JP3735701B2 - 電気測定用プローバおよび該プローバによる電気的特性の測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイスの電気的特性を直接測定するプローバ及びその測定方法に係り、特に微細構造である半導体装置の電気的特性を測定するに適したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置内の動作状態を確認することは、半導体装置の研究開発には欠かせないものである。従来この種の装置として、半導体装置用電気測定用プローバが使用されている。同プローバは位置決めしてから探針（プローブ）先端に任意の力をかけることにより半導体装置の接点と探針との電気的接触を確実にし、二つないしは三つの探針を用いてデバイス各部の電気的特性（電流・電圧等）を測定し、又半導体装置の温度を変動させ移動度等を測定するステージを併用して半導体装置内の空間的電気特性情報を確認していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の半導体装置用電気測定用プローバは、探針先端の大きさがμｍオーダ以上あるのに対し、微細な半導体装置の各部位の接点は探針先端の大きさに比べて小さいので、電気特性測定を直接行うことはできない。また大きさはμｍ以上の設計ルールの半導体装置であっても電気測定用プローバをサブμｍオーダで駆動する駆動手段を具備しないため半導体装置内の電位分布を直接測定する手段として不適切であった。さらに、探針先端の接触押圧により半導体装置の接点が破壊するという不具合もあった。
【０００４】
このため、むしろ半導体装置に高周波測定用のパッケージング等を行い、該半導体装置外に引き出された電極接点に探針を接触させて半導体装置の電気的測定を行っていた。しかし半導体装置の微細化するに際して、まずもって微細構造である半導体装置の各部分を直接測定する電気的特性測定プローバが必要になっている。
【０００５】
又、電気的特性の測定に際し該半導体装置内の内部構造としての表面や界面の影響は無視できず、半導体装置の微小サイズ化に起因する量子効果の出現により半導体装置内部の電子構造も複雑になってきている。このため、半導体装置の設計シュミレーションに必要な電位分布等のパラメータを従来のプローバでは測定できず、微細構造半導体装置技術の研究開発は苦境に立たされている。
【０００６】
今後の微細構造半導体装置の設計にあたり、半導体装置各部の電気的特性を探針で直接測定して、シュミレーションに必要な電極の大きさ等の作成誤差や電位分布等のパラメータを求め、このパラメータをもとにしたシュミレーションの比較検討により、半導体装置の動作速度の高速化、スイッチング比の向上、消費電力の低減等種々最適化することが不可欠である。
【０００７】
このため、微細構造半導体デバイスや半導体デバイス内部の電位分布や電極の大きさ等の作成誤差等を直接測定できる技術の開発が要求されていた。本発明は、上述の実状に鑑み、微細構造の半導体装置作成技術に必要な電気的特性を測定する電気測定用プローバ及びそれによる測定方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電気測定用プローバは、探針として先端が鋭利な、つまり先端半径が0.01μm以下の導電性探針を使用し、探針の駆動装置としてnm以下のオーダで半導体表面上を駆動する探針駆動装置として、走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope、ＳＴＭ）の駆動原理を使用して半導体装置の近接位置に鋭利な探針を接近させ、鋭利な探針に流れる電流が異常上昇するのを電流変化検出回路により検知して鋭利な探針の半導体表面の電気的な接触を検知することで、半導体装置を破壊することなく、鋭利な探針を半導体装置表面に電気的に接触させ、鋭利な探針と電気特性測定回路とにより半導体装置の電気的特性を直接測定するものである。
【０００９】
本発明の方法は、あらかじめ、トンネル電流一定の条件でＳＴＭを走査して半導体表面上部の近接表面位置情報を測定、記憶し、鋭利な短針をトンネル電検出回路から気特性測定回路に切り換え、半導体装置の所定測定部位を設定すると、先ずこれに対応する近接表面位置に鋭利な探針を位置づけし、次いで電気的特性回路の電流変化検出回路が異常電流変化を検出するまで、鋭利な探針を半導体装置表面に接近させ、電気特性測定回路によりその部位の電流、電圧を測定し、次いで次の測定部位を設定して、その部位の電流、電圧を測定する等、各部位の電気的特性を測定するものである。
【００１０】
本発明のＳＴＭにおける探針のＸＹ軸方向駆動、Ｚ軸方向駆動は圧電素子アクチュエータによる駆動でも、インチワームにより駆動される装置であってもよい。さらに、半導体装置の表面の接触検知を、ＳＴＭのトンネル電流検出制御回路の代わりに温度を検出する回路を利用した接触検知を使用してもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
走査型トンネル装置（ＳＴＭ）の原理を利用した半導体装置表面の近接位置検出について説明する。図１２はその原理を示す図である。３１は導電性探針、３２はＸＹ平面上に設置された半導体基板、３２ａは半導体基板表面上の原子を模式的に示したもの、３３は探針３１と半導体基板間に流れるトンネル電流、３６は直流バイアス電源、３７はトンネル電流検出回路、４１はＺ軸駆動制御回路、４２はＸＹ軸駆動回路、４３ｘ、４３ｙ、４３ｚはそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に探針を駆動するＸ軸，Ｙ軸、Ｚ軸圧電素子アクチュエータ、４４はプロセッサ、記憶装置等を含む制御装置、４５は操作指令、設定値を入力する操作盤、４６は表示装置である。
【００１２】
探針３１が半導体基板３２の表面近接位置にある場合、半導体基板３２の表面上の原子３２ａと探針先端間に印加された電圧に応じて真空障壁をバリアとするトンネル電流３３が流れる。トンネル電流３３は探針３１と半導体基板３２の表面との距離ｓに対して感度良く変動するため、トンネル電流検出回３７でトンネル電流の変動を検出すれば、半導体表面の基準面からの高さｓの変動を検知することができる。
【００１３】
探針３１のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の微動駆動、走査駆動には、独立の３空間軸を駆動する圧電素子アクチュエータ４３ｘ、４３ｙ、４３ｚが用いられる。各圧電素子（ピエゾ素子）に設けられた２カ所の電極に電圧を印加することによって、探針３１はＸ軸、Ｙ軸方向に微小変位走査、Ｚ方向に微小変位駆動（例えば、0.1nm／Ｖ）する。
【００１４】
