GaAs PHEMT器件高溫加速壽命試驗及物理分析*

崔曉英，許 燕，黃 云

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國家級重點實驗室， 廣州 510610)

GaAs微波器件的退化與金屬化穩(wěn)定性密切相關(guān)，實現(xiàn)PHEMT器件功能的金屬化主要有柵金屬化、歐姆接觸金屬化和信號傳輸線金屬化，這些金屬化本身在電流應(yīng)力作用下，金屬原子發(fā)生定向移動，從而在金屬上產(chǎn)生裂紋和空洞，以及金屬原子堆積的小丘。由于金屬原子電遷移的發(fā)生使金屬化系統(tǒng)電阻增大，改變了器件的直流狀態(tài)，另外由于金屬化不穩(wěn)定，會導(dǎo)致金屬元素向器件體內(nèi)遷移，發(fā)生互擴(kuò)散，而改變器件內(nèi)元素的成分比，改變器件的工作狀態(tài)，造成器件內(nèi)部不匹配，從而造成瞬態(tài)特性也發(fā)生退化[1-2]。因此對GaAs PHEMT器件的金屬化穩(wěn)定性進(jìn)行評價具有非常重要的意義。

本文主要針對GaAs PHEMT器件的特殊評價結(jié)構(gòu)進(jìn)行高溫加速應(yīng)力試驗，研究器件金屬化退化的失效機(jī)理，并對器件金屬化失效單機(jī)理進(jìn)行壽命預(yù)計，同時對試驗后的樣品進(jìn)行物理分析。

1 試驗樣品、試驗條件及試驗系統(tǒng)

試驗樣品為專門的測試結(jié)構(gòu)，分為兩種：(1)A2結(jié)構(gòu)：電鍍層(EL)、柵阻擋層(RMG)與柵金屬(G2N)間接觸孔鏈，用于評估柵金屬間的接觸可靠性；(2)A4結(jié)構(gòu)：歐姆接觸金屬(CO)方塊條，用于評估歐姆接觸金屬耐受電流能力及抗電遷移可靠性。如圖1所示。

圖1 壽命試驗中所用的專門測試結(jié)構(gòu)

由于PHEMT器件的金屬化退化與電流應(yīng)力和溫度應(yīng)力密切相關(guān)，因此選擇合適的溫度應(yīng)力和電流應(yīng)力是非常關(guān)鍵的。環(huán)境溫度應(yīng)力選擇了180 ℃和225 ℃兩個溫度點。

電流密度應(yīng)力選擇在1 ×106～1 ×107A/cm2之間。根據(jù)樣品的結(jié)構(gòu)特點選取特定的基板電流應(yīng)力，結(jié)合試驗評價結(jié)構(gòu)的面積大小，便可以計算出本次試驗評價結(jié)構(gòu)所施加的電流應(yīng)力：A2結(jié)構(gòu)應(yīng)力為0.01 A；A4結(jié)構(gòu)應(yīng)力為0.33 A。

試驗系統(tǒng)由高精度、高穩(wěn)定度的高溫箱， 8路電流應(yīng)力源， 256通道電阻監(jiān)測系統(tǒng)，高溫試驗板和互連線等部分組成。測試系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2 測試系統(tǒng)框圖

2 試驗結(jié)果和分析

結(jié)構(gòu)A2 電鍍層(EL)、柵阻擋層(RMG)與柵金屬(G2N)間接觸孔鏈，用于評估柵金屬間的接觸可靠性。實際加電流330 mA。試驗溫度為180 ℃，圖3為11只樣品的電阻隨時間變化的情況。

從圖3可以看出， A2結(jié)構(gòu)的電阻在450 h之前隨著時間的增加緩慢上升， 450 h之后呈現(xiàn)明顯上升趨勢，顯然溫度和電流應(yīng)力對它的影響很大。在180℃的試驗條件下，樣品7、10和12發(fā)生功能失效。金屬電阻達(dá)到失效判據(jù)(漂移20%)的有9只樣品。

圖3 A 2結(jié)構(gòu)樣品的電阻隨時間變化曲線(180 ℃， Sn表示樣品號)

結(jié)構(gòu)A4 歐姆接觸金屬(CO)， 用于評估CO耐受電流能力及抗電遷移可靠性，實際加電流 10 mA。圖4是12 只樣品的電阻隨時間變化的情況。試驗初始階段樣品電阻出現(xiàn)下降的趨勢， 50 h左右后開始穩(wěn)定，初始階段電阻的下降很可能是與歐姆接觸金屬合金工藝的不充分有關(guān)。已進(jìn)行的180 ℃溫度下的600 多小時內(nèi)，結(jié)構(gòu)A4的電阻變化曲線基本平穩(wěn)，無一樣品發(fā)生失效。后期曲線的短期內(nèi)突變情況可能是由于試驗中斷等突發(fā)事件所致。

