JP2005333148A

JP2005333148A - 半導体ウエハの特性を測定するための仕事関数が制御されたプローブとその使用方法

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Publication number: JP2005333148A
Application number: JP2005170117A
Authority: JP
Inventors: William H Howland Jr; ウィリアム・エイチ・ハウランド・ジュニア; Robert J Hillard; ロバート・ジェイ・ヒラード; Steven Chi-Shin Hung; スティーヴン・チン−シン・フン
Original assignee: Applied Materials Inc; Solid State Measurements Inc
Current assignee: Applied Materials Inc; Solid State Measurements Inc
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2005-12-02
Also published as: EP1596212A1; US20050253618A1; DE602005009603D1; US7023231B2; EP1596212B1; TW200538748A; TWI391686B; ATE408154T1

Abstract

【課題】半導体ウエハの少なくとも１つの電気的特性を測定する方法において、導電性の基礎材料を覆う導電性のコーティングで形成された弾性変形可能な導電性の接触子を設ける。
【解決手段】基礎材料は第１仕事関数を持ち、コーティングは第２仕事関数を持つ。導電性の接触子６と半導体ウエハ１０の上面１６との第１電気接触を形成する。半導体ウエハ１０との第２電気接触を形成する。第１および第２電気接触間に電気刺激を加え、電気刺激に対する半導体ウエハ１０の反応を測定する。反応から半導体ウエハ１０の少なくとも１つの電気的特性を決定する。
【選択図】図１

Description

発明の背景
［０００１］発明の分野
［０００２］本発明は半導体ウエハの検査に関する。

［０００３］関連技術の説明

［０００４］半導体ウエハの１つ以上の電気的特性を測定するための導電性の弾性プローブの使用が、マズール（Mazur）ほか名義のアメリカ特許Ｎｏ．６，４９２，８２７に開示されている。プラチナ、イリジウムまたはタンタル等の材料で形成された導電性の弾性プローブ、あるいは先端にプラチナ、イリジウムまたはタンタルをコーティングしたプローブが半導体ウエハの検査に最適であると記載されている。これまで、これらの１つ以上の材料において、酸化物が成長する能力がないこと、および／または、導電性酸化物が成長する能力があることが、このような検査にとって、有益であると信じられていた。しかし、本発明によれば、検査中に半導体ウエハに押し付けられるプローブ表面の仕事関数が、その測定に影響を与えると考えられる。

米国特許第６，４９２，８２７号明細書

［０００５］したがって、従来技術に開示されず、必要となる方法は、少なくとも接触部分が管理された仕事関数を有する接触子またはプローブを用いて半導体ウエハの少なくとも１つの電気的特性を測定する方法である。

発明の要約
［０００６］発明は半導体ウエハの少なくとも１つの電気的特性を測定する方法である。その方法は、（ａ）導電性の基礎材料を覆う導電性のコーティングで形成された弾性変形可能な導電性の接触子を設け、そこでは基礎材料が第１仕事関数を持ち、コーティングが第２仕事関数を持つ、（ｂ）導電性の接触子と半導体ウエハの上面との第１電気接触を形成し、（ｃ）半導体ウエハとの第２電気接触を形成し、（ｄ）第１電気接触と第２電気接触の間に電気刺激を加え、（ｅ）電気刺激に対する半導体ウエハの反応を測定し、（ｆ）反応から半導体ウエハの少なくとも１つの電気的特性を決定することを含む。

［０００７］導電性の接触子はプローブの先端であり得る。コーティングは、導電性の接触子が第２仕事関数と等しいか第１関数と第２仕事関数との中間の全面的な仕事関数を持つ程度の厚さであり得る。コーティングの厚さはせいぜい５デバイ長であることが望ましい。

［０００８］導電性の接触子の基礎材料はタンタルで構成され、そのコーティングはイリジウムで構成されてもよい。

［０００９］代案として、コーティングは基礎材料を覆う第１材料の層と第１材料を覆う第２材料の層を含み、第２仕事関数は第１および第２材料の仕事関数に関連し、例えばそれらの中間であり得る。基礎材料、第１材料および第２材料は異なる金属であることが望ましい。基礎材料はタンタルで構成され、第１材料はイリジウムで構成され、第２材料はルテニウムとタンタルの少なくとも１つで構成され得る。

［００１０］また、発明は半導体ウエハの少なくとも１つの電気的特性を測定する方法であって、その方法は、（ａ）導電性の基礎材料を覆う導電性のコーティングで形成された弾性変形可能な導電性の接触子を設け、そこでは基礎材料が第１仕事関数を持ち、コーティングが第２仕事関数を持つ、（ｂ）導電性の接触子と半導体ウエハの上面を覆う誘電体層との第１電気接触を形成し、（ｃ）半導体ウエハとの第２電気接触を形成し、（ｄ）第１電気接触と第２電気接触の間に電気刺激を加え、（ｅ）電気刺激に対する誘電体層および半導体ウエハの組合せの反応を測定し、（ｆ）反応から誘電体層または半導体ウエハまたは両者の少なくとも１つの電気的特性を決定することを含む。

