JP4526626B2

JP4526626B2 - 電気特性評価装置

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Publication number: JP4526626B2
Application number: JP36027499A
Authority: JP
Inventors: 剛長谷川; 正和青野; 知信中山; 太一奥田; 一弥寺部; 啓文田中
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2019-12-20
Also published as: JP2001174491A; KR20020064948A; US6833719B2; EP1243915A4; TW472182B; DE60041520D1; US20020178800A1; WO2001046674A1; EP1243915A1; EP1243915B1; KR100748046B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極微小領域における電子物性を測定する電気特性評価装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、極微小領域における電子物性を測定する方法としては、配線を用いて極微小領域とマクロな電極、ないし測定プローブとを電気的に接続する方法が知られていた。
【０００３】
例えば、サーフェス・サイエンス、第３８６号（１９９７年）１６１頁〜１６５頁〔ＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ３８６（１９９７）ｐｐ．１６１−１６５〕にその例が記載されている。この方法では、マスクを用いた蒸着により、μｍオーダー幅の金属配線が電気特性を測定すべき極微小領域に向けて形成されている。
【０００４】
また、ネーチャー、第３９３号（１９９８年）４９頁〜５２頁〔Ｎａｔｕｒｅ３９３（１９９８）ｐｐ．４９−５２〕には、カーボン・ナノチューブの特性を、配線接続により測定した例が報告されている。この方法では、予め配線が形成された基板上にカーボン・ナノチューブを付着させることで、カーボン・ナノチューブを配線に接続し、その電気特性を測定している。
【０００５】
一方、先端の鋭利な金属探針を極微小領域に直接接触させることで、電気特性を測定しようとする方法も報告されている。例えば、走査型トンネル顕微鏡法を用いた方法が、応用物理、第６７巻、第１２号（１９９８年）１３６１頁〜１３６９頁に記載されている。
【０００６】
また、特開平１０−５６０４５には、サブμｍ領域に形成された電子素子の特性を測定する方法が記載されている。これらの方法では、探針・試料間にトンネル電流が流れるまで探針を試料に接近させることで極微小領域における両者の接触をはかろうとしている。また、探針・試料間の接触抵抗を低減するため、トンネル電流検出後、トンネル電流をサーボ信号とする探針位置のフィードバック制御を止め、さらに探針・試料間の距離を強制的に縮めてから電気特性測定を行う方法についても述べられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の配線を形成する方法では、最先端の半導体加工技術を用いても、配線幅と間隔は０．１μｍより小さく出来ず、ｎｍスケールのサイズの構造には対応できない。
【０００８】
また、配線と測定すべき構造物との電気的接続を単に付着によって行うため、配線・試料間の接触抵抗が高くなる問題がある。例えば、前記カーボン・ナノチューブの測定では、接触抵抗が１ＭΩ程度と見積もられている。量子化コンダクタンスが現れるような構造部の抵抗値は高々数ｋΩのオーダーであり、これを測定する場合、従来法では、測定すべき抵抗よりも接触抵抗の方が高いという問題があった。
【０００９】
さらに、予め配線が形成されている場合、任意の構造、大きさの試料に対応できないという問題もある。試料に対して後から配線を形成すれば、試料に合わせた配線の形成が可能ではあるが、配線形成時に試料に損傷を与え、正しい測定を行えなくなる可能性が極めて高くなる。
【００１０】
一方、上述した鋭利な探針を用いる方法では、探針・試料間にトンネル電流が流れるまで探針を試料に接近させた状態で電気特性測定を行う。この場合、接触抵抗は１ＭΩから１ＧΩ程度であり、半導体試料を測定する場合でさえも、非常に高い接触抵抗が測定の信頼性や精度を下げてしまう。このため従来法では、さらに探針を試料に一定距離接近させて、接触抵抗の低減を図っていた。
【００１１】
