(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板内の導体層の上に設けられた絶縁膜の特性又は寸法を評価する方法であって、
複数の導体バンプと該導体バンプに接続される配線とを有する測定用部材を、上記導体バンプと上記絶縁膜とを相対向させて上記基板の上に設置するステップ（ａ）と、
上記導体バンプと上記絶縁膜とを接触させた後ある押圧力で相対的に押し付けるステップ（ｂ）と、
上記導体バンプと上記導体層との間に電気的ストレスを印加することにより、上記絶縁膜の特性又は寸法を評価するステップ（ｃ）と
を含む絶縁膜の評価方法。
【請求項２】
請求項１記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ｃ）では、上記絶縁膜のリーク特性を評価することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項３】
請求項１記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ｃ）では、上記絶縁膜の上記電気的ストレス下における信頼性を評価することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項４】
請求項１記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ｃ）では、上記絶縁膜の電流−電圧特性を評価することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項５】
請求項１記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ｃ）では、上記絶縁膜の誘電率を評価することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項６】
請求項５記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ｃ）では、上記絶縁膜の厚みを評価することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ｂ）では、上記基板と上記測定用部材との間の空間の圧力を減圧することにより、上記導体バンプと上記絶縁膜とを相対的に押し付けることを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項８】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ｂ）では、上記導体バンプと上記絶縁膜との接触面積が所定範囲に収まるように上記導体バンプと絶縁膜との押圧力を制御することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項９】
請求項８記載の絶縁膜の評価方法において、
上記押圧力の制御は、上記測定用部材と上記基板との相対的な距離によって制御することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ｃ）では、上記基板又は測定部材のうち少なくともいずれか一方を加熱しながら評価を行うことを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ａ）の前に、上記導電体バンプと上記絶縁膜との間の上記接触面積を所定範囲内にするための押圧力の校正を行なうステップ（ｄ）をさらに含むことを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の絶縁膜の評価方法において、
上記押圧力の校正は、第２の導体層の上に第２の絶縁膜を有する第２の基板を用い、上記第２の絶縁膜上に上記測定部材の導体バンプを接触させることにより行なわれることを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の絶縁膜の評価方法において、
上記押圧力の校正は、上記第２の絶縁膜の特性を評価することにより行なわれることを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の絶縁膜の評価方法において、
上記第２の絶縁膜の評価は、上記第２の絶縁膜のリーク電流を検出することにより行なわれることを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ｃ）の後で、上記導体バンプと上記絶縁膜とを非接触状態にした後、上記測定用部材と上記基板とを相対的に移動させるステップ（ｅ）をさらに含み、
上記ステップ（ｅ）から上記ステップ（ｄ）までの操作を複数回繰り返すことを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ａ）の前に、上記各導体バンプの大きさを個別に格納したデータベースを用意するステップ（ｆ）をさらに含み、
上記ステップ（ｃ）では、上記データベースから各導体バンプの大きさのデータを取りだし、上記各導体バンプの個々の大きさに基づいて上記絶縁膜の特性又は寸法を評価することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１７】
請求項１〜１５のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ａ）の前に、上記各導体バンプの大きさのデータから上記ステップ（ｂ）における各導体バンプの変形を予測して、各導体バンプの変形による導体バンプ−絶縁膜間の接触面積を個別に格納したデータベースを用意するステップ（ｇ）をさらに含み、
上記ステップ（ｃ）では、上記データベースから各導体バンプの絶縁膜との間における接触面積のデータを取りだし、上記各導体バンプの接触面積に基づいて上記絶縁膜の特性又は寸法を評価することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の絶縁膜の評価方法において、
上記ステップ（ｇ）では、上記測定用部材と上記基板との間に上記複数の導体バンプの少なくとも一部が塑性変形するように押圧力を加えた後、押圧力を除去してから上記各導体バンプの塑性変形後の上面の面積を測定し、この面積から上記ステップ（ｂ）における各導体バンプの変形を予測することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１９】
基板内の導体層の上に設けられた絶縁膜の特性又は寸法を評価するための絶縁膜の評価装置であって、
少なくとも１つの導体バンプとこれに接続される配線とを有する測定用部材と、
上記導体バンプと上記絶縁膜との相対的な押圧力を所定範囲内に調整するための押圧力調整手段とを備え、
上記絶縁膜の評価を行う時は、上記導体バンプと上記絶縁膜とが接触していることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項２０】
請求項１９記載の絶縁膜の評価装置において、
上記基板又は測定用部材を横方向に移動させるための移動手段をさらに備えていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項２１】
請求項１９記載の絶縁膜の評価装置において、
上記基板又は測定用部材を相対的に回転させるための移動手段をさらに備えていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項２２】
請求項１９〜２１のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価装置において、
上記押圧力調整手段は、上記基板と上記測定用部材との間の空間の圧力を減圧する機構を有することを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項２３】
請求項１９〜２２のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価装置において、
上記導体バンプは、上記絶縁膜よりも硬さが小さい材料により構成されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項２４】
請求項１９〜２３のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価装置において、
上記導体バンプの寸法は、上記押圧力による上記導体バンプと上記絶縁膜との接触面積が所定値範囲内に収まるように設定されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項２５】
請求項１９〜２４のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価装置において、
上記各導体バンプの寸法を個別に記憶する記憶部と、
上記絶縁膜の特性又は寸法を上記各導体バンプの寸法に基づいて演算処理する演算部とをさらに備えていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項２６】
基板内の導体層の上に設けられた絶縁膜の特性を評価するための絶縁膜の評価装置であって、
少なくとも１つの導体バンプとこれに接続される配線と特性の評価に用いないダミーバンプとを有する測定用部材と、
上記導体バンプと上記絶縁膜との相対的な押圧力を所定範囲内に調整するための押圧力調整手段とを備え、
上記絶縁膜の評価を行う時は、上記導体バンプと上記絶縁膜とが接触していることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項２７】
請求項２６記載の絶縁膜の評価装置において、
上記押圧力調整手段は、上記基板と上記測定用部材との間の空間の圧力を減圧する機構を有することを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項２８】
請求項２６又は２７記載の絶縁膜の評価装置において、
上記導体バンプは、上記絶縁膜よりも硬さが小さい材料により構成されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項２９】
請求項２６〜２８のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価装置において、
上記導体バンプ及びダミーバンプの寸法は、上記押圧力による上記導体バンプと上記絶縁膜との接触面積が所定範囲内に収まるように設定されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項３０】
半導体基板上に設けられた絶縁膜の特性を評価するための絶縁膜の評価装置であって、
基端で固定され、先端部の下面に少なくとも１つの導体バンプを搭載した少なくとも１つのカンチレバーと、上記導体バンプに接続される配線とを有する測定用部材と、
上記カンチレバーの変位量により、上記導体バンプと上記絶縁膜との相対的な押圧力を所定範囲内に調整するための押圧力調整手段とを備え、
上記絶縁膜の評価を行う時は、上記導体バンプと上記絶縁膜とが接触していることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項３１】
請求項３０記載の絶縁膜の評価装置において、
上記押圧力調整手段は、上記基板と上記測定用部材との間の空間の圧力を減圧する機構を有することを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項３２】
請求項３０又は３１記載の絶縁膜の評価装置において、
上記導体バンプは、上記絶縁膜よりも硬さが小さい材料により構成されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項３３】
請求項３０〜３２のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価装置において、
上記導体バンプの寸法は、上記押圧力による上記導体バンプと上記絶縁膜との接触面積が所定範囲内に収まるように設定されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項３４】