圖4 A 4結(jié)構(gòu)樣品的電阻隨時間變化曲線(180 ℃)

在180 ℃試驗600多小時后緊接著將高溫箱的溫度加到225 ℃，由于樣品數(shù)量的限制，用180 ℃試驗后的剩余樣品進(jìn)行高溫225 ℃試驗。

結(jié)構(gòu)A2 電鍍層(EL)、柵阻擋層(RMG)與柵金屬(G2N)間接觸孔鏈。當(dāng)溫度加到225 ℃后， A2樣品的阻值變化較大，樣品在高溫環(huán)境下相繼失效，圖5為A2結(jié)構(gòu)的樣品電阻隨時間變化的情況。

圖5 A 2結(jié)構(gòu)樣品的電阻隨時間變化曲線(225 ℃)

結(jié)構(gòu)A4 歐姆接觸金屬(CO)。 180 ℃溫度下A4無樣品發(fā)生失效，且電阻變化較小，而225 ℃溫度下約 400 h后多數(shù)樣品的電阻變化加大， 到1 200 h時12只樣品中有11只樣品電阻變化率超過50 %，如圖6所示?？梢姼邷囟葢?yīng)力對歐姆接觸金屬(CO金屬)耐受電流能力和抗電遷移能力的影響較大，在高溫度應(yīng)力的影響下，金屬的活躍程度更加劇烈，器件的特征電阻也發(fā)生很大變化。

圖6 A 4結(jié)構(gòu)樣品的電阻隨時間變化曲線(225 ℃)

3 壽命預(yù)計

對225 ℃下A2和A4樣品的失效情況進(jìn)行統(tǒng)計，總試驗時間約1 100 h，將樣品的失效判據(jù)為金屬電阻漂移20%的時間設(shè)為失效時間，金屬電阻的初始電阻為225 ℃試驗開始時的初始電阻。對失效分布情況進(jìn)行統(tǒng)計，繪制出兩種結(jié)構(gòu)的壽命分布圖，如圖7所示。

圖7 225 ℃壽命試驗下兩種結(jié)構(gòu)的壽命分布圖

若將試驗看成是溫度從180 ℃到225 ℃步進(jìn)的加速壽命試驗，同時把試驗看作是一個定時截尾試驗，那么假定一個截尾時間，然后采用極大似然法即可估算出平均壽命t：

式中t0為截尾時間， t1， t2……tr為截尾時間內(nèi)失效樣品的失效時間， r為截尾數(shù)， n是樣品數(shù)， S(t)是總試驗時間。

根據(jù)阿倫尼斯模型， 特征壽命的對數(shù)是所加溫度應(yīng)力水平倒數(shù)的線性函數(shù)：

式中Tamb是環(huán)境溫度， Tsh取20 ℃[3]。 a、b值的常規(guī)求法是根據(jù)不同溫度點下的T和t，由公式(3)利用最小二乘法擬合，然后根據(jù)直線的斜率和截距推出a、b的值[4]。但由于試驗只有兩個溫度點下的數(shù)據(jù)，所以將兩個溫度點下的T和t代入上式就可以求出a、b的值，當(dāng)T取85 ℃(358 K)正常水平時，便可求出平均壽命點的估計值：

A2結(jié)構(gòu)樣品的壽命值如表1所示。

表1 A 2結(jié)構(gòu)平均壽命預(yù)計

4 試驗樣品失效分析

利用掃描電子顯微鏡(SEM)和聚焦離子顯微鏡(FIB)對樣品退化形貌進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)分析。柵金屬退化主要是靠熱激活的，通常能夠在加速壽命試驗或者高溫工作后觀察到退化形貌。

圖8 A 2結(jié)構(gòu)在試驗后的顯微形貌和SEM形貌

圖8(a)為A2結(jié)構(gòu)第7只樣品失效后的內(nèi)部顯微形貌，可以看到其接觸孔鏈表面的金屬化層形變，金屬化發(fā)生了遷移。為了進(jìn)一步分析，利用FIB對A2結(jié)構(gòu)進(jìn)行切槽并觀察其剖切面，可以看到其剖切面非常平整，由于體內(nèi)材料分子的約束，未出現(xiàn)空洞，而接觸孔鏈的表面金屬未受約束，出現(xiàn)了金屬的堆積和空洞。從分析可以看出，電鍍層、柵阻擋層與柵金屬間接觸孔鏈的耐受電流能力較差，同時也說明了該工藝條件下金的抗電遷移能力較差，如圖8(b)，(c)所示。