図面の簡単な説明
［００１１］図１は、半導体ウエハの断面図であり、ウエハに作用する半導体ウエハ検査システムをブロック図で示し；
［００１２］図２〜図５は、図１に示された検査システムの接触子の種々の実施例を示す図である。

発明の詳細な説明

［００１３］同じ要素に同じ参照番号を付した添付図を参照して、本発明を説明する。

［００１４］図１を参照すると、半導体ウエハ検査システム２は、導電性の真空チャック４と接触子６とを含んでいる。接触子６は半導体ウエハ１０の検査に適したいかなる形状をも考えられるから、長いプローブの形をした図１の接触子６の例は発明を限定するものではない。チャック４は半導体ウエハ１０の裏面８を支持するように構成され、ウエハ１０は吸引（図示せず）によってチャック４に接触して保持される半導体材料で形成された基板１２を含んでいる。半導体ウエハ１０は基板１２の上面１６を覆う誘電体層１４を含んでいるが、これは不可欠ではない。

［００１５］接触子６は、基板１２の上面１６、あるいは誘電体層１４があればその上面２２と接触する少なくとも部分的に球状の導電性の表面２０を含むことが望ましい。部分的に球状の導電性の表面２０が望ましいが、半導体ウエハ１０の検査に適した他の形状の表面（図示せず）を利用することもできる。したがって、部分的に球状の導電性の表面２０である図１の例は発明を限定するものではない。

［００１６］周知の種類の接触形成手段２６が、チャック４および／または接触子６の矢印２８で示された上下動を制御し、接触子６と半導体ウエハ１０を互いに近づける。そして、接触子６が基板１２の上面１６、あるいは誘電体層１４があればその上面２２を押圧する。

［００１７］半導体ウエハ１０がチャック４上に載置され、接触子６が半導体ウエハ１０と接触すると、電気刺激付与手段３０が接触子６と半導体ウエハ１０とに適切な電気刺激を付与するよう電気的に接続可能である。

［００１８］電気刺激付与手段３０によって付与された検査用刺激に対する半導体ウエハ１０の反応を測定するために測定手段３２が電気的に接続可能である。チャック４は基準グラウンドに接続していることが望ましい。しかし、これは発明を限定するものではなく、チャック４はＡＣ基準バイアスまたはＤＣ基準バイアスに接続していてもよい。

［００１９］図２を参照し、図１を引き続き参照すると、接触子６の第１実施例は適当な導電性材料で形成された本体３８を含み、本体３８に接するタンタルまたはタンタル合金で形成された導電性の基礎材料４０を覆うイリジウムまたはイリジウム合金で形成された導電層またはコーティング４２を持つ。

［００２０］図３を参照し、図１および図２を引き続き参照すると、接触子６の第２実施例は、接触子６の本体３８を形成する導電性の基礎材料４０を覆う導電性のコーティング４２を含んでいる。

［００２１］図４を参照し、図１〜図３を引き続き参照すると、接触子６の別実施例は、図２に示された接触子６の実施例と同様に本体３８に接する基礎材料４０を覆うコーティング４２を持つ本体３８を含んでいる。しかし、図４に示された接触子６の実施例では、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）またはＲｕ−Ｔａ合金で形成された層またはコーティング５４がコーティング４２を覆っている。

［００２２］図５を参照し、図１〜図４を引き続き参照すると、接触子６の別実施例は、図３に示された接触子６の実施例のように基礎材料４０で形成された本体３８を含んでいる。しかし、図５に示された接触子６の実施例では、コーティング５４がコーティング４２を覆っている。

［００２３］図２〜図５に示すように、基板１２の上面１６、あるいは誘電体層１４があればその上面２２へ接触形成手段２６が押付ける接触子６の表面２０を層またはコーティング４２および／または５４が形成されるだけでよい。しかし、これは発明を限定するものではない。

［００２４］図２に示すように、コーティング４２が基礎材料４０を介してのみ本体３８と電気接触することが望ましい。言いかえれば、コーティング４２は本体３８と直接に電気接触しないことが望ましい。図３で、コーティング４２は基礎材料４０で形成された本体３８に直接接触している。図４で、コーティング４２は基礎材料４０を介してのみ本体３８と接触することが望ましく、コーティング５４はコーティング４２と基礎材料４０を介してのみ本体３８と接触することが望ましい。言いかえれば、コーティング４２と本体３８、あるいはコーティング５４と基礎材料４０または本体３８との直接の電気接触がない。図５で、コーティング５４はコーティング４２を介してのみ本体３８と接触することが望ましい。言いかえれば、コーティング５４は基礎材料４０で形成された本体３８と直接電気接触しない。

