JP6045842B2

JP6045842B2 - 抵抗率測定装置および方法

Info

Publication number: JP6045842B2
Application number: JP2012170201A
Authority: JP
Inventors: 良浩明地
Original assignee: Kokusai Electric Semiconductor Service Inc
Current assignee: Kokusai Electric Semiconductor Service Inc
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: JP2014029946A

Description

この発明は、半導体ウェーハの抵抗率測定装置および方法に関する。

半導体ウェーハの抵抗率測定装置は、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場合の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る。これらの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重要な測定装置の一つである。

近年、パワー半導体として注目されているＧａＮ（窒化ガリウム）は、Ｓｉ（シリコン）よりも性能に優れており、Ｓｉのスイッチング損失が低くなる他、絶縁破壊電界が大きいため、半導体を薄型化でき、オン抵抗も小さくなる。また、スイッチング損失だけでなく、導通損失も下がり、変換効率が高まる。ＧａＮウェーハは、高速スイッチング動作時でもＳｉウェーハより損失が低くなる利点があり、量産化の目処がたち、接触方式の直流探針法による抵抗率の品質管理が必要となってきた。

特開２００７−２８８１１１号公報

探針直流法による抵抗率測定器はプローブ針を半導体ウェーハに物理的接触させ、電流を印加して電圧を測定する装置であり、しいては金属と半導体の接触状態は電流の方向と電圧の大きさによらず、抵抗値が一定であるオーミック接触とならなけらばならない。

従来のウェーハ表面に形成したエピタキシャル成長膜、及び表面から不純物を拡散注入した場合の拡散層又は注入層、及び表面に生成した金属膜はプローブの加重及び接触スピードを制御することにより、安定したオーミック接触を得ることができた。しかしながら、ＧａＮウェーハはその特殊な構造により表面に高抵抗層が存在するため安定したオーミック接触が得られず、ＧａＮ層にほとんど電流を流すことができない。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、表面に高抵抗層が存在するウェーハに対しても抵抗率測定を安定した精度で実施可能にする抵抗率測定装置および方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の第１の態様は、複数の探針をウェーハに接触させ、前記複数の探針のうち所定の探針間の電圧または抵抗値を計測し、前記計測された所定の探針間の電圧または抵抗値としきい値とを比較してオーミック接触判定を行い、前記計測された所定の探針間の電圧または抵抗値が所定範囲にない場合に、通常の抵抗率測定時より電圧レベルが高い高電圧の印加と前記オーミック接触判定とを繰り返し行い、前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にある場合に、前記通常の抵抗率測定を実行する制御部を備える抵抗率測定装置を提供する。

上記第１の態様によれば、従来オーミック接触が得られず安定した測定ができないと考えられていたＧａＮウェーハといった表面に高抵抗層が存在するウェーハについても、直流探針法による抵抗率測定が安定した精度で実施可能となる。

この発明の第２の態様は、上記第１の態様において、前記高電圧の印加を所定回数繰り返し行っても、前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にならない場合には、エラーを報知するものである。
上記第２の態様によれば、このように高電圧の印加を複数回行うようにすることで、確実にオーミック接触を得ることが可能となり、しかも高電圧の印加を複数回行ってもオーミック接触が得られない場合にはエラーを報知することができる。

この発明の第３の態様は、上記第１の態様において、前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にない場合には、前記複数の探針の接触位置を変更するものである。
上記第３の態様によれば、例えば、ウェーハの面内抵抗分布が不均一の場合にもオーミック接触を得ることができ、適切に抵抗率測定を実施することができる。

この発明の第４の態様は、上記第１の態様において、前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にない場合には、前記高電圧の印加の電圧レベルを変更するものである。
上記第４の態様によれば、確実にオーミック接触を得ることが可能となる。

