特許 7168669 電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置及びそのプローブユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-31

(45)【発行日】2022-11-09

(54)【発明の名称】電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置及びそのプローブユニット

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/26 20200101AFI20221101BHJP

   G01R 1/073 20060101ALI20221101BHJP

   G01R 31/28 20060101ALI20221101BHJP

【ＦＩ】

G01R31/26 G

G01R1/073 A

G01R31/26 J

G01R31/28 K

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2020533895

(86)(22)【出願日】2018-07-30

(86)【国際出願番号】 JP2018028403

(87)【国際公開番号】W WO2020026293

(87)【国際公開日】2020-02-06

【審査請求日】2021-01-13

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】古森 正明

(72)【発明者】

【氏名】大木 克夫

【審査官】續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－０４０９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－２０６８４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１９４７６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０１６３７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１８４０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０４３０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０９５２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１３５２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０２１５４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３１／２６

Ｇ０１Ｒ ３１／２８

Ｇ０１Ｒ １／０６－１／０７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空チャンバと、
前記真空チャンバに配置され、試料を載置する試料台と、
前記試料の上方から電子線を照射可能に配置された電子光学系と、
前記真空チャンバの外に配置される外部機器と同軸ケーブルで接続される複数のプローブユニットと、
前記試料台もしくはその近傍に設けられる電極とを有し、
前記プローブユニットは、前記試料に接触される測定探針と、前記電極に接触されるＧＮＤ端子と、前記測定探針及び前記ＧＮＤ端子を保持し、前記同軸ケーブルの信号線を前記測定探針に接続し、前記同軸ケーブルのＧＮＤ線を前記ＧＮＤ端子に接続する探針ホールダとを有し、
前記ＧＮＤ端子は、階段形状を有する板状金属線であり、
前記プローブユニットの前記測定探針が前記試料に接触される際に、前記ＧＮＤ端子が前記電極に接触される、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記電極は円環形状を有して前記試料台に設けられ、円環形状の前記電極の内側に前記試料が載置される、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置。

【請求項3】

請求項１において、
前記電極は円形状を有し、前記試料台は前記電極に設けられた試料台受け上に配置される、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置。

【請求項4】

請求項１において、
前記電極の前記ＧＮＤ端子との接触面は、前記試料台の縁の一部に、互いに対向して設けられ、
前記プローブユニットの前記測定探針は、前記試料台において前記接触面が配置された方向から前記試料に接触される、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置。

【請求項5】

請求項１において、
前記ＧＮＤ端子は、複数の板状金属線の組み合わせである、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置。

【請求項6】

請求項１において、
前記ＧＮＤ端子の前記電極に接触する部分は弧形状である、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置。

【請求項7】

請求項１において、
前記探針ホールダは、前記同軸ケーブルの信号線と前記測定探針とを接続するコネクタ部を有し、
前記コネクタ部は同軸構造を有する、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置。

【請求項8】

請求項１において、
前記同軸ケーブルはトライアキシャルケーブルであり、
前記探針ホールダは、前記トライアキシャルケーブルの中間導体及びＧＮＤ線を前記ＧＮＤ端子と接続する、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置。

【請求項9】

請求項１において、
前記測定探針は、先端径がＲ10ｎｍ程度である、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置。

【請求項10】

真空チャンバに配置された試料台に載置された試料に測定探針を接触させる、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置のプローブユニットであって、
同軸ケーブルの信号線と前記測定探針とを接続するコネクタ部を有する探針ホールダと、
前記試料台もしくはその近傍に設けられる電極に接触させるＧＮＤ端子とを有し、
前記ＧＮＤ端子は階段形状を有する板状金属線であり、前記測定探針が前記試料に接触される際に、前記ＧＮＤ端子が前記電極に接触されるように、前記探針ホールダに取り付けられている、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置のプローブユニット。

【請求項11】

請求項１０において、
前記ＧＮＤ端子は、複数の板状金属線の組み合わせである、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置のプローブユニット。

【請求項12】

請求項１０において、
前記ＧＮＤ端子の前記電極に接触する部分は弧形状である、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置のプローブユニット。

【請求項13】

請求項１０において、
前記コネクタ部は同軸構造を有する、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置のプローブユニット。

