JP2008145208A - 半導体検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
耐久性が高く、正確な診断の可能な半導体検査装置を提供する。
【解決手段】
複数の探針と、被検体を観察する走査型，透過型等の電子顕微鏡を有し、探針を被検体に接触させて半導体装置等の微小部の電気測定を行う半導体検査装置であって、探針は、少なくとも基体と、基体に固定されたカーボンナノチューブと、金属伝導性の表面膜とを有し、表面膜は炭素と結合する第一の金属層と、導電性の高い第二の金属層からなる。第一の金属層の例として、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ、もしくはＳｎ、第二の金属層の例として、金，パラジウム，イリジウム，プラチナが挙げられる。カーボンナノチューブを用いることにより塑性変形を防止するとともに、探針の導通をとりやすくし、半導体装置の性能を向上させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細な半導体の欠陥を検査するための、カーボンナノチューブを用いた探針を有する半導体検査装置に関する。また、探針として使用するカーボンナノチューブの製造方法に関する。

半導体の微細化に伴い、従来の半導体装置は、探針の径を小さくした。その結果、金属の探針の剛性がなくなり、半導体装置に押し付けた際に変形して戻らない（探針の塑性変形）ため、長期間の繰り返し使用できないという問題があった。

特開２００１−１８５５９３号公報

この問題はヤング率の大きい材料、特にカーボンナノチューブを使用することにより、曲げに対する復元力を持たせることで解決できた。カーボンナノチューブそのものを探針とすると、被検体（主に金属）との接触抵抗が大きく、導通が取りにくい。従ってカーボンナノチューブの導通を得るため、金の薄膜をカーボンナノチューブ上に蒸着すると、密着性がなく、膜はがれ等が生じやすいので耐久性に問題がある。また、粒子が密集して付着したような形状の膜となる。その結果、膜の厚さが厚くなり、表面凹凸が形成されるため、膜の厚さ及び探針の直径を制御することが困難であり、ピッチの小さい試料の測定の際に他の探針と接触しやすくなるという問題がある。また、粒子間での導電性が無くなるので、導通の不良や、電流値のばらつきが生じる場合がある。

従って、本発明の目的は、上記課題を解決したカーボンナノチューブを探針とした半導体検査装置を提供することにある。

本発明の半導体検査装置は、複数の探針と、被検体を観察する走査型，透過型等の電子顕微鏡を有し、探針を被検体に接触させて半導体装置等の微小部の電気測定を行う。探針は、少なくとも基体と、基体に固定されたカーボンナノチューブと、金属伝導性の表面膜とを有する。

上記課題を解決する本発明は、カーボンナノチューブ表面に第一の金属層（Ｔｉ等）と、第一の金属層上に形成された導電性の第二の金属層（Ａｕ層）を有することを特徴とする半導体検査装置用の探針にある。

第一の金属層は、第二の金属層とカーボンナノチューブのいずれとも濡れ性がよく、膜としての密着性が得られるものである必要がある。特に炭素との化合物（カーバイド）を高温で形成する金属化合物は、炭素との密着性がよく好ましい。また、第二の金属層に溶解度を持つ金属（固溶化可能な金属）であると好ましい。第一の金属層には導電性はなくともよい。第一の金属層の例として、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ、もしくはＳｎが挙げられる。なお、これらの金属の合金でもよい。

第一の金属層を設けることにより、金のようなカーボンナノチューブと密着性の良くない金属の表面膜を形成して探針を製造可能である。さらに、カーバイドの形成により、カーボンナノチューブ表面の凹凸を平滑化できる。その上に表面膜を形成することにより、導電膜の膜厚を制御できる。第一の金属層の厚さは被検体である半導体装置の凹凸構造にもよるが、２.５〜５ｎｍ がよい。これよりも薄いと、表面にカーボンナノチューブの凹凸が露出する場合がある。これよりも厚いと、探針が太くなり、微細な試料に対応することが難しくなる。

