JP4940983B2 - 引出配線の形成方法及び走査型プローブ顕微鏡用試料の作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、不純物が注入された半導体素子、半導体装置をはじめとする電子デバイスにおける不純物濃度を測定するための引出配線の形成方法、およびこの引出配線の形成方法を用いた走査型プローブ顕微鏡用供試試料の作成方法に関する。

半導体装置においては、ウエル領域、チャネルドープ領域等における不純物濃度及び不純物の分布が電子デバイスとしての特性に大きな影響を与える。
ところで、近年の半導体素子等の電子デバイスの微細化、薄層化の進展に伴って半導体基板や堆積させた薄膜の表面から浅い領域における不純物濃度分布を精度良く形成することが求められている。このような要請に応えるためには、測定対象領域における不純物濃度分布や電流分布を高精度に把握することが必要であり、その手段として、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force
Microscope）を用いた走査型拡がり抵抗顕微鏡（ＳＳＲＭ：Scanning Spread Resistance Microscope）、走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance.
Microscope）等の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning prove. Microscope）による測定方法が有効である。これらの装置を用いて供試試料における不純物に起因する局所的な電流分布を測定するためには、測定個所まで研摩して電流をアースに落とさなければならず、供試試料によっては後付の引出配線が必要となる。

半導体デバイスに対して引出配線を形成する従来技術として、例えば、特許文献１には、配線板の表面層にパターンを形成する方法において、導電性粉末を熱昇華性樹脂を含む有機バインダで溶いて導電ペーストとし、この導電性ペーストを配線板に塗布し、レーザを所望のパターン経路を走査しつつ連続的に照射し、これによって前記ペーストが固化したパターンを形成し、その後、不要なペーストを除去するパターン形成方法が開示されている。
また、特許文献２には、基材上に、導電性粉末を含有するポジ型感エネルギー線性ペースト組成物を塗装し、乾燥してポジ型感エネルギー線性被膜を形成する工程と、前記被膜上に、所望のパターンが得られるように活性エネルギー線又は熱線を、例えば特定形状のマスクを介して又は介さずに直接照射する工程と、照射部の被膜を現像処理により除去して導電性パターン被膜を形成する工程とを含む導電性パターン形成方法が開示されている。
また、特許文献３には、光硬化樹脂として絶縁性液状樹脂を用いる光造形法により、前記電気的絶縁層を形成する工程と、光硬化樹脂として導電性液状樹脂を用いる光造形法により、導電性液状樹脂に光照射して配線パターンとなる部位を光硬化させ、光硬化した部位以外の導電性液状樹脂を除去して配線層の配線パターンを形成する工程とを備えた配線基板の製造方法が開示されている。

特開平０３−２６２１８７号公報 特開２００２−２３６３５７号公報 特開２００４−２２６２３号公報

特許文献１ないし３に開示された配線パターン形成方法を、半導体デバイスにおける不純物濃度測定用試料の引出配線形成方法に適用しようとすると、例えば供試試料の上部配線層を除去するか、または電極パッド上に配線パターンを形成した後、裏面から目的とする箇所まで研磨する必要がある。
しかしながら、例えば、通常電力供給に用いられるワイヤーボンディングの場合、電極形成後に裏面から研磨して供試試料を薄片化することは非常に困難であり、仮に接着剤もしくは樹脂を用いて供試試料をガラス基板等に固定する際にも、電極上の溶融固定部のバンプ電極の形状（高さ）に違いがあるために、基板と試料の平行性を保つことが難しく、その後の研磨工程に悪影響を及ぼすという問題点がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、供試試料への引出配線の形成と、基板との接合を同時に行うことができ、しかも試料と基板の平行性を確保することができる引出配線の形成方法およびこの形成方法を適用した走査型プローブ顕微鏡用試料の作成方法を提供することにある。

本発明は、試料と透明基板とを、導電性物質を混合した光反応性樹脂又は熱反応性樹脂を含む導電層を介して、前記透明基板側から前記導電層に対して配線パターンに従った照射光を走査し、これによって前記光反応性樹脂又は熱反応性樹脂を硬化させて前記供試試料と前記透明基板とを固着させて接合し、その後、未硬化導電層を除去して引出配線を形成するものである。