Ｚ軸駆動制御回路４１は、処理装置４４からのトンネル設定値を設定値とし、トンネル電流検出回路３７の出力をフィードバック入力とし、トンネル電流３３を設定値に保つように制御するフィードバック駆動制御回路である。処理装置４４からの設定値（トンネル電流設定値）は半導体基板表面からの探針３１の設定距離ｓに対応し、Ｚ軸駆動制御回路の出力は半導体基板表面３２ａのＺ軸方向の近接位置に対応した量３１ｓを表している。
【００１５】
操作盤４５の指令により探針３１をＸ軸、Ｙ軸方向に走査すると、図１２の３１ｓに示されたように探針３１は半導体基板表面の原子レベルの状態に対応して走査、駆動される。探針先端のＸ軸方向、Ｙ軸方向の走査変位量、Ｚ軸方向の駆動変位量は処理装置４４に取り込まれ、記憶、３次元画像処理され、リアルタイムで表示装置４６に近接位置の表面状態が３次元画像で描かれる。
【００１６】
図１３は探針半導体装置表面間に流れるトンネル電流３３が一定であるという条件における探針のＺ軸方向の近接位置軌跡３１ｓを示している。実際には半導体装置の各部位の電子構造によってもトンネル電流は異なるので、探針先端のＺ軸方向の近接位置もこれに応じて異なっている。
【００１７】
本発明の基本的な実施例を図１〜図７により説明する。
図１、２は先端半径が0.01μm以下の鋭利な探針を使用し、近接位置決めに図１２のＳＴＭの原理を使用した本発明の電気測定用プローバの実施例である。
図１は位置検出モード時の接続状態を示し、図２は測定モード時の接続状態を示している。１は鋭利な探針（以下単に探針）、２は表面がＸＹ平面に設置された半導体基板、３は探針１と半導体装置間のトンネル電流、４は半導体素子である金属細線（例えば幅数100nmPt線）、５は接地電極、５ａは電極である。接地電極５は外部に取り出しが可能な電極接点であっても良い。
【００１８】
６は直流バイアス電源、７はトンネル電流検出回路、８は可変直流バイアス電源、９は電流検出回路、１０はスイッチで１０ｔは測定プローバの位置検出モード時トンネル電流検出回路７に接続される位置検出モード端子、１０ｍは測定プローバの測定モード時電流検出回路９に接続される測定モード端子で、１１はＺ軸駆動制御回路、１２はＸＹ軸駆動回路、１３ｘ、１３ｙ、１３ｚはそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に探針を駆動するＸ軸，Ｙ軸、Ｚ軸圧電素子アクチュエータ、１４はプロセッサ及び記憶装置等を含む処理装置、１５は本発明の操作指令、設定値を入力する操作盤、１６は表示装置である。（なお、本明細書で同一参照番号は同じものまたは相当するものを表している。）
【００１９】
図３は本発明の電気測定用プローバによる測定方法のフロー図例である。本発明の測定方法は、図１の位置検出モード、図２の測定モードの２段階を含む。図１の位置検出モードでは、トンネル電流一定条件のＳＴＭ走査により半導体装置上部の表面近接位置（Ｘs、Ｙs、Ｚs）を測定し（ステップS2）、記憶装置に記憶し、表面近接位置状態を表示装置１６に３次元画像表示（ステップS3）する。操作盤１５入力の測定モード設定により、スイッチ１０は位置検出モード端子１０ｔから測定モード端子１０ｍに切り換えられ、電気測定用プローバは測定モードになる（ステップS4）。このとき、Ｚ軸駆動制御回路のフィードバック入力は阻止される。
【００２０】
図４は表示装置１６に描かれた図１、図２のＳＴＭの３次元画像である。表面近接位置像は半導体装置の表面部位の物理的形状、電気的特性に対応している。表面近接位置画像の位置（例えば電極５ａ像）を参照して、測定すべき所定の位置（Ｘ、Ｙ）を操作盤１５により設定し（ステップS5）、探針を測定すべき所定の位置に対応した近接位置（Ｘ、Ｙ、Ｚs＝ｊ）に移動させる（ステップS６）（ただし、近接位置がＳＴＭ走査で記憶した表面近接位置でない場合は、例えば、ＳＴＭ走査で記憶した近傍の表面近接位置を内挿することにより求める。）。対応した近接位置に探針１が移動した時点で圧電素子アクチュエータ１３ｘ、１３ｙに印加する電圧を固定し、すなわち該探針のＸＹ面走査位置を固定する。
【００２１】
次に、圧電素子アクチェータ１３ｚに電圧を印加し探針１を半導体装置表面に近づける。この状態で探針１が半導体装置に電気的に接触すると探針１を流れる電流は異常上昇するので、これを電流検出回路９内の電流変化検出器例えば微分電流検出器で検出し、圧電素子アクチェータ１３ｚの駆動を停止し、探針のｚ方向の位置を固定する（ステップS7）。可変直流バイアス電源８の電圧を一定または可変にして探針１に印加し電流、電圧を測定する（ステップS8）。
【００２２】
半導体装置の他の部位の電気的特性を測定するには（ステップS10）、その部位を操作盤１５で設定し、探針１を記憶された近接位置に移動させ（ステップS5）、以下前回測定と同様にして電流電圧を測定する。このようにして半導体装置の各部位の電圧電流を測定できる。
【００２３】
図５は半導体装置の測定点Am、Bm、Cm、・・・への探針１の先端の移動軌跡を示す。Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・は探針１のＳＴＭ走査で測定記憶された表面近接位置の平面上の測定点Am、Bm、Cm、・・・に対応する位置である。探針１の先端は測定点に対応する近接位置平面の位置を経由して測定点に移動する。また測定点Amから次の測定点に対応する近接位置Ｂに移動するようにしても良い。
【００２４】
さらに、あらかじめＳＴＭ操作して表面近接位置情報を記憶することなく、測定点毎に探針を表面近接位置で位置決めし、次いで半導体表面と電気的接触させて、電気的特性の測定を行うプロセスを繰り返す、つまり、測定点毎にモードを切り換える方法でも良い。
【００２５】
電極５ａの大きさはサブμｍの大きさになので、従来のプローブ装置の探針では電極５ａ以外の部分にも接触する。将来的には電極５ａと電極５との間隔もサブμｍの大きさになると予想されるので、現状の探針では接触領域が電極５ａと電極５の間隔よりも大きくなる。従って本装置のように鋭利な探針を用いる必要があり、通常の電解研磨でも０．０１μｍの先端半径のものが作製できる。この鋭利な短針で電極５ａと電極５(接地)間の電流電圧特性が測定できる。
【００２６】
探針１の先端が半導体装置の所定の部位表面に近づくと所定の部位の波動関数が表面よりしみでているため、波動関数に接触し、自由電子が探針１の先端に自由に移動する。探針１が半導体の所定部位に機械的に接触しなくても、探針１と半導体は導通状態となる。機械的接触がないため、半導体装置の接触部位、電極（接点）、基板表面を破壊することなく、半導体装置の電流・電圧特性を直接測定できる。また、電流の異常上昇を電流変化検出回路、微分回路で検出することにより、波動関数の一番外側（半導体装置より一番離れた位置）で、感度良く探針１の電気的接触を検出できる。
【００２７】
図２の場合、探針１の電極５ａへの電気的接触が電流検出回路９による上昇異常電流の検出で検出できる。次に、可変直流バイアス電源８の電圧を０からスキャンして電流検出回路９で金属細線４の電極５ａの電流・電圧特性を直接測定する。
