WO2010146773A1 - 微小接触式プローバ - Google Patents

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WO2010146773A1
WO2010146773A1 PCT/JP2010/003504 JP2010003504W WO2010146773A1 WO 2010146773 A1 WO2010146773 A1 WO 2010146773A1 JP 2010003504 W JP2010003504 W JP 2010003504W WO 2010146773 A1 WO2010146773 A1 WO 2010146773A1
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cantilever
prober
microcontact
holder
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廣岡誠之
岡井誠
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • G01Q60/40Conductive probes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G01R1/06716Elastic
    • G01R1/06727Cantilever beams

Definitions

  • the present invention relates to a microcontact prober using, for example, a nanowire, a nanopillar, or a carbon nanotube probe, and more particularly to a probe contact mechanism employing a cantilever probe.
  • Measurement methods that can evaluate the structure and physical properties of materials with nanometer spatial resolution include measurement of electrical conduction characteristics using scanning tunneling microscopes, atomic force microscopes, near-field optical microscopes, transmission electron microscopes, and multi-probe nanoprobes. .
  • electrical conduction characteristics using a multi-probe nanoprobe it can be expected that information on electronic correlation of semiconductor devices and the like can be obtained by using four or more probes.
  • micro-contact prober In the measurement system using multi-probe nanoprobes (hereinafter referred to as “micro-contact prober”), there are problems of shortening the life of the probe and increasing the contact resistance as the probe diameter is reduced. Particularly in failure analysis of semiconductor devices, securing the conductivity of the probe and improving the mechanical strength are important factors in order to cope with future miniaturization of devices.
  • metal nanowires, carbon nanotubes, etc. as a probe instead of the conventional metal probe having a reduced diameter.
  • carbon nanotubes when carbon nanotubes are used as a probe, there is a method of forming a metal film on the surface in order to ensure the conductivity of the probe.
  • the metal coating it is desirable that the carbon nanotube is uniformly coated from the base to the tip of the carbon nanotube. However, it is not easy to uniformly form a metal film having good adhesion to the carbon nanotube surface.
  • Non-Patent Document 1 there is a metal coating method using a pulsed laser deposition (PLD) method.
  • PLD pulsed laser deposition
  • An extremely thin and good-quality metal film of several nm can be formed on the carbon nanotube surface by the PLD method.
  • the probe resistance value can be reduced to the order of several tens of k ⁇ .
  • Patent Documents 1 and 2 relating to prober probe application of carbon nanotubes, a device for producing a carbon nanotube fixed to a metal probe by an electron beam deposition method, canceling contact resistance by four-terminal measurement, and measuring minute impedance is provided. is suggesting.
  • the contact resistance value generated between the metal probe and the nanotube or nanowire is fixed, and the resistance value of the nanotube or nanowire itself is as high as several k to several tens k ⁇ . It may be difficult to measure the resistance value of the resolution.
  • the contact resistance and the probe resistance are desirably as low as possible, and it is necessary to reduce them to about 10 ⁇ .
  • the uniform metal-coated carbon nanotube probe disclosed in Patent Document 1 Since the contact resistance at the tip is dominant, it is difficult to reduce the resistance to several tens of k ⁇ or less.
  • the problem of contact resistance is due to the small contact stress between the probe and the measurement sample, and to the insulating layer such as oxide film and contamination at the contact interface.
  • the carbon nanotube having a sufficiently high aspect ratio of 50 or more is bent with a force of several nN, even though the Young's modulus has a very high rigidity of 1Ta. That is, when applied to a probe, the contact resistance increases because the contact stress is small no matter how much carbon nanotubes are pressed.
  • the oxide film and contamination at the contact interface can be mechanically removed with a conventional metal probe, but the carbon nanotube is bent as described above, so that the oxide film and contamination are sandwiched between them. The true resistance cannot be measured.
  • the object of the present invention is to improve the contact stress between the probe and the measurement sample in a microcontact prober equipped with a conductive nanoprobe and reduce the contact resistance by removing the insulating layer at the contact interface. It is to improve the performance of semiconductor device inspection.
  • a microcontact prober In a microcontact prober, it has a cantilever probe, the cantilever is a conductive nanoprotrusion protruding from the holder installed at the tip, and an excitation mechanism for vibrating each cantilever horizontally with respect to the subject Is installed.
  • the conductive nanoprobe is characterized in that it consists of a metal protruding from the holder with a length of 50 to 100 nm or a nanowire or nanopillar containing a metal, or a carbon nanotube coated with a metal.
  • the tip of the holder may protrude from the free end of the cantilever, and the tip of the holder can be confirmed from the top of the cantilever.
  • the cantilever is made of a metal or a conductive cantilever that is metal-coated on silicon.
  • a piezoelectric body is provided on the cantilever, the amount of bending of the cantilever is detected by an electrical signal from the piezoelectric body, a tunnel current feedback mechanism is provided on the prober, and contact between the probe and the measurement sample is detected by the tunnel current. Detect by.
  • the contact stress between the probe and the measurement sample in a microcontact prober is improved, and an excitation mechanism is used.
  • the contact resistance is reduced and the performance of the semiconductor device inspection is improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of a probe in the microcontact prober according to the first embodiment of the present invention.
  • the probe 9 according to the present invention includes a holder 2 attached to the tip of a cantilever 3 protruding from a substrate 5 and a nanopillar probe 1 having a diameter of 10 to 20 nm protruding from the holder 2 with a length of 50 to 100 nm.
  • a conductive material such as Si, SiN, or tungsten coated with a conductive film such as Au, PtIr, Ti / Pt, or Ti / Pt / Au can be used.
  • Cantilevers 3 with a spring constant in the range of 0.1 to 100 N / m can be used.
  • a spring constant in the range of 0.1 to 100 N / m.
  • use a high spring constant In order to reduce the contact stress of the nanoprobe and prevent the probe from being damaged as much as possible, select one having a low spring constant.
