JP2015021746A

JP2015021746A - 自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバ

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Publication number: JP2015021746A
Application number: JP2013147752A
Authority: JP
Inventors: 塩田　隆; Takashi Shioda; 隆塩田; 佳之天野; Yoshiyuki Amano
Original assignee: Wafer Integration; WAFER INTEGRATION Inc
Current assignee: Wafer Integration; WAFER INTEGRATION Inc
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2015-02-02
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: JP5453664B1; TW201504630A; KR20160032027A; US20160245843A1; WO2015008402A1

Abstract

【課題】被測定物の微細領域での測定は、走査型探針顕微鏡画像を作成し、その画像で探針を微細領域へコンタクトさせて行うが、ｐＡ以下の微小電流の測定のため、カンチレバーの変形を検出するセンサー回路をガード電極に流用する。
【解決手段】自己検知型カンチレバーを用い、探針に電流を供給する第１配線と、カンチレバーの変形を検出するセンサー回路用の第２配線について、第２配線を第１配線のガード配線として用いるためのガード電位発生手段と、第２配線を、センサーとして使用する第１期間と、ガード電位に保つ第２期間と、を含む時分割で切換える第２配線切換え手段と、を備える。さらに、第１期間で２次元分布を得た後、第２期間に前記２次元分布基づく所定の位置に上記探針を移動し、第１配線の電流あるいは電圧を測定する。
【選択図】図３

Description

この発明は、高集積半導体デバイスの光学顕微鏡で観察しづらい微細領域に直接探針を当てて電気測定を行うことができる自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバに関するものである。

超微細ルールの製造プロセスによる半導体デバイスの故障解析において、多探針ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）式のナノプローバによる電気測定が普及している。トランジスター動作を通常のＤＣ（直流）測定として行う前に、欠陥位置の絞込みとしてＡＦＭ動作をしながら背面のアースまたは他の電極等に流れる電流像をとることで、電極からのリークなどのデバイス故障が発見される場合がある。しかし、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板など、背面から電流を取り出すことが難しいデバイスも増えてきている。さらに、インラインでのウエーハでの測定では、プロセス状況によっては、背面から電流信号を取ることが難しい場合も多い。この場合は、所定の電極との間の電流像をとる。

光学顕微鏡で観察できなり領域のナノプローバには、ＳＥＭ（操作型電子顕微鏡）で観測しながらプロービングするものと、ＡＦＭの自身の探針で像をとりながらプロービングするものがある。ナノプローバを用いて高集積半導体デバイスの故障解析を行う場合、例えば、サブミクロン以下の露光ルールに微細化した最先端デバイスでは、ＡＦＭ式が有利であると考えられている。これは、ＳＥＭを用いる場合には、電子線損傷によるデバイス特性の劣化や、残留炭化水素による絶縁層の形成などの問題を伴うためである。

通常用いるＡＦＭの探針（プローブ）は、それぞれが独自に移動可能なものである。通常、ＡＦＭの探針は個々にカンチレバーに固定された状態で４本から６本使用され、それぞれが独立にＸＹＺ方向にナノメートル（ｎｍ）の分解能で移動可能である。この移動はカンチレバーを介してピエゾ素子駆動で行われる。また、通常用いられる探針は、先端半径数十ｎｍ（先端デバイス用）であり、その先端で電極に直接コンタクトできる。また、通常、先端から６０度以下の角度の中にＡＦＭに必要な全ての機構が収まる。

従来技術として例えば特許文献１（米国特許第６６６８６２８Ｂ２号明細書）に、ＳＰＭ（Scanning probe microscope：走査型探針顕微鏡）やＡＦＭ(Atomic force microscope：原子間力顕微鏡)などのスキャニングプローブ装置が開示されており、また、複数の探針を所定の構造をもつ一体ものとして、半導体プロセス等で作り込むことが記載される。しかし、先端半導体デバイスの微細化電極間は１００ｎｍ以下に達しており、この距離まで近接した複数の探針もつ構造を作り込むことは不可能に近い。さらに、ＡＦＭのスキャニング（走査）で、この探針先端は摩耗していくため、頻繁に探針を交換する必要があり、この探針は、低コストで製造することが求められる。

