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)進行遷移和質量可控的擴散現象，它與金屬材料的電流密度和溫度數值密切相關。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輸出不穩定現象，在確認失效樣品電參數后，開封檢查觀察到內部沒有短路、斷路現象或明顯的缺陷區。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進行了微觀分析，找出了產生此問題的原因。

1 實驗

實驗儀器為日本JEOL 公司生產的JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡(SEM)，配有美國EDAX 公司生產的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。

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(區域A)完好，場效應管柵極表面(區域B)存在明顯的金屬層缺失(孔洞)，柵源兩極之間(C 區域)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金屬孔洞現象和金屬顆粒堆積現象，用EDS對圖2 中三個不同微區A、B、C 進行成分分析，結果見EDS 能譜圖3 和表1.由表中成分數據可知，兩柵極連通導線最表層為鍍金層，相比正常鍍層表面，區域B 的Au 層缺失嚴重并露出下層金屬鎢，而本不應該出現Au 的區域C 出現了Au 元素。