【００２８】
直流バイアス６、電流検出回路９に接続された電極５を図１〜図２のように半導体装置である金属細線４に直接接続せず、基板２に接続してもよい。探針１が半導体装置の絶縁部位に電気的に接触しても、探針１と電極５ａ間に流れる電流の異常上昇は測定できる。したがって、半導体装置の所定の部位の電流・電圧特性を直接測定できる。
【００２９】
半導体装置の金属細線４の近傍にイオンのようなものがあると、金属細線の一部が局所的に電流が通りにくくなるクーロンブロッケード（Coulomb blockade）と呼ばれる現象が現れることが知られている。半導体装置の電極等が微細になると周辺部に存在する金属不純物がこのクーロンブロッケードになると予想される。図６、図１０は半導体装置の金属島２Ｉによりクーロンブロッケート現象が現れた例を示す。
【００３０】
各種金属島に基づくクーロンブロックケードを人工的に形成し、本実施例によって電気的特性を計測し、金属細線４の伝導性への影響を調査すことができる。特定の金属を探針１の先端に蒸着等により吸着させ、この金属を金属細線３近傍の半導体装置表面に接触させて瞬時に固可変直流バイアス電源で高圧バイアスを印加することにより任意の金属島２Ｉを形成させることができる。金属不純物の半導体装置に対する影響は上述のように調べれば、如何なる金属不純物に注目すれば半導体装置の信頼性向上につながるかを明確に分析、評価できる。
【００３１】
特定の金属を蒸着する代わりに半導体装置表面近傍で本装置の探針１に瞬時に可変直流バイアス電源８により高圧電圧パルスを印加すれば結晶欠陥が形成できる。結晶欠陥の金属細線の伝導性への影響も金属島２Ｉ同様に調べることができる。図７（ａ）は金属細線の電気的特性にクーロンブロックケード現象がある場合の電流電圧特性を示す。この特性曲線を基に金属細線４を有する半導体装置を分析し、評価することができる。
【００３２】
図８〜図１０は他の半導体装置の電気的特性を測定する例で、図８は位置検出モードの接続例、図９は測定モードの接続例である。金属細線１が一つの半導体装置を構成している。図８〜図１０の実施例では電極に限らず半導体装置の内部構造を調べることについて説明する。探針１は前記の半導体装置表面の任意の場所に移動可能であるから、例えば金属細線３に沿った探針位置までの距離を関数にして電流の変化を調べることができる。
【００３３】
圧電素子アクチュエータは0.10ｎｍの精度でも移動できるので、図９に示すようにｎｍのオーダ幅の金属細線４の位置にでも位置決めが可能となる。Ｚ方向の位置決めは0.1ｎｍの精度で位置決め可能で金属細線４を破壊すること無く探針１と金属細線３との間に電気的に接触できる。金属細線３がいわゆる量子細線であることは、可干渉距離内では指数関数的に増加する伝導性が、この距離を超えた位置で伝導性が一定になるという該距離に対する関数関係により確認できる。
【００３４】
このように半導体装置内の内部構造まで踏み入って電気的な特性を測定することができる。この様に微細な構造になると従来は問題にならなかった量子効果が発現し、半導体装置作製時に用いるシュミレーションにおいて微細な金属電極を用いる場合にはそのサイズによって伝導性の扱いを変える必要がある事を直接把握することができる。
【００３５】
次に伝導度以外に電位等を測定できることを説明する。図１０は図６で示した図と殆ど同じである。金属不純物の影響を図６の例では電極間の電流で調べたが、図１０の例では金属島２Ｉ近傍の電位により不純物の影響を調べる。金属島２Ｉの形成手段は同じとする。金属島２Ｉ近傍には局在した電位分布が生じると考えられるが、図１０に示すように金属細線４上ではない半導体表面に探針１を直接電気的に接触させ、可変直流バイアス電源９の電圧を変化させて、電流検出回路８の検出電流がゼロになる時の電圧を求める。この電圧がその位置の電位である。２次元で電位をマッピングすれば金属島２Ｉ周辺の電位分布を調べることができる。図７（ｂ）は金属島２Ｉによりクーロンブロッケード現象が生じたときの金属細線４の電位分布を示す。
【００３６】
従来調べることのできなかった金属不純物の半導体装置に対する影響は上記の様に調べれば、如何なる金属不純物がどうのように半導体装置の動作条件を狂わせているかについて明確に分析、評価できる。電位分布は正常動作している半導体装置でも調べることが同様にできるので、装置内部の構造を直接電気的に調べることができる。
【００３７】
また、図５のＡ点の周りに探針１をＸ軸、Ｙ軸方向に微小変位させて、測定点Amの周りの測定点をきめ細かくとって測定をすれば導電体（電極）の電位は電極周辺の基板と電位は著しく相違するので、電位分布により導電体（電極）の大きさが測定できる。
【００３８】
本実施例では探針１の駆動に圧電素子アクチュエータを用いたが、原子オーダ（ナノ単位）で走査できる手段であれば良く、例えばインチワーム等の利用も可能である。図１１に公知のインチワームの駆動機構（１軸方向のみ）を示す。伸縮用の圧電素子のシャフトとクランプ用の素子を組み合わせて尺取り虫方式で探針１を移動させる機構である。
【００３９】
５１は探針を１方向に駆動する駆動軸、５２、５３はクランプ素子、５４は中央部位が固定された圧電素子である。上段から順に不動作状態、クランプ素子５２締め付け状態、圧電素子５４伸長し駆動軸が左方に移動した状態、クランプ素子５３締め付け状態、クランプ素子５２開放状態、圧電素子５４収縮駆動軸左方に移動状態、クランプ素子５２締め付け状態、クランプ素子５３開放状態、そして第３段の圧電素子５４の伸長し駆動軸が左方に移動状態に続き駆動軸が順次左方に移動する。
【００４０】
トンネル電流を用いて半導体装置表面の上を走査し位置を検出記憶する代わりに原子間力、温度、光を用いて半導体装置表面の電気的接触の検知は可能である。
【００４１】
図１４は原子間力を利用して半導体表面位置の電気的接触を検知する手段として使用する参考例の原理図を示す。微少な力を検出できるカンチレバー６１の先端に突起６１ａ（0.01μm以下）があり、この突起部分６１ａと半導体装置表面の原子間に働く力によりカンチレバー６１が図示したように歪む。カンチレバーの歪みによりレーザ源６６から発した光Ｌ０の反射される方向がＬＳからＬｒへ変わる。この光の反射方向の変化を変位信号検出部６８により原子間力に変換する。カンチレバー突起６１ａが半導体装置表面に接触近傍まで近付くとまず半導体表面の原子２ａに引き寄せられる引力モードとなり、さらに近付けると半導体表面の原子２ａとの反発力により斥力モードになる。この状態は剛球同士が散乱を受ける過程と良く似ていて、散乱される瞬間を接触と考えるとカンチレバー６１に係る力が引力から斥力になる瞬間をもって表面接触は検知できる。表面接触位置は図１の装置と同様な駆動機構の走査により測定され、処理装置１４の記憶装置に記憶され、画像処理されて表示装置１６に表示される。
【００４２】
