1 前言

MEMS麥克風是將音頻信號轉換成電信號的微型傳感器，其工作過程涉及到聲學、機械學和微電子學等學科。由于MEMS麥克風的敏感結構的工作對象是氣體（聲壓） ，其封裝必須保證合適的接口和穩定的環境，使氣體（聲音）可以穩定流動。隨著MEMS麥克風封裝尺寸的不斷縮小和聲學性能的不斷提升，對測試系統和失效分析工作來說都帶來了前所未有的挑戰。特別是針對MEMS麥克風聲學性能失效，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界的失效分析工作者，目前這方面的文獻極少，通常遇到這方面的失效分析案例需要花費相當長的分析時間， 分析結果的正確率也不是很高。

本論文針對MEMS麥克風噪聲失效分析案例，采用在真空密閉腔體進行非破壞性測試，其主要目的是排除MEMS芯片振動機械噪聲，成功確定噪聲失效主要是電噪聲，可能是由ASIC芯片設計或工藝不當造成的，通過后續一系列失效分析方法找到真正的失效原因，并提出相應的改善措施預防類似案例再次發生。

2 MEMS麥克風工作原理及噪聲來源

MEMS麥克風正常工作時，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換為微弱電學信號，通過ASIC芯片的放大電路將信號放大輸出。MEMS麥克風的ASIC芯片設計包括偏置電壓電路的設計、運算放大電路的設計、防靜電保護設計、電源電壓檢測電路等方面。如果ASIC提供的偏置電壓異常，將會導致MEMS上微弱電信號經放大后產生很多額外噪聲，嚴重影響MEMS麥克風的聲學性能。如果放大電路設計不合理，將無法提取MEMS敏感振膜產生的電信號。圖1為MEMS數字麥克風的等效電路示意圖。在追逐低功耗小尺寸的驅動下，如何既實現高偏置電壓的穩定性又減少ASIC芯片的面積是一個必須要考慮和解決的問題。

圖1 MEMS數字麥克風的等效電路示意圖

MEMS麥克風的主要性能參數很多，本文主要側重介紹其靈敏度，噪聲及信噪比這三個參數。靈敏度指輸出端對于聲學輸入信號為94dB聲壓級（SPL）或者1Pa聲壓下1kHz的正弦波的電氣響應，即在單位聲壓作用下，在麥克風輸出端的電壓Vs大小。噪聲是指在測試靈敏度時，撤除輸入信號，測量此時輸出端的電壓Vn。由于電壓Vs和Vn的值較小，通常業界采用dB的計數方式。信噪比值為20Log（Vs/Vn）。由此可見，噪聲是MEMS麥克風的一個重要的性能指標，直接影響信噪比的大小。對于MEMS麥克風在應用過程中，其噪聲主要來源有兩個方面：一是MEMS芯片自身的機械振動噪聲，主要因為MEMS芯片直接與外界通過聲音通孔直接相連，受外界環境干擾明顯。二是ASIC芯片自身的電噪聲，由于ASIC芯片本身結構復雜，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麥克風噪聲失效分析方法

針對MEMS麥克風噪聲失效，首要任務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，作者打破常規的測試方法，創造性采用在真空腔體測試樣品噪聲， 這種方法的好處是可以最大限度排除MEMS芯片振動的機械噪聲，通過與正常樣品測試結果比對，如果測試噪聲高于正常測試結果，其噪聲來源主要來源于ASIC芯片的電噪聲；如果測試值與正常值相當，則其噪聲來源主要是MEMS芯片的振動噪聲。一旦確定具體的失效部位，通過后續的一系列電學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MEMS麥克風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致電噪聲異常，其分析要點主要集中在如下幾個部分: 1) 偏置電壓是否在規格范圍內; 2) 靜態和動態工作電流在規格范圍內; 3) 漏電流是否異常; 4) 微信號放大處理過程是否正常，該過程往往通過信號發生器產生一微小信號模擬MEMS的輸出，進而驗證ASIC工作是否正常; 5) 對數字MEMS麥克風，還要分析時鐘信號通道與通道選擇是否異常。

4 案例分析

4.1 MEMS麥克風電性能測試結果

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

MEMS麥克風的測試規格: 38 ± 3dB，由此可見，靈敏度在正常的范圍值之內，而噪聲值明顯偏高，導致信噪比遠低于其規格值。

圖2 樣品#1噪聲（A-加權處理）測試譜圖

4.2 失效樣品在真空腔體中測試噪聲譜圖

MEMS麥克風噪聲來源主要包括MEMS芯片振動產生的機械振動噪聲和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，從而再進一步深入分析具體的失效原因。

