基于EMMI技術(shù)的GaAs多功能芯片的失效分析

周 舟，林 罡，于永洲，郭 嘯，賈 潔

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

在半導體材料外延技術(shù)和微波單片電路工藝技術(shù)不斷進步的推動下，微波單片集成電路逐漸向高頻率、多功能和高集成度方向發(fā)展。微波多功能芯片可以將數(shù)控開關(guān)、低噪聲放大器、移相器、衰減器和功率放大器等集成在一只芯片上，替代傳統(tǒng)的單一功能芯片，可大幅減小系統(tǒng)體積、降低成本、提高產(chǎn)品的可靠性[1-5]。目前大多數(shù)微波毫米波多功能芯片主要采用GaAs贗配高電子遷移率晶體管（pHEMT）工藝進行流片，而對GaAs pHEMT MMIC的失效分析方法及案例的報道主要集中于功放芯片、開關(guān)芯片等單一功能芯片[6-7]，GaAs多功能芯片的失效分析鮮有報道。本文針對一款GaAs S波段數(shù)字移相衰減多功能芯片的失效情況進行深入分析，研究失效機理，并給出相應(yīng)的工藝制程改進方案。本案例對于GaAs多功能芯片的失效分析具有一定的參考價值和借鑒意義。

2 失效芯片概況

本案例是一款基于GaAs 0.25 μm pHEMT E/D工藝的數(shù)字移相衰減多功能芯片，集成了六位數(shù)字移相通道、四位衰減通道、吸收式單雙擲開關(guān)及串口數(shù)字驅(qū)動電路，電路示意圖如圖1所示，該芯片采用TTL控制信號，通過背孔方式接地。

圖1 芯片電路示意圖

該款芯片在使用過程中出現(xiàn)90°移相通道無法恢復的故障，即90°態(tài)翻轉(zhuǎn)后不恢復，始終處于開啟狀態(tài)。故障件的具體測試結(jié)果如表1所示。

表1 故障芯片測試情況

3 故障分析

3.1 初步定位

芯片的90°移相通道由三部分組成，即微波部分、數(shù)字部分、微波與數(shù)字的連接部分。對故障件的微波控制電路進行測試，插損、駐波等其他參數(shù)值均正常，如圖2所示，可見微波部分及微波與數(shù)字的連接部分無異常。而如果90°通道數(shù)字部分出現(xiàn)故障，輸出的數(shù)字信號可能會持續(xù)保持一種狀態(tài)，進而導致微波電路部分處于90°移相持續(xù)開啟的狀態(tài)。

圖2 90°移相通道小信號測試結(jié)果

3.2 EMMI測試

EMMI即光發(fā)射顯微鏡（Emission Microscope），對器件工作時因熱電子效應(yīng)發(fā)射出來的光子進行探測進而成像，是一種快速定位芯片工藝缺陷或者材料缺陷的有效手段。

我們對故障件和正常件做基態(tài)、90°移相兩種狀態(tài)下的EMMI測試，如圖3所示。

圖3 基態(tài)EMMI測試

圖4 90°移相態(tài)EMMI測試

從EMMI測試結(jié)果可以看出，基態(tài)發(fā)碼時故障件和正常件在90°移相通道的數(shù)字部分有源區(qū)存在明顯差異，如圖3中的標識所示，故障件有一處管芯未能正常工作；90°移相態(tài)發(fā)碼時，故障件和正常件有源區(qū)發(fā)光情況一致，即有同樣的工作狀態(tài)，如圖4所示。結(jié)合電路進行分析，圖5為90°移相通道數(shù)字電路部分原理圖，其中VSS和VEE為直流加電端，Dp、Dn和OUTp、OUTn為互補的輸入輸出信號，LEn和LEp為互補的使能端，T1～T12為管芯，故障件EMMI測試中發(fā)光異常的管芯為T7，測試結(jié)果說明T7始終處于不工作的狀態(tài)，而正常件的T7可以隨發(fā)碼正常切換。當T7不工作時，OUTp始終為高電平，OUTn始終為低電平，導致90°移相始終處于開啟狀態(tài)。EMMI測試結(jié)果所推斷的電路故障和電性能故障現(xiàn)象一致。

