1 前言

MEMS麥克風(fēng)是將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的微型傳感器，其工作過程涉及到聲學(xué)、機(jī)械學(xué)和微電子學(xué)等學(xué)科。由于MEMS麥克風(fēng)的敏感結(jié)構(gòu)的工作對(duì)象是氣體（聲壓） ，其封裝必須保證合適的接口和穩(wěn)定的環(huán)境，使氣體（聲音）可以穩(wěn)定流動(dòng)。隨著MEMS麥克風(fēng)封裝尺寸的不斷縮小和聲學(xué)性能的不斷提升，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和失效分析工作來說都帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。特別是針對(duì)MEMS麥克風(fēng)聲學(xué)性能失效，如何通過非破壞性方法快速定位出失效部位一直困擾著業(yè)界的失效分析工作者，目前這方面的文獻(xiàn)極少，通常遇到這方面的失效分析案例需要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的分析時(shí)間， 分析結(jié)果的正確率也不是很高。

本論文針對(duì)MEMS麥克風(fēng)噪聲失效分析案例，采用在真空密閉腔體進(jìn)行非破壞性測(cè)試，其主要目的是排除MEMS芯片振動(dòng)機(jī)械噪聲，成功確定噪聲失效主要是電噪聲，可能是由ASIC芯片設(shè)計(jì)或工藝不當(dāng)造成的，通過后續(xù)一系列失效分析方法找到真正的失效原因，并提出相應(yīng)的改善措施預(yù)防類似案例再次發(fā)生。

2 MEMS麥克風(fēng)工作原理及噪聲來源

MEMS麥克風(fēng)正常工作時(shí)，需要在MEMS工藝制作的硅基敏感振膜和背極板之間加上非常穩(wěn)定的直流偏置電壓，將由聲壓引起的振膜和背極板間電容變化量轉(zhuǎn)換為微弱電學(xué)信號(hào)，通過ASIC芯片的放大電路將信號(hào)放大輸出。MEMS麥克風(fēng)的ASIC芯片設(shè)計(jì)包括偏置電壓電路的設(shè)計(jì)、運(yùn)算放大電路的設(shè)計(jì)、防靜電保護(hù)設(shè)計(jì)、電源電壓檢測(cè)電路等方面。如果ASIC提供的偏置電壓異常，將會(huì)導(dǎo)致MEMS上微弱電信號(hào)經(jīng)放大后產(chǎn)生很多額外噪聲，嚴(yán)重影響MEMS麥克風(fēng)的聲學(xué)性能。如果放大電路設(shè)計(jì)不合理，將無法提取MEMS敏感振膜產(chǎn)生的電信號(hào)。圖1為MEMS數(shù)字麥克風(fēng)的等效電路示意圖。在追逐低功耗小尺寸的驅(qū)動(dòng)下，如何既實(shí)現(xiàn)高偏置電壓的穩(wěn)定性又減少ASIC芯片的面積是一個(gè)必須要考慮和解決的問題。

圖1 MEMS數(shù)字麥克風(fēng)的等效電路示意圖

MEMS麥克風(fēng)的主要性能參數(shù)很多，本文主要側(cè)重介紹其靈敏度，噪聲及信噪比這三個(gè)參數(shù)。靈敏度指輸出端對(duì)于聲學(xué)輸入信號(hào)為94dB聲壓級(jí)（SPL）或者1Pa聲壓下1kHz的正弦波的電氣響應(yīng)，即在單位聲壓作用下，在麥克風(fēng)輸出端的電壓Vs大小。噪聲是指在測(cè)試靈敏度時(shí)，撤除輸入信號(hào)，測(cè)量此時(shí)輸出端的電壓Vn。由于電壓Vs和Vn的值較小，通常業(yè)界采用dB的計(jì)數(shù)方式。信噪比值為20Log（Vs/Vn）。由此可見，噪聲是MEMS麥克風(fēng)的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，直接影響信噪比的大小。對(duì)于MEMS麥克風(fēng)在應(yīng)用過程中，其噪聲主要來源有兩個(gè)方面：一是MEMS芯片自身的機(jī)械振動(dòng)噪聲，主要因?yàn)镸EMS芯片直接與外界通過聲音通孔直接相連，受外界環(huán)境干擾明顯。二是ASIC芯片自身的電噪聲，由于ASIC芯片本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含大量的電子器件，其主要包括偏置電路的等效輸出噪聲、讀出電路的等效輸入噪聲等。

