KR20160032027A - 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버 - Google Patents

Abstract

피측정물의 미세 영역에서의 측정은, 주사형 탐침 현미경 화상을 만들고, 그 화상에서 탐침을 미세 영역에 접촉시켜 행하지만, pA 이하의 미소 전류의 측정을 위해, 캔틸레버의 변형을 검출하는 센서 회로를 가드 전극으로 유용한다. 자기 검지형 캔틸레버를 이용하여 탐침에 전류를 공급하는 제1배선과, 캔틸레버의 변형을 검출하는 센서 회로용의 제2배선에 대해, 제2배선을 제1배선의 가드 배선으로서 이용하기 위한 가드 전위 발생 수단과, 제2배선을, 센서로서 사용하는 제1기간과, 가드 전위로 유지하는 제2기간을 포함하는 시분할로 전환하는 제2배선 전환 수단을 구비한다. 또한, 제1기간에서 2차원 분포를 얻은 후, 제2기간에 상기 2차원 분포에 기초하는 소정의 위치에 상기 탐침을 이동시켜, 제1배선의 전류 혹은 전압을 측정한다.

Description

자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버{SCANNING PROBE MICROSCOPE PROBER EMPLOYING SELF-SENSING CANTILEVER}

이 발명은 고집적 반도체 디바이스의 광학 현미경으로 관찰하기 어려운 미세 영역에 직접 탐침을 대어 전기 측정을 행할 수가 있는 자기 검지형 캔틸레버(cantilever)를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버(prober)에 관한 것이다.

초미세 룰(rule)의 제조 프로세스에 의한 반도체 디바이스의 고장 해석에 있어서, 다탐침 AFM(원자간력 현미경)식의 나노프로버(nanoprober)에 의한 전기 측정이 보급되어 있다. 트랜지스터 동작을 통상의 DC(직류) 측정으로서 행하기 전에, 결함 위치를 좁혀가는 것으로서 AFM 동작을 하면서 배면의 어스 또는 다른 전극 등에 흐르는 전류상(像)을 취함으로써, 전극으로부터의 누설 등의 디바이스 고장이 발견되는 경우가 있다. 그러나, SOI(Silicon on insulator) 기판 등, 배면으로부터 전류를 취출하는 것이 어려운 디바이스도 많아지고 있다. 또한, 인라인에서의 웨이퍼에서의 측정에서는, 프로세스 상황에 따라서는 배면으로부터 전류 신호를 취하는 것이 어려운 경우도 많다. 이 경우는 소정의 전극과의 사이의 전류상을 취한다.

광학 현미경으로 관찰할 수 없는 영역의 나노프로버에는 SEM(조작형 전자현미경)으로 관측하면서 프로빙(probing)하는 것과, AFM 자신의 탐침으로 상을 취하면서 프로빙하는 것이 있다. 나노프로버를 이용하여 고집적 반도체 디바이스의 고장 해석을 행하는 경우, 예를 들면 서브미크론 이하의 노광 룰로 미세화한 최선단 디바이스에서는 AFM식이 유리하다고 생각되고 있다. 이것은 SEM을 이용하는 경우에는 전자선 손상에 의한 디바이스 특성의 열화나, 잔류 탄화수소에 의한 절연층의 형성 등의 문제를 수반하기 때문이다.

통상 이용하는 AFM의 탐침(probe)은 각각이 독자적으로 이동 가능한 것이다. 통상 AFM의 탐침은 개개로 캔틸레버에 고정된 상태로 4개 내지 6개 사용되고, 각각이 독립적으로 XYZ 방향으로 나노미터(nm)의 분해능으로 이동 가능하다. 이 이동은 캔틸레버를 통하여 압전 소자 구동으로 행해진다. 또, 통상 이용되는 탐침은 선단 반경 수십nm(선단 디바이스용)이고, 그 선단으로 전극에 직접 접촉할 수 있다. 또, 통상 선단으로부터 60°이하의 각도 안에 AFM에 필요한 모든 기구가 들어간다.

종래 기술로서 예를 들면 특허문헌 1(미국 특허 제6668628 B2호 명세서)에, SPM(Scanning probe microscope： 주사형 탐침 현미경)이나 AFM(Atomic force microscope： 원자간력 현미경) 등의 스캐닝 프로브 장치가 개시되어 있고, 또 복수의 탐침을 소정의 구조를 가지는 일체의 것으로서 반도체 프로세스 등으로 만들어 넣는 것이 기재된다. 그러나, 선단 반도체 디바이스의 미세화 전극간은 100nm 이하에 달하고 있고, 이 거리까지 근접한 복수의 탐침을 가지는 구조를 만들어 넣는 것은 불가능에 가깝다. 또한, AFM의 스캐닝(주사)으로 이 탐침 선단은 마모해 가기 때문에 빈번히 탐침을 교환할 필요가 있어, 이 탐침은 저비용으로 제조하는 것이 요구된다.

