JP7065124B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造に関する。

半導体装置の製造において、製造工程の管理技術は製品歩留まり向上やスループット向上のために重要である。工程管理のための検査装置には、プローブと呼ばれる探針を試料に直接接触させ、電気特性評価を行う装置がある。

特許文献１には、半導体ウェハのスクライブ領域に多数配置された評価用の試料（Ｔｅｓｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｇｒｏｕｐ；以下、ＴＥＧと称する）を測定することにより、半導体装置の歩留まりを向上することのできる技術が開示されている。特許文献２には、試料室に接続され、試料を一時貯留する試料交換室と、試料交換室と試料室の間で試料を搬送させる搬送手段とを備え、プローブ粗寄せ画像取得装置を電子光学系装置に並列して設けてあり、試料ステージおよびプローブユニットをプローブ粗寄せ画像取得装置の垂直方向の位置と電子光学系装置の垂直方向の位置との間を水平方向に移動させる技術が開示されている。特許文献３には、荷電粒子線を試料ウェハに照射する荷電粒子光学系装置と、試料室内を自在に移動する試料ステージと、プローブ針が設けられたプローバを搭載して、試料室内を自在に移動するプローバステージと、プローバの位置を粗寄せするときに試料ウェハの光学画像を取得する粗寄せ画像取得ユニットと、荷電粒子線を走査させながら照射したときに試料ウェハから放出される二次荷電粒子の検出信号に基づき荷電粒子画像を取得する荷電粒子画像取得ユニットと、プローブ針から得られる電流または電圧を検出する電流電圧検出ユニットと、制御コンピュータと、を含んで構成される半導体検査装置が開示されている。

特開２００２－２１７２５８号公報 特開２００５－１８９２３９号公報 特開２０１３－１８７５１０号公報

半導体デバイスの微細化に伴い、ウェハ上のスクライブ領域も減少傾向にある。このため、スクライブ領域に配置されるＴＥＧも小さくする必要があり、探針接触用の電極パッドを効率的に配置する必要がある。従って、電極パッドの効率的なレイアウトとプローブを対応させる必要がある。特許文献１～３に開示の技術では、各々のプローブが独立して搭載されており、各プローブを電極パッドに接触させるための制御に時間を要する。

本発明の目的は、電気特性評価を容易にするためのＴＥＧの電極パッドのレイアウトと、プローブとを対応させる技術を提供することにある。

本発明の半導体装置の製造方法では、扇状に配列された複数のプローブ、またはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術で製造されたプローブに対応するＴＥＧの電極パッドのレイアウトとすることで、上述の課題を解決する。

本発明によれば、電気特性評価を容易にするためのＴＥＧの電極パッドのレイアウトと、プローブとを対応させることができる。ひいては、半導体装置の製造の前工程における生産性を向上させることができる。

本発明の実施例である電気特性評価装置の概略図である。 本発明の実施例であるプローブモジュールの概略図である。 試料の例である半導体ウェハの概略図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧの電極パッドの配置の例を示す図である。 スクライブ領域上の微小ＦＥＴＴＥＧの電極パッドの配置の例を示す図である。 プローブモジュールの配置の一例を示す図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧの電極パッド配置の例を示す図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧの電極パッド配置の変形例を示す図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧの電極パッド配置の変形例を示す図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブを搭載したプローブモジュールの概略を示す斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブを搭載したプローブモジュールの概略を示す平面図である。 本発明の実施例であるプローブカートリッジの試料と面する側とは反対側の斜視図である。 本発明の実施例であるプローブカートリッジの試料と面する側の斜視図である。 本発明の実施例であるプローブカートリッジの試料と面する側の斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの全体斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブのカンチレバーの斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの断面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造フロー図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブのカンチレバーの斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブのカンチレバーの斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの断面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの全体斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの断面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの断面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造フロー図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 プローブがＴＥＧの電極パッドに接触した際の様子を示す概略図である。 プローブがＴＥＧの電極パッドに接触した際の様子を示す概略図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧ配置の例を示す図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧ配置の例を示す図である。 プローブカートリッジの各プローブの正常度確認用電極パッドの例の概略図である。 プローブカートリッジを用いた電気特性評価のフローチャートの例である。 荷電粒子線を照射して電気特性測定をする例を示す図である。 荷電粒子線の照射を照射しない状態で電気特性測定をする例を示す図である。 吸収電流画像の例を示す図である。 半導体装置の製造工程の内の前工程のフローの例を示す図である。 本発明の半導体装置の製造工程の例を示す図である。

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例である半導体装置の製造工程で用いることができる電気特性評価装置の一例を示している。電気特性評価装置１００は、真空チャンバー内に走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；以下、ＳＥＭと称する）鏡筒１０３と、ＳＥＭ観察を行うための検出器１０４と、試料ホルダ１０５に保持された試料１０１を搭載する試料ステージ１０２と、試料１０１に接触させ電気特性評価を行うプローブカートリッジ１０６と、プローブカートリッジ１０６を搭載し駆動させるためのプローブ駆動機構１０７と、プローブカートリッジ１０６の交換を行うためのプローブ交換機１１０と、ＳＥＭおよびプローブユニットを制御するための制御器１０８と、試料１０１やプローブカートリッジ１０６のＳＥＭ像を表示する表示装置１０９と、試料室１１３と、を備える。

ＳＥＭ鏡筒１０３は、電子銃と、コンデンサーレンズと、可動絞りと、偏向器と、対物レンズと、を備える。電子銃は、一次電子線を発生させる電子源を備え、電子源の種類はフィラメント方式、ショットキー方式、またはフィールドエミッション方式のどれを用いても良い。また、偏向器は、一次電子線を偏向させ試料１０１上を走査するために用いられ、磁界偏向型あるいは静電偏向型が用いられる。一般的にＳＥＭ鏡筒１０３の対物レンズは、磁場による電子の集束作用を用いた磁界レンズが用いられる。検出器１０４は、図１のようにＳＥＭ鏡筒１０３の外部に搭載されたものでも良いし、ＳＥＭ鏡筒１０３の内部に搭載されたものでも良い。

試料ステージ１０２は、モーターにより駆動され、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向に加え、傾斜やＺ軸を中心とした回転が可能である。なお、Ｘ軸およびＹ軸は水平方向であり、Ｚ軸はＸ軸およびＹ軸に直交する方向である。プローブ駆動機構１０７は、圧電素子を用いたものであり、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向にナノオーダーでプローブ１０６を駆動させることが可能である。

プローブ交換機１１０は、予備のプローブカートリッジ１１２と、プローブ交換機構１１１と、を備える。また、プローブ交換機１１０は、予備排気系に接続されており、真空チャンバーである試料室１１３を大気に戻さない状態での、プローブカートリッジ１０６のプローブカートリッジ１１２への交換を可能にする。予め、プローブ交換機１１０に複数個の予備のプローブカートリッジ１１２を搭載し、さらに交換機構を自動制御することで、半導体素子や配線の電気特性評価の際のプローブカートリッジ交換の自動化が可能である。

制御器１０８は、荷電粒子画像取得ユニット１１４ａと、電流電圧検出ユニット１１４ｂと、電流電圧画像取得ユニット１１４ｃと、制御コンピュータ１１４ｄと、を有する。荷電粒子画像取得ユニット１１４ａは、荷電粒子線であるＳＥＭ鏡筒１０３からの電子線を走査させながら試料１０１に照射したとき、試料１０１から放出される二次荷電粒子の検出器１０４による検出信号を取得し、その二次荷電粒子の検出信号と荷電粒子線である電子線を走査させる制御信号とに基づき、試料１０１の荷電粒子画像を生成し、取得する。なお、本実施例では荷電粒子線が電子線であるので、このようにして取得される荷電粒子画像は、ＳＥＭ画像と呼ばれる。

