JP6820191B2 - 半導体ウェハの評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハの評価方法に関する。

シリコンウェハ、ＳｉＣウェハやそれらのウェハ上にエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウェハ等の半導体ウェハのキャリア濃度等の特性を測定する方法として、水銀を電極に利用する水銀プローブ（Ｈｇ−ＣＶ）法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

水銀プローブ（Ｈｇ−ＣＶ）法は容量−電圧法の一種である。半導体ウェハの表面（エピタキシャルウェハの場合はエピタキシャル層の表面）に水銀プローブ（ガラス製などのキャピラリー（水銀保持用ホルダ）の管内に水銀を注入したもの）の先端を接触させることによってショットキー接合を形成させる。次に、このショットキー接合を挟んで容量（Ｃ）−逆方向電圧（Ｖ）特性を測定し、このＣ−Ｖ特性の測定結果からドナー濃度等を算出する。

上述の水銀プローブ法において、半導体ウェハ表面に接触させた水銀電極の面積（水銀電極面積）は電気的特性（キャリア濃度）の算出に影響するため、正確な電極面積を得ることが重要である。ガラス製などのキャピラリー（水銀保持用ホルダ）の管内に水銀を注入した水銀プローブを用いる場合、その水銀電極面積はキャピラリーの断面積となる。

しかしながら、従来の半導体評価装置においては半導体ウェハの表面に凹みや突起がある場合、実際の水銀電極面積とキャピラリーの断面積が一致せず、半導体ウェハの電気的特性が正確に算出できなくなる場合がある。

場合によっては、キャピラリー等の水銀プローブの支持具の先端が半導体ウェハ表面に良好に接触せず、支持具と半導体ウェハとの隙間から水銀が漏れだしてしまうこともある。この場合、キャピラリーから漏れ出て拡がった分、水銀と半導体ウェハとの接触面積（水銀電極面積）はキャピラリーの断面積からずれるので、半導体ウェハの電気的特性が正確に算出できなくなる。

また、水銀と半導体ウェハとの接触面積の変動を低減するために半導体評価装置を半導体ウェハに強く押し当てると、半導体ウェハに傷が付く、あるいは、半導体ウェハが破損してしまう危険性がある。

そこで、特許文献２では、半導体ウェハ上の異物及び凹凸形状の有無に係わらず、正確な電気的特性の測定を可能にするとともに、半導体ウェハへの損傷を防ぎ得る方法が開示されている。特許文献２では、水銀と半導体ウェハとの接触面積を測定毎に顕微鏡により光学的に測定し、半導体ウェハの電気的特性を正確に算出している。

特開２０１０−１５３６１１号公報 特開２０１４−０１６２７８号公報

しかしながら、特許文献２に記載の半導体ウェハの評価方法は、測定毎に水銀と半導体ウェハの接触面積を測定する必要があり、作業が煩雑となる。

本発明の上記問題に鑑みてなされたものであり、簡便に電気的特性を正確に測定できる半導体ウェハの評価方法を提供することを目的とする。

半導体ウェハの電気的特性は、半導体ウェハの複数の箇所で測定される。半導体ウェハ毎に測定位置を変えると、半導体ウェハ毎の比較を行うことができなくなるため、決まった位置座標の電気的特性を測定することが一般的である。

しかしながら、本発明者の鋭意検討の結果、複数の箇所で測定する電気的特性の内、いくつかの箇所の電気的特性を所定の位置から僅かにずらして測定しても、電気的特性の値に大幅な違いは生まれないことを見出した。

そこで、半導体ウェハの欠陥のマッピングを作製し、マッピングされた欠陥位置を避けながら電気的特性を測定する方法を見出した。

所定の位置の電気的特性を機械的に測定していた従来の方法からは、欠陥位置を避けて測定するということは想定し難いものである。また避けるべき欠陥を判定するということは、欠陥を避けて電気的特性を測定できるということに気づいて初めて見出されることであり、従来の方法からは想定し難いものである。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様にかかる半導体ウェハの評価方法は、半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性を評価する半導体ウェハの評価方法であって、前記半導体ウェハと前記水銀との接触面の面積に対して０．５％以上の面積を有する凸状又は凹状の所定の欠陥を特定し、前記所定の欠陥の位置座標を測定する座標測定工程と、前記座標測定工程で特定された前記所定の欠陥の位置座標と、予定されていたプローブ設置箇所の位置座標が重なる場合、前記所定の欠陥の位置座標を避けてプローブを設置するプローブ設置工程と、前記プローブから供給される前記水銀と前記半導体ウェハを接触させて電気的特性を測定する電気的特性測定工程と、を有する。