この発明の第５の態様は、上記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記高電圧の印加を行う前の前記計測された探針間の電圧値に応じて、前記高電圧の印加の電圧レベルを設定するものである。
上記第５の態様によれば、迅速かつ確実にオーミック接触を得ることが可能となる。
この発明の第６の態様は、上記第１の態様において、前記高電圧はパルス状の電圧として印加されるものである。
この発明の第７の態様は、上記第１の態様において、前記高電圧の印加と前記オーミック接触判定とを所定回数繰り返し行い、前記所定回数繰り返した後に前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にない場合には、前記抵抗率測定を行わずに終了するものである。
この発明の第８の態様は、上記第１の態様において、前記ウェーハの表面は、ＧａＮ層を含むものである。
この発明の第９の態様は、制御部が、複数の探針をウェーハに接触させ、前記複数の探針のうち所定の探針間の電圧または抵抗値を計測し、前記計測された所定の探針間の電圧または抵抗値としきい値とを比較してオーミック接触判定を行い、前記計測された所定の探針間の電圧または抵抗値が所定範囲にない場合に、通常の抵抗率測定時より電圧レベルが高い高電圧の印加と前記オーミック接触判定とを繰り返し行い、前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にある場合に、前記通常の抵抗率測定を実行することを特徴とする抵抗率測定方法を提供する。

すなわちこの発明によれば、ウェーハの抵抗率測定を安定した精度で実施可能にする抵抗率測定装置および方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る抵抗率測定装置の全体構成を示すブロック図。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の外観図。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。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。ＧａＮウェーハ測定時の動作を示すフローチャート。ＧａＮウェーハ測定時の電圧波形を示す図。

以下、図面を参照してこの発明に係る実施の形態について説明する。なお、本実施形態では、２対の電極を用いた４探針抵抗率測定装置を例にとって説明を行うが、本発明に係る抵抗率測定装置を１対の電極を用いた２探針抵抗率測定装置にも適用可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る抵抗率測定装置の全体構成を示すブロック図である。図１において、この抵抗率測定装置は、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により半導体ウェーハ１２に測定電流を供給して抵抗率を求めるための複数の測定項目について測定する計測部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に対する押込み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。
プローブ上下駆動部１６は、プローブ取付金具１６ａ、カム受け１６ｂ、重り１６ｃ、上下駆動カム１６ｄ、及びステッピングモータ１６ｅを有する。

プローブ取付金具１６ａは、４探針プローブ１４が取り付けられる金具である。カム受け１６ｂは、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。重り１６ｃは、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。上下駆動カム１６ｄは、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。

上下駆動カム１６ｄは、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。ステッピングモータ１６ｅは、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。

以上の構成により、制御部２０は、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を決める押込み量とプローブ上下移動速度を指示する制御情報を与え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計測部１５により半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定する。

ここで、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を用いることができる。
図３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３（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３（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）で計算することができる。
Ｒａ＝Ｖａ／Ｉ＝（（｜Ｖａ＋｜＋｜Ｖａ−｜）／２）／Ｉ・・・（１）
図４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４（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４（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）で計算することができる。
Ｒｂ＝Ｖｂ／Ｉ＝（（｜Ｖｂ＋｜＋｜Ｖｂ−｜）／２）／Ｉ・・・（２）
また、探針間隔補正係数Ｋａは、次式（３）により計算することができる。
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）により計算することができる。
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，及び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、ＧａＮウェーハの抵抗率測定方法について、図５示すフローチャートに従って説明する。上述したように、ＧａＮウェーハは、その特殊な構造により表面に高抵抗層が存在するため安定したオーミック接触が得られず、通常の４探針直流法では抵抗率を精度よく測定することができない。この課題に対し、オーミック接触の判定は４探針プローブの探針２−３間の電圧値で判定することができ、探針１−４間に高電圧を一定パルス時間印加することで、２−３間の電圧が遷移することが実験から得られた。