상기와 같이 미세 반도체 디바이스의 고장 해석을 행하는 경우는 소정의 각각의 개소에 각 탐침을 대는 것이 필요하다. 이 경우 수십nm로 프로브의 위치 제어를 행할 필요가 있어, 광학 현미경으로의 관찰에 의한 위치 제어는 매우 곤란하다. 이 때문에 SEM(주사형 전자현미경)이나 AFM(원자간력 현미경)에 의한 화상을 이용한 프로브의 위치 제어가 행해진다.

실제의 예로서 종래의 나노프로버에 의한 전기 측정의 프로빙의 동작 화면을 도 2에 나타낸다. 여기에서는 도 2 (a)의 배치로부터 얻어지는 4매의 AFM 이미지에 의해 접촉을 취해야 할 전극을 인식하고 프로빙을 행한다. 즉 AFM 이미징에서의 nN 레벨의 힘에서의 표면 관찰로부터, 스캔을 멈추고 지정의 전극에 수백nN으로 탐침을 누른다. 그러나, 스캔시의 탐침과 전극의 위치 관계가 온도 변화나 압전 구동 소자의 클리브(cleave) 등으로 변화해 버려, 1회로 목적의 접촉을 취하는 것은 어렵다. 이것을 피하기 위해 통상 클로즈드 루프(Closed loop： 폐루프)로 불리는 제어를 행한다. 이것은 위치 센서로서 예를 들면 정전 용량을 모니터함으로써, 압전 구동계의 클리브 등의 어긋남을 절대치로 하여 평가 피드백(feedback)을 거는 것이다. 그러나, 수nm의 어긋남이 생김으로써 전기적 도통(접촉)이 변화하여 접촉 저항이 높아지는 일이 잘 일어난다. 여기서, 접촉의 확인에는 예를 들면, 탐침으로부터 디바이스의 전극을 통하여 시료 이면에 흐르는 전류를 모니터하여 그 전류-전압 특성으로부터 확인할 수가 있다. 통상 이 단계에서의 접촉 상태의 조정에는, 탐침에 인가하는 압력을 바꾸거나 탐침의 위치를 이동시키거나 한다. 그러나, 실제로는 탐침은 예를 들면 1㎛ 이상 정도 떨어진 위치에 있어, 목표인 소정의 전극까지의 이동시에는 nm 오더(order)의 제어가 필요하게 된다. 이러한 이동시에 상기와 같이 그 탐침 자신의 AFM 이미지를 기초로 하는 경우가 있지만, 이 경우라도 상당히 곤란한 작업이다.

여기서 접촉에 있어서는, 도 2의 예에서는 4매의 AFM 이미지로부터 상호 위치를 판단하여 각각의 탐침이 교차하지 않게 하는 것이 중요하다. 접촉시는 힘의 피드백을 행하지 않고, 스캔시보다 2자리수 정도 강한 힘으로 탐침을 전극(여기서는 도전성 플러그(18))에 누른다. 이 경우 캔틸레버의 휨을 포함해도 수백nN 정도의 힘으로 접촉을 얻을 수 있고, 이것은 SEM식의 나노프로버에 비해 약한 힘이어서 탐침 선단부를 손상시키는 일이 적다.

종래의 다탐침 AFM 나노프로버의 예를 도 1에 나타낸다. 이 예는 상기와 같이, 복수의 프로브를 구비하고, 그 프로브를 움직여 피검사물의 소정의 부분을 스캔하는 것이다.

또, 예를 들면 특허문헌 2(미국 특허 제6880389 B2호 명세서)에는, AFM의 캔틸레버에 부착된 복수의 스캐닝 프로브를 이용하여, 극히 좁은 영역에서 스캐닝을 행하는 방법과 그를 위한 SPM 장치가 개시되어 있다. 이것은 부분적으로 중복된 영역을 스캔할 때에 충돌을 피하도록 각 프로브를 제어하는 제어 장치를 구비하는 것이다. 또, 특허문헌 3(미국 특허 제6951130 B2호 명세서)에는, AFM의 캔틸레버에 부착된 복수의 스캐닝 프로브를 이용하여 극히 좁은 영역에서 스캐닝을 행하는 방법과 SPM 장치가 개시되어 있다. 이것은 프로브를 움직여 소정의 영역을 스캔할 때에 프로브가 교차할 것 같은 경우는 충돌을 피하도록 일방의 프로브를 그 소정의 영역으로부터 후퇴시키는 제어를 하는 제어 장치를 구비하는 것이다. 또, 특허문헌 4(미국 특허 제7444857 B2호 명세서)에는, 각각 독자적인 좌표계를 가진 AFM의 캔틸레버에 부착된 복수의 스캐닝 프로브를 이용하여 스캐닝을 행하는 SPM 장치와 그 프로브의 제어 방법이 개시되어 있다. 이것은 프로브가 서로 간섭하지 않도록 그 좌표계 하에서 오프셋(offset)을 유지하여 스캔하는 것이다.