［００２５］図２と図３に示された接触子６の実施例において、コーティング４２は、コーティング４２を形成する材料の仕事関数と等しい全体的な仕事関数を接触子６の表面２０が持つような厚さになっている。代案として、図２と図３に示された接触子６の実施例において、コーティング４２は、コーティング４２と基礎材料４を形成する材料との仕事関数の中間である全体的な仕事関数を接触子６の表面２０が持つような厚さでもよい。この中間の仕事関数を達成するために、コーティング４２はその材料の仕事関数を全体的な仕事関数に与えることができる程度に十分に厚く、しかしその仕事関数が基礎材料４０の仕事関数を遮蔽することを回避する程度に十分に薄くなければならない。１つの非限定的な例で、コーティング４２の厚さは５デバイ長を超えない厚さである。しかし、これは発明を限定するものではない。

［００２６］図４と図５に示された接触子６の実施例において、コーティング５４は、コーティング５４を形成する材料の仕事関数と等しい全体的な仕事関数、またはコーティング４２、５４の仕事関数の中間の仕事関数を表面２０が持つような厚さであることが望ましい。この中間の仕事関数は、基礎材料４０を覆うコーティング４２について上記したような方法でコーティング５４の厚さの管理することにより達成することができる。

［００２７］図２〜図５に示された接触子６の各実施例の表面２０の仕事関数は、半導体ウエハの検査用として３．０ｅＶ〜６．０ｅＶであることが望ましい。しかし、これは、半導体ウエハの検査を最適化するように表面２０の全体的な仕事関数が設定可能であるから、発明を限定するものではない。

［００２８］図２〜図５に示された接触子６の実施例のいずれかの使用において、接触形成手段２６は接触子６の表面２０を基板１２の上面１６、あるいは誘電体層１４があればその上面２２へ押圧接触させ、それによって第１電気接触を形成する。チャック４に接触する半導体ウエハ１０の裏面８は第２電気接触を形成する。あるいは、第２電気接触は、基板１２と直接に形成するか、基板１２の上面１６あるいは誘電体層１４があればその上面２２と接触する別の接触子（不図示）を介して形成することができる。

［００２９］第１および第２電気接触が形成されると、電気刺激付与手段３０が第１電気接触と第２電気接触との間に適当な電気刺激を加える。この電気刺激を加える間に、測定手段３２が電気刺激に対する半導体ウエハ１０の反応を測定する。この反応にもとづいて、測定手段３２は、誘電体層１４、基板１２、誘電体層１４および基板１２のインターフェースあるいはその組合せの少なくとも１つの電気的特性を決定することができる。

［００３０］電気刺激付与手段３０が加えることができ、測定手段３２が測定することができる適当な電気刺激の非限定的な例は、キャパシタンス−電圧（ＣＶ）タイプの刺激、コンダクタンス−電圧（ＧＶ）タイプの刺激、電荷−電圧（ＱＶ）タイプの刺激および／または電流−電圧（ＩＶ）タイプの刺激を含む。これらの刺激にもとづいて決定することができる電気的特性の非限定的な例は、フラットバンド電圧（Ｖ_ＦＢ）、しきい値電圧（Ｖ_Ｔ）および漏れ電流（Ｉ_ＬＥＡＫ）を含む。これらの電気刺激の付与と、これらの電気刺激にもとづく誘電体層１４、基板１２、誘電体層１４および基板１２のインターフェースあるいはその組合せの少なくとも１つの電気的特性を決定することの詳細は周知であり、これらの電気刺激の付与と前記少なくとも１つの電気的特性の決定に関する詳細は、簡潔さのためにここでは記載しない。

［００３１］好適実施例を参照して本発明を説明した。以上の詳細な説明を読み理解すれば、明白な改変および変更に想到するであろう。例えば、接触子６の各実施例は、表面２０を形成する先端部を持つプローブとして示された。しかし、これは発明を限定するものではない。さらに、本体３８の丸みの外側で延びた種々の層４０、４２、５４の例は説明のみのために示されている。しかし、当業者なら理解するように、コーティング４０、４２および５４は比較的薄く、これらの層は、図２〜図５に示された程度まで本体３８の丸みの外側で延びることはない。付記されたクレームあるいはその均等物の範囲に含まれる限り、そのような改変および変更をすべて含むように発明が解釈されることが意図される。

半導体ウエハの断面図、及び半導体ウエハに作用する半導体ウエハ検査システムのブロック図図１に示された検査システムの接触子の実施例（１）を示す図図１に示された検査システムの接触子の実施例（２）を示す図図１に示された検査システムの接触子の実施例（３）を示す図図１に示された検査システムの接触子の実施例（４）を示す図

