JP3005426B2

JP3005426B2 - 半導体ウェハ電気的測定装置

Info

Publication number: JP3005426B2
Application number: JP19374794A
Authority: JP
Inventors: 貞雄平得; 博至岡田; 英明松原
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1994-07-25
Publication date: 2000-01-31
Anticipated expiration: 2015-01-31
Also published as: US5504437A; JPH0837216A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウェハを汚染す
ることなく半導体ウェハの特性を電気的に測定する半導
体ウェハ電気的測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハの品質等を検査するため
に、半導体ウェハの特性を測定する方法の一つとして、
半導体ウェハの特性を電気的に測定する方法（例えば、
Ｃ−Ｖ測定法，Ｃ−ｔ測定法など）がある。

【０００３】このような電気的測定を行う従来の半導体
ウェハ電気的測定装置としては、例えば、特開平４−１
３２２３６号公報に記載のＣ−Ｖ測定装置がある。この
装置では、Ｃ−Ｖ測定法によって半導体ウェハの特性を
測定している。この装置の構成及び動作を図１４を用い
て説明する。

【０００４】図１４は従来の半導体ウェハ電気的測定装
置であるＣ−Ｖ測定装置を概念的に示した構成図であ
る。図１４に示すように、この装置は、固定台１と、固
定台１の下部に設置された圧電アクチュエータ２と、圧
電アクチュエータ２のさらに下部に設置された架台３
と、を備えている。架台３の底面には、２つの円錐台を
それぞれ底面を対向させて貼り合わせたような形状を成
すプリズム４が設置されている。また、架台３の一方の
斜面にはＧａＡｌＡｓレーザなどのレーザ発振器５が固
定され、他方の斜面にはフォトダイオードなどの受光セ
ンサ６が固定されている。

【０００５】一方、プリズム４の下方には、固定された
テーブル９が設置されている。そして、テーブル９の上
部には、半導体ウェハ２０を保持するための金属ステー
ジ７が設けられている。金属ステージ７は、ステンレス
などの金属から成っている。プリズム４の底面４ａは、
その金属ステージ７の表面と平行な平面（ＸＹ平面）に
対して平行となるように配置されている。従って、金属
ステージ７上に半導体ウェハ２０が載置されると、半導
体ウェハ２０の表面は、プリズム４の底面４ａに対して
ほぼ平行になるように設定されることになる。

【０００６】また、金属ステージ７とテーブル９の内部
には、それぞれ、表面から裏面に抜ける貫通孔７ａ，９
ａが設けられており、それら貫通孔７ａ，９ａはパイプ
１０を介してオイルロータリ真空ポンプ８に接続されて
いる。すなわち、貫通孔７ａ，９ａやパイプ１０によっ
て真空ラインが形成されている。従って、金属ステージ
７上に半導体ウェハ２０を載置してオイルロータリ真空
ポンプ８を運転すると、半導体ウェハ２０が金属ステー
ジ７に吸着される。

【０００７】また、プリズム４の底面４ａにはリング状
の電極１５が取り付けられている。この電極１５の下面
と半導体ウェハ２０の表面との間には、ギャップＧの隔
たりがある。

【０００８】このＣ−Ｖ測定装置では、上記した特開平
４−１３２２３６号公報に詳述されているように、プリ
ズム４の底面４ａで全反射されるレーザ光のトンネル効
果（すなわち、プリズム４の底面４ａと半導体ウェハ２
０の表面との間の距離が短くなると、それらの間にある
空気層に、全反射していたレーザ光が漏れ出してくると
いう現象）を利用することによって、ギャップＧの値を
測定している。

【０００９】圧電アクチュエータ２にはＺ方向位置制御
装置１１が接続されており、Ｚ方向位置制御装置１１か
ら与えられる電圧に応じて架台３をＺ方向（すなわち、
垂直方向）に移動させる。

【００１０】受光センサ６には光量測定器１２が接続さ
れ、電極１５と金属ステージ７にはインピーダンスメー
タ１３がそれぞれ接続されている。インピーダンスメー
タ１３は電極１５と金属ステージ７との間の合成容量を
測定する機器である。

【００１１】Ｚ方向位置制御装置１１と光量測定器１２
とインピーダンスメータ１３は、ホストコントローラ１
４に接続されており、このホストコントローラ１４によ
って測定装置全体の制御や、得られたデータの処理が行
われる。なお、ホストコントローラ１４としては、例え
ばパーソナルコンピュータが用いられる。

【００１２】以上のように構成されたＣ−Ｖ測定装置
は、金属ステージ７上に載置された半導体ウェハ２０に
対し、Ｚ方向位置制御装置１１や光量測定器１２などに
よって電極１５と半導体ウェハ２０との間のギャップＧ
を所定の値に設定しつつ、電極１５と金属ステージ７を
測定電極として、インピーダンスメータ１３などによっ
てＣ−Ｖ測定を行う。

【００１３】従って、このＣ−Ｖ測定装置においては、
半導体ウェハ２０の絶縁膜上に電極を形成しなくても、
Ｃ−Ｖ測定を行うことができるため、Ｃ−Ｖ測定を行う
ために、余分な電極形成工程を追加する必要がない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
の半導体ウェハ電気的測定装置においては、半導体ウェ
ハ２０を金属ステージ７上に載置しているため、半導体
ウェハ２０の裏面は、金属ステージ７の表面、すなわ
ち、金属面に直接接触することになり、半導体ウェハ２
０の裏面がＮｉ，Ｃｒ，Ｆｅなどの金属で汚染されてし
まうという問題があった。

【００１５】このように、半導体ウェハの裏面が金属に
よって汚染されると、例えば、この汚染された半導体ウ
ェハを、他の汚染されていない半導体ウェハと一緒に密
閉された容器内に入れて、加熱した場合、汚染された半
導体ウェハの裏面に付着していた金属が容器内の雰囲気
中に拡散し、その半導体ウェハ自体の表面や他の汚染さ
れていない半導体ウェハの表面に付着して、それら表面
を汚染してしまう。