미국 특허 제6668628호 명세서 미국 특허 제6880389호 명세서 미국 특허 제6951130호 명세서 미국 특허 제7444857호 명세서 일본국 특허공개 1994－300557호 공보

자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버에 있어서, 피측정물의 미세 영역에서의 측정은, 그 주변의 SPM(주사형 탐침 현미경) 화상을 만들고, 그 화상에 기초하여 탐침을 상기 미세 영역에 접촉시켜 행하지만, pA 이하의 미소 전류를 측정하기 위해, 캔틸레버의 변형을 검출하는 센서 회로를 유용(流用)하여 캔틸레버에 가드(guard) 전극을 설치한다.

본 발명의 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버는, 2차원 주사가 가능한 시료 스테이지에 탑재된 피측정물의 전기적 측정을, 2차원 주사가 가능한 탐침 스테이지에 탑재된 탐침을 이용하여 행하는 것이 가능하고, 상기 탐침에 작용하는 힘 혹은 상기 탐침에 흐르는 전류를 소정의 값으로 하기 위한 제어량의 2차원 분포를 얻을 수 있는 주사형 탐침 현미경으로서, 상기 제어량의 2차원 분포에 기초하여 결정된 위치에 상기 탐침을 설정하는 설정 수단과, 상기 탐침과 상기 피측정물의 소정의 부위간의 전류 혹은 전압을 측정하는 측정 수단을 구비한다.

상기 탐침은 캔틸레버의 선단부에 설치되고, 상기 캔틸레버는 자기 검지형으로서, 상기 탐침에 전류를 공급하기 위한 제1배선과, 상기 캔틸레버의 변형을 검출하는 센서 회로용의 제2배선을 구비한다.

또, 상기 센서 회로의 출력의 변화를 검출하는 검출 수단과, 제2배선을 제1배선의 가드 배선으로서 이용하기 위한 가드 전위 발생 수단과, 상기 제2배선을, 센서로서 사용하는 제1기간과, 가드 전위로 유지하는 제2기간을 포함하는 시분할로 사용하도록 전환하는 제2배선 전환 수단을 구비한다.

또한, 제1기간에서 상기 2차원 분포를 얻은 후, 제2기간에 상기 2차원 분포에 기초하는 소정의 위치에 상기 탐침을 이동시켜, 제1배선의 전류 혹은 전압을 측정하는 것이다.

상기 제어량의 2차원 분포는 상기 시료 스테이지의 주사에 의해 얻는 것이다.

상기 제2기간에 상기 2차원 분포에 기초하는 소정의 위치에 상기 탐침을 이동시키는 조작은 상기 탐침 스테이지의 이동에 의해 행해지는 것이다.

상기 시료 스테이지 및 상기 탐침 스테이지는 3차원의 각각의 방향의 변위를 검출하는 리니어 인코더(linear encoder)와 3차원의 각각의 방향으로 구동하는 구동계를 구비하고, 상기 리니어 인코더와 상기 구동계를 이용하여 상기 리니어 인코더의 특정의 위치에 머물도록 제어하는 폐루프 제어계를 구비하는 것으로서, 상기 제2기간에 있어서는 적어도 하나의 제어계에 있어서 폐루프 제어를 행하는 것이다.

또, 본 발명의 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버는, 상기 제1배선의 전류 혹은 전압의 측정치에 대해, 전압-전류 특성이 소정의 범위에 있는지 어떤지를 판정하는 판정 수단을 구비하고, 상기 판정 수단에 의한, 전압-전류 특성의 합격 또는 불합격을 판정하고, 합격의 경우는 측정한 전류치 혹은 전압치를 출력하고, 불합격의 경우는 상기 탐침 스테이지의 이동에 의해, 상기 제어량의 2차원 분포를 재차 얻어, 상기 재차 얻은 당해 2차원 분포에 기초하는 소정의 위치에 상기 탐침을 이동시킨 후, 재차 상기 판정 수단에 의한, 전압-전류 특성의 합격 또는 불합격의 판정으로부터의 수속을 반복하는 측정을 행하는 것이다.

동일한 피측정물의 소정의 위치에 대한 상기 시료 스테이지 구동에 의한 2차원 분포 A와 상기 탐침 스테이지 구동에 의한 2차원 분포 B의 비교로부터, 상기 시료 스테이지의 리니어 인코더가 나타내는 좌표치와 상기 탐침 스테이지의 리니어 인코더가 나타내는 좌표치의 변환계수를 결정하고, 상기 변환계수를 이용하여 좌표변환하는 좌표변환 수단을 구비하고, 상기의, 제2기간에 상기 2차원 분포에 기초하는 소정의 위치에 상기 탐침을 이동시키는 조작은 상기 좌표변환 수단을 이용하여 변환한 이동치를 이용한 이동이다.

초미세 룰의 제조 프로세스에 의한 반도체 디바이스의 고장 해석에 있어서 필요한 다탐침 나노프로버에 의한 전기 측정에 있어서, 광학 현미경 하에서는 곤란한 침세우기를 용이하게 행할 수가 있게 되고, 또 누설 전류가 적은 상태에서 행할 수가 있다.

