JP5141064B2

JP5141064B2 - 探針及びそれを用いた測定装置

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Publication number: JP5141064B2
Application number: JP2007079726A
Authority: JP
Inventors: 俊久穴澤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP2008241346A

Description

本発明は、半導体装置の検査に好適な探針及びそれを用いた測定装置に関する。

半導体装置の検査はプローバ等を用いて行われているが、近年、半導体装置の微細化に伴って、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いた検査も行われるようになってきている。ＳＰＭには、１ｎｍ以下の位置精度で測定対象に探針を接触させることが可能であるという利点、及びＳＰＭ自身が測定対象の画像を取得できるという利点がある。

ＳＰＭは、半導体装置の検査のみならず、半導体装置の構成要素の物性の測定にも用いられている。例えば、ＳＰＭの一種である走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ）を用いてのトランジスタの不純物の濃度分布の測定、及びパルススイッチング法による強誘電体膜のスイッチング電荷量の測定等が行われている。

但し、ＳＰＭを用いて半導体装置の検査を行う場合、その探針の先端が非常に先鋭であるため、試料への接触面積が小さく、良好な電気的接続を得ることが困難なことがある。図１２に示すように、プローバの探針１１１の先端は湾曲しているため、試料のパッド１５１との接触面積を確保しやすいが、ＳＰＭの探針１２１の先端は先鋭であるため、図１３に示すように、接触面積の確保が困難なのである。なお、試料のパッド１５１の下には、絶縁部１５２及び配線１５３等が設けられている。

また、ＳＣＭを用いての不純物の濃度分布の測定では、信号強度が接触面積に比例するため、接触面積の拡大が望まれている。更に、パルススイッチング法による強誘電体膜のスイッチング電荷量の測定では、接触面積が小さい場合は十分な信号強度を得ることができないため、予め強誘電体膜上に上部電極を形成している。このため、ウェハ上でのスイッチング特性分布の測定等が不可能である。

図１４Ａに示すように、パッド１５１の表面が粗い場合、探針１２１とパッド１５１との接触面積の確保が特に困難である。

これらの事情を鑑みて、ＳＰＭの探針の改良に関する種々の研究が行われている。例えば、探針の先端に厚さが数百ｎｍ程度の金属膜を形成することにより、探針の曲率半径を大きくする技術、及び微細加工によって探針の先端を平面状にする技術が知られている。しかしながら、図１４Ｂ及び図１４Ｃに示すように、曲率半径を大きくした探針１３１及び先端が平面状に加工された探針１４１によっても、表面が粗いパッド１５１との接触面積を確保することは困難である。

特開２００３−１４９１２２号公報特開２００３−１６６９２８号公報特開２００２−３２３４２９号公報特開平６−２６４２１７号公報

本発明の目的は、試料との良好な電気的接触を確保することができる探針及びそれを用いた測定装置を提供することにある。

本願発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明に係る探針には、探針基部と、少なくとも前記探針基部の先端を覆う導電性弾性体と、が設けられている。前記導電性弾性体は、前記探針基部よりも弾性変形しやすい。前記導電性弾性体は、試料のパッドに押圧されて変形する。

本発明に係る測定装置には、上記の探針と、前記探針を試料のパッドに押圧する押圧力を制御する力制御手段と、前記探針を介して試料の電気的特性を検出する検出手段と、が設けられている。

本発明によれば、導電性弾性体の変形により、試料との間の接触面積を広く確保することができる。従って、試料との間の電気的接触を良好なものとすることができる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の探針を示す正面図であり、図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るＳＰＭの探針を示す断面図である。

第１の実施形態には、先端が尖った探針基部１１が設けられており、この探針基部１１の先端に、楕円体状又は球状の導電性ゴム材１２が固定されている。そして、探針基部１１及び導電性ゴム材１２からＳＰＭの探針が構成されている。探針基部１１としては、従来のＳＰＭの探針が用いられている。本実施形態では、導電性ゴム材１２が導電性弾性体に相当する。

このような探針が試料に押し付けられると、導電性ゴム材１２がその弾性に応じて変形する。例えば、図２に示すように、パッド５１、絶縁部５２及び配線５３が設けられた試料のパッド５１に探針が押し付けられると、導電性ゴム材１２がパッド５１の表面の凹凸に倣って変形する。従って、これらの接触面積が広く確保される。この結果、探針とパッド５１との間の電気的接触が良好なものとなる。