【００１６】従って、金属によって一度裏面が汚染され
てしまうと、その半導体ウェハは、二度と半導体製品の
製造ラインに戻すことはできない。そのため、上記した
従来の半導体ウェハ電気的測定装置においては、測定対
象として、実製品の半導体ウェハではなく、ダミーの半
導体ウェハを用いていた。

【００１７】しかし、ダミーの半導体ウェハを用いると
なると、製造ラインの各処理工程において、半導体ウェ
ハの各種特性を電気的に測定を行おうとした場合、その
ダミーの半導体ウェハの数は膨大となり、ダミーの半導
体ウェハの購入に要する経費などがかさむといった問題
があった。

【００１８】従って、本発明の目的は、上記した従来技
術の問題点を解決し、半導体ウェハの裏面を金属で汚染
することなく、半導体ウェハの特性を電気的に測定する
半導体ウェハ電気的測定装置を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段及びその作用】上記した目
的を達成するために、請求項１に記載の発明では、ステ
ージ上に半導体ウェハを載置し、少なくとも前記ステー
ジを測定電極の一つとして、前記半導体ウェハの特性を
電気的に測定する半導体ウェハ電気的測定装置におい
て、前記ステージが、導体または抵抗率１Ω・ｃｍ以下
の半導体と、該導体または半導体上に形成された金属汚
染防止膜と、を備え、該金属汚染防止膜で前記半導体ウ
ェハと接触することにより、前記半導体ウェハへの金属
の汚染を防止することを特徴としている。

【００２０】請求項１に記載の発明では、半導体ウェハ
をステージ上に載置した際、半導体ウェハの裏面は、金
属面でなく、金属汚染防止膜に接触することになるた
め、半導体ウェハの裏面が金属で汚染されることがな
く、半導体ウェハへの金属の汚染が防止される。

【００２１】また、請求項２に記載の発明では、請求項
１に記載の半導体ウェハ電気的測定装置において、前記
金属汚染防止膜が、半導体膜、半導体酸化膜、半導体窒
化膜、半導体炭化膜、または、ポリテトラフルオロエチ
レン膜から成ることを特徴としている。

【００２２】このように、金属汚染防止膜を、半導体
膜、半導体酸化膜、半導体窒化膜、半導体炭化膜、また
は、ポリテトラフルオロエチレン膜で構成するようにす
れば、何れの膜も金属単体を含んでいないため、半導体
ウェハの裏面を金属で汚染することがない。また、何れ
の膜も、半導体ウェハに対し悪影響を及ぼす材料ではで
きていないため、半導体ウェハの裏面にその他の汚染を
与えることもない。

【００２３】請求項３に記載の発明では、ステージ上に
半導体ウェハを載置し、少なくとも前記ステージを測定
電極の一つとして、前記半導体ウェハの特性を電気的に
測定する半導体ウェハ電気的測定装置において、前記ス
テージが、抵抗率１Ω・ｃｍ以下の半導体を備え、該半
導体で前記半導体ウェハと接触することを特徴としてい
る。

【００２４】請求項３に記載の発明では、半導体ウェハ
をステージ上に載置した際に、半導体ウェハの裏面は、
金属面ではなく、半導体に接触することになる。半導体
は金属を含んでいないため、半導体ウェハ裏面が金属で
汚染されることはない。また、半導体は半導体ウェハの
主要材料として用いられ得るものであるので、半導体ウ
ェハに対しなんら悪影響を及ぼすことはなく、半導体ウ
ェハの裏面にその他の汚染を与えることもない。また、
上記した半導体は抵抗率が１Ω・ｃｍ以下であるので、
ステージを測定電極として動作させる際にもなんら支障
はない。

【００２５】また、請求項４に記載の発明では、請求項
１，２または３に記載の半導体ウェハ電気的測定装置に
おいて、前記ステージ上に載置された前記半導体ウェハ
の上方に、所定の距離を隔てて配置された電極を備え、
該電極を測定電極の他の一つとすることを特徴としてい
る。

【００２６】このように、半導体ウェハの上方に所定の
距離を隔てて配置された電極を備えることにより、半導
体ウェハ上に電極を形成しなくても、電気的測定を行う
ことができるため、余分な電極形成工程を追加する必要
がない。

【００２７】請求項５に記載の発明では、請求項１乃至
４のうちの任意の一つに記載の半導体ウェハ電気的測定
装置において、前記半導体ウェハを前記ステージに真空
吸着するためのドライ真空ポンプを備えることを特徴と
している。

【００２８】このように、ドライ真空ポンプを用いるこ
とにより、蒸気となったオイル等が真空ポンプから半導
体ウェハの方に向かって真空ライン中を拡散することが
少なくなるため、そのオイル等に含まれるイオンが不純
物イオンとして半導体ウェハの裏面に付着して、半導体
ウェハの裏面を汚染することも少なくなる。

【００２９】請求項６に記載の発明では、請求項５に記
載の半導体ウェハ電気的測定装置において、前記ドライ
真空ポンプから前記半導体ウェハの吸着部分に至る真空
ライン中にトラップを備えることを特徴としている。

【００３０】このように、トラップを真空ライン中に設
けることにより、蒸気となったオイル等が真空ライン内
を半導体ウェハの方に向かって拡散するのを防ぐことが
できるため、半導体ウェハの裏面に付着する不純物イオ
ンの数をさらに少なくすることができ、不純物イオンに
よる半導体ウェハの裏面の汚染をさらに防止することが
できる。

【００３１】

【実施例】では、本発明の一実施例について図面を用い
て説明する。図１は本発明の一実施例としての半導体ウ
ェハ電気的測定装置であるＣ−Ｖ測定装置を概念的に示
した構成図である。

【００３２】図１に示すように、この装置は、固定台１
０１と、固定台１０１の下部に設置された圧電アクチュ
エータ１０２と、圧電アクチュエータ１０２のさらに下
部に設置された架台１０３と、を備えている。架台１０
３の底面には、２つの円錐台をそれぞれ底面を対向させ
て貼り合わせたような形状を成すプリズム１０４が設置
されている。また、架台１０３の一方の斜面にはＧａＡ
ｌＡｓレーザなどのレーザ発振器１０５が固定され、他
方の斜面にはフォトダイオードなどの受光センサ１０６
が固定されている。