探針の太さは第二の金属層を含め、直径４５ｎｍ以下であることが好ましい。

第一の金属層は、蒸着法，スパッタ法により形成できる。特にＹＡＧレーザーをターゲットとなる金属に照射（レーザアブレーション）し、その時に発生する分子ビームによってカーボンナノチューブに金属膜を蒸着すると、金属の蒸気化粒子が小さいため均一性の高い膜ができ好ましい。

第二の金属層は、第一の金属層上に形成され、導電性に優れる金属である必要がある。抵抗が大きくなりすぎると、半導体装置の検査時に配線の抵抗の変化を認識できなくなるためである。１.５×１０⁷ジーメンス／ｍ（ジーメンス／ｍ＝１／Ω）以上の導電率を持つ金属膜がよい。特にＡｕよりなる膜が好ましいが、厚みを持たせることにより導電率が不十分な金属を使用可能であるため、Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒやこれらを含む合金膜を使用可能である。合金は、融点が低く好ましい。ただし、合金化すると導電性が下がり、膜中に成分のムラが生じる可能性がある点で、担体の方が好ましい。第二の金属層は、第一の金属層と同様の方法により形成できる。

本発明の効果は、カーボンナノチューブを用いることにより塑性変形を防止するとともに、探針の導電をとりやすくし、半導体装置の性能を向上させるものである。さらに、上記構成によれば、探針に均一性の高い導電性の第二の金属層を形成することができ、また膜厚を精度よく制御可能であるため、半導体装置の加工ピッチが小さくとも検査の可能な半導体検査装置が提供可能である。

以下、上記本発明の半導体検査装置について、さらに詳細を説明する。

図１は半導体検査装置の電子顕微鏡機構内に設けられる各部の構成例である。被検体の電気的性質を確認する探針と、前記探針の位置を制御する探針制御装置と、半導体特性評価装置を設けられている。半導体特性評価装置は、前記探針に電圧を印加し通電させる電源や、前記探針に流れる電流を計測する計測器等を有する。

探針は基体と、基体上に固定されたカーボンナノチューブと、導電性の表面膜とよりなる（図２）。基体は硬度の高い金属針を使用できる。導電性の高い表面膜を使用するため、基体の電気伝導性は不要である。

カーボンナノチューブは基体に接合材で固定される。接合材は接合強度の高いＡｕ，
Ｐｔ，Ｗ等の金属がよい。特に、金は耐衝撃性が高く、タングステンは接着強度が高いので好ましい。また、これらの金属を混合・併用したり、または接着範囲の一部ずつを異材で接着してもよい。

第一及び第二の金属層は、基体，カーボンナノチューブ，カーボンナノチューブの接合部を含め全体に蒸着又はスパッタで形成することが好ましい。蒸着・スパッタによる成膜の際、第一，第二の金属層のターゲットを一度に真空試料室内に配置することが好ましい。この方法によれば、ターゲットの出し入れがないため、真空資料室の真空を破る必要がない。従って、複数種類の金属層を形成する際、大気開放による第一の金属層へのガス吸着による第二の金属層の密着性が衰える問題がなく好ましい。

特に金属層はレーザアブレーションにより形成することが好ましい（図３）。レーザアブレーションによってターゲットより発生する金属蒸気は、扇状に広がり、カーボンナノチューブ全体を覆う形でカーボンナノチューブ表面に金属が成膜される。また、生じる蒸着粒子が細かく、凹凸が生じにくい。従って、探針全体の均一な膜を得ることができる。また、スパッタよりも穏やかな条件で金属が堆積するため、カーボンナノチューブのダメージが少ない。スパッタを使用するとプラズマが発生するため、カーボンナノチューブへの影響がある。また加熱による蒸着では、蒸着粒子の大きさが大きく、成膜されたカーボンナノチューブの表面に粒子の凹凸ができる。

第一及び第二の薄膜の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。それ以上の膜厚では、カーボンナノチューブの弾力性が活用できず、曲がっても元の状態に戻るという効果が得られなくなるためである。