上記のように微細半導体デバイスの故障解析を行う場合は、所定のそれぞれの箇所に各探針を当てることが必要である。この場合、数十ｎｍでプローブの位置制御を行う必要があり、光学顕微鏡での観察による位置制御は極めて困難である。このため、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）やＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による画像を用いたプローブの位置制御が行われる。

実際の例として、従来のナノプローバによる電気測定のプロービングの動作画面を図２に示す。ここでは、図２（ａ）の配置から得られる４枚のＡＦＭイメージによりコンタクトを取るべき電極を認識し、プロービングを行う。すなわちＡＦＭイメージングでのｎＮレベルの力での表面観察から、スキャンを止めて、指定の電極に数百ｎＮで探針を押し付ける。しかし、スキャン時の探針と電極の位置関係が、温度変化やピエゾ駆動素子のクリーブ等で変化してしまい、一回で目的のコンタクトをとることは難しい。これを避けるために、通常クローズドループ（Closed loop：閉ループ）と呼ばれる制御を行う。これは、位置センサーとして例えば静電容量をモニターすることで、ピエゾ駆動系のクリーブ等のずれを絶対値として評価フィードバックをかけるものである。しかし、数ｎｍのずれが生じることによって、電気的導通（コンタクト）が変化し、コンタクト抵抗が高くなることが良く起こる。ここで、コンタクトの確認には、例えば、探針からデバイスの電極を通じて試料裏面に流れる電流をモニターし、その電流−電圧特性から確認することができる。通常、この段階でのコンタクト具合の調整には、探針に印加する圧力を変えたり、探針の位置を移動したりする。しかし、実際には、探針は例えば１μｍ以上程度離れた位置にあり、目標である所定の電極までの移動の際にはｎｍオーダーの制御が必要になる。このような移動の際に、上記の様にその探針自身のＡＦＭイメージをもとにする場合があるが、この場合でも、かなり困難な作業である。

ここでコンタクトにおいては、図２の例では、４枚のＡＦＭイメージから相互位置を判断し、それぞれの探針が交差しないようにする事が肝要である。コンタクト時は、力のフィードバックを行わず、スキャン時より２桁程度強い力で探針を電極（ここでは導電性プラグ１８）に押し付ける。この場合、カンチレバーの撓みを含めても数１００ｎＮ程度の力でコンタクトを得ることができ、これはＳＥＭ式のナノプローバに比べて弱い力であり、探針先端部を損傷することが少ない。

従来の多探針ＡＦＭナノプローバの例を図１に示す。この例は、上記のように、複数のプローブを備え、そのプローブを動かして被検査物の所定の部分をスキャンするものである。

また、例えば特許文献２（米国特許第６８８０３８９Ｂ２号明細書）には、ＡＦＭのカンチレバーに取り付けられた複数のスキャニングプローブを用いて、極狭い領域でスキャニングを行う方法とそのためのＳＰＭ装置が開示されている。これは、部分的に重複した領域をスキャンする際に、衝突を避けるように各プローブを制御する制御装置を備えるものである。また、特許文献３（米国特許第６９５１１３０Ｂ２号明細書）には、ＡＦＭのカンチレバーに取り付けられた複数のスキャニングプローブを用いて極狭い領域でスキャニングを行う方法とＳＰＭ装置が開示されている。これは、プローブを動かして所定の領域をスキャンする際にプローブが交叉しそうな場合は、衝突を避けるように一方のプローブをその所定の領域から後退させる制御をする制御装置を備えるものである。また、特許文献４（米国特許第７４４４８５７Ｂ２号明細書）には、それぞれ独自の座標系をもったＡＦＭのカンチレバーに取り付けられた複数のスキャニングプローブを用いてスキャニングを行う、ＳＰＭ装置とそのプローブの制御方法が開示されている。これは、プローブが互いに干渉しないように、その座標系のもとでオフセットを維持してスキャンするものである。

