KR102547865B1 - 반도체 검사 장치 및 프로브 유닛 - Google Patents

Abstract

LSI를 구성하는 미소 디바이스의 불량 해석으로서, 고속의 응답 해석이 가능한 반도체 검사 장치를 제공한다. 이 때문에, 진공 챔버(3)와, 진공 챔버에 배치되고, 시료(6)를 재치(載置)하는 시료대(4)와, 시료의 위쪽으로부터 전자선을 조사 가능하게 배치된 전자 광학계(1)와, 진공 챔버 밖에 배치되는 외부 기기(11, 12)와 동축 케이블(10)로 접속되는 복수의 프로브 유닛(24)과, 시료대 혹은 그 근방에 마련되는 전극(5)을 갖는 반도체 검사 장치에 있어서, 프로브 유닛(24)은, 시료에 접촉되는 측정 탐침(8)과, 전극(5)에 접촉되는 GND 단자(9)와, 측정 탐침 및 GND 단자를 유지하고, 동축 케이블의 신호선을 측정 탐침에 접속하고, 동축 케이블의 GND선을 GND 단자에 접속하는 탐침 홀더(7)를 갖고, 프로브 유닛의 측정 탐침이 시료에 접촉될 때에, GND 단자가 전극에 접촉된다.

Description

반도체 검사 장치 및 프로브 유닛

본 발명은, 반도체 검사 장치에 관한 것이며, 특히, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치에 관한 것이다. 특히, 고속의 동적 신호의 응답 해석을 이용한 미소 전자 디바이스의 불량 해석에 유용하다.

반도체 디바이스의 미세화에 의해, 대규모 집적 회로(LSI: Large-Scale Integration)의 고속화, 고성능화가 진행되고 있다. 이러한 반도체 디바이스의 미세화에 수반하여, 트랜지스터 수, 배선 수, 콘택트 수가 증대하여, 고장 디바이스의 불량 해석은 보다 복잡화하고 있다.

불량 해석 방법으로서, 매우 미소한 탐침을 직접, 미소 디바이스(LSI에 집적되는 소자나 LSI에 형성되는 배선 등의 미세 구조 등을 말함)에 포함되는 콘택트 상에 접촉시켜, 전기 특성을 평가하는 방법이 있다. 이러한 불량 해석을 행하는 장치는 나노 프로버 장치라고 불리고, 전자 현미경으로 미소 디바이스를 관찰하면서, 표면 연마에 의해 노출된 LSI 중의 콘택트에 미소 탐침을 접촉시켜, 불량 해석을 실행한다. 10㎚ 세대 프로세스와 같은 최근의 미소 디바이스는 매우 미세화되어 있지만, 나노 프로버 장치는 이들 나노 디바이스를 직접 평가할 수 있으므로, 그 중요성은 점점 커지고 있다.

나노 프로버 장치에 의한 미소 디바이스의 전기 특성 평가는, 주로 직류 측정에 의한 것이었다. 그러나, 미세화에 수반하는 반도체 디바이스 특성의 향상은, 직류 특성뿐만 아니라, 동적인 동작 성능 등 다방면에 걸친다. 예를 들면, 최근의 CPU(Central Processing Unit)에서의 디바이스의 구동 주파수는, 3㎓ 이상이 되고 있다. 이 때문에, 고주파 측정에 의해 얻어지는 결함 정보에 대해서도 중요성이 높아져, 보다 높은 주파수에서의 전송 신호 평가가 요망되어지게 되었다. 또, 구동 주파수(CPU의 클록 주파수)는, 고성능의 데스크탑 PC에서 3㎓ 정도, 모바일형 PC, 스마트폰에서는 1㎓ 정도, 임베디드 기기에서는, 10㎒∼100㎒ 정도에 달하고 있다.

이와 같이 반도체 디바이스의 구동 주파수가 높아지는 한편, 종래의 전자 현미경을 이용한 나노 프로버 장치에서 고주파 해석 가능한 주파수는, 실(實)디바이스의 동작 주파수에 이르지 않았다. 현재의 나노 프로버 장치에서 취급할 수 있는 고주파 신호는, 최대 주파수 수십㎒ 정도로 해도 된다. 이 정도 이하의 주파수이면, 연속 펄스 신호를 전파시킬 경우에, 직사각형의 펄스 파형을 유지할 수 있다. 따라서, 현상(現狀)의 나노 프로버 장치에 의한 고주파 해석은, 임베디드 기기 레벨의 디바이스의 실동작을 확인할 수 있는 것에 지나지 않아, 미세화가 진행된 미소 디바이스의 구동 환경에는 도저히 미치지 못한다. 미세화가 진행된 미소 디바이스의 고주파 해석을 실시하려면, 최저여도 1㎓의 고주파 전송이 실현될 필요가 있다.

