JPH0926436A - 電子素子評価装置 - Google Patents

電子素子評価装置

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JPH0926436A
JPH0926436A JP17461295A JP17461295A JPH0926436A JP H0926436 A JPH0926436 A JP H0926436A JP 17461295 A JP17461295 A JP 17461295A JP 17461295 A JP17461295 A JP 17461295A JP H0926436 A JPH0926436 A JP H0926436A
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JP
Japan
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probes
probe
sample
azimuth angle
contact
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Application number
JP17461295A
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English (en)
Inventor
Takeshi Hasegawa
剛 長谷川
Shigeyuki Hosoki
茂行 細木
Takahisa Doi
隆久 土井
Makiko Kono
真貴子 河野
Satoshi Tomimatsu
聡 富松
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】実デバイス上のサブミクロン領域に形成され
た、特定素回路の特性評価を可能にする。 【構成】鋭利な先端を有する複数(n)本の探針を、試
料表面の法線から傾け(30〜60°)、かつ方位角3
0°以上の間隔で配置するようにした。 【効果】サブミクロン領域に同時に複数の探針を接触さ
せられるため、実デバイス上での回路素子の特性解析が
可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子素子の特性を評価
する装置に係わる。
【0002】
【従来の技術】従来電子素子の特性評価は、プローバと
呼ばれる装置を用いて行われていた。例えば、半導体計
測評価事典(サイエンスフォーラム社)第544頁にそ
の例が記載されている。この方法では、プローブと呼ば
れる探針を試料表面上に形成されたボンディングパッド
と呼ばれる電極にあて、電子素子の特定部分との電気的
接触をはかる。例えば、2本の探針を用いることによっ
て、回路の特定部分の電流電圧特性などの素子特性を評
価することができる。この方法では、一辺100μm程
度のボンディングパッドが表面上に形成された、評価用
の試料(TestElement Group:TEG)を予め用意する
必要があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前記従来の方法では、
測定のための一辺100μm程度のボンディングパッド
を試料表面上にあらかじめ形成する必要があった。すな
わち、光学顕微鏡で容易に位置合わせができ、かつ探針
を乗せるだけで確実に電気的接触をとることができる測
定用の電極(ボンディングパッド)が必要だったのであ
る。しかし、電子素子の微細化が進むにつれて(例え
ば、16メガDRAMでは0.5μm 線幅の微細加工技
術が用いられている。)、その微細化ゆえに現れる不良
が顕著になってきた。
【0004】このような不良は、素子形成プロセスの微
妙な条件の違いで現れることが多い。ところが、TEG
は一辺100μm程度のボンディングパッドを形成する
必要があるため、形成プロセス及び構造自体が実デバイ
スと完全には一致していない。そのため、解析すべき不
良が現れないことがある。即ち、従来のプローバでは、
実デバイスを測定することができないため、目的とする
不良解析が行えないという問題が発生していた。これを
解決するためには、実デバイス上の微小な領域に(〜0.
