JPH08160109A

JPH08160109A - 電子素子評価装置

Info

Publication number: JPH08160109A
Application number: JP6299576A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hasegawa; 剛長谷川; Satoshi Tomimatsu; 聡富松; Shigeyuki Hosoki; 茂行細木; Takahisa Doi; 隆久土井; Makiko Kono; 真貴子河野; Yasuhiro Mitsui; ▲泰▼裕三井; Fumiko Arakawa; 史子荒川; Kazuo Aoki; 一雄青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1994-12-02
Publication date: 1996-06-21

Abstract

(57)【要約】【目的】試料内部に形成された電子回路の局所的な電
流電圧特性の計測を可能とし、不良原因の電子回路部分
の同定を容易とし、電子素子の評価、並びに不良解析を
効率良く行なう。【構成】電圧が印加された導電性の探針１を、電子回
路を形成する試料２上に移動する探針移動機構４と、移
動中の探針１と試料２表面との間に流れるトンネル電流
を検出するプリアンプ６と、トンネル電流の検出後に探
針１をさらに予め定められた量だけ試料２側に移動させ
るよう探針移動機構４を制御する制御回路８と、この所
定の量の移動後に探針１と試料２表面との間に流れる電
流を検出する電流計７とを少なくとも有し、電流計７の
検出結果を、電子回路の局所的な素子特性の評価用とし
て出力する電子素子評価装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子素子の性能の評価
や不良の解析に用いられる装置に係り、特に、電子素子
の局所的な電気特性の測定による電子素子の評価と不良
解析を効率良く行なうのに好適な電子素子評価装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子素子の特性を評価、あるい
は、不良を解析する技術としては、異常発熱箇所を検出
する液晶法や、異常発光箇所を検出するエミッション顕
微鏡法、または、異常電界箇所を検出する光ビーム励起
電流法等が知られている。最近では、電子ビームテスタ
ー法（ＥＢテスター法）も不良箇所を同定できる有力な
技術として注目されている。この電子ビームテスター法
の簡単な原理は、例えば、応用物理学会誌「応用物理
第６３巻第６号（１９９４）」の第６０８頁から第６
１１頁に記載されている。その原理は、走査型電子顕微
鏡像のコントラストから動作状態の電子素子の配線電位
を得るものであり、エネルギーフィルタを用いることに
より、１０ｍＶの精度で電位が測定でき、この測定され
た電位コントラストを、良品電子素子から得られた基準
データと比較することによって、故障を検出し、その箇
所を同定する。

【０００３】電子素子の局所的な電気特性を調べる技術
としては、原子間力顕微鏡を用いる技術が知られてい
る。例えば、「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジ
クス第７２巻第２号（１９９２年）」の第６８８頁か
ら第６９１頁（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ，７２（１９９２）ｐｐ６８８−６
９１／１９９２ＡｍｅｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｔ
ｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ）にその技術が詳しく記載さ
れている。この技術は、導電性のカンチレバーを用い、
このカンチレバーの制御を原子間力で行なって、カンチ
レバー先端と試料表面との距離を一定に保ち、これと同
時に、カンチレバーと試料間に電圧を印加して、両者の
間に流れる電流を検出するものである。これにより、例
えば、酸化膜の耐電圧特性を局所的に測定することがで
きる。

【０００４】上述したように、従来のＥＢテスター法に
より、電子素子の不良箇所を同定することができる。す
なわち、入力端子よりテストパターンを入力した際に期
待通りの動作をしない（所定の電位にならない）配線箇
所を同定することができる。しかし、この技術では、不
良箇所を配線レベルで同定することができても、その配
線につながる、不良の原因となる電子回路部分を同定す
ることは容易ではない。これを同定するためには、数多
くのテストパターンを入力して結果を解析することによ
り、故障箇所をしぼり込んでいく必要があった。また、
上述の原子間力顕微鏡を用いた技術では、酸化膜の耐電
圧など、表面の電子特性を評価することはできるが、試
料内部に形成された電子素子の特性を評価することはで
きない。それは、この技術により検出する電流は、いわ
ゆるトンネル電流であるため、その電流電圧特性は、カ
ンチレバー先端と試料表面の電気特性で決まってしまう
からである。