  • the nanopillar probe 1 is obtained by decomposing a metal gas by irradiating a charged particle beam and depositing a conductive metal in a pillar shape.
  • the precursor gas used at this time include W (CO) 6 , WF 6 , Me 2 Au (tfc), Co 2 (CO) 8 , Cr (C 6 H 6 ) 2 , hfac-Cu-TMVS, Fe (CO) 5 , Mo (CO) 6 , Ni (CO) 4 , Os 3 (CO) 12 , Pd (OOCCH 3 ) 2 , Pt (PF 3 ) 4 and the like.
  • noble metals such as gold, platinum or palladium are preferable, but are not particularly limited.
  • the spot size is reduced to 10 nanometers or less, the sample current value is in the range of 100 pA to 5000 pA, and the electron beam 32 is spot-irradiated.
  • EBID Electron Beam Induced Deposition
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a microcontact type prober using the conductive nanopillar probe 1 according to the present invention.
  • the microcontact probe according to the first embodiment includes a case 30, a lens barrel 30 including an electron source 16, a converging electron lens 17, a scanning coil 27, a focusing coil 28, and an objective lens 29, and a fine / coarse moving scanner. 4, four or more probes 9 connected to 8, a stage 21 on which a measurement sample 20 is placed, a secondary electron detector 31, and an exhaust device 24.
  • Semiconductor devices can be mainly evaluated as samples.
  • Four probes 9 are used to contact the source, gate, drain, and semiconductor substrate.
  • a semiconductor parameter analyzer 23 was installed between the probes in order to apply a voltage between the probes.
  • the current application to the scanning coil 27 and the focusing coil 28 can be controlled by the electron microscope control computer 18, and the irradiation position and the focusing position of the electron beam 32 can be set by the computer 157.
  • the electron source 16 for irradiating the electron beam 32 is a field emission type electron gun that can be reduced in diameter even at a low acceleration voltage. Since the irradiation position of the electron beam 32 can be controlled by the computer as described above, the electron beam 32 can be scanned on the measurement sample. Further, since the secondary / backscattered electron detector is installed, the intensity of the secondary / backscattered electrons generated from the measurement sample 20 can be detected in correspondence with the scanning position of the electron beam 32. That is, it has the function of a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • the microcontact type prober has an SEM function, not only the shape of the surface of the measurement sample 20 but also the shape of the nanopillar probe 1 at the tip of the probe 9 and its horizontal position can be easily examined. Furthermore, since the difference in focus position can be evaluated by focusing each of the measurement sample 20 and the probe 9, the height of the probe 9 relative to the measurement sample 20 can be examined.
  • the fine contact type prober a coarse / fine movement scanner that combines coarse movement and fine movement was used to move the probe 9.
  • the fine movement includes a piezoelectric element
  • the position of the tip of the nanopillar probe 1 can be moved with an accuracy of 1 nm or less. For this reason, by combining with the SEM function, the tip of the nanopillar probe 1 can be brought into contact with a specific position on the measurement sample 20.
  • the probe 9 in this embodiment is a cantilever type, probe contact utilizing the mechanical characteristics of the cantilever 3 is possible. It is possible to prevent an excessive load from being applied to the nanopillar probe 1 by bending when the probe contacts. By installing the nanopillar probe 1 substantially perpendicular to the surface of the measurement sample 20, it is possible to ensure the maximum bending strength of the probe by applying a compressive load in the major axis direction at the time of contact. Become. Further, as shown in FIG. 13, the cantilever 3 is vibrated in the horizontal direction with the sample surface by the vibration piezo 6 installed in the probe holder 7 to remove a layer that interferes with electrical contact such as surface contamination. It is possible.
  • the friction of the contact surface of the nanopillar probe 1 and the compression of the material itself are repeatedly generated to generate heat and increase the temperature, and the surface of the measurement sample 20 is softened by the ultrasonic impact force. It is also possible to melt and weld.
  • the frequency for vibrating the cantilever 3 was 100 to 100 MHz, and the amplitude was 1 to 100 nm. As a result, good electrical contact can be realized between the measurement sample 20 and the nanopillar probe 1.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an outline of the probe 9 in the microcontact type prober according to the second embodiment of the present invention.
  • the probe 9 according to the present invention has a holder 2 with a tip protruding from the free end of the cantilever 3 at the tip of the cantilever 3 protruding from the substrate 5, and a sharpened tip protruding from the holder 2 by a length of 50 to 100 nm. It consists of a nanopillar probe 1.
  • Embodiment 1 Although it is the same material and form as Embodiment 1, it applies to the micro contact type prober provided with the SEM mechanism shown in FIG. 8, and makes the probe 9 mutually protrude by making the holder 2 tip protrude from the cantilever 3 free end.
  • the probe could be brought into contact with the measurement sample 20 without bringing the probe into contact. Therefore, by measuring the current flowing between the probes 9 at intervals of several tens of nanometers, it was possible to evaluate nanoscale electric conduction characteristics.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an outline of the probe 9 in the microcontact type prober according to the third embodiment of the present invention.
  • the probe 9 according to the present invention has a holder 2 attached to the tip of the cantilever 3 protruding from the substrate 5 and a diameter of 10 to 20 nm fixed by a metal fixing film 11 that protrudes from the holder 2 with a length of 50 to 100 nm.
  • the carbon nanotubes 10 and their surfaces were coated with a metal film 12.
  • the substrate 5, the cantilever 3, and the holder 2 are made of a conductive material such as Si, SiN, or tungsten coated with a conductive film, as in the first embodiment.
  • the cantilever 3 has a spring constant of 0.1 to 100 N / m. The thing of the range of was used.
  • the carbon nanotubes 10 are fixed by decomposing a metal gas by irradiating a charged particle beam and depositing a conductive metal in a sheet shape while being held on the holder 2.
