集成电路制造工艺- 半导体器件失效分析之失效定位技术

半导体器件和电路制造技术飞速发展，器件特征尺寸不断下降，而集成度不断上升。这两方面的变化都给失效缺陷定位和失效机理的分析带来巨大的挑战。由于集成电路的高集成度，每芯片的元件数高达几十万到几千万，甚至上亿。找到失效部位并进行该部位的失效机理分析是一项十分困难的任务，必须发展失效定位技术。失效定位技术包括电测技术、无损失效分析技术、信号寻迹技术、二次效应技术、样品制备技术。

电测试的主要目的是重现失效现象、确定器件的失效模式和大致的失效部位。电测可分为连接性测试、参数测试和功能测试，所用仪器包括万用表、图示仪和IC自动测试系统。

信号寻迹技术主要用于芯片级失效定位，采用该技术必须打开封装，暴露芯片，对芯片进行电激励，使其处于工作状态，然后对芯片内部节点进行电压和波形测试，通过比较好坏芯片的电压或波形进行失效定位，也可对测试波形与正常样品的波形进行比较。信号寻迹技术主要采用机械探针和电子束探针（电子束测试系统）。

现代失效分析实验室常用的失效定位技术，多为二次效应失效定位技术，对芯片上短路、高阻或漏电部位引起的发热点或发光点进行检测并确定失效部位，该类技术主要包括芯片级的热、光子及电子（electrical）相关的技术，常用的有光发射显微技术（EMMI/XIVA）、OBIRCH/TIVA、液晶热点检测等，是保证现代IC失效分析成功率的关键所在，也是本节的重点。同时，为Sub-IClevel，具体线路或更进一步的晶体管层面的失效定位技术，如电压衬度定位技术和纳米探针定位技术提供了有针对的方向。在成功的失效定位基础上，展开有针对性后续破坏性分析，利用SEM、FIB、TEM等判断该处的失效原因，如介质中针孔或金属电迁移等。

14.2.3.1热点检测失效定位

热点是芯片最容易失效的部位，也是芯片最常见的失效模式之一。热点检测是芯片级失效定位的有效手段。报道的热点检测技术有红外显微分析，液晶检测技术和FluorescentMicrothermalImaging。

1、红外显微分析

红外显微镜采用近红外（波长在0.75～3μm）辐射源做光源，并用红外变像管（photovoltaictypedetectorthatissensitiveintheIRwavelengths）成像的红外显微镜分析技术。红外显微分析测量温度的原理是被测物体发射的辐射能的强度峰值所对应的波长与温度有关，用红外探头逐点测量物体表面各单元发射的辐射能峰值的波长，通过计算机换算成各点的温度值。新型红外显微分析或称红外热像仪，采用同时测量样品表面各点温度的方式来实现温度分布的探测。

显微红外热像仪利用显微镜技术将发自样品表面各点的热辐射（远红外区）汇聚至红外焦平面阵列检测器，并变换成多路点信号，再由显示器形成伪彩色的图像，根据图像的颜色分布来显示样品各点的温度分布。锗、硅等半导体材料（包括薄的金属层）对近红外辐射基本是透明的，利用红外显微镜可直接观察半导体器件和集成电路的金属化缺陷、位错和PN结表面缺陷、芯片裂纹以及利用反射红外光观察芯片与管座的焊接情况。随着倒置封装技术的发展，为红外显微镜的背面缺陷定位提供了新的舞台。红外显微系统对多器件封装、线路板、芯片封装等能通过微小面积高精度非接触测温定位，但对空间分辨率要求不高的失效模式特别有用。

红外显微分析的最大优点就在于它与被检测器件不需要物理接触，对器件也不存在负载的影响，而且应用简便、快速，在通常条件下，被测器件无须通电。但其最佳空间分辨率约5μm，对小尺寸深亚微米技术芯片级失效分析，其精准度受限于空间分辨率，不能满足芯片失效定位的需求。