しかし、この場合、探針位置のフィードバック制御は行われないので、試料の温度ドリフトなどにより、測定中に、探針・試料間の位置関係、特に距離が変化してしまう可能性があった。トンネル電流が探針・試料間に流れるような領域（トンネル領域）では、探針・試料間の距離が１Å変化すると、接触抵抗が１桁変化してしまう。従って、電気特性測定中に探針位置のフィードバック制御を行わない場合、探針・試料間の位置関係は保証されないので、測定結果に含まれる接触抵抗の絶対値も分からないし、一定であることさえも保証されないという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記状況に鑑みて、低接触抵抗で極微小領域に複数の金属探針を接触させることができる電気特性評価装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、探針位置を原子間力顕微鏡法により制御することで、探針・試料間の接触を図るようにした。このため、電気特性測定中も探針位置の制御ができる。探針・試料間の接触抵抗を低減するためには、探針・試料間に働く原子間力が斥力となるような領域で探針位置の制御を行うようにした。
【００１４】
また、本発明では、極微小領域への複数の探針のアプローチを可能にするため、カンチレバーの自由端部にこの自由端部よりも先端の飛び出した金属探針を有するカンチレバーを作製し、用いるようにした。これにより、金属探針先端同士が接触しない範囲で複数の金属探針同士を接近させることができる、すなわち、従来の走査型トンネル顕微鏡法による方法と同等の極微小領域への探針のアプローチを可能にした。金属探針をカンチレバーの自由端部に形成するため、本発明では、収束イオンビームによる切断・接着技術を用いるようにした。
【００１５】
これにより、先端の曲率半径が数十ｎｍ、長さが数十μｍ程度の金属探針をカンチレバーの自由端部に移植するようにした。各探針の位置を独立に制御できるようにするため、本発明では、カンチレバーの変位を検出する手段として、カンチレバーに形成された抵抗体の抵抗値変化を検出するようにした。
【００１６】
また、別の方法として、カンチレバーに形成された圧電体の圧電効果を検出するようにした。これを可能にするため、本発明によるカンチレバーには、抵抗体ないし圧電体に加え、カンチレバーの変位検出用の２つの電極と、試料の電気特性測定用の１つの電極が形成されている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明では、自由端部に金属探針が設置されたカンチレバーを複数本搭載した装置により、極微小領域における電気特性を測定する。金属探針の先端がカンチレバー自由端部よりも飛び出したカンチレバーを用いることで、走査型トンネル顕微鏡法と同等の最小探針間距離（１０ｎｍレベル）を実現する。
【００１８】
さらに、探針位置の制御を原子間力顕微鏡法により行うことで、電気特性測定中の探針位置の制御を可能にし、電気特性測定中の温度ドリフトによる探針・試料間の位置ずれを無くした。さらに、探針・試料間の接触抵抗を低減するため、本発明では、探針位置の制御を、探針・試料間に働く原子間力が斥力領域となるようにする。これにより、極微小領域へ複数本の探針を低接触抵抗で接触させ、極微小領域の電気特性を精度良く測定する。
【００１９】
図１は本発明の第１実施例を示すカンチレバーの模式図であり、図１（ａ）はカンチレバーの下面図（試料側から見た図）を示す。なお、このカンチレバーの製造工程の詳細は、図４〜図７を用いて後述する。
【００２０】
カンチレバー下面には抵抗体の抵抗値測定用電極１，２が形成されており、コンタクトホール電極３，４を介して抵抗部５〔図１（ａ）では抵抗の記号で表示〕に接続されている。これにより、カンチレバー６の撓みによる抵抗部５の抵抗値の変化を検出する。さらに、このカンチレバー６上には、カンチレバー６の自由端部に到る電極７が形成されており、その先端に金属探針８が設置されている。その先端はカンチレバー６の自由端部よりも飛び出している。このため、複数の探針同士を接近させても、金属探針同士が接触する前に、カンチレバーの自由端部同士が接触することは無い。
【００２１】
すなわち、金属探針先端部の曲率半径の許す範囲内で金属探針同士を接近させることができる。これが、先端の鋭利な金属探針をプローブとして用いる走査型トンネル顕微鏡法と同等の最小探針間隔を実現できる理由である。なお、図には示されていないが、電極１，２，７はマクロな測定系に接続されている。
【００２２】
図２は４つの探針１４，１５，１６，１７をお互いに接近させた場合の模式図であり、図中、円内は金属探針先端部１４′，１５′，１６′，１７′を拡大したものである。各カンチレバー１８，１９，２０，２１が最小探針間隔を決定しているのではなく、金属探針先端部１４′，１５′，１６′，１７′の曲率半径がそれを決定していることが分かる。
【００２３】