【０００５】さらに、別の技術として、探針を、測定す
べき箇所に当て、この探針に電圧を印加し、電流電圧特
性を測定する技術も一般的に用いられている。しかし、
この技術では、探橋のサイズが大きく、ミクロンオーダ
ーの実デバイスを測定することができないため、大きな
構造の測定用の試料を準備する必要があった。この問題
を解決するために、単純に、探針を細かくすることが考
えられるが、この場合、探針および試料が微細な場合、
両者の接触によって、探針もしくは試料が損傷する恐れ
があり、また、原子間力顕微鏡を用いた場合でも述べた
ような理由により、接触を確実に行なうことができない
ために、目的とする電流電圧特性を測定することができ
ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、従来のＥＢテスター法による電子素子の評価技術
では、数多くのテストパターンを入力した結果を解析し
て、故障箇所を絞り込んでいかなければ、不良の原因と
なる電子回路部分を同定することができず、また、従来
の原子間力顕微鏡を用いた技術では、電子素子の特性の
評価に用いる検出電流はトンネル電流であるため、試料
内部に形成された電子回路の局所的な電流電圧特性を得
ることができず、さらに、探針を試料に当てて測定する
技術では、構造の大きな試料を準備する必要があり、素
子が微細化されたために発生する不良の解析を行なうこ
とができない点である。本発明の目的は、これら従来技
術の課題を解決し、試料内部に形成された微細な電子素
子の特性の測定を容易とし、電子素子の評価、並びに不
良解析を効率良く行なうことを可能とする電子素子評価
装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の電子素子評価装置は、（１）鋭利な先端を
有し電圧が印加された導電性の探針１を、電子回路を形
成する試料２上に移動する探針移動機構４と、移動中の
探針１と試料２表面との間に流れるトンネル電流を検出
する第１の電流検出手段（プリアンプ６）と、このトン
ネル電流の検出後に、探針１をさらに予め定められた量
だけ、試料２側に移動させるよう探針移動機構４を制御
する制御回路８と、この所定の量の移動後に、探針１と
試料２表面との間に流れる電流を検出する第２の電流検
出手段（電流計７）とを少なくとも有し、電流計７の検
出結果（測定結果）を、電子回路の局所的な素子特性の
評価用として出力することを特徴とする。また、（２）
鋭利な先端を有し電圧が印加された導電性の探針１を、
電子回路を形成する試料２上に移動する探針移動機構４
と、移動中の探針１と試料２表面との間に流れる電流を
測定し、探針１と試料２表面間のトンネル電流を検出す
る電流測定手段（電流計６ａ）と、このトンネル電流の
検出後に、探針１をさらに予め定められた量だけ、試料
２側に移動させるよう探針移動機構４を制御する制御回
路８とを少なくとも有し、トンネル電流の検出後の探針
１の移動後の、探針１と試料２表面との間に流れる電流
の測定結果を、電子回路の局所的な素子特性の評価用と
して出力することを特徴とする。また、（３）上記
（１）、もしくは、（２）のいずれかに記載の電子素子
評価装置において、トンネル電流の検出後に移動する探
針１の予め定められた移動量を、１ｎｍ以上とすること
を特徴とする。また、（４）上記（１）、もしくは、
（２）のいずれかに記載の電子素子評価装置において、
トンネル電流の検出後に移動する探針１の予め定められ
た移動量を、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の任意の値とす
ることを特徴とする。また、（５）上記（１）から
（４）のいずれかに記載の電子素子評価装置において、
電子回路を形成する試料２の形状を測定する顕微手段を
設け、この顕微手段の測定結果に基づき、探針移動機構
（微動機構５７、粗動機構５８）を介して探針１を試料
の評価位置に移動することを特徴とする。また、（６）
上記（５）に記載の電子素子評価装置において、顕微手
段は、走査型電子顕微鏡からなることを特徴とする。ま
た、（７）上記（６）に記載の電子素子評価装置におい
て、走査型電子顕微鏡の真空部分に、第１、第２の電流
検出手段（プリアンプ６、電流計６ａ、７）、および、
この第１、第２の電流検出手段と探針１との接続を切り
換える手段（接続切換器９）を設けることを特徴とす
る。また、（８）上記（５）に記載の電子素子評価装置
において、顕微手段は、カンチレバー（Ｃａｎｔｉｌｅ
ｖｅｒ）６１の自由端にある探針６２と試料６３表面と
の間に働く原子間力によって生ずるカンチレバー６１の
撓みから試料６３表面の形状を測定する原子間力顕微鏡
からなることを特徴とする。また、（９）上記（８）に
記載の電子素子評価装置において、原子間力顕微鏡のカ
ンチレバー６１の固定端に、カンチレバー６１の自由端
にある探針６２の先端よりも試料６３表面から離れた所
定の位置に先端がくるように、鋭利な先端を有し電圧が
印加される導電性の探針６４を設け、原子間力顕微鏡に
よる試料６３の形状の測定結果に基づき、移動手段（微
動機構６０）を介してカンチレバー６１を移動し、カン
チレバー６１の固定端の探針６４を試料６３の評価位置
６５に合わせることを特徴とする。また、（１０）上記
（８）、もしくは、（９）のいずれかに記載の電子素子
評価装置において、原子間力顕微鏡のカンチレバー６１
の自由端にある探針６２は、絶縁体からなることを特徴
とする。また、（１１）上記（９）、もしくは、（１
０）のいずれかに記載の電子素子評価装置において、カ
ンチレバー６１の自由端にある探針６２と固定端にある
探針６４のそれぞれの先端位置のずれが１０μｍ以内と
なるように両探針６２、６４を設けることを特徴とす
る。また、（１２）上記（８）から（１１）のいずれか
に記載の電子素子評価装置において、トンネル電流の検
出後に探針６４をさらに試料６３側へ移動した後のカン
チレバー６１の撓み量を測定し、記憶する手段を設け、
制御回路は、素子特性の評価時に、記憶したカンチレバ
ー６１の撓み量を一定とするように、移動手段（微動機
構６０）を制御することを特徴とする。また、（１３）
上記（１）から（１２）のいずれかに記載の電子素子評
価装置において、トンネル電流の検出後に探針７０をさ
らに試料７２側へ移動した後の試料７２表面から探針７
０の予め定められた部位までの距離を測定し、記憶する
手段（変位計７３）を設け、制御回路は、素子特性の評
価時に、記憶した試料表面から探針の予め定められた部
位までの距離を一定とするように、移動手段（探針移動
機構７４）を制御することを特徴とする。また、（１
４）上記（１）から（１２）のいずれかに記載の電子素
子評価装置において、トンネル電流の検出後に探針７０
をさらに試料７２側へ移動した後の試料７２表面から探
針７０の予め定められた部位までの距離を測定し、記憶
する手段（変位計７３）を設け、制御手段は、素子特性
の評価時に、記憶した試料表面から探針の予め定められ
た部位までの距離を一定とするように移動手段（探針移
動機構７４）を制御した後に、外部からの指示入力に基
づき、探針を試料表面側に所定量移動させるように移動
手段（探針移動機構７４）を制御することを特徴とす
る。また、（１５）上記（１）から（１４）のいずれか
に記載の電子素子評価装置において、トンネル電流の検
出後の探針１の試料２側への移動量を順次に増やして得
られる、プリアンプ６の検出結果に基づき、試料２と探
針１との接触の度合いの変化を検出する手段（接続度合
検出回路９０）を設け、制御回路８ａは、接触度合検出
回路９０による接触度合いの変化の検出結果に基づき、
トンネル電流の検出後の探針１の試料２側への移動量を
決定することを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明においては、鋭利な先端を有する探針に
電圧を印加し、この探針を、測定すべき電子回路を形成
する試料の特定の位置に接触させ、局所的に電圧を印加
する。そして、その電流電圧特性を計測する。このこと
により、電子回路の電流電圧特性を局所的に計測するこ
とができる。この時、探針の接触を確実、かつ、試料を
損傷しないようにするために、探針の接触を次のように
行なう。すなわち、まず探針と試料間にトンネル電流が
流れるまで両者を近づけ、このトンネル電流が流れた
後、さらに１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、両者を接近させ
る。このようにすることにより、本発明では、試料を損
傷すること無く、かつ確実に探針を試料に接触させるこ
とができる。このため、探針・試料間の抵抗が発生する
ことがない。また、測定中に、探針が試料から離れてし
まうこともない。従って、局所的な電子素子の特性を誤
差なく計測することができる。また、本発明では、接触
位置の確認のために、走査型電子顕微鏡、あるいは、原
子間力顕微鏡等の顕微手段を用いる。原子間力顕微鏡を
用いる場合には、カンチレバーの自由端にある探針とは
別に、カンチレバーの固定端に、上述の局所的な特性計
測に用いる探針を設ける。さらに、カンチレバーの自由
端の探針は、絶縁体とする。さらに、本発明では、探針
と試料との接触の度合いを計測する機構を設け、接触の
度合いを一定にすることにより、素子特性の計測中にお
ける、探針と試料との接触を確実にする。この度合いの
計測は、例えば、原子間力顕微鏡のカンチレバーの撓み
を検出すること、あるいは、探針・試料の相対位置を光
ファイバを用いた変位検出器で測定すること等により行
なう。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面により詳細に
説明する。図１は、本発明の電子素子評価装置の本発明
に係る構成の一実施例を示すブロック図である。図１に
おいて、１は鋭利な先端を有する探針、２は試料、３は
探針１の試料２上の接触点、４は探針１を移動させ接触
点３で試料２に接触させる探針移動機構、５は探針１に
所定の電圧を印加する電源、６は探針１と試料２との間
に流れるトンネル電流を検出する第１の電流検出回路と
してのプリアンプ、７は探針１と試料２との間に流れる
電流を測定する本発明の第２の電流検出回路としての電
流計、８は探針移動機構４を制御する制御回路、９は探
針１の接続先をプリアンプ６と電流計７間で切り換える
接続切換器である。

