JPS6166975A - 物質の電気的性質を測定する装置 - 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〕 本発明はウェハ状の物質月利の色々な電気パラメータの
測定装置に関する。 〔開示の概要〕 反射されるマイクロ波を使用した絶ｚＪ的な電気パラメ
ータの測定が導波管の断面を完全に充填する試料を測定
する装置によって達成される。ウーＬハ状の試料のだめ
の試料保持器はウニ／・のためのチョークつげ型板及び
裏打ち板を使用する。半導体のン〜１・固有抵抗及び移
動度の値が測定さねる３゜〔従来技術〕 電気的機能素子の製造時、回路の大き々配列体は一般に
、平行な大きな表面領域と比較してＩ’７さが小さいウ
ェハ状の部拐の表面中に組立てらハ、もしくは構成され
る。機能素子の密度及び複珂「さが増大するにつれ、製
造は多くの相互に依存する段階を必要とし、しばしげ異
なる位置に層及び中間の部品を部分的に製造する事が効
率的である事がわかった。 特に厳密さが要求される半導体技術において、回路の配
列体は直径が約５　ｃｍで厚さが約０．５ｍｍノｊ）４
結晶、）エバーにの厚さ約６０００人の層に形成さノｌ
る。配列体の処理及び性能はウェハ、特にそのトの層の
厳密な電気的パラメータに依存している。 半導体技術分野において、比較的重要な電気的パラメー
タはキャリアの移動度及びシート抵抗である。こ７を等
のパラメータは従来、ホール効果によって測定さｎてい
た。この技術はテスト用試料に供さ１「る＋」料の一部
が犠＋１になり、テスト試料は接点の形成及び製造に時
間のかかる準備動作を必要とする。 処理前及び処理中に適用される簡単な、非接触型のテス
ト用試料を与える努力がなさｎた。シート抵抗のみを１
ｌｌｌ定できるーっの方法はＶ　ＨＦ発振器のタンク回
路の渦電流装荷による方法である。この技術の一つの例
は米国特許第４０８７７４５号に説明さ７１ている。こ
の特許では導波管の断面よりも小さな半導体試料が調節
可能な、短絡さ７また導波管中に置か７１でいる。大き
な可変磁場が使用さ７−１　、移動度が反射さ７するマ
イクロ波のエネルギに土って１１定さ才１ている。 〔発明が解決しようとする問題点」 本発明の目的はマイクロ波導波管の全断面をテスト用試
料で充填する事によって、反射さｊするマイクロ波信号
を使用してウェブ状祠料の種々の′電気的パラメータの
絶対測定を与える装置をメ−）える事にある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明に従い、マイクロ波導波管の全断面をテスト用試
料で充填し、反射さｎたマイクロ波信号を使用して、ウ
ェブ状材料の種々の電気的パラメータが絶対的にｉｌｌ
定される装置が与えらｎる。このに１１定装置は電気的
パラメータの較正ル１定装置と対比さるべきである。テ
スト試料保持器は一部を別けへだてる事なく全ウェファ
をテスト試料として使用可能にするものである。磁場０
における反射信号はソート抵抗に関連し、磁場の変化に
よる反射信号の変化は移動度に関連する。 電気的パラメータの絶対Ｍ１定を与える能力は物理的に
つ４−ハを収容するが、電気的には導波管の開孔を補ｆ
ｌＹするテスト試料構造体の組合せウエフ′ｆ基板が存
在する事による反射信号に対する反応効果を補償する表
打ち短絡回路の位置を調節する手段の組合せによって達
成さねる。 本発明の装置は半導体技術で標準の形状の試料を収容出
来る。これは絶対的な、直接的、従って短かいターンア
ラウンド時間応答を与える。この測定装置は非破壊的及
び非接触型測定装置である。 この測定装置は測定のための温度変化を液体窒素の範囲
