JPH11352185A

JPH11352185A - 電子素子評価装置

Info

Publication number: JPH11352185A
Application number: JP16321098A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hasegawa; 剛長谷川; Yoshinori Kondo; 由憲近藤; Kaoru Umemura; 馨梅村; Shigeyuki Hosoki; 茂行細木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-06-11
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 1999-12-24

Abstract

(57)【要約】【課題】メモリセル内の単体のトランジスタ特性の測定
を可能にする。【解決手段】探針先端が液体金属で被覆された探針１８
〜２１を、ソース１，ドレイン２，基板３，ゲート４に
直結したコンタクト配線５〜８に接触させることで、探
針先端の損傷を回避して、サブμｍ領域に形成された単
体トランジスタの特性を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子素子の性能を
評価、ないし不良を検出する装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子素子上に探針を接触させて素
子の電気特性を評価する装置として、プローバが知られ
ている。プローバによる測定では、例えば、光学顕微鏡
により位置を確認しながら探針を素子特性測定用電極に
接触させて電気計測系との導通を取り、素子特性を評価
する。さらに、実配線上への探針の接触を行うことで、
素子上の特定部分の特性を評価することもできる。この
方法は、例えば、特開平8−160109 号（電子素子評価装
置）に記載されている。実配線はサブμｍ幅であるた
め、探針の接触位置確認手段として空間分解能の高い電
子顕微鏡が採用されている。この方法では、任意の位置
への探針の接触が可能となるため、素子上の特定部分の
特性を他と切り離して独立に評価することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記手法で素子上の特
定部分の特性を評価するためには、配線を切断し、特定
部分を回路的に孤立させる必要がある。従来、配線切断
の手段として、レーザーや収束イオンビームを用いる方
法が用いられてきた。これらの方法では、切断された部
分の配線材の一部が切断部近傍に飛散する。素子の微細
化が進むに連れ、飛散した配線材による隣接する配線間
のショートが問題になってきた。素子特性評価に際して
は、１ｎＡ以下の精度で電流値を測定する。例えば飛散
した配線材による配線間の抵抗値が１ＧΩでも、１Ｖの
電圧印加で既に１ｎＡの電流が流れてしまい、特性評価
が正しく行えないことになる。このため、絶縁性を損な
わない素子分離による測定が求められていた。特に、配
線がサブμｍ間隔で並んだメモリセル内では、上記方法
による配線切断が極めて困難であり、メモリセル内のト
ランジスタ特性などの測定は、事実上行えなかった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】従来法では、配線を切断
することによって特定回路を孤立させていた。この方法
では、切断された配線の配線材が必ず表面に残ることに
なり、配線間の絶縁性を損なう恐れがある。このため、
本発明では、機械的研磨ないし、化学的エッチング処理
により配線全てを除去することにした。この結果、下部
構造との導通を取るためのコンタクトが表面に露出する
ことになる。上記処理によりコンタクト間の絶縁膜が損
傷することはないので、絶縁性を損なうことなく特定回
路の孤立をはかることができる。

【０００５】本発明では、素子と探針間の電気的導通を
はかるため、探針をコンタクトに接触させる。この部分
は面積的にも小さく（０.５×０.５μｍ² 以下）、特
に、メモリセル内の測定では隣接するコンタクトに探針
を接触させてはいけないため、先端の非常に鋭い探針を
使用する必要がある。このため、探針・コンタクト間の
導通をはかるための接触圧で探針先端が曲がって隣接す
るコンタクトにも探針が接触してしまったり、接触面積
が小さくなることで接触抵抗が増大し測定結果に影響を
与えたりする問題が生じる。