【００１０】このような構成の本実施例の電子素子評価
装置では、まず、図１（ａ）に示すように、探針移動機
構４により、探針１と試料２間にトンネル電流が流れる
まで、探針１を試料２の表面の目的とする接触点３に接
近させる。この時、探針１と試料２との間には、電源５
により電圧が印加されており、プリアンプ６によりトン
ネル電流を検出すると、制御回路８により移動機構４を
制止する。次に、制御回路８および探針移動機構４によ
り、トンネル電流が流れた位置から、さらに１ｎｍ以
上、探針１を試料２に接近させることにより、図１
（ｂ）に示すように、探針１を試料２に接触させる。こ
の時は、ミリアンペアオーダの電流が測定可能な電流計
７を用いて、探針１と試料２間の電流を測定する。

【００１１】ナノアンペアオーダのトンネル電流が流れ
るのは、試料２と探針１の間の距離が約１ｎｍの所であ
り、このように、トンネル電流を検出した位置からさら
に、１ｎｍ以上、探針１を試料２に接近させることによ
り、探針１と試料２との接触を確実に行なうことができ
る。本実施例では、固定端にある探針１を用いているた
め、探針移動機構４の移動量と探針１の移動量が一致す
るので、確実な接触を行なうことができる。また、探針
１を接触させ過ぎると、試料２に圧痕を作り、試料２お
よび探針１自身に損傷を与える恐れがある。そのため、
トンネル電流が流れた後に探針１を試料２に接近させる
距離は、探針１と試料２の形状や材質にも依存するが、
概ね０．１μｍ（＝１００ｎｍ）以内が望ましい。

【００１２】本実施例では、探針１の接近時と素子特性
評価時とでは、異なる電流検出器（プリアンプ６と電流
計７）を用いている。これは、トンネル電流の大きさが
ナノアンペアオーダと微弱であり、高精度な検出器が必
要なのに対し、素子を流れる電流はミリアンペアオーダ
と大きく、トンネル電流用の電流検出器では測定しきれ
ないからである。しかし、次の図２で示すように、プリ
アンプ６と電流計７を１つの電流検出機構で構成するこ
とでも良い。尚、トンネル電流検出にあたっては、特に
ノイズが問題となる。このため、プリンアンプ６は試料
２の近くに設置することが望ましい。従って、後述の実
施例で述べるような走査型電子顕微鏡内で本実施例の装
置による測定を行なう場合には、これらの検出器（プリ
ンアンプ６、電流計７）および接続切換器９を真空内に
設置した方が望ましい。

