JPS63260146A - 半導体ウエハ測定装置 - 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〕 この発明は、半導体ウェハ測定装置間するもので、例え
ばＤＬＴＳ　（Ｄｅｅｐ　Ｌｅｖｅｌ　　Ｔｒａｎｓｉ
ｅｎｔＳ　ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　）法をはじめとす
る半導体材料・素子の評価や超高速デバイスの機能試験
を行う半導体ウェハ測定装置に利用して有効な技術に関
するものである。

〔従来の技術〕

ジョセフソン素子や超電導素子等の低温動作のデバイス
の特性測定やＤＬＴＳ法をはじめとする半導体材料・素
子の評価を行うため、液化チッソを用いることが考えら
れる。ところが、液化チッソは、その気化によりはり一
定の一１９６℃程度の低温度を形成する。したがって、
これを負の熱源として、電気ヒータ等を正の熱源として
試料台の温度をその中間の温度に設定すること又は所定
の温度勾配をもって変化させようとすることが極めて難
しいものとなる。なぜなら、液化チッソは、その気化に
より常に上記低温度を形成しようとするからである。ま
た、強力な電気ヒータにより上記中間温度を形成しよう
とすると、液化チッソと電気ヒータの電力との消費量が
膨大になるため、極めて不経済なものとなって実用に供
し得ない。

そこで、本願出願人においては先に、精度良く′温度制
御された低温用測定装置を開発した（特開昭６０−４８
４７号公報参照）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記低温用測定装置では、半導体ウェハをのせる試料台
には、冷却器やヒーターが搭載されるとともに、冷却器
には液化チッソの供給管と気化ガスの排気管とが結合さ
れる。これにより、従来の半導体ウェハプローバのよう
に、試料台をステージ機構に載せて任意に移動させるこ
とができないため、マニピュレータを用いてプローブの
位置合わせを行う方式を採用した。この場合、多ピンの
デバイスに対する針合わせが煩わしいものとなる。

また、複数の測定点ないし複数のデバイスを連続的に測
定しようとすると、その都度上記マニピュレータの操作
を伴う煩わしい針合わせが必要になってしまう。

この発明の目的は、半導体ウェハ自体又はそれに形成さ
れる超高速デバイスの効率的な特性評価を可能にした半
導体ウェハ測定装置を提供することにある。

この発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
この明細書の記述および添付図面から明らかになるであ
ろう。

〔問題点を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記の通りである。

すなわち、制御された温度に設定する熱発生装置を試料
台に結合させるとともに、上記試料台に載置される被測
定半導体ウェハの電極に対応して設けられるプローブ針
の支持を行うプローブヘッドをステージ機構に搭載して
、プローブ針自体を任意に移動可能とするものである。

〔作　用〕

上記した手段によれば、上記テスージ機構の位置制御に
より、連続して複数の測定点又はデバイスに対する自動
針合わせが可能になるから、半導体ウェハ又は超高速デ
バイスの効率的な評価が可能になる。

〔実施例〕

第１図には、この発明に係る半導体ウェハ測定装置の要
部断面図が示されている。

第１図において、試料台２の下面側には、次の熱源（熱
発生装置）４が設けられる。上記試料台２の下面側は、
第１．第２の熱伝導体５．６の上面と接合されている。

これらの熱伝導体５．６は、特に制限されないが、第２
図のＡ−Ｂ断面図に示すように円形をはソ゛４等分され
ることによって構成される扇形の断面形状をしている。

この４つの扇形のうち中心部に結合し、この中心部に対
称的に配置された２つの扇形６は、第２の熱伝導体とさ
れる。すなわち、この中心部の中空は電気ヒータの収納
部とされる。したがって、電気ヒータにより形成された
正の温度は、上記第２の熱伝導体６を通して上記試料台
２に伝えられる。この第２の熱伝導体６は、第１図に示
すようにそのほり下半分は切除されている。