このような導電性ゴム材１２の変形は、不純物の濃度分布の測定、及び強誘電体膜のスイッチング電荷量の測定の際にも生じるため、これらの測定においても十分な接触面積を確保することができ、電気的特性の良好な測定が可能となる。

次に、第１の実施形態に係る探針を製造する方法について説明する。図３Ａ乃至図３Ｄは、第１の実施形態に係る探針の製造方法を工程順に示す模式図である。

先ず、図３Ａに示すように、カンチレバー１３の自由端に探針基部１１を固定する。また、基台１６上に導電性ゴム材１２の原料である液体導電性ゴム１７を載せておく。次に、図３Ｂに示すように、探針基部１１の先端を液体導電性ゴム１７に接触させる。次いで、図３Ｃに示すように、探針基部１１を液体導電性ゴム１７から引き上げる。この結果、探針基部１１の先端に液体導電性ゴム１７が付着する。そして、探針基部１１の先端に付着している液体導電性ゴム１７を硬化させる。この結果、図３Ｄに示すように、導電性ゴム材１２が探針基部１１の先端に固定される。

このようにして第１の実施形態に係る探針が製造される。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４Ａは、本発明の第２の実施形態に係るＳＰＭの探針を示す正面図であり、図４Ｂは、本発明の第２の実施形態に係るＳＰＭの探針を示す断面図である。

第２の実施形態には、先端が尖った探針基部２１が設けられており、この探針基部２１の側面が導電性ゴム材２２により覆われている。そして、探針基部２１及び導電性ゴム材２２からＳＰＭの探針が構成されている。探針基部２１としては、探針基部１１と同様に、従来のＳＰＭの探針が用いられている。本実施形態でも、導電性ゴム材２２が導電性弾性体に相当する。

このような探針が試料に押し付けられると、導電性ゴム材２２がその弾性に応じて変形する。例えば、図５に示すように、試料のパッド５１に探針が押し付けられると、導電性ゴム材２２がパッド５１の表面の凹凸に倣って変形する。従って、これらの接触面積が広く確保される。この結果、探針とパッド５１との間の電気的接触が良好なものとなる。

このような導電性ゴム材２２の変形は、不純物の濃度分布の測定、及び強誘電体膜のスイッチング電荷量の測定の際にも生じるため、これらの測定においても十分な接触面積を確保することができ、電気的特性の良好な測定が可能となる。

次に、第２の実施形態に係る探針を製造する方法について説明する。図６Ａ乃至図６Ｄは、第２の実施形態に係る探針の製造方法を工程順に示す模式図である。

先ず、図６Ａに示すように、カンチレバー２３の自由端に探針基部２１を固定する。また、容器２６内に導電性ゴム材２２の原料である液体導電性ゴム２７を溜めておく。次に、図６Ｂに示すように、探針基部２１を液体導電性ゴム１７に浸漬する。次いで、図６Ｃに示すように、探針基部２１を液体導電性ゴム２７から引き上げる。この結果、探針基部２１の周囲に液体導電性ゴム２７が付着する。そして、探針基部２１の周囲に付着している液体導電性ゴム２７を硬化させる。この結果、図６Ｄに示すように、導電性ゴム材２２により探針基部１１の側面が覆われる。

このようにして第２の実施形態に係る探針が製造される。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係るＳＰＭの探針を示す模式図である。

第３の実施形態には、先端が尖った探針基部３１が設けられており、この探針基部３１の先端に、楕円体状又は球状の絶縁性ゴム材３２が固定されている。また、絶縁性ゴム材３２中に複数のカーボン粒子等の導電性粒子３３が分散している。そして、探針基部３１、絶縁性ゴム材３２及び導電性粒子３３からＳＰＭの探針が構成されている。探針基部３１としては、探針基部１１と同様に、従来のＳＰＭの探針が用いられている。本実施形態では、絶縁性ゴム材３２が絶縁性を示すが、導電性粒子３３が分散しているため、絶縁性ゴム材３２及び導電性粒子３３から構成された導電性弾性体は導電性を示す。

このような第３の実施形態によっても第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。

第３の実施形態に係る探針を製造するためには、例えば、第１の実施形態に係る探針を製造する際に用いる液体導電性ゴム１７を、導電性粒子３３を分散させた液体絶縁性ゴムに代えればよい。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図８は、本発明の第４の実施形態に係るＳＰＭの探針を示す模式図である。