電流電圧検出ユニット１１４ｂは、電流電圧検出回路、電流電圧源回路などによって構成され、試料室１１３内のプローブカートリッジ１０６のプローブのそれぞれに電気的に接続される。すなわち、電流電圧検出ユニット１１４ｂは、プローブカートリッジ１０６の各プローブが試料１０１に形成された電極パッドや配線に接触したとき、プローブカートリッジ１０６の各プローブによって検出される電流または電圧の値を取得するとともに、必要に応じて、プローブカートリッジ１０６の各プローブに対し、電流または電圧を供給する。

電流電圧画像取得ユニット１１４ｃは、ＳＥＭ鏡筒１０３からの荷電粒子線である電子線を走査させながら試料１０１に照射したとき、電流電圧検出ユニット１１４ｂによって各プローブから得られる電流または電圧信号を取得し、その取得した電流または電圧信号と荷電粒子線を走査させる制御信号とに基づき、試料１０１の電流電圧画像を生成し、取得する。

制御コンピュータ１１４ｄは、図示しない入力装置や記憶装置を含んで構成される。また、制御コンピュータ１１４ｄは、試料ステージ１０２、ＳＥＭ鏡筒１０３、検出器１０４、プローブ駆動機構１０７と、プローブ交換機１１０、荷電粒子画像取得ユニット１１４ａ、電流電圧検出ユニット１１４ｂ、電流電圧画像取得ユニット１１４ｃ、表示装置１０９などに接続され、それらを統括的に制御する。また、制御コンピュータ１１４ｄは、荷電粒子画像取得ユニット１１４ａにより取得された荷電粒子画像であるＳＥＭ画像、電流電圧画像取得ユニット１１４ｃにより取得された電流電圧画像、電流電圧検出ユニット１１４ｂにより取得された電流電圧のデータを、それぞれ取得し、表示装置１０９に表示する。

図２は、本発明の実施例であるプローブモジュール２０１の概略図を示している。プローブモジュール２０１は、タングステンプローブ１２０と、タングステンプローブ１２０を保持するプローブホルダ１２１と、プローブ駆動機構１２２と、を有する。タングステンプローブ１２０とプローブホルダ１２１との組合せが、図１のプローブカートリッジ１０６に対応する。プローブ駆動機構１２２が、図１のプローブ駆動機構１０７に対応する。タングステンプローブ１２０の形状は先端ほど鋭く、先端の曲率はナノオーダーである。本実施例では、タングステンプローブ１２０の材質は、タングステンとするが、プローブ自体の材質をタングステンとする以外にも、タングステンをコーティングしたプローブとすることもできる。プローブ１２０の材質としては、タングステンベースの合金であるレニウムタングステン合金を用いることもできる。プローブ１２０の材質としてレニウムタングステン合金を用いることで、高い強度が得られ、より細く高寿命なプローブを得ることができる。また、タングステン以外の材料として、試料１０１の製造プロセスと親和性のある他の材料をプローブ自体の材質やプローブへのコーティングに用いることができる。例えば、チタンまたは白金をプローブへのコーティングに用いることができる。ここで、プローブに試料１０１の製造プロセスと親和性を持たせるには、例えば、試料１０１である半導体ウェハの製造工程で用いられる材料の内の一つと同種の材料をプローブの製造に用いる。半導体ウェハの製造工程で用いられる材料の例としては、銅、チタン、タングステン、白金、アルミニウム等を挙げることができる。半導体装置の製造工程に、図３５に示した、ステップＳ３５０１の半導体ウェハのスクライブ領域へのＴＥＧの電極パッド形成のステップと、続くステップＳ３５０２の該半導体ウェハの製造工程で用いられる材料の内の一つと同種の材料で製造されたプローブによる検査のステップを加えることで、プローブに試料１０１の製造プロセスと親和性を持たせることができる。さらに、プローブ先端の材料と、プローブ先端を接触させる試料１０１の電極パッドと、を同種の材料とすることで、プローブ先端を接触させて検査する際に、プローブ先端と試料１０１の表面に露出している材料とを同種の材料として、より親和性を高めることができる。例えば、プローブ先端の材料と試料１０１の電極パッドの材料をタングステンとすれば良い。これにより、プローブの接触による試料１０１の表面の汚染をさらに抑制することができる。プローブホルダ１２１やプローブ駆動機構１０７の外装は、電子顕微鏡起因の荷電粒子が当たっても帯電しないように導電性材料を用いて導電性を持たせる方が望ましい。

図３は、試料１０１の例である、半導体ウェハ１３０の概略図を示している。半導体ウェハ１３０は、トランジスタや回路等で構成されるチップに対応するパターン１３１と、パターンとパターンの間の隙間であるスクライブ領域１３２と、を有する。スクライブ領域１３２には、チップに不良が無いかを確認するための検査用のＴＥＧが配置される。

図４（ａ）はスクライブ領域１３２上に配置された電界効果トランジスタ（Ｆｅｉｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ；以下、ＦＥＴと称する）ＴＥＧの一例を示している。ＦＥＴＴＥＧ場合、ＦＥＴ１４０周辺に基板用の電極パッド１４１と、ゲート用の電極パッド１４２と、ドレイン用の電極パッド１４３と、ソース用の電極パッド１４４と、が配置される。ＦＥＴ１４０から各電極パッドへの回路パターン１４５には、金や銅などの電気伝導率の高い材質が用いられる。また、スクライブ領域１３２の幅は１００μｍ程度であり、ＴＥＧの各電極パッドはスクライブ領域１３２の幅以下の幅の中で配置される。

図４（ｂ）は、スクライブ領域１３２上に多数配置された、図４（ａ）のものと比較して微小なＦＥＴＴＥＧを示している。微小ＦＥＴＴＥＧは微小な電極パッドが平坦な面上に配置されている。これらは、図４（ａ）の電極に比べ非常に小さいため、スクライブ領域１３２上に多数配置することが可能である。各電極パッド１４１～１４４のサイズは、タングステンプローブ１２０の先端と同程度の数ｎｍ～数十ｎｍまで微細化しても良いが、接触抵抗や接触位置精度を考慮したサイズにするのが望ましい。

図５は図２のプローブモジュール２０１を用いてスクライブ領域１３２のＴＥＧの電気特性評価を行う場合の一例を示す図である。プローブモジュール２０１はプローブモジュール支持台１５０に扇状に搭載され、各々のタングステンプローブ１０６先端が近くなるように配置される。プローブモジュール２０１がプローブモジュール支持台１５０に扇状に搭載されることで、４本のタングステンプローブ１２０が扇状に配置され、４本のタングステンプローブ１２０の先端を互いに近づけることができ、高密度にＴＥＧの電極パッドを配置することができる。また、プローブモジュール支持台１５０はレール１５１に搭載される。基本的に各タングステンプローブ１２０先端の測定位置への相対位置の移動は、試料ステージ１０２により試料１０１を移動させることで行う。これは駆動部分から発生する塵を試料１０１である半導体ウェハ上に落とさないためであるが、塵受けを試料１０１である半導体ウェハとプローブモジュール支持台１５０間に設置することで、塵を防ぎつつプローブモジュール支持台１５０を移動させることも可能である。

図６（ａ）は、図５に示した扇状のプローブモジュール配置に対応したＴＥＧの電極パッド配置の一例を示す図である。図６（ａ）に示したＴＥＧの電極パッド配置は、ＴＥＧの基板用の電極パッド１４１と、ゲート用の電極パッド１４２と、ドレイン用の電極パッド１４３と、ソース用の電極パッド１４４と、がコの字状に配置されていることにより、図５に示した扇状に配置されたプローブモジュールのタングステンプローブ１２０先端を、図６（ａ）に示したように扇状に近づけて配置した測定に適している。これにより、タングステンプローブ１２０の先端を互いに近づけることが可能になり、より高密度にＴＥＧの電極パッドを配置することができる。各タングステンプローブ１２０先端と、対応する電極パッドの接触は、ＳＥＭ鏡筒１０３および検出器１０４を用いたＳＥＭ観察によって、各タングステンプローブ１２０の対応する電極パッドへの接触による曲がりを検出することにより、検知することができる。図６（ｂ）および図６（ｃ）には、図６（ａ）に示した電極パッドの配置の変形例をそれぞれ示した。

