JP6962205B2

JP6962205B2 - 半導体装置の評価装置

Info

Publication number: JP6962205B2
Application number: JP2018004076A
Authority: JP
Inventors: 剛大槻
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: JP2019125642A

Description

本発明は半導体基板上に作製されたデバイスの電気特性を評価する装置に関するものである。

シリコン基板をはじめとする半導体基板に、ＭＯＳ（ＭｅｔａｌｏｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造や、ＰＮ接合をはじめとした各種デバイス構造が形成される。これらの素子特性そのものや、素子特性から得られる半導体基板特性などの評価は、開発・製造を問わず重要である。

これらの素子特性評価において、流れる電流の大きさという観点から整理すると、ＭＯＳの酸化膜絶縁特性やＰＮ接合の逆方向リーク電流のような、いわゆる微小電流を対象とする場合と、ＰＮ接合の順方向電流特性のように、比較的大きな電流を対象とする場合がある。

大電流用途としては、車載用をはじめとしたパワー半導体がある。接合を利用したダイオードや、ＩＢＧＴなどである。これらの特性には、静特性としてオン電圧（Ｖｆ）や、動特性としてスイッチング特性等がある。これらの特性は、デバイス構造（設計）に依存するのはもちろんのことであるが、ライフタイムコントロールを行う上で、電子線をはじめとした粒子線を照射し、アニールする工程が行われる。このことから分かるように、順方向特性のような大電流デバイスにおいても、半導体材料の特性が大きく影響する。

特許文献１には、実際にライフタイムコントロールを行った場合に、粒子線にて生じた欠陥（空孔）と基板の酸素が影響することが開示されているし、特許文献２には、これら基板に含まれる酸素等の影響を低減する方法が開示されている。これら特許文献には、主に、動特性としてスイッチング特性に注目して記述がなされているが、非特許文献１には、静特性（Ｖｆ）への基板からの影響が記述されており、酸素の影響が示唆されている。

微小電流の場合は、素子そのものが非常に大きな抵抗を示し、測定回路（テスター、配線、素子）中で一番大きな抵抗を示すのが素子そのものであるために、回路の寄生抵抗というものを考慮する必要はない（ノイズ対策、外乱の排除は非常に重要であるが）。一方で、ＰＮ接合の順方向電流のように、素子のそのものの抵抗が低くなってくると、ノイズという観点からは、対策が不要になり、測定が簡単になる反面、測定回路中で一番抵抗が大きい箇所が配線となることが多く、素子そのものの特性が評価できているか、注意が必要である。すなわち寄生抵抗の影響が無視できなくなる。

このような寄生抵抗の影響を排除する方法として、ウエーハ上に作製したデバイスをダイシング（切り出し）して、配線・パッケージをしてから、上記のような特性評価を行う方法がある。しかし、配線まで進めるとなると、ダイシングや配線（ボンディング）等々の工程が必要となり、製品の場合は、もしこの切り出したサンプルが不良であった場合は、不良品を加工するというロスが生じることになる。また評価のためとしても、評価結果を得るために、長時間を要することとなる。そのために、ダイシング・ボンディング工程を必要としない、いわゆるオンウエーハでの測定・評価が必要である。

ＷＯ２０１６／０３５５３１特開２００７−２５１００３

Ｋ．Ｔａｋａｎｏｅｔ．ａｌ．， "ＳｔｕｄｙａｂｏｕｔＳｉＷａｆｅｒ（Ｍｏｔｈｅｒ）ＭａｔｅｒｉａｌｆｏｒＨｉｇｈＳｐｅｅｄＬＰＴ−ＣＳＴＢＴＴＭＢａｓｅｄｏｎＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＰｈｙｓｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２７ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＰｏｗｅｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＤｅｖｉｃｅｓ＆ＩＣ’ｓ，Ｍａｙ１０−１４，２０１５，ＫｏｗｌｏｏｎＳｈａｎｇｒｉ−Ｌａ，ＨｏｎｇＫｏｎｇ

以上の内容を踏まえ、本発明は、低抵抗の特性を示す半導体装置の評価において、オンウエーハでの評価を可能とするために、寄生抵抗を低減できる半導体装置の評価装置を提供するものである。オンウエーハ測定では、ウエーハをチャックして測定する際に、寄生抵抗を低減することが大変重要である。

