(57)【要約】    【課題】  プローブの材質に制約はなく、検出コストが低いと共に、１０Ω程度の低抵抗値の異常でも、検出することができ、しかも不良スルーホールの箇所の特定が可能である走査型プローブ検査装置を提供する。    【解決手段】  基板表面に形成された絶縁層上に、１対のパッド１が形成され、このパッド１間に複数個のスルーホール２が等間隔で配置されている。隣接するスルーホール２は、絶縁層上に露出する上層配線４又は絶縁層中に埋設された下層配線３により、交互に接続されて、チェックパターンが構成されている。１対のパッド１間に直流電源１２が接続されており、スルーホール２の連鎖パターンに一定の電流Ｉ０が通電される。２個のプローブ１０が一定間隔ｄを保持したまま、スルーホール２の連鎖パターンに沿ってチップ表面を移動する。これにより、プローブ１０は、スルーホール２の連鎖パターンのチップ表面に露出した上層配線４を順次走査する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の受動素子が連鎖し一部がチップ表面に断続的に露出した連鎖パターンにおける受動素子の不良を検出する走査型プローブ検査装置において、前記連鎖パターンの両端間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部と、前記パターンの露出部間の間隔により決まる間隔で配置された２個のプローブと、これらのプローブ間の電位差を検出する検出器と、前記２個のプローブをその間隔を保持したまま前記ウエハの表面上で走査させる走査部と、を有することを特徴とする走査型プローブ検査装置。
【請求項２】
前記受動素子は、一定のピッチで配置され、前記２個のプローブは、前記受動素子のピッチの２倍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に記載の走査型プローブ検査装置。
【請求項３】
前記受動素子は、スルーホールであり、各スルーホールが、上層配線と下層配線とにより交互に接続されて、直列接続されており、前記プローブは前記上層配線に接触することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ検査装置。
【請求項４】
前記プローブは、薄板状の基部と、この基部から延出するレバーと、レバーの先端に形成された針とを有し、これらの基部、レバー及び針が、半導体又は金属材料を加工することにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の走査型プローブ検査装置。
【請求項５】
前記針は、前記レバーの先端から先端の指す方向に向けて傾斜して形成されていることを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ検査装置。
【請求項６】
前記プローブは、シリコンの表面を導電性物質によりコーティングすることにより形成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の走査型プローブ検査装置。
【請求項７】
前記導電性物質は、ボロンをドープしたダイヤモンドであることを特徴とする請求項６に記載の走査型プローブ検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造工程において発生するスルーホール等の受動素子の不良を検出するための走査型プローブ検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程において、スルーホール等の形成異常を検査するために、実デバイスとは別に、ウエハの各チップ上に、スルーホールのチェックパターンを形成し、その抵抗値を検出することにより、不良の発生の有無及び不良箇所の特定を行っている。
【０００３】
