JP5499383B2 - 半導体ウェーハ抵抗率測定装置 - 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、イオン注入層のシート抵抗、及びウェーハ表面に生成した金属薄膜のシート抵抗などを測定する装置であり、測定結果は各半導体製造装置の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つための測定装置の一つである。

上記半導体ウェーハ抵抗率測定装置では、一般に４探針抵抗率測定器を用いてデュアルコンフィグレーション方式により測定することが行われている。
上記４探針抵抗率測定器では、半導体ウェーハの端部付近を測定すると、実際よりも抵抗率が高く測定されてしまう現象がある。これは一様な抵抗分布を有するウェーハにおいても同様である。この現象は、半導体ウェーハの中央部分を測定する場合は探針から印加される電流がウェーハ表面の全方向にほぼ均等に流れるのに対し、ウェーハ端部付近ではウェーハ中心方向へは十分に電流が流れるが、端部方向には電流の経路が狭められて電流が十分に流れないことによるものである。

このため従来では、図９に示すように半導体ウェーハ１の端部付近を４探針抵抗率測定器の４探針プローブ２を用いて測定する際は、下記の［表１］に示す補正係数を使用して測定値を補正している。

上記補正係数は、直径２００ｍｍの半導体ウェーハ１を測定する際に探針間隔１ｍｍの直列４探針のプローブ２が半導体ウェーハ１の半径ｒに直角になるようにして測定した場合の例を示している。以降に説明するデータは、特に明記しない限り、この直径２００ｍｍの半導体ウェーハ１に対し、探針間隔１ｍｍの直径４探針のプローブ２を使用して測定したものである。上記［表１］は４探針プローブ２による測定位置からウェーハ端部までの各距離（５．０〜０．０ｍｍ）における補正係数を示している。

上記図９において、半導体ウェーハ１の端部付近、例えば半導体ウェーハ１の端部から１ｍｍの位置を測定する場合には、約１６％も高いシート抵抗値となるので、［表１］に示したウェーハ端部までの距離１ｍｍにおける補正係数「０．８４０」を乗じて補正後の測定値としている。

しかし、半導体ウェーハ１の表面に形成された金属薄膜の場合など、図１０に示すようにウェーハ端部１ａまで金属薄膜３が形成されていない場合があり、ウェーハ端部１ａから３ｍｍの位置であっても、金属薄膜３の端部３ａまでは１ｍｍ程度の距離しかないということがある。このためウェーハ端部１ａ付近の抵抗率測定では単にウェーハ端部１ａからの距離に応じた既知の補正係数を乗じただけでは、測定値が実際より高めの値になってしまう。

図１１、図１２はその実例を示したものである。図１１は半導体ウェーハ１上に同心円状に設定した複数の測定ポイント１〜４９を示し、図１２は上記測定ポイント１〜４９における実際の測定値を補正係数で補正した補正結果をプロットしたグラフであり、横軸に測定ポイント（１〜４９）をとり、縦軸にシート抵抗値（Ω／ｓｑ）をとって示したものである。なお、半導体ウェーハ１の端部付近の測定ポイント（２６〜４９）は、ウェーハ端部１ａから一定の距離例えば３ｍｍの位置を示している。

上記図１２から明らかなように半導体ウェーハ１の端部付近（測定ポイント２６〜４９）の領域Ａにおける測定結果ａは、測定値を補正係数で補正しても実際の値より高い値となっている。
また、本発明に関連する公知技術として、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、半導体ウェーハの端部の抵抗率を測定する際、予めウェーハ端部から半径方向の直線上における複数の位置の測定値に対し、各測定位置からウェーハ端部までの距離と半導体ウェーハ上に生成される薄膜の端部までの距離との差による誤差を考慮し、それぞれ異なる誤差の補正係数を乗じて各誤差に対応した補正値を求めると共に該補正値の標準偏差を求め、前記標準偏差が最小となる誤差を実際の誤差として決定するようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−２５２９７６号公報

上記のように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、半導体ウェーハの端部の抵抗率を測定する際、ウェーハ端部まで金属薄膜が形成されていない等の理由により、単にウェーハ端部からの距離に応じた既知の補正係数を乗じただけでは、測定値が実際より高めの値になってしまうという問題がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、ウェーハ端部付近を測定する際、測定位置から薄膜端部までの距離を正確に算出でき、測定値に測定位置からウェーハ端部までの距離と半導体ウェーハ上に生成される薄膜の端部までの距離との差による端部補正係数を乗じて補正することにより正確な値を求めることができる半導体ウェーハ抵抗率測定装置を提供することを目的とする。

