JP5418877B2

JP5418877B2 - ４探針抵抗率測定装置

Info

Publication number: JP5418877B2
Application number: JP2008283382A
Authority: JP
Inventors: 敏之長沼; 和彦盛田
Original assignee: Kokusai Electric Semiconductor Service Inc
Current assignee: Kokusai Electric Semiconductor Service Inc
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2028-11-04
Also published as: JP2010114146A

Description

この発明は、半導体ウェハの抵抗率等を測定する４探針抵抗率測定装置に関し、特に、４探針プローブの鉛直方向の位置補正を行う４探針抵抗率測定装置に関する。

近年、半導体の広い普及を背景に、半導体ウェハの測定装置についても多くの課題が要されており、これに対する技術が広く知られている。
特許文献１は、４探針抵抗率測定装置であり、ウェハを円盤状回転ステージに搭載して回転させ、４探針プローブまたは膜厚センサヘッドをウェハの半径方向に移動して配置することで、抵抗率測定や膜厚測定を行なうことができる技術が開示されている。

特開２００５−３１１００９号公報

しかし、特許文献１の従来技術は、特にウェハを載置するステージを取り付けた場合に、ウェハ中央で鉛直方向の位置あわせを行っているが、ステージのねじの締め付けやプローブの取り付け方により、ステージに微妙な傾きが生じ、プローブとウェハの接触がウェハ全面で均一性が取れていない。これが原因で、測定の精度が悪くなるという問題がある。

本発明は、プローブとウェハの接触を均一化して抵抗率の測定精度を向上する４探針抵抗率測定装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための一実施形態は、
ウェハ上の被検薄膜の抵抗率を検出する４探針プローブと、
前記４探針プローブを鉛直方向に駆動する駆動部と、
前記４探針プローブの鉛直方向の位置情報を検出する検出部と、
前記ウェハを載置するためのステージを回転する回転駆動部と、
前記ステージの回転角を検出する角度検出部と、
前記駆動部、前記回転駆動部、前記検出部及び前記角度検出部を用いて、前記ウェハ上の複数箇所において前記４探針プローブが前記ウェハに接触する鉛直方向の位置情報を検出して記憶し、前記ウェハ上の被検薄膜の抵抗率を測定する際に、記憶した複数の位置情報に基いて前記４探針プローブの鉛直方向の位置を補正した後に測定する制御部と、
を具備することを特徴とする４探針抵抗率測定装置である。

ステージの傾きによるプローブとウェハの接触位置のばらつきを検出し、検出結果に従って補正することにより、ウェハ上のどの位置でもプローブとウェハの接触の圧力が均一となるので、正確な抵抗率測定結果を得ることができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の一例を示すブロック図、図２は機械的構成の一例、図３はステージを中心とした機械的構成の一例を示す上面図及び側面図である。

本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置１０は、全体の動作を制御する制御部１１と、ウェハ上の被検薄膜の抵抗率を測定するプローブ１２と、このプローブ１２を水平方向に駆動するプローブ水平駆動部１４と、プローブ水平駆動部１４に制御信号を供給するプローブ水平制御部２１と、このプローブ１２を鉛直方向に駆動するプローブ上下駆動部（パルスモータ）１５と、プローブ上下駆動部１５に制御信号を供給するプローブ上下制御部２２と、プローブ上下制御部２２に接続され後述するプローブ１２の降下量や測定プログラムを記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）２６を有している。

さらに、４探針抵抗率測定装置１０は、ウェハを載置するステージ１６と、このステージ１６の回転角を検知する図示しないエンコーダを有しており、ステージ１６を回転駆動するステージ駆動部１８と、ステージ駆動部１８に制御信号を供給するステージ制御部２３と、プローブ１２に測定のための電流を供給し、ウェハ上の被検薄膜からの測定電流を受けて抵抗率を検出する測定部２４と、ウェハをステージ１６に移動したりステージ１６から退避させたりするウェハ搬送部２５と、後述するプローブ１２の降下量や測定プログラムを記憶するＲＡＭ３４と、同じくプローブ１２の降下量等を格納するデータベースファイル３３と、降下量や測定結果を画面に表示する表示部３１と、ユーザの操作を受ける操作部３２を有している。