  • the precursor gas used at this time include W (CO) 6 , WF 6 , Me 2 Au (tfc), Co 2 (CO) 8 , Cr (C 6 H 6 ) 2 , hfac-Cu-TMVS, Fe (CO) 5, Mo ( CO) 6, Ni (CO) 4, Os 3 (CO) 12, Pd (OOCCH 3) 2, Pt (PF 3) is 4, and the like.
  • noble metals such as gold, platinum, or palladium are preferable, but are not particularly limited.
  • a metal fixed film can be formed by reducing the spot size to 10 nanometers or less, subjecting the sample current value to a range of 100 pA to 5000 pA, and irradiating the electron beam 32 with a 100 nm square.
  • the carbon nanotube 10 in this embodiment was cut using a pulse current in order to adjust the length to a length of 50 to 100 nm.
  • a pulse current in order to adjust the length to a length of 50 to 100 nm.
  • cutting by energization is desirable.
  • the tip of the nanotube fixed to the holder 2 is brought close to or in contact with the electrode prepared at the position of the tip electrode counter electrode of another carbon nanotube 10 supported by the electrode, and a pulse is generated between the probe holder and the electrode. This is achieved by applying a voltage due to capacitor discharge or passing a current to cut the nanotube at the contact portion and repeating this cutting.
  • the method of energization is not limited, but in particular, in the method of applying and cutting by applying a pulse voltage current having a steep rise, the length of the nanotube can be minimized with an accuracy of about 10 nm by repeating the cutting a plurality of times. Fine adjustment can be made, and finally the length can be adjusted to 50 to 100 nm.
  • nanotubes are grown by CVD from a metal catalyst installed on the end surface of the probe holder, or the nanotubes are lowered. It can be solved by embedding in a melting point metal.
  • the metal coating 12 can use sputtering, resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition, or the like. It is necessary to select a material in consideration of the adhesion with the carbon nanotube 10, and it is possible to form a film with good adhesion by coating with three layers of Ti / Pt / Au and two layers of Ti / Pt. .
  • the microcontact prober shown in FIG. 8 in the present embodiment can use the tough mechanical characteristics similar to diamond of the carbon nanotube 10, so that it is possible to prevent breakage and wear during sample contact.
  • FIG. 10 shows an SEM photograph of the probe 9 of the present embodiment, and the load and current value when a force curve is measured using the SEM photograph. From this measurement, it was confirmed that the current value was maximized, that is, the contact resistance was minimized at a load of about 200 nN before the carbon nanotube 10 buckled.
  • FIG. 11 shows the voltage-current characteristics measured after the probe 9 was brought into contact with the measurement sample 20, and the voltage measured after the cantilever 3 was vibrated at 100 Hz and 1000 times after contacting the carbon nanotube 10 with a load of 200 nN. Current characteristics are shown. Since a large current flows after excitation, it was confirmed that contact resistance was reduced by excitation.
  • the probe shape is not destroyed by reducing the contact resistance mechanically using force curve measurement and vibration of the cantilever 3, and the life of the probe 9 can be extended. .
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an outline of the probe 9 in the microcontact type prober according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the probe 9 according to the present invention has a holder 2 having a tip protruding from the free end of the cantilever 3 at the tip of the cantilever 3 protruding from the substrate 5 and a length of 50 to 100 nm from the holder 2 so as to protrude the metal fixing film.
  • the carbon nanotubes 10 having a diameter of 10 to 20 nm fixed at 11 and the surface thereof were coated with a metal film 12.
  • Embodiment 3 Although it is the same material and form as Embodiment 3, it is probed by making the tip of holder 2 protrude from the free end of cantilever 3 by applying to the micro contact type prober provided with SEM mechanism as shown in FIG. The probe could be brought into contact with the measurement sample 20 without bringing 9 into contact with each other. Therefore, by measuring the current flowing between the probes 9 at a probe interval of several tens of nanometers, it was possible to evaluate the nanoscale electric conduction characteristics.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of the probe 9 in the microcontact type prober according to the fifth embodiment of the present invention.
  • a probe 9 according to the present invention includes a holder 2 attached to the tip of a cantilever 3 protruding from a substrate 5, and a metal nanowire 13 that protrudes from the holder 2 with a length of 50 to 100 nm and is fixed by a metal fixing film 11. Become.
  • the substrate 5, the cantilever 3, and the holder 2 are made of a conductive material such as Si, SiN, or tungsten coated with a conductive film, as in the first embodiment.
  • the cantilever 3 has a spring constant of 0.1 to 100 N / m. The thing of the range of was used.
  • the metal nanowires 13 are fixed by being deposited on the holder 2 by decomposing a metal gas by irradiating a charged particle beam and depositing a conductive metal in a sheet form.
  • the precursor gas used at this time include W (CO) 6 , WF 6 , Me 2 Au (tfc), Co 2 (CO) 8 , Cr (C 6 H 6 ) 2 , hfac-Cu-TMVS, Fe (CO) 5, Mo ( CO) 6, Ni (CO) 4, Os 3 (CO) 12, Pd (OOCCH 3) 2, Pt (PF 3) is 4, and the like.
  • noble metals such as gold, platinum, or palladium are preferable, but are not particularly limited.
  • the metal fixed skin film 11 can be formed by reducing the spot size to 10 nanometers or less, subjecting the sample current value to a range of 100 pA to 5000 pA, and irradiating the electron beam 32 with a 100 nm square. .
  • the metal nanowire 13 in the present embodiment was cut using a pulse current in order to adjust the length to 50 to 100 nm as in the carbon nanotube 10.
  • the microcontact type prober as shown in FIG. 8 in this embodiment has a high-purity metal at the tip of the probe 9, welding can be performed by applying ultrasonic vibration when contacting the sample.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an outline of the probe 9 in the microcontact prober according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the probe 9 according to the present invention has a holder 2 protruding from the free end of the cantilever 3 protruding from the substrate 5 and a length of 50 to 100 nm protruding from the holder 2 and fixed by a metal fixing film 11. It consists of metal nanowires 13.
