JP5463543B2 - 半導体ウェーハ抵抗率測定装置及び測定方法 - Google Patents

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及び測定方法に関する。

半導体ウェーハ抵抗率測定装置は、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、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。）。上記半導体ウェーハ抵抗率測定装置は、測定結果が各半導体製造装置プロセス条件へフィードバックされ、半導体デバイスの品質を均一に保ための重要な測定装置の一つである。

抵抗率測定装置の測定対象になっている半導体ウェーハには様々な表面材質のものがある。これらの半導体ウェーハの抵抗率を測定するにあたっては、シリコン、金属などの測定対象の材質及び固有の抵抗率の値などに応じて４探針プローブの先端部の材質、先端部曲率半径、先端部が半導体ウェーハに加える荷重量、接触時の下降速度等が測定対象に適合するように、探針の材質、先端半径、荷重及び下降速度を適切に設定しなければならない。

特開２００５−３１１００９号公報

しかし、近年においては、半導体ウェーハの薄膜化に伴い、４探針プローブの荷重及び下降速度によって制御される半導体ウェーハとの接触状態により、測定値が変動し、信頼性のある真値を得ることが困難になってきている。また、４探針プローブの荷重及び下降速度の調整は専門の技術者が行っており、調整に時間が掛かるという問題がある。また、半導体製造ラインでは多値多様なウェーハが生産され、半導体ウェーハ種毎に荷重及び下降速度の細かな調整が必要になっている。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、半導体ウェーハの種類に対応した４探針プローブの荷重量制御及び下降速度制御について調整の最適化を自動で行うことができ、専門の技術者でなくてもユーザが簡便に最適化を行うことが可能であり、信頼性のある抵抗率を測定することができる半導体ウェーハ抵抗率測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、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であって、前記半導体ウェーハの抵抗率又はシート抵抗値を測定する際、プローブ上下駆動部により駆動制御される４探針プローブが前記半導体ウェーハに接触するまでの下降速度及び該半導体ウェーハに対する荷重量を自動的に設定する自動設定手段を備え、
前記自動設定手段は、予め任意に設定された荷重量範囲及び下降速度範囲において、前記下降速度を設定最小値に固定した状態で前記荷重量を設定最小値から設定最大値まで順次増加し各荷重量毎に予め設定した測定種目について測定を行って最適な荷重量を決定する荷重量決定手段と、前記４探針プローブ荷重量を前記荷重量決定手段で決定された最適値に固定した状態で前記下降速度を設定最小値から設定最大値まで順次増加し各下降速度毎に予め設定した測定種目について測定を行って最適な下降速度を決定する下降速度決定手段とを具備し、前記測定種目には、前記４探針プローブに流す電流の極性を変えたときの電圧差の測定が含まれることを特徴とする。
第２の発明は、前記第１の発明に係る半導体ウェーハ抵抗率測定装置において、前記測定種目には、前記半導体ウェーハの同一箇所において抵抗率又はシート抵抗値を複数回測定したときの再現性の測定が含まれることを特徴とする。
第３の発明に係る半導体ウェーハ抵抗率測定方法は、予め任意に設定された半導体ウェーハに対する４探針プローブの荷重量範囲及び下降速度範囲において、前記下降速度を設定最小値に固定した状態で前記荷重量を設定最小値から設定最大値まで順次増加し各荷重量毎に前記４探針プローブに流す電流の極性を変えたときの電圧差の測定が含まれる測定種目について測定を行って最適な荷重量を決定し、前記４探針プローブ荷重量を前記荷重量決定手段で決定された最適値に固定した状態で前記下降速度を設定最小値から設定最大値まで順次増加し各下降速度毎に予め設定した前記測定種目について測定を行って最適な下降速度を決定することを特徴とする。

本発明によれば、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、半導体ウェーハの抵抗率を測定する際、４探針抵抗率測定器の４探針プローブが半導体ウェーハに接触するまでの下降速度及び該半導体ウェーハに対する荷重量を自動的に設定する自動設定手段を備えることにより、半導体ウェーハの種類に対応した４探針プローブの荷重量制御及び下降速度制御について調整の最適化を自動で行うことができ、専門の技術者でなくてもユーザが簡便に最適化を行うことが可能であり、信頼性のある抵抗率を測定することができる。

