(57)【要約】【課題】漏れ電流を誘電層に流させることなく、半導体ウエハの被覆極薄誘電層を介してコンタクト又はプローブによって半導体ウエハに付与されるＣＶ式刺激に対する半導体ウエハの応答を測定する。【解決手段】半導体ウエハ１０の少なくとも１つの電気特性を測定する方法は、非限定的に、熱酸化、アノード酸化、又は析出酸化などによって例示される、制御された酸化処理によってその外表面上に絶縁性酸化物層６０が形成された弾性変形可能で導電性のコンタクト６を提供する工程を有する。このコンタクト６の表面上の酸化物層６０と半導体ウエハ１０の上面１６上の誘電層１４との間に第１電気接触が形成され、半導体ウエハ１０に第２電気接触が形成される。第１電気接触と第２電気接触との間にＣＶ的刺激が付与される。このＣＶ的刺激に対する半導体ウエハ１０の応答を測定し、この応答から、誘電層１４、半導体ウエハ１０又はこれら両方の少なくとも１つの電気特性が測定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハの少なくとも１つの電気特性を測定する方法であって、
（ａ）制御された酸化処理によってその外表面上に絶縁性酸化物層が形成された弾性変形可能で導電性のコンタクトを提供する工程と、
（ｂ）前記コンタクトの表面上の前記酸化物層と半導体ウエハの上面上の誘電層との間に第１電気接触を形成する工程と、
（ｃ）前記半導体ウエハによって第２電気接触を形成する工程と、
（ｄ）前記第１電気接触と前記第２電気接触との間にＣＶ的刺激を付与する工程と、
（ｅ）前記ＣＶ的刺激に対する前記半導体ウエハの応答を測定する工程と、
（ｆ）前記応答から、前記誘電層、前記半導体ウエハ又はこれら両方の少なくとも１つの電気特性を測定する工程と、
を有する方法。
【請求項２】
前記制御された酸化処理は、熱酸化、アノード酸化及び析出酸化のいずれかである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸化物層は、前記外表面から元から存在する酸化物層を除去した後に、前記コンタクトの外表面上に形成される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記導電性コンタクトは、プローブの先端部である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記導電性コンタクトは、導電性ベース材上に設けられる導電性コーティングを含み、
前記導電性コーティングは、その上に前記誘電層が形成される前記外表面を形成している請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ベース材は第１仕事関数を有し、前記コーティングは第２仕事関数を有し、
前記コーティングは、それによって、前記導電性コンタクトの全体の仕事関数が、（ｉ）前記第１仕事関数と前記第２仕事関数との中間か、もしくは、（ｉｉ）前記第２仕事関数に等しいものとなるような厚みを備える請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記コーティングの厚みは、５デバイ長以下である請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記ベース材はタンタルから構成されている請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記コーティングはイリジウムから構成されている請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記ベース材は第１仕事関数を有し、前記コーティングが第２仕事関数を有し、
前記コーティングは、前記ベース材上に位置する第１材料の層と、この第１材料上に位置する第２材料の層とを含み、
前記第２仕事関数は、前記第１及び第２材料の仕事関数に関連されている請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２仕事関数は、前記第１材料の仕事関数と前記第２材料の仕事関数との中間である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ベース材と、前記第１材料と前記第２材料とは、互いに異なる金属である請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ベース材はタンタルから構成されている請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１材料はイリジウムから構成され、