図２及び図３において、ステージ１６は、伝動ベルト１７を介してステージ駆動部１８により回転される。また、ステージ１６は、４つのねじ４１により伝動軸にとりつけられる。その後、ウェハＷがステージ１６に載置され、図３で示すバキューム穴１９を介してバキュームを行いウェハＷを吸着させることで、ウェハＷがステージ１６に固定される。

しかし、この４つのねじ４１の締め付け加減により、ステージ１６は、必ずしも水平にはならない。図４に示すように、例えばウェハＷの右端と左端とでは、プローブ１２とウェハＷとの接触位置が異なってくる。その結果、プローブ１２とウェハＷとの接触する圧力が異なってくることが原因で、ウェハＷ上の被検薄膜の抵抗率の測定結果が異なってきてしまう。

このような構成をもつ４探針抵抗率測定装置１０は、次のような手順で、ウェハＷ上の被検薄膜の抵抗率などを測定する。すなわち、４探針抵抗率測定装置１０は、ユーザによる操作部３２の操作により、制御部１１が操作信号を受けると、ウェハ搬送部２５によりステージ１６上にウェハを搬送する。そして、ＲＡＭ３４等に格納された抵抗率測定メニュに従って、ウェハＷ上の複数の測定ポイントに対して、順番にプローブ１２を必要な補正量を加えた降下量だけ降下させて、ウェハＷに接触させる。そして、測定部２４からの測定電流をプローブ１２を介してウェハＷ上の被検薄膜に供給し、プローブ１２がウェハＷ上の被検薄膜から電流を検出すると、測定部２４はこの値を測定し制御部１１に供給する。制御部１１は、この測定電流に基づいてウェハＷの抵抗率を求め、その抵抗率をＲＡＭ３４またはデータベースファイルに格納すると共に、表示部３１に表示する。

（降下量測定処理）
次に、上述した４探針抵抗率測定装置１０において、降下量測定処理及びプローブ１２の鉛直方向の位置補正処理をフローチャートを用いて説明する。図９は、降下量を測定する手順の一例を示すフローチャート、図１０は、測定した降下量を用いて、抵抗率の各測定ポイントの抵抗率の測定を行う手順の一例を示すフローチャートである。

なお、以下の図９、図１０のフローチャートの各ステップは、回路ブロックに置き換えることができ、従って、各フローチャートのステップは、全て回路ブロックに定義しなおすことが可能である。
すなわち、４探針抵抗率測定装置１０は、一例として、ステージ１６を取り付けた際に、ユーザの操作部３２の操作により、降下量測定モードとなり、ユーザはウェハやステージ１６のサイズに合わせて測定ポイントを選択し決定する（ステップＳ１１）。測定ポイントは、図５の説明図に示すように、例えば、３００ｍｍウェハであれば、原点に加え、３０度刻みに、半径１５０ｍｍにおいて、３０ｍｍ刻みのポイント、すなわち、３０ｍｍ、６０ｍｍ、９０ｍｍ、１２０ｍｍ、１４９ｍｍの合計６１箇所のポイントについて、プローブ１２の降下量を測定する場合が好適である。また、ウェハＷの大きさに従い、例えば、ウェハＷが４５０ｍｍなら、９１箇所のポイントについて、プローブ１２の降下量を測定することになる。

なお、他の方法として、一定角度刻みに測定を行うのではなく、図６に示すように、ｘ座標、ｙ座標方向に対し、一定間隔刻み、例えば、１０ｍｍ、２０ｍｍ刻み等の位置において、測定ポイントを設定することも好適である。この場合、プローブ１２の水平方向の駆動手段として、プローブ水平駆動部１４だけでなく、プローブ水平駆動部１４の駆動方向に垂直方向の駆動方向をもつもう１つのプローブ水平駆動部を設けて、ｘ方向、ｙ方向にプローブ１２を駆動することが好適である。

