柵極導電層Au 遷移導致放大器失效原因分析

電遷移是導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)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。當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，使互連面積減小導致斷路，在陽極造成金屬原子的堆積而形成凸起的“小丘”,導致短路，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體場效應晶體管(MESFET)，采用新的同型號的MESFET 將其置換后，功能恢復正常。根據(jù)以上檢測排除，最終鎖定場效應管失效。

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 為其結構圖，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型半導體之間形成肖特基勢壘接觸，源極和漏極金屬與n+ 型半導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 結果與討論

2.1 Au 導電層的微觀形貌和成分對比分析

對失效場效應管進行SEM 觀察，結果見圖2.由圖2(b)可知，正常導電層(區(qū)域A)完好，場效應管柵極表面(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，而本不應該出現(xiàn)Au 的區(qū)域C 出現(xiàn)了Au 元素。