特許 5997904 抵抗率測定装置および方法

(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】5997904

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月28日

(54)【発明の名称】抵抗率測定装置および方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20160915BHJP

   G01R 27/02 20060101ALI20160915BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/66 L

   G01R27/02 R

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-12346(P2012-12346)

(22)【出願日】2012年1月24日

(65)【公開番号】特開2013-153021(P2013-153021A)

(43)【公開日】2013年8月8日

【審査請求日】2014年12月16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

(72)【発明者】

【氏名】木下 和彦

(72)【発明者】

【氏名】榎戸 啓行

(72)【発明者】

【氏名】土屋 香織

(72)【発明者】

【氏名】明地 良浩

(72)【発明者】

【氏名】長沼 敏之

(72)【発明者】

【氏名】吉川 依里

【審査官】 井上 弘亘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２２５９２０（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】

ウェーハの抵抗率を複数の測定位置において測定する装置であって、
プローブを上下方向に移動させて前記ウェーハに押し込む押込み手段と、
前記プローブにより前記ウェーハに電流を供給して予め設定された複数の測定項目について測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された前記測定項目の測定結果の変化率に点数を付ける点数付与手段と、
前記プローブの押込み量毎の前記点数の合計から押込み量を決定する押込み量決定手段と、
前記測定手段による１つ前の測定位置の測定結果が任意の基準値を超えた場合に、現在の押込み量から予め設定された接触条件範囲を設定し、前記押込み手段に前記測定項目について測定を行わせ、前記複数の測定項目の測定結果を解析し、前記点数付与手段により測定結果の変化に点数を付けると共に前記押込み量決定手段により前記点数を総合的に評価して最適な押込み量を決定し、前記最適な押込み量を次に測定するときの押込み量に設定する制御部と
を具備することを特徴とする抵抗率測定装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記１つ前の測定位置以外の残りの測定位置についても前記最適な押込み量を決定することを特徴とする請求項１記載の抵抗率測定装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記最適な押込み量を再設定し、再設定した押込み量で前記ウェーハの抵抗率を測定する請求項２記載の抵抗率測定装置。

【請求項4】

ウェーハの抵抗率を複数の測定位置において測定する装置が実行する抵抗率測定方法であって、
１つ前の測定位置の測定結果が任意の基準値を超えた場合に、現在の押込み量から予め設定された接触条件範囲を設定し、前記接触条件範囲内で所定量ずつ押込み量を変更してウェーハにプローブを接触させ、前記接触条件範囲で複数の測定項目について測定を行わせ、前記複数の測定項目の測定結果を解析し、前記測定結果の変化に点数を付けると共に前記点数を総合的に評価して最適な押込み量を決定し、前記最適な押込み量を次に測定するときの押込み量に設定する工程と、
前記１つ前の測定位置以外の残りの測定位置についても前記最適な押込み量を決定する工程と、
前記押込み量を再設定し、再設定した押込み量で測定を行う測定工程と
を有する抵抗率測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、半導体製造または処理に適用される装置であって、電気的変量の測定をするための測定用探針、電気的性質を試験するための抵抗率測定装置および方法に関する。

【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ている。

【0003】

抵抗率測定器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あたっては、シリコン、金属などの測定対象の材質及び固有の抵抗率の値などに応じて４探針プローブの先端部の材質、先端部曲率半径、先端部が半導体ウェーハに加える荷重、接触時の下降速度等が測定対象に適合するようにするために、４探針プローブの荷重及び下降速度を適切に設定しなければならない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−２２５９２０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、半導体ウェーハの薄膜化に伴い、４探針プローブの荷重及び下降速度によって制御される半導体ウェーハとの接触状態により、測定値が変動し、信頼性のある真値を得ることが困難になってきている。また、ウェーハの大ロ径化に伴いウェーハのたわみ、不均一な膜厚により各測定ポイントにおける半導体ウェーハとの接触状態が変化することが想定される。