도 1은 종래의 다탐침 AFM 나노프로버의 예를 나타내는 도이다.
도 2는 플러그상 전극에 탐침을 접촉하는 경우의 예로, (a) 평면도와 (b) 측면도이다.
도 3은 본 발명의 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버의 모식도이다.
도 4는 캔틸레버의 구조예를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버의 블록도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버를 이용한 피측정물(3)의 전기적 측정의 수순을 나타내는 도이다.
도 7은 (a) AFM 이미지에 의한 중복 부분을 가진 2개의 맵(map)을 나타내고, (b) 그 2개의 맵으로부터 합성한 맵을 나타내는 도이다.
도 8은 탐침 스테이지의 구동축과 시료 스테이지의 구동축의 합쳐넣기를 행할 때의 각 구동축의 관계를 나타내는 모식도이다.
도 9는 탐침 선단이 받는 손상을 피하기 위한 탐침 위치의 설정 수순을 나타내는 도이다.

이하에, 이 발명의 실시의 형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에 있어서는 동일한 기능 혹은 유사한 기능을 가진 장치에, 특별한 이유가 없는 경우에는 동일한 부호를 이용하는 것으로 한다.

실시예 1

도 3에 본 발명의 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버의 모식도를 나타낸다. 일반적으로 SPM의 동작 모드에는 1) 접촉 모드, 2) 비접촉 모드, 3) 태핑(tapping) 모드, 4) 포스(force) 모드 등이 있는 것이 알려져 있다. 본 발명은 그 어느 형태라도 적용할 수가 있다. 대표예로서 도 3에는 접촉 모드로 동작하고, 2개의 AFM을 이용하는 다탐침 주사형 탐침 현미경식 프로버를 이용한 예를 나타낸다.

피측정물(3)은 예를 들면, 고장 해석을 행하려고 하는 반도체칩이고, 이것은 스테이지(2) 상에 놓인다. 스테이지(2)는 그 표면과 평행하게 가동하고, 정해진 X축과 Y축을 따라 구동부(1)에 의해 구동된다. 피측정물(3)에 대해서는 탐침(4a(또는 b))을 구비한 캔틸레버(5a(또는 b))로 AFM 이미지가 취해지고 전기적 측정이 행해진다. 캔틸레버(5a(또는 b))는 캔틸레버 구동부(6a(또는 b))로, 정해진 X′, Y′, Z′방향으로 이동할 수가 있다. 또, AFM 이미지의 취득에 있어서는 구동부(1)가 컴퓨터(10)의 지시를 받아 X′Y′면을 스캔한다. 이 스캔은 래스터 스캔(raster scan)이나 스파이럴 스캔(spiral scan)이면 좋다.

캔틸레버 구동부(6a(또는 b))는 컴퓨터(10)로부터의 X′Y′면 제어와 Z′축에 대해서는 피드백(FB) 회로(9a(또는 b))로부터의 제어를 받는다. Z′축에 관한 상기 제어는 통상의 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 AFM과 마찬가지로 행한다. 즉, 캔틸레버에 내장되거나 혹은 부착된 압전 저항 검출형, 정전 용량 검출형 혹은 압전 검출형 등의 센서를 이용하여, 캔틸레버의 휨을 검출함으로써 원자간력을 검지한다. 도 3에서는 예를 들면 캔틸레버에 내장된 압전 저항부(19a(또는 b))의 저항 변화로서 원자간력을 검지하고, 소정의 값으로 되도록 피드백을 거는 것이다. 이와 같은 캔틸레버 예는 그 제조 방법과 함께, 예를 들면 특허문헌 5(일본국 특허공개 1994－300557호 공보)에 개시되어 있다.

여기서, 캔틸레버(5a, 5b)는 도 4에 나타내는 구조의 것으로, 실리콘 기판으로부터 형성된 캔틸레버(32)에서는, 지지체(30)로부터 뻗어 있는 그 선단부에는 탐침(31)이 설치되고, 그 탐침(31)으로부터 캔틸레버(32)의 밑동 방향으로 배선(36)이 뻗어 인출용 전극(35)에 이른다. 또, 압전 저항(33a)은 실리콘 기판에 설치된 불순물 확산층으로 형성되고, 이것에 전극(34a, 34b)을 통하여 통전하기 위한 금속 배선(33b, 33c)이 설치되어 있고, 상기 불순물 확산층과 상기 금속 배선은 절연막으로 분리되지만, 일부에 있어서 접촉창(37)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 이 캔틸레버(32)에 인접하여 온도 보상용의 더미(dummy) 저항(38)이 설치되어 있다. 이것은 상기 캔틸레버에 설치된 압전 저항(33a)과 동일한 것이다.

또, 이 더미 저항 혹은 그 등가 저항을 2개 더 준비하여 합계 3개로 하고, 상기 캔틸레버에 설치된 압전 저항과 함께 사변형의 각 변의 위치에 각각 배치하여 잘 알려진 브리지 회로를 구성하고, 이 브리지 회로를 이용하여 상기 캔틸레버에 설치된 압전 저항의 저항치의 변화를 검출함으로써, 상기 캔틸레버의 휨을 검지하도록 해도 좋다.