にする事が出来る。 説明を明瞭にするために、説明は半導体のシート抵抗及
び移動度の測定について専らなされるが、この分野の専
用家にとっては、本発明の原理に照し合せ、共通の物理
的原理が適用される任意の層中の酸化物の品質の如き他
の材料のパラメータが容易に測定出来る事は明らかであ
ろう。 次に本発明に関連する原理の一般的説明を行う。 通常の導波管の波動インピーダンス２゜（単位オーム）
は式１によって与えられる。 式１３７７ ここでｆは動作周波数、ｆｏは導波管の遮断周波ｉ、３
７７オームは自由空間のインピーダンステする。導波管
を終端するインピーダンス２のだめの電圧反射係数　は
式２によって与える。 式２　　　　　（Ｚ−Ｚｏ） （ｚ＋ｚ。） ノート抵抗Ｒ（オーム／口）の均一な抵抗性１膜は、調
節可能な短絡回路によって裏打ちされる時は、電気的性
質であるアドミッタンスＺ　　’　　１４抵抗性薄膜の
電気的パラメータであるコンダクタンス及び短絡線の電
気的性質であるサセプタンスの和になる。 短絡線の長さが１／４波長に対応してサセプタンスが０
になる様に調節される時は、線はＲに等しいインピーダ
ンス２によって終端される。この点に位置するテスト試
料はシート抵抗の絶対測定値である反射マイクロ波信号
を与える。 反射率（１）−ｌ・抵１″４の関係び）グラフは２つの
分肢を４ｉ−ｆる。人々がＺ。の両方の側にあるので位
相があいまいになる５、このあい１いさはスロノトイ・
↑き線検出器を使用１．て定常波のイ）７相を感知する
事（・Ｃよって解消さ７する。 移動度／Ｉは磁場の強度を横軸にして次式ろの値を描い
た線の勾配によって得ら７する。 ここでＲは試料のノート抵抗 １１　ｔ：を磁場の強度である。 反射さＪするマイクしコ波の性質を相関させる場合には
、実際の試料が導波管中で直列リアクタンスとし７て振
舞う厚い非導電性基板の上に搭載さｎた層であるという
事実に基づいて、調節がなされる。調節１丁能な短絡回
路の位置はこの付加リアクタンスを補償シフ、テストを
受けている層の抵抗が固定出来る様に調節される。 短絡位置即ちテスト位置から短絡回路終端部名の関数と
し２ての反射率は終端インピーダンスが純粋に抵抗性で
ある時に順著な最小の値を示す。 抵抗性の薄膜中の表皮深さ　吉して知られているマイク
ロ波信号の減衰を示す性質がその厚さに比較して長い限
りこれ等のパラメータｔｉｔ貞の（ｔｒｉを示す。これ
等の条件は通常のマイクロ波周波数の場合は、実際に興
味のある半導体層で容易に’／ＲＭされる。 本発明に従えば、特定のウェハ保持器の使用によって生
ずる波動伝搬のするどい不連続性が補償される限り半導
体ウェハ全体が導波管に挿入出来、完全に導波管を横切
る事が出来る。本発明のウェハ保持器はウェハ保持及び
位置付は能力、１１びに導波管の整列保持及び波動伝搬
の不連続性の補償を与える事が出来る。本発明のウェハ
保持器ｄ・ト行な裏打ち板及び不連続補償板を有し、こ
れ等の板はウェハの厚さより若干大きい空間によって分
離されている。不連続性補償板はチョークつげ（フラノ
ン）として一般に知られているものであり、主導波管に
対して０の直列インピーダンスを侍示する半波長の直列
分岐線を導入するものである。 本発明のウニノ・保持器中に導波管の軸が保存された状
態で、大部分の実際上の構造において、半導体ウェハ（
の１早さ）を挿入するのに十分な距離だけつばが分離さ
れる。 従って、本発明のウニ・・保持器は導波管の断面上りも
大きなウニ・・を平坦なつばに対向して保持し、この部
分で伝搬モードが保存される。 導波管内のウニノ・の部分は電気的なパラメータを固定
する試料として使用され、他方チョークつげ型板の゛ト