本発明の実施例１に係る半導体試料の抵抗率測定装置の構成例を示すブロック図である。 同実施例１におけるプローブ上下駆動部と４探針プローブと半導体ウェーハと測定ステージ部分の構成を示す外観図である。 同実施形態における４探針プローブと半導体ウェーハ部分の構成図である。 同実施例１における探針の荷重量、上下駆動カムの回転角度と半導体ウェーハへの荷重となるばね応力の関係を示した実験値を表すグラフである。 同実施例１におけるデュアルコンフィグレーション方式によるステップ１の測定方式を示す図である。 同実施例１におけるデュアルコンフィグレーション方式によるステップ２の測定方式を示す図である。 同実施例１における４探針プローブの荷重量と下降速度の決定方法を示すフローチャートである。 （ａ）は下降速度を一定値値に固定し、荷重量を所定の範囲内で順次変化させた場合の測定結果例を示す図、（ｂ）は同図（ａ）の結果に順位及び点数を付け（付点）、最も測定結果の良好であった荷重量を決定する場合の例を示す図である。 （ａ）は図８（ｂ）で決定した荷重量に固定し、下降速度を設定範囲内で順次変化させた場合の測定結果例を示す図、（ｂ）は図９（ａ）の結果に順位及び点数を付け（付点）、最も測定結果の良好であった下降速度を決定する場合の例を示す図である。

以下、本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は本発明の実施例１に係る半導体ウェーハ抵抗率測定装置の全体の構成を示すブロック図である。
この実施例１に係る半導体ウェーハ抵抗率測定装置は、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１３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４探針プローブ１４と、該４探針プローブ１４に接続されて半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定する計測部１５と、上記４探針プローブ１４を上下方向に移動させるプローブ上下駆動部１６と、該プローブ上下駆動部１６と４探針プローブ１４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、測定点の位置を指定すると共に、４探針プローブ１４が複数である場合に当該複数の４探針プローブの何れかを指定する制御情報を入力する操作部１８と、測定点の位置や測定した結果の抵抗率などのデータを表示する表示部１９と、制御情報に従って上記回転駆動部１３とプローブ水平駆動部１７とプローブ上下駆動部１６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４探針プローブ１４を接触させる制御部２０とを備えている。なお、上記制御部２０には、電源部２１から所定の動作電源が供給される。

上記制御部２０は、プローブ上下駆動部１６により駆動される４探針プローブ１４が半導体ウェーハ１２に接触するまでの下降速度及び該半導体ウェーハ１２に対する荷重量を自動的に設定する自動設定手段を備える。以下、プローブ上下駆動部１６の構成及び該プローブ上下駆動部１６に対する制御部２０の制御動作について詳細に説明する。

図２は図１におけるプローブ上下駆動部１６と４探針プローブ１４と半導体ウェーハ１２と測定ステージ１１部分の構成を示す外観図である。
１６ａはプローブ上下駆動部１６の一部位であり、４探針プローブ１４が取付けられるプローブ取付金具である。

１６ｂはプローブ上下駆動部１６の一部位であり、プローブ取付金具１６ａに一体化されたプローブ上下駆動力を受けるカム受けである。
１６ｃはプローブ上下駆動部１６の一部位であり、該プローブ上下駆動部１６に垂直方向に静荷重を与える十分な質量を有する１つの重りである。

１６ｄはプローブ上下駆動部１６の一部位であり、ステッピングモータ１６ｅの軸に連結され、かつ、カム受け１６ｂの先端部と常に接触状態を保つことによって、重り１６ｃの重さを含むプローブ取付金具１６ａの重さをステッピングモータ１６ｅの軸上で支える上下動カムである。例えば偏心された円形カム形状を有し、回転角度によってカム受け１６ｂを上下移動させることのできる上下駆動カムである。