本実施例では、実施例１で説明したタングステンプローブ１２０の代わりに、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術で製造されたプローブ（以下、ＭＥＭＳプローブと称する）を用いる実施例を説明する。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、本実施例のプローブモジュール７０１を示す図である。図７（ａ）がプローブモジュール７０１の斜視図であり、図７（ｂ）がプローブモジュール７０１の試料１０１と面する側とは反対側の平面図である。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示したように、プローブモジュール７０１は、プローブ駆動機構７０２と、後述するＭＥＭＳプローブ９０１と、ＭＥＭＳプローブ９０１を保持するプローブホルダ７０３と、を有する。ＭＥＭＳプローブ９０１およびプローブホルダ７０３が、図１のプローブカートリッジ１０６に対応し、プローブ駆動機構７０２が、図１のプローブ駆動機構１０７に対応する。

プローブ駆動機構７０２は、プローブカートリッジを搭載するためのカートリッジホルダ７０４を有する。また、プローブ駆動機構７０２は、プローブカートリッジと電気的に接合するための電極を持ち、プローブカートリッジ交換時に容易に電気的接続が可能である。

図８（ａ）、図８（ｂ）、および図８（ｃ）は、本実施例のプローブカートリッジ８０１の概略図である。図８（ａ）は、プローブカートリッジ８０１の試料１０１と面する側とは反対側の斜視図である。図８（ｂ）および図８（ｃ）は、プローブカートリッジ８０１の試料１０１と面する側の斜視図である。

上述のとおり、プローブカートリッジ８０１は、ＭＥＭＳプローブ９０１と、ＭＥＭＳプローブ９０１を保持するプローブホルダ７０３と、を有する。プローブホルダ７０３はＭＥＭＳプローブ９０１と電気的に接続されており、試料側の表面に配線パターンを持つ。ＭＥＭＳプローブ９０１の各プローブとホルダ７０３の対応する配線との電気的接続には、例えばワイヤボンディングを用いることができる。図８（ｂ）および図８（ｃ）に示した配線８０２ａ、配線８０２ｂ、配線８０２ｃ、配線８０２ｄ、配線８０２ｅ、および配線８０２ｆが、それぞれ対応するＭＥＭＳプローブ９０１のプローブに電気的に接続される。配線８０２ａは電極８０３ａに、配線８０２ｂは電極８０３ｂに、配線８０２ｃは電極８０３ｃに、配線８０２ｄは電極８０３ｄに、配線８０２ｅは電極８０３ｅに、配線８０２ｆは電極８０３ｆに、それぞれ接続されている。本実施例では、トランジスタの評価用のプローブのため、プローブは４つであるのに対して、配線が６本用意されている点については、後述する。

また、プローブホルダ７０３は、配線８０４と、配線８０４に接続されている電極８０５と、を有する。配線８０４は後述するＭＥＭＳプローブ９０１の試料と面する側と反対側に設けられている導電体層と接続されている。これにより、ＳＥＭ観察の際のＭＥＭＳプローブ９０１のチャージアップを防ぐことができる。配線８０４とＭＥＭＳプローブ９０１とは、例えば半田によりＭＥＭＳプローブ９０１とホルダ７０３とを接合する際に、電気的に接続することができる。

このように、プローブカートリッジ８０１は、プローブ駆動機構１０７への搭載時に、電気的に接続するための電極８０３ａ～ｆおよび電極８０５を有するので、電気特性評価中、プローブに磨耗や破損等の不良が発生した場合、プローブカートリッジ８０１を交換することで、容易に新しいプローブに交換可能である。

以下、ＭＥＭＳプローブ９０１について説明する。図９は、本実施例のプローブであるＭＥＭＳプローブ９０１の全体斜視図である。図９は、分かりやすさのために、プローブがある側を上向きにして記載されている。図９に示すように、ＭＥＭＳプローブ９０１は、カンチレバー９０２と、カンチレバー９０２を支える本体部９０３と、を有する。本体部９０３は、シリコン支持基板９０４、埋め込み酸化膜９０５、およびシリコン層９０６の積層構造であるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板から形成されている。本体部９０３のシリコン層９０６の上には、電極９０７ａ、電極９０７ｂ、電極９０７ｃ、電極９０７ｄ、電極９０７ｅ、および電極９０７ｆが形成されている。電極９０７ａ～ｆは、例えば、タングステン電極である。電極９０７ａはプローブホルダ７０３の配線８０２ａと、電極９０７ｂはプローブホルダ７０３の配線８０２ｂと、電極９０７ｃはプローブホルダ７０３の配線８０２ｃと、電極９０７ｄはプローブホルダ７０３の配線８０２ｄと、電極９０７ｅはプローブホルダ７０３の配線８０２ｅと、電極９０７ｆはプローブホルダ７０３の配線８０２ｆと、それぞれ例えばワイヤボンディングで接続される。

図１０にカンチレバー９０２の拡大図を示す。カンチレバー９０２上には、プローブ１００１ａと、プローブ１００１ｂと、プローブ１００１ｃと、プローブ１００１ｄと、が形成されている。カンチレバー９０２および本体部９０３のプローブ１００１ａ～ｄが形成されている面と反対側の面には、導電体層１００２が形成されている。導電体層１００２は、例えば、タングステン層である。導電体層１００２は、試料ホルダ１０５と電気的に接続され、ＳＥＭ鏡筒１０３からの電子線の照射によるＭＥＭＳプローブ９０１のチャージアップを抑制する。

プローブ１００１ａ～ｄについて、ＭＥＭＳプローブ９０１の平面図である図１１を用いて説明する。プローブ１００１ａは、電極面１１０１ａおよび電極面１１０１ｂを有する。電極面１１０１ａおよび電極面１１０１ｂは、例えば、タングステンで形成されている。電極面１１０１ａは、配線１１０２ａに電気的に接続されている。配線１１０２ａは、電極９０７ａに電気的に接続されている。電極面１１０１ｂは、配線１１０２ｂに電気的に接続されている。配線１１０２ｂは、電極９０７ｂに電気的に接続されている。配線１１０２ａおよび配線１１０２ｂは、例えば、タングステンで形成されている。プローブ１００１ｂの電極面は、配線１１０３に電気的に接続されている。配線１１０３は、電極９０７ｃに電気的に接続されている。プローブ１００１ｂの電極面および配線１１０３は、例えば、タングステンで形成されている。プローブ１００１ｃの電極面は、配線１１０４に接続されている。配線１１０４は、電極９０７ｄに電気的に接続されている。プローブ１００１ｃの電極面および配線１１０４は、例えば、タングステンで形成されている。プローブ１００１ｄは、電極面１１０５ａおよび電極面１１０５ｂを有する。電極面１１０５ａおよび電極面１１０５ｂは、例えば、タングステンで形成されている。電極面１１０５ａは、配線１１０６ａに電気的に接続されている。配線１１０６ａは、電極９０７ｅに電気的に接続されている。電極面１１０５ｂは、配線１１０６ｂに電気的に接続されている。配線１１０６ｂは、電極９０７ｆに電気的に接続されている。配線１１０６ａおよび配線１１０６ｂは、例えば、タングステンで形成されている。本実施例では、試料１０１の電極パッドに接触する電極面の材料としてタングステンを用いているが、タングステン以外の材料として、試料１０１と親和性のある他の材料を用いることもできる。本実施例では、プローブ１００１ａ～ｄに設けられている各電極面が、実施例１のタングステンプローブ１２０の先端に相当する。したがって、本実施例では、プローブの先端は、プローブ１００１ａ～ｄに設けられている各電極面である。

プローブ１００１ａは、電極パッドに接触した際に、電極面１１０１ａと電極面１１０１ｂの間の導通を検知することで、電極パッドへの接触センサとして働く。また、プローブ１００１ｄは、電極パッドに接触した際に、電極面１１０５ａと電極面１１０５ｂの間の導通を検知することで、電極パッドへの接触センサとして働く。

