MMIC多功能芯片源漏金屬異常的分析

劉世鄭，陳磊，凌宗欣，陳堂勝，任春江，章軍云

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇 南京 210016）

0 引言

隨著軍用、民用通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，以及有源相控陣?yán)走_(dá)、寬帶電子對(duì)抗和毫米波精確制導(dǎo)等高精準(zhǔn)武器系統(tǒng)的需求不斷提高，高性能、高可靠的GaAs器件和單片微波集成電路（MMIC:Monolithic Microwave Integrated Circuit）獲得了飛速發(fā)展。GaAs器件和MMIC可滿足微波整機(jī)系統(tǒng)向多功能、小型化和高可靠方向發(fā)展的要求，已成為微波半導(dǎo)體器件的一個(gè)發(fā)展方向，在國(guó)防高科技領(lǐng)域和民用通信應(yīng)用中發(fā)揮了重要的作用。多功能芯片是近年來(lái)砷化鎵芯片領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-5]。隨著應(yīng)用的廣泛深入，其工藝制造及使用過(guò)程中出現(xiàn)的失效問(wèn)題也成為行業(yè)領(lǐng)域關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。

源漏薄膜金屬的可靠性研究是提升芯片可靠性的重要方面。在砷化鎵MMIC領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外的報(bào)道中，對(duì)于源漏金屬層的金屬體系包括合金溫度的研究[6-13]和對(duì)于芯片在使用過(guò)程的可靠性分析報(bào)道得較多[14]，而對(duì)于單步工藝的源漏金屬薄膜的失效類的研究報(bào)道鮮有。中間金屬層納米級(jí)的厚度區(qū)間，給故障層的研究分析帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

本文以一款多功能芯片制造過(guò)程中的源漏工藝為平臺(tái)，結(jié)合金屬薄膜的材料化學(xué)特性，分析了圖形制備過(guò)程中薄膜凸起的原因，闡述了其失效機(jī)理，為生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)防此類失效模式提供了理論依據(jù)，為芯片制造過(guò)程中源漏工藝外觀成品率的提升提供了借鑒作用。

1 異?，F(xiàn)象

本案例是基于0.25 μm GaAs pHEMT E/D工藝的數(shù)字移相衰減多功能芯片的源漏工藝開(kāi)展的。外延片在經(jīng)過(guò)了光刻CO、蒸發(fā)臺(tái)150～230 nm金鍺鎳金的薄膜制備、剝離清洗和350～430℃合金后，出現(xiàn)了凸起的薄膜異常，該異常分布在圖形的邊角點(diǎn)。此現(xiàn)象影響了金屬薄膜的外觀和質(zhì)量可靠性，嚴(yán)重地影響了圓片的成品率。

對(duì)故障樣品進(jìn)行100倍的顯微鏡分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 100倍明場(chǎng)鏡檢圖

2 故障分析

對(duì)樣品進(jìn)行透射電鏡（TEM:Transmission Electron Microscope）分析，結(jié)果如圖2所示。使用鎵電子束切開(kāi)樣品后，凸起的金屬薄膜的底部為一個(gè)空洞，在空洞的底部有異常物存在，如圖2中箭頭1對(duì)應(yīng)的白色圖層所示；箭頭2和箭頭3對(duì)應(yīng)的金屬層為T(mén)EM樣品制備過(guò)程中引入的保護(hù)膜。

圖2 TEM分析

對(duì)異常殘留物的部分區(qū)域Area#1區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖3所示。圖3中區(qū)域1內(nèi)為異常物，區(qū)域2為空洞區(qū)域。分析結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，殘留物存在于中間的鎳層，凸起的空洞底部邊也是發(fā)生在中間的鎳層。

圖3 圖2中的箭頭1所在區(qū)域的放大圖

圖4 異常殘留物的能譜分析圖

異常殘留物的元素為鎳、鍺、氧和氯，以及少量的硫。能譜圖中的鎵、銅和鉑為T(mén)EM制備樣品時(shí)引入。

3 基理分析

正常的工藝過(guò)程為:首先，完成光刻源漏的外延片需要經(jīng)過(guò)濃度為5%～25%的無(wú)機(jī)酸的表面處理20～60 s；然后，清洗并在甩干機(jī)的旋轉(zhuǎn)作用下甩干；最后，進(jìn)入蒸發(fā)臺(tái)進(jìn)行150～230 nm金鍺鎳金的薄膜制備。