従って、本発明では、先端の曲率半径の小さい、例えば、１０ｎｍの先端曲率半径を持った金属探針を搭載したカンチレバーを用いれば、１０ｎｍレベルの最小探針間隔を実現できることになる。
【００２４】
図１６は先端の曲率半径１０ｎｍの２つの探針６１、６２が最小探針間隔で試料表面６３に接触している状態を示している。
【００２５】
参考のため、半径１０ｎｍの円をその円周部が探針６１，６２先端部に一致するように示した。各探針６１，６２は、それぞれ試料表面６３とＡ点，Ｂ点で接触している。
【００２６】
本発明では、試料の電気特性評価を目的としているので、この試料表面６３上に接触している部分同士の間隔（図１６のＡ−Ｂ間距離）を探針間隔と呼ぶ。測定では、探針６１，６２を、探針間隔がトンネル電流が流れる程度にまで互いに接近させることが出来る。
【００２７】
すなわち、探針同士を１ｎｍ程度にまで近づけることが出来る。ただし、１ｎｍの距離にあるのは探針先端同士ではないので、Ａ−Ｂ間距離、すなわち最小探針間隔は２１ｎｍとなる。以上は、探針先端の形状を完全な球で仮定した場合であるが、例えば、図中に破線で示す形状の探針（曲率半径１０ｎｍ）を用いれば、より小さい最小探針間隔を実現できることが分かる。
【００２８】
これに対して、図３（ａ）に示すように、従来型のカンチレバーでは、選択エッチングにより探針２２がカンチレバー２３の自由端付近に形成されていた。このため、ピラミッド型の探針２２先端同士の最近接距離はピラミッドの大きさに依存していた。一般的なカンチレバーの場合、ピラミッド型探針の底辺の長さは５０μｍ程度であり、２探針間の最近接距離は１００μｍ以上となる。このため、従来型のカンチレバーを用いただけでは、ナノスケール領域の電気特性評価は出来なかった。
【００２９】
また、従来型カンチレバーでは、ピラミッド型探針部は、エッチングに対して異方性を示すシリコンなどの半導体ないし絶縁体で形成されており、金属ではない。すなわち、探針・試料間の接触抵抗に加え、探針自身の抵抗も測定結果に含まれてしまうため、試料の電気伝導測定には適していなかった。
【００３０】
これを避けるため、従来型カンチレバーを用いて電気特性測定（ただし、一探針測定）を行うためには、カンチレバー下面全体に金属を蒸着し、ピラミッド型探針部を金属化するという方法がとられていた。
【００３１】
ただ、この場合、カンチレバーの撓み検出のために、その上に電極を必要とするカンチレバー、すなわち、カンチレバーに形成された抵抗体の抵抗変化や圧電体の電位変化を検出する自己変位検出型カンチレバーでは、蒸着により電極同士、ないし、電極・探針間がショートしてしまう。
【００３２】
その対策として、金属を蒸着して探針を金属化する場合、図３（ｂ）に示すような、光てこ方式と呼ばれる変位検出方式のカンチレバーが用いられていた。この方法では、半導体レーザー２４によりカンチレバー２５の上面にレーザー光２６を照射し、反射光２７を検出器２８でとらえていた。
【００３３】
すなわち、カンチレバー２５が撓むとレーザー光２６の反射角θが変化するため、検出器２８に入射する反射光２７の強度が変化する。その変化を検出してカンチレバー２５の撓みを検出するものである。この方法では、図３（ｂ）に示すように、カンチレバー２５下面に金属の蒸着膜２９を形成することができる。
【００３４】
しかし、この方法では、各カンチレバーに対して、半導体レーザーと検出器がそれぞれ必要であり、しかも各カンチレバー、半導体レーザー、検出器の位置関係が常に一定に保たれている必要がある。このため、従来、カンチレバー、半導体レーザー、検出器の位置関係を固定し、試料位置を変化させることで、探針・試料間の相対位置を変化させていた（一探針測定）。
【００３５】
しかし、試料を移動させるだけでは、試料に対して複数のカンチレバーの位置を自由に設定することが出来ない。すなわち、複数の探針を必要とする電気特性評価には適用できないことになる。
【００３６】
以上のような理由から、極微小領域の電気特性測定を複数の探針を用いて行う本発明では、図１に示すような、カンチレバーを用いる。
【００３７】
図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。コンタクトホール電極３を介して、抵抗値測定用電極１と抵抗部５が接続されている。この抵抗部５は、例えば、ｎ型のシリコン基板１１にボロンを不純物として打ち込むことでｐ型の領域を形成することで作製できる。ｐ型の基板に対して、燐などを打ち込み、ｎ型の領域を形成しても良い。
【００３８】