2、液晶检测技术

液晶在一百多年前就有记载，是一种既具有液体的流动性，又具有晶体各向异性的物质，其较各向同性的液体有序，相对于固态晶体，液晶分子内部及分子间具有较高的流动性。在芯片失效分析中常用的液晶在常温下呈向列相（nematicphase），液晶分子沿一定的优先方向排列。当它受热而温度高于某一临界温度Tc（相变温度）时，液晶分子呈各向同性排列，变成各向同性的液体，而且相变是可逆的。利用液晶的这一特点，可以在正交偏振光下观察液晶的相变点而检测热点。

实验时，把约5～7μm的液晶，用注射器针头（syringeneedle）或剪成尖角的滤纸（microwipetissue）将液晶均匀地涂在清洁的芯片表面（正交偏振光显微镜下呈彩虹色），然后把芯片粘贴在样品台上并加偏置。这时应控制样品台的温度，使芯片的温度低于临界温度并接近临界温度（只要缺陷的温度稍微增加就会超过临界温度），再施加合理的偏置条件以激励失效部位。有的文献报道，除了样品台加热外，也使用另外的照明系统以到达非常高的温度敏感性（temperaturesensitivity），如图14.5所示。液晶失效定位时，除了上述装置和设定，为了提高液晶检测的灵敏度，常加一低频脉冲偏置，脉冲电流使正交偏光下观察到的液晶相变点呈现闪烁（blinkingeffect）效果，脉冲波的占空比（dutycycle）起到控制每一周期的热能（heating）和闪烁点（热点）大小的作用。

液晶定位技术是0.35μm及以上制程十分有效的失效定位手法，广泛用于静电损伤失效（electrostaticdischargefailures）、栅氧化层与时间相关的介质击穿（TDDB）、晶频（MetalWhiskers）和工艺引起的短路漏电流增大甚至断路等失效。

液晶热点检测技术是一种快速、便宜的分析方法。除了芯片表面清洁外，不需复杂的样品制备。空间分辨率和热分辨率较高，目前已分别达到1μm和3μW，但是液晶热点检测技术是正面失效定位方法。随着IC朝深亚微米尺寸发展，器件工作电压不断下降，金属互连层增加到8～9层，甚至10层，引起芯片失效的热点的能量越来越小，底层金属或前段制程缺陷产生的热点也变得微弱，经过多层金属的热扩散，到达芯片表面的热点常低于液晶的检测灵敏度，使液晶检测技术在深亚微米制程失效分析中的应用受到限制。另外，引起失效的热点不能太靠近大电流处（largesourcesofheat），因为高能耗热点会掩盖真正的缺陷引起的热点。液晶检测技术对CMOS器件较为敏感，TTL器件因其能耗较大，液晶检测技术的应用受到限制。

14.2.3.2电子束相关技术1．光发射显微技术

半导体器件和电路制造技术飞速发展，器件特征尺寸不断下降，而集成度不断上升。这两方面的变化都给失效缺陷定位和失效机理的分析带来巨大的挑战。而光发射显微技术（PEM）作为一种新型的高分辨率微观缺陷定位技术，能够迅速准确地进行芯片级失效缺陷定位，因而在器件失效分析中得到广泛使用。典型PEM系统如图14.6所示，由光学显微镜、光子探测系统和图像信息处理系统组成。当通电工作状态下的MOS器件发生介质击穿、热载流子注入、PN结反向漏电以及CMOS电路发生闩锁效应时，因电子空穴对复合能产生微光。这些光子流通过收集和光增益放大，再经过CCD光电转换和图像处理，得到一张发光像，将发光像和器件表面的光学反射像叠加，就能对失效点和缺陷进行定位。常见的正面光反射（frontsidePEM）指光子透过相对透明的介质层，通过金属布线间介质层或沿着金属布线从芯片正面出射。如果使用红外或近红外光作为反射像的光源，由于硅对红外、近红外波段的透明性，可以倒扣放置芯片，使光源从芯片背面入射获得反射像。而发光像从背面出射，避免芯片正面多层金属布线结构的吸收和反射，从而可以实现从芯片背面进行失效点定位（backsidePEM）。

