Главная Промышленная автоматика.

главное, они подтверждаются на практике. В конечном счете эффективность использования ПТШ на арсениде галлия зависит, однако, не только от его характеристик, но и от его надежности. Прогнозирование надежности является более сложной задачей по сравнению с оценкой основных характеристик прибора. Кроме того, эксперименты (как правило, долговременные, кропотливые и дорогостоящие), позволяющие производить оценку надежности, относятся только к конкретным типам приборов в отличие от расчетов параметров приборов, которые можно обобщить на все типы GaAs ПТШ. Незначительные изменения в комбинации металлизационных слоев 1ШИ даже в способах их нанесения приводят зачастую к совершенно различным свойствам по надежности. Кроме того, все предположительные выводы, полученные с помощью ускоренных испытаний, содержат некоторую ошибку из-за фактора ускорения, которая не может быть учтена без достаточной статистической обработки, которая может быть слишком запоздалой. К счастью, в тех случаях, когда металлизация GaAs ПТШ подобна металлизации, используемой и уже изученной на кремниевых приборах, результаты исследований можно (с необходимой осторожностью) распространить на ПТШ на GaAs. Приятно отметить, что обширные исследования, результаты которых опубликованы на сегодняшний день, показывают, что соответствующим образом разработанные и изготовленные GaAs ПТШ Moryi иметь очень низкую интенсивность отказов.

В настоящем разделе обобщены данные по надежности как малошумящих, так и мощных GaAs ПТШ, включая механизмы отказов и результаты ускоренных испытаний. Механизмы отказов можно разделить на две категории: 1) связанные с металлизацией, такие как электромиграция и взаимная диффузия, и 2) связанные с самим GaAs как материалом или с процессами на его поверхности, такими как уменьшение концентрации донорпых примесей, образование глубоких ловушек или дефектов структуры Механизмы отказов, связанные с металлизацией, являющиеся наиболее распространенными для GaAs ПТШ, рассмотрены в разд. 12.2. В разд. 12.3 изложены принципы математического моделирования процессов отказов. В разд. 12.4 содержатся сведения об оборудовании для ускоренных испытаний GaAs ПТШ Раздел 12.5 посвящен обсуждению опубликованных данных ио надежности малошумящих GaAs ПТШ В разд. 12.6 содержа 1ся подобные сведения о мощных GaAs ПТШ.

12.2. МЕТАЛЛИЗАЦИЯ

В идеальном случае мсталлизационные слои затвора, истока и стока должны обладать следующими свойствами 1) высокой электропроводностью, 2) устойчивостью к элсктромиграции, 3) инертностью по отношению к окружающей среде, непосредственно к GaAs, диэлектрическому пассивирующему слою и по отношению к другим слоям при многослойной металлизации; 4) .хорошим сцеготением с поверхностью GaAs; 5) точно контролируемым проникновением вглубь во время технологических операции или его полным отсутствием; 6) возможностью надежного присоединения вы-



водов; 7) должны легко поддаваться гравировке и литографии. Омические контакты истока и стока должны обладать низким контактным сопротивлением. Для металлизации затвора желательно иметь как можно более высокое значение высоты барьера. Ни один металл, ни многослойная система металлов не удовлетворяют всем этим требованиям. На практике, особенно для металлизации электродов стока и истока, обычно используют многослойную композицию металлов, которая удовлетворяет большинству перечисленных требоваьшй, за исключением одного-двух. Почти всегда одно из этих требований приносится в жертву простоте и гибкости процесса изготовления.

