(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水銀を電極として半導体ウェーハに接触させ、該半導体ウェーハの特性を測定する半導体ウェーハの特性測定装置であって、
前記水銀を収納する水銀溜めと、
前記水銀を前記水銀溜めから前記半導体ウェーハとの接触部に導く導管と
を有し、
前記水銀溜め、前記導管の両方をアースしたものであることを特徴とする半導体ウェーハの特性測定装置。
【請求項２】
前記水銀溜め、及び前記導管は、導電性ゴムシートを介してアースしたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハの特性測定装置。
【請求項３】
前記半導体ウェーハがシリコン単結晶ウェーハであり、
前記半導体ウェーハの特性が抵抗率であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体ウェーハの特性測定装置。
【請求項４】
前記半導体ウェーハの抵抗率測定において、標準偏差σ／平均値ｘ−ｂａｒで定義される繰り返し測定の変動係数ＣＶが、０．５％以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体ウェーハの特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウェーハの特性測定装置に関し、より詳しくは、水銀を電極として使用したプローバを用いて半導体ウェーハの電気的特性を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水銀を電極に用いて半導体の電気的特性を測定するための水銀プローバが知られている。例えば、特許文献１には、頭部接触水銀プローバ（ｔｏｐ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｍｅｒｃｕｒｙ  ｐｒｏｂｅ）を用いることで、半導体ウェーハの電気的特性を該ウェーハに対する汚れおよび表面欠陥を生ずることなく測定可能にする半導体ウェーハの電気的特性測定のための水銀プローバが開示されている。
特許文献１記載の装置では、水銀を水銀溜めに収納し、毛細管と呼ばれる導管を用いて半導体ウェーハに上方から接触するように水銀を導いている。
【０００３】
また、特許文献２には、半導体ウェーハの主面を下向きにして保持し、電極として使用する水銀を下方から上方向に導いて半導体ウェーハに接触させる水銀プローバが開示されている。
特許文献２に記載の装置では、水銀は供給容器（ｓｕｐｐｌｙ  ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）と呼ばれる収納容器に収納され、サイホン管（ｓｉｐｈｏｎ  ｔｕｂｅ）と呼ばれる導管内を通って上がり、半導体ウェーハに接触するようになっている。
【０００４】
特許文献１または特許文献２の水銀プローバを用いることにより、ドーパント濃度、抵抗率、酸化膜耐圧、ライフタイム等の電気的特性を測定することができる。測定対象の半導体は、例えばシリコン、ＧａＰ、ＧａＮ、ＳｉＣ等である。
【０００５】
また、半導体の抵抗率を測定する方法として、例えば、Ｃ−Ｖ（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−ｖｏｌｔａｇｅ）特性を測定する方法が知られている。Ｃ−Ｖ特性を測定するには、試料となる半導体ウェーハの表面にショットキー接合を形成し、逆バイアス電圧を段階的に変化させながら印加することにより半導体ウェーハの内部に空乏層を拡げて容量を変化させる。この逆バイアス電圧と容量の関係をグラフにプロットすると、Ｃ−Ｖ特性が得られる。
【０００６】
さらに、逆バイアス電圧と容量からは所望深さにおけるドーパント濃度を算出することができるので、半導体ウェーハ中の深さ方向におけるドーパント濃度プロファイルを得ることができる。
【０００７】
半導体ウェーハ中の深さ方向におけるドーパント濃度プロファイルの中で、測定深さを指定すると、その深さにおけるドーパント濃度が得られる。また、得られたドーパント濃度をＡＳＴＭ  ＳＴＡＮＤＡＲＤＳ  Ｆ７２３等の換算式により換算することにより、ドーパント濃度を抵抗率に換算することができる。
【０００８】
また、水銀プローバを用いてシリコン単結晶ウェーハの抵抗率を測定するために、さまざまな提案がなされている。例えば非特許文献１には、ｐ型およびｎ型ウェーハの化学的前処理方法が開示されている。さらに、特許文献３には、ｐ型またはｎ型エピタキシャル層の表面に炭素含有化合物を付着させてから酸素含有雰囲気中で紫外線を照射することが開示されている。