図２８（ａ）および図２８（ｂ）は、プローブ１００１ｄがＴＥＧの電極パッド２８０１に接触した際の様子を示す概略図である。図２８（ａ）はカンチレバー９０２の側面から接触の様子を見た概略図であり、図２８（ｂ）は、図２８（ａ）の矢印２８０２の方向から見た接触の様子を示す図である。図２８（ａ）に示すように、プローブ１００１ｄの電極面１１０５ｂが電極パッド２８０１と接触した状態で、互いに平行となる。また、電極面１１０５ａと電極面１１０５ｂの間の導通を検知することで、電極パッド２８０１への接触を検知できる。さらに、電極パッドに対するプローブの接触強さは、各プローブの接触抵抗が予め決められた値以下であることを確認することで確保することができる。また、プローブ１００１ａとプローブ１００１ｄのそれぞれが、接触センサとして働くことで、プローブ１００１ａ～ｄのプローブ列と検査対象のウェハ面が平行になるように、試料ステージ１０２で試料１０１の表面の傾斜を調整でき、安定した検査を行うことができる。

図１２は、図１１のＡ－Ａ’間の破線でのＭＥＭＳプローブ９０１の断面を示す図である。前述のように、本体部９０３は、シリコン支持基板９０４、埋め込み酸化膜９０５、およびシリコン層９０６のＳＯＩ基板から形成されている。本体部９０３の厚さは、主にシリコン支持基板９０４の厚さで調整される。また、前述のとおり、カンチレバー９０２および本体部９０３のプローブ１００１ａ～ｄが形成されている面と反対側の面には、導電体層１００２が形成されている。プローブ１００１ｂの電極面は、電極パッドに対してプローブ１００１ｂの電極面が電極パッドと平行な状態で接触するように、カンチレバー９０２に対して傾斜がある。プローブ１００１ａ、プローブ１００１ｃ、およびプローブ１００１ｄも、プローブ１００１ｂと同様に、それぞれの電極面はカンチレバー９０２に対して傾斜がある。プローブ１００１ｂは、配線１１０３に電気的に接続されている。

本実施例のＭＥＭＳプローブ９０１の製造方法を、図１３と、図１４（ａ）～（ｍ）を用いて説明する。図１３は、ＭＥＭＳプローブ９０１の製造のフロー図である。図１４（ａ）～（ｍ）は、図１１のＡ－Ａ’間の破線での断面で、ＭＥＭＳプローブ９０１の製造工程を説明する図である。

図１３のステップＳ１３０１では、図１４（ａ）に示すように、シリコン支持基板９０４、埋め込み酸化膜９０５、およびシリコン層９０６を有するＳＯＩ基板の両面に、熱酸化によってシリコン酸化膜１２０１とシリコン酸化膜１４０１が設けられ、さらにシリコン酸化膜１４０１上にフォトレジスト膜１４０２が設けられる。次に、ステップＳ１３０２では、図１４（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜１４０２をマスクとして、シリコン酸化膜１４０１がパターンニングされる。

次に、ステップＳ１３０３では、Ｓ１３０２でパターンニングされたシリコン酸化膜１４０１をマスクとして、反応性イオンエッチングまたはウェットエッチングでシリコン層９０６をエッチングすることで、図１４（ｃ）に示すように、突起１４０３が形成される。図１４（ｃ）では、プローブ１００１ｂに対応する突起１４０３を示している。プローブ１００１ａ、プローブ１００１ｃ、およびプローブ１００１ｄのそれぞれに対応する突起も、突起１４０３と同様にステップＳ１３０３で形成される。次に、ステップＳ１３０４では、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いて、図１４（ｄ）に示したように、Ｓ１３０２でパターンニングされたシリコン酸化膜１４０１が除去される。

次に、ステップＳ１３０５では、図１４（ｅ）に示したように、配線１１０３が形成される。具体的には、タングステン層をフォトレジストでパターンニングすることで、配線１１０３が形成される。また、ステップＳ１３０５では、配線１１０２ａ、配線１１０２ｂ、配線１１０４、配線１１０６ａ、配線１１０６ｂ、および電極９０７ａ～ｆも配線１１０３と同様に形成される。次に、ステップＳ１３０６では、カンチレバー９０２のパターンニングが行われる。カンチレバー９０２のパターンニングは、例えば、フォトリソグラフィーで行われる。

次に、ステップＳ１３０７では、シリコン酸化膜１２０１をエッチングすることで、図１４（ｆ）に示したように、本体部９０３を形成するためのマスクが形成される。次に、ステップＳ１３０８では、カンチレバー９０２を保護するために、図１４（ｇ）に示したように、カンチレバー９０２側にフォトレジスト膜１４０４が形成される。

次に、ステップＳ１３０９では、ステップＳ１３０７で形成されたマスクを利用したウェットエッチングによってシリコン支持基板９０４をエッチングすることで、図１４（ｈ）に示すように、本体部９０３が形成される。次にステップＳ１３１０では、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によって、図１４（ｉ）に示したように、本体部９０３を除く埋め込み酸化膜９０５と、シリコン酸化膜１２０１と、がエッチングによって除去される。

次に、ステップＳ１３１１では、図１４（ｊ）に示したように、カンチレバー９０２および本体部９０３のプローブ１００１ａ～ｄが形成されている面と反対側の面に、導電体層１００２が形成される。次にステップＳ１３１２では、図１４（ｋ）に示したように、ステップＳ１３０８で形成されたフォトレジスト膜１４０４が除去される。

次に、ステップＳ１３１３では、集束イオンビーム（ＦＩＢ）によって、突起１４０３の一部を削り落とすことで、図１４（ｌ）に示したように、突起１４０４にカンチレバー９０２に対して傾斜をつけた面１４０５が設けられる。プローブ１００１ａ、プローブ１００１ｃ、およびプローブ１００１ｄのそれぞれに対応する突起も、突起１４０３と同様にステップＳ１３１３で一部が削り落とされる。次に、ステップＳ１３１４で、集束イオンビームを用いた化学蒸着法（ＦＩＢ－ＣＶＤ）でタングステンを堆積することで、図１４（ｍ）に示したように、配線１１０３と電気的に接続されたプローブ１００１ｂの電極面が形成される。ここで、前述のとおり、傾斜の角度は、プローブ１００１ｂの電極面が、ＴＥＧの電極パッドと平行な状態で、ＴＥＧの電極パッドに接触するように設定する。プローブ１００１ａ、プローブ１００１ｃ、およびプローブ１００１ｄについても、プローブ１００１ｂと同様に、図１１に示した各電極面が形成される。

以上で、本実施例のＭＥＭＳプローブ９０１を製造することができる。本実施例では、ＭＥＭＳ技術によるデバイスの製造によってＭＥＭＳプローブ９０１を製造するので、再現性良い製造が可能である。

図１５に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図１５に示したように、カンチレバー９０２の破線で囲まれた領域１５０１の部分をＦＩＢによって削り落とすことで、ＳＥＭ鏡筒１０３および検出器１０４を用いたＳＥＭ観察でカンチレバーに隠れる面積を減少させることができる。

図１６に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図１６に示したように、カンチレバー９０２の破線で囲まれた領域１６０１の部分をＦＩＢによって削り落として各プローブの間に切れ込みを入れることで、電極パッドの高さに違いがある場合でも、各プローブのカンチレバーのしなりで、確実に各プローブと電極パッドを接触させることができる。また、図１６のＭＥＭＳプローブでは、４つのプローブの全てで電極を２つ設けることで、各プローブの電極パッドへの接触を検出することを可能としている。

図１７に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図１７に示したＭＥＭＳプローブでは、プローブの数を８つにすることで、インバータの検査を容易にすることができる。