【００１３】次に、図２〜図５を用いて、本発明に係る
電子素子評価装置の動作の詳細を説明する。図２は、本
発明の電子素子評価装置による素子特性の評価手順例を
示す説明図である。本例では、１つの電流検出器（電流
計６ａ）を用いた電子素子評価装置による素子特性の評
価手順例を示しており、試料１上には、演算部１２〜１
５、およびそれらをつなぐ配線からなる電子回路が形成
されている。この電子回路は、入力端子１７、１８より
入力された信号を演算し、出力端子１９、２０よりその
結果を出力する。実際に用いられる電子回路は、本図２
に示す回路よりもはるかに複雑であるが、ここでは、こ
の簡単な回路を用いて説明する。

【００１４】探針１の先端は、配線１６に接触してい
る。この探針１には、電源５により任意の電圧が印加で
きるようになっている。これにより、探針１が接触して
いる配線１６に、任意の電圧を印加することができる。
電源５のもう一方の端は、入力端子１７と接続され、探
針１や演算部１２を含む閉ル−プが形成されている。探
針１に電圧を印加した時にこの閉ル−プに流れる電流
を、電流計６ａにより測定する。例えば、演算部１２内
のダイオード１０、１１のうち、図中左側のダイオード
１１が不良であるとする。この時、配線１６の部分は、
入力信号のパタ−ンによっては、異常な電位を示すこと
になる。従来の技術によれば、ＳＥＭコントラストから
この異常をとらえることができ、演算部１２に不良があ
ることが分かる。

【００１５】しかし、これだけでは、演算部１２のどこ
が悪いのか識別することはできない。すなわち、２つあ
るダイオ−ド１０、１１のうち、どちらが不良なのか識
別することはできない。従来技術では、これを識別する
ためには、複数のテストパタ−ンを入力してその結果を
解析する必要があった。このパタ−ンの数は、図２に示
した例では、高々数種類であるが、実際に用いられる複
雑な回路では、必要なテストパタ−ンの数は数千に及ぶ
こともあり、不良箇所を同定するのは容易なことではな
い。

【００１６】本実施例では、探針１の先端を異常電位を
示す配線部分に接触させることにより、検査すべき素子
の特性を直接計測できるので、テストパタ−ンを入力し
てその結果を解析する必要がなく、効率的である。すな
わち、入力端子１７側を通る閉ル−プを形成すれば、図
中左側のダイオード１１の特性を調べることができ、ま
た、入力端子１８側を通る閉ル−プを形成すれば、図中
右側のダイオード１０の特性を調べることができる。

【００１７】また、本実施例では、探針１を用いて局所
的に任意の電圧を印加することができるので、局所的な
電流電圧特性を調べることができる。従来のテストパタ
−ンを入力する技術では、入力端子に任意の電圧を入力
したとしても、目的とする位置に所望の電圧を印加する
ことは不可能であることは言うまでもない。また、本実
施例では、回路内の特性を調べたが、電源５のもう一端
を接地して回路を形成する各素子の耐絶縁性を調べると
いったこともできる。従って、電源５のもう一端を必ず
しも入力端子に接続する必要はない。また、閉ル−プを
形成するにあたり、もう一端の接続を別の探針を用いて
行なうこともできる。

【００１８】図３は、図２における電子素子評価装置に
よる素子特性の測定例を示す説明図である。試料上に形
成された回路の特定の素子（ここではダイオード１０）
の特性を、探針１、電源５、電流計６ａ、引出線２１、
配線１６、２２からなる閉ル−プを形成し、この閉ル−
プの電流電圧特性を調べることにより測定するのであ
る。本図３では、ダイオード１０の左側は、引出線２１
により閉ル−プを形成したが、それが不可能な場合は、
もう一本別の探針を用いることもできるのは、先に述べ
た通りである。

【００１９】例えば、ダイオード１０が、図中に示した
ようにｐ−ｎ接合であれば、電流計６ａにより、図４に
示すような電流電圧特性を得ることができる。図４は、
図３における電子素子評価装置による素子特性の測定結
果例を示す説明図である。図４において横軸は探針１に
印加した電圧、縦軸はその時閉ル−プに流れた電流であ
る。図４（ａ）は、正常なｐ−ｎ接合を計測した場合
で、逆バイアス（探針側が負の電圧）でほとんど電流が
流れていないことが分かる。一方、図４（ｂ）は、不良
品を測定した場合のもので、逆バイアスでも電流が流れ
てしまっていることが分かる。このように本実施例の電
子素子評価装置によれば、実際の回路の局所的な電流電
圧特性を得ることができる。

【００２０】図１に示すような電子素子評価装置を構成
するにあたり、最も注意すべき点は、探針１と試料２と
の接触を確実に行なうことである。すなわち、測定すべ
きは、素子の電流電圧特性であるので、測定系の特性
が、計測された電流電圧特性に反映されてはいけない。
例えば、探針１と試料２との接触が不十分であると、得
られる電流電圧特性は、この接触の度合いを反映したも
のになりかねない。この意味で、従来の導電性のカンチ
レバー（Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）を用いる原子間力顕微
鏡では、素子の特性を測ることはできない。以下に、図
５を用いて、本実施例の電子素子評価装置を構成するた
めに必要な、探針の試料表面への接触の仕方について説
明する。

