鋁銅合金對芯片電極可靠性的影響獲獎科研報告

摘要：由于鋁及其合金是集成電路互連的常用材料，所以人們對提高集成電路器件的電遷移進行了一系列的研究。鋁合金化被認為是改善鋁電遷移的有效方法，如在純鋁中加入銅、鎳、鉻或鎂等，而加入銅的效果最好，并且負面影響最小。

關鍵詞：鋁銅合金;芯片;可靠性

對芯片而言，鋁在電極中的穩(wěn)定性直接關系到芯片的可靠性。因此，如何在保證鋁反射率的前提下，通過添加少量銅來提高電極的可靠性是一個重要的課題。本文通過在鋁中加入一定量的銅，研究了鋁銅合金對耐電流性及芯片電極可靠性的影響。

一、鋁銅合金概述

鋁銅合金很堅硬，熔點是640℃，一般是由97%的鋁和3%的銅組成。跟金屬鋁的化學性質相似，輕而抗張強度大，可代替昂貴的銅線為電線。同時，鋁銅合金也稱硬鋁合金，可熱處理時效強化，具有很高的室溫強度及良好的高溫和超低溫性能，因此鋁銅合金是工業(yè)中應用廣泛的金屬結構材料之一。

二、實驗

所有金屬的沉積采用電子束蒸鍍工藝，蒸鍍設備為FU-16PEB。鋁蒸發(fā)源為純Al（純度99.9995%），鋁銅合金的蒸發(fā)源為鋁、銅按一定配比的預熔源，蒸發(fā)條件為：真空度5×10Torr（1Torr=133.3Pa），襯底溫度40～50℃，沉積速率1nm/s。

GaN基芯片制作過程為：首先在藍寶石襯底上用金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）方法生長GaN外延結構，再通過電感耦合等離子體（ICP）刻蝕露出n型GaN區(qū)域，在P型GaN表面制備氧化銦錫（ITO）薄膜，并在氮氣氣氛下快速退火，使P型GaN與ITO之間形成歐姆接觸，最后通過電子束蒸鍍金屬作為其電極。作為對比，電極結構有鋁電極（Cr/At）及鋁銅電極（Cr/A1Cu），其中鉻的厚度為2.5nm，鋁或鋁銅合金的厚度均為100nm。

利用自制的芯片老化系統(tǒng)，對芯片進行加速老化，并測試其正向電壓和漏電流，測試條件分別為正向電流150mA和反向電壓10V。老化后的芯片電極樣品經(jīng)金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）進行形貌觀察，經(jīng)X射線能譜儀（EDS）進行元素成分分析。

三、結果和討論

1、鍍膜和鍍源中銅質量分數(shù)的關系。在芯片制程中，電極的沉積是由電子束蒸鍍制備的。為了得到鋁銅合金薄膜，使用特定質量分數(shù)組成的鋁、銅蒸發(fā)源，然而由于鋁、銅的飽和蒸氣壓不同，導致鍍膜過程中兩者蒸發(fā)速率不同，因此得到的鋁銅合金鍍膜中組分與鋁銅蒸發(fā)源組分并不一致。為了得到兩者間的對應關系，需經(jīng)理論計算。

2、不同合金電極耐電流實驗。為了驗證不同銅質量分數(shù)下鋁銅合金薄膜的耐電流情況，研究了3種結構的金屬，分別為鋁、銅質量分數(shù)為2%的鋁銅合金和銅質量分數(shù)為5%的鋁銅合金，厚度均為500nm。后兩者合金制備過程中，其對應的蒸鍍源中銅的質量分數(shù)分別為14%和29%。另外，所有鋁銅組分均為蒸鍍后電極的組分。

3、銅質量分數(shù)對薄膜反射率的影響。由于電極的反射率直接影響制成芯片的亮度，為此研究了不同銅質量分數(shù)下反射電極的反射率。圖1比較了純A1、A1Cu及A1Cu三種薄膜的反射率。對LED而言，400～600nm的可見光波長是最受關注的波段，在此范圍內，A1Cu與純Al的反射率非常接近，差距在1%以內。而當Cu質量分數(shù)為5%時，其反射率相對純Al將降低3%左右。結合以上結果，對鋁銅合金電極，在提高反射電極耐電流的前提下，還要保證理想的反射率，因此Cu質量分數(shù)為2%更合適。

4、不同電極的芯片可靠性測試。為進一步驗證純鋁電極和鋁銅合金電極的可靠性，將兩種電極（Cr/A1、Cr/A1-Cu）分別運用在同樣規(guī)格的芯片上，對兩種芯片進行高溫點亮老化測試，其中鋁銅合金中銅質量分數(shù)為2%。所制作的芯片尺寸約為475μm×475μm，老化條件為環(huán)境溫度85℃，老化電流150mA，老化時間約42天。

實驗發(fā)現(xiàn)，純鋁電極的芯片老化后，出現(xiàn)了明顯的電性異常。如圖2所示，純鋁電極老化前正向電壓為3.27V，漏電流為0μA;老化500h后正向電壓略增至3.43V，漏電流為0.73μA;老化1000h后正向電壓已降低至1.4lV，漏電流增加至5μA（5μA為額定最大值），表現(xiàn)為明顯的漏電失效。相反，鋁銅合金電極的芯片經(jīng)1000h老化后，整體電性能良好，正向電壓及漏電流都無明顯變化。老化后芯片的局部外觀照片見圖3。從芯片的外觀來看，鋁銅電極芯片的電極外觀無任何變化，而純鋁電極的芯片老化失效后，在電極叉指上出現(xiàn)明顯的異物析出（見虛線圓圈內）。

為了進一步分析純鋁電極芯片老化中的析出異物，對失效芯片分別進行了SEM外觀和EDS元素分析。圖5（a）顯示了電極叉指上異物的SEM放大圖像，可看到該異物呈根須狀，而且異物是從電極叉指底部析出。EDS元素分析進一步顯示該異物的成分是金屬鋁（圖5（b））。通常，對不含銅的純鋁電極，在芯片工作時，其金屬鋁會由于電遷移慢慢從電極側面析出。一旦金屬線中形成空洞，電流通過的截面積隨之縮小，表現(xiàn)為正向電壓略微升高。隨著空洞的進一步擴大，析出物越來越多，一旦金屬鋁根須接觸到臨近芯片區(qū)域時，導致芯片最終漏電，表現(xiàn)為正向電壓迅速降低和漏電流迅速增大。

四、結語

總之，由于鋁是一種活潑的金屬，易在電流作用下產(chǎn)生電遷移現(xiàn)象，導致鋁金屬線最終失效。電遷移是一種在電場和溫度作用下的物質傳輸現(xiàn)象。從微觀來看，電遷移就像晶體中的原子作擴散運動那樣，產(chǎn)