氢效应对微电子器件的可靠性影响

PEELAY

气密封装微电子器件内部气氛含量的控制，直接与产品的性能、寿命及可靠性息息相关。美军标MIL-STD-883及国军标GJB548的判据要求，对于内部水汽含量的控制需在5000ppm以下，因为水汽含量超标，将会加速芯片的腐蚀，造成器件参数漂移甚至发生短路或烧毁，但国内外的标准中对于其它残余气氛却未做要求。随着10多年的技术发展，微电子制造行业对于气密封装微电子器件内部的其它气氛也有了更深入的了解，尤其是应用在高可靠性领域的微电子器件。 其中，氢气就是除水汽之外，微电子器件内部需要控制的另一种残余气氛。氢气含量的增加将会导致水汽的增加发生短路现象，还会引起金属材料性能的变化，也会使如GaAs微波器件的性能参数发生退化等问题，造成器件的可靠性隐患。
) ]) p0 x; \. S+ |氢气的来源 氢气的来源主要分为外壳材料制造过程及微组装过程两方面。首先，对于外壳材料制造过程，如含有铁基或镍基的合金材料，在其制造工艺过程中使用H2作为工艺气氛或保护气氛来进行如封接、退火等工艺，导致H2被含铁合金材料所吸收；其次，外壳基材在电镀前，需要进行酸性清洗，而酸中的氢离子与外壳表面的金属离子发生化学反应，导致H2残留在外壳上。而且，在外壳电镀过程中，阴极表面沉积金属镀层的同时，还会发生析氢反应，致使H2随着镀层留在外壳上。 对于微组装过程中使用到的各种材料及组装过程中均有可能吸附氢气，如焊料和键合引线在组装或加工时，会添加氮氢混合气氛来防止氧化，从而导致氢气残留；如有机高分子材料、粘接剂、导电胶、吸波材料，在使用过程中均会挥发和分解出H2；如氧化铝陶瓷基板，在生产加工过程中需要采用电镀工艺在基板上形成图形，电镀工艺也会发生氢气吸附现象。 然而，所有吸附在微电子器件内腔中的氢，均会缓慢地释放出来，尤其在高温环境下，氢气的释放速度会更快，这样就给产品的可靠性带来了隐患。
氢效应导致的失效类别

1GaAs芯片性能退化

( i( C7 `0 F2 o8 ^( r目前已经证实氢能造成GaAs芯片性能退化，从最早的IBM公司Camp, W.O, Jr. Lasater等人于1989年首次提出了H2对金属半导体场效应晶体管（MESFET）可靠性的影响，报告中指出在环境温度125℃、H2含量0.5%时，500h内，器件的性能将会发生明显退化，且普遍存在于使用Ti/Pt或Ti/Pd的栅级结构GaAs器件中，造成产品的直流参数和RF参数退化。随后其他研究人员在MESFET（半导体效应晶体管）、HEMT（高电子迁移率晶体管）和PHEMT（赝晶高电子迁移率晶体管）等产品中也发现了这种氢效应影响，但不包括HBT、PIN以及移相功能的器件。 国外对于氢效应的研究较早，近几年来, 国内对于降低材料的氢气释放或改进制造工艺来缓解H2对GaAs PHEMT器件性能的影响也有了一些研究进展。然而，氢气对于GaAs器件性能退化的机理还不是十分明确，当前认为可能的失效物理过程主要有两种：
第一种理论，Si作为GaAs器件n型掺杂剂，在栅级Pt的催化作用下，氢气在Pt层中解离成原子态的氢，然后氢原子扩散到器件沟道区形成Si-H化合物，钝化施主杂质Si使其失去电学活性，从而降低了增益、传导、电流等性能参数使产品发生退化现象。另外，所有发现的退化都与使用了含有Pt或Pd的耐火金属栅有关，这些常用的栅级材料起到了催化作用，加强了退化反应，而在使用铝制等材料的无耐火栅级器件中却没有发现退化现象。
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另一种理论，氢原子扩散进入金属栅与GaAs接触的界面，改变肖特基势垒的接触电势，从而导致器件夹断电压和转移特性的变化。但由于不同制造厂器件的制造工艺、栅极金属、合金结构等均不相同，所以造成器件对于H2的敏感性、退化程度也各不相同，这也导致了H2使GaAs器件失效没有一个统一解释的原因。不过，行业内对于GaAs器件失效，普遍认可的是Adams等人发现的经验公式，可以大部分拟合这一过程。

