JP2014016278A - 半導体ウェハの評価方法、半導体ウェハ評価装置及び半導体評価装置用プローブ - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体ウェハ上の異物及び凹凸形状の有無に係わらず、正確な電気的特性の測定を可能にするとともに、半導体ウェハへの損傷を防ぎ得る半導体ウェハの評価方法を提供する。
【解決手段】半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハの評価方法であって、先端部１３ｐを有する固定電極１３と、固定電極１３の先端部１３ｐ以外の部分１３ｃを覆う透明な被覆部１４とからなるプローブ１５であって、固定電極１３が半導体ウェハ１１及び被覆部１４よりも水銀１２に対する濡れ性が強い金属からなるものを用い、固定電極１３の先端部１３ｐに水銀１２を付けてから、水銀１２を半導体ウェハ１１の表面１１ａに接触させて電気的特性を測定することを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハの評価方法であって、先端部１３ｐを有する固定電極１３と、固定電極１３の先端部１３ｐ以外の部分１３ｃを覆う透明な被覆部１４とからなるプローブ１５であって、固定電極１３が半導体ウェハ１１及び被覆部１４よりも水銀１２に対する濡れ性が強い金属からなるものを用い、固定電極１３の先端部１３ｐに水銀１２を付けてから、水銀１２を半導体ウェハ１１の表面１１ａに接触させて電気的特性を測定することを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体ウェハの評価方法、半導体ウェハ評価装置及び半導体評価装置用プローブに関する。
シリコンウェハ、ＳｉＣウェハやそれらのウェハ上にエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウェハ等の半導体ウェハのキャリア濃度等の特性を測定する方法として、水銀を電極に利用する水銀プローブ（Ｈｇ−ＣＶ）法が知られている。
水銀プローブ（Ｈｇ−ＣＶ）法は容量−電圧法の一種であり、半導体ウェハの表面（エピタキシャルウェハの場合はエピタキシャル層の表面）に水銀プローブ（ガラス製などのキャピラリー（水銀保持用ホルダ）の管内に水銀を注入したもの）の先端を接触させることによってショットキー接合を形成させる。次に、このショットキー接合を挟んで容量（Ｃ）−逆方向電圧（Ｖ）特性を測定し、このＣ−Ｖ特性の測定結果からドナー濃度等を算出する。酸化膜（金属−酸化膜−半導体の構造（ＭＯＳ構造））を形成した場合はＭＯＳ−ＣＶ測定となる。ＭＯＳ構造でもＣ−Ｖ特性の測定は可能であるが、Ｈｇ−ＣＶ法のメリットは、前処理（酸化膜の形成、電極形成等）が不要なところである。なお、Ｈｇとショットキー接合を形成しないような場合、ＭＯＳ構造（酸化膜を付けてＨｇ電極で測定）を作製することがある。
この方法を用いた装置として、半導体ウェハの表面と垂直な方向に自由に移動可能な状態で支持した水銀プローブを半導体ウェハの表面に接触させて、電気的特性の評価を行う半導体評価装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、水銀プローブがプローブアームに保持されるとともに、マッピング能力を有する該プローブアームが半導体ウェハの水平移動及び回転移動可能な測定装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。更に、低融点接着層上にｎ型またはｐ型の電導型半導体とコンタクトパッドとを順次積層し、コンタクトパッドにワイヤーを接続した即製電気コネクタ用低融点パッドが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
図７に従来の半導体ウェハ評価装置の構成を例示する。半導体ウェハ評価装置２００は、水銀５２と、水銀５２を収容するキャピラリー５３と、キャピラリー５３内を給排気するための給排気管５４と、水銀５２に電気的に接続された配線５５と、配線５５と被測定対象である半導体ウェハ５１とに電気的に接続され、半導体ウェハ５１に電気的刺激を与えて半導体ウェハ５１の電気的特性を測定する電気的特性測定部（図示せず）等を備える。
半導体ウェハ評価装置２００を用いて半導体ウェハのキャリア濃度等の電気的特性を測定する際には、図８に示すように給排気管５４を通じてキャピラリー５３内を排気し、水銀５２をキャピラリー５３の中空に保持した状態でキャピラリー５３を上昇させる。次に、図９に示すようにキャピラリー５３を下降させてから、キャピラリー５３内に給気して水銀５２の下端が半導体ウェハ５１に接触するように水銀５２を下げる。水銀５２に接続した配線５５を介して電気信号を送り、その応答を取り出す。電気信号のパラメータ及び応答を解析することにより、半導体ウェハ５１の電気的特性を測定できる。
半導体ウェハ評価装置２００を用いて半導体ウェハのキャリア濃度等の電気的特性を測定する際には、図８に示すように給排気管５４を通じてキャピラリー５３内を排気し、水銀５２をキャピラリー５３の中空に保持した状態でキャピラリー５３を上昇させる。次に、図９に示すようにキャピラリー５３を下降させてから、キャピラリー５３内に給気して水銀５２の下端が半導体ウェハ５１に接触するように水銀５２を下げる。水銀５２に接続した配線５５を介して電気信号を送り、その応答を取り出す。電気信号のパラメータ及び応答を解析することにより、半導体ウェハ５１の電気的特性を測定できる。
上述の水銀プローブ法において、半導体ウェハ表面に接触させた水銀電極の面積（水銀電極面積）は電気的特性の算出に影響するため、精確な電極面積を得ることが重要である。ガラス製などのキャピラリー（水銀保持用ホルダ）の管内に水銀を注入した水銀プローブを用いる場合、その水銀電極面積はキャピラリーの断面積となる。
