JP6026558B2 - 高周波アプリケーション用半導体基板の試験方法及び試験デバイス - Google Patents

Description

本発明は、高周波アプリケーション用半導体基板の試験方法及び試験デバイス、並びにそのようなアプリケーション用半導体基板を選定するための方法及びデバイスに関する。

高周波（ＲＦ）デバイスを形成するために使用される半導体基板は、性能が良好なＲＦデバイスを得るためには、高い電気抵抗率すなわち、典型的には５００Ω・ｃｍよりも高く、好ましくは１０００Ω・ｃｍよりも高く、さらに好ましくは３０００Ω・ｃｍよりも高い電気抵抗率を有していなければならない。

基板の表面領域において、すなわち、基板の中又は基板上に高周波デバイスが形成される側の基板の表面において、電気抵抗率が高いことは特に重要である。

高周波において電界は基板に浸透し、遭遇したいかなる電荷担体にも作用するため、高周波アプリケーション用基板は、一方で伝送損失又は「挿入損失」を受け、あるいは他方でデバイス間での基板を介した動作が変容するようなクロストーク（behavior-modifying crosstalk）を受ける。

さらに、信号の立ち上がりと立ち下りが基板の静電容量の変化を誘発し、これは主周波数の高周波の発生をもたらす。

これらの高調波とそれらの結合により、高周波アプリケーションにとって不利となる寄生信号が生じ得る。

デバイスの高周波性能を測定するために、それ故、生成した高調波、典型的には二次〜五次の高調波の電力を、印加された電力の関数として測定することが考えられる。

基板が高周波アプリケーションに適することを検証することが、それ故、問題となる。

試験を必要とする基板上に作製されるテスト構造体を使用して、高周波性能を試験することは可能である。

しかし、テスト構造体を作製し、そのテスト構造体を使用して測定を行うことは、時間を要し費用のかかる方法である。

その上、ＲＦ測定の結果は、用いたテスト構造体によって変化するかもしれない。

さらに、ＲＦ性能を測定するために必要な設備は高価であり、基板の製造者は、自由に使用できるそのような設備を通常持たない。

具体的に、これらの設備は、テスト構造体を作製するクリーンルームと、高品質のフィルターとリニアな（高調波のない）電力発生器と、ベクトルアナライザと、測定された信号を変形させないように設計された測定装置一式（部屋、測定装置、プローブ）とを含み得る。

基板の製造者は、それ故、彼らが供給する基板の、ＲＦ性能に関する品質を彼ら自身によって試験することができない。

それ故、テスト構造体を作製し、そのテスト構造体を使用して試験を実行する代わりに、ＲＦデバイスの製造を予定している基板を直接試験することを可能にする方法を有することが望ましい。

基板の製造者は、基板の電気抵抗率を自在に測定するための方法を有している。

この方法は、四探針法と、頭字語ＳＲＰ（spreading resistance profiling：広が
り抵抗解析）によって知られている方法とを含む。

四探針法は、二つの電極の間で半導体基板に電流を通し、基板の端子における電圧を２つの別の電極間で測定することにより構成される。

しかし、この方法は、基板の抵抗率の不完全な表示のみを与える。なぜなら、電極は単に基板の表面に取り付けられ、それ故に基板の平均抵抗率が測定されるのみとなるからである。

しかし、基板の抵抗率は、通常、表面下の深さの関数として大きく変化する。

さらに、興味が持たれるのは、ほとんどの場合、約１０、５０又は１００μｍの厚さを有する、基板の表層である。なぜなら、前述の効果が生じるのは基板のこの部分だからである。

ＳＲＰ法は、より完全な分析を提供する。なぜならば、ＳＲＰ法は、半導体基板の電気抵抗率のプロファイルを、基板中の深さの関数として定めることを可能にするからである。

具体的に、基板は、その平坦な面の一つから、基板中の所望の深さに届くことができる角度を有する面取り部（chamfer）を研磨することにより準備される。

次に、一定の距離で離間し、かつ面取り部の縁部に対して平行なセグメントを形成する、二つの電極が基板の面取り部に取り付けられ、予め設定した電圧が二つの電極に印加される。

