針對限幅低噪聲放大器使用過程中出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象，利用掃描電鏡和能譜儀對場效應管柵極表面的金屬缺失層和柵源之間的金屬堆積物進行微觀分析，尋找放大器工作不正常的原因。結果表明：場效應管柵極Au層的電遷移，使導線局部電阻增大，溫度升高，導致Au 的熱遷移加重，引起導線出現(xiàn)孔洞和柵源中間堆積金屬顆粒，使柵極導線出現(xiàn)開路和柵源極間產生不穩(wěn)定接觸，最終導致場效應管的工作參數(shù)漂移和放大器工作不正常。

　　電遷移是導電金屬材料在通過高密度電流時，金屬原子沿著電流運動方向（電子風）進行遷移和質量可控的擴散現(xiàn)象，它與金屬材料的電流密度和溫度數(shù)值密切相關。當凸點及其界面處的局部電流密度超過電遷移門檻值時，高速運動的電子流形成的電子風與金屬原子發(fā)生劇烈碰撞，進行部分的沖量交換，迫使原子沿著電子流方向運動，從而發(fā)生凸點互連的電遷移。通常電遷移能在陰極造成金屬原子的流失而產生微空洞，使互連面積減小導致斷路，在陽極造成金屬原子的堆積而形成凸起的“小丘”,導致短路，從而引起IC及元器件失效。電遷移是引起IC及電子產品失效的一種重要機制。因此，有必要針對Au的電遷移特性進行研究，明確Au電遷移對電路的影響。

　　某限幅低噪聲放大器在交付用戶使用一段時間后出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象，在確認失效樣品電參數(shù)后，開封檢查觀察到內部沒有短路、斷路現(xiàn)象或明顯的缺陷區(qū)。由于放大管中主要功能元件是兩級砷化鎵金屬半導體場效應晶體管（MESFET），采用新的同型號的MESFET 將其置換后，功能恢復正常。根據(jù)以上檢測排除，最終鎖定場效應管失效。

　　筆者借助掃描電子顯微鏡和X 射線能譜儀對該MESFET中的異常導電層不同微區(qū)進行了微觀分析，找出了產生此問題的原因。

　　1 實驗

　　實驗儀器為日本JEOL 公司生產的JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM），配有美國EDAX 公司生產的Genesis2000XMS 型X 射線能譜儀（EDS）附件。

　　實驗樣品為失效的GaAs-MESFET,圖1 為其結構圖，襯底材料是具有高電阻率的本征砷化鎵，在溝道上制作柵極金屬，與n型半導體之間形成肖特基勢壘接觸，源極和漏極金屬與n+ 型半導體之間形成歐姆接觸。該MESFET采用n+-GaAs-Au歐姆接觸系形成源漏接觸電阻和Al-W-Au的砷化鎵肖特基勢壘接觸系統(tǒng)。

　　2 結果與討論

　　2.1 Au 導電層的微觀形貌和成分對比分析

　　對失效場效應管進行SEM 觀察，結果見圖2.由圖2（b）可知，正常導電層（區(qū)域A）完好，場效應管柵極表面（區(qū)域B）存在明顯的金屬層缺失（孔洞），柵源兩極之間（C 區(qū)域）可見金屬顆粒堆積（小丘）。

　　為確認是否是鍍金層Au 的遷移引起導電層中間出現(xiàn)金屬孔洞現(xiàn)象和金屬顆粒堆積現(xiàn)象，用EDS對圖2 中三個不同微區(qū)A、B、C 進行成分分析，結果見EDS 能譜圖3 和表1.由表中成分數(shù)據(jù)可知，兩柵極連通導線最表層為鍍金層，相比正常鍍層表面，區(qū)域B 的Au 層缺失嚴重并露出下層金屬鎢，而本不應該出現(xiàn)Au 的區(qū)域C 出現(xiàn)了Au 元素。

　　因此，圖3 和表1 的數(shù)據(jù)表明，鍍Au 導電層B區(qū)域出現(xiàn)Au 遷移現(xiàn)象，導致其表面出現(xiàn)孔洞，而一部分的Au 又遷移到C 區(qū)域形成小丘狀的金屬顆粒。

　　2.2 Au 遷移引起MESFET 管失效原因分析

　　Au 做肖特基勢壘金屬時，Au 與GaAs 的黏附性能也不好，并且Au 向半導體內部擴散及鎵向Au 的擴散還促進了Au 向砷化鎵擴散。而鋁不但具有高的電導率，還與砷化鎵有好的黏附性，但鋁具有易氧化，承受電沖擊的能量較小、易電遷移和電導率比Au 低等特性，因此在鋁和Au 之間加入鎢阻擋層，防止鋁易氧化及屏蔽Au 向GaAs 擴散效應。

　　電路工作過程中，柵條較細，其導電層上面的電流密度較高，金屬離子主要受到電子流對它的作用力，從而和電子流一樣朝正極方向移動，相應所產生的金屬離子空位向負極方向移動，這樣就造成了Au的凈質量傳輸。

　　在電遷移過程的擴展階段，由于采用了高對流系數(shù)的熱傳導方法，互連結構的實際溫升得到了控制，顯著減小了高溫引起的原子熱遷移對電遷移的干擾，所以此階段Au的遷移驅動力主要是電遷移力。

　　在電遷移過程的快速失效階段，Au 的遷移是熱遷移和電遷移共同作用的結果：電遷移力驅動陰極處原子的遷移，Au 的流失導致電阻增大造成了局部區(qū)域的快速溫升；而更高的溫度使得熱遷移力成為原子遷移的主要驅動力，并最終導致了Au 嚴重的流失，使B 區(qū)域出現(xiàn)孔洞現(xiàn)象，C 區(qū)域出現(xiàn)了含有大量Au 的金屬小丘。

　　3 結論

　　在電流作用下，放大器中MESFET 柵條鍍Au層出現(xiàn)了Au 的電遷移，使導線局部電阻的增大，溫度升高，使 Au 的熱遷移加重，最終導致導線出現(xiàn)孔洞現(xiàn)象和柵源極處出現(xiàn)小丘狀的金屬顆粒。孔洞現(xiàn)象會使導線出現(xiàn)開路，而柵源極間的金屬顆粒造成的不穩(wěn)定接觸會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，導致MESFET 工作參數(shù)漂移和放大器不正常工作。

　　因此，為了提高抗電遷移能力，設計方面應從降低電流密度、降低結溫、增加散熱方面合理研發(fā)半導體器件；工藝方面應嚴格控制金屬膜質量并進行檢查；最后建議器件在封裝、存儲時應避免濕氣環(huán)境，一定程度上可以降低電遷移的發(fā)生幾率。