第五章 电极系统

半导体工艺原理第五章电极系统本章内容提要5.1

金属-半导体接触5.3

金属电极材料5.2

欧姆接触5.4

金属电极系统的失效机理5.5

GaAs的欧姆接触§

5.1金属-半导体接触一、金属和半导体的功函数E0(EF)mWm功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，Wm越大，电子越不容易离开金属。金属功函数约为几个电子伏特。铯的功函数最低(1.93eV),铂的最高（5.36eV)。1、金属的功函数Wm金属功函数的定义:真空中静止电子的能量E0

与金属的EF

能量之差，即上式表示一个起始能量等于费米能级的电子由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。Ec(EF)sEvE0χWsEn2、半导体的功函数Ws

在半导体中，导带底Ec

和价带顶EV一般都比E0

低几个电子伏特。半导体功函数的定义:真空中静止电子的能量E0

与半导体的EF

能量之差，即电子的亲合能：从E0

到

Ec

的能量间隔，即x称为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。Note:

和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，因而Ws也和杂质浓度有关。故常用亲合能表征半导体。①n型半导体：式中：②P型半导体：式中：Ec(EF)sEvE0χWsEnn型Ec(EF)sEvE0χWsEpEgp型金属/半导体接触半导体金属半导体金属What?能带结构发生变化新的物理效应和应用二、金属与半导体接触及接触电势差设想有一块金属和一块n型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：即半导体的费米能级(EF)s高于金属的费米能级(EF)m金属的传导电子的浓度很高，1022～1023cm-3半导体载流子的浓度比较低，1010～1019cm-3EvWsEcE0WmE0金属n型半导体En(EF)s(EF)m(a)接触前在接触开始时，半导体中的电子将向金属流动，使金属表面带负电，半导体表面带正电。结果降低了金属的电势(Vm)，提高了半导体的电势(Vs')

。达到平衡状态，金属和半导体的费米能级在同一水平线上，平衡时,相对于(EF)m,半导体的(EF)s下降为接触电势差：Vm:

金属电势，Vs:半导体电势D(b)间隙很大(D>原子间距)（c）紧密接触E+_qVD紧密接触后，电荷的流动使得在半导体表面相当厚的一层形成正的空间电荷区。空间电荷区形成电场，其电场在界面处造成能带弯曲，使得半导体表面和内部存在电势差，即表面势Vs。接触电势差分降在空间电荷区和金属与半导体表面之间。半导体体内电场为零，在空间电荷区电场方向由内向外，半导体表面势Vs＜0，能带向上弯曲。若D原子间距,电子可自由穿过间隙,Vms0,则接触电势差大部分降落在空间电荷区。（d）忽略间隙qVD考虑忽略间隙中的电势差时的极限情况时，有半导体一边的势垒高度为：金属一边的势垒高度为：当金属与n型半导体接触（1）Wm>Ws半导体表面形成一个正的空间电荷区。电场方向由体内指向表面(Vs<0)。半导体表面电子的能量高于体内的，能带向上弯曲，即形成表面势垒。在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。金属n型半导体E0EvWsEcEn(EF)sE0Wm(EF)m接触前：E+_qVDXD界面电子阻挡层接触后：EEcEFsEvWmEFmWsE0EcEFsEv半导体表面形成一个负的空间电荷区。电场方向由表面指向体内(Vs>0)。半导体表面电子的能量低于体内的，能带向下弯曲。在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层，即电子反阻挡层－高导通区。（2）Wm<Ws当金属与n型半导体接触当金属与p型半导体接触（1）Wm<Ws半导体表面形成负的空间电荷区。电场方向由表面指向体内（Vs>0）。半导体能带向下弯曲，形成空穴的表面势垒。在半导体的势垒区，空间电荷主要由负的电离受主形成，其多子空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成空穴阻挡层。EFmEFsWsWmEvEcE0电场EEcEFEvxdqVd接触后当金属与p型半导体接触（2）Wm>Ws在半导体表面形成正的空间电荷区。电场方向由体内指向表面（Vs<0）。半导体表面能带向上弯曲。在空间电荷区中，空穴浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层，即空穴反阻挡层。WmWsEFsEFmEvEcE0接触后：xdEcEFEvEN型P型Wm>Ws阻挡层反阻挡层Wm<Ws反阻挡层阻挡层能带向上弯曲（高阻区）（高电导区）能带向下弯曲（高阻区）（高电导区）形成n型和p型阻挡层的条件Note:反阻挡层是很薄的高电导层，对半导体和金属的接触电阻的影响是很小的，它在平常的实验中观测不到.三、表面态对接触势垒的影响表面态就是局域在表面附近的新电子态。它的存在导致表面能级的产生。表面能级：与表面态相对应的能级。由于晶体的不完整性使得势场的周期性受到破坏，在禁带中产生附加能级。半导体表面态金半接触势垒达姆表面能级:晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断，引起附加能级(1932年)。在实际晶体表面常存在缺陷或吸附原(分)子