도 3에 나타내는 예에서는, 전압 전류계(17a)는 탐침(4a와 4b)간의 전압 전류 특성을 계측하지만, 그들 탐침에 접속하는 배선간의 전압 전류 특성을 계측해도 좋은 것은 분명하다. 또, 전압 전류계(17b)는 캔틸레버(5a)의 배선과 피측정물(3)에 전기적으로 접속한 스테이지(2)간의, 각각의 전압 전류 특성을 얻기 위한 배치로 하고 있다.

여기서, 캔틸레버의 압전 저항(19b)은 컴퓨터(10)로부터의 제어를 받은 전환부(21)에 의해, 전압 팔로워(follower)(20)의 출력 혹은 Z축 피드백(FB) 제어 장치(9b)의 입력과 배타적으로 접속된다. 상기 전압 팔로워(20)는 탐침(4b)의 전위에 소정의 오프셋 전압을 부가한 전압을 발생시키는 장치로, 오프셋 전압의 값은 통상은 0이다. 상기 압전 저항(19b)이 전압 팔로워(20)의 출력에 접속되는 경우로 오프셋 전압이 0인 경우에, 탐침(4b) 또는 그 배선에 생기는 누설 전류를 억제할 수가 있다. 이것은 통상의 가드 전극의 작용과 마찬가지다. 이와 같이 누설 전류가 적은 상태에서 탐침(4a와 4b)간의 전압 전류 특성을 계측함으로써 정확한 측정을 행할 수가 있다.

또, 상기 압전 저항(19b)이 Z′축 피드백(FB) 제어 장치(9b)의 입력에 접속되는 경우는, 탐침에 놓이는 미약한 힘을 일정하게 유지하면서 스캔 영역(16)을 스캔함으로써, 잘 알려진 원자간력 현미경으로서 동작시킬 수가 있다.

따라서, 원자간력 현미경에 의한 화상을 얻은 후 전환부(21)를 전환함으로써, 그 화상을 기초로 탐침 위치를 조정할 수가 있으므로, 미세한 측정 부분을 겨냥하여 탐침을 세워 전기적 측정을 행할 수가 있게 된다.

도 5에 본 발명의 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버의 블록도를 나타낸다. 도 5에 있어서, 시료(53)는 시료 스테이지(52) 상에 놓이고, 시료 스테이지(52)는 제어 PC(62)로 제어되지만, 클리브에 대해서는 커패시턴스 센서(51)를 이용한 폐루프로 제어된다.

또, 캔틸레버(54)에는 참조 회로(56) 딸린 힘검출 회로(55)와 미소 전류 측정 회로(57)가 설치되어 있고, 힘검출 기능과 미소 전류 측정 기능은 제어 PC(62)로 제어되는 스위치(SW, 전환부)(58)로 전환된다. 이 예에서는 상기의, 캔틸레버(54), 힘검출 회로(55), 미소 전류 측정 회로(57) 및 스위치(58)는 탐침 스테이지(59) 상에 배치된다. 상기 탐침 스테이지(59)에는 인코더(60)가 구비되고, 탐침 스테이지(59)의 위치 정보가 제어 PC(62)에 전송된다. 상기 힘검출 회로(55)나 미소 전류 측정 회로(57)에 있어서의 전류 혹은 전압의 측정은 반도체 파라메트릭 애널라이저(parametric analyzer)(61)로 측정하고, 가드 배선의 전위의 유지도 이 반도체 파라메트릭 애널라이저(61)로 행할 수가 있다. 상기 반도체 파라메트릭 애널라이저(61)의 제어는 상기 제어 PC(62)로부터 행할 수가 있다.

실시예 2

도 3의 상기 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버를 이용한 피측정물(3)의 전기적 측정은 예를 들면 도 6에 나타내는 수순으로 행한다.

1. 시료 스테이지를 움직이면서 광학적으로 위치의 확인을 행한다. 이것은 시료의 놓는 방법에 따른 시료 스테이지와의 변위각 측정을 위해서이다.

2. 개시점을 설정하기 위해 초기 위치 확인을 행한다. 이때 시료 스테이지의 인코더값을 리셋한다.

3. 광학 현미경 화상을 이용하여 탐침 스테이지를 구동하여, 프로브의 자동 침대기를 행한다. 이 경우 1미크론 정도의 오차로 침대기를 행할 수가 있다.

여기서, 시료 스테이지의 폐루프 제어를 개시한다.

4. 캔틸레버의 탐침의 상호 위치를 확인한다. 이 확인에는 예를 들면 AFM상을 이용한다.

5. 고장 개소로 탐침 스테이지 구동에 의해 이동한다. 미세 반도체 디바이스의 고장 해석을 행하는 경우는 그 반도체 디바이스의 CAD 데이터를 이용하여 이동 방향이나 이동 거리를 미리 설정할 수가 있다.

6. 캔틸레버의 탐침의 상호 위치를 재확인한다. 이 재확인에는 예를 들면 상기의 AFM상을 이용한다.

7. 캔틸레버의 탐침의 침대기를 행한다. 이것은 침세우기하기 쉬운 위치에 캔틸레버를 세트하기 위해서이다. 예를 들면 AFM상을 이용하지만, 상기의 AFM상을 이용할 수가 있는 상황에 있으면 그것을 이용해도 좋다.