米国特許第６６６８６２８Ｂ２号明細書米国特許第６８８０３８９Ｂ２号明細書米国特許第６９５１１３０Ｂ２号明細書米国特許第７４４４８５７Ｂ２号明細書特開平０６−３００５５７号公報

自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバにおいて、被測定物の微細領域での測定は、その周辺のＳＰＭ（走査型探針顕微鏡）画像を作成し、その画像に基づいて探針を上記微細領域へコンタクトさせて行うが、ｐＡ以下の微小電流を測定するために、カンチレバーの変形を検出するセンサー回路を流用して、カンチレバーにガード電極を設ける。

本発明の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバは、２次元走査が可能な試料ステージに搭載された被測定物の電気的測定を、２次元走査が可能な探針ステージに搭載された探針を用いて行うことが可能で、前記探針に働く力あるいは前記探針に流れる電流を所定の値にするための制御量の２次元分布を得ることができる走査型探針顕微鏡であって、
上記制御量の２次元分布に基づいて決定された位置に上記探針を設定する設定手段と、上記探針と上記被測定物の所定の部位間の電流あるいは電圧を測定する測定手段と、を備える。
上記探針は、カンチレバーの先端部に設けられ、
上記カンチレバーは自己検知型であって、上記探針に電流を供給するための第1配線と、上記カンチレバーの変形を検出するセンサー回路用の第２配線とを備える。
また、上記センサー回路の出力の変化を検出する検出手段と、
第２配線を第１配線のガード配線として用いるためのガード電位発生手段と、
上記第２配線を、センサーとして使用する第１期間と、ガード電位に保つ第２期間と、を含む時分割で使用するように切換える第２配線切換え手段と、を備える。
さらに、第１期間で上記２次元分布を得た後、第２期間に前記２次元分布基づく所定の位置に上記探針を移動し、第1配線の電流あるいは電圧を測定するものである。

上記制御量の２次元分布は、上記試料ステージの走査により得るものである。

上記第２期間に上記２次元分布基づく所定の位置に上記探針を移動する操作は、上記探針ステージの移動によって行われるものである。

上記試料ステージおよび上記探針ステージは、３次元の各々の方向の変位を検出するリニアエンコーダと３次元の各々の方向に駆動する駆動系とを備え、
前記リニアエンコーダと前記駆動系とを用いて、前記リニアエンコーダの特定の位置に留まるように制御する閉ループ制御系を備えるものであって、
上記第２期間においては、少なくとも１つの制御系において閉ループ制御を行うものである。

また、本発明の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバは、上記第1配線の電流あるいは電圧の測定値について、電圧−電流特性が所定の範囲にあるかどうかを判定する判定手段を備え、
上記判定手段による、電圧−電流特性の合格または不合格の判定し、
合格の場合は、測定した電流値あるいは電圧値を出力し、
不合格の場合は、上記探針ステージの移動によって、上記制御量の２次元分布を再度得て、上記再度得た該２次元分布基づく所定の位置に上記探針を移動した後、再度、上記判定手段による、電圧−電流特性の合格または不合格の判定からの手続きを繰り返す測定を行うものである。

同一の被測定物の所定の位置についての上記試料ステージ駆動による２次元分布Ａと上記探針ステージ駆動による２次元分布Ｂとの比較から、上記試料ステージのリニアエンコーダの示す座標値と上記探針ステージのリニアエンコーダの示す座標値との変換係数を決定し、前記変換係数を用いて座標変換する座標変換手段を備え、
上記の、第２期間に前記２次元分布基づく所定の位置に上記探針を移動する操作は、上記座標変換手段を用いて変換した移動値を用いた移動である。

超微細ルールの製造プロセスによる半導体デバイスの故障解析において必要な多探針ナノプローバによる電気測定において、光学顕微鏡の下では困難な針立てを容易に行うことができるようになり、また、漏れ電流の少ない状態で行うことができる。