【請求項14】

請求項１０において、
前記同軸ケーブルはトライアキシャルケーブルであり、
前記探針ホールダは、前記トライアキシャルケーブルの中間導体及びＧＮＤ線を前記ＧＮＤ端子と接続する、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置のプローブユニット。

【請求項15】

請求項１０において、
前記測定探針は、先端径がＲ10ｎｍ程度である、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置のプローブユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体検査装置に関するものであり、特に、電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置に関する。特に、高速な動的信号の応答解析を用いた微小電子デバイスの不良解析に有用である。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの微細化により、大規模集積回路（ＬＳＩ：Large-Scale Integration）の高速化、高性能化が進んでいる。このような半導体デバイスの微細化に伴って、トランジスタ数、配線数、コンタクト数が増大し、故障デバイスの不良解析はより複雑化している。

【0003】

不良解析手法として、極めて微小な探針を直接、微小デバイス（ＬＳＩに集積される素子やＬＳＩに形成される配線等の微細構造などをいう）に含まれるコンタクト上に接触させ、電気特性を評価する手法がある。このような不良解析を行う装置はナノプローバ装置と呼ばれ、電子顕微鏡で微小デバイスを観察しながら、表面研磨により露出したＬＳＩ中のコンタクトに微小探針を接触させ、不良解析を実行する。10ｎｍ世代プロセスのような近年の微小デバイスは極めて微細化されているが、ナノプローバ装置ではこれらのナノデバイスを直接評価できることから、その重要性は益々大きくなっている。

【0004】

ナノプローバ装置による微小デバイスの電気特性評価は、主に直流測定によるものであった。しかし、微細化に伴う半導体デバイス特性の向上は、直流特性だけでなく、動的な動作性能など多岐に渡る。例えば、近年のＣＰＵ（Central Processing Unit）でのデバイスの駆動周波数は、３ＧＨｚ以上となっている。このため、高周波測定により得られる欠陥情報についても重要性が高まり、より高い周波数での伝送信号評価が望まれるようになった。なお、駆動周波数（ＣＰＵのクロック周波数）は、高性能のデスクトップパソコンで３ＧＨｚ程度、モバイル型パソコン、スマートフォンでは１ＧＨｚ程度、組み込み機器では、10ＭＨｚ～100ＭＨｚ程度に達している。

【0005】

このように半導体デバイスの駆動周波数が高まる一方、従来の電子顕微鏡を用いたナノプローバ装置で高周波解析可能な周波数は、実デバイスの動作周波数に至っていない。現在のナノプローバ装置で取り扱える高周波信号は、最大周波数数10ＭＨｚ程度といってよい。この程度以下の周波数であれば、連続パルス信号を伝搬させる場合に、矩形のパルス波形を維持できる。したがって、現状のナノプローバ装置による高周波解析は、組み込み機器レベルのデバイスの実動作を確認できるにすぎず、微細化の進んだ微小デバイスの駆動環境には到底及ばない。微細化の進んだ微小デバイスの高周波解析を実施するには、最低でも１ＧＨｚの高周波伝送が実現される必要がある。

【0006】

図１にプローバ装置による高周波解析を実行するための測定回路例（模式図）を示す。高周波解析には同軸ケーブルが用いられる。同軸ケーブル１０３は、基準電位（ＧＮＤ）に接地される外部導体１０４と信号を伝送する中心導体１０６とを有し、絶縁材１０５を介して、中心導体１０６（信号線）の周囲を外部導体１０４（ＧＮＤ線）が取り囲むことにより、伝送される高周波信号に対する外部ノイズが抑制される。本測定回路では、同軸ケーブル１０３ａに高周波信号を発生するパルス発生器１０１が接続され、測定探針１０７ａを介して試料１００に高周波信号を印加する。測定探針１０７ａは、本測定回路が高周波解析の対象とする微小デバイスの入力であるコンタクトに接触されている。一方、同軸ケーブル１０３ｂはオシロスコープ１０２に接続され、高周波解析の対象とする微小デバイスの出力であるコンタクトに接触されている測定探針１０７ｂにて得られた試料１００からの信号の波形をモニタする。このような測定回路において高周波信号を伝搬するには、相対する同軸ケーブル１０３ａ／１０３ｂのＧＮＤ線を短絡線１０８により短絡する必要がある。特に、より高い周波数の信号を伝搬するためには、測定探針１０７の周辺のインピーダンスの乱れを極力抑制する必要があり、短絡線１０８は測定探針１０７にできるだけ並走させ、より短くすることが望ましい。短絡線１０８の長さが長くなるほど、高周波特性は劣化するためである。さらに、プローバ装置は一般的に複数の測定探針を有し、複数の測定探針を用いた計測が可能になっているが、複数の測定探針を用いて測定を行う場合、それぞれで短絡線１０８の長さが異なっていると、高周波特性が測定探針によって違ったものになり、この違いが測定誤差となって表れる。

