WO2019155518A1 - 半導体装置の評価装置 - Google Patents

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智久 大瀧
水野　貴之
遼 平野
藤村　徹
茂彦 加藤
奈良　安彦
克夫 大木
影山　晃
正明 古森
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • H01L22/34—Circuits for electrically characterising or monitoring manufacturing processes, e. g. whole test die, wafers filled with test structures, on-board-devices incorporated on each die, process control monitors or pad structures thereof, devices in scribe line

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of semiconductor devices.
  • manufacturing process management technology is important for improving product yield and throughput.
  • an inspection apparatus for process management there is an apparatus that directly contacts a sample with a probe called a probe to perform electrical characteristic evaluation.
  • Patent Document 1 discloses a technique capable of improving the yield of a semiconductor device by measuring a number of evaluation samples (Test Element Group; hereinafter referred to as TEG) arranged in a scribe region of a semiconductor wafer.
  • TEG evaluation samples
  • Patent Document 2 includes a sample exchange chamber that is connected to a sample chamber and temporarily stores a sample, and a conveyance unit that conveys the sample between the sample exchange chamber and the sample chamber.
  • Disclosed is a technique for moving a sample stage and a probe unit in a horizontal direction between a vertical position of a probe rough approach image acquisition apparatus and a vertical position of an electron optical system apparatus. ing.
  • Patent Document 3 is equipped with a charged particle optical system device that irradiates a sample wafer with a charged particle beam, a sample stage that freely moves within the sample chamber, and a prober provided with a probe needle so that the sample chamber can be freely moved.
  • a prober stage that moves, a rough image acquisition unit that acquires an optical image of the sample wafer when the prober is roughly moved, and a secondary charge that is emitted from the sample wafer when irradiated while scanning with a charged particle beam
  • a semiconductor inspection apparatus comprising a charged particle image acquisition unit that acquires a charged particle image based on a particle detection signal, a current / voltage detection unit that detects a current or voltage obtained from a probe needle, and a control computer. It is disclosed.
  • each probe is mounted independently, and it takes time to control each probe in contact with the electrode pad.
  • An object of the present invention is to provide a technique for associating a probe with a layout of an electrode pad of a TEG for facilitating electrical characteristic evaluation.
  • the semiconductor device evaluation apparatus solves the above-described problems by including a plurality of probes arranged in a fan shape or a probe manufactured by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the layout of the electrode pad of the TEG for facilitating the electrical characteristic evaluation can be made to correspond to the probe.
  • the productivity in the pre-process of manufacturing the semiconductor device can be improved.
  • FIG. 1 shows an example of an electrical property evaluation apparatus that can be used in the manufacturing process of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
  • the electrical property evaluation apparatus 100 includes a scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) barrel 103 in a vacuum chamber, a detector 104 for performing SEM observation, and a sample 101 held in a sample holder 105.
  • SEM scanning electron microscope
  • a sample stage 102 on which the probe cartridge 106 is brought into contact a probe cartridge 106 that makes contact with the sample 101 and evaluates electrical characteristics, a probe drive mechanism 107 for mounting and driving the probe cartridge 106, and a probe exchanger for exchanging the probe cartridge 106 110, a controller 108 for controlling the SEM and the probe unit, a display device 109 for displaying SEM images of the sample 101 and the probe cartridge 106, and a sample chamber 113.
  • the SEM column 103 includes an electron gun, a condenser lens, a movable diaphragm, a deflector, and an objective lens.
  • the electron gun includes an electron source that generates a primary electron beam, and the type of the electron source may be any of a filament method, a Schottky method, and a field emission method.
  • the deflector is used to deflect the primary electron beam and scan the sample 101, and a magnetic field deflection type or an electrostatic deflection type is used.
  • a magnetic lens using an electron focusing action by a magnetic field is used as the objective lens of the SEM column 103.
  • the detector 104 may be mounted outside the SEM column 103 as shown in FIG. 1, or may be mounted inside the SEM column 103.
  • the sample stage 102 is driven by a motor, and can be rotated around the tilt and the Z axis in addition to the X axis, Y axis, and Z axis directions.
  • the X axis and the Y axis are horizontal directions, and the Z axis is a direction orthogonal to the X axis and the Y axis.
  • the probe driving mechanism 107 uses a piezoelectric element, and can drive the probe 106 in nano order in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions.
  • the probe changer 110 includes a spare probe cartridge 112 and a probe change mechanism 111.
  • the probe exchanger 110 is connected to a preliminary exhaust system, and allows the probe cartridge 106 to be replaced with the probe cartridge 112 without returning the sample chamber 113, which is a vacuum chamber, to the atmosphere.
  • the controller 108 includes a charged particle image acquisition unit 114a, a current / voltage detection unit 114b, a current / voltage image acquisition unit 114c, and a control computer 114d.
  • the charged particle image acquisition unit 114a irradiates the sample 101 while scanning the electron beam from the SEM column 103, which is a charged particle beam
  • the detection signal by the detector 104 of the secondary charged particles emitted from the sample 101 is received.
  • a charged particle image of the sample 101 is generated and acquired.
  • the charged particle image acquired in this way is called an SEM image.
  • the current / voltage detection unit 114b includes a current / voltage detection circuit, a current / voltage source circuit, and the like, and is electrically connected to each probe of the probe cartridge 106 in the sample chamber 113. That is, the current / voltage detection unit 114b acquires the value of the current or voltage detected by each probe of the probe cartridge 106 when each probe of the probe cartridge 106 contacts the electrode pad or wiring formed on the sample 101. If necessary, a current or voltage is supplied to each probe of the probe cartridge 106.
  • the current-voltage image acquisition unit 114c acquires the current or voltage signal obtained from each probe by the current-voltage detection unit 114b when irradiating the sample 101 while scanning the electron beam that is a charged particle beam from the SEM column 103. Based on the acquired current or voltage signal and the control signal for scanning the charged particle beam, a current voltage image of the sample 101 is generated and acquired.
  • the control computer 114d includes an input device and a storage device (not shown).
  • the control computer 114d includes the sample stage 102, the SEM column 103, the detector 104, the probe driving mechanism 107, the probe exchanger 110, the charged particle image acquisition unit 114a, the current voltage detection unit 114b, the current voltage image acquisition unit 114c, It is connected to a display device 109 or the like and controls them centrally.
  • the control computer 114d also includes an SEM image that is a charged particle image acquired by the charged particle image acquisition unit 114a, a current voltage image acquired by the current voltage image acquisition unit 114c, and a current voltage acquired by the current voltage detection unit 114b. Are respectively acquired and displayed on the display device 109.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a probe module 201 which is an embodiment of the present invention.
  • the probe module 201 includes a tungsten probe 120, a probe holder 121 that holds the tungsten probe 120, and a probe driving mechanism 122.
  • a combination of the tungsten probe 120 and the probe holder 121 corresponds to the probe cartridge 106 of FIG.
  • the probe driving mechanism 122 corresponds to the probe driving mechanism 107 in FIG.
  • the shape of the tungsten probe 120 is sharper toward the tip, and the curvature of the tip is nano-order.
  • the tungsten probe 120 is made of tungsten. However, in addition to the probe itself being made of tungsten, a probe coated with tungsten may be used.
  • a rhenium tungsten alloy that is a tungsten-based alloy can also be used.
  • a rhenium tungsten alloy as the material of the probe 120, a high strength can be obtained, and a probe having a finer and longer life can be obtained.
  • materials other than tungsten other materials having affinity with the manufacturing process of the sample 101 can be used for the material of the probe itself and the coating on the probe.
  • titanium or platinum can be used for coating the probe.
  • one of the materials used in the manufacturing process of the semiconductor wafer as the sample 101 is used for manufacturing the probe.
  • Examples of materials used in the semiconductor wafer manufacturing process include copper, titanium, tungsten, platinum, and aluminum.
  • one of the materials used in the manufacturing process of the semiconductor wafer in step S3502 and the step of forming the electrode pad of the TEG in the scribe region of the semiconductor wafer in step S3501 shown in FIG. By adding an inspection step using a probe made of the same kind of material, the probe can be made compatible with the manufacturing process of the sample 101. Furthermore, by using the same type of material for the probe tip and the electrode pad of the sample 101 with which the probe tip is brought into contact, the probe tip is exposed to the surface of the sample 101 when the probe tip is brought into contact. The affinity can be further increased by using the same material as the existing material.
  • the probe tip material and the electrode pad material of the sample 101 may be tungsten. Thereby, contamination of the surface of the sample 101 due to contact with the probe can be further suppressed. It is desirable that the exterior of the probe holder 121 and the probe driving mechanism 107 is made conductive by using a conductive material so that it is not charged even when charged particles caused by an electron microscope hit.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a semiconductor wafer 130 which is an example of the sample 101.
  • the semiconductor wafer 130 has a pattern 131 corresponding to a chip composed of a transistor, a circuit, and the like, and a scribe region 132 that is a gap between the patterns.
  • an inspection TEG for confirming whether or not the chip is defective is arranged.
  • FIG. 4A shows an example of a field effect transistor (hereinafter referred to as an FET) TEG disposed on the scribe region 132.
  • FET field effect transistor
  • a substrate electrode pad 141, a gate electrode pad 142, a drain electrode pad 143, and a source electrode pad 144 are arranged around the FET 140.
  • a material having high electrical conductivity such as gold or copper is used for the circuit pattern 145 from the FET 140 to each electrode pad.
  • the width of the scribe region 132 is about 100 ⁇ m, and each electrode pad of the TEG is arranged within a width equal to or smaller than the width of the scribe region 132.
  • FIG. 4B shows a small FETTEG arranged on the scribe region 132 as compared with the one shown in FIG.
  • the minute FETTEG has minute electrode pads arranged on a flat surface. Since these are much smaller than the electrodes in FIG. 4A, a large number of them can be arranged on the scribe region 132.
  • the size of each of the electrode pads 141 to 144 may be reduced to several nanometers to several tens of nanometers, which is the same as the tip of the tungsten probe 120, but it is desirable to make the size in consideration of contact resistance and contact position accuracy.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example in which the electrical characteristics of the TEG in the scribe region 132 is evaluated using the probe module 201 shown in FIG.
  • the probe module 201 is mounted in a fan shape on the probe module support 150 and is arranged so that the tips of the tungsten probes 106 are close to each other. Since the probe module 201 is mounted in a fan shape on the probe module support 150, the four tungsten probes 120 are arranged in a fan shape, and the tips of the four tungsten probes 120 can be brought close to each other. Electrode pads can be placed.
  • the probe module support 150 is mounted on the rail 151. Basically, the relative position of each tungsten probe 120 to the measurement position is moved by moving the sample 101 by the sample stage 102.
  • FIG. 6A is a diagram showing an example of the electrode pad arrangement of the TEG corresponding to the fan-shaped probe module arrangement shown in FIG.
  • the electrode pad arrangement of the TEG shown in FIG. 6A includes a TEG substrate electrode pad 141, a gate electrode pad 142, a drain electrode pad 143, and a source electrode pad 144.
  • 5 is suitable for the measurement in which the tip of the tungsten probe 120 of the probe module arranged in the fan shape shown in FIG. 5 is arranged close to the fan shape as shown in FIG. 6 (a). ing.
  • the tips of the tungsten probes 120 can be brought close to each other, and the TEG electrode pads can be arranged at a higher density.
  • FIG. 6B and FIG. 6C show modified examples of the arrangement of the electrode pads shown in FIG.
  • a probe hereinafter, referred to as a MEMS probe
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • FIG. 7 (a) and 7 (b) are diagrams showing the probe module 701 of the present embodiment.
  • FIG. 7A is a perspective view of the probe module 701
  • FIG. 7B is a plan view of the probe module 701 on the side opposite to the side facing the sample 101.
  • the probe module 701 includes a probe driving mechanism 702, a MEMS probe 901 described later, and a probe holder 703 that holds the MEMS probe 901.
  • the MEMS probe 901 and the probe holder 703 correspond to the probe cartridge 106 in FIG. 1, and the probe driving mechanism 702 corresponds to the probe driving mechanism 107 in FIG.
  • the probe driving mechanism 702 has a cartridge holder 704 for mounting a probe cartridge.
  • the probe drive mechanism 702 has an electrode for electrical connection with the probe cartridge, and can be easily electrically connected when the probe cartridge is replaced.
  • FIG. 8A is a perspective view of the probe cartridge 801 on the side opposite to the side facing the sample 101.
  • 8B and 8C are perspective views of the probe cartridge 801 on the side facing the sample 101.
  • the probe cartridge 801 includes the MEMS probe 901 and the probe holder 703 that holds the MEMS probe 901.
  • the probe holder 703 is electrically connected to the MEMS probe 901 and has a wiring pattern on the surface on the sample side.
  • wire bonding can be used for electrical connection between each probe of the MEMS probe 901 and the corresponding wiring of the holder 703, for example.
  • the wiring 802a, the wiring 802b, the wiring 802c, the wiring 802d, the wiring 802e, and the wiring 802f illustrated in FIGS. 8B and 8C are electrically connected to the probes of the corresponding MEMS probes 901, respectively.
  • the wiring 802a is connected to the electrode 803a
  • the wiring 802b is connected to the electrode 803b
  • the wiring 802c is connected to the electrode 803c
  • the wiring 802d is connected to the electrode 803d
  • the wiring 802e is connected to the electrode 803e
  • the wiring 802f is connected to the electrode 803f.
  • the probe holder 703 has a wiring 804 and an electrode 805 connected to the wiring 804.
  • the wiring 804 is connected to a conductor layer provided on the side opposite to the side facing the sample of the MEMS probe 901 described later. This can prevent the MEMS probe 901 from being charged up during SEM observation.
  • the wiring 804 and the MEMS probe 901 can be electrically connected when, for example, the MEMS probe 901 and the holder 703 are joined by solder.
  • the probe cartridge 801 has the electrodes 803a to 803f and the electrodes 805 for electrical connection when mounted on the probe driving mechanism 107, so that the probe is not worn or damaged during the electrical characteristic evaluation. When this occurs, the probe cartridge 801 can be easily replaced with a new probe by replacing it.
  • FIG. 9 is an overall perspective view of a MEMS probe 901 that is a probe of this embodiment.
  • the MEMS probe 901 includes a cantilever 902 and a main body portion 903 that supports the cantilever 902.