径方向の直列分岐線内のウニ・・の部分はこの断面の導
波管の波長をわずかに修正する。 しかしながら、優勢なモードの中間帯域付近では、この
修正は殆んど検出されない。 ウェファ保持器を除くと、本発明の測定装置はマイク［
１波技法で標準的なものである。 〔実施例〕 第１図を参照するに、本発明の測定装置の概略図が示さ
れている。ウニノー１はウニノー保持器４内の′−ド行
な板２及び５間に位置付けられていて、２つの磁極片５
及び６間の磁場内にある。ウニ・・保持器４は導波管の
主部の導入部及び導波管の終端出力部８を有する。ウニ
・・保持器４を越える導波管の接続部９は調節可能な短
絡回路１０に終端している。導波管１１は方形波変調電
源１２に接続されたクライストロン１′５によって電子
が供給される。方形波変調電源１２及びクライストロン
１３の組合せは比率計の信号検出器の動作に必砦とされ
る制御されたデイウテイ・サイクルのマイクロ波振幅変
調を与える。レベル設定のための調節可能な減衰器１４
及び逆反射を防市するダーキュレータ１５が与えられる
。反射率計１６が与えられ、クライストロン１３から到
来する導波管１１の駆動電力をサンプルして、これをウ
ェハの試料１から反射される電力の一部と比較する。 反射率計はこの分野で標準のものであり、各方向性結合
器の分肢１７及び１８は一つの伝搬方向で整合インピー
ダンス１７及び１８で終端し、反対方向にダイオード検
出器２１及び２２で終端している。 周波数険１′１旨）Ｓ２３は式１の墳ｆのＩｊ＋を測定
するの（、＝１ψ用さ、／する５、 ＬベノＩ設定器２４が７ｊλら７１、レベ／ｌ設定器（
調節’ｌ　ｒＩ！：　：ｔｔ減良器）１４と絹合さハ、
増切な動作１１、力しくノ１が保６１）さりる１、この
結束ダイ」−ト検出器２１及び２２は２東１用条を千１
で動作する。即ち整が「市川（１人射電）Ｊに１例する
様になる。ダイオード２１及び２２から与えらｉする駆
動重力及び反ｑ４電力のｌＩ＝　＋＝、Ｌ　、１　ｆ′
、率：１２５ＰＣ６Ｌ−）てｔＪえられる。 市すの１・１さｔ＋−ｃ−いないダイ］−ト及び電圧泪
を３１！・標準のス１１ノド付き導波管検出プローブ２
６がりぐらｊｌ、；停彼管１１の１紬に沿−）で移動し
、線中の定′畠波・２ターンの最大の値及び最小の値が
決′Ｉｉで、）、＃１、反射係数Ｌ′）ｆ１ン］１１が
決定さ７１る１、第２図を６照すると、ウェハ保持器４
の断面図が小さ７１−（いる、１ウ−Ｌハ１ｖ持器中で
、ウェハ１（１イ・１ＩＩＩＡｔ　ｋ・々＜−Ｊ−るつ
ば２及び表＋Ｊちつば５の間に（ｆ’　６：　ｔイ）１
、つば２（・１　般に知ら７１だチョークつばをＩｊえ
る？め２７、ウーＬハ収容キ１′ノブにまたかる部分７
及び８の間の導波管の整列及び適切な冷却剤に浸漬され
る時に、低温もしくし↓色々の温度の試験をするだめの
熱伝導を与える延長部２８をイ」する。つば（板）３は
支持部４Ｊ　３　ｎをイ４Ｌ、延長部３１はつげ（板）
２の延長部２８と同１ニ機ｈｉ帰−有し、ウェハの裏打
ち部ＡＡ　５５を中央の４彼管の開孔と整列させる働き
を有する真空室５２をイ＋する。真空室５４はウコーハ
１を１呆持する働きを４１ｉる。入口３５及び３６に接
続さ′Ｉする個別の内！′＋佇がウェハ１位び板５３を
整列させる。 光ファイバ３７が与えられてウェハ１の表面に垂直な照
射が可能になる３、この機能は照射を−受けて性質が変
化する半導体層の場合に使用される３゜導波管の導入部
７及び出力部８が勾に近くて・１行であるというウェハ
保持器４の構造的特徴に、しって、磁極片を過度に引離
す事なく、熱伝導及び整列のための延長部２８及び３１
を磁場中に挿入する事が出来る。又調節６ｆ能な短絡部
