MMIC多功能芯片源漏金属异常的分析

刘世郑，陈磊，凌宗欣，陈堂胜，任春江，章军云

（中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏 南京 210016）

0 引言

随着军用、民用通信系统的快速发展，以及有源相控阵雷达、宽带电子对抗和毫米波精确制导等高精准武器系统的需求不断提高，高性能、高可靠的GaAs器件和单片微波集成电路（MMIC:Monolithic Microwave Integrated Circuit）获得了飞速发展。GaAs器件和MMIC可满足微波整机系统向多功能、小型化和高可靠方向发展的要求，已成为微波半导体器件的一个发展方向，在国防高科技领域和民用通信应用中发挥了重要的作用。多功能芯片是近年来砷化镓芯片领域的研究热点[1-5]。随着应用的广泛深入，其工艺制造及使用过程中出现的失效问题也成为行业领域关注和研究的热点。

源漏薄膜金属的可靠性研究是提升芯片可靠性的重要方面。在砷化镓MMIC领域，国内外的报道中，对于源漏金属层的金属体系包括合金温度的研究[6-13]和对于芯片在使用过程的可靠性分析报道得较多[14]，而对于单步工艺的源漏金属薄膜的失效类的研究报道鲜有。中间金属层纳米级的厚度区间，给故障层的研究分析带来了挑战。

本文以一款多功能芯片制造过程中的源漏工艺为平台，结合金属薄膜的材料化学特性，分析了图形制备过程中薄膜凸起的原因，阐述了其失效机理，为生产过程中预防此类失效模式提供了理论依据，为芯片制造过程中源漏工艺外观成品率的提升提供了借鉴作用。

1 异常现象

本案例是基于0.25 μm GaAs pHEMT E/D工艺的数字移相衰减多功能芯片的源漏工艺开展的。外延片在经过了光刻CO、蒸发台150～230 nm金锗镍金的薄膜制备、剥离清洗和350～430℃合金后，出现了凸起的薄膜异常，该异常分布在图形的边角点。此现象影响了金属薄膜的外观和质量可靠性，严重地影响了圆片的成品率。

对故障样品进行100倍的显微镜分析，结果如图1所示。

图1 100倍明场镜检图

2 故障分析

对样品进行透射电镜（TEM:Transmission Electron Microscope）分析，结果如图2所示。使用镓电子束切开样品后，凸起的金属薄膜的底部为一个空洞，在空洞的底部有异常物存在，如图2中箭头1对应的白色图层所示；箭头2和箭头3对应的金属层为TEM样品制备过程中引入的保护膜。

图2 TEM分析

对异常残留物的部分区域Area#1区域进行能谱分析，结果如图3所示。图3中区域1内为异常物，区域2为空洞区域。分析结果如图4所示。从图4中可以看出，残留物存在于中间的镍层，凸起的空洞底部边也是发生在中间的镍层。

图3 图2中的箭头1所在区域的放大图

图4 异常残留物的能谱分析图

异常残留物的元素为镍、锗、氧和氯，以及少量的硫。能谱图中的镓、铜和铂为TEM制备样品时引入。

3 基理分析

正常的工艺过程为:首先，完成光刻源漏的外延片需要经过浓度为5%～25%的无机酸的表面处理20～60 s；然后，清洗并在甩干机的旋转作用下甩干；最后，进入蒸发台进行150～230 nm金锗镍金的薄膜制备。

3.1 异常因素一

由于外延片在漂酸后清洗去酸环节不到位，在甩干机的旋转作用下表面处理的无机酸（HCL/H2SO4）残留液聚集在源漏图形的边缘。能谱图中的氯、硫来自于外延片表面处理时浸入的无机酸在后续的清洗工序中未清洗干净残留所致。

3.2 异常因素二

金属镍源中含有杂质原子，杂质C、O以碳酸镍的形式存在的可能性比较大，碳酸镍400℃即会发生以下分解:

在蒸发台的金属薄膜制备前的准备过程即熔源过程中，熔源温度大于400℃，镍的碳酸化合物被分解，故镍源中含有因高温煅烧制备过程引入的氧化镍，氧化镍的熔点远高于单质镍的熔点，未被融源的氧化镍颗粒在机台的旋转作用下聚集在镀膜图形的边缘。在残留酸的作用下，团聚物在350～430℃的合金高温下发生了化学反应，并有少量的气体生成，导致了金属薄膜的凸起。即:

由于源漏金属体系中间层镍阻挡层的失效，源漏金属体系中的锗出现扩散，已脱离金锗共蒸层，并在350～430℃的高温下与氧化性硫酸发生反应。即:

对于异常凸起的金属薄膜，由于薄膜的底部是空洞，直流测试的探针扎针接触会压碎凸起的薄膜，故凸起的薄膜无法准确地获得欧姆接触的数值。由于异常点出现在图形的边角，对于源漏PCM图形的其他正常区域即未凸起的源漏金属进行欧姆接触电阻测试，结果是合格的。

4 工艺改进

根据故障定位和机理分析的结果，对生产过程中的以下环节采取了改进措施。

a）完成无机酸表面处理的外延片在自动清洗槽中的自动清洗，次数由1次增加为2次；并定期及时地监测自动清洗槽的pH值，降低外延片酸性残留液的风险。

b）对于金属镍源中存在的杂质原子偏高的问题，及时地反馈给供应商厂家；并采用更高质量等级的金属源以降低杂质对薄膜质量外观和可靠性的影响。

c）排查生产过程，对于可能引入金属层氧化的环节，采取加严控制的措施。

实施了改进措施后，源漏金属薄膜的镜检图如图5所示。从图5中可以看出，源漏金属薄膜表面干净，外观合格，极少发生前述故障现象，外观成品率的提升显著。

图5 源漏金属镜检图

5 结束语

通过加严表面处理后的清洗环节，提升了金属薄膜制备前基底的洁净度，杜绝了残留酸的存在，同时提高了金属源的纯度，防止了工艺制备过程中单质金属的氧化，可以有效地提高源漏金属薄膜的质量，防止薄膜凸起等异常的现象。此文涉及的工艺改进措施对源漏金属的外观成品率的提升起到了指导作用。