上記課題を達成するために、本発明では、ウエーハ上に形成された半導体装置の電気特性をオンウエーハで評価するための半導体装置の評価装置であって、前記ウエーハを保持するための導電性チャック、電気特性測定器、前記電気特性測定器と前記ウエーハ上に形成された半導体装置を接続するための第１の配線、及び前記電気特性測定器と前記導電性チャックを接続する第２の配線を具備し、前記導電性チャックに前記半導体装置が形成されたウエーハを保持することによって回路が形成されるものであって、前記第２の配線が分岐を有し、前記導電性チャックと複数の接続点で接続されているものである半導体装置の評価装置を提供する。

このような半導体装置の評価装置であれば、導電性チャックそのものの持つ抵抗（寄生抵抗）を排除することが可能となる。

また、前記複数の接続点のピッチが、前記ウエーハ上に形成された半導体装置のパターンピッチと同じであることが好ましい。

このような複数の接続点のピッチであれば、導電性チャックのどこに半導体装置（素子）があっても、寄生抵抗の影響を考慮することなく測定が可能となり、面内分布の取得や、全数測定がオンウエーハの状態で可能となる。

以上説明したように、本発明の半導体装置の評価装置により、導電性チャックの寄生抵抗の影響を低減することで、大電流が流れる半導体装置であっても、オンウエーハの状態で特性評価が可能となり、測定時間の短縮、不良品にかけるコストを低減することが可能となる。

本発明の半導体装置の評価装置の一例を示す概略図（ウエーハ保持部が斜視図）である。本発明の半導体装置の評価装置の一例を示す概略図（ウエーハ保持部が断面図）である。従来の半導体装置の評価装置の一例を示す概略図（ウエーハ保持部が斜視図）である。従来の半導体装置の評価装置の一例を示す概略図（ウエーハ保持部が断面図）である。（ａ）従来技術の説明に用いる、ウエーハ上の半導体装置の位置を示すための概略図である。（ｂ）従来技術における、ＰＮ接合の順方向特性を測定した際の接続点からの距離を変えた時のＩＶカーブの一例を示す図である。（ｃ）従来技術における、ＰＮ接合の順方向特性を測定した際の接続点からの距離を変えた時のＶｆ特性の一例を示す図である。（ａ）実施例における、ＰＮ接合の順方向特性を測定した際のチャック内の位置を変えた時のＶｆ特性を示す図である。（ｂ）実施例における、Ｏｉ（ｐｐｍａ）とＶｆの関係（基板酸素濃度特性）を示す図である。（ａ）比較例における、ＰＮ接合の順方向特性を測定した際の接続点からの距離を変えた時のＶｆ特性を示す図である。（ｂ）比較例における、Ｏｉ（ｐｐｍａ）とＶｆの関係（基板酸素濃度特性）を示す図である。

上述のように、低抵抗の特性を示す半導体装置の評価において、オンウエーハでの評価を可能とするために、寄生抵抗を低減できる半導体装置の評価装置の開発が求められていた。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、電気特性測定器と導電性チャックを接続する配線を、分岐を有するものとし、導電性チャックに複数の接続点を設けることによって、導電性チャックの寄生抵抗を低減できることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、ウエーハ上に形成された半導体装置の電気特性をオンウエーハで評価するための半導体装置の評価装置であって、前記ウエーハを保持するための導電性チャック、電気特性測定器、前記電気特性測定器と前記ウエーハ上に形成された半導体装置を接続するための第１の配線、及び前記電気特性測定器と前記導電性チャックを接続する第２の配線を具備し、前記導電性チャックに前記半導体装置が形成されたウエーハを保持することによって回路が形成されるものであって、前記第２の配線が分岐を有し、前記導電性チャックと複数の接続点で接続されているものである半導体装置の評価装置である。

以下、本発明について図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明の半導体装置の評価装置は、例えば、図１、図２のような構成とすることができる。図１、図２において、本発明の半導体装置の評価装置１は、導電性チャック２、電気特性測定器３、第１の配線４、分岐を有する第２の配線５から構成され、導電性チャック２と第２の配線５とが複数の接続点６で接続されているものである。
測定時には、半導体装置を形成したウエーハ７は、導電性チャック２の上に保持される。そしてウエーハ７に形成された半導体装置１０に第１の配線４を接触させる。