【００３３】一方、プリズム１０４の下方には、Ｘ−θ
テーブル１６０が設置されている。そして、Ｘ−θテー
ブル１６０の上部には、半導体ウェハ１２０を保持する
ためのステージ１３０が設けられている。ステージ１３
０は、後ほど詳しく説明するように、金属と、その金属
上に形成された金属汚染防止膜と、から成っている。プ
リズム１０４の底面１０４ａは、そのステージ１３０の
表面と平行な平面（ＸＹ平面）に対して平行となるよう
に配置されている。従って、ステージ１３０上に半導体
ウェハ１２０が載置されると、半導体ウェハ１２０の表
面は、プリズム１０４の底面１０４ａに対してほぼ平行
になるように設定されることになる。

【００３４】また、ステージ１３０とＸ−θテーブル１
６０の内部には、それぞれ、貫通孔１３０ｃ，１６０ａ
が設けられており、それら貫通孔１３０ｃ，１６０ａは
パイプ１１０を介してドライ真空ポンプ１４０に接続さ
れている。そして、真空ラインの一部を形成するパイプ
１１０の間には、トラップ１５０が設けられている。ス
テージ１３０上に半導体ウェハ１２０を載置してドライ
真空ポンプ１４０を運転すると、半導体ウェハ１２０が
ステージ１３０に吸着される。

【００３５】また、プリズム１０４の底面１０４ａには
リング状の電極１１５が取り付けられている。この電極
１１５の下面と半導体ウェハ１２０の表面との間には、
ギャップＧの隔たりがある。

【００３６】このＣ−Ｖ測定装置では、プリズム１０４
の底面１０４ａで全反射されるレーザ光のトンネル効果
（すなわち、プリズム１０４の底面１０４ａと半導体ウ
ェハ１２０の表面との間の距離が短くなると、それらの
間にある空気層に、全反射していたレーザ光が漏れ出し
てくるという現象）を利用することによって、ギャップ
Ｇの値を測定している。

【００３７】また、半導体ウェハ１２０の端部にはオリ
フラ位置検出器１１６が設置されている。オリフラ位置
検出器１１６は、半導体ウェハ１２０の上方に配置され
る発光部１１６ａと下方に配置される受光部１１６ｂと
を備え、半導体ウェハ１２０のオリフラ（オリエンテー
ションフラット）の位置を検出する。

【００３８】圧電アクチュエータ１０２にはＺ方向位置
制御装置１１１が接続されており、Ｚ方向位置制御装置
１１１から与えられる電圧に応じて架台１０３をＺ方向
（すなわち、垂直方向）に移動させる。

【００３９】受光センサ１０６には光量測定器１１２が
接続され、電極１１５とステージ１３０にはインピーダ
ンスメータ１１３がそれぞれ接続されている。インピー
ダンスメータ１１３は電極１１５とステージ１３０との
間の合成容量を測定する機器である。

【００４０】オリフラ位置検出器１１６とＸ−θテーブ
ル１６０にはＸ−θテーブル制御装置１１７が接続され
ており、Ｘ−θテーブル制御装置１１７は、オリフラ位
置検出器１１６によって検出されたオリフラの位置やホ
ストコントローラ１１４からの指令に基づいてＸ−θテ
ーブル１６０を制御する。

【００４１】Ｚ方向位置制御装置１１１と光量測定器１
１２とインピーダンスメータ１１３とＸ−θテーブル制
御装置１１７は、ホストコントローラ１１４に接続され
ており、このホストコントローラ１１４によって測定装
置全体の制御や、得られたデータの処理が行われる。な
お、ホストコントローラ１１４としては、例えばパーソ
ナルコンピュータが用いられる。

【００４２】以上のように構成されたＣ−Ｖ測定装置
は、ステージ１３０上に載置された半導体ウェハ１２０
を、オリフラ位置検出器１１６やＸ−θテーブル１６０
やＸ−θテーブル制御装置１１７などによってＸθ方向
（θ方向については後ほど説明する。）に動かし、電極
１１５と半導体ウェハ１２０との位置合わせを行った
後、Ｚ方向位置制御装置１１１や光量測定器１１２など
によって電極１１５と半導体ウェハ１２０との間のギャ
ップＧを所定の値に設定しつつ、電極１１５とステージ
１３０を測定電極として、インピーダンスメータ１１３
などによってＣ−Ｖ測定を行う。

【００４３】次に、前述したステージ１３０の構成につ
いて説明する。図２は図１のステージ１３０の一部の断
面を示す断面図である。図２に示すようにステージ１３
０は、ステンレスなどの金属１３０ｂと、その金属上に
形成された金属汚染防止膜１３０ａと、で構成されてい
る。

【００４４】ここで、金属汚染防止膜１３０ａは、半導
体膜、半導体酸化膜、半導体窒化膜、半導体炭化膜、ま
たは、ポリテトラフルオロエチレン膜から成る。半導体
膜としては、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇ
ｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、または、インジウム
リン（ＩｎＰ）などが用いられる。また、半導体酸化膜
としては酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などが用いられ、半
導体窒化膜としては窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）などが用
いられ、半導体炭化膜としては炭化シリコン（ＳｉＣ）
などが用いられる。

【００４５】以上のようにステージ１３０を構成するこ
とにより、半導体ウェハ１２０をステージ１３０上に載
置した際に、半導体ウェハ１２０の裏面は、金属面では
なく、金属汚染防止膜１３０ａに接触することになる。
金属汚染防止膜１３０ａは、半導体膜、半導体酸化膜、
半導体窒化膜、半導体炭化膜、または、ポリテトラフル
オロエチレン膜から成り、何れの膜も金属単体を含んで
いないため、半導体ウェハ１２０の裏面が金属で汚染さ
れることはない。また、上記した何れの膜も、半導体ウ
ェハ１２０に対し悪影響を及ぼす材料ではできていない
ため、半導体ウェハ１２０の裏面にその他の汚染を与え
ることもない。