また、残り２つの扇形は、第１の熱伝導体とされ、上部
の接合部を除き上記第２の熱伝導体とは相互に空間分離
されている。この第１の熱伝導体５は、その上半分部の
断面形状が上記第２図に示すような扇形をしており、そ
の上部の結合部を介して第２の熱伝導体６と一体的に結
合される。そして、この結合部の上面が上記試料台２に
接合している。

上記第１の熱伝導体５のほり下半分は中空が設けられた
リング状（ドーナツ状）にされる。この中空部を電気ヒ
ータを収納する収納部の突出した下半分が空間分離され
て貫通している。このようにすることによって、比較的
大きな収納室が形成できるので、比較的大きな電力の電
気ヒータを用いることができる。

上記第１の熱伝導体５の下部部分には、リング状の中空
とされる。このようにリング状にすることによって、比
較的大きな容量を持つタンクを形成する仁とができる。

この中空部分８は、冷媒として、特に制限されないが、
液化チッソが注入される第２のタンクとして用いられる
。この第２のタンク８の下部には、同様な構成の第１の
タンク７が設けられる。この第１のタンク７の中心部は
、上記同様に中空とされ、上記ヒータの収納部が空間分
離されて貫通している。

上記第１のタンク７には、供給管１０を通して液化チッ
ソが注入される。バルブＢ１はその液化チッソの供給制
御を行うものである。

上記第１のタンク７と第２のタンク８とは、熱伝導性を
持つ金属管９により接続されている。これにより、第１
のタンク７の容積を越える液化チッソを供給すると金属
管９を通して第２のタンク８に液化チッソが注入される
。また、この第２のタンク８には、気化したチッソガス
を排気するための排気管１１が設けられる。この排気管
１１は、上記第１のタンク７を通って外部に導出される
。

この理由は、外気温度が排気管１１を通して伝わるのを
防止するものである。バルブＢ２は、その排気制御を行
うものである。なお、特に制限されないが、この実施例
では、第２のタンク８に一定量以上の液化チッソを第１
のタンク７に戻す金属管が設けられる（図示せず）。

特に制限されないが、後述するような自動針合わせを容
易にするため、上記一体的に構成される試料台２及び熱
伝導体５．６及びヒーターやタンク７．８等からなる熱
発生装置４は、熱絶縁体１８と、その下に設けられるボ
ールベアリング等にり構成される回転ステージに搭載さ
れる。上記回転ステージは、比較的小さな範囲の角度で
の回転が可能にされる。それ故、上記供給管１０と排気
管１１は、上記回転を可能にするため蛇腹構造等により
フレキシブルな管が用いられる。

この実施例では、上記試料台２の制御された温度を効率
よく被測定半導体ウェハ３に伝えるため、試料台２の表
面には、熱導電性及び展延性を持つシート状の金属板２
ａが設けられる。この金属板２ａは、特に制限されない
が、約０．２　ｔａ程度の薄いインジュウム板からなる
。このような展延性の金属を用いることによって、半導
体ウェハ３と試料台２との間の良好な密着が可能になる
ため、効率の良い熱伝導が可能になる。言い換えるなら
ば、半導体ウェハ３に対する高精度の温度設定が可能に
なる。また、上記金属板２ａとして、インジュウムのよ
うな電気導電性を持２金属を用いた場合、その表面に載
置される半導体ウェハ３の基板側との電気的接続を行う
電極として用いることも可能である。

上記の各装置は、真空チャンバー１の中に形成される。

真空チャンバー１は、排気口１２から内部の排気がなさ
れることによって、真空状態を作り出す、これのような
真空チャンバー１の中の空間は、良好な熱絶縁作用を持
つものとなり、超低温までの高精度の温度制御が可能に
なる。

上記真空チャンバー１には、次のステージ機構に搭載さ
れたプローブヘッドが設けられる。すなわち、上記真空
チャンバー１は、上記測定台１０表面とは奮゛同じ平面
で横方向に広がるように構成される。この部分は、ステ
ージ搭載部分にされる。