微光探头是PEM系统核心部件，是系统探测灵敏度的决定因素。

在深亚微米技术领域，随着设计规则（designrule）及工作电压（supplyvoltage）的逐渐减小，微弱或小尺寸的缺陷亦能引起器件失效，使失效定位面临越来越大的挑战。PEM系统的探测灵敏度成为成功定位的关键参数。遗憾的是，到目前为止，还没有效的定量评估PEM系统探测灵敏度的方法。

PEM探测灵敏度取决于波长、微光探头灵敏度、光学系统的精准度及噪声（常指系统本身固有的寄生热噪音）等。图14.7为三种代表性商用微光探头：CCD、MCT和InGaAs探头量子效率同波长关系图。

Si-CCD是商用PEM系统传统的微光探头，工作原理是Si的光子吸收作用，同光的透明性是互补效应。由于硅对红外、近红外波段的透明性，Si-CCD探头本身并不适合背面分析，其量子效率（quantumefficiency）在波长1100nm以外急剧衰减，因此Si-CCD探头主要适用于波长为400～1100nm可见光波段及近红外光波段的光子探测。

深亚微米技术领域，随着物理尺寸和工作电压的逐渐减小，失效点在电应力作用下产生的载流子跃迁导致光辐射，其相应的波长往往在近红外甚至远红外波段。重掺杂的衬底引起的窄禁带效应及其对自由载离子的吸收，进一步减弱光子的传输。在此情况下，CCD探头原本覆盖的一小部分近红外波段，又被进一步衰减。因此，现代的PEM系统，除了传统的Si-CCD探头，常配备另一宽禁带宽度的MCT（HgCdTe，cadmiummercurytelluride）或InGaAs探头，组成双探头系统，这个系统在侦测传统的光电子发射失效上灵敏度更高，覆盖光谱从CCD探头的可见光区域延伸到2100nm波长的红外波，这样也可以用来探测某些具有欧姆特性的缺陷。现代光辐射显微镜的最小电流探测能力可达1nA，空间分辨率约1μm。随着MCT和InGaAs探头的发展和推广，背面PEM分析和某些具有欧姆特性的失效定位已经成为可能。

PEM在IC失效分析中的应用包括以下几方面。

1）PEM用于缺陷检测

Shade把器件失效情况和发光情况的联系分为四类，如表14.1所示。

2）PEM用于定位热载流子引起的失效

热载流子是MOS管漏端附近在强电场作用下具有很高能量的导带电子或价带空穴，热载流子可以通过多种机制注入MOS管的栅氧化层中，主要有沟道热电子在漏端附近发生碰撞电离获得足够的垂直方向上的动量而进入到栅氧化层的沟道热电子注入以及漏端附近碰撞离化和雪崩倍增产生的热电子和热空穴注入的漏雪崩热载流子注入。注入栅氧化层的热载流子可以在氧化层中产生陷阱电荷，在器件的硅-二氧化硅界面产电界面态，从而导致器件性能退化，如阈值电压的漂移、跨导和驱动电流能力下降、亚阈值电流增加。工作在饱和区的MOSFET热载流子发光机制，主要有热载流子对漏区电离杂质的库仑场中的轫致辐射和电子与空穴的复合发光或以上两种机制的综合。利用PEM，可以对热载流子注入区域定位，研究热载流子注入和发光机制，分析器件失效原因。正常偏置条件下（饱和区）发光像和反射像叠加。可以观察到发光点，表示对栅和漏端发生了异常热载流子注入。