运用这一经验公式，可以计算在不同温度下H2含量对器件寿命的影响。其中t（小时）表示失效时间，表示为源漏饱和电流（IDSS）降低10%时的平均寿命；A为常数（5.46×10-6）；P为氢气分压（H2%×7.6）；n=-0.7935；Ea为激活能（0.73eV）；KB为波尔兹曼常数（8.615×10-5）；T为环境温度（单位K）。
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2水汽含量增加

/ D! G" y; C+ f. \氢气能够促进气密封装器件内部的水汽产生。虽然，游离状态的氢气和氧气不太容易直接发生反应，一般需要较大的激活能才行。但在某些气密封装器件中，如内腔中的Ag、Sn、Pb及Ni的金属氧化物容易与封装材料缓慢释放的氢气发生反应，而Si、Al的金属氧化物则较难发生反应。另外，封装材料Au虽然属于惰性金属，但作为镀层时，如中间层的Ni金属会少量扩散到Au层表面，在封盖前暴露在空气中容易被氧化生成氧化镍。封盖后，氢原子从封装材料中释放，从而与氧化镍发生反应生成水汽。

3引发裂纹

! m* h3 ~1 Y! T5 u0 J气密封装器件中的氢气，会影响材料内部的位错状态和降低位错间的相互作用力，导致材料的局部发生塑性变形。另外，氢在材料内部还会产生氢气或其他气氛，如在第二相界面等特殊区域，当气氛压力等于或超过材料承受的强度时，材料将产生微裂纹，在一定应力的作用下，微裂纹会继续扩展形成更大的裂纹，严重影响器件的密封可靠性。

4金属被氢化

氢能与Pd、Pt、Ti等多种金属发生反应形成稳定的金属氢化物，生成的金属氢化物呈脆性，使得金属的材料性能降低（塑性和韧性），从而导致产品性能下降或直接失效。如在某微电子器件中的钛薄膜电阻氢化后，电阻的体积膨胀变形，导致电阻率发生变化，影响了产品的可靠性。

5压电效应

气密封装器件中栅极金属与氢生成氢化物后，会发生压电效应导致器件阈值电压漂移。如Ti/Pt/Au的栅极结构，氢气能从Au或Pt的边缘扩散进入栅结构，Pt再把氢气催化分解成氢原子之后，氢原子与Ti发生反应生成氢化物，并使栅极的体积膨胀并承受压力作用，致使下方的异质结构受到拉力，当晶体受力变形后将在垂直方向产生束缚电荷，由此产生的压电极化电荷会导致阈值电压漂移。
降低H2效应的典型措施 为了保证器件的使用可靠性，必须从材料、工艺等方面来降低H2效应的影响。目前的主要方法有： 第一种方法，采用高温烘焙可以有效降低封装材料中的H2含量。通常是通过提高烘焙温度或延长烘焙时间来使H2的含量降低。有资料显示在215℃下烘焙130h可以使H2含量降低到200ppm以下。虽然高温烘焙可以一定程度的降低H2含量，但并不能完全消除H2，而且操作的时候也要注意不能影响产品的其它特性。另外，由于各家单位的材料选用，制造工艺各不一样，因此，采用高温烘焙技术需根据实际产品来制定温度和时间参数。 第二种方法，改变器件的制程工艺，降低H2对器件的影响。如选用对H2不敏感的Al、W及Mo金属作为GaAs 场效应晶体管的栅结构，不过改变成熟已有的技术积累制程工艺，将存在一定的风险或增加研发成本。另外，也可以通过增加芯片钝化层厚度来抵抗H2的影响，有研究表明把钝化层厚度由100nm增加至300nm，可以使氢气渗透速率降低17倍，即使在高温加速寿命试验中，把氢气浓度增加20%，105h内产品的性能也几乎没有变化。 第三种方法，针对烘烤不能使器件内部封装材料中的氢气完全排除这一问题，可以在封装中使用H2吸附剂来把从封装材料中溢出的氢气进行吸收，这也是目前除了采用高温烘焙工艺之外，降低H2影响的主要方法之一。在采用H2吸附剂之前，首先要考虑封装材料对于H2的灵敏度，其次还要保证吸附剂有足够的容量使器件在预期的任务寿命周期内将H2维持在良好的水平，最后吸附剂需要具有良好的机械及热性能，而且也不能引入与氢气或其它气氛发生反应而生成水汽等对器件有害的气氛。 第四种方法，通过电路设计，补偿器件电性能的退化。H2效应的影响不会引起器件的致命性失效，只是性能参数的退化。因此，可以通过电路设计来预防H2引起的敏感性问题。
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谢谢分享，学习了。