도 1에 프로버 장치에 의한 고주파 해석을 실행하기 위한 측정 회로예(모식도)를 나타낸다. 고주파 해석에는 동축 케이블이 이용된다. 동축 케이블(103)은, 기준 전위(GND)에 접지되는 외부 도체(104)와 신호를 전송하는 중심 도체(106)를 갖고, 절연재(105)를 통해, 중심 도체(106)(신호선)의 주위를 외부 도체(104)(GND선)가 둘러쌈으로써, 전송되는 고주파 신호에 대한 외부 노이즈가 억제된다. 본 측정 회로에서는, 동축 케이블(103a)에 고주파 신호를 발생시키는 펄스 발생기(101)가 접속되고, 측정 탐침(107a)을 통해 시료(100)에 고주파 신호를 인가(印加)한다. 측정 탐침(107a)은, 본 측정 회로가 고주파 해석의 대상으로 하는 미소 디바이스의 입력인 콘택트에 접촉되어 있다. 한편, 동축 케이블(103b)은 오실로스코프(102)에 접속되고, 고주파 해석의 대상으로 하는 미소 디바이스의 출력인 콘택트에 접촉되어 있는 측정 탐침(107b)에 의해 얻어진 시료(100)로부터의 신호의 파형을 모니터한다. 이러한 측정 회로에 있어서 고주파 신호를 전파하려면, 상대하는 동축 케이블(103a／103b)의 GND선을 단락선(108)에 의해 단락할 필요가 있다. 특히, 보다 높은 주파수의 신호를 전파하기 위해서는, 측정 탐침(107)의 주변의 임피던스의 교란을 극력 억제할 필요가 있으며, 단락선(108)은 측정 탐침(107)에 가능한 한 병렬로 되게 하여, 보다 짧게 하는 것이 바람직하다. 단락선(108)의 길이가 길어질수록, 고주파 특성은 열화(劣化)하기 때문이다. 또한, 프로버 장치는 일반적으로 복수의 측정 탐침을 갖고, 복수의 측정 탐침을 이용한 계측이 가능하게 되어 있지만, 복수의 측정 탐침을 이용하여 측정을 행할 경우, 각각 단락선(108)의 길이가 다르면, 고주파 특성이 측정 탐침에 따라 다른 것이 되어, 이 차이가 측정 오차가 되어 나타난다.

특허문헌 1 및 특허문헌 2는, 어느 것이나 메뉴얼 프로버 장치에 있어서의 측정 탐침의 GND선의 단락 방법을 개시하는 것이다. 메뉴얼 프로버 장치란, 광학현미경으로 관찰한 시료 표면에 측정 탐침을 접촉시켜 전기 특성을 측정하는 장치이다. 나노 프로버 장치와 메뉴얼 프로버 장치는, 측정 회로는 어느 것이나 도 1의 구성을 갖고, GND선의 단락 방법이 고주파 특성의 측정에 큰 영향을 미치는 것에 차이는 없다. 그러나, 메뉴얼 프로버 장치는, 나노 프로버 장치와 같은 전자 현미경에 의한 프로빙과는 달리, 접촉시키는 콘택트 사이즈는 크고, 또한, 대기 중에서 측정이 가능하게 되어 있기 때문에, 구조적인 제약이 나노 프로버 장치에 비해 적다고 할 수 있다.

메뉴얼 프로버는, 일반적으로, 동축 케이블의 GND선에 접속되는 GND 탐침과 동축 케이블의 신호선에 접속되는 신호 탐침의 2종류의 측정 탐침이 이용된다. GND 탐침은 시료 중에 마련된 기준 전위의 콘택트에, 신호 탐침은 신호 입출력용 콘택트에 접촉된다. 특허문헌 1에서는, 시료 상에 도체 메쉬(단락 부재)를 마련하고, GND 탐침과 신호 탐침의 외부 도체를, 탐침의 선단(先端)에 가까운 위치에서 공통 접속되도록 구성하고 있다. 또한, 특허문헌 2에서는, GND 탐침에 접지 스프링을 마련하고, 신호 탐침에 마련한 접지 쉴드 익스텐더와 접촉되도록 구성하고 있다.

일본국 특개평6-258344호 공보 일본국 특개2000-28673호 공보

공간적, 구조적인 제약이 많은 나노 프로버 장치는, 메뉴얼 프로버에 관한 선행기술을 그대로 적용할 수 없다. 이하, 그 이유를 설명한다.

나노 프로버 장치는, 주사형 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)의 확대 영상을 관찰하면서, 나노 오더 프로세스의 미세한 트랜지스터에 미소한 측정 탐침을 접촉시켜, 프로빙 측정을 행한다. 측정 탐침의 사이즈는, 선단경이 R10㎚ 정도이며, 또한, 시료에 형성되어 있는, 측정 탐침을 접촉시키는 측정 콘택트도 나노미터 오더이다. 이 때문에, 프로빙 시에 의도하지 않은 약간의 진동에 의한 시료와의 충돌, 혹은 응력 변동에 따른 과부하가 생김으로써 미소한 측정 탐침이 파손될 우려가 있다. 더욱이는, 측정 탐침이 측정 콘택트에 접촉 후, 약간의 진동에 노출되어도, 시료와의 진동 충돌에 의해, 측정 탐침이 파손될 우려가 있다. 이 때문에, 특허문헌 2에 개시되어 있는, GND 단락을 위해 측정 탐침끼리를 2차적으로 접촉시킨다는 방법은, 측정 탐침을 손상시킬 리스크를 높여 버린다.

또한, SEM에 의한 관찰을 행하기 위해, GND 단락을 위한 구조가 전자선의 진행 경로를 저해하는 구조이면 안된다. 이 때문에, 특허문헌 1에 개시되어 있는 GND 단락을 위한 구조를 시료 상면에 마련할 수는 없다. 또한, 시료의 전기 측정을 진공 챔버 내에서 행해야만 하는 점에서, 공간적인 제약도 크다.