基板内の導体層の上に設けられた絶縁膜の特性を評価するための絶縁膜の評価装置であって、
少なくとも１つの導体バンプと上記導体バンプに接続される配線とを有する測定用部材と、
基端で回動自在に支持された棹状部材と、
上記棹状部材先端の上記絶縁膜表面に沿った移動量を検出する移動量検出手段と、
上記移動量検出手段の検出値に応じて、上記導体バンプと上記絶縁膜との押圧力を所定範囲内に調整するための押圧力調整手段とを備え、
上記絶縁膜の評価を行う時は、上記導体バンプと上記絶縁膜とが接触していることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項３５】
請求項３４記載の絶縁膜の評価装置において、
上記移動量検出手段は、上記棹状部材の先端の移動量を光学的に検出するように構成されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項３６】
請求項３４又は３５記載の絶縁膜の評価装置において、
上記押圧力調整手段は、上記基板と上記測定用部材との間の空間の圧力を減圧する機構を有することを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項３７】
請求項３４〜３６のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価装置において、
上記導体バンプは、上記絶縁膜よりも硬さが小さい材料により構成されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項３８】
請求項３４〜３７のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価装置において、
上記導体バンプの寸法は、上記押圧力による上記導体バンプと上記絶縁膜との接触面積が所定範囲内に収まるように設定されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項３９】
半導体基板の上に設けられた絶縁膜の特性を評価するための絶縁膜の評価装置であって、
少なくとも１つの導体バンプと上記導体バンプに接続される配線とを有する測定用部材と、
上記導体バンプと上記絶縁膜との相対的な押圧力を所定範囲内に調整するための押圧力調整手段と、
上記半導体基板の裏面上の絶縁膜を破壊して半導体基板の裏面に接するように構成された導体突起部を備えた基板ステージとを備え、
上記絶縁膜の評価を行う時は、上記導体バンプと上記絶縁膜とが接触していることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項４０】
請求項３９記載の絶縁膜の評価装置において、
上記導体突起部は、レニウム，ロジウム，ニッケル，タングステン及びタンタルのうち少なくともいずれか１つを含む材料により構成されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項４１】
請求項３９又は４０記載の絶縁膜の評価装置において、
上記押圧力調整手段は、上記半導体基板と上記測定用部材と間の空間の圧力を減圧する機構を有することを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項４２】
請求項３９〜４１のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価装置において、
上記導体バンプは、上記絶縁膜よりも硬さが小さい材料により構成されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【請求項４３】
請求項３９〜４１のうちいずれか１つに記載の絶縁膜の評価装置において、
上記導体バンプの寸法は、上記押圧力による上記導体バンプと上記絶縁膜との接触面積が所定範囲内に収まるように設定されていることを特徴とする絶縁膜の評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上に設けられる絶縁膜，特に極薄のゲート絶縁膜の特性を評価するための方法及び評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路装置における高集積化が大きく進展してきており、ＭＩＳ型半導体装置においては、高集積化に対応するためのトランジスタ等の素子の微細化，高性能化が図られている。そして、トランジスタ等の素子の微細化，高性能化に伴って、信頼性の高いＭＩＳ構造（Metal Insulator Semiconductor ）の実現が必要となってきた。ＭＩＳ構造の信頼性向上のためには、ＭＩＳ構造の構成要素であるゲート電極（Metal），ゲート絶縁膜（Insulator），半導体基板（Semicondutotor )というＭＩＳ構造を構成する各部が高い信頼性を有することが必要である。
【０００３】
ここで、ＭＩＳ構造を構成する要素の１つであるゲート絶縁膜に関しては、トランジスタの微細化と高速動作，低電圧化とに対応すべく、その薄膜化が急速に進み、２１世紀には２ｎｍ以下の非常に薄い絶縁膜が実用化されることが予想されている。そして、ゲート絶縁膜の特性がＭＩＳトランジスタの特性，さらには半導体集積回路装置の電気特性を決定するといわれるほど、良好なゲート絶縁膜の実現が重要視されている。
【０００４】
従来、ゲート絶縁膜を構成する材料として二酸化シリコン(ＳｉＯ2 )が用いられているが、将来的にはゲート酸化膜つまりＳｉＯ2 膜のＴＤＤＢ（Time Dependent Dielectric Breakdown ）信頼性の限界がもはやＬＳＩデバイスの信頼性を阻害する要因の１つとなってくることが予想されている。また、ゲート酸化膜が薄膜化されて厚みが２ｎｍ以下になると、キャリアがゲート酸化膜を直接トンネリングすることによって生じるトンネル電流，つまりゲートリーク電流がさらに増大することが問題となってくる。特に、システムＬＳＩでは、このようなリーク電流の増大がＬＳＩデバイスの消費電力の大幅な増大を招くため、消費電力という観点からもゲート絶縁膜を構成する材料として、ＳｉＯ2 に代わる新しい材料も多く提案されている（参考文献  １９９９−ＩＴＲＳロードマップ）。  このように、ゲート酸化膜におけるリーク電流の増大は、ゲート絶縁膜および新材料の開発、さらに生産現場での品質管理に大きな変革を要求することにもなってきている。
【０００５】
ここで、ゲート絶縁膜の信頼性を調べるための試験として、従来より、加速環境下でのいわゆるＴＤＤＢ試験が行われている。加速環境下でのＴＤＤＢ試験とは、印加電圧を使用電圧よりも大きく設定し、温度を上げて、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を調べ、電流が急激に増大してときに絶縁膜が破壊したと判断することで、絶縁破壊までの寿命を測定する方法である。このとき、ＴＤＤＢ試験においては、Ｉ−Ｖ特性を調べ、リーク電流量をモニターしながら、リーク電流値の急激な変化が観測されるまでの時間を寿命とするのが一般的である。この際、ゲート絶縁膜中の欠陥密度という観点から、大面積のキャパシタであるＭＩＳ構造を用いた測定が通常行われてきた。
【０００６】
また、インラインでの評価には、ＭＩＳ構造のうちのゲート電極の形成工程を省くために、ゲート絶縁膜が形成された状態でゲート絶縁膜上にゲート電極として機能する水銀端子を押し当てて、Ｉ−Ｖ特性などを評価するＨｇプローバーと呼ばれる試験も広く使用されている（例えば、特開平０６−１４０４７８号公報）。これは、主として絶縁膜材料の開発、絶縁膜の製造工程における管理、絶縁膜の信頼性試験等のために行なわれるものである。
【０００７】
以上の各種試験におけるゲート絶縁膜の破壊は、一般的には、リーク電流の急激な増加により判定されている。その際、ＴＤＤＢ試験においては、電流値の検出感度を確保するために、ゲート面積が０．０１ｍｍ2 以上のＭＩＳ構造（ＭＩＳキャパシタでもある）が広く用いられている。また、Ｈｇプローバーによる評価方法においても、水銀端子の構造上、水銀端子とゲート絶縁膜との接触面積が０．０１ｍｍ2 以上の大面積となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近のゲート絶縁膜の薄膜化に伴ってリーク電流がさらに増大すると、上述のようなＩ−Ｖ特性を観察することによってゲート絶縁膜の膜質評価を行う試験において、ゲート絶縁膜の破壊時を判定するのが困難となる不具合が生じるおそれがある。さらに、従来とは異なった２ｎｍレベルの薄膜においける、擬似破壊と呼ばれる現象も、破壊判定を困難なものにしている。以下、その不具合が生じる原因について、ＴＤＤＢ試験を例にとって説明する。
【０００９】
図１は、ｐ型シリコン基板上に設けられた厚さ１．５ｎｍの熱酸化膜（ＳｉＯ2 膜）のＩ−Ｖ特性をゲート面積をパラメータとして示す図である。同図において、横軸はゲート電圧（Ｖ）を表し、縦軸はゲートリーク電流（Ａ）の絶対値を表している。同図に示すように、ゲート面積が３μｍ2 ，３０μｍ2 ，３００μｍ2 と大きくなるほど、ゲートリーク電流値が増大することがわかる。ただし、ゲートリーク値をゲート面積で除したリーク電流密度を比較すると、いずれのリーク電流密度もほぼ同じ値になることがわかる。また、図１には、厚みが１．５ｎｍ，２．５ｎｍのゲート絶縁膜における絶縁破壊後のＩ−Ｖ特性も併せて示している。ここで、絶縁破壊後の特性は、ゲート絶縁膜の厚みが２．５ｎｍ，１．５ｎｍのいずれであっても、膜厚の相違には関係なくほぼ一致することがわかる。これは、絶縁破壊がゲート絶縁膜中のある局所的なリークスポットで発生していることに起因すると考えられる。
【００１０】
ところが、同図に示すように、ゲート面積が３μｍ2 ，３０μｍ2 ，３００μｍ2 と大きくなるほど、破壊時を判定するためのゲートリーク電流が急激に増大するタイミングＴ（破壊時）が不明確になってくる。つまり、ゲート絶縁膜の厚みが大きいときには同図中の破線に示すように、急激にゲートリーク電流が増大するタイミングが明確に現れるが、ゲート絶縁膜の薄膜化とともに、ゲート面積が大きいＭＩＳ構造のＩ−Ｖ特性においては、初期のＩ−Ｖ特性線と破壊後のＩ−Ｖ特性線との差が小さくなることから、ゲート絶縁膜の破壊時Ｔを把握することが困難になるのである。
【００１１】
図２は、ゲート絶縁膜の破壊時を検出できなくなるゲート面積の限界値を求めるために、ゲート面積とゲートリーク電流との関係をゲート電圧をパラメータとして示す図である。同図において、横軸はゲート面積（μｍ2 ）を表し、縦軸はゲートリーク電流（Ａ）を表している。同図には、ゲート絶縁膜の厚みが１．５ｎｍ，２．５ｎｍである場合を例として示している。図１のＩ−Ｖ特性においては、ゲート電圧Ｖｇとゲート面積Ｓｇとが定まるとゲートリーク電流Ｉｇは一意的に定まる。つまり、図２は、図１におけるあるゲート電圧Ｖｇにおけるゲートリーク電流Ｉｇの値をプロットしたものに相当する。
【００１２】
ここで、ゲートリーク電流をＩｇとし、ゲート電流密度をＤｇとし、ゲート面積をＳｇとすると、下記の関係式
Ｉｇ＝Ｄｇ×Ｓｇ
があることから、上式の両辺の対数を求めると、下記式
log Ｉｇ＝log Ｄｇ＋log Ｓｇ
が成立する。すなわち、図２に示す座標系においては、ゲートリーク電流Ｉｇはゲート面積Ｓｇに対して必ず傾き１の直線になるので、図１からあるゲート面積Ｓｇを有するゲート絶縁膜においてあるゲート電圧Ｖｇを印加したときのゲートリーク電流Ｉｇがわかると、そのゲート面積Ｓｇ及びゲートリーク電流Ｉｇで定まる座標上の１点から傾き１の直線を作成することにより、ある膜厚を有するゲート絶縁膜のＩｇ−Ｓｇ特性線が定まる。一方、ゲート絶縁膜の破壊後におけるゲートリーク電流Ｉｇは、ゲート面積Ｓｇに関係なくゲート電圧Ｖｇによって定まる一定値であるため、破壊後におけるＩｇ−Ｓｇ特性線は横軸に平行な直線であらわされる。なお、図２に示す破棄前におけるＩｇ−Ｓｇ特性線のうち破壊後におけるＩｇ−Ｓｇ特性線との交点よりも上方の部分は、当該交点よりも下方の部分をそのまま延長したものであって、実際には存在しない。