二つの電極間の抵抗が測定され、そしてこの測定から、測定深さにおける基板の電気抵抗率が導き出される。

この測定を面取り部の縁部からの様々な距離（基板中の様々な深さに対応する）において実施することにより、基板中の深さの関数としての抵抗率を示す抵抗率プロファイル曲線を描くことが可能となる。

しかし、基板の製造者により供給される基板が電気抵抗率に関する特定の仕様に適合することを保証することが可能であるにもかかわらず、これらの仕様は、後に基板上に作製されることになるデバイスのＲＦ性能と相関関係がない。

これは、基板の電気抵抗率プロファイルと当該基板上に形成されたデバイスのＲＦ性能との間に明確な関係がないことによる。

特に、異なる電気抵抗率プロファイルが、類似のＲＦ性能を導けることが観察されてきた。

本発明の一つの目的は、それ故、高周波アプリケーション用半導体基板の試験方法であって、後に当該基板上に作製されることになるデバイスのＲＦ性能の仕様に対する基板の適性を検証することを可能にする試験方法を提供することである。

本発明の別の目的は、基板の製造者が容易に実施することが可能であり、当該基板のコストを過度に増加させないように安価である試験方法と試験デバイスとを提供することである。

本発明の一つの目的は、また、半導体基板の選定方法であって、当該基板の中から十分なＲＦ性能を有するデバイスの作製が確かに可能となる基板を選定することを可能にする選定方法を提供することである。

本発明によると、深さの関数として基板の電気抵抗率プロファイルを測定し、当該プロファイルを使用して以下の式によって定義される基準を計算する、高周波アプリケーション用半導体基板の試験方法が提供される。

ここで、Ｄは積分深さ（integration depth）であり、σ(ｘ)は基板中の深さｘで測定された電気伝導率であり、Ｌは基板中の電界の固有減衰長（characteristic attenuation length）である。

特に有利な方法において、抵抗率プロファイルは、「広がり抵抗解析」（ＳＲＰ）法を使用して測定される。

ＳＲＰ法は、上面から研磨された斜面（bevel）を有する基板上において、斜面の縁部から所定の距離を保つ二つの電極間の抵抗を測定し、様々な距離で実施された測定結果を使用して抵抗曲線を描き、基板の電気抵抗率プロファイルをその曲線から導き出すために前記曲線に逆畳み込み（デコンボリューション、deconvolution）を適用することから構成される工程を含む。

基準ＱＦは、基板上に作製される高周波デバイスが十分なＲＦ性能を提供する見込みを表している。

より正確には、基準ＱＦが低いと、基板上に作製されるデバイスのＲＦ性能が向上する。

好ましくは、積分深さＤは固有減衰長Ｌよりも大きいか又は等しい。

特に有利な方法において、電界の固有減衰長Ｌは、半導体基板上に作製されることを目的とするデバイスの大きさに応じて選択される。

本発明の別の主題は、上記で定義される試験方法を使用して上記の基板を試験し、計算された基準が所定の限界値よりも低い一つ又はそれ以上の基板を選定する、高周波アプリケーション用半導体基板の選定方法に関する。

一つの実施態様によると、上記の限界値を定めるために、積分深さＤと電界の固有減衰長Ｌを選択し、発生する少なくとも一つの高調波次数の電力の最大値を選択する。

本発明の別の主題は、基板の抵抗率プロファイルを測定するための測定デバイスと、当該測定デバイスによって測定される抵抗率プロファイルを使用して以下の式によって与えられる基準の計算が可能な処理装置とを含む、高周波アプリケーション用半導体基板を試験するためのデバイスである。

ここで、Ｄは積分深さであり、σ(ｘ)は基板中の深さｘで測定される電気伝導率であり、Ｌは基板中の電界の固有減衰長である。

好ましくは、上記の測定デバイスは、「広がり抵抗解析」（ＳＲＰ）法を用いる測定デバイスである。

本発明の別の主題は、上記の試験デバイスを含む、高周波アプリケーション用半導体基板を選定するためのデバイスであり、その試験用デバイスでは、処理装置は計算された基準と予め定められた限界値とを比較することが可能である。