PEM方法快速、简便而有效，具有准确、直观和重复再现的优点。正面PEM分析，除了暴露芯片表面外，无须特别样品制备。在合理的偏置条件下，对样品没有破坏性，不需真空环境，可以方便地施加各种静态或动态的电应力等。但随着芯片正面多层金属布线结构对电致光辐射的吸收和反射，正面PEM定位的成功率急剧下降，如埋层PN结、漏电失效点位于大块金属下方等。在深亚微米技术时代，绝大多数产品级的PEM定位需要背面分析，使样品制备，即暴露芯片背面但保持样品电学性能完整性成为不可或缺的一个环节，PEM定位不再快速、简便。倒置封装器件，背面PEM定位成为唯一的选择。此外，PEM分析时，被测器件或失效线路常需处于失效状态时的激励状态，对复杂的产品级失效，分析实验室探针测试较难完全模拟器件失效状态。此外，欧姆特性短路、金属互连短路、表面反型层和扩散电阻等缺陷产生的光辐射波长不在可见光波范畴或信号太弱。最后，PEM探测的发光点并不一定是真正的失效点，而是一些结构由于所加偏置条件或设计等引起。此外，器件的功能异常使芯片内部某些节点处于特定的导致发光状态，在此情况下，发光点同失效点不一定重合，对后续破坏性物理分析的成功增加了很大的挑战性。分析时不仅要观察发光点处有无异常，还要有针对性地了解与亮点相关的内部线路，比如前级线路输出异常，导致后级线路的输入电平异常，使晶体管处于饱和状态而产生亮点。有鉴于此，在相同偏置条件下，好坏样品发光点比对，是光辐射显微技术定位的一个判断有效亮点的原则之一。常见无效亮点产生情况（即artifacts）有：饱和状态下的双极型晶体管（Saturatedbipolartransistors），模拟电路中饱和状态下的金属场效应晶体管（MOSFETsSaturatedanalogMOSFETs），二极管处于正向导通状态（Forwardbiaseddiodes）。

2．电压衬度（voltagecontractPVC）

电压衬度是以SEM的电子束或FIB的离子束作为探针的定位技术，对不可见缺陷能够实现地址的准确定位，缩短失效分析的时间，是集成电路失效分析实验室应用最广泛的非接触式检测样品内部节点表面电势的技术。该方法已广泛应用于集成电路内部线路或晶体管层次的失效定位，尤其在深亚微米技术领域。PVC是扫描电镜的一项基本应用，也是另外一种有效的失效分析工具，结合离子束切割技术，对集成电路进行失效分析。

VoltageContract利用SEM的电子束或FIB的离子束与固体样品相互作用后产生的二次电子受样品表面电势高低影响，来调制样品表面二次电子的发射，将样品表面形貌衬度和电压衬度叠加在一起，产生明暗对比比较明显的衬度像的一种技术。将它与集成电路电学特性结合起来，根据电路中金属互联层和半导体器件单元上的不同电势，能够对半导体芯片进行失效地址定位和失效机制分析。被动电压衬度PVC是利用SEM电子束或FIB的离子束为探针，不同于常规外加偏置，故称为被动电压衬度。有关PVC、SEM和FIB的原理、在IC失效分析中的应用将在微分析技术章节加以详细介绍。

14.2.3.3扫描光学显微方法

扫描光学显微方法（ScanningOpticalMicroscopy，SOM）是IC失效定位另一种常用及有效的方法，业界因设备制造商的不同，同一类型的设备有不同的名称，但其基本原理是共通的，这些技术利用波长为1064nm或1340nm的雷射扫描芯片正面或背面。1064nm的雷射激发出电子-空穴对，常称为光束诱发电压调变（LightInducedVoltageAlternation，LIVA）；1340nm的雷射激发的能量，则被芯片以热的形式吸收，被吸收的能量引起被扫描处特征阻值的变化，常称为光速诱发电阻变化（InfraredOpticalBeamInducedResistanceChange，OBIRCH）。

