首先回答这个问题，我们要了解什么是Al刺穿效应？
做过半导体器件的人，或多或少都遇到过PN结失效的问题，其中一个重要的因素是铝（Al）刺穿。什么是Al刺穿效应呢？在半导体工艺中，Al 刺穿是指Al原子穿过阻挡层等结构，扩散到不该到达的区域，从而对半导体器件造成不良影响的现象。
图 扩散在硅中的Al
在IC工艺中，Al 原子扩散到半导体的有源区或绝缘层等关键部位，可能会导致不同导电区域之间形成意外的导电通路，造成短路，使器件的电学性能出现异常，甚至完全失效；也可能会降低绝缘层的绝缘性能，导致漏电电流增加，影响器件的功耗和稳定性。
在MEMS工艺中，Al刺穿会出现更多的可靠性问题：在 MEMS 传感器的电极结构中，Al 刺穿到绝缘层另一侧的电极，使原本相互绝缘的电极或线路之间形成导电通路，造成短路；在MEMS 开关中的绝缘层被 Al 刺穿后，在关闭状态下也会有电流通过，影响开关的正常功能和系统的功耗；在微悬臂梁结构中，Al 刺穿可能导致梁的局部应力集中，使梁在较小的外力作用下就发生断裂或变形；在MEMS 谐振器，会因 Al 刺穿导致谐振频率发生漂移，性能下降。
图 扩散在硅中的笋状Al
那如何解决Al刺穿现象呢？
首先，通过优化工艺参数，精确控制退火、金属化等高温工艺的温度和时间，在满足工艺要求的前提下，尽量降低 Al 原子的扩散驱动力，减少 Al 刺穿的可能性。例如，采用快速热退火（RTA）技术，在短时间内达到较高的退火温度，然后迅速降温，这样可以在实现预期的材料性能改善的同时，减少 Al 原子的扩散时间。
图 Al电极退火后扩散形成孔洞
其次，优化 Al 合金成分，在不影响Al 材料基本性能的前提下，通过添加少量的其他元素来优化 Al 合金的成分，如添加铜（Cu0.5%）、硅（Si0.5%）等元素形成 Al-Cu、Al-Si 合金等。这些元素可以与 Al 形成固溶体或金属间化合物，提高 Al 的原子结合力，降低 Al 原子的扩散系数，从而减少 Al 刺穿的可能性。因此，MEMS工艺中采用AlSiCu来替代纯Al工艺。
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