Главная Промышленная автоматика.

Однако нарушение в металлизационном слое затвора в системе тугоплавкий металл - золото не удается стимулировать повышением влажности воздуха; обрывы металлизационного слоя в такой системе из-за миграции золота наблюдаются в ПТШ как на Si [18, 19], так и на GaAs [20]. Чтобы ускорить выявление этих двух возможных механизмов отказов, необходимо проводить испытания не только при соответствующих атмосферных условиях, но и со смещением в цепи затвора.

Другими видами испытаний GaAs ПТШ являются испытания на тепловой м механические удары, термоциклирование и испытание выводов на обрыв. Ни один из этих видов испытаний не имеет принципиальных особенностей, присущих именно приборам на GaAs. Виды испытаний и оборудование являются теми же, что и для кремниевых приборов. Крайне мало имеется сведений об испытаниях на тепловые и механические удары GaAs ПТШ. Однако при таких испытаниях не обнаружено отказов [12].

12.5. МЕХАНИЗМЫ ОТКАЗОВ И НАДЕЖНОСТЬ МАЛОШУМЯЩИХ GaAs ПТШ

12.5.1. ВЫГОРАНИЕ

В связи с тем, что малошумящие ПТШ нашли широкое распространение на несколько лет раньше, чем мощные, опубликовано значительно больше литературы, посвященной их надежности и видам деградации параметров [4, 5, 12, 22, 23, 24]. Одним из первых механизмов отказов, наблюдаемых в малошумящих ПТШ, бьш механизм выгорания затвора при включении в электрическую цепь. (Такая же проблема наблюдалась в кремниевых МОП-транзисторах [25].) Разряд статического электричества от человека или аппаратуры через электроды прибора обычно и является источником этих поражающих электрических импульсов. Проведенные в ряде работ исследования показали, что: 1) алюминиевый затвор является более чувствительным к такому повреждению, чем затворы с тугоплавким металлом; 2) импульсы обратной полярности значительно более опасны для затвора Шотки, чем импульсы в прямом направлении; 3) энергия разрушения прибора изменяется примерно от 1 до 10 эрг для импульсов высокого напряжения (около 50 В) и повышается до 25 -- 30 эрг для импульсов относительно низкого (10 В) напряжения [5, 22, 23]. Принимаемые меры, такие как заземление операторов, увлажнение окружающей среды и использование защиты, позволяют избежать отказов этого типа малошумящих ПТШ. Эта разновидность отказов не зависит от времени и температуры, и, хотя отказ и является внезапным, его можно избежать при определенных навыках работы. Такой отказ непредсказуем, если не приняты должные меры; вследствие сказанного его анализ не относится к проблемам исследования надежности и не рассматривается в данной главе.

К другому виду выгораний малошумящих ПТШ относится выгорание из-за неконтролируемого самовозбуждения, которое может возникнуть при рассогласовании цепи на высокой частоте или при неправильно выбранных режимах работы. Такой вид отказа, как выгорание из-за разряда стати-194



ческого электричества, не относится к проблемам надежности и также не обсуждается в данной главе.

Кроме описанных механизмов причиной выгорания малошумящих GaAs ПТШ могут быть дефекты литографии. За счет соблюдения технологического режима и межоперационного контроля, за счет исключения ручного труда ин-генсивность таких отказов может быть резко снижена, вследствие чего эта проблема не является решающей для малошумящих GaAs ПТШ.

