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Bild 1: Herkömmlicher diskreter Leistungsmosfet: Das Gate befindet sich in der Ecke und der Rest der Stirnfläche dient als Source. Der Drain befindet sich an der Rückseite des Chips.
Bild 2: Drain-Source-Stromspannungskurve mit schwachen Leckstrom im Vergleich mit Kontrollteil.
Bild 3: Auf Erwärmung zurückzuführende Verfärbung in der Umgebung eines mit FIB geschnittenen Bereichs eines Chips.
Bild 4: REM-Bilder des verfärbten (a) und des normalen (b) Bereichs, auf denen die Verfärbung als Ergebnis der Oberflächenrauheit zu sehen ist.
Bild 5: Verfärbter Bereich (a. optisch und b. REM) einer Baugruppe mit schwachem Leckstrom nach 4 Tagen Dauerbelastung.
Bild 6: Konzeptionelle Darstellung der Blockierung der Source-Ionenimplantation. Über den blockierten Bereich wird der Kontakt zum FET-Körper hergestellt.

Leckströme können entweder die Ursache oder die Folge von Störungen in integrierten Schaltkreisen (ICs) sein. Die vorhandenen Möglichkeiten zur Erkennung, die auf mit dem Leckstrom einhergehender Wärme oder Nah-Infrarot-Strahlung basieren, sind recht wirksam. Allerdings nur, solange der „Hotspot“ nicht durch Metall blockiert ist und – was noch wichtiger ist – der Leckstrom stark genug ist, um Wärme oder Strahlung oberhalb des für die Erkennung relevanten Grenzwerts zu generieren. Mit Vishays modernem Verfahren können unter Ausnutzung einer durch Sauerstoff-Implantation entstehenden besonderen Eigenschaft örtlich begrenzte Leckströme erfasst werden, die sich unterhalb der bisher erkennbaren Werte bewegen.

Für Schadensanalytiker ist das Auffinden schwacher Leckströme schon immer mit Schwierigkeiten verbunden. Die Entwicklung verschiedener Methoden der Schadensanalyse (Failure Analysis, FA), wie Flüssigkristalle, Emissionsmikroskopie (Front- und Rückseite), FIB, FMI und XIVA lässt sich größtenteils als eine Reaktion auf die damaligen Probleme bei der Schadensanalyse betrachten. Bei den heute angewandten FA-Methoden wird versucht, den normalerweise örtlich begrenzten „Fehler“ zu lokalisieren. Dazu werden die Reaktionen des Leckstroms auf bestimmte Reize, beispielsweise die elektrische Vorspannung, die den Gerätefehler verursacht, erfasst. Reaktionen können in Wärmeentwicklung, Fotoemissionen (Nah-Infrarot bis sichtbare Strahlung), Änderung des Widerstandes, integriertes Feld am p/n-Übergang, Brechungsindex, Ätzrate oder Ausrichtung der Kristalle bestehen. Heute gibt es verschiede Möglichkeiten, um diese Reaktionen zu erkennen und zu untersuchen. So kommen häufig Flüssigkristalle zum Einsatz, um eine Stelle aufzuspüren, an der eine höhere Temperatur als in der Umgebung herrscht. Mit Hilfe von Emissionsmikroskopie lässt sich nach Fotoemissionen suchen, die von der schadhaften Stelle ausgehen. Bei starken Leckströmen lassen sich Stellen, an denen erhöhte Wärmeentwicklung oder Emissionen auftreten, für gewöhnlich ohne größere Schwierigkeiten finden. Natürlich ist das auch von der Erfahrung der Schadensanalytiker und der Empfindlichkeit der Instrumente abhängig, aber die Erfolgsquote ist so hoch, dass die meisten FA-Labore inzwischen auf solche Methoden setzen.

Auf einen Blick

Der technologische Fortschritt macht es möglich –  in einen IC lassen sich immer mehr Funktionen integrieren. Allerdings haben moderne Halbleiterchips auch zwei entscheidende Probleme. Zum einen die Wärmeentwicklung und zum anderen die Leckströme. Hier spielt es eine wichtige Rolle, diese rechtzeitig zu erkennen. Schwierigkeiten machte es insbesondere schwache Leckströme auszumachen. Vishays modernes Verfahren soll dem Abhilfe schaffen.