Низкое контактное сопротивление в электродах истока и стока в большинстве случаев достигают вплавлением тонкого слоя AuGe в «""-эпитаксиальный (или имплантированный) слой. Сверху наносят толстый слой Аи для увеличения электропроводности, устойчивости к коррозии и улучшения условий присоединения выводов. Однако такая система является нестабильной во времени и при воздействии повышенной температуры Ga легко диффундирует через тонкий слой AuGe в толстый слой золота, в то же время Аи (а также О2) диффундирует в обратном направлении [I, 2, 3]. В результате контактное сопротивление повышается и в конце концов может привести к изменению параметров транзистора. Для предотвращения этой слабой, но нежелательной взаимной диффузии Ga и Аи обычно применяют дополнительный барьерный слой. Наиболее часто для барьерного слоя используются металлы Ag, Сг, Ni, Pt, Та и Ti. Нанесение барьерного слоя до вплавления способствует образованию мелких капель AuGe и неоднородному его вплав-лению в GaAs. Перечисленные барьерные металлы не все одинаково препятствуют диффузии: по-видимому, Ag является наилучшим из них [3]. Если барьерный слой отсутствует или плохо препятствует диффузии, деградация контактов происходит с энергией активации 0,8- 1,8 эВ [4, 41]. Такое высокое значение энергии активации процесса гарантирует надежность контактов при достаточно низкой (менее 100° С) температуре, однако скорость деградации резко возрастает при повышении температуры (свыше 150°С).

Во многих же случаях контакты истока и стока вообще не являются основной причиной деградации параметров приборов. Главной причиной снижения надежности обычно является затвор GaAs ПТШ. Вследствие простоты изготовления прибора раньше других металлов в качестве материала для затвора стали использовать А1. С А1 связаны такие часто встречающиеся отказы, как выгорание при воздействии импульса напряжения, электромиграция, электролитическая коррозия, образование интерметаллических соединений типа Au-Al, Pt-Al. Несмотря на большой перечень недопустимых недостатков, за счет использования соответствующих методов борьбы с каждым из них А1 остается материалом, который с успехом используется для изготовления многих кремниевых приборов. Как бы то ни было, чтобы избежать некоторых недостатков А1, многие разработчики для изготовления затвора стали использовать тугоплавкие металлы, покрытые одним или несколькими слоями металлов для улучшения электропроводности. На-



иболее распространенными системами металлизации являются: Ni, Au-Mo, Au-Pt-Ti, Au-Pt-Ti-Pt, Au-Pt-Cr-Ti и Au-W-Ti. Системы металлизации с тугоплавким металлом также не свободны от недостатков, однако механизмы отказов в них изучены пока в значительно меньшей степени, чем отказы металлизационного слоя затвора из Ai. В подтверждение сказанного [5] обнаружено, что металлизационный слой затвора Au-Pt-Cr-Ti подвержен выгоранию в той же степени, что и А1; есть сообщение о довольно быстром разрушении металлизационного слоя Au-W-Ti из-за электромиграции [6].

Более подробно различные системы металлизации будут обсуждены в разд. 12.5 и 12.6. Будет проведен детальный анализ механизмов отказов наряду с данными о сроке службы малошумящих и мощных GaAs ПТШ.

12.3. МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АППАРАТ ДЛЯ АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ

Сущность изучения надежности состоит в том, чтобы определить распределение отказов в некоторой совокупности образцов на некоторой известной ступени их развития и привести это распределение к нормальным (рабочим) условиям Из этого распределения затем необходимо получить зависимость интенсивности отказов от времени. Раслределение отказов находится экспериментально и может оказаться, что вид распределения не будет произвольным, а будет описываться заранее известными

функциями. К счастью, однако, многим или почти всем полупроводниковым приборам свойственно такое известное совокупное распределение отказов, как логарифмически нормальное [7]. Параметры, характеризующие логарифмически нормальное распределение, хорошо определены, и построенная по ним зависимость

Рис. 12.1. Логарифмически нормальная зависимость наработки до отказа от доли отказов для выборочной совокупности случайных чисел. Наработка до отказа рассчитывалась для 118 случайных чисел, расположенных между О и 1 и генерируемых компьютером с последующим их упорядочением и переносом во временную область. Аппроксимация по методу наименьших квадратов до первых 20 чисел обнаружила явное (не ошибочное) соответствие ранних отказов логарифмически нормальному распределению [И]


50 SO Доли отказов, %





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 [61] 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0039