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(guò)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(guò)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(yáng)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(kāi)封檢查觀察到內(nèi)部沒(méi)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(wèn)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(guó)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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。