そこで、本実施形態では、通常の直流４探針法による、Ｖａ電圧（電流を１番ピンから４番ピンに流した時の２番ピンと３番ピンの電圧）とＶｂ電圧（電流を１番ピンから３番ピンに流した時の２番ピンと４番ピンの電圧）を測定する前に、プローブ探針がＧａＮウェーハに接触した後に高電圧を印加しオーミック接触に遷移されたこと確認してから、直流４探針測定を行うようにする。

（ステップＳ１）
プローブ上下駆動部１６に取付けられた４探針プローブ１４には、重り１６ｃによりＧａＮウェーハに適切な荷重を設定しておく。制御部２０は、４探針プローブ１４を上下移動速度の制御を有する上下駆動カム１６ｄにより下降させ、ＧａＮウェーハに接触させる。

（ステップＳ２）
制御部２０は、オーミック接触であるかどうかの判定を行う為に、プローブ探針２−３間の電圧を計測部１５で読み取り、電圧値が所定の範囲内（例えば±０．５ｍＶ以下）となっているか否かを判定する。一般的な半導体ウェーハの場合、プローブ探針２−３間の電圧は±０．５ｍＶ以下となっており、オーミック接触を実現して抵抗率を測定している。

（ステップＳ３）
プローブ探針２−３間の電圧が±０．５ｍＶ以下でない場合は、制御部２０は、プローブ探針１−４間に高電圧・高電流を一定時間印加した後に、ステップＳ２において、探針２−３間の電圧値が±０．５ｍＶ以下となっているか否かを判定し、±０．５Ｖ以下に遷移するまでステップＳ２，Ｓ３の処理を繰り返し行う。なお、所定回数（例えば５〜１０回程度）高電圧・高電流を印加しても電圧値が±０．５ｍＶ以下にならない場合は、エラーを報知してＳ５（後述）に進む。

（ステップＳ４）
制御部２０は、プローブ探針２−３間の電圧値が±０．５ｍＶ以下であると判定した場合には、通常の直流４探針法のデュアルコンフィギュレーション方式による抵抗率測定を行う。

（ステップＳ５）
制御部２０は、ステップＳ４で抵抗率測定が終了すると、プローブ上下駆動部１６を制御して４探針プローブ１４を上昇させ、ウェーハと非接触状態にさせる。さらに測定を継続する場合には、プローブ水平駆動部１７の位置と測定ステージ１１の回転角で指定する測定座標に移動して測定ポイントを変更した後に、ステップＳ１に戻って上記処理を行う。

図６は、ＧａＮウェーハ測定時の電圧波形を示した一例で、図６（ａ）は、探針１−４間の電圧波形、図６（ｂ）は、探針２−３間の電圧波形を示す。図６（ｂ）を参照すると、探針２−３間の電圧は４０ｍＶであり、オーミック接触判定しきい値を超えているが、図６（ａ）で、探針１−４間に高電圧７０Ｖ、高電流１００ｍＡを印加することで、探針２−３間の電圧がオーミック接触判定しきい値に収まっていることがわかる。その後、例えば、電圧２０ｍＶ、電流１００μＡで通常の抵抗率測定を行う。なお、図６の例では、高電圧印加を１５０ｍｓｅｃのパルス電圧としているため、連続的に高電圧を印加する場合と比べてウェーハの負荷は軽減される。

以上述べたように、上記実施形態によれば、従来オーミック接触が得られず安定した測定ができないと考えられていたＧａＮウェーハについても、直流探針法による抵抗率測定が安定した精度で実施可能となる。特に、高電圧を印加後、ウェーハの電圧値又は抵抗値が所定範囲になったかを確認してから抵抗率測定を行うため、測定後の信頼性を向上させることができる。
また、探針２−３間の電圧値が所定範囲にない場合には、高電圧印加を再度行うようにする。すなわち、高電圧印加を複数回行うようにすることで、ＧａＮウェーハについても確実にオーミック接触を得ることが可能となる。

