JPH01213579A - 表面抵抗測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、特に薄膜エピタキシャル層或は拡散層等が形
成された半導体基板に対する表面抵抗測定方法及びその
装置に関するものである。

（従来の技術） 従来、表面抵抗測定方法としては、２探別法、４探針法
、高周波法及び拡がり抵抗法等があるが、これらのうち
現在最も広く用いられている方法として４探針法が挙げ
られる。

４探針法は、試料に対する特別な加工が不要なこと、及
び試料形状等に対する補正値が確率されている等の理由
により、簡便かつ正確な表面抵抗の測定方法として、特
に薄膜のエピタキシセル層や拡散層の評価に広く用いら
れている。

このような４探針法においても、探針と試料表面との接
触部に発生する接触抵抗、或は探針に加えられる荷重に
起因する応力歪等により測定誤差を生じるという不具合
がある。これらの不具合を解決するものとして、実公昭
５３−１３３４０Ｑ公報、特開昭６０−１４９１４４号
公報、及び特開昭６１−２４７０４６＠公報等で提案さ
れている方法があるが、いずれも実用上の難点があり、
４探針法に代り得るに至っていないのが実状である。

一方、近年の半導体装置の技術的進歩に伴い、エピタキ
シャル層や拡散層はますます薄膜化され、現状では厚さ
１μｍ以下のエピタキシャル層等に対する表面抵抗の測
定は、普通のこととなっている。

以上の状況下において、４探針法の表面抵抗測定装置も
種々市販されて実用に供されており、測定装置自体にも
種々の改良がなされてきた。

第２図は従来の４探針法による表面抵抗測定方法を示す
模式図である。

第２図において、被測定試料としての半導体基板１は、
その上部に例えば、拡散層２が形成されて成るものであ
る。この半導体基板１０表面、即ち拡散層２の表面に、
４本の探針３−１〜３−４を一列に並へてそれぞれの先
端を接触させる。各探針３−１〜３−４には拡散層２ど
の接触を確実に行なうために２００Ｖ程度の荷重を加え
、それぞれを拡散層２に圧接する。このときの各探針３
−１〜３−４の間隔は、通常１ｍｍ程度とする。

次に、両端に位置する深層３−１．３−４を電流電極と
して、定電流電源より一定電流を半導体基板１表層部に
流す。このとき、半導体基板１表層部の電流は、ＰＮ接
合部４が存在するため理想的には全て拡散層２内を流れ
、ＰＮ接合部４より下方の半導体基板１内には流れない
。

探針３−１．３−４から電流を流し込むことにより拡散
（６）２の表面にはその表面抵抗に応じて電位差分布が
生じる。この電位差を探＆ｆ３−１゜３−４の内側に位
置する探針３−２．３−３で測定する。ここに、電流■
を流したときに探針３−２．３−３間に電位差Ｖが得ら
れたとすれば、拡散層２の表面抵抗ρ５は、 と表わされる。Ｋは拡散層２の形状及び測定位置に関す
る補正係数で、Ｏ≦に≦１の値をとる。探針箇所に比較
して拡散層２の面積が十分大きく、例えば拡散層２の面
積が４０Ｘ４０ｍｍ２以上のときは、１％以内の誤差で
に＝１と見なしてもよいことが判っている。

以上のようにして、一定の電流■を流したときの電位差
■を測定すれば、拡散層２の表面抵抗ρ、が得られる。

ところが、上記の表面抵抗測定方法においては、接触抵
抗或は応力歪に起因する測定誤差を生じ把という不具合
があった。

即ち、探針３−１〜３−４と拡散層２表面との接触状態
が悪いときには、その接触箇所に大きな接触抵抗を生じ
、誤測定のおそれが生じる。この接触抵抗を低下させ、
良好なオーミック接続を得るだめには、ある程度の荷重
を探針３−１〜３−４に加える必要があるが、荷重を加
え過ぎれば拡散層２に局部的かつ過大な応力歪を生じ、
ＰＮ接合部４の電流阻止機能を低下させることによって
、測定誤差が増大する。このように、接触抵抗及び応力
歪は個々に発生するものではなく、二律背反の関係を有
するものである。