第一及び第二の薄膜の厚さは、膜を形成する際の蒸着等の時間や、レーザー等のエネルギーを変更することで調整可能である。第二の金属層の厚さは、５〜１０ｎｍであることが好ましい。膜が薄いと抵抗が大きく、膜が厚すぎると、探針を試料に接触させた際に塑性変形が発生しやすくなる。

本発明によれば、膜の厚さの制御が正確になるため、検査装置に使用される複数の探針の特性をほぼ同一のものとすることができる。その結果、正確に金属配線等の伝導特性を評価でき、高性能の半導体検査装置を提供可能である。

（カーボンナノチューブ被覆方法）
タングステンの基体の上にカーボンナノチューブを固定した探針について説明する。基体の先端にカーボンナノチューブを接合し探針とした。本実施例では基体をタングステン製とした。また、接合材としてタングステン金属を用いた。タングステン金属の接合材は、Ｗ(ＣＯ)₆もしくはＷＦ₆を電子線で分解し、カーボンナノチューブと基体とを固定する位置に析出させることが可能である。カーボンナノチューブは、基体から先端部が突き出すように固定した。

接合材の上から第一，第二の金属層を形成した。第一の金属層はチタン、第二の金属層は金とした。金属層の成膜には、蒸着（レーザアブレーション）装置を使用した。金属層の製法は、以下のとおりである。探針と、金属層の原料となるチタンのターゲット及び金のターゲットを真空試料室に設置した。カーボンナノチューブサンプルは金属ターゲットから４０mm離した位置に設けられた試料台上に静置した。真空試料室の真空度を約１×
１０^-5Ｐａとした。真空度を下げてから、ＮｄのＹＡＧパルスレーザー（１０Ｈｚ，レーザーエネルギー：１４０ｍＪ，波長：３５５ｎｍ，パルス継続時間：５ｎｓ）をチタンターゲットに焦点を合わせ照射した。チタンターゲットから金属を蒸発させて、蒸発した金属が放射状に飛散し、飛散方向に設置されたカーボンナノチューブ表面に前記蒸発金属を堆積させた。次に、金のターゲットについて、チタンターゲットと同じ条件でレーザーを照射し、カーボンナノチューブの表面に蒸発金属を堆積させた。

別の探針の例を図４に示す。本実施例は、カーボンナノチューブ（略円柱形状）に、金属層を形成して、探針の先端部の形状を略円錐形状とした例である。半導体装置等の被検体は、測定に使用する接触部が小さい場合、大きい場合がある。大きい接触部を有する被検体を検査する場合には、探針の太い部分までを使用することにより被検体との接触面積を大きくし、探針の低抵抗化を測ることができる。対象となる被検体の接触面積が小さい場合には、先端の先鋭部を使用して測定可能である。

本実施例の探針は、タングステン基材と、基材の先端部の表面にタングステンの接合材により固定されているカーボンナノチューブとよりなる。探針上に第一の金属層としてチタンの層を形成する。上記実施例と同様に蒸着法またはスパッタ法によりほぼ均一な薄膜の形成が可能である。本実施例では、Ｔｉを５ｎｍ膜厚で堆積させた。

第一の金属層の上に、金の第二の金属層を付す。本実施例の特徴は、第二の金属層の基体側の厚さを探針先端部側の厚さより厚くしたことにある。

金の表面膜の成膜には、電子ビーム堆積法を使用する(図５)。電子ビーム堆積法によれば、局所的に金属の堆積する範囲を調節でき、膜の形状を制御して形成することができる。探針を蒸着装置の真空試料室より取り出して、図５に示すＣＶＤ装置に移した。ＣＶＤ装置は、探針を固定する支持装置と、被覆する金属層の材料を供給するガス銃と、金属層の材料を分解する電子線照射装置を有する。支持装置及びガス銃は電子顕微鏡の試料室に設置した。材料の有機金属ガスは、ジメチル−金−ヘキサ−フルオロ−アセチル−アセトネート（Ｍｅ₂Ａｕ(Ａｃａｃ) ）を使用した。