図５は、従来のスルーホールの異常を検査する走査型プローブ検査装置（走査型プローブ顕微鏡ともいう）を示す模式図である。基板表面の絶縁層上に形成された１辺長が１００μｍ程度の１対のパッド１間に、複数個のスルーホール２が等間隔で配置されており、これらのスルーホールは、基板表面上の上層配線４と、基板表面の前記絶縁層内に埋め込まれた下層配線３により交互に接続されている。これにより、複数個のスルーホール２が上層配線４及び下層配線３により直列に接続され、その両端部にパッド１が接続されているチェーン状のチェックパターンが形成される。なお、このチェックパターンにおいて、スルーホールの数は、通常、例えば、１万個と極めて多数であり（図では図示の簡単のために８個のみ示す）、１対のスルーホール２と、これらのスルーホール２間を接続する下層配線３と、一方のスルーホール２の上端に接続された上層配線４とから構成される最小単位の繰り返しパターンは、その形成ピッチが通常１μｍ以下である。各スルーホールにおける抵抗値は約１Ωであり、従って、チェックパターン（１０万個のスルーホール）の両端部間の抵抗値は、設計値では１０ｋΩとなる。
【０００４】
従来の走査型プローブ検査装置は、一方のパッド１（以下、基準パッドという）と導電性プローブ６との間に直流電源５（直流電圧Ｖ０）を接続し、プローブ６を直流電源５が接続された基準パッド１側の上層配線４を始点とし、この基準パッド１から離れる方向に基板表面上を摺動させて走査する。このプローブ６の走査の間に、プローブ６と直流電源とを接続する検出回路に流れる電流Ｉを測定する。そうすると、プローブ６が移動するにつれて、プローブ６が上層配線４に接触している間は、所定の電流が検出され、プローブ６が基板表面の絶縁層の表面を摺動している間は、検出回路が開放されて電流が流れない。従って、検出回路に流れる電流Ｉはプローブの移動と共に、パルス状に変化する。そして、プローブ６が基準パッド１から離れるにつれて、プローブ６と基準パッド１との間のスルーホール２の数が増加し、従って、その間の抵抗値が増加することにより、流れる電流Ｉは小さくなっていく。前述の如く、１個のスルーホール２の抵抗値は通常１Ω程度であり、１万個のスルーホールを全て含む回路においては、そのスルーホール全体の抵抗値、即ち、プローブ６が基準パッド１から最も遠く離れた位置にあるときにチェックパターンの抵抗値は１０ｋΩとなる。従って、不良のスルーホールが存在しないときに１０ｋΩと検出されるチェックパターンにおいて、仮に、検出値が２０ｋΩであった場合には、各スルーホールの抵抗値が均一に２Ωとなっている場合と、いずれかのスルーホールに不良が存在していてこのスルーホールに１０ｋΩの抵抗値がのっている場合とが考えられる。前者の場合は全てのスルーホールが不良であり、不良のスルーホールを特定する必要がない。後者の場合は、プローブ６を走査したときに、プローブ６がこの不良のスルーホール２に接続された上層配線４上に移動してきたときに、抵抗値が大きく変化し、電流の低下が大きくなるので、これを検出することにより、不良のスルーホールを特定することができる。なお、このスルーホールが連鎖したパターンは複数行設けられ、プローブによるスキャンは、２次元的に行われる。そして、この不良のスルーホールが特定された後、その部分を切断し、断面を透過型電子顕微鏡等により観察し、その形状等の異常を調査して、不良原因を特定する。この調査結果は、半導体装置の製造工程にフィードバックされ、不良の発生を抑制する。
【０００５】
また、従来の走査型プローブ顕微鏡として、電気的に独立した２本以上のプローブをカーボンナノチューブで構成し、１００ｎｍ以下の微小な物質を走査して電気的特性の測定を可能としたものが提案されている（特許文献１：特開２００２−２１４１１２）。
【０００６】
更に、スルーホールの異常を検出する方法として、ＯＢＩＲＣＨ（Optical Beam Induced Resistance Change）という方法が提案されている。これは、レーザビームを走査してスルーホールパターンの上に照射し、不良のスルーホールの箇所でボイドによるレーザビームの熱吸収によって、電流が変化することを検出する方法である。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２１４１１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、この従来技術においては、不良のスルーホールの抵抗値が高い場合には、その不良スルーホールの検出及び特定が可能であるが、抵抗値が低い場合は、これを検出できず、不良検出の抵抗検出感度が低いという問題点がある。プローブ６と上層配線４との間には、接触抵抗が存在する。従って、プローブ６を走査している間、接触抵抗の変動に起因して検出電流値は波を打って観測される。このため、不良のスルーホールにおいて、その抵抗値が小さい場合には、プローブがこの不良スルーホールに到達してその検出電流がステップ状に変化しても、この変化は接触抵抗の変動の中に埋もれてしまい、不良スルーホールであることを検出できない。