前記接触抵抗を生じる原因は、殆どの場合探針先端部と
半導体基板接触部の汚れ、もしくは探針先端部が半導体
基板に形成された自然酸化膜と考えられる。それ故、こ
の汚れや自然酸化膜の影響を除去するために、各探針３
−１〜３−４間に高電圧を印加する方法も用いられてい
る。この方法は表面抵抗の測定に先立ち、汚れや自然酸
化膜を高電圧で絶縁破壊し、接触抵抗の低下を図ろうと
するものである。

第３図は従来の表面抵抗測定装置の一例を示す構成図で
ある。

この表面抵抗測定装置は４端子法用のものであり、深層
部５、切り替え回路部６、測定回路部７及び高電圧印加
回路部８によって構成されている。

探針部５は、探針ケース９内に４本の探針３−１〜３−
４を有している。これらの各探針３−１〜３−４は、切
り替え回路部６のスイッチ１０を介して測定回路部７及
び高電圧印加回路部８に接続されている。

前記測定回路部７は、探＆−ｔ３−１．３−４に定電流
■を供給するための電［１１と電流計１２を備えると共
に、探針３−２．３−３間の電位差を測定するための電
圧計１３を有している。また、高電圧印加回路部８は、
各探針３−１〜３−４間に高電圧を印加するための電源
１４と抵抗１５、及び切り替え用のスイッチ１６を有し
ている。高電圧印加回路部８は、スイッチ１０．１６に
よって各探針３−１〜３−４間に選択的に高電圧印加が
可能な構成となっている。

（発明か解決しようとする課題） しかしながら、上記構成の表面抵抗測定方法及びその装
置においては、依然として接触抵抗或は応力歪に起因づ
る測定誤差を生じるという問題点があった。

即ら、高電圧印１１０回路部８を設けることによって、
例えば深さ５μｍ程度以上の深い拡散層２やエピタキシ
ャル層を有する半導体基板１の測定に対しては、一定の
効果が得られるものの、例えば深さ１μｍ以下の極く薄
い拡散層２やエピタキシャル層を有するものに対しては
、かえって測定結果に悪影響を及ぼ１おそれがあった。

これは、拡散層２等が薄い場合には、汚れや自然酸化膜
を高電圧で絶縁破ＩＪ２！ｉすると、表面近くに位置す
るＰＮ接合部４も破壊され易いためで、その後の測定結
果に対する信頼性が失しなわれてしまう。

第４図に第３図の測定装置によって表面抵抗を測定した
結果を示ず。この測定は、直径４インチのＰ形基板上に
厚さ約１μｍのＮ形エピタキシャル層を形成した半導体
基板に対して行なったものである。図の横軸にＮ形エピ
タキシャル層上の同一箇所付近にお（ブる繰り返し測定
回数を示し、縦軸に各測定回毎の表面抵抗値を示す。

第４図より、各測定回毎に表面抵抗値が大きくばらつい
ていることが判る。これは、探針から加えられた荷重が
ＰＮ接合部に応力歪を与えていることと、絶縁破壊によ
ってＰＮ接合部が損傷を受けていることに起因している
。即ち、測定時の荷重は探針１本当り１ｏｏｇとし、通
常の２００９より小さな荷重としたにもかかわらず、エ
ピタキシャル層が薄いためにＰＮ接合部に応ツノ歪を生
じ、漏洩電流によるばらつきを生じたものである。また
、測定値が極端に小さくなっている箇所は、絶縁破壊に
よってＰＮ接合部も破壊されてしまったために生じてい
るものである。なお、前記Ｍｆｆｉをざらに小さくして
測定した場合には、探針とエピタキシャル層との接触抵
抗による誤差が増大し、満足する測定結果が得られない
。

本発明は、前記従来技術がもっていた課題として、二律
背反の関係にある接触抵抗と応力歪のために正確な測定
か困難な点、及びこれを解決するための絶縁破壊はＰＮ
接合部をも破壊して測定結果に悪影響を及ぼす点につい
て解決した表面抵抗測定方法及びその装置を提供するも
のである。