従来の多探針ＡＦＭナノプローバの例を示す図である。プラグ状電極に探針をコンタクトする場合の例で、（ａ）平面図と、（ｂ）側面図である。本発明の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバの模式図である。カンチレバーの構造例を示す模式図である。本発明の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバのブロック図を示す。本発明の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバを用いた被測定物３の電気的測定の手順を示す図である。（ａ）ＡＦＭイメージによる重複部分をもった２つのマップを示し、（ｂ）その２つのマップから合成しマップを示す図である。探針ステージの駆動軸と、試料ステージの駆動軸との合わせこみを行う際の各駆動軸の関係を示す模式図である。探針先端の受ける損傷を避けるための探針位置の設定手順を示す図である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図３に本発明の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバの模式図を示す。一般に、ＳＰＭの動作モードには、１）コンタクトモード、２）ノンコンタクトモード、３）タッピングモード、４）フォースモード、などがあることが知られている。本発明は、そのいずれの型であっても適用することができる。代表例として図３には、コンタクトモードで動作し、２つのＡＦＭを用いる多探針走査型探針顕微鏡式プローバを用いた例を示す。

被測定物３は、例えば、故障解析を行おうとする半導体チップであり、これは、ステージ２上に置かれる。ステージ２は、その表面と平行に可動であって、定められたＸ軸とＹ軸に沿って駆動部１によって駆動される。被測定物３については、探針４ａ（またはｂ）を備えたカンチレバー５ａ（またはｂ）でＡＦＭイメージがとられ電気的測定が行われる。カンチレバー５ａ（またはｂ）は、カンチレバー駆動部６ａ（またはｂ）で、定められたＸ´、Ｙ´、Ｚ´方向に移動することができる。また、ＡＦＭイメージの取得においては、駆動部１がコンピュータ１０の指示を受けてＸ´Ｙ´面をスキャンする。このスキャンは、ラスタスキャンやスパイラルスキャンでよい。

カンチレバー駆動部６ａ（またはｂ）は、コンピュータ１０からのＸ´Ｙ´面制御とＺ´軸についてはフィードバック（ＦＢ）回路９ａ（またはｂ）からの制御を受ける。Ｚ´軸に関する前記制御は、通常の自己検知型カンチレバーを用いたＡＦＭと同様に行う。つまり、カンチレバーに内蔵されあるいは取り付けられたピエゾ抵抗検出型、静電容量検出型あるいは圧電検出型などのセンサーを用いて、カンチレバーの撓み検出することで原子間力を検知する。図３では、例えばカンチレバーに内蔵されたピエゾ抵抗部１９ａ（またはｂ）の抵抗変化として原子間力を検知し、所定の値になるようにフィードバックをかけるものである。この様なカンチレバー例はその製造方法とともに、例えば特許文献５（特開平０６−３００５５７号公報）に開示されている。

ここで、カンチレバー５ａ、５ｂは、図４に示す構造のもので、シリコン基板から形成されたカンチレバー３２では、支持体３０から伸びるその先端部には探針３１が設けられ、その探針３１からカンチレバー３２の根元方向に配線３６が延び、引出し用電極３５に至る。また、ピエゾ抵抗３３ａは、シリコン基板に設けられた不純物拡散層で形成され、これに電極３４ａ、３４ｂを介して通電するための金属配線３３ｂ、３３ｃが設けられており、上記不純物拡散層と上記金属配線は絶縁膜で分離されるが、一部においてコンタクト窓３７を介して電気的に接続されている。このカンチレバー３２に隣接して、温度補償用のダミー抵抗３８が設けられている。これは、上記カンチレバーに設けられたピエゾ抵抗３３ａと同一のものである。
また、このダミー抵抗あるいはその等価抵抗をさらに２つ用意して計３個とし、上記カンチレバーに設けられたピエゾ抵抗と併せて四辺形の各辺の位置に各々配置してよく知られたブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路を用いて上記カンチレバーに設けられたピエゾ抵抗の抵抗値の変化を検出することで、上記カンチレバーの撓みを検知するようにしてもよい。

