JP5463540B2 - ４探針抵抗率測定装置及び４探針抵抗率測定方法 - Google Patents

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、抵抗率の測定の再現性の異常を判断する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公報

しかし、特許文献１の従来技術は、４探針抵抗率測定装置において、ブローブとウェハとの接触具合やプローブ針先の状態、または、ウェハそのものが原因となり、測定再現性が低下するという使用上の課題に対して、何らの記載も示していない。
本発明は、抵抗率測定の再現性の異常を検出する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第１の態様は、４探針プローブを用いてウェハ上の被検薄膜の抵抗率を示す値を測定する測定部と、前記ウェハ上の被検薄膜への前記４探針プローブの接触位置を移動させる移動手段と、前記測定部の測定結果を画面に表示する表示部と、前記測定部と前記移動手段を制御して、前記ウェハ上の被検薄膜の複数の測定位置において複数回、前記抵抗率を示す値の測定を行い、測定した抵抗率を示す値のばらつきを示す値が所定値以上であり、かつ、測定した抵抗率を示す値またはそれらの比が所定値以下である場合、前記表示部を制御して前記ウェハの交換を促す表示をする制御部と、を具備することを特徴とするものである。
また第２の態様は、前記制御部が、測定した抵抗率を示す値のばらつきを示す値が所定値以上であり、かつ、測定した抵抗率を示す値またはそれらの比が所定値を超える場合に、前記表示部を制御して前記４探針プローブの交換または前記４探針プローブの動作パラメータの変更を促す表示をするようにしたものである。

ウェハの被検薄膜上の複数の測定位置における複数回の抵抗率の測定結果の偏差率を求め、この偏差率の平均（すなわち、ばらつき程度）に基づいて抵抗値測定の再現性異常を判断し表示することで、測定の品質を管理し改善することができる。

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はプローブの周辺の機械的構成の一例である。
本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置は、以下に詳述するように、ウェハの被検薄膜上の複数の測定位置において、複数回の抵抗率の測定を行い、これらの測定結果の偏差および偏差率を求め、この偏差率の平均（すなわち、ばらつき程度）に基づいて、抵抗値測定の再現性異常を判断して表示部に表示する。これにより、抵抗率測定の再現性異常をユーザに認識させ、改善させることができる。なお、測定対象は、同一の成膜処理を施した複数毎のウェハであってもよい。

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、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、測定結果や測定プログラム等を記憶するＲＡＭ３４と、測定結果等を格納するデータベースファイル３３と、測定結果等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において、プローブ１２に搭載された４探針ユニット１３は、プローブ上下駆動部１５を降下することで、ステージ１６に載置されたウェハＷの被検薄膜に接触する。

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に搭載された４探針ユニット１３が降下され、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。また、制御部１１は、測定再現性判断部を有しており、後述するようにウェハＷ上の被検薄膜の複数の測定位置における複数回の測定結果に基づいて、偏差率σの平均値Ａｖｅ（σ_Ｎ）を求め、この値に基づいて測定再現性の異常の有無を判断してその判断結果を表示部３１に表示する。

（測定再現性判断処理）
次に、上述した４探針抵抗率測定装置１０において、測定再現性判断処理をフローチャートを用いて詳細に説明する。４探針抵抗率測定器は、同一ウェハ（または同一プロセスで成膜された複数ウェハ）を複数回測定しても、同じ結果が得られる性能（以降、測定再現性と呼ぶ）を必要とされている。図３及び図４は、４探針抵抗率測定装置における測定方法の一例を示す説明図、図５は測定結果の一例を示す説明図、図６は測定結果の偏差率の一例を示す説明図である。図７及び図８は、４探針抵抗率測定装置の測定再現性判断処理の一例を示すフローチャートである。

４探針抵抗率測定装置１０は、一例として、ユーザによる操作部３２の操作により専用の動作モードを選択し起動することで、測定再現性判断処理を開始する。すなわち、制御部１１及び測定部２４は、ウェハ搬送部２５によりステージ１６上に搬送されたウェハに対して、ＲＡＭ３４等に格納された測定再現性判断処理のための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に搭載された４探針ユニット１３を降下しウェハＷに接触させる。

制御部１１及び測定部２４は、はじめに、図３に示すようにプローブ１２の針先をウェハＷに接触させ、針１−針４の針間に電流Ｉを流し、針２−針３の針間で電圧Ｖａ＋を測定する。また、制御部１１及び測定部２４は、針４−針１の針間に電流を流し、針２−針３の針間で電圧Ｖａ−を測定する。制御部１１及び測定部２４は、Ｖａ＋の絶対値とＶａ−の絶対値の平均値Ｖａを求め、抵抗値Ｒａ＝Ｖａ／Ｉを求める。