（課題を解決するための手段） 第１の発明は、前記課題を解決するために、半導体基板
の表面に複数の探針を接触させ、該探針を介して前記半
導体基板に電流を流すことにより該探針間における前記
半導体基板の抵抗を測定する表面抵抗測定方法において
、前記半導体基板の表面に前記探針を接触させた後、該
探針に超音波振動を与え、しかる後に該探針間における
前記半導体基板の抵抗を測定するようにしたものである
。

また、第２の発明は、半導体基板の表面に接触し、該半
導体基板に電流を流し込むと共に該半導体基板の抵抗を
測定するための複数の探針と、前記探針に定電流を供給
すると共に該探針間における前記半導体基板の抵抗を測
定する測定回路部とを、備えた表面抵抗測定装置におい
て、高周波電気振動を発生ずる発振装置部と、前記高周
波電気振動を入力してこれを超音波振動に変換し、該超
音波振動を前記探針に与える超音波振動子とを設けたも
のである。

（作　用） 第１の発明によれば、以上のように表面抵抗測定方法を
構成したので、半導体基板の表面に接触した探針に加え
られる超音波振動は、その探針を高周波数で振動させ、
探針と半導体基板表面との接触面において摩擦運動を生
じざぜるように働く。

この摩擦運動によって、探針或は半導体基板表面に付着
していた汚れもしくは酸化皮膜か除去され、探別と半導
体基板表面間における接触抵抗が低減する。ざらにこの
接触抵抗の低減によって探針荷重の減少が可能となり、
半導体基板に発生する応力歪を極力抑えることができる
。

また、第２の発明によれば、表面抵抗測定装置に設けら
れた発振装置部と超音波振動子は、高周波電気振動を超
音波振動に変換して探針に伝え、探針と半導体基板表面
との間に摩擦運動を生じしめる。ことによって、前記表
面抵抗測定方法に基づいた測定を容易かつ確実に行なわ
しめ、信頼性の高い表面抵抗測定を実現させる。

したがって、前記課題を解決することができる。

（実施例） 第１図（ａ＞、（ｂ）は第１及び第２の発明の実施例を
示すための表面抵抗測定装置の構成図であり、同図（ａ
）はその全体構成図及び同図（ｂ）は探針部の平面図で
ある。図を用いて、先ず第１の発明について説明する。

被測定試料としての半導体基板２１は、その上部に例え
ば拡散層２２が形成されて成るものである。この半導体
基板２１の表面、即ち拡散層２２の表面に４本の探針２
３−１〜２３−４を直線状に並べ、それぞれの先端部を
拡散層２２表面にほぼ垂直に接触させる。このときの各
探針２３−１〜２３−４を拡散層２２表面に押し付ける
強さ、即ち各探針に加える荷重は、従来の方法の約１／
１０である２０ｇ程度とすれば十分である。

これは、１麦述するように本実施例の方法では、探針先
端部と拡散層２２表面との間に空間的な間隙を生じなけ
ればよいので、従来のような大きな探針荷重を必要とし
ない。各探針２３−１〜２３−４は、第１図（ｂ）に示
すように等間隔Ｓで配置するものとし、間隔Ｓは例えば
約１ｍｍとする。

次に、各探針２３−１〜２３−４に超音波振動を与える
。この超音波振動は、例えば周波数１００ＫＨ７、出力
３０Ｗ程度で超音波振動子２４を振動させ、その振動を
絶縁物スペーサ２５を介して各探針２３−１〜２３−４
に伝えるものである。超音波振動により、各探針先端部
は拡散層２２表面との接触箇所において摩擦運動を生じ
、各探針先端部或は拡散層２２表面に付着していた汚れ
及び酸化皮膜は除去される。

この際、前記超音波振動による各探針先端部の全振幅は
数μｍ程度であり、各探針先端部の半径が数１０〜数１
００μｍ程度であること、及び深層間隔Ｓが１０００μ
ｍ程度であることから、各探針先端部に損傷を生じたり
、或は探針間隔Ｓの変化によって測定誤差を生じること
はない。

前記超音波振動により各探針２３−１〜２３−４と拡散
層２２表面における汚れ及び酸化皮膜を除去した後、従
来と同様に探針２３−１゜２３−４を電流電極として拡
散層２２に所定電流を流す。次いで、探針２３−２．２
３−３を電位　　　　　′電極として拡散層２２表面に
発生している電位差を測定し、そのときの電流・電位差
より表面抵抗値を算出する。

