JP2009252976A

JP2009252976A - 半導体ウェーハ抵抗率測定装置

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Publication number: JP2009252976A
Application number: JP2008098629A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Akechi; 良浩明地; Kazuhiko Morita; 和彦盛田
Original assignee: Hitachi Kokusai Denki Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Kokusai Denki Engineering Co Ltd
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2009-10-29

Abstract

【課題】ウェーハ端部付近の測定位置に依存する測定値変動を正しく補正し、正確な値を求めることができる半導体ウェーハ抵抗率測定装置を提供する。
【解決手段】４探針抵抗率測定器を用いて半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定する半導体ウェーハ抵抗率測定装置において、半導体ウェーハ１２の端部の抵抗率を測定する際、予めウェーハ端部１２ａから半径方向の直線上におけるＰ_ｎ、Ｐ_ｎ＋５、Ｐ_ｎ＋１５の位置の測定値に対し、各測定位置からウェーハ端部１２ａまでの距離Ｒと半導体ウェーハ上に生成される薄膜３１の端部３１ａまでの距離Ｒ’との差による誤差を考慮し、それぞれ異なる誤差の補正係数を乗じて各誤差に対応した補正値を求めると共に該補正値の標準偏差を求め、前記標準偏差が最小となる誤差を実際の誤差として決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウェーハの抵抗率を測定する半導体ウェーハ抵抗率測定装置に関する。

半導体ウェーハの抵抗率測定装置は、例えばシリコンウェーハの抵抗率、ウェーハ表面に形成したエピタキシャル成長膜の抵抗率、及び表面から不純物を拡散又は注入した場合の拡散層又は注入層のシート抵抗及び表面に生成した金属膜のシート抵抗などを測定する装置であり、従来では一般に４探針抵抗率測定器が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

上記４探針抵抗率測定器では一般に半導体ウェーハの端部付近を測定すると、実際よりも抵抗率が高く測定されてしまう現象が従来から一般に知られている。これは一様な抵抗分布を有するウェーハにおいても観測されている。

これは半導体ウェーハの中央部分を測定する場合は探針から印加される電流がウェーハ表面の全方向にほぼ均等に流れるのに対し、ウェーハ端部付近ではウェーハ中心方向へは十分に電流が流れるが端部付近では電流の経路が狭められて電流が流れないことによるものである。

図７及び図８は、４探針抵抗率測定器でウェーハ端部の補正を行わずに抵抗率を測定した場合の例を示したものである。図７は非常に均一な測定結果が得られている半導体ウェーハ１を半分に割って新たにウェーハ端部２を作成し、端部を４探針プローブ３でウェーハ端部２から内側へ０．１ｍｍ毎に順次測定する様子を示し、図８は上記測定結果をプロットして示した図である。ウェーハ端部付近を測定した場合、図８から明らかなようにウェーハ端部２に近付くに従って測定値が高くなることが分かる。

上記のようにウェーハ端部付近は、抵抗率測定値が高くなるので、従来では図９に示す補正係数を用いて測定値を正しい値に補正している。図９は、４探針プローブ３の探針が直列配置、探針間隔が１ｍｍ、測定方法が２配置法（デュアル測定）である場合のウェーハ端部２から測定位置（Ｐ_ｎ）までの距離（Ｒ）をパラメータとする補正係数（Ｆ_ｎ）のグラフ（理論値による）を示したものである。なお、半導体ウェーハ１上に生成された薄膜の種類、抵抗率の値の高低には全く依存せず、全て上記補正係数（Ｆ_ｎ）で近似できることが分かっている。

図８に示した測定結果を図９の補正係数（Ｆ_ｎ）を用いて補正した結果をプロットすると、図１０に示したような均一な本来の測定値を得ることができる。なお、図１０においてａは測定値、ｂは補正した結果を示している。
特開２００３−１６３２４８号公報

しかしながら、図１１に示す半導体ウェーハ１において、周囲のウェーハ端部２から一定の距離例えば３ｍｍの位置１〜４０の部分を実際に測定し、３ｍｍに相当する補正係数を乗算して測定結果を求めた場合、図１２に示すように期待した測定値とは違い、部分的に異常な高めの補正結果が得られてしまう場合がある。