【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、ウェーハのたわみや不均一な膜厚により各測定ポイントにおける探針と半導体ウェーハとの接触状態を自動で調整することができ、信頼性のある抵抗率を測定することができる抵抗率測定装置および方法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、ウェーハの抵抗率を複数の測定位置において測定する装置であって、プローブを上下方向に移動させて前記ウェーハに押し込む押込み手段と、前記プローブにより前記ウェーハに電流を供給して予め設定された複数の測定項目について測定する測定手段と、前記測定手段により測定された前記測定項目の測定結果の変化率に点数を付ける点数付与手段と、前記プローブの押込み量毎の前記点数の合計から押込み量を決定する押込み量決定手段と、制御部とを具備する。そして、制御部により、前記測定手段による１つ前の測定位置の測定結果が任意の基準値を超えた場合に、現在の押込み量から予め設定された接触条件範囲を設定し、前記押込み手段に前記測定項目について測定を行わせ、前記複数の測定項目の測定結果を解析し、前記点数付与手段により測定結果の変化に点数を付けると共に前記押込み量決定手段により前記点数を総合的に評価して最適な押込み量を決定し、前記最適な押込み量を次に測定するときの押込み量に設定するようにしたものである。

【0008】

すなわち、ウェーハの抵抗率を測定する際、プローブ上下駆動部により駆動制御されるプローブが前記ウェーハに接触するまでの押込み量を測定中に自動で調整する機能を備え、測定中の押込み量の自動調整機能は、予め任意に設定された１つ前の測定値からの変動幅が基準を超えた場合に、任意の接触条件範囲において、押込み量を所定量ずつ変更して最適な押込み量を特定し、次の測定位置からは最適な押込み量で測定することにより常に最適な接触状態を保つことにより信頼性のある真値を得ることが出来るようになる。

【発明の効果】

【0009】

すなわちこの発明によれば、ウェーハのたわみ、不均一な膜厚により各測定ポイントにおける探針と半導体ウェーハとの接触状態を自動で調整することができ、信頼性のある抵抗率を測定することができる抵抗率測定装置および方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【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全体構成を示すブロック図。

【図2】プローブ上下駆動部の詳細構成を示す外観図。

【図3】４探針プローブの内部構成を示す構成図。

【図4】探針の押込み量、上下駆動カムの回転角度と半導体ウェーハへの荷重となるばね応力の関係を示した実験値を表すグラフ。

【図5】デュアルコンフィグレーション方式によるステップ１の測定方式を示す図。

【図6】デュアルコンフィグレーション方式によるステップ２の測定方式を示す図。

【図7】４探針プローブの押込み量の決定方法を示すフローチャート。

【図8】各測定項目の測定結果から押込み量を決定する場合の判定表の例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照してこの発明に係る実施の形態について説明する。
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全体構成を示すブロック図である。
図１において、この４探針抵抗率測定装置は、被測定半導体ウェーハ１２を載置する円盤状の測定ステージ１１と、該測定ステージ１１を回転させる回転駆動部１３と、上記測定ステージ１１上に載置された半導体ウェーハ１２の上面に接触して該半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定するための４探針プローブ１４と、該４探針プローブ１４により半導体ウェーハ１２に測定電流を供給して抵抗率を求めるための複数の測定項目について測定する計測部１５と、上記４探針プローブ１４を上下方向に移動させるプローブ上下駆動部１６と、該プローブ上下駆動部１６と４探針プローブ１４とを上記測定ステージ１１の半径方向に移動するプローブ水平駆動部１７と、測定点の位置を指定すると共に、４探針プローブ１４が複数である場合に当該複数の４探針プローブの何れかを指定する制御情報を入力する操作部１８と、測定点の位置や測定した結果の抵抗率などのデータを表示する表示部１９と、制御情報に従って上記回転駆動部１３とプローブ水平駆動部１７とプローブ上下駆動部１６を駆動し、半導体ウェーハ１２の上面の指定された位置に上記４探針プローブ１４を接触させる制御部２０とを備えている。なお、上記制御部２０には、電源部２１から所定の動作電源が供給される。