  • Embodiment 5 Although it is the same material and form as Embodiment 5, it is probed by making the tip of holder 2 protrude from the free end of cantilever 3 by applying to the micro contact type prober provided with SEM mechanism as shown in FIG. The probe could be brought into contact with the measurement sample 20 without bringing 9 into contact with each other. For this reason, it was possible to evaluate the nanoscale electric conduction characteristics by measuring the current flowing between the probes 9 at intervals of several tens of nm of the probes 9.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an outline of the contact detection type probe 15 in the micro contact type prober according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the contact detection type probe 15 according to the present invention includes a chip 4 installed at the tip of the cantilever 3 protruding from the substrate 5, and a piezoelectric body 14 coated on one surface of the cantilever 3 and the substrate 5.
  • the tip 4 can use any of the holders 2 and the probes of the first to sixth embodiments.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a microcontact prober according to the present invention.
  • the micro contact type probe according to the seventh embodiment has the SEM mechanism as in Examples 1 to 6, but since the contact detection type probe is applied, the dedicated contact detection type probe dedicated controller 25 is used. It is different in that is installed.
  • the contact detection type probe 15 of the present embodiment the contact between the tip 4 tip and the measurement sample 20 is detected by an electric signal generated from the bending of the cantilever 3, and the contact stress can be easily adjusted. It was.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an outline of a microcontact type prober according to an eighth embodiment of the present invention.
  • the microcontact type prober according to the present invention has the SEM mechanism as in the first to sixth embodiments, the contact detection between the probe and the measurement sample by the tunnel current is applied. The difference is that a changeover switch 35 between the tunnel current feedback control mechanism 34 and the semiconductor parameter analyzer 23 is provided.
  • the contact between the tip 4 tip and the measurement sample 20 can be detected by a tunnel current, and the probe approach can be easily adjusted.
  • FIG. 15 is a schematic view showing an outline of a microcontact type prober according to a ninth embodiment of the present invention.
  • the microcontact type prober according to the present invention does not have the SEM mechanism as in Examples 1 to 8 and applies contact detection between the probe and the measurement sample using an optical lever.
  • the semiconductor laser 37, the AFM feedback control circuit 38, and the AFM control computer 39 are different.
  • contact detection type probe 15 of the present embodiment contact between the tip of the tip 4 and the measurement sample 20 is detected by the spring warp of the cantilever, and an AFM image of the measurement region is acquired to contaminate the SEM with an electron beam. It becomes possible to prevent the adhesion of the resin and to reduce the contact resistance.
  • FIG. 12 shows a comparative example.