【００２１】図５は、本発明の電子素子評価装置におけ
る探針と試料との接触状態例を示す側断面図である。電
子素子は、導体、半導体、絶縁体からなっている。すな
わち、試料表面全体が導体である訳ではない。このた
め、このような試料の形状と電気特性の計測には、導電
性のカンチレバーを用いる原子間力顕微鏡法が用いられ
てきた。この場合、カンチレバーの制御は原子間力で行
ない、同時にカンチレバーと試料間に流れる電流の測定
も可能だからである。しかし、この電流とはトンネル電
流のことであって、本発明の目的である、試料内に形成
された素子の電流電圧特性を測定することはできない。
この理由を次に説明する。

【００２２】図５（ａ）は、従来の導電性のカンチレバ
ーを用いた電気特性計測時の試料表面とカンチレバーの
接触状態を示し、カンチレバー先端３０と試料３１の表
面との間に働く原子間力によってカンチレバーが「ｄ」
だけ撓む。この撓み「ｄ」が一定になるように微動機構
により、例えば、カンチレバーの位置を制御する。この
ようにカンチレバーと試料間の距離を制御した上で、カ
ンチレバー上にコーティングされた導電性の薄膜３２と
試料３１との間に電圧を印加すると、両者の間にトンネ
ル電流が流れる。このトンネル電流を測定することによ
り、試料の局所的な電気特性を計測することができる。

【００２３】この時のカンチレバー先端部にある探針３
３と試料表面３４の拡大図を円内に示す。カンチレバー
は、ある一定の斥力が試料表面３４と探針３３間に働く
ように表面に押しつけられているが、原子レベルで見る
と、試料表面３４と探針３３とは、それでも１ｎｍ前後
離れている。しかし、この程度のギャップであれば、ト
ンネル電流が流れることは良く知られている。ここで問
題となるのは、このトンネル抵抗がギガΩのオーダであ
り、このため、得られるトンネル電流の電圧特性は、試
料表面３４および探針３３の電気特性だけで決まってし
まい、試料３１内に形成された電子素子の回路特性が得
られない。

【００２４】そこで、トンネル抵抗を小さくするため
に、さらに強い力でカンチレバーを試料表面に押しつけ
る技術も考えられるが、そうすると、２つの問題が発生
する。１つは、カンチレバー自身が塑性変形してしま
い、カンチレバーとして機能しなくなってしまうという
問題である。これを避けるために、より剛性の高いカン
チレバーを用いることも考えられるが、その場合、顕微
鏡としての分解能が劣化してしまうという別の問題が発
生する。いま１つは、カンチレバー上にコーティングし
た薄膜３２が剥離してしまい、安定な電気接触が得られ
ないという問題である。

【００２５】電子素子の回路特性を正確に得るために
は、探針と試料表面間の接触抵抗をゼロにする必要があ
る。このためには、図５（ｂ）に示すように、固定端に
形成された探針３５、例えば、走査型トンネル顕微鏡な
どに用いられているような探針を、確実に試料の表面３
６に接触させる必要がある。この接触部分の拡大図を円
内に示す。一方で、測定すべき電子素子の寸法はサブミ
クロンオーダになっており、探針の接触の度合いによっ
ては、素子に損傷を与えたり、不必要な部分にまで探針
が接触してしまうことになる。このため、探針の接触
は、確実かつ最低限にする必要がある。このような課題
を解決するために、本実施例では、上述の図１に示すよ
うな構成で探針の接触を行なうようにした。

【００２６】このように、図１で示す電子素子評価装置
においては、固定端にある探針１の先端を、試料２表面
上の目的とする位置（接触点３）に正確に接触させる必
要が有るが、試料表面上のすべての領域でトンネル電流
が取れるとは限らないので、上述の走査型トンネル顕微
鏡を場所の同定に用いることはできない。このため、本
実施例では、走査型電子顕微鏡、あるいは、原子間力顕
微鏡を場所の同定に用いるようにした。以下、図６、７
により、これらの顕微鏡を用いた場合の実施例を説明す
る。

【００２７】図６は、走査型電子顕微鏡を用いた本発明
に係る電子素子評価装置の構成例を示す説明図である。
電子銃５０から放出された電子線５１は、偏向レンズ５
２により試料表面５３上で走査される。この時、放出さ
れる２次電子が検出器５４により検出され、２次電子顕
微鏡像５５が得られる。この電子顕微鏡の試料室内に、
探針５６を搭載した微動機構５７および粗動機構５８か
らなる移動機構が設けられている。電子顕微鏡像で確認
しながら、これらの移動機構により、試料表面５３上の
目的とする位置に探針５６を接触させる。このように、
本発明に係る電子素子評価装置と走査型電子顕微鏡とを
組み合わせることにより、従来の電子線テスタ法による
計測も同一試料に対して容易に行なうことができ、効率
的である。

【００２８】図７は、原子間力顕微鏡を用いた本発明に
係る電子素子評価装置の構成例を示す説明図である。本
例は、原子間力顕微鏡を場所の同定に用いる場合の実施
例を示し、微動機構６０の先端にカンチレバー６１が取
り付けられている。このカンチレバー６１の先端には探
針６２が形成されている。この探針６２と試料６３の表
面との間に働く原子間力によってカンチレバー６１が撓
む。この撓みが一定になるようにカンチレバー６１の位
置（試料６３からの高さ）を制御して試料６３の表面の
形状を測定する。本実施例では、さらにカンチレバー６
１の固定端にも別の探針６４を設けている。この探針６
４は、カンチレバー６１に力が加わっていない状態で
は、先端にある探針６２よりも引っ込んでいる。このた
め、探針６４は、試料２には接触しない。