図１２は上記位置１〜４０における実際の測定値を補正係数で補正した補正結果をプロットしたグラフであり、横軸に測定位置（１〜４０）をとり、縦軸にシート抵抗値（Ω・□）をとって示したものである。

図１１に示す半導体ウェーハ１では、上面に薄膜５を形成しているが、ウェーハ端部２から薄膜５の端部５ａまでの距離が部分的に異なっている。図１１では、測定位置２４〜２６に対応する周縁部６の部分において、薄膜端部５ａからウェーハ端部２までの間隔が他の部分より大きくなっている場合を示している。

上記図１１に示した半導体ウェーハ１の場合、図１２に示したように測定位置２４〜２６及びその近傍の測定位置における測定結果が、他の部分より高い値となってしまい、正確な値を測定することが困難であった。

上記のように従来の半導体ウェーハ抵抗率測定装置では、ウェーハ全体が一様な抵抗率分布を有するという前提のもとにウェーハ端部２から一定距離例えば３ｍｍの部分を測定する場合、測定値に対し、３ｍｍに相当する補正係数を乗算して測定結果を求めているが、ウェーハ表面に生成された薄膜５などの抵抗率を測定する場合、実際にはウェーハ端部２まで薄膜５が生成されているものではなく、むしろ端部には薄膜５が生成されていない方が普通であるため、ウェーハ端部付近の抵抗率測定では単にウェーハ端部からの距離に応じた既知の補正係数を乗じただけでは、測定値が実際より高めの値になってしまうという問題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、ウェーハ端部付近の測定位置に依存する測定値変動を正しく補正し、正確な値を求めることができる半導体ウェーハ抵抗率測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、４探針抵抗率測定器を用いて半導体ウェーハの抵抗率を測定する半導体ウェーハ抵抗率測定装置において、前記半導体ウェーハの端部から半径方向の直線上における複数の位置の抵抗率を測定する測定手段と、前記測定手段により測定された値に対して前記各測定位置から前記ウェーハ端部までの距離と前記半導体ウェーハ上に生成される薄膜の端部までの距離との差による端部誤差を考慮し、それぞれ異なる端部誤差の補正係数を乗じて各端部誤差に対応した補正値を求める手段と、前記複数の測定位置の組み合わせにおける各端部誤差に対応した補正値の標準偏差を算出する手段と、前記標準偏差が最小となる端部誤差を実際の端部誤差として補正値を決定する手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、ウェーハ端部とウェーハ上に生成される薄膜の端部までの距離が異なることに起因する測定値変動、及びウェーハ端部から一定距離にある複数の位置における測定値変動を正しく補正して正確な値を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。

本発明の一実施形態に係る半導体ウェーハ抵抗率測定装置は、図１に示すように、被測定半導体ウェーハ１２を載置する円盤状の測定ステージ１１と、該測定ステージ１１を回転させる回転駆動部１８と、上記測定ステージ１１上に載置された半導体ウェーハ１２の上面に接触して該半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定するための複数個の４探針プローブ１４ａ、１４ｂと、上記複数個の４探針プローブ１４ａ、１４ｂを互いに独立に上下方向に移動させる複数個のプローブ上下駆動部１６ａ、１６ｂと、該複数個のプローブ上下駆動部１６ａ、１６ｂと複数個の４探針プローブ１４ａ、１４ｂとを上記測定ステージ１１の半径方向に移動するプローブ水平駆動部１７と、測定点の位置と複数個の４探針プローブ１４ａ、１４ｂのうちの選択すべき一つのプローブを指定する制御情報を入力する操作部１３と、上記測定点の位置と選択すべき一つのプローブと、測定した抵抗率（補正した抵抗率）を表示する表示部２１と、制御情報に従って上記回転駆動部１８とプローブ水平駆動部１７とプローブ上下駆動部１６ａ、１６ｂを駆動し、半導体ウェーハ１２の上面の指定された位置に上記プローブを接触させる制御部２０と、抵抗率を測定する計測部１５とを備え、上記半導体ウェーハ１２の種類に対応して選択される複数個のプローブ上下駆動部１６ａ、１６ｂのうちの１つを動作させ、適切な４探針プローブ１４ａ、１４ｂを選択し、その選択されたプローブにより、上記半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定するように構成されている。なお、上記制御部２０には、電源部１９から所定の動作電源が供給される。また、制御部２０は、下記手法に従い、計測部１５で測定した抵抗率を補正する。