図１８に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図１８に示したＭＥＭＳプローブでは、２つのプローブの間隔であるＢ―Ｂ’間の距離を数ｍｍとして、配線の検査を容易にすることができる。配線パターンの評価は、配線の一端にプローブを接触させた状態で、ＳＥＭ鏡筒１０３から荷電粒子線である電子線を配線上に照射した際にプローブに流れ込む吸収電流に基づく吸収電流画像（吸収電圧画像を含む）を描写することで行うことができる。このため、プローブ間の距離は最大で数ｍｍ程度必要となる。プローブ間の距離を変えてＭＥＭＳプローブを作製することで、様々な幅の配線パターンに対応することが出来る。

図１９に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図１９に示したＭＥＭＳプローブでは、プローブ１００４ａ～ｄは、共通の突起上に形成されている。これにより、プローブ１００４ａ～ｄの間隔を容易に狭くすることができ、電極パッドの配列のピッチが短い場合でも、検査することができる。プローブ１００４ａ～ｄの間隔は、例えば、数百ｎｍ～数十ミクロン程度にすることができる。

図２０に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図２１は、図２０のプローブ１００１ｃとプローブ１００１ｃに接続されている配線を通る断面でのＭＥＭＳプローブの断面図である。図２０および図２１に示したＭＥＭＳプローブでは、カンチレバー９０２のシリコン層９０６にボロンをイオン注入した領域２００１を設けてピエゾ抵抗素子とすることで、カンチレバー９０２の試料に接触したことによる曲がりを検出することができる。したがって、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化からプローブの試料への接触を検知することができる。また、このときカンチレバー９０２に振動を与え、接触による共振周波数の変化から接触を感知することもできる。

ボロンをイオン注入した領域２００１を設けることに伴い、ボロンをイオン注入した領域２００１とプローブ１００１ｃに接続されている配線を絶縁する絶縁体層２００２と、イオン注入した領域２００１と導電体層１００２とを絶縁する絶縁体層２００３と、が追加されている。絶縁体層２００２および絶縁体層２００３は、例えば、スパッタ蒸着によるシリコン酸化膜で形成することができる。また、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化の読み取りのために、絶縁体層２００２には、図２０に示したように、開口部２００４ａおよび開口部２００４ｂが設けられ、配線２００５ａおよび配線２００５ｂがボロンをイオン注入した領域２００１に接続されている。製造方法では、図１３に示したステップＳ１３０４の後に、ボロンをイオン注入した領域２００１を形成する工程を追加し、続いて、開口部２００４ａおよび開口部２００４ｂが設けられた絶縁体層２００２を形成する工程を追加する。さらにステップＳ１３１０の後に、絶縁体層２００３を設ける工程を追加する。

ピエゾ抵抗素子で接触センサを実現する場合でも、図１１に示したように一つのプローブに２つの電極面を設けて、電極面の間の導通からパッドへの接触を検知する方式を併用しても良い。これにより、より確実に試料へのプローブの接触を検知することが可能となる。

本実施例では、プローブホルダ７０３に取り付けられるＭＥＭＳプローブの別の実施例について説明する。

図２２は、本実施例のプローブであるＭＥＭＳプローブ２２０１の全体斜視図である。図２２は、分かりやすさのために、プローブがある側を上向きにして記載されている。図２２に示すように、ＭＥＭＳプローブ２２０１は、金属プローブ２２０２ａと、金属プローブ２２０２ｂと、金属プローブ２２０２ｃと、金属プローブ２２０２ｄと、金属プローブ２２０２ａ～ｄを支える本体部２２０３と、を有する。

本体部２２０３は、シリコン基板２２０４およびシリコン酸化膜２２０５を有する。本体部２２０３のシリコン酸化膜２２０５の上には、電極２２０６ａ、電極２２０６ｂ、電極２２０６ｃ、および電極２２０６ｄが形成されている。電極２２０６ａ～ｄは、例えば、タングステン電極である。電極２２０６ａ～ｄは、プローブホルダ７０３の配線８０２ａ～ｆの内の４つと、それぞれ例えばワイヤボンディングで接続される。

図２３にＭＥＭＳプローブ２２０１の金属プローブ２２０２ａ～ｄ付近の平面図を示す。図２３に示すように、金属プローブ２２０２ａ～ｄは、それぞれの先端が互いに近づくように形成される。このように、金属プローブ２２０２ａ～ｄは、扇状に配列されている。金属プローブ２２０２ａ～ｄのそれぞれの先端が、ＴＥＧの電極パッドに接触される。金属プローブ２２０２ａ～ｄは、例えば、タングステンで形成されている。本実施例では、試料１０１の電極パッドに接触する金属プローブ２２０２ａ～ｄの材料としてタングステンを用いているが、タングステン以外の材料として、試料１０１と親和性のある他の材料を用いることもできる。

金属プローブ２２０２ａは、配線２３０１ａに電気的に接続されている。配線２３０１ａは、電極２２０６ａに電気的に接続されている。金属プローブ２２０２ｂは、配線２３０１ｂに電気的に接続されている。配線２３０１ｂは、電極２２０６ｂに電気的に接続されている。金属プローブ２２０２ｃは、配線２３０１ｃに電気的に接続されている。配線２３０１ｃは、電極２２０６ｃに電気的に接続されている。金属プローブ２２０２ｄは、配線２３０１ｄに電気的に接続されている。配線２３０１ｄは、電極２２０６ｄに電気的に接続されている。配線２３０１ａ～ｄは、例えば、タングステンで形成されている。

図２４は、図２３のＣ－Ｃ’間の破線でのＭＥＭＳプローブ２２０１の断面を示す図である。ＭＥＭＳプローブ２２０１では、前述のように、シリコン基板２２０４上にシリコン酸化膜２２０５が形成されている。絶縁層であるシリコン酸化膜２２０５上には、配線２３０１ｂが形成され、配線２３０１ｂと連続して金属プローブ２２０２ｂが形成されている。配線２３０１ａ、金属プローブ２２０２ａ、配線２３０１ｃ、金属プローブ２２０２ｃ、配線２３０１ｄ、および金属プローブ２２０２ｄも、配線２３０１ｂおよび金属プローブ２２０２ｂと同様に形成されている。また、本体部２２０３の金属プローブ２２０２ａ～ｄが形成されている面と反対側の面には、導電体層２４０１が形成されている。導電体層２４０１は、例えば、タングステン層である。導電体層２４０１は、金属プローブ２２０２ａ～ｄとは、電気的に接続されないように分離されている。

図２５は、図２４の破線の円２４０２の部分を拡大した図である。図２５に示したように、シリコン酸化膜２２０５は、シリコン基板２２０４のエッジよりも奥まった位置にある。後述するように、導電体層２４０１をスパッタ蒸着等により形成する際に、導電体層２４０１は金属プローブ２２０２ａ～ｄおよび配線２３０１ａ～ｄとは、シリコン酸化膜２２０５の奥まった構造により分離される。導電体層２４０１は、例えば、タングステン層である。導電体層２４０１は、試料ホルダ１０５と電気的に接続され、ＳＥＭ鏡筒１０３からの電子線の照射によるＭＥＭＳプローブ２２０１のチャージアップを抑制する。なお、図２４では省略しているが、図２５に示したように、金属プローブ２２０２ａ～ｄのＴＥＧの電極パッドに接触する面とは反対側には、導電体層２４０１を形成する際に導電体層２５０１が形成される。

本実施例のＭＥＭＳプローブ２２０１の製造方法を、図２６と、図２７（ａ）～（ｈ）を用いて説明する。図２６は、ＭＥＭＳプローブ２２０１の製造のフロー図である。図２７（ａ）～（ｈ）は、図２３のＣ－Ｃ’間の破線での断面で、ＭＥＭＳプローブ２２０１の製造工程を説明する図である。

図２６のステップＳ２６０１では、図２７（ａ）に示すように、熱酸化によって、シリコン基板２２０４の一方の面にシリコン酸化膜２２０５が、他方の面にシリコン酸化膜２７０１が設けられる。