図３に示す例では、電圧電流計１７ａは探針４ａと４ｂ間の電圧電流特性を計測するが、それらの探針に接続する配線間の電圧電流特性を計測してもよいことは明らかである。また、電圧電流計１７ｂはカンチレバー５ａの配線と被測定物３に電気的に接続したステージ２間の、それぞれの電圧電流特性を得るための配置としている。

ここで、カンチレバーのピエゾ抵抗１９ｂは、コンピュ−タ１０からの制御を受けた切換部２１によって、電圧フォロア２０の出力あるいはＺ軸フィードバック（ＦＢ）制御装置９ｂの入力と排他的に接続される。上記電圧フォロア２０は、探針４ｂの電位に所定のオフセット電圧を付加した電圧を発生する装置で、オフセット電圧の値は通常はゼロである。

上記ピエゾ抵抗１９ｂが電圧フォロア２０の出力に接続される場合で、オフセット電圧がゼロの場合に、探針４ｂまたはその配線に生じる漏れ電流を抑制することができる。これは、通常のガード電極の働きと同様である。このように漏れ電流の少ない状態で探針４ａと４ｂ間の電圧電流特性を計測することで、正確な測定を行うことができる。

また、上記ピエゾ抵抗１９ｂがＺ´軸フィードバック（ＦＢ）制御装置９ｂの入力に接続される場合は、探針に架かる微弱な力を一定に保ちながらスキャン領域１６をスキャンすることで、よく知られた原子間力顕微鏡として動作させることができる。

従って、原子間力顕微鏡による画像を得た後、切換部２１を切換えることによって、その画像をもとに探針位置を調整することができるので、微細な測定部分を狙って探針を立てて電気的測定を行うことができるようになる。

図５に本発明の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバのブロック図を示す。図５において、試料５３は試料ステージ５２上に置かれ、試料ステージ５２は制御PC６２で制御されるが、クリーブについてはキャパシタンスセンサ５１を用いた閉ループで制御される。
また、カンチレバー５４には、参照回路５６付の力検出回路５５と微小電流測定回路５７が設けられており、力検出機能と微小電流測定機能とは、制御ＰＣ６２で制御されるスイッチ（ＳＷ、切換部）５８で切り替えられる。この例では、上記の、カンチレバー５４、力検出回路５５、微小電流測定回路５７およびスイッチ５８は、探針ステージ５９上に配置される。前記探針ステージ５９にはエンコーダ６０が具備され、探針ステージ５９の位置情報が制御ＰＣ６２に伝送される。上記力検出回路５５や微小電流測定回路５７における電流あるいは電圧の測定は、半導体パラメトリックアナライザー６１で測定し、ガード配線の電位の維持も、この半導体パラメトリックアナライザー６１で行うことができる。前記半導体パラメトリックアナライザー６１の制御は上記制御PC６２から行うことができる。

図３の上記自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバを用いた被測定物３の電気的測定は、例えば図６に示す手順で行う。
１．試料ステージを動かしながら、光学的に位置の確認を行う。これは、試料の置き方による試料ステージとの変位角測定のためである。
２．開始点を設定するために初期位置確認を行う。この際、試料ステージのエンコーダ値をリセットする。
３．光学顕微鏡画像を用い探針ステージを駆動して、プローブの自動針寄せを行う。この場合１ミクロン程度の誤差で針寄せを行うことができる。
ここで、試料ステージの閉ループ制御を開始する。
４．カンチレバーの探針の相互位置を確認する。この確認には、例えばＡＦＭ像を用いる。
５．故障個所へ探針ステージ駆動により移動する。微細半導体デバイスの故障解析を行う場合は、その半導体デバイスのＣＡＤデータを利用して移動方向や移動距離を予め設定することができる。
６．カンチレバーの探針の相互位置を再確認する。この再確認には、例えば上記のＡＦＭ像を用いる。
７．カンチレバーの探針の針寄せを行う。これは、針立てし易い位置にカンチレバーをセットするためである。例えばＡＦＭ像を用いるが、上記のＡＦＭ像を用いることができる状況にあればそれを用いてもよい。
８．針立てをして電気的コンタクトをとり、所定の電圧電流測定を行う。

