JPH1056045A - 電子素子評価装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子回路を形成する素子の局所的な電流電圧特
性を測定する。 【解決手段】探針１と試料配線２の接近を、一旦トンネ
ル電流検出状態で探針をフィードバック保持した後、更
に接近させて、接触による探針１・試料配線２間の電流
が一定になったところで停止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子素子の性能を評
価、ないし不良を解析する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子素子の特性評価は、プローバ
と呼ばれる装置を用いて行われていた。例えば、セミコ
ンダクタ・ワールド １９９４年４月号１１８頁から１
２１頁（Semiconductor World vol.4 (1994) pp.118-12
1)にその例が記載されている。この方法では、プローブ
（探針）を試料表面上に形成されたボンディングパッド
と呼ばれる電極に当て、電子素子の特定部分との接触を
図る。例えば、２本の探針を用いることによって、回路
の特定部分の電流電圧特性などの素子特性を評価するこ
とができる。この方法では、一辺１００μｍ程度のボン
ディングパッドが表面上に形成された、評価用の試料
（Test Element Group：ＴＥＧ）をあらかじめ用意する
必要があった。また、プローブ針のボンディングパッド
への接触は、ダミーウエハを用いた針痕による探針先端
３次元位置合わせや、圧力検出，接触電流検出等で行っ
ていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法では、測定
のための一辺１００μｍ程度のボンディングパッドを試
料表面上にあらかじめ形成する必要があった。すなわ
ち、光学顕微鏡で容易に位置合わせができ、かつ探針を
乗せるだけで確実に電気的接触をとることができる測定
用の電極（ボンディングパッド）が必要だった。しか
し、電子素子の微細化が進むにつれて（例えば、１６メ
ガＤＲＡＭでは０.５μｍ 線幅の微細加工技術が用いら
れている）、その微細化ゆえに現れる不良が顕著になっ
てきた。このような不良は、素子形成プロセスの微妙な
条件の違いで現れることが多い。

【０００４】ＴＥＧは、一辺１００μｍ程度のボンディ
ングパッドを試料表面上にあらかじめ形成する必要があ
るため、実デバイスとは形成プロセス及び構造自体が完
全には一致していない。そのため、解析すべき不良が現
れないことがある。すなわち、従来のプローバでは、実
デバイスを測定することができないため、目的とする不
良解析が行えない場合があった。

【０００５】これを解決するためには、実デバイスの微
小な領域（〜０.１μｍ ）に鋭利な先端を有する探針を
接触させ、電気的導通をとる必要がある。ただし、現状
のプローバに、先端の鋭利な探針を用いるだけでよいわ
けではない。なぜなら、ボンディングパッドではなく、
実配線等の微小な領域（〜０.１μｍ ）に先端の鋭利な
探針を接触させる必要があるため、探針の接触が過度に
なることで、接触目標領域が破壊されたり、接触目標領
域から探針先端がはみ出して隣接領域に接触したり、ま
た探針先端が破壊されたりする可能性が高くなるからで
ある。これらの接触不良を防ぐためには、接触を最小限
度に抑える必要があるが、従来の接触法のように、ダミ
ーウエハを用いる方法や、接触したときの圧力や電流を
検出する方法では、充分に接触させることは可能である
が、最小限の接触に保つことは難しかった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第一に、探針先端と、前記探針を接触させるべき試
料内の特定の位置を観察するための顕微手段を設ける。
実デバイスを測定するためには、この顕微手段はサブミ
クロン以下の分解能を有する必要がある。また、探針先
端を試料に接触させるために位置合わせ用の移動機構
と、接近機構を設ける。ここで、探針と試料の間の接触
は、確実に電気的導通がとれ、且つ探針や試料が損傷し
ないようにする必要がある。このため、本発明では、探
針と試料の接近を、一旦トンネル電流検出状態で探針を
フィードバック保持した後、更に接近させて、接触によ
る探針・試料間電流が一定になったところで停止する
こ。この接触法を用いることで、充分且つ最小限度の接
触を行うことができる。こうして接触させた後、前記探
針により局所的に電圧を印加することで、電子回路の電
流電圧特性を局所的に計測するようにした。