また、制御部１１及び測定部２４は、測定精度を高めるために、図４に示すようにプローブ１２の針先をウェハＷに接触させ、針１−針３の針間に電流Ｉを流し、針２−針４の針間で電圧Ｖｂ＋を測定する。また、制御部１１及び測定部２４は、針３−針１の針間に電流を流し、針２−針４の針間で電圧Ｖｂ−を測定する。制御部１１及び測定部２４は、Ｖｂ＋の絶対値とＶｂ−の絶対値の平均値Ｖｂを求め、抵抗値Ｒｂ＝Ｖｂ／Ｉを求める（ステップＳ１１）。抵抗値Ｒａと抵抗値Ｒｂの測定は、プローブ１２をウェハＷに接触させたまま、連続して行われる。従って、「Ｒａ／Ｒｂ」の算出は、同一試料の同一箇所で測定した値を用いて行われる。

次に、制御部１１及び測定部２４は、そこから探針間隔補正係数Ｋａを一例として次式を用いて求める（ステップＳ１２）。
Ｋａ＝−１４．６９６＋２５．１７３×（Ｒａ／Ｒｂ）−７．８７２（Ｒａ／Ｒｂ）^２
すなわち、４探針プローブの探針間隔は、等しい値になるように調整されているが、実際にはウェハに接触したときの間隔は、軸受けのガタにより変動が生じる。探針間隔の変動は、測定した電圧Ｖａと電圧Ｖｂに反映され、ひいてはそれらによる抵抗値Ｒａ、抵抗値Ｒｂ、探針間隔補正係数Ｋａ、偏差率σに反映される。従って、探針間隔補正係数Ｋａを用いて偏差率σを算出することにより、探針間隔の変動があっても、その変動による測定器の誤差を少なくすることができる。

次に、制御部１１及び測定部２４は、シート抵抗の抵抗値Ｒを、Ｒ＝Ｋａ×Ｒａにより算出する（ステップＳ１３）。
これら、電流Ｉａ、電圧Ｖａ＋、電圧Ｖａ−、絶対値の平均値Ｖａ、抵抗値Ｒａ、電流Ｉｂ、電圧Ｖｂ＋、電圧Ｖｂ−、絶対値の平均値Ｖｂ、抵抗値Ｒｂ、探針間隔補正係数Ｋａ、抵抗値Ｒの値の一例が、測定位置ごとに図５の表に示されている。

ここで、制御部１１の測定再現性判断部は、各測定位置における偏差率σを図６のように算出し、次に、各測定位置における偏差率σの平均値Ａｖｅ（σ_Ｎ）＝（σ_１＋σ_２＋σ_３＋…＋σ_Ｎ）／Ｎを算出する（ステップＳ１４）。
また、ここで、操作部３２を操作して、測定再現性を確認したい測定結果を画面から選択し、分析する指示を行うことで、制御部１１は、図５に示す測定値一覧と、測定再現性の程度を示す偏差率σの平均値Ａｖｅ（σ_Ｎ）を表示部３１に表示する（図５の例では、“０．０３”を表示部３１に表示している）。ここで、制御部１１は、横軸を測定点、縦軸を測定値とした折れ線グラフを比較に用いた基準値と共に表示部３１に表示することで、視覚的にオペレータに再現性の状態を伝える。

このとき、制御部１１は、偏差率σの平均値Ａｖｅ（σ_Ｎ）と基準値を比較して、測定再現性に異常があるかどうかを判断する（ステップＳ１５）。そして、再現性に異常があると判断された場合は、例えば、
『複数の位置において複数回の測定の結果、偏差率σの平均値に基づいて、測定再現性に異常があると判断されました』等の表示を表示部３１に行う。

同時に、制御部１１は、異常電圧値の個数及び抵抗値Ｒａ，Ｒｂの相関の異常の個数を表として表示部３１に表示する。
すなわち、制御部１１は、印加電圧から、正の電圧Ｖ＋、負の電圧Ｖ−を求め、Ｖ＝｜Ｖ＋｜−｜Ｖ−｜を計算し、その絶対値｜Ｖ｜が基準値を超えた場合、異常電圧値と判断して、その個数を図６に示すように表示部に表示する。さらに、制御部１１は、Ｒａ，Ｒｂ相関、すなわち、『Ｒｂ／Ｒａ』の各値が基準の範囲を越える場合、これを異常な抵抗値としてその個数を図６に示すように表示部３１に表示する。

制御部１１は、偏差率σの平均値Ａｖｅ（σ_Ｎ）に基づいて、再現性異常を判断したら（ステップＳ１６）、基準値を超える「Ｒｂ／Ｒａ」が存在するかどうかを判断する（ステップＳ１７）。制御部１１は、基準値を超える「Ｒｂ／Ｒａ」が存在する場合は、プローブ異常または測定パラメータの不適切と判断し、プローブ交換またはパラメータ（例えば、プローブの押し込み量や押し込み速度）変更を促す表示を行う（ステップＳ１８）。