第４の実施形態には、先端が尖った探針基部４１が設けられており、この探針基部４１の側面が絶縁性ゴム材４２により覆われている。また、絶縁性ゴム材４２中に複数のカーボン粒子等の導電性粒子４３が分散している。そして、探針基部４１、絶縁性ゴム材４２及び導電性粒子４３からＳＰＭの探針が構成されている。探針基部４１としては、探針基部１１と同様に、従来のＳＰＭの探針が用いられている。本実施形態では、絶縁性ゴム材４２が絶縁性を示すが、導電性粒子４３が分散しているため、絶縁性ゴム材４２及び導電性粒子４３から構成された導電性弾性体は導電性を示す。

このような第４の実施形態によっても第２の実施形態と同様の作用効果が得られる。

第４の実施形態に係る探針を製造するためには、例えば、第２の実施形態に係る探針を製造する際に用いる液体導電性ゴム２７を、導電性粒子４３を分散させた液体絶縁性ゴムに代えればよい。

ここで、これらの実施形態に係る探針（以下、本探針という）を用いて半導体装置の検査を行う方法について説明する。

先ず、試料の測定部位に探針を接触させるために、表面の形状を測定する。但し、コンタクトモードで表面形状を測定する場合には、本探針の試料との間の摩擦係数は従来の探針と比較すると大きくなると考えられ、また、本探針の強度は従来の探針よりも低くなると考えられる。このため、本探針に加える押圧力は、従来の探針を用いる場合よりも弱くすることが好ましい。探針に加える力を弱めた場合には、導電性弾性体の変形量が小さくなり、試料の表面が導電性弾性体の最先端部により探知されることになるため、従来と同等の力を加えた場合と比較して、表面形状の測定における分解能が高くなるという利点もある。また、タッピングモード（周期的接触モード）で表面形状を測定する場合には、本探針の振幅を小さくすることにより、本探針の先端に作用する押圧力を小さくすることが好ましい。従って、測定装置には、このような押圧力の制御を行うための手段を設けておくことが好ましい。

なお、本探針を用いた場合、その先端の曲率半径が従来のものよりも大きいため、従来の探針よりも分解能が低くなる可能性もあるが、パッド及び配線等のサイズは数十ｎｍ以上であることが多いため、本探針によっても十分に表面形状を測定することができる。

表面形状の測定の完了後には、本探針を所望の測定部位に移動させて、パッド等に接触させながら力を加える。このとき、本探針に加える力を加減することにより、導電性弾性体の変形量を調整することが可能であるため、十分な接触面積を確保することができる。そして、本探針を介して試料の状態を検出することにより、電気的特性等の測定を行う。

その後、本探針を次の測定部位に移動させ、そこでの電気的特性等の測定を行う。但し、本探針の移動に際しては、引きずりによる本探針の損傷を防ぐため、本探針を試料から引き上げ、試料から離間した状態で移動させ、次の測定部位の上方から本探針を下ろすことが好ましい。そして、このような測定及び移動を繰り返せばよい。

なお、ウェハ全面の網羅的測定等、試料の形状の事前の画像化が不要な場合には、高さ測定の後に続けて電気的特性等の測定及び移動を繰り返すことにより、走査を１回で済ませることも可能である。

このような方法によれば、十分な面積の確保により良好な電気的接触を得ることが可能となる。従って、ＳＣＭによる不純物濃度分布の測定に適用した場合には、高い信号雑音比が得られる。また、パルススイッチング法による強誘電体膜のスイッチング電荷量の測定に適用した場合には、固定した上部電極を設けずともウェハレベルでの測定が可能となる。

なお、第３及び第４の実施形態では、導電性粒子として、粒径が適切なものを用いることが好ましい。一般的に、パッド等のサイズは数十ｎｍ以上であり、探針との接触部分の最大径は１０ｎｍ〜数百ｎｍ程度である。従って、例えば第３の実施形態の導電性粒子３３として粒径が１０ｎｍ程度のものを用いると、図９Ａに示すように、導電性粒子３３のみがパッド５１に接触し、導電性弾性体の変形を得られないことがある。これは、第４の実施形態においても同様である。また、例えば第４の実施形態の導電性粒子４３として粒径が１０ｎｍ程度のものを用いると、図９Ｂに示すように、導電性粒子３３の個数密度が低いために、導電性弾性体の変形が得られても、導電性粒子３３を介した導通の確保が困難になることがある。これは、第３の実施形態においても同様である。このため、必要とされる接触面積等に応じて、適切な粒径の導電性粒子を用いることが好ましい。特に粒径が小さい導電性粒子としては、例えばフラーレンが挙げられる。フラーレンの粒径はナノオーダーである。

