栅极导电层Au 迁移导致放大器失效原因分析

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电迁移是导电金属材料在通过高密度电流时，金属原子沿着电流运动方向（电子风）进行迁移和质量可控的扩散现象，它与金属材料的电流密度和温度数值密切相关。当凸点及其界面处的局部电流密度超过电迁移门槛值时，高速运动的电子流形成的电子风与金属原子发生剧烈碰撞，进行部分的冲量交换，迫使原子沿着电子流方向运动，从而发生凸点互连的电迁移。通常电迁移能在阴极造成金属原子的流失而产生微空洞，使互连面积减小导致断路，在阳极造成金属原子的堆积而形成凸起的“小丘”，导致短路，从而引起IC及元器件失效。电迁移是引起IC及电子产品失效的一种重要机制。因此，有必要针对Au的电迁移特性进行研究，明确Au电迁移对电路的影响。
       
        某限幅低噪声放大器在交付用户使用一段时间后出现输出不稳定现象，在确认失效样品电参数后，开封检查观察到内部没有短路、断路现象或明显的缺陷区。由于放大管中主要功能元件是两级砷化镓金属半导体场效应晶体管（MESFET），采用新的同型号的MESFET将其置换后，功能恢复正常。根据以上检测排除，最终锁定场效应管失效。
       
        笔者借助扫描电子显微镜和X射线能谱仪对该MESFET中的异常导电层不同微区进行了微观分析，找出了产生此问题的原因。
       
        1实验
       
        实验仪器为日本JEOL公司生产的JSM-6490LV型扫描电子显微镜（SEM），配有美国EDAX公司生产的Genesis2000XMS型X射线能谱仪（EDS）附件。
       
        实验样品为失效的GaAs-MESFET，图1为其结构图，衬底材料是具有高电阻率的本征砷化镓，在沟道上制作栅极金属，与n型半导体之间形成肖特基势垒接触，源极和漏极金属与n+型半导体之间形成欧姆接触。该MESFET采用n+-GaAs-Au欧姆接触系形成源漏接触电阻和Al-W-Au的砷化镓肖特基势垒接触系统。
       
       
        2结果与讨论
       
        2.1 Au导电层的微观形貌和成分对比分析
       
        对失效场效应管进行SEM观察，结果见图2.由图2（b）可知，正常导电层（区域A）完好，场效应管栅极表面（区域B）存在明显的金属层缺失（孔洞），栅源两极之间（C区域）可见金属颗粒堆积（小丘）。
       
       
        为确认是否是镀金层Au的迁移引起导电层中间出现金属孔洞现象和金属颗粒堆积现象，用EDS对图2中三个不同微区A、B、C进行成分分析，结果见EDS能谱图3和表1.由表中成分数据可知，两栅极连通导线最表层为镀金层，相比正常镀层表面，区域B的Au层缺失严重并露出下层金属钨，而本不应该出现Au的区域C出现了Au元素。
       
       
         
       
        因此，图3和表1的数据表明，镀Au导电层B区域出现Au迁移现象，导致其表面出现孔洞，而一部分的Au又迁移到C区域形成小丘状的金属颗粒。
       
        2.2 Au迁移引起MESFET管失效原因分析
       
        Au做肖特基势垒金属时，Au与GaAs的黏附性能也不好，并且Au向半导体内部扩散及镓向Au的扩散还促进了Au向砷化镓扩散。而铝不但具有高的电导率，还与砷化镓有好的黏附性，但铝具有易氧化，承受电冲击的能量较小、易电迁移和电导率比Au低等特性，因此在铝和Au之间加入钨阻挡层，防止铝易氧化及屏蔽Au向GaAs扩散效应。
       
        电路工作过程中，栅条较细，其导电层上面的电流密度较高，金属离子主要受到电子流对它的作用力，从而和电子流一样朝正极方向移动，相应所产生的金属离子空位向负极方向移动，这样就造成了Au的净质量传输。
       
        在电迁移过程的扩展阶段，由于采用了高对流系数的热传导方法，互连结构的实际温升得到了控制，显着减小了高温引起的原子热迁移对电迁移的干扰，所以此阶段Au的迁移驱动力主要是电迁移力。
       
        在电迁移过程的快速失效阶段，Au的迁移是热迁移和电迁移共同作用的结果：电迁移力驱动阴极处原子的迁移，Au的流失导致电阻增大造成了局部区域的快速温升；而更高的温度使得热迁移力成为原子迁移的主要驱动力，并最终导致了Au严重的流失，使B区域出现孔洞现象，C区域出现了含有大量Au的金属小丘。
       
        3结论
       
        在电流作用下，放大器中MESFET栅条镀Au层出现了Au的电迁移，使导线局部电阻的增大，温度升高，使Au的热迁移加重，最终导致导线出现孔洞现象和栅源极处出现小丘状的金属颗粒。孔洞现象会使导线出现开路，而栅源极间的金属颗粒造成的不稳定接触会出现短路现象，导致MESFET工作参数漂移和放大器不正常工作。
       
        因此，为了提高抗电迁移能力，设计方面应从降低电流密度、降低结温、增加散热方面合理研发半导体器件；工艺方面应严格控制金属膜质量并进行检查；最后建议器件在封装、存储时应避免湿气环境，一定程度上可以降低电迁移的发生几率。