【0012】

上記制御部２０は、プローブ上下駆動部１６により駆動される４探針プローブ１４が半導体ウェーハ１２に接触するまでの下降速度及び該半導体ウェーハ１２に対する押込み量を自動的に設定する自動設定手段を備える。以下、プローブ上下駆動部１６の構成及び該プローブ上下駆動部１６に対する制御部２０の制御動作について詳細に説明する。

【0013】

図２は、図１におけるプローブ上下駆動部１６と４探針プローブ１４と半導体ウェーハ１２と測定ステージ１１部分の構成を示す外観図である。
プローブ上下駆動部１６は、プローブ取付金具１６ａ、カム受け１６ｂ、重り１６ｃ、上下駆動カム１６ｄ、及びステッピングモータ１６ｅを有する。

【0014】

プローブ取付金具１６ａは、４探針プローブ１４が取り付けられる金具である。カム受け１６ｂは、プローブ取付金具１６ａに一体化されたプローブ上下駆動力を受ける。重り１６ｃは、該プローブ上下駆動部１６に垂直方向に静荷重を与える十分な質量を有する１つの重りである。上下駆動カム１６ｄは、ステッピングモータ１６ｅの軸に連結され、かつ、カム受け１６ｂの先端部と常に接触状態を保つことによって、重り１６ｃの重さを含むプローブ取付金具１６ａの重さをステッピングモータ１６ｅの軸上で支える。上下駆動カム１６ｄは、例えば偏心された円形カム形状を有し、回転角度によってカム受け１６ｂを上下移動させる。ステッピングモータ１６ｅは、プローブ取付金具１６ａに支持されたカム受け１６ｂと、当該プローブ取付金具１６ａとは独立する支持部材に上下駆動カム１６ｄと軸結合され、制御部２０から指令される制御情報に従い任意の回転角度の位置で回転・停止する。

【0015】

以上の構成により、制御部２０は、半導体ウェーハ１２の種類に適切なプローブに加える荷重を決める押込み量とプローブ上下移動速度を指示する制御情報を与えてプローブ上下駆動部１６を制御し、４探針プローブ１４と半導体ウェーハ１２の適切な接触を実現して計測部１５により半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定する。

【0016】

図３は、４探針プローブ１４と半導体ウェーハ１２部分の構成を示し、４探針プローブ１４の内部構成を示している。
図３において、４探針プローブ１４には探針１４ａが常に半導体ウェーハ１２の表面に接触されるように十分な荷重がかけられている。４探針プローブ１４はプローブ上下駆動部１６によって上下位置制御が行われるように作用するので、板ばね１４ｂと探針１４ａの上端接触部は上下位置に応じて板ばね１４ｂがばね定数に従ってたわみが生じ、上方に押し上げられることになり、最終的には板ばね１４ｂのばね応力のみで探針１４ａと半導体ウェーハ１２との押し圧が決まり、所定の押込み量に停止される。

【0017】

半導体ウェーハ１２に接触した探針１４ａは、リード１４ｃを経由して計測部１５へ接続される電気回路を構成し、半導体ウェーハ１２の抵抗率を測定することができる。
図４に、探針１４ａの押込み量、上下駆動カム１６ｄの回転角度と半導体ウェーハ１２への荷重となるばね応力の関係を示した実験値を表すグラフを示す。

【0018】

この実験値は、Ｙ軸として荷重の変化と板ばね１４ｂのたわみから求められる第１のＸ軸として押込み量（単位ｍｍ）の変化から得られ、上下駆動カム１６ｄの回転角度と押込み量（単位ｍｍ）との関係を予め実験し、図４の第２のＸ軸が得られる。

【0019】

制御部２０は、この実験値に基いてステッピングモータ１６ｅを制御し、押込み量を調節することにより探針先端の針圧（荷重）を正確に自由に制御することができる。
直列配列の４探針プローブ１４による測定方式として、デュアルコンフィグレーション方式がある。