しかしながら、従来の半導体評価装置においては半導体ウェハの表面に異物や突起があった場合（図１０参照）、キャピラリー等の水銀プローブの支持具の先端が半導体ウェハ表面に良好に接触せず、支持具と半導体ウェハとの隙間から水銀が漏れだしてしまう（図１１参照）ことがあった。この場合、キャピラリーから漏れ出て拡がった分、水銀と半導体ウェハとの接触面積（水銀電極面積）はキャピラリーの断面積からずれるので、半導体ウェハの電気的特性が正確に算出できなくなるという問題があった。
また、水銀と半導体ウェハとの接触面積の変動を低減するために半導体評価装置を半導体ウェハに強く押し当てると、半導体ウェハに傷が付く、あるいは、半導体ウェハが破損してしまう危険性があった。
また、従来の半導体評価装置においては、半導体ウェハと接触して拡がる分の水銀量以上の量の水銀がキャピラリー内に注入されている。
また、水銀と半導体ウェハとの接触面積の変動を低減するために半導体評価装置を半導体ウェハに強く押し当てると、半導体ウェハに傷が付く、あるいは、半導体ウェハが破損してしまう危険性があった。
また、従来の半導体評価装置においては、半導体ウェハと接触して拡がる分の水銀量以上の量の水銀がキャピラリー内に注入されている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、半導体ウェハ上の異物及び凹凸形状の有無に係わらず、正確な電気的特性の測定を可能にするとともに、半導体ウェハへの損傷を防ぎ得る半導体ウェハの評価方法を提供することを目的とする。また、上記半導体ウェハの評価方法に用いる半導体ウェハ評価装置及び半導体評価装置用プローブを提供することを目的とする。
本発明は、以下の手段を提供する。
（１）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハの評価方法であって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブであって、前記固定電極が前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなるものを用い、前記固定電極の先端部に水銀を付けてから、その水銀を半導体ウェハの表面に接触させて電気的特性を測定することを特徴とする半導体ウェハの評価方法。
ここで、本明細書において「水銀に対する濡れ性」とは、水銀の馴染みやすさを示す物理量であって、水銀が固体表面に接触する面において水銀とその面とのなす接触角で評価されるものである。「前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属」とは、水銀とその「水銀に対する濡れ性が強い金属」とを接触させたときのその接触面において水銀とその面とのなす接触角が、水銀と半導体ウェハ又は被覆部とを接触させたときのその接触面において水銀とその面とのなすいずれの接触角よりも小さい金属を意味する。
また、本明細書において固定電極の「先端部」とは、固定電極の半導体ウェハに接触される側の、被覆部に覆われていない部分であって、水銀が付けられる部分をいう。
（２）前記プローブを、水銀溜まりに浸すことによって前記固定電極の先端部に水銀を付けることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの評価方法。
（３）前記電気的特性の測定時における水銀の前記半導体ウェハとの接触面積を、光学的に計測することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の半導体ウェハの評価方法。
（４）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハ評価装置であって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブを備え、前記固定電極は、前記半導体ウェハ及び前記被覆部より水銀に対する濡れ性が強い金属からなることを特徴とする半導体ウェハ評価装置。
（５）前記固定電極が白金、ニッケル、鉄、コバルト、マンガン、及びこれらのうち一種又は二種以上を含む合金を包含する群から選択されたいずれかからなることを特徴とする請求項４に記載の半導体ウェハ評価装置。
（６）前記被覆部がガラス、樹脂、炭化ケイ素のいずれかからなることを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載の半導体ウェハ評価装置。
（７）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体評価装置用のプローブであって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなる、ことを特徴とする半導体評価装置用プローブ。
（１）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハの評価方法であって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブであって、前記固定電極が前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなるものを用い、前記固定電極の先端部に水銀を付けてから、その水銀を半導体ウェハの表面に接触させて電気的特性を測定することを特徴とする半導体ウェハの評価方法。
