為什么器件失效分析需要Nano-probe機(jī)臺(tái)？

器件失效分析（Failure Analysis，F(xiàn)A）關(guān)系到集成電路的質(zhì)量控制、產(chǎn)品可靠性以及產(chǎn)量?jī)?yōu)化。在分析過程中，工程師必須準(zhǔn)確定位失效源頭，分析失效機(jī)理并找到解決方法。其中，Nano-probe（納米探針）作為一項(xiàng)關(guān)鍵的微納級(jí)分析工具，廣泛應(yīng)用于先進(jìn)工藝制程中，如5nm、7nm、16nm等。

1. 什么是Nano-probe？

Nano-probe，顧名思義，是一種基于納米尺度的探針技術(shù)，能夠在極小的區(qū)域內(nèi)對(duì)特定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電氣特性測(cè)試。在集成電路的失效分析中，Nano-probe設(shè)備可以直接接觸芯片內(nèi)部的金屬層或晶體管節(jié)點(diǎn)，通過微小探針來測(cè)量電流、電壓等參數(shù)，從而幫助工程師分析器件的電氣特性與異常情況。

這種技術(shù)通常用于以下兩種主要的場(chǎng)景：

逐層分析（Delayering）：通過逐層去除芯片的金屬層或介質(zhì)層，使Nano-probe能夠直接接觸到目標(biāo)區(qū)域的金屬節(jié)點(diǎn)或晶體管的源極、漏極和柵極。

局部電氣特性測(cè)試：在特定的電路節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行精確的電氣測(cè)試，捕捉可能的電路異常，例如電流泄漏、開路或短路等問題。

2. Nano-probe 在失效分析中的作用

在半導(dǎo)體芯片的失效分析過程中，尤其是先進(jìn)工藝制程產(chǎn)品（如5nm、7nm、16nm等）的分析，傳統(tǒng)的分析方法可能已經(jīng)難以滿足需求。晶體管的尺寸越來越小，電路結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，因此Nano-probe在失效分析中的作用變得越來越重要。

具體來說，Nano-probe在失效分析中的作用可以從以下幾個(gè)方面來說明：

（1）精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)

在集成電路的分析過程中，工程師通常需要在極其復(fù)雜的電路中找到失效的源頭。失效可能來自晶體管、金屬互連、柵極等多個(gè)層次，而Nano-probe能夠通過逐層測(cè)試，對(duì)特定區(qū)域的電氣特性進(jìn)行詳細(xì)分析，從而精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)。例如，在上述16nm工藝制程案例中，Nano-probe被用于SRAM的某個(gè)單個(gè)Bit cell區(qū)域，通過版圖分析和逐層去除工藝，Nano-probe能夠定位到M0OD/M0PO層的一個(gè)NMOS器件，發(fā)現(xiàn)其gate漏電偏大，最終確認(rèn)工藝質(zhì)量問題。

（2）逐層分析能力

現(xiàn)代半導(dǎo)體芯片包含多達(dá)13層甚至更多的金屬互連層，失效問題可能發(fā)生在不同的金屬層之間。Nano-probe能夠逐層剝離芯片中的金屬和介質(zhì)層，并在每一層進(jìn)行測(cè)試，從而確定問題發(fā)生的具體層次。在逐層剝離的過程中，Nano-probe通過精細(xì)的探測(cè)能力能夠確保電氣特性測(cè)試的準(zhǔn)確性，減少誤判的可能性。

（3）器件電氣特性測(cè)試

Nano-probe允許對(duì)特定器件或電路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電氣特性測(cè)試。它能夠通過微小的探針直接接觸到晶體管或金屬互連層的某個(gè)具體節(jié)點(diǎn)，測(cè)量電流、電壓、導(dǎo)電阻等關(guān)鍵參數(shù)，從而幫助工程師發(fā)現(xiàn)電氣異常。例如，在7nm工藝制程通信產(chǎn)品的案例中，Nano-probe被用于檢測(cè)失效信號(hào)鏈路，最終發(fā)現(xiàn)某個(gè)器件的Idsat（飽和電流）低于正常值，幫助工程師進(jìn)一步確認(rèn)問題所在。

（4）檢測(cè)小規(guī)模缺陷

隨著晶體管尺寸的縮小，工藝制程中的缺陷越來越微小，甚至在微觀下難以觀察。Nano-probe技術(shù)的高精度探測(cè)能力使其能夠檢測(cè)到極小的缺陷，例如金屬互連層中的空洞、裂紋，甚至是晶體管內(nèi)的原子級(jí)失效問題。通過結(jié)合FIB（聚焦離子束）、TEM（透射電子顯微鏡）等技術(shù)，Nano-probe可以提供失效區(qū)域的電氣和物理特性分析，幫助工程師找到根本原因。