本発明は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において、前記４探針に供給する電流の探針と測定する電圧の探針を変更して前記半導体ウェーハの端部から半径方向の直線上における複数の位置の抵抗率を測定し、該測定値に基づいて測定位置から前記半導体ウェーハ上に生成される薄膜の端部までの距離を算出する手段と、前記半導体ウェーハの端部付近を測定した際、測定値に対して標準偏差に基づく一次補正を行った後、前記各測定位置から前記ウェーハ端部までの距離と前記半導体ウェーハ上に生成される薄膜の端部までの距離との差による端部補正係数を乗じて抵抗値を得る抵抗値測定手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、半導体ウェーハの端部付近を測定する際、測定位置から薄膜端部までの距離を正確に算出でき、ウェーハ端部付近における測定値変動を補正して正確な値を求めることができる。

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構成例を示すブロック図である。 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Ｒa／Ｒb比と補正係数Ｋaとの関係を示す図である。 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のステップ１測定方式によるウェーハ中央部及び端部付近の電流経路を示す図である。 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のステップ２測定方式によるウェーハ中央部及び端部付近の電流経路を示す図である。 同実施例１における［表２］の各測定位置とＲa／Ｒb比との関係をグラフ化して示す図である。 同実施例１における［表３］による補正を行った測定値と従来の補正係数により補正した測定値とを比較して示す図である。 従来の４探針抵抗率測定器により半導体ウェーハの抵抗率を測定する場合の概略構成を示す図である。 半導体ウェーハにおける金属薄膜の形成状態を示す図である。 半導体ウェーハの測定ポイントの設定例を示す図である。 従来の半導体ウェーハ抵抗率測定装置による測定結果例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

以下、図面を参照して本発明の実施例１を説明する。
図１は本発明の実施例１に係る４探針抵抗率測定器を用いた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１８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複数個の４探針プローブ１４ａ、１４ｂと、上記複数個の４探針プローブ１４ａ、１４ｂを互いに独立に上下方向に移動させる複数個のプローブ上下駆動部１６ａ、１６ｂと、該複数個のプローブ上下駆動部１６ａ、１６ｂと複数個の４探針プローブ１４ａ、１４ｂ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、測定点の位置と複数個の４探針プローブ１４ａ、１４ｂのうちの選択すべき一つのプローブを指定する制御情報を入力する操作部１３と、上記測定点の位置と選択すべき一つのプローブと、測定した抵抗率（補正した抵抗率）を表示する表示部２１と、制御情報に従って上記回転駆動部１８とプローブ水平駆動部１７とプローブ上下駆動部１６ａ、１６ｂ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プローブを接触させる制御部２０と、抵抗率を測定する計測部１５とを備え、上記半導体ウェーハ１２の種類に対応して選択される複数個のプローブ上下駆動部１６ａ、１６ｂのうちの１つを動作させ、適切な４探針プローブ１４ａ、１４ｂを選択し、その選択されたプローブにより、上記半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定するように構成されている。また、制御部２０は、上記した全体的な制御動作を行うと共に計測部１５で測定した抵抗率を補正する機能を備えている。なお、上記制御部２０には、電源部１９から所定の動作電源が供給される。

次に上記４探針プローブ１４ａ、１４ｂによる測定方式について説明する。
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。これは「ＡＳＴＭ Ｆ １５２９−０２」（ＡＳＴＭ：American Society for Testing and Materials）の規格で定義されているが、以下に要約する。

図２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。
図２に示す半導体ウェーハ１２の金属薄膜に定電流源３１により４探針プローブ１４（１４ａ、１４ｂ）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３２にて測定する。
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 ・・・（１）
図３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。
図３に示す半導体ウェーハ１２に定電流源３１により４探針プローブ１４（１４ａ、１４ｂ）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３２にて測定する。

このステップ２での抵抗値Ｒｂは次式（２）で計算する。
Ｒb＝Ｖb／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＝−14.696＋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）
図２に示す４探針プローブ１４の探針間隔Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３は等しくなるように調整されているが、実際には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による測定の目的は、探針間隔Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３の変動を測定電圧ＶaとＶbにより補正係数Ｋaを求めて補正することにより、探針間隔Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３に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である。

なお、参考のためにデュアルコンフィグレーション方式以前のシート抵抗ρｓの算出方法について示すと、シート抵抗ρｓは抵抗値Ｒaを用いて次式（５）により求めていた。
ρｓ＝π／log_ｅ２ ＊ Ｒa
ρｓ＝4.532 ＊ Ｒa ・・・（５）
なお、探針間隔Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３が全て等しい場合、Ｒa／Ｒb比及び補正係数Ｋaの値は次式（６）、（７）で示される。

