JP2006054375A

JP2006054375A - 半導体ウェーハの評価装置

Info

Publication number: JP2006054375A
Application number: JP2004236078A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Otsuki; 剛大槻; Hideki Sato; 英樹佐藤
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2006-02-23
Also published as: US20070273397A1; WO2006016448A1; US7525327B2

Abstract

【課題】半導体ウェーハの電気特性を評価する際に、半導体ウェーハの主表面にパーティクル等のコンタミネーションを付着させず、半導体ウェーハの電気特性等を正確に評価することが可能であり、さらに評価効率も高い評価装置を提供する。
【解決手段】半導体ウェーハの電気特性を評価するための評価装置であって、少なくとも、評価対象の半導体ウェーハを収納するウェーハカセットを載置するウェーハカセット部と、電気特性評価のために前記半導体ウェーハの前処理をするウェーハ前処理部と、水銀プローブを用いて前記半導体ウェーハの電気特性を評価する水銀プローブ部と、前記半導体ウェーハを前記各部へ搬送する自動搬送部とを具備するものであることを特徴とする半導体ウェーハの評価装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハの電気特性を評価するための評価装置に関するものであり、特に、水銀プローブを用いた評価装置に関するものである。

近年、電子デバイスのさらなる微細化、高性能化のため、より高品質な半導体ウェーハ、例えばシリコン単結晶ウェーハやエピタキシャルウェーハ、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハが求められている。ＳＯＩウェーハとは、支持ウェーハと、その上に形成された埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層）と、その上に形成されたＳＯＩ層（シリコン活性層ともいう）からなるＳＯＩ構造を有するウェーハである。これらのウェーハの表面側には電子デバイスが形成されるため、シリコン単結晶ウェーハやエピタキシャルウェーハの表層やＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の品質の評価が積極的に行われている。この品質評価の一手法として、シリコン単結晶ウェーハやエピタキシャルウェーハの表層やＳＯＩ層の表面にＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を形成し、その電極部分に電圧を印加してシリコン単結晶ウェーハやエピタキシャルウェーハの表層やＳＯＩ層の品質を評価するということが行われている。

このようなシリコン単結晶ウェーハやエピタキシャルウェーハの表層にＭＯＳ構造を形成するには、これらのウェーハの主表面にシリコン酸化膜を形成し、さらにその上にポリシリコン層を成長させる。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて、このポリシリコン層を所望の大きさのポリシリコン電極に形成すればよい。一方、ＳＯＩウェーハの場合も同様に酸化膜とポリシリコンを形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、ポリシリコン電極を形成するが、表面からアースを取る為の加工が必要となる。

しかしながら、上記のようにＭＯＳ構造を半導体ウェーハ上に形成するには、特にＳＯＩウェーハの場合は主表面側にゲート電極とアースを形成しなければいけないので、フォトリソグラフィ工程のような大掛かりな装置と多数の工程を必要とし、コスト面での大きな負担や迅速性に欠ける等の不具合がある。

そこで、従来のような多数の工程によってＭＯＳ構造を半導体ウェーハ上に形成せずとも、水銀プローブを用いてもっと簡便にこれらのウェーハを評価する評価方法が開発されている。その一つとして、ＳＯＩウェーハを評価対象としたＰｓｅｕｄｏＭＯＳＦＥＴ法が提案されている（例えば特許文献１、２及び非特許文献１、２参照）。

以下、このＰｓｅｕｄｏＭＯＳＦＥＴ法についてＳＯＩウェーハを評価対象ウェーハとして説明する。

まず、図１１に示すように、擬似的なＭＯＳ構造を形成するＳＯＩウェーハ８のＳＯＩ層１側に評価用電極として、直接ニードルブローブ、または、水銀プローブを接触させ、これらをドレイン電極６およびソース電極７とする。そして、ＳＯＩウェーハ８の裏面、すなわち、支持ウェーハ３の裏面を、電極としても用いられるステージに真空吸着するか、ウェーハ裏面にニードルを接触させることによりゲート電極４を形成し、ゲート電圧印加端子５等を通じてこれらの電極間に電圧を印加することで様々な電気特性を得ることができる。このとき、評価を行う前にフッ酸を含む水溶液でＳＯＩウェーハ８を洗浄すれば、ＳＯＩ層１の表面に形成された自然酸化膜を除去できるので、その自然酸化膜の影響を排除してより正確な電気特性を得ることが可能となる。

この評価方法において、水銀プローブを用いれば、ＳＯＩ層１の表面にニードルプローブを接触させたときにプローブ接触穴が形成されることがないので、繰り返し測定や最初に測定した測定点近傍の測定を簡便に行うことができ好適である。

そして、Ｐ型ＳＯＩウェーハの場合、ゲート電圧を正側に印加して測定することにより、ＳＯＩ層１の電子移動度およびＳＯＩ層１とＢＯＸ層２の界面の界面準位密度が得られる。一方、ゲート電圧を負側に印加して測定することにより、ＳＯＩ層１の正孔移動度やＢＯＸ層２の電荷密度が得られる。ゲート電圧を負側に印加して測定する場合、正確な測定を行なうために、フッ酸を含む水溶液でＳＯＩウェーハ８を洗浄してＳＯＩ層表面の自然酸化膜を除去した後、１０時間以上経過し、ＳＯＩ層表面の電気的状態が安定してから測定を行う必要がある。