【0007】

特許文献１及び特許文献２は、いずれもマニュアルプローバ装置における測定探針のＧＮＤ線の短絡方法を開示するものである。マニュアルプローバ装置とは、光学顕微鏡で観察した試料表面に測定探針を接触させて電気特性を測定する装置である。ナノプローバ装置とマニュアルプローバ装置とは、測定回路はいずれも図１の構成を有し、ＧＮＤ線の短絡方法が高周波特性の測定に大きな影響を及ぼすことに違いはない。しかしながら、マニュアルプローバ装置では、ナノプローバ装置のような電子顕微鏡によるプロービングとは異なり、接触させるコンタクトサイズは大きく、また、大気中で測定が可能とされているため、構造的な制約がナノプローバ装置に比べて少ないといえる。

【0008】

マニュアルプローバでは、一般的に、同軸ケーブルのＧＮＤ線に接続されるＧＮＤ探針と同軸ケーブルの信号線に接続される信号探針の２種類の測定探針が用いられる。ＧＮＤ探針は試料中に設けられた基準電位のコンタクトに、信号探針は信号入出力用のコンタクトに接触される。特許文献１では、試料上に導体メッシュ（短絡部材）を設け、ＧＮＤ探針と信号探針の外部導体とを、探針の先端に近い位置で共通接続されるよう構成している。また、特許文献２では、ＧＮＤ探針に接地ばねを設け、信号探針に設けた接地シールドエクステンダーと接触されるよう構成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開平６－２５８３４４号公報

【文献】特開２０００－２８６７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

空間的、構造的な制約の多いナノプローバ装置では、マニュアルプローバに関する先行技術をそのまま適用することができない。以下、その理由を説明する。

【0011】

ナノプローバ装置では、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）の拡大映像を観察しながら、ナノオーダプロセスの微細なトランジスタに微小な測定探針を接触させ、プロービング測定を行う。測定探針のサイズは、先端径がＲ10ｎｍ程度であり、また、試料に形成されている、測定探針を接触させる測定コンタクトもナノメータオーダである。このため、プロービング時に意図しない僅かな振動による試料との衝突、あるいは応力変動による過負荷が生じることにより微小な測定探針が破損するおそれがある。さらには、測定探針が測定コンタクトに接触後、僅かな振動に曝されても、試料との振動衝突により、測定探針が破損するおそれがある。このため、特許文献２に開示されているような、ＧＮＤ短絡のために測定探針同士を２次的に接触させるといった方法は、測定探針を損傷させるリスクを高めてしまう。

【0012】

また、ＳＥＭによる観察を行うため、ＧＮＤ短絡のための構造が電子線の進行経路を阻害するような構造であってはならない。このため、特許文献１に開示されているようなＧＮＤ短絡のための構造を試料上面に設けることはできない。また、試料の電気測定を真空チャンバ内で行わなければならないところから、空間的な制約も大きい。

【0013】

より高速な動的信号を用いた半導体デバイスの不良解析装置を実現するには、以上のようなナノプローバ装置特有の、空間的、構造的な制約を回避し、効果的なＧＮＤ線の短絡構造を実現する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明の一実施の態様である電子顕微鏡を用いた微小電子デバイス特性評価装置は、真空チャンバと、真空チャンバに配置され、試料を載置する試料台と、試料の上方から電子線を照射可能に配置された電子光学系と、真空チャンバの外に配置される外部機器と同軸ケーブルで接続される複数のプローブユニットと、試料台もしくはその近傍に設けられる電極とを有し、プローブユニットは、試料に接触される測定探針と、電極に接触されるＧＮＤ端子と、測定探針及びＧＮＤ端子を保持し、同軸ケーブルの信号線を測定探針に接続し、同軸ケーブルのＧＮＤ線をＧＮＤ端子に接続する探針ホールダとを有し、ＧＮＤ端子は、階段形状を有する板状金属線であり、プローブユニットの測定探針が試料に接触される際に、ＧＮＤ端子が電極に接触される。

