專利名稱：掃描探針檢查設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種掃描探針檢查設備，并且特別涉及在半導體設備的制造工序中，用于檢測諸如通孔之類的無源元件中的缺陷的掃描探針設備。
背景技術：
為了在通孔(在下文中，貫穿此申請，術語“通孔”表示一組通孔與在通孔內(nèi)形成的導電材料)等等的形成中檢測異常，在半導體設備的制造期間，在晶片上面單獨的芯片上形成了與實際器件分離的、用于檢測通孔中產(chǎn)生的缺陷的檢測圖案，然后測量所述檢測圖案，測量關于通孔具有的電阻，以識別通孔中缺陷的存在與否以及缺陷的位置。
圖5是示出了通孔形成中用于異常檢測的傳統(tǒng)掃描探針檢查設備(也稱作掃描型探針顯微鏡)的示意圖。在一對焊盤1之間以相等的間隔排列多個通孔2，所述焊盤1具有100乘100μm量級的尺寸，并且形成在襯底的頂表面的絕緣層上。而且，那些通孔連接到各上互連線和下互連線，以致除了直接連接到焊盤1的上互連線以外，一條上互連線連接到各相鄰通孔中的一個通孔的上端，并且部分地面對該一條上互連線的一條下互連線連接到各相鄰通孔中的一個通孔的下端，并且該一條下互連線連接到各相鄰通孔中的另一個通孔的下端，從而形成鏈式單元，此外，多個鏈式單元相互串聯(lián)連接以形成鏈式圖案(檢測圖案)。這樣，下互連線嵌入到襯底表面上的絕緣膜中。這樣，形成了鏈狀檢測圖案，其中多個通孔2通過上互連線4與下互連線3串聯(lián)連接，并且焊盤1連接到檢測圖案的兩端。應當注意檢測圖案通常包括非常大數(shù)目的通孔(在圖中，為了簡化，僅僅示出了八個通孔)，例如，10,000個通孔。這樣，組成一對通孔2的鏈式單元、與該對通孔2連接在一起的下互連線3以及連接到該對通孔2之一的上端的上互連線4重復地形成，以構成具有通常不大于1μm間距的鏈式單元。正常地形成單獨的通孔，以具有大約1歐的電阻，并且因此，形成檢測圖案(包括10,000個通孔)以在圖案的兩端之間具有設計的電阻，即10千歐。
在傳統(tǒng)的掃描探針檢查設備中，在一對焊盤中的一個焊盤1(在下文中稱作參考焊盤)與導電探針6之間連接DC電源5(用于提供DC電壓V0)，然后，該探針6操作，以致探針6在連接到電源的參考焊盤1一側(cè)從上互連線4開始移動，并且以探針遠離參考焊盤1的方向以滑動的形式在襯底表面上面繼續(xù)移動。在探針6的掃描期間，測量流過由探針6與連接到該探針的DC電源組成的檢測電路的電流I。這樣，在探針6的移動期間，當探針6接觸上互連線4時檢測到預定的電流，并且當探針6在襯底上的絕緣層的表面上滑動時，因為檢測電路斷開，所以檢測不到電流。因此，當探針移動時，流過檢測電路的電流I以脈沖狀態(tài)改變。當探針6遠離參考焊盤1移動時，探針6與參考焊盤1之間的通孔2的數(shù)目增加，并且探針6與參考焊盤1之間的電阻由此增加，導致流過檢測電路的電流I變小。如上所述，一個通孔2的電阻通常大約為1歐。因此，當探針6放置在最遠離參考焊盤1的位置時，在檢測電路中包括的全部串聯(lián)連接的10,000個通孔具有10千歐的總電阻，即檢測圖案的電阻。這時，假定當檢測圖案包含沒有缺陷的通孔時具有10千歐的電阻的檢測圖案被測量為具有20千歐的電阻。在該情況中，考慮發(fā)生了兩個事件。也就是說，均勻地形成了單獨的通孔以具有2歐的電阻，以及有缺陷地形成了通孔中的任何一個以具有10千歐的電阻，該10千歐的電阻加到其它正常通孔的電阻。