また、水銀プローブの水銀電極は評価中にＳＯＩ層上のパーティクルや金属不純物、有機不純物等のコンタミネーションを吸着するので、電極を構成する水銀が徐々に不純物を含んで汚れてくることがある。このように水銀電極が汚染されると正確な電気特性評価ができないので、水銀電極は所定の使用回数や所定の汚れ頻度に達すると、水銀のクリーニングを行う必要がある。

特開２００１−６０６７６号公報特開２００１−２６７３８４号公報 S. Cristoleveanu et al., " A Review of the Pseudo-MOS Transistor in SOI Wafers: Operation, Parameter Extraction, and Applications" IEEE Trans. Electron Dev., 47 1018 (2000). H.J.Hovel, "Si film electrical characterization in SOI substrates by HgFET technique" Solid-State Electronics, 47, 1311 (2003).

本発明は、半導体ウェーハの電気特性を評価する際に、半導体ウェーハの主表面にパーティクル等のコンタミネーションを付着させず、半導体ウェーハの電気特性等を正確に評価することが可能であり、さらに評価効率も高い評価装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体ウェーハの電気特性を評価するための評価装置であって、少なくとも、評価対象の半導体ウェーハを収納するウェーハカセットを載置するウェーハカセット部と、電気特性評価のために前記半導体ウェーハの前処理をするウェーハ前処理部と、水銀プローブを用いて前記半導体ウェーハの電気特性を評価する水銀プローブ部と、前記半導体ウェーハを前記各部へ搬送する自動搬送部とを具備するものであることを特徴とする半導体ウェーハの評価装置を提供する（請求項１）。

このような評価装置であれば、ウェーハカセットに保管されて待機している評価対象の半導体ウェーハを、自動搬送部によりウェーハ前処理部に搬送して前処理し、前処理後に前記自動搬送部により水銀プローブ部に搬送して電気特性を評価できる。従来の評価装置では前処理を行なう際には評価装置の外部の別の場所にある別の処理装置を用いていたが、本発明の評価装置はウェーハ前処理部を具備し、半導体ウェーハの前処理から半導体ウェーハ表面の電気特性評価までの工程を１台の評価装置内で自動で行うことができるので、装置外における半導体ウェーハの搬送がなく、ウェーハの主表面にパーティクルや金属不純物をはじめとするコンタミネーションが付着するのを防ぐことができ、より正確な電気特性を評価することができる。また、ウェーハの外部処理装置への移載等に伴う煩雑な作業が不必要となるのでウェーハ１枚あたりの評価時間が短縮でき、評価効率が向上する。

この場合、前記ウェーハ前処理部は、前処理として前記半導体ウェーハの表面の自然酸化膜の除去を行うものであることが好ましい（請求項２）。
このように、ウェーハ前処理部が前処理として半導体ウェーハの表面の自然酸化膜の除去を行うものあれば、自然酸化膜の除去により正確な電気特性の評価ができる。

また、前記ウェーハ前処理部は、前処理として前記半導体ウェーハの表面にシリコン酸化膜の形成又は電荷の載上を行うものであることが好ましい（請求項３）。
上述したように、水銀プローブを半導体ウェーハに接触させ、電気特性を評価する場合において、特に、ゲート電圧を負側に印加してＳＯＩ層の正孔移動度、埋め込み酸化膜の電荷密度を測定する際には、フッ酸を含む水溶液で半導体ウェーハ主表面の自然酸化膜を除去した後、１０時間以上経過しなければ、該ウェーハ主表面の電気的状態が安定せず、正確な評価を行うことができなかった。しかしこのように、ウェーハ前処理部が前処理として半導体ウェーハの表面にシリコン酸化膜の形成又は電荷の載上を行うものであれば、半導体ウェーハの主表面に電荷を載上させるか、極薄のシリコン酸化膜を形成して該主表面の電気的状態を速やかに安定させることができるので、特に、正孔移動度や埋め込み酸化膜の電荷密度の測定を正確、かつ、速やかに行うことができる。

また、前記水銀プローブ部は、該水銀プローブの水銀電極をクリーニングするための水銀電極クリーニング手段を備えるものであることが好ましい（請求項４）。
このように、水銀プローブ部が水銀プローブの水銀電極をクリーニングするための水銀電極クリーニング手段を備えれば、従来、水銀のクリーニングを業者に引き取ってもらい行なっていたのに対して、クリーニングのための水銀プローブの評価装置からの取り外し、再取り付け、取り付け後の評価装置の調整等を行なわずに水銀電極のクリーニングができるので、クリーニング時間を短縮でき、装置の稼動効率を向上させることができる。

また、前記ウェーハ前処理部は、フッ酸処理装置を備えるものであることが好ましい（請求項５）。
このように、ウェーハ前処理部がフッ酸処理装置を備えるものであれば、フッ酸によりウェーハ表面の自然酸化膜を好適に除去でき、正確な電気特性の評価ができる。