前記第２材料は、ルテニウム（Ｒｕ）とタンタル（Ｔａ）との少なくとも１つから構成されている請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハのテストに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハの単数又は複数の電気特性を測定するために導電性弾性プローブを使用することはマズール（Mazur）ほかの米国特許６，４９２，８２７号に開示されている。プラチナ、イリジウム、タンタルなどのある種の材料から形成された導電性弾性プローブは、又は少なくともプラチナ、イリジウム又はタンタルでコーティングされた先端部を有するプローブが、半導体ウエハのテスト用として最良であることが観察されている。これまで、これらの材料の１つ又は複数上に導電性酸化物を成長させることが不可能であることおよび／又は導電性酸化物を成長させることが可能であることによってそれらの材料がそのようなテスト用により有用であるか否かが決まると考えられていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、そのようなプローブを被覆極薄誘電層を備える半導体ウエハのＣＶ式測定を行うために使用すると、不要な漏れ電流がそれら誘電層を通って流れて、それによって測定に悪影響を与える。
【０００４】
従って、今必要とされ、かつ従来技術に開示されていないものは、漏れ電流を誘電層に流させることなく、半導体ウエハの被覆極薄誘電層を介してコンタクト又はプローブによって半導体ウエハに付与されるＣＶ式刺激に対する半導体ウエハの応答を測定する方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、半導体ウエハの少なくとも１つの電気特性を測定する方法を提供する。この方法は、熱酸化、アノード酸化、又は析出酸化などの制御された酸化処理によってその外表面上に絶縁性酸化物層が形成された弾性変形可能で導電性のコンタクトを提供する工程と、このコンタクトの表面上の酸化物層と半導体ウエハの上面上の誘電層との間に第１電気接触を形成する工程とを有する。前記半導体ウエハに第２電気接触が形成され、前記第１電気接触と前記第２電気接触とを介して、前記誘電層に対してＣＶ的刺激が付与される。そして、このＣＶ的刺激に対する半導体ウエハの応答を測定し、この測定された応答から、前記誘電層、前記半導体ウエハ又はこれら両方の少なくとも１つの電気特性が測定される。
【０００６】
前記酸化物層は、好ましくは、任意の適当な手段によって、前記外表面から元から存在する酸化物層を除去した後に、前記コンタクトの外表面上に形成される。
【０００７】
前記導電性コンタクトは、プローブの先端部とすることができる。この導電性コンタクトは、導電性ベース材上に設けられる導電性コーティングを含むことができる。前記導電性コーティングは、その上に前記誘電層が形成される前記外表面を形成することができる。
【０００８】
前記ベース材が第１仕事関数を有し、前記コーティングが第２仕事関数を有するものとすることができる。前記コーティングは、それによって、導電性コンタクトの全体の仕事関数が、（ｉ）前記第１仕事関数と前記第２仕事関数との中間か、もしくは、（ｉｉ）前記第２仕事関数に等しいものとなるような厚みを備えたものとして構成することができる。
【０００９】
前記ベース材はタンタルから構成することができる。前記コーティングはイリジウムから構成することができる。
【００１０】
前記ベース材が第１仕事関数を有し、前記コーティングが第２仕事関数を有するものとすることができる。前記コーティングは、前記ベース材上に位置する第１材料の層と、この第１材料上に位置する第２材料の層とを含むものとすることができる。前記第２仕事関数は、前記第１及び第２材料の仕事関数に関連するものとすることができ、例えば、前記第２仕事関数は、前記第１材料の仕事関数と前記第２材料の仕事関数との中間とすることができる。
【００１１】
前記ベース材と、前記第１材料と前記第２材料とは、互いに異なる金属とすることができる。前記ベース材はタンタル（Ｔａ）とすることができる。前記第１材料はイリジウム（Ｉｒ）とすることができ、前記第２材料は、ルテニウム（Ｒｕ）とタンタル（Ｔａ）との少なくとも１つとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を、図面を参照しながら説明する。尚、これら図面において類似の参照番号は類似の部材に対応している。
【００１３】
図１を参照すると、半導体ウエハテストシステム２は、導電性真空チャック４と、第１実施例の導電性コンタクト６とを有する。図１にはコンタクト６が長手プローブ形態として図示されているが、このことによって本発明は限定されるものではなく、このコンタクト６は、半導体ウエハ１０のテストに適した任意の形状又は形態のものとすることができる。
【００１４】