在前面的情況下，全部通孔是有缺陷的，這消除了識別有缺陷的通孔的需要。在后面的情況下，當探針6移動并且位于連接到該有缺陷的通孔2的上互連線4上時，測量到的電阻變大，同時測量的電流顯著降低。因此，電阻的檢測放大能夠識別有缺陷的通孔。應當注意實際形成檢測圖案以具有成行地連接在一起的多排通孔，并且探針在多排通孔上二維地掃描。在識別有缺陷的通孔以后，切開對應位置，并且通過透射電子顯微等等觀察該部分的剖面，并且檢測剖面的輪廓異常以確定導致缺陷的原因。通過檢測得到的結(jié)果被反饋到半導體的制造工藝以抑制缺陷的發(fā)生。
提出了傳統(tǒng)的掃描探針顯微鏡，其中由碳納米管組成兩個或者多個電氣獨立的探針，并且其掃描不大于100nm的微小材料，從而能夠測量電氣特征(日本專利未決公開No.2002-214112)。
此外，作為通孔的形成中檢測異常的方法，提出了稱作OBIRCH(光束誘發(fā)電阻改變)的方案。根據(jù)此方案，激光束掃描并且照射到通孔圖案上，并且通過有缺陷的通孔的位置處的空洞來吸收來自激光束的熱，然后，檢測電流的改變，從而能夠識別有缺陷的通孔。
然而，傳統(tǒng)的技術包括下列問題。也就是說，在有缺陷通孔的電阻為高的情況下，檢測和識別有缺陷的通孔成為可能。然而，在有缺陷通孔的電阻為低的情況下，不可能檢測有缺陷的通孔，這意味著檢測有缺陷的通孔的靈敏度低。在探針6與上互連線4之間存在接觸電阻。因此，當探針6掃描時，觀察到由接觸電阻改變引起的檢測電流的波動。
同樣地，在有缺陷的通孔的電阻為低的情況下，即使當探針到達有缺陷的通孔位置并且檢測到的電流逐步改變時，由于接觸電阻的變化，此改變是不可檢測的，并且不能檢測通孔是否有缺陷。
接觸電阻通常超過1千歐，并且當有缺陷的通孔的電阻相對低時，例如10歐到1千歐，由于探針掃描期間，接觸電阻的改變(變化)，不能檢測有缺陷的通孔。
在日本專利未決公開No.2002-214112中描述的方法需要使用碳納米管，并且有檢測高成本的缺點。此外，在OBIRCH方案中，激光束的直徑大于通孔的直徑，并且因此，不能識別有缺陷的通孔。

發(fā)明內(nèi)容
在考慮到所述問題的情況下構思了本發(fā)明，以提供一種掃描探針檢查設備，該設備具有低檢測成本，并且能夠檢測電阻值甚至低到10歐左右的異常，并且能夠識別有缺陷的通孔的位置。
根據(jù)本發(fā)明的掃描探針檢查設備檢測多個無源元件中的無源元件的異常，該多個無源元件連接在一起以形成鏈式圖案，所述鏈式圖案的各部分間斷地暴露于芯片的表面。該掃描探針檢查設備包括用于在所述鏈式圖案的兩端之間施加偏壓的偏壓提供器；以由所述圖案的所述暴露部分之間的距離確定的間隙排列的兩個探針；用于檢測所述兩個探針之間的電勢差的檢測器；以及掃描部件，其使所述兩個探針在包含所述芯片的晶片的表面上進行掃描，同時保持所述兩個探針之間的所述間隙不變。
例如，所述多個無源元件以給定間距排列，并且所述兩個探針以等于或大于所述多個無源元件的所述給定間距的兩倍的距離相互分開。
所述無源元件可為通孔，并且所述通孔可相互連接，使得一條上互連線連接到各相鄰通孔中的一個通孔的上端，并且一條下互連線連接到各相鄰通孔中的所述一個通孔的下端和各相鄰通孔中的另一個通孔的下端，由此形成包括所述一條上互連線、所述相鄰通孔與所述一條下互連線的鏈式單元，并可以進一步串聯(lián)連接多個鏈式單元，并且其中所述探針可與包括所述一條上互連線的各上互連線接觸。
可如下構造所述探針具有薄板形狀的底部、從所述底部延伸的桿以及在所述桿的遠端形成的針，其中通過加工半導體與金屬材料之一來形成所述底部、桿與針。