特に有利な方法において、処理装置は、基準の値を使用してこの基準に対応する少なくとも一つの理論抵抗率プロファイルを計算することがさらに可能である。

本発明の別の特徴や利点は、以下の詳細な記述と添付の図面を参照することで明確になるであろう。

図１Ａは、ＳＲＰ法の実施の概念的な模式図である。 図１Ｂは、ＳＳＲＭ法の実施の概念的な模式図である。 図２は、例として、基板中の深さの関数としての様々な基板の抵抗率プロファイルを示すグラフである。 図３は、例として、入力信号の電力の関数としての様々な基板の二次高調波の電力プロファイルを示すグラフである。 図４は、様々な基板の基準ＳＲＢ_QFの値と二次高調波の電力との相関関係を示すグラフである。 図５は、基板中の深さの関数としての様々な可能性のある抵抗率ウィンドウを表すグラフである。

基板の抵抗率プロファイルは、あらゆる適切な方法を使用して決定することが可能である。

好ましくは、広がり抵抗解析（ＳＲＰ）法が使用され、そのＳＲＰ法の実施は図１Ａに図示されている。

図１Ａを参照すると、ＳＲＰ法は半導体基板１上で実施され、半導体基板１は、その平坦な上面１Ｓ（この上に高周波デバイスが形成される予定である）から既に磨かれて、当該面１Ｓ上の終端部（edge stop）１Ｅから延びる面取り部１Ｂが形成されており、面取り部１Ｂは半導体基板１中の必要とする深さに達することを可能にする角度θを有する。

基板は、高周波アプリケーションに適したあらゆる半導体材料から作製することが可能である。

好ましい材料の中から、高抵抗率（ＨＲ）シリコン（すなわち、５００Ω・ｃｍより高く、好ましくは１０００Ω・ｃｍより高く、さらに３０００Ω・ｃｍより高い電気抵抗率を有する）を挙げることができる。

基板は、必要に応じて絶縁体上半導体（ＳｅＯＩ）基板であってもよく、好ましくは、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）基板、つまり、キャリア基板と、埋込誘電層（一般に埋め込まれた酸化物層を意味する「ＢＯＸ」と呼ばれる）と、その表面又はその内部に高周波デバイスが製造される半導体の薄層とを含む構造体であってもよい。

高周波デバイスにとって、重要な効果は基板中への電界の浸透であり、電界は基板の内部への距離に伴って徐々に減衰する。

高周波アプリケーション用基板の適合性を決定するために、関連があるのは、本質的には基板上面の下に位置する基板の表層の抵抗率である。

本発明でカバーされる試験に照らすと、典型的には、半導体基板の上面の下の約５〜５０μｍの深さまで抵抗率プロファイルを測定することが求められる。

基板がＳｅＯＩ基板である場合、キャリア基板中、すなわち埋込誘電層の下の抵抗率プロファイルを測定することが求められる。

そうではあっても、埋込誘電層を除去することが絶対に必要というわけではない。

ソレコン研究所により発行され、「２点及び４点プローブ計測を使用した拡散特性の分析」と題されたＲ．ブレンマン及びＤ．ディッキー著の小冊子には、ＳＲＰ法を実施する標準的な方法が記載されている。

一定の距離ｄの間隔が設けられ、面取り部の縁部１Ｅに対して平行なセグメントを形成する二つの電極Ｅ１、Ｅ２の末端は、基板１の面取り部１Ｂに取り付けられ、予め設定された電圧Ｖが二つの電極に印加される。

