半导体工艺（八）量测&检测
我们在市场上通常会听到某某产品一致性不太好，一致性指同一规格型号的所有产品之间的参数，电学特性，可靠性，等等的相似度。包括同批次一致性和不同批次一致性。一致性不好的半导体器件会给终端应用带来可靠性，稳定性方面的隐患。例如在早先年的晶体管音频功放应用，大家会把参数匹配度高的对管一起用，来减少音频放大失真。又如目前热门应用的储能逆变器，需要大量并联功率器件来使用，如果器件一致性不好，会造成所并联的器件之间承担的损耗和压力不同，温升不一致，甚至出现难以预测的炸管（失效）。那么，要保证器件的高度一致性，就需要一系列的量检测手段来确保在生产过程中每一道工序偏差都在预定的可接受范围内。
量检测贯穿了半导体制造的全部过程，主要用于测量或检测产品在生产过程中和生产之后的各项性能指标,产品缺陷，是否满足要求，能有效避免失效损失呈指数级增长。考虑到不同产品批次之间的偏差，同批次晶圆之间的偏差，晶圆内的偏差，芯片之间的偏差，晶体管之间的偏差，虽然我们无法制作完全一样的东西，但必须确保成品在一定偏差范围内。
前段量检测注重过程工艺监控，偏向于外观性，物理性测量和检测，主要使用光学检测设备及各类缺陷检测设备来
后段检测设备注重产品质量监控，偏向于功能性，电性能检测。
前段半导体量测主要包括：
1.套刻对准的偏差测量，如果微影过程中的套刻精度超过误差接受范围，那么层间设计电路可能会因为位移而产生开路或短路。
2.薄膜材料的厚度测量，金属，绝缘体，光刻胶，多晶硅薄膜，其厚度的任何变化都会对器件产生直接影响，薄膜材料的力学性能，透光率，磁性，导热性都与厚度有密不可分的关系。
3.晶圆在光刻胶曝光显影后、刻蚀后和CMP 工艺后的关键尺寸（CD）测量；进行关键尺寸的测量的一个重要原因是要实现对线宽的准确控制，也是对半导体器件性能控制的关键。例如MOSFET的栅宽决定了沟道长度，沟道长度又会影响阈值电压，导通电阻，开通速度等等参数和性能。
4.其他：如晶圆厚度，弯曲翘曲（Bow/Warp），1D/2D 应力stress，晶圆形貌，四点探针测电阻RS，XPS 测注入含量等，AFM（原子力显微镜）/Metal plus（超声波）测台阶高度（Step Height）等。
前段半导体检测主要包括：
1.无图形缺陷检测，包括颗粒（particle）、残留物（residue）、刮伤（scratch）、警惕原生凹坑（COP）等；
2.有图像缺陷检测，包括断线（break）、线边缺陷（bite）、桥接（bridge）、线形变化（Deformation）等；
3.掩模版缺陷检测，包括颗粒等；
4.缺陷复检，针对检测扫出的缺陷（位置，大小，种类），用光学显微镜或扫描电镜确认其存在。
免责申明：全文转自微信公众号 James 华芯 。感谢原文作者的贡献，仅用于学习和普及。如有侵权，请联系删除。
功率半导体测试，这个值得一看
功率半导体赛道火热，尤其受到电动汽车与能源行业的热烈追捧。那么，如何确保功率半导体的性能呢？关键在于精准测试。NI将在SEMICON（NI 展位号：N4馆N4356）展示其最新功率半导体测试方案，现场还可与SET技术工程师交流。
WBG半导体可靠度测试H3TRB专区
对于H3TRB动态测试，SET提供的系统可将行业的扩展要求转化为自动动态测试。系统特别注重灵活性，以便能够快速满足不断变化的要求。
测试类型
动态 H3TRB/ DRB 测试系统
测量技术
◆每个系统80-240个被测设备（80个被测设备1个高压电源）
◆0V至1500V；4A，用于80DUT
◆单个DUT泄漏电流测量（静态H3TRB期间）
80个测量通道◆通过关闭开关提供单个DUT过流保护