【００１３】
そして、破壊前におけるＩｇ−Ｓｇ直線と破壊後におけるＩｇ−Ｓｇ特性線との交点では、ゲート絶縁膜の破壊前におけるゲートリーク電流Ｉｇと破壊後におけるゲートリーク電流Ｉｇとが一致することを意味する。つまり、この交点におけるゲート面積Ｓｇを有するゲート絶縁膜については、図１に示すゲート絶縁膜のＩ−Ｖ特性において、破壊前におけるＩ−Ｖ特性線と破壊後におけるＩ−Ｖ特性線とが互いに一致するので、ゲートリーク電流Ｉｇが急激に変化する時点がほとんど現れず、破壊時が検出できないことになる。
【００１４】
言い換えると、あるゲート電圧Ｖｇが印加され、ある厚みを有するゲート絶縁膜については、図２に示す破壊前のＩｇ−Ｄｇ特性線と破壊後のＩｇ−Ｓｇ特性線との交点におけるゲートリーク電流Ｉｇよりもあるマージンだけ小さいゲートリーク電流Ｉｇを生じるゲート面積Ｓｇでなければ、ゲート絶縁膜の破壊時を検出することが困難である。例えば、ゲート絶縁膜の厚みが１．５ｎｍで、使用されるゲート電圧Ｖｇが−３Ｖとすると、確実にゲート絶縁膜の破壊時を検出するためには、図２に示す厚み１．５ｎｍの破壊前のＩｇ−Ｓｇ特性線と破壊後のＩｇ−Ｓｇ特性線との交点（ゲート面積が約１０００μｍ2 に相当する点）よりもあるマージンだけ小さいゲートリーク電流Ｉｇを生じるゲート面積，例えば２００μｍ2 以下のゲート面積で測定する必要があることになる。
【００１５】
以上のような不具合は、Ｈｇプローバーによる評価の際にも共通に生じる現象であり、ＭＩＳ構造のゲート電極として機能する水銀端子の横方向断面積は、その構造上１．５ｎｍレベルのゲート絶縁膜の評価に適した大きさまで縮小することは困難である。
【００１６】
本発明の主たる目的は、絶縁膜の特性や厚みを評価するための測定端子をＭＩＳ構造のゲート電極として機能させて、ゲート絶縁膜等の絶縁膜が薄膜化されても絶縁膜の破壊時を確実に検出しうる絶縁膜の評価方法又は評価装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の絶縁膜の評価方法は、基板内の導体層の上に設けられた絶縁膜の特性又は寸法を評価する方法であって、複数の導体バンプと該導体バンプに接続される配線とを有する測定用部材を、上記導体バンプと上記絶縁膜とを相対向させて上記基板の上に設置するステップ（ａ）と、上記導体バンプと上記絶縁膜とを接触させた後ある押圧力で相対的に押し付けるステップ（ｂ）と、上記導体バンプと上記導体層との間に電気的ストレスを印加することにより、上記絶縁膜の特性又は寸法を評価するステップ（ｃ）とを含んでいる。
【００１８】
この方法により、測定用部材の導体バンプがある押圧力で絶縁膜に押し付けられると、導体バンプと絶縁膜との接触面積がほぼ一定になる。そして、導体バンプを用いるので、Ｈｇプローバーや、大面積のＭＩＳキャパシタを用いて行なわれる従来のＴＤＤＢ試験とは異なり、導体バンプと絶縁膜との接触面積を容易に２００μｍ2 程度以下の小面積にすることができる。その結果、例えば１．５ｎｍ程度に極薄化されたゲート絶縁膜のゲートリーク電流（Ｉ−Ｖ特性）などの評価を高い精度で行なうことができる。
【００１９】
上記ステップ（ｃ）では、上記絶縁膜のリーク特性，上記絶縁膜の上記電気的ストレス下における信頼性，上記絶縁膜の電流−電圧特性，上記絶縁膜の誘電率，上記絶縁膜の厚みなどを評価することができる。
【００２０】
上記ステップ（ｂ）では、上記基板と上記測定用部材との間の空間の圧力を減圧することにより、上記導体バンプと上記絶縁膜とを相対的に押し付けることができ、この方法により、多数の導体バンプを用いる場合にも、基板全体において各導体バンプにほぼ均一な押圧力を印加することが可能になる。
【００２１】
上記ステップ（ｂ）では、上記導体バンプと上記絶縁膜との接触面積が所定範囲に収まるように上記導体バンプと絶縁膜との押圧力を制御することにより、より正確な評価を行うことができる。この押圧力の制御は、上記測定用部材と上記基板との相対的な距離によって制御することもできる。
【００２２】
上記ステップ（ｃ）では、上記基板又は測定部材のうち少なくともいずれか一方を加熱しながら評価を行なうことにより、導体バンプの変形による接触面積を適正な値に調整したり、絶縁膜の特性についての加速試験を行うことなどが可能になる。
【００２３】
上記ステップ（ａ）の前に、上記導電体バンプと上記絶縁膜との間の上記接触面積を所定範囲内にするための押圧力の校正を行なうステップをさらに含むことにより、評価の信頼度がより高くなる。
【００２４】
上記押圧力の校正を、第２の導体層の上に第２の絶縁膜を有する第２の基板を用い、上記第２の絶縁膜上に上記測定部材の導体バンプを接触させたり、上記第２の絶縁膜の特性，例えばリーク電流を評価することにより行なうことができる。
【００２５】
上記ステップ（ｃ）の後で、上記導体バンプと上記絶縁膜とを非接触状態にした後、上記測定用部材と上記基板とを相対的に移動させるステップ（ｅ）をさらに含み、上記ステップ（ｅ）から上記ステップ（ｄ）までの操作を複数回繰り返すことにより、導体バンプの数を少なくして寸法のばらつきを抑制しつつ、多数の個所での評価を行うことで、評価精度の向上を図ることができる。
【００２６】
上記ステップ（ａ）の前に、上記各導体バンプの大きさを個別に格納したデータベースを用意するステップ（ｆ）をさらに含み、上記ステップ（ｃ）では、上記データベースから各導体バンプの大きさのデータを取りだし、上記各導体バンプの個々の大きさに基づいて上記絶縁膜の特性又は寸法を評価することにより、評価精度の向上を図ることができる。
【００２７】
上記ステップ（ａ）の前に、上記各導体バンプの大きさのデータから上記ステップ（ｂ）における各導体バンプの変形を予測して、各導体バンプの変形による導体バンプ−絶縁膜間の接触面積を個別に格納したデータベースを用意するステップ（ｇ）をさらに含み、上記ステップ（ｃ）では、上記データベースから各導体バンプの絶縁膜との間における接触面積のデータを取りだし、上記各導体バンプの接触面積に基づいて上記絶縁膜の特性又は寸法を評価することにより、評価精度の向上を図ることができる。
【００２８】
上記ステップ（ｇ）では、上記測定用部材と上記基板との間に上記複数の導体バンプの少なくとも一部が塑性変形するように押圧力を加えた後、押圧力を除去してから上記各導体バンプの塑性変形後の上面の面積を測定し、この面積から上記ステップ（ｂ）における各導体バンプの変形を予測することが好ましい。
【００２９】
本発明の第１の絶縁膜の評価装置は、  基板内の導体層の上に設けられた絶縁膜の特性又は寸法を評価するための絶縁膜の評価装置であって、少なくとも１つの導体バンプとこれに接続される配線とを有する測定用部材と、上記導体バンプと上記絶縁膜との相対的な押圧力を所定範囲内に調整するための押圧力調整手段とを備え、上記絶縁膜の評価を行う時は、上記導体バンプと上記絶縁膜とが接触している。
【００３０】
これにより、基板の一部の上の絶縁膜についてのみ評価を行うことができるので、導体バンプと絶縁膜との接触面積を均一に制御することが容易となり、高い評価精度が得られる。
【００３１】
上記基板又は測定用部材を横方向に移動させるための移動手段をさらに備えていることにより、導体バンプと絶縁膜との接触面積の均一化を図りつつ、基板全体の絶縁膜について、特性や厚みを評価することが可能になる。
【００３２】
上記基板又は測定用部材を相対的に回転させるための移動手段をさらに備えていることにより、導体バンプの数を少なくして導体バンプの大きさのばらつきを小さくしつつ、評価箇所を多く確保することで評価精度の向上を図ることができる。
【００３３】
上記押圧力調整手段に、上記基板と上記測定用部材との間の空間の圧力を減圧する機構を設けることにより、各導体バンプと絶縁膜との相対的な押圧力を基板全体で均一化することが容易となる。
【００３４】
上記導体バンプは、上記絶縁膜よりも硬さが小さい材料により構成されていることが好ましい、
上記導体バンプの寸法は、上記押圧力による上記導体バンプと上記絶縁膜との接触面積が所定値範囲内に収まるように設定されていることが好ましい。
【００３５】
上記各導体バンプの寸法を個別に記憶する記憶部と、上記絶縁膜の特性又は寸法を上記各導体バンプの寸法に基づいて演算処理する演算部とをさらに備えることにより、絶縁膜の評価装置の評価精度の向上を図ることができる。
【００３６】
本発明の第２の絶縁膜の評価装置は、基板内の導体層の上に設けられた絶縁膜の特性を評価するための絶縁膜の評価装置であって、少なくとも１つの導体バンプとこれに接続される配線と特性の評価に用いないダミーバンプとを有する測定用部材と、上記導体バンプと上記絶縁膜との相対的な押圧力を所定範囲内に調整するための押圧力調整手段とを備え、上記絶縁膜の評価を行う時は、上記導体バンプと上記絶縁膜とが接触している。
【００３７】
これにより、測定用部材に加えられる押圧力が導体バンプとダミーバンプとによって受けられるので、１つの導体バンプに加わる押圧力の変動やばらつきを抑制することができる。
【００３８】
本発明の第３の絶縁膜の評価装置は、半導体基板上に設けられた絶縁膜の特性を評価するための絶縁膜の評価装置であって、基端で固定され、先端部の下面に少なくとも１つの導体バンプを搭載した少なくとも１つのカンチレバーと、上記導体バンプに接続される配線とを有する測定用部材と、上記カンチレバーの変位量により、上記導体バンプと上記絶縁膜との相対的な押圧力を所定範囲内に調整するための押圧力調整手段とを備え、上記絶縁膜の評価を行う時は、上記導体バンプと上記絶縁膜とが接触している。
【００３９】
これにより、バンプ支持部材と基板との縦方向の相対的な位置関係を制御することが可能になるので、導体バンプと絶縁膜との接触面積を規定する相対的な押圧力を適正に調整することが可能になる。
【００４０】
本発明の第４の絶縁膜の評価装置は、基板内の導体層の上に設けられた絶縁膜の特性を評価するための絶縁膜の評価装置であって、少なくとも１つの導体バンプと上記導体バンプに接続される配線とを有する測定用部材と、基端で回動自在に支持された棹状部材と、上記棹状部材先端の上記絶縁膜表面に沿った移動量を検出する移動量検出手段と、上記移動量検出手段の検出値に応じて、上記導体バンプと上記絶縁膜との押圧力を所定範囲内に調整するための押圧力調整手段とを備え、上記絶縁膜の評価を行う時は、上記導体バンプと上記絶縁膜とが接触している。
【００４１】
これにより、バンプ支持部材と基板との縦方向の相対的な位置関係を制御することが可能になるので、導体バンプと絶縁膜との接触面積を規定する相対的な押圧力を適正に調整することが可能になる。
【００４２】
上記移動量検出手段を、上記棹状部材の先端の移動量を光学的に検出するように構成することにより、簡素な構造によって押圧力の制御精度を高く維持することができる。
【００４３】
本発明の第５の絶縁膜の評価装置は、半導体基板の上に設けられた絶縁膜の特性を評価するための絶縁膜の評価装置であって、なくとも１つの導体バンプと上記導体バンプに接続される配線とを有する測定用部材と、上記導体バンプと上記絶縁膜との相対的な押圧力を所定範囲内に調整するための押圧力調整手段と、上記半導体基板の裏面上の絶縁膜を破壊して半導体基板の裏面に接するように構成された導体突起部を備えた基板ステージとを備え、上記絶縁膜の評価を行う時は、上記導体バンプと上記絶縁膜とが接触している。
【００４４】
これにより、絶縁膜の評価を行う際に印加される押圧力によって、導体突起部が半導体基板の裏面の絶縁膜を破壊して半導体基板の裏面に接触するので、別途手間を要することなく、電気信号伝達用の基板コンタクトを確実に得ることができる。
【００４５】
上記導体突起部は、レニウム，ロジウム，ニッケル，タングステン及びタンタルのうち少なくともいずれか１つを含む材料により構成されていることが好ましい。
【００４６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態における絶縁膜の評価方法及び評価装置について説明する。図３は本実施形態の絶縁膜の評価装置の構成及び絶縁膜の評価方法を示す断面図である。
【００４７】