3 MEMS麥克風(fēng)噪聲失效分析方法

針對(duì)MEMS麥克風(fēng)噪聲失效，首要任務(wù)是如何在非破壞性的情況下快速確定噪聲的具體來源。為此，作者打破常規(guī)的測(cè)試方法，創(chuàng)造性采用在真空腔體測(cè)試樣品噪聲， 這種方法的好處是可以最大限度排除MEMS芯片振動(dòng)的機(jī)械噪聲，通過與正常樣品測(cè)試結(jié)果比對(duì)，如果測(cè)試噪聲高于正常測(cè)試結(jié)果，其噪聲來源主要來源于ASIC芯片的電噪聲；如果測(cè)試值與正常值相當(dāng)，則其噪聲來源主要是MEMS芯片的振動(dòng)噪聲。一旦確定具體的失效部位，通過后續(xù)的一系列電學(xué)性能失效定位及物理失效分析方法，比較容易找到失效原因。

通常，針對(duì)MEMS麥克風(fēng)噪聲失效分析具體案如，大部分是由ASIC芯片制程工藝缺陷導(dǎo)致電噪聲異常，其分析要點(diǎn)主要集中在如下幾個(gè)部分: 1) 偏置電壓是否在規(guī)格范圍內(nèi); 2) 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工作電流在規(guī)格范圍內(nèi); 3) 漏電流是否異常; 4) 微信號(hào)放大處理過程是否正常，該過程往往通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一微小信號(hào)模擬MEMS的輸出，進(jìn)而驗(yàn)證ASIC工作是否正常; 5) 對(duì)數(shù)字MEMS麥克風(fēng)，還要分析時(shí)鐘信號(hào)通道與通道選擇是否異常。

4 案例分析

4.1 MEMS麥克風(fēng)電性能測(cè)試結(jié)果

在Vdd = 2.75V的工作電壓下，異常樣品#1和#2的測(cè)試結(jié)果如表1所示：

MEMS麥克風(fēng)的測(cè)試規(guī)格: 38 ± 3dB，由此可見，靈敏度在正常的范圍值之內(nèi)，而噪聲值明顯偏高，導(dǎo)致信噪比遠(yuǎn)低于其規(guī)格值。

圖2 樣品#1噪聲（A-加權(quán)處理）測(cè)試譜圖

4.2 失效樣品在真空腔體中測(cè)試噪聲譜圖

MEMS麥克風(fēng)噪聲來源主要包括MEMS芯片振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪聲和ASIC芯片的電噪聲兩部分組成，因此在做破壞性分析之前，需要確定噪聲失效主要來源于哪一部分，從而再進(jìn)一步深入分析具體的失效原因。

本文采用在真空腔體測(cè)試MEMS麥克風(fēng)的噪聲譜圖，主要目的是排除MEMS的機(jī)械震動(dòng)的干擾，通過與正常樣品比較發(fā)現(xiàn)，失效樣品噪聲譜圖曲線明顯偏高，初步判定噪聲主要來自于電噪聲，需要進(jìn)一步確認(rèn)ASIC芯片的相關(guān)電性能參數(shù)是否正常。

圖3 樣品#1、#2及正常樣品在真空腔體中噪聲譜圖（未做A-加權(quán)處理）

4.3 ASIC芯片級(jí)電噪聲測(cè)量

通過物理破壞性方法，將MEMS麥克風(fēng)芯片封裝殼體分離，同時(shí)斷開ASIC芯片與MEMS傳感器的電信號(hào)連接，直接對(duì)ASIC芯片測(cè)試輸出電噪聲電壓（Vrms）進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

通過物理破壞性方法，將MEMS麥克風(fēng)芯片封裝殼體分離，同時(shí)斷開ASIC芯片與MEMS傳感器的電信號(hào)連接，直接對(duì)ASIC芯片測(cè)試輸出電噪聲電壓（Vrms）進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

4.4 ASIC芯片偏壓測(cè)量

在ASIC偏置電路內(nèi)部相同的參考電壓下，通過測(cè)試比較正常與異常樣品的偏置電壓，發(fā)現(xiàn)異常樣品偏置電壓比正常的樣品要低1V左右，因此需要進(jìn)一步確定偏置電壓區(qū)域異常原因。

圖4 ASIC芯片參考電壓與偏置電壓的關(guān)系

在Vdd斷電后，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)試發(fā)現(xiàn)異常樣品的偏置電壓下降速度明顯快于正常樣品，結(jié)果參見圖5所示。因此懷疑異常樣品存在漏電流的可能。

