特許 5848892 抵抗率測定方法および４探針抵抗率測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5848892

(24)【登録日】2015年12月4日

(45)【発行日】2016年1月27日

(54)【発明の名称】抵抗率測定方法および４探針抵抗率測定装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20160107BHJP

   G01R 27/02 20060101ALI20160107BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/66 L

   G01R27/02 R

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2011-123613(P2011-123613)

(22)【出願日】2011年6月1日

(65)【公開番号】特開2012-253147(P2012-253147A)

(43)【公開日】2012年12月20日

【審査請求日】2014年5月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】592230092

【氏名又は名称】株式会社国際電気セミコンダクターサービス

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100109830

【弁理士】

【氏名又は名称】福原 淑弘

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140176

【弁理士】

【氏名又は名称】砂川 克

(74)【代理人】

【識別番号】100158805

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 守三

(74)【代理人】

【識別番号】100179062

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 正

(74)【代理人】

【識別番号】100124394

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 立志

(74)【代理人】

【識別番号】100112807

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 貴志

(74)【代理人】

【識別番号】100111073

【弁理士】

【氏名又は名称】堀内 美保子

(72)【発明者】

【氏名】盛田 和彦

【審査官】 樫本 剛

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０３８６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１８８９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１４７４３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

Ｇ０１Ｒ ２７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

４探針抵抗率測定装置により試料の抵抗率を測定する抵抗率測定方法であって、
前記試料の測定ポイントに供給する電流値を決定する決定工程と、
複数の測定ポイントにおける電圧値を測定する測定工程と、
前記複数の測定ポイントそれぞれの、前回の測定ポイントにおける電圧値と今回の測定ポイントにおける電圧値の差が所定範囲外であるか判定を行う判定工程と、
前記判定工程により前記電圧値の差が所定範囲外と判定された場合には、該所定範囲外と判定された前記測定ポイントに供給する前記電流値を再決定する再決定工程と
を有することを特徴とする抵抗率測定方法。

【請求項2】

前記決定工程は、
前記試料の測定結果である電圧値を取得し、
前記電圧値が所定の目標電圧値と判定されると、測定結果が所定回数連続して前記目標電圧値と判定できた場合に、前記電圧値に対応する電流値を前記試料の測定に使用する電流値と決定し、
前記電圧値が所定の目標電圧値と判定できない場合に、前記電圧値が前記目標電圧値と判定できるまで電流値を算出し、所定の回数測定を繰り返しても前記目標電圧値と判定できない場合にはエラーと判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の抵抗率測定方法。

【請求項3】

前記決定工程は、前記試料の測定に使用する電流値を決めるために電流値を何回か変更して印加することを特徴とする請求項２に記載の抵抗率測定方法。

【請求項4】

前記判定工程は、前記電圧値の差が所定範囲内であれば、前記試料の抵抗率を算出することを特徴とする請求項１に記載の抵抗率測定方法。

【請求項5】

電流を発生して試料に供給する電流発生部と、
前記電流発生部からの電流が供給された試料の電圧値を測定する電圧測定部と、
前記電流発生部および前記電圧測定部に接続される制御部と
を具備し、
前記制御部は、
前記試料の測定ポイントに供給する電流値を決定する手段と、
複数の前記測定ポイントにおける電圧値を測定する手段と、
前記複数の測定ポイントそれぞれの、前回の測定ポイントにおける電圧値と今回の測定ポイントにおける電圧値の差が所定範囲外であるか判定を行う手段と、
前記判定する手段により前記電圧値の差が所定範囲外と判定された場合には、該所定範囲外と判定された前記測定ポイントに供給する前記電流値を再決定する手段と
を備えることを特徴とする４探針抵抗率測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、４探針抵抗率測定により試料の抵抗率を測定する抵抗率測定方法および４探針抵抗率測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体ウェーハの抵抗率測定装置は、ウェーハの抵抗率、ウェーハ表面に形成したエピタキシャル成長膜の抵抗率、及び表面から不純物を拡散又は注入した場合の拡散層又は注入層のシート抵抗及び表面に生成した金属膜のシート抵抗などを測定するものである。抵抗率測定装置により測定された結果は、各半導体製造装置のプロセス条件へフィードバックされ、半導体デバイスの品質を均一に保つための重要な指標として用いられる。