動作条件は、上記の小冊子に記載されている。

特に、距離ｄは、典型的には約１〜２０μｍであり、電極Ｅ１及びＥ２の間に印加される電圧Ｖは、数ｍＶ程度、例えば５ｍＶである。

二つの電極Ｅ１及びＥ２の間の抵抗が測定される。

それぞれの測定値は、処理装置（処理ユニット）、例えばコンピューターに蓄積される。

この測定を面取り部の縁部からの様々な距離（基板中の様々な深さに対応する）で実施することにより、基板中の深さの関数として抵抗曲線を描くことが可能となる。

次に、基板中の深さの関数としての抵抗率を表す完全な抵抗率プロファイルを得るために、処理装置により、逆畳み込みアルゴリズムが上記の曲線に適用される。

上記に代えて、基板の抵抗率プロファイルは、走査型広がり抵抗顕微鏡（ＳＳＲＭ）法によって測定してもよい。この方法は、以下に記載する、ＳＲＰ法の変形である。この方法では、基板１がその平坦な上面１Ｓに対して垂直に分割され、接触部Ｃが面１Ｓに対して垂直な面に形成され、導電性電極Ｅが、接触部Ｃを有する面とは反対側の面１Ｔ上を基板の厚みに沿って動かされる（図１Ｂを参照）。

適切なデバイスは、例えばパークシステムズ（商標）によって販売されている。

本発明の範囲に含まれる他の非限定的な実施態様によると、基板の抵抗率プロファイルは、また、基板の上面を研磨し、このように定められたそれぞれの深さにおいて半導体基板の電気抵抗を測定する連続した工程あるいは基板中の様々な深さに接触部を作製し、接触部を経て基板の電気抵抗を測定する連続した工程、を実施することによって得ることも可能である。

明細書の残りの部分では、概して、ＳＲＰ法によって得られた抵抗率プロファイルを検討するが、言うまでもなくこのプロファイルは別の適した方法で得られたものであってもよく、特に、上記で想定した方法の一つで得られたものであってもよい。

図２は、例として、ＳＲＰ法によって様々な基板について測定された深さＰの関数としての様々な抵抗率ρプロファイルを示す。

曲線（ａ）は、非常に高い抵抗率を有するが、低抵抗率の浅い表面領域を有する基板を示す。

プロファイル（ｃ）は、抵抗率はより低いが低抵抗率の表面領域を有しない基板に対応する。

曲線（ｃ）に対応する基板は、曲線（ａ）に対応する基板よりも低い基準ＱＦ（以下で定義されている）を有し、それ故より良好なＲＦ性能を提供する。

基板（ｂ）は、広い低抵抗率領域を含む。

その基準ＱＦは高く、そのＲＦ性能は並である。

基板のＲＦ性能を測定するために、一つの中心線が二つの平行な接地線に挟まれているコプレーナ金属線路が基板の上面に配置される。

中心線に導入される、所定の電力と所定の基本周波数の信号について、一方で基本周波数での電力の減衰が、他方で様々な高調波周波数における電力が測定される。

図３は、指標として、入力信号（ｄＢｍで表されるＰ_In）の電力の関数として二次高調波（ｄＢｍで表されるＰ_H2）の様々な電力プロファイルを示している。

プロファイル（ａ）及び（ｂ）は、キャリアの閉じ込めを目的とする「トラップリッチ」層を含んでいない、異なる抵抗率の二つのＨＲシリコン基板に対応する。

曲線（ｃ）は、トラップリッチ層を含むＨＲ−ＳＯＩ基板に対応する。

最後に、曲線（ｄ）は、ガラスで作製された絶縁性の参照基板に対応する。

出願人は、基板の抵抗率プロファイルの測定に基づく基準を決定した。この基準は基板上に後に作製される高周波デバイスの性能について良好な指標を提供する。

ここではＱＦ（「品質因子（quality factor）」を表す）と表される上記の基準は、以下の式によって定義される。

ここで、Ｄは積分深さであり、σ(ｘ)は基板中の深さｘで測定された電気伝導率であり、Ｌは電界の固有減衰長である。

局所的な電気伝導率σ(ｘ)は、上記のＳＲＰ法によって測定された、基板の抵抗率プロファイルの逆数を取ることで得られる。

長さＬは、性能を予測することが望まれるデバイスのサイズに関係する基板中への電界の浸透深さに関係する。

図４に示された相関関係の場合において、長さＬは、基本周波数における信号の減衰と、様々な高調波の電力とを測定するために使用されるコプレーナ線路間の間隔に応じて選択される。