測定モード時には、図１と同様処理装置により所定の位置にカンチレバー６１は位置決めされ、スイッチにより測定モード端子１０ｍが閉状態になり、半導体２（又は電極）、可変直流バイアス電源８、電流検出回路９、測定モード端子１０ｍ、カンチレバー６１の導電体層６１ｂのプローバ測定回路が形成される。可変直流バイアス電源８の電圧がカンチレバー、半導体（又は電極）間に印加し、電流を検知して図２と同様に半導体の電気的特性を直接測定できる。
【００４３】
図１５は半導体表面を検出するのに温度を利用した実施例の原理を説明する図である。この場合は異種金属Ｍ１とＭ２を溶接したものを電解研磨等で先端を鋭利にしたもの（0.01μm以下）をセンサー７１に用いて、通常は途中から補償導線ＬＭ１とＬＭ２により電位差を測定し温度に変換する装置、温度信号抽出部７８まで導く。このセンサー７１の先端が半導体表面に接触した時、突然検知温度が半導体表面の温度に変化するので、この場合も表面接触を検知できる。
【００４４】
図１６は半導体表面の接触を検知するのに光を利用する参考例の原理を説明する図である。センサー部分８１は光ファイバー先端を鋭利に加工したものを用いる。光が通過できるのは鋭利な部分の先端部に限定するように金属等で他の部分は遮光しておく。通常は光による測定の分解能は波長で決まるものが、この状態では鋭利な光ファイバー先端の形状によって決まるようになる。エバネッセント光（近接場光）は光ファイバー先端部の誘電率に敏感である。
【００４５】
レーザ源８６から発しファイバー中を通過してエバネッセント光Ｌｅとなったものが先端部の誘電場を感じて反射光Ｌｅｒとなった光は再度ファイバー中に戻り検出部８７に受け、光信号抽出部８８によって信号が検出する。従って誘電場はファイバー先端Ｔｐが半導体装置表面に接触した際に急激な変化をするので、接触を検知できる。
【００４６】
図１５、図１６による半導体表面の接触位置は図１と同様な駆動機構による走査により測定、処理装置１４に取り込まれ、記憶され、表示装置１６に３次元画像が表示される。更に、測定モードでは、図１５、１６に図示されていない、図１４の装置と同様にセンサー７１、８１に導電体層を張り付け、半導体（電極）、可変直流バイアス源、電流検出回路、測定モード時スイッチが閉状態になり接続される測定モード端子、カンチレバー導電体層の電気特性測定回路を形成すれば、図１４と同様に半導体装置の電気的特性を直接測定できる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の電気測定用プローバ及びその測定方法では、半導体装置の表面位置データに基づき、半導体装置表面の情報に位置決めし、鋭利な短針を半導体の表面を破損することなく半導体装置表面に直接接触させることができるので、超微細な半導体デバイスや半導体デバイス内部の電位等が直接測定可能になる。これによりシュミレーションに必要な種々のパラメータを計算でき、半導体装置を評価するとともに、最適パラメータを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の位置検出モードを説明する図である。
【図２】本発明の実施例の測定モードを説明する図である。
【図３】本発明の測定方法の原理を説明するフロー図例である。
【図４】位置検出モードで検出された近接位置平面の３次元画像を示す図である。
【図５】測定モード時の探針先端の移動軌跡を示す図である。
【図６】図１、２の半導体装置のクーロンブロッケードを説明する図である。
【図７】クーロンブロッケード現象時の電流・電圧特性を示す図である。
【図８】他の半導体装置における位置モードの接続を説明する図である。
【図９】他の半導体装置定におけるを測定モードの接続を説明する図である。
【図１０】他の半導体装置におけるクーロンブロッケードを説明する図である。
【図１１】探針のインチワーム駆動機構の原理を説明する図である。
【図１２】トンネル電流を利用して半導体装置表面の近接位置を検出する原理を説明する図である。
【図１３】探針先端の近接位置軌跡を説明する図である。
【図１４】原子間力を利用して半導体表面の電気的特性を測定する装置を説明する図である。
【図１５】温度を利用して半導体表面の接触を検出する方法を説明する図である。
【図１６】光を利用して半導体表面の接触を検出する方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ 鋭利な探針
１ｓ、３１ｓ 探針の移動軌跡
２、３２ 半導体基板
３、３３ トンネル電流
４ 金属細線
５ 接地電極
５ａ 電極（接点）
６、３６ 直流バイアス電源
７、３７ トンネル電流検出回路
８ 可変直流バイアス電源
９ 電流検出回路
１０ スイッチ
１０ｔ 位置検出モード端子
１０ｍ 測定モード端子
１１、４１ Ｚ軸駆動制御回路
１２、４２ ＸＹ軸駆動回路
１３ｘ、４３ｘ Ｘ軸圧電素子アクチュエータ
１３ｙ、４３ｙ Ｙ軸圧電素子アクチュエータ
１３ｚ、４３ｚ Ｚ軸圧電素子アクチュエータ
１４、４４ 処理装置
１５、４５ 操作盤
１６、４６ 表示装置
２Ｉ 金属島
５１ 駆動軸
５２、５３ クランプ素子
５４ 圧電素子
６１ カンチレバー
６１ａ 突起
６１ｂ 導電体層
６１ｓ 突起先端の移動軌跡
６６、８６ レーザ源
６７、８７ 光検出部
６８、８８ 変位信号抽出部
７１ 異種金属接合センサー先端
７８ 温度信号抽出部
８１ グラスファイバー突起
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイスの電気的特性を直接測定するプローバ及びその測定方法に係り、特に微細構造である半導体装置の電気的特性を測定するに適したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置内の動作状態を確認することは、半導体装置の研究開発には欠かせないものである。従来この種の装置として、半導体装置用電気測定用プローバが使用されている。同プローバは位置決めしてから探針（プローブ）先端に任意の力をかけることにより半導体装置の接点と探針との電気的接触を確実にし、二つないしは三つの探針を用いてデバイス各部の電気的特性（電流・電圧等）を測定し、又半導体装置の温度を変動させ移動度等を測定するステージを併用して半導体装置内の空間的電気特性情報を確認していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の半導体装置用電気測定用プローバは、探針先端の大きさがμｍオーダ以上あるのに対し、微細な半導体装置の各部位の接点は探針先端の大きさに比べて小さいので、電気特性測定を直接行うことはできない。また大きさはμｍ以上の設計ルールの半導体装置であっても電気測定用プローバをサブμｍオーダで駆動する駆動手段を具備しないため半導体装置内の電位分布を直接測定する手段として不適切であった。さらに、探針先端の接触押圧により半導体装置の接点が破壊するという不具合もあった。