前記チャック４は、半導体ウエハ１０の裏面８を支持するように構成され、ウエハ１０は、半導体材料から形成される基材１２を有し、これが真空（図示せず）によってチャック４との接触状態に保持される。半導体ウエハ１０は、前記基材１２の上面１６上に位置する誘電層１４を有するものとして構成可能であるが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。
【００１５】
好ましくは、前記コンタクト６は、少なくとも、基材１２の上面１６又は、それが設けられる場合には誘電層１４の上面２２、に接触するための部分球状導電性表面２０を有する。部分球状導電表面２０が好ましいが、半導体ウエハ１０のテストに好適なその他の形状を有する表面（図示せず）も利用可能である。従って、導電性表面２０が図１において部分球状に図示されていることによって本発明は限定されるものと解釈されてはならない。
【００１６】
好ましくは、前記第１実施例のコンタクト６は、その全体を、プラチナ、イリジウム又はタンタルから形成することができ、或いは、少なくともその先端部にプラチナ又はタンタルからなるコーティングを備える適当な導電性材料から形成される本体を備えることも可能である。
【００１７】
当該技術において周知のタイプの接触形成手段２６によって、矢印２８によって図示されている方向におけるチャック４および／又はコンタクト６の垂直移動を制御し、コンタクト６と半導体ウエハ１０とを互いに向けて移動させ、これによってコンタクト６、より具体的には、導電性表面２０が、基材１２の上面１６又は、それが設けられる場合には、誘電層１４の上面２２を押し込まれそれと接触する。
【００１８】
半導体ウエハ１０がチャック４上に受けられ、コンタクト６の導電表面２０が基材１２の上面１６又は、それが設けられる場合には誘電層１４の上面２２と接触されると、電気刺激付与手段３０を電気接続して、コンタクト６と半導体ウエハ１０とに適当な電気刺激を付与することができる。
【００１９】
測定手段３２を電気接続して、前記電気刺激付与手段３０によって付与されたテスト刺激に対する半導体ウエハ１０の応答を測定することができる。チャック４は、参照接地又はＡＣおよび／又はＤＣ参照バイアスに接続することができる。
【００２０】
図２と、引き続き図１を参照すると、第２実施例のコンタクト６は、適当な導電性材から形成される本体３８と、イリジウム又はイリジウム合金から形成される導電層又はコーティング４２と、その下に位置し、前記本体３８と接触しているタンタル又はタンタル合金などの導電性ベース材の層又はコーティング４０とを有する。
【００２１】
図３と、引き続き図１及び２を参照すると、第３実施例のコンタクト６は、導電性コーティング４２と、その下に位置し、この実施例では、コンタクト６の本体を形成する導電ベース材４０とを有する。これは、プラチナ又はタンタルのコーティングがその上に形成された適当な導電材料から形成される本体を有する第１実施例のコンタクト６とバリエーションと対照を成す。
【００２２】
図４と、引き続き図１−３を参照すると、第４実施例のコンタクト６は、図２に図示した第２実施例のコンタクト６に類似の状態で、本体３８と、これと接触する基材コーティング４０と、その上のコーティング４２とを有する。しかし、この図４に図示されている第４実施例のコンタクト６では、更に、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）又はＲｕ−Ｔａ合金から形成される層又はコーティング５４がコーティング４２上に形成されている。
【００２３】
図５と、引き続き図１−４を参照すると、第５実施例のコンタクト６は、図３に図示した第３実施例のコンタクト６と同様のベース材４０から形成された本体３８を有する。但し、この図５に図示される第５実施例のコンタクト６では、コーティング５４がコーティング４２上に形成されている。
【００２４】
図２−５に図示されているように、必要であるのは、層又はコーティン４２および／又は５４が、コンタクト６の表面２０を形成し、これが、接触形成手段２６によって、基材１２の上面１６、若しくは、それが設けられる場合には誘電層１４の上面２２に押し込まれてそれと接触することだけである。但し、これによって本発明が限定されるものと解釈されてはならない。
【００２５】
図２に図示されているように、コーティング４２は、好ましくは、ベース材４０のみを介して本体３８と電気接触する。換言すると、コーティング４２は、好ましくは、本体３８と直接には電気接触しない。図３において、コーティング４２は、ベース材４０から形成される本体３８と直接接触している。図４では、コーティング４２は、好ましくは、ベース材４０のみを介して、本体３８と接触し、コーティング５４は、好ましくは、コーティング４２とベース材４０とのみを介して本体３８と接触する。換言すると、コーティング４２と本体３８との間、又は、コーティング５４とベース材４０又は本体３８との間には直接的な電気接触は存在しない。図５では、コーティング５４は、好ましくは、コーティング４２のみを介して本体３８と接触する。換言すると、コーティング５４は、ベース材４０から形成される本体３８とは直接的に電気接触しない。