【発明の効果】

【0015】

ＬＳＩを構成する微小デバイスの不良解析として、高速な応答解析が可能な半導体検査装置を提供する。

【0016】

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】プローバ装置による高周波解析を実行するための測定回路例である。

【図2】微小デバイス特性評価装置の構成図である。

【図3】プローブユニット及び試料台の構成図である。

【図4】階段形状電極の効果を説明するための図である。

【図5】階段形状電極の効果を説明するための図である。

【図6】弧形電極の効果を説明するための図

【図7】プローブユニットの変形例である。

【図8】ＧＮＤ端子の変形例である。

【図9A】トライアキシャルケーブル対応プローブユニットの例である。

【図9B】トライアキシャルケーブル対応プローブユニットの例である。

【図10】プローブユニット及び試料台の構成図（上面図）である。

【図11】ＧＮＤ電極の変形例である。

【図12】ＧＮＤ電極の変形例である。

【図13】第１実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。

【図14】第２実施例の微小デバイス特性評価装置の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図２を用いて、本実施例の微小デバイス特性評価装置について説明する。本実施例の微小デバイス特性評価装置では、プローブ構造として接触応力を制御したＧＮＤ端子を設け、これを試料台もしくはその近傍に設けたＧＮＤ電極に接触させることにより、各測定探針間のＧＮＤ線の短絡を行う。

【0019】

走査型電子顕微鏡は、その主要な構成として電子光学系１、検出器２、真空チャンバ３を有する。真空チャンバ３中の試料台４に測定試料６が載置される。なお、試料台４の上面にはＧＮＤ電極５が設けられている。本実施例のプローブユニット２４では、同軸ケーブル１０と接続される探針ホールダ７に測定探針８とＧＮＤ端子９とが保持されている。測定探針８は測定試料６に接触され、ＧＮＤ端子９は試料台４上のＧＮＤ電極５に接触されている。なお、プローブユニット２４は測定試料６の試料表面を移動させるための駆動装置（図示せず）に接続されており、この駆動装置の動作により、測定探針８は測定試料６の所定箇所に接触すると同時に、ＧＮＤ端子９はＧＮＤ電極５に接触される。なお、図２では２つのプローブユニットを示しているが、微小デバイス特性評価装置は複数のプローブユニットを駆動可能とされており、２本に限定されるものではない。また、真空チャンバ３には前室（図示せず）が設けられており、真空チャンバ３の真空度を落とすことなく、試料台４、プローブユニット２４（探針ホールダ７、測定探針８及びＧＮＤ端子９）を真空チャンバ３から取り出すことが可能とされている。

【0020】

操作者は、電子光学系１から測定試料６に電子線を照射して得られる電子顕微鏡画像を見ながら、測定探針８を測定試料６に接触させる。この例では、１つの測定探針には同軸ケーブルを介してファンクションジェネレータ１１、もう１つの測定探針には同軸ケーブルによりオシロスコープ１２が接続されている。なお、真空チャンバ３の外部に置かれ、プローブユニットと同軸ケーブルで接続される電子回路や測定器等を本明細書では外部機器という。これにより、ファンクションジェネレータ１１から出力された高周波信号は、一方の測定探針を通して測定試料６に入力され、測定試料６から高周波信号に応答して出力される出力信号を、他方の測定探針を通してオシロスコープ１２に伝送する。

【0021】

図３にプローブユニット及び試料台の構成図を示す。同軸ケーブル１０は、中心導体（信号線）２１、中心導体（信号線）２１を取り囲む絶縁材２２、絶縁材２２を取り囲む外部導体（ＧＮＤ線）２３の２軸構造を有し、外部導体２３は基準電位とされ、中心導体２１により信号が伝送される。同軸ケーブル１０の信号線２１は、探針ホールダ７により測定探針８に接続されている。また、同軸ケーブル１０のＧＮＤ線２３は、探針ホールダ７によりＧＮＤ端子９に接続されている。測定探針８が試料台４に置かれた測定試料６の表面に接触する際、ＧＮＤ端子９が試料台４に設けられたＧＮＤ電極５に接触することにより、各プローブユニットのＧＮＤ端子９が、試料台４のＧＮＤ電極５を介して短絡されることになる。これにより、ナノプローバ装置固有の環境において、各測定探針間のＧＮＤ線の短絡が可能となる。測定探針８は線状の金属、及びＧＮＤ端子９は板状の金属であり、測定試料６やＧＮＤ電極５への接触により次第に摩耗する。そこで、測定探針８及びＧＮＤ端子９が摩耗した場合、探針ホールダ７から取り外し、交換することが可能にされる。