附加表面能级问题的提出：不同金属与同一半导体接触金属功函数相差很大，而势垒高度相差很小理论上实际中金属一边的势垒高度应随金属功函数而变化Why

?对于同一种半导体材料，亲合能χ将保持不变，如用不同的金属相连形成接触，根据公式：金属一边的势垒：势垒高度应该随金属的不同而变化，但在实验的测量结果不能反映出该理论的预测的行为。Au的功函数为4.8eV,Al的功函数是4.25eV,相差0.55eV。但在Au、Al和n-GaAs接触时，势垒高度相差0.15eV。显然，0.55eV＞0.15eV！实验表明，金属-半导体接触时的势垒高度受金属功函数的影响很小。这是由于半导体表面存在表面态造成的。表面态一般分施主型和受主型：一般表面态在表面禁带中有一定的分布，表面处存在距离价带顶为q0

的能级。对多数半导体，q0约为禁带宽度的1/3。

电子填满q0

以下所有表面态时，表面电中性。

q0

以下的表面态空着时，表面带正电，呈现施主型。

q0

以上的表面态被电子填充时，表面带负电，呈现受主型。施主型：能级被电子占据时呈电中性，放电后带正电，（给予电子的能力）受主型：能级空着时呈电中性，而接受电子后带负电。（得到电子的能力）存在受主表面态时n型半导体的能带图假定在一个n型半导体的表面存在表面态。半导体的费米能级EF

高于表面能级q0

，如果q0以上存在受主表面态，则在q0和EF之间的能级基本被电子填满，表面带负电。存在受主表面态时n型半导体的能带图半导体表面附近必定会出现正电荷，形成正的空间电荷区，结果形成电子的势垒，势垒高度qVD

恰好使表面态上的负电荷与势垒区的正电荷数量相等。如果表面态密度很大时，只要EF比q0高一点，就会在表面积累很多的负电荷，能带向上弯曲，表面处的EF很接近q0，势垒高度就等于原来费米能级和q0之差，即这时势垒高度称为被高表面态密度钉扎（Pinned）。存在高表面态密度时n型半导体的能带图Eg不存在表面态，半导体的功函数存在表面态，即使不与金属接触，表面也形成势垒，

半导体的功函数（形成电子势垒时）表面态密度很高时由此可见，在半导体表面态密度很高时，费米能级的位置由表面态决定。表面态对半导体功函数的影响通过表面态发生作用金属费米能级半导体的费米能级空间电荷区正电荷等于表面受主态留下的负电荷与金属表面负电荷之和表面受主态密度很高的n型半导体与金属接触能带图（Wm>Ws）（a）接触前；（b）紧密接触；（c）极限情形金属和n型半导体接触能带图（Wm>Ws）（a）接触前；（b）间隙很大；（c）紧密接触；（d）忽略间隙区别在极限情况下，半导体的势垒高度为因表面态密度很高，表面态中跑掉部分电子后，表面能级