【0003】

特許文献１には、４探針抵抗率測定装置において試料の測定に使用する電流値の決定方法についての技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−３８６９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところが、抵抗率測定装置の測定対象にしている半導体ウェーハには、各種の表面材質のものがある。例えば、半導体ウェーハの面内抵抗分布が不均一で急激に抵抗値が変化するような場合には、測定中に電圧レンジエラーと判定され抵抗値が表示されないという問題がある。

【0006】

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、測定対象に応じて適切な測定条件で抵抗率測定を行う抵抗率測定方法および４探針抵抗率測定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するためにこの発明の一態様は、４探針抵抗率測定装置により試料の抵抗率を測定する抵抗率測定方法および装置であって、前記試料の測定ポイントに供給する電流値を決定し、複数の測定ポイントにおける電圧値を測定し、前記複数の測定ポイントそれぞれの、前回の測定ポイントにおける電圧値と今回の測定ポイントにおける電圧値の差が所定範囲外であるかを判定し、所定範囲外と判定された場合に、該所定範囲外と判定された前記測定ポイントに供給する前記電流値を再決定するようにしたものである。

【発明の効果】

【0008】

すなわちこの発明によれば、測定対象に応じて適切な測定条件で抵抗率を測定できる抵抗率測定方法および４探針抵抗率測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の構成例を示す図。

【図2】抵抗率測定回路の概略図。

【図3】不均一な面内抵抗の試料を想定した場合の測定例を示す図。

【図4】本実施形態に係る電流決定処理を示すフローチャート。

【図5】測定開始時の電流決定処理を示すフローチャート。

【図6】条件設定画面の例を示す図。

【図7】電流再設定時の電流決定処理を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照してこの発明に係る実施形態について説明する。
（構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る４探針抵抗率測定装置の構成例を示す図である。４探針抵抗率測定装置１０は、各部に接続され全体の動作を制御する制御部１１と、半導体ウェーハ等の試料Ｗを載置するステージ１５と、試料Ｗを測定するために試料に測定電流を供給して試料の電圧を測定する４探針プローブ１４を有している。さらに４探針抵抗率測定装置１０は、制御部１１に接続され４探針プローブ１４に定電流を供給する定電流印加回路１２と、制御部１１に接続され４探針プローブ１４から測定電圧を受ける電圧測定回路１３と、ユーザの操作に応じて操作信号を制御部１１に供給する操作部１７と、制御部１１が測定した測定結果や操作情報を画面に表示する表示部１６を有している。

【0011】

このような構成をもつ４探針抵抗率測定装置１０の測定対象にしている半導体ウェーハには各種の表面材質のものがある。これらの半導体ウェーハの抵抗率を測定するには、ＪＩＳ Ｈ ０６０２「シリコン単結晶及びシリコンウェーハの４探針法による抵抗率測定方法」の規格において、「０．０７５Ω・ｃｍ以下の低抵抗率試料の場合は、発熱を避けるため印加電流の上限を１００ｍＡとし、また２０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率の場合は、中探針の電位差が１０ｍＶ以下になるような電流を使用することが望ましい。」と推奨されている。つまり、第１に１０ｍＶ以下になる電流を使用すること、第２に印加電流は最大１００ｍＡを上限とすることの２点の条件で抵抗率を測定する必要がある。

【0012】

図２に、４探針抵抗率測定装置１０の抵抗率測定回路の概略図を示す。定電流印加回路１２は、４探針プローブ１４を介して試料Ｗに与える定電流の電流レンジを１μＡ，１０μＡ，１００μＡ，１ｍＡ，１０ｍＡ，１００ｍＡに切り替え可能な電流レンジ切替部１２１を有する。電圧測定回路１３は、４探針プローブ１４を介して試料Ｗに与える電圧の電圧レンジを２ｍＶ，２０ｍＶ，２００ｍＶ，２Ｖに切り替え可能な電圧レンジ切替部１３１を有する。４探針抵抗率測定装置１０は、制御部１１により定電流印加回路１２及び電圧測定回路１３を制御し、例えば、Ａｕｔｏ３ｍＶ，Ａｕｔｏ１０ｍＶ，Ａｕｔｏ３０ｍＶの電圧レンジを使用して抵抗率を測定する。Ａｕｔｏ３ｍＶ，Ａｕｔｏ１０ｍＶ，Ａｕｔｏ３０ｍＶによる測定の場合は、測定を始める前に定電流印加回路１２の電流決定処理が必要である。