また、前記ウェーハ前処理部は、コロナチャージ装置、ウェーハ加熱装置、紫外線照射装置、ウェーハ洗浄装置の内、少なくとも１つを備えるものであることが好ましい（請求項６）。
このように、ウェーハ前処理部がコロナチャージ装置を備えるものであれば、ウェーハの主表面に正又は負のコロナイオンを載上させることができるし、ウェーハ加熱装置、紫外線照射装置、ウェーハ洗浄装置のいずれか１つを備えるものであれば、ウェーハの主表面に極薄のシリコン酸化膜を形成できるので、主表面の電荷状態等の電気的状態を速やかに安定させることができ、特に、正孔移動度や埋め込み酸化膜の電荷密度の測定を正確、かつ、速やかに行うことができるので、評価効率が向上する。

また、前記フッ酸処理装置は、フッ酸によるフッ酸処理と、純水又は加熱した純水による洗浄処理と、その後の乾燥処理とを行えるものであることが好ましい（請求項７）。
このように、フッ酸処理装置がフッ酸処理と、洗浄処理と、その後の乾燥処理とを行えるものであれば、フッ酸により自然酸化膜を除去し、純水等で洗浄し、その後乾燥処理するという一連の自然酸化膜除去の工程を迅速に、また煩雑なウェーハの搬送もなく行なうことができる。

また、前記ウェーハ洗浄装置は、オゾン水処理槽、アンモニアと過酸化水素水とを含む水溶液処理槽、過酸化水素水槽、塩酸と過酸化水素水とを含む水溶液処理槽、硫酸と過酸化水素水とを含む水溶液処理槽、酸化性水溶液を含む酸化性水溶液処理槽の内、少なくとも１つの槽を備えるものであることが好ましい（請求項８）。
ウェーハ洗浄装置がこのような水溶液処理槽を少なくとも１つ備えれば、これらの水溶液を用いた洗浄により半導体ウェーハの主表面に極薄で均一なシリコン酸化膜を形成することができるので、該ウェーハ主表面の電気的状態を速やかに安定させることができ、特に、正孔移動度や埋め込み酸化膜の電荷密度の測定を正確、かつ、速やかに行うことができるので、評価効率が向上する。

また、前記酸化性水溶液は、電解アノード水であることが好ましい（請求項９）。
このように、酸化性水溶液が電解アノード水であれば、電解アノード水にはＯＨ⁻イオンのような半導体ウェーハ表面へ速やかにシリコン酸化膜を形成できる成分が含まれているので、該ウェーハの主表面に極薄で均一なシリコン酸化膜をより速やかに形成することができる。

本発明の評価装置によれば、半導体ウェーハの主表面にパーティクル等のコンタミネーションを付着させずに、それらのウェーハの電気特性等を正確に評価することができ、さらに評価効率を向上させることができる。また、水銀プローブのクリーニングに伴う煩雑な作業を省略することができ、評価装置の稼動効率を高めることができる。

以下では、本発明の実施の形態について、添付した図面に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は本発明の評価装置の上面から見た概略を示す上面概略図である。この評価装置１０は、評価対象の半導体ウェーハを収納するウェーハカセット１４ａを載置するウェーハカセット載置部１４と、電気特性評価のために半導体ウェーハの前処理をするウェーハ前処理部１８と、水銀プローブを用いて半導体ウェーハの電気特性を評価する水銀プローブ部１９と、ウェーハハンドリング装置１２ａにより半導体ウェーハを前記各部へ搬送するウェーハ自動搬送部１２とを具備する。

ウェーハ前処理部１８は、前処理として半導体ウェーハの表面の自然酸化膜の除去を行なうものが好ましく、例えばフッ酸処理装置１７を備えるものとできる。また、前処理として半導体ウェーハの表面に極薄のシリコン酸化膜の形成又は電荷の載上を行なうものが好ましく、例えばシリコン酸化膜形成装置１３及び／又は電荷状態安定処理装置１５を備えることが好ましい。また、水銀プローブ部１９は、水銀プローブを備えた水銀プローブ評価装置１１の他に、水銀プローブの水銀電極をクリーニングするための水銀電極クリーニング装置１６を備えることが好ましい。

本評価装置によれば、前処理、電気特性評価、水銀電極クリーニングを行なう装置が評価装置内に一体化されているので、コンタミネーションの付着の防止や測定効率、装置稼動効率を向上させることができる。
以下、評価装置１０の各部の具体的構成を、これを用いた電気特性の評価方法とともに説明する。

評価装置１０には天板（図示せず）が備えられており、そこにパーティクルを除去するＨｅｐａフィルター等のクリーンフィルターが設けられているので、装置内がパーティクルで汚染されるのを防止することができる。また、フィルターからのボロン汚染等を防止するために、ケミカルフィルターをさらに設置してもよい。評価対象のウェーハとしては、ＳＯＩウェーハでもよいし、シリコン単結晶ウェーハやエピタキシャルウェーハの主表面にシリコン酸化膜とポリシリコン層を形成したウェーハ（以下双方を合せてウェーハという）であってもよい。まず、複数枚のウェーハをウェーハカセット１４ａに収納し、これをウェーハカセット載置部１４に載置する。