12.5.2. МЕХАНИЗМЫ ВНЕЗАПНЫХ ОТКАЗОВ

Отказы малошумящих ПТШ на GaAs, зависящие от времени и температуры, которые можно ускоренно выявлять и определять степень достоверности их предсказания, могут быть разбиты на две категории: внезапные и постепенные. Отказы первой категории являются внезапными в том смью-ле, что происходит скачкообразное количественное изменение параметров приборов как на постоянном токе, так и на высокой частоте. К внезапным отказам относится разрушение металлизационного слоя затвора из-за изменения фазового состава, электромиграции, миграции, стимулированной полем, или электролитической коррозии. Изменение состава металлизационного слоя и электромиграция наблюдаются обычно при открытом затворе, два других механизма разрушения затвора могут происходить как при открытом затворе, так и при соединении затвора с истоком. Поскольку мало-шумящие транзисторы имеют в лучшем случае всего два-три затвора, разрушение одного из них немедленно сказьшается как на параметрах ПТШ при постоянном токе, так и на высокочастотных параметрах (закорачивание цепи или потеря усиления). Если бы прибор имел большое число полосок затворов (как, например, в случае мощных ПТШ), нарушение одного из них вызвало бы относительно небольшое изменение параметров всего прибора; однако в малошумящих ПТШ этого не происходит. Механизмы постепенных отказов (которые будут подробно рассмотрены в следующем подразделе) связаны с медленным ухудшением коэффициента шума или коэффи-щента усиления прибора. Изменения этих вьюокочастотных параметров мо-ут быть связаны, а могут быть и не связаны с соответствующими изменениями параметров на постоянном токе (вольт-амперными характеристиками) . Они приписываются изменениям параметров контактов истока и стока или параметров канала.

На рис. 12.8 иллюстрируется случай образования соединения Au-Al с соответствующими изменениями в структуре затвора. В приборе, представленном на фотографии, на контактной площадке затвора из А! нанесены слои тачала Ti, затем Pt, затем Аи. Слои Ti и Pt, кроме вьшолнения других функций, должны изолировать А1 и Аи друг от друга для предотвращения соединения Au-Al,

Подобным образом слой Ti должен препятствовать образованию соединения Al-Pt. Однако в процессе присоединения золотого проволочного вы-иода Аи проникает сквозь систему слоев Pt-Ti, что делает возможным обра-швание соединения Al-Pt и, главное, взаимную диффузию металлов Au-Al.




Рис. 12.8. Фотография, полученная с помощью электронного сканирующего микроскопа, показывающая образование соединения Au-Al на площадках затвора в ранних моделях малощумящих ПТШ после старения при температуре 250° С в режиме смещения по постоянному току [12]

Значительное количество золота взаимодействует с А1, образуя показанные на фотографии раковины. Структура лучшего качества представлена на рис. 12.9. В этом случае контактная площадка Au-Pt-Ti (на рисунке не показана) вьшолнена отдельно от полоски затвора из А1 и соединена с ним с помощью мостика из того же Au-Pt-Ti. Такая структура позволяет избежать образования соединения Au-Al при присоединении выводов. Правда, незначительные нарушения технологического режима, такие как перенос некоторого количества Ли в процессе ионного травления, могут тем не менее приводить к образованию соединения Au-Al и вызьшать потерю проводимости металлизационного слоя затвора. В связи с этим более надежной была бы такая структура, в которой мостик между затвором и его контактной площадкой выполнен из Ti. Однако это может приводить к увеличению сопротивления металлизационного слоя затвора и связано с необходимостью создания дополнительного маскирующего слоя при травлении Ti.

Следует заметить, что на рис. 12.9 раковины появляются в тех точках металлизационного слоя, где достигается максимальная плотность затвора, а также в тех местах, где градиент плотности тока достигает максимального значения, или в том направлении, куда течет поток электронов (принимая во внимание, что полярность напряжения смещения на затворе отрицательная) . Последнее свидетельствует о том, что истинной причиной нарушений может быть электромиграция, а не образование соединения. Найдены убедительные доказательства того, что оба фактора действуют совместно [12]. Когда приборы подвергаются старению без смещения по постоянному току, средняя наработка от 3 до 10 раз выше, что подчеркивает влияние электромиграции, однако доказывает, что раковины в металлизационном слое образуются и в случае отсутствия тока. Раковины почти никогда не обнаруживаются (среди свыше 100 образцов, проверенных на этот вид отказа) в том случае, если отсутствует соединение.

В связи с тем, что оба механизма воздействуют на приборы одновременно, определить энергию активатщи каждого процесса в отдельности не представ-196





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

0.0037