  • the main body 903 is formed from an SOI (Silicon on Insulator) substrate that is a stacked structure of a silicon support substrate 904, a buried oxide film 905, and a silicon layer 906.
  • SOI Silicon on Insulator
  • an electrode 907a, an electrode 907b, an electrode 907c, an electrode 907d, an electrode 907e, and an electrode 907f are formed.
  • the electrodes 907a to 907f are, for example, tungsten electrodes.
  • the electrode 907a is the wiring 802a of the probe holder 703
  • the electrode 907b is the wiring 802b of the probe holder 703
  • the electrode 907c is the wiring 802c of the probe holder 703
  • the electrode 907d is the wiring 802d of the probe holder 703
  • the electrode 907e is the probe holder 703.
  • the wiring 802e and the electrode 907f are connected to the wiring 802f of the probe holder 703, for example, by wire bonding.
  • FIG. 10 shows an enlarged view of the cantilever 902.
  • a probe 1001a, a probe 1001b, a probe 1001c, and a probe 1001d are formed on the cantilever 902.
  • a conductor layer 1002 is formed on the surface of the cantilever 902 and the main body 903 opposite to the surface on which the probes 1001a to 100d are formed.
  • the conductor layer 1002 is, for example, a tungsten layer.
  • the conductor layer 1002 is electrically connected to the sample holder 105 and suppresses the charge-up of the MEMS probe 901 due to the electron beam irradiation from the SEM column 103.
  • Probes 1001a to 1001d will be described with reference to FIG. 11, which is a plan view of the MEMS probe 901.
  • the probe 1001a has an electrode surface 1101a and an electrode surface 1101b.
  • the electrode surface 1101a and the electrode surface 1101b are made of tungsten, for example.
  • the electrode surface 1101a is electrically connected to the wiring 1102a.
  • the wiring 1102a is electrically connected to the electrode 907a.
  • the electrode surface 1101b is electrically connected to the wiring 1102b.
  • the wiring 1102b is electrically connected to the electrode 907b.
  • the wiring 1102a and the wiring 1102b are made of tungsten, for example.
  • the electrode surface of the probe 1001b is electrically connected to the wiring 1103.
  • the wiring 1103 is electrically connected to the electrode 907c.
  • the electrode surface of the probe 1001b and the wiring 1103 are made of tungsten, for example.
  • the electrode surface of the probe 1001 c is connected to the wiring 1104.
  • the wiring 1104 is electrically connected to the electrode 907d.
  • the electrode surface of the probe 1001c and the wiring 1104 are made of tungsten, for example.
  • the probe 1001d has an electrode surface 1105a and an electrode surface 1105b.
  • the electrode surface 1105a and the electrode surface 1105b are made of tungsten, for example.
  • the electrode surface 1105a is electrically connected to the wiring 1106a.
  • the wiring 1106a is electrically connected to the electrode 907e.
  • the electrode surface 1105b is electrically connected to the wiring 1106b.
  • the wiring 1106b is electrically connected to the electrode 907f.
  • the wiring 1106a and the wiring 1106b are made of tungsten, for example.
  • tungsten is used as the material of the electrode surface that contacts the electrode pad of the sample 101.
  • other materials having affinity with the sample 101 can be used as materials other than tungsten.
  • each electrode surface provided on the probes 1001a to 1001d corresponds to the tip of the tungsten probe 120 of the first embodiment. Therefore, in this embodiment, the tip of the probe is each electrode surface provided on the probes 1001a to 1001d.
  • the probe 1001a functions as a contact sensor for the electrode pad by detecting conduction between the electrode surface 1101a and the electrode surface 1101b when contacting the electrode pad.
  • the probe 1001d functions as a contact sensor for the electrode pad by detecting conduction between the electrode surface 1105a and the electrode surface 1105b when contacting the electrode pad.
  • FIG. 28 (a) and 28 (b) are schematic diagrams showing a state in which the probe 1001d contacts the electrode pad 2801 of the TEG.
  • FIG. 28A is a schematic view of the contact seen from the side surface of the cantilever 902
  • FIG. 28B is a view showing the contact seen from the direction of the arrow 2802 in FIG. .
  • the electrode surface 1105b of the probe 1001d is parallel to each other in a state where it is in contact with the electrode pad 2801. Further, contact with the electrode pad 2801 can be detected by detecting conduction between the electrode surface 1105a and the electrode surface 1105b.
  • each of the probes 1001a and 1001d functions as a contact sensor, so that the inclination of the surface of the sample 101 is adjusted by the sample stage 102 so that the probe row of the probes 1001a to 1001d and the wafer surface to be inspected are parallel. And stable inspection can be performed.
  • FIG. 12 is a view showing a cross section of the MEMS probe 901 taken along a broken line between A and A ′ in FIG.
  • the main body 903 is formed of the silicon support substrate 904, the buried oxide film 905, and the SOI substrate of the silicon layer 906.
  • the thickness of the main body 903 is mainly adjusted by the thickness of the silicon support substrate 904.
  • the conductor layer 1002 is formed on the surface of the cantilever 902 and the main body 903 opposite to the surface on which the probes 1001a to 100d are formed.
  • the electrode surface of the probe 1001b is inclined with respect to the cantilever 902 so that the electrode surface of the probe 1001b is in contact with the electrode pad in a state parallel to the electrode pad.
  • the electrode surfaces of the probe 1001a, the probe 1001c, and the probe 1001d are inclined with respect to the cantilever 902.
  • the probe 1001b is electrically connected to the wiring 1103.
  • FIG. 13 is a flowchart for manufacturing the MEMS probe 901.
  • FIGS. 14A to 14M are cross-sectional views taken along the broken line A-A ′ in FIG. 11 and are diagrams for explaining the manufacturing process of the MEMS probe 901.
  • step S1301 of FIG. 13 as shown in FIG. 14A, a silicon oxide film 1201 and a silicon oxide film are formed on both surfaces of an SOI substrate having a silicon support substrate 904, a buried oxide film 905, and a silicon layer 906 by thermal oxidation. 1401 is provided, and a photoresist film 1402 is provided on the silicon oxide film 1401.
  • step S1302 as shown in FIG. 14B, the silicon oxide film 1401 is patterned using the photoresist film 1402 as a mask.
  • step S1303 by using the silicon oxide film 1401 patterned in S1302 as a mask, the silicon layer 906 is etched by reactive ion etching or wet etching, as shown in FIG. Is formed.
  • FIG. 14C shows a protrusion 1403 corresponding to the probe 1001b.
  • the protrusions corresponding to the probe 1001a, the probe 1001c, and the probe 1001d are also formed in step S1303 like the protrusion 1403.
  • step S1304 as shown in FIG. 14D, the silicon oxide film 1401 patterned in S1302 is removed using buffered hydrofluoric acid (BHF).
  • BHF buffered hydrofluoric acid
  • step S1305 the wiring 1103 is formed as shown in FIG. Specifically, the wiring 1103 is formed by patterning a tungsten layer with a photoresist.
  • step S1305 the wiring 1102a, the wiring 1102b, the wiring 1104, the wiring 1106a, the wiring 1106b, and the electrodes 907a to 907f are formed in the same manner as the wiring 1103.
  • step S1306 the cantilever 902 is patterned. The patterning of the cantilever 902 is performed by photolithography, for example.
  • step S1307 the silicon oxide film 1201 is etched to form a mask for forming the main body portion 903 as shown in FIG.
  • step S1308 in order to protect the cantilever 902, as shown in FIG. 14G, a photoresist film 1404 is formed on the cantilever 902 side.
  • step S1309 the silicon support substrate 904 is etched by wet etching using the mask formed in step S1307, thereby forming the main body 903 as shown in FIG.
  • step S1310 as shown in FIG. 14I, the buried oxide film 905 excluding the main body portion 903 and the silicon oxide film 1201 are removed by etching with buffered hydrofluoric acid (BHF).
  • BHF buffered hydrofluoric acid
  • step S1311 as shown in FIG. 14J, the conductor layer 1002 is formed on the surface of the cantilever 902 and the main body 903 opposite to the surface on which the probes 1001a to 100d are formed.
  • step S1312 as shown in FIG. 14K, the photoresist film 1404 formed in step S1308 is removed.
  • step S1313 a part of the protrusion 1403 is scraped off by a focused ion beam (FIB), whereby the protrusion 1404 is inclined with respect to the cantilever 902 as shown in FIG. 1405 is provided.
  • the projections corresponding to each of the probe 1001a, the probe 1001c, and the probe 1001d are partly scraped off in step S1313 as in the projection 1403.
  • step S1314 by depositing tungsten by chemical vapor deposition (FIB-CVD) using a focused ion beam, the probe electrically connected to the wiring 1103 as shown in FIG. An electrode surface 1001b is formed.
  • FIB-CVD chemical vapor deposition
  • the inclination angle is set so that the electrode surface of the probe 1001b is in contact with the electrode pad of the TEG in a state parallel to the electrode pad of the TEG.
  • the electrode surfaces shown in FIG. 11 are also formed for the probe 1001a, the probe 1001c, and the probe 1001d.
  • the MEMS probe 901 of this example can be manufactured.
  • the MEMS probe 901 is manufactured by manufacturing a device using the MEMS technology, manufacturing with good reproducibility is possible.
  • FIG. 15 shows an enlarged view of a cantilever of a MEMS probe according to a modification of the present embodiment.
  • the area 1501 surrounded by the broken line of the cantilever 902 is scraped off by the FIB, thereby reducing the area hidden by the cantilever in the SEM observation using the SEM barrel 103 and the detector 104. Can do.
  • FIG. 16 shows an enlarged view of a cantilever of a MEMS probe according to a modification of the present embodiment.
  • the portion of the region 1601 surrounded by the broken line of the cantilever 902 is scraped off by the FIB to make a notch between the probes.
  • Each probe and the electrode pad can be reliably brought into contact with each other by bending the cantilever of the probe.
  • FIG. 17 shows an enlarged view of a cantilever of a MEMS probe according to a modification of the present embodiment.
  • the inspection of the inverter can be facilitated by setting the number of probes to eight.
  • FIG. 18 shows an enlarged view of a cantilever of a MEMS probe according to a modification of the present embodiment.
  • the evaluation of the wiring pattern is based on the absorption current image (absorption based on the absorption current flowing into the probe when an electron beam, which is a charged particle beam, is irradiated onto the wiring from the SEM column 103 with the probe in contact with one end of the wiring. (Including voltage images). For this reason, the distance between the probes needs to be several mm at the maximum.
  • MEMS probes by changing the distance between the probes, it is possible to cope with wiring patterns of various widths.
  • FIG. 19 shows an enlarged view of a cantilever of a MEMS probe according to a modification of the present embodiment.
  • the probes 1004a to 1004d are formed on a common protrusion. Thereby, the interval between the probes 1004a to 1004d can be easily narrowed, and the inspection can be performed even when the pitch of the electrode pad arrangement is short.
  • the interval between the probes 1004a to 1004d can be set to about several hundred nm to several tens of microns, for example.
  • FIG. 20 shows an enlarged view of a cantilever of a MEMS probe according to a modification of the present embodiment.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view of the MEMS probe in a cross section passing through the probe 1001c and the wiring connected to the probe 1001c in FIG.
  • bending due to contact with the sample of the cantilever 902 is detected by providing a region 2001 in which boron is ion-implanted in the silicon layer 906 of the cantilever 902 to form a piezoresistive element. be able to. Therefore, the contact of the probe with the sample can be detected from the resistance change of the piezoresistive element. Further, at this time, vibration can be applied to the cantilever 902, and contact can be detected from a change in resonance frequency due to contact.
  • the boron ion-implanted region 2001 With the provision of the boron ion-implanted region 2001, the boron ion-implanted region 2001, the insulator layer 2002 that insulates the wiring connected to the probe 1001c, the ion-implanted region 2001, and the conductor layer 1002 are provided.
  • An insulating layer 2003 for insulation is added.
  • the insulator layer 2002 and the insulator layer 2003 can be formed using, for example, a silicon oxide film formed by sputtering deposition.
  • the insulator layer 2002 is provided with an opening 2004a and an opening 2004b as shown in FIG. 20, and the wiring 2005a and the wiring 2005b are ion-implanted with boron.
  • step S1304 shown in FIG. 13
  • step S1310 a step of providing an insulator layer 2003 is added.
  • FIG. 22 is an overall perspective view of a MEMS probe 2201 which is a probe of this embodiment.
  • FIG. 22 is illustrated with the probe facing upward for ease of understanding.
  • the MEMS probe 2201 has a metal probe 2202a, a metal probe 2202b, a metal probe 2202c, a metal probe 2202d, and a main body 2203 that supports the metal probes 2202a to 2202d.
  • the main body 2203 has a silicon substrate 2204 and a silicon oxide film 2205. On the silicon oxide film 2205 of the main body 2203, an electrode 2206a, an electrode 2206b, an electrode 2206c, and an electrode 2206d are formed.
  • the electrodes 2206a to 2206d are, for example, tungsten electrodes.
  • the electrodes 2206a to 2206d are connected to four of the wirings 802a to 802f of the probe holder 703, for example, by wire bonding.
  • FIG. 23 shows a plan view of the MEMS probe 2201 near the metal probes 2202a to 2202d.
  • the metal probes 2202a to 2202d are formed such that their tips approach each other.
  • the metal probes 2202a to 2202d are arranged in a fan shape.
  • the tips of the metal probes 2202a to 2202d are brought into contact with the electrode pads of the TEG.
  • the metal probes 2202a to 2202d are made of tungsten, for example.
  • tungsten is used as the material of the metal probes 2202a to 2202d that are in contact with the electrode pads of the sample 101.
  • other materials having affinity with the sample 101 can be used as materials other than tungsten.
  • the metal probe 2202a is electrically connected to the wiring 2301a.
  • the wiring 2301a is electrically connected to the electrode 2206a.
  • the metal probe 2202b is electrically connected to the wiring 2301b.
  • the wiring 2301b is electrically connected to the electrode 2206b.
  • the metal probe 2202c is electrically connected to the wiring 2301c.
  • the wiring 2301c is electrically connected to the electrode 2206c.
  • the metal probe 2202d is electrically connected to the wiring 2301d.
  • the wiring 2301d is electrically connected to the electrode 2206d.
  • the wirings 2301a to 2301d are made of tungsten, for example.
  • FIG. 24 is a view showing a cross section of the MEMS probe 2201 taken along a broken line between C and C ′ in FIG.