ここで、本明細書において「水銀に対する濡れ性」とは、水銀の馴染みやすさを示す物理量であって、水銀が固体表面に接触する面において水銀とその面とのなす接触角で評価されるものである。「前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属」とは、水銀とその「水銀に対する濡れ性が強い金属」とを接触させたときのその接触面において水銀とその面とのなす接触角が、水銀と半導体ウェハ又は被覆部とを接触させたときのその接触面において水銀とその面とのなすいずれの接触角よりも小さい金属を意味する。
また、本明細書において固定電極の「先端部」とは、固定電極の半導体ウェハに接触される側の、被覆部に覆われていない部分であって、水銀が付けられる部分をいう。
（２）前記プローブを、水銀溜まりに浸すことによって前記固定電極の先端部に水銀を付けることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの評価方法。
（３）前記電気的特性の測定時における水銀の前記半導体ウェハとの接触面積を、光学的に計測することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の半導体ウェハの評価方法。
（４）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハ評価装置であって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブを備え、前記固定電極は、前記半導体ウェハ及び前記被覆部より水銀に対する濡れ性が強い金属からなることを特徴とする半導体ウェハ評価装置。
（５）前記固定電極が白金、ニッケル、鉄、コバルト、マンガン、及びこれらのうち一種又は二種以上を含む合金を包含する群から選択されたいずれかからなることを特徴とする請求項４に記載の半導体ウェハ評価装置。
（６）前記被覆部がガラス、樹脂、炭化ケイ素のいずれかからなることを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載の半導体ウェハ評価装置。
（７）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体評価装置用のプローブであって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなる、ことを特徴とする半導体評価装置用プローブ。
本発明によれば、プローブのうち、固定電極の先端部にのみ少量の水銀が付着し、この状態で、プローブを半導体ウェハに押し付けると、水銀は半導体ウェハの表面上に拡がる。こうして半導体ウェハの表面上に水銀電極を形成して半導体ウェハの電気的特性を測定する。このとき、半導体ウェハの表面に拡がった水銀の面積（水銀電極面積）を透明な被覆部を介して正確に測定することができる。
また、この際、半導体ウェハと被覆部とが直接接触しないので、半導体ウェハの損傷を防ぐことができる。
更に、固定電極が半導体ウェハ及び被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなるため、電気的特性の測定後に半導体ウェハの表面やプローブの被覆部に水銀を残存させずにプローブを半導体ウェハから離すことができる。
また、この際、半導体ウェハと被覆部とが直接接触しないので、半導体ウェハの損傷を防ぐことができる。
更に、固定電極が半導体ウェハ及び被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなるため、電気的特性の測定後に半導体ウェハの表面やプローブの被覆部に水銀を残存させずにプローブを半導体ウェハから離すことができる。
以下、本発明を適用した実施形態について、図１〜図６を参照し、説明する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、および厚みの比率等は実際のものと同一とは限らない。
先ず、図１を参照し、本実施形態の半導体ウェハ評価装置及び半導体評価装置用プローブの構成を説明する。
半導体ウェハ評価装置１０は、後に説明するように半導体ウェハ１１の表面１１ａに水銀１２を接触させて、半導体ウェハ１１の電気的特性の評価を行う半導体ウェハ評価装置であって、先端部１３ｐを有する固定電極１３と、固定電極１３の先端部１３ｐ以外の部分１３ｃを覆う透明な被覆部１４とからなるプローブ（半導体評価装置用プローブ）１５が備えられている。
また、半導体ウェハ評価装置１０は、測定部１６、配線１７Ａ，１７Ｂ、ステージ１８、ケーブル１９Ａ，１９Ｂ、顕微鏡２０、信号ケーブル２１、移動制御機構２２と、を備えている。
半導体ウェハ評価装置１０は、後に説明するように半導体ウェハ１１の表面１１ａに水銀１２を接触させて、半導体ウェハ１１の電気的特性の評価を行う半導体ウェハ評価装置であって、先端部１３ｐを有する固定電極１３と、固定電極１３の先端部１３ｐ以外の部分１３ｃを覆う透明な被覆部１４とからなるプローブ（半導体評価装置用プローブ）１５が備えられている。
また、半導体ウェハ評価装置１０は、測定部１６、配線１７Ａ，１７Ｂ、ステージ１８、ケーブル１９Ａ，１９Ｂ、顕微鏡２０、信号ケーブル２１、移動制御機構２２と、を備えている。
「固定電極」
固定電極１３は、半導体ウェハ及び被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなる。このような金属としては、例えば白金、ニッケル、鉄、コバルト、マンガン、及びこれらのうち一種又は二種以上を含む合金が挙げられる。このような合金には例えば、鉄とニッケルとコバルトの合金であるコバールや、鉄とニッケルの合金であるステンレス合金がある。固定電極１３には、水銀に対する濡れ性が高く安定な白金又はコバールを用いることが好ましい。