符号の説明

６導電性の接触子
１０半導体ウエハ
１４誘電体層
１６半導体ウエハの上面
２０導電性の表面
４０基礎材料
４２コーティング
５４コーティング

Claims

半導体ウエハの少なくとも１つの電気的特性を測定する方法であって、以下の各工程、
（ａ）導電性の基礎材料を覆う導電性のコーティングで形成された弾性変形可能な導電性の接触子を設け、そこでは前記基礎材料が第１仕事関数を持ち、前記コーティングが第２仕事関数を持つ、
（ｂ）前記導電性の接触子と半導体ウエハの上面との第１電気接触を形成し、
（ｃ）前記半導体ウエハとの第２電気接触を形成し、
（ｄ）前記第１電気接触と前記第２電気接触との間に電気刺激を加え、
（ｅ）この電気刺激に対する前記半導体ウエハの反応を測定し、
（ｆ）この反応から前記半導体ウエハの少なくとも１つの電気的特性を決定する、
を備える、方法。
請求項１の方法において、前記導電性の接触子はプローブの先端である、方法。
請求項１の方法において、
前記コーティングは、前記導電性の接触子が前記第２仕事関数と等しい全体的な仕事関数を持つ程度の厚さである、方法
請求項１の方法において、
前記コーティングは、前記導電性の接触子が前記第１関数と前記第２仕事関数との中間の全体的な仕事関数を持つ程度の厚さである、方法。
請求項４の方法において、
前記コーティングの厚さは５デバイ長を超えない厚さである、方法。
請求項１の方法において、前記基礎材料はタンタルで構成される、方法。
請求項１の方法において、前記コーティングはイリジウムで構成される、方法。
請求項１の方法において、
前記コーティングは、前記基礎材料を覆う第１材料の層と、この第１材料を覆う第２材料の層と、を含み、
前記第２仕事関数は、前記第１および前記第２材料の仕事関数に関連する、方法。
請求項８の方法において、
前記第２仕事関数は、前記第１材料の仕事関数と前記第２材料の仕事関数との中間である、方法。
請求項８の方法において、
前記基礎材料と、前記第１材料と、前記第２材料と、は異なる金属である、方法。
請求項８の方法において、前記基礎材料はタンタルで構成される、方法。
請求項８の方法において、
前記第１材料はイリジウムで構成され、
前記第２材料はルテニウム（Ｒｕ）とタンタル（Ｔａ）との少なくとも１つで構成される、方法。
半導体ウエハの少なくとも１つの電気的特性を測定する方法であって、以下の各工程、
（ａ）導電性の基礎材料を覆う導電性のコーティングで形成された弾性変形可能な導電性の接触子を設け、そこでは前記基礎材料が第１仕事関数を持ち、前記コーティングが第２仕事関数を持つ、
（ｂ）前記導電性の接触子と前記半導体ウエハの上面を覆う誘電体層との第１電気接触を形成し、
（ｃ）前記半導体ウエハとの第２電気接触を形成し、
（ｄ）前記第１電気接触と前記第２電気接触との間に電気刺激を加え、
（ｅ）この電気刺激に対する前記誘電体層および前記半導体ウエハの組合せの反応を測定し、
（ｆ）この反応から前記誘電体層または前記半導体ウエハまたは両者の少なくとも１つの電気的特性を決定する、
を備える、方法。
請求項１３の方法において、前記導電性の接触子はプローブの先端である、方法。
請求項１３の方法において、
前記コーティングは、前記導電性の接触子が前記第２仕事関数と等しい全体的な仕事関数を持つ程度の厚さである、方法。
請求項１３の方法において、
前記コーティングは、前記導電性の接触子が前記第１仕事関数と前記第２仕事関数との中間の全面的な仕事関数を持つ程度の厚さである、方法。
請求項１４の方法において、
前記コーティングの厚さは５デバイ長を超えない厚さである、方法。
請求項１３の方法において、前記基礎材料はタンタルで構成される、方法。
請求項１３の方法において、前記コーティングはイリジウムで構成される、方法。
請求項１３の方法において、
前記コーティングは前記基礎材料を覆う第１材料の層と、この第１材料を覆う第２材料の層と、を含み、
前記第２仕事関数は前記第１および前記第２材料の仕事関数に関連する、方法。
請求項２０の方法において、
前記第２仕事関数は、前記第１材料の仕事関数と前記第２材料の仕事関数との中間である、方法。
請求項２０の方法において、
前記基礎材料と、前記第１材料と、前記第２材料とは異なる金属である、方法。
請求項２０の方法において、前記基礎材料はタンタルで構成される、方法。
請求項２０の方法において、
前記第１材料はイリジウムで構成され、
前記第２材料はルテニウム（Ｒｕ）とタンタル（Ｔａ）との少なくとも１つで構成される、方法。