【０００９】
この接触抵抗は１ｋΩを超えるような大きなものであり、不良スルーホールの抵抗値が１０Ω乃至１ｋΩのように比較的小さい場合には、プローブ走査中の接触抵抗の変動（バラツキ）に起因して、不良スルーホールを検出できない。
【００１０】
なお、特許文献１に記載の方法では、カーボンナノチューブを使用する必要があり、検出コストが高いという欠点がある。また、ＯＢＩＲＣＨ法では、レーザビームの径がスルーホール径に比して大きいため、異常スルーホールの特定まではできないという難点がある。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、プローブの材質に制約はなく、検出コストが低いと共に、１０Ω程度の低抵抗値の異常でも、検出することができ、しかも不良スルーホールの箇所の特定が可能である走査型プローブ検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る走査型プローブ検査装置は、複数個の受動素子が連鎖し一部がチップ表面に断続的に露出した連鎖パターンにおける受動素子の不良を検出する走査型プローブ検査装置において、前記連鎖パターンの両端間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部と、前記パターンの露出部間の間隔により決まる間隔で配置された２個のプローブと、これらのプローブ間の電位差を検出する検出器と、前記２個のプローブをその間隔を保持したまま前記ウエハの表面上で走査させる走査部と、を有することを特徴とする。
【００１３】
前記受動素子は、例えば、一定のピッチで配置され、前記２個のプローブは、前記受動素子のピッチの２倍以上の間隔で配置されている。
【００１４】
また、前記受動素子は、例えば、スルーホールであり、各スルーホールが、上層配線と下層配線とにより交互に接続されて、直列接続されており、前記プローブは前記上層配線に接触する。
【００１５】
一方、前記プローブは、薄板状の基部と、この基部から延出するレバーと、レバーの先端に形成された針とを有し、これらの基部、レバー及び針は、半導体又は金属材料を微細加工技術等を使用して加工することにより形成することができる。
【００１６】
この場合に、前記針は、前記レバーの先端から先端側に向けて傾斜して形成されていることが好ましい。また、前記プローブは、シリコンの表面を導電性物質によりコーティングすることにより形成されていることが好ましい。更に、前記導電性物質は、ボロンをドープしたダイヤモンドであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、バイアス電圧印加部により連鎖パターンの両端間にバイアス電圧を印加して一定電流Ｉ０を流しておき、一定間隔を保つ２個のプローブを移動させて、連鎖パターンにおけるウエハの表面に露出した部分を走査し、検出器により２個のプローブ間の電位差Ｖを検出するので、プローブと連鎖パターンとの接触抵抗に影響を受けず、連鎖パターンにおける２個のプローブが接触する点間の電位差Ｖを測定することができる。このため、Ｖ／Ｉ０として把握される抵抗値Ｒは、接触抵抗の影響を受けない連鎖パターン自体の抵抗値となる。よって、スルーホール等の受動素子に異常があり、抵抗値が正常の受動素子の抵抗値よりも大きい場合には、これを確実に検出することができ、不良受動素子を特定することができる。例えば、受動素子がスルーホールである場合は、正常なスルーホールの抵抗値が約１Ωであるが、抵抗値が１０Ω乃至１ｋΩ程度の低抵抗値の不良スルーホールを検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態を示す模式図である。