q0

的位置基本不变，故半导体内的表面势垒qVD

在接触前后不变.综上分析，当半导体的表面态密度很高时，由于它可屏蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本上由半导体的表面性质所决定，接触电势差全部降落在两个表面之间（极端情况）。实际上，由于表面态密度不同，紧密接触时，接触电势差有一部分要降落在半导体表面以内，金属功函数对表面势垒将产生不同程度的影响，但影响不大。为什么说当金属的功函数小于半导体的功函数时（Wm<Ws），也可以形成n型阻挡层？问题：表面态对功函数和接触势垒的影响四、金属半导体接触整流特性阻挡层的整流特性—外加电压对阻挡层（高阻层）的作用qVD=-q(Vs)0xdE0EcEFEvE0EFsEcEvEFmWmWsχ金属/n半导体接触能带图金属与n型半导体接触时，若Wm>Ws，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为电子阻挡层。在没有加电压的情况下，金半接触的系统处于平衡态的阻挡层是没有净电流：从金属流向半导体的电流和半导体流向金属的电流相抵消。所以，在没有外加电压时，半导体进入金属的电子流和从金属进入半导体的电子流相等，方向相反，构成动态平衡。净电流在紧密接触的金属与半导体之间加上电压V时，由于阻挡层是一个高阻区域，电压主要降落在阻挡层上。电子势垒高度变为：外加电压后，半导体和金属不再处于相互平衡的状态，两者没有统一的费米能级，两者的费米能级差就等于外加电压所引入的静电势能差。其中，(Vs)0是半导体的表面势，即半导体表面和内部的电势差，V是所加的外场电压。①加上正向电压在n型阻挡层(金属一边为正)时：qVD/=q[VD-V]qVEFxd对于n型阻挡层，即金属和n型半导体在Wm＞Ws时，表面势为负的值，当在金属上加正向电压即V>0，使得电子的势垒高度减低，多子电子从半导体流向金属的数目变多。电流：进一步增加正向电压：势垒高度进一步减低，势垒宽度减薄，多子导电变强。qVD1=q[VD-V]qVxdEFV对于n型阻挡层，即金属和n型半导体在Wm＞Ws时，表面势为负的值，当在金属上加正向电压即V>0，使得电子的势垒高度减低，多子电子从半导体流向金属的数目变多，并随电压增加而变得越大，即从金属流向半导体的正向电流变大。结论：E,外电场方向②加上反向电压(金属一边为负)时：qVD1=q[VD-V]q（-V）xdEFE0EcEv当加反向电压即V＜

0时，半导体一边的电子的势垒高度增高了，所以半导体到金属的电子数目减少，相反金属到半导体的电子流占优势，形成由半导体到金属的反向电流。在此过程中，金属边的势垒qns不随外加电压变化（阻挡层在半导体内）电流：如进一步增加反向电压：EFqVD1=q[VD-V]q（-V）xd︱V︱势垒高度进一步增高，多子电子导电变弱。但和正向电流行为不一样的是：金属一边的电子所要越过的势垒，不随外加电压而变化。所以，金属到半导体的电子流是恒定的。当反向电压提高时，半导体到金属的电子流可以忽略不计，反向电流达到饱和值。对p型阻挡层：能带向下弯，表面势(Vs)0>0。当金属加负电压V＜0时，能带下弯得更大，多子空穴从

半导体流向金属，形成正向电流；当金属加正电压V＞0时，能带下弯曲变小，形成金属到

半导体的反向电流。正向和反向的电流特点就是阻挡层的整流作用理论推导，金属－半导体整流接触的伏安特性与p-n结相似空间电荷层厚度碰撞几率势垒宽度比载流子自由程小得多，无碰撞、越过势垒势垒高度起决定作用Bethe热电子发射理论（阻挡层很薄）势垒宽度比载流子自由程大得多，多次碰撞，势垒形状重要

与温度有关与V有关与p-n结有别Schottky扩散理论（阻挡层厚）p-n结电流电压方程（利用连续性方程）肖克莱方程式

p区电子扩散长度p区电子扩散系数正向(V>0)：反向(V<0)：理想p-n结的J-V

曲线(1)p-n结具有单向导带性(2)温度对电流密度的影响很大反向饱和Dn、Ln、np0当qV>>k0T时，当qV>>k0T时，︱︱较高迁移率，较大的平均自由程（Ge、Si、GaAs），电流输运机构以多子热发射为主。迁移率较小，平均自由程较短（Cu2O），电流输运机构以扩散为主。金属半导体接触伏安特性扩散理论正向(V>0)：反向(V<0)：当qV>>k0T时，当qV>>k0T时，︱︱JsD随电压而变化，并不饱和。对n型阻挡层，平衡界面处的载流子浓度：正向电压（金属为正），势垒降低电子、空穴扩散占优（如何运动的）共同形成正向电流部分正向电流是由少数载流子空穴提供的（如何说明？）平衡时浓度差被势垒中的电场抵消，没有电流。五、少数载流子的注入（n型阻挡层）与体内浓度差电子由内部向接触面扩散平衡时被势垒电场抵消加正向电压势垒降低扩散占优，电子向表面流动，形成正向电流与体内浓度差空穴由表面向内部扩散平衡时被势垒电场抵消加正向电压势垒降低扩散占优，自外向内的空穴流，形成正向电流空穴电流p(0)可以等于n0，空穴势垒顶在阻挡层的内边界积累的空穴对空穴流的阻碍施加正向电压空穴从金属流向半导体内不立即复合少数载流子注入阻挡层内界积累扩散进入内部扩散效率（半导体内）：空穴浓度（阻挡层）：少数载流子的积累§

