JPH08330374A

JPH08330374A - 半導体ウェーハの評価装置

Info

Publication number: JPH08330374A
Application number: JP13819895A
Authority: JP
Inventors: Ayako Watanabe; 辺亜矢子渡; Takanobu Kamakura; 倉孝信鎌
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Microelectronics Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Device Solutions Corp
Priority date: 1995-06-05
Filing date: 1995-06-05
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】検出精度がウェーハ面上における測定場所に
依存しない半導体ウェーハの評価装置を提供する。【構成】測定対象となる半導体ウェーハと、高周波電
流が供給されて上記半導体ウェーハに渦電流を生じさせ
る結合コイルと、上記半導体ウェーハに直流若しくは交
流のバイアス磁界を与えるバイアス磁界発生手段と、上
記渦電流が前記バイアス磁界中で生じさせるホール電圧
を前記半導体ウェーハの径方向に配置された２つの電極
と前記半導体ウェーハとの容量結合によって検出する検
出手段と、を備え、上記結合コイルは、絶縁基板に環状
に形成され、かつ、上記半導体ウェーハの径に比べて十
分に小口径に形成された金属膜によって構成される。【効果】小径のウェーハであってもウェーハの全面測
定による評価パラメータのマッピングが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウェーハの電気
的特性を評価する半導体ウェーハの評価装置の改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の導電率、移動度、キャリア濃度
等の、電気的な性質を測定する方法として、ファン・デ
ア・パウ（Van der Pauw）法が広く用いられている。

【０００３】しかし、試料にテストのためのオーミック
電極の形成を必要とする。このため、サンプルの劈開、
電極付、熱処理、配線等に時間がかかり、測定に多くの
時間と労力を要する。測定値が電極の大きさ等に影響さ
れる。テストした試料を素子製作に使用することが難し
いので、ＭＯＤＦＥＴ（Modulation Doped Field Effec
t Transistor）のような高価なウェーハ評価には適しな
い、等の問題がある。

【０００４】そこで、渦電流法による非接触の測定法
（例えば、特開昭５４−１３６１８２号公報）が提案さ
れている。図８はその測定原理を説明するものである。
同図において、発振器１に接続されたコイル２を半導体
ウェーハ３に平行に置き、高周波磁界をウェーハに与え
ると、ウェーハには、コイルと同心円状に渦伝電流Ｉe
が生ずる。この渦電流Ｉeに図示しないバイアス磁界発
生手段によって垂直に直流磁束Ｂを与えると、渦電流の
中心部と端部に電荷が蓄積され、放射状にホール電圧が
発生する。

【０００５】半導体ウェーハの導電率をσ、厚みをｔと
すると、渦電流Ｉe は、

【０００６】

【数１】となり、ホール電圧は、導電率や、厚みには無関係に、
キャリア移動度と磁束密度の積に比例する。このホール
電圧を図８に示される二重環状電極と半導体ウェーハと
の容量結合により検出し、キャリア移動度に比例した出
力電圧を得る。

【０００７】図９（ａ）及び同図（ｂ）は、容量結合に
よる電圧の検出を説明しており、半導体ウェーハ３と、
二重環状電極４との結合容量をＣ、高入力インピーダン
スの増幅器の入力容量をＣ0 とすると、増幅器５の入力
電圧は、入力電圧をＶinとすると、

【０００８】

【数２】従って、同図（Ｃ）に示すように、インピーダンスマッ
チング等によって、Ｃ0 を相殺すれば、結合容量が変化
する場合にも正確な測定が可能となる。

【０００９】図１０は、移動度と導電率を同時に求める
ことができる検出器の概念図であり、同図に示される
２，７，８，９の４つのコイルを２つずつ互いに向い合
わせておき、一対の間に半導体ウェーハを入れて測定を
行う。コイル２とコイル８は並列又は直列に高周波電源
１に接続され、コイル７とコイル９は直列に接続され増
幅器の入力に入れられる。コイル２により高周波磁界を
加えられた半導体ウェーハ中に渦電流が発生するが、こ
れは（１）式により、導電率σと厚みｔの積に比例す
る。この渦電流の作る磁束をコイル７により、誘導電圧
として検出すれば、この電圧も導電率と厚みの積に比例
するので、予めウェーハの厚みを測定しておくことによ
り導電率が求められる。コイル７は渦電流の磁束だけで
なくコイル２の磁束も検出してしまうため、補償用コイ
ル対８，９を用いてこれを打消す。