（２）上記態様にかかる半導体ウェハの評価方法において、前記座標測定工程は、光学式表面検査装置により測定画像をえる工程と、前記測定画像において、輝度の最頻値に対してコントラスト比が１．２０以上又は０．８３以下、かつ、表面積が前記半導体ウェハと前記水銀との接触面の面積に対して０．５％以上の点を前記所定の欠陥として特定する工程と、特定された前記所定の欠陥の位置座標をマッピングする工程と、を有してもよい。

（３）上記態様にかかる半導体ウェハの評価方法の前記座標測定工程において、輝度の最頻値に対してコントラスト比が１．８８以上又は０．５３以下の高コントラスト欠陥の位置座標をさらに特定し、前記プローブ設置工程において、前記所定の欠陥と合せて前記高コントラスト欠陥も避けてプローブを設置してもよい。

（４）上記態様にかかる半導体ウェハの評価方法の前記プローブ設置工程において、プローブ設置箇所と半導体ウェハの中心との距離を、予定されていたプローブ設置箇所と半導体ウェハの中心との距離と一致させてもよい。

本発明の一態様にかかる半導体ウェハの評価方法によれば、簡便に電気的特性を正確に測定できる。

水銀プローブ法による半導体ウェハの評価方法について説明するための模式図である。 水銀プローブ法による半導体ウェハの評価方法について説明するための模式図である。 水銀プローブ法による半導体ウェハの評価方法について説明するための模式図である。 水銀プローブ法による半導体ウェハの評価方法について説明するための模式図である。 水銀プローブ法による半導体ウェハの評価方法について説明するための模式図である。 水銀プローブ法による半導体ウェハの評価方法について説明するための模式図である。 水銀プローブ法による半導体ウェハの評価方法について説明するための模式図である。 ＳｉＣからなる半導体ウェハの表面の欠陥をＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製Ｃａｎｄｅｌａ ＣＳ２０で撮影した測定画像である。 図８に示す測定画像に予定されていたプローブ設置予定箇所を重ねた図である。 本実施形態にかかる半導体ウェハの評価方法におけるプローブ設置工程を説明するための模式図である。

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本実施形態の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

本実施形態にかかる半導体ウェハの評価方法は、半導体ウェハの表面に水銀を接触させて半導体ウェハの電気的特性を評価する水銀プローブ（Ｈｇ−ＣＶ）法を取り入れた評価方法である。

（水銀プローブ法）
まず水銀プローブ法について説明する。図１は、水銀プローブ法による半導体ウェハの評価装置の構成を例示した模式図である。半導体ウェハ評価装置１０は、水銀２と、キャピラリー３と、給排気管４と、配線５と、電気的特性測定部（図視略）とを備える。水銀２は、キャピラリー３内に収容される。給排気管４は、キャピラリー３内を給排気する。配線５は、水銀２と電気的特性測定部とに電気的に接続される。電気的特性測定部は、配線５と被測定対象である半導体ウェハ１に電気的に接続され、半導体ウェハ１の電気的特性を測定する。

半導体ウェハ評価装置１０を用いて半導体ウェハのキャリア濃度等の電気的特性を測定する手順について説明する。

まず、図２に示すように給排気管４を通じてキャピラリー３内を排気する。排気により、水銀２が引っ張られ、キャピラリー３の中空に水銀２が保持される。この状態でキャピラリー３を移動させる。

次いで、図３に示すように、電気的特性を測定する場所にキャピラリー３を下降させる。そして、キャピラリー３内に給気して水銀２の下端が半導体ウェハ１に接触するように水銀２を下げる。水銀２に接続した配線５を介して電気信号を送り、その応答を取り出す。電気信号のパラメータ及び応答を解析することにより、半導体ウェハ１の電気的特性を測定する。この際、半導体ウェハ表面に接触させた水銀電極の面積（水銀電極面積）は、キャピラリー３の断面積となる。