１６ｅはプローブ上下駆動部１６の一部位であり、プローブ取付金具１６ａに支持されたカム受け１６ｂと、当該プローブ取付金具１６ａとは独立する支持部材に上下駆動カム１６ｄと軸結合され、制御部２０から指令される制御情報に従い任意の回転角度の位置で回転・停止することができるステッピングモータである。

以上の構成により半導体ウェーハ１２の種類に適切なプローブに加える荷重とプローブ上下移動速度を有した制御情報に従ってプローブ上下駆動部１６を制御し、４探針プローブ１４と半導体ウェーハ１２の適切な接触を実現して半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定する。

図３は４探針プローブ１４と半導体ウェーハ１２部分の構成を示し、４探針プローブ１４は内部構成を示している。
図３において、４探針プローブ１４には探針１４ａが常に半導体ウェーハ１２の表面に接触されるように十分な荷重がかけられている。４探針プローブ１４はプローブ上下駆動部１６によって上下位置制御が行われるように作用するので、板ばね１４ｂと探針１４ａの上端接触部は上下位置に応じて板ばね１４ｂがばね定数に従ってたわみが生じ、上方に押し上げられることになり、最終的には板ばね１４ｂのばね応力のみで探針１４ａと半導体ウェーハ１２との押し圧が決まり、所定の荷重量に停止される。

半導体ウェーハ１２に接触した探針１４ａは、リード１４ｃを経由して計測部１５（図１参照）へ接続される電気回路を構成し、半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定することができる。
図４は探針１４ａの荷重量、上下駆動カム１６ｄの回転角度と半導体ウェーハ１２への荷重となるばね応力の関係を示した実験値を表すグラフである。

この実験値は、Ｙ軸として荷重の変化と板ばね１４ｂのたわみから求められる第２のＸ軸として荷重量（単位ｍｍ）の変化から得られ、上下駆動カム１６ｄの回転角度と荷重量（単位ｍｍ）との関係を予め実験し、図４の第２のＸ軸が得られる。

以上により、ステッピングモータ１６ｅを制御し、荷重量を調節することにより探針先端の針圧（荷重）を正確に自由に制御することができる。
直列配列の４探針プローブ１４による測定方式として、デュアルコンフィグレーション方式がある。
図５はデュアルコンフィグレーション方式のステップ１を示している。
先ず、図５（ａ）に示すように定電流源３３により４探針プローブ１４の探針１−４間に電流Ｉを流して探針２−３間の電圧Ｖaを電圧計３４にて測定する。このとき探針と試料（半導体ウェーハ１２）間の整流性によるエラーを除去するため、図５（ｂ）に示すように定電流源３３による印加電流Ｉの極性を替えて測定し、その平均値を求める。ここで、探針１→４間に電流Ｉを流したときの探針２−３間の電圧を“Ｖa+”とする。また、探針４→１間に電流Ｉを流したときの電圧を“Ｖa-”とする。このとき“Ｖa+”と“Ｖa-”の電圧の差が小さいほど、探針と半導体ウェーハ１２の接触状態が良好であると判断することができる。

このステップ１での抵抗値Ｒaは次式（１）で計算する。
Ｒa＝Ｖa／Ｉ＝（（｜Ｖa+｜＋｜Ｖa-｜）／２）／Ｉ ・・・（１）
図６はデュアルコンフィグレーション方式のステップ２を示している。
先ず、図６（ａ）に示すように定電流源３３により４探針プローブ１４の探針１−３間に電流Ｉを流して探針２−４間の電圧Ｖbを電圧計３４にて測定する。このとき探針と試料（半導体ウェーハ１２）間の整流性によるエラーを除去するため、図６（ｂ）に示すように定電流源３３による印加電流Ｉの極性を替えて測定し、その平均値を求める。ここで、探針１→３間に電流Ｉを流したときの探針２−４間の電圧を“Ｖb+”とする。また、探針３→１間に電流Ｉを流したときの電圧を“Ｖb-”とする。このとき“Ｖb+”と“Ｖb-”の電圧の差が小さいほど、探針と半導体ウェーハ１２の接触状態が良好であると判断することができる。