次に、ステップＳ２６０２では、シリコン酸化膜２２０５の表面をアルゴンガス等を用いてスパッタエッチングする、またはシリコン酸化膜２２０５の表面に不純物イオンをイオン打ち込みすることにより、シリコン酸化膜２２０５の表面に改質層を導入する。これにより、後述するシリコン酸化膜２２０５の上への金属層の形成の際に、品質の高い金属層を形成することができ、品質の高い金属プローブ２２０２ａ～ｄを得ることができる。

次に、ステップＳ２６０３では、シリコン酸化膜２２０５上に金属層を形成し、パターンニングすることで、図２７（ｂ）に示すように、金属プローブ２２０２ａ～ｄ、配線２３０１ａ～ｄ、および電極２２０６ａ～ｄを形成する。金属層は、例えば、タングステンのスパッタ蒸着により形成することができる。このとき、ステップＳ２６０２の改質層の導入により、シリコン酸化膜２２０５の表面は元素の結合手が存在する表面状態になっており、体心立方晶系構造のタングステンの核が形成され、体心立方晶系構造のタングステン層の形成が進むことが期待される。これにより、体心立方晶系構造のタングステンの大結晶粒が形成され、かつ粒界での異物の偏析が少なくなり、品質の高いタングステン層を形成することができる。

次に、ステップＳ２６０４では、シリコン酸化膜２７０１をエッチングすることで、図２７（ｃ）に示したように、本体部２２０３を形成するためのマスクが形成される。次に、ステップＳ２６０５では、金属プローブ２２０２ａ～ｄを保護するために、図２７（ｄ）に示したように、金属プローブ２２０２ａ～ｄ側にフォトレジスト膜２７０２が形成される。次に、ステップＳ２６０６では、ステップＳ２６０４で形成されたマスクを利用し、ウェットエッチングによってシリコン基板２２０４をエッチングすることで、図２７（ｅ）に示すように、本体部２２０３が形成される。

次にステップＳ２６０７では、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によって、図２７（ｆ）に示したように、本体部２２０３を除くシリコン酸化膜２２０５と、シリコン酸化膜２７０１と、がエッチングされて除去される。ステップＳ２６０７でのシリコン酸化膜２２０５のエッチングの際に、図２５に示したように、シリコン酸化膜２２０５が、シリコン基板２２０４のエッジよりも奥まった位置になるように、エッチングを進行させる。

次に、ステップＳ２６０８では、図２７（ｇ）に示したように、金属プローブ２２０２ａ～ｄが形成されている面とは反対側の面に、導電体層２４０１が形成される。導電体層２４０１は、例えば、タングステンのスパッタ蒸着により形成することができる。導電体層２４０１の厚さは、シリコン酸化膜２２０５の厚さよりも薄くする。導電体層２４０１をスパッタ蒸着等により形成する際に、導電体層２４０１は、金属プローブ２２０２ａ～ｄおよび配線２３０１ａ～ｄとは、シリコン酸化膜２２０５がシリコン基板２２０４のエッジよりも奥まった部分には蒸着が進まないことより、電気的に分離される。次にステップＳ２６０９では、図２７（ｈ）に示したように、ステップＳ２６０５で形成されたフォトレジスト膜２７０２が除去される。

以上で、本実施例のＭＥＭＳプローブ２２０１を製造することができる。本実施例では、ＭＥＭＳ技術によるデバイスの製造によってＭＥＭＳプローブ２２０１を製造するので、再現性良い製造が可能である。

本実施例では、図２９（ａ）および図２９（ｂ）を用いて、実施例１～３のプローブのアレイに対応したＦＥＴＴＥＧのレイアウトの例を示す。

図２９（ａ）に示したＦＥＴＴＥＧのレイアウトの例では、ＦＥＴＴＥＧの電極パッドは横方向に延在するＸ方向のスクライブ領域１３２と縦方向に延在するＹ方向のスクライブ領域１３２において、各々のスクライブ領域１３２に沿った方向で電極パッドが配置されている。例えば、Ｘ方向のスクライブ領域１３２にあるＦＥＴＴＥＧの電極パッド群２９０１ａとＹ方向のスクライブ領域１３２にあるＦＥＴＴＥＧの電極パッド群２９０１ｂとは、互いに直交する方向にレイアウトされている。

また、図２９（ｂ）では、ＦＥＴＴＥＧの電極パッドがすべて横方向に延在するＸ方向のスクライブ領域１３２に沿って配置されている。例えば、Ｘ方向のスクライブ領域１３２にあるＦＥＴＴＥＧの電極パッド群２９０１ｃと縦方向に延在するＹ方向のスクライブ領域１３２にあるＦＥＴＴＥＧの電極パッド群２９０１ｄとは、同じ方向にレイアウトされている。なお、図２９（ｂ）においては、Ｙ方向のスクライブ領域幅に１つのＦＥＴＴＥＧが配置されているが、より微小な電極パッドとすることでＹ方向のスクライブ領域幅に複数のＦＥＴＴＥＧを配置しても良い。図２９（ｂ）に示したＦＥＴＴＥＧの電極パッドの配列は全て同じ方向であるため、試料１０１に対するプローブカートリッジ１０６の方向を変えることなく、Ｘ方向およびＹ方向のスクライブ領域１３２のＦＥＴＴＥＧを連続して評価することが可能である。これにより、半導体装置の製造を効率的に行うことができる。

本実施例では、実施例１～３のプローブカートリッジ１０６の各プローブの検査の例について述べる。図３０は、プローブカートリッジ１０６の各プローブの正常度確認用電極パッド３００１の概略図を示している。プローブの正常度確認用電極パッド３００１はスクライブ領域１３２に配置され、各プローブの先端位置に合わせて配置される。各電極パッド３００１は配線３００２で電気的に連結されている。プローブカートリッジ１０６の各プローブの正常度の確認は、各電極パッド３００１に各プローブを接触させた状態で、何れか１つのプローブに電圧を印加した際に、他のプローブに流れる電流値を測定することで実現できる。本実施例のプローブの正常度の確認は、ＴＥＧの電気特性評価を行う前に、各プローブの異常やプローブカートリッジ１０６の搭載不良が無いかを確認するためのものである。

本実施例では、実施例１～３のプローブカートリッジ１０６を用いた電気特性評価のフローの例を示す。図３１は、プローブカートリッジ１０６を用いた電気特性評価のフローチャートの例を示している。

以下、評価手順を説明する。最初に、ステップＳ３１０１では、プローブ交換機１１０により、プローブ駆動機構１０７へのプローブカートリッジ１０６の取付けまたはプローブカートリッジ１０６の交換が行われる。なお、プローブカートリッジ１０６の取り付けまたは交換は、プローブカートリッジ交換位置にプローブ駆動機構１０７を移動した状態で行われる。

次に、ステップＳ３１０２では、プローブカートリッジ１０６が正常に取り付けられているかを確認し、測定可能な状態かを判断する。プローブカートリッジ１０６が正常に取り付けられているかの判断は、プローブ駆動機構１０７に設置されたプローブカートリッジ１０６との接触確認用のセンサにより行われる。ここで、プローブカートリッジ１０６の取付けが異常な場合は、ステップＳ３１０１に戻り、プローブカートリッジ１０６の交換が行われる。

正常な場合は、ステップＳ３１０３で、プローブ駆動機構１０７を交換位置から測定位置に移動させ、続いて、プローブ先端が電気特性評価を行うＴＥＧのあるスクライブ領域１３２に来るよう、試料ステージ１０２を移動させる。

続いて、ステップＳ３１０４で、プローブの正常度確認用の電極パッド３００１に対して、取り付けられた各プローブを接触させ、プローブの状態の確認を行う。このとき、各プローブの電極パッド３００１への接触は、試料ステージ１０２の移動あるいはプローブ駆動機構１０７の粗動により、ある程度電極パッド３００１と各プローブを近づけた後、プローブ駆動機構１０７の微動により行うことができる。プローブ先端と電極パッドの接触確認方法は、各プローブの形状変化をＳＥＭ画像で確認する方法、各プローブに取り付けられた接触センサにより感知する方法、または接触時に各プローブに流れる微弱な電流から判断する方法などがあるがどの方法を用いても良い。正常度確認の結果、プローブに問題がある場合、ステップＳ３１０１のプローブカートリッジ１０６の交換に戻る。