【０００９】
特許文献３には、さらに、試料となるシリコン単結晶ウェーハがｎ型の場合、予めウェーハの表面を酸化して薄い酸化珪素膜を形成させ、この酸化珪素膜上に水銀電極を接触させることにより、Ｃ−Ｖ特性を測定することができることが開示されている。
【００１０】
シリコン単結晶ウェーハ表面への薄い酸化珪素膜の形成方法として、例えば特許文献４には、シリコン単結晶ウェーハを酸素含有雰囲気中で紫外光に曝すことにより、シリコン単結晶の表面をオゾンガスで酸化する方法が開示されている。
【００１１】
また、特許文献５では、オゾンガスで酸化する際に、紫外線の光源とウェーハとの間に、オゾンガスを通過させかつ紫外線を遮光する遮光板を配置することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平６−１４０４７８号公報
【特許文献２】米国特許７，２５３，６４９号
【特許文献３】特開２００７−１５８３１４号公報
【特許文献４】特表２００２−５１６４８６号公報
【特許文献５】特開２０１３−４６０３０号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】ＡＳＴＭ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  Ｆ１３９２−０２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、水銀プローバを用いて得られる電気的特性の再現性は乏しく、例えばシリコン単結晶ウェーハの抵抗率測定の場合、変動係数ＣＶ（標準偏差σ／平均値ｘ-ｂａｒ）を０．５％以下に制御することはかなり困難である。ここで、ＣＶ＝０．５％は、規格中心±１５％の保証を行うために必要な変動係数の最大値である。
【００１５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、水銀電極を用いて半導体ウェーハの電気的特性を繰返し測定する際に、再現性の向上した電気的特性が得られる半導体ウェーハの特性測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は、水銀を電極として半導体ウェーハに接触させ、該半導体ウェーハの特性を測定する半導体ウェーハの特性測定装置であって、前記水銀を収納する水銀溜めと、前記水銀を前記水銀溜めから前記半導体ウェーハとの接触部に導く導管とを有し、前記水銀溜め、前記導管の少なくともいずれか一方をアースしたものであることを特徴とする半導体ウェーハの特性測定装置を提供する。
【００１７】
このように、水銀溜め、導管の少なくともいずれか一方をアースすることで、水銀が移動する際に水銀溜め又は導管の内壁面に接触して発生する静電気を、アース線を介して除電することができるので、再現性が向上した電気特性を得ることができる。
【００１８】
このとき、水銀溜め、導管の両方をアースすることが好ましい。
このように、水銀溜め、導管の両方をアースすることで、より効率的に静電気をアース線を介して除電することができる。
【００１９】
このとき、前記半導体ウェーハがシリコン単結晶ウェーハであり、前記半導体ウェーハの特性が抵抗率であることが好ましい。
上記の測定装置を用いて、シリコン単結晶ウェーハの抵抗率を好適に測定することができる。
【００２０】
ここで、半導体ウェーハの抵抗率測定において、標準偏差σ／平均値ｘ−ｂａｒで定義される繰り返し測定の変動係数ＣＶが、０．５％以下とすることができる。
このように、本発明の装置であれば、繰り返し測定の変動係数ＣＶが、０．５％以下とすることができ、より精度の高い半導体ウェーハの抵抗率測定が可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明の半導体ウェーハの特性測定装置によれば、水銀が移動する際に水銀溜めや導管の内壁面に接触して発生する静電気を、アース線を介して除電することができるので、再現性の向上した電気的特性を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の半導体ウェーハの特性測定装置の一例を示す概略図である。
【図２】抵抗率を測定するためのＣ−Ｖ特性測定システムの一例を示す概略図である。
【図３】静電気と空乏層の関係を示す概略説明図である。
【図４】Ｃ−Ｖ特性測定時の静電気の帯電と放電の影響を示す概略説明図である。