【０００７】また、本発明では、複数の探針を素子特性
測定に用いる場合、ドリフトによる接触不良を防ぐため
に、すべての探針を一旦トンネル電流によるフィードバ
ック状態に保ち、その後一つのトリガ信号ですべての探
針をさらに試料に接近させて接触させることで、探針接
触時間をできるだけ短くするようにした。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の目的は、電子素子の不良
位置同定とその特性解析のために電子素子の局所的な電
流電圧特性を測定することにある。このためには、少な
くとも一つの導電性探針を測定部に接触させる必要があ
る。本発明では、微小領域に正確に探針を接触させるた
めに、例えば走査型電子顕微鏡のような顕微手段で観察
し、接触位置の上まで探針を移動させる。その後、探針
・試料間にトンネル電流が流れる距離まで探針と試料を
接近させ、その後更に探針と試料を近づけ、接触による
探針・試料間電流が一定になるまで接近させることで接
触を行う。こうして接触させた探針に電圧を印加し、こ
のときの電流を測定することで、局所的な電流電圧特性
を得ることができる。この電流電圧特性から、その測定
部の回路が正常か否かを判断することができる。

【０００９】また、複数の探針を用いて電流電圧特性を
測定する場合、各探針を接触させる位置まで近づけるた
めには時間がかかるため、１本ずつ接触させようとする
と、電流電圧特性測定開始までにドリフト等により接触
状態が変化する恐れがある。本発明では、これを防ぐた
めに、すべての探針を一旦トンネル電流検出状態まで接
近させてトンネル電流によるフィードバック状態で保持
した後、さらにすべての探針を同時に試料に近づけ、接
触による探針・試料間電流が一定になるまで接近させる
ことにより接触を行う。これにより、電流電圧特性測定
のために必要な探針と試料の接触時間を短くすることが
できるため、接触状態変化を抑制することができる。

【００１０】〈実施例１〉図１により探針が１本の場合
の装置の実施例を説明する。ここでは、試料３上の配線
２に探針１を接触させて、電気特性を計測することを目
的とする。はじめに、配線２の位置を確認するために、
走査型電子顕微鏡を用いて観察を行う。電子銃１０から
放出された１次電子ビーム１２を偏向器１３で偏向し、
試料３表面を走査し、放出される２次電子１４を検出器
１１で検出する。検出された２次電子信号は、位置メモ
リ１５を介して、表示装置１６に観察像として表示され
る。これにより、接触させるべき配線２の位置情報Ｓs
を取り込み、命令回路８からの面内移動命令Ｃpを受け
た探針制御回路４が探針面内移動信号Ｓpにより探針移
動機構７を制御し、探針１を配線２の上まで移動させ
る。

【００１１】図２は、図１の各命令と信号のタイミング
チャートを示したものであり、ｔは時間を表す。このタ
イミングチャートは、探針１を配線２の上に移動した後
の信号について示している。はじめに、トンネル電流検
出のために、探針１と試料３間にトンネルバイアス印加
命令Ｃvtにより、電源６が電圧を印加する(ｔ₁）。ま
た、トンネル電流検出と同時にトンネル電流によるフィ
ードバック状態に入るように、フィードバック制御信号
Ｓ_f により探針制御回路はフィードバック可能状態にさ
れる(ｔ₂）。まず、探針接近命令Ｃaを受けた探針制御
機構４が信号Ｓ_Lにより探針移動機構７を制御し、探針
１と配線２の接近を開始する(ｔ₃）。ここで、信号Ｓ_L
は探針１の接近距離に対応する。電流計５がトンネル電
流を検出すると(ｔ₄）、トンネル電流Ｉが一定になるよ
うに探針制御回路４が探針移動機構７をフィードバック
制御し、探針１と配線２の間隙を一定に保つ。

【００１２】次にフィードバック制御信号Ｓ_fをオフに
し(ｔ₅)、探針制御回路４により探針移動機構７を、そ
の時の探針位置Ｓ_Lに保持させる。その後、探針接近命
令Ｃaを受けた探針制御回路４が探針移動機構７を制御
し、更に探針１を配線２に接近させる(ｔ₆)。探針１と
配線２が接触すると(ｔ₇)、この両者の間には接触によ
る電流が流れる。この電流Ｉが一定になると、命令回路
８が探針停止命令Ｃs を探針制御回路４に送り、探針移
動機構７を止める(ｔ₈）。これにより、確実、且つ最小
限の接触を可能にすることができる。

