Advanced optical interferometric methods for nanosecond mapping of semiconductor devices under high energy pulses

Abstract

Die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen ist der erste Schritt zu einem sicheren Betrieb von elektronischen Schaltungen. Zur Optimierung von Bauelementen und zur Überprüfung von Bauteilsimulationsmodellen ist das Wissen der Wärme- und der freien Ladungsträgerverteilung in Bauelementen essentiell. Die Temperaturüberwachung ist für Bauelemente, welche mit hohen Stromdichten arbeiten, sehr wichtig, da Selbsterwärmung bei diesen die Hauptfehlerursache ist.<br />Zur Untersuchung von transienten Temperaturverteilungen oder Änderungen der Verteilungen der freien Ladungsträger in Bauelementen sind zerstörungsfreie optische Methoden, welche auf der Beobachtung des Brechungsindex, Absorption oder Lichtemission basieren, bekannt. Jedoch leiden diese Methoden entweder an geringer Ortsauflösung oder geringer Zeitauflösung. Die überlagernde abtastende Methode wurde kürzlich für Untersuchungen von dynamischen Stromverteilungen während kurzer elektrischer Pulse verwendet, jedoch hat sie keine ausreichende Zeitauflösung für Untersuchungen im CDM (charged device model) Zeitbereich. Ferner benötigt sie wiederholte Belastungen der untersuchten Bauelemente. Dadurch kann das Bauelement zerstört werden oder einige der Bauelementeigenschaften - wie z.B. Puls zu Puls Instabilität - kann unerkannt bleiben. Deshalb wurden zwei Untersuchungsmethoden aufgebaut, welche auf transienter interferometrischer Abbildung (transient interferometric mapping - TIM) beruhen. Ersteres basiert auf einem zu mehreren Zeitpunkten zweidimensionalen Einzelschussverfahren und Zweiteres beruht auf einer Zweistrahlmethode mit einer Zeitauflösung im Subnanosekunden Bereich.<br />Die zweidimensionale TIM-Methode liefert Informationen über die Stromverteilung in Bauelementen zu zwei Zeitpunkten während eines einzigen elektrischen Belastungspulses. Dieser Arbeit umfasst die Entwicklung und Optimierung des optischen zweidimensionalen TIM Messaufbaues und die Messdatenanalyse. Der Messaufbau ermöglicht die Untersuchung von einzelnen Halbleiterchips und ganzen Halbleiterkristallscheiben. Als beste Methode zur Datenanalyse hat sich eine auf der Fourier-Transformation basierende Lösung herausgestellt. Es wurde gezeigt, dass das Bauelementlayout die Phasenverteilung beeinflusst und Verschiebungen in der Phase hervorruft. Deshalb wurde die Filterung des Spektrums im Detail untersucht, um die Welligkeit und das Rauschen zu minimieren. Mit Hilfe von Simulationen wurde ein adaptiver Filter für das Spektrum entwickelt. Mehrere Methoden zur Phasenrekonstruierung wurden überprüft und an deren Analyse wurde eine Phasenvoraufbereitung entwickelt. Diese beschleunigt nicht nur die Phasenrekonstruierung, sondern eliminiert bzw. isoliert Störobjekte in der Phasenverteilung und reduziert den Bedarf nach manuellen Phasenkorrekturen auf kleine Bereiche. Die zweidimensionale TIM Methode ermöglicht ebenso die Gewinnung der momentanen zweidimensionalen Verlustleistungsdichte. Ferner wurde der Einfluss der Bauelementtopologie, der Kamera und des Lasersystems auf das Interferogramm im Detail analysiert, um die Messgenauigkeit abzuschätzen. Der Messaufbau wurde erfolgreich zur Untersuchung von bewegten Stromfilamenten in gekoppelten npn/pnp ESD Schutzstrukturen, von instabilen Stromverteilungen und von zerstörenden Phänomenen in selbstgeschützten vertikalen DMOS Transistoren angewandt. Es wurde weiters gezeigt, dass der Messaufbau auch Abbildung der Temperaturverteilung nach der thermisch induzierten Änderung der Lichtabsorption in Halbleitern mit einer zeitlichen Auflösung im Nanosekundenbereich verwendet werden kann.<br />Für Untersuchungen im CDM Zeitbereich wurde ein weiterer Messaufbau, welcher auf einem Michelson Interferometer basiert, mit einer Zeitauflösung im Subnanosekundenbereich entwickelt. Unter Verwendung von zwei fokussierten Laserstrahlen konnte die absolute Phasenverschiebung an zwei unterschiedlichen Positionen im Bauelement gemessen werden. Der Messaufbau wurde dahingehend optimiert, um möglichst geringe elektromagnetische Störungen von den Flanken des Hochleistungsbelastungspulses zu erhalten. Weiters wurde er zur Untersuchung von Auslöseverzögerungen und inhomogenen Stromverteilungen in ESD Schutzstrukturen angewandt.<br />

Reliability of semiconductor devices is the first step for safe operation of electronic circuits. For optimisation of devices and for verification of device simulation models the knowledge of heat dissipation and of free carrier concentration in the device is essential. Temperature monitoring is especially important for devices operating at high current densities, where self-heating is a main failure cause. For investigation of transient temperature or free carrier changes within the devices, non-destructive optical methods based on monitoring of the refractive index, absorption or light emission have previously been developed. However, these methods suffer either from small spatial or time resolution. The heterodyne scanning technique has previously been introduced for investigation of the current dynamics during short electrical pulses; however, it has not sufficient time resolution for investigation in CDM (charged device model) time domain and it requires repeatable stressing of the device. As a result, the device can either be destroyed or some of the device features like trigger pulse-to-pulse instability may be hidden. Therefore two testing techniques based on transient interferometric mapping (TIM) have been developed within this thesis: the two-dimensional (2D) multiple-time-instant single-shot technique and the two-beam technique with sub-nanosecond time resolution.<br />The 2D TIM technique provides information about the current flow distribution in the device at two time instants during a single electrical stress pulse. One goal of this work was to develop and optimise the 2D TIM setup optical layout and the data analysis method.<br />The setup enables testing of single chips and also on wafer level. The best method for the data analysis was found to be the Fourier transform based technique. It was shown that the device layout influences the final phase distribution and induces phase undulations. Therefore the spectrum filtering was studied in detail in order to limit the undulations and noise and with the help of simulation an adaptive spectrum filter was proposed. Various phase unwrapping methods were examined and based on this analysis a phase pre-processing was proposed, which not only speeds up the phase unwrapping process but also eliminates and isolates the phase artifacts and reduces the need for unwrapping to a local area. The 2D TIM technique enables also extraction of the instantaneous 2D power dissipation density. Furthermore, to estimate the measurement accuracy, the effect of the device topology, camera and laser properties on the interferogram was analysed in detail.<br />The setup was successfully applied to study the moving current filaments in coupled npn/pnp ESD protection devices and to study current flow instability and destructive phenomena in self-protecting vertical DMOS transistors. It was also demonstrated that the setup can be used for the thermal imaging using the temperature-induced changes of light absorption in the semiconductor bulk with nanosecond time resolution.<br />For investigation in CDM time domain a setup based on the Michelson interferometer with sub-nanosecond time resolution was developed. Using two focused laser beams the absolute phase shift at two different positions on the device can be measured. The setup was optimised to avoid the electromagnetic pick-ups arising from the rising/falling edge of the high power stress pulses. The setup was applied to study short trigger delays and inhomogeneous current flow in ESD protection devices.