【００４６】ここで、上記のように構成したステージ１
３０を用いることにより、半導体ウェハ１２０の裏面が
金属で汚染されないことを実証した実験結果について説
明する。図３は半導体ウェハの裏面の金属汚染の度合い
を比較する実験の流れを示す流れ図である。

【００４７】まず、半導体ウェハを３枚用意し（ウェハ
ａ，ｂ，ｃとする）、何れのウェハにも前洗浄を行う
（ステップ１）。次に、ウェハａについては、従来の金
属ステージに載置して吸着させ、その状態で１時間放置
する（ステップ２）。また、ウェハｃについては、本実
施例のステージ１３０に載置して吸着させ、その状態で
１時間放置する（ステップ３）。なお、このとき、ステ
ージ１３０の金属汚染防止膜１３０ａは酸化シリコン
（ＳｉＯ₂）から成っている。次に、各々１時間放置し
たウェハａ，ｃを温度１０００℃の乾燥酸素雰囲気中で
酸化させる（ステップ４）。一方、ウェハｂについて
は、前洗浄完了後、そのまま、温度１０００℃の乾燥酸
素雰囲気中で酸化させる（ステップ４）。

【００４８】次に、以上のように酸化させたウェハａ，
ｂ，ｃについて、Ｃ−ｔ法により少数キャリアのライフ
タイムτ_gを測定する（ステップ５）。なお、少数キャ
リアのライフタイムτ_gは金属の汚染量と強い相関関係
があることが、一般に良く知られており、金属の汚染量
が多いと、少数キャリアのライフタイムτ_gは短くな
る。従って、この実験では金属の汚染の度合いを少数キ
ャリアのライフタイムτ_gで評価している。

【００４９】図４はウェハａ，ｂ，ｃについてウェハ内
の各位置における少数キャリアのライフタイムを示す特
性図である。図４において、横軸はウェハの中心を０と
したときのウェハ内の位置を示し、縦軸は少数キャリア
のライフタイムを示す。なお、図４に示すウェハの平面
図内の数字（−６０，０，＋６０，）は上記した横軸の
値と対応している。また、図４において、特性ａはウェ
ハａの、特性ｂはウェハｂの、特性ｃはウェハｃの、そ
れぞれ特性である。

【００５０】図４から明かなように、従来の金属ステー
ジに載置し吸着させたウェハａは、ライフタイムτ_gが
非常に短く、金属の汚染が著しく多い。これに対し、本
実施例のステージ（すなわち、金属汚染防止膜として酸
化シリコンがコーティングされたステージ）に載置し吸
着させたウェハｃは、ライフタイムτ_gが、なんらステ
ージに載置せず金属汚染のないウェハｂと同程度であ
り、金属の汚染がほとんどないことがわかる。

【００５１】ところで、上記した膜のうち、半導体膜を
除く、何れの膜も絶縁膜である。また、半導体膜も、抵
抗率が非常に高い場合には、一種の絶縁膜と考えること
ができる。従って、ステージ１３０が測定電極として働
く場合、半導体ウェハ１２０の裏面は実質的電極である
金属１３０ｂに直接接せずに、絶縁膜を介して接するこ
とになる。

【００５２】しかし、このように、半導体ウェハ１２０
の裏面が実質的電極である金属１３０ｂに直接接しなく
とも、ステージ１３０の動作上なんら問題はない。図５
は図１の電極１１５とステージ１３０との間の構造及び
電気的等価回路を示す説明図である。図５（ａ）に示す
ように、半導体ウェハ１２０が例えばシリコン基板（Ｓ
ｉ）１２０ｂとその上に形成されたシリコン酸化膜（Ｓ
ｉＯ₂）１２０ａとで構成されている場合、電極１１５
とステージ１３０との間の高周波容量性結合を考える
と、その電気的等価回路は図５（ｂ）に示す如くにな
る。

【００５３】すなわち、電極１１５と半導体ウェハ１２
０との間に存在する空気の容量値をＣａｉｒ、シリコン
酸化膜１２０ａの容量値をＣｏｘ、シリコン基板１２０
ｂ内に生じる空乏層の容量値をＣｄ、絶縁膜である金属
汚染防止膜１３０ａの容量値をＣとすると、電気的等価
回路はそれら容量の直列接続として表わされる。なお、
上記した各容量値は単位面積当たりの容量値である。

【００５４】ここで、金属汚染防止膜１３０ａの厚さが
薄く、容量値Ｃが他の容量値Ｃａｉｒ，Ｃｏｘ，Ｃｄに
比べて十分大きい場合（すなわち、Ｃ＞＞Ｃａｉｒ，Ｃ
ｏｘ，Ｃｄである場合）には、上記した直列接続の合成
容量値において、容量値Ｃはほとんど無視できる。従っ
て、上述したように、半導体ウェハ１２０の裏面が実質
的電極である金属１３０ｂに直接接しなくとも、ステー
ジ１３０の動作上なんら問題はない。

【００５５】そこで、次に、金属汚染防止膜１３０ａの
厚さについて説明する。例えば、半導体ウェハ１２０が
６インチウェハ〔面積は約（７．５×７．５×３．１
４）ｃｍ²〕である場合に、半導体ウェハ１２０と接す
る部分の金属汚染防止膜１３０ａの容量値を１００ｎＦ
以上となるようにするには、金属汚染防止膜１３０ａの
単位面積当たりの容量値Ｃを０．５７ｎＦ以上とすれば
良い。

【００５６】一方、金属汚染防止膜１３０ａの比誘電率
をε_Sとし、真空の誘電率をε₀（＝８．８５×１０^-14
Ｆ／ｃｍ）とすると、図２に示す金属汚染防止膜１３０
ａの厚さｔは、ｔ＝ε_S・ε₀／Ｃ ……（数１）と表わされる。

【００５７】ここで、金属汚染防止膜１３０ａがシリコ
ン（Ｓｉ）、すなわち、ポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓ
ｉ）である場合は、ポリシリコンの比誘電率ε_Sが約１
１．８であるので、金属汚染防止膜１３０ａの単位面積
当たりの容量値Ｃを０．５７ｎＦ以上とするためには、
数１から、金属汚染防止膜１３０ａの厚さｔを１８μｍ
以下とすれば良い。