Ｒa／Ｒb＝log_ｅ４／log_ｅ３＝1.262 ・・・（６）
Ｋa＝4.532 ・・・（７）
図４は上記Ｒa／Ｒb比と補正係数Ｋaとの関係を示すグラフであり、横軸にＲa／Ｒb比をとり、縦軸に補正係数Ｋaをとって示した。

以上が「ＡＳＴＭ Ｆ １５２９−０２」の規格で定義されるデュアルコンフィグレーション方式による測定方式である。
次に、半導体ウェーハ１２の端部まで金属薄膜が形成されていない場合を考慮し、４探針プローブ１４による測定位置から金属薄膜（シート抵抗層）端面までの距離を次のようにして算出する。

図５（ａ）は半導体ウェーハ１２の中央部でデュアルコンフィグレーション方式のステップ１の探針１−４間に電流を印加した場合の電流経路を模式的に示している。この場合における電流は全方向に自由に流れ、その結果が探針２−３間の電圧Ｖaとして測定される。

図５（ｂ）は半導体ウェーハ１２の端部付近においてステップ１の探針１−４間に電流Ｉを流した場合であり、電流経路が制限されることを示している。本来ならウェーハ端部１２ａを超えて流れるべき電流がウェーハ端部１２ａの内側に、通常とは異なる経路で流れている。この結果、探針２−３間で測定される電圧Ｖaは高くなり、この結果上記（１）式から明らかなように求める抵抗値Ｒaも高くなる。

図６（ａ）は半導体ウェーハ１２の中央部でデュアルコンフィグレーション方式のステップ２の探針１−３間に電流Ｉを流した場合の電流経路を模式的に示している。この場合における電流は全方向に自由に流れ、その結果が探針２−４間の電圧Ｖbとして測定される。

図６（ｂ）は半導体ウェーハ１２の端部付近においてステップ２の探針１−３間に電流Ｉを流した場合であり、図５（ｂ）と同様に電流経路が制限されることを示している。この結果、探針２−４間で測定される電圧Ｖbは高くなり、上記（２）式から明らかなように求める抵抗値Ｒbも高くなる。

しかし、ステップ１とステップ２の場合では、電流を印加する端子間の距離が異なり、電圧を測定する端子の位置と端子間の距離も異なるため、薄膜端部方向へ流れる電流経路の影響が異なる。その結果、測定される電圧Ｖa、Ｖbは高くなる率が異なり、この測定電圧Ｖa、Ｖbから導き出される抵抗値Ｒa、Ｒbも異なってくる。

以下に示す［表２］は、金属薄膜がウェーハ端部まで形成されている直径２００ｍｍの半導体ウェーハ１２の端部付近を探針間隔１ｍｍ（直列探針）の４探針プローブ１４でデュアルコンフィグレーション方式により測定したときの測定位置（ウェーハ端部までの距離）とＲa／Ｒb比との関係を示している。この各測定位置におけるＲa／Ｒb比の値は、シミュレーションによって計算した結果と実験から得たものである。

図７は、上記［表２］の各測定位置とＲa／Ｒb比との関係をグラフ化して示したもので、横軸に測定位置を示すウェーハ端部までの距離（薄膜端部までの距離）をとり、縦軸にＲa／Ｒb比をとって示した。
上記［表２］と従来使用していた［表１］に示した補正係数により、以下の［表３］に示す各測定点から薄膜端部までの距離に対するＲa／Ｒb比及び補正係数を得ることができる。

一方、半導体ウェーハ１２の中央部を測定した場合のＲa／Ｒb比の理論値は、上記式（１）、式（２）及び式（６）から、
Ｒa／Ｒb＝1.262
となる。
実際に、ある４探針プローブで半導体ウェーハ１２の中心部分を、１００回測定した結果、Ｒa／Ｒbの平均値（これをＲ_０と定義する）及び標準偏差として、
平均値Ｒ_０＝1.267
標準偏差＝0.0006
が得られた。

標準偏差はプローブ探針の軸受けの精度などによる変動と考えられる。Ｒa／Ｒbの平均値Ｒ_０が「1.267」と理論値「1.262」より高いのは、４探針プローブ１４が持つ探針間隔Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３（図２参照）の個体の固有誤差と考えられる。そして、実際に半導体ウェーハ１２の端部付近を測定した場合のＲa／Ｒbを「(Ｒa／Ｒb)_ｎ」とし、予め求めておいたＲa／Ｒbの平均値Ｒ_０によって以下の一次補正を行う。

(Ｒa／Ｒb)＝(Ｒa／Ｒb)_ｎ × 1.262／Ｒ_０ ・・・（８）
そして、式（８）で求めた(Ｒa／Ｒb)から、［表３］を検索することによって薄膜端部までの距離を求め、式（４）で求めたシート抵抗値に［表３］に示した端部補正係数を乗じることによって、より精度の高いシート抵抗測定値を求めることができる。

