化合物器件高加速溫濕度應(yīng)力（HAST）能力現(xiàn)狀研究

摘 要：文章基于GaAs pHEMT晶圓工藝現(xiàn)狀，根據(jù)不同材料特性，從芯片設(shè)計(jì)、晶圓制程控制、封裝材料選擇三個(gè)維度進(jìn)行了研究，報(bào)告了針對(duì)類(lèi)似材料組合相對(duì)復(fù)雜的化合物半導(dǎo)體工藝器件在高加速溫濕度應(yīng)力（HAST）能力方面所面臨的現(xiàn)狀。同時(shí)，通過(guò)典型案例分析，說(shuō)明了此類(lèi)化合物器件在耐濕熱能力設(shè)計(jì)及制程控制上需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)，用于類(lèi)似芯片設(shè)計(jì)或工藝開(kāi)發(fā)工作進(jìn)行參考。

關(guān)鍵詞：化合物半導(dǎo)體；砷化鎵；pHEMT；HAST；耐濕熱能力

中圖分類(lèi)號(hào)：TN386 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）08-0079-05

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.08.018

0 引 言

基于JESD22-A110E.01定義，高加速溫濕度應(yīng)力測(cè)試（HAST）主要通過(guò)施加高溫，高濕及偏壓來(lái)加速濕氣通過(guò)外部保護(hù)材料（密封劑或密封殼），或者外部保護(hù)材料和金屬導(dǎo)體之間的粘結(jié)界面，來(lái)評(píng)估非氣密性封裝固體器件在潮濕環(huán)境中的可靠性[1]。

根據(jù)化學(xué)組成分類(lèi)，常用的半導(dǎo)體材料可分為元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體兩大類(lèi)。在化合物半導(dǎo)體中，有機(jī)化合物半導(dǎo)體雖然種類(lèi)不少，但至今仍處于研究探索階段。隨著分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積技術(shù)（MOCVD）和晶圓制程加工技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，早期主要用于軍事領(lǐng)域（包括智能武器、雷達(dá)、通信等方面）的GaAs、InP、GaN等無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體材料逐漸擴(kuò)展到了民用電子領(lǐng)域，由于其具有電子遷移率較高[2]、禁帶寬度寬、工作溫度范圍大、微波傳輸性能好等優(yōu)點(diǎn)，近幾年發(fā)展十分迅速。

相較于第一代Si，Ge等元素半導(dǎo)體的CMOS，BJT等制造工藝，GaAs、InP、GaN等無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體也發(fā)展出了多種不同工藝，如GaAs常用的pHEMT、HBT等工藝，此類(lèi)工藝相較于傳統(tǒng)的元素半導(dǎo)體制程（如硅基SOI工藝），雖然不太追求先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，但是在使用的材料組合上會(huì)更多樣。例如GaAs pHEMT/HBT工藝在不同金屬走線(xiàn)層間（如Metal1和Metal2之間）會(huì)有一道整平工藝，通過(guò)涂布有機(jī)聚合物材料如聚酰亞胺（PI）進(jìn)行層間平坦化處理；為進(jìn)一步提升可靠性，部分工藝還會(huì)在晶圓表面的鈍化層上再涂布一定厚度的聚酰亞胺（PI）或聚苯并噁唑（PBO）保護(hù)層。由于PI、PBO類(lèi)似熱固性高聚物相較于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料（如SiO2、Si3N4等）在化學(xué)及物理特性上有較大差異，除了本身更易吸濕外，特別是在高溫（如240 ℃）條件下進(jìn)行固化，不同材料間的由于熱膨脹系數(shù)（CTE）不同導(dǎo)致的熱應(yīng)力匹配也將更為復(fù)雜、更難控制，因此，此類(lèi)芯片內(nèi)部也更容易出現(xiàn)微觀(guān)結(jié)構(gòu)上的分層，如圖1所示。

針對(duì)此現(xiàn)狀，為提高此類(lèi)化合物半導(dǎo)體器件的耐濕熱能力，在設(shè)計(jì)上需要盡量考慮到產(chǎn)品耐濕熱應(yīng)力設(shè)計(jì)冗余度；晶圓制程則主要從材料選擇，降低各制程應(yīng)力，增加層間粘附性等大方向上進(jìn)行控制；而針對(duì)封裝制程，在材料的選擇及匹配性上，要求也會(huì)更高。