【００１３】接触が完了すると、電流電圧特性測定のた
めに命令回路８が電圧走査命令Ｃvsを電源６に送り、電
圧走査を開始する(ｔ₉）。このときの、電流Ｉと電圧Ｖ
が記録計９に送られ、電流電圧特性として記録される。
こうして、素子特性を計測することが可能となる。

【００１４】計測が終了すると(ｔ₁₀)、命令回路８から
探針後退信号Ｃd を探針制御回路４が受け、探針移動機
構７により探針１を後退させる(ｔ₁₁)。こうして、一連
の測定操作が終了する。

【００１５】もし、トンネル電流によるフィードバック
状態を介さず、一定接触電流検出のみで接触確認を行う
場合には、以下に述べるような問題が生じる。探針１を
配線２に図３(ａ)のように接近させたとき、図３(ｂ)の
状態で接触電流が一定になったとすると、ここで探針移
動機構に停止命令が送られる。実際の装置の場合、この
ような微小移動機構には圧電素子によるアクチュエータ
が用いられる。しかし、この圧電素子には必ず応答遅れ
が存在し、印加電圧を一定に保ったとしても微小な接近
が継続し、図３(ｃ)のように試料３を破壊したり、図３
(ｄ)のように探針先端が破損したりして、接触不良を起
こす。これを防ぐためには、圧電素子の応答遅れによる
接近距離を極力小さくする必要があるが、このためには
停止前の接近速度を極力抑える必要がある。しかし、接
近速度を小さくすると、接近に要する時間が長くなるた
め、電子素子評価装置としての全体の計測時間が長くな
ってしまう。

【００１６】しかし前記実施例の手法を用いれば、探針
の接近で一旦トンネル電流によるフィードバックを行う
ので、このトンネル状態になるまでの接近を速くして
も、応答遅れで探針が試料に衝突することはない。ま
た、このトンネル状態での探針・試料間距離はおよそ１
ｎｍ程度であるから、接触のために、このトンネル状態
からの更なる接近を行う場合にも、すぐに試料に接触す
ることができるため、探針停止後の応答遅れも無視でき
るほど小さいものになる。このため、探針と試料を損傷
することなく、短時間で接触を行うことができる。ま
た、接触電流が一定になることで接触完了を判断するた
め、確実且つ最小限の電気的接触をとることが可能とな
る。

【００１７】〈実施例２〉本発明では、前述したように
素子特性を測定するために、複数本の探針を用いること
も可能である。この場合、複数本の探針を測定試料の目
的とする位置に確実に接触させる必要がある。この接触
法について、以下に説明する。

【００１８】ここでは、簡単のために２本の探針を用い
る場合について説明を行う。図４は２探針による測定装
置の回路構成図を示したものである。基本的には、図１
の１探針の装置を２つ並べたものに等しい。試料３４の
観察と面内の位置合わせについては、実際には図１の１
探針の場合と同様に走査型電子顕微鏡を用いて行ってい
るが、ここでは探針接近から後に絞って説明を行うた
め、図４では省略している。図５は、探針３０，３１と
試料３４(配線３２，３３)の位置関係を示したものであ
る。ここでは探針３０，３１をそれぞれ接触させるべき
配線３２，３３の上まで移動した状態(図５(ａ))から後
の接近法の説明を行う。

【００１９】探針３０，３１の接触は、図１を用いて実
施例１で述べたとおり、一旦トンネル電流を検出した状
態を経て行う。このためには、トンネル電流検出のため
の閉ループを形成する必要があるが、実施例１の１探針
の場合と異なり、この２探針を用いる場合には電流電圧
特性測定用ループをトンネル電流検出用ループとして用
いることができない。なぜなら、もし電源４５，電流計
４６を介した電流電圧特性測定用ループをトンネル電流
検出に用いようとしても、初期状態では探針３１が配線
３３から離れた状態(接触状態でもトンネル状態でもな
い状態)にあるため、探針３０を配線３２に接近させて
もこのループにはトンネル電流が流れないので、このま
ま探針３０が配線３２に衝突してしまうからである。こ
のため、探針毎に独立にトンネル電流検出用ループを形
成する必要がある。