【００１０】直流磁界中で渦電流の値は変化しないの
で、導電率と移動度の非接触測定は同時に行うことがで
き、かつ、同一の部分の値を測定することができる。求
めた導電率と移動度とから、関係式（３）を用いてキャ
リア濃度を算出するとができる。勿論、導電率と移動度
とを別々に、各々に最適な状態で測定することができ
る。なお、コイルと二重環状電極の間の容量結合によ
り、大きな出力電圧が生じ、移動度の小さい試料では測
定が困難となる。この場合には、バイアス磁束発生手段
による直流磁界を周波数ｆ1 の交流磁界とする。コイル
の電流の周波数をｆ2とすると、移動度に比例した出力
信号は周波数ｆ1 ±ｆ2 となるので、フィルタによって
これを分離する。こうすると、容量結合電圧の影響を受
けずに移動度に比例した電圧を得ることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述した非接触測定方
法によれば、導電率、移動度、キャリア濃度が容易に求
められ、半導体ウェーハの生産過程における電気的性質
をチェックするのに都合がよい。

【００１２】しかしながら、このような測定法による従
来の半導体ウェーハの評価装置を用いてウェーハの電気
的特性を測定した場合、図７（ａ）に示すように、測定
点がウェーハの中心からウェーハの周辺に向うに従っ
て、測定した値が実際の値よりも低く検出される傾向が
生ずる。このように低く検出された測定値は校正表や校
正式等によって校正する必要がある。

【００１３】また、ウェーハの電気的特性を表すパラメ
ータのウェーハ面内分布を測定する場合、一枚のウェー
ハ面内で数点程度しか測定することができない。このた
め、ウェーハの全面測定、この測定に基づく二次元マッ
ピング、三次元グラフ等を作成することが難しい。

【００１４】よって、本発明は、検出精度がウェーハ面
上における測定場所に依存しない半導体ウェーハの評価
装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の半導体ウェーハの評価装置は、測定対象となる
半導体ウェーハと、高周波電流が供給されて上記半導体
ウェーハに渦電流を生じさせる結合コイルと、上記半導
体ウェーハに直流若しくは交流のバイアス磁界を与える
バイアス磁界発生手段と、上記渦電流が前記バイアス磁
界中で生じさせるホール電圧を前記半導体ウェーハの径
方向に配置された２つの電極と前記半導体ウェーハとの
容量結合によって検出する検出手段と、を備え、上記結
合コイルは、絶縁基板に環状に形成され、かつ、上記半
導体ウェーハの径に比べて十分に小口径に形成された金
属膜によって構成される、ことを特徴とする。

【００１６】

【作用】上記構成によれば、磁束漏洩の影響が少なく、
小口径のウェーハであっても、多数点のサンプリングを
行うことができる。更に、複数の、径の異なる結合コイ
ル及び電極を切替えて用いることによって、ウェーハの
中心からエッジ部に向うに従って生ずるホール電圧の検
出レベルの低下を抑制することが可能となる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。まず、上述した不具合の原因を種々検討し
た。その結果、ウェーハ面上の電気的測定の際にウェー
ハに磁界を与える結合コイルと検出電極の形状がウェー
ハの大きさに比べて相対的に大きいこと、また、ウェー
ハと結合コイル間のギャップから磁束漏れが生じことに
より、測定範囲（場所）が結合コイルの径よりも大きく
なるために測定部分を正確にマッピングができないこと
が判った。磁束漏れの影響は、ウェーハの周辺に行くに
従ってより強く現れる。例えば、１８ミリ径の検出電極
を用いた場合、２インチ径のウェーハでは略中心部分の
一点のみの測定が限界である。

【００１８】そこで本発明においては、コイル及び検出
電極を小型に形成する。また、コイル及び検出電極の組
合せを選択できるようにして、試料上の測定場所におけ
る最適な大きさのコイル及び検出電極を使用できるよう
にする。

【００１９】図１は、本発明の実施例を示しており、従
来装置と測定原理は同じであるのでその説明は省略す
る。また、従来装置と対応する部分には同一符号を付
し、かかる部分の説明は省略する。