1．LIVA

当波长为1064nm雷射扫描并照射IC表面时，因其波长比硅的禁带宽度（1100nm）略低，其光子能量略大于硅的带隙，发生本征吸收，价带电子将被激发至导带，同时在价带中形成空穴，在芯片中激发出电子-空穴对，非平衡的电子和空穴可越过禁带发生辐射复合或通过禁带中的局域态发生辐射复合，并形成非平衡的电流，绘出影像。雷射照射在缺陷处可产生高于常态3～4个数量级的LIVA光子流，此法是给定电流，量测相应的电压调变，较适合来做有PN接面特性的定位。如连接到PN结的金属互连开路和某些缺陷本身能增强电子-空穴对复合，产生较强的LIVA信号。LIVA定位技术灵敏度高，空间分辨率可达＜0.75μm，样品制备简单，同PEM类似。但因为芯片级产品的复杂性，虽然LIVA影像/亮点表示该处存在高于周边的电子-空穴复合产生的光子流，真正引起失效的位置和LIVA亮点不一定吻合，失效分析员对所分析产品的设计和版图及物理原理均要有足够的了解。

2．OBIRCH/XIVA

新型的发光显微镜配有OBIRCH新功能。图14.8是OBIRCH的原理图，利用波长为1340nm的雷射扫描芯片的正面或背面，检测器件电压/阻值或者电流的变化；雷射激发的能量以热的形式被芯片特征吸收，引起温度变化，温度变化又间接引起特征阻值的变化。如果特征阻值的改变引起整个器件的电压、阻抗或电流变化，这个变化在电学上容易检测得到，所以雷射注入技术探测的重点区域是要在这个区域有阻抗的变化。如果互连线中存在缺陷或者空洞，这些区域附近的热量传导不同于其他的完整区域，将引起局部温度变化，从而引起电阻值改变ΔR，如果对互连线施加恒定电压，则表现为电流变化ΔI=（ΔR/V）I2，通过此关系，将热引起的电阻变化和电流变化联系起来。将电流变化的大小与所成像的像素亮度对应，像素的位置和电流发生变化时雷射扫描到的位置相对应。这样，就可以产生OBIRCH像来定位缺陷。

OBIRCH等雷射技术利用红外波段波长1.3μm的雷射扫描芯片的正面或背面，因Si衬底对红外波段光的透明性，不会在Si衬底激发出电子-空穴对。雷射激发的能量以热的形式被芯片特征吸收，被吸收的能量引起特征阻值的变化。因此，常用于后段金属互连线的短路、开路、金属层间接触孔的接触不良引起的阻值飘高等失效问题的诊断，是一个非常实用的手段。对铜制程产品金属互连线的短路，虽然有定位不如铝制程准确的报道，但对通孔接触不良相关失效定位仍然非常有效实用。OBIRCH等雷射技术也可以用于制程前段器件欧姆特性失效模式的问题，如ESD测试失效，ESD保护电路中的器件常常损伤严重，IV曲线呈欧姆特性，OBIRCH技术常被用来定位这一类失效。

同PEM和其他定位技术一样，OBIRCH也存在局限性，如：

（1）大部分OBIRCH等雷射技术系统只适用于DC静态失效分析，引起失效的缺陷如果不和电源或地相连，如信号（signal），OBIRCH分析时所加偏置不易激励失效线路。

（2）芯片正面多层金属布线结构，特别是大尺寸金属互连线，对OBIRCH探测的热点有热耗散（heatdissipation）作用，降低探测灵敏度。

（4）同PEM类似，OBIRCH探测的热点，不一定是真正的失效位置，而是一些结构由于所加偏置条件或设计等引起。作为产品级失效定位手段时，在相同偏置条件下，建议通过好坏样品相比较，从中找出有效热点，找到失效机理。