這樣，可如此形成所述針，使得所述針在所述遠端所指的方向上從所述桿的所述遠端傾斜。
而且，能夠通過用導電材料涂布硅的表面來形成所述探針。
例如，所述導電材料為摻雜硼的金剛石。
發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，通過偏壓施加部件，在鏈式圖案的兩端之間施加偏壓，以使給定電流Io流動，移動保持給定間隙的兩個探針，以掃描在晶片的頂表面上暴露的鏈式圖案的一部分，并且通過檢測器，檢測兩個探針之間的電勢差V，從而可測量兩個探針接觸的鏈式圖案的這些點之間的電勢差V而不影響探針與鏈式圖案之間的接觸電阻。因此，由V/Io控制的電阻R變?yōu)椴皇芙佑|電阻影響的鏈式圖案本身的電阻。因此，在諸如通孔之類的無源元件中存在異常并且其電阻大于正常無源元件的電阻的情況下，能夠可靠地檢測無源元件中的異常，并且能夠指定有缺陷的無源元件。例如，在無源元件為通孔的情況下，正常通孔的電阻大約為1歐，但是能夠檢測其電阻低至10歐到1千歐的有缺陷的通孔。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的掃描探針檢查設備的示范圖。
圖2是示出了探針的結(jié)構的圖。
圖3是示出了探針的驅(qū)動方法的圖。
圖4是示出了探針的驅(qū)動方法的另一實施例的圖。
圖5是示出了傳統(tǒng)掃描探針檢查設備的示范圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例將參照附圖描述如下。圖1是示出了本發(fā)明的一個實施例的示范圖。與圖5中的組件相同的組件用相同的參考數(shù)字表示，并且省略了這些組件的詳細描述。檢測圖案為圖5所示通孔2的鏈式圖案，并且在襯底的表面上形成的絕緣層上形成一對焊盤1，在焊盤1之間以相等間隔排列多個通孔2。這些通孔2連接到上互連線與下互連線，以致除了與焊盤1直接地連接的上互連線以外，一條上互連線連接到各相鄰通孔中的一個通孔的上端，并且部分地面對該一條上互連線的一條下互連線連接到各相鄰通孔中的一個通孔的下端，并且該一條下互連線連接到相鄰通孔中的另一個通孔的下端，從而形成鏈式單元，此外多個鏈式單元相互串聯(lián)連接以形成鏈式圖案(檢測圖案)。這樣，下互連線嵌入在襯底的表面上的絕緣膜中。這樣，形成了鏈狀檢測圖案，其中多個通孔2通過上互連線4與下互連線3串聯(lián)連接，并且焊盤1連接到檢測圖案的兩端。
在此實施例中，在一對焊盤1之間連接DC電源12，并且恒定電流Io流動通過通孔2的鏈式圖案。此外，以給定間隙d排列兩個探針10，并且探針10能夠沿著通孔2的鏈式圖案在芯片表面上移動，同時保持給定間隙d。這樣，探針10順序地掃描位于通孔2的鏈式圖案中并且通過芯片表面暴露的上互連線4。
如上所述，鏈式單元由包括一對通孔2、與相鄰通孔2連接在一起的下互連線3、以及連接到一個通孔2的上端的上互連線4構成，通常地形成了所述鏈式單元的重復圖案以具有按照例如1μm或更小的間距布置的鏈式單元。這樣，探針10的間隙d與鏈式單元的相同。也就是說，探針10的間隙d是通孔2的間距的兩倍。在探針10之間連接伏特表11以檢測上互連線與探針10的相互接觸的點之間的電勢差V。