보다 고속의 동적 신호를 이용한 반도체 디바이스의 불량 해석 장치를 실현하려면, 이상과 같은 나노 프로버 장치 특유의, 공간적, 구조적인 제약을 회피하고, 효과적인 GND선의 단락 구조를 실현할 필요가 있다.

본 발명의 일 실시태양인 반도체 검사 장치는, 진공 챔버와, 진공 챔버에 배치되고, 시료를 재치(載置)하는 시료대와, 시료의 위쪽으로부터 전자선을 조사 가능하게 배치된 전자 광학계와, 진공 챔버 밖에 배치되는 외부 기기와 동축 케이블로 접속되는 복수의 프로브 유닛과, 시료대 혹은 그 근방에 마련되는 전극을 갖고, 프로브 유닛은, 시료에 접촉되는 측정 탐침과, 전극에 접촉되는 GND 단자와, 측정 탐침 및 GND 단자를 유지하고, 동축 케이블의 신호선을 측정 탐침에 접속하고, 동축 케이블의 GND선을 GND 단자에 접속하는 탐침 홀더를 갖고, 프로브 유닛의 측정 탐침이 시료에 접촉될 때에, GND 단자가 전극에 접촉된다.

LSI를 구성하는 미소 디바이스의 불량 해석으로서, 고속의 응답 해석이 가능한 반도체 검사 장치를 제공한다.

그 밖의 과제와 신규한 특징은, 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로부터 분명해질 것이다.

도 1은 프로버 장치에 의한 고주파 해석을 실행하기 위한 측정 회로예.
도 2는 미소 디바이스 특성 평가 장치의 구성도.
도 3은 프로브 유닛 및 시료대의 구성도.
도 4는 계단 형상 전극의 효과를 설명하기 위한 도면.
도 5는 계단 형상 전극의 효과를 설명하기 위한 도면.
도 6은 호형(弧形) 전극의 효과를 설명하기 위한 도면.
도 7은 프로브 유닛의 변형예.
도 8은 GND 단자의 변형예.
도 9a는 트라이액셜 케이블 대응 프로브 유닛의 예.
도 9b는 트라이액셜 케이블 대응 프로브 유닛의 예.
도 10은 프로브 유닛 및 시료대의 구성도(상면도).
도 11은 GND 전극의 변형예.
도 12는 GND 전극의 변형예.
도 13은 제1 실시예의 미소 디바이스 특성 평가 장치의 개략도.
도 14는 제2 실시예의 미소 디바이스 특성 평가 장치의 개략도.

도 2를 이용하여, 본 실시예의 미소 디바이스 특성 평가 장치에 대해서 설명한다. 본 실시예의 미소 디바이스 특성 평가 장치는, 프로브 구조로서 접촉 응력을 제어한 GND 단자를 마련하고, 이것을 시료대 혹은 그 근방에 마련한 GND 전극에 접촉시킴으로써, 각 측정 탐침간의 GND선의 단락을 행한다.

주사형 전자 현미경은, 그 주요한 구성으로서 전자 광학계(1), 검출기(2), 진공 챔버(3)를 갖는다. 진공 챔버(3) 중의 시료대(4)에 측정 시료(6)가 재치된다. 또, 시료대(4)의 상면에는 GND 전극(5)이 마련되어 있다. 본 실시예의 프로브 유닛(24)에서는, 동축 케이블(10)과 접속되는 탐침 홀더(7)에 측정 탐침(8)과 GND 단자(9)가 유지되고 있다. 측정 탐침(8)은 측정 시료(6)에 접촉되고, GND 단자(9)는 시료대(4) 상의 GND 전극(5)에 접촉되어 있다. 또, 프로브 유닛(24)은 측정 시료(6)의 시료 표면을 이동시키기 위한 구동 장치(도시 생략)에 접속되어 있으며, 이 구동 장치의 동작에 의해, 측정 탐침(8)은 측정 시료(6)의 소정 개소에 접촉함과 동시에, GND 단자(9)는 GND 전극(5)에 접촉된다. 또, 도 2에서는 2개의 프로브 유닛을 나타내고 있지만, 미소 디바이스 특성 평가 장치는 복수의 프로브 유닛을 구동 가능하게 되어 있으며, 2개로 한정되는 것이 아니다. 또한, 진공 챔버(3)에는 전실(前室)(도시 생략)이 마련되어 있으며, 진공 챔버(3)의 진공도를 떨어뜨리지 않고, 시료대(4), 프로브 유닛(24)(탐침 홀더(7), 측정 탐침(8) 및 GND 단자(9))을 진공 챔버(3)로부터 취출하는 것이 가능하게 되어 있다.

조작자는, 전자 광학계(1)로부터 측정 시료(6)에 전자선을 조사해서 얻어지는 전자 현미경 화상을 보면서, 측정 탐침(8)을 측정 시료(6)에 접촉시킨다. 이 예에서는, 1개의 측정 탐침에는 동축 케이블을 통해 함수 발생기(11), 다른 하나의 측정 탐침에는 동축 케이블에 의해 오실로스코프(12)가 접속되어 있다. 또, 진공 챔버(3)의 외부에 놓여, 프로브 유닛과 동축 케이블로 접속되는 전자 회로나 측정기 등을 본 명세서에서는 외부 기기라고 한다. 이에 따라, 함수 발생기(11)로부터 출력된 고주파 신호는, 한쪽의 측정 탐침을 통해서 측정 시료(6)에 입력되고, 측정 시료(6)로부터 고주파 신호에 응답하여 출력되는 출력 신호를, 다른쪽의 측정 탐침을 통해서 오실로스코프(12)에 전송한다.