【００５８】また、金属汚染防止膜１３０ａが酸化シリ
コン（ＳｉＯ₂）である場合は、酸化シリコンの比誘電
率ε_Sが約３．９であるので、数１から、金属汚染防止
膜１３０ａの厚さｔを６μｍ以下とすれば良い。

【００５９】また、金属汚染防止膜１３０ａが窒化シリ
コン（Ｓｉ₃Ｎ₄）である場合は、窒化シリコンの比誘電
率ε_Sが約７．５であるので、数１から、金属汚染防止
膜１３０ａの厚さｔを１１．５μｍ以下とすれば良い。

【００６０】また、金属汚染防止膜１３０ａがポリテト
ラフルオロエチレンである場合は、ポリテトラフルオロ
エチレンの比誘電率ε_Sが約２．１であるので、数１か
ら、金属汚染防止膜１３０ａの厚さｔを３．３μｍ以下
とすれば良い。

【００６１】さて、前述したように、ステージ１３０上
に載置された半導体ウェハ１２０は、その後、ステージ
１３０に吸着される。この際、従来では、図１４に示し
たように、オイルロータリ真空ポンプ８によって吸着し
ていた。そのため、オイルロータリ真空ポンプ８に使用
されるオイルが蒸気となって真空ライン内を半導体ウェ
ハの方に向かって拡散し、そのオイルに含まれるイオン
（例えば、Ｎａ⁺，Ｋ⁺など）が不純物イオンとして半導
体ウェハの裏面に付着して、半導体ウェハの裏面を汚染
してしまうという問題があった。

【００６２】これに対し、本実施例では、オイルロータ
リ真空ポンプを用いず、その代わりに、ドライ真空ポン
プ１４０を用いるようにしている。ここで、ドライ真空
ポンプとは、オイルや液体を使用しないで気密性を保つ
真空ポンプを言う。すなわち、ドライ真空ポンプ１４０
を用いることにより、蒸気となったオイル等が半導体ウ
ェハの方に向かって拡散することが少なくなるため、半
導体ウェハの裏面に付着する不純物イオンの数も少なく
なる。なお、ドライ真空ポンプ１４０としては、例え
ば、ダイアフラム型ドライ真空ポンプやベロー型ドライ
真空ポンプなどがある。

【００６３】図６は図１のドライ真空ポンプの具体例を
概略的に示した断面図であり、（ａ）はダイアフラム型
ドライ真空ポンプを、（ｂ）はベロー型ドライ真空ポン
プを、それぞれ示す。

【００６４】ダイアフラム型ドライ真空ポンプはダイア
フラム（ゴムの薄膜）１４５の往復運動を利用して真空
排気を行うものであり、ベロー型ドライ真空ポンプはベ
ロー１４６の伸縮運動を利用して真空排気を行うもので
ある。何れの真空ポンプも、ピストン１４４が往復運動
することにより、弁１４３が交互に開閉してパイプ１１
０につながった吸気口１４１から空気が吸い出され、排
気口１４２から大気中に排気される。

【００６５】ところで、本実施例では、さらに、蒸気と
なったオイル等が真空ライン内を半導体ウェハの方に向
かって拡散するのを防ぐために、真空ラインの一部であ
るパイプ１１０の間にオイルトラップ１５０を設けてい
る。ここで、トラップとは、望ましくない気体や蒸気の
分圧を物理的または化学的方法で減少させるとともに、
その流れや移動を防ぐための装置を言う。

【００６６】図７は図１のオイルトラップ１５０の具体
例を概略的に示した斜視図である。図７（ａ）に示すよ
うに、オイルトラップ１５０は円筒形を成しており、Ａ
側をドライ真空ポンプ１４０側に、Ｂ側を半導体ウェハ
１２０側に、配置するようにする。オイルトラップ１５
０内は、図７（ｂ）に示すような多孔質のフィルタ（各
孔の直径は約０．０５μｍ）１５１を多段に重ねた構造
となっている。なお、このようなフィルタ１５１の代わ
りに、活性炭などの吸着剤の充填されたカートリッジを
用いるようにしても良い。

【００６７】以上のようなオイルトラップ１５０を真空
ライン中に設けることにより、蒸気となったオイル等が
真空ライン内を半導体ウェハの方に向かって拡散するの
を防ぐことができるため、半導体ウェハの裏面に付着す
る不純物イオンの数をさらに少なくすることができ、不
純物イオンによる半導体ウェハの裏面の汚染を防止する
ことができる。

【００６８】ここで、上記のようなオイルトラップ１５
０を用いることにより、半導体ウェハ１２０の裏面が不
純物イオンで汚染されないことを実証した実験結果につ
いて説明する。この実験では、まず、半導体ウェハを３
枚用意する（ウェハａ，ｂ，ｃとする）。次に、ウェハ
ａについては、真空ライン中にトラップを設けていない
ドライ真空ポンプを使ってステージに吸着させる。ウェ
ハｃについては、真空ライン中にトラップを設けたドラ
イ真空ポンプを使ってステージに吸着させる。

【００６９】次に、これらウェハａ，ｃについて、Ｃ−
Ｖ測定を行い、その測定結果であるＣ−Ｖ特性のフラッ
トバンド電圧からウェハの酸化膜中の電荷量Ｎ_fbを求め
る。すなわち、この実験では、不純物イオンの汚染の度
合いを酸化膜中の電荷量Ｎ_fbで評価しており、一般に、
不純物イオンの汚染量が多いほど酸化膜中の電荷量が多
くなる。なお、ウェハｂについては、そのまま、酸化膜
中の電荷量を求める。

【００７０】図８はウェハａ，ｂ，ｃについてウェハ内
の各位置における酸化膜中の電荷量を示す特性図であ
る。図８において、横軸はウェハの中心を０としたとき
のウェハ内の位置を示し、縦軸は酸化膜中の電荷量を示
す。なお、図８に示すウェハの平面図内の数字（−６
０，０，＋６０，）は上記した横軸の値と対応してい
る。また、図８において、特性ａはウェハａの、特性ｂ
はウェハｂの、特性ｃはウェハｃの、それぞれ特性であ
る。