5.2欧姆接触金属－半导体接触{整流接触－肖特基势垒非整流接触－欧姆接触欧姆接触：金/半接触的非整流接触，即不产生明显的附加电阻，不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明显的改变。不考虑表面态的影响下Wm<Ws：金属和n型半导体接触形成反阻挡层Wm>Ws：金属和p型半导体接触形成反阻挡层选用适当的金属材料就可得到欧姆接触﹖

半导体材料一般都有很高表面态密度不能用选择金属的方法获得欧姆接触形成势垒与金属功函数关系不大欧姆接触的制作，重点在于如何削弱肖特基势垒的整流作用和少数载流子的注入效应。如何解决？一、高掺杂接触金属-半导体接触类似于单边突变p-n结，空间电荷主要在半导体一边，且空间电荷区的宽度（即势垒厚度）与半导体掺杂浓度的平方根成反比。半导体掺杂浓度较高时（如Si中掺杂浓度>5×1017/cm2），势垒厚度δ很小，以致加上正向电压时，载流子除了从势垒顶部越过去以外（这种能量较高的电子称为热电子），还能以隧道效应方式穿过势垒的中间部分。方法：高掺杂接触、低势垒接触、高复合接触半导体掺杂浓度很高时（如Si中掺杂浓度>1019/cm2），势垒厚度δ相当小，以致能带底附近的载流子也能以隧道效应方式通过势垒。半导体掺杂浓度很高时，通过接触势垒的电流中，热电子发射的成分居于很次要的地位，主要是隧道电流，接触电阻会很小，电流与外加电压近似成正比，即近似服从欧姆定律。这说明，金属与高掺杂半导体接触时，尽管肖特基势垒仍然存在，但由于太薄，已不起重要作用，因此成为欧姆接触。制作欧姆接触最常用的方法：在n型或p型半导体上制作一层重掺杂区再与金属接触，形成金属－n+n或金属－

p+p结构。由于有n+、p+层，使得金属的选择很多。形成金属与半导体接触的方法：电子束、热蒸发、溅射、电镀等。削弱接触势垒的整流作用高掺杂接触减小非平衡载流子的注入效应半导体掺杂浓度的提高，使半导体中的平衡少数载流子浓度减少，从而在表面附近积累的少数载流子浓度也相应减少。二、低势垒接触适当选取电极金属，使得与半导体接触的势垒较低，以致在室温下就有足够的载流子可以越过势垒，则这种接触的整流效应极小，近似为欧姆接触。实验证明，一般金属同p型半导体的接触势垒较低。如Au-Si（p型）接触势垒约为0.34eV，而Pt-Si（p型）接触势垒只有0.25eV。因此，这种金属-半导体接触在室温以上可保证是良好的欧姆接触。三、高复合接触高复合接触：是在金属-半导体接触界面附近处引入大量的复合中心，以削弱肖特基势垒的整流作用。引入复合中心的方法：在与金属接触前，先把半导体表面打毛，使其形成大量晶格缺陷，这些表面的晶格缺陷将成为强复合中心。在用合金、扩散等方法来制作电极接触时，在接触面处掺入Au、Cu、Ni等强复合中心作用的杂质。存在于接触势垒中的大量强复合中心将复合掉注入到半导体内的非平衡少数载流子。在反向时，强复合中心将成为强产生中心，能提供大量的载流子。从而使反向电流变得很大，反向的高阻状态就不会出现。高复合接触基本上消除了少数载流子的注入效应高复合接触不会有整流作用局限：这种高复合接触不可用在靠近p-n结的地方。因为任何距离p-n结势垒区在一个扩散长度以内的高复合区，都会使p-n结的反向电流增大。因此，这种接触一般用离在p-n结较远的电极处。§