また、パッド５１の表面の凹凸が粗い場合には、図１０に示すように、導電性ゴム材１２が変形しても、接触面積がやや不足することも考えられる。このような場合であっても、図１１に示すように、パッド５１の表面を吸着水１８で覆うことにより、十分な導電性を確保することが可能である。特に、パッド５１の表面に予め塩化カルシウム等の潮解性イオン物質の飽和水溶液を塗布しておけば、吸着水１８の量を増加させることができ、また、吸着水１８の電気伝導度を高めることができる。従って、このような飽和水溶液を塗布していない場合と比較して、より大きな隙間があっても良好な電気的接触を確保することができる。なお、図１０及び図１１には、第１の実施形態に係る探針を示しているが、第２〜第４の実施形態についても同様である。また、飽和水溶液の塗布による効果は、本発明に係る探針のみならず、従来の探針を用いた場合にも得られる。

なお、導電性弾性体の材料は、探針基部よりも弾性変形しやすければ特に限定されないが、試料が変形しやすい材料から構成されている場合には、試料が弾性変形する範囲内で自身も弾性変形する材料から構成されていることが好ましい。試料が塑性変形する程度の力がなければ導電性弾性体が弾性変形しない場合には、試料の形状が復元しないからである。また、導電性弾性体は、試料の材料よりも変形しやすい材料から構成されていることが望ましい。弾性変形であっても必要以上に試料を変形させないためである。例えば、ラテックス等のゴムだけでなく、ポリアセチレン又はポリピロール等を含む導電性樹脂材を用いることもできる。ポリアセチレンを含む導電性樹脂材の形成に当たっては、例えば、予め触媒が塗布された探針基部をアセチレンと接触させて探針基部の表面にポリアセチレン膜を形成し、次に、よう素又は臭素等をドープする。この結果、ポリアセチレン膜に導電性が付与される。ポリピロールを含む導電性樹脂材の形成に当たっては、例えば、予め表面に金属薄膜が形成された探針基部を電極としてピロール類を含んだ溶液中で電解重合する。この結果、探針基部の表面に、ドープされた状態のポリピロール膜が形成される。また、溶媒に溶解した可溶性ポリピロールを探針基部に塗布し、その後に乾燥させることによって導電性樹脂膜を形成することも可能である。一般の樹脂材を用いる場合には、例えば、探針基部の表面に絶縁性の樹脂膜を形成し、この表面に機械的特性を損なわない程度の厚さの金属薄膜を蒸着等により形成して導電性を付与すればよい。また、ゴム材を用いる場合に、探針基部で適当な大きさの絶縁性ラテックス球を押えた状態で加熱する等して探針基部の先端に取り付け、この表面に導電性を付与してもよい。

なお、特許文献３に、形状測定時と電気測定時との間で探針の押圧力を変化させることが記載されているが、特許文献３に記載の探針は試料表面の絶縁性酸化膜を破壊しても、接触面積を拡大するものではない。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
探針基部と、
少なくとも前記探針基部の先端を覆い、前記探針基部よりも弾性変形しやすい導電性弾性体と、
を有することを特徴とする探針。

（付記２）
走査型プローブ顕微鏡に用いられることを特徴とする付記１に記載の探針。

（付記３）
前記導電性弾性体は、導電性樹脂材を有することを特徴とする付記１又は２に記載の探針。

（付記４）
前記導電性弾性体は、
絶縁性樹脂材と、
前記絶縁性ゴム材中に分散した複数の導電性粒子と、
を有することを特徴とする付記１又は２に記載の探針。

（付記５）
付記１乃至４のいずれか１項に記載の探針と、
前記探針に作用する押圧力を制御する力制御手段と、
前記探針を介して試料の状態を検出する検出手段と、
を有することを特徴とする測定装置。

（付記６）
試料の表面に潮解性イオン物質を含有する水溶液を塗布する工程と、
前記水溶液中に付記１乃至４のいずれか１項に記載の探針を挿入して前記試料の電気的特性を測定する工程と、
を有することを特徴とする測定方法。