3．OBIRCH/XIVA案例分析

（1）OBIRCH/XIVA用于探测漏电通路

OBIRCH常用于芯片内部高阻抗及低阻抗分析。线路漏电路径分析。利用OBIRCH方法，可以有效地对电路中缺陷定位，如金属互连线条中的空洞、通孔下的空洞，通孔底部高阻区等；也能有效地检测短路或漏电，是发光显微技术的有力补充。某一电路系统失效，由于系统复杂，其他方法未能确认出失效原因，利用OBIRCH方法找到了失效机理。图14.9是某一电路系统局部的OBIRCH图。图14.9（a）是OBIRCH定位到芯片内部某一电路系统失效位置，箭头所指的红、绿点表示芯片内部在这块区域出现高阻抗和低阻抗；绿线条表示芯片内部某一电路系统通电流路径，晶片內部线路漏电路径分析图。OBIRCH分析偏置条件为电压=0.51V，电流=2.72mA。图14.9（b）是OBIRCH定位到芯片内部某一电路系统失效位置，箭头所指表示芯片内部在这块区域出现高阻抗和低阻抗；晶片內高阻抗及低阻抗分析。OBIRCH分析测试条件为电压0.10V，电流0.408mA。

（2）OBIRCH雷射注入技术在90nm制程失效分析中的运用。

以Si-CCD探头为代表的光反射显微镜不能用来探测短路、欧姆特性的缺陷；进入到0.35μm～0.18μm铝互连制程，由于工作电压降低，图形的密度越来越高以及功耗的减少，液晶技术对欧姆特性的缺陷应用已经变得不再有效，OBIRCH/XIVA等雷射技术对先进的铝互连的欧姆特性缺陷变得非常普遍，也可以探测到接触不良的缺陷。图14.10是日本HAMAMATSU公司的PHEMOS1000型EMMI/OBIRCH机台。

（3）接触孔缺陷类型的案例

对于金属层之间的接触孔缺陷类型的失效，这种失效常常表现为由于缺陷引起测试结构的阻值偏高，但又没有断开；对于0.35μm～0.18μm铝互连制程中的这类缺陷，OBIRCH雷射侦测技术一直都非常实用；进入铜互连技术制程后，OBIRCH雷射侦测技术对这类缺陷的诊断同样实用。

下面是一个失效的ViaChain结构，由1200个Via与上下层小段铜金属线组成链状的导线，结构的阻值比正常的高出10倍左右；正常阻值为0～10Ohm/Via范围，该失效结构测得的阻值为100Ohm/Via左右。

图14.11是OBIRCH侦测到的热点，测试条件为电压1V，测得电流15μA，热点在结构图形的边缘位置；同样，根据OBIRCH探测到热点位置，利用FIB和TEM机台的物理分析手段找到引起ViaChain结构的阻值偏高的原因。

图14.12给出了在OBIRCH热点区域处找到的缺陷，其中：图14.12（a）热点位置的TEM图片，下层铜金属与Via的界面处缺陷很明显，连接不良；下层铜的保护层氮化硅也有破洞；图14.12（b）放大的TEM图片，更清楚地看出Via与下层铜的界面接触不好。

（4）芯片IO（输入输出）ESD保护电路失效案例

对于芯片失效分析，器件失效常常采用背面的PEM来诊断失效点；但并不是所有的器件失效都能通过PEM（CCD）来诊断出失效的位置；当器件失效表现为欧姆特性时，也常常利用背面的OBIRCH雷射技术或PEM（MCT）来诊断，前面已经叙述PEM（MCT）在前段器件失效的应用；这里介绍OBIRCH雷射技术应用在90nm芯片器件失效的例子。下面的案例是我们公司自己设计的90nmIO芯片，在评估ESD保护电路测试时失效，表现为Pin2在ESDHBM（人体模式）在2.5kV时漏电流超标失效，规范要求4kV以上；图14.13显示OBIRCH雷射技术诊断出的失效位置，热点在Pin2自身的ESD保护电路内；根据热点的位置，按照PFA程序，最后发现在热点区域，ESD的保护电路烧毁，两个PN二极管之间横向交界处击穿，GuardRing都被烧毁（见图14.14）。