【0013】

この電流決定処理は、最適電流を決めるために電流値を何回か変更して印加する。例えば、Ａｕｔｏ１０ｍＶの電流追従モードでは、測定電圧が１０ｍＶになるように、１μＡの電流から印加していき、１０ｍＶに達するように電流を調整して、オームの法則から適切な電流値を決定する。そして、測定実行前に決定した電流を印加しオームの法則Ｖ＝Ｉ＊Ｒ及び各種補正係数から抵抗率を求める。

【0014】

ここで、測定対象の試料Ｗは、図３（ａ）に示すように面内抵抗分布が不均一なものを想定する。そして、面１（４００Ω／ｓｑを想定）、面２（１０００Ω／ｓｑを想定）、面３（４００Ω／ｓｑを想定）にわたる複数の測定ポイントについて抵抗率を測定するものとする。

【0015】

このような試料Ｗを測定する場合に、例えば、測定中に電圧レンジをシフトする方法が考えられる。電圧レンジ判定処理では、選択した電圧測定回路の電圧レンジで測定可能領域を予め設定し、測定した電圧値がその範囲内であることを判定基準とする。電圧レンジ２０ｍＶを選択するときは、アンダーレンジ領域１．３ｍＶ以下、オーバーレンジ領域２３ｍＶ以上であり、電圧レンジ２００ｍＶを選択するときは、アンダーレンジ領域２３ｍＶ以下、オーバーレンジ領域２３０ｍＶ以上であるものとする。印加電流は、０．０００１１３Ａとする。

【0016】

例えば、電圧レンジ２０ｍＶを選択して測定した場合において、面１の測定値が０．０１Ｖ、面２の測定値が０．０２５Ｖとなった場合、オーバーレンジと判定され、電圧レンジを２００ｍＶに変更して再測定する。再測定結果が０．０２５Ｖとなり、電圧レンジ範囲内であり、面２の測定は可能である。面３の測定値は、０．０１Ｖになり、電圧レンジ２００ｍＶのアンダーレンジと判定し、電圧レンジエラーと判定される。つまり、測定中に電圧レンジをシフトする方法では、面内抵抗が均一な状態であれば電圧レンジエラーになることはないが、面内抵抗が不均一で急激に抵抗値が変化するような場合は、電圧レンジエラーと判定され抵抗値が表示されない。

【0017】

この問題を解決するために、本実施形態では、測定した電圧値が１つ前の測定ポイントの電圧値の所定範囲を超えた場合に、印加電流を再設定して測定することで電圧レンジエラーを回避するようにする。以下、本実施形態に係る電流決定処理の詳細について説明する。

【0018】

図４は、本実施形態に係る電流決定処理を示すフローチャートである。
［ステップＳ１ａ：測定開始時の電流決定処理］
制御部１１は、測定開始時に定電流印加回路１２の印加電流の初期電流値を決定する（ステップＳ１ａ）。ここでは、Ａｕｔｏ１０ｍＶの電流決定シーケンスを実施するものとする。図５は、測定開始時の電流決定処理を示すフローチャートである。

【0019】

制御部１１は、電圧測定回路１３の電圧レンジ切替部１３１において電圧レンジ２０ｍＶを選択し（ステップＳ１ｂ）、定電流印加回路１２の１回目の印加電流を１μＡに決定する（ステップＳ２ｂ）。印加電流は、試料Ｗにダメージを与えないように最小電流１μＡから上げていくように調整する。制御部１１は、定電流印加回路１２の電流レンジ切替部１２１において電流レンジを選択する（ステップＳ３ｂ）。印加電流１μＡの場合は、電流レンジ１０μＡが選択される。上記測定条件の下で、制御部１１は、定電流印加回路１２から４探針プローブ１４に印加電流を供給して、試料Ｗの電圧値の測定を開始する（ステップＳ４ｂ）。

【0020】

制御部１１は、電圧測定回路１３により４探針プローブ１４から受ける電圧値を測定し（ステップＳ５ｂ）、測定結果が目標電圧値である１０ｍＶと判定できない場合は、オームの法則Ｖ＝Ｉ＊Ｒから抵抗Ｒを算出し、目標電圧値１０ｍＶになるように印加電流の電流値Ｉ＝０．０１／Ｒを算出する。制御部１１は、測定結果が目標電圧値１０ｍＶと判定できるまでステップＳ３ｂ〜Ｓ５ｂの処理を繰り返し、電流値を決定する。なお、ステップＳ５ｂで所定の回数測定を行っても１０ｍＶと判定できない場合は、ステップＳ９ｂに移行して電圧レンジ決定エラーと判定する。