本発明によれば、必要な配線箇所にのみ光を照射し、導電性物質含有樹脂を硬化させて配線を形成し、配線形成後に不必要な部分を除去するようにしたので、試料と透明基板との接着性が増大し、しかも、配線形成後に、未硬化樹脂を除去した部分に透明な樹脂を充填して供試試料と透明基板との平行性を確保することができる。また、不純物濃度の測定時に、裏面から光を照射することによって、測定箇所を容易に確認することもできる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明における最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。

図１は、本発明の引出配線の形成方法を説明するための概略図である。
図１において、測定用試料（以下、単に試料という）１１と、この試料１１上に、導体性物質と熱反応性樹脂又は光反応性樹脂とを混合したペースト状の導電剤かならる導電剤層１２を介して接合された透明基板１３が示されており、透明基板１３の情報には、光源１４が設けられており、光源１４と透明基板１３との間の所定位置に、レンズ１６が配置されている。
この状態において、光源１４から光線１５を照射しレンズ１６で目的とする線幅になるように収束させた後、導電層１２に照射する。光線１５が照射された光反応性樹脂は、所定の波長で反応して硬化する。または、熱反応性樹脂も、光線１５による熱で硬化反応を起こして硬化する。このように樹脂が硬化することによって、引出配線１７は、電流を通過させることが可能な導電経路が形成されるとともに、試料１１と透明基板１３とを固着させて接合、固定する。

透明基板１３としては、ガラス等の無機酸化物、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂が用いられ、特に、ガラス基板が好ましい。透明基板１３は、絶縁性であることが好ましく、また、光線１５又は光線１５に起因した熱が印加されることがあることから、光又は熱に対する耐久性があることが望ましい。
導電性物質としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属系粉末、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、マグネタイト等の粉末等が挙げられ、適宜選択して最適なものが用いられる。Ｃｕ粉末は、安価であり、酸化しにくく、長期にわたって安定して用いることができるので、特に好ましい。
また、光反応性樹脂としては、紫外線（ＵＶ）硬化性樹脂、赤外線（ＩＲ）硬化性樹脂、または可視光（ＶＬ）硬化性樹脂が挙げられる。このうちＵＶ硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビフェノール樹脂、不飽和ポリエステル、ウレタンジアクリレート、エポキシジアクリレート等のアクリル樹脂が挙げられる。ＶＬ硬化性樹脂としては、非芳香族アミンを挙げることができ、これは、メチルアクリル酸N,N-ジメチルアミノエチルエステルと、波長４００〜５００ｎｍの可視光を吸収することのできるケトンまたはジケトンとの混合物として得られる。
また、この他に、光反応性樹脂の代わりに光重合開始剤を含有させて光反応性を付与しても良い。光重合開始剤としては、ベンゾインモノメチルエーテル、ベンゾインメチルエーテルまたはベンゾフェノンが挙げられ、異なる光の波長に応じて適宜選択される。導電剤層１２を形成するときの樹脂の溶融粘度は１０〜３００Ｐａ・ｓであることが好ましいこのような粘度範囲とすることによって、その上に、透明基板１３を重ね、適当な圧力を付加することによって、平行性のとれた導電層１２を得ることができる。樹脂の溶融粘度は、フローテスターまたは回転式溶融粘度計により測定したものである。
熱反応性樹脂としては、シリコン系樹脂、（メタ）アクリル系樹脂、フッ素化（メタ）アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、フッ素化ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアリレート樹脂またはフッ素系樹脂をベースとする樹脂であればよく、これらは単独又は２種以上混合して使用される。特に、エポキシ樹脂がベース樹脂として好適に使用される。また、これら樹脂には、重合開始剤を適宜含有させておいても良いし、樹脂の末端に官能基を設けて熱に反応させるものであっても良い。
さらに、この他に、必要に応じて充填剤、重合禁止剤、改質剤、消泡剤等を任意に添加することができる。