【００２９】この探針６４の引っ込みの程度は、カンチ
レバー６１の長さなどの条件にもよるが、１〜１０μｍ
程度が良い。従って、試料６３の表面形状の測定におい
て、引力モード、または、斥力モードでも、カンチレバ
ー６１の撓みがこの引っ込み値よりも小さい範囲で測定
すれば、固定端にある探針６４が試料６３の表面に接触
することはない。そこで、まず、カンチレバー６１の先
端にある探針６２で目的とする場所６５を同定し、次
に、その場所６５に固定端の探針６４がくるように、移
動機構６０によりカンチレバー６１を移動させる。この
２つの探針６２、６４の間隔は事前に測定可能であり、
同一のカンチレバー６１上に形成されたものなので、そ
の間隔は変化しない。このため、この移動は、例えば、
圧電素子を用いた微動機構６０によれば、１ｎｍの精度
で容易に行なうことができる。

【００３０】このようにして、カンチレバー６１の固定
端にある探針６４を目的の位置に移動させた後、先の図
１で述べた技術により、この探針６４を試料表面（場所
６５）に接触させて素子特性を評価する。この時、カン
チレバー６１の先端の探針６２も試料表面に接触し、カ
ンチレバー６１は形状測定時よりもさらに撓むことにな
るが、２つの探針６２、６４の高さの差が数μｍ程度で
あれば、カンチレバー６１が塑性変形してしまうことも
ない。逆に言えば、塑性変形が起こらない程度に２つの
探針６２、６４の高さの差を設定しておく。また、カン
チレバー６１の自由端の探針６２を絶縁性の部材で形成
しておけば、この探針６２と試料６３の表面との間で電
流が流れることはないので、電流電圧特性の計測にも支
障は生じない。このように原子間力顕微鏡を用いれば、
真空引きを行なう必要もないので、効率的に測定が行な
える。

【００３１】このように、本実施例の電子素子評価装置
で探針と試料との接触を正確に行なう上で問題となるも
のに、試料のドリフトがある。すなわち、温度変化など
による試料ホルダの膨張や収縮、あるいは、機械的な変
位により、試料位置が動いてしまうという問題である。
特に、試料と探針間の距離が動いてしまうのは、先に述
べた探針と試料間の接触を確実に行なわなければならな
いことから、その移動距離がたとえ１ｎｍ程度であって
も問題となる。このため、本実施例において、探針と試
料間の距離（接触）を一定に保つ必要がある。例えば、
先の図７に示した実施例では、探針と試料を接触させた
後、カンチレバーの撓みを一定にすることにより、この
接触を一定に保つことができる。すなわち、固定端にあ
る探針６４を試料６３の表面（場所６５）に接触させる
と、カンチレバー６１が撓む。この撓みが一定になるよ
うにしてやれば、固定端にある探針６４と試料６３（場
所６５）の接触の度合いも一定に保てる。

【００３２】このような原子間力顕微鏡を用いない場合
には、次の図８に示すような別の技術により、探針と試
料との一定の接触を保つ必要がある。図８は、原子間力
顕微鏡を用いずに電子素子評価装置の探針と試料との接
触度合いを一定に保つ構成例を示す説明図である。図８
においては、探針７０に、この探針７０と同一の動きを
する反射板７１が取り付けられている。そして、探針移
動機構７４により探針７０が試料７２の表面に接触した
時点で、この反射板７１と試料７２の表面との距離を測
定し、その距離が一定になるように探針移動機構７４を
制御して接触を一定に保つ。探針７０と試料７２との接
触は、ｎｍの精度で一定に保てば充分であるから、例え
ば、差動式の光ファイバ変位計７３により、反射板７１
と試料７２間の距離を容易に測定することができる。

【００３３】尚、原子間力顕微鏡を用いても用いなくて
も、探針や試料の材質によっては、計測中に変形して接
触が不完全になってしまう場合もある。この時は、計測
中、接触の度合いを高めるべく、移動機構により探針を
試料にさらに近付けるようにすれば良い。このような場
合、探針と試料との接触度合いの調整を自動的に行なう
ことが望まれ、そのための構成を、図９に示す。図９
は、探針と試料との接触度合いの自動調整が可能な電子
素子評価装置の本発明に係る構成の一実施例を示すブロ
ック図である。本図９に示す構成例は、図１における電
子素子評価装置に、接触度合検出回路９０を設けたもの
であり、この接触度合検出回路９０は、電流計７の測定
結果に基づき、試料２の接触点３に対する探針１の接触
度合いの変化を検出する。

【００３４】すなわち、制御回路８ａは、プリアンプ６
によるトンネル電流の検出後に、探針移動機構４を制御
して、探針１を試料２側に１ｎｍ以上、徐々に移動させ
る。この時、接続切換器９により、探針１は電流計７に
接続され、この電流計７により探針１と試料２間に流れ
る電流が測定される。接触度合検出回路９０は、この移
動中に得られる、すなわち、探針１の試料２側への移動
量を順次に増やして得られる、電流計７の電流測定値の
変化に基づき、探針との接触の度合いの変化を検出す
る。例えば、電流測定値の変化が停止すれば、探針１と
試料２との接触の度合いが充分であるとして検出する。
この検出結果に基づき、制御回路８ａは、探針移動機構
４による探針１の移動を停止させる。

【００３５】このようにして、探針１と試料２との接触
度合いの変化の検出結果に基づき、探針１の試料２側へ
の移動量を決定することにより、探針１と試料２との接
触度合いの自動調整が可能となる。さらに、この接触度
合検出回路９０を用いれば、素子特性評価時にも、接触
の自動調整が可能となる。すなわち、探針と試料間に流
れる電流が、電圧の増加にも係らずに減少した場合に
は、電流値が一定になるように、接触の度合いを高め
る。