【0021】

ステップＳ５ｂで電流値が決定すると、制御部１１は、決定した電流値で定電流印加回路１２から４探針プローブ１４に印加電流を供給して、試料Ｗの電圧値の測定を開始する（ステップＳ６ｂ）。制御部１１は、電圧測定回路１３により４探針プローブ１４から受ける電圧値を測定し（ステップＳ７ｂ）、測定結果が１０ｍＶと判定した回数がｎ回連続するまで繰り返す。所定回数、測定結果が１０ｍＶと判定できた場合は、Ａｕｔｏ１０ｍＶの印加電流の初期電流値を決定する（ステップＳ８ｂ）。ステップＳ７ｂにおいて電流決定終了と判断するのは、例えば、測定電圧が７ｍＶ〜１３ｍＶ（７０%〜１３０%）の範囲に入った回数が４回以上続き、かつ、最後は９．８ｍＶ〜１０．２ｍＶ（９８%〜１０２%）の範囲に入った時とする。

【0022】

［ステップＳ２ａ：電圧値を測定］
制御部１１は、試料Ｗの各測定ポイントについて、上記ステップＳ１ａで決定した初期電流値の印加電流を定電流印加回路１２から４探針プローブ１４に供給して、電圧測定回路１３により試料Ｗの電圧値を測定する（ステップＳ２ａ）。

【0023】

［ステップＳ３ａ：電流再設定判定］
制御部１１は、ステップＳ２ａで測定した電圧値が前回の測定ポイントの測定値の所定範囲（±XX％）内であるか否かを判定する（ステップＳ３ａ）。測定した電圧値が所定範囲内である場合には、ステップＳ４ａに移行し、測定した電圧値が所定範囲を超える場合には、ステップＳ５ａに移行し、測定中の電流再決定処理を行う。電流再設定判定処理により、測定した電圧値が１つ前の測定ポイントの電圧値の一定範囲を超えた時に印加電流を再決定し、再決定後の印加電流で測定を継続するか、第１点目の測定ポイントに戻って再測定するかを選択できるようにすれば測定中の電圧レンジエラーは回避することができる。

【0024】

図６に条件設定画面の例を示す。電流再設定判定基準及び再決定後の印加電流で測定を継続するか、第１点目の測定ポイントに戻って測定するかを、予め測定パラメータとして登録しておき自由に変更できるようにしておく。「電流自動変更」で“有り”が選択された場合に、「電流再決定変動幅」及び「再測定動作」を設定することが可能となる。「電流再決定変動幅」は、測定結果の電圧値の変動幅が±XX％を超えたら、その測定ポイントで再度電流決定シーケンス処理を行い、印加電流を決定する。「再測定動作」では、新たに決定された電流で測定を継続するか（継続測定）、第１点目の測定ポイントに戻り測定を継続するか（第１点目から測定）を設定する。測定結果ファイルには、各測定ポイントの印加電流と測定した電圧値が出力される。

【0025】

［ステップＳ４ａ：抵抗率算出、測定値表示］
上記ステップＳ３ａで測定した電圧値が前回の測定ポイントの測定値の所定範囲内と判定された場合には、制御部１１は、測定結果からオームの法則Ｖ＝Ｉ＊Ｒ及び各種補正係数に基づいて抵抗率Ｒを算出し、抵抗率を表示部１６に測定値を表示する（ステップＳ４ａ）。

【0026】

［ステップＳ５ａ：測定中の電流再決定処理］
一方、上記ステップＳ３ａで測定した電圧値が前回の測定ポイントの測定値の所定範囲を超えると判定された場合には、制御部１１は、測定中の電流再決定処理のシーケンスを実施する。図７は、電流再設定時の電流決定処理を示すフローチャートである。ここでは図６（ｂ）の条件設定画面において、「電流自動変更」で“有り”が選択され、「電流再決定変動幅」として“９０％”、「再測定動作」として“継続測定”が予め設定されているものとする。

【0027】

制御部１１は、電圧測定回路１３の電圧レンジ切替部１３１において電圧レンジ２０ｍＶを選択し（ステップＳ１ｃ）、電流再設定と判断した時の電圧値から抵抗値を推測し、１回目の印加電流の電流値を決定する（ステップＳ２ｃ）。測定した電圧値をＶ１、測定開始時の電流決定値をＩ１とすると、抵抗値Ｒ１は、Ｒ１＝Ｖ１／Ｉ１から求められる。１回目の印加電流の電流値Ｉは、Ｉ＝０．０１／Ｒ１から算出することができる。