この抵抗部５の形成方法については、プロシーディングス・オブ・トランスドューサーズ（１９９１年）４４８頁〜４５１頁（ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ‘９１（ＩＥＥＥ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９９１）ｐｐ．４４８−４５１）に詳しく述べられている。カンチレバー６が撓むことによる、すなわち、抵抗部５が撓むことによる抵抗値の変化を検出して、カンチレバーの撓み量を知るのである。この抵抗部５は、探針に接続する電極等と絶縁膜９により電気的に絶縁されている。また、カンチレバー６は、酸化膜１２を介して、支持基板１０により支えられている。
【００３９】
図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。電気測定用電極７の先端部に金属探針８が導電性の部材１３により接着されている。金属探針８および電極７は、絶縁膜９により抵抗部５等と絶縁されている。
【００４０】
図１（ｄ）は図１（ｂ）及び図１（ｃ）のＣ−Ｃ断面図である。抵抗部５の両端がコンタクトホール電極３，４と接続している。図１（ｃ）から明らかなように、本発明によるカンチレバー６は、カンチレバー６の先端に金属探針８を有し、その金属探針８の先端はカンチレバー自由端部よりも飛び出している。
【００４１】
図４〜図６は本発明の第１実施例を示すカンチレバー基板（探針付着前のカンチレバー）の製造工程図であり、これらの図において、左側は断面図、右側は上面図を示している。
【００４２】
基板として、酸化膜（１μｍ）が挟まれた（１００）面ＳＯＩ（Ｓｉ１ｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕ１ａｔｏｒ）ウエハ３０〔つまり、上からＳｉ層、酸化膜、基板〕を用いる〔図４（ａ）参照〕。まず、そのＳＯＩウエハ３０にイオン打ち込みを行うためにマスク３１を基板上に形成する〔図４（ｂ）参照〕。次いで、イオン打ち込みを行い、イオン拡散領域３２を形成する〔図４（ｃ）参照〕。次に、マスク３１を除去し〔図４（ｄ）参照〕、次いで絶縁膜３３を形成する〔図４（ｅ）参照〕。続いて、コンタクトホール３５（電極）を形成するためのマスク３４を形成する〔図４（ｆ）参照〕。
【００４３】
次に、エッチングにより絶縁膜３３に穴３６を開ける〔図５（ａ）参照〕。次に、コンタクトホール電極３７を形成し〔図５（ｂ）参照〕、次いで、マスク３４を除去する〔図５（ｃ）参照〕。次に、電極形成用のマスク３８を形成し〔図５（ｄ）参照〕、次いで、電極３９を形成する〔図５（ｅ）参照〕。その後、マスク３８を除去する〔図５（ｆ）参照〕。
【００４４】
次に、カンチレバーとなる部分以外のＳｉ層をエッチングするためのマスク４０を形成し〔図６（ａ）参照〕、次に、絶縁膜３３およびＳＯＩウエハ３０のＳｉ層をエッチングする〔図６（ｂ）参照〕。次に、マスク４０を除去して、ＳＯＩウエハ３０の酸化膜層上にカンチレバーが形成される〔図６（ｃ）参照〕。次に、カンチレバー上面（図では下側の面）にマスク４１を形成し〔図６（ｄ）参照〕、次に、ＳＯＩウエハ３０の基板をエッチングする〔図６（ｅ）参照〕。最後にＳＯＩウエハ３０の酸化膜とマスク４１を除去してカンチレバー基板が完成する〔図６（ｆ）参照〕。
【００４５】
本発明によれば、このようにして完成したカンチレバー基板に、金属探針を移植する。すなわち、電解研磨した金属探針の先端部を収束イオンビームを用いて切り出し、カンチレバー基板の自由端部に移植する。
【００４６】
図７は本発明の第１実施例を示すカンチレバー基板への金属探針の先端部の移植手順の一例を示す。
【００４７】
（１）まず、図７（ａ）に示すように、収束イオンビーム装置の試料ステージ６０上の探針ホルダ５０に電解研磨により先端をとがらせた金属探針５１が、また、カンチレバーホルダ５２に、前述の製造方法により形成したカンチレバー基板５３が取り付けられている。なお、図７（ａ）には収束イオンビーム装置の試料ステージ６０しか図示していないが、このような状態で金属探針５１とカンチレバー基板５３を、収束イオンビーム装置の試料室にセットする。
【００４８】
（２）次に、図７（ｂ）に示すように、この収束イオンビーム装置には、探針搬送用の先端の鋭利なプローブ５４が組み込まれている。このプローブ５４を金属探針先端部に接触させる。
【００４９】
（３）次に、図７（ｃ）に示すように、収束イオンビーム５５をプローブ５４・金属探針５１の接触領域に照射すると同時に、反応性ガス５６、例えばヘキサカルボニルタングステン〔Ｗ（ＣＯ）₆〕を試料室に導入する。これにより、前記接触領域に接着部材５７（例えばタングステン）が成長し、プローブ５４と金属探針５１が接着される。
【００５０】
（４）続いて、図７（ｄ）に示すように、収束イオンビーム５５により、金属探針を切断する。このとき、切断は、探針５１とプローブ５４を接着した部分より探針５１の根元側で行う。
【００５１】