【０００４】
このため、むしろ半導体装置に高周波測定用のパッケージング等を行い、該半導体装置外に引き出された電極接点に探針を接触させて半導体装置の電気的測定を行っていた。しかし半導体装置の微細化するに際して、まずもって微細構造である半導体装置の各部分を直接測定する電気的特性測定プローバが必要になっている。
【０００５】
又、電気的特性の測定に際し該半導体装置内の内部構造としての表面や界面の影響は無視できず、半導体装置の微小サイズ化に起因する量子効果の出現により半導体装置内部の電子構造も複雑になってきている。このため、半導体装置の設計シュミレーションに必要な電位分布等のパラメータを従来のプローバでは測定できず、微細構造半導体装置技術の研究開発は苦境に立たされている。
【０００６】
今後の微細構造半導体装置の設計にあたり、半導体装置各部の電気的特性を探針で直接測定して、シュミレーションに必要な電極の大きさ等の作成誤差や電位分布等のパラメータを求め、このパラメータをもとにしたシュミレーションの比較検討により、半導体装置の動作速度の高速化、スイッチング比の向上、消費電力の低減等種々最適化することが不可欠である。
【０００７】
このため、微細構造半導体デバイスや半導体デバイス内部の電位分布や電極の大きさ等の作成誤差等を直接測定できる技術の開発が要求されていた。本発明は、上述の実状に鑑み、微細構造の半導体装置作成技術に必要な電気的特性を測定する電気測定用プローバ及びそれによる測定方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電気測定用プローバは、探針として先端が鋭利な、つまり先端半径が0.01μm以下の導電性探針を使用し、探針の駆動装置としてnm以下のオーダで半導体表面上を駆動する探針駆動装置として、走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope、ＳＴＭ）の駆動原理を使用して半導体装置の近接位置に鋭利な探針を接近させ、鋭利な探針に流れる電流が異常上昇するのを電流変化検出回路により検知して鋭利な探針の半導体表面の電気的な接触を検知することで、半導体装置を破壊することなく、鋭利な探針を半導体装置表面に電気的に接触させ、鋭利な探針と電気特性測定回路とにより半導体装置の電気的特性を直接測定するものである。
【０００９】
本発明の方法は、あらかじめ、トンネル電流一定の条件でＳＴＭを走査して半導体表面上部の近接表面位置情報を測定、記憶し、鋭利な短針をトンネル電検出回路から気特性測定回路に切り換え、半導体装置の所定測定部位を設定すると、先ずこれに対応する近接表面位置に鋭利な探針を位置づけし、次いで電気的特性回路の電流変化検出回路が異常電流変化を検出するまで、鋭利な探針を半導体装置表面に接近させ、電気特性測定回路によりその部位の電流、電圧を測定し、次いで次の測定部位を設定して、その部位の電流、電圧を測定する等、各部位の電気的特性を測定するものである。
【００１０】
本発明のＳＴＭにおける探針のＸＹ軸方向駆動、Ｚ軸方向駆動は圧電素子アクチュエータによる駆動でも、インチワームにより駆動される装置であってもよい。さらに、半導体装置の表面の接触検知を、ＳＴＭのトンネル電流検出制御回路の代わりに温度を検出する回路を利用した接触検知を使用してもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
走査型トンネル装置（ＳＴＭ）の原理を利用した半導体装置表面の近接位置検出について説明する。図１２はその原理を示す図である。３１は導電性探針、３２はＸＹ平面上に設置された半導体基板、３２ａは半導体基板表面上の原子を模式的に示したもの、３３は探針３１と半導体基板間に流れるトンネル電流、３６は直流バイアス電源、３７はトンネル電流検出回路、４１はＺ軸駆動制御回路、４２はＸＹ軸駆動回路、４３ｘ、４３ｙ、４３ｚはそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に探針を駆動するＸ軸，Ｙ軸、Ｚ軸圧電素子アクチュエータ、４４はプロセッサ、記憶装置等を含む制御装置、４５は操作指令、設定値を入力する操作盤、４６は表示装置である。
【００１２】
探針３１が半導体基板３２の表面近接位置にある場合、半導体基板３２の表面上の原子３２ａと探針先端間に印加された電圧に応じて真空障壁をバリアとするトンネル電流３３が流れる。トンネル電流３３は探針３１と半導体基板３２の表面との距離ｓに対して感度良く変動するため、トンネル電流検出回３７でトンネル電流の変動を検出すれば、半導体表面の基準面からの高さｓの変動を検知することができる。
【００１３】
探針３１のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の微動駆動、走査駆動には、独立の３空間軸を駆動する圧電素子アクチュエータ４３ｘ、４３ｙ、４３ｚが用いられる。各圧電素子（ピエゾ素子）に設けられた２カ所の電極に電圧を印加することによって、探針３１はＸ軸、Ｙ軸方向に微小変位走査、Ｚ方向に微小変位駆動（例えば、0.1nm／Ｖ）する。
【００１４】
Ｚ軸駆動制御回路４１は、処理装置４４からのトンネル設定値を設定値とし、トンネル電流検出回路３７の出力をフィードバック入力とし、トンネル電流３３を設定値に保つように制御するフィードバック駆動制御回路である。処理装置４４からの設定値（トンネル電流設定値）は半導体基板表面からの探針３１の設定距離ｓに対応し、Ｚ軸駆動制御回路の出力は半導体基板表面３２ａのＺ軸方向の近接位置に対応した量３１ｓを表している。
【００１５】
操作盤４５の指令により探針３１をＸ軸、Ｙ軸方向に走査すると、図１２の３１ｓに示されたように探針３１は半導体基板表面の原子レベルの状態に対応して走査、駆動される。探針先端のＸ軸方向、Ｙ軸方向の走査変位量、Ｚ軸方向の駆動変位量は処理装置４４に取り込まれ、記憶、３次元画像処理され、リアルタイムで表示装置４６に近接位置の表面状態が３次元画像で描かれる。
【００１６】
図１３は探針半導体装置表面間に流れるトンネル電流３３が一定であるという条件における探針のＺ軸方向の近接位置軌跡３１ｓを示している。実際には半導体装置の各部位の電子構造によってもトンネル電流は異なるので、探針先端のＺ軸方向の近接位置もこれに応じて異なっている。
【００１７】
本発明の基本的な実施例を図１〜図７により説明する。
図１、２は先端半径が0.01μm以下の鋭利な探針を使用し、近接位置決めに図１２のＳＴＭの原理を使用した本発明の電気測定用プローバの実施例である。
図１は位置検出モード時の接続状態を示し、図２は測定モード時の接続状態を示している。１は鋭利な探針（以下単に探針）、２は表面がＸＹ平面に設置された半導体基板、３は探針１と半導体装置間のトンネル電流、４は半導体素子である金属細線（例えば幅数100nmPt線）、５は接地電極、５ａは電極である。接地電極５は外部に取り出しが可能な電極接点であっても良い。