図１において、図５と同一構成物には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。チェックパターンは、図５と同様に、スルーホール２の連鎖パターンであり、基板表面に形成された絶縁層上に、１対のパッド１が形成され、このパッド１間に複数個のスルーホール２が等間隔で配置されている。そして、隣接するスルーホール２は、絶縁層上に露出する上層配線４又は絶縁層中に埋設された下層配線３により、交互に接続されている。このようにして、各スルーホール２はパッド１間に直列接続されている。
【００１９】
本実施形態においては、１対のパッド１間に直流電源１２が接続されており、スルーホール２の連鎖パターンに一定の電流Ｉ０が通電されるようになっている。そして、２個のプローブ１０が一定間隔ｄで配置されており、この間隔ｄを保持したまま、プローブ１はスルーホール２の連鎖パターンに沿ってチップ表面を移動することができる。これにより、プローブ１０は、スルーホール２の連鎖パターンのチップ表面に露出した上層配線４を順次走査する。
【００２０】
前述の如く、１対のスルーホール２と、これらのスルーホール２間を接続する下層配線３と、一方のスルーホール２の上端に接続された上層配線４とから構成される最小単位の繰り返しパターンは、例えば、その形成ピッチが通常１μｍ以下である。プローブ１０の間隔ｄは、この繰り返しパターンの形成ピッチ（１μｍ以下）と同一である。つまり、プローブ１０の間隔ｄは、スルーホール２の形成ピッチの２倍とする。そして、このプローブ１０間に電圧計１１を接続し、プローブ１０が接触する上層配線４の接触点間の電位差Ｖを検出する。
【００２１】
次に、このように構成された本実施形態の走査型プローブ検査装置の動作について説明する。パッド１間に直流電圧を印加し、スルーホール２の連鎖パターン（チェックパターン）に電流Ｉ０を流す。なお、直流電圧の代わりに、パッド１間に交流電圧を印加し、スルーホール２の連鎖パターン（チェックパターン）に交流電流Ｉ０を流してもよい。交流電圧を使用してスルーホール２の連鎖パターンをバイアスしてプローブ１０により交流電圧を検出すると、直流電圧を使用する場合よりも、１／Ｆノイズを抑えることができて検出感度が高くなるという利点がある。その後、１対のプローブ１０を一定間隔ｄを保持したまま、例えば、図１の左端から右方に走査する。プローブ１０が絶縁層の表面に接触しているときは、電圧計１１は、無限大（絶縁層の抵抗値）の電圧を示し、プローブ１０が上層配線４に接触しているときは、電圧計１１は連鎖パターンにおけるプローブ接触点間の電位差を検出する。プローブ１０間の間隔ｄは、連鎖パターンの繰り返し単位のピッチと同一であるので、一方のプローブ１０が上層配線４に接触しているときは、他方のプローブ１０も別の上層配線４に接触しており、一方のプローブ１０が絶縁層表面に接触しているときは、他方のプローブ１０も絶縁層表面に接触している。よって、電圧計１１による電位差の検出結果は、プローブ１０の走査と共に、パルス状に変化する。
【００２２】
この場合に、電圧計１１は、その内部抵抗がプローブ１０と上層配線４との間の接触抵抗より十分大きいので、電圧計１１の検出値は、接触抵抗による影響を受けず、連鎖パターンにおけるプローブ接触点間の電位差を高精度で検出することができる。このため、プローブ１０間の検出電位差をＶとすると、プローブ１０間の連鎖パターンの抵抗値Ｒは、Ｒ＝Ｖ／Ｉ０となり、プローブ接触点間の連鎖パターンの抵抗値Ｒを高精度で測定することができる。この抵抗値もプローブ１０の走査と共に、パルス状に変化する。そして、スルーホールにボイド等による異常が存在する場合は、正常なスルーホールよりも、検出抵抗値が大きくなり、不良スルーホールの存在を検出することができる。また、プローブ走査による抵抗値のパルス状パターンを測定し、抵抗値が高い箇所が何番目のパルスであるかを検出することにより、不良スルーホールを特定することができる。
【００２３】