ウェーハカセット１４ａがウェーハカセット載置部１４に載置されたら、ウェーハハンドリング装置１２ａがカセット１４ａから１枚のウェーハを抜き取り、フッ酸処理装置１７に搬送する。このウェーハ自動搬送部１２においては、ウェーハハンドリング装置１２ａがウェーハを吸着やエッジハンドリング等の手段により保持して搬送する。このウェーハハンドリング装置１２ａは、ウェーハに接触する部分が樹脂製であるか、表面を樹脂でコーティングした金属製であることが好ましい。このようなウェーハハンドリング装置１２ａであれば、フッ酸処理装置１７のフッ酸を含む水溶液から揮発するフッ酸に曝露されても、腐食の問題を起こさないので好適に使用できる。なお、樹脂は、フッ素樹脂等耐薬品性を持つ材料が好ましい。

次に、フッ酸処理装置１７によりウェーハ主表面の自然酸化膜を除去する。このフッ酸処理装置１７は、フッ酸処理と、純水又は加熱した純水による洗浄処理と、その後の乾燥処理とを行なえるものが好ましい。そのような装置として、図２に示すフッ酸処理装置７１のように、ウェーハを吸着する真空チャック７２と、ウェーハの主表面にフッ酸を含む水溶液を滴下する滴下装置７３と、ウェーハの主表面に純水を噴射するためのノズル７４とを備えるものを用いることができる。この装置によりウェーハを１枚ずつ処理する場合、例えば以下のようにして処理が行なわれる。まず、フッ酸処理装置７１に搬送されたウェーハ２１は、フッ酸処理装置７１の内部に備えられた真空チャック７２により吸着される。次に、滴下装置７３により例えば１重量％のフッ酸を含む水溶液がウェーハ２１の主表面上に滴下される。このとき、水溶液はその表面張力によりウェーハ２１の主表面全面が水溶液と接触する量だけ滴下される。所定量の水溶液が滴下されたら、ウェーハ２１はその主表面の自然酸化膜が除去される時間以上そのままの状態で保持される。その後、真空チャックに接続されたモーター（図示せず）で真空チャックを回転させる。ウェーハ２１も真空チャックの回転によって回転し、ウェーハ２１の主表面上のフッ酸を含む水溶液が除去される。次にウェーハ２１は回転させたまま、ノズル７４により純水をウェーハ２１の主表面に噴射し、洗浄する。この際、純水加熱装置を評価装置１０内に内蔵することにより所望の温度に加熱した温純水を使用し、洗浄効果を高めることもできる。最後に、ウェーハ２１は回転させたまま、純水の供給を停止することにより乾燥を行う。このように、フッ酸処理、純水による洗浄、その後の乾燥を行なえば、迅速な自然酸化膜の除去が可能となる。

フッ酸処理装置１７の別の例としては、図３に示すフッ酸処理装置８１のように、フッ酸を含む水溶液槽８２、純水洗浄槽８３、乾燥処理槽８４という３つの処理槽を組み込んだ装置を用いて、この処理槽にウェーハを浸漬等することによりウェーハをフッ酸処理することもできる。すなわち、ウェーハ自動搬送部１２でウェーハ２１をフッ酸処理装置８１まで搬送し、ウェーハ２１のエッジをハンドリングするエッジハンドラー（図示せず）でウェーハ２１を保持したままで、このエッジハンドラーごとウェーハ２１をフッ酸を含む水溶液槽８２のフッ酸を含む水溶液８５に浸漬する。自然酸化膜が除去できる時間以上ウェーハ２１を浸漬したら、ハンドラーごとウェーハ２１を引上げ、続いて純水洗浄槽８３の純水８６に浸漬する。洗浄が終了したら、同様にウェーハは乾燥処理槽８４に投入され、これに備えられたドライヤー８７によりウェーハ２１の表面に吹き付けられるクリーンドライエアーで乾燥される。このような枚葉式の処理槽は、装置内の大きなスペースを占有することもないので、装置内に好適に設置することができる。

フッ酸処理装置１７による処理、すなわち、ウェーハ表面の自然酸化膜の除去が終了したら、ウェーハは再度ウェーハ自動搬送部１２により搬送され、ウェーハ前処理部１８に備えられた、評価対象となるウェーハの主表面の電荷状態を安定させる電荷状態安定処理装置１５上に載置される。電荷状態安定処理装置１５としては、例えばコロナチャージ装置を用いることができる。

