砷化镓异质结和高电子迁移率晶体管工艺器件的良品率改善

论文摘要

砷化镓微波单片集成电路（GaAs MMIC）是应用于高频、高速、高功率环境下的集成电路,它的主要制造工艺有：异质结双极型晶体管（HBT）、应变式高电子迁移率晶体管（pHEMT）和金属半导体场效应晶体管（MESFET）。GaAs材料和GaAs器件在高频高端领域有硅工艺难以超越的性能优势和应用价值。但是GaAs材料特殊的物理化学特性和其不同于硅的制造工艺,使GaAs器件的研发成本和制造成本高昂,且工艺的重复性、一致性较差,良品率偏低。本论文立足于工程生产实际案例,通过对低良品率GaAs产品进行工艺数据分析和失效分析来发现不良品的失效原因和缺陷形成的机理从而提出改善方案,在把产品从工程阶段推向量产的同时实现高品质低成本,并且从研究中总结经验增进对这种先进制造工艺的认识和理解。论文研究聚焦于两部分主题,pHEMT单刀九掷开关器件（SP9T）因漏电导致的低良率问题和HBT器件中背孔、通孔接触不良的分析。第一个开关器件的案例,从成品测试看到的接收端功能异常的现象入手,根据各个可能造成失效的原因从封装.工艺开始分析,基于对关键的打线工艺制定四组条件正交试验的评估结果,首先排除了封装导致缺陷的可能,转而将焦点汇聚至芯片的失效分析。通过对微光显微镜（EMMI）、直流（DC）通断测试、激光扫描显微镜（OBIRCH）、聚焦离子束（FIB）等分析手段的运用,找到了漏电路径定位了失效点,经过深入分析后.明确了由于GaAs工艺不进行化学机械平坦化处理（CMP）而造成金属蒸镀工艺能力不足形成缺陷的机理,同时从优化设计的角度思考,版图中三导线平行交叠的布线也是失效的诱因之一。解决方案以修订设计规则、修改版图来彻底改善产品良率并成功量产。第二个通孔案例,因为GaAs工艺中使用的金属是难以刻蚀的纯金,所以金属图形的制作需要通过剥离工艺（Lift-off）来实现。由于Lift-off本身的工艺原理使金属层呈现上窄下宽的形貌,另一方面,通孔的设计尺寸及与它相邻的大面积开窗之间的距离,这些因素就会挑战刻蚀工艺诱发通孔接触不良。通过对这个案例的研究使流片厂建立了通孔尺寸与间距的约束关系,并通过两次曝光通孔的方式改善既有产品的良品率。以上对缺陷产品的改善不仅提升了良品率,还从工艺和设计的角度两方面完善了产品的品质。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第1章 绪论
• 1.1 砷化镓MMIC的应用背景
• 1.2 GaAs HBT和pHEMT工艺的现状
• 1.3 GaAs工艺的问题和难点
• 1.4 选题目的和意义
• 1.5 论文的研究内容和结构
• 第2章 砷化镓HBT、pHEMT器件的制造工艺
• 2.1 GaAs HBT、pHEMT与CMOS工艺特点的比较
• 2.1.1 技术节点的比较
• 2.1.2 工艺方法的比较
• 2.2 GaAs HBT、pHEMT的工艺过程
• 2.2.1 HBT的工艺过程
• 2.2.2 pHEMT的工艺过程
• 2.3 空气桥
• 2.3.1 空气桥的作用
• 2.3.2 空气桥的制作过程
• 第3章 pHEMT单刀九掷开关器件低良品率分析和改善
• 3.1 SP9T开关器件的结构与功能
• 3.1.1 结构框图及控制逻辑
• 3.1.2 流片要求及封装形式
• 3.2 良品率异常的表现及与封装相关的工艺数据分析
• 3.2.1 测试数据分析
• 3.2.2 封装打线工艺分析
• 3.3 可靠性试验和失效分析
• 3.3.1 芯片端口设置及内部控制逻辑
• 3.3.2 可靠性试验
• 3.3.3 EMMI分析
• 3.3.4 DC分析
• 3.3.5 OBIRCH Hot Spot分析
• 3.3.6 FIB断面分析
• 3.4 失效分析的结论和失效机理
• 3.4.1 失效分析结论
• 3.4.2 缺陷形成的原因和失效机理
• 3.5 版图分析
• 3.5.1 电路原理图
• 3.5.2 版图设计与缺陷的相关性
• 3.5.3 版图的改善
• 3.5.4 设计规则的修订
• 第4章 HBT器件与剥离、通孔工艺相关的低良率分析
• 4.1 剥离工艺（Lift-off）的不良分析
• 4.1.1 Lift-off的工艺过程
• 4.1.2 Lift-off工艺缺陷的成因
• 4.1.3 Lift-off工艺缺陷的改善
• 4.2 HBT器件背孔不良的分析与改善
• 4.2.1 DC分析
• 4.2.2 背孔断面分析
• 4.2.3 背孔的制作过程
• 4.2.4 背孔工艺不良的原因和优化
• 4.3 HBT功率放大器低增益不良的分析
• 4.3.1 DC分析
• 4.3.2 FIB断面分析
• 4.3.3 通孔接触不良的形成原因
• 4.3.4 通孔不良的改善和设计规则的优化
• 第5章 结论与总结
• 5.1 论文研究的结论与总结
• 5.2 从工艺角度控制良品率
• 5.3 从设计角度改善良品率
• 参考文献
• 致谢