このように本実施例では、超音波１辰動によって汚れ及
び酸化皮膜を予め除去するので、各探針２３−１〜２３
−４と拡散層２２間の接触抵抗が著しく低減される。し
かも、この超音波振動による接触抵抗低減によって、各
探針を拡散層表面に強く押し付ける必要がなくなり、従
来の約１／１０程度の探針荷重で十分である。それ故、
拡散層２２に過大な応力歪を生じることはなく、ＰＮ接
合部２６の電流阻止機能が低下することはない。したが
って、接触抵抗及び応力歪に起因する測定誤差の発生を
防止することかできる。勿論、絶縁破壊を施す必要もな
くなるので、ＰＮ接合部２６に損傷を生じるおそれもな
い。

次に、第２の発明の表面抵抗測定装置について、第１図
（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。

この表面抵抗測定装置は、探針部２７、切り替え回路部
２８、測定回路部２９及び超音波振動発生装置３０によ
って構成されている。必要に応じて、高電圧印加回路部
３１を設けてもよい。探針部２７は、探針ケース３２内
に４本の探針２３−１〜２３−４を有しており、各探針
は絶縁物スペーサ２５によって所定間隔に保持されてい
る。探針ケース３２内には、超音波振動発生装置３０の
一部を構成する超音波振動子２４が組み込まれ、超音波
振動子２４によって発生した超音波］騒動は、絶縁物ス
ペーサ２５を介して各探針２３−１〜２３−４に伝えら
れるような構成となっている。また、探針ケース３２内
には探針に対する緩衝材の役割をなすスプリング３３も
設けられている。

前記各探針２３−１〜２３−４は、切り替え回路部２８
のスイッチ３４を介して測定回路部２９に接続されてお
り、必要に応じて高電圧印加回路部３１にも接続される
。測定回路部２９は、探針２３−１．２３−４に定電流
を供給するための電源３５と電流計３６を備えると共に
、探針２３−２．２３−３間の電位差を測定するための
電圧計３７を有している。

前記超音波振動子２４は、切り替え回路部２８のスイッ
チ３４を介して発振装置部３８に接続されている。この
発振装置部３８と超音波振動子２４によって超音波振動
発生装置３０が構成されている。発振装置部３８は高周
波電気振動を発生し、これを超音波振動子２４に出力す
るためのものであり、発振回路３９等を有している。発
振装置部３８から出力された高周波電気振動は、超音波
振動子２４によって超音波振動に変換され、前述の如く
各探針２３−１〜２３−４に伝えられる。

なお、超音波振動発生装置３０は、探針先端の材質等の
諸条件に対応可能なように、出力可変方式とすることが
望ましい。

第５図に、上記構成の表面抵抗測定装置を使用し、前記
第１の発明の測定方法に従って半導体基板表面の同一箇
所付近に対して繰り返し測定を行なった結果を示す。図
の横軸は測定回数を示し、縦軸は各測定回毎の表面抵抗
値を示すものである。

この測定は、従来の第４図に示す測定と同様に、直径４
インチのＰ形基板上に厚さ約１μｍのＮ形エピタキシャ
ル層を形成した半導体基板に対して行なったものである
。なお、高電圧印加回路３１による絶縁破壊は行なって
いない。

第５図より明らかなように、従来の方法による測定結果
に認められたばらつきは殆どなく、再現性の良い極めて
正確な測定値が得られている。即ち、本実施例の表面抵
抗測定装置を用いた計測では、超音波振動によって探針
及びエピタキシャル層表面の汚れや酸化皮膜を予め除去
するので、接触抵抗が著しく低減される。これによって
、探針をエピタキシャル層表面に強く押し付ける必要も
なくなり、したがって探針荷重は従来の約１７１０でよ
い。それ故、接触抵抗及び応力歪に起因する測定誤差を
防止することが可能となる。