照射する光線１５としては、例えば紫外、可視、赤外の波長を有する光又はこれらの波長を有するレーザ半導体によるレーザ光が用いられる。光線１５の波長、強度は、使用する樹脂及び／又は重合開始剤等の添加剤に合わせて適宜選択することができる。また、光線１５は、例えば、白色光、赤外線ランプ光または紫外線ランプ光が取り替え可能であり、被照射物に照射する光の波長を選択できる、特に、レーザダイオード（ＬＤ）によるレーザ光であることが好ましい。レーザ光は、他の波長の光線１５が混在することが少なく、さらに、指向性が強く、狭い範囲に収束させることが容易だからである。また、光路にレンズ１６を配置することが好ましい。光源１４から照射された光線１５であるレーザ光を、回折格子、光軸分離用の光学素子、立ち上げミラー、収差補正用の光学素子または対物レンズを介して、導電層１２面上に収束させることにより、光又は熱を供給して硬化反応を起こさせることができる。なお、光路に、レンズ１６を設けることなく、直接光を照射することもできる。

また、引出配線１７を所定の測定個所から外部に接続するための経路を形成する際、Ｘ−Ｙステージを用い、Ｘ−Ｙステージ上に試料１１を配置し、試料１１を連続的に移動させて引出配線１７を形成することもできる。連続した引出配線１７を形成するには、光源１４を移動させることも可能であるが、光源１４、レンズ等を同時に移動させなければならず、移動手段が大がかりなる。その点、試料台をＸ−Ｙステージとすることにより、試料台のみを移動させればよく、装置が簡単になる。
また、引出配線１７を形成するために、収束させた細い光線１５ではなく、透明基板１３上に、配線パターンが形成されたフォトマスクを載置し、導電層１２全体に光を照射して引出配線１７を形成することもできる。この場合は、フォトマスクに光を吸収する顔料、光を反射する表面処理を施しておくことが好ましい。これによって、露光後にフォトマスクを除去して、透明基板１３上に試料１１を固着させる引出配線１７を形成することができる。
また、樹脂、導電性物質で形成される導電剤層１２を、導電性物質と、光反応性樹脂または熱反応性樹脂を含むマイクロカプセルで形成することもできる。マイクロカプセルの中には、例えば導電性物質、樹脂、重合開始剤等が内包される。マイクロカプセルを製造する方法としては、水系溶媒中で有機相を乳化、懸濁又は凝集させる懸濁重合法、乳化重合法等が挙げられる。

図２は、本発明に係る引出配線の形成方法の過程を示す説明図である。
図２において、試料１１に不純物測定用の引出配線１７を形成する際は、先ず、透明基板１３に導電性物質として、例えば、粒径１０μm以下のＡｇ粒子と紫外線硬化型エポキシ樹脂を混合した導電剤を塗布し、試料１１と貼合せて積層し、透明基板１３と試料１１間に導電剤層１２を形成する。得られた透明基板１３、導電剤層１２及び試料１１からなる積層体をＸ・Ｙ方向に移動可能なＸ−Ｙステージ上に設置する（図２（１））。
次に、紫外線を発生させる光源１４と発生した光線１５を任意の箇所に収束するためのレンズ１６等の光学装置を用いて導電剤層１２に焦点を合わせて照射させる。このときに、Ｘ−Ｙステージを移動させながら目的とする箇所に光線１５を照射することによって、導電剤層１２中の樹脂を硬化させ導電経路としての引出配線１７を形成する（図２（２））。
その後、光線１５の照射されていない未反応で硬化していないエポキシ樹脂（導電剤層）を溶剤で取り除く（図２（３））。
その後、透明基板１３と試料１１との間に形成された空間に透明又は透過性の高い熱反応性樹脂を封入樹脂１８として流し込み、ホットプレート等で加熱して試料１１と透明基板１３を完全に固定する（図２（４））。
最後に、透明基板１３のある方向とは逆方向から、目的とする箇所まで研磨し測定用試料１１が完成する（図２（５））。