すなわち、Ｘステージ１３は、同図の面に対して垂直方
向に走る一対のスライド機構から構成される。上記スラ
イド機構は、例えば捻子溝が形成されたスクリューシャ
フトをステップパルスで回転制御することによって、そ
の角度と捻子ピッチに対応した高精度の位置制御が行わ
れる。上記Ｙステージ上には、同図において左右に移動
するＸステージ１５が搭載される。このＸステージ１４
は、上記Ｙステージ１３の移動方向に対して直角にレー
ルをスライドするようにされる。このＸステージ１４も
、上記Ｙステージ１３と類似の構成により高精度の位置
制御が行われる。上記一対のＸステージ１４には、Ｚス
テージ１５が搭載される。

このＺステージ１５は、上記類似のスクリューシャフト
によりプローブヘッド１６が垂直方向（Ｚ方向）吊り下
げられる。上記のようにＹ及びＸステージが、上記試料
台２に対して、左右に設けられるた一対のステージから
なるものであるため、上記プローブベッド６は、左右の
Ｚステージにより保持されるものとなる。

上記プローブヘッド６には、固定プローブボード１７が
装填される。この固定プローブボード１７は、プリント
基板にタングステン等からなるプローブ針１７ａが固定
されるものである。上記プローブ針１７ａの尖端は、測
定すべき半導体ウェハ３の電極あるいは測定点又は半導
体ウェハ３の上に完成された超高速デバイスの電極に高
精度に位置合わせされて固定されるものである。このよ
うな固定プローブボードは、公知のプローブボードの構
成をそのまま利用できる。上記プローブの尖端に対応す
るプリント基板には、開口１７ｂが設けられ、この間口
１７を介して上面側からプローブ１７ａの尖端と、その
下の半導体ウェハ３の表面を観察できる。

上記一対のＸ／Ｙステージは、その一方に駆動用のステ
ップモータが設けられる。他方のステージ機構は、上記
プローブヘッド１６を介して結合される結果、上記一方
のステージ機構の移動に従った移動を行うものである。

また、Ｚステージは、プローブベッド１６を吊り下げる
構成を採るため、特に制限されないが、両方に駆動用の
ステップモータが設けられる。ただし、両ステップモー
タは、同じ駆動信号が供給されることによって、プロー
ブヘッド１６、すなわち、フローブボード１７をＺ方向
に移動させるものである。

上記プローブボード１７の開口１７ｂに対応した真空チ
ャンバーの上面には、観察用の窓１ａが設けられる。こ
の窓１ａは、光応答性を持つ素子の特性試験を可能にす
るため、図示しないが、測定時での外光を遮断するシャ
ッターが設けられるものである。

上記窓ｌａ上には、特に制限されないが、針合わせのめ
たにプローブ針１７ａの尖端と半導体ウェハ３の表面を
拡大して観察する顕微鏡１９の対物レンズが設けられる
。

この実施例では、特に制限されないが、ステージ機構の
Ｘ又はＹ軸と、試料台２の載置された半導体ウェハ３の
Ｘ又はＹ軸とを一致させるために、前述のように試料台
２とそれに結合された熱発生装置４とは回転可能にされ
る。上記試料台２は、第３図に示すように円形とされ、
駆動プーリーＰとワイヤー２０で結合される。上記駆動
プーリーＰは手動又はステップモータで回転駆動される
。