【００２０】半導体ウェーハ評価装置は、大別して、コ
ンピュータシステム１００、測定制御装置２００、検出
部３００、ウェーハ搬送機構４００、によって構成され
る。コンピュータシステム１００は、データベース機
能、測定条件設定機能、ウェーハ制御機能、データ処理
機能、等を有する。データベース機能は、キーボードや
フロッピーディスク等の図示しない入力装置から入力さ
れあるいは図示しないローカルエリアネットワーク等を
介してオンラインで供給される、ウェーハの型式、ロッ
ト番号、測定プログラム、測定結果等の保存を行う。測
定条件設定機能は、選択された測定測定プログラムに従
って、測定制御装置２００に測定条件を設定する。ウェ
ーハ制御機能は、ウェーハの選択・交換・移動、ウェー
ハ面上の測定位置の二次元マッピング、二次元マッピン
グに従ってウェーハの測定位置を設定する動作指令等を
ウェーハ搬送機構４００に与える。データ処理機能は、
二次元マッピングにより測定されたシート抵抗、移動度
等の測定値をデータ処理し、ウェーハの品質評価パラメ
ータである、シート抵抗（導電率）、移動度、キャリア
濃度等について統計的処理や三次元グラフ作成等を行っ
て、ウェーハの品質評価を行う。

【００２１】測定制御装置２００は、コンピュータシス
テム１００から供給される指令に従って、結合コイル２
への高周波電力の供給、ウェーハ面上への直流あるいは
交流のバイアス磁界Ｂの供給、結合コイル及び検出電極
の組の選択、発生磁界の測定、図示しない検出電極の出
力電圧の測定、等を行う。測定結果は、コンピュータシ
ステム１００に与えられる。

【００２２】検出部３００は、コイル径や線幅を異にす
る複数の結合コイル、例えば、結合コイル２1 〜２3 を
備える。各コイル毎に形状が最適化された図示しない検
出電極を複数備える。この実施例では、検出部３００内
の上部に示されるシート抵抗（導電率）測定部と、下部
に示される移動度測定部とで、別途に結合コイル及び検
出電極のペアを複数備えている。いずれのペアが選択さ
れるかは、コンピュータシステム１００によって定めら
れ、測定制御装置２００によって選択された結合コイル
及び検出電極のペアの接続が行われる。

【００２３】ウェーハ搬送機構４００は、試料である複
数のウェーハを収納するウェーハカセット４０１から、
ウェーハ３をロボットアーム４０２によって取出し、ウ
ェーハを測定位置に運ぶ。また、測定位置のマッピング
に従って結合コイルとウェーハとを相対的に二次元に移
動する。ロボットアーム４０２は、カセット位置のウェ
ーハ３1 、上部測定位置のウェーハ３2 、下部測定位置
のウェーハ３3 、のようにウェーハを移動し、自動的に
ウェーハの交換、測定位置決め等を行う。

【００２４】図２（ａ）は、結合コイルと検出電極の大
きさの関係を概略的に示している。結合コイル２の径と
環状の検出電極４の内側の円盤状電極の径とが略等しく
設定されている。複数種類の口径の結合コイル２1 、２
2 及び２3 は、例えば、直径５ｍｍ、同３ｍｍ、同１ｍ
ｍに選定されいる。検出電極もこれ等の結合コイルの径
に等しく設定されている。

【００２５】結合コイル２及び検出電極４は、図２
（ｂ）に示されるように、ガラス、プラスチック等の平
坦かつ平滑な絶縁基板１２の表面に、金、アルミニウム
等の金属薄膜によって形成され、図示しないウェーハを
挟んで互いに対向するように配置される。そして、ウェ
ーハに可及的に接触せずかつ近接するようになされる。

【００２６】図３（ａ）〜同図（ｄ）は、結合コイルの
構成例を示している。同図（ａ）に示される結合コイル
２は、絶縁基板１２の表面に比較的に線幅が広く形成さ
れている。同図（ｂ）に示される結合コイル２は、比較
的に線幅が狭く形成されている。図３（ａ）あるいは図
（ｃ）に示されるコイルは、径の異なるもの、例えば、
直径５ｍｍ、同３ｍｍ、同１ｍｍのものが複数種類用意
される。また、これに対応して中心電極の直径が５ｍ
ｍ、同３ｍｍ、同１ｍｍの検出電極が用意される。

【００２７】同図（ｃ）に示される結合コイルは、同心
円に配置された環状のコイル２1 、２2 、及び２3 によ
って構成されている。また、同図（ｄ）に示される結合
コイルでは、同心円に配置された環状のコイル２1 、２
2 、及び２3 が絶縁基板内部を通る図中点線で示される
リード線によって外部と接続されている。リード線が基
板内部を通ることによってウェーハからリード線が離
れ、リード線による場の乱れが減少して好ましい。