【0022】

また、試料台４は電子顕微鏡観察時には基準電位とされることが通常であるため、ＧＮＤ電極５を試料台４と一体で構成することができる。この場合、ＧＮＤ電極５とは試料台４におけるＧＮＤ端子９との接触面を意味する。また、測定試料６の測定コンタクトに測定探針８を接触させるとき、プローブユニットの駆動装置はプローブユニットを上から下に（電子光学系１の光軸方向）移動させ、所定の接触圧で接触させる。このときに、ＧＮＤ端子９も所定以上の接触圧でＧＮＤ電極５に接触されている必要がある。このため、図３では試料台４におけるＧＮＤ電極５と試料載置面（円環形状のＧＮＤ電極の内側部分）とは同じ高さとされているが、プローブユニットにおける測定探針８の先端部とＧＮＤ端子の先端部との位置関係に応じて、試料載置面とＧＮＤ電極５との位置関係を調整する。例えば、試料載置面の位置をＧＮＤ電極５の位置よりも高い位置とする。

【0023】

ここで、探針ホールダ７に設けられるＧＮＤ端子９は、階段形状、さらに望ましくは、少なくともＧＮＤ電極５と接触される先端部においては弧形状を有している。ナノ領域で、繊細な接触に対応できるようにするためである。この原理を以下に説明する。図４は、階段構造がない電極３０及び階段形状がある電極３１に対し、それぞれ矢印３４，３５の位置で負荷をかけた際の、変位シミュレーション結果である。電極３０と電極３１とで、それぞれのＸ方向の電極長は、同じである。また、高さ３２が図３における試料台４上のＧＮＤ電極５の位置であり、高さ３３はＧＮＤ端子９を接触圧０でＧＮＤ電極５に接触させた状態におけるＧＮＤ端子９と探針ホールダ７との接続位置の高さである。

【0024】

図４に示すシミュレーション結果より、同じ負荷（接触圧）に対して、変位量が異なっていることがわかる。すなわち、高さ３２－３３間で階段形状を有する電極３１は、階段形状を有しない電極３０と比べ、同じ接触圧にもかかわらず、変位量が低減されることが分かる。基準電位をとるため、ＧＮＤ電極５とＧＮＤ端子９とは適切な接触圧で接触させることが必要である。この変位コントロールは、真空チャンバ３における測定試料周辺の限られた空間での使用においてＧＮＤ端子９の変位量が制約されたとしても、ＧＮＤ端子９の階段形状を設計することにより所望の接触圧を得られることを示している。すなわち、この階段形状を最適化することにより、測定探針８は測定試料６に接触するだけの僅かな変位量に抑えながら、ＧＮＤ端子９は最適なＧＮＤ電極５への接触圧力の設定が可能となる。言い換えると、ＧＮＤ端子９を階段形状とすることで、空間的な制約に関わらず、精密、かつ測定探針８とは独立に、適切なＧＮＤ電極５への接触圧が得ることができる。

【0025】

さらに、階段形状の別の利点について説明する。図５は、階段構造がない電極３０及び階段形状がある電極３１に対し、それぞれ矢印３４，３５の位置で負荷をかけた際の、弾塑性解析結果（シミュレーション結果）である。それぞれの形状について、リン青銅の降伏条件を使用して、バイリニア近似によるシミュレーション解析を行った。変位量－応力の関係を示すグラフ中の傾きの変化点は、応力を加えて電極が変位した際に塑性変形し、元に戻らなくなってしまった変位量を示している。これより、階段形状がある場合の方が、応力印加に伴う塑性変形が抑制されていることがわかる。すなわち、不意の誤操作などで生じるような、何らかの過度の衝撃に対して、ＧＮＤ端子９が塑性変形することを抑制することができる。