本文以GaAspHEMT工藝為例，分別從前述三方面進(jìn)行舉例淺析。

1 設(shè)計(jì)上提高產(chǎn)品耐濕熱能力冗余度

1.1 提高金屬走線(xiàn)或者器件之間電氣絕緣能力

以GaAs pHEMT工藝為例，在業(yè)內(nèi)常用聚酰亞胺（PI）這類(lèi)高聚物作為不同金屬層間介質(zhì)進(jìn)行填充或整平，基于熱固性高聚物交聯(lián)網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（具體如圖2所示），其相較于無(wú)機(jī)非金屬材料在分子結(jié)構(gòu)的致密度、耐電化學(xué)穩(wěn)定性及耐候性方面能力較弱，易被潮氣或者有機(jī)溶劑等化學(xué)藥品所侵蝕。特別是在濕熱老化環(huán)境中，聚酰亞胺的電絕緣性能會(huì)出現(xiàn)較為明顯的變化[3]。

器件或者導(dǎo)線(xiàn)直接暴露在此種材料環(huán)境中，在長(zhǎng)期的電、濕、熱、殘余化學(xué)離子的影響下，可靠性相對(duì)來(lái)說(shuō)更容易劣化。如主動(dòng)器件（Gate-Source/Drain）、不同金屬導(dǎo)線(xiàn)之間由于電壓差而發(fā)生的水平或者垂直方向離子（電）遷移問(wèn)題[4]。所以在器件或?qū)Ь€(xiàn)之間的絕緣設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡量選擇使用氮化硅類(lèi)似具有高致密高絕緣特性的無(wú)機(jī)非金屬材料進(jìn)行絕緣保護(hù)，以提高芯片的耐濕熱能力。如圖3所示，針對(duì)MIM（Metal-Insulator-Metal）電容和導(dǎo)線(xiàn)上均覆蓋了氮化硅進(jìn)行保護(hù)。其中，圖示MIM電容“金屬粘結(jié)層”設(shè)計(jì)可提高器件的耐濕熱以及電容邊緣耐介質(zhì)擊穿能力。

1.2 避免芯片邊緣高電位走線(xiàn)及器件設(shè)計(jì)

從芯片結(jié)構(gòu)和加工制程特點(diǎn)來(lái)講，芯片邊緣為整顆產(chǎn)品耐濕熱能力薄弱區(qū)域，在設(shè)計(jì)上需要盡量避免邊緣高電位走線(xiàn)或者高電位器件設(shè)計(jì)。

如圖4所示，由于器件邊緣存在5 V高電位走線(xiàn)及有源器件設(shè)計(jì)，導(dǎo)致圖示底部近邊緣（6 μm）的有源器件位置（SWITCH）在電應(yīng)力的作用下容易出現(xiàn)高比例的濕熱失效問(wèn)題；而右側(cè)SWITCH位置由于留有足夠的邊緣間距裕量（15 μm），則很安全。對(duì)此，作為晶圓廠(chǎng)，在開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)晶圓工藝時(shí)，需要評(píng)估出自身工藝在不同電應(yīng)力下的耐濕熱能力，找出“電應(yīng)力+邊緣間距裕量”的安全規(guī)則，以更好的指導(dǎo)芯片設(shè)計(jì)。而作為設(shè)計(jì)師，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)也需要有意識(shí)去盡量避免芯片邊緣高電位走線(xiàn)或者器件設(shè)計(jì)，留足可靠性設(shè)計(jì)冗余度。

2 晶圓制程工藝控制

2.1 提高層間粘附性

提高層間粘附性的主要目的是平衡不同材料間由于熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力匹配以及制程應(yīng)力的影響。由于GaAs基底很容易氧化，因此，在GaAs基底上沉積第一層氮化硅保護(hù)膜之前（部分晶圓廠(chǎng)稱(chēng)之為passivation layer或first silicon nitride），選擇適宜的清洗方式非常重要。例如，將GaAs基底先放入酸溶液中進(jìn)行清洗，再向經(jīng)過(guò)清洗的GaAs基底表面通入流動(dòng)的氨氣，并使氨氣進(jìn)行等離子反應(yīng)，以去除GaAs基底表面的氧化物，從而提高與第一層氮化硅保護(hù)膜之間的粘附性[5]。

如圖5所示器件，基于此器件對(duì)應(yīng)晶圓制程的設(shè)備能力及工藝特點(diǎn)，針對(duì)有源器件完成后沉積第一層氮化硅前，初期工藝流程為：先進(jìn)行有機(jī)清洗（N-甲基吡咯烷酮），然后再Descum。由于GaAs基底本身比較容易氧化，在Descum氧等離子體的物理轟擊下，很容易形成無(wú)機(jī)氧化層，從而影響了GaAs基底和介質(zhì)層間的粘附性，造成氮化硅和GaAs基底間出現(xiàn)分層問(wèn)題。后來(lái)將氮化硅沉積前工序調(diào)整為“Descum+堿洗（氨水）”的組合方式后，此位置的分層現(xiàn)象得到了明顯改善，大大提升了此器件在電應(yīng)力下的耐濕熱能力。