【００２８】各結合コイルの形成には半導体の薄膜形成
技術が適用され、ガラス等の平滑な絶縁基板上に堆積さ
れた金、アルミニウム等の金属膜をコイルのパターン及
び配線のマスクをエッチングすることによって形成され
る。また、結合コイルは、このようなパターニングを金
属薄膜及び絶縁膜に対して行い、金属薄膜を繰返し積層
したいわゆるシートコイルによって構成することができ
る。

【００２９】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、絶縁基板上へ
の結合コイルの形成例を断面図で示している。同図
（ａ）では、絶縁基板１２のウェーハ３に対向する面側
の表面下に結合コイル１２が埋設されるように構成され
ている。同図（ｂ）では、絶縁基板１２のウェーハ３に
対向する面側の表面上に結合コイル１２が形成されてい
る。同図（ｃ）では、絶縁基板１２のウェーハ３に対向
する面側の溝内に結合コイル１２が形成されている。

【００３０】このように結合コイルを平坦な基板上に薄
膜で形成することによって、結合コイルをウェーハ３に
近接して配置することができる。この結果、磁束の漏洩
が少なくなる。

【００３１】図５は、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に使用
される複数の環状の結合コイル２1〜２3 を用いる場合
の検出電極の構成例を示している。なお、図５において
は、結合コイルを載置する絶縁基板、検出電極を載置す
る絶縁基板、及びウェーハの図示を省略している。

【００３２】検出電極の中心軸が結合コイルの中心軸と
一致するように、かつ、電極面とコイル面とが平行にな
るように配置される。検出電極は、結合コイル２1 の径
に略等しい外径の中心電極４1 、結合コイル２2 の径に
略等しい外径の環状電極４2、結合コイル２3 の径に略
等しい外径の環状電極４3 、結合コイル２3 の径よりも
大きい外径の環状電極４4 、によって構成されている。
各電極に容量結合によって誘起した電圧は端子Ｔ1 〜Ｔ
4 を介して取出される。

【００３３】例えば、結合コイルは前述した直径５ｍ
ｍ、同３ｍｍ、同１ｍｍのものを用いることができる。
この他の組合せとして、例えば、結合コイル２1 〜２3
は、直径０．５ｍｍ、同１．０ｍｍ、同２．０ｍｍのも
のが夫々用意される。また、これに対応して中心電極の
直径４1 が０．５ｍｍ、環状電極４2 の外径が１．０ｍ
ｍ、環状電極４3 の外径が２．０ｍｍ、環状電極４4 の
外径が４．０ｍｍ、各環状電極の幅が０．１〜０．２ｍ
ｍのものが用意される。

【００３４】例えば、結合コイル２1 が使用される場合
には、中心電極４1 と環状電極４2との組合せが使用さ
れる。結合コイル２2 が使用される場合には、中心電極
４1と環状電極４3 とが使用される。結合コイル２3 が
使用される場合には、中心電極４1 と環状電極４4 とが
使用される。また、結合コイル２2 が使用される場合に
は、中心電極４1 及び環状電極４2 を接続して内側電極
とし、この内側電極と環状電極４3 とを使用することが
できる。同様に、結合コイル２3 が使用される場合に
は、中心電極４1 、環状電極４2 及び４3 を相互に接続
して内側電極とし、この内側電極と環状電極４4 とを使
用することができる。

【００３５】電極の組合せ・選択は、端子Ｔ1 〜Ｔ4 の
相互接続・選択によって行うことができる。結合コイル
に対応する検出電極の組合せの選択によって、式（５）
に示される係数Ｃ／（Ｃ＋Ｃ0 ）が変る場合には、選択
に応じた演算の補正をコンピュータシステム１００にお
いて行う。電極の組合せによって係数値は定るので予め
各組合せについて求めておく。

【００３６】図６は、結合コイルの他の構成例を示して
おり、回転絶縁基板１２上に径の異なる複数の結合コイ
ル２1 〜２4 を配置し、絶縁基板１２の中心部でスリッ
プリングを介して外部と接続している。絶縁基板１２を
所定角度回転させることによって結合コイルを選択する
ことができる。この場合、検出電極は、図５に示される
ような、同心円状に複数配置された環状電極を用いるこ
とができる。また、検出電極側も図６と同様に回転絶縁
基板上に図８に示すような環状電極を複数設ける構成と
し、結合コイルの径に対応した径を有する中心電極の検
出電極を選択するようにできる。