（５）次に、図７（ｅ）に示すように、このようにして切り出した金属探針先端５８をカンチレバー基板５３上に、プローブ５４を移動させて搬送する。
【００５２】
（６）その後、図７（ｆ）に示すように、反応性ガス５９を導入しながら収束イオンビーム５５を金属探針先端部５８の根元に照射して、金属探針先端部５８をカンチレバー基板５３上に接着する。このとき、反応性ガス５９は導電性材が形成されるような種類の物を選んでおく。例えば、ヘキサカルボニルタングステンを用いればタングステンが成長することは前述の通りである。これにより、カンチレバー基板５３上の電極と金属探針５８間の機械的接着と同時に、電気的な接続が図られる。
【００５３】
（８）次に、図７（ｇ）に示すように、収束イオンビーム５５により、プローブ５４を金属探針先端５８から切り離す。
【００５４】
（９）最後に、図７（ｈ）に示すように、本発明によるカンチレバーを作製することができる。
【００５５】
上記したように、図４〜図７に示す方法により、第１実施例による図１に示すカンチレバーを作製することができる。
【００５６】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００５７】
ここでは、第１実施例で述べたカンチレバーを搭載した電気特性測定装置全体について説明する。
【００５８】
図８に本発明の第２実施例を示すカンチレバーを搭載した電気特性測定装置のシステム概略図を示す。
【００５９】
本発明によるカンチレバーを搭載した探針移動機構１００が、超高真空システム１０１内に設置されている。本超高真空システム１０１は、除振台１０２、真空ポンプ１０３、カンチレバー交換機構１０４，１０５、試料交換機構１０６、カンチレバー・試料導入室１０７からなる。
【００６０】
探針移動機構１００は、真空外より電気的に制御システム１０８により制御される。また、本システムには、カンチレバーの位置確認用に走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）１０９が搭載されており、ＳＥＭ制御系１１０により操作される。
【００６１】
本発明の主要部（探針移動機構）１００は大気中でも動作可能であるが、試料の汚染防止とＳＥＭ使用のため、本実施例では、超高真空システムを採用している。従って、カンチレバーの顕微手段として光学顕微鏡を用いる場合は、大気中にシステムを設置しても良い。
【００６２】
図９に本発明の電気特性測定装置のシステムの主要部である探針移動機構部を拡大した模式図を示す。
【００６３】
本実施例では簡単のため、２本のカンチレバーを搭載したシステムで説明する。各カンチレバー（探針）１１１，１１２は、それぞれ３軸に移動可能な粗動機構１１３，１１４と微動機構１１５，１１６からなる移動機構上に、カンチレバーホルダ１２６，１２７を介して設置されている。これによりカンチレバー１１１，１１２先端の金属探針の位置を０．１ｎｍ以下の精度で制御することができる。
【００６４】
実験の効率を上げるため、粗動機構１１３，１１４としてストローク数ｍｍ程度、精度１μｍ程度のもの、微動機構１１５，１１６として、ストローク数μｍ、精度０．０１ｎｍ程度のものを採用することが望ましい。これらの探針移動機構に加え、試料１１７および試料ホルダ１１８が、ゴム１１９により除振されたステージ１２０上に載っている。これにより、ステージ１２０の振動レベルを原子レベル以下に抑えることができる。
【００６５】
さらにこれらのシステムは、ＸＹステージ１２１上に設置されており、探針・試料が一体となってＳＥＭの対物レンズ１２２に対して移動可能となっている。このＸＹステージ１２１の移動距離は主に測定すべき試料サイズに依存するが、概ね１０ｍｍ程度のストロークを有していることが望ましい。測定では、ＳＥＭ観察により、各探針（カンチレバー）１１１，１１２を試料１１７表面上の所望の場所に移動させる。
【００６６】
すなわち、探針位置制御系１２３，１２４より駆動信号ＣＸ、ＣＹ、ＣＺを各粗動機構１１３，１１４に、ＦＸ、ＦＹ、ＦＺを各微動機構１１５，１１６に送ることにより行う。各カンチレバー１１１，１１２からは抵抗体の抵抗値Ｒが探針位置制御系１２３，１２４に送られており、探針・試料間の接触状況をモニタすることができる。
【００６７】
具体的には、ＳＥＭ像で位置を確認しながら、まず試料１１７に平行（Ｘ、Ｙ）方向に各探針１１１，１１２を移動させ、次に各探針１１１，１１２を試料１１７（Ｚ方向）に探針・試料間に原子間力が働くまで接近させる。この際、ＳＥＭの分解能は、高々１０ｎｍであるから、原子レベルで探針位置を所望のＸＹ面内の位置にセットするためには、原子間力顕微鏡法を用いて各探針で試料表面上を走査し、得られた画像から探針位置を割り出し、微動機構１１５，１１６により探針１１１，１１２の位置決めを行うことになる。探針位置決定後、電気特性測定系１２５より、各探針１１１，１１２及び試料１１７にバイアス電圧Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖｓが印加されるとともに、電流Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉｓが測定される。
