JP6031279B2 - 半導体ウェハの評価方法及び半導体ウェハ評価装置 - Google Patents
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Description
半導体ウェハ評価装置200を用いて半導体ウェハのキャリア濃度等の電気的特性を測定する際には、図8に示すように給排気管54を通じてキャピラリー53内を排気し、水銀52をキャピラリー53の中空に保持した状態でキャピラリー53を上昇させる。次に、図9に示すようにキャピラリー53を下降させてから、キャピラリー53内に給気して水銀52の下端が半導体ウェハ51に接触するように水銀52を下げる。水銀52に接続した配線55を介して電気信号を送り、その応答を取り出す。電気信号のパラメータ及び応答を解析することにより、半導体ウェハ51の電気的特性を測定できる。
また、水銀と半導体ウェハとの接触面積の変動を低減するために半導体評価装置を半導体ウェハに強く押し当てると、半導体ウェハに傷が付く、あるいは、半導体ウェハが破損してしまう危険性があった。
また、従来の半導体評価装置においては、半導体ウェハと接触して拡がる分の水銀量以上の量の水銀がキャピラリー内に注入されている。
(1)半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハの評価方法であって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブであって、前記固定電極が前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなるものを用い、前記固定電極の先端部に水銀を付けてから、その水銀を半導体ウェハの表面に接触させて電気的特性を測定することを特徴とする半導体ウェハの評価方法。
ここで、本明細書において「水銀に対する濡れ性」とは、水銀の馴染みやすさを示す物理量であって、水銀が固体表面に接触する面において水銀とその面とのなす接触角で評価されるものである。「前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属」とは、水銀とその「水銀に対する濡れ性が強い金属」とを接触させたときのその接触面において水銀とその面とのなす接触角が、水銀と半導体ウェハ又は被覆部とを接触させたときのその接触面において水銀とその面とのなすいずれの接触角よりも小さい金属を意味する。
また、本明細書において固定電極の「先端部」とは、固定電極の半導体ウェハに接触される側の、被覆部に覆われていない部分であって、水銀が付けられる部分をいう。
(2)前記プローブを、水銀溜まりに浸すことによって前記固定電極の先端部に水銀を付けることを特徴とする前記(1)に記載の半導体ウェハの評価方法。
(3)前記電気的特性の測定時における水銀の前記半導体ウェハとの接触面積を、光学的に計測することを特徴とする前記(1)又は(2)のいずれかに記載の半導体ウェハの評価方法。
(4)半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハ評価装置であって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブを備え、前記固定電極は、前記半導体ウェハ及び前記被覆部より水銀に対する濡れ性が強い金属からなることを特徴とする半導体ウェハ評価装置。
(5)前記固定電極が白金、ニッケル、鉄、コバルト、マンガン、及びこれらのうち一種又は二種以上を含む合金を包含する群から選択されたいずれかからなることを特徴とする前記(4)に記載の半導体ウェハ評価装置。
(6)前記被覆部がガラス、樹脂、炭化ケイ素のいずれかからなることを特徴とする前記(4)又は(5)のいずれかに記載の半導体ウェハ評価装置。
(7)半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体評価装置用のプローブであって、先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなる、ことを特徴とする半導体評価装置用プローブ。
また、この際、半導体ウェハと被覆部とが直接接触しないので、半導体ウェハの損傷を防ぐことができる。
更に、固定電極が半導体ウェハ及び被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなるため、電気的特性の測定後に半導体ウェハの表面やプローブの被覆部に水銀を残存させずにプローブを半導体ウェハから離すことができる。