3.1 異常因素一

由于外延片在漂酸后清洗去酸環(huán)節(jié)不到位，在甩干機(jī)的旋轉(zhuǎn)作用下表面處理的無(wú)機(jī)酸（HCL/H2SO4）殘留液聚集在源漏圖形的邊緣。能譜圖中的氯、硫來(lái)自于外延片表面處理時(shí)浸入的無(wú)機(jī)酸在后續(xù)的清洗工序中未清洗干凈殘留所致。

3.2 異常因素二

金屬鎳源中含有雜質(zhì)原子，雜質(zhì)C、O以碳酸鎳的形式存在的可能性比較大，碳酸鎳400℃即會(huì)發(fā)生以下分解:

在蒸發(fā)臺(tái)的金屬薄膜制備前的準(zhǔn)備過(guò)程即熔源過(guò)程中，熔源溫度大于400℃，鎳的碳酸化合物被分解，故鎳源中含有因高溫煅燒制備過(guò)程引入的氧化鎳，氧化鎳的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于單質(zhì)鎳的熔點(diǎn)，未被融源的氧化鎳顆粒在機(jī)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)作用下聚集在鍍膜圖形的邊緣。在殘留酸的作用下，團(tuán)聚物在350～430℃的合金高溫下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并有少量的氣體生成，導(dǎo)致了金屬薄膜的凸起。即:

由于源漏金屬體系中間層鎳阻擋層的失效，源漏金屬體系中的鍺出現(xiàn)擴(kuò)散，已脫離金鍺共蒸層，并在350～430℃的高溫下與氧化性硫酸發(fā)生反應(yīng)。即:

對(duì)于異常凸起的金屬薄膜，由于薄膜的底部是空洞，直流測(cè)試的探針扎針接觸會(huì)壓碎凸起的薄膜，故凸起的薄膜無(wú)法準(zhǔn)確地獲得歐姆接觸的數(shù)值。由于異常點(diǎn)出現(xiàn)在圖形的邊角，對(duì)于源漏PCM圖形的其他正常區(qū)域即未凸起的源漏金屬進(jìn)行歐姆接觸電阻測(cè)試，結(jié)果是合格的。

4 工藝改進(jìn)

根據(jù)故障定位和機(jī)理分析的結(jié)果，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的以下環(huán)節(jié)采取了改進(jìn)措施。

a）完成無(wú)機(jī)酸表面處理的外延片在自動(dòng)清洗槽中的自動(dòng)清洗，次數(shù)由1次增加為2次；并定期及時(shí)地監(jiān)測(cè)自動(dòng)清洗槽的pH值，降低外延片酸性殘留液的風(fēng)險(xiǎn)。

b）對(duì)于金屬鎳源中存在的雜質(zhì)原子偏高的問(wèn)題，及時(shí)地反饋給供應(yīng)商廠家；并采用更高質(zhì)量等級(jí)的金屬源以降低雜質(zhì)對(duì)薄膜質(zhì)量外觀和可靠性的影響。

c）排查生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)于可能引入金屬層氧化的環(huán)節(jié)，采取加嚴(yán)控制的措施。

實(shí)施了改進(jìn)措施后，源漏金屬薄膜的鏡檢圖如圖5所示。從圖5中可以看出，源漏金屬薄膜表面干凈，外觀合格，極少發(fā)生前述故障現(xiàn)象，外觀成品率的提升顯著。

圖5 源漏金屬鏡檢圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)加嚴(yán)表面處理后的清洗環(huán)節(jié)，提升了金屬薄膜制備前基底的潔凈度，杜絕了殘留酸的存在，同時(shí)提高了金屬源的純度，防止了工藝制備過(guò)程中單質(zhì)金屬的氧化，可以有效地提高源漏金屬薄膜的質(zhì)量，防止薄膜凸起等異常的現(xiàn)象。此文涉及的工藝改進(jìn)措施對(duì)源漏金屬的外觀成品率的提升起到了指導(dǎo)作用。