具体的に、コプレーナ線路間の距離が大きくなると基板中への電界の浸透深さが大きくなる。

長さＬは、基板上に形成されるデバイスの大きさに依存する。

それ故、基板上に作製されることを意図したデバイスの大きさに依存し、長さＬとして異なる値が選択される。

従って、基板上に作製される様々なデバイスに応じて様々な基準ＳＲＰ_QFを定めることが可能であろう。

一般的に、長さＬとしては、二つのコプレーナ線路間の距離の半分を選択することが可能である。

積分深さＤは、できる限り大きく選択され、一方、ＳＲＰ法を使用して実施される測定の最大深さによって限定される。

好ましくは、固有長さＬよりもかなり大きい深さＤが選択され、深さＤは、基板中への電界の浸透深さに比例して増加させるべきである。

いずれにせよ、様々な抵抗率プロファイルを比較することが可能となるように、すべてのサンプルにおいて実質的に同一の積分深さを選択するか、又は結果を標準化することが重要である。

図４は、上記で定義した基準ＱＦと１５ｄＢｍの入力電力Ｐ_inについて測定された二次高調波Ｐ_H2（ｄＢｍで表される）の電力との間で得られた相関関係を示す。

グラフの上にある矢印と右から左へのポインティングとは、基板の抵抗率ρの増加の方向を示す。

グラフの右側にある矢印と上から下へのポインティングとは、高調波の電力の減少の方向を示す。

直線（ａ）の点（四角）は、高い電気抵抗率を有するがキャリア閉じ込め層を有しないシリコン基板上で実施した測定を使用して得られた。このシリコン基板は、通常、ＨＲ−ＳＯＩ基板を形成するために使用される。

直線（ｂ）の点（三角）は、高い電気抵抗率とキャリアを閉じ込めて埋め込み誘電体層下での電位の変化を防ぐことを目的とする層とを有する「トラップリッチ」シリコン基板上で実施された測定を使用して得られた。

直線（ａ）及び（ｂ）が示すように、一方の基準ＱＦと他方の二次高調波の電力（ＲＦ性能基準）との間にかなり良好な相関関係が得られた。

標準ＨＲ−ＳＯＩ基板に比べて、基準ＱＦの所定の値については、トラップリッチ基板によって得られた二次高調波の電力に大幅な減少（約−３０ｄＢｍ）が見られる。

それ故、二次高調波の電力の望ましい最大値のために、使用される基板の種類に応じて、考慮するべきＱＦ基準の最大値を図４に示されたチャートを使用して決定することが可能である。

さらに、関心のある、様々なＲＦデバイスの大きさにより、これらのチャートを調整することが可能である。

このようにして、一連の固有長さＬを定めることができることもあろう。

有利には、積分深さＤは、選択されたＬの最大長さよりも大きいものが選択されることになる。

それ故に、基準ＱＦは、基板の製造者によって容易に検証することが可能な基板の品質基準である。

具体的に、この試験は、抵抗率プロファイルを測定する方法、例えば、既に基板の製造者により実施され、それ故更なる投資を必要としないＳＲＰ法の実施と、Ｌ及びＤとして上記で定められた値を使用した伝導率プロファイルの積分と、のみを必要とする。

この試験は、有利には、抵抗率プロファイルと入力データＬ及びＤとから基準ＱＦを計算するためのアルゴリズムの実施が可能なプロセッサーを含む処理装置によって実施することが可能である。抵抗率プロファイルは、例えばＳＲＰ法によって得られる。

有利には、この試験は特定の高周波デバイスを作製するのに適する一つ又はそれ以上の基板を選定するために実施することが可能である。

具体的に、基準ＱＦの計算に適切なＬ及びＤの値は、問題となるデバイスの構造に基づき、上記のように定められる。

さらに、達成すべきＲＦ性能に関する製造者によるデバイスの仕様に基づき、この性能を表す数値について目標値が定められる。

例えば、この表示される数値は、１５ｄＢｍの入力信号電力についての二次高調波の電力であってもよい。

純粋な例示であるが、この数値についての目標値は、許容最大電力に対応する−８０ｄＢｍとして選択することができる。

この目標値を使用して、基準ＱＦのための最大値を定めることが可能である。より低い基準ＱＦを有する基板は、ＲＦ性能に関する要求された仕様に適合すると考えられる。

例えばＳＲＰ測定に基づいて、抵抗率プロファイルが既知の様々な半導体基板について、予め決定された適切なＬ及びＤの値により基準ＱＦを計算することによって、製造される高周波デバイスに適した基板を容易に識別することがそれ故可能である。