（付記７）
試料の表面に潮解性イオン物質を含有する水溶液を塗布する工程と、
前記水溶液中に探針を挿入して前記試料の電気的特性を測定する工程と、
を有することを特徴とする測定方法。

（付記８）
探針基部に、少なくとも前記探針基部の先端を覆い、前記探針基部よりも弾性変形しやすい導電性弾性体を固定する工程を有することを特徴とする探針の製造方法。

（付記９）
前記導電性弾性体を固定する工程は、
前記探針基部の少なくとも先端に、液状の導電性樹脂を付着させる工程と、
前記液状の導電性樹脂を固化させる工程と、
を有することを特徴とする付記８に記載の探針の製造方法。

（付記１０）
前記導電性弾性体を固定する工程は、
前記探針基部の少なくとも先端に、導電性粒子が分散した液状の絶縁性樹脂を付着させる工程と、
前記液状の絶縁性樹脂を固化させる工程と、
を有することを特徴とする付記８に記載の探針の製造方法。

（付記１１）
前記導電性弾性体を固定する工程は、
前記探針基部の少なくとも先端に、絶縁性樹脂材を固定する工程と、
前記絶縁性樹脂の表面に導電性を付与する工程と、
を有することを特徴とする付記８に記載の探針の製造方法。

本発明の第１の実施形態に係るＳＰＭの探針を示す正面図である。第１の実施形態に係るＳＰＭの探針を示す断面図である。第１の実施形態に係るＳＰＭの探針の作用を示す模式図である。第１の実施形態に係る探針の製造方法を示す模式図である。図３Ａに引き続き、探針の製造方法を示す模式図である。図３Ｂに引き続き、探針の製造方法を示す模式図である。図３Ｃに引き続き、探針の製造方法を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係るＳＰＭの探針を示す正面図である。第２の実施形態に係るＳＰＭの探針を示す断面図である。第２の実施形態に係るＳＰＭの探針の作用を示す模式図である。第２の実施形態に係る探針の製造方法を示す模式図である。図６Ａに引き続き、探針の製造方法を示す模式図である。図６Ｂに引き続き、探針の製造方法を示す模式図である。図６Ｃに引き続き、探針の製造方法を示す模式図である。本発明の第３の実施形態に係るＳＰＭの探針を示す模式図である。本発明の第４の実施形態に係るＳＰＭの探針を示す模式図である。導電性粒子３３の粒径が大きすぎる場合の不具合を示す模式図である。導電性粒子４３の粒径が大きすぎる場合の不具合を示す模式図である。試料の表面の凹凸が粗い場合の不具合を示す模式図である。試料の表面の凹凸が粗い場合の測定方法を示す模式図である。プローバの探針を示す図である。ＳＰＭの探針を示す図である。従来の探針とパッドとの関係を示す図である。従来の他の探針とパッドとの関係を示す図である。従来の更に他の探針とパッドとの関係を示す図である。

符号の説明

１１、２１、３１、４１探針基部
１２、２２：導電性ゴム材
３２、４２：絶縁性ゴム材
３３、４３：導電性粒子

Claims

探針基部と、
少なくとも前記探針基部の先端を覆い、前記探針基部よりも弾性変形しやすい導電性弾性体と、
を有し、
前記導電性弾性体は、試料のパッドに押圧されて変形することを特徴とする探針。
走査型プローブ顕微鏡に用いられることを特徴とする請求項１に記載の探針。
前記導電性弾性体は、導電性樹脂材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の探針。
前記導電性弾性体は、
絶縁性樹脂材と、
前記絶縁性ゴム材中に分散した複数の導電性粒子と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の探針。
前記導電性粒子は、カーボン粒子を含むことを特徴とする請求項４に記載の探針。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の探針と、
前記探針を試料のパッドに押圧する押圧力を制御する力制御手段と、
前記探針を介して試料の電気的特性を検出する検出手段と、
を有することを特徴とする測定装置。
試料の表面に潮解性イオン物質を含有する水溶液を塗布する工程と、
前記水溶液中に請求項１乃至５のいずれか１項に記載の探針を挿入して前記試料の電気的特性を測定する工程と、
前記探針を試料のパッドに押圧する押圧力を制御する工程と、
を有することを特徴とする測定方法。