도 3에 프로브 유닛 및 시료대의 구성도를 나타낸다. 동축 케이블(10)은, 중심 도체(신호선)(21), 중심 도체(신호선)(21)를 둘러싸는 절연재(22), 절연재(22)를 둘러싸는 외부 도체(GND선)(23)의 2축 구조를 갖고, 외부 도체(23)는 기준 전위가 되고, 중심 도체(21)에 의해 신호가 전송된다. 동축 케이블(10)의 신호선(21)은, 탐침 홀더(7)에 의해 측정 탐침(8)에 접속되어 있다. 또한, 동축 케이블(10)의 GND선(23)은, 탐침 홀더(7)에 의해 GND 단자(9)에 접속되어 있다. 측정 탐침(8)이 시료대(4)에 놓인 측정 시료(6)의 표면에 접촉할 때, GND 단자(9)가 시료대(4)에 마련된 GND 전극(5)에 접촉함으로써, 각 프로브 유닛의 GND 단자(9)가, 시료대(4)의 GND 전극(5)을 통해 단락되게 된다. 이에 따라, 나노 프로버 장치 고유한 환경에 있어서, 각 측정 탐침간의 GND선의 단락이 가능해진다. 측정 탐침(8)은 선상(線狀)의 금속, 및 GND 단자(9)는 판상(板狀)의 금속이며, 측정 시료(6)나 GND 전극(5)에의 접촉에 의해 점차 마모한다. 그래서, 측정 탐침(8) 및 GND 단자(9)가 마모했을 경우, 탐침 홀더(7)로부터 분리하고, 교환하는 것이 가능해진다.

또한, 시료대(4)는 전자 현미경 관찰 시에는 기준 전위가 되는 것이 통상이기 때문에, GND 전극(5)을 시료대(4)와 일체로 구성할 수 있다. 이 경우, GND 전극(5)이란 시료대(4)에 있어서의 GND 단자(9)와의 접촉면을 의미한다. 또한, 측정 시료(6)의 측정 콘택트에 측정 탐침(8)을 접촉시킬 때, 프로브 유닛의 구동 장치는 프로브 유닛을 위에서부터 아래로(전자 광학계(1)의 광축 방향) 이동시키고, 소정의 접촉압으로 접촉시킨다. 이때에, GND 단자(9)도 소정 이상의 접촉압으로 GND 전극(5)에 접촉되어 있을 필요가 있다. 이 때문에, 도 3에서는 시료대(4)에 있어서의 GND 전극(5)과 시료 재치면(원환(圓環) 형상의 GND 전극의 내측 부분)은 같은 높이로 되어 있지만, 프로브 유닛에 있어서의 측정 탐침(8)의 선단부와 GND 단자의 선단부와의 위치 관계에 따라, 시료 재치면과 GND 전극(5)과의 위치 관계를 조정한다. 예를 들면, 시료 재치면의 위치를 GND 전극(5)의 위치보다 높은 위치로 한다.

여기에서, 탐침 홀더(7)에 마련되는 GND 단자(9)는, 계단 형상, 더 바람직하게는, 적어도 GND 전극(5)과 접촉되는 선단부에 있어서는 호(弧) 형상을 갖고 있다. 나노 영역에서, 섬세한 접촉에 대응할 수 있도록 하기 위함이다. 이 원리를 이하에 설명한다. 도 4는, 계단 구조가 없는 전극(30) 및 계단 형상이 있는 전극(31)에 대해, 각각 화살표(34, 35) 위치에서 부하를 걸었을 때의, 변위 시뮬레이션 결과이다. 전극(30)과 전극(31)에서, 각각의 X 방향의 전극 길이는 같다. 또한, 높이(32)가 도 3에 있어서의 시료대(4) 상의 GND 전극(5)의 위치이며, 높이(33)는 GND 단자(9)를 접촉압 0에서 GND 전극(5)에 접촉시킨 상태에 있어서의 GND 단자(9)와 탐침 홀더(7)와의 접속 위치의 높이이다.

도 4에 나타내는 시뮬레이션 결과로부터, 같은 부하(접촉압)에 대하여, 변위량이 다른 것을 알 수 있다. 즉, 높이(32∼33)간에 계단 형상을 갖는 전극(31)은, 계단 형상을 갖지 않는 전극(30)과 비교하여, 같은 접촉압임에도 불구하고, 변위량이 저감되는 것을 알 수 있다. 기준 전위를 취하기 위해, GND 전극(5)과 GND 단자(9)는 적절한 접촉압으로 접촉시키는 것이 필요하다. 이 변위 컨트롤은, 진공 챔버(3)에 있어서의 측정 시료 주변의 한정된 공간에서의 사용에 있어서 GND 단자(9)의 변위량이 제약되었다고 해도, GND 단자(9)의 계단 형상을 설계함으로써 원하는 접촉압을 얻을 수 있는 것을 나타내고 있다. 즉, 이 계단 형상을 최적화함으로써, 측정 탐침(8)은 측정 시료(6)에 접촉할 뿐인 약간의 변위량으로 억제하면서, GND 단자(9)는 최적의 GND 전극(5)에의 접촉 압력의 설정이 가능해진다. 환언하면, GND 단자(9)를 계단 형상으로 함으로써, 공간적인 제약에 상관없이, 정밀하며, 또한 측정 탐침(8)과는 독립적으로, 적절한 GND 전극(5)에의 접촉압을 얻을 수 있다.