次に上記半導体ウェーハ抵抗率測定装置の測定値に対する補正処理について説明する。

図２（ａ）は、半導体ウェーハ１２の端部付近の実測位置詳細図（要部）を示したもので、半導体ウェーハ１２上に薄膜３１が生成されている。この場合、半導体ウェーハ１２の外周縁には、薄膜３１が生成されていない領域３２が存在しており、ウェーハ端部１２ａより内側に薄膜端部３１ａが位置している。上記半導体ウェーハ１２は、半径方向の直線上の３点Ｐ_ｎ、Ｐ_ｎ＋５、Ｐ_ｎ＋１５において抵抗率を測定するものとする。

図２（ｂ）は、上記半導体ウェーハ１２の３点Ｐ_ｎ、Ｐ_ｎ＋５、Ｐ_ｎ＋１５における測定値補正値結果例であり、横軸に測定位置をとり、縦軸にシート抵抗率（Ω・□）を取って示したものである。

図２において、測定位置からウェーハ端部１２ａまでの距離をＲ、測定位置から薄膜端部３１ａまでの距離をＲ’としたとき、端部の誤差Δは
Δ＝Ｒ−Ｒ’ （式１．１）
と表すことができる。

そして、測定位置をＰ_ｎ、測定値をＭ_ｎ、補正係数をＦ_ｎ、補正値をＣ_ｎとしたとき、測定位置Ｐ_ｎの補正値Ｃ_ｎは、次式
Ｃ_ｎ＝Ｍ_ｎ・Ｆ_ｎ（式１．２）
で計算される。但し、ｎはウェーハ端部１２ａからの距離（測定位置）を表し、ｎ＝１５の場合は端部より１．５ｍｍの位置、ｎ＝２０の場合は端部より２．０ｍｍの位置を示している。

このとき図２に示すように端部の誤差が「０ｍｍ」即ち「Ｒ−Ｒ’≒０」であれば、測定値Ｍ_ｎは既知の理論値に近付き、その補正係数Ｆ_ｎにより求むべき補正値Ｃ_ｎを得ることができる。

しかし、端部の誤差が例えば「１ｍｍ（Ｒ−Ｒ’＞０）」である場合、従来のように測定値Ｍ_ｎ−１０に補正係数Ｆ_ｎを乗じると、求むべき補正値Ｃ_ｎ−１０が大きくなってしまう。

このため測定値Ｍ_ｎ−１０には、端部の誤差を算出して正しい位置の補正係数Ｆ_ｎ−１０を乗じ、正しい補正値Ｃ_ｎ−１０を得ることが必要である。

上記図２（ｂ）において、ａは測定位置誤差（Δ＝０ｍｍ）の測定値、ｂは測定位置誤差（Δ＝１ｍｍ）の測定値、ｃは測定位置誤差（Δ＝０ｍｍ）の補正値、ｄは測定位置誤差（Δ＝１ｍｍ）の補正値を示している。

以下、ウェーハ端部の誤差を算出し、正しい位置の補正係数を求める場合の処理について説明する。

端部の誤差を求めるために図２（ａ）に示したように任意の測定位置３点、半径方向にＰ_ｎ、Ｐ_ｎ＋５、Ｐ_ｎ＋１５の位置で測定したとき、測定値はＭ_ｎ、Ｍ_ｎ＋５、Ｍ_ｎ＋１５となり、その補正値Ｃ_ｎ、Ｃ_ｎ＋５、Ｃ_ｎ＋１５は、それぞれ下式
Ｃ_ｎ＝Ｍ_ｎ・Ｆ_ｎ（式１．３）
Ｃ_ｎ＋５＝Ｍ_ｎ＋５・Ｆ_ｎ＋５（式１．４）
Ｃ_ｎ＋１５＝Ｍ_ｎ＋１５・Ｆ_ｎ＋１５（式１．５）
で計算される。