本発明の試料作成方法で作成した試料は、走査型プローブ顕微鏡用試料に適している。ＭＯＳトランジスタ等の半導体素子におけるキャリア分布測定には、二次イオン質量分析計（Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer：以下、ＳＩＭＳという）が広く使用されている。しかし、ＳＩＭＳは高感度であるものの、キャリア分布を一次元でしか測定できないという欠点がある。ところで、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一種に、走査型容量顕微鏡（Scanning Capacitance Microscope ：以下、ＳＣＭという）及び走査型拡がり抵抗顕微鏡（Scanning Spreading Resistance Microscope：以下、ＳＳＲＭという）がある。ＳＣＭでは、キャパシタセンサに接続された導電性の探針と半導体基板との間に電圧を印加したまま探針を測定面に沿って走査して容量分布を測定し、容量分布からキャリア分布を導出する。ＳＳＲＭでは、プローブに接続された導電性の探針と半導体基板との間に電圧を印加したまま探針を測定面に沿って走査して、探針に流れる電流を検出して拡がり抵抗分布を求め、拡がり抵抗分布からキャリア分布を導出する。これらのＳＣＭ又はＳＳＲＭを使用してキャリアの２次元分布を測定するためには、半導体素子の測定面を平坦にすることが必要になる。

図３は、走査型プローブ顕微鏡の構成を模式的に示す概略図である。
図３において、この走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）３０はコンタクト型原子間力顕微鏡（Atomic Force
Microscope：ＡＦＭ）を基本に、試料１１表面をコンタクト型ＡＦＭのフィードバック制御を利用してカンチレバー３５２の探針３５３の接触圧を強くして（負荷力を大きく設定して）走査するものである。導電性の高いプローブ３５を用い、試料１１に印加したバイアス電圧による探針３５３の接触位置の試料１１表面での微小電流を測定することによって、試料１１表面の局所的な抵抗分布を測定する。
走査型プローブ顕微鏡３０の測定部は、プローブ３５と、圧電素子を制御することにより、高さを適切な位置に配置するコントローラを有する試料台３１と、レーザ光を発信する半導体レーザ３３と、これを受光する趣向素器３４を備えている。プローブ３５は、カンチレバー３５２と、支持部３５１と、探針３５３とを有する。試料台３１の上には試料１１が載置される。ＡＥＭの測定は、探針３５３と試料１１との間の物理的相互作用として、探針３５３と試料１１の間に作用する力（原子間力）を検出する。探針３５３はカンチレバー３５２の先端部に取り付けられているため、探針３５３と試料１１の間に力が作用するとカンチレバー３５２が上下方向に撓むようになっている。半導体レーザ３３は、カンチレバー３５２上にレーザ光を出射する。レンズは、レーザ光をカンチレバー３５２の先端の適切な位置に照射するように収束させる。受光器３４は、レーザ光の反射光を検出することにより、カンチレバー３５２の撓み量を検出する。このとき、ＳＰＭ３０は、図３の探針３５３部分の拡大図として示したように、探針３５３から電流を流すことによって、その電流が図示省略した引出配線１７に流れた電流の値を走査、測定することによって、その間の不純物濃度、半導体素子の構造等を測定する。

図４は、本発明の走査型プローブ顕微鏡用の測定用試料を説明する概略図であって、図４（１）は、試料作成前の半導体素子４０の主要部構成を示す図である。図４（１）において、半導体素子４０の上に形成される保護膜層、層間絶縁層、コンタクトホール、金属配線等は省略してある。
図４（２）は、半導体４０を用いて作成した引出配線１７を有する供試試料１１を示す説明図である。図４（２）において、半導体素子４０の裏側に引出配線１７が設けられ、引出配線１７が透明基板１３と接触している。透明基板１３を利用してＣＭＰ等の研磨機にかけ、保護膜層等を除去して、測定しようとする、例えば、ソース／ドレインまで研磨する。研磨後、向きを上下逆にして研磨を進めている面にＳＰＭの探針３５３を接触又は接近させて、不純物の極性、不純物拡散層の構造がわかっている場合にはｐ−ｎ接合の位置、不純物濃度の定量解析を行う。このときに、引出配線１７は、試料１１と透明基板１３とにそれぞれ面接触していることから、両者を固着するように作用する。引出配線１７相互間は、例えば透明樹脂１８によって充填されている。
この場合、引出配線１７を形成するための導電剤層１２の樹脂粘度を、光又は熱によって重合するのに適したな粘度にしておくことによって、上方から透明基板１３に適当な圧力を付加して試料１１と透明基板１３との間の平行性を確保することができる。
従って、研磨時においても、試料１１と透明基板１３との間の平行性を保つことが容易であり、ＳＰＭ３０における測定時にも、試料１１表面が傾いていないので、探針３５３をスムーズに移動させることができ、これらによって、不純物の測定精度を高く維持することができる。
図４（３）は、ワイヤーボンディングでバンプ電極２１を付けて、引出線を設けた従来の供試試料を示す図である。しかし、このようなバンプ電極２１を適用した試料では、導電経路は、透明基板１３と試料１１とを固着させる作用を発揮摺るものではないので、接着強度が弱く、測定途中で剥離することがある。また、半導体４０と透明基板１３との間の空間を透明樹脂で封止しても、この場合は、バンプの高さを一定にすることが難しく、このために、その上に設けられる透明基板１３が傾いてしまう。このために、この基板を用いて研磨機で研摩しても、被研磨部材である半導体素子４０まで傾いてしまう（この傾きは、図４（３）の引出線で示してある。）。このために、ＳＰＭの測定において、検出誤差が大きくなる。