5.3金属电极材料用作电极的金属材料应当满足以下要求：电阻率低（体电阻率ρ<10μΩ·cm）。与半导体和SiO2等介质薄膜的粘附性好。无论对n型或p型半导体都能形成欧姆接触，而且接触电阻要低。金属与金属、金属与半导体之间不产生使器件性能退化的金属间化合物。便于淀积和光刻。抗电迁移能力要强。（电迁移是指金属离子在大电流情况下沿电

流方向移动的一种现象）抗电化学腐蚀能力强。金属在淀积过程中，不能引起半导体表面的不稳定性。适合大规模集成电路的多层布线技术。常用的欧姆电极材料这些欧姆电极材料是通过烧结、蒸发等方法制成的。常用金属的性质在硅平面工艺中，最广泛采用的欧姆电极材料是Al。虽然Al是硅平面器件的一种良好电极材料，但纯Al电极系统在使用中存在以下问题：在高温（200℃以上）、大电流密度（1×106A/cm2以上）时，抗电迁移能力差。这将导致大功率器件失效。在潮湿气氛中，抗化学腐蚀能力差。由于Si在Al中溶解度较大，且扩散也较快，所以Al可以在Si表面造成腐蚀坑，易造成e-b结退化，对浅结器件有严重危害。当发射结深度小于5um时，腐蚀坑中的铝硅合金会造成发射区与基区短路。温度循环中，Al的再结构引起多层布线的极间短路。为了克服Al电极存在的问题，也曾提出了以下改进措施：用Al合金来代替纯Al，如Al-Si（含Si重量为1~3%），Al-Cu（含Cu为1~8%）或Al-Si-Cu（含Cu4%、Si1%）

。Al的阳极化（有孔膜，致密膜，复合膜）和玻璃化（Al2O3、SiO2、PSG磷硅玻璃等）。用电子束蒸发Al膜。研究表明，对Si器件电极材料，不仅单一的Al不能满足上述所有要求，就是Al的合金也是难以满足，因而发展了多层电极系统。常用的三层电极结构：下层金属—接触膜要求电阻率低、易于键合的金属，如用Au。要求粘附性好、接触电阻小，如用Pt。防止在高温、大电流的情况下，上层金属透过下层金属与Si形成合金，常用Mo和W等高熔点金属。中间金属—阻挡膜上层金属—导电膜其他三层电极结构：Ti-W-Au,PtSi-W-Au,Cr-Ag-Au等四层电极结构：PtSi-Ti-Pt-Au,PtSi-Ti-W-Au等§

5.4金属电极系统的失效机理引起器件失效的因素很多，其中一个重要的因素是电极系统的失效。对Si平面晶体管的失效分析得出，因金属系统而失效的占28%。所以，提高电极系统的可靠性具有很重要的意义。金属电极系统的失效机理蒸发自掩蔽效应造成氧化层台阶处金属膜的断路。因电迁移现象造成金属电极系统表面出现小丘、空洞、晶须，造成开路。金属与硅的共熔，导致硅表面出现腐蚀坑，使e-b结特性变软，甚至穿通。温度循环过程中，金属膜表面再结构，造成膜表面粗糙化，出现小丘。在变薄处加速了电迁移现象的发生，在隆起处引起二次布线极间短路。在高温下，电极金属与SiO2相互作用，使金属膜变薄，SiO2受到侵蚀，造成极间短路或开路。潮湿气氛下，电极系统的电化学腐蚀现象造成极间开路。一、蒸发自掩蔽效应这种效应将造成金属膜在氧化层台阶处发生断路。即使不是完全断开，也必将是膜变薄或“藕断丝连”。当器件工作时，台阶处电流密度高，温度也高，必然是明显的热点。实验表明，氧化层台阶处金属膜断路的原因与金属淀积工艺、氧化层台阶的形状以及PSG厚度有关，而与电极金属材料的种类无关。氧化层台阶处有效Al膜厚度与金属蒸汽入射角的光系蒸汽入射角是指衬底表面法线和蒸发原子轨迹间的夹角。随着蒸汽入射角的增大，有效膜厚明显下降。这易造成氧化层台阶处金属膜的开路失效。采用多源蒸发、倾斜蒸发、蒸发时衬底片旋转等方法，可大大减小入射角，使膜厚在台阶处无突变，防止微裂缝产生。台阶处有效Al膜厚度与PSG厚度的关系为了改善器件的稳定性，往往要采用PSG钝化。PSG对氧化层台阶断面的影响PSG厚度的影响主要是由于在常用光刻弱腐蚀剂中，PSG的腐蚀速率比SiO2快得多，且磷含量越高，腐蚀速度越快。所以，PSG月后，台阶断面越陡，则蒸发自掩蔽效应越严重。PSG厚度一般控制在0.1um以下。(a)(b)(c)台阶形状对蒸发自掩蔽效益的影响(a)台阶层45度；(b)台阶内凹；(c)分两级的台阶为减弱自掩蔽效应，氧化层的台阶应该越平缓越好，高度越矮越好。对于热生长的SiO2，由于腐蚀速度的各向同性，腐蚀出的台阶形状近似为45度。对于SiO2-PSG-SiO2夹层结构，台阶向内凹，更易产生蒸发自掩蔽效应。对于高度很大的台阶，可采用所谓套刻工艺，有意使台阶分成两级。二、电迁移电迁移是指金属离子在大电流情况下沿电流方向移动的一种现象。在一定温度下，金属中的粒子将借助空位的产生和运动而发生自扩散。在无外力作用时，这种自扩散是各向同性的，在任何位置上不产生质量的净积累和亏损。在有电场作用时，金属离子受到两种力的作用——电场力和摩擦力。