1μm)に複数の探針を接触させる必要があった。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
には、従来のプローバにおいて探針の先端を鋭利(曲率
半径10nm〜1μm程度)にすれば良いだけでない。
従来のプローバでは、支持部材30の先端に設置された
探針31をボンディングパッドに接触させていた。この
探針の先端を鋭くすることによって、一本の探針の先端
を微小領域に接触させることは可能である。しかし、複
数の探針を微小領域に接触させようとすると、探針同士
が先端部以外の部分で先に接触してしまう。その結果、
試料の微小領域に複数の探針を接触させることができな
かった。これは、従来法では、先に述べた操作性と信頼
性の問題から、先端の鈍い探針を試料表面にほぼ垂直に
接触させていたことに問題があることが分かった。すな
わち、試料の微小領域に複数の探針を接触させるために
は、以下に述べる手段が必要であることが本発明により
明らかになった。
【0006】本発明では、探針の中心軸を測定試料表面
の法線方向からずらすようにした。そのずれθを、30
〜60°の範囲に設定した。
【0007】また、複数(n本)の探針を、試料を中心
として方位角30°以上の間隔で配置するようにした。
なお、方位角を2π/nにすると、探針間の接触点間距
離を最も小さくできる。
【0008】なお、法線とは試料表面に垂直な線のこと
であり、方位角φとは、試料表面上に探針を投影した場
合のある基準線からの角度である(図3参照)。
【0009】
【作用】本発明では、探針の中心軸を測定試料表面の法
線からずらし、かつ方位角30°以上の間隔で探針を配置
したので、探針同士が接触することなく、試料表面上の
微小な領域に複数の探針を接触させることができる。
【0010】
【実施例】本発明の一実施例を図1を用いて説明する。
図1は、本発明の主要部を真上から見た図である。測定
試料1を中心にして、3本の探針2〜4が方位角120
°(2π/3ラジアン)の間隔で配置されている。それ
ぞれの探針は探針移動機構5〜7により移動させられ、
試料の目的とする位置に探針先端部を接触させられるよ
うになっている。それぞれの探針は、評価・測定部8と
電気的に結合されており、電圧の印加や各探針間を流れ
る電流の計測などが行えるようになっている。
【0011】図2は、本発明の主要部を横から見た図
(図1において探針2側から見た図、探針2は省略)で
ある。2本の探針3,4が、試料1の特定の場所に、試
料に対して斜め方向から接触していることがわかる。本
発明ではこのように先端の鋭利な探針の中心軸9,10
を試料に対して斜め方向に設定することによって、微小
領域に複数の探針を接触させられるようにしている。
【0012】このような探針の配置にする理由を、次に
説明する。探針の先端をいくら鋭利なものにしても、ナ
ノメーターレベルでは有限な大きさになる。さらに先端
部から離れるにしたがって、その大きさ(径)は大きく
なる。探針先端を試料表面に接触させても探針を破損さ
せないために、探針の根元の径rは少なくともミクロン
オーダーにならざるを得ない。例えば、図4に示すよう
に探針を表面に垂直に配置してしまうと、探針の先端2
0,21がいくら鋭利でも、探針22,23間の距離は
探針の根元の径r以下にはできない。すなわち、接触点
間距離dはr以下にはならない。探針の根元の径rは少
なくともミクロンオーダーにならざるを得ないから、探
針を試料に対して垂直に接触させると、接触点間距離は
ミクロンオーダーより小さくならない。このため、図2
に示すように斜め方向から探針を試料に接触させる必要
があるのである。
【0013】なお、従来法でも操作上の問題から、試料
に対して斜め方向から探針の接触をはかっているが、そ
れは探針を支持する部分30(図5参照)のことであっ
て、先端部31のことではないことに注意願いたい。
【0014】以上、探針をマクロスコピックにとらえて
説明したが、複数の探針を0.1μm程度の領域に接触さ
せようとした場合、本発明の重要性がより顕著になる。
【0015】探針先端がいかに鋭くとも、原子レベルで
見ればその最先端部の形状は球状に近い(図6参照)。
原子が一列に積み上がったような探針(図7参照)は現
実には存在しないし、あったとしても探針先端を試料表
面に接触させるには強度的に問題がある。
【0016】以下、簡単のため探針先端の形状を放物線
を仮定して説明する。探針の中心軸を試料の法線に一致
させては探針同志を接近させられないことを先に説明し