8. 침세우기를 하여 전기적 접촉을 취하고 소정의 전압 전류 측정을 행한다.

혹은 다음과 같이 행해도 좋다.

1) 복수의 탐침을 소정의 거리로 이간하여 배치한다. 이때 이들이 예를 들면 도 2 (a)의 소정의 스캔 영역(16)에 들어가도록 한다. 이것은 얼라인먼트 마크(alignment mark) 또는 그 대용으로 되는 AFM 이미지를 취함으로써 용이하게 행할 수가 있다. 스캔 영역(16)이 비교적 큰 크기인 경우, 광학 현미경 하에서도 이것을 행할 수가 있다. 여기서, 뒤에 기술하는 이유로부터, 탐침 사이를 가능한 한 접근시켜 배치하는 것이 바람직하다.

2) 상기 가동 스테이지(2)를 래스터 스캔하여, 각각의 탐침에 의한 화상에 대해, 겹침 영역이 있는 각각의 AFM 이미지를 취득한다. 여기서, 래스터 스캔의 영역 크기는 신속한 측정을 행하기 위해서는 가능한 한 작은 영역인 것이 바람직한 것은 분명하지만, 겹침 영역을 찾아낼 수 있는 크기인 것이 필요하다. 예를 들면, 탐침(4a, 4b)을 이용하여 AFM 이미지인 도 7 (a)의 맵 A, 맵 B를 각각 취득한다. 래스터 스캔의 경우, 탐침(4a, 4b)의 스캔 최후의 위치가 각각의 맵 A, B의 끝에 오므로, 각각의 맵의 중심 부근으로 되돌려 두는 것이 바람직하다. 또, 외측에서 내측으로 향하는 스파이럴 스캔을 행하면, 스캔 최후의 위치가 스캔 영역의 거의 중앙으로 되므로 바람직하다.

3) 취득한 이미지에 있어서의 상기 겹침 영역을 찾아내어 상기 탐침의 각각의 위치를 읽는다. 이것은 예를 들면 도 7 (a)의 중복 부분이다. 중복 부분을 찾아내는 것은 맵 A와 맵 B의 상대 위치를 조금씩 바꾸어 상관계수를 평가하고, 최대로 되는 곳을 찾아내는 것으로 행할 수가 있다. 또, 이 중복 부분에서 연결함으로써, 도 7 (b)에 나타내는 합성한 맵을 얻을 수 있다. 이것은, 당연한 것이지만, 스캔 영역보다도 넓은 면적을 커버하고 있다.

상기의 시료 스테이지에서의 조작의 다음에, 탐침 스테이지에서 캔틸레버를 구동하여, 측정하려고 하는 점에 탐침를 세운다. 그때 탐침 스테이지의 구동축과 시료 스테이지의 구동축이 정합하고 있지 않은 경우가 많다. 그래서, 탐침 스테이지의 스캔에 의한 화상(예를 들면 AFM상 혹은 STM상)과, 시료 스테이지 구동에 의한 캔틸레버의 스캔에 의한 화상(예를 들면 AFM상)을 비교하여, 탐침 스테이지의 구동축과 시료 스테이지의 구동축의 합쳐넣기를 행한다.

이 합쳐넣기는, 도 8에 나타내듯이, 각각의 구동축을 좌표축으로 보아, 상기 시료 스테이지의 좌표계(41)와 표준으로 되는 좌표계(40)간의 변환식, 및 상기 탐침 스테이지의 좌표계(42)와 표준으로 되는 좌표계(40)간의 변환식을 결정하는 것과 동일하다. 이때 그 어느 일방을 표준으로 되는 좌표계로 해도 좋은 것은 분명하다. 또, 상기의 구동계에 의한 이동 범위는 미소 영역에 한정되므로, 상기의 변환식은 일차식으로 해도 충분한 정밀도가 얻어진다.

즉, 상기의 합쳐넣기는 동일한 피측정물의 소정의 위치에 대한 상기 시료 스테이지 구동에 의한 2차원 분포 A와 상기 탐침 스테이지 구동에 의한 2차원 분포 B의 비교로부터, 이미 잘 알려진 방법에 따라, 상기 시료 스테이지의 리니어 인코더가 나타내는 좌표치의 일차 변환식의 변환계수와, 상기 탐침 스테이지의 리니어 인코더가 나타내는 좌표치의 일차 변환식의 변환계수를 결정하는 것이다.

또, 시료 스테이지의 구동용 또는 탐침 스테이지의 구동용에, 그 어느 일방의 좌표계 혹은 그 어느 것과도 다른 좌표계로부터 변환계수를 이용하여 좌표변환하는 좌표변환 수단을 구비한다. 특히, 캔틸레버에 설치된 상기 센서를 가드 전극으로서 사용하는 상기 제2기간에, 상기 2차원 분포에 기초하는 소정의 위치에 상기 탐침을 이동시키는 조작은 상기 좌표변환 수단을 이용하여 변환한 이동치를 이용한 이동이다.

4) 상기 탐침의 각각을 소정의 위치로 이동시킨다. 이 단계에서는 상기의 합성한 맵을 이용할 수가 있다.