【００７１】図８から明かなように、オイルトラップを
設けていないドライ真空ポンプで吸着させたウェハａ
は、酸化膜中の電荷量Ｎ_fbがある程度あり、不純物イオ
ンによる汚染が若干あるのに対し、オイルトラップを設
けたドライ真空ポンプで吸着させたウェハｃは、酸化膜
中の電荷量Ｎ_fbがウェハａより少なく、ウェハｂと同程
度であり、不純物イオンによる汚染がほとんどないこと
が分かる。

【００７２】以上のように、本実施例によれば、半導体
ウェハ１２０をステージ１３０上に載置しても半導体ウ
ェハ１２０の裏面が金属で汚染されることがなく、ま
た、ステージ１３０に吸着させても裏面が不純物イオン
で汚染されることがないため、電気的測定を終了した後
は、半導体ウェハ１２０をステージ１３０から取り外し
て、再び半導体製品の製造ラインに戻すことができる。

【００７３】従って、本実施例においては、測定対象と
して、実製品の半導体ウェハを用いることができるた
め、ダミーの半導体ウェハを用いなくても済み、ダミー
の半導体ウェハの購入に要する経費を抑えることができ
る。

【００７４】さて、このように、測定対象として実製品
の半導体ウェハを用いる場合、電気的測定を行うための
テストパターンを、半導体ウェハ１２０の一部の領域に
形成するようにする。このようなテストパターンは、予
めフォトマスクパターンの所望の箇所にそれに対応した
パターンを配置しておけば、半導体ウェハが製造ライン
を経ることによって自動的に形成できる。

【００７５】図９は図１の半導体ウェハ１２０の一部に
形成されたテストパターンを示す説明図である。図９に
おいて、（ａ）はテストパターン１２３の形成された半
導体ウェハ１２０を上方から見て示した平面図、（ｂ）
は（ａ）に示すテストパターンの一部の断面を拡大して
示した断面図である。

【００７６】本実施例では、図９（ａ）に示すように、
他の多数の製品チップ１２２に混じって、半導体ウェハ
１２０の中心部にテストパターン１２３を形成してい
る。なお、テストパターン１２３は１つの半導体ウェハ
に１つと限る必要はなく、複数形成しても構わない。

【００７７】なお、図９（ｂ）に示すように、テストパ
ターン１２３の測定部分の寸法ｎは、電極１１５の取り
付けられたプリズム１０４の底面１０４ａの直径ｍより
も、大きくすることが好ましい。なぜなら、製品となる
半導体ウェハの表面は、既にエッチングなどにより削り
取られて１μｍ以上の凹凸が形成されているため、測定
部分の寸法ｎが余り小さいと、測定を行う際に、プリズ
ム１０４の底面１０４ａがその凹凸に接触してしまうか
らである。

【００７８】ところで、このように半導体ウェハ１２０
の一部の領域にテストパターン１２３を形成し、そのテ
ストパターン１２３を用いて電気的測定を行う場合、そ
のテストパターン１２３の真上に電極１１５が来るよう
に、ＸＹ方向において、電極１１５とテストパターン１
２３との位置合わせを行うことが好ましい。

【００７９】そこで、本実施例では、ステージ１３０上
に載置された半導体ウェハ１２０を、オリフラ位置検出
器１１６やＸ−θテーブル１６０やＸ−θテーブル制御
装置１１７などによってＸθ方向に動かし、電極１１５
と半導体ウェハ１２０のテストパターン１２３との位置
合わせを行っている。

【００８０】図１０は図１のＸ−θテーブル１６０の具
体的な構成を示す構成図であり、（ａ）は上方から見て
示した平面図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ方向断面図であ
る。Ｘ−θテーブル１６０は、Ｘ方向に移動可能なテー
ブル１６１を備えている。すなわち、テーブル１６１
は、左右両端がローラ１６５を介してリニアガイド１６
４に支持されており、ローラ１６５が回転自在であるた
め、リニアガイド１６４に沿って移動可能となってい
る。

【００８１】また、テーブル１６１の内部には、Ｘ方向
にボールネジ１６３が貫通する孔が設けられており、そ
の孔の内壁にはボールネジ１６３と噛み合うようにネジ
切りが施されている。また、ボールネジ１６３はリニア
ガイド１６４と平行に配置されており、そのボールネジ
１６３の一端にはボールネジ１６３を回転駆動するため
のパルスモータ１６２が取り付けられている。

【００８２】さらに、テーブル１６１の内部には、Ｚ方
向に回転軸１６８が貫通する孔が設けられており、回転
軸１６８はその孔にベアリングなどを介して回転自在に
取り付けられている。回転軸１６８の上端にはステージ
１３０が固定されており、従って、ステージ１３０は回
転軸１６８とともにその軸回り方向、すなわちθ方向に
回転可能となっている。

【００８３】また、テーブル１６１の底面には回転軸１
６８を回転駆動するためのパルスモータ１６７が取り付
けられている。パルスモータ１６７と回転軸１６８とは
１組の笠歯車によって結合されている。また、回転軸１
６８の内部には真空吸着を行うための貫通孔が開いてお
り、その孔はパイプ１１０に接続されている。

【００８４】従って、パルスモータ１６２によってボー
ルネジ１６３を回転駆動することにより、テーブル１６
１はＸ方向に搬送されることになる。また、パルスモー
タ１６７によって回転軸１６８を回転駆動することによ
り、ステージ１３０はθ方向に回転されることになる。

【００８５】では、電極１１５と半導体ウェハ１２０の
テストパターン１２３との位置合わせ動作について説明
する。半導体ウェハ１２０がステージ１３０上に載置さ
れドライ真空ポンプ１４０によって吸着されると、ま
ず、パルスモータ１６７によってステージ１３０ととも
に半導体ウェハ１２０が回転する。このとき、半導体ウ
ェハ１２０の端部には図１に示すようにオリフラ位置検
出器１１６が設置されており、このオリフラ位置検出器
１１６によって半導体ウェハ１２０のオリフラの位置を
検出する。