【００１８】
６は直流バイアス電源、７はトンネル電流検出回路、８は可変直流バイアス電源、９は電流検出回路、１０はスイッチで１０ｔは測定プローバの位置検出モード時トンネル電流検出回路７に接続される位置検出モード端子、１０ｍは測定プローバの測定モード時電流検出回路９に接続される測定モード端子で、１１はＺ軸駆動制御回路、１２はＸＹ軸駆動回路、１３ｘ、１３ｙ、１３ｚはそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に探針を駆動するＸ軸，Ｙ軸、Ｚ軸圧電素子アクチュエータ、１４はプロセッサ及び記憶装置等を含む処理装置、１５は本発明の操作指令、設定値を入力する操作盤、１６は表示装置である。（なお、本明細書で同一参照番号は同じものまたは相当するものを表している。）
【００１９】
図３は本発明の電気測定用プローバによる測定方法のフロー図例である。本発明の測定方法は、図１の位置検出モード、図２の測定モードの２段階を含む。図１の位置検出モードでは、トンネル電流一定条件のＳＴＭ走査により半導体装置上部の表面近接位置（Ｘs、Ｙs、Ｚs）を測定し（ステップS2）、記憶装置に記憶し、表面近接位置状態を表示装置１６に３次元画像表示（ステップS3）する。操作盤１５入力の測定モード設定により、スイッチ１０は位置検出モード端子１０ｔから測定モード端子１０ｍに切り換えられ、電気測定用プローバは測定モードになる（ステップS4）。このとき、Ｚ軸駆動制御回路のフィードバック入力は阻止される。
【００２０】
図４は表示装置１６に描かれた図１、図２のＳＴＭの３次元画像である。表面近接位置像は半導体装置の表面部位の物理的形状、電気的特性に対応している。表面近接位置画像の位置（例えば電極５ａ像）を参照して、測定すべき所定の位置（Ｘ、Ｙ）を操作盤１５により設定し（ステップS5）、探針を測定すべき所定の位置に対応した近接位置（Ｘ、Ｙ、Ｚs＝ｊ）に移動させる（ステップS６）（ただし、近接位置がＳＴＭ走査で記憶した表面近接位置でない場合は、例えば、ＳＴＭ走査で記憶した近傍の表面近接位置を内挿することにより求める。）。対応した近接位置に探針１が移動した時点で圧電素子アクチュエータ１３ｘ、１３ｙに印加する電圧を固定し、すなわち該探針のＸＹ面走査位置を固定する。
【００２１】
次に、圧電素子アクチェータ１３ｚに電圧を印加し探針１を半導体装置表面に近づける。この状態で探針１が半導体装置に電気的に接触すると探針１を流れる電流は異常上昇するので、これを電流検出回路９内の電流変化検出器例えば微分電流検出器で検出し、圧電素子アクチェータ１３ｚの駆動を停止し、探針のｚ方向の位置を固定する（ステップS7）。可変直流バイアス電源８の電圧を一定または可変にして探針１に印加し電流、電圧を測定する（ステップS8）。
【００２２】
半導体装置の他の部位の電気的特性を測定するには（ステップS10）、その部位を操作盤１５で設定し、探針１を記憶された近接位置に移動させ（ステップS5）、以下前回測定と同様にして電流電圧を測定する。このようにして半導体装置の各部位の電圧電流を測定できる。
【００２３】
図５は半導体装置の測定点Am、Bm、Cm、・・・への探針１の先端の移動軌跡を示す。Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・は探針１のＳＴＭ走査で測定記憶された表面近接位置の平面上の測定点Am、Bm、Cm、・・・に対応する位置である。探針１の先端は測定点に対応する近接位置平面の位置を経由して測定点に移動する。また測定点Amから次の測定点に対応する近接位置Ｂに移動するようにしても良い。
【００２４】
さらに、あらかじめＳＴＭ操作して表面近接位置情報を記憶することなく、測定点毎に探針を表面近接位置で位置決めし、次いで半導体表面と電気的接触させて、電気的特性の測定を行うプロセスを繰り返す、つまり、測定点毎にモードを切り換える方法でも良い。
【００２５】
電極５ａの大きさはサブμｍの大きさになので、従来のプローブ装置の探針では電極５ａ以外の部分にも接触する。将来的には電極５ａと電極５との間隔もサブμｍの大きさになると予想されるので、現状の探針では接触領域が電極５ａと電極５の間隔よりも大きくなる。従って本装置のように鋭利な探針を用いる必要があり、通常の電解研磨でも０．０１μｍの先端半径のものが作製できる。この鋭利な短針で電極５ａと電極５(接地)間の電流電圧特性が測定できる。
【００２６】
探針１の先端が半導体装置の所定の部位表面に近づくと所定の部位の波動関数が表面よりしみでているため、波動関数に接触し、自由電子が探針１の先端に自由に移動する。探針１が半導体の所定部位に機械的に接触しなくても、探針１と半導体は導通状態となる。機械的接触がないため、半導体装置の接触部位、電極（接点）、基板表面を破壊することなく、半導体装置の電流・電圧特性を直接測定できる。また、電流の異常上昇を電流変化検出回路、微分回路で検出することにより、波動関数の一番外側（半導体装置より一番離れた位置）で、感度良く探針１の電気的接触を検出できる。
【００２７】
図２の場合、探針１の電極５ａへの電気的接触が電流検出回路９による上昇異常電流の検出で検出できる。次に、可変直流バイアス電源８の電圧を０からスキャンして電流検出回路９で金属細線４の電極５ａの電流・電圧特性を直接測定する。
【００２８】
直流バイアス６、電流検出回路９に接続された電極５を図１〜図２のように半導体装置である金属細線４に直接接続せず、基板２に接続してもよい。探針１が半導体装置の絶縁部位に電気的に接触しても、探針１と電極５ａ間に流れる電流の異常上昇は測定できる。したがって、半導体装置の所定の部位の電流・電圧特性を直接測定できる。
【００２９】
半導体装置の金属細線４の近傍にイオンのようなものがあると、金属細線の一部が局所的に電流が通りにくくなるクーロンブロッケード（Coulomb blockade）と呼ばれる現象が現れることが知られている。半導体装置の電極等が微細になると周辺部に存在する金属不純物がこのクーロンブロッケードになると予想される。図６、図１０は半導体装置の金属島２Ｉによりクーロンブロッケート現象が現れた例を示す。
【００３０】
各種金属島に基づくクーロンブロックケードを人工的に形成し、本実施例によって電気的特性を計測し、金属細線４の伝導性への影響を調査すことができる。特定の金属を探針１の先端に蒸着等により吸着させ、この金属を金属細線３近傍の半導体装置表面に接触させて瞬時に固可変直流バイアス電源で高圧バイアスを印加することにより任意の金属島２Ｉを形成させることができる。金属不純物の半導体装置に対する影響は上述のように調べれば、如何なる金属不純物に注目すれば半導体装置の信頼性向上につながるかを明確に分析、評価できる。
【００３１】