本文采用在真空腔體測試MEMS麥克風的噪聲譜圖，主要目的是排除MEMS的機械震動的干擾，通過與正常樣品比較發現，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，需要進一步確認ASIC芯片的相關電性能參數是否正常。

圖3 樣品#1、#2及正常樣品在真空腔體中噪聲譜圖（未做A-加權處理）

4.3 ASIC芯片級電噪聲測量

通過物理破壞性方法，將MEMS麥克風芯片封裝殼體分離，同時斷開ASIC芯片與MEMS傳感器的電信號連接，直接對ASIC芯片測試輸出電噪聲電壓（Vrms）進行測量，測試結果如表2所示。

通過物理破壞性方法，將MEMS麥克風芯片封裝殼體分離，同時斷開ASIC芯片與MEMS傳感器的電信號連接，直接對ASIC芯片測試輸出電噪聲電壓（Vrms）進行測量，測試結果如表2所示。

4.4 ASIC芯片偏壓測量

在ASIC偏置電路內部相同的參考電壓下，通過測試比較正常與異常樣品的偏置電壓，發現異常樣品偏置電壓比正常的樣品要低1V左右，因此需要進一步確定偏置電壓區域異常原因。

圖4 ASIC芯片參考電壓與偏置電壓的關系

在Vdd斷電后，在相同的時間間隔內，測試發現異常樣品的偏置電壓下降速度明顯快于正常樣品，結果參見圖5所示。因此懷疑異常樣品存在漏電流的可能。

圖5 工作電壓斷電時間與偏置電壓的關系

4.5 ASIC芯片漏電流測量

通過比較正常樣品和異常樣品的漏電流，發現異常樣品漏電流在正常的偏置電壓范圍內（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 正常樣品漏電流測試結果

圖7 異常樣品漏電流測試結果

基于ASIC芯片的設計，懷疑漏電流通道存在于偏置電壓的ESD保護電路內部。通過FIB斷開ESD保護電路，在Vdd = 2.75V的工作電壓下，對樣品#1、#2重新測試其噪聲電壓Vrms，測試結果參見表3。

從測試結果可以看出: 在FIB斷開ESD保護電路之后，失效樣品#1、#2噪聲電壓Vrms均低于測試規格值，說明噪聲電壓偏高主要由于ESD保護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防護能力。利用這種特殊的器件，ASIC芯片的ESD防護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設計相關信息，本芯片的ESD保護電路主要通過SCR來實現。通過對ASIC芯片進行OBIRCH電性能失效定位發現ESD保護電路區域有明顯異常，根據ASIC版圖，可以判斷異常區域位于可控硅SCR的一側，而另外一側正常，見圖8。

圖8 OBIRCH顯示SCR一側失效區域

由圖9中ASIC芯片SCR版圖可知：Poly與Diffusion層的水平物理間距設計為180nm。

圖9 ASIC芯片的SCR版圖

通過FIB對OBIRCH異常區域做局部截面分析，由圖10可以看出: SCR左側的Poly與Diffusion的間距為294.3nm，右側的間距僅為 67.50nm。由此可以判斷，Poly層存在明顯的偏移導致左右兩側Poly與Diffusion物理間距差異明顯。由于右側間距僅為67.50nm極易導致ASIC正常工作時會產生漏電流，這與OBIRCH電性能失效定位點吻合，也證明了前述的懷疑漏電流導致噪聲失效的假設成立。

圖10 SCR左右兩側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導致漏電流的存在而影響MEMS麥克風噪聲性能的這一問題，將兩者物理間距做了進一步的優化調整，在原來的基礎上適當增加水平物理間距。具體數據如圖11和圖12所示。經過大規模量產后1百萬顆MEMS麥克風，未出現噪聲失效的不良品。

圖11 SCR改進后版圖

圖12 SCR改進后的版圖

5 結論

本文通過MEMS麥克風噪聲失效分析一個具體案例，驗證了在真空腔體測量噪聲可快速定位噪聲來源的可行性。通過比對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ASIC芯片級電性能失效定位（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層位置嚴重偏移導致偏置電路的保護電路區域存在漏電流通道。將兩者物理間距做了進一步的優化調整，在原來的基礎上適當增加物理間距，徹底解決此類問題的再次發生。