【0028】

制御部１１は、定電流印加回路１２の電流レンジ切替部１２１において電流レンジを選択する（ステップＳ３ｃ）。上記測定条件の下で、制御部１１は、定電流印加回路１２から４探針プローブ１４に印加電流を供給して、試料Ｗの電圧値の測定を開始する（ステップＳ４ｃ）。

【0029】

制御部１１は、電圧測定回路１３により４探針プローブ１４から受ける電圧値を測定し（ステップＳ５ｃ）、測定結果が目標電圧値である１０ｍＶと判定できない場合は、オームの法則Ｖ＝Ｉ＊Ｒから抵抗Ｒを算出し、目標電圧値１０ｍＶになるように印加電流の電流値Ｉ＝０．０１／Ｒを算出する。制御部１１は、測定結果が目標電圧値１０ｍＶと判定できるまでステップＳ３ｃ〜Ｓ５ｃの処理を繰り返し、電流値を決定する。なお、ステップＳ５ｃで所定の回数測定を行っても１０ｍＶと判定できない場合は、ステップＳ９ｃに移行して電圧レンジエラーと判定する。

【0030】

ステップＳ５ｃで電流値が決定すると、制御部１１は、決定した電流値で定電流印加回路１２から４探針プローブ１４に印加電流を供給して、試料Ｗの電圧値の測定を開始する（ステップＳ６ｃ）。制御部１１は、電圧測定回路１３により４探針プローブ１４から受ける電圧値を測定し（ステップＳ７ｃ）、測定結果が１０ｍＶと判定した回数がｎ回連続するまで繰り返す。所定回数、測定結果が１０ｍＶと判定できた場合は、Ａｕｔｏ１０ｍＶの印加電流の初期電流値を決定する（ステップＳ８ｃ）。ステップＳ７ｃにおいて電流決定終了と判断するのは、例えば、測定電圧が７ｍＶ〜１３ｍＶ（７０%〜１３０%）の範囲に入った回数が４回以上続き、かつ、最後は９．８ｍＶ〜１０．２ｍＶ（９８%〜１０２%）の範囲に入った時とする。

【0031】

このステップＳ５ａの測定中の電流再決定処理は、ステップＳ１ａの測定開始時の電流決定処理に示す第１点目に最小電流１μＡを流す方式と比較して、再設定と判断した時の１回目に印加する電流値は、電圧測定回路１３の能力的に測定可能領域の電流再設定と判断した電圧から抵抗値を推測するため、推測した抵抗値は概ね真値に近い値であり、測定開始時の電流決定処理より早く電流値を決定することができる。

【0032】

図３（ｂ）に、測定中に印加電流を再設定する方法を適用した例を示す。電流再決定変動幅は、測定した電圧値が１つ前の測定ポイントの電圧値に対して９０％以上変化した時に印加電流を再設定する。測定開始時の印加電流を０．０００１１３Ａとし、電圧レンジは２０ｍＶを選択する。

【0033】

面１の測定値は０．０１Ｖになり、面２の測定値は０．０２５Ｖになると、前回の測定ポイントの電圧値（０．０１Ｖ）から２５０％変化しており電流再決定処理を行う。再設定後の印加電流を０．００００４５Ａに変更することにより面２の測定値は０．０１Ｖとなり、面２の測定は可能になる。さらに面３を測定すると０．００４Ｖになり前回の測定ポイントの電圧値（０．０１Ｖ）から２５０%変化しており電流再決定処理を行う。再設定後の印加電流は、０．０００１１３Ａに変更することにより面３の測定値は０．０１Ｖとなり、面３内の測定は可能になる。

【0034】

したがって、本実施形態によれば、半導体ウェーハの不均一な膜の抵抗率の測定、今後ウェーハの大口径化（４５０ｍｍ）が進むことに伴うまだら模様の膜の抵抗率の測定、及び１枚のウェーハに各種の条件で成膜した抵抗率の測定等を一度で測定可能になり、ウェーハの有効利用とスループットの向上を実現することができる。

【0035】

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

【符号の説明】

【0036】

１０…４探針抵抗率測定装置、１１…制御部、１２…定電流印加回路、１３…電圧測定回路、１４…４探針プローブ、１５…ステージ、１６…表示部、１７…操作部、Ｗ…ウェーハ、１２１…電流レンジ切替部、１３１…電圧レンジ切替部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】