これにより、上記試料台２は、上記駆動プーリーＰの回
転角度と、駆動プーリーＰの実質的な径と試料台２め彊
との比に応じて高精度の回転（θ）制御が可能になる。

この実施例による半導体ウェハ測定装置の針合わせと試
料台の温度制御の作動形態を次に説明する。

上記ステージ機構の制御により半導体ウェハの特定の電
極に対応した特定のベローブ針の尖端を位置合わせさせ
る。そして、Ｘ又はＹ方向に所定の距離だけ移動させて
、上記特定のプローブ針の尖端に対応した特定の電極と
の位置合わせが行われるように試料台２のθ調整を行う
。これに代え、上記ステージ機構のＸ又はＹ方向に所定
の距離だけ往復するように繰り返し移動させ、その移動
に応じて走る特定のプローブ針の尖端が描（軌跡が、半
導体ウェハ３のスクライブラント一致させるように上記
試料台２（半導体ウェハ３）の回転制御を行うものであ
ってもよい。これにより、上記ステージ機構のＸ／Ｙ軸
と、半導体ウェハのＸ／Ｙ軸を一致させる。

この後、半導体ウェハの最初の測定点又はデバイスの電
極に上記各プローブ針の尖端が合うようにステージ機構
を制御する。そして、Ｚステージによりプローブボード
１７を押し下げて、プローブ針１７ａの尖端が所望の針
圧を持って電極と接触するようにされる。

上記位置合わせと並行して、次のような温度設定動作が
行われる。所望の低温を形成するにあたり、上記真空チ
ャンバー１の排気がなされる。この排気の終了の後にバ
ルブＢ１が開かれて液化チッソの供給が行われる。この
とき、同時に気化ガスを抜き取るバルブＢ２も開かれる
。上記液化チッソの注入により第１のタンク７の容量を
越える液化チッソは、金属管９を通して第２のタンク８
に注入される。このように第２にタンク８に液化チッソ
が注入されると、その気化がこの第２のタンク８によっ
て行われる。したがって、上記約−１９６℃の低温度が
この第２のタンク８で形成されることになるため、熱伝
導体５を通して試料台２に上記温度が最低温度として伝
えられる。

例えば、超高速デバイスでは、上記最低温度のもとての
機能試験が行われる。この超高速デバイスの温度マージ
ンを測定や半導体ウェハの評価試験において、上記状態
から徐々に一定の温度勾配のもとに温度を上昇させる場
合、バルブＢ２による気化ガスの排気量と、バルブＢ１
による液化チッソの供給量を減らす。これにより、第２
のタンク８内の気圧が高くなり、第２のタンク８の液化
チッソ量が減少していく。これと同時に電気ヒータを作
動させてその温度を徐々に高める。

そして、第２のタンク８の液化チッソが無くなると、液
化チッソの気化は金属管９から第１のタンク７で行われ
るようになる。

上記金属管９乃至第１のタンク７で液化チッソの気化が
行われるようになると、これらの部分で上記−１９６℃
のような低温度が形成されるが、上記熱伝導体５には、
第２のタンク８乃至これとともに金属管９を通して伝え
られるものとなる。

第２のタンク８と金属管９とは、共に適当な熱抵抗を持
つように形成されているので、上記気化により形成され
た一１９６℃の温度は減衰して熱伝導体５に伝えられる
。このため、試料台２の温度は、熱伝導体５を通して形
成された負の温度と電気ヒータにより形成され熱伝導体
６を通して形成された正の温度とが加算された中間の温
度又は温度勾配を持つものとされる。このような温度制
御を行うため、上記試料台２には温度センサーが取り付
けられている。

なお、上記第１のタンク７で形成した低温度を第２のタ
ンク８に伝える熱伝導路は、上記金属管９の他、熱伝導
性を持つ金属等で排気管１０及び図示しない前記した液
化チッソの戻し管を形成することにより、これらをも通
して行なわれる。

また、上記試料台２は、半導体ウェハ３を固定するクリ
ップ等（図示せず）が設けられ、上記金属板２ａととも
に上記半導体ウェハ３を試料台２の表面に押し当てるよ
うに固定支持するものである。