接著，下面降隨后將說明根據(jù)本實施例的用于半導體晶片(或者襯底)檢查的上述掃描探針檢查設備的操作。在焊盤1之間施加DC電壓，以使電流Io流過通孔2的鏈式圖案(檢測圖案)。應當注意在焊盤1之間可施加AC電壓來代替DC電壓，以使AC電流Io流過通孔2的鏈式圖案(檢測圖案)。當使用AC電壓給通孔2的鏈式圖案施加偏壓并且通過探針10檢測AC電壓時，與使用DC電壓的情況比較，能夠在更大程度上有利地減少1/F噪聲，這增加了檢測靈敏度。此后，當保持間隙d時，例如，該對探針10在圖1中從左端向右掃描。當探針10與絕緣層的表面接觸時，伏特表11指示無窮大的值(即指示絕緣層的電阻)，而當探針10與上互連線4接觸時，伏特表11檢測鏈式圖案中探針接觸點之間的電勢差。因為探針10之間的間隙d等于鏈式圖案的重復鏈式單元的間距，所以當一個探針10與上互連線4接觸時，另一個探針10也與另一條上互連線4接觸，并且類似的，當一個探針10與絕緣層的表面接觸時，另一個探針10也與絕緣層的表面接觸。因此，通過伏特表11得到的電勢差的檢測結(jié)果隨著探針10移動而以脈沖狀態(tài)改變。
這樣，由于伏特表11的內(nèi)部電阻足夠地大于探針10與上互連線4之間的接觸電阻，因此伏特表11檢測到的值沒有顯著地受到接觸電阻的影響，并且能夠以高精確度檢測鏈式圖案中的探針接觸點之間的電勢差。假定探針10之間檢測到的電勢差為V，探針10之間的鏈式圖案的電阻R變?yōu)镽＝V/Io，并且能夠以高精確度檢測探針接觸點之間的鏈式圖案的電阻R。該電阻還隨著探針10移動而以脈沖狀態(tài)改變。因此，當在一定的通孔中出現(xiàn)諸如空洞之類的異常時，檢測到該一定通孔的電阻高于正常通孔的電阻，這使得能夠檢測有缺陷的通孔的存在。此外，可識別有缺陷通孔，使得移動探針以掃描鏈式圖案，并且將鏈式圖案的電阻測量為脈沖圖案，然后，檢測與測量的電阻變?yōu)樽畲蟮奈恢玫南鄬拿}沖數(shù)。
由于根據(jù)本發(fā)明的設備能夠以不受探針的接觸電阻影響的方式檢測通孔的電阻，因此能夠以高精確度檢測有缺陷的通孔，即使其電阻值僅僅與正常通孔有5倍的不同，這使得能夠識別有缺陷的通孔的位置。也就是說，當正常通孔的電阻為大約1歐(每鏈式單元(兩個通孔)大約2歐)時，可檢測指示大約10歐電阻的異常。另外，在芯片的表面上簡單地滑動探針10，使得鏈式圖案的電阻能夠被測量為脈沖圖案(電勢差圖案)，然后使得能夠識別有缺陷的通孔，這樣消除了對用于識別有缺陷的通孔位置的高精確度定位與檢測設備的需要。因此，即使當通孔的間距為0.3μm或更小時，檢測和識別有缺陷的通孔也成為可能，這意味著本發(fā)明的設備具有0.3μm或更小的高空間分辨率。
盡管將上述實施例的設備已說明了具有移動的進行一維掃描的探針，但實際上在許多情況下，該設備也具有移動的探針10，其對分別包含一對通孔并且二維地排列的鏈式單元的檢測圖案進行二維掃描，然后，二維地檢測有缺陷的通孔。當檢測到有缺陷的通孔并且以上述方式識別其位置時，在那個有缺陷的通孔的位置切割對應的芯片，并且用透射電子顯微鏡分析有缺陷的通孔的剖面。這能夠發(fā)現(xiàn)缺陷的原因，比如有缺陷的通孔的輪廓異常，并且進而，原因的查找能夠確認在制造過程中的問題，然后有問題的工序的改善起到防止缺陷發(fā)生的作用。
接著，將參照圖2說明探針10的一個例子。例如，以如下方式將探針10構造為懸臂在薄板20的遠端形成寬度大約30μm與長度大約200μm的桿21使其從薄板20延伸，薄板20的寬度例如為1.5mm、長度例如為3mm并且厚度例如為0.3mm，并且在桿21的遠端形成針22。針22的遠端的直徑例如為100nm。針22如此形成，使其在桿21的遠端所指的方向上從桿21的遠端傾斜。