のだめの標準の部品の使用も「１能である。それは短絡
部が磁極片間に閉込められず、低温にさらさねないから
である。 第２図び）線５−５に沿−）でｑた断面図である第５図
６−参照Ｊ−るに、導波管７、つは２及び溝２７の相！
Ｊ　Ｏ目１’：“が示さ７１ている。 つｌ−ハ試事目、１扱２及びろ間に位置付けられ、短絡
回路１０は反射率か最小の値になる様に調節さ７する。 静磁場の関数である反射率が測定され、磁場の関数であ
る／−ト抵抗が最小２乗法を使用し−へ　この分ｌ１１
ｆで知られたドルード式にあてはめらＪする。１　トノ
１−ド式は次の式４によって与えられる。 ここで　１４は移動度、 Ｂは外部磁場、 σは導電度、 Ｒ４７ｉンート抵抗である。 ０は磁場が０である事を示す添字であ る。 次に式２をグラフにした第４図を参照するに、試料の７
−１ｍ抗に対する反射率の大きさの関係が示さノ１でい
る。第４図の応答曲線は最小の値に向い次に増加するの
で１位相の読取り中に曲線のどの分肢について測定がな
さねているかの決定がなされなくてはならない。応答は
２つの値をｙｒ’ニーＦので、試料を金楕板で置換えて
反射率を１に−する事によって測定の初期設定が行われ
る３、ス

【Ｊノド付線検出器２６が移動されて、定常波
の最小（１〆ｌが示される。これによって金属板によっ
て生ずる短絡回路の位相が決定される。第４図の原点に
近い側の曲線の分肢上の点はこの位相を有するのでスロ
ット付線検出器の信号は局所的最小値を示す。 これより高い値の分肢上の点は９０°位相がずＪｌてお
り、スロット付線検出器の信号は局所的最大イー１を示
す。０の値を有する最小値はＺ。に等しい／−ト抵抗値
の場合に生ずる。この手順によ−って反射率計２５によ
る読みがどの分肢によるものであるかについてのあい壕
いさが除去される。 もしくは試料の抵抗は常に磁場の増大と共に増大するの
で反射率は第４図に示されたｚｏ以下の分肢上のシート
抵抗を有する試料の場合は反射率は常に磁場の増大と共
に減少しＺｏよりも大きなｈ＋″ｌ’　（／’）試事ｌ
の川音は減少する。 式３　／＋：　、’ｙノＪ　’Ｃ−友わさ７する関数を
磁場に対して描く、１１　ンぐの点でず（すも！する曲
線上の勾配が磁場と移１１１１瓜の関係ｊ小Ｊ−，、 試本１１を・ｌ−１却−Ｊ゛るだめに、第２図の部分２
８及びｊ１合−ｌＩ’　）戸ｔ′；、の断面の筒中なス
テンレス鋼の／Ｊノゾ内（ζ置き発泡絶縁体によって穆
う。発泡］」料（・ｉ液面が導波管の断面部の少［７ト
ーに々る迄液体窒素で充満−６＼：１１４）。１伝導伎
ひ対流のために試本１の温度（レリ■望の範囲］゛丈ド
Ｃ減少ｌる。伝導（（よる損失Ｐ、ｌ試利試行保持器）
領域は導波管の部分７伎ひ８を薄いｌｊ７のスーｉンし
・ス鋼にする事によ゛）で最小にさ７１イ１１、塔載［
−２だ試享１の１わりには約４°にのわすかな温（迂勾
配があり、平衡条ｆ１の一トでは半均温度は４・′〕８
５°にである１、試享１の冷却は約４分間りわ、ｔする
。。 表皮深さ１シト−の）Ｉ−板部分のりｒクタ／スは知ら
Ｊ「Ｃいるので、神々の層を１１する試ネ）を測定する
竺１１が出来る１、添加Ｇ　ａ　Ａ　ｐ　Ａ　ｓ　中の
／ヤノト導電度も、・ｆり１１波Ｃｌ１ｌｌＩ定４゛る
事が出来る。低温では磁場が０の時の電ｒｌノスの／−
ト抵抗は１分低いので並列抵抗値はこの低い値に近くな
る。こび戸（１１の異質接合の場合は電子の移動度の渦
度依イＪ：　（／ｌ　Ｉ・３１１度当り１係以下になり
、本発明の測定装置は２次元の電子移動度を１０係り１
−’たけＪｌ−、！／１・１浬価−する１゜５０乃至３
０００オーム／１１の範囲の７−１１１（抗が決定出来