固定電極１３は、半導体ウェハ及び被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなる。このような金属としては、例えば白金、ニッケル、鉄、コバルト、マンガン、及びこれらのうち一種又は二種以上を含む合金が挙げられる。このような合金には例えば、鉄とニッケルとコバルトの合金であるコバールや、鉄とニッケルの合金であるステンレス合金がある。固定電極１３には、水銀に対する濡れ性が高く安定な白金又はコバールを用いることが好ましい。
また、固定電極１３は、先端部１３ｐに付着させた状態で水銀１２をプローブ１５に保持することができる。図１では、先端部１３ｐの端面が被覆部１４の端面１４ｂと同一面を形成する形状である固定電極１３を例示しているが、先端部１３ｐはこのような形状に限定されず、水銀１２の露出面１２ｄを被覆部１４の端面１４ｂから半導体ウェハ１１の表面１１ａ側に突出させることができれば、いかなる形状であってもよい。例えば、先端部１３ｐは半導体ウェハ１１の表面１１ａに対して凸面や凹面を有してもよい。水銀１２が先端部１３ｐに安定して保持されるように、先端部１３ｐは平面視で円形である（即ち、固定電極１３は円筒または円錐である）ことが好ましい。また、水銀１２が先端部１３ｐに付く量（体積）は、先端部１３ｐの表面積に依存する。例えば、半導体ウェハの局所的な電気的特性を得たい場合等には、先端部１３ｐの平面視での面積は、電気的特性の測定に支障がない範囲でできるだけ小さくすることができる。例えば、先端部１３ｐの平面視での直径は０．５ｍｍ程度とすることができる。このように、本実施形態の半導体ウェハ評価装置１０においては、固定電極１３の先端部１３ｐにのみ少量（３．３×１０−８［Ｌ］程度）の水銀を付着して測定することが可能となるため、水銀の使用量を最小限に抑えることができる。
更に、固定電極１３は、配線１７Ｂを介して測定部１６に接続されている。そのため、水銀１２が半導体ウェハ１１の表面１１ａに接触した際には、測定部１６から発せられる電気信号による半導体ウェハ１１の反応が配線１７Ｂから測定部１６に伝達される。
「被覆部」
被覆部１４は、固定電極１３の先端部１３ｐ以外の部分１３ｃを覆う透明な部材である。被覆部１４の材質としては、透明で、水銀と反応せず、水銀に濡れないものであれば特に制限はない。このような材質には、例えばガラス、樹脂、炭化ケイ素等がある。被覆部１４には、透明度が高く、水銀１２と反応せずに水銀１２に対する濡れ性が極めて低く、加工性に優れたガラスを用いることが好ましく、透明度が極めて高い石英を用いることがより好ましい。
被覆部１４は、固定電極１３の先端部１３ｐ以外の部分１３ｃを覆う透明な部材である。被覆部１４の材質としては、透明で、水銀と反応せず、水銀に濡れないものであれば特に制限はない。このような材質には、例えばガラス、樹脂、炭化ケイ素等がある。被覆部１４には、透明度が高く、水銀１２と反応せずに水銀１２に対する濡れ性が極めて低く、加工性に優れたガラスを用いることが好ましく、透明度が極めて高い石英を用いることがより好ましい。
図１では、端面１４ｂが固定電極１３の先端部１３ｐの端面と同一面を形成する形状である被覆部１４を例示しているが、被覆部１４はこのような形状に限定されず、水銀１２の露出面１２ｄを半導体ウェハ１１の表面１１ａ側に突出させることができれば、いかなる形状であってもよい。例えば、被覆部１４の端面１４ｂは、固定電極１３から離れる程（図１におけるＺ方向において）高くなるように傾斜していてもよい。
なお、被覆部１４は図示しない支持具に備え付けられている。この支持具はケーブル１９Ａを介して移動制御機構２２に接続されている。移動制御機構２２により、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各方向における固定電極１３の位置及び移動方向、移動距離が制御される。
なお、被覆部１４は図示しない支持具に備え付けられている。この支持具はケーブル１９Ａを介して移動制御機構２２に接続されている。移動制御機構２２により、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各方向における固定電極１３の位置及び移動方向、移動距離が制御される。
「プローブ」
プローブ１５は、先端部１３ｐを有する固定電極１３と、固定電極１３の先端部１３ｐ以外の部分１３ｃを覆う透明な被覆部１４と、からなる。なお、プローブ１５は、半導体ウェハ評価装置１０に固定されていてもよく、取り外し可能な状態で設置されていてもよい。プローブ１５を取り外し可能とする場合は、配線１７Ｂの途中に連結点Ｃを設けて、プローブ１５と固定電極１３に接続されている配線１７Ｂの一部分を取り外す、あるいは装着すればよい。
プローブ１５は、先端部１３ｐを有する固定電極１３と、固定電極１３の先端部１３ｐ以外の部分１３ｃを覆う透明な被覆部１４と、からなる。なお、プローブ１５は、半導体ウェハ評価装置１０に固定されていてもよく、取り外し可能な状態で設置されていてもよい。プローブ１５を取り外し可能とする場合は、配線１７Ｂの途中に連結点Ｃを設けて、プローブ１５と固定電極１３に接続されている配線１７Ｂの一部分を取り外す、あるいは装着すればよい。
「測定部」
測定部１６は、配線１７Ａを介してステージ１８に電気信号を発信し、配線１７Ｂを介して該電気信号に対する固定電極１３の応答を取り込む。そして、電気信号とその応答から半導体ウェハ１１のキャリア濃度等を算出する。
なお、本実施形態では、電気的特性を測定するための電気的特性測定部の例としてＣ−Ｖ測定部１６を備えるが、他の電気的特性測定部を用いてＣ−Ｖ以外の電気的特性を測定することもできる。
測定部１６は、配線１７Ａを介してステージ１８に電気信号を発信し、配線１７Ｂを介して該電気信号に対する固定電極１３の応答を取り込む。そして、電気信号とその応答から半導体ウェハ１１のキャリア濃度等を算出する。
なお、本実施形態では、電気的特性を測定するための電気的特性測定部の例としてＣ−Ｖ測定部１６を備えるが、他の電気的特性測定部を用いてＣ−Ｖ以外の電気的特性を測定することもできる。