【0020】

図５は、デュアルコンフィグレーション方式のステップ１を示している。
先ず、図５（ａ）に示すように定電流源３３により４探針プローブ１４の探針１−４間に電流Ｉを流して探針２−３間の電圧Ｖａを電圧計３４にて測定する。このとき探針と試料（半導体ウェーハ１２）間の整流性によるエラーを除去するため、図５（ｂ）に示すように定電流源３３による印加電流Ｉの極性を替えて測定し、その平均値を求める。ここで、探針１→４間に電流Ｉを流したときの探針２−３間の電圧を“Ｖａ＋”とする。また、探針４→１間に電流Ｉを流したときの電圧を“Ｖａ−”とする。このとき“Ｖａ＋”と“Ｖａ−”の電圧の差が小さいほど、探針と半導体ウェーハ１２の接触状態が良好であると判断することができる。
このステップ１での抵抗値Ｒａは次式（１）で計算することができる。
Ｒａ＝Ｖａ／Ｉ＝（（｜Ｖａ＋｜＋｜Ｖａ−｜）／２）／Ｉ・・・（１）

【0021】

図６は、デュアルコンフィグレーション方式のステップ２を示している。
図６（ａ）に示すように定電流源３３により４探針プローブ１４の探針１−３間に電流Ｉを流して探針２−４間の電圧Ｖｂを電圧計３４にて測定する。このとき探針と試料（半導体ウェーハ１２）間の整流性によるエラーを除去するため、図６（ｂ）に示すように定電流源３３による印加電流Ｉの極性を替えて測定し、その平均値を求める。ここで、探針１→３間に電流Ｉを流したときの探針２−４間の電圧を“Ｖｂ＋”とする。また、探針３→１間に電流Ｉを流したときの電圧を“Ｖｂ−”とする。このとき“Ｖｂ＋”と“Ｖｂ−”の電圧の差が小さいほど、探針と半導体ウェーハ１２の接触状態が良好であると判断することができる。

【0022】

ステップ２での抵抗値Ｒｂは次式（２）で計算することができる。
Ｒｂ＝Ｖｂ／Ｉ＝（（｜Ｖｂ＋｜＋｜Ｖｂ−｜）／２）／Ｉ・・・（２）
また、探針間隔補正係数Ｋａは、次式（３）により計算することができる。
Ｋａ＝114.696＋25.173（Ｒａ／Ｒｂ）−7.872（Ｒａ／Ｒｂ）^２・・・（３）
そして、シート抵抗ρｓは、次式（４）により計算することができる。
ρｓ＝Ｋａ×Ｒａ・・・（４）

【0023】

４探針プローブ１４の探針間隔は等しくなるように調整されているが、実際に軸受けの精度などにより微細な変動が発生する。デュアルコンフィグレーション方式では、探針間隔の変動は、測定電圧ＶａとＶｂに反映され、それらによる計算値Ｒａ，Ｒｂ，Ｋａ，及びρｓに反映され、探針間隔の変動があってもその変動による測定値の誤差を補正することができる。

【0024】

次に、４探針プローブ１４の測定中に押込み量を自動で調整する方法を図７に示すフローチャートに従って説明する。
制御部２０は、最初に１つ前の測定ポイントの測定結果“Ｖａ＋”と“Ｖａ−”の電圧の差、及び“Ｖｂ＋”と“Ｖｂ−”の電圧の差が、任意の基準値で定められる許容範囲内か判定する（ステップＳ１）。許容範囲内と判定する場合は終了する。

【0025】

上記ステップＳ１において許容範囲を超えた場合、制御部２０は、再調整のための接触条件範囲（押込み量）を、“現在の押込み量”±（０．０５ｍｍ〜任意に設定した範囲）に設定する（ステップＳ２）。本実施形態では、一例として、現在の押込み量を０．５ｍｍとし、接触条件を０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍとする。

【0026】

制御部２０は、押込み量を“現在の押込み量”＋０．０５ｍｍより開始し、＋方向が終了したら−方向を測定する（ステップＳ３）。
制御部２０は、測定ポイントをＲ軸のセンター方向に０．１ｍｍずらす（ステップＳ４）。
制御部２０は、この状態で計測部１５により測定を開始し（ステップＳ５）、測定結果を取得する（ステップＳ６）。