図３に示すように、基板全体が導体層として機能するようにｐ型不純物がドープされたシリコン基板４の上に設けられたシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜３が被測定物であり、シリコン基板８はウエハステージ８の上に載置されている。そして、シリコン基板４の上方に、測定用部材であるバンプ支持部材１を設置する。バンプ支持部材１の下面にはその下面よりも下方に突出する導体バンプである多くの導体バンプ２が設けられており、バンプ支持部材１には各導体バンプ２に接続され、各導体バンプ２と外部に配置される測定装置とを電気的に接続するための配線６が形成されている。ゲート絶縁膜３の厚みは、予めエリプソメ−タによって測定されており、例えば２．４ｎｍであるとする。導体バンプ２は、ゲート絶縁膜を構成する材料よりも硬度の小さい金属，例えばＡｕを核となるＮｉ粒にメッキするなどの方法によって形成されている。
【００４８】
そして、ゲート絶縁膜３の評価を行うときには、バンプ支持部材１を下降させて、導体バンプ２とゲート絶縁膜３とを接触させ、加圧機構５により、導体バンプ２をゲート絶縁膜３にある押圧力Ｐで押しつける。このとき、導体バンプ２の寸法及び数と押圧力とが定まると、後述するように、理想的にはヘルツの公式から導体バンプ２とゲート絶縁膜３との接触面積Ｓｇが求まる。ここで、各導体バンプ２とゲート絶縁膜３との相対的な押圧力Ｐを、各導体バンプ２の変形が弾性限をあまり大きく越えない範囲で、導体バンプ２とゲート絶縁膜３との接触面積Ｓｇが所定内に収まるように加圧機構５によって調整する。その結果、導体バンプ２とシリコン基板４との間にゲート絶縁膜３を挟んでなるＭＩＳ構造が構成されることになる。なお、図３には図示しないが、加圧機構５として、ゲート絶縁膜３とバンプ支持部材１との間隙を一定にするように加圧力を調整する機構（例えば回転するねじによってバンプ支持部材１を上下させる機構）が設けられている。
【００４９】
そして、この状態でＴＤＤＢ試験やＨｇプローバー試験と同様の試験を行うことにより、ゲート絶縁膜３の特性の評価を行なうことができる。
【００５０】
次に、本実施形態におけるＭＩＳ構造のゲート面積Ｓｇに相当する導体バンプ２とゲート絶縁膜３との間の近似的な接触面積の算出方法について説明する。
【００５１】
図２６に示すように、曲率半径がＲ１，Ｒ２の２つの球体Ａ，Ｂが垂直力（押圧力）Ｐによって互いに押圧されている場合を想定する。２つの球体Ａ，Ｂの曲率半径をそれぞれＲ１，Ｒ２とし、各球体の弾性率をそれぞれＥ１，Ｅ２として、ポアソン比をいずれもν（＝０．３）とする。この場合、ヘルツの公式によると、両者の接触面積の半径ａは、下記式（１）
ａ＝ 3√［(3P/4)・[(1-ν2)/E1＋(1-ν2)/E2]／(1/R1＋1/R2)］    （１）
により表される。
【００５２】
本実施形態においては、導体バンプ２の曲率半径をＲ１とすると、ゲート絶縁膜３は平面状の膜であることから曲率半径Ｒ２は無限大となる。したがって、上記式（１）は、下記式（２）
ａ＝ 3√［(3P/4)・R1・[(1-ν2)/E1＋(1-ν2)/E2]］              （２）
のごとく単純化される。
【００５３】
したがって、導体バンプ２とゲート絶縁膜３との材質が決まれば、材料に固有の特性である弾性率Ｅ１，Ｅ２が定まり、ポアソン比νは一般に０．３であることから、垂直力Ｐつまり押圧力が定まれば、ゲート面積Ｓｇに相当する接触面積πａ2 も定まることになる。ただし、実際には、後述するように、面積が既知のＭＩＳキャパシタにおけるＩ−Ｖ特性との比較や、特定のゲート電圧に対するゲートリーク電流に基づいて、接触面積の適，不適を判断することができる。特に、導体バンプ２の形状（先端の曲率半径）が必ずしも一定でない場合には、このような校正を行なうことが簡易かつ実用的な方法である。
【００５４】
また、図２６に示す接近量δは、下記式（３）
δ＝ 3√［(9P2/16)・[(1-ν2)/E1＋(1-ν2)/E2]2・(1/R1＋1/R2)］ （３）
により求められる。上記式（３）は、バンプの変形が弾性変形であることを前提としているが、バンプの塑性変形が多少生じても、近似的にはこの式を用いることができる。また、有限要素法を用いた周知の方法により、荷重とバンプの変形との関係を求めることもできる。
【００５５】
そして、上述のようなＭＩＳ構造を利用して、導体バンプ２及びゲート絶縁膜３の間に押圧力を加え、ある接触面積Ｓｇ下におけるＩ−Ｖ特性を測定することにより、ＴＤＤＢ試験や、Ｈｇプローバー試験を行なうことができる。その場合、導体バンプ−ゲート絶縁膜間の接触面積Ｓｇが図２に示す好ましい範囲，例えば１００μｍ2 以下に収まるように、導体バンプ２の先端の曲率半径と押圧力とを設定するのは容易であり、１．５ｎｍ程度の厚みを有するゲート絶縁膜３についても、Ｉ−Ｖ特性線を測定しつつゲートリーク電流Ｉｇの急激な変化が生じるタイミングを確実に検知することができる。
【００５６】
よって、本実施形態の評価方法又は評価装置により、薄膜化されたゲート絶縁膜について、その特性をウエハーレベルで高い精度で評価することができる。特に、ＴＤＤＢ試験に用いた場合には、Ｉ−Ｖ特性におけるゲートリーク電流Ｉｇが急激に増大するタイミング，つまりゲート絶縁膜が破壊する時点を確実に検出できるので、ウエハーレベルでゲート絶縁膜の寿命を正確に推定することが可能となる。
【００５７】
図４は、本実施形態の別例である絶縁膜の評価装置の構成を示す断面図である。この別例の評価装置は、バンプ支持部材１に導体バンプ２，配線６，加圧機構５を有している点では、図３に示す構造と基本的に同じであるが、さらに、シリコン基板４とバンプ支持部材１との間の空間の圧力を減圧するための減圧機構を有している点で第１の実施形態の評価装置とは異なる。なお、この場合加圧機構５を省略することも可能である。
【００５８】
図４において、シリコン基板４を載置するためのウエハステージ８とバンプ支持部材１との間には、シリコン基板４とバンプ支持部材１との間の空間を外部空間から遮断するためのＯ−リング７が介在しており、ウエハステージ８の数カ所（図４には１カ所のみ図示）に設けられた配管９は真空ポンプ（図示せず）につながっている。この真空ポンプによる減圧度に応じてバンプ支持部材１の押圧力が定まるので、減圧度によって導体バンプ２とゲート絶縁膜３との接触部における両者の接触面積を所望範囲に調整することができる。
【００５９】
なお、この場合には、ゲート絶縁膜３とバンプ支持部材１とによって挟まれる空間のコンダクタンスが大きいことから、真空引きのための配管９を数カ所に設けることにより、各導体バンプ−ゲート絶縁膜間の接触面積を均一にすることができる利点がある。
【００６０】
図５は、本実施形態（別例）における評価装置を用いて、導体バンプ２とシリコン基板４との間に０から徐々に増大する電圧（ゲート電圧Ｖｇ）を印加して、ゲートリーク電流Ｉｇを測定した結果得られたＩ−Ｖ特性を示す図である。同図において、横軸はゲート電圧Ｖｇを表し、縦軸はゲート電流（ゲートリーク電流Ｉｇを表している。同図中の実線で示す曲線が本実施形態において得られた実測データである。同図に示すように、ゲート絶縁膜３の破壊を示すゲートリーク電流Ｉｇの急激な変化が認められており、この方法が有効であることがわかる。なお、図３に示す評価装置においても、加圧機構が別例と異なるだけで、導体バンプ２とシリコン基板４との間にゲート絶縁膜３を挟んでＭＩＳ構造を構成している点では、別例と異なるわけではない。したがって、図３に示す評価方法，評価装置によっても、図５と同様のＩ−Ｖ特性線が得られることは明らかである。
【００６１】
また、同図中の破線で示す曲線は、ＭＩＳキャパシタを形成して、ＭＩＳキャパシタ間の素子分離を行なってキャパシタ面積を２００μｍ2 としたもののＩ−Ｖ特性線を示す。同図に示すように、本実施形態（別例）によって測定したＩ−Ｖ特性線と面積２００μｍ2 のキャパシタのＩ−Ｖ特性線とが一致することから、導体バンプ２とゲート絶縁膜３との接触面積は２００μｍ2 であることがわかる。つまり、導体バンプ２とゲート絶縁膜３との接触面積を求めるのが困難である場合には、別途、何段階かの面積を有するＭＩＳキャパシタを形成しておいて、各ＭＩＳキャパシタについてのＩ−Ｖ特性を調べておくのである。そして、被測定対象である導体バンプ２とゲート絶縁膜３とについて得られたＩ−Ｖ特性線がどのＭＩＳキャパシタのＩ−Ｖ特性線ともっともよく一致するかを調べることで、当該導体バンプ−ゲート絶縁膜間の接触面積を校正することができる。
【００６２】
次に、図６は、厚みが１．５ｎｍのゲート絶縁膜３について、本実施形態による方法で得られたＩ−Ｖ特性と、従来のＨｇプローバー法によって得られたＩ−Ｖ特性線とを比較する図である。従来のＨｇプローバー法によるＩ−Ｖ特性線では、この程度の極薄のゲート絶縁膜になると、ゲートリーク電流Ｉｇの急激な変化がわからず、ゲート絶縁膜の破壊する時点が不明である。つまり、上述のように、Ｈｇプローバー法における水銀端子の横方向断面積は０．０１ｍｍ2 （１００００μｍ2 ）程度であるために、ゲート絶縁膜が破壊する前のゲートリーク電流Ｉｇが大きくゲート絶縁膜が破壊する前にゲート絶縁膜の破壊後におけるゲートリーク電流Ｉｇの値に達する（図６中のタイミングＴ’）ことから、Ｉ−Ｖ特性線中にゲートリーク電流の急激な変化が現れない。それに対し、本実施形態の評価方法により、Ｉ−Ｖ特性線中に、ゲート絶縁膜の破壊時を示す明確なゲートリーク電流Ｉｇの変化（タイミングＴ）が現れており、１．５ｎｍ程度の小さい厚みを有するゲート絶縁膜の特性を、ウエハーレベルで確実に評価することができることがわかる。
【００６３】
（第２の実施形態）
次に、図７は、第２の実施形態における絶縁膜の評価装置の構成を示す断面図である。
【００６４】
本実施形態では、評価装置の基本的な構成は、図３に示す第１の実施形態と同じであるが、バンプ支持部材１１がシリコン基板４（ウエハ）よりも小さく、シリコン基板４の一部のゲート絶縁膜３にバンプ支持部材１１を接触させて、Ｉ−Ｖ特性などを評価した後、移動可能なウエハステージ１８によってシリコン基板４を横方向に移動させて、シリコン基板４の別の場所におけるＩ−Ｖ特性を評価するようになっている。また、バンプ支持部材１１とゲート絶縁膜３との間にＯ−リング１７が介在しており、バンプ支持部材１１に取り付けられた真空引き用配管及び真空ポンプ（いずれも図示せず）により、バンプ支持部材１１とゲート絶縁膜３との間の空間を減圧するように構成されている。図７に示すその他の部材については、図３に示す評価装置の各部材と同じ符号を付すことにより、説明を省略する。ただし、本実施形態の校正を示す図７には、上記第１の実施形態の校正を示す図３，図４と同様に、３つの導体バンプ２が例示されているが、本実施形態においては、図３，図４に示す第１の実施形態よりも少ない導体バンプ２しか設けられていないのが一般的である。
【００６５】
本実施形態によると、ウエハステージ１８が横方向に可動であり、また、導体バンプ２が配列されたバンプ支持部材１１がシリコン基板４よりも小さくコンパクトであるので、各導体バンプ２に安定かつ均等な押圧力を印加しつつ、シリコン基板４の全体のゲート絶縁膜３について評価することが可能であるという利点がある。
【００６６】
図８は、本実施形態の評価装置を用い、導体バンプ２，ゲート絶縁膜３及びシリコン基板４によって構成されるＭＩＳ構造について、０から徐々に増大するゲート電圧Ｖｇを印加してゲートリーク電流Ｉｇを測定した結果得られたＩ−Ｖ特性を示す図である。同図には、シリコン基板４の中心付近と周辺付近とに個別に計測して得られた３つのＩ−Ｖ特性線を示している。同図に示すように、各Ｉ−Ｖ特性線のばらつきは小さいことから、各導体バンプ２に対してほぼ均一な押圧力を印加していることがわかる。
【００６７】
（第３の実施形態）
次に、図９は、第３の実施形態における絶縁膜の評価装置の構成を示す断面図である。
【００６８】
本実施形態においては、図４に示す構成に加えて、バンプ支持部材１の下面上に、導体バンプ２と共にＡｕからなるダミーバンプ２２が設けられている点が特徴である。つまり、このダミーバンプ２２は配線に接続されておらず、Ｉ−Ｖ特性の測定に用いられるものではない。
【００６９】