半導体ウェハ評価装置10は、後に説明するように半導体ウェハ11の表面11aに水銀12を接触させて、半導体ウェハ11の電気的特性の評価を行う半導体ウェハ評価装置であって、先端部13pを有する固定電極13と、固定電極13の先端部13p以外の部分13cを覆う透明な被覆部14とからなるプローブ(半導体評価装置用プローブ)15が備えられている。
また、半導体ウェハ評価装置10は、測定部16、配線17A,17B、ステージ18、ケーブル19A,19B、顕微鏡20、信号ケーブル21、移動制御機構22と、を備えている。
固定電極13は、半導体ウェハ及び被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなる。このような金属としては、例えば白金、ニッケル、鉄、コバルト、マンガン、及びこれらのうち一種又は二種以上を含む合金が挙げられる。このような合金には例えば、鉄とニッケルとコバルトの合金であるコバールや、鉄とニッケルの合金であるステンレス合金がある。固定電極13には、水銀に対する濡れ性が高く安定な白金又はコバールを用いることが好ましい。
被覆部14は、固定電極13の先端部13p以外の部分13cを覆う透明な部材である。被覆部14の材質としては、透明で、水銀と反応せず、水銀に濡れないものであれば特に制限はない。このような材質には、例えばガラス、樹脂、炭化ケイ素等がある。被覆部14には、透明度が高く、水銀12と反応せずに水銀12に対する濡れ性が極めて低く、加工性に優れたガラスを用いることが好ましく、透明度が極めて高い石英を用いることがより好ましい。
なお、被覆部14は図示しない支持具に備え付けられている。この支持具はケーブル19Aを介して移動制御機構22に接続されている。移動制御機構22により、X方向、Y方向、Z方向の各方向における固定電極13の位置及び移動方向、移動距離が制御される。
プローブ15は、先端部13pを有する固定電極13と、固定電極13の先端部13p以外の部分13cを覆う透明な被覆部14と、からなる。なお、プローブ15は、半導体ウェハ評価装置10に固定されていてもよく、取り外し可能な状態で設置されていてもよい。プローブ15を取り外し可能とする場合は、配線17Bの途中に連結点Cを設けて、プローブ15と固定電極13に接続されている配線17Bの一部分を取り外す、あるいは装着すればよい。
測定部16は、配線17Aを介してステージ18に電気信号を発信し、配線17Bを介して該電気信号に対する固定電極13の応答を取り込む。そして、電気信号とその応答から半導体ウェハ11のキャリア濃度等を算出する。
なお、本実施形態では、電気的特性を測定するための電気的特性測定部の例としてC−V測定部16を備えるが、他の電気的特性測定部を用いてC−V以外の電気的特性を測定することもできる。
顕微鏡20は、プローブ15の上方に設置されており、後に説明する半導体ウェハの評価方法における水銀電極面積Sの測定時に、水銀12の半導体ウェハ11との水銀電極面積Sを光学的に精確に計測することを可能にする。水銀電極面積Sは、水銀12の体積、荷重及び表面張力から概算することはできるが、半導体ウェハ11のC−V測定には精確な水銀電極面積Sが必要とされる。このような理由により、水銀電極面積Sの光学的計測を行うには顕微鏡を用いるのが好ましい。荷重は、プローブ15の重さに依存する。
移動制御機構22は、ケーブル19A、19Bを介して、それぞれプローブ15、顕微鏡20に接続されている。これにより、移動制御機構22は、図示しないプローブ15の支持具にプローブ15の位置及び移動方向、移動距離を伝達するとともに、顕微鏡20の移動機構にプローブ15と同じ位置及び移動方向、移動距離を伝達する。
半導体ウェハ11は評価対象であり、その種類は特に限定されないが、水銀に濡れないウェハが用いられる。このようなウェハには、例えばSiCウェハ、シリコンウェハ等がある。また、半導体ウェハ11は、シリコンウェハ、SiCウェハ、GaNウェハの表面にエピタキシャル成長によりエピタキシャル層を形成させたエピタキシャルウェハでもよい。
水銀12は、固定電極13の先端部13pに付着することにより、プローブ15に保持されている。プローブ15の装着時には、水銀12の露出面12dが被覆部14の端面14bより半導体ウェハ11の表面11a側に突出する。
また、半導体ウェハ11の評価は、水銀12の粘性を適度に保つために室温で行うことが好ましい。
先ず、図3に示すようにプローブ15を水銀溜り23の上方に位置させ、プローブ15を水銀溜り23に浸す。プローブ15が半導体ウェハ評価装置10に固定された構成の場合は、水銀溜り23を移動させる。一方、プローブ15が図1に示す連結点Cで半導体ウェハ評価装置10から取り外し可能に設置された構成の場合は、プローブ15を半導体ウェハ評価装置10から取り外して移動させ、水銀溜り23に浸す。その後、静かにプローブ15を引き上げる(または、水銀溜り23を下降させる)。