このとき測定値Ｍ_ｎに対する補正値Ｃ_ｎ〜Ｃ_ｎ−１０は、端部の誤差を考慮し、端部の誤差０〜１ｍｍ、即ちＦ_ｎ〜Ｆ_ｎ−１０を乗じ、次式で表すことができる。尚、Ｆ_ｎの値は、図９に示したテーブルとして制御部２０に記憶される。

また、測定値Ｍ_ｎ＋５、Ｍ_ｎ＋１５についても、補正値Ｃ_ｎ＋５〜Ｃ_ｎ−５、補正値Ｃ_ｎ＋１５〜Ｃ_ｎ＋５は、同様に次式で表すことができる。

以上の結果から図３に示すように、測定位置Ｐ_ｎ、Ｐ_ｎ＋５、Ｐ_ｎ＋１５の測定値Ｍ_ｎ、Ｍ_ｎ＋５、Ｍ_ｎ＋１５に対する端部の誤差０〜１．０ｍｍでの補正値Ｃ_ｎ〜Ｃ_ｎ−１０、Ｃ_ｎ＋５〜Ｃ_ｎ−５、Ｃ_ｎ＋１５〜Ｃ_ｎ＋５を求めることができる。

上記図３における標準偏差δは、次式

で求められる。

上記式１．９において、ｘは式１．６〜式１．８で求めた補正値Ｃ_ｎ〜Ｃ_ｎ−１０、Ｃ_ｎ＋５〜Ｃ_ｎ−５、Ｃ_ｎ＋１５〜Ｃ_ｎ＋５を示している。

そして、上記各々ウェーハ端部１２ａの誤差０〜１．０ｍｍでの３点の組み合わせの補正結果は、正しい補正係数を乗じていれば、バラツキが小さくなるので標準偏差δは小さくなる。従って、各々ウェーハ端部１２ａの誤差０〜１．０ｍｍでの３点の組み合わせによる補正値の標準偏差δが最小となる値が、測定位置からウェーハ端部１２ａまでの距離（Ｒ）と実際の薄膜端部３１ａまでの距離（Ｒ’）の誤差Δとなる。

図４は、図１１に示したようにウェーハをウェーハ端部から３ｍｍの距離で位置１〜４０において抵抗率を測定した場合において、測定値に上記本発明で示した正しい位置（距離Ｒから誤差Δを差し引いた位置）の補正係数を乗じて補正値を求めた場合の例を示す図である。なお、図４において、ａは本発明を適用した補正結果を示し、ｂは従来の方法による補正結果を示している。

本発明を適用することにより、各測定位置でウェーハ端部１２ａまでの距離と薄膜端部３１ａまでの距離が大きく異なっている場合であっても、ウェーハ端部付近の測定位置に依存する測定値変動を正しく補正することが可能である。従って、測定位置からウェーハ端部１２ａと薄膜端部３１ａまでの距離が異なることに起因する測定値変動、及びウェーハ端部１２ａから一定距離にある複数の位置における測定値変動を正しく補正して正確な値を得ることができる。

次に本発明の実施例について説明する。

［実施例１］
図２に示したように半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定位置Ｐ_ｎ、Ｐ_ｎ＋５、Ｐ_ｎ＋１５の３点で測定する場合において、ウェーハ端部１２ａからの距離ｎを「ｎ＝１５（１．５ｍｍ）」とした測定位置Ｐ_１５、Ｐ_２０、Ｐ_３０における測定値が「Ｍ_１５＝１．０８４」、「Ｍ_２０＝１．０３３」、「Ｍ_３０＝１．００７４」であったとき、誤差０〜１．０ｍｍでの補正値及び標準偏差δを計算すると、図５に示す結果が得られる。

上記図５において、標準偏差δは、測定位置からウェーハ端部１２ａまでの距離（Ｒ）と薄膜端部３１ａまでの距離（Ｒ’）との誤差Δが「＋０．１ｍｍ」のときに最小値「０．０００」が得られた。従って、上記実施例１の場合には、ウェーハ端部１２ａと薄膜端部３１ａとの誤差Δは「＋０．１ｍｍ」であると予測することができ、この結果、ウェーハ端部の測定位置に依存する測定値変動を正しく補正して、薄膜３１の本来の抵抗率を求めることができる。