  • the silicon oxide film 2205 is formed on the silicon substrate 2204 as described above.
  • a wiring 2301b is formed over the silicon oxide film 2205 which is an insulating layer, and a metal probe 2202b is formed continuously with the wiring 2301b.
  • the wiring 2301a, the metal probe 2202a, the wiring 2301c, the metal probe 2202c, the wiring 2301d, and the metal probe 2202d are also formed in the same manner as the wiring 2301b and the metal probe 2202b.
  • a conductor layer 2401 is formed on the surface of the main body 2203 opposite to the surface on which the metal probes 2202a to 2202d are formed.
  • the conductor layer 2401 is, for example, a tungsten layer.
  • the conductor layer 2401 is separated from the metal probes 2202a to 2202d so as not to be electrically connected.
  • FIG. 25 is an enlarged view of a dashed circle 2402 in FIG.
  • the silicon oxide film 2205 is at a position deeper than the edge of the silicon substrate 2204.
  • the conductor layer 2401 is separated from the metal probes 2202a to d and the wirings 2301a to d by the deep structure of the silicon oxide film 2205.
  • the conductor layer 2401 is, for example, a tungsten layer.
  • the conductor layer 2401 is electrically connected to the sample holder 105 and suppresses the charge-up of the MEMS probe 2201 due to the electron beam irradiation from the SEM column 103.
  • a conductive layer 2401 is formed on the side opposite to the surface of the metal probes 2202a to 2202d that contacts the electrode pad of the TEG.
  • a body layer 2501 is formed.
  • FIG. 26 is a flowchart for manufacturing the MEMS probe 2201.
  • FIGS. 27A to 27H are cross-sectional views taken along a broken line between C-C ′ in FIG. 23 and are diagrams for explaining a manufacturing process of the MEMS probe 2201.
  • step S2601 of FIG. 26 as shown in FIG. 27A, a silicon oxide film 2205 is provided on one surface of the silicon substrate 2204 and a silicon oxide film 2701 is provided on the other surface by thermal oxidation.
  • step S2602 the surface of the silicon oxide film 2205 is modified to the surface of the silicon oxide film 2205 by sputter etching using argon gas or the like, or by implanting impurity ions into the surface of the silicon oxide film 2205. Introduce layer. Thereby, when forming a metal layer on a silicon oxide film 2205 described later, a high-quality metal layer can be formed, and high-quality metal probes 2202a to 2202d can be obtained.
  • a metal layer is formed on the silicon oxide film 2205 and patterned, so that the metal probes 2202a to 2202d, the wirings 2301a to 230d, and the electrodes 2206a to 2206d are formed as shown in FIG. d is formed.
  • the metal layer can be formed by, for example, sputter deposition of tungsten.
  • the surface of the silicon oxide film 2205 is in a surface state in which an element bond exists, and a nucleus of tungsten having a body-centered cubic structure is formed.
  • the formation of a cubic structure tungsten layer is expected to proceed. Thereby, large crystal grains of tungsten having a body-centered cubic system structure are formed, and segregation of foreign matters at the grain boundaries is reduced, so that a high-quality tungsten layer can be formed.
  • step S2604 the silicon oxide film 2701 is etched to form a mask for forming the main body 2203 as shown in FIG.
  • step S2605 a photoresist film 2702 is formed on the metal probes 2202a to 2202d as shown in FIG. 27D in order to protect the metal probes 2202a to 2202d.
  • step S2606 the main body 2203 is formed as illustrated in FIG. 27E by etching the silicon substrate 2204 by wet etching using the mask formed in step S2604.
  • step S2607 as shown in FIG. 27F, the silicon oxide film 2205 excluding the main body portion 2203 and the silicon oxide film 2701 are etched and removed by buffered hydrofluoric acid (BHF). .
  • BHF buffered hydrofluoric acid
  • the etching is performed so that the silicon oxide film 2205 is located deeper than the edge of the silicon substrate 2204 as shown in FIG.
  • step S2608 as shown in FIG. 27G, the conductor layer 2401 is formed on the surface opposite to the surface on which the metal probes 2202a to 2202d are formed.
  • the conductor layer 2401 can be formed by, for example, sputter deposition of tungsten.
  • the thickness of the conductor layer 2401 is made thinner than the thickness of the silicon oxide film 2205.
  • the conductor layer 2401 is not located between the metal probes 2202a to d and the wirings 2301a to d in a portion where the silicon oxide film 2205 is deeper than the edge of the silicon substrate 2204. Since vapor deposition does not proceed, it is electrically separated.
  • step S2609 as shown in FIG. 27H, the photoresist film 2702 formed in step S2605 is removed.
  • the MEMS probe 2201 of the present embodiment can be manufactured.
  • the MEMS probe 2201 is manufactured by manufacturing a device using the MEMS technology, it is possible to manufacture with good reproducibility.
  • the electrode pads of the FETTEG are scribed in the scribe region 132 in the X direction extending in the horizontal direction and the scribe region 132 in the Y direction extending in the vertical direction. Electrode pads are arranged in a direction along the region 132.
  • the FETTEG electrode pad group 2901a in the X-direction scribe region 132 and the FETTEG electrode pad group 2901b in the Y-direction scribe region 132 are laid out in directions orthogonal to each other.
  • all electrode pads of the FETTEG are arranged along the X-direction scribe region 132 extending in the horizontal direction.
  • the FETTEG electrode pad group 2901c in the X-direction scribe region 132 and the FETTEG electrode pad group 2901d in the Y-direction scribe region 132 extending in the vertical direction are laid out in the same direction.
  • one FET TEG is arranged in the Y-direction scribe region width, but a plurality of FET TEGs are arranged in the Y-direction scribe region width by using a smaller electrode pad. Also good. Since all of the electrode pads of the FETTEG shown in FIG.
  • the FETTEGs in the scribe regions 132 in the X direction and the Y direction are continuously formed without changing the direction of the probe cartridge 106 with respect to the sample 101. It is possible to evaluate. As a result, the semiconductor device can be manufactured efficiently.
  • FIG. 30 shows a schematic diagram of the normality confirmation electrode pad 3001 of each probe of the probe cartridge 106.
  • Probe normality confirmation electrode pads 3001 are arranged in the scribe region 132 and are arranged in accordance with the tip positions of the probes.
  • Each electrode pad 3001 is electrically connected by a wiring 3002.
  • the normality of each probe in the probe cartridge 106 is confirmed by measuring the value of the current flowing through the other probe when a voltage is applied to any one of the probes with each probe in contact with each electrode pad 3001. This can be achieved.
  • the confirmation of the normality of the probe of this embodiment is for confirming whether there is an abnormality of each probe or a defective mounting of the probe cartridge 106 before the electrical characteristics evaluation of the TEG is performed.
  • FIG. 31 shows an example of a flowchart of electrical characteristic evaluation using the probe cartridge 106.
  • step S 3101 the probe exchanger 110 attaches the probe cartridge 106 to the probe driving mechanism 107 or replaces the probe cartridge 106.
  • the probe cartridge 106 is attached or exchanged with the probe drive mechanism 107 moved to the probe cartridge exchange position.
  • step S3102 it is confirmed whether the probe cartridge 106 is normally attached, and it is determined whether it can be measured. Whether or not the probe cartridge 106 is normally attached is determined by a sensor for confirming contact with the probe cartridge 106 installed in the probe driving mechanism 107. If the attachment of the probe cartridge 106 is abnormal, the process returns to step S3101 and the probe cartridge 106 is replaced.
  • step S3103 the probe drive mechanism 107 is moved from the exchange position to the measurement position, and then the sample stage 102 is moved so that the tip of the probe comes to the scribe region 132 where the TEG for performing electrical property evaluation is located. .
  • each attached probe is brought into contact with the electrode pad 3001 for checking the normality of the probe to check the state of the probe.
  • each probe is brought into contact with the electrode pad 3001 by moving the sample stage 102 or coarsely moving the probe driving mechanism 107 to bring the electrode pad 3001 and each probe close to some extent and then performing fine movement of the probe driving mechanism 107.
  • the method for confirming the contact between the probe tip and the electrode pad is determined from a method for confirming the shape change of each probe with an SEM image, a method for sensing with a contact sensor attached to each probe, or a weak current flowing through each probe at the time of contact. There are methods, but any method may be used. If there is a problem with the probe as a result of the normality check, the process returns to the replacement of the probe cartridge 106 in step S3101.
  • step S3105 the electrical property evaluation apparatus 100 makes the TEG evaluation by bringing each attached probe into contact with each electrode pad of the TEG in the scribe region 132. Also in step S3105, the electrical property evaluation apparatus 100 brings each probe into contact with the electrode pad of the TEG by a method similar to the method of contacting the electrode pad 3001 for contact confirmation. After the contact is confirmed, the electrical property evaluation apparatus 100 performs electrical property evaluation of the element. When the electrical property evaluation is completed, the electrical property evaluation apparatus 100 retracts the probe from the electrode pad that has been in contact with the probe drive mechanism 107 and moves to the next measurement position. When the next measurement position is far from the previous measurement position, it is necessary to move the sample stage 102. However, when the measurement position is close, the probe 106 is moved by the probe driving mechanism 107 to shift to the next measurement. be able to.
  • step S3106 the electrical property evaluation apparatus 100 waits for an input from the operator as to whether or not to end the measurement. If it is selected not to end, the process returns to step S3103.
  • the sample holder 105 In this embodiment, an example of the sample holder 105 will be described.
  • the semiconductor wafer that is the sample 101 held by the sample holder 105 needs to avoid contamination as much as possible.
  • the semiconductor wafer is held by a mechanical method.
  • the sample holder 105 is an electrostatic chuck, and the semiconductor wafer as the sample 101 is held by the sample holder 105 by the electrostatic chuck. This reduces pollution.
  • FIG. 32A and 32 (b) are diagrams showing an example of an electrical measurement method by probing with the probe tip in contact with the sample 101.
  • FIG. 32A shows an example of measuring the absorption current of the charged particle beam 3201 from the SEM column 103
  • FIG. 32B shows the MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor without irradiating the charged particle beam 3201. This is an example of measuring characteristics.
  • MOS Metal Oxide Semiconductor
  • the tip of the probe 3203 of the electrical property evaluation apparatus 100 is brought into contact with one end of the conductive wiring 3202 formed on the semiconductor wafer as the sample 101, and the probe 3203 is grounded.
  • An ammeter 3204 is provided between 3203 and the ground point. In this state, when the charged particle beam 3201 finely focused from the SEM column 103 is irradiated onto the wiring 3202, the so-called absorption current of the charged particle beam 3201 by the wiring 3201 is measured based on the output of the ammeter 3204. Can do.
  • ammeter 3204 is a constituent element included in the current-voltage detection unit 114b, and specifically includes a circuit that detects a voltage corresponding to the absorbed current and an amplifier circuit that amplifies the voltage.
  • the voltage value amplified by the amplifier circuit is appropriately AD (Analog to Digital) converted and read by the control computer 114d.
  • the absorption current is a current based on the charge that the wiring 3202 has absorbed the charged particle beam 3201.
  • amount of charge (beam current) supplied to the wiring 3202 by the charged particle beam 3201 per unit time, This corresponds to a value obtained by subtracting the charge amount of the charged particles reflected or emitted from the wiring 3202. Therefore, by measuring the absorption current with the ammeter 3204, it is possible to know the presence or absence of conduction from the irradiation position of the charged particle beam 3201 to the contact position of the probe 3203.
  • the charged particle beam 3201 can penetrate a thin insulating layer or the like, even if the wiring 3202 is covered with an insulating layer or the like, an absorption current is also applied to a lower layer wiring within a range where the charged particle beam 3201 can reach. Can be detected. Further, when the two probes 3203 are brought into contact with wirings at different positions (not shown), the absorption current is measured by at least one of the probes 3203, thereby obtaining a resistance value distribution in the wiring connecting the two probes 3203. You can also.
  • the probe 3205a is brought into contact with the source region 3206
  • the probe 3205b is brought into contact with the gate electrode 3207
  • the probe 3205c is brought into contact with the drain region 3208
  • the probe 3205d is brought into contact with the substrate (substrate) region 3209. It is in contact. Accordingly, by appropriately applying a voltage to each of the probes 3205a to 3205d and measuring the current flowing between the probes 3205a and 3205c, for example, the gate voltage characteristics of the source-drain current can be obtained.
  • 32 (b) shows an example in which the probes 3205a to 3d are brought into direct contact with the element, but the charged particle beam 3201 is not irradiated even when the probes 3205a to 3d are brought into contact with the electrode pads connected to the element.
  • operation characteristics of an element for example, a MOS transistor element formed on the semiconductor wafer as the sample 101 can be acquired.
  • FIG. 33 is a diagram showing an example of an absorption current image (current voltage image) obtained based on the measurement of absorption current.
  • the absorption current image 3301 in FIG. 33 includes an image of the tip of the probe 3302 of the electrical property evaluation apparatus 100, an image 3303 of the pad electrode in contact with the probe 3302, an image 3304 of the uppermost wiring, and wiring of the lower layer of the insulating layer. An example of an image 3305 is shown. As shown in FIG.
  • the absorption current image 3301 As long as the charged particle beam from the SEM column 103 can reach through the insulating layer, an image of the absorption current (the wiring of the lower layer) An image 3305) can be obtained. Therefore, in the absorption current image 3301, the wiring structure under the insulating layer, which cannot be observed with a charged particle image such as an SEM image, can be observed nondestructively.
  • the absorption current image 3301 can be displayed on the display device 109.
  • the absorption current When the absorption current is acquired, measurement cannot be performed on the semiconductor wafer as the sample 101 to be measured unless the voltage is 0V. As described above, by fixing the semiconductor wafer as the sample 101 with the electrostatic chuck, when a voltage of + V (V) is applied to the sample surface, ⁇ V (V) of the sample surface is applied. By applying a current, the voltage is canceled out, and the absorption current can be measured by making the voltage apparently 0 V at the measurement site on the sample surface.
  • the same method when measuring electrical characteristics, the same method can be used.
  • electrical characteristics measurement usually two probes are brought into contact with each measurement position, and a potential difference of 1 V is set between the two probes. By applying current, current is passed and the electrical characteristics are evaluated. Therefore, for example, when a voltage of + V (V) is applied to the upper surface of the semiconductor wafer as the sample 101, a voltage of + V (V) is applied to one probe, and another 1 V is added to the other probe. Electrical characteristics can be evaluated by applying a voltage of + V + 1 (V).