【００６８】
これにより、極微小領域における電気特性測定が可能になる。図中点線内が図８に示す装置概略図の高真空システム１０１内に設置されており、探針位置制御系１２３，１２４および電気特性測定系１２５が、制御システム１０８内に設置されている。
【００６９】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００７０】
ここでは、本発明によるカンチレバーを用いた測定方法について述べる。
従来、走査型トンネル顕微鏡法を用いた方法では、図１０（ａ）に示すように、まず、各探針２０１，２０２と試料２０３間に予め設定したトンネル電流Ｉｔ₁、Ｉｔ₂が流れるように、トンネル電流制御系２０４，２０５および探針移動機構２０６，２０７により各探針２０１，２０２の位置を制御する。このとき、スイッチ２０８，２０９は閉、スイッチ２１０は開となっている。
【００７１】
続いて、試料の電気特性を測定する際には、スイッチ２０８，２０９を開、スイッチ２１０を閉にする。すなわち、図１０（ｂ）に示す閉ループを形成する。
ここで、Ｒ₁、Ｒ₂は、トンネル電流Ｉｔ₁、Ｉｔ₂、トンネル電圧Ｖ₁、Ｖ₂で決まる探針・試料間の接触抵抗値である。
【００７２】
例えば、バイアス電圧１Ｖ、トンネル電流１ｎＡで探針位置を保持した場合、接触抵抗は１ＧΩとなる。電圧を小さく（１０ｍＶ）、電流を大きく（１０ｎＡ）しても、接触抵抗は１ＭΩの程度であり、トンネル顕微鏡法により探針位置を制御する限り、これより小さい接触抵抗を実現することは困難であった。
【００７３】
これに対して、測定すべき試料の抵抗は、例えば、量子化コンダクタンスが現れるような系であっても数ｋΩ程度の抵抗であるから、測定すべき抵抗値よりも２桁以上も大きい接触抵抗が測定系に含まれているという状況であった。また、測定時はトンネル電流による探針の位置制御を行わないので、探針位置が一定に保たれているという保証もなかった。
【００７４】
図１１は探針・試料間距離と、探針・試料間の接触抵抗の関係を模式的に示す。従来法（ＳＴＭ）では、トンネル電流の流れる領域（トンネル領域）に探針位置を保持していたため、接触抵抗を１ＭΩ〜１ＧΩ程度にしか設定出来なかった。
【００７５】
これに対して、探針・試料間に働く力を検知して動作させる原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）では、探針・試料間距離を任意に（図１１に示す全領域で）設定できるので、数Ω程の低接触抵抗も実現可能となる。これが、本発明で原子間力顕微鏡法による探針位置制御を採用した理由である。
【００７６】
図１２は探針・試料間距離と探針・試料間に働く力の関係図である。図１１に示す低接触抵抗を実現するためには、探針・試料間距離を０．１ｎｍ程度に保つ必要がある。従って、探針・試料間に働く原子間力が斥力となるような領域で探針・試料間距離を制御する必要があることが分かる。斥力の大きさは、探針と試料の材質、コンタクト領域の大きさに依存するが、概ね１ｎＮ〜１μＮの大きさである。
【００７７】
図１３を用いて本発明を用いたナノトランジスタの測定例を説明する。
【００７８】
図１３（ａ）では、３本のカンチレバーを用いて、原子細線２１１，２１２，２１３および島状構造２１４からなるナノトランジスタの特性を測定する例が示されている。各カンチレバー２１５，２１６，２１７の自由端に設置された金属探針２１８，２１９，２２０は、それぞれ原子細線２１１，２１２，２１３（ソース２１１，ドレイン２１３，ゲート２１２）に接触している。
【００７９】
本発明によるカンチレバーを用いることにより、このように、１０ｎｍ領域に形成されたナノトランジスタの構成要素（ソース２１１，ドレイン２１３，ゲート２１２）に、金属探針２１８，２１９，２２０を低接触抵抗で接触させることができる。この状態で、ソース・ドレイン間電流のゲート電圧依存性を測定した結果を図１３（ｂ）に示す。
【００８０】
図１３（ｂ）では島状構造２１４にトラップされた電子の数ｎ（図中ではＮ＝ｎで表示）に依存して、電流・電圧特性の曲線がシフトしていく様子が測定されている。ここで、図中点線は、島状構造２１４にトラップされた電子の数が一定の場合の電流・電圧特性を示している。
【００８１】
従来、配線接続等によりマクロな測定系に接続して特性測定を行う必要があった。このような測定を本発明により簡単に、かつ精度良く行うことができる。