本実施形態によると、バンプ支持部材１の下面上に、ダミーバンプ２２が導体バンプ２と共に配置されていることで、真空引きの圧力の変動に対する導体バンプ２の１つ当たりに作用する押圧力の変動が小さくなるので、導体バンプ２とゲート絶縁膜３との間の接触面積を安定して均一化しうる利点がある。また、導体バンプ２の使用回数に対する接触面積の経時変化を低減できる。また、必要以上の局部的な加圧に伴うゲート絶縁膜３の物理的破壊を予め回避することができる。
【００７０】
さらに、例えばダミーバンプ２２の高さ寸法を導体バンプ２の高さ寸法よりも低めに設定して、ゲート絶縁膜３がダミーバンプ２２に接触した時点で、加圧に対する抗力が急激に増大することを利用して、その時点で下降を停止させることにより、バンプ支持部材１の接触後の降下量（式（３）に示す接近量δ）を均一化することも可能である。
【００７１】
なお、より安定した圧力を実現するためには、ダミーバンプ２２の数を導体バンプ２の数よりも多くしておくことが好ましい。ただし、ダミーバンプ２２の材質は、評価に使用する導体バンプとしての導体バンプ２と同じ材質である必要はなく、例えばＡｕよりも弾性率の高い材質であってもよい。
【００７２】
図１０は、本実施形態の評価装置を用い、導体バンプ２，ゲート絶縁膜３及びシリコン基板４によって構成されるＭＩＳ構造について、０から徐々に増大するゲート電圧Ｖｇを印加してゲートリーク電流Ｉｇを測定した結果得られたＩ−Ｖ特性線を示す図である。同図には、シリコン基板４のほぼ中心付近において、同じ導体バンプ２について１０回の加圧，Ｉ−Ｖ特性の測定，加圧除去の手順を繰り返したときの第１回目の測定によるＩ−Ｖ特性線と、第１０回目の測定によるＩ−Ｖ特性線とが示されている。同図に示すように、第１回目，第１０回目の測定によるＩ−Ｖ特性線のばらつきは小さいことから、導体バンプ２を何度も用いながら安定した接触面積で押圧力を印加していることがわかる。
【００７３】
すなわち、本実施形態によると、ダミーバンプ２２を用いることにより、安定したＩ−Ｖ特性の測定を行なうことができるとともに、導体バンプ２の使用寿命を延長することができる。
【００７４】
なお、ダミーバンプ２２を構成する材料としては、Ａｕだけでなく各種の導体材料又は絶縁性材料を使用することができる。
【００７５】
（第４の実施形態）
次に、図１１は、第４の実施形態における絶縁膜の評価装置の構成を示す断面図である。
【００７６】
本実施形態においては、横方向に移動可能なウエハステージ１８の上にゲート絶縁膜３が設けられたシリコン基板４が載置されており、その上にカンチレバー状支持部材３１が配置されている。このカンチレバー状支持部材３１の基端部は固定されていて、先端部の下面上に、導体バンプ３２が設けられ、導体バンプ３２は配線３３に接続されている。そして、カンチレバー状支持部材３１の基端部には、センサーを付設しカンチレバー状支持部材３１の曲がり角θを調整するための微小トルク系３４が配置されており、微小トルク系３４によって、導体バンプ３２をゲート絶縁膜３に押し付けるための加圧機構が構成されている。
【００７７】
本実施形態においては、センサーによって導体バンプ３２とゲート絶縁膜３との間の押圧力を高精度で検知しながら、微小トルク系３４によってカンチレバー状支持部材３１を曲げることにより、導体バンプ３２とゲート絶縁膜３との間に押圧力を印加することができる。すなわち、導体バンプ３２とゲート絶縁膜３との間の押圧力は、センサーによって検知される微小トルク系３４の示すトルク値と一対一の相関関係にあるので、図２６について説明したヘルツの公式（１）における垂直力Ｐに相当する押圧力が正確に検出されることになる。このように、本実施形態では、絶縁膜の評価装置の構成は複雑にはなるが、高精度で高再現性が高い絶縁膜の評価が可能となる。
【００７８】
図１２は、本実施形態の評価装置を用い、導体バンプ２，ゲート絶縁膜３及びシリコン基板４によって構成されるＭＩＳ構造について、０から徐々に増大するゲート電圧Ｖｇを印加してゲートリーク電流Ｉｇを測定した結果得られたＩ−Ｖ特性線を示す図である。図１２中の各Ｉ−Ｖ特性線は、シリコン基板４の中心付近に位置する複数の箇所についてのデータである。同図にしめすように、各測定個所によってゲート絶縁膜の厚みのばらつきが当然あることを考慮すると、安定してＩ−Ｖ特性が得られていることがわかる。
【００７９】
なお、本実施形態において、微小トルク系を配置していなくても、光学的にカンチレバー状支持部材の回転量を計測するセンサーを配置しても、押圧力の制御は可能である。
【００８０】
また、１つのカンチレバー状支持部材３１の下面に複数の導体バンプ２が設けられていてもよく、１つの絶縁膜の評価装置に複数のカンチレバー状支持部材３１が設けられていてもよい。
【００８１】
（第５の実施形態）
次に、図１３は、第５の実施形態における絶縁膜の評価装置の構成を示す断面図である。
【００８２】
本実施形態においては、図７に示す構成に加えて、基端部で回転自在に支持され先端がゲート絶縁膜３に接触するプローブ針４１と、プローブ針４１の回転量を検出するセンサー４２と、センサー４２の出力を受けて、プローブ針４１の回転量で定まる押圧力Ｐを加圧機構５によって制御するための制御系４３とが配設されている。すなわち、バンプ支持部材１１を下降させてシリコン基板４上のゲート絶縁膜３の表面にプローブ針４１が接触したときに、センサー４２によって接触を告知する信号が制御系４３に送られ、接触位置からさらに所定距離（例えば１μｍ）だけ下方にバンプ支持部材１１を下降させる（オーバードライブ）ように構成されている。このオーバードライブの距離は式（３）の接近量δを定めるファクタであるので、このオーバードライブの距離を制御することにより押圧力Ｐが制御されることになる。そこで、本実施形態においては、導体バンプ２及びプローブ針４１の先端位置の差を考慮して、図２６について説明した接近量δを、導体バンプ２とゲート絶縁膜との接触面積（接触部の半径ａ）が所望の範囲内に収まるように、制御するのである。
【００８３】
図１４は、本実施形態の評価装置を用い、導体バンプ２，ゲート絶縁膜３及びシリコン基板４によって構成されるＭＩＳ構造について、０から徐々に増大するゲート電圧Ｖｇを印加してゲートリーク電流Ｉｇを測定した結果得られたＩ−Ｖ特性線を示す図である。図１４中の各Ｉ−Ｖ特性線は、シリコン基板４の複数の箇所についてのデータである。同図にしめすように、オーバードライブ量をほぼ一定に制御することにより、ばらつきの小さいＩ−Ｖ特性が得られていることがわかる。
【００８４】
図１５は、本実施形態の別例における絶縁膜の評価装置の構成を示す図である。この例では、バンプ支持部材１１を下降させてプローブ針４１が横方向に移動するタイミングを顕微鏡５２による観察によって検知して、その時をプローブ針４１がゲート絶縁膜３に接触した時と判断する。その後、顕微鏡５２によってプローブ針４１の先端を観察して、プローブ針が横方向にほぼ一定量だけ移動するまでバンプ支持部材１１を下降させる（オーバードライブ）ことにより、導体バンプ２とゲート絶縁膜３との接近量δ（つまり押圧力Ｐ）を所望の範囲内に収めようとするものである。この場合、測定を行なう者の目視による判断でオーバードライブ量を制御することになるが、図１３に示す装置を用いた場合と同等の効果が得られている。
【００８５】
（第６の実施形態）
次に、図１６は、第６の実施形態における絶縁膜の評価装置の構成を示す断面図である。
【００８６】
本実施形態においては、図７に示す構成に加えて、モリブデン，タングステンなどの高硬度金属からなるウエハステージ２８の表面には、シリコン基板４の裏面の絶縁膜を破壊してシリコン基板４の裏面に接触するための導体突起部である凸部２９が設けられている。ただし、本実施形態においては、シリコン基板４上に形成された厚み約４ｎｍのシリコン窒化膜からなるゲート絶縁膜１３を評価対象としている。このとき、シリコン基板４の裏面にもシリコン窒化膜２３が形成されているが、ウエハステージ２８上にシリコン基板４を載置した状態で、加圧機構５によってバンプ支持部材１１を下降させて、シリコン基板４にバンプ支持部材１１を押し付けた際に、凸部２９によりシリコン窒化膜２３が破壊されるので、ウエハステージ２８とシリコン基板４の裏面とが電気的に接続される。
【００８７】
すなわち、従来より、シリコン基板や化合物半導体基板において、裏面には自然酸化膜が形成されたり、主面側で成膜中の絶縁膜が裏面の一部又は全部に形成されることがあり、本発明のように基板上の絶縁膜の特性を評価する際に必要な裏面コンタクトを得るためには、基板の裏面の一部を削るなどの手間を要している。それに対し、本実施形態によると、ウエハステージ２８を高硬度の導体材料によって構成し、その表面に凸部２９を設けることによって、導体バンプ２とゲート絶縁膜３との相対的な押圧力を付加する際の力を利用して、シリコン基板４の裏面上のシリコン窒化膜２３等の絶縁膜を破壊しうるので、格別の手間を要することなく、シリコン基板４の裏面とウエハステージ２８との電気的接続を行なうことができる。
【００８８】
図１７は、本実施形態の評価装置を用い、導体バンプ２，ゲート絶縁膜１３（シリコン窒化膜）及びシリコン基板４によって構成されるＭＩＳ構造について、−３．６Ｖのゲート電圧Ｖｇを印加して、ゲートリーク電流密度Ｄｇを測定した結果得られたゲート電流密度Ｄｇの経時変化特性を示す図である。同図において、横軸はゲート電圧Ｖｇを印加したときからの経過時間（ｓ）を表し、縦軸はゲートリーク電流密度Ｄｇ（Ａ／ｃｍ2 ）を表している。また、同図に示すデータは、基板を加熱する機構（図２４に示すヒータ６１など）を設けて、基板温度を１００℃に制御しながら加速試験を行なった結果得られたものである。同図に示すように、ゲートリーク電流密度Ｄｇのばらつきが小さいことから、ゲート絶縁膜１３の厚みが大きいにも拘わらず安定して裏面コンタクトが確保されていることがわかる。したがって、本実施形態を利用することにより、誘電率の高い絶縁膜の特性評価が容易となる。
【００８９】
図１８は、本実施形態の別例における絶縁膜の評価装置の構成を示す図である。この例では、比較的硬さの小さいアルミニウム合金，銅合金などの低抵抗金属からなるウエハステージ１８の上に、高硬度の導体，例えばロジウム（Ｒｈ）などからなる導体突起部材３９を設けている。ただし、この別例においては、シリコン基板４の上に形成された厚み約２．４ｎｍのシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜３を評価対象としている。この別例によっても、図１６に示す構成を有する評価装置を用いた場合と同じ効果を発揮できることはいうまでもない。なお、ウエハステージ１８を絶縁性材料によって構成する場合には、各導体突起部材３９と外部測定装置とを接続するための配線を設ければよい。
【００９０】
図１９は、本実施形態の別例における評価装置を用い、導体バンプ２，ゲート絶縁膜３（シリコン酸化膜）及びシリコン基板４によって構成されるＭＩＳ構造について、−２．８Ｖのゲート電圧Ｖｇを室温で印加して、ＴＤＤＢ試験を行なった結果得られたデータを示す図である。同図において、横軸はゲート電圧Ｖｇを印加したときからの経過時間（ｓ）を表し、縦軸はゲートリーク電流（Ａ）を表している。同図におけるゲートリーク電流Ｉｇが急激に増大する時がゲート絶縁膜の破壊時である。同図に示すように、ゲートリーク電流Ｉｇのばらつきが小さい状態で、ＴＤＤＢ試験を行うことができる。
【００９１】
本実施形態の凸部２９やその別例の導体突起部材３９は、シリコン基板４の裏面に形成されやすいシリコン酸化膜や、シリコン窒化膜などの絶縁膜を破壊しうる硬度又は強度を備えている導体材料によって構成する必要がある。ただし、硬度がシリコン酸化膜やシリコン窒化膜より小さくても、強靱な材料であれば薄い酸化膜や窒化膜などの絶縁膜を破壊することができるので、本実施形態又はその別例の効果を発揮することができる。
【００９２】
以上のような硬度又は強度の大きい導体材料としては、たとえば、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），レニウム（Ｒｅ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），炭化珪素（ＳｉＣ），炭化珪素（ＷＣ）（半導体），炭化チタン（ＴｉＣ）（半金属），炭化タンタル（ＴａＣ）（金属），炭化ホウ素（Ｂ4 Ｃ）などがあり、いずれを用いてもよい。