しかしながら、水銀プローブ法では、半導体ウェハの表面に凹凸がある場合に、正確に半導体ウェハ１の電気的特性を測定できない場合がある。

例えば、図４に示すように、凸状の欠陥Ｄ１がキャピラリー３に内包された場合、実際に半導体ウェハ表面に接触させた水銀電極の面積は、キャピラリー３の断面積から欠陥Ｄ１の表面積を差し引いたものとなる。つまり、水銀２と半導体ウェハ１との接触面積（水銀電極面積）がキャピラリー３の断面積からずれ、半導体ウェハ１の電気的特性を正確に算出できない。

また図５に示すように、キャピラリー３の先端が半導体ウェハ１の表面に良好に接触せず、欠陥Ｄ１をかみこんだ場合、キャピラリー３と半導体ウェハ１の隙間から水銀が漏れだす。この場合、キャピラリー３から漏れ出て拡がった分、水銀２と半導体ウェハ１との接触面積（水銀電極面積）はキャピラリー３の断面積からずれるので、半導体ウェハ１の電気的特性を正確に算出できない。

また図６に示すように、凹状の欠陥Ｄ２がキャピラリー３に内包された場合も、実際に半導体ウェハ表面に接触させた水銀電極の面積は、キャピラリー３の断面積から欠陥Ｄ２の表面積を加えたものとなる。つまり、水銀２と半導体ウェハ１との接触面積（水銀電極面積）がキャピラリー３の断面積からずれ、半導体ウェハ１の電気的特性を正確に算出できない。

さらに図７示すように、凹状の欠陥Ｄ２がキャピラリー３の内部と外部に渡っている場合は、キャピラリー３と半導体ウェハ１の隙間から水銀が漏れだす。この場合、キャピラリー３から漏れ出て拡がった分、水銀２と半導体ウェハ１との接触面積（水銀電極面積）はキャピラリー３の断面積からずれるので、半導体ウェハ１の電気的特性を正確に算出できない。

また凸状の欠陥Ｄ１に付着した水銀２や凹状の欠陥Ｄ２内に溜まった水銀２等は、表面張力等の影響を受けて回収しきれない場合がある。連続して電気的特性を測定する場合に、測定毎に回収しきれなくなった分だけ水銀２の量が変化し、次の測定で漏れた分Ｈｇが不足する。このような原因で接触面積が変わってしまうと、電気的特性の正確性が低下する。

（半導体ウェハの評価方法）
本実施形態にかかる半導体ウェハの評価方法は、上記のように電気的特性の正確性を低下させる原因となる欠陥を避けながら、電気的特性を測定する。本実施形態にかかる半導体ウェハの評価方法は、座標測定工程と、プローブ設置工程と、電気的特性測定工程とを有する。以下、各工程について具体的に説明する。

＜座標測定工程＞
座標測定工程では、半導体ウェハと水銀との接触面の面積に対して０．５％以上の面積を有する凸状又は凹状の所定の欠陥を特定し、所定の欠陥の位置座標を測定する。

まず、半導体ウェハの表面の欠陥を測定する。半導体ウェハの表面の欠陥は、光学式表面検査装置を用いて行うことができる。光学式表面検査装置は、レーザー光をウェハに対して斜めに入射して、ウェハ表面からの散乱光の強度、および反射光の強度と反射位置を検出するシステムを有する装置である。例えば、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製Ｃａｎｄｅｌａ ＣＳ２０と同様の原理の装置、レーザーテック社製のＳｉＣウェハ欠陥検査・レビュー装置（ＳＩＣＡ）と同様の原理の装置等を用いることができる。

図８は、ＳｉＣからなる半導体ウェハ１の表面１ａの欠陥ＤをＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製Ｃａｎｄｅｌａ ＣＳ２０で撮影した測定画像である。図８に示すように、欠陥Ｄは、正常な表面１ａとコントラストが異なり、輝点又は黒点として確認される。

この測定画像から半導体ウェハと水銀との接触面の面積に対して０．５％以上の面積を有する所定の欠陥を特定する。半導体ウェハと水銀との接触面の面積はキャピラリーの断面積と等しい。また、欠陥の面積は、欠陥の表面積ではなく、測定画像において平面視された欠陥の面積を意味する。