  • a conventional microcontact prober is composed only of a metal probe. For this reason, as the tip radius of curvature of the probe becomes smaller, it becomes impossible to withstand the load at the time of contact, and the tip of the probe is bent or worn by several probing. Therefore, a probe having high rigidity and elasticity like the carbon nanotube 10 is applied to the prober.
  • the SEM observation direction is perpendicular to the sample, the approach of the probe 9 to the sample is not possible from the vertical direction, and since it has a 45 ° inclination, the carbon nanotube 10 is instantly in contact with the sample. It bends with a force of several nN. That is, since the contact stress is small, the contact resistance remains high.

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Abstract

 導電性のナノチューブやナノワイヤ、またはナノピラー探針を搭載した微小接触式プローバにおける探針-測定サンプル間の接触応力を向上し、かつ接触界面の絶縁層を除去することで、接触抵抗を低減し、半導体デバイス検査の性能を向上することにある。 微小接触式プローバにおいて、カンチレバー型のプローブを有し、カンチレバーは先端に設置されたホルダーより長さ50~100nmで突出したナノワイヤやナノピラー、または金属被覆のカーボンナノチューブ探針と、各カンチレバーを被検体に対して水平方向に振動させるための加振機構を設置する。ホルダーの先端部は前記カンチレバーの自由端よりも突出してよく、カンチレバー上部よりホルダー先端を確認することができる。

Description

微小接触式プローバ
 本発明は、例えば、ナノワイヤやナノピラー、またはカーボンナノチューブ探針を用いた微小接触式プローバに係り、特にカンチレバー型プローブを採用した探針接触機構に関する。
 ナノテクノロジーの進展とともに微小領域における物性計測のニーズが高まっている。ナノメートルの空間分解能で物質の構造や物性を評価できる計測手法として、走査トンネル顕微鏡,原子間力顕微鏡,近接場光学顕微鏡,透過電子顕微鏡,多探針ナノプローブによる電気伝導特性の計測があげられる。多探針ナノプローブによる電気伝導特性の計測では四本以上の探針を用いることにより、半導体デバイス等の電子相関に関する情報が得られることが期待できる。
 多探針ナノプローブを用いた計測システム(以下、微小接触式プローバ)では、今後探針の細径化に伴う探針の短命化と接触抵抗の増大が問題となる。特に半導体デバイスの故障解析では、将来のデバイスの微細化に対応するため、探針の導電性の確保および機械強度の向上が重要な因子となる。
 従来の細径化した金属探針に代わり、金属ナノワイヤやカーボンナノチューブ等を探針として応用することが考えられている。例えば、カーボンナノチューブを探針として用いる場合、探針の導電性を確保するため、表面に金属被膜を形成する方法がある。金属被膜においては、カーボンナノチューブの根元から先端にかけて均一に被膜されていることが望ましい。しかしながら、カーボンナノチューブ表面との密着性のよい金属被膜を均一に形成することは容易ではない。
 そのような背景の下、カーボンナノチューブ表面に金属を被膜する方法や、ナノプローブとして利用する方法が提案されている。金属被膜法としては、非特許文献1に示されるように、パルスドレーザーデポジション(PLD)法を用いた金属被膜方法がある。PtIrまたはWターゲットにパルスレーザーを照射し発生するプルームを利用してカーボンナノチューブ表面に金属を堆積するという方法である。PLD法によって数nmの極めて薄く良質な金属膜をカーボンナノチューブ表面に形成することができる。この方法によって探針抵抗値が数10kΩオーダーまで低減することが可能となった。また、カーボンナノチューブのプローバ探針応用に関する特許文献1,2では、電子ビーム堆積法によって金属探針に固定したカーボンナノチューブを作製し、四端子測定で接触抵抗をキャンセルし、微小インピーダンス測定する装置を提案している。
 しかしながら、四端子測定では、ナノチューブやナノワイヤ等を固定している金属探針との間に生じる接触抵抗値、また、ナノチューブやナノワイヤそのものの抵抗値が数k~数10kΩと高くなるために、高分解能の抵抗値測定は困難であることが考えられる。基板コンタクトや配線,ビア抵抗測定では接触抵抗および探針抵抗はできるだけ低いことが望ましく、10Ω程度まで低減させる必要があるが、特許文献1に開示される均一な金属被膜カーボンナノチューブ探針においては、先端の接触抵抗が支配的であるため、数10kΩ以下までの抵抗低減が困難であった。
 問題となる接触抵抗は探針-測定サンプル間の接触応力が小さいこと、また接触界面の酸化膜やコンタミネーション等の絶縁層に起因する。
 例えば、カーボンナノチューブを探針とした場合、ヤング率が1Taと非常に高い剛性を持っているのにも係わらず、数nNの力で充分にアスペクト比50以上のカーボンナノチューブは曲がる。すなわち、探針に応用した際、いくらカーボンナノチューブを押し付けても接触応力が小さいために接触抵抗は大きくなる。また、接触界面における酸化膜やコンタミネーションは従来の金属探針では機械的に除去することが可能であるが、カーボンナノチューブでは上述のとおり曲がってしまうため、酸化膜やコンタミネーションを挟んだ状態となり、真の抵抗値が計測できない。
特許第3638865号公報 特開2007-64812号公報
Japan Journal of Applied Physics Vol.44 L1563 (2005)
 本発明の目的は、導電性のナノ探針を搭載した微小接触式プローバにおける探針-測定サンプル間の接触応力を向上させ、かつ接触界面の絶縁層を除去することで、接触抵抗を低減し、半導体デバイス検査の性能を向上することにある。
 微小接触式プローバにおいて、カンチレバー型のプローブを有し、カンチレバーは先端に設置されたホルダーより突出した導電性ナノ探針と、各カンチレバーを被検体に対して水平方向に振動させるための加振機構を設置する。
 導電性ナノ探針はホルダーより長さ50~100nmで突出した金属または金属を含むナノワイヤやナノピラー、または金属を被覆したカーボンナノチューブからなることを特徴とする。
 さらに、ホルダーの先端部は前記カンチレバーの自由端よりも突出してよく、カンチレバー上部よりホルダー先端を確認することができる。カンチレバーは、金属または、シリコンに金属被膜した導電性のカンチレバーからなる。
 接触を検知するために、カンチレバーに圧電体を設け、カンチレバーの撓み量を圧電体の電気信号によって検知したり、プローバにトンネル電流のフィードバック機構を設け、探針-測定サンプル間の接触をトンネル電流によって検知したりする。