  • FIG. 34 is a diagram showing an example of the flow of the previous process in the semiconductor device manufacturing process.
  • step S3401 the ingot as a semiconductor material is pulled up. Subsequently, in step S3402, the ingot is cut using a diamond blade or the like to obtain a wafer. Next, in step S3403, the wafer is polished, and in step S3404, the wafer is placed in a high-temperature diffusion furnace and exposed to an oxidizing atmosphere to form an oxide film on the wafer surface. This oxide film is necessary for baking the circuit pattern.
  • step S3405 a photoresist is applied on the wafer on which the oxide film is formed.
  • step S3406 a pattern is formed on the wafer surface.
  • step S3407 unnecessary oxide film is removed by performing etching.
  • step S3408 the photoresist that has become unnecessary after the etching is removed by oxidation plasma, and the wafer is immersed in a chemical solution by a cleaning device to remove impurities remaining on the wafer.
  • step S3409 an oxide film is deposited using a CVD apparatus or the like to form an interlayer insulating film.
  • step S3410 after forming a gate insulating film by a thermal oxidation method, the surface is nitrided, and a gate film is formed thereon by using a CVD method.
  • step S3410 after pattern formation is performed to form a gate electrode, an impurity element is implanted into the silicon substrate by ion implantation, and further, impurities are uniformly diffused by high-temperature diffusion to form a source / drain region.
  • step S3411 an oxide film is deposited by the CVD method and polished by a CMP apparatus to flatten the surface. Then, etching is performed using the contact hole resist pattern as a mask to form a contact hole in the insulating film. A metal film is buried here by CVD, and excess film is removed by CMP polishing.
  • step S3412 an insulating film is formed again by the CVD method, a pattern is formed, and a portion (trench) to be a wiring is formed. A metal film is buried in the trench, and the excess film is polished and removed. By repeating this, a multilayer wiring is formed. Then, by repeating the steps from photoresist application step S3405 to multilayer wiring formation step 3412 as appropriate, a multilayer wiring semiconductor wafer is completed.
  • a wafer inspection is performed in step S3413. If it is a non-defective product, the multi-layer wiring semiconductor wafer is sent to a post-process of manufacturing the semiconductor device. In the inspection in the previous process in step S3413, a prober needle is applied to each LSI chip in the wafer, and communication with a connected tester is performed to determine whether the chip is good or defective.
  • the post-process of semiconductor manufacturing is not shown, in general, the wafer is cut for each LSI chip, the cut chip is fixed to a metal lead frame, and the chip and the lead frame are connected by a fine wire. Package, printed, final inspection, and finished as a semiconductor product.
  • step S3413 After the wafer is completed up to the previous process, it is inspected in step S3413, and even if a defect is found, the wafer must be discarded. Even when the conventional nano prober shown in Patent Documents 1 to 3 is inspected, in order to identify and measure the defective portion, the wafer that has completed the previous process is polished and the wiring in the LSI chip is exposed. In the end, the inspected wafer must be discarded. Further, when the wafer is inspected, if the wafer is contaminated, the value as a product is lost, and the loss is large.
  • the semiconductor wafer can be put into the electrical property evaluation apparatus 100 and the failure analysis can be performed in the middle of the appropriate repeating operation from the photoresist coating step S3405 to the multilayer wiring formation step 3412 described above. Become. In this way, by acquiring electrical characteristics and absorption current images in the manufacturing process of each layer, it is possible to feed back defects caused by manufacturing equipment and materials that occur during the process at an early stage and reduce the number of defective wafers. Is possible. For example, by the method shown in FIGS.
  • the insulation resistance value between different diffusion layer areas can be confirmed, or the end of the gate portion can be confirmed. It is possible to electrically confirm whether the spatial manufacturing is good or bad by measuring the resistance value at the end. Until now, these operations were possible only for the length measurement SEM. However, after the length measurement SEM process, a check process by the electrical property evaluation apparatus 100 is newly added to confirm spatial manufacturing. Further, the reliability of the manufacturing process can be increased by performing the process by acquiring the electrical characteristics. In addition to the spatial check, by obtaining the electrical characteristics of the PN junction of the semiconductor and confirming the insulation performance from other areas of the gate by the method shown in FIGS.
  • the electrical characteristic evaluation apparatus 100 confirms the continuity and insulation of the electrical wiring layer through simple resistance measurement between the wiring ends and resistance between the wirings. It is possible. In addition, by acquiring an absorption current image, it is possible to find a defective portion such as a disconnection of wiring or a short circuit between wirings as an image. This improves the reliability of the device production process in the sense that the electrical connection can be confirmed as an image by the electrical characteristic evaluation apparatus 100, rather than confirming the line width with the length measurement SEM.
  • the spatial confirmation at the time of each layer generation process by the length measurement SEM and the electrical confirmation by the electrical property evaluation apparatus 100 are put into each production process, so that the feedback to the subsequent lot is performed quickly.
  • the yield of the wafer as a whole can be improved and the production cost can be reduced.
  • a confirmation operation is performed while polishing, and thus the completed wafer has to be discarded. It is possible to introduce the electrical property evaluation apparatus 100 into the production process and to avoid contamination of the wafer, and to improve the efficiency of defect analysis in many scenes of the previous process in the manufacturing process of the semiconductor device. Is possible.
  • SYMBOLS 100 Electrical characteristic evaluation apparatus, 101: Sample, 102: Sample stage, 103: SEM barrel, 104: Detector, 105: Sample holder, 106: Probe cartridge, 107: Probe drive mechanism, 108: Controller, 109: Display device, 110: Probe switch, 132: Scribe area, 141: Electrode pad for substrate, 142: Electrode pad for gate, 143: Electrode pad for drain, 144: Electrode pad for source, 901: MEMS probe, 2201: MEMS probe.

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Abstract

半導体デバイスの微細化に伴い、ウェハ上のスクライブ領域も減少傾向にある。このため、スクライブ領域に配置されるＴＥＧも小さくする必要があり、探針接触用の電極パッドを効率的に配置する必要がある。従って、電極パッドの効率的なレイアウトとプローブを対応させる必要がある。本発明の目的は、電気特性評価を容易にするためのＴＥＧの電極パッドのレイアウトと、プローブとを対応させる技術を提供することにある。　本発明の半導体装置の評価装置では、扇状に配列された複数のプローブ、またはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術で製造されたプローブを備えることで、上述の課題を解決する。