【0026】

さらに、ＧＮＤ端子９は弧形状を有することが望ましい。図６を用いて弧形電極の効果を説明する。左図は、平坦電極４１の異なる位置に変位を加える様子の模式図である。この場合、変位させる位置に応じて、変位に対する応力は変化してしまう。一方、右図は、弧形電極４２の異なる位置に変位を加える様子の模式図である。弧形電極４２の表面摩擦力や力の分散から、平坦電極４１の場合に比べて、変位させる位置の違いによる、変位に対する応力の変化の度合いを抑えることができる。これにより、ＧＮＤ端子９におけるＧＮＤ電極５との接触位置が変化しても、それに伴う接触圧の変化をより小さくすることができる。なお、ＧＮＤ端子９が階段形状を有する場合には、ＧＮＤ電極５と接触するＧＮＤ端子９の先端部３６（図４参照）を弧形状とする。

【0027】

以上のようなプローブユニットの構造により、ナノプローバ装置特有の空間的制約を回避しつつ、ＧＮＤ線を短絡させることができる。

【0028】

プローブユニット構造の変形例について説明する。測定探針８は金属線であるため、測定探針８が長いほど、信号が劣化しやすい。このため、図７に示すプローブユニット５０では、探針ホールダ５１は測定探針８を接続する同軸構造を有するコネクタ部５２を有している。コネクタ部５２の中心導体は、一端が信号線（同軸ケーブル１０の中心導体）２１に接続され、他端が測定探針８に接続される。また、コネクタ部５２の外部導体は、ＧＮＤ線（同軸ケーブル１０の外部導体）２３に接続されるとともに、ＧＮＤ端子９に接続されている。これにより、測定探針８の長さを極力短くすることができ、信号線２１からの信号を外部ノイズから保護することができる。

【0029】

また図８にＧＮＤ端子の変形例を示す。ＧＮＤ端子５５は、曲げ方の異なる板状金属線５６と板状金属線５７とを組み合わせてＧＮＤ端子としたものである。これにより、所望の変位量－応力特性を有するＧＮＤ端子を作成することができる。

【0030】

また、ナノプローバ装置では、直流測定において、フェムトアンペアオーダの微小電流を測定することが求められる。通常、ナノプローバ装置で、微小な直流電流を測定する際は、同軸ケーブルではなく、トライアキシャルケーブル（三重同軸ケーブル）を用いる。図９Ａに示すように、トライアキシャルケーブル６０は、中心導体（信号線）６１、中間導体（ガード）６３、外部導体（ＧＮＤ線）６５の３軸で構成されている。中心導体６１と中間導体６３との間には第１の絶縁材６２、中間導体６３と外部導体６５との間には第２の絶縁材６４が設けられている。微小な直流電流を測定する際は、トライアキシャルケーブル６０の中間導体６３に半導体パラメータアナライザなどの測定器により信号線６１と同じ電位を加えながら測定する。中心導体６１と中間導体６３とを等電位に保つことにより、第１の絶縁材６２に流れるリーク電流を０とし、微小な電流が正確に測定できる。

【0031】

これに対して、高周波測定を行う場合には、トライアキシャルケーブル６０の中間導体６３と外部導体６５と短絡し、いわばトライアキシャルケーブルを同軸ケーブル化して使用する。本実施例では、探針ホールダを付け替えることにより、直流測定と高周波測定の双方を行うことを可能にする。図９Ａは直流測定用の探針ホールダ７１を有するプローブユニット７０をトライアキシャルケーブル６０に接続した状態を示している。探針ホールダ７１は探針ホールダ５１（図７参照）と同様の構造をしており、同軸構造を有するコネクタ部を有し、コネクタ部の中心導体は、一端が信号線（トライアキシャルケーブル６０の中心導体）６１に接続され、他端が測定探針８に接続される。また、コネクタ部の外部導体は、ＧＮＤ線（トライアキシャルケーブル６０の外部導体）６５に接続されるとともに、ＧＮＤ端子９に接続されている。これに対して、図９Ｂは高周波測定用の探針ホールダ７３を有するプローブユニット７２をトライアキシャルケーブル６０に接続した状態を示している。探針ホールダ７３も同軸構造を有するコネクタ部を有し、コネクタ部の中心導体は、一端が信号線（トライアキシャルケーブル６０の中心導体）６１に接続され、他端が測定探針８に接続される。また、コネクタ部の外部導体は、ＧＮＤ線（トライアキシャルケーブル６０の外部導体）６５及びトライアキシャルケーブル６０の中間導体６３に接続されるとともに、ＧＮＤ端子９に接続されている。このように、測定内容に応じて使用する探針ホールダを付け替えることで、プローブユニットに対して余計な構造を付加することなく、容易に微小電流測定と高周波測定の切り替えを行うことが可能になる。