図４はコロナチャージ装置の構成の一例を示す概略図である。このコロナチャージ装置２０は、ウェーハ２１を吸着する真空チャック２２と、チャンバー２３と、電荷発生電極２４と、ガス供給口２５と、ガス排気口２６を備えている。ウェーハ２１がウェーハ自動搬送部１２により搬送されてきたら、チャンバー２３の天板２３ａを開いて真空チャック２２を上昇させる。そして、ウェーハ２１が真空チャック２２上に載置され、チャックされたら、真空チャック２２を下降させる。次に天板２３ａを閉じ、電荷発生電極２４に正又は負の高電圧を印加する。これにより発生した正又は負のコロナイオンがウェーハ２１の主表面上に載上され、該主表面の電荷状態は安定する。この時の電荷量は、電荷状態を速やかに安定させるために、５００ｎＣ／ｃｍ^２〜５００００ｎＣ／ｃｍ^２とすることが好ましい。

このとき、正のコロナイオンは、Ｈ＋イオンの周囲を空気中の水分子が取り囲んだ（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋の状態になっていることが多い。そのため、正のコロナイオンはチャンバー２３を用いなくてもウェーハ２１の主表面に載上させることができる。一方、負のコロナイオンは空気中で発生させることが難しいが、ガス供給口２５から炭酸ガスを導入してチャンバー２３内に満たし、負の高電圧を印加して炭酸ガスイオンＣＯ_２ ⁻を発生させることにより、負のコロナイオンをウェーハ２１の主表面に載上させることができる。したがって、この場合はチャンバー２３を用いる方が好ましい。
こうして、ウェーハ２１の主表面に電荷を載上できたら、ウェーハ２１はチャンバー２３から取り出される。

ウェーハ２１の主表面の電荷状態を安定させるには、上記のコロナチャージ装置２０のような電荷状態安定処理装置１５を用いてウェーハ２１の主表面に電荷を載上させるか、例えば５ｎｍ以下の極薄で均一な厚さのシリコン酸化膜をウェーハ２１の主表面に形成させればよい。シリコン酸化膜をウェーハ２１の主表面に形成するには、電荷状態安定処理装置１５の代わりにシリコン酸化膜形成装置１３を評価装置１０に設置すればよい。または、電荷状態安定処理装置１５はそのまま設置しておき、シリコン酸化膜形成装置１３を評価装置１０に追加して設置してもよい。このようなシリコン酸化膜形成装置１３として、ウェーハ加熱装置、紫外線照射装置、ウェーハ洗浄・乾燥処理装置のうち、少なくとも一つを用いることができる。

ウェーハ加熱装置としては例えば図５のような構成の装置を用いればよい。図５のウェーハ加熱装置４１は、表面処理を施した平坦な金属プレート４２の下にヒータ４３が取り付けられた構成を有している。そして、例えばウェーハ２１を金属プレート４２に載置し、ヒータ４３でウェーハ２１を所望の温度に加熱することによって、ウェーハ２１の主表面上に極薄で均一な厚さのシリコン酸化膜を形成することができる。なお、ウェーハ加熱装置４１の周囲の雰囲気は空気であってもよいが、酸素・窒素混合雰囲気ガスであれば好適にシリコン酸化膜を形成することができる。熱処理温度は、５０℃〜３５０℃程度であれば、極薄で均一な厚さのシリコン酸化膜を好適に形成できる。

また、紫外線照射装置としては例えば図６のような構成の装置を用いればよい。図６の紫外線照射装置５１は、装置内部下方にステージ５２が設置され、上方には例えば水銀ランプのような紫外線発生ランプ５３が設置され、また装置内部にガスを供給するための雰囲気ガス供給管５４が備えられている。ウェーハ２１はステージ５２上に載置され、ウェーハ２１の主表面に紫外線発生ランプ５３により紫外線を照射して、極薄で均一な厚さのシリコン酸化膜を形成する。紫外線によるシリコン酸化膜の形成は、紫外線が雰囲気中の酸素分子と反応して酸素ラジカルが生成され、この酸素ラジカルが酸素分子と反応してオゾンが生成され、このオゾンが紫外線と反応して分解され酸素励起原子が生成し、この酸素励起原子とウェーハ表面のシリコンが反応してシリコン酸化膜が形成されるという過程で行なわれる。紫外線の波長は、水銀ランプを用いる場合は１８４．９ｎｍや２５３．７ｎｍであるが、上記形成過程によりウェーハ主表面上にシリコン酸化膜を形成できる波長であればどのようなものでもよい。また、紫外線を発生するランプも水銀ランプに限定されず、上記形成過程を起こすことができる紫外線を発生できるものであればどのようなものであってもよい。

このとき、紫外線処理でシリコン酸化膜を形成するためには、装置内の雰囲気が酸素を含有するものである必要がある。この酸素含有雰囲気は、シリコン酸化膜をウェーハ主表面上に形成させる程度の酸素を含んでいればよいが、空気を酸素含有雰囲気として使用するのであれば、雰囲気ガス供給管５４から雰囲気ガスを供給する必要はない。一方、例えばシリコン酸化膜の速やかな形成のために空気よりも酸素分圧が高い雰囲気とするのであれば、雰囲気ガス供給管５４から雰囲気ガスを供給してやればよい。特に、酸素１００％の雰囲気ガスを供給すれば、極薄で均一な厚さのシリコン酸化膜を非常に速やかに形成できるので好適である。