さらに、制御部１１は、プローブの交換または測定パラメータの変更後、再び測定を行い、それでも再現性異常と判断できた場合、ウェハ異常と判断してこれを表示する（ステップＳ１９）。
制御部１１は、ステップＳ１７で基準値を超える「Ｒｂ／Ｒａ」が存在しないと判断した場合は、ウェハが異常と判断し、ウェハ交換を促す表示を行う（ステップＳ２０）。そして、制御部１１は、ウェハを交換して、再び測定を行い、それでも再現性異常と判断できた場合、プローブ異常または測定パラメータの不適切と判断してこれを表示する（ステップＳ２１）。

これ以外の方法として、制御部１１は、図８のフローチャートに示すように、偏差率σの平均値Ａｖｅ（σ_Ｎ）に基づいて再現性異常を判断したら（ステップＳ１６）、基準値を超える電圧値「Ｖ」が存在するかどうかを判断する（ステップＳ１７−２）。制御部１１は、基準値を超える「Ｖ」が存在する場合は、プローブ異常または測定パラメータの不適切と判断し、プローブ交換またはパラメータ変更を促す表示を行う（ステップＳ１８）。

さらに、制御部１１は、プローブの交換または測定パラメータの変更後、再び測定を行い、それでも再現性異常と判断できた場合、ウェハ異常と判断してこれを表示する（ステップＳ１９）。
制御部１１は、ステップＳ１７−２で基準値を超える「Ｖ」が存在しないと判断した場合は、ウェハが異常と判断し、ウェハ交換を促す表示を行う（ステップＳ２０）。そして、制御部１１は、ウェハを交換して、再び測定を行い、それでも再現性異常と判断できた場合、プローブ異常または測定パラメータの不適切と判断してこれを表示する（ステップＳ２１）。
このように、本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置においては、上述したように、ウェハの被検薄膜上の複数の測定位置における複数回の抵抗率の測定結果の偏差率σ_Ｎを求め、この偏差率の平均値Ａｖｅ（σ_Ｎ）が基準値を越えている場合に抵抗値測定の再現性異常を判断し表示することで、測定の品質を管理しユーザに改善させる機会を与えることができる。

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。 同じく４探針抵抗率測定装置のプローブの周辺の機械的構成の一例を示す上面図及び側面図。 ４探針抵抗率測定装置における測定方法の一例を示す説明図。 ４探針抵抗率測定装置における他の測定方法の一例を示す説明図。 ４探針抵抗率測定装置における測定結果の一例を示す説明図。 ４探針抵抗率測定装置における測定結果の偏差率の一例を示す説明図。 ４探針抵抗率測定装置の測定再現性判断処理の一例を示すフローチャート。 ４探針抵抗率測定装置の測定再現性判断処理の他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 (4)

1. ４探針プローブを用いてウェハ上の被検薄膜の抵抗率を示す値を測定する測定部と、
   前記ウェハ上の被検薄膜への前記４探針プローブの接触位置を移動させる移動手段と、
   前記測定部の測定結果を画面に表示する表示部と、
   前記測定部と前記移動手段を制御して、前記ウェハ上の被検薄膜の複数の測定位置において複数回、前記抵抗率を示す値の測定を行い、測定した抵抗率を示す値のばらつきを示す値が所定値以上であり、かつ、測定した抵抗率を示す値またはそれらの比が所定値以下である場合に、前記表示部を制御して前記ウェハの交換を促す表示をする制御部と、を具備することを特徴とする４探針抵抗率測定装置。
2. 前記制御部は、測定した抵抗率を示す値のばらつきを示す値が所定値以上であり、かつ、測定した抵抗率を示す値またはそれらの比が所定値を超える場合に、前記表示部を制御して前記４探針プローブの交換または前記４探針プローブの動作パラメータの変更を促す表示を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。
3. 前記制御部は、前記４探針プローブを構成する４本の針の中から異なる二組の２本の針を用いて前記抵抗率を示す二つの値を算出すると共に、前記抵抗率を示す二つの値に基づいて前記ばらつきを示す値を算出し、前記ばらつきを示す値が所定値以上であり、かつ、前記抵抗率を示す二つの値の比が所定値以下の場合に、前記表示部を制御して前記ウェハの交換を促す表示をすることを特徴とする請求項１または２に記載の４探針抵抗率測定装置。
4. ４探針プローブを用いてウェハ上の被検薄膜の抵抗率を示す値を測定する測定部と、前記ウェハ上の被検薄膜への前記４探針プローブの接触位置を移動させる移動手段と、前記測定部の測定結果を画面に表示する表示部と、制御部とを備えた４探針抵抗率測定装置が実行する４探針抵抗率測定方法であって、
   前記制御部が、前記測定部と前記移動手段を制御して、前記ウェハ上の被検薄膜の複数の測定位置において複数回、前記抵抗率を示す値の測定を行う過程と、
   前記制御部が、前記測定された抵抗率を示す値のばらつきを示す値が所定値以上であり、かつ、測定された抵抗率を示す値またはそれらの比が所定値以下の場合に、前記表示部を制御して前記ウェハの交換を促す表示をする過程と
   を具備することを特徴とする４探針抵抗率測定方法。

Images