プローブが正常な場合には、ステップＳ３１０５に進み、電気特性評価装置１００は、スクライブ領域１３２のＴＥＧの各電極パッドに対し、取り付けられた各プローブを接触させ、ＴＥＧの評価を行う。ステップＳ３１０５でも、接触確認用の電極パッド３００１への接触方法と同様の方法で、電気特性評価装置１００は、各プローブをＴＥＧの電極パッドに接触させる。接触が確認された後に、電気特性評価装置１００は、素子の電気特性評価を行う。電気特性評価が完了したら、電気特性評価装置１００は、プローブをプローブ駆動機構１０７により接触させていた電極パッドから退避させ、次の測定位置に移動する。次の測定位置が前回測定位置から遠い場合は、試料ステージ１０２を移動させる必要があるが、測定位置が近い場合は、プローブ駆動機構１０７によりプローブ１０６を移動させることで、次の測定に移行することができる。

続いて、ステップＳ３１０６では、電気特性評価装置１００は、測定を終了するか否かのオペレータからの入力を待つ。終了しないことが選択された場合には、ステップＳ３１０３へ戻る。

本実施例では、試料ホルダ１０５の例について説明する。試料ホルダ１０５に保持される試料１０１である半導体ウェハは、できるだけ汚染を避ける必要がある。通常、半導体ウェハは、メカニカルな方式により保持されるが、本実施例では、静電チャック可能な試料ホルダ１０５となっていて、静電チャックにより試料１０１である半導体ウェハを試料ホルダ１０５で保持することで汚染が軽減される。

ここで、静電チャックされることにより、試料１０１である半導体ウェハへ常に電圧がかかっている状態となり、そのままでは電気特性評価装置１００の各プローブを接触させて素子や配線の電気特性を測定する際の弊害となってしまう。そこで本実施例では、電気特性評価装置１００のプローブに試料１０１である半導体ウェハと同じ電圧をかけるか、または、試料１０１に対し、静電チャックによりかけられる電圧値とは反対の方向である負の方向へ同じ値の電圧をかけることで電圧を相殺し、電気特性の測定ができるようにする。

電気特性評価装置１００での測定方式には、吸収電流測定の方式と電気特性測定の方式とがある。図３２（ａ）および図３２（ｂ）は、プローブ先端を試料１０１に接触させてのプロービングによる電気的測定方法の例を示した図である。図３２（ａ）は、ＳＥＭ鏡筒１０３からの荷電粒子線３２０１の吸収電流を測定する例であり、図３２（ｂ）は、荷電粒子線３２０１を照射しないでＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタの特性を測定する例である。

図３２（ａ）の例では、試料１０１である半導体ウェハ上に形成された導電性の配線３２０２の一端に電気特性評価装置１００のプローブ３２０３の先端を接触させ、プローブ３２０３を接地するとともに、プローブ３２０３と接地点の間には電流計３２０４が設けられている。この状態で、ＳＥＭ鏡筒１０３から細く集束させた荷電粒子線３２０１を配線３２０２の上に照射すると、電流計３２０４の出力に基づいて、配線３２０１による荷電粒子線３２０１のいわゆる吸収電流を測定することができる。

なお、電流計３２０４は、電流電圧検出ユニット１１４ｂに含まれる構成要素であり、具体的には、吸収電流に対応する電圧を検出する回路と、その電圧を増幅する増幅回路などによって構成される。そして、その増幅回路によって増幅された電圧の値は、適宜、ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換され、制御コンピュータ１１４ｄに読み取られる。

吸収電流は、配線３２０２が荷電粒子線３２０１を吸収した電荷に基づく電流であり、一般的には、単位時間当たりに、荷電粒子線３２０１によって配線３２０２に供給される電荷量（ビーム電流）から、配線３２０２から反射または放出される荷電粒子の電荷量を差し引いた値に相当する。従って、電流計３２０４で吸収電流を測定することにより、荷電粒子線３２０１の照射位置からプローブ３２０３の接触位置までの導通の有無を知ることができる。

荷電粒子線３２０１は、薄い絶縁層などは貫通することができるので、配線３２０２が絶縁層などで覆われていても、荷電粒子線３２０１が届く範囲内で、その下層の配線についても吸収電流を検出することができる。さらに、２つのプローブ３２０３を異なる位置の配線に接触させれば（図示を省略）、少なくとも一方のプローブ３２０３で吸収電流を測定することにより、２つのプローブ３２０３をつなぐ配線における抵抗値の分布を得ることもできる。

また、図３２（ｂ）に示すように、試料１０１である半導体ウェハ上に複数の（例えば、４つの）プローブ３２０５ａ～ｄを接触させた場合には、荷電粒子線３２０１を照射しない状態で、試料１０１である半導体ウェハに形成された素子（例えば、ＭＯＳトランジスタ素子）などの動作特性を取得することができる。

図３２（ｂ）の例では、プローブ３２０５ａをソース領域３２０６に接触させ、プローブ３２０５ｂをゲート電極３２０７に接触させ、プローブ３２０５ｃをドレイン領域３２０８に接触させ、プローブ３２０５ｄを基板（サブストレート）領域３２０９に接触させている。したがって、それぞれのプローブ３２０５ａ～ｄに適宜電圧を印加し、例えば、プローブ３２０５ａ－プローブ３２０５ｃ間に流れる電流を測定すれば、ソース－ドレイン電流のゲート電圧特性などを取得することができる。図３２（ｂ）では、素子に直接にプローブ３２０５ａ～ｄを接触させる例を示したが、素子に接続された電極パッドにプローブ３２０５ａ～ｄを接触させる場合でも、荷電粒子線３２０１を照射しない状態で、試料１０１である半導体ウェハに形成された素子（例えば、ＭＯＳトランジスタ素子）などの動作特性を取得することができる。

図３３は、吸収電流の測定に基づき得られる吸収電流画像（電流電圧画像）の例を示した図である。図３３の吸収電流画像３３０１には、電気特性評価装置１００のプローブ３３０２の先端部の像、プローブ３３０２が接触したパッド電極の像３３０３、最上層の配線の像３３０４、絶縁層の下層の配線の像３３０５の例が示されている。図３３に示したように、吸収電流画像３３０１においては、プローブ３３０２と導通のある配線や素子については、何らかの像、ここではパッド電極の像３３０３、最上層の配線の像３３０４、および絶縁層の下層の配線の像３３０５が取得され、導通のない配線や素子については、何らの像も取得されない。

さらに、吸収電流画像３３０１においては、ＳＥＭ鏡筒１０３からの荷電粒子線が絶縁層を貫通して到達可能な限り、絶縁層の下層の配線であっても、吸収電流の像（下層の配線の像３３０５）を得ることができる。したがって、吸収電流画像３３０１では、ＳＥＭ画像など荷電粒子画像では観察することのできない、絶縁層下における配線構造を非破壊で観察することができる。吸収電流画像３３０１は、表示装置１０９に表示させることができる。

吸収電流取得時は、測定する試料１０１である半導体ウェハ上は、電圧が０Ｖの状態でなければ測定はできない。前述したように静電チャックで試料１０１である半導体ウェハを固定していることにより、試料表面に＋Ｖ（Ｖ）の電圧がかかっている場合には、試料表面に対し、－Ｖ（Ｖ）の電流をかけることで、電圧を相殺し、試料表面の測定部位では見かけ上０Ｖとすることで、吸収電流を測定することができる。