3. Nano-probe 技術(shù)在器件失效分析中的優(yōu)勢(shì)

Nano-probe技術(shù)之所以被廣泛應(yīng)用于器件失效分析，主要因?yàn)樗邆涠囗?xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

（1）超高分辨率

Nano-probe技術(shù)能夠在納米級(jí)別對(duì)電路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，其探針直徑極小，通?？梢赃_(dá)到10納米或更小的尺寸，能夠非常精確地接觸到晶體管的源極、漏極、柵極等區(qū)域。這種高分辨率確保了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，并能有效應(yīng)對(duì)先進(jìn)制程工藝中晶體管結(jié)構(gòu)的微縮挑戰(zhàn)。

（2）非破壞性測(cè)試

傳統(tǒng)的失效分析方法可能需要破壞芯片的物理結(jié)構(gòu)，才能夠測(cè)試到失效點(diǎn)。而Nano-probe可以通過逐層去除芯片中的材料，保留必要的電路結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行電氣測(cè)試的同時(shí)盡量減少對(duì)芯片的破壞。這使得工程師能夠在不完全破壞芯片的前提下完成精密測(cè)試，保留更多的物理信息以供后續(xù)分析。

（3）靈活性高

Nano-probe能夠靈活適應(yīng)不同的分析需求，無論是對(duì)于電路級(jí)別的全局失效分析，還是局部器件的特性測(cè)試，Nano-probe都能提供可靠的技術(shù)支持。工程師可以根據(jù)失效分析的具體需求，選擇不同的測(cè)試方法和策略，充分發(fā)揮Nano-probe的靈活性和多樣化功能。

4. 結(jié)合其他分析技術(shù)的應(yīng)用

在失效分析過程中，Nano-probe通常與其他分析技術(shù)相結(jié)合，以提高分析的準(zhǔn)確性和效率。常見的組合包括：

（1）FIB（聚焦離子束）

FIB技術(shù)可以用于局部區(qū)域的樣品制備，通過精確切割芯片的某一部分，使Nano-probe能夠更加精準(zhǔn)地接觸到目標(biāo)區(qū)域。這在分析復(fù)雜工藝制程中的缺陷時(shí)尤為重要，特別是在需要在納米級(jí)別定位和切割時(shí)。

（2）TEM（透射電子顯微鏡）

通過TEM技術(shù)，工程師能夠獲得芯片材料結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，包括晶體管的柵氧層厚度、金屬互連層的空洞或裂紋等。而Nano-probe在TEM的基礎(chǔ)上提供了電氣特性測(cè)試，使工程師能夠同時(shí)了解物理結(jié)構(gòu)和電氣特性。

（3）EMMI/OBIRCH（電子發(fā)射顯微鏡/光學(xué)電流發(fā)射顯微鏡）

這些技術(shù)能夠幫助工程師找到失效區(qū)域中的發(fā)光或熱異常點(diǎn)，而Nano-probe則可以進(jìn)一步測(cè)試這些異常點(diǎn)的電氣特性，驗(yàn)證其是否為失效的主要原因。

5. 應(yīng)用實(shí)例分析

例如，在16nm制程的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品失效分析案例中，Nano-probe幫助工程師將芯片逐層去除至M0OD/M0PO層，并發(fā)現(xiàn)bit區(qū)域的NMOS gate存在漏電問題，最終通過FIB和TEM進(jìn)一步確認(rèn)了工藝質(zhì)量問題。這一過程中，Nano-probe的精確定位和逐層分析能力是找到問題的關(guān)鍵。

在14nm通信產(chǎn)品的失效分析中，Nano-probe通過對(duì)特定信號(hào)鏈路的電氣特性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了器件Idsat異常，幫助工程師定位到了失效的根本原因，并推動(dòng)了工藝管控的改進(jìn)。

6. 未來的發(fā)展方向

隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，器件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，晶體管尺寸越來越小，失效分析的難度也不斷增加。Nano-probe技術(shù)未來的發(fā)展方向主要集中在以下幾個(gè)方面：

更高的分辨率：未來的Nano-probe設(shè)備將具備更高的分辨率，能夠在更小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行更精確的電氣測(cè)試，滿足3nm及以下制程的分析需求。

自動(dòng)化程度提高：隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，Nano-probe設(shè)備將逐漸實(shí)現(xiàn)更高的自動(dòng)化水平，減少人為干預(yù)，提高分析效率。

多功能集成：未來的Nano-probe設(shè)備將與更多的分析技術(shù)集成，例如與X射線分析、超聲波分析等結(jié)合，進(jìn)一步提高分析的全面性和準(zhǔn)確性。

老虎說芯的芯片通識(shí)課：通俗理解半導(dǎo)體行業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)（入門或轉(zhuǎn)行必備）

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