これにより、インジュウムからなる金属板２ａの両面は
、その展延性により上記半導体ウェハの下面及び試料台
２の上面における凹凸になじみ、高い密着度により両者
と密着する。これにより、上記試料台２の温度は、上記
インジウェム板２ａが併せて良好な熱導電性を持つこと
から、熱損失なく半導体ウェハ３に伝えられる。これに
より、上記試料測定台２の温度センサーからの得られる
温度をパラメータとした、前記ＤＬＴＳ法等の評価を高
い精度のもとで行うことができる。例えば、半導体結晶
を低温にしておいて、光照射、注入その他の方法で励起
すると、トラップの大部はキャリアを捉えて充満する。

この温度から毎秒１’Ｃ以下の程度の速さで温度を上昇
させると、トラップされたキャリアが解離し電場により
流れる。これは熱刺激電流と呼ばれ、これから半導体結
晶のトラップの深さと濃度を評価できる。このような評
価において、試料台の上記温度勾配が上記のように高精
度に制御されて一定にできることによって、初めてその
信頼性を得ることができるものとなる。

このように、半導体材料・素子の評価においては、温度
制御が高精度になるに従ってその信頼性が高まるもので
ある。

上記のような温度制御のもとで、１つの測定点又はデバ
イスの測定が終了すると、Ｚステージ１５を押し上げて
、言い換えるならば、フローブ針１７ａを半導体ウェハ
３の表面から離した状態で、他の測定点又は他のデバイ
スに対応した既知の距離だけＸ及び／又はＹステージの
移動が行われて、Ｚステージ１５が押し下げられてプロ
ーブ針の接触が開始される。これによって、最初の測定
個所だけ針合わせを行うのみで、それを基準とした他の
測定点又は他のデバイスは、その距離だけ移動させるこ
とによって、以後自動的な位置合わせが可能にされる。

また、別の半導体ウェハの測定に当たっては、試料の取
り替えのために真空チャンバー１に外気を入れることに
なる。この場合、上記半導体ウェハが低温状態で外気を
注入すると、内部に露結が生じてしまう。そこで、上記
液化チッソの供給を停止するととともに、電気ヒーター
に供給する電流を最大にして、上記試料台並びに半導体
ウェハを常温まで急激に戻すとこができる。これによっ
て、半導体ウェハの取り替えを短時間で行うことができ
るものである。

上記の実施例から得られる作用効果は、下記の通りであ
る。すなわち、 （１）制御された温度に設定する熱発生装置を試料台に
結合させるとともに、上記試料台に載置される被測定半
導体ウェハの電極に対応して設けられるプローブ針の支
持を行うプローブヘッドをステージ機構に搭載して、プ
ローブ針自体を任意に移動可能とすることにより、連続
して複数の測定点又はデバイスに対する自動針合わせが
可能になるから、半導体ウェハ又は超高速デバイスの効
率的な評価が可能になるという効果が得られる。

（２）上記（１）により、プリント基板にプローブ針が
固定支持されたプローブボードを利用できるから、最初
の測定点又は測定デバイスに対する針合わせも容易にで
きるという効果が得られる。

（３）温度を制御された試料台の表面に熱導電性及び電
気導電性並びに展延性を持つシート状の金属板を介して
測定試料（半導体ウェハ）を固定支持されることにより
、上記シート状の金属の持つ展延性によって、上記金属
板が半導体ウェハ及び試料台の接触面の凹凸になじんで
密着するため、試料台の温度をロスなく測定試料に伝え
ることができる。これによって、精度の高い測定結果が
得られるという効果が得られる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、この発明は上記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。例えば、Ｚステージは
、プローブヘッド１６を支えるような構成とするもので
あってもよい。