5) 상기 피측정물의 측정을 행한다. 이때 도 2 (b)에 나타내듯이, 예를 들면 탐침(4a, 4b)이 점선상(像)으로부터 실선상 쪽으로 어긋나는 일이 종종 일어난다. 예를 들면, 피측정물의 컨택트홀(contact hole)이나 스루홀(through hole)에 매립된 도전성 플러그(18)에 압접하여 전기적 도통을 취하는 경우에, 압접할 때에 탐침이 피측정물의 표면을 미끄러져 그 위치가 어긋나는 일이 종종 일어난다. 이 때문에 압접 전의 거리에 이 어긋남을 고려해 두는 것이 바람직하다.

실시예 3

상기의 예에서는 탐침을 소정의 거리로 이간할 때, 얼라인먼트 마크 또는 그 대용으로 되는 것을 이용하거나 광학 현미경을 이용하였다. 광학 현미경 하에서는 상기 미세 배선에 비해 비교적 큰 크기의 대상물인 경우라도, 광학 현미경으로 확인할 수 있는 한계 이하의 크기에 있어서는 탐침 선단을 손상시키는 경우가 많다. 그래서, 다음과 같이 함으로써 탐침 선단이 받는 손상을 피할 수가 있다.

1) 탐침간의 도통 특성으로부터, 당해 탐침간이 근접 위치인 것을 나타내도록 당해 탐침의 각각의 위치를 설정한다. 예를 들면, 도 9 (a)에 나타내듯이, 일방 혹은 양방의 탐침을, 터널 전류 혹은 이온화된 가스에 의한 이온 전류가 흐를 때까지 이동시켜 접근시킨다. 여기서, 전압 전류계를 이용하여, 통상의 전기적 도통이 얻어지기 직전에 정지하는 것이 중요하다. 또, 원자간력이 작용하는 정도의 거리에 접근시키는 것에서도 상기와 마찬가지의 거리로 설정할 수가 있다.

이때 탐침간에 과대한 전압을 인가하면, 탐침끼리가 정전 인력으로 서로 끌어당겨 서로 접촉하는 경향이 있다. 이 때문에 상기 탐침간에 인가하는 전압은 정전 인력이 방해로 되지 않을 정도의 전압치로 하는 것이 중요하다. 이때 고저항 소자를 통하여 전압을 인가하도록 하는 것이 바람직하다. 이에 의해 탐침 선단 부분을 과전류 파손으로부터 보호할 수가 있다. 또, 적절한 저항치를 이용함으로써, 접촉에 의한 전하의 방전과 이간시의 충전이 교대로 일어나, 탐침 선단부를 진동시킬 수가 있으므로, 이 기계적 진동 혹은 전류의 단속을 검출함으로써, 탐침간이 접근한 상태에 있는 것을 검지하는 것이 가능하다.

또, 상기 탐침을 동전압으로, 주위의 전위로부터 보면 명확히 정(正)전위 혹은 부(負)전위로 되도록 함으로써, 탐침간의 정전기 반발력을 일으키고, 이것을 이용하여 상기 탐침간을 반발시키면서 접근시킬 수가 있다.

또, 상기 탐침의 고유 진동 주파수보다도 높은 주파수의 교류 전압을 상기 탐침간에 인가하여 인력과 척력을 교대로 작용하게 함으로써, 상기 탐침간의 접촉을 피하면서 탐침간의 거리를 줄이는 것이 가능하다. 상기 교류 전압을 서서히 저하시키면서, 상기 탐침간에 인가하는 기계적 압력을 감소시킴으로써, 상기 탐침간을 극히 접근한 위치에 서로 이간한 상태로 할 수 있다.

2) 상기 탐침을 도 9 (b)에 나타내는 것처럼 소정의 거리로 이간한다. 이것은 상기와 같이, 상기 탐침간이 극히 접근한 거리에 있어서는 서로의 간섭없이 전기적 측정을 행할 수가 없기 때문이다. 또, 이때의 소정의 거리는 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 이것은 스캔 영역의 면적이 일정한 경우에, 상기의 맵 A, 맵 B의 중복 영역의 면적 비율을 가능한 한 크게 하기 위해서이다.

산업상 이용가능성

본 발명은 반도체 디바이스의 고장 해석, 부팅시의 소량 불량에 관한 상세 해석 등에도 용이하게 적용할 수가 있다. 또, 인라인 테스트시 등 웨이퍼 단계에서의 고장 해석 등에 이면으로부터 전기적 접촉을 취하기 어려운 상황에서의 전기 특성 검사에 사용하면 효과적이다.