上記のように、固定電極13の先端部13pにのみ少量の水銀12を付着させることにより、水銀の使用量を抑えることができる。
次に、予めステージ18に載せた半導体ウェハ11の表面11aに、水銀12を付けたプローブ15を降下させる。図5に示すように、プローブ15の底面(図1に示す構成においては先端部13p及び端面14b)と半導体ウェハ11の表面11aを一定の間隔Hで対向させ、表面張力と荷重により水銀12を押し拡げる。水銀12は、平面視で略円形に拡がる。水銀電極面積Sは、水銀の付着量、水銀の表面張力、水銀にかかる荷重、間隔Hによっておおよそ決まる。但し、水銀にかかる荷重は、プローブ15を支持具等で保持していないときはプローブ15の重さに等しく、保持しているときは間隔Hに依存する。例えば、固定電極13の先端部13pに3.3×10−8[L]の水銀12を付けた場合には、水銀電極面積Sを3.27[mm2]、間隔Hを0.01[mm]とすることができる。
次に、移動制御機構22により顕微鏡20をプローブ15の上方に移動させる。続いて、図6に示すように、押し拡げた水銀12およびその周囲に光を照射し、顕微鏡20の撮像装置で撮像し、得られた画像から、水銀12の直径D及び水銀電極面積Sを測定する。水銀電極面積Sは、信号ケーブル21を介して測定部16に伝達する。
間隔Hをあけて半導体ウェハ11とプローブ15を対向させた状態を保持し、測定部16から配線17Aを介して半導体ウェハ11に電気信号を伝達する。同時に、配線17Bを介して電気信号に対する固定電極13の応答を取り出す。測定部16では、電気信号、固定電極13の応答、水銀電極面積S、予め保存された水銀12の導電率等の電気的特性等により、半導体ウェハ11のキャリア濃度等の電気的特性を算出する。
上記説明した手順により、半導体ウェハ11の電気的特性を測定できる。
半導体ウェハ11の電気的特性の測定終了後に、水銀12を固定電極13から除去してもよい。但し、半導体ウェハ11の電気的特性の測定は、1枚当たり数10点(複数の測定点)程度行う場合が多い。その場合には、同じ水銀12を用いて半導体ウェハ11内の複数の測定点における電気的特性の測定を行うことができる。また、水銀12の交換のタイミングとしては例えば、(1)顕微鏡20で撮像した画像から、押し拡げた水銀の面積の範囲を規定し、その面積の範囲から水銀電極面積Sが外れたら交換する、(2)半導体ウェハ11の交換時に交換する、(3)測定回数(水銀12が半導体ウェハ11に接触する回数)を規定して、その接触回数に到達したら交換する、等があり、特に制限はない。また、半導体ウェハ11に伝達した電気信号に対する固定電極13からの応答を得て電気的特性の正確な測定ができれば、水銀12の除去及び分取の頻度は限定されない。
Claims (5)
- 半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハの評価方法であって、
先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブであって、前記固定電極が前記半導体ウェハ及び前記被覆部よりも水銀に対する濡れ性が強い金属からなるものを用い、
前記固定電極の先端部に水銀を付けてから、その水銀を半導体ウェハの表面に接触させて電気的特性を測定し、
前記電気的特性の測定時における水銀の前記半導体ウェハとの接触面積を、光学的に計測することを特徴とする半導体ウェハの評価方法。 - 前記プローブを、水銀溜まりに浸すことによって前記固定電極の先端部に水銀を付けることを特徴とする請求項1に記載の半導体ウェハの評価方法。
- 半導体ウェハの表面に水銀を接触させて、前記半導体ウェハの電気的特性の評価を行う半導体ウェハ評価装置であって、
先端部を有する固定電極と、該固定電極のその先端部以外の部分を覆う透明な被覆部とからなるプローブを備え、
前記固定電極は、前記半導体ウェハ及び前記被覆部より水銀に対する濡れ性が強い金属からなり、
前記水銀と前記半導体ウェハとの接触面積を光学的に計測する顕微鏡を備えることを特徴とする半導体ウェハ評価装置。 - 前記固定電極が白金、ニッケル、鉄、コバルト、マンガン、及びこれらのうち一種又は二種以上を含む合金を包含する群から選択されたいずれかからなることを特徴とする請求項3に記載の半導体ウェハ評価装置。
- 前記被覆部がガラス、樹脂、炭化ケイ素のいずれかからなることを特徴とする請求項3又は4のいずれかに記載の半導体ウェハ評価装置。
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