또한, 계단 형상의 다른 이점에 대해서 설명한다. 도 5는, 계단 구조가 없는 전극(30) 및 계단 형상이 있는 전극(31)에 대해, 각각 화살표(34, 35) 위치에서 부하를 걸었을 때의, 탄소성(彈塑性) 해석 결과(시뮬레이션 결과)이다. 각각의 형상에 대해서, 인청동의 항복(降伏) 조건을 사용하여, 바이리니어 근사(近似)에 의한 시뮬레이션 해석을 행했다. 변위량-응력의 관계를 나타내는 그래프 중의 기울기의 변화점은, 응력을 가하여 전극이 변위했을 때에 소성 변형하여, 원래로 돌아가지 않게 되어버린 변위량을 나타내고 있다. 이로부터, 계단 형상이 있을 경우 쪽이, 응력 인가에 수반하는 소성 변형이 억제되고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 불의의 오조작 등으로 생기는, 어떠한 과도한 충격에 대하여, GND 단자(9)가 소성 변형하는 것을 억제할 수 있다.

또한, GND 단자(9)는 호 형상을 갖는 것이 바람직하다. 도 6을 이용하여 호형 전극의 효과를 설명한다. 좌측 도면은, 평탄 전극(41)의 서로 다른 위치에 변위를 가하는 형태의 모식도이다. 이 경우, 변위시키는 위치에 따라, 변위에 대한 응력은 변화해 버린다. 한편, 우측 도면은, 호형 전극(42)의 서로 다른 위치에 변위를 가하는 형태의 모식도이다. 호형 전극(42)의 표면 마찰력이나 힘의 분산으로부터, 평탄 전극(41)일 경우에 비해, 변위시키는 위치의 차이에 따른, 변위에 대한 응력의 변화의 정도를 억제할 수 있다. 이에 따라, GND 단자(9)에 있어서의 GND 전극(5)과의 접촉 위치가 변화해도, 그것에 수반하는 접촉압의 변화를 보다 작게 할 수 있다. 또, GND 단자(9)가 계단 형상을 가질 경우에는, GND 전극(5)과 접촉하는 GND 단자(9)의 선단부(36)(도 4 참조)를 호 형상으로 한다.

이상과 같은 프로브 유닛의 구조에 의해, 나노 프로버 장치 특유의 공간적 제약을 회피하면서, GND선을 단락시킬 수 있다.

프로브 유닛 구조의 변형예에 대해서 설명한다. 측정 탐침(8)은 금속선이기 때문에, 측정 탐침(8)이 길수록, 신호가 열화하기 쉽다. 이 때문에, 도 7에 나타내는 프로브 유닛(50)에서는, 탐침 홀더(51)는 측정 탐침(8)을 접속하는 동축 구조를 갖는 커넥터부(52)를 갖고 있다. 커넥터부(52)의 중심 도체는, 일단(一端)이 신호선(동축 케이블(10)의 중심 도체)(21)에 접속되고, 타단(他端)이 측정 탐침(8)에 접속된다. 또한, 커넥터부(52)의 외부 도체는, GND선(동축 케이블(10)의 외부 도체)(23)에 접속됨과 함께, GND 단자(9)에 접속되어 있다. 이에 따라, 측정 탐침(8)의 길이를 극력 짧게 할 수 있고, 신호선(21)으로부터의 신호를 외부 노이즈로부터 보호할 수 있다.

또한 도 8에 GND 단자의 변형예를 나타낸다. GND 단자(55)는, 굽힘 방향이 서로 다른 판상 금속선(56)과 판상 금속선(57)을 조합하여 GND 단자로 한 것이다. 이에 따라, 원하는 변위량-응력 특성을 갖는 GND 단자를 제작할 수 있다.

또한, 나노 프로버 장치는, 직류 측정에 있어서, 펨토암페어 오더의 미소 전류를 측정하는 것이 요구된다. 통상, 나노 프로버 장치에서, 미소한 직류 전류를 측정할 때에는, 동축 케이블이 아니고, 트라이액셜 케이블(삼중 동축 케이블)을 이용한다. 도 9a에 나타내는 바와 같이, 트라이액셜 케이블(60)은, 중심 도체(신호선)(61), 중간 도체(가이드)(63), 외부 도체(GND선)(65)의 3축으로 구성되어 있다. 중심 도체(61)와 중간 도체(63) 사이에는 제1 절연재(62), 중간 도체(63)와 외부 도체(65) 사이에는 제2 절연재(64)가 마련되어 있다. 미소한 직류 전류를 측정할 때에는, 트라이액셜 케이블(60)의 중간 도체(63)에 반도체 파라미터 애널라이저 등의 측정기에 의해 신호선(61)과 같은 전위를 가하면서 측정한다. 중심 도체(61)와 중간 도체(63)를 등전위로 유지함으로써, 제1 절연재(62)에 흐르는 리크 전류를 0으로 하고, 미소한 전류를 정확하게 측정할 수 있다.