 本発明によれば、極めて短いカーボンナノチューブや、金属ナノワイヤを探針とし、カンチレバー型プローブを採用することで、微小接触式プローバにおける探針-測定サンプル間の接触応力を向上し、加振機構によって接触界面の絶縁層を除去することによって、接触抵抗が低減され、半導体デバイス検査の性能が向上する。
本発明の第1の実施形態に係るプローブの概略を示した模式図である。 本発明の第2の実施形態に係るプローブの概略を示した模式図である。 本発明の第3の実施形態に係るプローブの概略を示した模式図である。 本発明の第4の実施形態に係るプローブの概略を示した模式図である。 本発明の第5の実施形態に係るプローブの概略を示した模式図である。 本発明の第6の実施形態に係るプローブの概略を示した模式図である。 本発明の第7の実施形態に係る接触検知型プローブの概略を示した模式図である。 本発明の第1の実施形態に係る微小接触式プローバの概略を示した模式図である。 本発明の第7の実施形態に係る微小接触式プローバの概略を示した模式図である。 本発明に係るカーボンナノチューブを用いたプローブのフォースカーブ測定時の荷重と電流を示したグラフである。 本発明に係るカーボンナノチューブを用いたプローブの加振前後の電流-電圧特性を示したグラフである。 比較例を示した模式図である。 本発明の第1の実施形態に係るプローブの加振方向を示した模式図である。 本発明の第8の実施形態に係る微小接触式プローバの概略を示した模式図である。 本発明の第9の実施形態に係る微小接触式プローバの概略を示した模式図である。
 以下に、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態を説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施の形態に限定されることはなく、適宜組み合わせてもよい。なお、図面中で同義の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
(第1の実施形態)
 図1は、本発明の第1の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブの概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ9は、基板5より突出したカンチレバー3先端に取り付けられたホルダー2と、そのホルダー2より50~100nmの長さで突出した直径10~20nmのナノピラー探針1からなる。
 基板5,カンチレバー3、およびホルダー2には、Au,PtIr,Ti/Pt,Ti/Pt/Auなどの導電性膜をコーティングしたSiやSiN、またはタングステン等の導電性素材を用いることができる。
 カンチレバー3はバネ定数が0.1~100N/mの範囲のものを使用することが可能であり、ナノ探針の接触応力を大きくし、できるだけ接触抵抗を低減したい場合はバネ定数の高いものを、ナノ探針の接触応力を小さくし、なるべく探針の破損を防止する場合はバネ定数の低いものを選択する。
 また、ナノピラー探針1は、荷電粒子ビームの照射で金属ガスを分解し導電性金属をピラー状に堆積することによって得られる。このとき用いられる前駆体ガスとしては、例えば、W(CO)6,WF6,Me2Au(tfc),Co2(CO)8,Cr(C66)2,hfac-Cu-TMVS,Fe(CO)5,Mo(CO)6,Ni(CO)4,Os3(CO)12,Pd(OOCCH3)2,Pt(PF3)4等がある。ナノピラー探針1の導電性を確保するには、金,白金、またはパラジウムなどの貴金属類が好ましいが、特に限定されるものではない。
 特に、電子顕微鏡を用いた電子ビーム堆積法(EBID:Electron Beam Induced Deposition)では、スポットサイズを10ナノメートル以下に絞り、試料電流値を100pA~5000pAの範囲で、電子線32を点照射することによって極めて細い金属ピラーを形成することが可能となる。また、必要に応じて電子顕微鏡の筐体26内に水や酸素ガスを導入することによってピラーの金属純度を向上させることができる。
 図8は、本発明に係る導電性ナノピラー探針1を用いた微小接触式プローバの模式図である。第1の実施形態に係る微小接触式プローブは、筐体26において、電子源16,収束電子レンズ17,走査コイル27,焦点コイル28,対物レンズ29を含む鏡筒30と、微動・粗動スキャナー8に接続されている4本以上のプローブ9と、測定サンプル20を載置するステージ21と、二次電子検出器31と、排気装置24により構成される。
 サンプルとしては半導体デバイスを主に評価することができる。ソース,ゲート,ドレイン,半導体基板に接触させるために4本のプローブ9を用いる。各プローブ間には、探針間に電圧を印加するため半導体パラメータアナライザ23を設置した。
 また、走査コイル27および焦点コイル28への電流印加は電子顕微鏡制御コンピュータ18で制御できるようになっており、電子線32の照射位置や焦点位置をコンピュータ157によって設定可能である。なお、電子線32を照射するための電子源16には、低加速電圧でも直径を小さくすることができる電界放射型の電子銃を用いた。上記したようにコンピュータで電子線32の照射位置を制御可能なので、測定サンプル上に電子線32を走査させることができる。さらには、2次・反射電子検出器を設置したので、測定サンプル20より発生する2次電子・反射電子の強度を電子線32の走査位置に対応させ検出することができる。すなわち、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)の機能を有する。
 微小接触式プローバは、SEM機能を有するため、測定サンプル20の表面の形状のみならず、プローブ9の先端におけるナノピラー探針1形状やその水平方向の位置を容易に調べられる。さらに、測定サンプル20およびプローブ9に対してそれぞれ焦点をあわせることにより、焦点位置の違いを評価することができるため、プローブ9の測定サンプル20に対する高さを調べることができる。
 一方、微小接触式プローバでは、プローブ9の移動に粗動と微動を兼ねた粗動・微動スキャナーを用いた。特に、微動は圧電素子を含んで構成したため、ナノピラー探針1先端の位置を1nm以下の精度で移動できる。このため、上記SEM機能とあわせることにより、ナノピラー探針1先端を、測定サンプル20上の特定の位置に接触させることが可能となる。
 本実施形態におけるプローブ9はカンチレバー型であるため、カンチレバー3の機械的特性を利用した探針接触が可能である。探針接触時に撓むことによってナノピラー探針1に過剰な負荷がかかることを防止できる。ナノピラー探針1は測定サンプル20表面に対して略垂直に設置することによって、接触時には長軸方向への圧縮荷重がかかるようにすることによって、探針の最大曲げ強度を確保することが可能となる。また、図13に示すように、プローブホルダー7に設置した加振ピエゾ6によって、サンプル表面と水平方向にカンチレバー3を加振させ、表面のコンタミネーション等の電気的接触を妨害する層を除去することが可能である。また、超音波振動させることで、ナノピラー探針1接触界面の摩擦や材料自体が受ける圧縮の繰り返しにより、その内部が発熱して温度上昇し、さらに超音波の衝撃力により測定サンプル20表面が軟化,溶融して溶着することも可能である。このときカンチレバー3を振動させる周波数は100~100MHz、振幅は1~100nmを適用した。この結果、測定サンプル20とナノピラー探針1との間で良好な電気的接触を実現することができる。