さらに、ウェーハ洗浄装置を用いる場合には、例えば図７に示すような、フッ酸処理槽１７と同様に３つの処理槽を持つウェーハ洗浄装置９１を設置すればよい。ウェーハ洗浄装置９１は、シリコン酸化膜を形成するための処理槽である薬液槽９２と、純水洗浄槽９３と、乾燥処理槽９４とからなっており、薬液槽９２には、ウェーハの主表面に膜厚が均一な極薄のシリコン酸化膜を形成できる成分を有する水溶液を薬液９５として入れる。このような水溶液としては、オゾン水、アンモニアと過酸化水素水を含む水溶液、過酸化水素水、塩酸と過酸化水素水を含む水溶液、硫酸と過酸化水素水を含む水溶液、酸化性水溶液の少なくともいずれか一つを選択すればよい。これらの水溶液を用いてウェーハを処理すれば、その主表面に極薄で均一な厚さの酸化膜を形成することができる。また、酸化性水溶液としては高い酸化還元電位を持つ高酸化性水溶液（例えば酸化還元電位が＋３００〜＋１２００ｍＶのもの）を用いるのが好ましく、例えば電解アノード水（ｐＨ２〜６程度のもの）を用いることができる。なお、ウェーハの主表面に膜厚が均一な極薄膜のシリコン酸化膜を形成できる条件であれば、薬液の成分比や薬液温度は特に限定されない。また、フッ酸処理装置１７と同じく排気口を設けると、水銀プローブ評価装置１１やウェーハ自動搬送部１２が揮発した薬品成分に曝露されるおそれがないため、好適である。

このようなウェーハ洗浄装置９１を使用するにあたっては、ウェーハ自動搬送部１２でウェーハ２１を薬液槽９２まで搬送し、ウェーハ２１のエッジをハンドリングするエッジハンドラー（図示せず）でウェーハ２１を保持したままで、このエッジハンドラーごとウェーハ２１を薬液槽９２の薬液９５に浸漬する。シリコン酸化膜を形成できる時間ウェーハ２１を浸漬したら、ハンドラーごとウェーハ２１を引上げ、続いて純水洗浄槽９３の純水９６に浸漬する。洗浄が終了したら、同様にウェーハ２１は乾燥処理槽９４に投入され、これに備えられたドライヤー９７によりウェーハ２１の表面にクリーンドライエアーが吹き付けられて乾燥される。このような枚葉式の処理槽は、装置内の大きなスペースを占有することもないので、装置内に好適に設置することができる。

上記のように主表面に電荷が載上され、または均一な厚さの極薄シリコン酸化膜が形成されたウェーハ２１は、主表面の自然酸化膜の除去後１０時間以上経過しなくても表面の電荷状態が安定したものとなり、正確な電気特性の評価に適するものとなる。次にこのウェーハ２１の電気特性を、水銀プローブ部１９の水銀プローブ評価装置１１により評価する。水銀プローブ評価装置１１としては、例えば図８に示すような構成を有するものを用いることができる。この水銀プローブ評価装置１１は、ウェーハを載置するためのステージ（図示せず）と、電極を兼ねた真空チャック３２と、水銀プローブ３３を備えている。評価の際には、まずウェーハ自動搬送部１２により搬送されてきたウェーハ２１を、ステージに裏面を上にして載置する。ステージは装置１１内に収納され、電極を兼ねた真空チャック３２でウェーハ２１の裏面を吸着する。ウェーハ２１が吸着され、ステージがウェーハ２１の主表面から離れたら、水銀プローブ３３をウェーハ２１の主表面に近づけ、水銀プローブ３３の先端の水銀電極をウェーハ２１の主表面に接触させる。水銀プローブ３３を端面方向から見た場合に、水銀電極は図９に示すような形状をしており、例えば電極３４がドレイン電極、電極３５がソース電極となる。なお、電極３４と３５はどちらがドレイン電極になっても差し支えない。このようにして、図１１に示すようなＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳ構造が形成され、電気測定の評価が行なわれる。

このＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳ構造を形成した状態で一定のドレイン電圧を印加し、その状態でゲート電圧を変化させることで、ドレイン電流の変化をモニタリングし、ゲート電圧Ｖ_Ｇとドレイン電流Ｉ_Ｄの関係、すなわちＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する。
以上のように本発明の評価装置１０によれば、フッ酸を含む水溶液で自然酸化膜を除去した後、１０〜１２時間もの間ウェーハを保管しておかなくても、速やかにウェーハの電気特性を評価することができるので、評価効率が向上する。しかも、これらを１つの装置内で実施できるという顕著な利点を有する。

上記のような手順で、水銀プローブを用いてウェーハ２１の電気特性を評価できるが、連続してウェーハの評価を行うと、水銀プローブの水銀電極はウェーハ主表面上に微量に存在するパーティクルや金属不純物、有機不純物等を吸着するので、電極を構成する水銀が徐々に不純物を含んで汚れてくる。そのため、水銀電極は所定の使用回数や所定の汚れ頻度に達すると、水銀のクリーニングを行う必要がある。本発明の評価装置１０では、水銀プローブ部１９に備えられた水銀電極クリーニング装置１６によってクリーニングを行なうことができる。