Description

半導体装置の評価装置
　本発明は、半導体装置の製造に関する。
　半導体装置の製造において、製造工程の管理技術は製品歩留まり向上やスループット向上のために重要である。工程管理のための検査装置には、プローブと呼ばれる探針を試料に直接接触させ、電気特性評価を行う装置がある。
　特許文献１には、半導体ウェハのスクライブ領域に多数配置された評価用の試料（Ｔｅｓｔ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｇｒｏｕｐ；以下、ＴＥＧと称する）を測定することにより、半導体装置の歩留まりを向上することのできる技術が開示されている。特許文献２には、試料室に接続され、試料を一時貯留する試料交換室と、試料交換室と試料室の間で試料を搬送させる搬送手段とを備え、プローブ粗寄せ画像取得装置を電子光学系装置に並列して設けてあり、試料ステージおよびプローブユニットをプローブ粗寄せ画像取得装置の垂直方向の位置と電子光学系装置の垂直方向の位置との間を水平方向に移動させる技術が開示されている。特許文献３には、荷電粒子線を試料ウェハに照射する荷電粒子光学系装置と、試料室内を自在に移動する試料ステージと、プローブ針が設けられたプローバを搭載して、試料室内を自在に移動するプローバステージと、プローバの位置を粗寄せするときに試料ウェハの光学画像を取得する粗寄せ画像取得ユニットと、荷電粒子線を走査させながら照射したときに試料ウェハから放出される二次荷電粒子の検出信号に基づき荷電粒子画像を取得する荷電粒子画像取得ユニットと、プローブ針から得られる電流または電圧を検出する電流電圧検出ユニットと、制御コンピュータと、を含んで構成される半導体検査装置が開示されている。
特開２００２－２１７２５８号公報 特開２００５－１８９２３９号公報 特開２０１３－１８７５１０号公報
　半導体デバイスの微細化に伴い、ウェハ上のスクライブ領域も減少傾向にある。このため、スクライブ領域に配置されるＴＥＧも小さくする必要があり、探針接触用の電極パッドを効率的に配置する必要がある。従って、電極パッドの効率的なレイアウトとプローブを対応させる必要がある。特許文献１～３に開示の技術では、各々のプローブが独立して搭載されており、各プローブを電極パッドに接触させるための制御に時間を要する。
　本発明の目的は、電気特性評価を容易にするためのＴＥＧの電極パッドのレイアウトと、プローブとを対応させる技術を提供することにある。
　本発明の半導体装置の評価装置では、扇状に配列された複数のプローブ、またはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術で製造されたプローブを備えることで、上述の課題を解決する。
　本発明によれば、電気特性評価を容易にするためのＴＥＧの電極パッドのレイアウトと、プローブとを対応させることができる。ひいては、半導体装置の製造の前工程における生産性を向上させることができる。
本発明の実施例である電気特性評価装置の概略図である。 本発明の実施例であるプローブモジュールの概略図である。 試料の例である半導体ウェハの概略図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧの電極パッドの配置の例を示す図である。 スクライブ領域上の微小ＦＥＴＴＥＧの電極パッドの配置の例を示す図である。 プローブモジュールの配置の一例を示す図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧの電極パッド配置の例を示す図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧの電極パッド配置の変形例を示す図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧの電極パッド配置の変形例を示す図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブを搭載したプローブモジュールの概略を示す斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブを搭載したプローブモジュールの概略を示す平面図である。 本発明の実施例であるプローブカートリッジの試料と面する側とは反対側の斜視図である。 本発明の実施例であるプローブカートリッジの試料と面する側の斜視図である。 本発明の実施例であるプローブカートリッジの試料と面する側の斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの全体斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブのカンチレバーの斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの断面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造フロー図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブのカンチレバーの斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブのカンチレバーの斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの断面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの全体斜視図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの平面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの断面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの断面図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造フロー図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例であるＭＥＭＳプローブの製造工程を説明する図である。 プローブがＴＥＧの電極パッドに接触した際の様子を示す概略図である。 プローブがＴＥＧの電極パッドに接触した際の様子を示す概略図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧ配置の例を示す図である。 スクライブ領域上のＦＥＴＴＥＧ配置の例を示す図である。 プローブカートリッジの各プローブの正常度確認用電極パッドの例の概略図である。 プローブカートリッジを用いた電気特性評価のフローチャートの例である。 荷電粒子線を照射して電気特性測定をする例を示す図である。 荷電粒子線の照射を照射しない状態で電気特性測定をする例を示す図である。 吸収電流画像の例を示す図である。 半導体装置の製造工程の内の前工程のフローの例を示す図である。 本発明の半導体装置の製造工程の例を示す図である。
　以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
　図１は、本発明の実施例である半導体装置の製造工程で用いることができる電気特性評価装置の一例を示している。電気特性評価装置１００は、真空チャンバー内に走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；以下、ＳＥＭと称する）鏡筒１０３と、ＳＥＭ観察を行うための検出器１０４と、試料ホルダ１０５に保持された試料１０１を搭載する試料ステージ１０２と、試料１０１に接触させ電気特性評価を行うプローブカートリッジ１０６と、プローブカートリッジ１０６を搭載し駆動させるためのプローブ駆動機構１０７と、プローブカートリッジ１０６の交換を行うためのプローブ交換機１１０と、ＳＥＭおよびプローブユニットを制御するための制御器１０８と、試料１０１やプローブカートリッジ１０６のＳＥＭ像を表示する表示装置１０９と、試料室１１３と、を備える。
　ＳＥＭ鏡筒１０３は、電子銃と、コンデンサーレンズと、可動絞りと、偏向器と、対物レンズと、を備える。電子銃は、一次電子線を発生させる電子源を備え、電子源の種類はフィラメント方式、ショットキー方式、またはフィールドエミッション方式のどれを用いても良い。また、偏向器は、一次電子線を偏向させ試料１０１上を走査するために用いられ、磁界偏向型あるいは静電偏向型が用いられる。一般的にＳＥＭ鏡筒１０３の対物レンズは、磁場による電子の集束作用を用いた磁界レンズが用いられる。検出器１０４は、図１のようにＳＥＭ鏡筒１０３の外部に搭載されたものでも良いし、ＳＥＭ鏡筒１０３の内部に搭載されたものでも良い。
　試料ステージ１０２は、モーターにより駆動され、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向に加え、傾斜やＺ軸を中心とした回転が可能である。なお、Ｘ軸およびＹ軸は水平方向であり、Ｚ軸はＸ軸およびＹ軸に直交する方向である。プローブ駆動機構１０７は、圧電素子を用いたものであり、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向にナノオーダーでプローブ１０６を駆動させることが可能である。
　プローブ交換機１１０は、予備のプローブカートリッジ１１２と、プローブ交換機構１１１と、を備える。また、プローブ交換機１１０は、予備排気系に接続されており、真空チャンバーである試料室１１３を大気に戻さない状態での、プローブカートリッジ１０６のプローブカートリッジ１１２への交換を可能にする。予め、プローブ交換機１１０に複数個の予備のプローブカートリッジ１１２を搭載し、さらに交換機構を自動制御することで、半導体素子や配線の電気特性評価の際のプローブカートリッジ交換の自動化が可能である。
　制御器１０８は、荷電粒子画像取得ユニット１１４ａと、電流電圧検出ユニット１１４ｂと、電流電圧画像取得ユニット１１４ｃと、制御コンピュータ１１４ｄと、を有する。荷電粒子画像取得ユニット１１４ａは、荷電粒子線であるＳＥＭ鏡筒１０３からの電子線を走査させながら試料１０１に照射したとき、試料１０１から放出される二次荷電粒子の検出器１０４による検出信号を取得し、その二次荷電粒子の検出信号と荷電粒子線である電子線を走査させる制御信号とに基づき、試料１０１の荷電粒子画像を生成し、取得する。なお、本実施例では荷電粒子線が電子線であるので、このようにして取得される荷電粒子画像は、ＳＥＭ画像と呼ばれる。
　電流電圧検出ユニット１１４ｂは、電流電圧検出回路、電流電圧源回路などによって構成され、試料室１１３内のプローブカートリッジ１０６のプローブのそれぞれに電気的に接続される。すなわち、電流電圧検出ユニット１１４ｂは、プローブカートリッジ１０６の各プローブが試料１０１に形成された電極パッドや配線に接触したとき、プローブカートリッジ１０６の各プローブによって検出される電流または電圧の値を取得するとともに、必要に応じて、プローブカートリッジ１０６の各プローブに対し、電流または電圧を供給する。
　電流電圧画像取得ユニット１１４ｃは、ＳＥＭ鏡筒１０３からの荷電粒子線である電子線を走査させながら試料１０１に照射したとき、電流電圧検出ユニット１１４ｂによって各プローブから得られる電流または電圧信号を取得し、その取得した電流または電圧信号と荷電粒子線を走査させる制御信号とに基づき、試料１０１の電流電圧画像を生成し、取得する。
　制御コンピュータ１１４ｄは、図示しない入力装置や記憶装置を含んで構成される。また、制御コンピュータ１１４ｄは、試料ステージ１０２、ＳＥＭ鏡筒１０３、検出器１０４、プローブ駆動機構１０７と、プローブ交換機１１０、荷電粒子画像取得ユニット１１４ａ、電流電圧検出ユニット１１４ｂ、電流電圧画像取得ユニット１１４ｃ、表示装置１０９などに接続され、それらを統括的に制御する。また、制御コンピュータ１１４ｄは、荷電粒子画像取得ユニット１１４ａにより取得された荷電粒子画像であるＳＥＭ画像、電流電圧画像取得ユニット１１４ｃにより取得された電流電圧画像、電流電圧検出ユニット１１４ｂにより取得された電流電圧のデータを、それぞれ取得し、表示装置１０９に表示する。
　図２は、本発明の実施例であるプローブモジュール２０１の概略図を示している。プローブモジュール２０１は、タングステンプローブ１２０と、タングステンプローブ１２０を保持するプローブホルダ１２１と、プローブ駆動機構１２２と、を有する。タングステンプローブ１２０とプローブホルダ１２１との組合せが、図１のプローブカートリッジ１０６に対応する。プローブ駆動機構１２２が、図１のプローブ駆動機構１０７に対応する。タングステンプローブ１２０の形状は先端ほど鋭く、先端の曲率はナノオーダーである。本実施例では、タングステンプローブ１２０の材質は、タングステンとするが、プローブ自体の材質をタングステンとする以外にも、タングステンをコーティングしたプローブとすることもできる。プローブ１２０の材質としては、タングステンベースの合金であるレニウムタングステン合金を用いることもできる。プローブ１２０の材質としてレニウムタングステン合金を用いることで、高い強度が得られ、より細く高寿命なプローブを得ることができる。また、タングステン以外の材料として、試料１０１の製造プロセスと親和性のある他の材料をプローブ自体の材質やプローブへのコーティングに用いることができる。例えば、チタンまたは白金をプローブへのコーティングに用いることができる。ここで、プローブに試料１０１の製造プロセスと親和性を持たせるには、例えば、試料１０１である半導体ウェハの製造工程で用いられる材料の内の一つと同種の材料をプローブの製造に用いる。半導体ウェハの製造工程で用いられる材料の例としては、銅、チタン、タングステン、白金、アルミニウム等を挙げることができる。半導体装置の製造工程に、図３５に示した、ステップＳ３５０１の半導体ウェハのスクライブ領域へのＴＥＧの電極パッド形成のステップと、続くステップＳ３５０２の該半導体ウェハの製造工程で用いられる材料の内の一つと同種の材料で製造されたプローブによる検査のステップを加えることで、プローブに試料１０１の製造プロセスと親和性を持たせることができる。さらに、プローブ先端の材料と、プローブ先端を接触させる試料１０１の電極パッドと、を同種の材料とすることで、プローブ先端を接触させて検査する際に、プローブ先端と試料１０１の表面に露出している材料とを同種の材料として、より親和性を高めることができる。例えば、プローブ先端の材料と試料１０１の電極パッドの材料をタングステンとすれば良い。これにより、プローブの接触による試料１０１の表面の汚染をさらに抑制することができる。プローブホルダ１２１やプローブ駆動機構１０７の外装は、電子顕微鏡起因の荷電粒子が当たっても帯電しないように導電性材料を用いて導電性を持たせる方が望ましい。
　図３は、試料１０１の例である、半導体ウェハ１３０の概略図を示している。半導体ウェハ１３０は、トランジスタや回路等で構成されるチップに対応するパターン１３１と、パターンとパターンの間の隙間であるスクライブ領域１３２と、を有する。スクライブ領域１３２には、チップに不良が無いかを確認するための検査用のＴＥＧが配置される。
　図４（ａ）はスクライブ領域１３２上に配置された電界効果トランジスタ（Ｆｅｉｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ；以下、ＦＥＴと称する）ＴＥＧの一例を示している。ＦＥＴＴＥＧ場合、ＦＥＴ１４０周辺に基板用の電極パッド１４１と、ゲート用の電極パッド１４２と、ドレイン用の電極パッド１４３と、ソース用の電極パッド１４４と、が配置される。ＦＥＴ１４０から各電極パッドへの回路パターン１４５には、金や銅などの電気伝導率の高い材質が用いられる。また、スクライブ領域１３２の幅は１００μｍ程度であり、ＴＥＧの各電極パッドはスクライブ領域１３２の幅以下の幅の中で配置される。
　図４（ｂ）は、スクライブ領域１３２上に多数配置された、図４（ａ）のものと比較して微小なＦＥＴＴＥＧを示している。微小ＦＥＴＴＥＧは微小な電極パッドが平坦な面上に配置されている。これらは、図４（ａ）の電極に比べ非常に小さいため、スクライブ領域１３２上に多数配置することが可能である。各電極パッド１４１～１４４のサイズは、タングステンプローブ１２０の先端と同程度の数ｎｍ～数十ｎｍまで微細化しても良いが、接触抵抗や接触位置精度を考慮したサイズにするのが望ましい。