【００９３】
（第７の実施形態）
次に、図２０は、第７の実施形態における絶縁膜の評価方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
【００９４】
まず、ステップＳＴ１で、測定対象である絶縁膜膜付きウエハ（例えば図３に示すシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜３が設けられたシリコン基板４）をウエハステージ上に載置して導体バンプ−絶縁膜間に押圧力を印加する（ウエハのロード）。
【００９５】
次に、ステップＳＴ２で、導体バンプ−ゲート絶縁膜間の接触面積が所望の範囲にあるように押圧力を校正する。この校正は、後述するように、ある押圧力を印加して所定のゲート電圧を印加したときに生じるゲートリーク電流が、当該テストにおけるＭＩＳ構造のゲート面積（接触面積）が適正範囲内にあるとしたときのゲートリーク電流の範囲内にあるか否かなどを調べることにより行なわれる。その後、ステップＳＴ３で、絶縁膜のリーク特性やＴＤＤＢなどの電気特性の解析を行う。
【００９６】
次に、上述のステップＳＴ２における導体バンプ−ゲート絶縁膜間の押圧力の校正方法について、説明する。本実施形態においては、校正用のサンプルとして、厚みが４ｎｍの熱酸化膜（シリコン酸化膜）が設けられたシリコンウエハを用いる。そして、導体バンプに印加するゲート電圧Ｖｇが−６Ｖのときに、熱酸化膜を通して流れる適正な接触面積に対応するゲートリーク電流Ｉｇの範囲（例えば１μＡ〜１０μＡ）を予め求めておくのである。
【００９７】
図２２は、導体バンプ−ゲート絶縁膜間の適正な接触面積を得るための押圧力Ｐの校正を行なう際の基準となるゲートリーク電流の値を示す図である。例えば、図２２に示すように、ゲート面積が本実施形態で所望する接触面積に一致し、厚みが４ｎｍの熱酸化膜からなるゲート絶縁膜を有するＭＩＳ構造のＩ−Ｖ特性が図中実線のように得られていたとする。そのとき、図中の実線で示すＩ−Ｖ特性を中心として、ゲート面積が所望値から例えば±１０％ずれたときのＩ−Ｖ特性（図中破線で示す特性）を求め、この破線で挟まれる範囲のＩ−Ｖ特性が得られたときは、導体バンプ−ゲート絶縁膜間の接触面積が適正な所定範囲（許容範囲）に収まっていると判断する。
【００９８】
ただし、校正の際にＩ−Ｖ特性を測定するのは手間を要するので、所定のゲート電圧（この例では−６Ｖ）のときに生じる各導体バンプについてのゲートリーク電流Ｉｇが、許容範囲の下限値（この例では１０-6Ａ）と上限値（この例では１０-5Ａ）の間にすべて収まっていれば、各導体バンプについてゲート絶縁膜との接触面積が適正であると判断することができる。
【００９９】
図２３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態における押圧力の校正機能を有する絶縁膜の評価装置を用いて、押圧力の校正を行なう手順を示す断面図である。
【０１００】
図２３（ａ）に示すように、本実施形態の絶縁膜の評価装置には、標準熱酸化膜付きウエハのリーク電流を解析するシステムが導入されている。すなわち、図４に示す絶縁膜の評価装置に加えて、高さ調節機構５５と、電流計測系５６と、高さ制御系５７と、圧力センサ６０とを備えている。そして、標準資料として、厚みが４ｎｍの標準熱酸化膜５７が表面に形成されたモニターウエハ５８が配置されている。この標準熱酸化膜５７は、図２２に示すＩ−Ｖ特性を有するものである。
【０１０１】
まず、図２３（ａ）に示すように、評価装置のウエハステージ８上に、モニターウエハ５９を設置する。ここで、本実施形態における図２３（ａ）に示す絶縁膜の評価装置には、図２２に示すＩ−Ｖ特性を有する厚みが４ｎｍの熱酸化膜付きシリコン基板のリーク電流を解析するシステムが導入されている。この方法では、図２６に示すヘルツの公式からわかるように、接触面積は半径ａによって定まり、曲率半径が一定であると仮定すると、半径ａは押圧力Ｐによって定まるので、適正な接触面積が得られる押圧力Ｐは、バンプに流れる電流値から校正することができるはずである。そこで、図２２に示すように、ゲート電圧−６Ｖを印加したときのゲートリーク電流Ｉｇが５μＡとなる押圧力Ｐを基本的なゼロに設定し、その上下に下限値１μＡと上限値１０μＡとを設定する。
【０１０２】
図２３（ｂ）に示すように、バンプ支持部材１を下降させて、Ｏリング７とウエハステージ８とが接触した状態で、真空ポンプ等の減圧機構によってバンプ支持部材１とウエハステージ８との間の空間を減圧する。このとき、圧力センサ６０によって、圧力を検知することで、１つのバンプ当たりの押圧力Ｐを演算する。そして、電流計測系５６によって各バンプ２に流れる電流を計測しながら、そして、導体バンプとゲート絶縁膜とに相対的な押圧力を印加しながら、導体バンプにゲート電圧Ｖｇとして−６Ｖを印加した状態で、ゲートリーク電流Ｉｇを測定し、ゲートリーク電流Ｉｇが基準値（５μＡ）に達したときの押圧力を基本押圧力Ｐstとして検出する。ただし、複数の導体バンプがある場合、その形状が全く同じではあり得ないので、ゲート電圧−６Ｖを印加したときに、各導体バンプについてのばらつきが生じるのが一般的である。そこで、実測されたゲートリーク電流Ｉｇの最小値と許容範囲の下限値（１μＡ）との差と、実測されたゲートリーク電流Ｉｇの最大値と許容範囲の上限値（１０μＡ）との差とが等しくなるときの押圧力Ｐを基本押圧力Ｐstとする。また、すべての導体バンプにおけるゲートリーク電流が、どうしても許容範囲内に収まらないときには、当該バンプ支持部材は使用できないと判定する。ただし、バンプ支持部材の傾きなどを修正してから再度校正を行なってもよい。
【０１０３】
次に、図２３（ｃ）に示すように、モニターウエハに代えて被測定物であるゲート絶縁膜３が表面に形成されたシリコン基板４をウエハステージ８上に設置し、バンプ支持部材１とウエハステージ８との間の空間を減圧する。このとき、圧力センサ６０の検出値されるバンプ支持部材１とウエハステージ８との間の空間の圧力値が、図２３（ｂ）に示すステップで校正した基本押圧力Ｐstに相当する圧力になるまで減圧する。
【０１０４】
上述の方法は、上記形態のうち減圧機構を備えた実施形態のすべてに適用することができる。ただし、例えば第１の実施形態のごとく（図３参照）、減圧機構などの圧力自体を制御する機構がなく、バンプ支持部材とウエハとの縦方向の相対的な位置関係を制御する機構しか備えていない装置については、上述の方法では、適正な押圧力を直接校正することができない。
【０１０５】
そこで、押圧力Ｐを直接校正する代わりに、バンプ支持部材の降下量を校正することによって間接的に押圧力Ｐの校正を行なう手順について、以下に説明する。この例では、押圧力Ｐの校正の際に、縦方向におけるバンプ支持部材とウエハステージとの縦方向の相対的な位置関係（図２６に示す接近量δ）を判断基準にしている。つまり、図２６に示すヘルツの公式からわかるように、接触面積は半径ａによって定まり、曲率半径が一定であると仮定すると、半径ａは押圧力Ｐによって定まる。一方、式（３）で記述される押圧力Ｐと接近量δとの相関関係を利用すると、接近量δから押圧力Ｐが求められる。したがって、導体バンプとゲート絶縁膜とが接触した位置からのバンプ支持部材の降下量（つまり接近量δ）を校正することにより、間接的に押圧力Ｐを校正することができる。
【０１０６】
具体的には、ゲート電圧−６Ｖを印加したときのゲートリーク電流Ｉｇが５μＡとなる降下量を基本的なゼロ位置に設定し、その上下に下限値１μＡと上限値１０μＡとを設定する。そして、導体バンプにゲート電圧Ｖｇとして−６Ｖを印加した状態で、ゲートリーク電流Ｉｇを測定し、導体バンプとゲート絶縁膜とが接触した位置からゲートリーク電流Ｉｇが基準値（５μＡ）に達するまでにバンプ支持部材を下降させた距離（接近量δ）を基本降下量δstとして算出する。ただし、複数の導体バンプがある場合、その形状が全く同じではあり得ないので、ゲート電圧−６Ｖを印加したときに、各導体バンプについてのばらつきが生じるのが一般的である。そこで、実測されたゲートリーク電流Ｉｇの最小値と許容範囲の下限値（１μＡ）との差と、実測されたゲートリーク電流Ｉｇの最大値と許容範囲の上限値（１０μＡ）との差とが等しくなるときの降下量を基本降下量δstとする。
【０１０７】
そして、ステップＳＴ３における実測時には、測定対象のシリコン基板上のゲート絶縁膜に、バンプ支持部材の導体バンプが接触した位置から上記校正で求めた基本降下量δstだけ、バンプ支持部材を下降させ、その位置で導体バンプにテスト用のゲート電圧Ｖｇ（−６Ｖである必要はない）を印加する。
【０１０８】
以上説明した直接押圧力を校正する方法及び降下量から間接的に押圧力を校正する方法のいずれにおいても、押圧力Ｐの校正は、導体バンプとゲート絶縁膜との適正な接触面積（ゲート面積）を実現するための処理にすぎないので、実測用のゲート絶縁膜の材質や厚みが、校正に用いた熱酸化膜の材質，厚みと一致する必要はない。
【０１０９】
また、導体バンプの寿命や精度を確認するために、上述の熱酸化膜を有するモニターウエハを用いることができる。例えば、熱酸化膜の上に各導体バンプを接触させてから、バンプ支持部材を降下量だけ下降させて、導体バンプにゲート電圧Ｖｇとして−６Ｖを印加したときに、各導体バンプについて生じるゲートリーク電流Ｉｇが、いずれも図２２に示す許容範囲の下限値１μＡと上限値１０μＡの間に入れば使用可能と判定し、降下量をどのように設定してもすべての導体バンプについてのゲートリーク電流値が図２２に示す許容範囲内に収まらなければ導体バンプの使用寿命が尽きたと判定する。
【０１１０】
図２１は、本実施形態の絶縁膜の評価装置を用いて、押圧力の校正を行なってから、導体バンプ，ゲート絶縁膜及びシリコン基板によって構成されるＭＩＳ構造について、ゲート電圧Ｖｇを室温で印加して、ＴＤＤＢ試験を行なった結果得られたデータを示す図である。同図において、横軸はゲート電圧Ｖｇを印加したときからの経過時間（ｓ）を表し、縦軸はゲートリーク電流（Ａ）を表している。同図におけるゲートリーク電流Ｉｇが急激に増大する時がゲート絶縁膜の破壊時である。ここで、ゲート絶縁膜として、厚みが３．３ｎｍのＳｉ3 Ｎ4 ／ＳｉＯＮ積層膜を用い、基板温度が１００℃，ゲート電極−３．４Ｖの条件でＴＤＤＢ時化Ｓｎを行なっている。同図に示されるように、ゲート電流密度Ｄｇのばらつきが小さいことから、安定した条件でＴＤＤＢ試験などの電気的特性を評価しうることがわかる。
【０１１１】
なお、本実施形態では、厚みが４ｎｍの熱酸化膜に対して校正基準を設けたが、校正基準はこれに限ったものではなく、押圧力に応じた導体バンプとウエハ（半導体基板）上の絶縁膜（ゲート絶縁膜）との接触面積から適正な押圧力を電流・電圧特性で把握できるものであればよい。
【０１１２】
また、本実施形態においては、ＴＤＤＢ測定前に１度だけ校正を行い、その後は校正を行なうことなくＴＤＤＢ試験を行なっているが、第２の実施形態で示すような測定点を移動するような場合では、測定の前ごとに毎回校正する方法でも、あるいは、同じウエハの場合に一度校正してから一気に各点を測定する方法でも同程度の効果は得られる。
【０１１３】
なお、校正後における絶縁膜の評価の種類に関しては、本実施形態のＴＤＤＢ試験に限定するものではなく、後述するようなＭＩＳ構造に関する各種の評価を行なうことができる。
【０１１４】
さらに、押し付け圧力を校正する方法として、シリコンウエハ以外の材料からなるウエハを用いても、本実施形態と同等の効果を得ることができる。
【０１１５】
（第８の実施形態）
次に、図２４は、第８の実施形態における絶縁膜の評価装置の構成を示す断面図である。
【０１１６】
本実施形態においては、図９に示す構成に加えて、ウエハステージ８にシリコン基板４を加熱するためのヒータ６１が内蔵されている点が特徴である。すなわち、基板加熱機構であるヒータ６１によってシリコン基板４の温度を例えば１００℃に保持しながら、ゲート絶縁膜３の特性評価を行うように構成されている。このように、シリコン基板４を加熱することにより、ゲート絶縁膜３の特性についての加速試験を行うことが可能になる。また、一般に弾性率は温度によって変化するので、導体バンプ２の弾性率を、導体バンプ２とゲート絶縁膜３との接触面積を安定して適正範囲に保持しうる値に調整することも可能になる。