ステップ２での抵抗値Ｒｂは次式（２）で計算する。
Ｒb＝Ｖb／Ｉ＝（（｜Ｖb+｜＋｜Ｖb-｜）／２）／Ｉ ・・・（２）
次に探針間隔補正係数Ｋaは、次式（３）により計算する。
Ｋa＝114.696＋25.173(Ｒa／Ｒb)−7.872(Ｒa／Ｒb)^２ ・・・（３）
そして、シート抵抗ρｓは、次式（４）により計算する。
ρｓ＝Ｋa＊Ｒa ・・・（４）
４探針プローブ１４の探針間隔は等しくなるように調整されているが、実際に軸受けの精度などにより微細な変動が発生する。デュアルコンフィグレーション方式では、探針間隔の変動は、測定電圧ＶaとＶbに反映され、それらによる計算値Ｒa，Ｒb，Ｋa，ρｓに反映され、探針間隔の変動があってもその変動による測定値の誤差を補正することができる。

次に４探針プローブ１４の荷重量と下降速度の決定方法を図７に示すフローチャートに従って説明する。
最初に、４探針プローブ１４の接触条件の範囲を任意の値、例えば荷重量を０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ、下降速度を１．０ｍｍ／ｓ〜４．０ｍｍ／ｓに設定する（ステップＳ１）。次に下降速度は最低設定である１．０ｍｍ／ｓに固定し、荷重量は任意に設定した最小値（０．１ｍｍ）より設定する（ステップＳ２）。

次に測定を開始し、任意に設定した荷重量の範囲を＋０．１ｍｍ毎に繰り返して測定する（ステップＳ３、Ｓ４）。すなわち、最初に設定した荷重量により測定結果を取得し、その後、＋０．１ｍｍ毎に測定を設定範囲まで繰り返したかどうかを判定し（ステップＳ４）、設定範囲まで終了していなければステップＳ３に戻り、荷重量を＋０．１ｍｍ加算して測定を行う。そして、ステップＳ４において、荷重量を＋０．１ｍｍ毎に設定範囲まで繰り返して測定したと判定されると、設定範囲毎の測定結果を分析して最適な荷重量を決定する（ステップＳ５）。各値の良否は、以下の判定基準に従って行う。
σ／平均値：再現性を本計算式で定義する。
Ｖa差：図５のステップ１で測定される極性反転時の電圧差が小さいこと。
Ｖb差：図５のステップ２で測定される極性反転時の電圧差が小さいこと。
Ｒa：図５のステップ１の式（１）で計算される抵抗値Ｒaの再現性が最小であること。
Ｒb：図５のステップ１の式（２）で計算される抵抗値Ｒbの再現性が最小であること。
Ｋa：式（３）で計算する探針間隔補正係数の再現性が最小であること。

次に各値に対して最良のデータより順位及び点数を付けて総合的に評価し、最適な荷重量を決定する。
次に、上記ステップＳ２〜Ｓ５で決定した荷重量を固定し、下降速度を１．１ｍｍ／ｓより、任意に設定したスピード範囲を＋１．０ｍｍ／ｓ毎に繰り返し測定する（ステップＳ６〜Ｓ８）。そして、ステップＳ８において、下降速度を＋１．０ｍｍ毎に設定範囲まで繰り返して測定したと判定されると、上記ステップＳ５と同様の判定方法で設定範囲毎の測定結果を分析して最適な下降速度を決定する（ステップＳ９）。

図８（ａ）は下降速度を１．０ｍｍ／ｓに固定し、荷重量を０．１〜０．６ｍｍまで設定した場合の測定結果例を示す図である。この例では各設定毎に半導体ウェーハ近傍０．１ｍｍ間隔に１０回連続測定したときと同一点を１０回連続測定したときの測定結果の再現性及び電圧差を計算する。

図８（ｂ）は、上記図８（ａ）の結果に順位及び点数を付け、最も測定結果の良好であった荷重量を決定する場合の過程を示している。この場合、荷重量の最適値は、付点が最小値となる。従って、図８（ｂ）から付点が最小値「２３」となっている荷重量０．５ｍｍが最適な設定であると判定することができる。