【００８２】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
【００８３】
図１４は本発明の第４実施例を示すカンチレバーの模式図である。
【００８４】
図１４（ａ）はカンチレバーの下面（試料側の面）の模式図である。第１実施例で説明したカンチレバー同様、本カンチレバー３０４上には、３つの電極３０１，３０２，３０３が形成されている。カンチレバー３０４の自由端には、金属探針３０５が設置されている。金属探針３０５の先端はカンチレバー３０４の自由端よりも飛び出している。なお、３０９，３１０はコンタクトホール電極である。
【００８５】
図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。カンチレバー３０４に圧電体３０６および、それを挟む形で電極３０７，３０８が形成されている。カンチレバー３０４が撓むことによって、すなわち、圧電体３０６が撓むことによって誘起された電圧を電極３０７，３０８を用いて検出するものである。
【００８６】
また、電極３０７はコンタクトホール電極３０９を介して電極３０１と、電極３０８はコンタクトホール電極３１０を介して電極３０２と〔図１４（ｄ）、Ｃ−Ｃ断面図参照〕接続されている。電気特性測定用の電極３０３は、これらの電極とは絶縁膜３１１により電気的に絶縁されている〔図１４（ｃ）、Ｂ−Ｂ断面図参照〕。
【００８７】
このような圧電効果を用いた撓み検出方式そのものは従来から知られていた〔例えば、レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメンツ、第６７巻（１９９６年）３８９６頁〜３９０３頁（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６７（１９９６）ｐｐ．３８９６−３９０３〕が、本発明による特徴点は、カンチレバー自由端に設置された金属探針の先端が、カンチレバー自由端よりも飛び出して設置されていること、圧電効果検出用の電極に加え、電気特性測定用の電極がカンチレバー上に形成されていることにある。
【００８８】
これにより、第１〜３実施例で述べたように、極微小領域での電気特性評価が可能になるのである。
【００８９】
次に、本発明の第５実施例について説明する。
【００９０】
ここでは、カンチレバー先端に金属探針を設置する別の実施例について説明する。第１実施例では、収束イオンビームを用いて金属探針を切断・接着する方法を説明したが、本実施例では、金属の選択成長の原理を用いて、カンチレバーの自由端に金属探針を形成する。本発明では、金属探針先端がカンチレバーの自由端より飛び出していることが重要であるから、金属探針の選択成長の向きを制御する必要がある。
【００９１】
図１５は本発明の第５実施例を示すカンチレバーの作製工程図である。
【００９２】
まず、カンチレバー３１２上の金属電極３１３に選択成長の種となる銀粒子３１４が蒸着されている。マスクを用いた蒸着により、粒径０．１μｍ程度の粒子を蒸着することができる。このカンチレバー３１２をイオウガス流中に図１５（ａ）に示した向きで設置し、ヒーター３１５により、温度を３００℃程度に保つ。イオウガスをキャピラリーチューブ３１６により、銀粒子３１４に一次元的に照射することで、銀粒子３１４を一種結晶として、図１５（ｂ）に示すように、イオウガス流の向きに硫化銀結晶（Ａｇ₂Ｓ）３１７を成長させることができる。これにより、硫化銀による金属探針を製作することができる。
【００９３】
このほか、金属ハロゲン化物を水蒸気流中で加熱還元して、金属ひげ結晶を成長させることにより、カンチレバー先端に探針を設けることもできる。この場合重要なことは、金属探針の先端がカンチレバーの自由端よりも飛び出していることであり、そのために、種結晶の位置および方位を制御する必要がある。例えば、ハロゲン化物として塩化銅（ＣｕＣｌ）を用いる場合、〔１００〕方向に成長するので、種結晶を〔１００〕方向が金属探針の成長するべき方向に一致するように設置する必要がある。この点、前記硫化銀結晶を用いる方法では、イオウガスの流れの向きを調整すれば良いので、選択成長の向きの制御が行い易いという利点がある。
【００９４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００９５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、低接触抵抗で極微小領域に複数の探針を接触させることができるため、ｎｍスケールの構造の電気特性評価を配線接続などの方法を用いることなく、高精度で測定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すカンチレバーの模式図である。
