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芯片解密——逆向分析(下)
橘子说IGBT | 2019-08-16 14:23:51    阅读:594   发布文章

前段时间,有位朋友负责设计研发的1200V FRD芯片在打点测试时出现了阻断电压只有几伏——可以说基本上没有阻断特性——的情况。

对于项目负责人而言,出现问题之后及时分析、正确定位出错点并做出合理的改进是推进项目继续向前的重要手段。

而对芯片进行分析、定位出错点就涉及到我们今天要说的知识点——“染结”了。

上回说到,通过制样、研磨抛光可以获得干净完整的截面样品,通过观察截面结构,我们如果依旧未能发现问题的话,就需要进一步了解芯片P、N型杂质的注入程度。

功率器件最简单的结构就是PN结结构。

PN 结由一个 P 型掺杂区和一个 N 型掺杂区紧密接触构成,其形成方法主要有高温扩散、离子注入、外延生长等,对这部分有兴趣的小伙伴可以自行查阅网上资料,这里就暂时不展开细讲。

目前对 PN 结结深的分析方法有扩展电阻测试(SRP)、电容-电压测试(C-V法)、二次离子质谱测试(SIMS)等,这些测量设备价格昂贵,样品制备要求精细。相比而言,化学染色法成本低廉,操作简单,实验快捷,在生产中得到了广泛应用。

所以在这里我们选择化学染色法来完成对PN结结深的检测。

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特此说明:由于不同染色法之间存在一定的差异,所染出来的PN结结深、形貌也不同。

1、化学染色原理

当我们将磨抛好的样品浸入染色液中一段时间后,由于PN 结的 P 区和 N 区与染色剂的反应速率不同(掺杂区的杂质掺杂量越高,反应速率越快),因此P区和N区的颜色深浅也会出现明显不同。

下面对几种不同的染色方案进行说明。

(1)、铬酸溶液染色铬酸染色溶液主要由三氧化铬(CrO3)、氢氟酸(HF)和水(H2O)组成。

其配比一般为CrO3 的饱和水溶液:

HF=1:10~1:100

CrO3溶于水生成铬酸,遇 HF 生成重铬酸(H2Cr2O7),对于硅材料 PN 结的染色,其化学反应式为:

3Si+2H2Cr 2O7+18HF→3H2SiF6+2Cr 2O3+8H2O

由于 P 区和 N 区存在化学电势差,两个区域的反应速率不同,从而显现 PN 结的界限。

(2)、硫酸铜染色溶液硫酸铜染色溶液主要由硫酸铜(CuSO4·5H2O)、氢氟酸(HF)和水(H2O)组成。

可行的一种配比为 :

 CuSO4·5H2O:48%HF:H2O = 5g:2ml:50ml 

由于 Si 比 Cu 的电化学势高,故能将 Cu 从染色液中置换出来,并在硅片表面淀积薄的铜层。因此,硫酸铜染色液的染色时间不能过长,否则整个 PN 结会全部被铜层覆盖。

当 P 区和N 区的化学电势差较大时,掌握合适的染色时间,PN 结的形貌即可清晰地显现出来。

(3)、醋酸染色溶液醋酸染色溶液主要由氢氟酸(HF)、硝酸 (HNO3 ) 和醋酸(CH3COOH)组成。

通常 HNO3 与 HF 的配比在 20:1~100:1 之间。

对于硅材料 PN 结的染色,其化学反应式为:

Si+2HNO3→SiO2+H2↑+2NO2

4HF+SiO2→SiF4↑+2H2O

醋酸作为缓冲剂,用以调节溶液中 H+ 浓度,控制反应速率。P区和 N 区存在化学电势差,两个区域的反应速率不同,从而显现 PN结的界限。

2、影响 PN 结染色效果的因素

PN 结染色效果与衬底及掺杂杂质的类型和浓度、染色液的种类及配比、染色时间、柱槽大小及形状等因素有关。

相对而言,磷掺杂区多为重掺杂浅结,以上三种染色液滴到该类扩散陪片的柱槽上,在短短几秒至十几秒内均可清晰显现 P 区和 N 区的界限。

而对掺硼硅片,则要求更精确的染色液配比和染色时间的控制,尤其是硫酸铜溶液对染色时间有严格要求,时间稍长柱槽区就会全部被淀积上铜。

3、染结

假设我们选择由氢氟酸(HF)、硝酸 (HNO3)组成的染色溶液。

由于不同芯片的衬底及掺杂杂质的类型和浓度不同,染色时间无法统一。为了染出最好的效果,可以使用多个样品进行不同时间的染色处理,这样通过对比,能够得出更准确的结深和PN结形貌。


染结时间不够,结边缘不清楚表面沾污严重,影响观测

染结时间较好,结边缘清楚可测

染结后,可以用去离子水对芯片截面进行冲洗、吹干,然后用显微镜观测结深。

在观测过程中,我们发现朋友那批失去阻断特性的FRD芯片并无有效P区,这和原始设计严重不符。经过简单排查,最终发现原来是由于代工厂在生产过程中注入了类型相反的杂质,才导致出现了这样的情况。

由此可见,随着半导体芯片集成度越来越高,pn结形貌的分析也越发重要,正确地判断pn结的形貌成为现在和将来都必须要面对和解决的问题。

到此,我们“芯片解密——逆向分析”系列三部曲就暂时告一段落啦,小伙伴们如果有任何疑问都可以在文末留言,我会尽己所能进行解答~

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