(第2の実施形態)
 図2は、本発明の第2の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ9の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ9は、基板5より突出したカンチレバー3先端にカンチレバー3自由端よりも先端部が突出しているホルダー2と、そのホルダー2より50~100nmの長さで突出した先鋭化されたナノピラー探針1からなる。
 実施形態1と同様な材料や形態であるが、図8に示すSEM機構を備えた微小接触式プローバに適用することで、カンチレバー3自由端よりもホルダー2先端を突出させることによって、プローブ9どうしを接触させることなく、測定サンプル20に探針を接触させることができた。このため、数10nmの間隔でプローブ9間に流れる電流を測定することによって、ナノスケールの電気伝導特性を評価することができた。
(第3の実施形態)
 図3は、本発明の第3の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ9の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ9は、基板5より突出したカンチレバー3先端に取り付けられたホルダー2と、そのホルダー2より50~100nmの長さで突出させ、金属固定被膜11で固定された直径10~20nmのカーボンナノチューブ10とその表面を金属被膜12でコーティングした。
 基板5,カンチレバー3、およびホルダー2は、実施形態1と同様に導電性膜をコーティングしたSiやSiN、またはタングステン等の導電性素材を用い、カンチレバー3はバネ定数が0.1~100N/mの範囲のものを使用した。
 また、カーボンナノチューブ10は、ホルダー2に担持させた状態で、荷電粒子ビームの照射で金属ガスを分解し導電性金属をシート状に金属を堆積することによって固定される。このとき用いられる前駆体ガスとしては、例えば、W(CO)6,WF6,Me2Au(tfc),Co2(CO)8,Cr(C66)2,hfac-Cu-TMVS,Fe(CO)5,Mo(CO)6,Ni(CO)4,Os3(CO)12,Pd(OOCCH3)2,Pt(PF3)4等がある。導電性を確保するには、金,白金、またはパラジウムなどの貴金属類が好ましいが、特に限定されるものではない。EBID法では、スポットサイズを10ナノメートル以下に絞り、試料電流値を100pA~5000pAの範囲で、電子線32を100nm角で面照射することによって金属固定皮膜を形成することが可能となる。
 本実施形態におけるカーボンナノチューブ10は、長さを50~100nmの長さに調節するため、パルス電流を用いて切削した。ナノチューブの長さ調整には通電による切断が望ましい。例えばホルダー2に固定したナノチューブの先端部を、電極に担持されたもう1つのカーボンナノチューブ10の先端部電極対極の位置に用意した電極に接近、もしくは接触させ、探針ホルダーと電極の間にパルスやコンデンサ放電による電圧を印加して電流を流して、接触部分でナノチューブを切断し、この切断を繰り返して行うことで達成される。通電の方法は限定するものではないが、特に立ち上がりが急峻なパルス電圧電流を流して印加して切断する方法では、切断を複数回繰り返すことで、ナノチューブの長さを最小で約10nmの精度で微調整していくことができ、最終的には50~100nmまで長さを調節できる。
 本発明の探針ホルダー端面から直径が均一である探針が突出した形状を形成する他の方法としては、探針ホルダーの端面に設置した金属触媒よりナノチューブをCVDにより成長させたり、ナノチューブを低融点金属に埋め込んだりすることで解決することができる。
 金属被膜12は、スパッタ,抵抗加熱蒸着、または電子ビーム蒸着等を用いることが可能である。カーボンナノチューブ10との密着性を考慮した材料を選ぶ必要があり、Ti/Pt/Auの三層やTi/Ptの二層でコーティングすることで密着性のよい被膜を形成することが可能となる。
 本実施形態における図8に示す微小接触式プローバはカーボンナノチューブ10のダイヤモンド同様の強靭な機械的特性を利用できることから、サンプル接触時の破損や、磨耗を防止することが可能となる。
 図10に本実施形態のプローブ9のSEM写真と、それを用いたフォースカーブ測定時の、荷重および電流値を示す。この測定より、カーボンナノチューブ10が座屈する手前の約200nNの荷重において電流値が最大となる、すなわち接触抵抗が最小となることが確認された。
 また、図11はプローブ9を測定サンプル20に接触後測定した電圧-電流特性と、200nNの荷重でカーボンナノチューブ10を接触後100Hz、1000回の条件でカンチレバー3加振させてから測定した電圧-電流特性を示す。加振後により、大きな電流が流れていることから加振による接触抵抗の低減が確認された。
 カーボンナノチューブ10を用いることで、フォースカーブ測定,カンチレバー3の加振を用いたメカニカルに接触抵抗を低減させることによって探針の形態が崩れることが無くなり、プローブ9の高寿命化が可能となった。
(第4の実施形態)
 図4は、本発明の第4の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ9の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ9は、基板5より突出したカンチレバー3先端にカンチレバー3自由端よりも先端部が突出しているホルダー2と、そのホルダー2より50~100nmの長さで突出させ、金属固定被膜11で固定された直径10~20nmのカーボンナノチューブ10とその表面を金属被膜12でコーティングした。
 実施形態3と同様な材料や形態であるが、図8に示すようなSEM機構を備えた微小接触式プローバに適用することで、カンチレバー3自由端よりもホルダー2先端を突出させることによって、プローブ9どうしを接触させることなく、測定サンプル20に探針を接触させることができた。このため、数10nmのプローブ間隔でプローブ9間に流れる電流を測定することによって、ナノスケールの電気伝導特性を評価することができた。
(第5の実施形態)
 図5は、本発明の第5の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ9の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ9は、基板5より突出したカンチレバー3先端に取り付けられたホルダー2と、そのホルダー2より50~100nmの長さで突出させ、金属固定被膜11で固定された金属ナノワイヤ13からなる。
 基板5,カンチレバー3、およびホルダー2は、実施形態1と同様に導電性膜をコーティングしたSiやSiN、またはタングステン等の導電性素材を用い、カンチレバー3はバネ定数が0.1~100N/mの範囲のものを使用した。
 また、金属ナノワイヤ13は、ホルダー2に担持させた状態で、荷電粒子ビームの照射で金属ガスを分解し導電性金属をシート状に金属を堆積することによって固定される。このとき用いられる前駆体ガスとしては、例えば、W(CO)6,WF6,Me2Au(tfc),Co2(CO)8,Cr(C66)2,hfac-Cu-TMVS,Fe(CO)5,Mo(CO)6,Ni(CO)4,Os3(CO)12,Pd(OOCCH3)2,Pt(PF3)4等がある。導電性を確保するには、金,白金、またはパラジウムなどの貴金属類が好ましいが、特に限定されるものではない。EBID法では、スポットサイズを10ナノメートル以下に絞り、試料電流値を100pA~5000pAの範囲で、電子線32を100nm角で面照射することによって金属固定皮被膜11を形成することが可能となる。