図１０は水銀電極クリーニング装置の構成の一例を示す概略図である。この水銀電極クリーニング装置１６は、水銀プローブ挿入口６２、６４と、水銀タンク６１、６３とから構成されており、水銀タンク６１と６３には水銀６５が満たされている。また、水銀タンク６１と６３とを仕切るタンク壁には、両タンクの水銀が流通可能な貫通孔６６が底部付近に設けられている。

このような水銀電極クリーニング装置１６を用いて水銀プローブの水銀電極をクリーニングする方法を説明する。まず、前述したような水銀プローブ３３が水銀プローブ挿入口６２に挿入される。そして、水銀を水銀電極部に保持するため減圧状態にしていた水銀プローブを大気圧より高い圧力状態にすることで、水銀電極部に保持されていた水銀を水銀タンク６１内に排出する。排出された水銀に吸着したパーティクルや金属不純物、有機不純物等のコンタミネーションは水銀より比重が低いため、水銀タンク６１内の底部に沈まず水銀６５の液面に集まる。水銀タンク６１、６５はタンク壁により仕切られており、底部の貫通孔６６によりつながっているだけなので、コンタミネーションは水銀タンク６１にとどまり水銀タンク６３側に流通しない。従って水銀タンク６３側の水銀６５がコンタミネーションにより汚染されることはない。

水銀の排出が終了したら、水銀プローブ３３を水銀プローブ挿入口６２から引き抜き、水銀プローブ挿入口６４に挿入する。そして、水銀プローブ３３の先端を水銀６５に漬け、水銀プローブ３３を減圧状態にする。これにより、水銀プローブ３３の水銀電極部に汚染されていない水銀が再充填される。このようにすることで、水銀プローブに使用されている水銀の清浄化が容易に実現でき、電気特性評価の精度を高く保つことができる。そして、この水銀電極クリーニング装置は評価装置内の水銀プローブ部に備えられているので、クリーニング時間を短縮でき、評価装置の稼動効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施例と比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明がこれに限定されないことは言うまでもない。
（実施例）
測定対象ウェーハとしては、支持ウェーハ、ＳＯＩ層となるウェーハとも導電型Ｐ型、直径２００ｍｍ、結晶方位＜１００＞であるシリコンウェーハを貼り合わせて作製したＳＯＩウェーハを用いた。なお、このウェーハをＰ型にするためのドーパントとしてボロンを用いた。また、ＳＯＩ層とＢＯＸ層の厚さは、それぞれ１００ｎｍ、１４５ｎｍ程度であった。

このＳＯＩウェーハの電気特性を図１に示すような本発明の評価装置で測定した。まず、このＳＯＩウェーハをウェーハカセットに収納し、ウェーハ自動搬送部で搬送してフッ酸処理装置のフッ酸を含む水溶液槽に投入し、１重量％のフッ酸を含む水溶液で１分間洗浄後、純水にてリンスを行い、その後、乾燥空気にて水分を除去して乾燥させた。次に、このＳＯＩウェーハをウェーハ自動搬送部により搬送し、コロナチャージ装置（ＳＥＭＩＬＡＢ社製ＫＧ１０１）によりＳＯＩ層上へ３０００ｎＣ／ｃｍ^２の正電荷の載上を行った。その後、ＳＯＩウェーハをウェーハ自動搬送部により搬送し、水銀プローブ評価装置（ＦｏｕｒＤＩＭＥＮＳＩＯＮＳ社製ＣＶｍａｐ９２）に載置して、正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行った。この測定値と非特許文献１、２に記載された式とから正孔移動度およびＢＯＸ層の酸化膜電荷密度を求めたところ、その値はそれぞれ３００ｃｍ^２／Ｖｓ及び１０×１０^１０／ｃｍ^２であった。本発明の装置を用いたこの測定は、前処理から測定終了まで２時間３０分程度で完了した。また、測定終了後のＳＯＩウェーハの主表面をパーティクルカウンター（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製パーティクルカウンターＳＰ１）で測定したところ、０．１μｍ以上の輝点不良が１１個観察された。

（比較例）
実施例と同じＳＯＩウェーハを従来の複数の処理装置や評価装置を用いた方法で測定した。まず、ＳＯＩウェーハをウェーハカセットに入れて、フッ酸処理のために設けられたフッ酸処理室の内部に設置されているフッ酸処理装置にセットした。実施例と同じ条件でのフッ酸処理終了後、評価装置の外側に独立して設置されている実施例と同じコロナチャージ装置にＳＯＩウェーハをピンセットで取り出してステージ上に載置し、ＳＯＩウェーハ主表面に実施例と同じ量の正電荷を載上させた。その後、やはり評価装置の外側に独立して設置されている実施例と同じ水銀プローブ評価装置に載置して正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行った。この測定値と非特許文献１、２に記載された式とから正孔移動度およびＢＯＸ層の酸化膜電荷密度を求めたところ、その値はそれぞれ３００ｃｍ^２／Ｖｓ及び１０×１０^１０／ｃｍ^２であった。従来の評価装置を用いたこの測定は、実施例より長い３時間程度掛かって完了した。また、測定終了後のＳＯＩウェーハの主表面をパーティクルカウンターで測定したところ、０．１μｍ以上の輝点不良が８１個観察された。