【０００６】これを解決するため、本発明では、探針先
端が液体金属で被覆された探針を用いる。すなわち、液
体金属で先端が被覆された探針をコンタクトに接触させ
れば、探針先端・コンタクト間に液体金属による導通が
はかられる。この結果、十分な接触面積が得られ、接触
抵抗の影響を無視して測定を行うことができる。さらに
本発明では、液体金属により導通をはかることで探針先
端への接触圧を減らし、探針先端の損傷を低減した。こ
のためには、探針・コンタクト間に働く力（主に、液体
金属の表面張力）を検出し、探針位置を制御するように
した。

【０００７】また、別の方法として本発明では、液体金
属の一部を探針先端からコンタクト上に移動させ、探針
接触用の電極を形成するようにした。この移動は、探針
・試料間にパルス電圧を印加して行うようにした。移動
する液体金属の量は、印加するパルス電圧の大きさとパ
ルス時間で制御することができる。移動した液体金属上
に探針を接触させることで、確実に導通を取ることがで
きる。

【０００８】本発明では、電子線照射による汚染で凹凸
が大きくなったり、コンタクト自身が汚染物で覆われな
いように、探針の接触位置確認のための顕微手段とし
て、試料室の真空度が１×１０^-8Torr以下の電子顕微鏡
を用いるようにした。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の目的は、素子上の特定部
分を回路的に孤立させて電気特性評価を行うことにあ
る。本発明では、素子表面に平行な配線を化学的にエッ
チングしてしまうことで、絶縁性を損なわずに測定すべ
き回路を電気的に孤立させる。この結果表面に現れたコ
ンタクトに、液体金属で先端が被覆された探針を接触さ
せて導通をはかり、素子の特性評価を行う。また、別の
方法として、液体金属を探針先端からコンタクト上に移
動させ電極を形成し、そこに探針を接触させるようにし
た。

【００１０】＜実施例１＞図１を用いて、単体トランジ
スタの特性測定方法を説明する。なお、図１では、デバ
イス構造を簡略化して示してある。

【００１１】図１（ａ）は、測定しようとするトランジ
スタの断面を示す斜視図である。トランジスタを構成す
るソース１，ドレイン２，基板３，ゲート４は、それぞ
れコンタクト５〜８を介して、上部配線９〜１２と接続
されている。これらコンタクト５〜８、および配線９〜
１２は、絶縁膜１３により互いに絶縁されている。図に
は示していないが、これら上部配線９〜１２は、さらに
別の回路の構成要素とも接続されている。図に示すトラ
ンジスタの特性を独立に測定するためには、配線９〜１
２を切断するなどして他の回路と分離した後、配線に探
針を接触させて導通を取る必要がある。このため、従来
収束イオンビームやレーザーを用いた配線切断が行われ
ていた。

【００１２】図１（ｂ）に、従来法による測定方法を示
す。図１（ｂ）では、配線９〜１２が、収束イオンビー
ムにより切断され、トランジスタの回路的な孤立化が図
られている。なお、切断加工時には、切断された配線材
２２が周囲に飛散することが分かっている。従来、配線
間隔が数μｍ以上もあるような場合、この飛散した配線
材によって隣接する配線間の絶縁性が損なわれるような
ことはなかった。しかし、素子の微細化が進むにつれ
て、飛散した配線材による配線間の絶縁不良が起こるよ
うになってきた。この配線材による接触抵抗は、高々数
ＧΩ〜数ＭΩであるが、＜実施例２＞で示すように、ト
ランジスタ特性などの測定には、重大な影響を及ぼす。

【００１３】図１（ｃ）に、本発明による測定方法を示
す。本発明では、化学的なエッチング処理により上部配
線をすべて除去してしまう。この結果、コンタクト５〜
８が試料表面に露出することになる。このコンタクトに
対して、液体金属１４〜１７で先端が被覆された探針１
８〜２１を接触させて導通をとり、トランジスタ特性を
測定する。この方法では、化学的に上部配線を除去して
しまうため、試料表面に配線材が残ることもなく、コン
タクト５〜８間の絶縁性が損なわれることはない。その
有効性は、＜実施例２＞に示すとおりである。なお、液
体金属で被覆された探針を用いる必要性は、＜実施例３
＞で述べる。