特定する所定の欠陥の面積を半導体ウェハと水銀との接触面の面積に対して０．５％以上の欠陥に限るのは、誤差として無視可能な欠陥を除くためである。キャリア濃度の測定値は水銀断面積の２乗に比例する。キャリア濃度測定で１％の測定誤差とするためには、接触断面積に対する表面欠陥の割合は、０．５％以下にする必要がある。

例えば測定に用いる水銀の面積を０．０２ｃｍ^２（２ｍｍ^２）とすると、０．５％は０．０１ｍｍ^２で、直径１１０μｍ程度に相当する。大きさが１００μｍ程度の欠陥は、表面欠陥装置としてカンデラやレーザー顕微鏡を用いて検出できる。また、これらの装置は欠陥の位置を座標として記録できる。

例えば、キャピラリーの内径の直径が１．６０ｍｍで断面積が２ｍｍ^２の場合、０．０１ｍｍ^２以上の欠陥を特定することが好ましい。また欠陥の最大径が１１０μｍ以上の欠陥を特定することが好ましい。

所定の欠陥の特定は、得られた測定画像から目視で分析してもよいが、効率性の観点から自動で行うことが好ましい。この場合、欠陥と正常部の違いはコントラストの違いとして判定される。

自動で測定を行う場合、コンピュータ等に測定画像を読み込み、輝度の最頻値に対してコントラスト比が１．２０以上又は０．８３以下、かつ、表面積が半導体ウェハと水銀との接触面の面積に対して０．５％以上の点を所定の欠陥として特定する。

図８に示すように、半導体ウェハの表面のほとんどは正常である。そのため、「輝度の最頻値」は正常な表面における輝度になる。この輝度を１とした際に、コントラスト比を１．２０以上又は０．８３以下とすると、図８に示すように目視で明らかに欠陥と判断できる欠陥を網羅できる。また表面積の閾値を設けることで、誤差とできる欠陥を除去し、電気的特性に影響を及ぼす可能性の高い所定の欠陥を自動で特定することができる。

またこの際、輝度の最頻値に対してコントラスト比が１．８８以上又は０．５３以下の高コントラスト欠陥の位置座標をさらに特定してもよい。コントラスト比は、欠陥の高さと相関がある。例えば、コントラスト比が１．８８の欠陥は、欠陥の高さが５０μｍ程度である。このことは、得られたコントラスト比で、レーザー顕微鏡により確認した欠陥高さの関係から確認できる。

高コントラスト欠陥を特定することで、表面積は小さいが高さが非常に高い又は深さが非常に深い欠陥も網羅できる。所定の欠陥は、表面積がある程度以上のもの以外は抽出しない。基本的には、所定の欠陥を抽出しておけば、電気的特性に影響を及ぼす可能性の高い欠陥は網羅できるが、高コントラスト欠陥を特定することで、より電気的特性の正確性が高まる。

欠陥の高さ又は深さとしては、５０μｍ以上のものを特定することが好ましい。欠陥の高さ又は深さが、５０μｍ未満であれば、図５や図７に示すように、水銀がキャピラリー外に漏洩することを防げる。輝度の最頻値に対してコントラスト比が１．８８以上又は０．５３以下であれば、これらの欠陥を網羅できる。

最後に所定の欠陥、必要に応じて高コントラスト欠陥の位置座標をマッピングする。図８に示す測定画像において、半導体ウェハの中心を（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）として、ＸＹ座標系でマッピングする。

＜プローブ設置工程＞
プローブ設置工程では、座標測定工程で特定された所定の欠陥の位置座標と、予定されていたプローブ設置箇所の位置座標が重なる場合、所定の欠陥の位置座標を避けてプローブを設置する。

図９は、図８に示す測定画像に予定されていたプローブ設置予定箇所１１を重ねた図である。プローブ設置予定箇所１１は、電気的特性を測定する箇所であり、キャピラリーの下面の外形に相当する。このプローブ設置予定箇所の中心部分に水銀がウェハに接触する電気特性測定部分があり、この電気特性測定部分の面積が水銀の面積（キャピラリーの内径の面積）になる。ＳｉＣウェハにおいて、キャリア濃度は表面欠陥密度と合せて最も管理が求められる。そのため、図９に示すように、半導体ウェハの中心から径方向に複数点測定される。