2.2 應(yīng)力控制

在晶圓工藝控制上，除了通過(guò)優(yōu)化工藝中的真空度、溫度、反應(yīng)氣體流量比、功率、時(shí)間等參數(shù)，得到應(yīng)力較低的氮化硅薄膜[6]。在材料的選擇上，也需要考慮到各種材料的熱應(yīng)力匹配，并基于材料特性，盡量降低對(duì)應(yīng)工藝過(guò)程可能產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

如前述圖1所示GaAs pHEMT工藝案例，基于晶圓制程前后翹曲度絕對(duì)差值分析，應(yīng)力占比最大的為最外層聚苯并噁唑（PBO）涂覆層，此點(diǎn)主要與此層材料本身特性（熱固型高聚物）以及厚度較厚（5～

6 μm）有關(guān)。由于此類(lèi)材料常規(guī)的固化溫度相對(duì)較高，傳統(tǒng)配方甚至需要在350 ℃的條件下固化數(shù)小時(shí)，為降低此工序引入的熱/固化應(yīng)力的影響，可通過(guò)變頻微波輻射（VFM）處理后，將固化溫度降到200 ℃ [7]，或者直接選擇具有低溫固化特性的配方，如HD MicroSystems的HD-8930，在200 ℃的條件下就能直接實(shí)現(xiàn)固化。

3 封裝材料選擇

3.1 銀漿選擇

導(dǎo)電銀漿主要由具有導(dǎo)電及散熱作用的銀粉，提供力學(xué)性能及粘結(jié)性的有機(jī)組分組成。其中，有機(jī)組分主要有基體樹(shù)脂、固化劑、固化促進(jìn)劑、稀釋劑等[8]。為了說(shuō)明銀漿對(duì)化合物半導(dǎo)體器件的耐濕熱能力影響，選取了兩款高導(dǎo)熱燒結(jié)銀漿進(jìn)行對(duì)比分析。

如表1所示，從銀漿技術(shù)資料上提供的信息，導(dǎo)電銀漿A175主要組分包括銀粉、基體樹(shù)脂、2-乙基-1，3-己二醇、添加劑及乙酸；導(dǎo)電銀漿B8HD主要組分包括銀粉、乙二醇醚、1，6-己二醇二縮水甘油醚及環(huán)氧樹(shù)脂。

針對(duì)上述兩種銀漿，安排了平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示；樣品示例如圖6所示，內(nèi)含兩顆GaAs和一顆SOI芯片），進(jìn)行的多組驗(yàn)證結(jié)果均顯示，使用導(dǎo)電銀漿A175，兩顆GaAs芯片均出現(xiàn)不同比例的HAST失效，SOI芯片無(wú)異常；而導(dǎo)電銀漿B8HD表現(xiàn)很穩(wěn)定，GaAs和SOI芯片均沒(méi)有異常。（說(shuō)明：本案例已通過(guò)失效分析（FA）、銀膠爬膠高度對(duì)比分析，排除了由于銀漿中銀離子遷移導(dǎo)致的失效模式，在此不做展開(kāi)）。

基于技術(shù)資料上提供的銀漿成分進(jìn)行初步分析，銀漿配方A175含有少量乙酸（CH3COOH），這在業(yè)內(nèi)較少使用，有專(zhuān)利上表述乙酸的主要目的是為了去除銀粉上附著的雜質(zhì)，并起到促進(jìn)燒結(jié)的作用。由于乙酸分子間具有氫鍵，較強(qiáng)的作用力不利于揮發(fā)，無(wú)法保證能在上芯（Die bond）過(guò)程中充分釋放；同時(shí)，乙酸水溶液呈弱酸性且腐蝕性強(qiáng)，特別是對(duì)金屬有強(qiáng)烈的腐蝕性，HAST實(shí)驗(yàn)高溫高濕及偏壓的環(huán)境更利于加速這種作用，所以整體上來(lái)講，其作為配方組分的選擇上并不是很友好。疊加化合物半導(dǎo)體芯片內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)無(wú)法做到SOI工藝那么致密及絕緣，因此，此類(lèi)銀漿配方用在化合物半導(dǎo)體上并不太合適。不足的是，由于實(shí)驗(yàn)手段有限，本案例目前僅基于試驗(yàn)結(jié)果從銀漿配方組分上進(jìn)行了初步分析，期待有專(zhuān)業(yè)人士能針對(duì)失效機(jī)理做進(jìn)一步研究論證。