【００１４】＜実施例２＞ここでは、＜実施例１＞で示
した方法によるトランジスタの測定結果を用いて、本発
明の効果を説明する。図２（ａ）に、本発明による測定
結果を示す。横軸がゲート電圧、縦軸がソース・ドレイ
ン間電流である。測定条件は、ソースおよび基板が接地
電位、ドレインに−３Ｖ印加した状態で、ゲート電圧を
変化させた場合のソース・ドレイン間電流を測定した。

【００１５】図２（ａ）では、理想的なトランジスタ特
性が得られていることが分かる。特性評価において特に
重要なのが、臨界電圧値（このトランジスタでいえば、
１０ｎＡを越えるゲート電圧値）である。トランジスタ
の構成要素間の絶縁性が損なわれていないことから、低
電流領域の測定結果も信頼性が高く、臨界電圧値（この
場合、１Ｖ）も正確に測定されている。

【００１６】これに対して、図１（ｂ）に示した従来法
による測定結果（図２（ｂ））では、配線間の絶縁不良
のためリーク電流が発生し、トランジスタ特性が正確に
測定されていない。特に、低ゲート電圧側ではもともと
のソース・ドレイン間電流をはるかに越えるリーク電流
が流れてしまっているために、臨界電圧値を求めること
もできない。この原因は、ドレインおよび基板に接続す
る配線間の絶縁不良が原因であることが、ドレイン・基
板間のｐｎ特性測定結果から分かる。

【００１７】図２（ｄ）に、その測定結果を示す。絶縁
不良のために、逆バイアスでも、電流が流れてしまって
いる。電流値から抵抗値は、数十ＭΩと考えられる。一
方、本発明による試料の測定結果（図２（ｃ））は、ト
ランジスタ特性測定結果同様、理想的なものとなってお
り、本発明の有効性がよく分かる。

【００１８】＜実施例３＞ここでは、液体金属で先端が
被覆された探針を用いる必要性を述べる。

【００１９】図３にコンタクト上への探針の接触状態の
模式図を示す。探針３０の先端径は０.１μｍ、コンタ
クト３１の直径は０.５μｍの場合で示してある。

【００２０】本発明による探針の接触（図３ａ）では、
液体金属３２が、そのぬれ性により、探針先端・コンタ
クト間にブリッジを形成し、有効接触面積が大きくなっ
ている。液体金属の膜厚は０.１μｍの程度であるが、
ぬれ性および表面張力により、図３ａに示すように、サ
ブμｍ程度の直径のブリッジを形成する。これに対し
て、液体金属で被覆されていない探針を用いた場合（図
３ｂ）、接触面積は0.01μｍ² 程度と小さくなり、接触
抵抗が問題になる。また、接触面積が十分でないと、電
気特性測定時に電流が狭い接触面積に集中するため、一
瞬にして探針先端がジュール熱により溶けてしまう。こ
の場合、探針３３の先端は直径数μｍ以上の球状になっ
てしまうため、近接したコンタクト上へ複数の探針を接
触させることができなくなり、特定回路の特性測定が行
えないことになる（図３ｃ）。

【００２１】電子線照射によるコンタミネーションの付
着は特に絶縁膜上で起こりやすいため、探針の接触位置
確認手段として電子顕微鏡を採用する場合、コンタミネ
ーション３４のために段差が生じてしまう（図３
（ｄ））。このことからも、先端が液体金属で被覆され
た探針を用いた方がよいことが分かる。ただし、本発明
によっても許容できる段差には限りがあるため、コンタ
ミネーションの付着量を押さえる意味で、試料室の真空
度は高い方がよい。

【００２２】図４に真空度とコンタミネーションの付着
量の実験データを示す。本発明によって許容できる段差
は、０.１μｍ程度であるから、コンタクト径や測定時
間にも依存するが、試料室の真空度として、１×１０^-8
Torr以下であることが望ましい。