本発明においては、プローブの接触抵抗の影響を受けずに、スルーホールの抵抗値を検出することができるので、正常スルーホールと抵抗値が５倍程度しか異ならない低抵抗の不良スルーホールも、高精度で検出し、その位置を特定することができる。つまり、正常スルーホールの抵抗値が１Ω程度（繰り返し単位（スルーホール２個）で２Ω程度）である場合は、１０Ω程度の異常でも検出することができる。また、チップ表面をプローブ１０が摺動するだけで、抵抗値パターン（電位差パターン）から不良箇所を検出でき、不良スルーホールの位置の特定に、高精度な位置検出装置が不要である。よって、スルーホールのピッチが０．３μｍ以下と極めて小さくても不良スルーホールの検出及び特定が可能であり、０．３μｍ以下の高空間分解能を有している。
【００２４】
上記実施形態の説明では、プローブを１次元で走査させたものであるが、実際上は、スルーホールの連鎖パターンからなるチェックパターンを２次元的に設け、プローブ１０を２次元的に走査することにより、２次元的に不良スルーホールを検出することが多い。
【００２５】
上述の如くして、不良スルーホールを検出し、その位置を特定できた場合は、その不良スルーホールの位置でチップを切断し、この不良スルーホールの断面を透過型電子顕微鏡により解析する。これにより、不良スルーホールの形状異常等の不良原因を調査することができ、この不良原因の特定により、製造工程における問題点を知見し、工程の改善により不良発生を防止することができる。
【００２６】
次に、図２を参照してプローブ１０の一例について説明する。プローブ１０は、例えば、カンチレバー（片持ち梁）の構造を有し、幅が例えば１．５ｍｍ、長さが例えば３ｍｍ、厚さが例えば０．３ｍｍの薄板２０の先端に、幅が３０μｍ、長さが２００μｍ程度のレバー２１を薄板２０から延出するように形成し、このレバー２１の先端に針２２を形成する。針２２の先端の径は、例えば１００ｎｍである。この針２２はレバー２１の先端からレバー２１の先端が指す方向に向けて傾斜するように形成されている。
【００２７】
このような、プローブ１０を２個用意し、薄板２０を針２２側が対向するように配置する。このとき、針２２はレバー２１の先端が指す方向に向けて傾斜するように、レバー２１の先端から突出するように形成されているので、１対の針２２の先端間の間隔を０．５〜１μｍ程度に極めて小さく設定することが可能である。なお、このプローブ１０の針２２の間隔はスルーホール２の連鎖パターンの繰り返し単位（例えば、０．５〜１μｍ）に応じて決まる。
【００２８】
この薄板２０，レバー２１及び針２２からなるプローブ１０は、半導体又は金属材料を微細加工技術を使用して加工することにより形成することができる。つまり、プローブ１０は、基板上にシリコン膜を形成した後、このシリコン膜をフォトリソグラフィによりプローブ状にパターニングし、その後、基板を除去し、更に表面に導電性物質をコーティングすることにより、形成することができる。この導電性物質としては、Ｐｔ−Ｉｒ合金及びＣｏＣｒ合金等がある。なお、本実施形態においては、プローブ１０を半導体であるシリコンを使用して形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、タングステンのような加工しやすい金属を使用することも可能である。
【００２９】
プローブ１０は、上述の如く、シリコン製のカンチレバーにより形成することができるが、その表面を、ボロンをドープしたダイヤモンドで被覆することが好ましい。ダイヤモンドはそれ自体は絶縁性であるが、ボロンをドープすることにより、導電性を具備するようになる。このボロンドープダイヤモンド層は、その表面が先鋭な凹凸を有する。このため、プローブ１０が走査（摺動）するときに、プローブ１０の針２２の表面の先鋭な部分が上層配線４を引っ掻きながら走査する。上層配線４は、通常、銅により形成されているが、この銅配線は、その表面が自然酸化し、プローブとの間でオーミックコンタクトをとりにくい。しかし、表面にボロンドープダイヤモンドをコーティングしたプローブ１０の針２２は、この先鋭な表面で自然酸化膜を掻き取りながら走査するので、上層配線４との間でオーミックコンタクトをとりやすいという利点がある。
【００３０】