基于硬件的单个DUT快速关断，应力阶段为65mA±20%，读出阶段为650μA±20◆单DUT电压控制
主动电压控制可将负载电压补偿至<±0.5V动态测试输出级
◆最大输出电压高达1500V
◆输出频率可在0Hz至500kHz之间配置（最大频率取决于电压和DUT电容）
◆占空比在25%至75%之间可变，每5%为一档
软件和测试程序
◆全自动测试程序
◆测量数据保存在tdms文件中
◆基于NILabVIEW和TestStand的软件
安全
◆用软件连接和评估试验箱的外部安全锁
◆高压插头连接的安全电压监控
◆高压供电设备的安全释放
最新一代功率半导体SiC凭借其在禁带宽度和热导率等方面的优势，成功击中高功率高能效应用需求。SiC测试有何挑战与应对方法？以下技术文章介绍了使用动态栅极应力(Dynamic Gate Stress, DGS)测试过程对基于SiC的功率半导体进行新型可靠性测试的意义 。相信您看完会受到启发。
文章作者：
艾默生测试与测量业务集团-NI旗下公司SET GmbH半导体研究主管 Gabriel Lieser
碳化硅(SiC)组件拥有众多技术优势，适用于要求严格的应用。但硅(Si)组件和SiC组件之间存在结构差异，该差异会影响可靠性测试。
SiC（碳化硅）因其诸多出色性能成为半导体市场的重要材料。SiC的电气击穿电压高于硅，因此可以提升组件的性能和效率。SiC还支持在更高温度下运行，这样更有利于散热，并可在更小的空间内实现更出色的性能。由于SiC具有高导热性，使组件在严苛条件下也可高效运行。SiC组件的高开关频率支持更小巧轻便的设计，这一点作为主要优势使其可用于众多应用。得益于上述特性，SiC涉及的应用行业日益广泛，如电动汽车、可再生能源、工业驱动技术和航空航天。
SiC功率半导体需要新的可靠性测试
尽管SiC的应用前景广阔，但仍需要针对基于SiC的新组件开发特定的可靠性测试。由于SiC和硅之间存在结构差异，无法使用现有的硅组件测试方法和假设条件。SiC的晶体结构与硅不同，因此具有不同的电学和热学性能。如果忽略这些差异，则可能无法检测组件的潜在生命周期或性能弱点。本文介绍了使用动态栅极应力(Dynamic Gate Stress, DGS)测试过程对基于SiC的功率半导体进行新型可靠性测试的意义。
DGS测试主要用于SiC-FET（场效应晶体管）。在测试过程中，向DUT（待测设备）的栅极以方波信号形式施加应力信号，该信号使用DUT的最大和最小栅极电压。应力循环期间，采用主动温度控制将DUT调整至所需的应力温度。按照规定时间间隔暂停施加应力，以测量DUT的栅极阈值电压和RDSon。
对于宽带隙半导体测试过程，动态应力法和静态应力法之间存在显著差异。本文所述的测试过程采用SET GmbH的测试系统。使用该测试装置对测试规范做出准确解释，并将测量结果与实际应用进行比较。正确的测量过程对获得可靠且可重复的测量结果同样重要。测试相关内容可参考ECPE（欧洲电力电子中心）指南AQG 324，其中为欧洲SiC组件的新测试过程提供了实践规范和指南。
动态栅极应力(DGS)测试：功能原理和测量过程
在DGS测试过程中，FET将其漏极和源极接点处连接至地电位，并在其栅极接点处施加应力（图1）。施加的应力信号定义请参见AQG324指南。应力信号参数如下：方波信号的幅值是所需DUT规格所允许的最大负电压和正电压。DUT的上升时间（dV/dt）应为1V/ns左右，应力频率应大于或等于50 kHz，占空比范围为20%至80%。
图1：DGS测试的测试设置：左侧为应力电路，右侧为测量电路。
应力的持续时间由频率决定，因此频率越高测试时间越短。根据指南AQG324的规定，应力持续时间应不小于10^11个周期。测试温度应主动调节且严格控制在25 °C。