「顕微鏡」
顕微鏡２０は、プローブ１５の上方に設置されており、後に説明する半導体ウェハの評価方法における水銀電極面積Ｓの測定時に、水銀１２の半導体ウェハ１１との水銀電極面積Ｓを光学的に精確に計測することを可能にする。水銀電極面積Ｓは、水銀１２の体積、荷重及び表面張力から概算することはできるが、半導体ウェハ１１のＣ−Ｖ測定には精確な水銀電極面積Ｓが必要とされる。このような理由により、水銀電極面積Ｓの光学的計測を行うには顕微鏡を用いるのが好ましい。荷重は、プローブ１５の重さに依存する。
顕微鏡２０は、プローブ１５の上方に設置されており、後に説明する半導体ウェハの評価方法における水銀電極面積Ｓの測定時に、水銀１２の半導体ウェハ１１との水銀電極面積Ｓを光学的に精確に計測することを可能にする。水銀電極面積Ｓは、水銀１２の体積、荷重及び表面張力から概算することはできるが、半導体ウェハ１１のＣ−Ｖ測定には精確な水銀電極面積Ｓが必要とされる。このような理由により、水銀電極面積Ｓの光学的計測を行うには顕微鏡を用いるのが好ましい。荷重は、プローブ１５の重さに依存する。
具体的には、水銀１２が半導体ウェハ１１の表面１１ａに接触した際に、顕微鏡２０に具備されている光源から、可視光等の被覆部１４を透過し、かつ、水銀１２を透過しない波長の光を照射する。顕微鏡２０に具備された撮像装置で撮像すると、水銀１２の存在領域のみが黒く表示された画像が得られる。なお、顕微鏡２０の被写界深度は浅いので、固定電極１３、被覆部１４及び配線１７Ｂは撮像されない。得られた画像の黒い領域を実際の大きさに換算することにより、水銀１２の半導体ウェハ１１との水銀電極面積Ｓを測定できる。測定した水銀電極面積Ｓは、半導体ウェハ評価装置１０の使用者により測定部１６に入力されてもよく、図１に示すように顕微鏡２０と測定部１６を信号ケーブル２１で接続することにより測定部１６に自動的に伝達されてもよい。
また、プローブ１５が半導体ウェハ１１の表面１１ａ上を移動しながら連続して電気的特性の測定が行われる場合には、顕微鏡２０に移動機構（図示略）が備えられ、顕微鏡２０がプローブ１５の移動に合わせて移動する。このような場合においては、図１に示すように、顕微鏡２０はケーブル１９Ｂで移動制御機構２２に接続される。この構成では、移動制御機構２２により、固定電極１３及び顕微鏡２０のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各方向における位置及び移動方向、移動距離が同期して制御される。またプローブ１５の代わりにステージ１８が移動しても良い。
「移動制御機構」
移動制御機構２２は、ケーブル１９Ａ、１９Ｂを介して、それぞれプローブ１５、顕微鏡２０に接続されている。これにより、移動制御機構２２は、図示しないプローブ１５の支持具にプローブ１５の位置及び移動方向、移動距離を伝達するとともに、顕微鏡２０の移動機構にプローブ１５と同じ位置及び移動方向、移動距離を伝達する。
移動制御機構２２は、ケーブル１９Ａ、１９Ｂを介して、それぞれプローブ１５、顕微鏡２０に接続されている。これにより、移動制御機構２２は、図示しないプローブ１５の支持具にプローブ１５の位置及び移動方向、移動距離を伝達するとともに、顕微鏡２０の移動機構にプローブ１５と同じ位置及び移動方向、移動距離を伝達する。
「半導体ウェハ」
半導体ウェハ１１は評価対象であり、その種類は特に限定されないが、水銀に濡れないウェハが用いられる。このようなウェハには、例えばＳｉＣウェハ、シリコンウェハ等がある。また、半導体ウェハ１１は、シリコンウェハ、ＳｉＣウェハ、ＧａＮウェハの表面にエピタキシャル成長によりエピタキシャル層を形成させたエピタキシャルウェハでもよい。
半導体ウェハ１１は評価対象であり、その種類は特に限定されないが、水銀に濡れないウェハが用いられる。このようなウェハには、例えばＳｉＣウェハ、シリコンウェハ等がある。また、半導体ウェハ１１は、シリコンウェハ、ＳｉＣウェハ、ＧａＮウェハの表面にエピタキシャル成長によりエピタキシャル層を形成させたエピタキシャルウェハでもよい。
半導体ウェハ１１は、導電性を有している材質からなるステージ１８上に載置される。ステージ１８は、配線１７Ａを介して測定部１６に接続されている。そのため、測定部１６から発せられる電気信号は半導体ウェハ１１に伝達される。
「水銀」
水銀１２は、固定電極１３の先端部１３ｐに付着することにより、プローブ１５に保持されている。プローブ１５の装着時には、水銀１２の露出面１２ｄが被覆部１４の端面１４ｂより半導体ウェハ１１の表面１１ａ側に突出する。
水銀１２は、固定電極１３の先端部１３ｐに付着することにより、プローブ１５に保持されている。プローブ１５の装着時には、水銀１２の露出面１２ｄが被覆部１４の端面１４ｂより半導体ウェハ１１の表面１１ａ側に突出する。
次いで、図２〜図６を参照し、本実施形態の半導体ウェハ評価装置１０及び半導体評価装置用プローブ１５を用いた半導体ウェハの評価方法を説明する。
図２に示すように、固定電極１３の先端部１３ｐに水銀１２が付着していない状態を初期状態とする。但し、後述するように１枚あるいは複数枚の半導体ウェハ１１において、最初の測定位置の測定後に固定電極１３の先端部１３ｐから水銀１２を除去せず、その後の複数回数の電気的特性の測定を同じ水銀１２を用いて行う場合がある。このような場合には、次に説明する水銀分取の工程を省略する。
また、半導体ウェハ１１の評価は、水銀１２の粘性を適度に保つために室温で行うことが好ましい。
また、半導体ウェハ１１の評価は、水銀１２の粘性を適度に保つために室温で行うことが好ましい。
［水銀分取］