　図５は図２のプローブモジュール２０１を用いてスクライブ領域１３２のＴＥＧの電気特性評価を行う場合の一例を示す図である。プローブモジュール２０１はプローブモジュール支持台１５０に扇状に搭載され、各々のタングステンプローブ１０６先端が近くなるように配置される。プローブモジュール２０１がプローブモジュール支持台１５０に扇状に搭載されることで、４本のタングステンプローブ１２０が扇状に配置され、４本のタングステンプローブ１２０の先端を互いに近づけることができ、高密度にＴＥＧの電極パッドを配置することができる。また、プローブモジュール支持台１５０はレール１５１に搭載される。基本的に各タングステンプローブ１２０先端の測定位置への相対位置の移動は、試料ステージ１０２により試料１０１を移動させることで行う。これは駆動部分から発生する塵を試料１０１である半導体ウェハ上に落とさないためであるが、塵受けを試料１０１である半導体ウェハとプローブモジュール支持台１５０間に設置することで、塵を防ぎつつプローブモジュール支持台１５０を移動させることも可能である。
　図６（ａ）は、図５に示した扇状のプローブモジュール配置に対応したＴＥＧの電極パッド配置の一例を示す図である。図６（ａ）に示したＴＥＧの電極パッド配置は、ＴＥＧの基板用の電極パッド１４１と、ゲート用の電極パッド１４２と、ドレイン用の電極パッド１４３と、ソース用の電極パッド１４４と、がコの字状に配置されていることにより、図５に示した扇状に配置されたプローブモジュールのタングステンプローブ１２０先端を、図６（ａ）に示したように扇状に近づけて配置した測定に適している。これにより、タングステンプローブ１２０の先端を互いに近づけることが可能になり、より高密度にＴＥＧの電極パッドを配置することができる。各タングステンプローブ１２０先端と、対応する電極パッドの接触は、ＳＥＭ鏡筒１０３および検出器１０４を用いたＳＥＭ観察によって、各タングステンプローブ１２０の対応する電極パッドへの接触による曲がりを検出することにより、検知することができる。図６（ｂ）および図６（ｃ）には、図６（ａ）に示した電極パッドの配置の変形例をそれぞれ示した。
　本実施例では、実施例１で説明したタングステンプローブ１２０の代わりに、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術で製造されたプローブ（以下、ＭＥＭＳプローブと称する）を用いる実施例を説明する。
　図７（ａ）および図７（ｂ）は、本実施例のプローブモジュール７０１を示す図である。図７（ａ）がプローブモジュール７０１の斜視図であり、図７（ｂ）がプローブモジュール７０１の試料１０１と面する側とは反対側の平面図である。
　図７（ａ）および図７（ｂ）に示したように、プローブモジュール７０１は、プローブ駆動機構７０２と、後述するＭＥＭＳプローブ９０１と、ＭＥＭＳプローブ９０１を保持するプローブホルダ７０３と、を有する。ＭＥＭＳプローブ９０１およびプローブホルダ７０３が、図１のプローブカートリッジ１０６に対応し、プローブ駆動機構７０２が、図１のプローブ駆動機構１０７に対応する。
　プローブ駆動機構７０２は、プローブカートリッジを搭載するためのカートリッジホルダ７０４を有する。また、プローブ駆動機構７０２は、プローブカートリッジと電気的に接合するための電極を持ち、プローブカートリッジ交換時に容易に電気的接続が可能である。
　図８（ａ）、図８（ｂ）、および図８（ｃ）は、本実施例のプローブカートリッジ８０１の概略図である。図８（ａ）は、プローブカートリッジ８０１の試料１０１と面する側とは反対側の斜視図である。図８（ｂ）および図８（ｃ）は、プローブカートリッジ８０１の試料１０１と面する側の斜視図である。
　上述のとおり、プローブカートリッジ８０１は、ＭＥＭＳプローブ９０１と、ＭＥＭＳプローブ９０１を保持するプローブホルダ７０３と、を有する。プローブホルダ７０３はＭＥＭＳプローブ９０１と電気的に接続されており、試料側の表面に配線パターンを持つ。ＭＥＭＳプローブ９０１の各プローブとホルダ７０３の対応する配線との電気的接続には、例えばワイヤボンディングを用いることができる。図８（ｂ）および図８（ｃ）に示した配線８０２ａ、配線８０２ｂ、配線８０２ｃ、配線８０２ｄ、配線８０２ｅ、および配線８０２ｆが、それぞれ対応するＭＥＭＳプローブ９０１のプローブに電気的に接続される。配線８０２ａは電極８０３ａに、配線８０２ｂは電極８０３ｂに、配線８０２ｃは電極８０３ｃに、配線８０２ｄは電極８０３ｄに、配線８０２ｅは電極８０３ｅに、配線８０２ｆは電極８０３ｆに、それぞれ接続されている。本実施例では、トランジスタの評価用のプローブのため、プローブは４つであるのに対して、配線が６本用意されている点については、後述する。
　また、プローブホルダ７０３は、配線８０４と、配線８０４に接続されている電極８０５と、を有する。配線８０４は後述するＭＥＭＳプローブ９０１の試料と面する側と反対側に設けられている導電体層と接続されている。これにより、ＳＥＭ観察の際のＭＥＭＳプローブ９０１のチャージアップを防ぐことができる。配線８０４とＭＥＭＳプローブ９０１とは、例えば半田によりＭＥＭＳプローブ９０１とホルダ７０３とを接合する際に、電気的に接続することができる。
　このように、プローブカートリッジ８０１は、プローブ駆動機構１０７への搭載時に、電気的に接続するための電極８０３ａ～ｆおよび電極８０５を有するので、電気特性評価中、プローブに磨耗や破損等の不良が発生した場合、プローブカートリッジ８０１を交換することで、容易に新しいプローブに交換可能である。
　以下、ＭＥＭＳプローブ９０１について説明する。図９は、本実施例のプローブであるＭＥＭＳプローブ９０１の全体斜視図である。図９は、分かりやすさのために、プローブがある側を上向きにして記載されている。図９に示すように、ＭＥＭＳプローブ９０１は、カンチレバー９０２と、カンチレバー９０２を支える本体部９０３と、を有する。本体部９０３は、シリコン支持基板９０４、埋め込み酸化膜９０５、およびシリコン層９０６の積層構造であるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板から形成されている。本体部９０３のシリコン層９０６の上には、電極９０７ａ、電極９０７ｂ、電極９０７ｃ、電極９０７ｄ、電極９０７ｅ、および電極９０７ｆが形成されている。電極９０７ａ～ｆは、例えば、タングステン電極である。電極９０７ａはプローブホルダ７０３の配線８０２ａと、電極９０７ｂはプローブホルダ７０３の配線８０２ｂと、電極９０７ｃはプローブホルダ７０３の配線８０２ｃと、電極９０７ｄはプローブホルダ７０３の配線８０２ｄと、電極９０７ｅはプローブホルダ７０３の配線８０２ｅと、電極９０７ｆはプローブホルダ７０３の配線８０２ｆと、それぞれ例えばワイヤボンディングで接続される。
　図１０にカンチレバー９０２の拡大図を示す。カンチレバー９０２上には、プローブ１００１ａと、プローブ１００１ｂと、プローブ１００１ｃと、プローブ１００１ｄと、が形成されている。カンチレバー９０２および本体部９０３のプローブ１００１ａ～ｄが形成されている面と反対側の面には、導電体層１００２が形成されている。導電体層１００２は、例えば、タングステン層である。導電体層１００２は、試料ホルダ１０５と電気的に接続され、ＳＥＭ鏡筒１０３からの電子線の照射によるＭＥＭＳプローブ９０１のチャージアップを抑制する。
　プローブ１００１ａ～ｄについて、ＭＥＭＳプローブ９０１の平面図である図１１を用いて説明する。プローブ１００１ａは、電極面１１０１ａおよび電極面１１０１ｂを有する。電極面１１０１ａおよび電極面１１０１ｂは、例えば、タングステンで形成されている。電極面１１０１ａは、配線１１０２ａに電気的に接続されている。配線１１０２ａは、電極９０７ａに電気的に接続されている。電極面１１０１ｂは、配線１１０２ｂに電気的に接続されている。配線１１０２ｂは、電極９０７ｂに電気的に接続されている。配線１１０２ａおよび配線１１０２ｂは、例えば、タングステンで形成されている。プローブ１００１ｂの電極面は、配線１１０３に電気的に接続されている。配線１１０３は、電極９０７ｃに電気的に接続されている。プローブ１００１ｂの電極面および配線１１０３は、例えば、タングステンで形成されている。プローブ１００１ｃの電極面は、配線１１０４に接続されている。配線１１０４は、電極９０７ｄに電気的に接続されている。プローブ１００１ｃの電極面および配線１１０４は、例えば、タングステンで形成されている。プローブ１００１ｄは、電極面１１０５ａおよび電極面１１０５ｂを有する。電極面１１０５ａおよび電極面１１０５ｂは、例えば、タングステンで形成されている。電極面１１０５ａは、配線１１０６ａに電気的に接続されている。配線１１０６ａは、電極９０７ｅに電気的に接続されている。電極面１１０５ｂは、配線１１０６ｂに電気的に接続されている。配線１１０６ｂは、電極９０７ｆに電気的に接続されている。配線１１０６ａおよび配線１１０６ｂは、例えば、タングステンで形成されている。本実施例では、試料１０１の電極パッドに接触する電極面の材料としてタングステンを用いているが、タングステン以外の材料として、試料１０１と親和性のある他の材料を用いることもできる。本実施例では、プローブ１００１ａ～ｄに設けられている各電極面が、実施例１のタングステンプローブ１２０の先端に相当する。したがって、本実施例では、プローブの先端は、プローブ１００１ａ～ｄに設けられている各電極面である。
　プローブ１００１ａは、電極パッドに接触した際に、電極面１１０１ａと電極面１１０１ｂの間の導通を検知することで、電極パッドへの接触センサとして働く。また、プローブ１００１ｄは、電極パッドに接触した際に、電極面１１０５ａと電極面１１０５ｂの間の導通を検知することで、電極パッドへの接触センサとして働く。
　図２８（ａ）および図２８（ｂ）は、プローブ１００１ｄがＴＥＧの電極パッド２８０１に接触した際の様子を示す概略図である。図２８（ａ）はカンチレバー９０２の側面から接触の様子を見た概略図であり、図２８（ｂ）は、図２８（ａ）の矢印２８０２の方向から見た接触の様子を示す図である。図２８（ａ）に示すように、プローブ１００１ｄの電極面１１０５ｂが電極パッド２８０１と接触した状態で、互いに平行となる。また、電極面１１０５ａと電極面１１０５ｂの間の導通を検知することで、電極パッド２８０１への接触を検知できる。さらに、電極パッドに対するプローブの接触強さは、各プローブの接触抵抗が予め決められた値以下であることを確認することで確保することができる。また、プローブ１００１ａとプローブ１００１ｄのそれぞれが、接触センサとして働くことで、プローブ１００１ａ～ｄのプローブ列と検査対象のウェハ面が平行になるように、試料ステージ１０２で試料１０１の表面の傾斜を調整でき、安定した検査を行うことができる。
　図１２は、図１１のＡ－Ａ’間の破線でのＭＥＭＳプローブ９０１の断面を示す図である。前述のように、本体部９０３は、シリコン支持基板９０４、埋め込み酸化膜９０５、およびシリコン層９０６のＳＯＩ基板から形成されている。本体部９０３の厚さは、主にシリコン支持基板９０４の厚さで調整される。また、前述のとおり、カンチレバー９０２および本体部９０３のプローブ１００１ａ～ｄが形成されている面と反対側の面には、導電体層１００２が形成されている。プローブ１００１ｂの電極面は、電極パッドに対してプローブ１００１ｂの電極面が電極パッドと平行な状態で接触するように、カンチレバー９０２に対して傾斜がある。プローブ１００１ａ、プローブ１００１ｃ、およびプローブ１００１ｄも、プローブ１００１ｂと同様に、それぞれの電極面はカンチレバー９０２に対して傾斜がある。プローブ１００１ｂは、配線１１０３に電気的に接続されている。
　本実施例のＭＥＭＳプローブ９０１の製造方法を、図１３と、図１４（ａ）～（ｍ）を用いて説明する。図１３は、ＭＥＭＳプローブ９０１の製造のフロー図である。図１４（ａ）～（ｍ）は、図１１のＡ－Ａ’間の破線での断面で、ＭＥＭＳプローブ９０１の製造工程を説明する図である。
　図１３のステップＳ１３０１では、図１４（ａ）に示すように、シリコン支持基板９０４、埋め込み酸化膜９０５、およびシリコン層９０６を有するＳＯＩ基板の両面に、熱酸化によってシリコン酸化膜１２０１とシリコン酸化膜１４０１が設けられ、さらにシリコン酸化膜１４０１上にフォトレジスト膜１４０２が設けられる。次に、ステップＳ１３０２では、図１４（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜１４０２をマスクとして、シリコン酸化膜１４０１がパターンニングされる。
　次に、ステップＳ１３０３では、Ｓ１３０２でパターンニングされたシリコン酸化膜１４０１をマスクとして、反応性イオンエッチングまたはウェットエッチングでシリコン層９０６をエッチングすることで、図１４（ｃ）に示すように、突起１４０３が形成される。図１４（ｃ）では、プローブ１００１ｂに対応する突起１４０３を示している。プローブ１００１ａ、プローブ１００１ｃ、およびプローブ１００１ｄのそれぞれに対応する突起も、突起１４０３と同様にステップＳ１３０３で形成される。次に、ステップＳ１３０４では、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いて、図１４（ｄ）に示したように、Ｓ１３０２でパターンニングされたシリコン酸化膜１４０１が除去される。
　次に、ステップＳ１３０５では、図１４（ｅ）に示したように、配線１１０３が形成される。具体的には、タングステン層をフォトレジストでパターンニングすることで、配線１１０３が形成される。また、ステップＳ１３０５では、配線１１０２ａ、配線１１０２ｂ、配線１１０４、配線１１０６ａ、配線１１０６ｂ、および電極９０７ａ～ｆも配線１１０３と同様に形成される。次に、ステップＳ１３０６では、カンチレバー９０２のパターンニングが行われる。カンチレバー９０２のパターンニングは、例えば、フォトリソグラフィーで行われる。
　次に、ステップＳ１３０７では、シリコン酸化膜１２０１をエッチングすることで、図１４（ｆ）に示したように、本体部９０３を形成するためのマスクが形成される。次に、ステップＳ１３０８では、カンチレバー９０２を保護するために、図１４（ｇ）に示したように、カンチレバー９０２側にフォトレジスト膜１４０４が形成される。
　次に、ステップＳ１３０９では、ステップＳ１３０７で形成されたマスクを利用したウェットエッチングによってシリコン支持基板９０４をエッチングすることで、図１４（ｈ）に示すように、本体部９０３が形成される。次にステップＳ１３１０では、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によって、図１４（ｉ）に示したように、本体部９０３を除く埋め込み酸化膜９０５と、シリコン酸化膜１２０１と、がエッチングによって除去される。
　次に、ステップＳ１３１１では、図１４（ｊ）に示したように、カンチレバー９０２および本体部９０３のプローブ１００１ａ～ｄが形成されている面と反対側の面に、導電体層１００２が形成される。次にステップＳ１３１２では、図１４（ｋ）に示したように、ステップＳ１３０８で形成されたフォトレジスト膜１４０４が除去される。
　次に、ステップＳ１３１３では、集束イオンビーム（ＦＩＢ）によって、突起１４０３の一部を削り落とすことで、図１４（ｌ）に示したように、突起１４０４にカンチレバー９０２に対して傾斜をつけた面１４０５が設けられる。プローブ１００１ａ、プローブ１００１ｃ、およびプローブ１００１ｄのそれぞれに対応する突起も、突起１４０３と同様にステップＳ１３１３で一部が削り落とされる。次に、ステップＳ１３１４で、集束イオンビームを用いた化学蒸着法（ＦＩＢ－ＣＶＤ）でタングステンを堆積することで、図１４（ｍ）に示したように、配線１１０３と電気的に接続されたプローブ１００１ｂの電極面が形成される。ここで、前述のとおり、傾斜の角度は、プローブ１００１ｂの電極面が、ＴＥＧの電極パッドと平行な状態で、ＴＥＧの電極パッドに接触するように設定する。プローブ１００１ａ、プローブ１００１ｃ、およびプローブ１００１ｄについても、プローブ１００１ｂと同様に、図１１に示した各電極面が形成される。
　以上で、本実施例のＭＥＭＳプローブ９０１を製造することができる。本実施例では、ＭＥＭＳ技術によるデバイスの製造によってＭＥＭＳプローブ９０１を製造するので、再現性良い製造が可能である。
　図１５に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図１５に示したように、カンチレバー９０２の破線で囲まれた領域１５０１の部分をＦＩＢによって削り落とすことで、ＳＥＭ鏡筒１０３および検出器１０４を用いたＳＥＭ観察でカンチレバーに隠れる面積を減少させることができる。