特定の金属を蒸着する代わりに半導体装置表面近傍で本装置の探針１に瞬時に可変直流バイアス電源８により高圧電圧パルスを印加すれば結晶欠陥が形成できる。結晶欠陥の金属細線の伝導性への影響も金属島２Ｉ同様に調べることができる。図７（ａ）は金属細線の電気的特性にクーロンブロックケード現象がある場合の電流電圧特性を示す。この特性曲線を基に金属細線４を有する半導体装置を分析し、評価することができる。
【００３２】
図８〜図１０は他の半導体装置の電気的特性を測定する例で、図８は位置検出モードの接続例、図９は測定モードの接続例である。金属細線１が一つの半導体装置を構成している。図８〜図１０の実施例では電極に限らず半導体装置の内部構造を調べることについて説明する。探針１は前記の半導体装置表面の任意の場所に移動可能であるから、例えば金属細線３に沿った探針位置までの距離を関数にして電流の変化を調べることができる。
【００３３】
圧電素子アクチュエータは0.10ｎｍの精度でも移動できるので、図９に示すようにｎｍのオーダ幅の金属細線４の位置にでも位置決めが可能となる。Ｚ方向の位置決めは0.1ｎｍの精度で位置決め可能で金属細線４を破壊すること無く探針１と金属細線３との間に電気的に接触できる。金属細線３がいわゆる量子細線であることは、可干渉距離内では指数関数的に増加する伝導性が、この距離を超えた位置で伝導性が一定になるという該距離に対する関数関係により確認できる。
【００３４】
このように半導体装置内の内部構造まで踏み入って電気的な特性を測定することができる。この様に微細な構造になると従来は問題にならなかった量子効果が発現し、半導体装置作製時に用いるシュミレーションにおいて微細な金属電極を用いる場合にはそのサイズによって伝導性の扱いを変える必要がある事を直接把握することができる。
【００３５】
次に伝導度以外に電位等を測定できることを説明する。図１０は図６で示した図と殆ど同じである。金属不純物の影響を図６の例では電極間の電流で調べたが、図１０の例では金属島２Ｉ近傍の電位により不純物の影響を調べる。金属島２Ｉの形成手段は同じとする。金属島２Ｉ近傍には局在した電位分布が生じると考えられるが、図１０に示すように金属細線４上ではない半導体表面に探針１を直接電気的に接触させ、可変直流バイアス電源９の電圧を変化させて、電流検出回路８の検出電流がゼロになる時の電圧を求める。この電圧がその位置の電位である。２次元で電位をマッピングすれば金属島２Ｉ周辺の電位分布を調べることができる。図７（ｂ）は金属島２Ｉによりクーロンブロッケード現象が生じたときの金属細線４の電位分布を示す。
【００３６】
従来調べることのできなかった金属不純物の半導体装置に対する影響は上記の様に調べれば、如何なる金属不純物がどうのように半導体装置の動作条件を狂わせているかについて明確に分析、評価できる。電位分布は正常動作している半導体装置でも調べることが同様にできるので、装置内部の構造を直接電気的に調べることができる。
【００３７】
また、図５のＡ点の周りに探針１をＸ軸、Ｙ軸方向に微小変位させて、測定点Amの周りの測定点をきめ細かくとって測定をすれば導電体（電極）の電位は電極周辺の基板と電位は著しく相違するので、電位分布により導電体（電極）の大きさが測定できる。
【００３８】
本実施例では探針１の駆動に圧電素子アクチュエータを用いたが、原子オーダ（ナノ単位）で走査できる手段であれば良く、例えばインチワーム等の利用も可能である。図１１に公知のインチワームの駆動機構（１軸方向のみ）を示す。伸縮用の圧電素子のシャフトとクランプ用の素子を組み合わせて尺取り虫方式で探針１を移動させる機構である。
【００３９】
５１は探針を１方向に駆動する駆動軸、５２、５３はクランプ素子、５４は中央部位が固定された圧電素子である。上段から順に不動作状態、クランプ素子５２締め付け状態、圧電素子５４伸長し駆動軸が左方に移動した状態、クランプ素子５３締め付け状態、クランプ素子５２開放状態、圧電素子５４収縮駆動軸左方に移動状態、クランプ素子５２締め付け状態、クランプ素子５３開放状態、そして第３段の圧電素子５４の伸長し駆動軸が左方に移動状態に続き駆動軸が順次左方に移動する。
【００４０】
トンネル電流を用いて半導体装置表面の上を走査し位置を検出記憶する代わりに原子間力、温度、光を用いて半導体装置表面の電気的接触の検知は可能である。
【００４１】
図１４は原子間力を利用して半導体表面位置の電気的接触を検知する手段として使用する参考例の原理図を示す。微少な力を検出できるカンチレバー６１の先端に突起６１ａ（0.01μm以下）があり、この突起部分６１ａと半導体装置表面の原子間に働く力によりカンチレバー６１が図示したように歪む。カンチレバーの歪みによりレーザ源６６から発した光Ｌ０の反射される方向がＬＳからＬｒへ変わる。この光の反射方向の変化を変位信号検出部６８により原子間力に変換する。カンチレバー突起６１ａが半導体装置表面に接触近傍まで近付くとまず半導体表面の原子２ａに引き寄せられる引力モードとなり、さらに近付けると半導体表面の原子２ａとの反発力により斥力モードになる。この状態は剛球同士が散乱を受ける過程と良く似ていて、散乱される瞬間を接触と考えるとカンチレバー６１に係る力が引力から斥力になる瞬間をもって表面接触は検知できる。表面接触位置は図１の装置と同様な駆動機構の走査により測定され、処理装置１４の記憶装置に記憶され、画像処理されて表示装置１６に表示される。
【００４２】
測定モード時には、図１と同様処理装置により所定の位置にカンチレバー６１は位置決めされ、スイッチにより測定モード端子１０ｍが閉状態になり、半導体２（又は電極）、可変直流バイアス電源８、電流検出回路９、測定モード端子１０ｍ、カンチレバー６１の導電体層６１ｂのプローバ測定回路が形成される。可変直流バイアス電源８の電圧がカンチレバー、半導体（又は電極）間に印加し、電流を検知して図２と同様に半導体の電気的特性を直接測定できる。
【００４３】
図１５は半導体表面を検出するのに温度を利用した実施例の原理を説明する図である。この場合は異種金属Ｍ１とＭ２を溶接したものを電解研磨等で先端を鋭利にしたもの（0.01μm以下）をセンサー７１に用いて、通常は途中から補償導線ＬＭ１とＬＭ２により電位差を測定し温度に変換する装置、温度信号抽出部７８まで導く。このセンサー７１の先端が半導体表面に接触した時、突然検知温度が半導体表面の温度に変化するので、この場合も表面接触を検知できる。
【００４４】
図１６は半導体表面の接触を検知するのに光を利用する参考例の原理を説明する図である。センサー部分８１は光ファイバー先端を鋭利に加工したものを用いる。光が通過できるのは鋭利な部分の先端部に限定するように金属等で他の部分は遮光しておく。通常は光による測定の分解能は波長で決まるものが、この状態では鋭利な光ファイバー先端の形状によって決まるようになる。エバネッセント光（近接場光）は光ファイバー先端部の誘電率に敏感である。
【００４５】
レーザ源８６から発しファイバー中を通過してエバネッセント光Ｌｅとなったものが先端部の誘電場を感じて反射光Ｌｅｒとなった光は再度ファイバー中に戻り検出部８７に受け、光信号抽出部８８によって信号が検出する。従って誘電場はファイバー先端Ｔｐが半導体装置表面に接触した際に急激な変化をするので、接触を検知できる。