制備兩個這樣的探針10，并且以針22相互面對的方式來布置薄板20。這樣，針22從桿21的遠端凸出地形成，使得針在桿21的遠端所指的方向上傾斜，因此，能夠?qū)⒁粚︶?2的遠端之間的間隙設定為大約0.5到1μm那樣小。應當注意探針10的針22之間的間隙由如下間隔確定，即通孔2的鏈式圖案的鏈式單元以該間隔(例如，0.5到1μm)重復。
能夠通過使用微加工技術加工半導體或者金屬材料，來形成包括薄板20、桿21與針22的探針10。也就是說，能夠使用如下方法來形成探針10，該方法包括在襯底上形成硅膜；使用光刻技術將硅膜構圖成為探針形狀；以及除去襯底并且在硅膜的表面上涂布導電材料。導電材料為Pt-Ir合金，CoCr合金等等。盡管在此實施例中，探針10由作為半導體的硅形成，但本發(fā)明也不限于使用硅，而可采用金屬，比如有利于金屬加工的鎢。
盡管如上所述，探針10可形成由硅制造的懸臂的形狀，但該探針也優(yōu)選地覆蓋摻雜硼的金剛石。這樣，當摻雜硼時，本身為半導體的金剛石變成導電的。此摻雜硼的金剛石在其表面上有尖銳的凸起與凹陷。因此，當探針10掃描(滑動)時，探針10的針22的表面的尖銳部分移動劃過上互連線4。應當注意上互連線4通常由銅形成，并且銅互連線的表面自然地氧化，這使得探針難以與銅互連線歐姆接觸。然而，具有涂布了摻雜硼的金剛石的表面的探針10的針22掃描銅互連線，同時用針的尖銳表面劃過和除去自然的氧化膜，這樣，具有如下優(yōu)點探針容易地與銅互連線歐姆接觸。
接著，將描述如何驅(qū)動探針10。圖3示出了圖2所示的懸臂形狀的探針10，其固定到柱狀三維壓電掃描器30的下端。此三維壓電掃描器30為壓電元件，當該壓電元件被施加電壓時，其在施加電壓的方向上收縮，并且能夠通過在平行于柱狀壓電掃描器的剖面的方向(X方向與Y方向)上和在柱狀壓電掃描器的軸的方向(Z方向)上施加電壓，三維地收縮。因此，在柱狀壓電掃描器的下端排列的探針10可三維地移動，即在X、Y與Z方向上。
兩個三維壓電掃描器30可獨立地控制兩個探針10的位置，并且在保持探針10之間的間隙恒定的同時，能夠通過在一個方向(排列鏈式圖案的鏈式單元的方向)上移動探針10來掃描目標。在平面上執(zhí)行掃描的情況下，通過在X與Y方向上細微地調(diào)節(jié)探針10的位置，來以預定間隙相互面對地布置探針10的針22。然后，在X方向或者Y方向上移動兩個探針10，同時保持間隙。這時，探針10能夠沿著被測量樣本的表面上的凸起與凹陷在Z方向上上下移動。被測量樣本的表面上的凸起與凹陷的檢測與反饋是掃描探針顯微鏡的最基本的功能。例如，構造掃描探針顯微鏡，使探針顯微鏡使用稱作光學杠桿系統(tǒng)等等的方案，檢測被測量樣本的表面上的凸起與凹陷，并且將表示凸起與凹陷的信息反饋為壓電掃描器30在Z方向上的移動，因此可始終保持探針的遠端的接觸壓力相對于樣本的表面恒定。這使得探針10能夠在保持探針10之間的間隙恒定的同時進行掃描。探針10能夠二維地，即在X與Y方向上執(zhí)行掃描。
圖4是示出了如何驅(qū)動探針的另一實施例的圖。構造該實施例的設備，使得圖3的兩個三維壓電掃描器30的上端連接到兩個三維壓電掃描器31，并且兩個三維壓電掃描器30由單個二維壓電掃描器31支持。探針10固定到三維壓電掃描器30的下端。二維壓電掃描器31可以在X與Y方向上收縮。
