電曲線圖4可看出，不管哪種實(shí)驗(yàn)，HTRB漏電仍然是短時(shí)間內(nèi)驟增后降為零，器件燒壞。抽取樣品開(kāi)封分析，如圖5所示，失效點(diǎn)位置存在飄移，不再在焊線區(qū)域右下方，而是隨機(jī)分布，證明本實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有根本解決HTRB漏電驟增問(wèn)題，從而得出焊線過(guò)程導(dǎo)致的HTRB失效為小概率事件，關(guān)鍵因素需進(jìn)一步澄清。

2? 上芯過(guò)程對(duì)可靠性影響分析

對(duì)問(wèn)題進(jìn)行拓展，是否在焊線前就已存在芯片異常，因FS型IGBT芯片較薄，上芯過(guò)程如果按一般芯片的方式進(jìn)行作業(yè)，容易導(dǎo)致芯片發(fā)生裂片。對(duì)于超薄芯片，采用特殊頂針座，頂針在4根以上，保證受力均勻，生產(chǎn)過(guò)程保證空洞、BLT、結(jié)合材覆蓋率、翹片數(shù)據(jù)等均在規(guī)格范圍內(nèi)，產(chǎn)品全檢后再進(jìn)行焊線、塑封等制程。之后，安排可靠性試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示，漏電同樣驟增，與原始結(jié)果基本一致，問(wèn)題沒(méi)有解決。

為驗(yàn)證產(chǎn)品失效是否由于上芯過(guò)程導(dǎo)致芯片可能存在的暗裂（因暗裂不容易被檢出），故而采取惡化實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助，對(duì)同批次產(chǎn)品進(jìn)行TCT 168cylces（溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)），TCT前后FT均pass，表示產(chǎn)品無(wú)暗裂風(fēng)險(xiǎn)。

以上實(shí)驗(yàn)表明上芯過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)異常，但HTRB同樣出現(xiàn)漏電劇增現(xiàn)象，根本原因需要進(jìn)一步排查。

3? 封裝材料對(duì)可靠性影響分析

因?yàn)榈谝淮伍_(kāi)封的產(chǎn)品失效點(diǎn)帶有規(guī)律性，而第二次及后續(xù)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)封，失效點(diǎn)又變得沒(méi)有規(guī)律，可能原因?yàn)闃悠妨坎蛔銓?dǎo)致的誤判。排除封裝上芯及焊線工藝因素，從結(jié)合材和塑封料進(jìn)行分析，封裝過(guò)程導(dǎo)致失效的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）上芯過(guò)程，結(jié)合材不均勻，接觸面存在空洞;

（2）塑封過(guò)程，塑封料填充不滿，導(dǎo)致在高溫條件下，空洞膨脹，造成芯片損傷，同時(shí)兩端接高壓，在芯片最薄弱處發(fā)生擊穿失效;

（3）塑封料與芯片不匹配，導(dǎo)致應(yīng)力得不到釋放;

（4）由于環(huán)境或人為因素（濕氣、沾污等），芯片或框架處出現(xiàn)塑封分層。

為證實(shí)以上所列懷疑點(diǎn)，在上芯和焊線條件保持不變的前提下，安排5組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，如表2所示。

實(shí)驗(yàn)一為原始封裝條件，實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三塑封料分別從A更換為塑封料B和C，實(shí)驗(yàn)四更換為結(jié)合材B，實(shí)驗(yàn)五使用金屬封裝，不需進(jìn)行塑封制程，從根本上判斷漏電是否跟塑封料有關(guān)。

對(duì)以上實(shí)驗(yàn)先進(jìn)行首件檢驗(yàn)，確保制程沒(méi)有異常。進(jìn)行C-SAM及X-ray掃描，結(jié)果如圖7和圖8所示?？梢钥闯觯庋b過(guò)程并沒(méi)有出現(xiàn)異常，分層及空洞比例均在規(guī)格范圍內(nèi)。

從圖9的實(shí)驗(yàn)四看，結(jié)合材對(duì)漏電曲線影響不明顯，主要表現(xiàn)為漏電太大，已到設(shè)備保護(hù)界限，設(shè)備反復(fù)降壓后電流再次極速上漲，實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)，下機(jī)處理，與原始條件對(duì)應(yīng)的結(jié)果基本一致，器件燒傷失效。而實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三，塑封材料對(duì)HTRB漏電結(jié)果影響較大，短時(shí)間內(nèi)的燒傷問(wèn)題得到解決，但漏電趨勢(shì)隨著時(shí)間推移而不斷增大，可看出塑封料對(duì)HTRB漏電改善明顯，但仍未能根本解決問(wèn)題。金屬封裝整個(gè)封裝過(guò)程與塑封工藝不一致，結(jié)果同樣出現(xiàn)漏電增大現(xiàn)象，此條件已基本可排除塑封料導(dǎo)致的HTRB失效。