　図１６に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図１６に示したように、カンチレバー９０２の破線で囲まれた領域１６０１の部分をＦＩＢによって削り落として各プローブの間に切れ込みを入れることで、電極パッドの高さに違いがある場合でも、各プローブのカンチレバーのしなりで、確実に各プローブと電極パッドを接触させることができる。また、図１６のＭＥＭＳプローブでは、４つのプローブの全てで電極を２つ設けることで、各プローブの電極パッドへの接触を検出することを可能としている。
　図１７に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図１７に示したＭＥＭＳプローブでは、プローブの数を８つにすることで、インバータの検査を容易にすることができる。
　図１８に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図１８に示したＭＥＭＳプローブでは、２つのプローブの間隔であるＢ―Ｂ’間の距離を数ｍｍとして、配線の検査を容易にすることができる。配線パターンの評価は、配線の一端にプローブを接触させた状態で、ＳＥＭ鏡筒１０３から荷電粒子線である電子線を配線上に照射した際にプローブに流れ込む吸収電流に基づく吸収電流画像（吸収電圧画像を含む）を描写することで行うことができる。このため、プローブ間の距離は最大で数ｍｍ程度必要となる。プローブ間の距離を変えてＭＥＭＳプローブを作製することで、様々な幅の配線パターンに対応することが出来る。
　図１９に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図１９に示したＭＥＭＳプローブでは、プローブ１００４ａ～ｄは、共通の突起上に形成されている。これにより、プローブ１００４ａ～ｄの間隔を容易に狭くすることができ、電極パッドの配列のピッチが短い場合でも、検査することができる。プローブ１００４ａ～ｄの間隔は、例えば、数百ｎｍ～数十ミクロン程度にすることができる。
　図２０に、本実施例の変形例のＭＥＭＳプローブのカンチレバーの拡大図を示す。図２１は、図２０のプローブ１００１ｃとプローブ１００１ｃに接続されている配線を通る断面でのＭＥＭＳプローブの断面図である。図２０および図２１に示したＭＥＭＳプローブでは、カンチレバー９０２のシリコン層９０６にボロンをイオン注入した領域２００１を設けてピエゾ抵抗素子とすることで、カンチレバー９０２の試料に接触したことによる曲がりを検出することができる。したがって、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化からプローブの試料への接触を検知することができる。また、このときカンチレバー９０２に振動を与え、接触による共振周波数の変化から接触を感知することもできる。
　ボロンをイオン注入した領域２００１を設けることに伴い、ボロンをイオン注入した領域２００１とプローブ１００１ｃに接続されている配線を絶縁する絶縁体層２００２と、イオン注入した領域２００１と導電体層１００２とを絶縁する絶縁体層２００３と、が追加されている。絶縁体層２００２および絶縁体層２００３は、例えば、スパッタ蒸着によるシリコン酸化膜で形成することができる。また、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化の読み取りのために、絶縁体層２００２には、図２０に示したように、開口部２００４ａおよび開口部２００４ｂが設けられ、配線２００５ａおよび配線２００５ｂがボロンをイオン注入した領域２００１に接続されている。製造方法では、図１３に示したステップＳ１３０４の後に、ボロンをイオン注入した領域２００１を形成する工程を追加し、続いて、開口部２００４ａおよび開口部２００４ｂが設けられた絶縁体層２００２を形成する工程を追加する。さらにステップＳ１３１０の後に、絶縁体層２００３を設ける工程を追加する。
　ピエゾ抵抗素子で接触センサを実現する場合でも、図１１に示したように一つのプローブに２つの電極面を設けて、電極面の間の導通からパッドへの接触を検知する方式を併用しても良い。これにより、より確実に試料へのプローブの接触を検知することが可能となる。
　本実施例では、プローブホルダ７０３に取り付けられるＭＥＭＳプローブの別の実施例について説明する。
　図２２は、本実施例のプローブであるＭＥＭＳプローブ２２０１の全体斜視図である。図２２は、分かりやすさのために、プローブがある側を上向きにして記載されている。図２２に示すように、ＭＥＭＳプローブ２２０１は、金属プローブ２２０２ａと、金属プローブ２２０２ｂと、金属プローブ２２０２ｃと、金属プローブ２２０２ｄと、金属プローブ２２０２ａ～ｄを支える本体部２２０３と、を有する。
　本体部２２０３は、シリコン基板２２０４およびシリコン酸化膜２２０５を有する。本体部２２０３のシリコン酸化膜２２０５の上には、電極２２０６ａ、電極２２０６ｂ、電極２２０６ｃ、および電極２２０６ｄが形成されている。電極２２０６ａ～ｄは、例えば、タングステン電極である。電極２２０６ａ～ｄは、プローブホルダ７０３の配線８０２ａ～ｆの内の４つと、それぞれ例えばワイヤボンディングで接続される。
　図２３にＭＥＭＳプローブ２２０１の金属プローブ２２０２ａ～ｄ付近の平面図を示す。図２３に示すように、金属プローブ２２０２ａ～ｄは、それぞれの先端が互いに近づくように形成される。このように、金属プローブ２２０２ａ～ｄは、扇状に配列されている。金属プローブ２２０２ａ～ｄのそれぞれの先端が、ＴＥＧの電極パッドに接触される。金属プローブ２２０２ａ～ｄは、例えば、タングステンで形成されている。本実施例では、試料１０１の電極パッドに接触する金属プローブ２２０２ａ～ｄの材料としてタングステンを用いているが、タングステン以外の材料として、試料１０１と親和性のある他の材料を用いることもできる。
　金属プローブ２２０２ａは、配線２３０１ａに電気的に接続されている。配線２３０１ａは、電極２２０６ａに電気的に接続されている。金属プローブ２２０２ｂは、配線２３０１ｂに電気的に接続されている。配線２３０１ｂは、電極２２０６ｂに電気的に接続されている。金属プローブ２２０２ｃは、配線２３０１ｃに電気的に接続されている。配線２３０１ｃは、電極２２０６ｃに電気的に接続されている。金属プローブ２２０２ｄは、配線２３０１ｄに電気的に接続されている。配線２３０１ｄは、電極２２０６ｄに電気的に接続されている。配線２３０１ａ～ｄは、例えば、タングステンで形成されている。
　図２４は、図２３のＣ－Ｃ’間の破線でのＭＥＭＳプローブ２２０１の断面を示す図である。ＭＥＭＳプローブ２２０１では、前述のように、シリコン基板２２０４上にシリコン酸化膜２２０５が形成されている。絶縁層であるシリコン酸化膜２２０５上には、配線２３０１ｂが形成され、配線２３０１ｂと連続して金属プローブ２２０２ｂが形成されている。配線２３０１ａ、金属プローブ２２０２ａ、配線２３０１ｃ、金属プローブ２２０２ｃ、配線２３０１ｄ、および金属プローブ２２０２ｄも、配線２３０１ｂおよび金属プローブ２２０２ｂと同様に形成されている。また、本体部２２０３の金属プローブ２２０２ａ～ｄが形成されている面と反対側の面には、導電体層２４０１が形成されている。導電体層２４０１は、例えば、タングステン層である。導電体層２４０１は、金属プローブ２２０２ａ～ｄとは、電気的に接続されないように分離されている。
　図２５は、図２４の破線の円２４０２の部分を拡大した図である。図２５に示したように、シリコン酸化膜２２０５は、シリコン基板２２０４のエッジよりも奥まった位置にある。後述するように、導電体層２４０１をスパッタ蒸着等により形成する際に、導電体層２４０１は金属プローブ２２０２ａ～ｄおよび配線２３０１ａ～ｄとは、シリコン酸化膜２２０５の奥まった構造により分離される。導電体層２４０１は、例えば、タングステン層である。導電体層２４０１は、試料ホルダ１０５と電気的に接続され、ＳＥＭ鏡筒１０３からの電子線の照射によるＭＥＭＳプローブ２２０１のチャージアップを抑制する。なお、図２４では省略しているが、図２５に示したように、金属プローブ２２０２ａ～ｄのＴＥＧの電極パッドに接触する面とは反対側には、導電体層２４０１を形成する際に導電体層２５０１が形成される。
　本実施例のＭＥＭＳプローブ２２０１の製造方法を、図２６と、図２７（ａ）～（ｈ）を用いて説明する。図２６は、ＭＥＭＳプローブ２２０１の製造のフロー図である。図２７（ａ）～（ｈ）は、図２３のＣ－Ｃ’間の破線での断面で、ＭＥＭＳプローブ２２０１の製造工程を説明する図である。
　図２６のステップＳ２６０１では、図２７（ａ）に示すように、熱酸化によって、シリコン基板２２０４の一方の面にシリコン酸化膜２２０５が、他方の面にシリコン酸化膜２７０１が設けられる。
　次に、ステップＳ２６０２では、シリコン酸化膜２２０５の表面をアルゴンガス等を用いてスパッタエッチングする、またはシリコン酸化膜２２０５の表面に不純物イオンをイオン打ち込みすることにより、シリコン酸化膜２２０５の表面に改質層を導入する。これにより、後述するシリコン酸化膜２２０５の上への金属層の形成の際に、品質の高い金属層を形成することができ、品質の高い金属プローブ２２０２ａ～ｄを得ることができる。
　次に、ステップＳ２６０３では、シリコン酸化膜２２０５上に金属層を形成し、パターンニングすることで、図２７（ｂ）に示すように、金属プローブ２２０２ａ～ｄ、配線２３０１ａ～ｄ、および電極２２０６ａ～ｄを形成する。金属層は、例えば、タングステンのスパッタ蒸着により形成することができる。このとき、ステップＳ２６０２の改質層の導入により、シリコン酸化膜２２０５の表面は元素の結合手が存在する表面状態になっており、体心立方晶系構造のタングステンの核が形成され、体心立方晶系構造のタングステン層の形成が進むことが期待される。これにより、体心立方晶系構造のタングステンの大結晶粒が形成され、かつ粒界での異物の偏析が少なくなり、品質の高いタングステン層を形成することができる。
　次に、ステップＳ２６０４では、シリコン酸化膜２７０１をエッチングすることで、図２７（ｃ）に示したように、本体部２２０３を形成するためのマスクが形成される。次に、ステップＳ２６０５では、金属プローブ２２０２ａ～ｄを保護するために、図２７（ｄ）に示したように、金属プローブ２２０２ａ～ｄ側にフォトレジスト膜２７０２が形成される。次に、ステップＳ２６０６では、ステップＳ２６０４で形成されたマスクを利用し、ウェットエッチングによってシリコン基板２２０４をエッチングすることで、図２７（ｅ）に示すように、本体部２２０３が形成される。
　次にステップＳ２６０７では、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によって、図２７（ｆ）に示したように、本体部２２０３を除くシリコン酸化膜２２０５と、シリコン酸化膜２７０１と、がエッチングされて除去される。ステップＳ２６０７でのシリコン酸化膜２２０５のエッチングの際に、図２５に示したように、シリコン酸化膜２２０５が、シリコン基板２２０４のエッジよりも奥まった位置になるように、エッチングを進行させる。
　次に、ステップＳ２６０８では、図２７（ｇ）に示したように、金属プローブ２２０２ａ～ｄが形成されている面とは反対側の面に、導電体層２４０１が形成される。導電体層２４０１は、例えば、タングステンのスパッタ蒸着により形成することができる。導電体層２４０１の厚さは、シリコン酸化膜２２０５の厚さよりも薄くする。導電体層２４０１をスパッタ蒸着等により形成する際に、導電体層２４０１は、金属プローブ２２０２ａ～ｄおよび配線２３０１ａ～ｄとは、シリコン酸化膜２２０５がシリコン基板２２０４のエッジよりも奥まった部分には蒸着が進まないことより、電気的に分離される。次にステップＳ２６０９では、図２７（ｈ）に示したように、ステップＳ２６０５で形成されたフォトレジスト膜２７０２が除去される。
　以上で、本実施例のＭＥＭＳプローブ２２０１を製造することができる。本実施例では、ＭＥＭＳ技術によるデバイスの製造によってＭＥＭＳプローブ２２０１を製造するので、再現性良い製造が可能である。
　本実施例では、図２９（ａ）および図２９（ｂ）を用いて、実施例１～３のプローブのアレイに対応したＦＥＴＴＥＧのレイアウトの例を示す。
　図２９（ａ）に示したＦＥＴＴＥＧのレイアウトの例では、ＦＥＴＴＥＧの電極パッドは横方向に延在するＸ方向のスクライブ領域１３２と縦方向に延在するＹ方向のスクライブ領域１３２において、各々のスクライブ領域１３２に沿った方向で電極パッドが配置されている。例えば、Ｘ方向のスクライブ領域１３２にあるＦＥＴＴＥＧの電極パッド群２９０１ａとＹ方向のスクライブ領域１３２にあるＦＥＴＴＥＧの電極パッド群２９０１ｂとは、互いに直交する方向にレイアウトされている。
　また、図２９（ｂ）では、ＦＥＴＴＥＧの電極パッドがすべて横方向に延在するＸ方向のスクライブ領域１３２に沿って配置されている。例えば、Ｘ方向のスクライブ領域１３２にあるＦＥＴＴＥＧの電極パッド群２９０１ｃと縦方向に延在するＹ方向のスクライブ領域１３２にあるＦＥＴＴＥＧの電極パッド群２９０１ｄとは、同じ方向にレイアウトされている。なお、図２９（ｂ）においては、Ｙ方向のスクライブ領域幅に１つのＦＥＴＴＥＧが配置されているが、より微小な電極パッドとすることでＹ方向のスクライブ領域幅に複数のＦＥＴＴＥＧを配置しても良い。図２９（ｂ）に示したＦＥＴＴＥＧの電極パッドの配列は全て同じ方向であるため、試料１０１に対するプローブカートリッジ１０６の方向を変えることなく、Ｘ方向およびＹ方向のスクライブ領域１３２のＦＥＴＴＥＧを連続して評価することが可能である。これにより、半導体装置の製造を効率的に行うことができる。
　本実施例では、実施例１～３のプローブカートリッジ１０６の各プローブの検査の例について述べる。図３０は、プローブカートリッジ１０６の各プローブの正常度確認用電極パッド３００１の概略図を示している。プローブの正常度確認用電極パッド３００１はスクライブ領域１３２に配置され、各プローブの先端位置に合わせて配置される。各電極パッド３００１は配線３００２で電気的に連結されている。プローブカートリッジ１０６の各プローブの正常度の確認は、各電極パッド３００１に各プローブを接触させた状態で、何れか１つのプローブに電圧を印加した際に、他のプローブに流れる電流値を測定することで実現できる。本実施例のプローブの正常度の確認は、ＴＥＧの電気特性評価を行う前に、各プローブの異常やプローブカートリッジ１０６の搭載不良が無いかを確認するためのものである。
　本実施例では、実施例１～３のプローブカートリッジ１０６を用いた電気特性評価のフローの例を示す。図３１は、プローブカートリッジ１０６を用いた電気特性評価のフローチャートの例を示している。
　以下、評価手順を説明する。最初に、ステップＳ３１０１では、プローブ交換機１１０により、プローブ駆動機構１０７へのプローブカートリッジ１０６の取付けまたはプローブカートリッジ１０６の交換が行われる。なお、プローブカートリッジ１０６の取り付けまたは交換は、プローブカートリッジ交換位置にプローブ駆動機構１０７を移動した状態で行われる。
　次に、ステップＳ３１０２では、プローブカートリッジ１０６が正常に取り付けられているかを確認し、測定可能な状態かを判断する。プローブカートリッジ１０６が正常に取り付けられているかの判断は、プローブ駆動機構１０７に設置されたプローブカートリッジ１０６との接触確認用のセンサにより行われる。ここで、プローブカートリッジ１０６の取付けが異常な場合は、ステップＳ３１０１に戻り、プローブカートリッジ１０６の交換が行われる。
　正常な場合は、ステップＳ３１０３で、プローブ駆動機構１０７を交換位置から測定位置に移動させ、続いて、プローブ先端が電気特性評価を行うＴＥＧのあるスクライブ領域１３２に来るよう、試料ステージ１０２を移動させる。
　続いて、ステップＳ３１０４で、プローブの正常度確認用の電極パッド３００１に対して、取り付けられた各プローブを接触させ、プローブの状態の確認を行う。このとき、各プローブの電極パッド３００１への接触は、試料ステージ１０２の移動あるいはプローブ駆動機構１０７の粗動により、ある程度電極パッド３００１と各プローブを近づけた後、プローブ駆動機構１０７の微動により行うことができる。プローブ先端と電極パッドの接触確認方法は、各プローブの形状変化をＳＥＭ画像で確認する方法、各プローブに取り付けられた接触センサにより感知する方法、または接触時に各プローブに流れる微弱な電流から判断する方法などがあるがどの方法を用いても良い。正常度確認の結果、プローブに問題がある場合、ステップＳ３１０１のプローブカートリッジ１０６の交換に戻る。
