铝铜合金对芯片电极可靠性的影响

刘杰

摘要：由于铝及其合金是集成电路互连的常用材料，所以人们对提高集成电路器件的电迁移进行了一系列的研究。铝合金化被认为是改善铝电迁移的有效方法，如在纯铝中加入铜、镍、铬或镁等，而加入铜的效果最好，并且负面影响最小。

关键词：铝铜合金;芯片;可靠性

对芯片而言，铝在电极中的稳定性直接关系到芯片的可靠性。因此，如何在保证铝反射率的前提下，通过添加少量铜来提高电极的可靠性是一个重要的课题。本文通过在铝中加入一定量的铜，研究了铝铜合金对耐电流性及芯片电极可靠性的影响。

一、铝铜合金概述

铝铜合金很坚硬，熔点是640℃，一般是由97%的铝和3%的铜组成。跟金属铝的化学性质相似，轻而抗张强度大，可代替昂贵的铜线为电线。同时，铝铜合金也称硬铝合金，可热处理时效强化，具有很高的室温强度及良好的高温和超低温性能，因此铝铜合金是工业中应用广泛的金属结构材料之一。

二、实验

所有金属的沉积采用电子束蒸镀工艺，蒸镀设备为FU-16PEB。铝蒸发源为纯Al（纯度99.9995%），铝铜合金的蒸发源为铝、铜按一定配比的预熔源，蒸发条件为：真空度5×10Torr（1Torr=133.3Pa），衬底温度40～50℃，沉积速率1nm/s。

GaN基芯片制作过程为：首先在蓝宝石衬底上用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）方法生长GaN外延结构，再通过电感耦合等离子体（ICP）刻蚀露出n型GaN区域，在P型GaN表面制备氧化铟锡（ITO）薄膜，并在氮气气氛下快速退火，使P型GaN与ITO之间形成欧姆接触，最后通过电子束蒸镀金属作为其电极。作为对比，电极结构有铝电极（Cr/At）及铝铜电极（Cr/A1Cu），其中铬的厚度为2.5nm，铝或铝铜合金的厚度均为100nm。

利用自制的芯片老化系统，对芯片进行加速老化，并测试其正向电压和漏电流，测试条件分别为正向电流150mA和反向电压10V。老化后的芯片电极样品经金相显微镜、扫描电子显微镜（SEM）进行形貌观察，经X射线能谱仪（EDS）进行元素成分分析。

三、结果和讨论

1、镀膜和镀源中铜质量分数的关系。在芯片制程中，电极的沉积是由电子束蒸镀制备的。为了得到铝铜合金薄膜，使用特定质量分数组成的铝、铜蒸发源，然而由于铝、铜的饱和蒸气压不同，导致镀膜过程中两者蒸发速率不同，因此得到的铝铜合金镀膜中组分与铝铜蒸发源组分并不一致。为了得到两者间的对应关系，需经理论计算。

2、不同合金电极耐电流实验。为了验证不同铜质量分数下铝铜合金薄膜的耐电流情况，研究了3种结构的金属，分别为铝、铜质量分数为2%的铝铜合金和铜质量分数为5%的铝铜合金，厚度均为500nm。后两者合金制备过程中，其对应的蒸镀源中铜的质量分数分别为14%和29%。另外，所有铝铜组分均为蒸镀后电极的组分。

3、铜质量分数对薄膜反射率的影响。由于电极的反射率直接影响制成芯片的亮度，为此研究了不同铜质量分数下反射电极的反射率。图1比较了纯A1、A1Cu及A1Cu三种薄膜的反射率。对LED而言，400～600nm的可见光波长是最受关注的波段，在此范围内，A1Cu与纯Al的反射率非常接近，差距在1%以内。而当Cu质量分数为5%时，其反射率相对纯Al将降低3%左右。结合以上结果，对铝铜合金电极，在提高反射电极耐电流的前提下，还要保证理想的反射率，因此Cu质量分数为2%更合适。

4、不同电极的芯片可靠性测试。为进一步验证纯铝电极和铝铜合金电极的可靠性，将两种电极（Cr/A1、Cr/A1-Cu）分别运用在同样规格的芯片上，对两种芯片进行高温点亮老化测试，其中铝铜合金中铜质量分数为2%。所制作的芯片尺寸约为475µm×475µm，老化条件为环境温度85℃，老化电流150mA，老化时间约42天。

实验发现，纯铝电极的芯片老化后，出现了明显的电性异常。如图2所示，纯铝电极老化前正向电压为3.27V，漏电流为0µA;老化500h后正向电压略增至3.43V，漏电流为0.73µA;老化1000h后正向电压已降低至1.4lV，漏电流增加至5µA（5µA为额定最大值），表现为明显的漏电失效。相反，铝铜合金电极的芯片经1000h老化后，整体电性能良好，正向电压及漏电流都无明显变化。老化后芯片的局部外观照片见图3。从芯片的外观来看，铝铜电极芯片的电极外观无任何变化，而纯铝电极的芯片老化失效后，在电极叉指上出现明显的异物析出（见虚线圆圈内）。

为了进一步分析纯铝电极芯片老化中的析出异物，对失效芯片分别进行了SEM外观和EDS元素分析。图5（a）显示了电极叉指上异物的SEM放大图像，可看到该异物呈根须状，而且异物是从电极叉指底部析出。EDS元素分析进一步显示该异物的成分是金属铝（图5（b））。通常，对不含铜的纯铝电极，在芯片工作时，其金属铝会由于电迁移慢慢从电极侧面析出。一旦金属线中形成空洞，电流通过的截面积随之缩小，表现为正向电压略微升高。随着空洞的进一步扩大，析出物越来越多，一旦金属铝根须接触到临近芯片区域時，导致芯片最终漏电，表现为正向电压迅速降低和漏电流迅速增大。

四、结语

总之，由于铝是一种活泼的金属，易在电流作用下产生电迁移现象，导致铝金属线最终失效。电迁移是一种在电场和温度作用下的物质传输现象。从微观来看，电迁移就像晶体中的原子作扩散运动那样，产生一种质量迁移。电迁移的结果是使金属铝的某些部位产生“空洞”、“小丘”或“晶须”。这种质量迁移发展到严重程度时，将使金属线条的电阻急剧增加直至断路失效。因此，以铝铜合金为电极的芯片能有效阻止铝的电迁移，从而显著提升芯片的可靠性。

参考文献：

[1] 陈才佳.具有反射电极的高亮度芯片设计[J].半导体技术，2014（05）.

[2] 时军朋.电极中Al层对芯片可靠性的影响[J].电子质量，2017（01）.

[3] 华斌，闫晓密，贾美琳等.铝铜合金对LED芯片电极可靠性的影响[J].半导体技术，2018（07）.

（作者单位：中芯国际集成电路制造（天津）有限公司）