先ず、図３に示すようにプローブ１５を水銀溜り２３の上方に位置させ、プローブ１５を水銀溜り２３に浸す。プローブ１５が半導体ウェハ評価装置１０に固定された構成の場合は、水銀溜り２３を移動させる。一方、プローブ１５が図１に示す連結点Ｃで半導体ウェハ評価装置１０から取り外し可能に設置された構成の場合は、プローブ１５を半導体ウェハ評価装置１０から取り外して移動させ、水銀溜り２３に浸す。その後、静かにプローブ１５を引き上げる（または、水銀溜り２３を下降させる）。
先ず、図３に示すようにプローブ１５を水銀溜り２３の上方に位置させ、プローブ１５を水銀溜り２３に浸す。プローブ１５が半導体ウェハ評価装置１０に固定された構成の場合は、水銀溜り２３を移動させる。一方、プローブ１５が図１に示す連結点Ｃで半導体ウェハ評価装置１０から取り外し可能に設置された構成の場合は、プローブ１５を半導体ウェハ評価装置１０から取り外して移動させ、水銀溜り２３に浸す。その後、静かにプローブ１５を引き上げる（または、水銀溜り２３を下降させる）。
前述のように、固定電極１３には水銀と濡れ性がよい金属が用いられているため、プローブ１５を水銀溜り２３から引き離すと、図４に示すように固定電極１３の先端部１３ｐに少量の水銀１２が付着する。プローブ１５が半導体ウェハ評価装置１０から取り外し可能に設置されている場合は、プローブ１５を半導体ウェハ評価装置１０に装着する。なお、図４〜図６においては、半導体ウェハ１１、プローブ１５、配線１７Ｂ、ステージ１８、顕微鏡２０以外の半導体ウェハ評価装置１０の構成要素の図示は省略している。
上記のように、固定電極１３の先端部１３ｐにのみ少量の水銀１２を付着させることにより、水銀の使用量を抑えることができる。
上記のように、固定電極１３の先端部１３ｐにのみ少量の水銀１２を付着させることにより、水銀の使用量を抑えることができる。
［プローブ降下］
次に、予めステージ１８に載せた半導体ウェハ１１の表面１１ａに、水銀１２を付けたプローブ１５を降下させる。図５に示すように、プローブ１５の底面（図１に示す構成においては先端部１３ｐ及び端面１４ｂ）と半導体ウェハ１１の表面１１ａを一定の間隔Ｈで対向させ、表面張力と荷重により水銀１２を押し拡げる。水銀１２は、平面視で略円形に拡がる。水銀電極面積Ｓは、水銀の付着量、水銀の表面張力、水銀にかかる荷重、間隔Ｈによっておおよそ決まる。但し、水銀にかかる荷重は、プローブ１５を支持具等で保持していないときはプローブ１５の重さに等しく、保持しているときは間隔Ｈに依存する。例えば、固定電極１３の先端部１３ｐに３．３×１０−８［Ｌ］の水銀１２を付けた場合には、水銀電極面積Ｓを３．２７［ｍｍ２］、間隔Ｈを０．０１［ｍｍ］とすることができる。
次に、予めステージ１８に載せた半導体ウェハ１１の表面１１ａに、水銀１２を付けたプローブ１５を降下させる。図５に示すように、プローブ１５の底面（図１に示す構成においては先端部１３ｐ及び端面１４ｂ）と半導体ウェハ１１の表面１１ａを一定の間隔Ｈで対向させ、表面張力と荷重により水銀１２を押し拡げる。水銀１２は、平面視で略円形に拡がる。水銀電極面積Ｓは、水銀の付着量、水銀の表面張力、水銀にかかる荷重、間隔Ｈによっておおよそ決まる。但し、水銀にかかる荷重は、プローブ１５を支持具等で保持していないときはプローブ１５の重さに等しく、保持しているときは間隔Ｈに依存する。例えば、固定電極１３の先端部１３ｐに３．３×１０−８［Ｌ］の水銀１２を付けた場合には、水銀電極面積Ｓを３．２７［ｍｍ２］、間隔Ｈを０．０１［ｍｍ］とすることができる。
上記のプローブ降下によれば、予め水銀１２を固定電極１３の先端部１３ｐに付け、その水銀１２のみを半導体ウェハ１１の表面１１ａに接触させて電気的特性を測定する構成であり、プローブ１５を半導体ウェハ１１の表面１１ａに接触させる必要がない。従って、プローブ１５及び半導体ウェハ１１を傷付ける、あるいは破損させるおそれもない。また、被覆部１４直下の半導体ウェハ１１の表面１１ａ上に異物２４（図５参照）や凹凸形状があっても、間隔Ｈを充分確保しておけば、水銀電極面積Ｓは異物２４や凹凸形状がない場合と変わらない。
［水銀電極面積Ｓの測定（面積計算）］
次に、移動制御機構２２により顕微鏡２０をプローブ１５の上方に移動させる。続いて、図６に示すように、押し拡げた水銀１２およびその周囲に光を照射し、顕微鏡２０の撮像装置で撮像し、得られた画像から、水銀１２の直径Ｄ及び水銀電極面積Ｓを測定する。水銀電極面積Ｓは、信号ケーブル２１を介して測定部１６に伝達する。
次に、移動制御機構２２により顕微鏡２０をプローブ１５の上方に移動させる。続いて、図６に示すように、押し拡げた水銀１２およびその周囲に光を照射し、顕微鏡２０の撮像装置で撮像し、得られた画像から、水銀１２の直径Ｄ及び水銀電極面積Ｓを測定する。水銀電極面積Ｓは、信号ケーブル２１を介して測定部１６に伝達する。
［電気的特性の測定］
間隔Ｈをあけて半導体ウェハ１１とプローブ１５を対向させた状態を保持し、測定部１６から配線１７Ａを介して半導体ウェハ１１に電気信号を伝達する。同時に、配線１７Ｂを介して電気信号に対する固定電極１３の応答を取り出す。測定部１６では、電気信号、固定電極１３の応答、水銀電極面積Ｓ、予め保存された水銀１２の導電率等の電気的特性等により、半導体ウェハ１１のキャリア濃度等の電気的特性を算出する。
上記説明した手順により、半導体ウェハ１１の電気的特性を測定できる。
間隔Ｈをあけて半導体ウェハ１１とプローブ１５を対向させた状態を保持し、測定部１６から配線１７Ａを介して半導体ウェハ１１に電気信号を伝達する。同時に、配線１７Ｂを介して電気信号に対する固定電極１３の応答を取り出す。測定部１６では、電気信号、固定電極１３の応答、水銀電極面積Ｓ、予め保存された水銀１２の導電率等の電気的特性等により、半導体ウェハ１１のキャリア濃度等の電気的特性を算出する。
上記説明した手順により、半導体ウェハ１１の電気的特性を測定できる。
［水銀の再分取］