【０１１７】
また、図２５は、本実施形態の別例における絶縁膜の評価装置の構成を示す断面図である。同図に示すように、この別例の評価装置は、図７に示す絶縁膜の評価装置に加えて、バンプ支持部材１１にヒータ６２を内蔵している。この別例の絶縁膜の評価装置によっても、図２４に示す評価装置と同様の効果を発揮することができる。
【０１１８】
（第９の実施形態）
本実施形態においては、計測装置や圧力の印加方法は、上記第１〜第８の実施形態の装置あるいは方法を利用する。そして、本実施形態においては、測定のために使用するバンプ数を低減するために、ウエハとバンプ支持部材とを相対的に回転させる。
【０１１９】
図２７は、本発明の第９の実施形態における評価装置の主要部を概念的に示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態では、回転可能に構成されたウエハステージ１０８を用い、図７，図１２，図１５，図１６，図１８及び図２５に示す構造のバンプ支持部材１１を用いる。そして、バンプ支持部材１１を固定した状態で、ウエハステージ１０８をある角度θずつ回転させて、各部位におけるゲートリーク電流を測定するように構成されている。図２７には示されていないが、図７，図１２，図１５，図１６，図１８及び図２５に示すようなＯリング１７が、バンプ支持部材１１とゲート絶縁膜４との間に介在することになる。そして、図示されていない真空引き配管や真空ポンプにより、バンプ支持部材１１とゲート絶縁膜４との間の空間を減圧するように構成されている。ただし、図４などに示すＯリング７が設けられていてもよいし、図３に示すように、Ｏリングが設けられていない構造であってもよい。
【０１２０】
図２８は、第９の実施形態における評価方法の手順を示すフローチャート図である。まず、ステップＳＴ１１で、測定対象である絶縁膜膜付きウエハ（図２７に示すシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜３が設けられたシリコン基板４）をウエハステージ１０８上に載置して導体バンプ−ゲート絶縁膜間に押圧力を印加する（ウエハのロード）。このとき、導体バンプ−ゲート絶縁膜間の接触面積が所望の範囲にあるように押圧力を校正する。この校正は、すでに説明したように、ある押圧力を印加して所定のゲート電圧を印加したときに生じるゲートリーク電流が、当該テストにおけるＭＩＳ構造のゲート面積（接触面積）が適正範囲内にあるとしたときのゲートリーク電流の範囲内にあるか否かなどを調べることにより行なわれる。
【０１２１】
その後、ステップＳＴ１２で、絶縁膜のリーク特性やＴＤＤＢなどの電気特性の解析（計測）を行う。そして、ステップＳＴ１３で、ｎ回計測を行なったか否かを判別する。このとき、ｎ回の計測により、ウエハ上のすべての所望の測定部位に導体バンプが接触するように設定されている。そして、ステップＳＴ１３における判別結果がＮＯであれば、ステップＳＴ１４で、ウエハステージをある角度αだけ回転させてから、ステップＳＴ１２に戻る。このように、計測とウエハステージの回転とを繰り返して、所望するすべての部位におけるゲートリーク電流（Ｉ−Ｖ特性）を測定し終えると、ステップＳＴ１５に進んで、制御を終了する。
【０１２２】
図２９，図３０は、それぞれバンプ支持部材１１における導体バンプ２の配置パターンの例を示す平面図である。
【０１２３】
図２９に示すバンプ支持部材１１には、６４個の導体バンプ２が円周を８等分した位置の半径方向に８個ずつ放射状に等間隔で配置されて、導体バンプ２の配置パターンが８回対称のパターンとなっている。したがって、３６０°（２π）を対称性の数で割った値である角度θ（４５°）だけウエハステージが回転すると、すでに別の導体バンプ２によって計測された位置に各導体バンプ２が達する。そこで、ウエハステージ１０８を角度αずつｎ回回転させると、合計の回転角がθに達するように、計測回数ｎを決めておく。このように計測回数ｎを決めておくと、初期位置における計測に加えて、ウエハステージを角度αずつ（ｎ−１）回回転させ、かつ、ゲートリーク電流（Ｉ−Ｖ特性）を測定することにより、所望するすべての部位におけるゲートリーク電流の計測を行なったことになる。すなわち、図２８のフローチャートに示すステップＳＴ１３の判別は、このことを意味している。なお、図２９においては、ウエハの径が８インチ程度であるのに対し、径が数１０μｍの大きさの導体バンプ２が相対的に大きく描かれている。したがって、バンプ支持部材１１の中心付近に配置されている導体バンプ２の測定領域が、ウエハステージ１０８の４５°の回転の間にオーバーラップすることはない。
【０１２４】
本実施形態においては、バンプ支持部材１１における銅端バンプ２の数は少なくても、ウエハステージの回転によって多くの箇所での評価が可能になる。一般に、導体バンプ２の径のばらつきは、±５μｍ程度に抑えることができると言われているが、導体バンプ２の数を少なくすることにより、導体バンプ２の大きさのばらつきも小さくなるので、測定精度がより向上することになる。
【０１２５】
一方、図３０に示すバンプ支持部材１１には、４４個の導体バンプ２が円周を１６等分した位置の半径方向に４個，３個又は２個ずつ放射状に配置されている。この場合には、ウエハステージ１０８を±７．５°だけ２回回転させると、合計１３２点（４４×３）における計測が可能になる。この例では、バンプ支持部材１１の中心点付近における導体バンプ２の単位面積当たりの数と、バンプ支持部材の外周付近における導体バンプ２の単位面積当たりの数とがほぼ同じである。つまり、図２９に示すように導体バンプ２が配置された場合には、バンプ支持部材１１の中心点付近における導体バンプ２の配置密度が高く、バンプ支持部材１１の外周付近における導体バンプ２の配置密度が低いので、バンプ−絶縁膜間の接触圧力がウエハの中心点付近において小さく、ウエハの外周付近において大きいという不均一さが生じる。それに対し、図３０に示すように導体バンプ２が配置された場合には、バンプ−絶縁膜間の接触圧力がウエハの全面においてほぼ均一化されるという利点がある。
【０１２６】
なお、各導体バンプ２は全く対称性をもたないように配置してもよい。その場合には、すべての導体バンプ２について、半径方向の位置を相異ならせておくことにより、ウエハステージ１０８を合計回転角が３６０°になるように角度αずつ回転させることもできる。その場合には、極めて多くの箇所での計測が可能になる。
【０１２７】
また、バンプ支持部材１１には、図２９，図３０に示す導体バンプ２に加えて、すでに説明した実施形態にあるようなダミーバンプを設けることもできる。
【０１２８】
図３１は、本実施形態の評価装置を用いて、シリコン窒化膜／シリコン酸化膜の積層構造を有する絶縁膜のゲートリーク特性を評価した結果を示す図である。図３１のデータは、図３０に示すように導体バンプ２を配置したバンプ支持部材１１を用い、ウエハステージ１０８を±７．５°だけ２回回転させて合計１３２点（４４×３）における計測を行なって得られたものである。図３１において、横軸は破壊までの時間（寿命）を表し、縦軸は故障（故障割合Ｆ）の余事象が生じる確率の対数の対数を表している。つまり、図３１に示される各点は、いわゆるワイブルプロットと呼ばれるものである。そして、シリコン窒化膜／シリコン酸化膜の積層構造からなる絶縁膜のＳｉＯ2 膜換算の電気的な厚みは約２．１ｎｍであり、この値は絶縁膜の容量から算出されたものである。また、導体バンプとゲート絶縁膜との接触面積は、１０００μｍ2 程度であり、導体バンプには−３．４Ｖの電圧が印加されている。
【０１２９】
その結果、各測定データ（ワイブルプロット）はほぼ１つの直線上に並び、ワイブルプロットの傾きｍは１．０１になる。文献（T.Nigam et al.,IEEE/IRPS 98. 62(1998) ）によると、ワイブルプロットの傾きｍを用いることにより、バンプ−絶縁膜間の接触面積と実際のデバイスにおけるゲート面積との面積換算による寿命推定が可能である。つまり、ｔ１を実際のデバイスの推定寿命とし、ｔ２をバンプを用いた計測による推定寿命とし、Ａ１を実際のデバイスのゲート面積とし、Ａ２をバンプ−絶縁膜との接触面積（例えば１０００μｍ2 程度）とすると、下記式
ｔ１／ｔ２＝（Ａ２／Ａ１）1/m
に基づいて、実際のデバイスの寿命推定を行なうことができる。
【０１３０】
ただし、この例においては、導体バンプを用いたゲートリーク電流の測定から推定寿命ｔ２が求められていないが、ｔ２はいくつかのゲート電圧値を印加したときの絶縁膜の破壊までに要する時間（寿命）から求まる値であるので、本実施形態のゲートリーク電流の計測を長時間行なって、各電圧における寿命ｔを求めることにより、周知の方法を利用して実使用時の電圧における推定寿命ｔ２の算出が可能になる。
【０１３１】
一般に、面積換算を利用した寿命推定にはできるだけ多くの測定データが必要となるので、数多くのバンプを用いたゲートリーク電流（Ｉ−Ｖ特性）の測定を行なうことが好ましい。しかるに、１つのバンプ支持部材に数多くのバンプを均一な形状で形成するのは困難である。ところが、本実施形態によると、バンプ支持部材１１上における導体バンプ２の数は少なくても、バンプ支持部材１１とウエハステージ１０８とを相対的に回転させることにより、多くの箇所で導体バンプ２を用いたゲートリーク電流の測定が可能になる。特に、ウエハステージ１０８を回転させる機構は、バンプ支持部材１１を回転させる機構よりも配線などの構造が簡素になるので、ウエハステージ１０８を回転させることにより、測定精度の向上を図ることができる。
【０１３２】
（第１０の実施形態）
図３２は、本発明の第１０の実施形態における絶縁膜の評価装置の構成を示す断面図である。
【０１３３】
本実施形態の絶縁膜の評価装置には、ウエハのリーク電流を各導体バンプのサイズからの面積換算を行なって解析するシステムが導入されている。すなわち、図４に示す絶縁膜の評価装置に加えて、各導体バンプ２ごとに電流を計測するように構成された電流電圧計１５１と、解析システム１５２と、各導体バンプ２のゲート絶縁膜３に対する接触面積をデータベース化して格納するデータベース１５３とを備えている。
【０１３４】
ここで、導体バンプ２の形成時の径のばらつきは、１０μｍ以内に収めることができる。したがって、各導体バンプ２の数が多少多くても、すべての導体バンプ２を確実にゲート絶縁膜３に接触させることが可能である。
【０１３５】
なお、導体バンプ２のうち一部に塑性変形を起こさせるようにバンプ支持部材１に荷重を印加してもよい。特に、計測を行なう前に、バンプ支持部材１とウエハ４（ウエハステージ８）との間に一部の導体バンプ２を塑性変形性させるための荷重を印加しておくことによって、計測時における各導体バンプ２の接触面積を安定化させることが可能である。
【０１３６】
図３３は、第１０の実施形態における評価方法の手順を示すフローチャート図である。まず、ステップＳＴ２１で、測定対象である絶縁膜膜付きウエハ（図３２に示すシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜３が設けられたシリコン基板４）をウエハステージ８上に載置して導体バンプ−ゲート絶縁膜間に押圧力を印加する（ウエハのロード）。このとき、導体バンプ−ゲート絶縁膜間の接触面積が所望の範囲にあるように押圧力を校正する。この校正は、すでに説明したように、ある押圧力を印加して所定のゲート電圧を印加したときに生じるゲートリーク電流が、当該テストにおけるＭＩＳ構造のゲート面積（接触面積）が適正範囲内にあるとしたときのゲートリーク電流の範囲内にあるか否かなどを調べることにより行なわれる。
【０１３７】
その後、ステップＳＴ２２で、絶縁膜のリーク特性やＴＤＤＢなどの電気特性の解析（計測）を行う。このとき、計測方法としては上記各実施形態で説明した各種の方法を採用することができる。そして、ステップＳＴ２３で、データベース１５３の内容を取り込んで、ステップＳＴ２４で、解析システム１５２により、すべてのバンプに対する測定データを解析する。