綜合以上分析，在封裝制程方面已基本調(diào)查清楚，但其非導(dǎo)致HTRB漏電失效的根本原因，需同時(shí)從晶圓流片角度（包括正面及背面工藝）進(jìn)行分析。

4? 晶圓厚度對(duì)可靠性影響分析

場(chǎng)終止（FS）結(jié)構(gòu)，需要對(duì)硅片背面進(jìn)行減薄，而IGBT減薄工藝為晶圓代工廠比較核心的關(guān)鍵技術(shù)。晶圓表面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保持不變，正面工藝制程完成后，背面不進(jìn)行減薄，以驗(yàn)證是否由晶圓背面工藝導(dǎo)致的HTRB失效。此晶圓流片出來(lái)后按最開(kāi)始的封裝條件完成封裝，曲線如圖10所示。

圖10? 晶圓不減薄封裝后的HTRB漏電曲線圖

超薄IGBT雖然給晶圓廠或封裝廠帶來(lái)工藝難題，但從圖10結(jié)果可看出，晶圓厚度或晶圓減薄工藝并不是使HTRB失效的主要原因。

5? 晶圓正面工藝對(duì)可靠性影響分析

排除前三種原因，對(duì)正面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。溝槽柵FS-IGBT器件形貌結(jié)構(gòu)分元胞區(qū)和終端區(qū)兩種，元胞結(jié)構(gòu)主要由柵極、層間絕緣層、接觸孔、金屬集電極和鈍化層等組成，終端結(jié)構(gòu)由復(fù)合場(chǎng)限環(huán)、復(fù)合場(chǎng)板、層間絕緣層和鈍化層構(gòu)成。形貌結(jié)構(gòu)對(duì)IGBT的性能和可靠性有著至關(guān)重要的影響。

對(duì)不良品的接觸孔進(jìn)行FIB（Focus Ion Bean）分析，發(fā)現(xiàn)部分開(kāi)孔沒(méi)有打開(kāi)，對(duì)CT（Contact） layer進(jìn)行FEM（Focus Energy Matrix，焦距能量矩陣）確認(rèn)，由于CT處臺(tái)階高度及所處位置有差異，導(dǎo)致CT的曝光結(jié)果有差異。因此，若不進(jìn)行CT改版，通過(guò)減小poly的厚度，降低臺(tái)階高度，同時(shí)確保溝槽柵填充完整，BPSG增加B/P濃度，改善形貌平滑度，增大注入劑量及CT曝光量，令通孔全部打開(kāi)，如圖11所示。

以下為改善后的HTRB漏電曲線圖，如圖12所示?？梢钥闯?，HTRB實(shí)驗(yàn)已進(jìn)行300小時(shí)，漏電一直保持6μA左右，沒(méi)有出現(xiàn)之前的短時(shí)間內(nèi)漏電驟增，產(chǎn)品失效等現(xiàn)象。產(chǎn)品下機(jī)、FT pass、HTRB問(wèn)題得到根本性解決。

6? 結(jié)? 論

本文通過(guò)對(duì)HTRB漏電驟增問(wèn)題展開(kāi)調(diào)查分析，分別從封裝代工及晶圓流片工藝兩個(gè)角度進(jìn)行分析，得出兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：封裝塑封料對(duì)HTRB漏電曲線改善明顯，但隨著時(shí)間推移，器件同樣會(huì)發(fā)生失效，不能根本解決漏電增長(zhǎng)問(wèn)題;晶圓工藝上的缺陷與IGBT的HTRB結(jié)果有強(qiáng)相關(guān)性，只有找出失效位置，排查晶圓流片制造過(guò)程出現(xiàn)的異常，保證晶圓流片出來(lái)的形貌及尺寸滿足設(shè)計(jì)仿真結(jié)果，才能確保芯片性能。

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作者簡(jiǎn)介：梁賽嫦（1989.09-），女，漢族，廣東江門(mén)人，功率半導(dǎo)體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師，學(xué)士，研究方向：封裝工藝研究、產(chǎn)品導(dǎo)入、封裝制程失效分析。