また、電気特性を測定する際も同様の方法で測定をすることができるが、電気特性測定の場合、通常２本のプローブをそれぞれ測定位置に接触させ、２本のプローブ間に１Ｖの電位差をかけることで電流を流し、電気特性が評価される。したがって、例えば＋Ｖ（Ｖ）の電圧が試料１０１である半導体ウェハ上面にかかっていた場合、一方のプローブにも＋Ｖ（Ｖ）の電圧をかけ、もう一方のポローブには、さらに１Ｖ追加して、＋Ｖ＋１（Ｖ）の電圧をかけた状態とすることで、電気特性の評価が可能になる。

本実施例では、前述の実施例１～８を半導体装置の製造に適用する例を示す。図３４は、半導体装置の製造工程の内の前工程のフローの例を示す図である。

最初に、ステップＳ３４０１で、半導体の材料となるインゴットを引き上げる。続いて、ステップＳ３４０２で、インゴットをダイヤモンドブレード等を用いて切断し、ウェハを得る。次に、ステップＳ３４０３で、ウェハの研磨を行い、ステップＳ３４０４で、ウェハを高温の拡散炉の中に入れ、酸化性雰囲気にさらし、ウェハ表面に酸化膜を形成させる。この酸化膜は、回路パターンを焼き付けるために必要となる。

続いて、ステップＳ３４０５で、酸化膜が形成されたウェハ上にフォトレジストを塗布する。次に、ステップＳ３４０６で、ウェハ表面へのパターンの形成を実施する。続いて、ステップＳ３４０７で、エッチングを実施することで不要な酸化膜の除去をする。続いて、ステップＳ３４０８で、エッチング後に不要になったフォトレジストを酸化プラズマにより除去し、洗浄装置でウェーハを薬液に浸して、ウェーハ上に残る不純物の除去をする。

次に、ステップＳ３４０９で、ＣＶＤ装置等を用いて酸化膜を堆積させ、層間絶縁膜を形成させる。続いて、ステップＳ３４１０で、熱酸化法でゲート絶縁膜を形成後、表面を窒化させ、その上にＣＶＤ法を用いてゲート膜を形成する。そして、パターン形成を行いゲート電極を形成後、イオン注入法により不純物元素をシリコン基板に注入し、更に高温拡散により不純物を均一に拡散させてソースドレイン領域を形成させる。

続いて、ステップＳ３４１１で、ＣＶＤ法で酸化膜を堆積させ、ＣＭＰ装置で研磨をし表面を平坦化する。そして、コンタクトホールレジストパターンをマスクにエッチング処理を行い、絶縁膜にコンタクトホールを形成する。ここにＣＶＤ法にて金属膜を埋め込み、余分な膜はＣＭＰ研磨で除去する。続いて、ステップＳ３４１２で、ＣＶＤ法で再び絶縁膜を形成し、パターン形成を行い、配線となる部分（トレンチ）を形成させる。このトレンチに金属膜を埋め込み、余分な膜は研磨し除去する。これを繰り返すことで多層配線を形成させる。そして、フォトレジストの塗布のステップＳ３４０５から多層配線形成のステップ３４１２の工程を適宜繰り返し行うことで、多層配線の半導体ウェハを完成させることとなる。

多層配線の半導体ウェハの完成後、ステップＳ３４１３で、ウェハ検査を実施し、良品であれば、多層配線の半導体ウェハは半導体装置の製造の後工程に送られる。ステップＳ３４１３での前工程における検査では、ウェハの中の一つ一つのＬＳＩチップにプローバ針を当て、繋いだテスターと通信し、チップの良・不良を判別する。半導体製造の後工程については図示しないが、一般的にはウェハをＬＳＩチップ毎に切断し、切断されたチップを金属のリードフレームに固定し、チップとリードフレームは微細な線材で繋がれ、その後パッケージ、印字され、最終検査し、半導体製品として完成となる。

ここで、ウェハを前工程まで完了した後、ステップＳ３４１３で検査し、不良を発見してもそのウェハは廃棄せざるを得ない。特許文献１～３で示されている従前のナノプローバによる検査を実施するにしても、不良箇所を特定し、測定するために、前工程を完了したウェハを研磨し、ＬＳＩチップ内の配線を露出させながらの測定となるため、結局は検査したウェハを廃棄せざるを得ない。また、ウェハを検査する際、ウェハを汚染してしまっては、製品としての価値が失われてしまい、その損失は大きい。

ここで、実施例１～７で示した装置または方法を用いて、測定や検査を実施する場合、プローブがタングステンなどの試料１０１である半導体ウェハと親和性のある材料で製造されているので、ウェハの汚染を著しく低減させることが可能となる。そのため、前述したフォトレジストの塗布のステップＳ３４０５から多層配線形成のステップ３４１２の工程の適宜の繰り返し作業の途中途中で、半導体ウェハを電気特性評価装置１００へ投入し、不良解析を行うことが可能となる。これにより、各レイヤの製造工程で、電気特性や吸収電流像を取得することで、工程の途中で発生した製造装置や材料等の起因による不具合を早期にフィードバックし、不良ウェハの数を減らすことが可能になる。例えば、図３２（ａ）、図３２（ｂ）および図３３に示した方法で、トランジスタ層の生産工程において、異なる拡散層エリア間の絶縁抵抗値の確認を実施したり、ゲート部の端部と端部の抵抗値を測定することにより空間的な製造の良し悪しを電気的に確認することが可能である。これらは、これまでは、測長ＳＥＭにのみ可能な作業であったが、測長ＳＥＭの工程の後に、電気特性評価装置１００によるチェック工程を新たに追加することにより、空間的な製造の確認を電気特性の取得によっても行うことで、更に、製造工程の信頼度を上げることができる。空間的なチェックの他に、図３２（ａ）および図３２（ｂ）に示した方法で、半導体のＰＮジャンクションの電気特性取得や、ゲートの他エリアとの絶縁性能の確認を行うことにより、外観形状から判らない電気的な不具合を見つけだすことが可能である。トランジスタ層以外の配線層に至っては、電気特性評価装置１００により、単純の配線端部と端部間の抵抗測定や配線間の抵抗測定により、電気的な配線層の導通や絶縁の確認を行うことが可能である。また、吸収電流像を取得することにより、配線の断線や配線間のショートなどの不良箇所を画像として見つけることが可能である。これは、測長ＳＥＭで線幅の確認を行うよりも、電気特性評価装置１００によって、電気的な接続を画像として確認できるという意味でデバイス生産工程の信頼度を向上させるものである。

このように、測長ＳＥＭによる各レイヤ生成工程時の空間的な確認と電気特性評価装置１００による電気的な確認を各生産工程に入れることにより、後続ロットへのフィードバックが迅速に行われることにより、全体としてのウェハの歩留まりが向上し、生産原価も下げることができる。従来は、ウェハが完成し、何らかの不良が判明した後に、不良解析するために、研磨しながら確認作業をおこなうため、完成したウェハを廃棄せざるを得なかったが、上述した実施形態によれば、電気特性評価装置１００を生産工程へ投入し、且つウェハへの汚染を回避させることが可能となり、半導体装置の製造工程の内の前工程の多くの場面での欠陥解析の効率を向上させることが可能となる。

１００：電気特性評価装置、１０１：試料、１０２：試料ステージ、１０３：ＳＥＭ鏡筒、１０４：検出器、１０５：試料ホルダ、１０６：プローブカートリッジ、１０７：プローブ駆動機構、１０８：制御器、１０９：表示装置、１１０：プローブ交換機、１３２：スクライブ領域、１４１：基板用の電極パッド、１４２：ゲート用の電極パッド、１４３：ドレイン用の電極パッド、１４４：ソース用の電極パッド、９０１：ＭＥＭＳプローブ、２２０１：ＭＥＭＳプローブ。

Claims (3)

1. 縦方向に延在するスクライブ領域および横方向に延在するスクライブ領域に、半導体素子の電極パッド群を同一方向に形成する工程と、
   プローブ列の各プローブを、前記電極パッド群の内のそれぞれが対応する電極パッドに接触させる工程と、
   前記半導体素子の電気特性を検査する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記半導体素子は、トランジスタであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記半導体素子は、インバータであることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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