る。第１図の試刺仇持器４を挿入゛ｒるのに必要とされ
る磁極ｊ１の分離幅し１約７　ｃｍである。代表的な鉄
芯の電磁イｌの場合にＣ１、達成Ｉ仕能な磁場Ｏ」約０
５ケスラ（５ｋｇ）に制限さ７する３゜従って、これ等
の制約の１・゛で、測；ｊｋ　＋１１　ｆ＋’ヒな最小
の移動度は約３０Ｏｆ１ｃｍ２／ボルト秒−Ｃある。　
１−の値は導波管の断面のＶ均である。多層構」１！！
を（ｌｌＩ　Ｓｉｌする場合には、隣接層の）入・／１
・４１（わｌを考λｌｒければならない。 測定は通′Ｍｌ算機に１．って自動的に分析さ７＋、印
刷されるので、本発明の装置Ｎに３．り棚１しさ７１だ
ばかりのウ−Ｌ・・に関する測定結果がｌｌ′ｌｔ、に
（！Ｊｒｌねる６３ 第１図の測定装置ｉ’？　ｉｔ標〜・の部品かＣ）組☆
−Ｃら７するが、これ等の部品、ぞの、］−θミ、［ｌ
＋Ｉｒイ′Ｉ条ｆ１の／＋４良ｋ施例が第１人に小さノ
１ている。ウニノ・状の材料の層の−−１・Ｉ（１’ｉ
＋及び移動度といつだ電気的・２ラメータを測定Ｊ−る
簡単な一フィクロ波装置が説明さＪする。この装置し！
非破壊、非接触、絶対及び高速測定が出来る９、 第１人 導波管１１・・・・ＷＲ−９０（Ｘ帯域）、断面積１、
［１１Ｘ　２２９　ｃｍ 遮断周波数・・・・６．５５７ＧＨｚ 反射率ハ１１６・・・・１１方向及び反射波の電力の０
０１を感知する２　０　ｄｂ方向性結合器比率ｐＪ　２
５・・・・ヒュウレノト・）々ツカード４１ＧＨｚ フライスト１】ン１５・・・・１０．１　ＧＨｚで動作
しＺｏ＝５１１７オームを与えるパリアンＸ−１５電源
１２”ＰＲＤ８０９（ＩＫＨｚで変調さ７する）ｊ形波
振幅変調器） 電磁イｉ５，６・・・・ギャップ７ｃｍ、最大磁場０５
テスラ、電源１２アンペア ウェハ保持器４・・・・ギャップ約２ｍｍ以下〔発明の
効果〕 本発明に従い、４波管の断面全体につ■−ハ（Ａｆ［を
さしはさむ事が出来る非破壊、非接触／（１１の高速な
ウェハ材料全体の電気的性質の絶対測′Ｊｉｆ装置が与
えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の導波管測定装置の概略図である。第２
図は第１図の装置のウニノ・保持器の断面図である。第
５図は第２図のウニ・・保持器の線ｊ−３に沿う他の断
面図である。第４図は反射４〈及びシート抵抗の関係を
示したグラフである、。 １・・・・ウェハ、２．３・・・パド行板、４・・・・
ウー■−ハ保持器、５．６・・・・磁極片、７．８・・
・・導波管の導入部、出力部、９・・・・出力接続部、
１０・・・・調節可能短絡回路、１１・・・・導波管、
１２・・・・′ＬＨ；源、１３・・・・クライストロン
、１４・・・・調節ＴＩＪ能減衰器、１５・・・・ヤー
キュレータ、１６・・・・反射率計、１７．１８・・・
・方向性結合器の分肢、１９．２００・・整合インピー
ダンス、２１．２２−Ｏ−ダイＡ−１−検出器、２５・
・・・周波数検出器、２４・・・・し　＼ル設定器、２
５・・・・比率ｆｌ＋、２６・・・・専を皮管検出グＬ
１−グ。 出酊＋　　人インターノンヨー）−ノ１．　＊ビン本ス
・マンーンズ−′Ｊ−＜Ｊζし−／ヨン１−−ウエハ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 磁場中にある試料試験位置に位置付けられ、短絡回路で
   終端されたマイクロ波導波管中にある物質の試料から反
   射されるマイクロ波信号を所望の電気的特性に関連付け
   る形式で試料の電気的性質を測定する装置であつて、 （ａ）上記マイクロ波導波管の上記試料試験位置の断面
   全体を上記試料で充填する装置を含む事を特徴とする物
   質の電気的性質を測定する装置。