A4 歐姆接觸金屬(CO金屬)，已進(jìn)行的180℃下的600多小時未發(fā)生樣品失效，且穩(wěn)定后的樣品電阻變化率均小于5 %，電阻變化曲線平穩(wěn)，可見歐姆接觸金屬的穩(wěn)定性較好， 225 ℃下的試驗后期多數(shù)樣品電阻變化明顯，到600 h左右，樣品陸續(xù)發(fā)生失效，可見溫度應(yīng)力對歐姆接觸金屬(CO金屬)耐受電流能力和抗電遷移能力的影響較大，高溫下的AuGeNi歐姆接觸金屬更易發(fā)生電遷移失效。

圖9(a)為A4結(jié)構(gòu)在試驗后的顯微形貌，可以看到該結(jié)構(gòu)發(fā)生了電遷移，利用FIB對A4結(jié)構(gòu)沿X方向進(jìn)行切割，如圖9(b)所示，相鄰兩條歐姆接觸金屬的其中一條有明顯的電遷移后留下的空洞，而另外一條是沒有空洞的。對這兩條歐姆接觸金屬進(jìn)行對比可以看到，有空洞的的金屬條在整個迫切面上金屬化都不完整，說明金屬不是在表面遷移，而是從表面向體內(nèi)縱向遷移，因而在金屬條上形成了空洞。

利用二次離子質(zhì)譜對A4結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。如圖10(a)所示為A4結(jié)構(gòu)在試驗后某點的失效形貌，我們利用二次離子質(zhì)譜分析方法將選定區(qū)域的金屬層向下刻蝕，并通過SEM進(jìn)行觀察，可以看到金屬條完整的部分在刻蝕后仍舊非常平整，而金屬條有異常的部分在刻蝕后出現(xiàn)了類似于尖峰的凹凸不平的形貌，如圖10(b)所示。

在n-GaAs上形成的歐姆接觸材料Au，在高于Au-Ge共熔點(363 ℃)的封裝和合金過程中會向GaAs中滲透，其具體深度與溫度和過程的持續(xù)時間有關(guān)。當(dāng)器件工作時，未參加反應(yīng)的Au可以繼續(xù)向器件的有源區(qū)擴(kuò)散，容易導(dǎo)致歐姆接觸特性的消失和有源層電阻的增加，導(dǎo)致器件失效。圖10(b)中的“尖峰”正說明了歐姆接觸金屬Au向體內(nèi)擴(kuò)散形成了一種共融的化合物，這種化合物不同于正常的歐姆接觸金屬，其抗等離子的刻蝕能力較強(qiáng)，因此留下了類似于尖峰的形貌。

圖9 A 4結(jié)構(gòu)在試驗后的顯微形貌和SEM形貌

圖10 歐姆接觸A 4結(jié)構(gòu)用二次離子質(zhì)譜分析的形貌圖

5 結(jié)論

GaAs微波器件的退化與電路中的金屬化穩(wěn)定性密切相關(guān)，本文針對GaAs PHEMT器件的柵金屬接觸孔鏈和歐姆接觸金屬方塊條進(jìn)行了高溫加速應(yīng)力壽命試驗，并對器件金屬化失效單機(jī)理進(jìn)行壽命預(yù)計，同時對試驗后的樣品進(jìn)行了物理分析。試驗結(jié)果顯示：柵金屬接觸孔鏈在180 ℃下就發(fā)生失效，接觸孔鏈表面的金屬化層形變，金屬化發(fā)生了遷移，說明電鍍層、柵阻擋層與柵金屬間接觸孔鏈的耐受電流能力較差。

歐姆接觸在180 ℃下無樣品失效，而225 ℃高溫下的AuGeNi歐姆接觸金屬更易發(fā)生電遷移失效，金屬向體內(nèi)擴(kuò)散，并在金屬條上形成空洞。從二次離子質(zhì)譜分析也可以看到，試驗后金屬條上的失效點在刻蝕后出現(xiàn)了類似于尖峰的凹凸不平的形貌，說明歐姆接觸表面的金屬和體內(nèi)材料形成了一種抗等離子的刻蝕能力較強(qiáng)的化合物。

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