1 구동부 2 스테이지(stage)
3 피측정물 4a, 4b 탐침
5a, 5b 캔틸레버(cantilever)
6a, 6b 캔틸레버 구동부 ⇒ 탐침 스테이지
7a, 7b 레이저 광원 8a, 8b 4분할 광검출기
9a, 9b 피드백(FB) 회로 10 컴퓨터
11 제어선 12a, 12b 제어선
13a, 13b 신호선 14a, 14b 신호선
15a, 15b 레이저광 16 스캔 영역
17a, 17b 전압 전류계 18 도전성 플러그
19a, 19b 압전 저항부 20 전압 팔로워
21 전환부 30 지지체
31 탐침 32 캔틸레버
33a 압전 저항 33b, 33c 금속 배선
34a, 34b 전극 35 인출용 전극
36 배선 37 접촉창
38 더미 저항 40 표준으로 되는 좌표계
41 시료 스테이지의 좌표계 42 탐침 스테이지의 좌표계
51 커패시턴스 센서 52 시료 스테이지
53 시료 54 캔틸레버
55 힘검출 회로 56 참조 회로
57 미소 전류 측정 회로 58 스위치(SW)
59 탐침 스테이지 60 인코더(encoder)
61 반도체 파라메트릭 애널라이저(parametric analyzer)
62 제어 PC

Claims (6)

1. 2차원 주사가 가능한 시료 스테이지에 탑재된 피측정물의 전기적 측정을, 2차원 주사가 가능한 탐침 스테이지에 탑재된 탐침을 이용하여 행하는 것이 가능하고, 상기 탐침에 작용하는 힘 혹은 상기 탐침에 흐르는 전류를 소정의 값으로 하기 위한 제어량의 2차원 분포를 얻을 수 있는 주사형 탐침 현미경으로서,
   상기 제어량의 2차원 분포에 기초하여 결정된 위치에 상기 탐침을 설정하는 설정 수단과, 상기 탐침과 상기 피측정물의 소정의 부위간의 전류 혹은 전압을 측정하는 측정 수단을 구비하고,
   상기 탐침은 캔틸레버의 선단부에 설치되고,
   상기 캔틸레버는 자기 검지형으로서, 상기 탐침에 전류를 공급하기 위한 제1배선과,
   상기 캔틸레버의 변형을 검출하는 센서 회로용의 제2배선을 구비하고,
   상기 센서 회로의 출력의 변화를 검출하는 검출 수단과,
   제2배선을 제1배선의 가드 배선으로서 이용하기 위한 가드 전위 발생 수단과,
   상기 제2배선을, 센서로서 사용하는 제1기간과, 가드 전위로 유지하는 제2기간을 포함하는 시분할로 사용하도록 전환하는 제2배선 전환 수단을 구비하고,
   제1기간에서 상기 2차원 분포를 얻은 후, 제2기간에 상기 2차원 분포에 기초하는 소정의 위치에 상기 탐침을 이동시켜, 제1배선의 전류 혹은 전압을 측정하는 것인 것을 특징으로 하는 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어량의 2차원 분포는 상기 시료 스테이지의 주사에 의해 얻는 것인 것을 특징으로 하는 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제2기간에 상기 2차원 분포에 기초하는 소정의 위치로 상기 탐침을 이동시키는 조작은 상기 탐침 스테이지의 이동에 의해 행해지는 것인 것을 특징으로 하는 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 시료 스테이지 및 상기 탐침 스테이지는 각각, 3차원의 각각의 방향의 변위를 검출하는 리니어 인코더와 3차원의 각각의 방향으로 구동하는 구동계를 구비하고,
   상기 리니어 인코더와 상기 구동계를 포함하고, 상기 리니어 인코더의 특정의 위치에 머물도록 제어하는 폐루프 제어계를 구비하는 것으로서,
   상기 제2기간에 있어서는 적어도 하나의 제어계에 있어서 폐루프 제어를 행하는 것인 것을 특징으로 하는 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1배선의 전류 혹은 전압의 측정치에 대해, 전압-전류 특성이 소정의 범위에 있는지 어떤지를 판정하는 판정 수단을 구비하고,
   (1) 전류 혹은 전압의 측정시에 전압-전류 특성을 상기 판정 수단으로 판정하고,
   (2) 상기 소정의 범위에 있는 경우는 측정한 전류 혹은 전압을 출력하고,
   (3) 상기 소정의 범위에 없는 경우는 상기 탐침 스테이지의 이동에 의해, 상기 제어량의 2차원 분포를 재차 얻어, 상기 재차 얻은 당해 2차원 분포에 기초하는 소정의 위치에 상기 탐침을 이동시킨 후, 상기 (1) 스텝으로 돌아와 측정을 행하는 것인 것을 특징으로 하는 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   동일한 피측정물의 소정의 위치에 대한 상기 시료 스테이지 구동에 의한 2차원 분포 A와 상기 탐침 스테이지 구동에 의한 2차원 분포 B의 비교로부터, 상기 시료 스테이지의 리니어 인코더가 나타내는 좌표치와 상기 탐침 스테이지의 리니어 인코더가 나타내는 좌표치의 변환계수를 결정하고, 상기 변환계수를 이용하여 좌표변환하는 좌표변환 수단을 구비하고,
   상기의, 제2기간에 상기 2차원 분포에 기초하는 소정의 위치에 상기 탐침을 이동시키는 조작은, 상기 좌표변환 수단을 이용하여 변환한 이동치를 이용한 이동인 것을 특징으로 하는 자기 검지형 캔틸레버를 이용한 주사형 탐침 현미경식 프로버.
   

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