【００２０】ここで探針３０側のトンネル電流検出用の
閉ループとして、トンネルバイアス印加用電源３９と電
流計３７を、一端は探針３０に、もう一端は試料３４内
の特定の場所４７に接続する。この特定の場所４７は、
配線３２との間の抵抗がメガオームオーダ以下であるよ
うな場所とする。なぜなら、もし、この試料内の特定の
場所４７と測定すべき配線３２の間の抵抗がギガオーム
以上あると、通常のトンネル状態のトンネル抵抗とほぼ
等しくなってしまうため、探針３０のトンネル状態での
フィードバック制御が難しくなるからである。

【００２１】図６は図４の各命令のタイミングチャート
を示したものであり、ｔは時間を表す。はじめは、命令
回路４９からのスイッチ制御信号Ｓc により切替スイッ
チ４３はトンネル電流検出用閉ループ側に接続されてい
る（このとき探針３１側の切替スイッチ４４も同時にト
ンネル電流検出側に切替えられている)(ｔ₁)。また、ト
ンネル電流検出と同時にトンネル電流によるフィードバ
ック状態に入るように、フィードバック制御信号Ｓ_f に
より探針制御回路４１はフィードバック可能状態にされ
る(ｔ₂）。まず、探針接近命令Ｃa₁を受けた探針制御機
構４１が信号Ｓ_L1により探針移動機構３５を制御し、探
針３０と配線３２の接近を開始する(ｔ₃)。ここで、信
号Ｓ_L1は探針３０の接近距離に対応する(信号Ｓ_L2は探
針３１の接近距離に対応する)。探針３０と試料内特定
位置４７の間には、電源３９により電圧が印加されてお
り、電流計３７がトンネル電流を検出すると(ｔ₄）、ト
ンネル電流Ｓt₁が一定になるように探針制御回路４１が
探針移動機構３５をフィードバック制御し、探針３０と
配線３２の間隙を一定に保つ(図５(ｂ))。

【００２２】次に探針３１を配線３３に接近させるわけ
であるが、この探針３１側の接近も探針３０側と全く同
じであり、同様の方法で配線３３との間がトンネル電流
によるフィードバック状態になるまで接近させる(ｔ₅〜
ｔ₆)。すなわち、トンネルバイアス用電源４０と３９，
電流計３８と３７，試料３４内の特定の場所４８と４
７，切替えスイッチ４４と４３，制御回路４２と４１，
探針移動機構３６と３５，探針接近命令Ｃa₁とＣa₂が、
それぞれ同様の働きをすることになる。

【００２３】こうして、探針３０，３１共にトンネル電
流によるフィードバック状態になると(図５(ｃ))、フィ
ードバック制御信号Ｓ_fをオフにし(ｔ₇)、探針制御回路
４１，４２により探針移動機構３５，３６を、それぞれ
その時の探針３０，３１の位置Ｓ_L1，Ｓ_L2に保持させ
る。その後探針接近命令Ｃasを受けた探針制御回路４
１，４２が探針移動機構３５，３６を制御して、それぞ
れ探針３０，３１を配線３２，３３に更に接近させる
(ｔ₈)。探針３０と配線３２が接触すると(ｔ₉)、この両
者の間には接触による電流が流れ、この電流Ｓt₁が一定
になると命令回路４９が探針停止命令Ｃs₁を探針制御回
路４１に送り、探針移動機構３５を止める(ｔ₁₀)。ま
た、探針３１側も同様で、探針３１と配線３３が接触す
ると(ｔ₁₁)、この両者の間には接触による電流が流れ、
この電流Ｓt₂が一定になると命令回路４９が探針停止命
令Ｃs₂を探針制御回路４２に送り、探針移動機構３６を
止める(ｔ₁₂)。こうして、探針３０と配線３２，探針３
１と配線３３をそれぞれ接触させることができる(図５
(ｄ))。