【図５】静電気により形成される空乏層の容量と、逆バイアス電圧を印加して形成される空乏層の容量との関係を示す等価回路図である。
【図６】Ｃ−Ｖ特性測定時の静電気が帯電していない状態を示す概略説明図である。
【図７】本発明の半導体ウェーハの特性測定装置の別の例を示す概略図である。
【図８】実施例の測定結果を示すグラフである。
【図９】比較例の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２４】
図１は、本発明の半導体ウェーハの特性測定装置の一例を示す概略図であり、電極として使用する水銀を下方から上方向に導いて半導体ウェーハに接触させる水銀プローバを用い、半導体電気特性（例えば、抵抗率）を測定する装置を示す。
【００２５】
図１に示す半導体ウェーハの特性測定装置（水銀プローバ）１０において、半導体ウェーハ（例えば、シリコン単結晶ウェーハ）１が測定される主面を下向きにしてステージ１１に保持され、水銀電極の上方に載置される。抵抗率を測定する際、供給容器と呼ばれる水銀溜め１２に収納された水銀３１は、導管１３内を通って上昇し、シリコン単結晶ウェーハ１の主面に接触することによりショットキー接合を形成する。
【００２６】
水銀溜め１２は、該水銀溜め１２を被覆する導電性ゴムシート７１を介してアース線７２に接続される。また、導管１３は導管１３を被覆する導電性ゴムシート７３を介してアース線７４に接続される。導電性ゴムシート７１、７３には、例えばカーボンや銀などの導電性材料が配合されており、０．００８Ω・ｃｍ程度の低抵抗率であるため、水銀溜め１２や導管１３に発生する静電気を容易に吸収し、アース線７２、７４に逃がすことができる。
【００２７】
図１の半導体ウェーハの特性測定装置１０は、ステージ１１と水銀電極３１との間に設けられた電源１４によって電圧を印加することができ、さらに、容量計１５及び電圧計１６を接続することにより、容量Ｃ及び電圧Ｖを測定することができる。
【００２８】
図２に示す抵抗率を測定するためのＣ−Ｖ特性測定システム１００は、水銀３１を電極としてシリコン単結晶ウェーハ１に接触させる水銀プローバ１０と、水銀プローバ１０に連結された測定ケーブル６１、６２を介して高周波を供給し、半導体ウェーハ１に逆バイアス電圧を印加することにより空乏層を形成させるとともに空乏層の容量を計測するＬＣＲメータ４０と、ＬＣＲメータ４０にＧＰＩＢ（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｐｕｒｐｏｓｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｂｕｓ）ケーブル６３を介して接続されたＰＣ（パーソナルコンピューター）５０とを有し、ＰＣ５０には逆バイアス電圧と空乏層の容量から抵抗率を算出する解析ソフトがインストールされている。
【００２９】
シリコン単結晶ウェーハ１の抵抗率を測定する際は、水銀プローバ１０上に載置したシリコン単結晶ウェーハ１とショットキー接合を形成した水銀電極に、ＬＣＲメータ４０を用いて逆バイアス電圧Ｖを段階的に変化させながら印加し、シリコン単結晶ウェーハ１の内部に空乏層を拡げて容量Ｃを変化させつつ、その容量ＣをＬＣＲメータ４０により計測する。そして、ＰＣ５０にインストールされた解析ソフトを用いて、逆バイアス電圧Ｖと空乏層の容量Ｃの関係から抵抗率を算出する。
【００３０】
電極として用いる水銀３１がシリコン単結晶ウェーハ１に接触する度にシリコン単結晶ウェーハ１の主面に付着したパーティクルにより汚染されると、水銀３１の抵抗率がしだいに高くなり、電気的特性の測定値に悪影響を及ぼすようになる。これを防止するため、半導体ウェーハ１に接触した水銀３１を水銀溜め１２に一旦戻し、水銀３１全体をバブリングして清浄化した後に水銀３１を電極として再び供給する。
【００３１】
このバブリングを行うとき、水銀３１は水銀溜め１２の内壁と擦れて静電気を発生する。水銀溜め１２が例えばポリカーボネート製の場合、−（マイナス）に帯電する。これに対し、水銀３１は＋（プラス）に帯電する。
【００３２】
また、水銀３１が導管１３内を通って上昇するとき、水銀３１は導管１３の内壁と擦れて静電気を発生する。導管１３が例えばポリテトラフルオロエチレン製の場合、−（マイナス）に帯電する。これに対し、水銀３１は＋（プラス）に帯電する。
【００３３】
水銀溜め１２あるいは導管１３に発生した静電気は、導電性ゴムシート７１、７３を介してアース線７２、７４に逃がされるので直ちに消失し、それに伴って水銀３１の静電気も消失する。
【００３４】