そして、初めに、制御部１１の制御下において、ステージ制御部２３からの制御信号によりステージ駆動部１８の角度を先に決定した角度（はじめは０度）にあわせる（ステップＳ１２）。次に、制御部１１の制御下において、プローブ水平制御部２１からの制御信号によりプローブ水平駆動部１４によりプローブ１２の位置を先に決定した移動距離（３０ｍｍ、６０ｍｍ‥等）にあわせるべく直線移動する（ステップＳ１３）。

次に、制御部１１の制御下において、プローブ上下制御部２２からの制御信号（パルス信号）によりプローブ上下駆動部１５を徐々に降下させ、プローブ１２からの測定信号が測定部２４において検知したかどうか（通電があったかどうか、或いは、測定値が所定値に達したかどうか）を検知し、検知した時点でプローブ１２がウェハＷの被検薄膜に接触したとして、この時点でのプローブ上下駆動部１５に与えたパルス信号の数を降下量として記憶する（ステップＳ１４）。

次に、制御部１１は、予定の移動量を全て移動して測定を続け、全ての角度で完了するまで測定を行う（ステップＳ１５，Ｓ１６）。

制御部１１は、このようにして測定した降下量を用いて、抵抗率を測定すべき測定ポイントにおける鉛直方向の降下量を決定する。また、抵抗率を測定すべき測定ポイントが、上記した降下量を求めたポイント以外にも存在する場合には、当該ポイントの降下量を以下のような手順により推定する。

すなわち、図１０のフローチャートにおいて、制御部１１は、抵抗率測定メニュから「抵抗率測定ポイント」を取得する（ステップＳ２１）。そして、制御部１１は、各抵抗率測定ポイントを囲む４点の「降下量測定値」をＲＡＭ３４またはデータベースファイル３３から読み出す（ステップＳ２２）。次に、制御部１１は、読み出した４点の「降下量測定値」に基づき、「抵抗率測定ポイント」における降下量を求める（ステップＳ２３）。

すなわち、図８に示すように、制御部１１は、ｐｂ１、ｐｂ２、ｐｃ１、ｐｃ２の４点で囲まれる範囲内のポイントｐｓの降下量を求める。ｐｓ位置の原点からの距離、角度情報は、ＲＡＭ２６に与えられている。
以下、ポイントＰＳにおける降下量の算出について説明する。ここでは、ポイントＰＳを７０度、５０ｍｍの位置とし、図７に示した４点の測定値に基づいて求めるものとする。はじめに、制御部１１は、ｐｂ１とｐｃ１を結ぶ線上の５０ｍｍ位置の降下量（パルス数）を比例配分で計算する。この直線の式を求めると、ｙ＝｛（５０２−５０５）／（６０−３０［ｍｍ］）｝＊（ｘ−３０［ｍｍ］）＋５０５となる。従って、ｘ＝５０の位置では、ｙ＝（−３／３０）＊２０＋５０５、すなわちｙ＝５０３となる（図８（ｂ））。

同様にｐｂ２とｐｃ２についてもこの直線の式を求めると、
ｙ＝｛（５０９−５０６）／（６０−３０［ｍｍ］）｝＊（ｘ−３０［ｍｍ］）＋５０６
となる。ｘ＝５０の位置ではｙ＝５０８となる。従って、図上のＹ１、Ｙ２における降下量は、（５０３）、（５０８）となる。
次に、制御部１１は、Ｙ１、Ｙ２の値を角度で比例配分してｐｓ位置の補正データを求める（ステップＳ２４）。