本発明に係る引出配線の形成方法を適用した方法で作成した試料は、平行性を保持し、かつ、導電性を有するので、ＡＦＭを利用したＳＰＭの試料作成に適している。
また、本発明に係る引出配線の形成方法の活用例としては、ＳＰＭと同一のタイプのＳＳＲＭ、ＳＣＭ等の電力を供給しながら半導体デバイスの抵抗、容量、電流などの２次元分布の観察用試料が典型的なものであるが、電力を供給しながら観察する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの試料作製にも十分適用できるものである。

本発明の引出配線の形成方法を説明するための概略図である。 本発明の引出配線の形成方法の具体的工程を示す概略図である。 走査型プローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。 本発明の走査型プローブ顕微鏡のための測定用試料を説明するための概略図である。

符号の説明

１１ 試料
１２ 導電層
１３ 透明基板
１４ 光源
１５ 光線
１６ レンズ
１７ 引出配線
１８ 封入樹脂
１９ 測定個所
２０ Ｘ−Ｙステージ
２１ バンプ電極
３０ 走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）
３１ 試料台
３２ ピエゾ加振器
３３ レーザ
３４ 受光器
３５ プローブ
３５１ 支持部
３５２ カンチレバー
３５３ 探針
４０ 半導体素子
４１ ソース／ドレイン
４２ ゲート
４３ チャネル
４４ ＳＴＩ
４５ ウェル領域
４６ 半導体基板

Claims (5)

1. 試料と透明基板との間に、導電性物質と光反応性樹脂又は熱反応性樹脂とを含む導電剤で導電剤層を形成し、
   前記透明基板側から前記導電剤層に光を照射して前記光反応性樹脂又は熱反応性樹脂を硬化させて前記試料と前記透明基板とを固着させ、その後、前記樹脂の未硬化部分を除去して硬化部分からなる引出配線を形成する
   ことを特徴とする引出配線の形成方法。
2. 請求項１に記載の引出配線の形成方法において、
   前記試料をＸ−Ｙステージ上に設置し、連続的に移動させて前記引出配線を連続的に形成する
   ことを特徴とする引出配線の形成方法。
3. 請求項１に記載の引出配線の形成方法において、
   前記透明基板上に前記引出配線のパターンが形成されたフォトマスクを載置し、前記導電剤層全体に光を照射して前記引出配線を形成する
   ことを特徴とする引出配線の形成方法。
4. 請求項１ないし４のいずれかに記載の引出配線の形成方法において、
   前記導電剤層は、前記導電性物質と、前記光反応性樹脂又は熱反応性樹脂が内包されたマイクロカプセルで形成されている
   ことを特徴とする引出配線の形成方法。
5. 電流を供給しながら試料内部を測定する走査型プローブ顕微鏡用試料の作成方法において、
   試料が半導体素子であって、請求項１ないし４のいずれかに記載の引出配線の形成方法によって引出配線を形成して供試試料とする
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用試料の作成方法。

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