EMMI技术的GaAs多功能芯片的失效分析

1.微波单片集成电路


随着半导体外延技术和微波单片电路工艺的持续进步，微波单片集成电路正朝着高频、多功能和高集成度的方向发展。这种技术使得多种功能，如数控开关、低噪声放大器、移相器、衰减器和功率放大器等，能够集成在单一芯片上，从而显著减小系统体积、降低成本并提高产品可靠性。
目前，大多数微波毫米波多功能芯片主要采用GaAs伪配高电子迁移率晶体管（pHEMT）工艺制造，但关于GaAs pHEMT MMIC的失效分析主要集中在功放芯片、开关芯片等单一功能芯片上，而多功能芯片的失效分析相对较少。

芯片电路图

2.数字工艺

其中一款GaAs 0.25μm pHEMT E/D工艺的数字移相衰减多功能芯片的失效情况进行了深入分析，研究了失效机理，并提出了相应的工艺制程改进方案。该芯片集成了六位数字移相通道、四位衰减通道、吸收式单双掷开关及串口数字驱动电路，采用TTL控制信号，通过背孔方式接地。在使用过程中，该芯片出现了90°移相通道无法恢复的故障，即90°态翻转后不恢复，始终处于开启状态。

3.初步定位


通过对故障芯片的初步定位和EMMI测试，发现故障件和正常件在90°移相通道的数字部分有源区存在明显差异，表明数字部分出现故障，导致微波电路部分持续处于90°移相开启状态。进一步的失效管芯结构分析显示，失效管芯下方存在裂纹，裂纹延伸至导电沟道，导致器件导电沟道断路。裂纹下方观察到形状不规则的孔洞，孔洞附近有金属出现，能谱测试为金元素，表明故障芯片在背孔工艺中出现了多余的刻蚀孔。

90°移相通道小信号测试结果

4.失效机理分析
芯片背面多余的孔洞可能是由于坚膜温箱内的温度不均匀所致，导致光刻胶的溶剂挥发速率不一致，局部形成气泡，刻蚀背孔时将气泡位置的光刻胶刻透，形成多余孔洞。这些孔洞在共晶烧结过程中，由于镀金层与衬底材料以及杂质与衬底材料的热失配，会在一些位置集中释放，导致衬底中产生裂纹，并延展至器件工作区域，发生断路。

T7管芯FIB剖面分析

5.总结
为了改进工艺，提出了在光刻胶坚膜后添加镜检步骤，记录下气泡的坐标，背面刻蚀后对记录的坐标位置进行高倍镜检，标记存在多余孔洞的芯片以供后续剔除。此外，也在研究通过改进坚膜工艺来杜绝背面工艺光刻胶气泡的发生。通过GaAs多功能芯片的失效分析，揭示了芯片失效的机理，并提出了针对性的工艺改进措施，以提高芯片的可靠性和性能。


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