あるいは、次の様に行ってもよい。
１）複数の探針を所定の距離に離間して配置する。この際、これらが例えば図２（ａ）の所定のスキャン領域１６に入るようにする。これは、アラインメントマークまたはその代用となるＡＦＭイメージをとることで容易に行うことができる。スキャン領域１６が比較的大きなサイズの場合、光学顕微鏡のもとでもこれを行うことができる。ここで、後に述べる理由から、探針間をできるだけ接近して配置することが望ましい。

２）上記可動ステージ２をラスタスキャンして、それぞれの探針による画像について、重なり領域のあるそれぞれのＡＦＭイメージを取得する。ここで、ラスタスキャンの領域サイズは、迅速な測定を行うためには、できるだけ小さい領域であることが望ましいことは明らかであるが、重なり領域を見出せるサイズであることが必要である。例えば、探針４ａ、４ｂを用いて、ＡＦＭイメージである図７（ａ）のマップＡ、マップＢをそれぞれ取得する。ラスタスキャンの場合、探針４ａ、４ｂのスキャン最後の位置が、それぞれのマップＡ、Ｂの端にくるので、それぞれのマップの中心付近に戻しておくことが望ましい。また、外側から内側に向かうスパイラルスキャンを行うと、スキャン最後の位置がスキャン領域のほぼ中央になるので、望ましい。

３）取得したイメージにおける上記重なり領域を見出して、上記探針のそれぞれの位置を読み取る。これは、例えば図７（ａ）の重複部分である。重複部分を見出すことは、マップＡとマップＢの相対位置を少しずつ変えて相関係数を評価し、最大となるところを見出すことで行うことができる。また、この重複部分で連結することによって、図７（ｂ）に示す合成したマップを得ることができる。これは、当然のことながら、スキャン領域よりも広い面積をカバーしている。

上記の試料ステージでの操作の次に、探針ステージでカンチレバーを駆動して、測定しようとする点に探針をたてる。その際、探針ステージの駆動軸と試料ステージの駆動軸が整合していない場合が多い。そこで、探針ステージのスキャンによる画像（例えば、ＡＦＭ像あるいはＳＴＭ像）と、試料ステージ駆動によるカンチレバーのスキャンによる画像（例えば、ＡＦＭ像）とを比較して、探針ステージの駆動軸と、試料ステージの駆動軸との合わせこみを行う。
この合わせこみは、図８に示す様に、それぞれの駆動軸を座標軸とみて、上記試料ステージの座標系４１と標準となる座標系４０間の変換式、および上記探針ステージの座標系４２と標準となる座標系４０間の変換式を決定することに等しい。この際、そのいずれか一方を標準となる座標系としても良いことは明らかである。また、上記の駆動系による移動範囲は微小領域に限られるので、上記の変換式は、一次式としても十分な精度が得られる。
つまり、上記の合わせこみは、同一の被測定物の所定の位置についての上記試料ステージ駆動による２次元分布Ａと上記探針ステージ駆動による２次元分布Ｂとの比較から、既によく知られた方法によって、上記試料ステージのリニアエンコーダの示す座標値の一次変換式の変換係数と、上記探針ステージのリニアエンコーダの示す座標値の一次変換式の変換係数とを決定するものである。
また、試料ステージの駆動用または探針ステージの駆動用に、そのいずれか一方の座標系あるいはそのいずれとも異なる座標系から変換係数を用いて座標変換する座標変換手段を備える。特に、カンチレバーに設けられた上記センサーをガード電極として使用する上記第２期間に、前記２次元分布基づく所定の位置に上記探針を移動する操作は、上記座標変換手段を用いて変換した移動値を用いた移動である。