ＳＥＭの中に金の有機ガスを導入し、ガスに電子線を照射した。ガスの量は、試料室の真空度が５×１０^-5Ｐａ以下を維持するよう微量に調整した。電子線照射装置は、走査電子顕微鏡（日立製Ｓ−４３００）を用いた。電子線の照射方法は電子線を走査することなく一点のみに照射し続けるモードとした。電子線により上記のガスを分解させて金をチタン上へ析出させる。電子線の照射時間を変更することにより、部分ごとに厚さを変化させることできる。Ａｕの堆積量は、前記電子ビームの照射時間に比例して大きくなる。本実施例では、ガスにビーム径約１０ｎｍの電子線を照射し、探針の先端部分に約３０秒間分解生成物を堆積させた。探針の先端部分にＡｕを堆積させた後、その堆積部分の隣の位置に約３５秒間、分解された金を堆積させた。先ほどの照射時間より５秒ほど長くすることで堆積量を増加させることができた。同様に、電子ビームの照射時間を、順次５秒ずつ長くして堆積量を増加させカーボンナノチューブ先端より基体側に向かってＡｕの被膜を作成した。

その結果、カーボンナノチューブの先端部を略円錐形状となる。なお、上記のように金の膜を厚くすることにより、断面積が大きくなるためカーボンナノチューブ探針をさらに低抵抗にすることができ好ましい。

図６は、基体に突起部を有するカーボンナノチューブ探針の概略斜視図である。半導体装置等の被検体の表面には、試料室内やサンプルの調整時にゴミ等の不純物が付着する場合がある。そこで、カーボンナノチューブ探針の突起部を被検体に接触させ、図６（ａ）に示す矢印の方向に動かすことによって被検体表面の異物を除去できる。その後カーボンナノチューブ探針の先端部を被検体表面に接触させ、電気抵抗計測を行うことが可能となる（図６（ｂ））。

基材にはタングステンを用いた。タングステン基材の先端部の表面に、カーボンナノチューブがタングステンの接合材により固定されている。タングステンの接合材は、有機金属ガスの電子ビーム照射による分解物の堆積によって作製される。本実施例では、タングステン基材の表面に突起部が形成されている。突起部は接合材と同様の方法でタングステン化合物より得られたタングステンよりなる。突起部は、基材上のカーボンナノチューブが固定されている面と面対象の位置に形成した。基材，カーボンナノチューブ，接合材及び突起部を覆うように金属膜を形成した。

本実施例は、実施例３の変形例である。

図７は、図６と同様に半導体装置等の被検体に付着した異物を取るための探針の概略斜視図である。

実施例４と同様に、基材にはタングステンを用いた。また、カーボンナノチューブは、基材の先端部にタングステンの接合材により固定した。図７の基材の先端部に、カーボンナノチューブが固定されている面と面対称の位置に曲げられた基材突起部を設けた。基材，カーボンナノチューブ，タングステンの接合材，基材突起部を覆うようにして金属膜を形成した。本実施例の探針では、基材突起部を被検体に接触させ図７（ａ）に示す矢印の方向に動かすことによって被検体表面のコンタミ層を除去し、その後カーボンナノチューブ探針の先端部を被検体表面に接触させ、電気抵抗計測を行うことができる（図７(ｂ)）。

（検査装置の例）
上記実施例１で作成した探針を用いて半導体の検査装置を作成した。半導体検査装置は、電子顕微鏡で半導体検査装置のデバイス，配線のパターンを観察し、かつ複数の探針を用いて半導体Ｖ／Ａ特性や、断線を検査する等の電気測定を行う。

本実施例の半導体検査装置は、走査型電子顕微鏡と、電子顕微鏡のチャンバー内に設けられた試料台と、カーボンナノチューブ探針と、３次元的に探針位置を制御する探針制御装置と、探針より得られる半導体の配線断線等の電気情報に基づく情報を得る半導体特性評価装置とを有する。ＳＥＭやＡＦＭなど電子顕微鏡を用いることにより、被検体のナノメートルオーダーの微細な領域の観察や、カーボンナノチューブ探針先端部の観察が可能である。従って、被検体の形状を確認しながら探針を半導体に接触させることができ、特に半導体の加工寸法１μｍ以下等、被検体のサイズが小さいものに対し有効である。