このように、本発明の評価装置を用いれば、ウェーハの前処理を含めたウェーハ１枚あたりの評価時間を短縮できる。また、ウェーハを評価工程中に評価装置外へ搬出することがないので、ウェーハの主表面がパーティクル等で汚染されることを防止することができ、評価結果にその影響が及ぶことを好適に防止することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明はシリコン単結晶ウェーハ、エピタキシャルウェーハ、ＳＯＩウェーハ等の電気特性を評価する評価装置として使用することができる。

本発明の評価装置の上面から見た概略を示す上面概略図である。フッ酸処理装置の構成の一例を示す概略図である。フッ酸処理装置の構成の別の一例を示す概略図である。コロナチャージ装置の構成の一例を示す概略図である。ウェーハ加熱装置の構成の一例を示した概略図である。紫外線照射装置の構成の一例を示した概略図である。ウェーハ洗浄装置の構成の一例を示す概略図である。水銀プローブ評価装置の構成を示した概略図である。水銀電極の形状を示した図である。水銀電極クリーニング装置の構成の一例を示す概略図である。ＰｓｅｕｄｏＭＯＳＦＥＴ法を説明する説明図である。

符号の説明

１…ＳＯＩ層、２…ＢＯＸ層、３…支持ウェーハ、４…ゲート電極、
５…ゲート電圧印加端子、６…ドレイン電極、７…ソース電極、
８…ＳＯＩウェーハ、１０…評価装置、１１…水銀プローブ評価装置、
１２…ウェーハ自動搬送部、１２ａ…ウェーハハンドリング装置、
１３…シリコン酸化膜形成装置、１４…ウェーハカセット載置部、
１４ａ…ウェーハカセット、１５…電荷状態安定処理装置、
１６…水銀電極クリーニング装置、１７、７１、８１…フッ酸処理装置、
１８…ウェーハ前処理部、１９…水銀プローブ部、
２０…コロナチャージ装置、２１…ウェーハ、２２、３２、７２…真空チャック、
２３…チャンバー、２３ａ…チャンバー天板、２４…電荷発生電極、
２５…ガス供給口、２６…ガス排気口、３３…水銀プローブ、
３４、３５…電極、４１…ウェーハ加熱装置、４２…金属プレート、
４３…ヒータ、５１…紫外線照射装置、５２…ステージ、
５３…紫外線発生ランプ、５４…雰囲気ガス供給管、６１、６３…水銀タンク、
６２、６４…水銀プローブ挿入口、６５…水銀、６６…貫通孔、
７３…滴下装置、７４…ノズル、８２…フッ酸を含む水溶液槽、
８３、９３…純水洗浄槽、８４、９４…乾燥処理槽、８５…フッ酸を含む水溶液、
８６、９６…純水、８７、９７…ドライヤー、９１…ウェーハ洗浄装置、
９２…薬液槽、９５…薬液。

Claims

半導体ウェーハの電気特性を評価するための評価装置であって、少なくとも、評価対象の半導体ウェーハを収納するウェーハカセットを載置するウェーハカセット部と、電気特性評価のために前記半導体ウェーハの前処理をするウェーハ前処理部と、水銀プローブを用いて前記半導体ウェーハの電気特性を評価する水銀プローブ部と、前記半導体ウェーハを前記各部へ搬送する自動搬送部とを具備するものであることを特徴とする半導体ウェーハの評価装置。
前記ウェーハ前処理部は、前処理として前記半導体ウェーハの表面の自然酸化膜の除去を行うものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハの評価装置。
前記ウェーハ前処理部は、前処理として前記半導体ウェーハの表面にシリコン酸化膜の形成又は電荷の載上を行うものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体ウェーハの評価装置。
前記水銀プローブ部は、該水銀プローブの水銀電極をクリーニングするための水銀電極クリーニング手段を備えるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体ウェーハの評価装置。
前記ウェーハ前処理部は、フッ酸処理装置を備えるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体ウェーハの評価装置。
前記ウェーハ前処理部は、コロナチャージ装置、ウェーハ加熱装置、紫外線照射装置、ウェーハ洗浄装置の内、少なくとも１つを備えるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の半導体ウェーハの評価装置。
前記フッ酸処理装置は、フッ酸によるフッ酸処理と、純水又は加熱した純水による洗浄処理と、その後の乾燥処理とを行えるものであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の半導体ウェーハの評価装置。
前記ウェーハ洗浄装置は、オゾン水処理槽、アンモニアと過酸化水素水とを含む水溶液処理槽、過酸化水素水槽、塩酸と過酸化水素水とを含む水溶液処理槽、硫酸と過酸化水素水とを含む水溶液処理槽、酸化性水溶液を含む酸化性水溶液処理槽の内、少なくとも１つの槽を備えるものであることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の半導体ウェーハの評価装置。
前記酸化性水溶液は、電解アノード水であることを特徴とする請求項８に記載の半導体ウェーハの評価装置。