【００８６】図１１は図１のオリフラ位置検出器１１６
によって半導体ウェハ１２０のオリフラの位置を検出す
る方法を説明するための説明図である。すなわち、半導
体ウェハ１２０のオリフラ１２１が、図１１（ａ）に示
すようにオリフラ位置検出器１１６の設置場所以外の場
所に位置する場合には、オリフラ位置検出器１１６にお
いて、発光部１６１ａから出射された光は半導体ウェハ
１２０によって遮られるため、受光部１６１ｂに入射さ
れない。しかし、オリフラ１２１が、図１１（ｂ）に示
すようにオリフラ位置検出器１１６の設置場所に位置す
る場合には、発光部１６１ａから出射された光は半導体
ウェハ１２０によって遮られることなく、受光部１６１
ｂに入射される。従って、オリフラ１２１がオリフラ位
置検出器１１６の設置場所に位置したかどうかを検出す
ることができる。

【００８７】次に、オリフラ位置検出器１１６の設置場
所と、半導体ウェハ１２０上においてオリフラ１２１に
対するテストパターン１２３の位置は、それぞれ、既知
であるため、図１に示すホストコントローラ１１４は、
Ｘ−θテーブル制御装置１１７を介してＸ−θテーブル
１６０を制御して、電極１１５に対して半導体ウェハ１
２０をＸθ方向に動かし、電極１１５と半導体ウェハ１
２０のテストパターン１２３との位置合わせを行う。

【００８８】さて、以上説明した実施例では、ステージ
１３０のベース部分に、金属１３０ｂを用いていたが、
本発明は金属に限るものではない。すなわち、ステージ
１３０が測定電極として正常に動作するものであれば良
く、ベース部分に、他の導体や、抵抗率１Ω・ｃｍ以下
の半導体を用いても良い。

【００８９】また、以上説明した実施例では、電極１１
５と半導体ウェハ１２０に形成されたテストパターン１
２３との位置合わせを、半導体ウェハ１２０のオリフラ
１２１の位置を検出することにより行っていたが、本発
明は、これに限るものではなく、テストパターン１２３
の片隅に予めマークを付けておき、そのマークを検出す
ることによって行うようにしても良い。

【００９０】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。本実施例が、図１に示した実施例と異なる点は、半
導体ウェハ１２０を載置するステージの構成である。図
１２は本発明の他の実施例としての半導体ウェハ電気的
測定装置において用いられるステージの一部の断面を示
す断面図である。図１２に示すようにステージ１７０
は、抵抗率１Ω・ｃｍ以下の半導体１７０ａで構成され
ている。

【００９１】ここで、半導体１７０ａとしては、シリコ
ン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（Ｇ
ａＡｓ）、または、インジウムリン（ＩｎＰ）などが用
いられる。

【００９２】以上のようにステージ１７０を構成するこ
とにより、半導体ウェハ１２０をステージ１７０上に載
置した際に、半導体ウェハ１２０の裏面は、金属面では
なく、半導体１７０ａに接触することになる。半導体１
７０ａは金属を含んでいないため、半導体ウェハ１２０
の裏面が金属で汚染されることはない。また、半導体１
７０ａは、半導体ウェハ１２０の主要材料として用いら
れ得るものであるので、半導体ウェハ１２０に対しなん
ら悪影響を及ぼすことはなく、半導体ウェハ１２０の裏
面にその他の汚染を与えることもない。

【００９３】また、半導体１７０ａは抵抗率が１Ω・ｃ
ｍ以下であるので、図１２に示すように、半導体１７０
ａのみでステージ１７０を構成しても、ステージ１７０
を測定電極として動作させる際になんら支障はない。

【００９４】図１３は図１２のステージ１７０の別の具
体例を示す断面図である。この具体例のように、ステー
ジ１７０を、金属１７０ｂと、その上に配置された抵抗
率１Ω・ｃｍ以下の半導体１７０ａと、で構成しても、
上記したのと同様の効果を得ることができる。なお、金
属１７０ｂの代わりに、他の導体を用いてもなんら構わ
ない。

【００９５】以上のように、本実施例によれば、半導体
ウェハ１２０をステージ１７０上に載置しても半導体ウ
ェハ１２０の裏面が金属で汚染されることがないため、
電気的測定を終了した後は、半導体ウェハ１２０をステ
ージ１７０から取り外して、再び半導体製品の製造ライ
ンに戻すことができる。

【００９６】従って、本実施例においても、測定対象と
して、実製品の半導体ウェハを用いることができるた
め、ダミーの半導体ウェハを用いなくても済み、ダミー
の半導体ウェハの購入に要する経費を抑えることができ
る。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明によれば、半導体ウェハをステージ上に載置した
際、半導体ウェハの裏面は金属汚染防止膜に接触するこ
とになるため、半導体ウェハの裏面が金属で汚染される
ことがなく、半導体ウェハへの金属の汚染が防止され
る。

【００９８】また、請求項２に記載の発明によれば、半
導体膜、半導体酸化膜、半導体窒化膜、半導体炭化膜、
または、ポリテトラフルオロエチレン膜の何れの膜も金
属を含んでいないため、半導体ウェハの裏面を金属で汚
染することがない。

【００９９】また、請求項３に記載の発明によれば、半
導体ウェハをステージ上に載置した際に、半導体ウェハ
の裏面は半導体に接触することになるため、半導体ウェ
ハ裏面が金属で汚染されることはない。また、上記した
半導体は抵抗率が１Ω・ｃｍ以下であるので、ステージ
を測定電極として動作させる際にもなんら支障はない。

【０１００】また、請求項４に記載の発明によれば、引
用する請求項に記載の発明と同様の効果を奏する他、半
導体ウェハ上に電極を形成しなくても電気的測定を行う
ことができるため、余分な電極形成工程を追加する必要
がない。

【０１０１】また、請求項５に記載の発明によれば、引
用する請求項に記載の発明と同様の効果を奏する他、ド
ライ真空ポンプを用いることにより、蒸気となったオイ
ル等が真空ポンプから半導体ウェハの方に向かって真空
ライン中を拡散することが少なくなるため、そのオイル
等に含まれるイオンが不純物イオンとして半導体ウェハ
の裏面に付着して、半導体ウェハの裏面を汚染すること
も少なくなる。