【００２４】接触が完了すると、スイッチ制御信号Ｓc
により切替スイッチ４３，４４を切替えて、電流電圧特
性測定のための電源４５と電流計４６の回路と探針３
０，３１が接続されるようにする(ｔ₁₃)。次に、命令回
路４９が電圧走査命令Ｃvsを電源４５に送り、電圧走査
を開始する(ｔ₁₄)。このときの、電流Ｉと電圧Ｖが記録
計５０に送られ、電流電圧特性として記録される。こう
して、素子特性を計測することが可能となる。

【００２５】計測が終了すると(ｔ₁₅)、命令回路４９か
ら探針後退信号Ｃd を探針制御回路４１，４２が受け、
それぞれ探針移動機構３５，３６により探針３０，３１
を後退させる(ｔ₁₆)。こうして、一連の測定操作が終了
する。

【００２６】もし、この接触法を用いず、探針を１本ず
つ個別に接触させる場合には、以下に述べるような問題
が生じる。探針を試料に接触させた状態では、トンネル
電流によるフィードバック制御ができない。このため、
探針と試料を固定した状態で接触を維持する必要がある
が、ほとんどの場合、熱等によるドリフトが存在するた
め探針と試料の相対位置が変化し、接触を一定に保つこ
とができない。このため、１本目の探針を先に接触させ
た状態で２本目の探針の接近を行うと、その接近操作の
間にドリフトにより１本目の探針が接触不良を起こす可
能性がある。例えば、離れる方向にドリフトがあれば、
図７(ａ)に示すように探針３０が配線３２から離れる恐
れがある。逆に、近づく方向にドリフトがあれば、図７
(ｂ)に示すように探針３０の先端が破損し、別の配線５
１に接触したり、図７(ｃ)に示すように試料が破損した
りする可能性がある。しかし、上述した接近法を用い
て、電流電圧特性測定までの探針と試料の接触時間を短
くすることで、このような接触不良を避けることができ
る。

【００２７】ここでは、簡単のために２探針の場合で説
明したが、３本以上の探針を用いる場合にも、同様にす
べての探針の位置を一旦トンネル電流によるフィードバ
ック制御を受けた状態で保った後、すべての探針をさら
に一つのトリガ信号で接近させてほぼ同時に接触させる
ことで、電流電圧特性測定のための接触時間を短くする
ことができるため、図７に示したようなドリフト等によ
る接触不良を防ぐことができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、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うこと
ができる。また、探針の接近で、一旦トンネル状態を介
するので、探針と試料を損傷することなく接触を行うこ
とができる。また、接触電流が一定になることで、探針
・試料間の接触を完了とするため、確実に、且つ最小限
の接触を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】１本の探針を用いる装置のブロック図。

【図２】１本の探針を用いる装置のタイミングチャー
ト。

【図３】応答遅れによる接触不良を示す説明図。

【図４】２本の探針を用いる装置の回路図。

【図５】２本の探針の接触順序を示す図。

【図６】２本の探針を用いる装置のタイミングチャー
ト。

【図７】ドリフトによる接触不良を示す説明図。

【符号の説明】

１…探針、２…配線、３…試料、４…探針制御回路、５
…電流計、６…電源、７…探針移動機構、８…命令回
路、９…記録計、１０…電子銃、１１…検出器、１２…
１次電子ビーム、１３…偏向器、１４…２次電子、１５
…位置メモリ、１６…表示装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料の形状を測定する顕微手段と、前記顕
   微手段により鋭利な先端を有する探針を、電子回路を形
   成する試料の特定の位置まで移動させる手段と、前記探
   針と試料表面との間にトンネル電流が流れるまで前記探
   針と試料を接近させた後、さらに両者を接近させ、接触
   により流れる電流が一定になることで接近を停止する接
   近手段と、前記探針に電圧を印加する手段とを有し、前
   記探針により電子回路の任意の位置に電圧を印加するこ
   とによって、局所的な素子特性を評価することを特徴と
   する電子素子評価装置。
2. 【請求項２】前記探針として複数本の探針を用いる場
   合、前記探針と前記試料との接触で、すべての探針を一
   旦トンネル電流によるフィードバック制御によりトンネ
   ル電流検出位置に保った後、一つのトリガ信号により前
   記複数探針と試料の接近を行い接触させる請求項１に記
   載の電子素子評価装置。