【図２】本発明による複数の探針を接近させた場合の模式図である。
【図３】従来型カンチレバーを用いた場合の模式図である。
【図４】本発明の第１実施例を示すカンチレバー基板の製造工程（その１）を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例を示すカンチレバー基板の製造工程（その２）を示す図である。
【図６】本発明の第１実施例を示すカンチレバー基板の製造工程（その３）を示す図である。
【図７】本発明の第１実施例を示すカンチレバー基板への金属探針の先端部の移植手順の一例を示す図である。
【図８】本発明の第２実施例を示すカンチレバーを搭載した電気特性測定装置のシステム概略図である。
【図９】本発明の電気特性測定装置のシステムの主要部である探針移動機構部を拡大した模式図である。
【図１０】従来のカンチレバーを用いた測定方法を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施例を示す探針・試料間距離と、探針・試料間の接触抵抗の関係を模式的に示す図である。
【図１２】本発明の第３実施例を示す探針・試料間距離と探針・試料間に働く力の関係図である。
【図１３】本発明を用いたナノトランジスタ動作特性測定の模式図である。
【図１４】本発明の第４実施例を示すカンチレバーの模式図である。
【図１５】本発明の第５実施例を示すカンチレバーの作製工程図である。
【図１６】本発明のカンチレバーの使用態様を示す図である。
【符号の説明】
１，２抵抗値測定用電極
３，４，３７，３０９，３１０コンタクトホール電極
５抵抗部
６，１８，１９，２０，２１，１１１，１１２，２１５，２１６，２１７，３０４，３１２カンチレバー
７，３９，３０１，３０２，３０３，３０７，３０８電極
８，５１，２１８，２１９，２２０，３０５金属探針
９，３３，３１１絶縁膜
１０支持基板
１１シリコン基板
１２酸化膜
１３導電性の部材
１４，１５，１６，１７，６１，６２，２０１，２０２探針
１４′，１５′，１６′，１７′ 金属探針先端部
３０ＳＯＩウエハ
３１，３４，３８，４０，４１マスク
３２イオン拡散領域
３５コンタクトホール
３６穴
５０探針ホルダ
５２，１２６，１２７カンチレバーホルダ
５３カンチレバー基板
５４プローブ
５５収束イオンビーム
５６，５９反応性ガス
５７接着部材
５８金属探針先端
６０試料ステージ
６３試料表面
１００，２０６，２０７探針移動機構
１０１超高真空システム
１０２除振台
１０３真空ポンプ
１０４，１０５カンチレバー交換機構
１０６試料交換機構
１０７カンチレバー・試料導入室
１０８制御システム
１０９走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）
１１０ＳＥＭ制御系
１１３，１１４粗動機構
１１５，１１６微動機構
１１７，２０３試料
１１８試料ホルダ
１１９ゴム
１２０ステージ
１２１ＸＹステージ
１２２対物レンズ
１２３，１２４探針位置制御系
１２５電気特性測定系
２０４，２０５トンネル電流制御系
２０８，２０９，２１０スイッチ
２１１，２１２，２１３原子細線
２１４島状構造
３０４カンチレバー部
３０６圧電体
３１３金属電極
３１４銀粒子
３１５ヒーター
３１６キャピラリーチューブ
３１７硫化銀結晶（Ａｇ₂Ｓ）

Claims

独立駆動の複数のカンチレバーを有し、探針・試料間の位置制御を原子間力顕微鏡法によって行う電気特性評価装置であって、前記カンチレバーの自由端部に金属探針を有し、該金属探針の先端が前記カンチレバーの自由端部よりも飛び出して設置されていることを特徴とする電気特性評価装置。
請求項１記載の電気特性評価装置において、前記金属探針は硫化銀で形成されることを特徴とする電気特性評価装置。
請求項１記載の電気特性評価装置において、前記カンチレバーに抵抗体を形成し、該カンチレバーの撓みを、前記抵抗体の抵抗値の変化から検出することを特徴とする電気特性評価装置。
請求項１記載の電気特性評価装置において、前記カンチレバーに圧電体を形成し、該カンチレバーの撓みを、前記圧電体の電位の変化から検出することを特徴とする電気特性評価装置。
請求項３又は４記載の電気特性評価装置において、前記カンチレバーないしカンチレバー支持基板上に少なくとも３つの電極を有し、その内２つの電極が前記抵抗体又は圧電体と接続され、残りの１つの電極が前記金属探針と接続されていることを特徴とする電気特性評価装置。
請求項１記載の電気特性評価装置において、前記探針・試料間に働く原子間力が斥力となるように探針・試料間の位置制御を行うことを特徴とする電気特性評価装置。
請求項２記載の電気特性評価装置において、前記硫化銀による金属探針は硫黄ガスを用いて前記カンチレバーの自由端方向へ選択成長させた金属探針であることを特徴とする電気特性評価装置。