４）上記探針のそれぞれを、所定の位置に移動する。この段階では、上記の合成したマップを用いることができる。
５）上記被測定物の測定を行う。この際、図２（ｂ）に示すように、例えば探針４ａ、４ｂが、点線像から実線像の方にずれることが度々起こる。例えば、被測定物のコンタクトホールやスルーホールに埋め込まれた導電性プラグ１８に圧接して電気的導通をとる場合に、圧接する際に探針が被測定物の表面を滑って、その位置がずれることが度々起こる。このため、圧接前の距離にこのずれを見込んでおくことが望ましい。

上記の例では、探針を所定の距離に離間する際、アラインメントマークまたはその代用となるものを用いるか、光学顕微鏡を用いた。光学顕微鏡のもとでは、上記微細配線に比べて比較的大きなサイズの対象物である場合でも、光学顕微鏡で確認できる限界以下のサイズにおいては、探針先端を損傷する場合が多い。そこで、次のようにすることで、探針先端の受ける損傷を避けることができる。
１）探針間の導通特性から、該探針間が近接位置であることを示すように、該探針のそれぞれの位置を設定する。例えば、図９（ａ）に示すように、一方、あるいは両方の探針を、トンネル電流あるいはイオン化されたガスによるイオン電流が流れるまで移動して接近させる。ここで、電圧電流計を用いて、通常の電気的導通が得られる直前で停止することが肝要である。また、原子間力が働く程度の距離に接近させることでも、上記と同様な距離に設定することができる。
この際、探針間に過大な電圧を印加すると、探針同士が静電引力で引き合い、互いに接触する傾向にある。このため、上記探針間に印加する電圧は、静電引力が邪魔にならない程度の電圧値にすることが肝要である。この際、高抵抗素子を通じて電圧を印加するようにすることが望ましい。これによって探針先端部分を過電流破損から保護することができる。また、適切な抵抗値を用いることで、接触による電荷の放電と離間時の充電が交互に起こり、探針先端部を振動させることができるので、この機械的振動あるいは電流の断続を検出することにより、探針間が接近した状態にあることを検知することが可能である。
また、上記探針を同電圧で、周囲の電位から見ると明確に正電位あるいは負電位となるようにすることにより、探針間の静電気反発力を生じさせ、これを用いて上記探針間を反発させながら接近させることができる。
また、上記探針の固有振動周波数よりも高い周波数の交流電圧を上記探針間に印加して引力と斥力を交互に働かせることにより、上記探針間の接触を避けながら探針間の距離を縮めることが可能である。上記交流電圧を徐々に低下させながら、上記探針間に印加する機械的圧力を減少させることで、上記探針間を極接近した位置に互いに離間した状態にすることができる。
２）上記探針を図９（ｂ）に示す様に所定の距離で離間する。これは、上記の様に、上記探針間が極接近した距離にあっては、互いの干渉なしに電気的測定を行うことができないためである。また、この際の所定の距離は、なるべく小さいことが望ましい。これは、スキャン領域の面積が一定の場合に、上記のマップＡ、マップＢの重複領域の面積割合をなるべく大きくするためである。

本発明は、半導体デバイスの故障解析、立ち上げ時の少量不良に関する詳細解析などにも、容易に適用することができる。また、インラインテスト時など、ウエーハ段階での故障解析などに裏面から電気的コンタクトを取りにくい状況での電気特性検査に使用すると効果的である。