【００４６】
図１５、図１６による半導体表面の接触位置は図１と同様な駆動機構による走査により測定、処理装置１４に取り込まれ、記憶され、表示装置１６に３次元画像が表示される。更に、測定モードでは、図１５、１６に図示されていない、図１４の装置と同様にセンサー７１、８１に導電体層を張り付け、半導体（電極）、可変直流バイアス源、電流検出回路、測定モード時スイッチが閉状態になり接続される測定モード端子、カンチレバー導電体層の電気特性測定回路を形成すれば、図１４と同様に半導体装置の電気的特性を直接測定できる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の電気測定用プローバ及びその測定方法では、半導体装置の表面位置データに基づき、半導体装置表面の情報に位置決めし、鋭利な短針を半導体の表面を破損することなく半導体装置表面に直接接触させることができるので、超微細な半導体デバイスや半導体デバイス内部の電位等が直接測定可能になる。これによりシュミレーションに必要な種々のパラメータを計算でき、半導体装置を評価するとともに、最適パラメータを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の位置検出モードを説明する図である。
【図２】本発明の実施例の測定モードを説明する図である。
【図３】本発明の測定方法の原理を説明するフロー図例である。
【図４】位置検出モードで検出された近接位置平面の３次元画像を示す図である。
【図５】測定モード時の探針先端の移動軌跡を示す図である。
【図６】図１、２の半導体装置のクーロンブロッケードを説明する図である。
【図７】クーロンブロッケード現象時の電流・電圧特性を示す図である。
【図８】他の半導体装置における位置モードの接続を説明する図である。
【図９】他の半導体装置定におけるを測定モードの接続を説明する図である。
【図１０】他の半導体装置におけるクーロンブロッケードを説明する図である。
【図１１】探針のインチワーム駆動機構の原理を説明する図である。
【図１２】トンネル電流を利用して半導体装置表面の近接位置を検出する原理を説明する図である。
【図１３】探針先端の近接位置軌跡を説明する図である。
【図１４】原子間力を利用して半導体表面の電気的特性を測定する装置を説明する図である。
【図１５】温度を利用して半導体表面の接触を検出する方法を説明する図である。
【図１６】光を利用して半導体表面の接触を検出する方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ 鋭利な探針
１ｓ、３１ｓ 探針の移動軌跡
２、３２ 半導体基板
３、３３ トンネル電流
４ 金属細線
５ 接地電極
５ａ 電極（接点）
６、３６ 直流バイアス電源
７、３７ トンネル電流検出回路
８ 可変直流バイアス電源
９ 電流検出回路
１０ スイッチ
１０ｔ 位置検出モード端子
１０ｍ 測定モード端子
１１、４１ Ｚ軸駆動制御回路
１２、４２ ＸＹ軸駆動回路
１３ｘ、４３ｘ Ｘ軸圧電素子アクチュエータ
１３ｙ、４３ｙ Ｙ軸圧電素子アクチュエータ
１３ｚ、４３ｚ Ｚ軸圧電素子アクチュエータ
１４、４４ 処理装置
１５、４５ 操作盤
１６、４６ 表示装置
２Ｉ 金属島
５１ 駆動軸
５２、５３ クランプ素子
５４ 圧電素子
６１ カンチレバー
６１ａ 突起
６１ｂ 導電体層
６１ｓ 突起先端の移動軌跡
６６、８６ レーザ源
６７、８７ 光検出部
６８、８８ 変位信号抽出部
７１ 異種金属接合センサー先端
７８ 温度信号抽出部
８１ グラスファイバー突起
Claims (5)
- 鋭利な探針、
前記探針をnmオーダでＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に駆動させる圧電素子アクチュエータ、
Ｘ、Ｙ軸方向に駆動させる圧電素子アクチュエータに駆動電流を供給するＸＹ軸駆動回路、
前記探針と半導体装置との間のトンネル電流を検出する第１の電気回路、
第１の電気回路の出力をフィードバック入力とし、前記探針をＺ軸方向に駆動させる圧電素子アクチュエータに駆動電流を供給するＺ軸駆動制御回路、
可変直流バイアス電圧を前記探針半導体装置間に印加して、前記探針半導体装置間の電流、電圧を検出する第２の電気回路、
第２の電気回路に設けられた電流微分回路により第２の電気回路に流れる異常上昇電流を検知したときには前記探針のＺ軸方向の駆動を停止する信号をＺ軸駆動制御回路に出力する回路、
前記探針を第１の電気回路または第２の電気回路に接続するスイッチ、
前記探針のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の駆動信号、Ｚ軸駆動制御回路の設定トンネル電流信号および第２の電気回路の可変直流バイアス電圧の設定電圧信号をそれぞれ供給し、かつ前記探針のＸ、Ｙ、Ｚ位置情報、第２の電気回路の電圧、電流情報を取り込み、記憶し、画像処理をする処理装置及び
前記電圧、電流情報もしくはトンネル電流一定フィードバック制御時のＸ、Ｙ、Ｚ位置情報を画像表示する装置
を具備することを特徴とする電気測定用プローバ。 - 請求項１の圧電素子アクチュエータをインチワームとして鋭利な探針を駆動することを特徴とする請求項１の電気測定用プローバ。
- 半導体表面を検出する電気測定用プローバにおいて、半導体表面の位置を検出するに当たり、異種金属を溶接した鋭利な短針を設けたカンチレバーを圧電素子アクチュエータにより移動し、該異種金属間に発生する電位差により温度を検出する回路を備え、該温度の変化を検出することにより、該短針が半導体装置表面に接触したことを検出することを特徴とする電気測定用プローバ。
- 鋭利な探針をトンネル電流現象の生ずる距離で半導体装置表面を走査して得られた半導体装置表面の近接位置データに基づき、半導体装置表面の所望位置に対応する半導体装置表面の近接位置に前記探針を正確に位置づけ、電流微分回路により前記探針に異常上昇電流が検出されるまで前記探針をＺ軸方向に半導体装置表面に向けて下降駆動させ、前記探針に電圧を印加して半導体装置の所望位置の電流、電圧を直接測定することを特徴とする電気測定用プローバによる電気的特性の測定方法。
- 半導体表面を検出する電気測定用プローバによる電気的特性の測定方法において、半導体表面の位置を検出するに当たり、異種金属を溶接した鋭利な短針を設けたカンチレバーを圧電素子アクチュエータにより移動し、該異種金属間に発生する電位差により温度を検出する回路を備え、該温度の変化を検出することにより、該短針が半導体装置表面に接触したことを検出することを特徴とする電気測定用プローバによる電気的特性の測定方法。
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