Die Analyse sehr niedriger Leckströme ist jedoch bis heute mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden – insbesondere wenn der zu untersuchende Bereich durch eine starke Metallplatte oder mehrere Metallschichten verdeckt ist, wie sie in vielen ICs vorhanden sind. Leider werden mangels besserer Methoden fehlerhafte Bauteile in der Regel einfach zerlegt und nach sorgfältiger Prüfung als „fehlerfrei“ ausgewiesen. Obwohl nicht unbedingt eine Schwachstelle, ist dieses Verfahren doch kaum zufriedenstellend.

Statt eine eventuell vorhandene exakte Fehlersignatur zu suchen, gibt es eine moderne Methode, mit der zuerst eine Art Markierung neu gesetzt oder verstärkt werden kann. Als Schlüssel dieser Methode wird zunächst sichergestellt, dass die Markierung für das vorliegende Problem zweifelsfrei zutrifft, und dass man sie anschließend eindeutig aufzeigen kann. Je nach eingesetzter Methode kann sich die Fehlersignatur erheblich unterscheiden. Unter Umständen sind verschiedene Techniken notwendig, um die Markierung zu setzen oder zu verstärken. Vishay zeigt die moderne Methodik anhand eines vertikalen diskreten Leistungsmosfets auf.

Herausforderung Leistungsmosfet

Leistungsmosfets stellen an den Analytiker hohe Anforderungen, obwohl sie mit drei Anschlüssen eigentlich recht einfach aufgebaut sind. Bild 1 zeigt einen herkömmlichen diskreten Leistungsmosfet, bei dem der Gate-Kontakt auf der Oberseite angelegt ist, und der Rest der Stirnfläche als Source dient. Der Drain des FETs befindet sich an der Rückseite des Chips. Der Strom fließt zwischen Drain und Source.

Um den Ausbreitungswiderstand der Source zu reduzieren, ist die Metallschicht an der Oberseite im Normalfall mindestens 3 µm dick. Dadurch wird der schwache Leckstrom – im Gegensatz zu den Signalen, die am Metallrand oder durch die Fuge zwischen den Metallschichten austreten – von der Oberseite aus nicht erkannt. Rückseitige Emission oder XIVA können hier etwas Abhilfe schaffen. Aufgrund der Abschwächung des Signals durch das Siliziumsubstrat und nicht zuletzt die Schwierigkeiten bei der Probenvorbereitung sind hier jedoch enge Grenzen gesetzt. Als letzter Ausweg wäre noch die Brachialvariante in Erwägung zu ziehen: Zerlegen des Bauteils und die Suche nach dem Defekt. Allerdings lässt sich dieser Vorgang nicht rückgängig machen, wenn kein Fehler gefunden wird.

Um eine physische Schadensanalyse zu rechtfertigen, muss der Leckstrom örtlich begrenzt oder ungleichförmig sein. Andernfalls würde es sich lediglich um ein generelles Problem mit der Bauart oder dem Prozess handeln. Bild 2 zeigt ein Beispiel für einen schwachen Leckstrom zwischen Drain und Source, der in der Strom-Spannungs-Kurve einen „Höcker“ verursacht. Dieser Höcker zeigt eine Anomalie des Bauteils im Vergleich mit einem Kontrollteil. Allerdings ist dieser Leckstrom zu schwach, um ihn mit einer der bekannten FA-Methoden zu erkennen. Eine andere Methode, um so einen Leckstrom zu analysieren, ist also notwendig.

Die zur Arbeitsroutine gehörenden Schadensanalysen haben erwiesen, dass die Oberfläche des Chips nach Ätzen mit gepufferter HF-Lösung (BOE; Buffered Oxide Etch) oft verfärbt erscheint, wenn sie örtlich begrenzter Wärmeeinwirkung ausgesetzt wurde, wie es beim Schneiden mit FIB oder Lasermarkierung der Schadstelle der Fall ist (Bild 3). Weitere Untersuchungen haben aufgezeigt, dass die Verfärbung durch eine Veränderung der Oberflächenrauheit in dem Bereich ausgelöst wird, der der Wärmeeinwirkung ausgesetzt war (Bild 4). In Bild 5 wird weiterhin deutlich, dass die Rauheit eine Folge von ungleichmäßigem BOE in dem verfärbten Bereich ist. Durch den Kontrast in einem optischen oder durch Elektronenstrahl produzierten Bild ist daher der Bereich erkennbar, in dem die Anomalie auftritt. Bei diesem Bereich handelt es sich exakt um den Bereich, in dem der Leckstrom auftritt.