このように、本実施例の表面抵抗測定装置を用いれば、
極めて薄いエピタキシャル層や拡散層に対しても、信頼
性の高い測定を実施することができる。

なあ、第１．第２の発明の表面抵抗測定方法及びその装
置は、図示の実施例に限定されず種々の変形が可能であ
り、例えば次のような変形例が挙げられる。

（１）　第１図（ａ＞、（ｂ）は４探針法について例示
したが、２探針法等の伯の測定方法及び装置に対しても
本発明の適用が可能である。

（２）　第１図（ａ）、（ｂ）は、拡散層２２もしくは
エピタキシャル層が形成された半導体基板２１に対する
測定方法及び装置としたが、これに限定されるものでは
ない。例えば、拡散層２２やエピタキシャル層に代る他
の層が形成された半導体基板、或はこれらが形成されな
い半導体基板にも本発明を適用することができる。

（３）　超音波振動発生装置３０の構成は、図示のもの
に限定されない。例えば超音波振動子２４は図示の構造
を変えて、探針ケース３２に直接振動を伝えるようにし
てもよい。超音波振動子２４としては、磁わい振動子、
電わい振動子及び圧電振動子等、種々の方式のものを用
いることができる。また、発振回路３９も超音波振動子
２４の方式等に応じて、適宜変形することができる。

（４）　本発明はあらゆる半導体基板に対して適用可能
であり、その形状、材質、寸法等によって制約を受ける
ものではない。例えば通常の半導体ウェハは勿論、特殊
な構成を有するもの、もしくは種々の製造段階にある半
導体基板にも適用可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、第１の発明の表面抵抗測定
方法によれば、半導体基板表面に接触した探針に超音波
振動を与え、その後表面抵抗を測定するようにしたので
、探針と半導体基板表面に付着した汚れ及び酸化皮膜は
、超音波振動によって確実に除去される。それ故、半導
体基板に応力歪を生じない小さな探針荷重で接触抵抗の
少ない測定を実施できる。しかも、絶縁破壊を施す必要
もなくなり、これに基づく誤差発生を防止することもで
きる。したがって、極めて薄いエピタキシャル層や拡散
層に対重る表面抵抗測定にあっても、高精度かつ再現性
に優れた測定が可能となる。

また、第２の発明の表面抵抗測定装置によれば、前記探
針に的確な超音波振動をうえられるので、前記表面抵抗
測定方法に基づいた測定を容易かつ確実に実施すること
ができる。したがって、測定誤差が極力低減された信頼
性の高い表面抵抗測定を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は第１及び第２の発明の実施例を
示すための表面抵抗測定装置の構成図であり、同図（ａ
＞はその全体構成図、及び同図（ｂ）は探針部の平面図
、第２図は従来の表面抵抗測定方法を示す模式図、第３
゛図は従来の表面抵抗測定装置の構成図、第４図は第３
図の測定装置による表面抵抗の測定結果を示１図、第５
図は第１図（ａ）、（ｂ）の測定装置による表面抵抗の
測定結果を示す図である。 ２１・・・・・・半導体基板、２２・・・・・・拡散層
、２３−１〜２３−４・・・・・・探針、２４・・・・
・・超音波振動子、２９・・・・・・測定回路部、３０
・・・・・・超音波振動発生装置、３８・・・・・・発
振装置部。 出願人代理人　　柿　　本　　恭　　成５１す１：回ｆ
ｋ　−ラ、。 第３回の測定装置１″−誹る測定絽果 第４！ 浸］定回数−〉 第１図のブ則定装置による）則定晃呆 負へ５５０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板の表面に複数の探針を接触させ、該探針
   を介して前記半導体基板に電流を流すことにより該探針
   間における前記半導体基板の抵抗を測定する表面抵抗測
   定方法において、 前記半導体基板の表面に前記探針を接触させた後、該探
   針に超音波振動を与え、しかる後に該探針間における前
   記半導体基板の抵抗を測定することを特徴とする表面抵
   抗測定方法。 ２、半導体基板の表面に接触し、該半導体基板に電流を
   流し込むと共に該半導体基板の抵抗を測定するための複
   数の探針と、前記探針に定電流を供給すると共に該探針
   間における前記半導体基板の抵抗を測定する測定回路部
   とを、備えた表面抵抗測定装置において、 高周波電気振動を発生する発振装置部と、前記高周波電
   気振動を入力してこれを超音波振動に変換し、該超音波
   振動を前記探針に与える超音波振動子とを、設けたこと
   を特徴とする表面抵抗測定装置。