晶片有沒有大功率的（人類高質量功率晶片誕生記）

2023-04-18 09:47:13

失效分析趙工半導體工程師 2022-08-19 09:01 發表於北京

當客戶選擇英飛凌的產品時，往往浮現於腦海中的第一印象就是質量好，壽命長，故障少。但什麼才是真正的高質量，而英飛凌又是怎麼做到的嗎？這是英飛凌的秘密，今天我小編一步步透露一點。

功率器件負重前行

IGBT 是應用最廣泛的可控功率電子開關，一個200A 1200V的IGBT4晶片只有指甲大小。你能想像嗎？它可以每個周期快速關斷600安培的電流，電流密度高達300安培每平方釐米！這個耐壓1200V的IGBT晶片只有紙張的厚度，可以想像圍繞晶片的物理界面的機械應力會有多大。

在承受高壓大電流的同時，功率器件還要面臨複雜的工作環境，高溫、高溼、高海拔、宇宙射線等問題無一不制約著功率器件的壽命和可靠性。這樣，一顆足夠強壯的功率晶片就是實現低故障率的重中之重。

客觀認為：

如何來評估一顆功率器件的可靠性？這就要用到FIT和MTBF概念。

FIT率是英文Failures In Time的縮寫，從其字面意思可知，它是以時間維度來表述失效率的，英飛凌每一款功率器件都可以提供FIT率報告。

以IKW25N120H3 25A/1200V IGBT為例，它的FIT率僅0.75ppm(百萬分之一),MTBF（平均無故障時間）達到了1,333,333,333小時，也就是說一萬顆管子在一起工作15年，才可能會有一顆管子出現故障，這真的是一個很驚人的數字。

（什麼是FIT率？請參考如何理解FIT和MTBF）

英飛凌是如何實現如此低的故障率，

持續生產出高質量的晶片呢？

讓我們一起來繼續探索吧!

品質設計

產品是設計出來的，產品質量也是設計出來的！一枚高質量功率晶片始於設計之初的工程藍圖。根據目標應用的壽命需求，我們設計合理的晶片結構與工藝參數，使得電氣性要滿足應用需求，而且器件的長期可靠性及壽命也要滿足應用需求。

舉個例子，海上風電運行壽命是25年，而且還要應對不同的風速變化情況與惡劣的工作環境。而變流器的核心—功率器件的壽命，勢必要在25年之上。為了應對這一挑戰，英飛凌IGBT5晶片優化了結構，並且給晶片表面敷銅，封裝上採用高性能.XT技術，大大提升器件功率循環壽命。

對於有些應用，比如家用電器，它面臨的工作環境和壽命要求就和海上風電完全不同，功率器件的質量設計思路也必須要有所差異。設計之初的差異化，是實現質量精準控制的第一步。

來料控制

晶圓的製造需要高純度的矽片，以及高純度的氣體、化學試劑等。英飛凌會對來料進行認證檢測確保符合生產要求。

舉個例子，現在的NPT及FS型IGBT晶片使用高純度的區熔單晶（FZ）。摻雜濃度的均勻性對功率器件是非常重要的。如果在晶片中存在摻雜濃度（或局部缺陷）的變化，電流可能分布不均勻，特別是在雪崩擊穿時，這可能造成局部過熱和器件損壞。英飛凌會對來料進行嚴格的認證檢測確保符合生產要求。

生產流程

晶圓的生產類似搭積木，需要經過反覆的循環步驟，才能製造出最終產品。

舉個例子，英飛凌絕大部分的IGBT和所有的SiC MOSFET均使用溝槽柵結構，然而要在堅硬的Si或者SiC表面刻蝕出表面光滑的溝槽並不是一件容易的事，尤其是SiC的莫氏硬度為9.5級，僅次於世界上最硬的金剛石（10級），在SiC表面刻槽更是難上加難。因此，溝槽柵的設計-製造環節須歷經長期技術沉澱。通過酸腐蝕工藝製備溝槽時，須對溝槽的寬度和深度實現精確控制。同時，IGBT 溝槽底部的倒角需要非常圓潤光滑，以免影響器件耐壓。而溝槽形貌與設備條件、刻蝕工藝和後處理有著十分緊密的聯繫。

下面是IGBT7的剖面圖，從縱向結構看，一個IGBT有多個層次，例如金屬層、柵極氧化層、多晶矽層、N 發射極、P基區、N-漂移區、N緩衝層、P 集電極區等等。

為了形成這些層次，IGBT需要經過多次離子注入、退火、清洗等工藝，一個Wafer要在設備間循環往複數百次，才能得到最終的晶圓產品，每一步的工藝控制都對成品率及可靠性有重要影響。

對於生產的每一步驟，英飛凌都採用統計製程控制，確保每道製程的產出都在正常範圍之內才會進行下一道工序的生產。例如檢查晶圓不同區域沉積層的厚度，當有異常情況就需要停止生產直至找出根因才會繼續。

缺陷篩查

缺陷篩查在晶片生產過程中尤為關鍵。微結構的晶圓對極小的灰塵顆粒敏感，因為它們會影響電路並造成失效。因此晶片生產車間提出了百級潔淨度的要求，所謂「百級」潔淨，即每立方英尺的空氣中≥0.5微米粒徑的粒子數量不超過100個，堪比最高潔淨等級手術室的標準。要達到如此高的潔淨度標準，除了複雜的空氣淨化措施之外，最重要的就是控制人員進入！是的，人體就是晶片工藝車間裡最大的汙染源。為了提高自動化程度，減少人員使用，英飛凌大量使用機器人。英飛凌位於奧地利維拉赫的新半導體工廠耗資16億元，佔地6萬平方米，大約有8個足球場那麼大，但由於採用了高度自動化技術，整個工廠只需要10名工人就能維持運營！每個工人的產值有多高！

另外，材料的固有缺陷也會影響最終的成品率。舉個例子，在雙極性運行（PN結，比如MOSFET的體二極體，在導電時）條件下，任何類型的SiC器件都可能出現雙極退化效應。這種效應主要是由SiC晶體上早先存在的基底面位錯（BPD）觸發的。它可能導致晶片的有效有源區域縮小，二極體通態壓降逐漸增加。但是，我們可以採取優化的晶片生產工藝抑制這一缺陷，以及在晶片出廠之前執行有效的篩查措施，確保交付給客戶的產品擁有穩定的性能。

這是一項極其挑戰的任務，因為它就好像是在足球場裡找出散落的圖釘。但是為了最終的極限品質，英飛凌願意克服困難，來執行100%的缺陷掃描，將有缺陷的產品篩選出來。

可靠性驗證

功率晶片要通過多重的可靠性的考驗才能最終上市。這些考驗包括HTRB，HTGB，PC,TC等等，下面是你能在官網上看到的，英飛凌依據JEDEC標準，出具的可靠性報告中部分條目：

IMW120R045M1 1200V 45mohm SiC MOSFET質量報告中的電參數部分

但英飛凌不會滿足於此，我們真正執行的可靠性實驗標準遠超JEDEC。如下圖所示，是你看不見的，CoolSiC™ MOSFET默默執行的實驗標準。HTRB和HTGB（即HTGS）的合格應力時間為1000小時，但英飛凌實際測試的時長是2000小時，是標準時間的2倍！而且，動態應力試驗很重要，因為它們可能觸發在遵循標準的靜態試驗中觀察不到的失效機制，所以我們做了很多JEDEC標準裡並沒有列出來的實驗，如動態H3TRB和動態反向偏壓（DRB）。而這些試驗中都未發現任何系統的壽命終期失效機制。