図８は図１２に示したグラフに式（８）と［表３］による補正を行った測定値を追加したものであり、横軸に測定ポイントをとり、縦軸にシート抵抗（Ω／ｓｑ）をとって示した。図８のＡ領域において、曲線ｂは本発明の実施例１に係る薄膜端部までの距離による補正を行った場合の特性を示し、曲線ａは従来のウェーハ端部までの距離による補正を行った場合の特性を示している。

上記のように薄膜端部までの距離による補正を行うことにより、ウェーハ端部付近の測定値が高くなってしまう現象を回避することができる。
なお、上記実施例１では、直線配列の４探針プローブ１４で探針間隔が１ｍｍ、ウェーハサイズ２００ｍｍの場合を例として説明したが、本発明は探針間隔が１ｍｍ以外、例えば０．６３５ｍｍの場合にも、また、直線配列の４探針プローブでなく正方形配列の４探針プローブの場合にも、あるいはウェーハサイズも２００ｍｍのみでなく、例えば３００ｍｍなど全てのサイズに適用することができる。ただ、各々の場合における［表１］〜［表３］の定数が変わるのみである。

また、本発明は、上記実施の形態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、１２ａ…ウェーハ端部、１３…操作部、１４、１４ａ、１４ｂ…探針プローブ、１５…計測部、１６ａ、１６ｂ…プローブ上下駆動部、１７…プローブ水平駆動部、１８…回転駆動部、１９…電源部、２０…制御部、２１…表示部、３１…定電流源、３２…電圧計。

Claims (6)

1. 複数個の探針プローブを有する４探針抵抗率測定器を用いて半導体ウェーハのシート抵抗値を測定する半導体ウェーハ抵抗率測定装置において、
   前記４探針に供給する電流の探針と測定する電圧の探針を変更して前記半導体ウェーハの端部から半径方向の直線上における複数の位置の抵抗値を前記探針プローブのそれぞれで測定し、該抵抗値に基づいて、前記複数の位置から前記半導体ウェーハの端部までの距離に対する前記抵抗値の比をそれぞれ算出する手段と、
   前記半導体ウェーハの端部付近の抵抗値を測定した際、前記抵抗値の比に対して、前記半導体ウェーハの中心部分を所定回数測定して、予め求めておいた抵抗値の比の平均値に基づく一次補正を行った後、前記一次補正で補正した抵抗値の比で検索して、前記複数の位置から前記ウェーハ端部までの距離に応じた端部補正係数を取得し、前記抵抗値に前記探針プローブの探針間隔の変動による測定誤差を補正する補正係数と前記端部補正係数とを乗じて補正したシート抵抗値を得る抵抗値測定手段と
   を具備することを特徴とする半導体ウェーハ抵抗率測定装置。
2. 前記探針プローブを用いた測定方式は、
   第１探針−第４探針間に電流を印加したときに、第２探針−第３探針間で測定される電圧に基づいて、第１抵抗値を求める第１ステップと、
   第１探針−第３探針間に電流を印加したときに、第２探針−第４探針間で測定される電圧に基づいて、第２抵抗値を求める第２ステップと
   を少なくとも有するデュアルコンフィグレーション方式であ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. 前記第１ステップ及び前記第２ステップにおいて、電流を印加する端子間の距離、且つ、電圧を測定する端子の位置及び端子間の距離が異なるため、前記第１抵抗値と前記第２抵抗値は異なる値であることを特徴とする請求項２に記載の半導体ウェーハ抵抗率測定装置。
4. 前記第１抵抗値と前記第２抵抗値との比は、前記探針プローブで測定した位置から前記ウェーハ端部までの距離に応じて変動することを特徴とする請求項２に記載の半導体ウェーハ抵抗率測定装置。
5. 前記シート抵抗値をρｓ、前記補正係数をＫa、及び前記第１抵抗値をＲaとしたとき、
   前記シート抵抗値ρｓは、ρｓ＝Ｋa＊Ｒaで与えられることを特徴とする請求項２に記載の半導体ウェーハ抵抗率測定装置。
6. 前記第１抵抗値をＲa、前記第２抵抗値をＲｂ、前記抵抗値の比をＲa／Ｒb、前記ウェーハ端部付近の抵抗値の比を(Ｒa／Ｒb) _ｎ 、前記抵抗値の比(Ｒa／Ｒb)の平均値をＲ _０ としたとき、
   前記一次補正で補正した抵抗値の比は、(Ｒa／Ｒb)＝(Ｒa／Ｒb) _ｎ × 1.262／Ｒ _０ で与えられることを特徴とする請求項２に記載の半導体ウェーハ抵抗率測定装置。

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