次に、このプローブ１０の駆動方法について説明する。図３は図２に示すカンチレバー形式のプローブ１０を、円柱状の３次元ピエゾスキャナ３０の下端に固定したものを示す。この３次元ピエゾスキャナ３０は、電圧を印加することにより、その電圧印加方向に収縮する圧電素子であり、円形断面の直交する半径方向（Ｘ方向及びＹ方向）と、軸方向（Ｚ方向）との３次元方向に電圧を印加して、収縮させることができ、従って、下端に配置されたプローブ１０をＸ−Ｙ−Ｚの３次元的に移動させることができる。
【００３１】
この２個の３次元ピエゾスキャナ３０は、２個のプローブ１０を独立に位置制御することができ、プローブ１０間の間隔を一定間隔に保持しつつ、プローブ１０を一方向（連鎖パターンの連鎖方向）に移動させて走査することができる。走査方向が平面上で行われる場合は、Ｘ方向及びＹ方向についてプローブ１０の位置を微調整することにより、プローブ１０の針２２を所定間隔で対向させる。そして、Ｘ方向及びＹ方向については、この状態を保持したまま、２個のプローブ１０をＸ方向又はＹ方向に移動させる。このとき、Ｚ方向は常に試料表面の段差に呼応して上下動するようになっている。段差をモニターするのは走査型プローブ顕微鏡の最も基本的な機能であり、例えば、光テコ方式といわれる手法等で表面の凹凸をモニターして、その情報をもとにピエゾスキャナ３０のＺ方向にフィードバックをかけて常に試料表面に対するプローブ先端の接触圧を一定に保つ。これにより、プローブ１０の間隔を一定に保持したまま、プローブ１０を走査することができる。このプローブ１０の走査は、Ｘ方向及びＹ方向の２次元的に行うことができる。
【００３２】
図４はこのプローブ１０の駆動方法の他の実施形態を示す図である。図３の２個の３次元ピエゾスキャナ３０の上端を、２次元ピエゾスキャナ３１に接合し、２個の３次元ピエゾスキャナ３０を１個の２次元ピエゾスキャナ３１で支持した構造を有する。プローブ１０は３次元ピエゾスキャナ３０の下端に支持されている。２次元ピエゾスキャナ３１はＸ方向及びＹ方向に収縮することができる。
【００３３】
本実施形態においては、３次元ピエゾスキャナ３０により、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向のプローブ１０の位置を微調整することにより、プローブ１０の針２２を所定間隔（１μｍ）で対向させることができる。プローブ１０を走査するときは、２次元ピエゾスキャナ３１をＸ方向及びＹ方向に駆動することにより、プローブ１０をその間隔を一定に保持したまま、Ｘ方向及びＹ方向に走査することができる。本実施形態においては、プローブ１０の走査は１個のピエゾスキャナ３１により制御することができる。このとき、Ｚ方向は、常に試料表面の段差に呼応して上下動するようになっている。前述の如く、段差をモニターするのは走査型プローブ顕微鏡の最も基本的な機能であり、試料表面の凹凸をモニターしてその情報をもとにピエゾスキャナ３０のＺ方向にフィードバックをかけて常に試料表面に対するプローブ先端の接触圧を一定に保つ。
【００３４】
なお、プローブ１０の構造及び駆動方法は、上記実施形態に限らないことは勿論である。また、不良の検出対象となる受動素子は、上記実施形態のスルーホールに限らず、例えば、コンタクトホールの形成不良及びアレイ状に配置されたトランジスタアレイの電極等の形成不良等も検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る走査型プローブ検査装置を示す模式図である。
【図２】プローブの構造を示す図である。
【図３】プローブの駆動方法を示す図である。
【図４】プローブの駆動方法の他の実施形態を示す図である。
【図５】従来の走査型プローブ検査装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１：パッド
２：スルーホール
３：下層配線
４：上層配線
５、１２：直流電源
６、１０：プローブ
１１：電圧計
２０：薄板
２１：レバー
２２：針
３０：３次元ピエゾスキャナ
３１：２次元ピエゾスキャナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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