本発明で用いるウエーハを保持するチャックは導電性を有するため、保持するウエーハと電気的に接続される。すなわち、第１の配線４、電気特性測定器３、第２の配線５、導電性チャック２、及び半導体装置１０を形成したウエーハ７とが回路を形成することによって、半導体装置の電気特性の評価が可能となる。

本発明において、導電性チャックは電気伝導性を有するものであれば特に限定はされないが、金属製であることが好ましい。電気特性測定器としては、特に限定されず、種々の測定器を用いることができる。第１の配線と第２の配線としては、電気伝導性を有する材質でできているものであれば特に限定はされず、また、形状としても、線状、棒状など、種々の形状のものを組み合わせて用いてもよい。尚、第１の配線は、先端（半導体装置と接する方）にニードルを備えたものであってもよい。

本発明において、導電性チャック２と分岐を有する第２の配線５との複数の接続点６は、導電性チャック２の底部に形成されたものであることが好ましい。このとき、導電性チャックの底部に穴を開けて配線を接続してもよいし、底部に穴を開けることなく導電性チャックの底部に複数個所配線するだけとしてもよい。

この場合、複数の接続点のピッチが、ウエーハ上に形成された半導体装置のパターンピッチと同じであること、すなわち、ウエーハ上に形成された半導体装置一つ一つに対応するように接続点を設けることが好ましい。

以下、本発明の効果について、従来技術との比較を行い、更に詳細に説明する。

図３及び図４に従来から使用される一般的なオンウエーハでの素子特性評価に用いられる半導体装置の評価装置の構成を示す。従来の半導体装置の評価装置８において、電気特性測定器３（テスター）からの片方の配線（第１の配線４）を、ウエーハ７上から半導体装置（不図示）に、導電性の材料でできたニードル等（不図示）を用いて接触させる。電気特性測定器３からのもう片方の端子（第２の配線５´）は、ウエーハ７を搭載した金属製の導電性チャック２に接続される。このように、従来の半導体装置の評価装置は、導電性チャック２の外周部の１か所のみに接続点が設けられたものである。

このとき、導電性チャック外周部と導電性チャック中心部、すなわち、ウエーハ中心部等までの距離が存在し、この配線接続部からの距離が、すなわち寄生抵抗として影響することがある。もちろん半導体装置が低電流特性を示すものであれば、これらの寄生抵抗は影響しないが、高電流を流すことが出来る半導体装置の場合は、半導体装置の特性よりも、この導電性チャックの抵抗（寄生抵抗）が影響してしまうことがある。

例えば、図５（ａ）に示すように、導電性チャック端部（外周部）の１点に配線を接続し、この配線接続位置からの距離を図５（ａ）中の（１）〜（３）のように変化させて同一素子の電気特性を評価した場合、図５（ｂ）に示すように、導電性チャック内での位置によって、電流電圧特性が変化する。また、電流値が０．０４Ａのときの電圧をＶｆとして算出し、チャック位置との関係をプロットすると、配線接続位置からの距離が離れるに従いＶｆが上昇していることが分かる（図５（ｃ））。言いかえると、同一電圧で比較すると、流れる電流値が小さくなっていることが分かる。

このように導電性のウエーハチャックであっても、配線接続位置からの距離によって電気特性が異なる理由は、導電性チャックの構造によるものであり、形状によって影響の度合いは変化する。

これに対し、本発明の半導体装置の評価装置は、第２の配線が分岐を有し、導電性チャックと複数の接続点で接続されているものである。例えば、導電性チャックの底部に第２の配線との複数の接続点を設けることで、半導体装置がウエーハ上のどの位置に形成されていたとしても、複数の接続点のうちのいずれかの接続点と、その半導体装置との距離が近くなり得るため、導電性チャックの寄生抵抗の影響を低減することができる。

以下、実施例及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例］

２１０ｍｍの直径をもつＳＵＳ製のウエーハチャック（導電性チャック）を準備した。このチャックに２５ｍｍ間隔で内径５ｍｍの穴をあけ、これに直径５ｍｍの銅で出来た棒を差し込み、この棒の端部にテスター（電気特性測定器）からの配線を接続して、半導体装置の評価装置とした（図１及び図２参照）。