半導体ウェハ１１の電気的特性の測定終了後に、水銀１２を固定電極１３から除去してもよい。但し、半導体ウェハ１１の電気的特性の測定は、１枚当たり数１０点（複数の測定点）程度行う場合が多い。その場合には、同じ水銀１２を用いて半導体ウェハ１１内の複数の測定点における電気的特性の測定を行うことができる。また、水銀１２の交換のタイミングとしては例えば、（１）顕微鏡２０で撮像した画像から、押し拡げた水銀の面積の範囲を規定し、その面積の範囲から水銀電極面積Ｓが外れたら交換する、（２）半導体ウェハ１１の交換時に交換する、（３）測定回数（水銀１２が半導体ウェハ１１に接触する回数）を規定して、その接触回数に到達したら交換する、等があり、特に制限はない。また、半導体ウェハ１１に伝達した電気信号に対する固定電極１３からの応答を得て電気的特性の正確な測定ができれば、水銀１２の除去及び分取の頻度は限定されない。
半導体ウェハ１１の電気的特性の測定終了後に、水銀１２を固定電極１３から除去してもよい。但し、半導体ウェハ１１の電気的特性の測定は、１枚当たり数１０点（複数の測定点）程度行う場合が多い。その場合には、同じ水銀１２を用いて半導体ウェハ１１内の複数の測定点における電気的特性の測定を行うことができる。また、水銀１２の交換のタイミングとしては例えば、（１）顕微鏡２０で撮像した画像から、押し拡げた水銀の面積の範囲を規定し、その面積の範囲から水銀電極面積Ｓが外れたら交換する、（２）半導体ウェハ１１の交換時に交換する、（３）測定回数（水銀１２が半導体ウェハ１１に接触する回数）を規定して、その接触回数に到達したら交換する、等があり、特に制限はない。また、半導体ウェハ１１に伝達した電気信号に対する固定電極１３からの応答を得て電気的特性の正確な測定ができれば、水銀１２の除去及び分取の頻度は限定されない。
上記のように、本実施形態の半導体ウェハの評価方法によれば、プローブ１５のうち、固定電極１３の先端部１３ｐにのみ少量の水銀１２を付着させ、その状態で、プローブ１５を半導体ウェハ１１に押し付けて水銀１２を半導体ウェハ１１の表面１１ａ上に拡げる。そして、半導体ウェハ１１の表面１１ａ上に水銀電極を形成して半導体ウェハ１１の電気的特性を測定する。このとき、半導体ウェハ１１の表面１１ａに拡がった水銀１２の水銀電極面積Ｓを透明な被覆部１４を介して精確に測定することができる。また、この際、半導体ウェハ１１と被覆部１４とが直接接触しないので、半導体ウェハ１１の損傷を防ぐことができる。更に、固定電極１３を半導体ウェハ１１及び被覆部１４よりも水銀１２に対する濡れ性が強い金属から構成しているため、電気的特性の測定後に半導体ウェハ１１の表面１１ａやプローブ１５の被覆部１４に水銀を残存させずにプローブ１５を半導体ウェハ１１から離すことができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０，２００…半導体ウェハ評価装置、１１，５１…半導体ウェハ、１１ａ…表面、１２，５２…水銀、１２ｄ…露出面、１３…固定電極、１３ｃ…部分、１３ｐ…先端部、１４…被覆部、１４ｂ…端面、１５…プローブ、１６…測定部、１７Ａ，１７Ｂ、５５…配線、１８…ステージ、１９Ａ，１９Ｂ…ケーブル、２０…顕微鏡、２１…信号ケーブル、２２…移動制御機構、５３…キャピラリー、５４…給排気管、Ｃ…連結点、Ｓ…水銀電極面積
本発明は、以下の手段を提供する。
（１）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハの評価方法であって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブであって、前記固定電極が前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなるものを用い、前記固定電極の先端部に水銀を付けてから、その水銀を半導体ウェハの表面に接触させて電気的特性を測定することを特徴とする半導体ウェハの評価方法。
ここで、本明細書において「水銀に対する濡れ性」とは、水銀の馴染みやすさを示す物理量であって、水銀が固体表面に接触する面において水銀とその面とのなす接触角で評価されるものである。「前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属」とは、水銀とその「水銀に対する濡れ性が強い金属」とを接触させたときのその接触面において水銀とその面とのなす接触角が、水銀と半導体ウェハ又は被覆部とを接触させたときのその接触面において水銀とその面とのなすいずれの接触角よりも小さい金属を意味する。
また、本明細書において固定電極の「先端部」とは、固定電極の半導体ウェハに接触される側の、被覆部に覆われていない部分であって、水銀が付けられる部分をいう。
（２）前記プローブを、水銀溜まりに浸すことによって前記固定電極の先端部に水銀を付けることを特徴とする前記（１）に記載の半導体ウェハの評価方法。
（３）前記電気的特性の測定時における水銀の前記半導体ウェハとの接触面積を、光学的に計測することを特徴とする前記（１）又は（２）のいずれかに記載の半導体ウェハの評価方法。
（４）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハ評価装置であって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブを備え、前記固定電極は、前記半導体ウェハ及び前記被覆部より水銀に対する濡れ性が強い金属からなることを特徴とする半導体ウェハ評価装置。
（５）前記固定電極が白金、ニッケル、鉄、コバルト、マンガン、及びこれらのうち一種又は二種以上を含む合金を包含する群から選択されたいずれかからなることを特徴とする前記（４）に記載の半導体ウェハ評価装置。
（６）前記被覆部がガラス、樹脂、炭化ケイ素のいずれかからなることを特徴とする前記（４）又は（５）のいずれかに記載の半導体ウェハ評価装置。