此案例說(shuō)明，針對(duì)類(lèi)似GaAs pHEMT工藝生產(chǎn)的化合物半導(dǎo)體，為保證器件在電應(yīng)力下的耐濕熱能力，在銀漿的選擇上，需要比SOI工藝更為謹(jǐn)慎。

3.2 環(huán)氧塑封料的選擇

針對(duì)非氣密性半導(dǎo)體器件，業(yè)內(nèi)主要使用環(huán)氧塑封料（Epoxy Molding Compound， EMC）進(jìn)行封裝，此材料主要由環(huán)氧樹(shù)脂、較高比例填料、固化劑和各種添加劑組成。

由于塑封料本體所含的環(huán)氧樹(shù)脂為高分子材料結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其處于潮濕環(huán)境中容易吸收水分，水氣可通過(guò)塑封料本體以及塑封料與基板或者框架之間的粘合界面進(jìn)入封裝體，不僅削弱了塑封料與框架或者基板之間的粘接力，且水氣中攜帶的雜質(zhì)或者離子還會(huì)引起電子線(xiàn)路的腐蝕，甚至侵入芯片內(nèi)部，最終導(dǎo)致電路故障或者器件失效等問(wèn)題。

高溫也是引起半導(dǎo)體器件在惡劣環(huán)境中失效的主要加速因素。特別是塑封料與芯片、金屬引線(xiàn)框架或者基板之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，對(duì)器件的可靠性影響十分顯著。當(dāng)溫度升高到環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃化溫度（Tg）時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂由較硬的璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)（如圖7所示）[9]，其熱膨脹系數(shù)由小變大，與芯片、引線(xiàn)框架或者基板的熱膨脹系數(shù)不匹配度增大，從而引起器件內(nèi)部出現(xiàn)熱應(yīng)力變形。與此同時(shí)，塑封料的儲(chǔ)能模量也會(huì)急劇變小，抵抗變形的能力降低，更易導(dǎo)致封裝分層，從而加劇外部環(huán)境濕氣及污染離子的侵入[10]。

目前業(yè)內(nèi)針對(duì)GaAs類(lèi)非氣密性封裝器件的潮敏等級(jí)要求一般是≤MSL3，但鑒于此類(lèi)化合物芯片從材料組分及工藝制程能力來(lái)講，其耐濕熱能力相較于SOI工藝會(huì)更弱，因此，為更好的保證器件在電應(yīng)力下的耐濕熱能力，此類(lèi)器件在塑封料的選擇上，應(yīng)優(yōu)先選擇粘結(jié)性好、熱膨脹系數(shù)小、玻璃化溫度較高、且吸濕性更低的塑封料。

4 結(jié) 論

本文基于GaAs pHEMT工藝現(xiàn)狀，從芯片設(shè)計(jì)、晶圓制程控制、封裝封料選擇三個(gè)維度進(jìn)行了分析，以此說(shuō)明如何從這三個(gè)方面提高相似工藝器件的耐濕熱能力。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，目前業(yè)內(nèi)用于微波毫米波、射頻或功率器件的化合物半導(dǎo)體材料應(yīng)用越來(lái)越廣泛，類(lèi)似GaAs HBT、GaAs pHEMT/HBT等，只要在材料組合及工藝上與文中所述GaAs pHEMT案例有相似性，在耐濕熱能力上均會(huì)面臨相同的問(wèn)題，因此在器件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)均需要格外注意。

同時(shí)，限于實(shí)驗(yàn)手段有限，文中部分失效機(jī)理并未進(jìn)行深入研究，其中觀(guān)點(diǎn)愿與業(yè)內(nèi)專(zhuān)業(yè)人士商榷，不足之處也期待能得到指正。

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作者簡(jiǎn)介：黃琴琴（1985—），女，漢族，四川德陽(yáng)

人，中級(jí)工程師，本科，主要研究方向：半導(dǎo)體元器件工藝及技術(shù)。

收稿日期：2023-09-10

Research on Current Situation of Temperature and Humidity Highly Accelerated Stress Test （HAST） Capability of Compound Semiconductors

HUANG Qinqin， SHI Jun

（Chengdu Ganide Technology Co.， Ltd.， Chengdu 610016， China）

Abstract： Based on the current situation of GaAs pHEMT wafer process， this paper studies from three dimensions： chip design， wafer process control， and packaging material selection according to different material characteristics. It reports the current situation faced by compound semiconductors with relatively complex material combinations in terms of temperature and humidity Highly Accelerated Stress Test （HAST） capabilities. Through typical case analysis， the key points that such compound semiconductors need to pay attention to in the design and process control are explained， which can be used for reference in similar chip design or process development work.

Keywords： compound semiconductor; GaAs; pHEMT; HAST; temperature and humidity stress test capability