（1）电场力，使金属离子由电极正端向负端运动；（2）摩擦力，即传导电子与金属离子间动量交换，电子将动量传给金属离

子，使金属离子由电极负端向正端运动。在半导体中，由于电子的屏蔽作用，电场力小于摩擦力，使得金属离子由

电极负端向正端运动，产生净质量输运。金属离子输运的电流密度为：式中，N是金属离子浓度;D0是表观扩散系数；ф是扩散激活能;ρ是电阻率；j是电流密度；k是玻尔兹曼常数；T是绝对温度。散度：divF=▽·F在矢量场F中的任一点M处作一个包围该点的任意闭合曲面S，当S所限定的区域直径趋近于0时，比值∮F·dS/ΔV的极限称为矢量场F在点M处的散度，并记作divF。由散度的定义可知，divF表示在点M处的单位体积内散发出来的矢量F的通量，所以divF描述了通量源的密度。散度的重要性在于，可用于表征空间各点矢量场发散的强弱程度，当divF>0，表示该点有散发通量的正源；当divF<0表示该点有吸收通量的负源；当divF=0，表示该点为无源场。在金属薄膜中某一点，若离子电流密度Ja的散度不为零（divJa≠0），就会出现净质量的累积和亏损，严重将出现小丘和空洞，空洞的聚集造成开路。因此，电极金属膜由于电迁移而发生失效与divJa有关。造成divJa≠0的主要原因：金属膜上的温度梯度和金属膜结构变化引起的扩散系数的梯度。这两个梯度的存在，往往加速了电迁移现象的发生，导致薄膜的失效。金属膜在失效前的平均寿命（MTF）：式中，W和t分别是金属膜的宽度和厚度；C是与金属膜密度、电阻率、离子质量、晶粒大小、几何尺寸有关的参数。提高MTF措施外因内因降低结温度降低电流密度