なお、上記実施形態では、上記ステップＳ２において、探針２−３間の電圧値に基づいてオーミック接触判定を行っているが、高電圧印加の後、微小な電流を印加して抵抗値を測定し、抵抗値が所定範囲にあるか否かにより判定することもできる。さらに、本実施形態について、以下のような変形例が考えられる。

（変形例１）
変形例１は、上記ステップＳ２において、１回あるいは複数回高電圧印加を行っても探針２−３間の電圧値が所定範囲にない場合には、４探針プローブ１４の探針の接触位置を変更するようにする。この場合、ステップＳ１から処理を行うこととなる。変形例２によれば、例えば、ＧａＮウェーハの面内抵抗分布が不均一の場合にも確実にオーミック接触を得ることができ、適切に抵抗率測定を実施することができる。

（変形例２）
変形例２は、上記ステップＳ２において、１回あるいは複数回高電圧印加を行っても探針２−３間の電圧値が所定範囲にない場合には、高電圧印加の電圧レベルを変更する。例えば、１回の高電圧印加によってオーミック接触が得られない場合に、さらに電圧レベルを高くして再度高電圧印加を行うようにする。このようにすることで、ＧａＮウェーハについて確実にオーミック接触を得ることが可能となる。

（変形例３）
変形例３は、上記ステップＳ３における高電圧印加を行う前の探針２−３間の電圧値に応じて、高電圧印加の電圧レベルを設定する。例えば、高電圧印加を行う前の電圧値が大きい場合には、高電圧印加の電圧レベルを高く設定するようにする。このようにすることで、少ない回数で迅速にＧａＮウェーハについてオーミック接触を得ることが可能となる。

要するに、この発明は、上記実施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。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１１…測定ステージ、１２…半導体ウェーハ、１３…回転駆動部、１４…４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

複数の探針をウェーハに接触させ、前記複数の探針のうち所定の探針間の電圧または抵抗値を計測し、前記計測された所定の探針間の電圧または抵抗値としきい値とを比較してオーミック接触判定を行い、前記計測された所定の探針間の電圧または抵抗値が所定範囲にない場合に、通常の抵抗率測定時より電圧レベルが高い高電圧の印加と前記オーミック接触判定とを繰り返し行い、前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にある場合に、前記通常の抵抗率測定を実行する制御部を備えることを特徴とする抵抗率測定装置。
前記高電圧の印加を所定回数繰り返し行っても、前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にならない場合には、エラーを報知することを特徴とする請求項１に記載の抵抗率測定装置。
前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にない場合には、前記複数の探針の接触位置を変更することを特徴とする請求項１に記載の抵抗率測定装置。
前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にない場合には、前記高電圧の印加の電圧レベルを変更することを特徴とする請求項１に記載の抵抗率測定装置。
前記高電圧の印加を行う前の前記計測された探針間の電圧値に応じて、前記高電圧の印加の電圧レベルを設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の抵抗率測定装置。
前記高電圧はパルス状の電圧として印加されることを特徴とする請求項１に記載の抵抗率測定装置。
前記高電圧の印加と前記オーミック接触判定とを所定回数繰り返し行い、前記所定回数繰り返した後に前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にない場合には、前記抵抗率測定を行わずに終了することを特徴とする請求項１に記載の抵抗率測定装置。
前記ウェーハの表面は、ＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１に記載の抵抗率測定装置。
制御部が、複数の探針をウェーハに接触させ、前記複数の探針のうち所定の探針間の電圧または抵抗値を計測し、前記計測された所定の探針間の電圧または抵抗値としきい値とを比較してオーミック接触判定を行い、前記計測された所定の探針間の電圧または抵抗値が所定範囲にない場合に、通常の抵抗率測定時より電圧レベルが高い高電圧の印加と前記オーミック接触判定とを繰り返し行い、前記計測された探針間の電圧値又は抵抗値が前記所定範囲にある場合に、前記通常の抵抗率測定を実行することを特徴とする抵抗率測定方法。