【０１３８】
図３４は、導体バンプの個々の大きさを考慮しないで一律に同じとしたときのＩ−Ｖ特性のデータを示す図である。図３５は、導体バンプの個々の大きさを考慮したときのＩ−Ｖ特性のデータを示す図である。
【０１３９】
図３４に比べると、図３５においては、Ｉ−Ｖ特性のデータのばらつきが小さくなっている。図３５において、Ｉ−Ｖ特性のデータになおばらつきがあるのは、主としてゲート絶縁膜のウエハ上における厚みのばらつきに起因するものと考えられる。
【０１４０】
以上のように、本発明により、各導体バンプ２の個々の大きさをデータベース化しておいて、ゲートリーク電流（Ｉ−Ｖ特性）の測定時に、データベースから各導体バンプ２の大きさのデータを取り込んで、面積換算を行なって実際の電流密度を計算してから、ゲートリーク電流の解析を行なうことにより、測定精度の向上を図ることができる。
【０１４１】
（その他の実施形態）
−評価装置の構造−
上記第１〜第８の実施形態のうち，ウエハステージを移動可能にしたものにおいては、ウエハステージは固定しておいて、バンプ支持部材を横方向に移動させるようにしてもよい。また、上記各実施形態においてはウエハステージを縦方向に固定しているが、バンプ支持部材を縦方向に固定して、ウエハステージを縦方向に移動させるようにしてもよい。
【０１４２】
−評価の種類−
上記各実施形態においては、ゲート絶縁膜を評価するパラメータとして、Ｉ−Ｖ特性，リーク特性又は信頼性（ＴＤＤＢ）を採用した例について説明したが、本発明における評価の種類はこれらに限定されるものではない。すなわち、本発明は、基板内の導体層と導体バンプとの間にゲート絶縁膜等の絶縁膜を挟むことによって構成されるＭＩＳ構造中の絶縁膜の各種特性を評価する場合に適用することができる。
【０１４３】
このような絶縁膜の特性の種類として、上記Ｉ−Ｖ特性，リーク特性，信頼性の他に、例えば絶縁膜の厚みｔ，絶縁膜の誘電率εなどがある。例えば、直流バイアスに交流電圧を重畳して行なわれるＣ−Ｖ測定法を用い、絶縁膜の容量Ｃ0xがわかったとすると、ε＝Ｃox・ｔの関係を利用して、厚みｔがわかっている絶縁膜については誘電率ε（又は比誘電率）を求めることが可能になり、比誘電率がわかっている絶縁膜については、厚みｔを測定することも可能である。
【０１４４】
−評価対象の絶縁膜の種類
また、絶縁膜として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2 膜），シリコン窒化膜（Ｓｉ3 Ｎ4 膜），シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜），タンタル酸化膜（Ｔａ2 Ｏ5 膜），ジルコニア膜（ＺｒＯ2 膜），酸化亜鉛膜（ＺｎＯ膜）など各種の誘電体膜があり、いずれを用いてもよいものとする。さらに、絶縁膜がゲート絶縁膜として機能するものでなくても、特性を評価するときに導体バンプと基板中の導体層とに挟まれてＭＩＳ構造中の絶縁膜となるものであればよい。
【０１４５】
−導体バンプ−
上記実施形態においては、導体バンプとしてＡｕ（金）バンプを用いたが、本発明の導体バンプを構成する材料としてＡｕ（金）以外の導体材料を用いることも可能である。ただし、導体バンプの材質としては、電気抵抗が小さく，絶縁膜よりも硬さが小さく，絶縁膜と接触させても半導体素子に悪影響を与えないものが好ましい。そのような材料として、Ａｕ以外に例えば白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），銀（Ａｇ），銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ）等があり、いずれを用いてもよい。
【０１４６】
また、導体バンプは必ずしも１種類の金属又は合金によって構成されている必要はない。例えば、ニッケルなどの海綿体の骨格を形成した後、骨格の上にＡｕメッキを施すことにより、低抵抗でありながら弾性のある導体バンプを実現することもできる。この場合、Ａｕがニッケルなどの海綿体の隙間をほぼ埋めていてもよいし、隙間が残存している状態であってもかまわない。
【０１４７】
なお、極薄の絶縁膜を計測する場合には、図２に示されるように、導体バンプの大きさが１０００μｍ2 以下であることが好ましく、２００μｍ2 以下であることがより好ましい。
【０１４８】
−変形の予測−
上記各実施形態において、各導体バンプ２の大きさを個別に測定することが可能であるので、図２６に示す圧力と変形との関係を利用し、あるいは塑性変形量を計算することにより、各導体バンプの大きさに応じて、バンプ支持部材−ウエハステージ（ウエハ）間にある荷重を印加したときの変形量，つまり導体バンプ−ゲート絶縁膜間の接触面積を導体バンプごとに予測することが可能である。この予測した接触面積に基づいて、上記各実施形態における評価（Ｉ−Ｖ特性の計測など）を行うことにより、評価精度の向上を図ることができる。
【０１４９】
また、上記各実施形態において、評価（計測）を行う前に、バンプ支持部材−ウエハステージ（ウエハ）間にある荷重を印加して、各導体バンプの少なくとも一部に塑性変形を起こさせて、その塑性変形後の各導体バンプの平坦化された上面の面積を測定しておくこともできる。そして、塑性変形した導体バンプの上面の面積から、計測時における導体バンプ−ゲート絶縁膜間の接触面積を予測することができる。その後、ゲートリーク電流を計測したデータからＩ−Ｖ特性などを算出する際に、予測した各導体バンプ個々の接触面積を用いて、高い精度で電流密度を計算することができるので、評価精度が向上する。
【０１５０】
【発明の効果】
本発明によれば、導体バンプと基板の導体層とその上の絶縁膜とで微小面積のＭＩＳ構造を形成して評価を行うようにしたので、極薄化された絶縁膜についての特性や膜厚を高い精度で評価するための絶縁膜の評価装置又は評価方法の提供を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ｐ型シリコン基板上に設けられた厚さ１．５ｎｍの熱酸化膜のＩ−Ｖ特性をゲート面積をパラメータとして示す図である。
【図２】ゲート面積とゲートリーク電流との関係を、ゲート電圧をパラメータとして示す図である。
【図３】第１の実施形態における導体バンプを用いる絶縁膜の評価装置の構成及びその評価方法を示す断面図である。
【図４】第１の実施形態の別例における減圧機構を備えた絶縁膜の評価装置の断面図である。
【図５】第１の実施形態の評価装置を用いて得られたＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図６】第１の実施形態による方法で得られたＩ−Ｖ特性と従来のＨｇプローバー法によって得られたＩ−Ｖ特性線とを比較する図である。
【図７】第２の実施形態におけるウエハよりも小面積のバンプ支持部材を備えた絶縁膜の評価装置の断面図である。
【図８】第２の実施形態の評価装置を用いて得られたＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図９】第３の実施形態における導体バンプと共にダミーバンプを設けた絶縁膜の評価装置の断面図である。
【図１０】第３の実施形態の評価装置を用いて得られたＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図１１】第４の実施形態におけるカンチレバー状支持部材による押圧力の制御機構を備えた絶縁膜の評価装置の断面図である。
【図１２】第４の実施形態の評価装置を用いて得られたＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図１３】第５の実施形態におけるプローブ針による押圧力の制御機構を備えた絶縁膜の評価装置の断面図である。
【図１４】第５の実施形態の評価装置を用いて得られたＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図１５】第５の実施形態の別例におけるプローブ針及び光学的検知機構による押圧力の制御機構を備えた絶縁膜の評価装置の断面図である。
【図１６】第６の実施形態におけるウエハ裏面の絶縁膜破壊機構を備えた絶縁膜の評価装置の断面図である。
【図１７】第６の実施形態の評価装置を用いて得られたＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図１８】第６の実施形態の別例におけるウエハ裏面の絶縁膜破壊機構を備えた絶縁膜の評価装置の断面図である。
【図１９】第６の実施形態の別例における評価装置を用いて得られたＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図２０】第７の実施形態における押圧力の校正を含めた絶縁膜の評価方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
【図２１】第７の実施形態の絶縁膜の評価装置を用いて、押圧力の校正を行なってからＴＤＤＢ試験を行なった結果得られたデータを示す図である。
【図２２】第７の実施形態における適正な接触面積を得るための押圧力の校正を行なう際の基準となるゲートリーク電流の値を示す図である。
【図２３】第７の実施形態における押圧力の校正機能を有する絶縁膜の評価装置の構成を示す図である。
【図２４】第８の実施形態におけるウエハステージにヒータを内蔵した絶縁膜の評価装置の断面図である。
【図２５】第８の実施形態の別例におけるバンプ支持部材にヒータを内蔵した絶縁膜の評価装置の断面図である。
【図２６】２つの球体が互いに押し付けられて接触している場合の接触面半径，垂直力，接近量などの関係を記述するヘルツの公式を説明するための図である。
【図２７】本発明の第９の実施形態における評価装置の主要部を概念的に示す斜視図である。
【図２８】第９の実施形態における評価方法の手順を示すフローチャート図である。
【図２９】第９の実施形態のバンプ支持部材における導体バンプの配置パターンの一例を示す平面図である。
【図３０】第９の実施形態のバンプ支持部材における導体バンプの配置パターンの他の例を示す平面図である。
【図３１】第９の実施形態の評価装置を用いて、シリコン窒化膜／シリコン酸化膜の積層構造を有する絶縁膜のゲートリーク特性を評価した結果を示す図である。
【図３２】本発明の第１０の実施形態における絶縁膜の評価装置の構成を示す断面図である。
【図３３】第１０の実施形態における評価方法の手順を示すフローチャート図である。
【図３４】導体バンプの個々の大きさを考慮しないで一律に同じとしたときのＩ−Ｖ特性のデータを示す図である。
【図３５】導体バンプの個々の大きさを考慮したときのＩ−Ｖ特性のデータを示す図である。
【符号の説明】
１，１１  バンプ支持部材
２，３２  導体バンプ
３，１３  ゲート絶縁膜
４    シリコン基板
５    加圧機構
６    配線
７，１７  Ｏ−リング
８，１８，２８  ウエハステージ
９    真空配管
２２  ダミーバンプ
２３  シリコン窒化膜
２９  凸部
３１  カンチレバー状支持部材
３４  微小トルク計
３９  導体突起部材
４１  プローブ針
４２  センサー
４３  制御系
５２  顕微鏡
５５  高さ調節機構
５６  電流計測系
５７  高さ制御系
５８  標準熱酸化膜
５９  モニターウエハ
６１  ヒータ
６２  ヒータ
１０８  ウエハステージ
１５１  電流電圧計
１５２  解析システム
１５３  データベース
【図１】
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【図２】
0003683183.tif 000003
【図３】
0003683183.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
0003683183.tif 000020
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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