器件失效分析（Failure Analysis，FA）關系到集成電路的質量控制、產品可靠性以及產量優(yōu)化。在分析過程中，工程師必須準確定位失效源頭，分析失效機理并找到解決方法。其中，Nano-probe（納米探針）作為一項關鍵的微納級分析工具，廣泛應用于先進工藝制程中，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，能夠在極小的區(qū)域內對特定節(jié)點進行電氣特性測試。在集成電路的失效分析中，Nano-probe設備可以直接接觸芯片內部的金屬層或晶體管節(jié)點，通過微小探針來測量電流、電壓等參數，從而幫助工程師分析器件的電氣特性與異常情況。

這種技術通常用于以下兩種主要的場景：

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

局部電氣特性測試：在特定的電路節(jié)點上進行精確的電氣測試，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

在半導體芯片的失效分析過程中，尤其是先進工藝制程產品（如5nm、7nm、16nm等）的分析，傳統(tǒng)的分析方法可能已經難以滿足需求。晶體管的尺寸越來越小，電路結構越來越復雜，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方面來說明：

（1）精準定位故障點

在集成電路的分析過程中，工程師通常需要在極其復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、柵極等多個層次，而Nano-probe能夠通過逐層測試，對特定區(qū)域的電氣特性進行詳細分析，從而精準定位故障點。例如，在上述16nm工藝制程案例中，Nano-probe被用于SRAM的某個單個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NMOS器件，發(fā)現其gate漏電偏大，最終確認工藝質量問題。

（2）逐層分析能力

現代半導體芯片包含多達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層，并在每一層進行測試，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通過精細的探測能力能夠確保電氣特性測試的準確性，減少誤判的可能性。

（3）器件電氣特性測試

Nano-probe允許對特定器件或電路節(jié)點進行電氣特性測試。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具體節(jié)點，測量電流、電壓、導電阻等關鍵參數，從而幫助工程師發(fā)現電氣異常。例如，在7nm工藝制程通信產品的案例中，Nano-probe被用于檢測失效信號鏈路，最終發(fā)現某個器件的Idsat（飽和電流）低于正常值，幫助工程師進一步確認問題所在。

（4）檢測小規(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技術的高精度探測能力使其能夠檢測到極小的缺陷，例如金屬互連層中的空洞、裂紋，甚至是晶體管內的原子級失效問題。通過結合FIB（聚焦離子束）、TEM（透射電子顯微鏡）等技術，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 技術在器件失效分析中的優(yōu)勢

Nano-probe技術之所以被廣泛應用于器件失效分析，主要因為它具備多項關鍵優(yōu)勢：

（1）超高分辨率

Nano-probe技術能夠在納米級別對電路節(jié)點進行測試，其探針直徑極小，通?？梢赃_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試結果的準確性，并能有效應對先進制程工藝中晶體管結構的微縮挑戰(zhàn)。

（2）非破壞性測試

傳統(tǒng)的失效分析方法可能需要破壞芯片的物理結構，才能夠測試到失效點。而Nano-probe可以通過逐層去除芯片中的材料，保留必要的電路結構，在進行電氣測試的同時盡量減少對芯片的破壞。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能夠靈活適應不同的分析需求，無論是對于電路級別的全局失效分析，還是局部器件的特性測試，Nano-probe都能提供可靠的技術支持。工程師可以根據失效分析的具體需求，選擇不同的測試方法和策略，充分發(fā)揮Nano-probe的靈活性和多樣化功能。

4. 結合其他分析技術的應用

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

（1）FIB（聚焦離子束）

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

（2）TEM（透射電子顯微鏡）

通過TEM技術，工程師能夠獲得芯片材料結構的詳細信息，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的基礎上提供了電氣特性測試，使工程師能夠同時了解物理結構和電氣特性。

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

這些技術能夠幫助工程師找到失效區(qū)域中的發(fā)光或熱異常點，而Nano-probe則可以進一步測試這些異常點的電氣特性，驗證其是否為失效的主要原因。

5. 應用實例分析

例如，在16nm制程的網絡產品失效分析案例中，Nano-probe幫助工程師將芯片逐層去除至M0OD/M0PO層，并發(fā)現bit區(qū)域的NMOS gate存在漏電問題，最終通過FIB和TEM進一步確認了工藝質量問題。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鍵。

在14nm通信產品的失效分析中，Nano-probe通過對特定信號鏈路的電氣特性測試，發(fā)現了器件Idsat異常，幫助工程師定位到了失效的根本原因，并推動了工藝管控的改進。

6. 未來的發(fā)展方向

隨著半導體工藝的不斷進步，器件結構越來越復雜，晶體管尺寸越來越小，失效分析的難度也不斷增加。Nano-probe技術未來的發(fā)展方向主要集中在以下幾個方面：

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

自動化程度提高：隨著人工智能技術的發(fā)展，Nano-probe設備將逐漸實現更高的自動化水平，減少人為干預，提高分析效率。

多功能集成：未來的Nano-probe設備將與更多的分析技術集成，例如與X射線分析、超聲波分析等結合，進一步提高分析的全面性和準確性。

老虎說芯的芯片通識課：通俗理解半導體行業(yè)基礎知識（入門或轉行必備）

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