作为该测试过程的一部分，在全自动应力暂停期间对栅极阈值电压和RDSon电阻进行测量。精确测量和适当预处理在测试过程中非常重要。预处理用于确保每次测量时测试对象的条件相同，从而保证测量结果具有可比性。本文中的指南AQG引用了JEDEC指南JEP184，其中介绍了正确的测量过程。栅极定义电压应与建议的栅极-源极有效电压或允许的最大/最小栅极-源极电压相对应。
常见的预处理时间为100ms，但有时也会明显延长。预处理完成后，应快速测量栅极阈值电压，根据指南建议测量应在10ms内进行。此处所示的示波器记录结果由SETGmbH的DGS系统完成，用于说明测量过程。
图2中的曲线与栅极信号相对应。开始时，可以观察到300kHz下-10V~+22V 的应力施加阶段，随后在测量过程开始时暂停。
测量过程从+22V预处理脉冲开始，该脉冲持续100ms。随后，栅极电压以非常小的步长持续变化。在测试阶段，将测量漏极电流Idrain并将其设置为特定值，例如20mA。由于FET已打开，因此在“Vth(down)”测试阶段开始时，有20mA电流流过。一旦栅极电压接近阈值电压，FET就会缓慢关闭，之前可完全通过FET的电流会缓慢减小。当Idrain电流达到定义值（例如10mA）时，栅极电压保存为Vth(down)。对电压负值区域重复相同的测量步骤：最小栅极电压-10V持续100ms。 然后栅极电压逐渐增加，在10mA处保存Vth(up)电压。
图2：测量期间DGS系统的栅极信号。
Vth测量完成后，测量测试对象的Rds(on)电阻。为此，在漏极和源极之间产生可调电流脉冲。通过测量漏极和源极之间的电压降来确定Rds(on)电阻。完成这些测量后，继续进行动态栅极应力测试。可靠实施该过程对准确表征SiC半导体在应力下的行为并保障其可靠性至关重要。
DGS测量结果与静态测量结果的比较
为评估DGS测试的必要性并将其与传统静态测试过程进行比较，进行了大量比较试验。使用RDSon为80mΩ的常规1200V SiC MOSFET为测试对象。该过程使用的MOSFET均为最新一代产品，目前已在公开市场上销售。使用数据表中在100kHz应力频率和50%占空比下的最大建议栅极电压作为以下测试的应力参数。整个测试过程均在稳定的25 °C实验室条件下进行。
对所得数据的分析表明，静态和动态测试过程之间存在巨大差异（图3）。
图3：动态和静态栅极应力测量结果的比较。
根据图形可知二者差异显著，特别在栅极阈值电压漂移方面。动态测试中，经过300千兆周期后，栅极阈值电压出现大于4V的明显漂移。而静态测试中未观察到这种漂移效应。标准MOSFET的漂移约为0.5 V，而动态测试中的漂移较正常值高出7倍。对于多数电路而言，这种电压升高可能会导致性能显著下降甚至电路故障。SET GmbH在动态测试中多次识别到这些偏差； 但在静态测试中未发现此类漂移。
此外，进一步研究了栅极阈值电压的变化与RDSon电阻之间的关系。图4则基于图3中第一次测试的测量结果，明确说明了阈值电压漂移和RDSon电阻之间的关系。可以假设，当栅极阈值电压发生漂移时，RDSon电阻也会根据组件的特性数据曲线而变化。这一关系会在运行过程中影响组件效率，因此，也会对电动汽车行驶里程等实际应用造成影响。根据测试期间的连续测量结果来估计工作条件下的具体影响。
图4：DUT的阈值电压与Rds(on)电阻之间的相关性。
为不断加深对SiC功率半导体现象的理解，应继续进一步发展DGS测试和所有其他动态测试过程。特别是对于长期分析的建模，应收集尽可能多的数据，以便开发可靠的功率半导体来应对未来的挑战。
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