仮に、水銀３１が＋に帯電した状態で、例えばｐ型シリコン単結晶ウェーハ１の主面に接触すると、図３（ａ）に示すように、プラスの静電気とｐ型キャリアが反発し合い、逆バイアス電圧Ｖを印加し始める前に、主面近傍に空乏層３２が形成される。
【００３５】
空乏層３２が形成された状態でＣ−Ｖ特性測定により抵抗率の測定を行うと、図４（ａ）に示すように、逆バイアス電圧を印加して形成される空乏層３３と、静電気により形成される空乏層３２が直列に接続されるようになる。そして時間の経過とともに、水銀３１の静電気が放電されて減少すると、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、静電気により形成される空乏層３２の幅は、ｄ１からｄ２へと狭くなる。
【００３６】
ここで、図５（ａ）（図４（ａ）に対応）、図５（ｂ）（図４（ｂ）に対応）に示すように、静電気により形成される空乏層３２の容量をＣ３２、逆バイアス電圧を印加して形成される空乏層３３の容量をＣ３３とすると、これらは直列に接続されているから、空乏層全体の容量Ｃは、
１／Ｃ＝１／Ｃ３２  ＋  １／Ｃ３３                      ・・・（１）
と表される。
【００３７】
このとき、水銀３１の静電気が時間の経過とともに放電されて、空乏層３２の幅がｄ１（図４（ａ））からｄ２（図４（ｂ））に小さくなると、
Ｃ３２＝Ａε０εＳｉ／ｄ                                  ・・・（２）
の関係から、容量Ｃ３２は大きくなる。容量Ｃ３２が大きくなると、式（１）より、空乏層全体の容量Ｃは大きくなる。ここで、Ａは電極面積、ε０は真空誘電率、εＳｉはＳｉの比誘電率である。
【００３８】
そして、空乏層全体の容量Ｃと深さＷにおける不純物濃度Ｎ（Ｗ）には、式（３）の比例関係があるから、
Ｎ（Ｗ）＝Ｃ３／（ｑε０εＳｉＡ２）／（ｄＣ／ｄＶ）      ・・・（３）
空乏層全体の容量Ｃが大きくなると、不純物濃度Ｎ（Ｗ）も大きくなる。すると、不純物濃度Ｎ（Ｗ）に反比例する抵抗率は、逆に低くなる。ここで、ｑは電子の電荷量である。
【００３９】
すなわち、仮に水銀３１が＋に帯電したままの状態でｐ型のシリコン単結晶ウェーハ１の抵抗率測定を行うと、静電気が大量に残存している初期のうちに測定した抵抗率は高く、時間が経過して静電気が放電されてから測定した抵抗率は低くなる。このため、例えば水銀３１がシリコン単結晶ウェーハ１に接触してから測定を開始するまでの時間を一定に保たないと、抵抗率測定結果のバラツキは大きくなる。
【００４０】
これに対し、本発明の水銀プローバ１０では、水銀溜め１２あるいは導管１３に発生した静電気は、導電性ゴムシート７１、７３を介してアース線７２、７４に逃がされるので直ちに消失し、それに伴って水銀３１の静電気も消失する。その結果、図６に示すように、水銀３１をｐ型シリコン単結晶ウェーハ１に接触させても静電気に起因する空乏層３２が形成されず、逆バイアス電圧Ｖの印加による空乏層３３のみ形成されるので、本来の容量Ｃを測定することが可能になる。
【００４１】
図１においては、水銀溜め１２、導管１３の両方を導電性ゴムシートで被覆することで、水銀溜め１２、導管１３の両方をアースしているが、水銀溜め１２、導管１３のいずれか一方を導電性ゴムシートで被覆することで、水銀溜め１２、導管１３のいずれか一方をアースすれば、水銀３１の帯電を防止することができる。
なお、水銀溜め１２、導管１３の両方をアースすれば、より効率的に水銀３１の帯電を防止することができる。
【００４２】
測定された逆バイアス電圧Ｖと容量Ｃの関係をグラフにプロットすると、Ｃ−Ｖ特性が得られる。さらに、逆バイアス電圧と容量を例えば下記（４）式と（５）式に代入すると、シリコン単結晶ウェーハ１内の深さＷならびに、深さＷにおけるドーパント濃度Ｎ（Ｗ）を算出することができるので、深さ方向におけるドーパント濃度のプロファイルを得ることができる。
Ｗ＝Ａε０εＳｉ／Ｃ                                      ・・・（４）
Ｎ（Ｗ）＝２／（ｑε０εＳｉＡ２）＊｛ｄ（Ｃ−２）／ｄＶ｝−１・・・（５）
【００４３】
深さ方向におけるドーパント濃度プロファイルの中で、測定深さを指定すると、その深さにおけるドーパント濃度が得られる。また、得られたドーパント濃度をＡＳＴＭ  ＳＴＡＮＤＡＲＤＳ  Ｆ７２３等に示される換算式により換算することにより、ドーパント濃度を抵抗率に換算することができる。
【００４４】