【0027】

ステップＳ４〜ステップＳ６を繰り返し、押込み量を押し込む方に＋０．０５ｍｍ〜任意に設定した範囲まで測定する。押込み量を押し上げる方に−０．０５ｍｍ〜任意に設定した範囲まで測定する。この時、明らかに測定結果が悪化するようであれば押込み量を変えての測定は任意に設定した範囲前であっても終了とする。

【0028】

制御部２０は、各測定項目の測定結果を解析し、“Ｖａ＋”と“Ｖａ−”の電圧の差、“Ｖｂ＋”と“Ｖｂ−”の電圧の差が１つ前の測定結果に比べて変化率が小さいほど結果を「良」と判断する。また、“Ｖａ”＋“Ｖｂ”ので電圧差についても同様に判定する。（ステップＳ７）

【0029】

なお、ステップＳ７において、各値の良否は、以下の判定基準に従って行う。
Ｖａ差：図５のステップ１で測定される極性反転時の電圧差と前回測定した時の値との変化率が小さいこと。
Ｖｂ差：図６のステップ１で測定される極性反転時の電圧差と前回測定した時の値との変化率が小さいこと。
Ｖａ＋Ｖｂ：図５のステップ１と図６のステップ２で測定される電圧の和と前回測定した時の値との変化率が小さいこと。
次に、各変化率に対して最良のデータより点数を付けて総合的に評価し、最適な押込み量を決定する。

【0030】

図８（ａ）は、１つ前の測定結果と今回の測定結果のＶａ差及びＶｂ差の変化率の測定結果を示す。制御部２０は、Ｖａ差の変化率（１８２．４％）が任意の基準値（例えば１５０％）を超えていると判定し、押込み量を変更して再測定を実施する。
図８（ｂ）は、押込み量を“現在の押込み量”＋０．０５ｍｍ〜＋０．１５ｍｍに０．０５ｍｍずつ変更して測定した時の測定結果を示す。

【0031】

図８（ｃ）は、押込み量を“現在の押込み量”−０．０５ｍｍ〜−０．１５ｍｍ変更して測定した時の測定結果を示す。
図８（ｄ）は、各測定結果の判定表を示しており、最適な押込み量は、各変化率に点数をつけた合計点が最小となる“現在の押込み量”−０．１５ｍｍが妥当であると判定できる。

【0032】

制御部２０は、上記ステップＳ７で決定した最適な押込み量を次に測定する時の押込み量に設定する。また、このときの測定結果を今回の測定結果とする。
そして、制御部２０は、新たに設定した押込み量で残りの測定ポイントについて、ステップＳ１〜Ｓ７の処理を繰り返して測定する。

【0033】

以上のことから本実施形態では、“現在の押込み量（０．５ｍｍ）”−０．１５ｍｍを最適な押込み量として再設定し、新しく再設定した押込み量で以降の測定を行う。
上記実施形態によれば、４探針抵抗率測定器を用いて半導体ウェーハの抵抗率を測定する半導体ウェーハ抵抗率測定装置において、制御部２０は、測定中にプローブ上下駆動部１６に対し、半導体ウェーハ１２のウェーハのたわみ及び膜厚の変化に応じて４探針プローブ１４の押込み量を半導体ウェーハ１２と探針とが最適な接触状態を保つように制御する。従って、抵抗率測定中に４探針プローブ１４の接触状態を自動的に最適化することが可能であり、信頼性のある抵抗率を測定することができる。

【0034】

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】

【0035】

１１…測定ステージ、１２…半導体ウェーハ、１３…回転駆動部、１４…４探針プローブ、１４ａ…探針、１４ｂ…板ばね、１４ｃ…リード、１５…計測部、１６…プローブ上下駆動部、１６ａ…プローブ取付金具、１６ｂ…カム受け、１６ｃ…重り、１６ｄ…上下駆動カム、１６ｅ…ステッピングモータ、１７…プローブ水平駆動部、１８…操作部、１９…表示部、２０…制御部、２１…電源部、３３…定電流源、３４…電圧計。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】