GaAs器件鍍層應(yīng)力問題分析及解決

王敬松 周國

摘 要：傳統(tǒng)的GaAs電鍍布線工藝，鍍層金屬與種子層呈銳角，導(dǎo)致氮化硅表面出現(xiàn)變色脫落等現(xiàn)象，影響器件穩(wěn)定性和可靠性。本文改進(jìn)了傳統(tǒng)的電鍍布線工藝，在電鍍布線后，表面先涂覆薄層聚合物（0.5 μm以內(nèi)）以消除銳角，消除應(yīng)力集中點，之后再淀積氮化硅，形成復(fù)合保護(hù)層。改進(jìn)后的工藝解決了因鍍層金屬應(yīng)力集中導(dǎo)致的氮化硅表面變色和脫落等問題。

關(guān)鍵詞：電鍍布線;應(yīng)力集中;氮化硅

中圖分類號：TN304.23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0033-03

Analysis and Solution of Coating Stress on GaAs Device

WANG Jingsong ZHOU Guo

（The 13th Research Institute of China Electric Technology Group Corporation，Shijiazhuang Hebei 050051）

Abstract： In the traditional GaAs electroplating wiring process， the coating metal and seed layer have an acute angle， which leads to the phenomenon of discoloration and falling off on the surface of silicon nitride， which affects the stability and reliability of the device. In this paper， the traditional electroplating wiring process is improved. After the electroplating wiring， a thin layer of polymer is coated on the surface to eliminate the acute angle and stress concentration point， and then silicon nitride is deposited to form a composite protective layer. The improved process solves the problems of discoloration and peeling of silicon nitride surface caused by stress concentration of coating metal.

Keywords： electroplating wiring;stress concentration;SiN

GaAs（Gallium Arsenide，砷化鎵）器件具備高電子遷移率、高電子飽和漂移速度等優(yōu)點，在雷達(dá)、航空航天、通信、功率電子等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著5G時代的到來，對無線通信終端和通信基站等微波系統(tǒng)的收發(fā)組件提出了更高的要求。而利用GaAs材料制作的低噪聲器件具有效率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點，將其應(yīng)用于通信領(lǐng)域，能滿足5G提出的要求。

利用傳統(tǒng)方法制作GaAs器件的過程中，會在芯片表面生成一定厚度的SiN（Silicon Nitride，氮化硅）介質(zhì)層（總厚度300～500 nm），以阻擋潮氣、離子沾污等因素對芯片的影響。在器件制作過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些影響器件穩(wěn)定性和可靠性的隱患。芯片表面金屬鍍層布線工藝經(jīng)常出現(xiàn)應(yīng)力集中點，導(dǎo)致該點氮化硅變色甚至開裂脫落，或者后續(xù)封裝過程中受機(jī)械沖擊時易產(chǎn)生微裂紋，嚴(yán)重影響芯片整體的可靠性[1-4]。

1 傳統(tǒng)電鍍布線工藝及問題

傳統(tǒng)電鍍布線工藝如圖1所示。從圖1可知，傳統(tǒng)電鍍布線工藝可分為四個步驟。步驟1，在圓片表面通過電鍍方法完成金屬布線。步驟2，用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）在鍍層表面淀積一層氮化硅保護(hù)層，厚度為0.5～1 μm。步驟3，表面旋涂光刻膠，對壓點區(qū)域進(jìn)行曝光顯影，露出壓點區(qū)域介質(zhì)表面。步驟4，用RIE（Reactive Ion Etching，反應(yīng)離子刻蝕）刻蝕壓點區(qū)域氮化硅露出金屬，去除光刻膠，完成工藝[5-6]。

完成電鍍布線后，在顯微鏡下，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)氮化硅表面出現(xiàn)變色和脫落等異常現(xiàn)象（見圖2），而這些現(xiàn)象會嚴(yán)重影響器件的鏡檢成品率和可靠性。這些問題均出現(xiàn)在電鍍布線旁。

為了找到SiN異常的原因，使用FIB（Focused Ion Beam，聚焦離子束）對SiN異常處進(jìn)行觀察。如圖3所示，鍍層金屬與金屬種子層呈銳角形狀，這一現(xiàn)象導(dǎo)致該處應(yīng)力遠(yuǎn)高于其他位置，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中現(xiàn)象。該現(xiàn)象是導(dǎo)致該處SiN出現(xiàn)變色、脫落的主要原因。

2 改進(jìn)后電鍍布線工藝

為了避免因應(yīng)力集中造成器件損傷的現(xiàn)象，應(yīng)避免鍍層金屬與金屬種子層呈銳角，或把銳角改為鈍角等。

本文在利用電鍍方法完成金屬布線之后，先在表面涂覆薄層聚合物（0.5 μm以內(nèi)），以消除應(yīng)力集中點，之后再淀積氮化硅，形成復(fù)合保護(hù)層。薄層聚合物可以是苯并環(huán)丁烯，也可以是聚酰亞胺，具體工藝步驟如圖4所示。

與傳統(tǒng)工藝相比，在完成電鍍布線后，通過薄層聚合物來填充金屬電鍍布線后的應(yīng)力集中點，形成一個應(yīng)力分散的表面區(qū)域，后續(xù)再淀積氮化硅保護(hù)層。

3 優(yōu)化成效分析

本文選擇同一批次兩芯片同時進(jìn)行流片，分別采用改進(jìn)前后的鍍層布線工藝，使用自動光學(xué)檢測（Automated Optical Inspection，AOI）進(jìn)行檢驗，得出如表1和表2所示的檢驗結(jié)果。

從表1和表2可以看出，工藝改進(jìn)后，鏡檢成品率大幅度提高。

對于一個成熟的工藝，需要規(guī)模流片來驗證工藝的穩(wěn)定性。本次也進(jìn)行了小規(guī)模流片驗證。本研究共選擇100片流片進(jìn)行驗證，50片采用改進(jìn)前的工藝，50片采用改進(jìn)后的工藝。鏡檢成品率變化曲線如圖5所示。

從圖5可知，改進(jìn)后的鍍層布線工藝可控且穩(wěn)定。

4 結(jié)論

電鍍布線工藝改進(jìn)后解決了由于金屬鍍層應(yīng)力集中導(dǎo)致的氮化硅表面變色和脫落等問題。同時，薄層聚合物具有較低的吸水性，能很好地抵抗水汽。鍍層表面薄層聚合物和氮化硅雙層保護(hù)，抗水汽能力、抗電遷移能力也得到了大幅度提升。

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