提高激活能

降低常数C采用改良的Al电极系统，即在Al中添加少量杂质（Si、Cu等）或进行金属膜表面钝化；采用Au的多层电极系统。增加金属膜宽度和厚度以增加导电截面积Al、Au扩散的激活能Au的相应扩散激活能比Al的大得多，因此，用Au来取代Al可以提高ＭＴＦ。三、金属与硅互溶１、Al与Si互溶Al与Si互溶是导致器件失效的一个重要原因：在电极系统制作过程中及其经受强电流冲击时，Al-Si接触窗口处的Si不均匀地溶解到Al中，并向Al内扩散，同时在Si中留下空穴，而Al就进入这些空穴，于是在Al膜上由于这种“腐蚀”作用便出现很深的坑，可能穿透p-n结造成短路。减弱以至消除因Al-Si互溶而失效的方法：采用Al-Si合金（含Si重量0.1~0.3%）代替纯Al。因金属薄膜中的Si已达到饱和，防止了Si的进一步溶解。采用薄Al-厚Al蒸发工艺。先蒸发20~70nm薄Al，经400~450℃热处理后，再蒸发一层较厚的Al,可减少腐蚀坑的深度。在Al和Si之间加阻挡膜，即采用Al的双层电极结构。常用的阻挡膜金属釉NiCr、Mo、Ti和V。2、Au与Si互溶Au是渗透能力很强的金属，Au-Si直接接触时，在低于100℃下就可以互相扩散，在200℃以上时，这种反应就更加明显，到377℃时，可形成共熔金属。Au在Si中的扩散系数和溶解度都很高，在器件装架过程中，Au原子便可以扩散到p-n结处，引起p-n性能变坏。采取的措施：当用Au作电极材料时，在Au和Si之间一定要加阻挡膜。Pt、Mo、W阻挡膜是最理想的，没有合金现象，导体电阻变化不大，而且阻挡膜越厚，效果越好。四、Al膜表面的再结构Al膜表面的再结构：在解剖失效器件时，有时会发现Al电极膜的表面和粗糙，甚至发黑，在SEM下看出这时Al表面上出现小丘、晶须或皱纹的现象。Al膜表面的再结构对器件的影响：会使Al膜的方块电阻增大。极间短路或多层布线层间短路。促进电迁移现象的发生。甚至使电极开路。Al膜表面再结构的起因：Al膜是敷在Si片或Si片上的SiO2层上的。Al膜厚度仅有1um左右，而Si片却有150~300um。由于Al膜的线膨胀系数（23.6×10-6/℃）比Si和SiO2的分别大7倍和47倍，所以当器件芯片加高温时，Al膜要受到压应力，当冷却时要受到张应力。这种应力正是导致Al膜发生再结构的内因，而Al表面产生小丘、晶须、晶粒分裂空隙、皱纹等正是这种应力被释放的结果。应力的大小和热冲击的温度变化成正比。温度高低不同，再结构现象也不同。为此又分为高温少循环和低温多循环再结构。高温少循环再结构：在合金、烧结、热压等工艺过程中发生的再结构。会使Al表面小丘、晶须和空隙。在应力下，由Al原子扩散蠕变导致。防止Al膜表面再结构的措施：低温多循环再结构：在温度变化小，但变化次数多的热循环过程中所发生的再结构。会使Al表面粗糙不平，出现皱纹。压缩疲劳所引起的塑性形变导致。提高蒸Al时衬底的温度，以增大晶粒直径，从而减弱以至完全防止

高温少循环再结构（但抗低温再结构的能力下降）。采用Al合金膜电极，如Al-Cu、Al-Si或Al-Ag合金，这对防止低温和

高温再结构均有效。Al膜玻璃化可以完全防止低温再结构，尤其是在Al膜上低温淀积SiO2，可使MTF提高2000~3000倍。采用玻璃化的大晶粒Al膜，可防

止低温再结构和高温再结构，而这种电极系统又具有较高的抗电迁移

的能力。五、Al和SiO2相互反应在高温下（200℃以上）Al与SiO2发生反应：反应速度随温度的升高呈指数加快（在500℃下已有明显的反应），且是一个放热反应。可使局部温度超过577℃，而形成Al-Si合金。反应热可使Al膜变薄，SiO2层穿透，造成极间开路和短路。对器件来说也是一种潜在的失效机构，尤其是大功率器件，结温高，易产生热点，在热点处就发生了Al与SiO2的相互反应，以至SiO2层形成溶坑。解决方法：采用复合钝化膜，如用SiO2-Al2O3-SiO2、Si3N4-SiO2等。采用Al的双层电极系统，如Mo-Al、Ti-Al、V-Al、NiCr-Al等。在设计器件时要考虑热分布均匀、散热好、热阻低，对

功率晶体管一定要加镇流电阻。六、电极金属的电化学腐蚀在潮湿气氛下，因封装漏气，大量水蒸汽将侵入管壳内。H2O是良好的电解质，在电场下会使电极金属受到腐蚀。对Al电极系统而言，发生反应如下：解决Al金属膜电化学腐蚀的根本措施：提高器件封装的气密性。在气密性封装彻底解决之前，相对有效地措施：采用Al阳极氧化、Al玻璃化，或者选择膨胀系数匹配、对电性能无影响的内涂料。对于具体的器件，应该选择什么样的电极系统才有利于提高可靠性，而又不过分增大工艺难度，这需要对不同的器件作具体分析。对高频中、小功率管和低中速数字集成电路，可采用Al-Au合金来代替纯Al，这在不增加工艺难度的情况下，对提高电极的可靠性是相当有利的。对超高频晶体管和高速超高速集成电路，采用玻璃化的Al-Si合金（

或Al-Au合金）-Ti双层