【００２３】＜実施例４＞ここでは、探針位置の制御方
法について述べる。液体金属で先端が被覆された探針を
用いれば、それだけで十分な接触面積が得られる。しか
し、探針先端の接触状態を制御しない限り、先端の損傷
を回避し測定点のみへの接触はできない。

【００２４】探針接触状態を制御する方法として、接触
圧を吸収するためのバネを用いる方法がある。すなわ
ち、バネ定数の小さいバネの先端に探針を設けることで
探針先端にかかる接触圧を抑え、探針先端の損傷を回避
することができる。この方法では、一定以上の力が探針
先端にかかることはなく、特に制御系を用意する必要は
ない。

【００２５】また、別の方法として、探針に働く力を検
出し、それをフィードバック信号として探針位置、すな
わち接触状態を制御する方法がある。

【００２６】図５，図６に、液体金属４０で被覆された
探針４１を用いた場合の探針位置とその際に探針に働く
力を示す。図６の横軸は、探針・測定点間の距離、ａ〜
ｄは、それぞれ図５（ａ)〜(ｄ）に示した状態に対応す
る点を示す。なお、図５に示す試料は、機械研磨後に絶
縁膜の選択エッチングを行ったものであるため、コンタ
クト４２が絶縁膜４３表面より上に出ている。

【００２７】探針がコンタクト４２に接触する前（図５
ａ）は、探針・試料間には力がほとんど働かない（図６
参照）。探針・試料間に引力が働き始めると、液体金属
は試料側に引かれ、探針・コンタクト間にブリッジを形
成する（図５ｂ）。探針先端自身がコンタクトに接触す
る時点で、探針・試料間に斥力が働き始める(図５ｃ)。
すなわち、これ以上探針を試料側に移動させると、接触
圧のために探針先端が損傷する可能性がある。一度液体
金属がブリッジを形成すると、ブリッジが形成された位
置より探針を遠ざけても、表面張力のためブリッジは形
成されたままである（図５ｄ）。

【００２８】探針・試料間に働く力が引力である領域で
探針位置を制御すれば探針先端の損傷を回避することが
できる。ただ、液体金属による導通を確実なものにする
ためには、図６にｅで示した、力の微分がゼロになる地
点で制御するのがよい。

【００２９】図７に、これを実現するための制御系を模
式的に示す。探針５０と試料５１間に働く力は、力検出
器５２により検出される。探針駆動系５３に微小変位
(ｄｚ)信号５４を印加し、それに同期した力の変動（ｄ
Ｆ）を力検出器５２で検出し、微小変位に対する力の変
動（ｄＦ／ｄｚ）がゼロになる様に制御系５５により探
針位置を制御すればよい。

【００３０】＜実施例５＞図８を用いて、液体金属を用
いて試料上に電極を形成する方法について説明する。こ
の方法では、測定点が周囲の絶縁膜よりも凹んでいる場
合にも対応することができる。また、液体金属で被覆さ
れた探針を１本用意するだけでよい。

【００３１】まず、液体金属６０で先端が被覆された探
針６１を、電極を形成すべきコンタクト６２の上に移動
させる（図８ａ）。液体金属を探針先端から試料上に移
動させるためには、探針・試料間の距離をｎｍオーダー
に保った状態で探針・試料間にパルス電圧を印加すれば
よい。移動量は、電界の大きさ、すなわち探針・試料間
の距離と印加する電圧の大きさ、および電圧を印加する
パルス時間に依存する。探針・試料間の距離の制御に
は、探針・試料間に流れるトンネル電流を利用すればよ
い。このため、本発明では、電源６３，探針駆動系６４
の制御系としてトンネル電流をフィードバック信号とし
て用いる制御系６５を用いるようにした。図８ａでは、
コンタクト６６上に、液体金属による電極６７が本発明
により形成されている。この様にして、測定点全てに液
体金属による電極を形成することができるので、液体金
属で被覆されていない探針を電気特性測定に用いても、
探針・試料間の確実な導通を取ることができる（図８
ｂ）。