【０１０２】また、請求項６に記載の発明によれば、ト
ラップを真空ライン中に設けることにより、蒸気となっ
たオイル等が真空ライン内を半導体ウェハの方に向かっ
て拡散するのを防ぐことができるため、半導体ウェハの
裏面に付着する不純物イオンの数をさらに少なくするこ
とができ、不純物イオンによる半導体ウェハの裏面の汚
染をさらに防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての半導体ウェハ電気的
測定装置であるＣ−Ｖ測定装置を概念的に示した構成図
である。

【図２】図１のステージ１３０の一部の断面を示す断面
図である。

【図３】半導体ウェハの裏面の金属汚染の度合いを比較
する実験の流れを示す流れ図である。

【図４】ウェハａ，ｂ，ｃについてウェハ内の各位置に
おける少数キャリアのライフタイムを示す特性図であ
る。

【図５】図１の電極１１５とステージ１３０との間の構
造及び電気的等価回路を示す説明図である。

【図６】図１のドライ真空ポンプの具体例を概略的に示
した断面図である。

【図７】図１のオイルトラップ１５０の具体例を概略的
に示した斜視図である。

【図８】ウェハａ，ｂ，ｃについてウェハ内の各位置に
おける酸化膜中の電荷量を示す特性図である。

【図９】図１の半導体ウェハ１２０の一部に形成された
テストパターンを示す説明図である。

【図１０】図１のＸ−θテーブル１６０の具体的な構成
を示す構成図である。

【図１１】図１のオリフラ位置検出器１１６によって半
導体ウェハ１２０のオリフラの位置を検出する方法を説
明するための説明図である。

【図１２】本発明の他の実施例としての半導体ウェハ電
気的測定装置において用いられるステージの一部の断面
を示す断面図である。

【図１３】図１２のステージ１７０の別の具体例を示す
断面図である。

【図１４】従来の半導体ウェハ電気的測定装置であるＣ
−Ｖ測定装置を概念的に示した構成図である。

【符号の説明】

１…固定台２…圧電アクチュエータ３…架台４…プリズム４ａ…底面５…レーザ発振器６…受光センサ７…金属ステージ７ａ，９ａ…貫通孔８…オイルロータリ真空ポンプ９…テーブル１０…パイプ１１…Ｚ方向位置制御装置１２…光量測定器１３…インピーダンスメータ１４…ホストコントローラ１５…電極２０…半導体ウェハ１０１…固定台１０２…圧電アクチュエータ１０３…架台１０４…プリズム１０４ａ…底面１０５…レーザ発振器１０６…受光センサ１１０…パイプ１１１…Ｚ方向位置制御装置１１２…光量測定器１１３…インピーダンスメータ１１４…ホストコントローラ１１５…電極１１６…オリフラ位置検出器１１６ａ…発光部１１６ｂ…受光部１１７…Ｘ−θテーブル制御装置１２０…半導体ウェハ１２０ａ…シリコン酸化膜１２０ｂ…シリコン基板１２１…オリフラ１２２…製品チップ１２３…テストパターン１３０…ステージ１３０ａ…金属汚染防止膜１３０ｂ…金属１３０ｃ，１６０ａ…貫通孔１４０…ドライ真空ポンプ１４１…吸気口１４２…排気口１４３…弁１４４…ピストン１４５…ダイアフラム１４６…ベロー１５０…オイルトラップ１５１…フィルタ１６０…Ｘ−θテーブル１６１…テーブル１６２…パルスモータ１６３…ボールネジ１６４…リニアガイド１６５…ローラ１６７…パルスモータ１６８…回転軸１７０…ステージ１７０ａ…半導体１７０ｂ…金属Ｇ…ギャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き審査官川端修 (56)参考文献特開平２−248062（ＪＰ，Ａ) 特開平６−168998（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/66

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ステージ上に半導体ウェハを載置し、少
なくとも前記ステージを測定電極の一つとして、前記半
導体ウェハの特性を電気的に測定する半導体ウェハ電気
的測定装置であって、前記ステージは、導体または抵抗率１Ω・ｃｍ以下の半
導体で構成される導体部と、該導体部上に形成された金
属汚染防止膜と、を備え、該金属汚染防止膜で前記半導
体ウェハと接触することにより、前記半導体ウェハへの
金属の汚染を防止することを特徴とする半導体ウェハ電
気的測定装置。
【請求項２】請求項１に記載の半導体ウェハ電気的測
定装置において、前記金属汚染防止膜は、半導体膜、半導体酸化膜、半導
体窒化膜、半導体炭化膜、または、ポリテトラフルオロ
エチレン膜から成ることを特徴とする半導体ウェハ電気
的測定装置。
【請求項３】ステージ上に半導体ウェハを載置し、少
なくとも前記ステージを測定電極の一つとして、前記半
導体ウェハの特性を電気的に測定する半導体ウェハ電気
的測定装置であって、前記ステージは、抵抗率１Ω・ｃｍ以下の半導体で構成
される半導体部を備え、該半導体部で前記半導体ウェハ
と接触することを特徴とする半導体ウェハ電気的測定装
置。
【請求項４】請求項１，２または３に記載の半導体ウ
ェハ電気的測定装置において、前記ステージ上に載置された前記半導体ウェハの上方
に、所定の距離を隔てて配置された電極を備え、該電極
を測定電極の他の一つとすることを特徴とする半導体ウ
ェハ電気的測定装置。
【請求項５】請求項１乃至４のうちの任意の一つに記
載の半導体ウェハ電気的測定装置において、さらに、前記半導体ウェハを前記ステージに真空吸着す
るためのドライ真空ポンプを備えることを特徴とする半
導体ウェハ電気的測定装置。
【請求項６】請求項５に記載の半導体ウェハ電気的測
定装置において、前記ドライ真空ポンプから前記半導体ウェハの吸着部分
に至る真空ライン中にトラップを備えることを特徴とす
る半導体ウェハ電気的測定装置。