4．小结

OBIRCH等雷射技术常用于后段金属互连线的短路，金属层间接触孔的接触不良引起的阻值高等失效问题的诊断；在之前的铝互连技术制程中，这种诊断技术非常成熟，非常实用，特别是针对金属层间接触孔类的缺陷诊断；在铜互连技术制程中，从实验中看出，对于同层金属互连线的短路，采用OBIRCH等雷射技术诊断不是很有效，对于真正失效点的探测不够精确，但OBIRCH对于金属层间接触孔类的缺陷还是一个非常好用的手段。OBIRCH等雷射技术也可以用于制程前段器件欧姆特性失效模式的问题，如ESD测试失效，ESD保护电路中的器件常常伤得很严重，呈欧姆特性，OBIRCH雷射技术常被用来定位这一类失效。

14.2.3.4纳米探针技术

随着半导体制程的不断发展，越来越多造成器件失效的原因已经不再是外来的杂质微粒或可见制程缺陷，而是那些不容易被发现的微弱的内在缺陷，如栅氧化层的击穿、衬底缺陷、离子注入计量些微或统计意义上的波动等。传统失效分析方法，如芯片级失效定位加破坏性的逐层剥离、SEM/FIB电压的衬度定位，SEM观察、FIB定点切割，甚至平面TEM分析等，也无法有效找到失效机理，发现失效原因。纳米探针是一种新发展起来的先进的失效分析和探测仪器，通过纳米级别探针测量，可以探测芯片内部微小的结构，使得失效定位迈入了晶体管级。在现代失效分析实验室，纳米探针已成为深亚微米制程的产品级失效分析必备的日常分析手段。

纳米探针的种类按照使用平台来分可以分为基于原子力显微镜（AFM）的原子力探针显微镜和基于扫描电子显微镜（SEM）的扫描电子探针显微镜。

基于原子力显微镜的纳米探针技术，就是在传统的原子力显微镜基础上，添加由多根探针和精密的电学测试机相连接所组成的电学测量系统。它利用原子力显微镜原理获得被检测样品的表面原子级的分辨图像，再通过计算机控制和计算把探针移动到我们所需要测量的位置，根据设定的测试参数获取样品的电学特性参数。

基于原子力显微镜的纳米探针突出的优点是测量程序的自动化和快速的测量速度。由于系统主要是由计算机辅助控制，只需要相应的指令和程序，便可以自动获得所需要的测试结果。但是原子力显微镜对于样品表面的平整度有着很高的要求，这就对样品制备要求严格。原子力显微镜在测量过程中所显示的图像非实时图像，如果存在样品的抖动和偏移就会造成测量位置的偏差。另外基于原子力显微镜的纳米探针造价也非常昂贵，使用成本较高。

另一种纳米探针系统是基于扫描电子显微镜（SEM）。不同于用光学显微镜作为观测设备的传统探针台，它是利用扫描电子显微镜作为观测设备。纳米探针平台使用的探针的针尖尺寸非常微小，通常可以达到50nm，因此可以用来测量非常微小的结构，而传统的探针针尖从0.6μm～几微米不等，通常只能通过铝垫对芯片进行电学测试。

基于扫描电子显微镜的纳米探针系统是把扫描电子显微镜的基座换成了一个由若干探针所构成的探针基座，基座上的探针与外界的电性测试机相连，组成了一个完整的测量系统。探针基座上的探针通过电动马达和压电陶瓷完成粗调和细调。按照对探针操作的自动化程度来分，基于扫描电子显微镜的纳米探针系统又可以分为手动、半自动。手动系统通常由4～6根探针所组成，而半自动系统有多达8根探针，可以完成更为复杂的测试，当然价格也更为昂贵。

图14.15～图14.19分别显示原子力扫描镜原理示意图和探针示意图、基于扫描电子显微镜的ZyvexKZ100SEM纳米探针系统外观及扫描电子显微镜图及其最常见应用：测量SRAM单比特中晶体管特性曲线。基于扫描电子显微镜的纳米探针在失效分析中的实际应用，请参阅本章最后的案例分析三。

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