【００３２】＜実施例６＞図９は本発明を実施するため
の装置構成の一実施例を示す。本実施例では、探針を測
定部に接触させるための顕微手段として、走査電子顕微
鏡７０を採用した。超高真空排気系７１により、試料室
の真空度を１×１０^-9Torr以下に保っている。図では、
簡単のため２探針７２，７３しか示していないが、これ
らと直交する形で、さらに２探針の、４探針システムを
本実施例では採用した。これらの探針は、探針駆動系７
４により位置制御され、所望の測定点に接触する。測定
データは、測定系７５により収集・処理される。

【００３３】探針先端を液体金属で被覆するためには、
被覆に先立って探針先端を清浄化する必要がある。これ
は、液体金属で探針表面を均一に被覆するためである。
このため、本実施例では、探針交換機構７６により、探
針を測定系から移動させ、電源７７を用いて通電加熱に
より探針先端を清浄化するようにした。その後、液体金
属溜め７８に探針先端を浸すことで、探針先端を液体金
属で被覆することができる。この後、探針交換機構７６
を用いて探針を測定系に戻せば、＜実施例１＞から＜実
施例５＞で述べた本発明を実施することができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、探針を０.１×０.１μ
ｍ² 以下の狭い領域に接触が可能になるため、試料表面
に平行な配線を全てエッチングした後に残った試料に垂
直方向の配線（コンタクト）に接触させることができる
ため、エッチング後の配線切断の必要がなく、本来の絶
縁性を保ったまま試料の電気特性評価が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】トランジスタ特性測定の模式図。

【図２】トランジスタ特性測定結果を示すグラフ。

【図３】探針の接触状態を示す模式図。

【図４】コンタミ層成長速度の真空度依存性を示すグラ
フ。

【図５】探針の接触状態を示す模式図。

【図６】探針・試料間に作用する力の大きさを示す図。

【図７】探針位置制御系の模式図。

【図８】液体金属で電極を形成する実施例の模式図。

【図９】本発明を実施するための装置構成を示す図。

【符号の説明】１…ソース、２…ドレイン、３…基板、４…ゲート、５
〜８…コンタクト、９〜１２…配線、１３…絶縁膜、１
４〜１７…液体金属、１８〜２１…探針、２２…配線
材、３０…探針、３１…コンタクト、３２…液体金属、
３３…探針、３４…コンタミネーション、４０…液体金
属、４１…探針、４２…コンタクト、４３…絶縁膜、５
０…探針、５１…試料、５２…力検出器、５３…探針駆
動系、５４…微小変位信号、５５…制御系、６０…液体
金属、６１…探針、６２…コンタクト、６３…電源、６
４…探針駆動系、６５…制御系、６６…コンタクト、６
７…電極、７０…走査電子顕微鏡、７１…超高真空排気
系、７２，７３…探針、７４…探針駆動系、７５…測定
系、７６…探針交換機構、７７…電源、７８…液体金属
溜め。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者細木茂行東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探針を電子素子上の特定部分に接触させて
導通を取り、素子の電気特性評価を行う電子素子評価装
置であって、上記探針先端が液体金属で被覆されている
ことを特徴とする電子素子評価装置。
【請求項２】探針と試料表面間にパルス電圧を印加する
手段を有することを特徴とする請求項１記載の電子素子
評価装置。
【請求項３】探針を電子素子上の特定部分に接触させて
導通を取り、素子の電気特性評価を行う電子素子評価装
置であって、探針を電子素子上の特定部分に接触させる
ための顕微手段として電子顕微鏡を有し、かつ試料室の
真空度が１×１０^-8Torr以下であることを特徴とする電
子素子評価装置。