Auswirkungen vom Sauerstoff betrachten

Die Entdeckung, dass BEO zu Oberflächenrauheit führt, zeigt, dass im verfärbten Bereich in Oberflächennähe Oxid vorhanden ist. Im verfärbten Bereich (Bild 4) befindet sich ein kreisförmiges Muster, das augenscheinlich glatt ist. Eine Gegenprobe mit der Waferbearbeitung verdeutlicht, dass der Bereich während der hochdosierten Ionenimplantation blockiert war. Das heißt: Wo keine Implantation stattfand, gibt es also auch kein Oxid.

Bild 5 zeigt eine konzeptionelle Darstellung der blockierten Ionenimplantation für einen bestimmten Bereich, dessen Aufgabe ist, mit dem FET-Körper Kontakt herzustellen. Diese Kontakte kommen in der Regel zum Einsatz, um ein Zurückschnappen des FETs im Hochstrombetrieb zu verhindern. Ein Vergleich mithilfe von energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) zwischen verfärbtem und normalem Bereich eines Mosfetschips zeigt, dass der Sauerstoffgehalt im TUB-Kontakt zwischen den beiden Bereichen gleichwertig ist. Im Gegensatz dazu weist der Source-Bereich des verfärbten Kontakts einen sehr viel geringeren Sauerstoffgehalt auf als der normale Kontakt, weil hier das Oxid während des BOE-Prozesses abgebaut wurde.

Implantation durch eine Oxidschicht, wie in Bild 6 zu sehen, sorgt für eine hohe Streuung der Ionen und minimiert den Kanalisierungseffekt. Diese Zerstreuung durch die Oxidschicht kann unerwartete Begleiterscheinungen mit sich bringen. Beispielsweise kann die Zerstreuung der Ionen durch die Oxidschicht bei Bor zu verbesserter Kanalisierung und größerer Profiltiefe führen.

Ein weiterer Effekt: das Knock-in von Sauerstoffatomen aus der instabilen Oxidschicht in die amorphe Siliziumoberfläche durch hoch dosierte Implantation. Der Sauerstoff ist zudem für die Entstehung von sauerstoffarmen Komplexen während der Wärmebehandlung durch Positronenannihilations-Spektroskopie (PAS) und Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) verantwortlich. So ist es nicht verwunderlich, dass im implantierten Bereich Sauerstoff auftrat. Ausgehend von Bild 4 und der Tatsache, dass Mosfets auf diesen implantierten Bereichen wie Source, einen niedrigen RDS(ON) aufweisen können, liegt die Vermutung nahe, dass Sauerstoff erst bei Erwärmung chemisch aktiv wird.

Einen schwachen Leckstrom erkennen

Um also dort, wo ein schwacher Leckstrom auftritt, zu einer gleichartigen Signatur zu gelangen, muss der Sauerstoff in diesem Bereich erheblich erwärmt werden. Zum Erwärmen wird die Substrattemperatur so weit wie möglich erhöht während die elektrische Signatur der Anomalie, in diesem Fall der „Höcker“, sichtbar bleibt. Zur Sicherstellung einer vollständigen Fehlersignatur wurde die Temperatur für mehrere Tage beibehalten. Bild 6 zeigt das Ergebnis einer Baugruppe mit Leckstrom nach 4 Tagen Dauerbelastung. Die Stärke des Leckstroms bei Zimmertemperatur hat sich nach der Belastung nicht wesentlich verändert, die Verfärbung markiert jedoch den abnormalen Teil der Baugruppe für weitere Forschungen.

Fazit

Mit dem modernen Verfahren lassen sich unter Ausnutzung einer durch Sauerstoff-Implantation entstehenden Eigenschaft örtlich begrenzte Leckströme erfassen, die sich unterhalb der bisher erkennbaren Werte bewegen. Die kontrollierte Vergrößerung des Lecks beweist ihre mögliche Lokalisierung in integrierten Schaltkreisen. Auch wenn zur Illustration ein diskreter Leistungsmosfets zum Einsatz kam, ist Vishay davon überzeugt, dass das Konzept auf andere ICs anwendbar ist – solange eine örtliche begrenzte kleine Wärmemenge eine Änderung bestimmter Eigenschaften herbeiführen kann, so dass sich ein Kontrast erzeugen oder markieren lässt. 

Die Autoren: A. Chiang, H. Wu, H. Nguyen, W. Pratchayakun und P. Le von Vishay Siliconix.