基板酸素濃度が２〜４ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）程度の低酸素濃度で、抵抗率１０Ω・ｃｍのボロンドープ、直径２００ｍｍのウエーハ（シリコン基板）を準備した、まずこれをＰｙｒｏ雰囲気１０００℃・９０分の熱処理で２００ｎｍの酸化膜を形成した。こののち、レジストを塗布し、フォトリソグラフィーを行い、レジスト付きウエーハをバッファードＨＦ溶液にて酸化膜エッチングし、硫酸過酸化水素混合液にてレジストを除去後、ＲＣＡ洗浄を実施した。このウエーハに加速電圧５５ＫｅＶ、ドーズ量２×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２でボロンをイオン注入し、窒素雰囲気下、１０００℃で回復アニール後、リンガラスを塗布拡散し、リンを表面より拡散することで、ＰＮ接合を形成した。

このようにしてウエーハ上に形成した所定のＰＮ接合を特定し、導電性チャック上のＰＮ接合の位置をウエーハ中心から±１００ｍｍの範囲内で変化させて選定して、順方向電圧を印加した時の順方向電流を測定し、電流値が０．０４Ａのときの電圧をＶｆとして取得し、チャック内の位置依存性が無いか確認したところ、図６（ａ）に示すように位置による差が無い事が示された。

さらに、酸素濃度Ｏｉ（ｐｐｍａ）を変えたウエーハについて、上記のようにして形成したＰＮ接合に順方向電圧を印加した時の順方向電流を測定し、電流値が０．０１Ａのときの電圧をＶｆとして取得した。このＶｆと酸素濃度の関係を図６（ｂ）に示す。この場合、酸素濃度とのよい相関関係を得ることができている。

［比較例］

２１０ｍｍの直径をもつＳＵＳ製の導電性チャックを準備した。このチャックの端部（外周部）にテスターからの配線を接続して、半導体装置の評価装置とした（図３及び図４参照）。

このようにしてウエーハ上に形成した所定のＰＮ接合を特定し、導電性チャック上のＰＮ接合の位置をウエーハ中心から±１００ｍｍの範囲内（すなわち、配線を接続した位置から最大２００ｍｍ離れた範囲）で変化させて選定して、順方向電圧を印加した時の順方向電流を測定し、電流値が０．０４Ａのときの電圧をＶｆとして取得し、チャック内の位置依存性が無いか確認したところ、図７（ａ）に示すようにチャックに接続した配線部からの距離によってＶｆが変動する傾向が得られた。

さらに、酸素濃度Ｏｉ（ｐｐｍａ）を変えたウエーハについて、上記のようにして形成したＰＮ接合に順方向電圧を印加した時の順方向電流を測定し、電流値が０．０１Ａのときの電圧をＶｆとして取得した。このＶｆと酸素濃度の関係を図７（ｂ）に示す。この場合、酸素濃度との関係が不明確であり、ウエーハチャックの寄生抵抗が影響していると考えられる。

以上のように、本発明の半導体装置の評価装置であれば、低抵抗の特性を示す半導体装置の評価において、オンウエーハでの評価を可能とするために、寄生抵抗を低減できることが明らかになった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…本発明の半導体装置の評価装置、２…導電性チャック、３…電気特性測定器、
４…第１の配線、５、５´…第２の配線、６…接続点、７…ウエーハ、
８…従来の半導体装置の評価装置、１０…半導体装置。

Claims

ウエーハ上に形成された半導体装置の電気特性をオンウエーハで評価するための半導体装置の評価装置であって、
前記ウエーハを保持するための導電性チャック、電気特性測定器、前記電気特性測定器と前記ウエーハ上に形成された半導体装置を接続するための第１の配線、及び前記電気特性測定器と前記導電性チャックを接続する第２の配線を具備し、前記導電性チャックに前記半導体装置が形成されたウエーハを保持することによって回路が形成されるものであって、
前記第２の配線が分岐を有し、前記導電性チャックと複数の接続点で接続されているものであり、かつ、
前記複数の接続点のピッチが、前記ウエーハ上に形成された半導体装置のパターンピッチと同じであることを特徴とする半導体装置の評価装置。