また、Ｘ及びＹステージ機構の具体的構成は種々の実施
形態を採ることができるものである。また、プローブベ
ッド１６には、マニピユレータが設けられ、それにプロ
ーブ針が取り付けられる調整式とするものであってもよ
い。この場合には、それぞれのプローブ針を測定点に対
応して逐−針合わせする必要があるが、それ以降の測定
での針合わせの自動化ができる。この場合には、上記の
ような針合わせが必要になる反面、プローブ針として同
軸ケーブルにフローブ針の尖端を取り付けた高周波プロ
ーブ針が取り付は可能となる。これによって、前記タン
グステン針を用いるプローブボードに比べて超高速デバ
イスの交流試験（高周波試験）を良好に行うことができ
る。

また、上記温度制御するための手段としての２つの熱伝
導体５と６とは、それぞれ直接試料台２の下面側に取り
付けるものであってもよい。また、タンクの数を３個以
上にするものとして、実質的により多くの複数段階の負
の温度を液化チッソにより形成するものとしてもよい。

また、熱伝導体をより細かく分割して試料台に伝わる温
度の均一化を図るものとしてもよい。冷媒としては、液
化フレオン等を用いるものであってよい。

また、真空チャンバー１は、実質的に２つから構成され
てもよい。すなわち、試料台２を境にして上下に真空室
を分けるものであってもよい。この場合には、試料の取
り替えの際には、上側の真空室だけ排気を行うものであ
るため、排気が簡単になる。このような構成とすること
等によって、試料台２の回転が不能になるなら、前記ア
ライメントにより、半導体ウェハのステージ機構に対す
る回転角度θを求め、このθだけ補正してステージ機構
の移動制御を行うようにすればよい。すなわち、最初の
測定点又はデバイスの評価終了後にｌステ７１分の移動
を行うとき、上記θだけ補正するようにＸ及びＹステー
ジの移動制御を行うようにすればよい。

この発明は、半導体材料・素子の評価や半導体ウェハに
形成され、低温で動作する超高速デバイスの試験を行う
半導体ウェハ測定装置に広く利用できるものである。

〔発明の効果〕 本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。すなわち、制御された温度に設定する熱発生装置を試
料台に結合させるとともに、上記試料台に載置される被
測定半導体ウェハの電極に対応して設けられるプローブ
針の支持を行うプローブヘッドをステージ機構に搭載し
て、プローブ針自体を任意に移動可能とすることにより
、連続して複数の測定点又はデバイスに対する自動針合
わせが可能になるから、半導体ウェハ又は超高速デバイ
スの効率的な評価が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す断面図、第２図は
、第１図のＡ−Ｂ線における水平方向の断面図である。 第３図は、試料台の回転制御機構を説明するための原理
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料台と、この試料台を制御された温度に設定する
   熱発生装置と、上記試料台上に載置される被測定半導体
   ウェハの測定電極に対応して設けられる複数のプローブ
   針と、上記プローブ針が固定支持されるプローブヘッド
   をＸ／Ｙ及びＺ方向に移動可能とするプローブヘッドス
   テージ機構と、上記各装置を収納する真空チャンバーと
   を含むことを特徴とする半導体ウェハ測定装置。 ２、上記熱発生装置は、その気化により超低温を形成す
   る冷媒の供給管が設けられた熱伝導性を持つ第１のタン
   クと、この第１のタンクの上部に設けられ、熱伝導性の
   金属管を通して接続された熱伝導性を持つ第２のタンク
   と、上記第２のタンク内の気化ガスの排気を選択的に行
   うバルブが設けられた排気管と、上記第２のタンクの一
   部と結合され試料台に熱を伝導する第１の熱伝導体と、
   電気ヒータと、この電気ヒータで形成された熱を上記試
   料台に伝導し、上記第１の熱伝導体とは少なくともその
   表面の大半が相互に空間分離された第２の熱伝導体とか
   らなるものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の半導体ウェハ測定装置。 ３、上記プローブ針は、プリント基板に固定支持され、
   このプリント基板が上記プローブヘッドに装填されるも
   のであることを特徴とする特許請求の範囲第１又は第２
   項記載の半導体ウェハ測定装置。