이에 대하여, 고주파 측정을 행할 경우에는, 트라이액셜 케이블(60)의 중간 도체(63)와 외부 도체(65)를 단락하고, 소위 트라이액셜 케이블을 동축 케이블화해서 사용한다. 본 실시예에서는, 탐침 홀더를 바꿔 부착함으로써, 직류 측정과 고주파 측정의 쌍방을 행하는 것을 가능하게 한다. 도 9a는 직류 측정용 탐침 홀더(71)를 갖는 프로브 유닛(70)을 트라이액셜 케이블(60)에 접속한 상태를 나타내고 있다. 탐침 홀더(71)는 탐침 홀더(51)(도 7 참조)와 마찬가지의 구조를 하고 있으며, 동축 구조를 갖는 커넥터부를 갖고, 커넥터부의 중심 도체는, 일단이 신호선(트라이액셜 케이블(60)의 중심 도체)(61)에 접속되고, 타단이 측정 탐침(8)에 접속된다. 또한, 커넥터부의 외부 도체는, GND선(트라이액셜 케이블(60)의 외부 도체)(65)에 접속됨과 함께, GND 단자(9)에 접속되어 있다. 이에 대하여, 도 9b는 고주파 측정용 탐침 홀더(73)를 갖는 프로브 유닛(72)을 트라이액셜 케이블(60)에 접속한 상태를 나타내고 있다. 탐침 홀더(73)도 동축 구조를 갖는 커넥터부를 갖고, 커넥터부의 중심 도체는, 일단이 신호선(트라이액셜 케이블(60)의 중심 도체)(61)에 접속되고, 타단이 측정 탐침(8)에 접속된다. 또한, 커넥터부의 외부 도체는, GND선(트라이액셜 케이블(60)의 외부 도체)(65) 및 트라이액셜 케이블(60)의 중간 도체(63)에 접속됨과 함께, GND 단자(9)에 접속되어 있다. 이와 같이, 측정 내용에 따라 사용하는 탐침 홀더를 바꿔 부착함으로써, 프로브 유닛에 대하여 불필요한 구조를 부가하지 않고, 용이하게 미소 전류 측정과 고주파 측정의 전환을 행하는 것이 가능해진다.

다음으로, 도 10을 이용하여 시료대(4)에 마련된 GND 전극(5)의 구조에 대해서 설명한다. 도 10은 프로브 유닛 및 시료대의 구성도(상면도)이다. 이 예에서는 도 7에 나타낸 동축 구조의 커넥터부를 갖는 프로브 유닛(50)을 이용하고 있다. 시료대(4)에 마련되는 GND 전극(5)은 원환 형상으로 되어 있다. 나노 프로버 장치는, 도 10과 같이 다수의 측정 탐침을 측정 시료에 접촉시켜, 그 전기 특성을 측정한다. 복수의 측정 탐침은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 측정 시료(6)를 둘러싸도록 배치되어 있다. GND 전극(5)으로서 원환 형상의 전극을 이용함으로써, 각 프로브 유닛(24)의 GND 단자(9)는, 어느 각도로부터의 측정 탐침(8)의 접촉이어도 같은 상태로 접촉할 수 있고, 전기 특성을 측정하기 때문에, 어느 측정 탐침을 선택해도, 동등한 고주파 특성에서의 측정이 가능해진다.

나노 영역에서의 섬세한 프로빙에서는, 피에조 소자의 특성을 이용한 나노 오더에서의 제어 가능한 액츄에이터를 구동시켜, 미세한 측정 탐침을 측정 시료에 정밀하게 접촉시킨다. 단순히 진공 챔버라는 공간적, 환경적인 제약뿐만 아니라, 액츄에이터를 탑재한 복잡한 프로빙 기구의 존재가, 측정 시료 주변의 공간적 제약이 되고 있다. 특히, 일반적인 나노 프로버 장치는, 측정 탐침의 손상 리스크에 대한 예비의 측정 탐침을 필요로 하기 때문에, 도 10에 나타내는 바와 같이 복수(이 예에서는 8개)의 측정 탐침이 동시에 배치된다. 후술하는 바와 같이, 트랜지스터 측정에 있어서는, 1개의 트랜지스터에 대해, 동시에 적어도, 4개의 측정 탐침을 접촉시킬 필요가 있다. 이와 같이, 프로빙 기구는 측정 시료의 주위에 밀집해서 존재하고 있는 것이며, 여기에서도, GND선을 단락하기 위한 공간적인 여지는 거의 없어, 본 실시예에 있어서의 GND 단락 구조의 우위성이 이해될 것이다. 메뉴얼 프로버에서 채용되는 GND선용 프로브와 같은 기구를 나노 프로버 장치에 그대로 적용하는 것은 현실적으로 불가능하다.

도 11을 이용하여 GND 전극(5)의 구조의 변형예에 대해서 설명한다. 도 3에서는, GND 전극(5)을 시료대(4)의 외연(外緣)을 따른 원환 형상으로 하고 있었지만, 도 11의 예에서는, 스테이지측에 원 형상의 GND 전극(81)을 마련한 예이다. 구체적으로는, 원 형상의 GND 전극(81)에 시료대 받침(82)이 마련된다. 시료대(80) 상에 측정 시료(6)를 재치하고, 측정 탐침(8)을 측정 시료(6)에 접촉시켜, 전기 특성을 측정한다. 시료대(80)는, 시료대 받침(82)에 삽입하여 사용한다. 측정 시료(6)를 교환할 때에는, 시료대(80)마다, 진공 챔버(3)로부터 취출하여, 측정 시료(6)를 교환한다.