図９に示すようにプローブ設置予定箇所１１が複数あるため、その内のいくつの点では、上述の座標測定工程で特定された所定の欠陥の位置座標と座標が重なる。以下、この点をエラー測定点１２と言う。エラー測定点１２で測定される電気的特性は、水銀２と半導体ウェハ１との接触面積（水銀電極面積）がキャピラリー３の断面積からずれるため、正確な値を算出できない可能性がある。

そこで、図１０に示すように、エラー測定点１２に該当する部分の電気的特性を測定する場合は、実測点１３まで測定位置をずらす。この際、エラー測定点１２の中心と半導体ウェハの中心との距離と、実測点１３と半導体ウェハの中心との距離とは、一致させることが好ましい。

例えば、ＳｉＣウェハ上にエピタキシャル層を成膜する場合、ＳｉＣウェハを自転させながらエピタキシャル層を成膜する。そのため、半導体ウェハの中心から等距離の周方向のキャリア濃度は、近い値となる。そのため、エラー測定点１２の中心と半導体ウェハの中心との距離と、実測点１３と半導体ウェハの中心との距離とを一致させることで、当初測定を予定していた位置と近い値の電気的特性が得られる。

＜電気的特性測定工程＞
電気的特性測定工程では、プローブから供給される水銀と半導体ウェハとを接触させて電気的特性を測定する。電気的特性は、上述の水銀プローブ法を用いることができる。得られた電気的特性から半導体ウェハのキャリア濃度等を正確に求めることができる。

測定される半導体ウェハは、評価対象であり、その種類は特に限定されないが、水銀に濡れない半導体ウェハが用いられる。このような半導体ウェハとしては、例えばＳｉＣウェハ、シリコンウェハ等がある。また、半導体ウェハは、シリコンウェハ、ＳｉＣウェハ、ＧａＮウェハの表面にエピタキシャル成長によりエピタキシャル層を形成させたエピタキシャルウェハでもよい。

本実施形態にかかる半導体ウェハの評価方法によれば、欠陥の位置を事前に確認し、欠陥を避けて電気的特性を測定することができる。そのため、水銀と半導体ウェハとの接触面積（水銀電極面積）がキャピラリー３の断面積と一致し、半導体ウェハ１の電気的特性を正確に求めることができる。

以上、本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶接合体について図面を参照して説明したが、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更を加えることができる。

１…半導体ウェハ、１ａ…表面、２…水銀、３…キャピラリー、４…給排気管、５…配線、１０…半導体ウェハ評価装置、１１…プローブ設置予定箇所、１２…エラー測定点、１３…実測点、Ｄ，Ｄ１，Ｄ２…欠陥

Claims (4)

1. 半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性を評価する半導体ウェハの評価方法であって、
   前記半導体ウェハと前記水銀との接触面の面積に対して０．５％以上の面積を有する凸状又は凹状の所定の欠陥を特定し、前記所定の欠陥の位置座標を測定する座標測定工程と、
   前記座標測定工程で特定された前記所定の欠陥の位置座標と、予定されていたプローブ設置箇所の位置座標が重なる場合、前記所定の欠陥の位置座標を避けてプローブを設置するプローブ設置工程と、
   前記プローブから供給される前記水銀と前記半導体ウェハを接触させて電気的特性を測定する電気的特性測定工程と、を有する半導体ウェハの評価方法。
2. 前記座標測定工程は、光学式表面検査装置により測定画像をえる工程と、
   前記測定画像において、輝度の最頻値に対してコントラスト比が１．２０以上又は０．８３以下、かつ、表面積が前記半導体ウェハと前記水銀との接触面の面積に対して０．５％以上の点を前記所定の欠陥として特定する工程と、
   特定された前記所定の欠陥の位置座標をマッピングする工程と、を有する請求項１に記載の半導体ウェハの評価方法。
3. 前記座標測定工程において、輝度の最頻値に対してコントラスト比が１．８８以上又は０．５３以下の高コントラスト欠陥の位置座標をさらに特定し、
   前記プローブ設置工程において、前記所定の欠陥と合せて前記高コントラスト欠陥も避けてプローブを設置する請求項１又は２のいずれかに記載の半導体ウェハの評価方法。
4. 前記プローブ設置工程において、プローブ設置箇所と半導体ウェハの中心との距離を、予定されていたプローブ設置箇所と半導体ウェハの中心との距離と一致させる請求項１〜３いずれか一項に記載の半導体ウェハの評価方法。