［実施例２］
上記実施例１の場合と同様に半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定位置Ｐ_ｎ、Ｐ_ｎ＋５、Ｐ_ｎ＋１５の３点で測定する場合において、ウェーハ端部１２ａからの距離ｎを「ｎ＝１５（１．５ｍｍ）」とした測定位置Ｐ_１５、Ｐ_２０、Ｐ_３０における測定値が「Ｍ_１５＝５２６．７」、「Ｍ_２０＝４９３．２」、「Ｍ_３０＝４７５．７」であったとき、誤差０〜１．０ｍｍでの補正値及び標準偏差δを計算すると、図６に示す結果が得られる。

上記図６において、標準偏差δは、測定位置からウェーハ端部１２ａまでの距離（Ｒ）と薄膜端部３１ａまでの距離（Ｒ’）との誤差Δが「＋０．３ｍｍ」のときに最小値「１．７７７」が得られた。従って、上記実施例２の場合には、ウェーハ端部１２ａと薄膜端部３１ａとの誤差Δは「＋０．３ｍｍ」であると予測することができ、実施例１の場合と同様にウェーハ端部付近の測定位置に依存する測定値変動を正しく補正して、薄膜３１の本来の抵抗率を求めることができる。

なお、上記実施形態では、ウェーハ端部付近から半径方向の直線上における３点Ｐ_ｎ、Ｐ_ｎ＋５、Ｐ_ｎ＋１５について抵抗率を測定する場合について示したが、更に多数の位置において抵抗率を測定しても良いことは勿論である。また、測定位置Ｐの位置や間隔、標準偏差δのサンプル数や間隔も上記実施形態に限られるものではなく、測定対象のウェーハの薄膜生成特性等に応じて適宜設定し得るものである。

また、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

本発明の一実施形態に係る半導体ウェーハ抵抗率測定装置の構成例を示すブロック図である。（ａ）は同実施形態における半導体ウェーハの端部の実測位置を示す詳細図、（ｂ）は半導体ウェーハの３点における測定値補正値結果例を示す図である。同実施形態における半導体ウェーハの測定値に対する端部の誤差と補正値及び標準偏差の関係を示す図である。同実施形態における測定結果例を示す図である。本発明の実施例１における測定値に対する補正値の計算結果を示す図である。本発明の実施例２における測定値に対する補正値の計算結果を示す図である。半導体ウェーハにおける端部の抵抗率を４探針プローブで測定する場合の例を示す図である。図７における測定結果を示す図である。従来の半導体ウェーハ抵抗率測定装置の各測定位置における補正係数を示すグラフである。半導体ウェーハにおける端部測定値の補正結果を示す図である。半導体ウェーハにおける端部測定位置を示す図である。図１１に示す半導体ウェーハの各測定位置における測定値の補正結果を示す図である。

符号の説明

１１…円盤状の測定ステージ、１２…半導体ウェーハ、１２ａ…ウェーハ端部、１３…操作部、１４ａ、１４ｂ…探針プローブ、１５…計測部、１６ａ、１６ｂ…プローブ上下駆動部、１７…プローブ水平駆動部、１８…回転駆動部、１９…電源部、２０…制御部、２１…表示部、３１…薄膜、３１ａ…薄膜端部。

Claims

４探針抵抗率測定器を用いて半導体ウェーハの抵抗率を測定する半導体ウェーハ抵抗率測定装置において、前記半導体ウェーハの端部から半径方向の直線上における複数の位置の抵抗率を測定する測定手段と、前記測定手段により測定された値に対して前記各測定位置から前記ウェーハ端部までの距離と前記半導体ウェーハ上に生成される薄膜の端部までの距離との差による端部誤差を考慮し、それぞれ異なる端部誤差の補正係数を乗じて各端部誤差に対応した補正値を求める手段と、前記複数の測定位置の組み合わせにおける各端部誤差に対応した補正値の標準偏差を算出する手段と、前記標準偏差が最小となる端部誤差を実際の端部誤差として補正値を決定する手段とを具備することを特徴とする半導体ウェーハ抵抗率測定装置。