圖5 工作電壓斷電時(shí)間與偏置電壓的關(guān)系

4.5 ASIC芯片漏電流測(cè)量

通過比較正常樣品和異常樣品的漏電流，發(fā)現(xiàn)異常樣品漏電流在正常的偏置電壓范圍內(nèi)（34～36.5V）下存在明顯的漏電流，較正常樣品的漏電流要大4～6nA，見圖6。

圖6 正常樣品漏電流測(cè)試結(jié)果

圖7 異常樣品漏電流測(cè)試結(jié)果

基于ASIC芯片的設(shè)計(jì)，懷疑漏電流通道存在于偏置電壓的ESD保護(hù)電路內(nèi)部。通過FIB斷開ESD保護(hù)電路，在Vdd = 2.75V的工作電壓下，對(duì)樣品#1、#2重新測(cè)試其噪聲電壓Vrms，測(cè)試結(jié)果參見表3。

從測(cè)試結(jié)果可以看出: 在FIB斷開ESD保護(hù)電路之后，失效樣品#1、#2噪聲電壓Vrms均低于測(cè)試規(guī)格值，說明噪聲電壓偏高主要由于ESD保護(hù)電路的漏電流偏高造成的。

4.6 失效定位及物理失效分析

硅控整流器SCR在單位布局面積下具有很高的ESD防護(hù)能力。利用這種特殊的器件，ASIC芯片的ESD防護(hù)能力能夠在只占用到較小的布局面積下即可有效地大幅提升，而不需要用到工藝上的額外處理。基于ASIC設(shè)計(jì)相關(guān)信息，本芯片的ESD保護(hù)電路主要通過SCR來實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)ASIC芯片進(jìn)行OBIRCH電性能失效定位發(fā)現(xiàn)ESD保護(hù)電路區(qū)域有明顯異常，根據(jù)ASIC版圖，可以判斷異常區(qū)域位于可控硅SCR的一側(cè)，而另外一側(cè)正常，見圖8。

圖8 OBIRCH顯示SCR一側(cè)失效區(qū)域

由圖9中ASIC芯片SCR版圖可知：Poly與Diffusion層的水平物理間距設(shè)計(jì)為180nm。

圖9 ASIC芯片的SCR版圖

通過FIB對(duì)OBIRCH異常區(qū)域做局部截面分析，由圖10可以看出: SCR左側(cè)的Poly與Diffusion的間距為294.3nm，右側(cè)的間距僅為 67.50nm。由此可以判斷，Poly層存在明顯的偏移導(dǎo)致左右兩側(cè)Poly與Diffusion物理間距差異明顯。由于右側(cè)間距僅為67.50nm極易導(dǎo)致ASIC正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生漏電流，這與OBIRCH電性能失效定位點(diǎn)吻合，也證明了前述的懷疑漏電流導(dǎo)致噪聲失效的假設(shè)成立。

圖10 SCR左右兩側(cè)Poly與diffusion的FIB圖

4.7 改善措施

為了解決ASIC芯片由于Poly與diffusion層物理間距過小在工藝制程中微小偏移將會(huì)導(dǎo)致漏電流的存在而影響MEMS麥克風(fēng)噪聲性能的這一問題，將兩者物理間距做了進(jìn)一步的優(yōu)化調(diào)整，在原來的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加水平物理間距。具體數(shù)據(jù)如圖11和圖12所示。經(jīng)過大規(guī)模量產(chǎn)后1百萬顆MEMS麥克風(fēng)，未出現(xiàn)噪聲失效的不良品。

圖11 SCR改進(jìn)后版圖

圖12 SCR改進(jìn)后的版圖

5 結(jié)論

本文通過MEMS麥克風(fēng)噪聲失效分析一個(gè)具體案例，驗(yàn)證了在真空腔體測(cè)量噪聲可快速定位噪聲來源的可行性。通過比對(duì)失效樣品和正常樣品的噪聲值，快速定位噪聲失效主要由ASIC芯片的電噪聲造成。針對(duì)ASIC芯片級(jí)電性能失效定位（OBIRCH）和物理失效分析（FIB，SEM），其失效原因主要由于ASIC芯片制造工藝中Poly和Diffusion層位置嚴(yán)重偏移導(dǎo)致偏置電路的保護(hù)電路區(qū)域存在漏電流通道。將兩者物理間距做了進(jìn)一步的優(yōu)化調(diào)整，在原來的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加物理間距，徹底解決此類問題的再次發(fā)生。