圖5 90°移相數(shù)字電路部分原理圖

3.3 失效管芯結(jié)構(gòu)分析

T7管芯不工作，從器件工作原理角度有三種可能：（1）柵極處于斷開狀態(tài)；（2）漏端處于斷開狀態(tài)；（3）器件溝道處于斷開狀態(tài)。對T7管芯的器件結(jié)構(gòu)進行FIB（聚焦離子束）剖面分析，如圖6所示，可以觀察到管芯內(nèi)部有裂紋出現(xiàn)，并延伸至導電溝道，這會造成器件的導電溝道斷路。

圖6 T7管芯FIB剖面分析

繼續(xù)擴大FIB剖面深度，如圖7所示，在裂紋下方觀察到形狀不規(guī)則的孔洞，孔頂距離芯片表面約10μm。此款芯片厚100 μm，則孔頂距芯片背面達90 μm，且在孔洞附近有金屬出現(xiàn)，能譜測試為金元素。在芯片工藝制程中，可形成此種形貌的唯有包含刻蝕背孔及背面鍍金等步驟的芯片背面工藝。參照芯片版圖設(shè)計，此位置不應(yīng)當出現(xiàn)背孔，可以判定故障芯片在背孔工藝中出現(xiàn)了多余的刻蝕孔。

圖7 裂紋下方的孔洞

3.4 失效機理

芯片背面出現(xiàn)多余的孔洞，有兩種可能性。一是工藝制程中設(shè)備狀態(tài)異常：包括涂膠臺漏氣導致膠溶液中混入氣泡，進而導致光刻膠堅膜后局部厚度過??；或者由于堅膜溫箱溫度設(shè)置過高、堅膜速率過快導致厚度不均勻。二是堅膜溫箱內(nèi)的溫度各區(qū)域不均勻，導致光刻膠的溶劑揮發(fā)速率不一致，局部形成氣泡，刻蝕背孔時將氣泡位置的光刻膠刻透，形成多余孔洞。復查該圓片生產(chǎn)過程，涂膠臺管道漏氣報警裝置工作正常，未有異常記錄；堅膜溫箱工作正常，操作記錄符合該圓片工藝操作規(guī)范，則可以推斷多余背面孔洞由堅膜烘箱內(nèi)溫度不均勻所致。

由于產(chǎn)生的多余孔洞形狀不規(guī)則，容易在狹縫中包裹進電鍍液等雜質(zhì)。在芯片做共晶燒結(jié)時，鍍金層與襯底材料以及雜質(zhì)與襯底材料的熱失配會在一些位置集中釋放，以致在襯底中產(chǎn)生裂紋，并延展至器件工作區(qū)域，發(fā)生斷路，如圖8所示。所以T7管芯無法正常翻轉(zhuǎn)，始終處于不工作的狀態(tài)。

圖8 多余孔洞導致的器件失效示意圖

4 工藝改進措施

受到背面工藝光刻膠堅膜所用烘箱的設(shè)備限制，現(xiàn)有的工藝流程與操作無法完全杜絕背面多余孔洞的發(fā)生，在背面工藝制程的目檢過程中可以增加多余孔洞缺陷的監(jiān)測。由于晶圓背面的背孔數(shù)量達萬級，全部鏡檢效率太低，但堅膜后產(chǎn)生的光刻膠氣泡會與周圍產(chǎn)生明顯色差，在鏡檢中很容易被觀察到。所以，在光刻膠堅膜后添加鏡檢步驟，記錄下氣泡的坐標，背面刻蝕后對記錄的坐標位置進行高倍鏡檢，標記存在多余孔洞的芯片以供后續(xù)剔除。當然，以現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)，通過改進堅膜工藝從而杜絕背面工藝光刻膠氣泡的發(fā)生也在研究之中。

5 結(jié)論

我們針對一款基于GaAs 0.25 μm pHEMT E/D工藝的多功能芯片90°移相不翻轉(zhuǎn)的故障現(xiàn)象進行了失效分析，使用EMMI技術(shù)測試定位到數(shù)字控制電路中一處管芯始終不工作，致使90°移相在電路工作時一直處于開啟狀態(tài)；經(jīng)微區(qū)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)在失效管芯的下方存在延伸到管芯導電溝道的裂紋，以及產(chǎn)生裂紋的背面工藝缺陷，至此，芯片的失效機理得以解釋。我們對此提出針對性的工藝改進措施，剔除了背面多余孔洞帶來的可靠性隱患。