式は、ｙ＝｛（５０８−５０３）／（９０−６０［ｄｅｇ］）｝＊（ｘ−６０）＋５０３
となり、ｘ＝７０の場合、ｙ＝５０４．７となる。パルス数に小数点はないので、降下量としてのパルス数は小数点以下を四捨五入して、５０５となる（図８（ｃ））。
なお、前述したように、ウェハｗは、バキュームによってステージ上に固定されるため、ゆがみが生じる場合がある。すなわち、ウェハＷの表面は、厳密には平面とはならない。従って、ポイントＰＳを囲むポイントＰＳに最も近い４点の測定値を用いて降下量を求めることが好ましい。
図１０のフローチャートの説明に戻ると、制御部１１は、抵抗率測定メニュが示す全ての「抵抗率測定ポイント」の降下量を算出したかどうかを判断し（ステップＳ２５）、算出していなければ、ステップＳ２２から再び処理を繰り返す。制御部１１が、抵抗率測定メニュが示す全ての「抵抗率測定ポイント」の降下量を算出したと判断すれば、各「抵抗率測定ポイント」において、算出した降下量に従ってプローブ１２を下降させ、ウェハＷ上の各抵抗率を測定する（ステップＳ２６）。これにより、ウェハＷ上の各「抵抗率測定ポイント」において、その凹凸に従ってプローブ１２の位置が補正されるため、同一の圧力によりプローブ１２が被検薄膜に接触することとなり、ウェハ上のどの位置でもプローブとウェハの接触の圧力が均一となるので、正確な抵抗率測定結果を得ることができる。
なお、プローブ上下駆動部１５は、パルスモータに限られるものではなく、また、降下量はパルス数に代えて実際の移動距離（［ｍｍ］など）で表現してもよい。さらに、ある基準測定ポイント（例えば原点）や、ある基準の降下量との差分を用い、降下量を補正値として表現してもよい。

以上記載した様々な実施形態は複数同時に実施することが可能であり、これらの記載により、当業者は本発明を実現することができるが、更にこれらの実施形態の様々な変形例を思いつくことが当業者によって容易であり、発明的な能力をもたなくとも様々な実施形態へと適用することが可能である。従って、本発明は、開示された原理と新規な特徴に矛盾しない広範な範囲に及ぶものであり、上述した実施形態に限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の一例を示すブロック図。本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の機械的構成の一例を示す上面図及び側面図。ステージを中心とした機械的構成の一例を示す上面図及び側面図。降下量が生じる状況を説明する説明図。ステージ上の降下量を測定する測定ポイントの一例を示す説明図。ステージ上の降下量を測定する測定ポイントの他の一例を示す説明図。プローブの降下量としてのパルス数の一例を示す説明図。測定した４点の降下量に基づいて、抵抗率を測定するポイントの降下量を算出する過程を説明する説明図。降下量を測定する手順の一例を示すフローチャート。測定した降下量を用いて、抵抗率の各測定ポイントのプローブの降下量を算出し補正した上で抵抗率の測定を行う手順の一例を示すフローチャート。

符号の説明

１０…４探針抵抗率測定装置、１１…制御部、１２…プローブ、１４…プローブ水平駆動部、１５…プローブ上下駆動部、１６…ステージ、１８…ステージ駆動部、２０…記憶部、２１…プローブ水平制御部、２２…プローブ上下制御部、２３…ステージ駆動制御部、２４…測定部、２５…ウェハ駆動部、３１…表示部、３２…操作部、３３…データベースファイル、３４…ＲＡＭ。

Claims

ウェハ上の被検薄膜の抵抗率を検出する４探針プローブと、
前記４探針プローブを鉛直方向に駆動する駆動部と、
前記４探針プローブの鉛直方向の位置情報を検出する検出部と、
前記ウェハを載置するためのステージを回転する回転駆動部と、
前記ステージの回転角を検出する角度検出部と、
前記駆動部、前記回転駆動部、前記検出部及び前記角度検出部を用いて、前記ウェハ上の複数箇所において前記４探針プローブが前記ウェハに接触する鉛直方向の位置情報を検出して記憶し、前記ウェハ上の被検薄膜の抵抗率を測定する際に、記憶した複数の位置情報に基いて前記４探針プローブの鉛直方向の位置を決定して測定する制御部と、
を具備することを特徴とする４探針抵抗率測定装置。
前記制御部は、前記記憶した複数の位置情報のうち、前記ウェハ上の被検薄膜の抵抗率を測定する位置を取り囲む複数の位置情報に基いて、前記４探針プローブの鉛直方向の位置を決定することを特徴とする請求項１に記載の４探針抵抗率測定装置。