柵極導(dǎo)電層Au 遷移導(dǎo)致放大器失效原因分析

電遷移是導(dǎo)電金屬材料在通過高密度電流時(shí)，金屬原子沿著電流運(yùn)動(dòng)方向(電子風(fēng))進(jìn)行遷移和質(zhì)量可控的擴(kuò)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(diǎn)及其界面處的局部電流密度超過電遷移門檻值時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的電子流形成的電子風(fēng)與金屬原子發(fā)生劇烈碰撞，進(jìn)行部分的沖量交換，迫使原子沿著電子流方向運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生凸點(diǎn)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(jī)制。因此，有必要針對(duì)Au的電遷移特性進(jìn)行研究，明確Au電遷移對(duì)電路的影響。

某限幅低噪聲放大器在交付用戶使用一段時(shí)間后出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象，在確認(rèn)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(jí)砷化鎵金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)，采用新的同型號(hào)的MESFET 將其置換后，功能恢復(fù)正常。根據(jù)以上檢測(cè)排除，最終鎖定場(chǎng)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(duì)該MESFET中的異常導(dǎo)電層不同微區(qū)進(jìn)行了微觀分析，找出了產(chǎn)生此問題的原因。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shì)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(shì)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(duì)比分析

對(duì)失效場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)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(chǎng)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(rèn)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(duì)圖2 中三個(gè)不同微區(qū)A、B、C 進(jìn)行成分分析，結(jié)果見EDS 能譜圖3 和表1.由表中成分?jǐn)?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(yán)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(shì)壘金屬時(shí)，Au 與GaAs 的黏附性能也不好，并且Au 向半導(dǎo)體內(nèi)部擴(kuò)散及鎵向Au 的擴(kuò)散還促進(jìn)了Au 向砷化鎵擴(kuò)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(kuò)散效應(yīng)。

電路工作過程中，柵條較細(xì)，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(duì)它的作用力，從而和電子流一樣朝正極方向移動(dòng)，相應(yīng)所產(chǎn)生的金屬離子空位向負(fù)極方向移動(dòng)，這樣就造成了Au的凈質(zhì)量傳輸。

在電遷移過程的擴(kuò)展階段，由于采用了高對(duì)流系數(shù)的熱傳導(dǎo)方法，互連結(jié)構(gòu)的實(shí)際溫升得到了控制，顯著減小了高溫引起的原子熱遷移對(duì)電遷移的干擾，所以此階段Au的遷移驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力，并最終導(dǎo)致了Au 嚴(yán)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(huì)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(huì)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(jì)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(yán)格控制金屬膜質(zhì)量并進(jìn)行檢查;最后建議器件在封裝、存儲(chǔ)時(shí)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。