또한, GND 전극을 시료대에 마련할 경우여도, 도 3과 같은 형태에는 한정되지 않는다. 도 12는 GND 전극(75a, 75b)을 그 상면에 갖는 시료대(74)의 상면도이다. 또, 이 예에서는 GND 전극(75)은 시료대(74)와 일체이며, GND 전극(75)은 시료대(74)에 있어서의 GND 단자와의 접촉면이라고 할 수 있고, GND 전극(75a, 75b)과는 시료대(74)에 의해 도통(導通)되고 있다. GND 전극을 도 3과 같은 원환 형상으로 하면, 측정 시료(6)를 재치하는 스페이스(시료 재치면)가 좁아져, 측정 시료(6)의 크기에 따라서는 시료대에 놓이지 않는 등의 경우가 생길 수 있다. 그래서, 도 12에 나타내는 바와 같이, GND 전극(75)을 시료대(4)의 가장자리의 일부에, 대향하도록 배치한다. 이에 따라, 측정 시료(6)를 재치하는 시료 재치면(76)을 크게 취할 수 있다. 이 경우는, GND 전극(75a, 75b)이 마련되어 있는 2방향으로부터 측정 탐침을 접촉시킨다.

실시예 1

미소 전자 디바이스 특성 평가 장치의 제1 실시예를 도 13에 나타낸다. 측정 시료(6)에 프로브 유닛(24a, 24b)을 접촉시킴으로써, 반도체 파라미터 애널라이저(45)가 접속되어 있다. 반도체 파라미터 애널라이저(45)는, 전류-전압 측정, 캐퍼시턴스 측정 등 반도체 디바이스의 파라메트릭 테스트를 위한 측정기이지만, 여기에서는 직류 전압을 측정 시료에 인가하기 위해 이용하고 있다. 반도체 파라미터 애널라이저(45)를 대신하여, 직류 전압을 출력 가능한 전원 회로를 이용해도 된다. 또한, 측정 시료(6)에 프로브 유닛(24c)을 접촉시킴으로써 함수 발생기(11)를 접속하고, 프로브 유닛(24d)을 접촉시킴으로써 오실로스코프(12)를 접속한다. 함수 발생기(11)는 동적 신호(고주파 신호)를 발생하고, 그것에 응답하여 출력되는 동적인 응답 신호의 파형을 오실로스코프(12)에 의해 관찰한다. 이와 같이 측정 회로를 구성하고, 예를 들면, LSI 디바이스에서, 고장 진단 등으로부터 좁혀진 불량으로 추정되는 65㎚ 세대 트랜지스터의 고장 해석을 행한다.

먼저, 65㎚ 세대 트랜지스터의 측정 콘택트가 표면에 나올 때까지 연마한다. 이것을, 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치의 측정 시료로서 시료대(4)에 재치하고, 측정 탐침(8)을 측정 콘택트에 접촉시킨다. 구체적으로는, 트랜지스터의 소스, 드레인, 게이트, 기판, 각각의 콘택트에 접촉시킨다. 프로브 유닛(24a, 24b)의 측정 탐침(8)은 각각 트랜지스터의 드레인과 기판에 접촉되고, 프로브 유닛(24c)의 측정 탐침(8)은 트랜지스터의 게이트에 접촉되고, 프로브 유닛(24d)의 측정 탐침(8)은 트랜지스터의 소스에 접촉된다.

각각의 측정 탐침(8)을, 트랜지스터의 각 콘택트에 접촉시킨 후, 드레인에는 1V, 기판에는 0V를 인가하고, 함수 발생기(11)로부터 100㎒에 상당하는 폭 5ns의 펄스(1V)를 게이트에 인가하고, 소스로부터의 신호를 관찰한다. 이와 같이 하여 관찰할 수 있는, 정상인 트랜지스터로부터의 응답 파형과 불량 트랜지스터로부터의 응답 파형을 비교하고, 예를 들면, 응답 파형에 있어서의 상승 시간을 비교함으로써 트랜지스터의 고장의 판단을 행할 수 있다.

실시예 2

미소 전자 디바이스 특성 평가 장치의 제2 실시예를 도 14에 나타낸다. 본 실시예는, 로직 회로 측정(예를 들면, NAND 회로의 측정)을 행한다.

로직 회로(NAND 회로)의 입력 단자 2개에 각각 프로브 유닛(24e, 24f)을 접촉시킴으로써, 함수 발생기(11)로부터 로직 회로에 대하여 신호 펄스를 입력한다. 또한, 로직 회로의 전원 단자에는 프로브 유닛(24h)을 접촉시킴으로써, 반도체 파라미터 애널라이저(45)로부터 전원 전압을 인가한다. 반도체 파라미터 애널라이저(45)를 대신하여, 직류 전압을 출력 가능한 전원 회로를 이용해도 된다. 로직 회로의 출력에는 프로브 유닛(24g)을 접촉시킴으로써, 오실로스코프(12)에 의해 로직 회로의 출력을 모니터한다. 또한, 함수 발생기(11)로부터의 신호는 스플리터(46)를 통해, 2방향으로 분할되어, 한쪽은 참조 신호로서 오실로스코프(12)에 입력되고, 다른 한쪽은 측정 시료(6)에 입력되어 있다. 함수 발생기(11)에 의한 입력 신호의 변화에 대해, 오실로스코프(12)에 있어서, 모니터된 로직 회로(NAND 회로)의 출력 신호를, 참조 신호로서 입력되는 함수 발생기(11)로부터의 신호를 NAND 연산하여 대조함으로써, 로직 회로의 동작의 확인을 행할 수 있다.