た。このため本発明では、図8に示すように、探針の中
心軸40,41を試料表面46の法線47から傾ける。
このとき探針は最先端部42,43で試料に接触するの
ではなく、他の部位44,45で接触することになる。
このため、あまり傾けすぎると接触部位が最先端部より
遠くなり、結果として探針接触点間の距離dが大きくな
ってしまう。
【0017】図9は、2探針を用いた場合に、探針の中
心軸の試料法線からの傾き(2本とも共通、図8参照)
と各探針と試料との接触点間の最小距離を示す図であ
る。探針の中心軸が法線に一致すると、最小接触点間距
離は探針の根元の径に依存してしまうので大きくなって
しまう。一方、中心軸が傾きすぎると、接触点が探針の
最先端部から離れてしまうために、最小接触点間距離が
大きくなってしまう。このため本発明では、中心軸の試
料法線からの傾きを30〜60°の範囲にとるようにし
た。この範囲で最小接触点間距離を小さくできること
が、図8,図9から分かるであろう。
【0018】次に、方位角について説明する。まず、2
探針の場合、探針を対向して設置するのが良い。図10
は、2探針を真上から見た図である。図10aが2探針
を対向して設置した場合、図10bが方位角120°で
設置した場合の図である。なお、法線からの中心軸の傾
きは30°を仮定し、試料表面との接触点を×点で示し
てある。方位角120°の場合の最小接触点間距離は、
180°の場合のおよそ1.5 倍となってしまう。2本
の探針を用いる場合、方位角を180°に設定すると、
最小接触点間距離を最も小さくできる。同様の理由か
ら、3本の探針を用いる場合には方位角を120°に
(図11参照)、4本の探針を用いる場合には方位角を
90°に設定すると良い(図12参照)。
【0019】図10〜図12を用いて設定すべき方位角
の説明を行った。上述のように、n本の探針を用いる場
合、方位角を2π/nに設定することによって、探針と
試料との接触点間距離を最も小さくできる。
【0020】図13は、探針間の方位角と最小接触点間
距離の関係を示す図である。方位角が小さくなるに従っ
て、最小接触点間距離が大きくなることが分かる。特
に、30°以下では、探針の根元同士が接触してしまう
ため、最小接触点間距離が急に大きくなる(図9におけ
る説明参照)。このため、本発明では方位角を30°以
上に設定した。
【0021】方位角2π/nは、n本の探針を用いる場
合の目安である。装置構成上方位角を2π/nより小さ
くした方が良い場合もある。たとえば、接触点を走査型
電子顕微鏡で確認する場合、図14に示すように二次電
子検出器60が、探針61〜64にさえぎられずに、試
料と探針との接触点を望めるようにする必要がある。こ
のような場合、4本の探針の隣りあう探針間の方位角は
90°(2π/4)より小さい値になる。
【0022】図15は、本発明を実際の電子素子特性評
価に応用した実施例を示す図である。探針50がゲート
電極51に、探針52がソース電極53に、探針54が
ドレイン電極55にそれぞれ接触させられている。探針
50に印加する電圧を変化させることで、ゲート電圧を
操作できる。このとき、探針52ー54間に流れる電
流、すなわちソース・ドレイン間に流れる電流を測定す
ることで、素子特性を評価することができる。このよう
な素子はサブミクロン領域に形成されているため、従来
法では探針を直接電極に当ててこのような測定をするこ
とはできなかった。そのため、測定用のTEGを形成す
る必要があった。しかし、本発明を用いれば、実デバイ
ス上の局所的な素子の特性測定が可能になるのである。
【0023】さらに本発明を用いれば0.1μm をきる
微小領域の電気特性などを測定することができるので、
デバイス上の素子特性のみならず、薄膜材料などの電気
伝導度など基本的な材料特性を測定することができる。
例えば、基板上に形成された原子層オーダーの薄膜の電
気伝導度は、薄膜自身の電気伝導特性に加え、基板の凹
凸等にも影響される。基板上にはμmオーダーで見れば
必ず原子層高さのステップが存在するから、従来のプロ
ーバを用いてマクロな領域の電気伝導度を測定しても、
薄膜自身の電気伝導特性を測定することはできない。本
発明を用いれば微小領域の電気特性を測定できるので、
基板の凹凸などに影響されずに薄膜自身の電気特性を測
定することができる。今後、量子効果デバイスなどナノ
メーターレベルの微小構造を用いたデバイスの開発に
は、このような微細構造の電気特性の解明が不可欠であ
り、本発明の有用性が分かる。