【００３７】結合コイル及び検出電極の大きさは、ウェ
ーハの径、ホール起電力等によってコンピュータシステ
ムによって選定される。結合コイル及び検出電極の大き
さを選択することによって、ウェーハ面上の測定点は１
点から数十点まで測定できる。検出部３００により、検
出された電圧は、測定装置２００を介してコンピュータ
システム１００に供給され、従来の測定原理に従って、
演算処理される。この際、結合コイル及び検出電極の組
合せによる係数が使用される。測定値は、ウェーハ搬送
機構４００によってウェーハ面上に仮定された二次元座
標に結合コイルを位置させて得られるので、プログラム
でウェーハ面を走査させ、所望の座標において測定を逐
次指令することによって、ウェーハ面を二次元座標とす
る評価パラメータの三次元グラフを得ることができる。

【００３８】図７（ｂ）は、実施例による測定結果を示
している。ウェーハの中心からエッジ方向に向って測定
を繰返している。半径方向のｘ点までは比較的に口径の
大きいＤ1 の結合コイル及び検出電極のペアによって測
定を行い、ｘ点の所からエッジ部までは比較的に口径の
小さいＤ2 の結合コイル及び検出電極のペアに切替えて
測定を行った。この結果、同一試料について、従来の図
７（ａ）に示す特性よりも平坦な、図７（ｂ）に示す特
性が得られた。

【００３９】なお、上述した実施例では、結合コイル及
び検出電極を共に絶縁基板上に金属薄膜として形成した
が、検出電極を金属板によって構成することもできる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のウェーハ
の評価装置においては、小口径の結合コイル及び検出電
極を使用し、あるいは口径の異なる小口径の結合コイル
及び検出電極の複数の組合せの中から最適なものを選ん
で使用するので、小径のウェーハであってもウェーハの
全面測定による評価パラメータのマッピングが可能とな
る。このため、ウェーハの面内均一性の判別や歩留り低
下の原因の究明が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の概略構成を示す説明図であ
る。

【図２】図２（ａ）は、結合コイルと検出電極の位置関
係を説明する説明図である。図２（ｂ）は、絶縁基板上
に配置された結合コイルと検出電極を示す説明図であ
る。

【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）は、結合コイルの構成
例を示す説明図である。

【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、結合コイルの絶縁
基板上への配置例を示す断面図である。

【図５】同心円状に配置された結合コイル及び検出電極
の例を説明する説明図である。

【図６】回転絶縁基板上に径の異なる結合コイルを配置
した例を示す説明図である。

【図７】図７（ａ）は、従来の測定特性を示すグラフで
ある。図７（ｂ）は、本実施例の測定特性を示すグラフ
である。

【図８】従来の非接触測定法による測定装置の例を示す
説明図である。

【図９】図９（ａ）〜図９（ｃ）は、測定原理を説明す
る説明図である。

【図１０】他の非接触測定法による測定装置の例を示す
説明図である。

【符号の説明】

１発振器２コイル３半導体ウェーハ４検出電極１００コンピュータシステム２００測定制御装置３００検出部４００ウェーハ搬送機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象となる半導体ウェーハと、高周波電流が供給されて前記半導体ウェーハに渦電流を
生じさせる結合コイルと、前記半導体ウェーハに直流若しくは交流のバイアス磁界
を与えるバイアス磁界発生手段と、前記渦電流が前記バイアス磁界中で生じさせるホール電
圧を前記半導体ウェーハの径方向に配置された２つの電
極と前記半導体ウェーハとの容量結合によって検出する
検出手段と、を備え、前記結合コイルは、絶縁基板に環状に形成され、かつ、
前記半導体ウェーハの径に比べて十分に小口径に形成さ
れた金属膜によって構成される、ことを特徴とする半導体ウェーハの評価装置。
【請求項２】更に、前記結合コイルが口径を異にして複
数設けられ、その中から前記半導体ウェーハ面上の測定
場所に対応するものが選択される、ことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハの評価
装置。
【請求項３】前記２つの電極は、前記結合コイルと中心
及び径を略共通にする中心電極と、この中心電極を囲む
環状電極とによって形成される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ウェー
ハの評価装置。
【請求項４】前記口径を異にする複数の結合コイルが同
心円状に配置され、前記２つの電極は、前記複数の結合コイルと中心を共通
にする中心電極及びこの中心電極を囲むように配置され
た複数の環状電極の中から選択される、ことを特徴とする請求項２記載の半導体ウェーハの評価
装置。
【請求項５】前記絶縁基板は、前記結合コイルを形成し
た面を前記半導体ウェーハに向けてかつ近接して配置さ
れる、ことを特徴する請求項１乃至４のいずれかに記載の半導
体ウェーハの評価装置。