在此實施例中，通過操作三維壓電掃描器30，能夠以預定間隙(1μm)相互面對地布置探針10的針22，從而在X、Y與Z方向上細微地調(diào)解探針10的位置。探針10進行掃描，使得在X與Y方向上驅(qū)動二維壓電掃描器31，并且移動探針10以在X與Y方向上進行掃描，同時保持探針10之間的間隙恒定。在此實施例中，可通過單個壓電掃描器31來控制探針10的掃描。這時，探針10能夠沿著被測量樣本的表面上的凸起與凹陷在Z方向上上下移動。如上所述，被測量樣本的表面上的凸起與凹陷的檢測與反饋是掃描探針顯微鏡的最基本的功能。而且，構造掃描探針顯微鏡，使得探針顯微鏡檢測被測量樣本的表面上的凸起與凹陷，并且將表示凸起與凹陷的信息反饋為壓電掃描器30在Z方向上的移動，因此始終保持探針的遠端的接觸壓力相對于樣本的表面恒定。
不用說，本發(fā)明的設備不限于描述探針10的構造和如何驅(qū)動探針10的方法的上述實施例。而且，被檢測是否包含異常的無源元件不限于上述實施例的通孔，而可以是，例如，接觸孔和以陣列排列的晶體管的電極。
權利要求
1.一種掃描探針檢查設備，用于檢測多個無源元件中的無源元件異常，該多個無源元件連接在一起以形成鏈式圖案，所述鏈式圖案的各部分間斷地暴露于芯片的表面，所述掃描探針檢查設備包括用于在所述鏈式圖案的兩端之間施加偏壓的偏壓提供器；以由所述圖案的所述暴露部分之間的距離確定的間隙排列的兩個探針；用于檢測所述兩個探針之間的電勢差的檢測器；以及掃描部件，其使所述兩個探針在包含所述芯片的晶片的表面上進行掃描，同時保持所述兩個探針之間的所述間隙不變。
2.如權利要求1所述的掃描探針檢查設備，其中所述多個無源元件以給定間距排列，并且所述兩個探針以等于或大于所述多個無源元件的所述給定間距的兩倍的距離相互分開。
3.如權利要求1所述的掃描型探針檢查設備，其中所述無源元件為通孔，并且其中所述通孔相互連接，使得一條上互連線連接到各相鄰通孔中的一個通孔的上端，并且一條下互連線連接到各相鄰通孔中的所述一個通孔的下端和各相鄰通孔中的另一個通孔的下端，由此形成包括所述一條上互連線、所述相鄰通孔與所述一條下互連線的鏈式單元，并進一步串聯(lián)連接多個鏈式單元，并且其中所述探針與包括所述一條上互連線的各上互連線接觸。
4.如權利要求1所述的掃描探針檢查設備，其中所述探針具有薄板形狀的底部、從所述底部延伸的桿以及在所述桿的遠端形成的針，其中通過加工半導體與金屬材料之一來形成所述底部、桿與針。
5.如權利要求4所述的掃描探針檢查設備，其中如此形成所述針，使其在所述遠端所指的方向上從所述桿的所述遠端傾斜。
6.如權利要求4所述的掃描探針檢查設備，其中通過用導電材料涂布硅的表面來形成所述探針。
7.如權利要求6所述的掃描探針檢查設備，其中所述導電材料為摻雜硼的金剛石。
全文摘要
在襯底的頂表面上形成的絕緣層上形成一對焊盤(1)，并且在焊盤(1)之間以相等的間隔排列多個通孔(2)。通過在絕緣層上暴露的上層互連線(4)或者在絕緣層中掩埋的下層互連線(3)，交替地連接相鄰通孔(2)，這樣組成了檢測圖案。DC電源(12)連接在該對焊盤(1)之間，并且將恒定電流Io提供到通孔(2)的鏈式圖案。兩個探針(10)沿著通孔(2)的鏈式圖案在芯片表面上移動，同時保持給定間隙d。因此，探針(10)順序地掃描通過通孔(2)的鏈式圖案的芯片表面暴露的上層互連線(4)。
文檔編號G01R1/06GK1820193SQ0382688
公開日2006年8月16日 申請日期2003年9月29日 優(yōu)先權日2003年8月7日
發(fā)明者國宗依信 申請人:恩益禧電子股份有限公司