　プローブが正常な場合には、ステップＳ３１０５に進み、電気特性評価装置１００は、スクライブ領域１３２のＴＥＧの各電極パッドに対し、取り付けられた各プローブを接触させ、ＴＥＧの評価を行う。ステップＳ３１０５でも、接触確認用の電極パッド３００１への接触方法と同様の方法で、電気特性評価装置１００は、各プローブをＴＥＧの電極パッドに接触させる。接触が確認された後に、電気特性評価装置１００は、素子の電気特性評価を行う。電気特性評価が完了したら、電気特性評価装置１００は、プローブをプローブ駆動機構１０７により接触させていた電極パッドから退避させ、次の測定位置に移動する。次の測定位置が前回測定位置から遠い場合は、試料ステージ１０２を移動させる必要があるが、測定位置が近い場合は、プローブ駆動機構１０７によりプローブ１０６を移動させることで、次の測定に移行することができる。
　続いて、ステップＳ３１０６では、電気特性評価装置１００は、測定を終了するか否かのオペレータからの入力を待つ。終了しないことが選択された場合には、ステップＳ３１０３へ戻る。
　本実施例では、試料ホルダ１０５の例について説明する。試料ホルダ１０５に保持される試料１０１である半導体ウェハは、できるだけ汚染を避ける必要がある。通常、半導体ウェハは、メカニカルな方式により保持されるが、本実施例では、静電チャック可能な試料ホルダ１０５となっていて、静電チャックにより試料１０１である半導体ウェハを試料ホルダ１０５で保持することで汚染が軽減される。
　ここで、静電チャックされることにより、試料１０１である半導体ウェハへ常に電圧がかかっている状態となり、そのままでは電気特性評価装置１００の各プローブを接触させて素子や配線の電気特性を測定する際の弊害となってしまう。そこで本実施例では、電気特性評価装置１００のプローブに試料１０１である半導体ウェハと同じ電圧をかけるか、または、試料１０１に対し、静電チャックによりかけられる電圧値とは反対の方向である負の方向へ同じ値の電圧をかけることで電圧を相殺し、電気特性の測定ができるようにする。
　電気特性評価装置１００での測定方式には、吸収電流測定の方式と電気特性測定の方式とがある。図３２（ａ）および図３２（ｂ）は、プローブ先端を試料１０１に接触させてのプロービングによる電気的測定方法の例を示した図である。図３２（ａ）は、ＳＥＭ鏡筒１０３からの荷電粒子線３２０１の吸収電流を測定する例であり、図３２（ｂ）は、荷電粒子線３２０１を照射しないでＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタの特性を測定する例である。
　図３２（ａ）の例では、試料１０１である半導体ウェハ上に形成された導電性の配線３２０２の一端に電気特性評価装置１００のプローブ３２０３の先端を接触させ、プローブ３２０３を接地するとともに、プローブ３２０３と接地点の間には電流計３２０４が設けられている。この状態で、ＳＥＭ鏡筒１０３から細く集束させた荷電粒子線３２０１を配線３２０２の上に照射すると、電流計３２０４の出力に基づいて、配線３２０１による荷電粒子線３２０１のいわゆる吸収電流を測定することができる。
　なお、電流計３２０４は、電流電圧検出ユニット１１４ｂに含まれる構成要素であり、具体的には、吸収電流に対応する電圧を検出する回路と、その電圧を増幅する増幅回路などによって構成される。そして、その増幅回路によって増幅された電圧の値は、適宜、ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　Ｄｉｇｉｔａｌ）変換され、制御コンピュータ１１４ｄに読み取られる。
　吸収電流は、配線３２０２が荷電粒子線３２０１を吸収した電荷に基づく電流であり、一般的には、単位時間当たりに、荷電粒子線３２０１によって配線３２０２に供給される電荷量（ビーム電流）から、配線３２０２から反射または放出される荷電粒子の電荷量を差し引いた値に相当する。従って、電流計３２０４で吸収電流を測定することにより、荷電粒子線３２０１の照射位置からプローブ３２０３の接触位置までの導通の有無を知ることができる。
　荷電粒子線３２０１は、薄い絶縁層などは貫通することができるので、配線３２０２が絶縁層などで覆われていても、荷電粒子線３２０１が届く範囲内で、その下層の配線についても吸収電流を検出することができる。さらに、２つのプローブ３２０３を異なる位置の配線に接触させれば（図示を省略）、少なくとも一方のプローブ３２０３で吸収電流を測定することにより、２つのプローブ３２０３をつなぐ配線における抵抗値の分布を得ることもできる。
　また、図３２（ｂ）に示すように、試料１０１である半導体ウェハ上に複数の（例えば、４つの）プローブ３２０５ａ～ｄを接触させた場合には、荷電粒子線３２０１を照射しない状態で、試料１０１である半導体ウェハに形成された素子（例えば、ＭＯＳトランジスタ素子）などの動作特性を取得することができる。
　図３２（ｂ）の例では、プローブ３２０５ａをソース領域３２０６に接触させ、プローブ３２０５ｂをゲート電極３２０７に接触させ、プローブ３２０５ｃをドレイン領域３２０８に接触させ、プローブ３２０５ｄを基板（サブストレート）領域３２０９に接触させている。したがって、それぞれのプローブ３２０５ａ～ｄに適宜電圧を印加し、例えば、プローブ３２０５ａ－プローブ３２０５ｃ間に流れる電流を測定すれば、ソース－ドレイン電流のゲート電圧特性などを取得することができる。図３２（ｂ）では、素子に直接にプローブ３２０５ａ～ｄを接触させる例を示したが、素子に接続された電極パッドにプローブ３２０５ａ～ｄを接触させる場合でも、荷電粒子線３２０１を照射しない状態で、試料１０１である半導体ウェハに形成された素子（例えば、ＭＯＳトランジスタ素子）などの動作特性を取得することができる。
　図３３は、吸収電流の測定に基づき得られる吸収電流画像（電流電圧画像）の例を示した図である。図３３の吸収電流画像３３０１には、電気特性評価装置１００のプローブ３３０２の先端部の像、プローブ３３０２が接触したパッド電極の像３３０３、最上層の配線の像３３０４、絶縁層の下層の配線の像３３０５の例が示されている。図３３に示したように、吸収電流画像３３０１においては、プローブ３３０２と導通のある配線や素子については、何らかの像、ここではパッド電極の像３３０３、最上層の配線の像３３０４、および絶縁層の下層の配線の像３３０５が取得され、導通のない配線や素子については、何らの像も取得されない。
　さらに、吸収電流画像３３０１においては、ＳＥＭ鏡筒１０３からの荷電粒子線が絶縁層を貫通して到達可能な限り、絶縁層の下層の配線であっても、吸収電流の像（下層の配線の像３３０５）を得ることができる。したがって、吸収電流画像３３０１では、ＳＥＭ画像など荷電粒子画像では観察することのできない、絶縁層下における配線構造を非破壊で観察することができる。吸収電流画像３３０１は、表示装置１０９に表示させることができる。
　吸収電流取得時は、測定する試料１０１である半導体ウェハ上は、電圧が０Ｖの状態でなければ測定はできない。前述したように静電チャックで試料１０１である半導体ウェハを固定していることにより、試料表面に＋Ｖ（Ｖ）の電圧がかかっている場合には、試料表面に対し、－Ｖ（Ｖ）の電流をかけることで、電圧を相殺し、試料表面の測定部位では見かけ上０Ｖとすることで、吸収電流を測定することができる。
　また、電気特性を測定する際も同様の方法で測定をすることができるが、電気特性測定の場合、通常２本のプローブをそれぞれ測定位置に接触させ、２本のプローブ間に１Ｖの電位差をかけることで電流を流し、電気特性が評価される。したがって、例えば＋Ｖ（Ｖ）の電圧が試料１０１である半導体ウェハ上面にかかっていた場合、一方のプローブにも＋Ｖ（Ｖ）の電圧をかけ、もう一方のポローブには、さらに１Ｖ追加して、＋Ｖ＋１（Ｖ）の電圧をかけた状態とすることで、電気特性の評価が可能になる。
　本実施例では、前述の実施例１～８を半導体装置の製造に適用する例を示す。図３４は、半導体装置の製造工程の内の前工程のフローの例を示す図である。
　最初に、ステップＳ３４０１で、半導体の材料となるインゴットを引き上げる。続いて、ステップＳ３４０２で、インゴットをダイヤモンドブレード等を用いて切断し、ウェハを得る。次に、ステップＳ３４０３で、ウェハの研磨を行い、ステップＳ３４０４で、ウェハを高温の拡散炉の中に入れ、酸化性雰囲気にさらし、ウェハ表面に酸化膜を形成させる。この酸化膜は、回路パターンを焼き付けるために必要となる。
　続いて、ステップＳ３４０５で、酸化膜が形成されたウェハ上にフォトレジストを塗布する。次に、ステップＳ３４０６で、ウェハ表面へのパターンの形成を実施する。続いて、ステップＳ３４０７で、エッチングを実施することで不要な酸化膜の除去をする。続いて、ステップＳ３４０８で、エッチング後に不要になったフォトレジストを酸化プラズマにより除去し、洗浄装置でウェーハを薬液に浸して、ウェーハ上に残る不純物の除去をする。
　次に、ステップＳ３４０９で、ＣＶＤ装置等を用いて酸化膜を堆積させ、層間絶縁膜を形成させる。続いて、ステップＳ３４１０で、熱酸化法でゲート絶縁膜を形成後、表面を窒化させ、その上にＣＶＤ法を用いてゲート膜を形成する。そして、パターン形成を行いゲート電極を形成後、イオン注入法により不純物元素をシリコン基板に注入し、更に高温拡散により不純物を均一に拡散させてソースドレイン領域を形成させる。
　続いて、ステップＳ３４１１で、ＣＶＤ法で酸化膜を堆積させ、ＣＭＰ装置で研磨をし表面を平坦化する。そして、コンタクトホールレジストパターンをマスクにエッチング処理を行い、絶縁膜にコンタクトホールを形成する。ここにＣＶＤ法にて金属膜を埋め込み、余分な膜はＣＭＰ研磨で除去する。続いて、ステップＳ３４１２で、ＣＶＤ法で再び絶縁膜を形成し、パターン形成を行い、配線となる部分（トレンチ）を形成させる。このトレンチに金属膜を埋め込み、余分な膜は研磨し除去する。これを繰り返すことで多層配線を形成させる。そして、フォトレジストの塗布のステップＳ３４０５から多層配線形成のステップ３４１２の工程を適宜繰り返し行うことで、多層配線の半導体ウェハを完成させることとなる。
　多層配線の半導体ウェハの完成後、ステップＳ３４１３で、ウェハ検査を実施し、良品であれば、多層配線の半導体ウェハは半導体装置の製造の後工程に送られる。ステップＳ３４１３での前工程における検査では、ウェハの中の一つ一つのＬＳＩチップにプローバ針を当て、繋いだテスターと通信し、チップの良・不良を判別する。半導体製造の後工程については図示しないが、一般的にはウェハをＬＳＩチップ毎に切断し、切断されたチップを金属のリードフレームに固定し、チップとリードフレームは微細な線材で繋がれ、その後パッケージ、印字され、最終検査し、半導体製品として完成となる。
　ここで、ウェハを前工程まで完了した後、ステップＳ３４１３で検査し、不良を発見してもそのウェハは廃棄せざるを得ない。特許文献１～３で示されている従前のナノプローバによる検査を実施するにしても、不良箇所を特定し、測定するために、前工程を完了したウェハを研磨し、ＬＳＩチップ内の配線を露出させながらの測定となるため、結局は検査したウェハを廃棄せざるを得ない。また、ウェハを検査する際、ウェハを汚染してしまっては、製品としての価値が失われてしまい、その損失は大きい。
　ここで、実施例１～７で示した装置または方法を用いて、測定や検査を実施する場合、プローブがタングステンなどの試料１０１である半導体ウェハと親和性のある材料で製造されているので、ウェハの汚染を著しく低減させることが可能となる。そのため、前述したフォトレジストの塗布のステップＳ３４０５から多層配線形成のステップ３４１２の工程の適宜の繰り返し作業の途中途中で、半導体ウェハを電気特性評価装置１００へ投入し、不良解析を行うことが可能となる。これにより、各レイヤの製造工程で、電気特性や吸収電流像を取得することで、工程の途中で発生した製造装置や材料等の起因による不具合を早期にフィードバックし、不良ウェハの数を減らすことが可能になる。例えば、図３２（ａ）、図３２（ｂ）および図３３に示した方法で、トランジスタ層の生産工程において、異なる拡散層エリア間の絶縁抵抗値の確認を実施したり、ゲート部の端部と端部の抵抗値を測定することにより空間的な製造の良し悪しを電気的に確認することが可能である。これらは、これまでは、測長ＳＥＭにのみ可能な作業であったが、測長ＳＥＭの工程の後に、電気特性評価装置１００によるチェック工程を新たに追加することにより、空間的な製造の確認を電気特性の取得によっても行うことで、更に、製造工程の信頼度を上げることができる。空間的なチェックの他に、図３２（ａ）および図３２（ｂ）に示した方法で、半導体のＰＮジャンクションの電気特性取得や、ゲートの他エリアとの絶縁性能の確認を行うことにより、外観形状から判らない電気的な不具合を見つけだすことが可能である。トランジスタ層以外の配線層に至っては、電気特性評価装置１００により、単純の配線端部と端部間の抵抗測定や配線間の抵抗測定により、電気的な配線層の導通や絶縁の確認を行うことが可能である。また、吸収電流像を取得することにより、配線の断線や配線間のショートなどの不良箇所を画像として見つけることが可能である。これは、測長ＳＥＭで線幅の確認を行うよりも、電気特性評価装置１００によって、電気的な接続を画像として確認できるという意味でデバイス生産工程の信頼度を向上させるものである。
　このように、測長ＳＥＭによる各レイヤ生成工程時の空間的な確認と電気特性評価装置１００による電気的な確認を各生産工程に入れることにより、後続ロットへのフィードバックが迅速に行われることにより、全体としてのウェハの歩留まりが向上し、生産原価も下げることができる。従来は、ウェハが完成し、何らかの不良が判明した後に、不良解析するために、研磨しながら確認作業をおこなうため、完成したウェハを廃棄せざるを得なかったが、上述した実施形態によれば、電気特性評価装置１００を生産工程へ投入し、且つウェハへの汚染を回避させることが可能となり、半導体装置の製造工程の内の前工程の多くの場面での欠陥解析の効率を向上させることが可能となる。
　１００：電気特性評価装置、１０１：試料、１０２：試料ステージ、１０３：ＳＥＭ鏡筒、１０４：検出器、１０５：試料ホルダ、１０６：プローブカートリッジ、１０７：プローブ駆動機構、１０８：制御器、１０９：表示装置、１１０：プローブ交換機、１３２：スクライブ領域、１４１：基板用の電極パッド、１４２：ゲート用の電極パッド、１４３：ドレイン用の電極パッド、１４４：ソース用の電極パッド、９０１：ＭＥＭＳプローブ、２２０１：ＭＥＭＳプローブ。

Claims (12)

  1. 　電子源と、
    　複数のプローブと、を有し、
    　前記複数のプローブは、扇状に配列されていることを特徴とする半導体装置の評価装置。
  2. 　請求項１に記載の半導体装置の評価装置において、
    　前記プローブを４本有することを特徴とする半導体装置の評価装置。
  3. 　請求項２に記載の半導体装置の評価装置において、
    　前記４本プローブの先端は、扇状に配列されていることを特徴とする半導体装置の評価装置。
  4. 　請求項１に記載の半導体装置の評価装置において、
    　前記複数のプローブはタングステンプローブであることを特徴とする半導体装置の評価装置。
  5. 　請求項１に記載の半導体装置の評価装置において、
    　試料ホルダを有し、
    　前記試料ホルダは、静電チャックで半導体ウェハを固定することを特徴とする半導体装置の評価装置。
  6. 　電子源と、
    　カンチレバーの一方の面に、第１の金属の面を有する突起および前記第１の金属の面に接続されている第１の配線を有し、前記カンチレバーの他方の面に、導電層を有するプローブと、を備えることを特徴とする半導体装置の評価装置。
  7. 　請求項６に記載の半導体装置の評価装置において、
    　前記突起は、前記第１の金属の面と電気的に分離した第２の金属の面と、前記第２の金属の面に接続されている第２の配線と、を有することを特徴とする半導体装置の評価装置。
  8. 　請求項７に記載の半導体装置の評価装置において、
    　前記第１および第２の金属の面は、一つの電極パッドに接触することを特徴とする半導体装置の評価装置。
  9. 　請求項７に記載の半導体装置の評価装置において、
    　前記突起は、前記第１および第２の金属の面と電気的に分離した第３の金属の面と、前記第３の金属の面に接続されている第３の配線と、を有することを特徴とする半導体装置の評価装置。
  10. 　請求項６に記載の半導体装置の評価装置において、
    　前記カンチレバーにピエゾ抵抗素子が形成されていることを特徴とする半導体装置の評価装置。
  11. 　請求項６に記載の半導体装置の評価装置において、
    　前記金属はタングステンであることを特徴とする半導体装置の評価装置。
  12. 　請求項６に記載の半導体装置の評価装置において、
    　試料ホルダを有し、
    　前記試料ホルダは、静電チャックで半導体ウェハを固定することを特徴とする半導体装置の評価装置。
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