【００３６】次に、図１０を用いて、本実施例の電子素
子評価装置による不良箇所の同定処理の説明を行なう。
図１０は、本発明の電子素子評価装置による不良箇所の
同定処理例を示す説明図である。図１０（ａ）におい
て、８つの演算部８１〜８８からなる電子素子の一部が
示されている。入力端子から入力された信号を演算し、
配線８９に出力する。今、演算部８１〜８８の内の１つ
の動作が不良であるとすると、配線８９は、異常電圧を
示し、不良が検出される。この時、８つの演算部８１〜
８８のうち、どれが不良であるかを検出するためには、
従来技術では、テストパターンを幾通りも入力して判定
する必要があった。例えば、素子の数をｎとすると、そ
の全パターン数は、２のｎ乗となる。現実にはこの全パ
ターンをためす必要はないが、いずれにしても、膨大な
数である。

【００３７】図１〜図９で示した本実施例の電子素子評
価装置によれば、この数を格段に減らすことができる。
すなわち、まず、図１０（ｂ）に示すように、配線８９
の一部を切断する。この切断には、例えば、収束イオン
ビーム（ＦＩＢ）等を用いることができる。今、演算部
８７が不良を起こしているとすると、演算部８４、８５
間でまず切断したとすれば、探針を配線８９の左右それ
ぞれに接触させて測定することにより、切断箇所の右側
で不良が発生していることが判る。次に、図１０（ｃ）
に示すように、演算部８６、８７間で切断すれば、その
右側に不良箇所が有ることが同様にして分かる。これを
繰り返すことにより、最終的に不良を見出すことができ
る。このようにして不良箇所を同定するまでに必要な回
数は、ｌｏｇ₂ｎ回である。例えば、ｎ＝１６とする
と、従来技術では、最悪、２¹⁶＝６５５３６回必要であ
ったが、本実施例によれば、４回で済むことになる。

【００３８】以上、図１〜図１０を用いて説明したよう
に、本実施例の電子素子評価装置では、試料内に形成さ
れた電子回路の局所的な電流電圧特性を計測することが
できるので、効率的に不良解析などの素子特性評価を行
なうことができる。尚、本発明は、図１〜図１０を用い
て説明した実施例に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、不良の原因となる電子
回路部分を容易に同定することができ、また、試料内部
に形成された電子回路の局所的な電流電圧特性を計測す
ることができ、電子素子の評価、並びに不良解析を効率
良く行なうことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子素子評価装置の本発明に係る構成
の一実施例を示すブロック図である。