逆に、基準ＱＦの定められた値に基づいて、処理装置によって実施された計算アルゴリズムによって、この基準に対応し、それ故ＲＦ性能に関する仕様に適合する様々な理論的な抵抗率プロファイルを決定することが可能である。

例として、図５に、１５ｄＢｍの入力信号電力においてすべて−８０ｄＢｍの電力を有する二次高調波となる様々な抵抗率プロファイル（ａ）〜（ｅ）を示す。

選択された基板の種類と基板の製造工程に関連した制約に応じて、基板の製造者は、これらのプロファイルの一つを重視するために、最小ベース抵抗率と、基板の製造中に基板に混入しがちなドーパント元素の拡散を誘発する総熱量と、それ故の最大許容ドーパント濃度等を定めることが可能である。

製造者は、それ故に製造工程ウィンドウ（manufacturing process window）をより良く定めることが可能である。

本発明は、言うまでもなく上記の例に限定されない。

特に、計算された基準ＱＦと相関を取る目的でここに記載されているのは二次高調波の電力であったが、同様の方法により、より高次元の高調波の電力をこれらの相関のために選択でき、又は比較のために選択された入力信号電力レベルを変更でき、又は基本周波数の出力信号を選択できる。

Claims (10)

1. 高周波アプリケーション用半導体基板の試験方法であって、深さの関数として前記半導体基板の電気抵抗率プロファイルを測定し、前記プロファイルを使用して以下の式によって定められる基準を計算することを特徴とする高周波アプリケーション用半導体基板の試験方法。
   

   

   ここで、Ｄは積分深さであり、σ(ｘ)は前記基板中の深さｘで測定された電気伝導率であり、Ｌは前記基板中の電界の固有減衰長である。
2. 前記積分深さ（Ｄ）が前記固有減衰長（Ｌ）よりも大きいか又は等しいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記電界の固有減衰長（Ｌ）が、前記半導体基板上に作製されることを目的とするデバイスの大きさに応じて選択されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記抵抗率プロファイルが、広がり抵抗解析（ＳＲＰ）法によって測定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 高周波アプリケーション用半導体基板の選定方法であって、請求項１〜４のいずれか１項に記載の高周波アプリケーション用半導体基板の試験方法を使用して前記基板を試験し、計算された基準（ＱＦ）が所定の限界値よりも低い一つ又はそれ以上の前記基板を選択することを特徴とする高周波アプリケーション用半導体基板の選定方法。
6. 前記限界値を定めるために、積分深さ（Ｄ）と電界の固有減衰長（Ｌ）とを選択し、発生する少なくとも一つの高周波次数の電力の最大値を選択することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 高周波アプリケーション用半導体基板の試験デバイスであって、基板の抵抗率プロファルを測定するための測定デバイスと、前記測定デバイスによって測定される前記抵抗率プロファイルを使用して以下の式によって与えられる基準を計算することが可能な処理装置とを含むことを特徴とするデバイス。
   

   

   ここで、Ｄは積分深さであり、σ(ｘ)は前記基板中の深さｘで測定された電気伝導率であり、Ｌは前記基板中の電界の固有減衰長である。
8. 前記測定デバイスが、広がり抵抗解析（ＳＲＰ）法を採用する測定デバイスであることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
9. 高周波アプリケーション用半導体基板を選定するためのデバイスであって、請求項７又は８に記載の試験デバイスを含み、前記処理装置が計算された前記基準と予め定められた限界値とを比較することが可能であることを特徴とするデバイス。
10. 前記処理装置が、前記基準の値を使用して、前記基準に対応する少なくとも一つの理論抵抗率プロファイルを計算することがさらに可能であることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。

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