探針制御装置により探針を移動させるため、粗動をさせるための機械駆動装置と、微動をさせるためのピエゾ駆動装置を使用することにより、微細な探針の位置の制御が可能となる。探針を被検体に接触させ、各探針と接続された半導体特性分析装置を用いてトランジスタ特性や配線抵抗を評価する。

本発明の探針はカーボンナノチューブを鋳型とすることでカーボンナノチューブの弾性を用いることができ、探針の曲げても元にもどる性質により長期の検査が可能である。また、カーボンナノチューブを鋳型とすることで、従来の金属を加工して得られる探針よりもアスペクト比が高く、正確に接触部を捉えて検査することができる。

本発明の半導体の検査装置では、大電流を流す場合があり、金属伝導性の表面に電流を流した。カーボンナノチューブの導電性も報告されているが、電気伝導の起源が金属伝導であり、またカーボンナノチューブの伝導機構がいまだ解明されていない点があるため、テンプレートとして用いた。

さらに、カーボンナノチューブに金の薄膜のみを被せた探針では、金の島状粒子形成のため半導体の電極端子上で検査を行う場合に、印加電圧に対し電流値が安定しないという問題があった。本発明の実施例に記載の探針によれば、いずれも表面の金の膜の導電性がよく、複数の探針間の導電率等の特性のばらつきが少なくなるため、探針の伝導特性を考慮せずに再現性よく検査することができる。

半導体検査装置の電子顕微鏡機構内に設けられる各部の構成例である。 探針の構成例である。 レーザアブレーションにより探針を製造する例である。 探針の別の構成例である。 電子ビーム堆積法により探針を製造する例である。 突起部を有する探針の構成例である。 突起部を有する探針の別の構成例である。

符号の説明

１ 探針
２ 探針制御装置
３ 半導体特性評価装置
４ 電子線
５ 被検体
６ 試料台（ステージ）
７ カーボンナノチューブ
８ 第一の金属層
９ 第二の金属層
１０ 基体
１１ 被検体電極
１２ ターゲット
１３ 金属蒸気
１４ レーザー光
１５ ＣＶＤ装置
１６ 電子線照射機構
１７ 金属ガス
１８ ガス銃
１９ 突起部
２０ 異物層
２１ 接合材

Claims (7)

1. 探針と、前記探針を駆動する探針駆動装置と、前記探針に電圧を印加し、通電させる電源と、前記探針に流れる電流を計測する計測器と、を有する半導体検査装置であって、
   被検体または前記探針を観察する電子顕微鏡を有し、
   前記探針は、カーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブを固定する金属性の基体とを有し、前記カーボンナノチューブは炭素との化合物を形成する金属からなる第一の金属層と、金，パラジウム，イリジウム，プラチナからなる表面層とを有することを特徴とする半導体検査装置。
2. 請求項１に記載された半導体検査装置であって、
   前記第一の金属層は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ、もしくはＳｎであることを特徴とする半導体検査装置。
3. 請求項１に記載された半導体検査装置であって、
   前記表面層の厚さが５〜１０ｎｍであることを特徴とする半導体検査装置。
4. 請求項１に記載された半導体検査装置であって、
   前記表面膜の膜厚はカーボンナノチューブの試料側よりも同基体側が厚い膜であることを特徴とする半導体検査装置。
5. 請求項１に記載された半導体検査装置であって、
   前記下地膜の膜厚は２.５〜５ｎｍ であることを特徴とする半導体検査装置。
6. 請求項１に記載された半導体検査装置であって、
   前記基体は突起部を有することを特徴とする半導体検査装置。
7. 請求項６に記載された半導体検査装置であって、前記突起部はタングステンを含有することを特徴とする半導体検査装置。

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