図９（ａ）は、図８（ｂ）で決定した荷重量０．５ｍｍに固定し、下降速度を１．０ｍｍ／ｓから４．０ｍｍ／ｓまで設定した場合の測定結果例を示す図である。図８と同様に各設定毎に半導体ウェーハ近傍０．１ｍｍ間隔に１０回連続測定したときと同一点を１０回連続測定したときの測定結果を計算する。

図９（ｂ）は、上記図９（ａ）の結果に順位及び点数を付け、最も測定結果の良好であった下降速度を決定する場合の過程を示している。この場合、下降速度の最適値は、付点が最小値となる。従って、図９（ｂ）から付点が最小値「２２」となっている下降速度１．０ｍｍ／ｓが最適な設定であると判定することができる。

以上のことから本実施例では、荷重量０．５ｍｍ、下降速度１．０ｍｍ／ｓが最適な設定であると判定でき、制御部２０はこの判定結果に基づいてプローブ上下駆動部１６における４探針プローブ１４の荷重量及び下降速度を設定する。

上記実施例１によれば、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、制御部２０は、プローブ上下駆動部１６に対し、半導体ウェーハ１２の種類に対応した４探針プローブ１４の荷重量及び下降速度の制御について調整の最適化を自動で行うことができる。従って、専門の技術者でなくても４探針プローブ１４の荷重量及び下降速度をユーザが簡便に最適化することが可能であり、信頼性のある抵抗率を測定することができる。

なお、本発明は、上記実施例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。

１１…測定ステージ、１２…半導体ウェーハ、１３…回転駆動部、１４…探針プローブ、１４ａ…探針、１４ｂ…板ばね、１４ｃ…リード、１５…計測部、１６…プローブ上下駆動部、１６ａ…プローブ取付金具、１６ｂ…カム受け、１６ｃ…重り、１６ｄ…上下駆動カム、１６ｅ…ステッピングモータ、１７…プローブ水平駆動部、１８…操作部、１９…表示部、２０…制御部、２１…電源部、３３…定電流源、３４…電圧計。

Claims (3)

1. 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であって、
   前記半導体ウェーハの抵抗率又はシート抵抗値を測定する際、プローブ上下駆動部により駆動制御される４探針プローブが前記半導体ウェーハに接触するまでの下降速度及び該半導体ウェーハに対する荷重量を自動的に設定する自動設定手段を備え、
   前記自動設定手段は、予め任意に設定された荷重量範囲及び下降速度範囲において、前記下降速度を設定最小値に固定した状態で前記荷重量を設定最小値から設定最大値まで順次増加し各荷重量毎に予め設定した測定種目について測定を行って最適な荷重量を決定する荷重量決定手段と、前記４探針プローブ荷重量を前記荷重量決定手段で決定された最適値に固定した状態で前記下降速度を設定最小値から設定最大値まで順次増加し各下降速度毎に予め設定した測定種目について測定を行って最適な下降速度を決定する下降速度決定手段とを具備し、前記測定種目には、前記４探針プローブに流す電流の極性を変えたときの電圧差の測定が含まれることを特徴とする半導体ウェーハ抵抗率測定装置。
2. 前記測定種目には、前記半導体ウェーハの同一箇所において抵抗率又はシート抵抗値を複数回測定したときの再現性の測定が含まれることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハ抵抗率測定装置。
3. 予め任意に設定された半導体ウェーハに対する４探針プローブの荷重量範囲及び下降速度範囲において、前記下降速度を設定最小値に固定した状態で前記荷重量を設定最小値から設定最大値まで順次増加し各荷重量毎に前記４探針プローブに流す電流の極性を変えたときの電圧差の測定が含まれる測定種目について測定を行って最適な荷重量を決定し、
   前記４探針プローブ荷重量を前記荷重量決定手段で決定された最適値に固定した状態で前記下降速度を設定最小値から設定最大値まで順次増加し各下降速度毎に予め設定した前記測定種目について測定を行って最適な下降速度を決定することを特徴とする半導体ウェーハ抵抗率測定方法。

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