【0032】

次に、図１０を用いて試料台４に設けられたＧＮＤ電極５の構造について説明する。図１０はプローブユニット及び試料台の構成図（上面図）である。この例では図７に示した同軸構造のコネクタ部を有するプローブユニット５０を用いている。試料台４に設けられるＧＮＤ電極５は円環形状となっている。ナノプローバ装置は、図１０のように多数の測定探針を測定試料に接触させて、その電気特性を測定する。複数の測定探針は、図１０に示すように、測定試料６を取り囲むように配置されている。ＧＮＤ電極５として円環形状の電極を用いることにより、各プローブユニット２４のＧＮＤ端子９は、どの角度からの測定探針８の接触でも同じ状態で接触でき、電気特性を測定するため、どの測定探針を選択しても、同等の高周波特性での測定が可能となる。

【0033】

ナノ領域での繊細なプロービングでは、ピエゾ素子の特性を利用したナノオーダでの制御可能なアクチュエータを駆動させて、微細な測定探針を測定試料に精密に接触させる。単に真空チャンバという空間的、環境的な制約のみならず、アクチュエータを搭載した複雑なプロービング機構の存在が、測定試料周辺の空間的制約になっている。特に、一般的なナノプローバ装置では、測定探針の損傷リスクに対する予備の測定探針を必要とするため、図１０に示すように複数（この例では８本）の測定探針が同時に配置される。後述するように、トランジスタ測定においては、１つのトランジスタに対し、同時に少なくとも、４本の測定探針を接触させる必要がある。このように、プロービング機構は測定試料の周囲に密集して存在しているのであり、ここからも、ＧＮＤ線を短絡するための空間的な余地はほとんどなく、本実施例におけるＧＮＤ短絡構造の優位性が理解されるであろう。マニュアルプローバで採用されるＧＮＤ線用のプローブといった機構をナノプローバ装置にそのまま適用することは現実的に不可能である。

【0034】

図１１を用いてＧＮＤ電極５の構造の変形例について説明する。図３では、ＧＮＤ電極５を試料台４の外縁に沿った円環形状としていたが、図１１の例では、ステージ側に円形状のＧＮＤ電極８１を設けた例である。具体的には、円形状のＧＮＤ電極８１に試料台受け８２が設けられる。試料台８０の上に測定試料６を載置し、測定探針８を測定試料６に接触させ、電気特性を測定する。試料台８０は、試料台受け８２に差し込んで使用する。測定試料６を交換する時には、試料台８０ごと、真空チャンバ３から取り出して、測定試料６を交換する。

【0035】

また、ＧＮＤ電極を試料台に設ける場合であっても、図３のような形態には限定されない。図１２はＧＮＤ電極７５ａ，７５ｂをその上面に有する試料台７４の上面図である。なお、この例ではＧＮＤ電極７５は試料台７４と一体であり、ＧＮＤ電極７５は試料台７４におけるＧＮＤ端子との接触面ということができ、ＧＮＤ電極７５ａ，７５ｂとは試料台７４により導通されている。ＧＮＤ電極を図３のような円環形状とすると、測定試料６を載置するスペース（試料載置面）が狭くなり、測定試料６の大きさによっては試料台に載せられないといったことが生じうる。そこで、図１２に示すように、ＧＮＤ電極７５を試料台４の縁の一部に、対向するように配置する。これにより、測定試料６を載置する試料載置面７６を大きくとることができる。この場合は、ＧＮＤ電極７５ａ，７５ｂが設けられている２方向から測定探針を接触させる。