このようにして得られるドーパント濃度もしくは抵抗率をシリコン単結晶ウェーハ１の同じ場所で複数回、例えば１０回連続して繰返し測定することにより、抵抗率測定の再現性を変動係数ＣＶ（σ／ｘ-ｂａｒ）の大きさで評価することができる。変動係数ＣＶは例えば１０回の測定値から平均値ｘ-ｂａｒと標準偏差σを求め、下記（６）式を用いて算出する。なお、繰返し測定の際、水銀電極を測定の度にシリコン単結晶ウェーハ１から一旦離し、再び接合させる。
変動係数ＣＶ＝（σ／ｘ-ｂａｒ）×１００（％）            ・・・（６）
【００４５】
本発明の水銀プローバ１０を用いることにより、上記の変動係数ＣＶを０．５％以下にすることができる。
【００４６】
これまで本発明の実施形態について、電極として使用する水銀を下方から上方向に導いて半導体ウェーハに接触させる水銀プローバを例示して説明したが、本発明はこれに限定されず、半導体ウェーハに上方から接触するように水銀を導く水銀プローバ、等についても同様に適応が可能である。
【００４７】
図７に、水銀３１を水銀溜め２２に収納し、ステージ２１に載置された半導体ウェーハ１に、導管２３を用いて上方から接触するように水銀３１を導く水銀プローバ２０を示す。
図７において、水銀溜め２２は、該水銀溜め２２を被覆する導電性ゴムシート８１を介してアース線８２に接続され、導管２３は該導管２３を被覆する導電性ゴムシート８３を介してアース線８４に接続される。
図７の半導体ウェーハの特性測定装置２０は、ステージ２１と水銀電極３１との間に設けられた電源２４によって電圧を印加することができ、さらに、容量計２５及び電圧計２６を接続することにより、容量Ｃ及び電圧Ｖを測定することができる。
【００４８】
水銀プローバ２０を用いて半導体ウェーハ１の抵抗率を測定する際は、半導体ウェーハ（例えば、シリコン単結晶ウェーハ）１とショットキー接合を形成した水銀電極に、逆バイアス電圧Ｖを連続的に変化させながら印加し、半導体ウェーハ１の内部に空乏層を拡げて容量Ｃを変化させつつ、その容量ＣをＬＣＲメータで計測し、逆バイアス電圧Ｖと空乏層の容量Ｃの関係から抵抗率を算出する。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５０】
（実施例）
直径２００ｍｍ、抵抗率１２Ωｃｍのｐ型シリコンエピタキシャルウェーハを準備し、水銀溜め１２が導電性ゴムシート７１を介してアース線７２に接続され、導管１３が導電性ゴムシート７３を介してアース線７４に接続された水銀プローバ１０とＣ−Ｖ特性測定システム１００とを用い、ｐ型シリコンエピタキシャルウェーハの中心部を１０回繰返し測定した。その結果を図８に示した。
【００５１】
図８に示す測定結果の平均値は１２．０３Ω・ｃｍ、標準偏差は０．０２０９Ω・ｃｍであった。
変動係数ＣＶ（σ／ｘ-ｂａｒ）は０．１７％となり、目標とする０．５％を十分に満足することができた。
【００５２】
（比較例）
水銀溜め１２と導管１３にアース線が接続されていないこと以外は実施例と同じ水銀プローバ１０とＣ−Ｖ特性測定システム１００とを用い、直径２００ｍｍ、抵抗率１２Ωｃｍのｐ型シリコンエピタキシャルウェーハの中心部を１０回繰返し測定した。その結果を図９に示した。
【００５３】
図９に示す測定結果の平均値は１２．３１Ω・ｃｍ、標準偏差は０．１２３５Ω・ｃｍであった。
変動係数ＣＶは１．００％となり、目標とする０．５％よりも高かった。
【００５４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の半導体特性測定装置によると、水銀電極を用いて半導体を繰返し測定する際、変動係数ＣＶを０．５％以下とすることができるので、規格中心±１５％未満を保証する電気的特性の測定に適用することが可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１…半導体ウェーハ（シリコン単結晶ウェーハ）、
１０、２０…半導体ウェーハの特性測定装置（水銀プローバ）、
１１、２１…ステージ、  １２、２２…水銀溜め、  １３、２３…導管、
１４、２４…電源、  １５、２５…容量計、  １６、２６…電圧計、  ３１…水銀、
３２…静電気により形成される空乏層、  ３３…逆バイアス電圧による空乏層、
４０…ＬＣＲメータ、  ５０…ＰＣ、
６１、６２…測定ケーブル、  ６３…ＧＰＩＢケーブル、
７１、７３、８１、８３…導電性ゴムシート、  ７２、７４、８２、８４…アース線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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