【0024】
【発明の効果】本発明では、微小領域に形成された電子
素子の特性を評価するために、単に先端の鋭利な探針を
用いるようにしただけではなく、探針の中心軸を試料表
面の法線より傾け(30〜60°)、複数本(n本)の
探針を方位角30°以上の間隔で設置するようにしたの
で、前記複数の探針をサブミクロン領域に同時に接触さ
せることができる。このため、サブミクロン領域に形成
された実デバイス上の素子特性を評価でき、従来のよう
に測定用のTEGを形成する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成を示す説明図。
【図2】図1の主要部を横から見た図。
【図3】法線と方位角の説明図。
【図4】探針を試料表面に垂直に接触させた場合の説明
図。
【図5】従来の探針及び探針支持部の説明図。
【図6】ナノメーターレベルで見た探針先端部を示す模
式図。
【図7】原子が一列に積み上ったできた探針を示す模式
図。
【図8】探針と試料表面との接触点間距離を示す説明
図。
【図9】最小接触点間距離の角度依存性を示す説明図。
【図10】2探針での方位角の説明図。
【図11】3探針での方位角の説明図。
【図12】4探針での方位角の説明図。
【図13】最小接触点間距離の方位角依存性を示す説明
図。
【図14】二次電子検出器を設置する場合の実施例を示
す説明図。
【図15】実デバイスの測定例を示す平面図。
【符号の説明】
1…試料、2,3,4…探針、5,6,7…探針移動機
構、8…評価・測定部、9,10…探針の中心軸、2
0,21…探針先端、22,23…探針、30…探針支
持部、31…探針先端部、40,41…探針の中心軸、
42,43…最先端部、44,45…試料表面との接触
部位、46…試料、47…法線、50…探針、51…ゲ
ート電極、52…探針、53…ソース電極、54…探
針、55…ドレイン電極、60…二次電子検出器、6
1,62,63,64…探針。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 真貴子 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 富松 聡 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数の探針を有する電子素子評価装置であ
    って、前記探針の中心軸は測定すべき試料表面の法線よ
    り傾いており、かつ、試料面内の測定すべき点を中心と
    して、方位角30°以上の間隔で配置されていることを
    特徴とする電子素子評価装置。
  2. 【請求項2】前記探針の中心軸と試料表面の法線とのな
    す角が30〜60°の範囲にあることを特徴とする請求
    項1記載の電子素子評価装置。
  3. 【請求項3】2本の探針が方位角30°以上の間隔で配
    置されていることを特徴とする請求項1ないし2記載の
    電子素子評価装置。
  4. 【請求項4】方位角が120°であることを特徴とする
    請求項3記載の電子素子評価装置。
  5. 【請求項5】3本の探針が試料表面の測定すべき点を中
    心として方位角30°以上の間隔で配置されていること
    を特徴とする請求項1ないし2記載の電子素子評価装
    置。
  6. 【請求項6】方位角が120°であることを特徴とする
    請求項5記載の電子素子評価装置。
  7. 【請求項7】4本の探針が試料表面の測定すべき点を中
    心として方位角30°以上の間隔で配置されていること
    を特徴とする請求項1ないし2記載の電子素子評価装
    置。
  8. 【請求項8】方位角が90°であることを特徴とする請
    求項7記載の電子素子評価装置。
JP17461295A 1995-07-11 1995-07-11 電子素子評価装置 Pending JPH0926436A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001174491A (ja) * 1999-12-20 2001-06-29 Japan Science & Technology Corp 電気特性評価装置
KR100430419B1 (ko) * 2001-12-28 2004-05-04 주식회사 실트론 반도체 소자의 전기적 특성 검사방법
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