 本実施形態における金属ナノワイヤ13は、カーボンナノチューブ10と同様に長さを50~100nmの長さに調節するため、パルス電流を用いて切削した。
 本実施形態における図8に示すような微小接触式プローバはプローブ9先端に高純度の金属を有することから、サンプル接触時に超音波加振させることによって溶着が可能となる。
(第6の実施形態)
 図6は、本発明の第6の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ9の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ9は、基板5より突出したカンチレバー3自由端よりも先端部が突出しているホルダー2と、そのホルダー2より50~100nmの長さで突出させ、金属固定被膜11で固定された金属ナノワイヤ13からなる。
 実施形態5と同様な材料や形態であるが、図8に示すようなSEM機構を備えた微小接触式プローバに適用することで、カンチレバー3自由端よりもホルダー2先端を突出させることによって、プローブ9どうしを接触させることなく、測定サンプル20に探針を接触させることができた。このため、数10nmのプローブ9間隔でプローブ9間に流れる電流を測定することによって、ナノスケールの電気伝導特性を評価することができた。
(第7の実施形態)
 図7は、本発明の第7の実施形態に係る微小接触式プローバにおける接触検知型プローブ15の概略を示した模式図である。本発明に係る接触検知型プローブ15は、基板5より突出したカンチレバー3先端に設置されたチップ4と、カンチレバー3および基板5の一面にコーティングされた圧電体14からなる。チップ4は実施形態1~6のいずれのホルダー2および探針を利用することが可能である。
 図9は、本発明に係る微小接触式プローバの模式図である。第7の実施形態に係る微小接触式プローブは、実施例1~6と同様にSEM機構を有しているが、接触検知型プローブを適用していることから専用の接触検知型プローブ専用コントローラ25が設置されている点で異なる。
 本実施形態の接触検知型プローブ15を用いることで、チップ4先端と測定サンプル20の接触をカンチレバー3の撓みから発生する電気信号によって検知し、その接触応力を容易に調整することが可能となった。
(第8の実施形態)
 図13は、本発明の第8の実施形態に係る微小接触式プローバの概略を示した模式図である。本発明に係る微小接触式プローバは、実施例1~6と同様にSEM機構を有しているが、トンネル電流による探針-測定サンプル間の接触検知を適用していることから、ステージ接地33と、トンネル電流フィードバック制御機構34と、半導体パラメータアナライザ23との切り換えスイッチ35が設置されている点で異なる。
 本実施形態の接触検知型プローブ15を用いることで、チップ4先端と測定サンプル20の接触をトンネル電流によって検知し、探針のアプローチを容易に調整することが可能となった。
(第9の実施形態)
 図15は、本発明の第9の実施形態に係る微小接触式プローバの概略を示した模式図である。本発明に係る微小接触式プローバは、実施例1~8と同様にSEM機構を有しておらず、光てこによる探針-測定サンプル間の接触検知を適用していることから、フォトディテクタ36と、半導体レーザ37と、AFMフィードバック制御回路38と、AFM制御コンピュータ39が設置されている点で異なる。
 本実施形態の接触検知型プローブ15を用いることで、チップ4先端と測定サンプル20の接触をカンチレバーのバネ反りによって検知し、かつ測定領域のAFM像を取得することでSEMの電子ビームによるコンタミネーションの付着が防止することが可能となり、接触抵抗を低減することが可能となった。
(比較例1)
 図12に比較例を示す。従来型の微小接触式プローバは金属探針のみで構成される。このため、探針の先端極率半径が小さくなるにつれ接触時の荷重に耐えられなくなり、数回のプロービングで探針先端部が折れ曲がったり、磨耗したりする。そこでカーボンナノチューブ10のような剛性,弾性ともに高い探針をプローバに応用する。しかしながら、SEM観察方向がサンプルに対して垂直である場合、プローブ9のサンプルへのアプローチは垂直方向からでは不可能であり、45°の傾斜をもつため、カーボンナノチューブ10はサンプルと接触した瞬間に数nN程度の力で曲がってしまう。すなわち接触応力が小さいため接触抵抗は高いままである。
1 ナノピラー探針
2 ホルダー
3 カンチレバー
4 チップ
5 基板
6 加振ピエゾ
7 プローブホルダー
8 微動・粗動スキャナー
9 プローブ
10 カーボンナノチューブ
11 金属固定被膜
12 金属被膜
13 金属ナノワイヤ
14 圧電体
15 接触検知型プローブ
16 電子源
17 収束電子レンズ
18 電子顕微鏡制御コンピュータ
19 モニタ
20 測定サンプル
21 ステージ
22 プローブ専用コントローラ
23 半導体パラメータアナライザ
24 排気装置
25 接触検知型プローブ専用コントローラ
26 筐体
27 走査コイル
28 焦点コイル
29 対物レンズ
30 鏡筒
31 二次電子検出器
32 電子線
33 ステージ接地
34 トンネル電流フィードバック制御機構
35 切り換えスイッチ
36 フォトディテクタ
37 半導体レーザ
38 AFMフィードバック制御回路
39 AFM制御コンピュータ

Claims (7)

  1.  電子顕微鏡内で観察しながら複数のプローブ間に電気信号を与え、被検体の電気物性を評価する微小接触式プローバにおいて、前記プローブはカンチレバーを有し、
     前記カンチレバーは、先端に設置されたホルダーより突出した探針と、
     各カンチレバーを被検体に対して水平方向に振動させる加振機構と、
     前記加振機構を駆動する信号発生装置と、
     カンチレバー間に所望の電圧を印加する電圧源と、
     前記電圧源によって所望の電圧が印加されたプローブ間に流れる電流を計測する電流計と、を具備することを特徴とする微小接触式プローバ。
  2.  請求項1に記載の微小接触式プローバにおいて、前記探針は、前記ホルダーより長さ50~100nmで突出した金属または金属を含むナノワイヤやナノピラーからなることを特徴とする微小接触式プローバ。
  3.  請求項1に記載の微小接触式プローバにおいて、前記探針は、前記ホルダーより長さ50~100nmで突出した金属を被覆したカーボンナノチューブからなることを特徴とする微小接触式プローバ。
  4.  請求項1に記載の微小接触式プローバにおいて、前記ホルダーの先端部は前記カンチレバーの自由端よりも突出しており、カンチレバー上部より前記ホルダーおよび前記探針の先端を確認することを特徴とする微小接触式プローバ。
  5.  請求項1に記載の微小接触式プローバにおいて、前記カンチレバーは、金属またはシリコンに金属被膜した導電性のカンチレバーからなることを特徴とする微小接触式プローバ。
  6.  請求項1に記載の微小接触式プローバにおいて、前記カンチレバーに圧電体を設け、カンチレバーの撓み量を前記圧電体の電気信号によって検知することを特徴とする微小接触式プローバ。
  7.  請求項1に記載の微小接触式プローバにおいて、前記プローバにトンネル電流のフィードバック機構を設け、探針-測定サンプル間の接触をトンネル電流によって検知することを特徴とする微小接触式プローバ。
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