GaAs器件镀层应力问题分析及解决

王敬松 周国

摘 要：传统的GaAs电镀布线工艺，镀层金属与种子层呈锐角，导致氮化硅表面出现变色脱落等现象，影响器件稳定性和可靠性。本文改进了传统的电镀布线工艺，在电镀布线后，表面先涂覆薄层聚合物（0.5 μm以内）以消除锐角，消除应力集中点，之后再淀积氮化硅，形成复合保护层。改进后的工艺解决了因镀层金属应力集中导致的氮化硅表面变色和脱落等问题。

关键词：电镀布线;应力集中;氮化硅

中图分类号：TN304.23文献标识码：A文章编号：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，砷化镓）器件具备高电子迁移率、高电子饱和漂移速度等优点，在雷达、航空航天、通信、功率电子等领域都具有广阔的应用前景。随着5G时代的到来，对无线通信终端和通信基站等微波系统的收发组件提出了更高的要求。而利用GaAs材料制作的低噪声器件具有效率高、抗辐射能力强等优点，将其应用于通信领域，能满足5G提出的要求。

利用传统方法制作GaAs器件的过程中，会在芯片表面生成一定厚度的SiN（Silicon Nitride，氮化硅）介质层（总厚度300～500 nm），以阻挡潮气、离子沾污等因素对芯片的影响。在器件制作过程中，也发现了一些影响器件稳定性和可靠性的隐患。芯片表面金属镀层布线工艺经常出现应力集中点，导致该点氮化硅变色甚至开裂脱落，或者后续封装过程中受机械冲击时易产生微裂纹，严重影响芯片整体的可靠性[1-4]。

1 传统电镀布线工艺及问题

传统电镀布线工艺如图1所示。从图1可知，传统电镀布线工艺可分为四个步骤。步骤1，在圆片表面通过电镀方法完成金属布线。步骤2，用等离子体增强化学气相沉积法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）在镀层表面淀积一层氮化硅保护层，厚度为0.5～1 μm。步骤3，表面旋涂光刻胶，对压点区域进行曝光显影，露出压点区域介质表面。步骤4，用RIE（Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀）刻蚀压点区域氮化硅露出金属，去除光刻胶，完成工艺[5-6]。

完成电镀布线后，在显微镜下，经常发现氮化硅表面出现变色和脱落等异常现象（见图2），而这些现象会严重影响器件的镜检成品率和可靠性。这些问题均出现在电镀布线旁。

为了找到SiN异常的原因，使用FIB（Focused Ion Beam，聚焦离子束）对SiN异常处进行观察。如图3所示，镀层金属与金属种子层呈锐角形状，这一现象导致该处应力远高于其他位置，这种现象称为应力集中现象。该现象是导致该处SiN出现变色、脱落的主要原因。

2 改进后电镀布线工艺

为了避免因应力集中造成器件损伤的现象，应避免镀层金属与金属种子层呈锐角，或把锐角改为钝角等。

本文在利用电镀方法完成金属布线之后，先在表面涂覆薄层聚合物（0.5 μm以内），以消除应力集中点，之后再淀积氮化硅，形成复合保护层。薄层聚合物可以是苯并环丁烯，也可以是聚酰亚胺，具体工艺步骤如图4所示。

与传统工艺相比，在完成电镀布线后，通过薄层聚合物来填充金属电镀布线后的应力集中点，形成一个应力分散的表面区域，后续再淀积氮化硅保护层。

3 优化成效分析

本文选择同一批次两芯片同时进行流片，分别采用改进前后的镀层布线工艺，使用自动光学检测（Automated Optical Inspection，AOI）進行检验，得出如表1和表2所示的检验结果。

从表1和表2可以看出，工艺改进后，镜检成品率大幅度提高。

对于一个成熟的工艺，需要规模流片来验证工艺的稳定性。本次也进行了小规模流片验证。本研究共选择100片流片进行验证，50片采用改进前的工艺，50片采用改进后的工艺。镜检成品率变化曲线如图5所示。

从图5可知，改进后的镀层布线工艺可控且稳定。

4 结论

电镀布线工艺改进后解决了由于金属镀层应力集中导致的氮化硅表面变色和脱落等问题。同时，薄层聚合物具有较低的吸水性，能很好地抵抗水汽。镀层表面薄层聚合物和氮化硅双层保护，抗水汽能力、抗电迁移能力也得到了大幅度提升。

参考文献：

[1]YAO Z Q，YANG P ，HUANG N ，et al. Fabrication and surface characterization of pulsed reactive closed-field unbalanced magnetron sputtered amorphous silicon nitride films[J]. Surface & Coatings Technology，2006（12-13）：4144-4151.

[2]LOWE A J，POWELL M J，ELLIOTT S R . The electronic properties of plasmaeposited films of hydrogenated amorphous SiNx （0

[3]李效白.砷化鎵微波功率场效应晶体管及其集成电路[M].北京：科学出版社，1998：1-5.

[4]HOFFMAN D M，RANGARAJAN S P ，ATHAVALE S D，et al. Plasma enhanced chemical vapor deposition of silicon nitride films from a metal-organic precursor[J]. Journal of Materials Research，2011（12）：3019-3021.

[5] TEYSSANDIER C ，STIEGLAUER H ，BYK E ，et al. 0.1 ?m GaAs pHEMT technology and associated modelling for millimeter wave low noise amplifiers[C]// Microwave Integrated Circuits Conference. IEEE，2012.

[6]CHOU Y C ，GRUNDBACHER R，LEUNG D， et al. Physical identification of gate metal interdiffusion in GaAs PHEMTs[J]. Electron Device Letters IEEE，2004（2）：64-66.