이상, 본 발명을 복수의 실시예를 이용하여 설명했다. 본 발명은, 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 어떤 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하며, 또한, 어떤 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 더하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대해서, 다른 실시예의 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것도 가능하다.

1: 전자 광학계 2: 검출기
3: 진공 챔버 4, 74, 80: 시료대
5, 75, 81: GND 전극 6: 측정 시료
7, 51, 71, 73: 탐침 홀더 8: 측정 탐침
9, 55: GND 단자 10: 동축 케이블
11: 함수 발생기 12: 오실로스코프
21: 중심 도체(신호선) 22: 절연재
23: 외부 도체(GND선) 24, 50, 70, 72: 프로브 유닛
45: 반도체 파라미터 애널라이저 46: 스플리터
52: 커넥터부 56, 57: 판상 금속선
60: 트라이액셜 케이블 61: 중심 도체(신호선)
62: 제1 절연재 63: 중간 도체(가이드)
64: 제2 절연재 65: 외부 도체(GND선)
82: 시료대 받침 76: 시료 재치면
100: 시료 101: 펄스 발생기
102: 오실로스코프 103: 동축 케이블
104: 외부 도체(GND선) 105: 절연재
106: 중심 도체(신호선) 107: 측정 탐침
108: 단락선

Claims (15)

1. 진공 챔버와,
   상기 진공 챔버에 배치되고, 시료를 재치(載置)하는 시료대와,
   상기 시료의 위쪽으로부터 전자선을 조사 가능하게 배치된 전자 광학계와,
   상기 진공 챔버 밖에 배치되는 외부 기기와 동축 케이블로 접속되는 복수의 프로브 유닛과,
   상기 시료대 혹은 그 근방에 마련되는 전극을 갖고,
   상기 프로브 유닛은, 상기 시료에 접촉되는 측정 탐침과, 상기 전극에 접촉되는 GND 단자와, 상기 측정 탐침 및 상기 GND 단자를 유지하고, 상기 동축 케이블의 신호선을 상기 측정 탐침에 접속하고, 상기 동축 케이블의 GND선을 상기 GND 단자에 접속하는 탐침 홀더를 갖고,
   상기 GND 단자는, 계단 형상을 갖는 판상(板狀) 금속선이고,
   상기 프로브 유닛의 상기 측정 탐침이 상기 시료에 접촉될 때에, 상기 GND 단자가 상기 전극에 접촉되는, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전극은 원환(圓環) 형상을 갖고 상기 시료대에 마련되고, 원환 형상의 상기 전극의 내측에 상기 시료가 재치되는, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전극은 원 형상을 갖고, 상기 시료대는 상기 전극에 마련된 시료대 받침 상에 배치되는, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전극의 상기 GND 단자와의 접촉면은, 상기 시료대의 가장자리의 일부에, 서로 대향하여 마련되고,
   상기 프로브 유닛의 상기 측정 탐침은, 상기 시료대에 있어서 상기 접촉면이 배치된 방향으로부터 상기 시료에 접촉되는, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 GND 단자는, 복수의 판상 금속선의 조합인, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 GND 단자의 상기 전극에 접촉하는 부분은 호(弧) 형상인, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 탐침 홀더는, 상기 동축 케이블의 신호선과 상기 측정 탐침을 접속하는 커넥터부를 갖고,
   상기 커넥터부는 동축 구조를 갖는, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 동축 케이블은 트라이액셜(triaxial) 케이블이며,
   상기 탐침 홀더는, 상기 트라이액셜 케이블의 중간 도체 및 GND선을 상기 GND 단자와 접속하는, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 측정 탐침은, 선단의 반경이 10㎚인, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치.
10. 진공 챔버에 배치된 시료대에 재치된 시료에 측정 탐침을 접촉시키는, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치의 프로브 유닛으로서,
    동축 케이블의 신호선과 상기 측정 탐침을 접속하는 커넥터부를 갖는 탐침 홀더와,
    상기 시료대 혹은 그 근방에 마련되는 전극에 접촉시키는 GND 단자를 갖고,
    상기 GND 단자는, 계단 형상을 갖는 판상 금속선이고, 상기 측정 탐침이 상기 시료에 접촉될 때에, 상기 GND 단자가 상기 전극에 접촉되도록, 상기 탐침 홀더에 부착되어 있는, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치의 프로브 유닛.
11. 제10항에 있어서,
    상기 GND 단자는, 복수의 판상 금속선의 조합인, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치의 프로브 유닛.
12. 제10항에 있어서,
    상기 GND 단자의 상기 전극에 접촉하는 부분은 호 형상인, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치의 프로브 유닛.
13. 제10항에 있어서,
    상기 커넥터부는 동축 구조를 갖는, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치의 프로브 유닛.
14. 제10항에 있어서,
    상기 동축 케이블은 트라이액셜 케이블이며,
    상기 탐침 홀더는, 상기 트라이액셜 케이블의 중간 도체 및 GND선을 상기 GND 단자와 접속하는, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치의 프로브 유닛.
15. 제10항에 있어서,
    상기 측정 탐침은, 선단의 반경이 10㎚인, 전자 현미경을 이용한 미소 전자 디바이스 특성 평가 장치의 프로브 유닛.

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