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[導(dǎo)讀]針對限幅低噪聲放大器使用過程中出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象,利用掃描電鏡和能譜儀對場效應(yīng)管柵極表面的金屬缺失層和柵源之間的金屬堆積物進行微觀分析,尋找放大器工作不正常的原因。結(jié)果表明:場效應(yīng)管柵極Au層的電遷移,使導(dǎo)線局部電阻增大,溫度升高,導(dǎo)致Au 的熱遷移加重,引起導(dǎo)線出現(xiàn)孔洞和柵源中間堆積金屬顆粒,使柵極導(dǎo)線出現(xiàn)開路和柵源極間產(chǎn)生不穩(wěn)定接觸,最終導(dǎo)致場效應(yīng)管的工作參數(shù)漂移和放大器工作不正常。

電遷移是導(dǎo)電金屬材料在通過高密度電流時,金屬原子沿著電流運動方向(電子風(fēng))進行遷移和質(zhì)量可控的擴散現(xiàn)象,它與金屬材料的電流密度和溫度數(shù)值密切相關(guān)。當(dāng)凸點及其界面處的局部電流密度超過電遷移門檻值時,高速運動的電子流形成的電子風(fēng)與金屬原子發(fā)生劇烈碰撞,進行部分的沖量交換,迫使原子沿著電子流方向運動,從而發(fā)生凸點互連的電遷移。通常電遷移能在陰極造成金屬原子的流失而產(chǎn)生微空洞,使互連面積減小導(dǎo)致斷路,在陽極造成金屬原子的堆積而形成凸起的“小丘”,導(dǎo)致短路,從而引起IC及元器件失效。電遷移是引起IC及電子產(chǎn)品失效的一種重要機制。因此,有必要針對Au的電遷移特性進行研究,明確Au電遷移對電路的影響。

某限幅低噪聲放大器在交付用戶使用一段時間后出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象,在確認失效樣品電參數(shù)后,開封檢查觀察到內(nèi)部沒有短路、斷路現(xiàn)象或明顯的缺陷區(qū)。由于放大管中主要功能元件是兩級砷化鎵金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET),采用新的同型號的MESFET 將其置換后,功能恢復(fù)正常。根據(jù)以上檢測排除,最終鎖定場效應(yīng)管失效。

筆者借助掃描電子顯微鏡和X 射線能譜儀對該MESFET中的異常導(dǎo)電層不同微區(qū)進行了微觀分析,找出了產(chǎn)生此問題的原因。

1 實驗

實驗儀器為日本JEOL 公司生產(chǎn)的JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡(SEM),配有美國EDAX 公司生產(chǎn)的Genesis2000XMS 型X 射線能譜儀(EDS)附件。

實驗樣品為失效的GaAs-MESFET,圖1 為其結(jié)構(gòu)圖,襯底材料是具有高電阻率的本征砷化鎵,在溝道上制作柵極金屬,與n型半導(dǎo)體之間形成肖特基勢壘接觸,源極和漏極金屬與n+ 型半導(dǎo)體之間形成歐姆接觸。該MESFET采用n+-GaAs-Au歐姆接觸系形成源漏接觸電阻和Al-W-Au的砷化鎵肖特基勢壘接觸系統(tǒng)。

 

 

2 結(jié)果與討論

2.1 Au 導(dǎo)電層的微觀形貌和成分對比分析

對失效場效應(yīng)管進行SEM 觀察,結(jié)果見圖2.由圖2(b)可知,正常導(dǎo)電層(區(qū)域A)完好,場效應(yīng)管柵極表面(區(qū)域B)存在明顯的金屬層缺失(孔洞),柵源兩極之間(C 區(qū)域)可見金屬顆粒堆積(小丘)。

 

為確認是否是鍍金層Au 的遷移引起導(dǎo)電層中間出現(xiàn)金屬孔洞現(xiàn)象和金屬顆粒堆積現(xiàn)象,用EDS對圖2 中三個不同微區(qū)A、B、C 進行成分分析,結(jié)果見EDS 能譜圖3 和表1.由表中成分數(shù)據(jù)可知,兩柵極連通導(dǎo)線最表層為鍍金層,相比正常鍍層表面,區(qū)域B 的Au 層缺失嚴重并露出下層金屬鎢,而本不應(yīng)該出現(xiàn)Au 的區(qū)域C 出現(xiàn)了Au 元素。[!--empirenews.page--]

 

 

 

 

因此,圖3 和表1 的數(shù)據(jù)表明,鍍Au 導(dǎo)電層B區(qū)域出現(xiàn)Au 遷移現(xiàn)象,導(dǎo)致其表面出現(xiàn)孔洞,而一部分的Au 又遷移到C 區(qū)域形成小丘狀的金屬顆粒。

2.2 Au 遷移引起MESFET 管失效原因分析

Au 做肖特基勢壘金屬時,Au 與GaAs 的黏附性能也不好,并且Au 向半導(dǎo)體內(nèi)部擴散及鎵向Au 的擴散還促進了Au 向砷化鎵擴散。而鋁不但具有高的電導(dǎo)率,還與砷化鎵有好的黏附性,但鋁具有易氧化,承受電沖擊的能量較小、易電遷移和電導(dǎo)率比Au 低等特性,因此在鋁和Au 之間加入鎢阻擋層,防止鋁易氧化及屏蔽Au 向GaAs 擴散效應(yīng)。

電路工作過程中,柵條較細,其導(dǎo)電層上面的電流密度較高,金屬離子主要受到電子流對它的作用力,從而和電子流一樣朝正極方向移動,相應(yīng)所產(chǎn)生的金屬離子空位向負極方向移動,這樣就造成了Au的凈質(zhì)量傳輸。

在電遷移過程的擴展階段,由于采用了高對流系數(shù)的熱傳導(dǎo)方法,互連結(jié)構(gòu)的實際溫升得到了控制,顯著減小了高溫引起的原子熱遷移對電遷移的干擾,所以此階段Au的遷移驅(qū)動力主要是電遷移力。

在電遷移過程的快速失效階段,Au 的遷移是熱遷移和電遷移共同作用的結(jié)果:電遷移力驅(qū)動陰極處原子的遷移,Au 的流失導(dǎo)致電阻增大造成了局部區(qū)域的快速溫升;而更高的溫度使得熱遷移力成為原子遷移的主要驅(qū)動力,并最終導(dǎo)致了Au 嚴重的流失,使B 區(qū)域出現(xiàn)孔洞現(xiàn)象,C 區(qū)域出現(xiàn)了含有大量Au 的金屬小丘。

3 結(jié)論

在電流作用下,放大器中MESFET 柵條鍍Au層出現(xiàn)了Au 的電遷移,使導(dǎo)線局部電阻的增大,溫度升高,使 Au 的熱遷移加重,最終導(dǎo)致導(dǎo)線出現(xiàn)孔洞現(xiàn)象和柵源極處出現(xiàn)小丘狀的金屬顆粒??锥船F(xiàn)象會使導(dǎo)線出現(xiàn)開路,而柵源極間的金屬顆粒造成的不穩(wěn)定接觸會出現(xiàn)短路現(xiàn)象,導(dǎo)致MESFET 工作參數(shù)漂移和放大器不正常工作。

因此,為了提高抗電遷移能力,設(shè)計方面應(yīng)從降低電流密度、降低結(jié)溫、增加散熱方面合理研發(fā)半導(dǎo)體器件;工藝方面應(yīng)嚴格控制金屬膜質(zhì)量并進行檢查;最后建議器件在封裝、存儲時應(yīng)避免濕氣環(huán)境,一定程度上可以降低電遷移的發(fā)生幾率。

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