【図２】本発明の電子素子評価装置による素子特性の評
価手順例を示す説明図である。

【図３】図２における電子素子評価装置による素子特性
の測定例を示す説明図である。

【図４】図３における電子素子評価装置による素子特性
の測定結果例を示す説明図である。

【図５】本発明の電子素子評価装置における探針と試料
との接触状態例を示す側断面図である。

【図６】走査型電子顕微鏡を用いた本発明に係る電子素
子評価装置の構成例を示す説明図である。

【図７】原子間力顕微鏡を用いた本発明に係る電子素子
評価装置の構成例を示す説明図である。

【図８】原子間力顕微鏡を用いずに電子素子評価装置の
探針と試料との接触度合いを一定に保つ構成例を示す説
明図である。

【図９】探針と試料との接触度合いの自動調整が可能な
電子素子評価装置の本発明に係る構成の一実施例を示す
ブロック図である。

【図１０】本発明の電子素子評価装置による不良箇所の
同定処理例を示す説明図である。

【符号の説明】

１：探針、２：試料、３：接触点、４：探針移動機構、
５：電源、６：プリアンプ、６ａ、７：電流計、８，８
ａ：制御回路、９：接続切換器、１０，１１：ダイオー
ド、１２〜１５：演算部、１６：配線、１７，１８：入
力端子、１９，２０：出力端子、２１：引出線、２２：
配線、３０：カンチレバー先端、３１：試料、３２：導
電性薄膜、３３：探針、３４：試料表面、３５：探針、
３６：試料の表面、５０：電子銃、５１：電子線、５
２：偏向レンズ、５３：試料表面、５４：検出器、５
５：顕微鏡像、５６：探針、５７：微動機構、５８：粗
動機構、６０：微動機構、６１：カンチレバー、６２：
探針、６３：試料、６４：探針、６５：目的とする位
置、７０：探針、７１：反射板、７２：試料、７３：変
位計、７４：探針移動機構、８１〜８８：演算部、８
９：配線、９０：接触度合検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者土井隆久東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者河野真貴子東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者三井 ▲泰▼裕東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者荒川史子東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者青木一雄茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋭利な先端を有し電圧が印加された導電
性の探針を、電子回路を形成する試料上に移動する移動
手段と、移動中の前記探針と前記試料表面との間に流れ
るトンネル電流を検出する第１の電流検出手段と、該ト
ンネル電流の検出後に、前記探針をさらに予め定められ
た量だけ、前記試料側に移動させるよう前記移動手段を
制御する制御手段と、該所定の量の移動後に、前記探針
と前記試料表面との間に流れる電流を検出する第２の電
流検出手段とを少なくとも有し、前記第２の電流検出手
段の検出結果を、前記電子回路の局所的な素子特性の評
価用として出力することを特徴とする電子素子評価装
置。
【請求項２】鋭利な先端を有し電圧が印加された導電
性の探針を、電子回路を形成する試料上に移動する移動
手段と、移動中の前記探針と前記試料表面との間に流れ
る電流を測定し、前記探針と前記試料表面間のトンネル
電流を検出する電流測定手段と、該トンネル電流の検出
後に、前記探針をさらに予め定められた量だけ、前記試
料側に移動させるよう前記移動手段を制御する制御手段
とを少なくとも有し、前記トンネル電流の検出後の前記
探針の移動後の、前記探針と前記試料表面との間に流れ
る電流の測定結果を、前記電子回路の局所的な素子特性
の評価用として出力することを特徴とする電子素子評価
装置。
【請求項３】請求項１、もしくは、請求項２のいずれ
かに記載の電子素子評価装置において、前記トンネル電
流の検出後に移動する前記探針の予め定められた移動量
を、１ｎｍ以上とすることを特徴とする電子素子評価装
置。
【請求項４】請求項１、もしくは、請求項２のいずれ
かに記載の電子素子評価装置において、前記トンネル電
流の検出後に移動する前記探針の予め定められた移動量
を、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の任意の値とすることを
特徴とする電子素子評価装置。
【請求項５】請求項１から請求項４のいずれかに記載
の電子素子評価装置において、前記電子回路を形成する
試料の形状を測定する顕微手段を設け、該顕微手段の測
定結果に基づき、前記移動手段を介して前記探針を前記
試料の評価位置に移動することを特徴とする電子素子評
価装置。
【請求項６】請求項５に記載の電子素子評価装置にお
いて、前記顕微手段は、走査型電子顕微鏡からなること
を特徴とする電子素子評価装置。
【請求項７】請求項６に記載の電子素子評価装置にお
いて、前記走査型電子顕微鏡の真空部分に、前記第１、
第２の電流検出手段、および、該第１、第２の電流検出
手段と前記探針との接続を切り換える手段を設けること
を特徴とする電子素子評価装置。
【請求項８】請求項５に記載の電子素子評価装置にお
いて、前記顕微手段は、カンチレバー（Ｃａｎｔｉｌｅ
ｖｅｒ）の自由端にある探針と試料表面との間に働く原
子間力によって生ずる前記カンチレバーの撓みから前記
試料表面の形状を測定する原子間力顕微鏡からなること
を特徴とする電子素子評価装置。
【請求項９】請求項８に記載の電子素子評価装置にお
いて、前記原子間力顕微鏡のカンチレバーの固定端に、
該カンチレバーの自由端にある探針の先端よりも前記試
料表面から離れた所定の位置に先端がくるように、前記
鋭利な先端を有し電圧が印加される導電性の探針を設
け、前記原子間力顕微鏡による前記試料の形状の測定結
果に基づき、前記移動手段を介して前記カンチレバーを
移動し、該カンチレバーの固定端の探針を前記試料の評
価位置に合わせることを特徴とする電子素子評価装置。
【請求項１０】請求項８、もしくは、請求項９のいず
れかに記載の電子素子評価装置において、前記原子間力
顕微鏡のカンチレバーの自由端にある探針は、絶縁体か
らなることを特徴とする電子素子評価装置。
【請求項１１】請求項９、もしくは、請求項１０のい
ずれかに記載の電子素子評価装置において、前記カンチ
レバーの自由端にある探針と固定端にある探針のそれぞ
れの先端位置のずれが１０μｍ以内となるように両探針
を設けることを特徴とする電子素子評価装置。
【請求項１２】請求項８から請求項１１のいずれかに
記載の電子素子評価装置において、前記トンネル電流の
検出後に前記探針をさらに前記試料側へ移動した後の前
記カンチレバーの撓み量を測定し、記憶する手段を設
け、前記制御手段は、素子特性の評価時に、前記記憶し
たカンチレバーの撓み量を一定とするように、前記移動
手段を制御することを特徴とする電子素子評価装置。
【請求項１３】請求項１から請求項１２のいずれかに
記載の電子素子評価装置において、前記トンネル電流の
検出後に前記探針をさらに前記試料側へ移動した後の該
試料表面から前記探針の予め定められた部位までの距離
を測定し、記憶する手段を設け、前記制御手段は、素子
特性の評価時に、前記記憶した試料表面から前記探針の
予め定められた部位までの距離を一定とするように、前
記移動手段を制御することを特徴とする電子素子評価装
置。
【請求項１４】請求項１から請求項１２のいずれかに
記載の電子素子評価装置において、前記トンネル電流の
検出後に前記探針をさらに前記試料側へ移動した後の該
試料表面から前記探針の予め定められた部位までの距離
を測定し、記憶する手段を設け、前記制御手段は、素子
特性の評価時に、前記記憶した試料表面から前記探針の
予め定められた部位までの距離を一定とするように前記
移動手段を制御した後に、外部からの指示入力に基づ
き、前記探針を前記試料表面側に所定量移動させるよう
に前記移動手段を制御することを特徴とする電子素子評
価装置。
【請求項１５】請求項１から請求項１４のいずれかに
記載の電子素子評価装置において、前記トンネル電流の
検出後の前記探針の前記試料側への移動量を順次に増や
して得られる、前記第２の電流検出手段の検出結果に基
づき、前記試料と前記鋭利な先端を有する導電性の探針
との接触の度合いの変化を検出する手段を設け、前記制
御手段は、前記接触度合い検出手段による前記接触度合
いの変化の検出結果に基づき、前記トンネル電流の検出
後の前記探針の前記試料側への移動量を決定することを
特徴とする電子素子評価装置。