１駆動部
２ステージ
３被測定物
４ａ、４ｂ探針
５ａ、５ｂカンチレバー
６ａ、６ｂカンチレバー駆動部 ⇒探針ステージ
７ａ、７ｂレーザ光源
８ａ、８ｂ４分割光検出器
９ａ、９ｂフィードバック（ＦＢ）回路
１０コンピュータ
１１制御線
１２ａ、１２ｂ制御線
１３ａ、１３ｂ信号線
１４ａ、１４ｂ信号線
１５ａ、１５ｂレーザ光
１６スキャン領域
１７ａ、１７ｂ電圧電流計
１８導電性プラグ
１９ａ、１9ｂピエゾ抵抗部
２０電圧フォロア
２１切換部
３０支持体
３１探針
３２カンチレバー
３３a ピエゾ抵抗
３３ｂ、３３ｃ金属配線
３４a、３４ｂ電極
３５引出し用電極
３６配線
３７コンタクト窓
３８ダミー抵抗
４０標準となる座標系
４１試料ステージの座標系
４２探針ステージの座標系
５１キャパシタンスセンサ
５２試料ステージ
５３試料
５４カンチレバー
５５力検出回路
５６参照回路
５７微小電流測定回路
５８スイッチ（ＳＷ）
５９探針ステージ
６０エンコーダ
６１半導体パラメトリックアナライザー
６２制御ＰＣ

Claims

２次元走査が可能な試料ステージに搭載された被測定物の電気的測定を、２次元走査が可能な探針ステージに搭載された探針を用いて行うことが可能で、前記探針に働く力あるいは前記探針に流れる電流を所定の値にするための制御量の２次元分布を得ることができる走査型探針顕微鏡であって、
上記制御量の２次元分布に基づいて決定された位置に上記探針を設定する設定手段と、上記探針と上記被測定物の所定の部位間との間の電流あるいは電圧を測定する測定手段と、を備え、
上記探針は、カンチレバーの先端部に設けられ、
上記カンチレバーは自己検知型であって、上記探針に電流を供給するための第1配線と、上記カンチレバーの変形を検出するセンサー回路用の第２配線とを備え、
上記センサー回路の出力の変化を検出する検出手段と、
第２配線を第１配線のガード配線として用いるためのガード電位発生手段と、
上記第２配線を、センサーとして使用する第１期間と、ガード電位に保つ第２期間と、を含む時分割で使用するように切換える第２配線切換え手段と、を備え、
第１期間で上記２次元分布を得た後、第２期間に前記２次元分布基づく所定の位置に上記探針を移動し、第1配線の電流あるいは電圧を測定するものであることを特徴とする自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバ。
上記制御量の２次元分布は、上記試料ステージの走査により得るものであることを特徴とする請求項１に記載の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバ。
上記第２期間に上記２次元分布基づく所定の位置に上記探針を移動する操作は、上記探針ステージの移動によって行われるものであることを特徴とする請求項１あるいは２のいずれか１つに記載の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバ。
上記試料ステージおよび上記探針ステージは、それぞれ、３次元の各々の方向の変位を検出するリニアエンコーダと３次元の各々の方向に駆動する駆動系とを備え、
前記リニアエンコーダと前記駆動系とを含み、前記リニアエンコーダの特定の位置に留まるように制御する閉ループ制御系を備えるものであって、
上記第２期間においては、少なくとも１つの制御系において閉ループ制御を行うものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバ。
上記第1配線の電流あるいは電圧の測定値について、電圧−電流特性が所定の範囲にあるかどうかを判定する判定手段を備え、
（１）電流あるいは電圧の測定の際に、電圧−電流特性を上記判定手段で判定し、
（２）上記所定の範囲にある場合は、測定した電流あるいは電圧を出力し、
（３）上記所定の範囲にない場合は、上記探針ステージの移動によって、上記制御量の２次元分布を再度得て、上記再度得た該２次元分布基づく所定の位置に上記探針を移動した後、上記（１）ステップに戻って、
測定を行うものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバ。
同一の被測定物の所定の位置についての上記試料ステージ駆動による２次元分布Ａと上記探針ステージ駆動による２次元分布Ｂとの比較から、上記試料ステージのリニアエンコーダの示す座標値と上記探針ステージのリニアエンコーダの示す座標値との変換係数を決定し、前記変換係数を用いて座標変換する座標変換手段を備え、
上記の、第２期間に前記２次元分布基づく所定の位置に上記探針を移動する操作は、上記座標変換手段を用いて変換した移動値を用いた移動である、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の自己検知型カンチレバーを用いた走査型探針顕微鏡式プローバ。