（７）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体評価装置用のプローブであって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなる、ことを特徴とする半導体評価装置用プローブ。
（１）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハの評価方法であって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブであって、前記固定電極が前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなるものを用い、前記固定電極の先端部に水銀を付けてから、その水銀を半導体ウェハの表面に接触させて電気的特性を測定することを特徴とする半導体ウェハの評価方法。
ここで、本明細書において「水銀に対する濡れ性」とは、水銀の馴染みやすさを示す物理量であって、水銀が固体表面に接触する面において水銀とその面とのなす接触角で評価されるものである。「前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属」とは、水銀とその「水銀に対する濡れ性が強い金属」とを接触させたときのその接触面において水銀とその面とのなす接触角が、水銀と半導体ウェハ又は被覆部とを接触させたときのその接触面において水銀とその面とのなすいずれの接触角よりも小さい金属を意味する。
また、本明細書において固定電極の「先端部」とは、固定電極の半導体ウェハに接触される側の、被覆部に覆われていない部分であって、水銀が付けられる部分をいう。
（２）前記プローブを、水銀溜まりに浸すことによって前記固定電極の先端部に水銀を付けることを特徴とする前記（１）に記載の半導体ウェハの評価方法。
（３）前記電気的特性の測定時における水銀の前記半導体ウェハとの接触面積を、光学的に計測することを特徴とする前記（１）又は（２）のいずれかに記載の半導体ウェハの評価方法。
（４）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハ評価装置であって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブを備え、前記固定電極は、前記半導体ウェハ及び前記被覆部より水銀に対する濡れ性が強い金属からなることを特徴とする半導体ウェハ評価装置。
（５）前記固定電極が白金、ニッケル、鉄、コバルト、マンガン、及びこれらのうち一種又は二種以上を含む合金を包含する群から選択されたいずれかからなることを特徴とする前記（４）に記載の半導体ウェハ評価装置。
（６）前記被覆部がガラス、樹脂、炭化ケイ素のいずれかからなることを特徴とする前記（４）又は（５）のいずれかに記載の半導体ウェハ評価装置。
（７）半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体評価装置用のプローブであって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなる、ことを特徴とする半導体評価装置用プローブ。
Claims (7)
- 半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハの評価方法であって、
先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブであって、前記固定電極が前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなるものを用い、
前記固定電極の先端部に水銀を付けてから、その水銀を半導体ウェハの表面に接触させて電気的特性を測定することを特徴とする半導体ウェハの評価方法。 - 前記プローブを、水銀溜まりに浸すことによって前記固定電極の先端部に水銀を付けることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハの評価方法。
- 前記電気的特性の測定時における水銀の前記半導体ウェハとの接触面積を、光学的に計測することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の半導体ウェハの評価方法。
- 半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハ評価装置であって、
先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブを備え、
前記固定電極は、前記半導体ウェハ及び前記被覆部より水銀に対する濡れ性が強い金属からなることを特徴とする半導体ウェハ評価装置。 - 前記固定電極が白金、ニッケル、鉄、コバルト、マンガン、及びこれらのうち一種又は二種以上を含む合金を包含する群から選択されたいずれかからなることを特徴とする請求項４に記載の半導体ウェハ評価装置。
- 前記被覆部がガラス、樹脂、炭化ケイ素のいずれかからなることを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載の半導体ウェハ評価装置。
- 半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体評価装置用のプローブであって、
先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなる、ことを特徴とする半導体評価装置用プローブ。
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