【実施例1】

【0036】

微小電子デバイス特性評価装置の第１実施例を図１３に示す。測定試料６にプローブユニット２４ａ，２４ｂを接触させることにより、半導体パラメータアナライザ４５が接続されている。半導体パラメータアナライザ４５は、電流－電圧測定、キャパシタンス測定など半導体デバイスのパラメトリックテストのための測定器であるが、ここでは直流電圧を測定試料に印加するために用いている。半導体パラメータアナライザ４５に代えて、直流電圧を出力可能な電源回路を用いてもよい。また、測定試料６にプローブユニット２４ｃを接触させることによりファンクションジェネレータ１１を接続し、プローブユニット２４ｄを接触させることによりオシロスコープ１２を接続する。ファンクションジェネレータ１１は動的信号（高周波信号）を発生し、それに応答して出力される動的な応答信号の波形をオシロスコープ１２により観察する。このように測定回路を構成し、例えば、ＬＳＩデバイスで、故障診断などから絞り込まれた不良と推定される65ｎｍ世代トランジスタの故障解析を行う。

【0037】

はじめに、65ｎｍ世代トランジスタの測定コンタクトが表面に出るまで研磨する。これを、微小電子デバイス特性評価装置の測定試料として試料台４に載置し、測定探針８を測定コンタクトに接触させる。具体的には、トランジスタのソース、ドレイン、ゲート、基板、それぞれのコンタクトに接触させる。プローブユニット２４ａ，２４ｂの測定探針８はそれぞれトランジスタのドレインと基板に接触され、プローブユニット２４ｃの測定探針８はトランジスタのゲートに接触され、プローブユニット２４ｄの測定探針８はトランジスタのソースに接触される。

【0038】

それぞれの測定探針８を、トランジスタの各コンタクトに接触させた後、ドレインには１Ｖ、基板には０Ｖを印加し、ファンクションジェネレータ１１から100ＭＨｚに相当する幅５ｎｓのパルス（１Ｖ）をゲートに印加し、ソースからの信号を観察する。このようにして観察できる、正常なトランジスタからの応答波形と不良トランジスタからの応答波形とを比較し、例えば、応答波形における立ち上がり時間を比較することによりトランジスタの故障の判断が行える。

【実施例2】

【0039】

微小電子デバイス特性評価装置の第２実施例を図１４に示す。本実施例は、ロジック回路測定（例えば、ＮＡＮＤ回路の測定）を行う。

【0040】

ロジック回路（ＮＡＮＤ回路）の入力端子２つにそれぞれプローブユニット２４ｅ，２４ｆを接触させることにより、ファンクションジェネレータ１１からロジック回路に対して信号パルスを入力する。また、ロジック回路の電源端子にはプローブユニット２４ｈを接触させることにより、半導体パラメータアナライザ４５から電源電圧を印加する。半導体パラメータアナライザ４５に代えて、直流電圧を出力可能な電源回路を用いてもよい。ロジック回路の出力にはプローブユニット２４ｇを接触させることにより、オシロスコープ１２によりロジック回路の出力をモニタする。また、ファンクションジェネレータ１１からの信号はスプリッタ４６を介して、２方向に分割され、一方は参照信号としてオシロスコープ１２に入力され、もう一方は測定試料６に入力されている。ファンクションジェネレータ１１による入力信号の変化に対し、オシロスコープ１２において、モニタされたロジック回路（ＮＡＮＤ回路）の出力信号を、参照信号として入力されるファンクションジェネレータ１１からの信号をＮＡＮＤ演算して照合することにより、ロジック回路の動作の確認を行うことができる。

【0041】

以上、本発明を複数の実施例を用いて説明した。本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

【符号の説明】

【0042】

１：電子光学系、 ２：検出器、３：真空チャンバ、４，７４，８０：試料台、５，７５，８１：ＧＮＤ電極、６：測定試料、７，５１，７１，７３：探針ホールダ、８：測定探針、９，５５：ＧＮＤ端子、１０：同軸ケーブル、１１：ファンクションジェネレータ、１２：オシロスコープ、２１：中心導体（信号線）、２２：絶縁材、２３：外部導体（ＧＮＤ線）、２４，５０，７０，７２：プローブユニット、４５：半導体パラメータアナライザ、４６：スプリッタ、５２：コネクタ部、５６，５７：板状金属線、６０：トライアキシャルケーブル、６１：中心導体（信号線）、６２：第１の絶縁材、６３：中間導体（ガード）、６４：第２の絶縁材、６５：外部導体（ＧＮＤ線）、８２：試料台受け、７６：試料載置面、１００：試料、１０１：パルス発生器、１０２：オシロスコープ、１０３：同軸ケーブル、１０４：外部導体（ＧＮＤ線）、１０５：絶縁材、１０６：中心導体（信号線）、１０７：測定探針、１０８：短絡線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】