【００２６】
図２及び３に図示した実施例のコンタクト６において、コーティング４２の厚みは、それによって、各実施例のコンタクト６の表面２０が、コーティング４２を形成する材料の仕事関数に等しい総仕事関数を有するように構成される。或いは、図２及び３に図示の実施例のコンタクト６において、コーティング４２の厚みは、それによって、各実施例のコンタクト６の表面２０が、コーティング４２を形成する材料の仕事関数とベース材４０の仕事関数との中間の総仕事関数を有するように構成することができる。この中間仕事関数を達成するために、コーティング４２は、その材料の仕事関数が総仕事関数に寄与するために十分厚く、かつ、その仕事関数によってベース材４０の仕事関数がマスキングされることを回避するのに十分薄いものでなければならない。１つの非限定的具体例において、コーティング４２は、５デバイ長以下の厚みを有する。但し、これは本発明を限定するものと解釈されてはならない。
【００２７】
図４及び５に図示した実施例のコンタクト６において、コーティング５４は、好ましくは、それによって、表面２０が、このコーティング５４を形成する材料の仕事関数又は、コーティング４２の仕事関数とコーティング５４の仕事関数との中間の仕事関数、と等しい総仕事関数を有するものとなる、厚みを有する。この中間仕事関数は、コーティング５４の厚みを、ベース材４０上に形成されるコーティング４２に関して前述したように制御することによって達成することが可能である。
【００２８】
好ましくは、半導体ウエハのテストのために、図２−５に図示した各実施例のコンタクト６の表面２０の仕事関数は、３．０ｅＶ〜６．０ｅＶである。但し、これは本発明を限定するものと解釈されてはならない。なぜなら、半導体ウエハのテストを最適化するために表面２０の総仕事関数を所望に設定することが可能であるからである。
【００２９】
図１−５に図示した実施例のコンタクト６のいずれもそれを使用する場合、接触形成手段２６によって、コンタクト６の表面２０を、基材１２の上面１６、又は、それが設けられる場合には誘電層１４の上面２２に押し込み、それと接触させ、それによって第１電気接触を形成する。チャック４と接触する半導体ウエハ１０の裏面８が、第２電気接触を形成する。或いは、前記第２電気接触は、基材１２によって直接、又は、この基材１２の上面１６あるいは、それが設けられる場合には、誘電層１４の上面２２と接触する別のコンタクト（図示せず）を介して、形成することができる。
【００３０】
前記第１及び第２電気接触が形成されると、前記電気刺激付与手段３０によって、これら第１及び第２電気接触間に適当な電気刺激を付与する。この電気刺激の付与中、測定手段３２は、この電気刺激に対する半導体ウエハ１０の応答を測定する。この応答に基づき、測定手段３２は、誘電層１４、基材１２、誘電層１４と基材１２との境界面、又はこれらの任意の組み合わせの少なくとも１つの電気特性を測定することができる。
【００３１】
前記電気刺激付与手段３０によって付与することができ、前記測定手段３２によって測定することが可能な適当な電気刺激の非限定的な具体例として、キャパシタンス−電圧的刺激（ＣＶ）、コンダクタンス−電圧（ＧＶ）的刺激、チャージ−電圧（ＱＶ）的刺激、および／又は電流−電圧（ＩＶ）的刺激を挙げることができる。そして、これらの刺激から測定することが可能な電気特性の非限定的具体例としては、フラットバンド電圧（ＶＦＢ）、閾値電圧（Ｖτ）、漏れ電流（ＩＬＥＡＫ）を挙げることができる。これらの電気刺激の付与、これらの電気刺激からの、誘電層１４、基材１２、誘電層１４と基材１２との境界面、又はこれらの任意の組み合わせの少なくとも１つの電気特性の測定に関する詳細は当該技術において周知であるので、ここではそれらの説明は省略する。
【００３２】
タンタル以外の材料から形成された表面２０を有する実施例のコンタクト６を、ＣＶ的刺激による、今日の極薄誘電層１４（約１５−１８オングストローム）を有する半導体ウエハのテストに使用すると、誘電層１４と接触する表面２０を介して不要な漏れ電流がコンタクト６に流れ、それによってそのＣＶ的刺激に対する半導体ウエハ１０の応答の測定と、その結果得られる半導体ウエハの少なくとも１つの電気特性の測定とに悪影響を与えることが観察されている。この漏れ電流は、誘電層１４の厚みが、その量子物理学的トンネル現象が始まる厚み（約２５−３５オングストローム）以下となることによって生じる誘電層１４を介する所謂、「量子物理的トンネル現象」によって引き起こされるものである。タンタルから形成される表面２０を有するコンタクト６は、通常、そのような量子物理的トンネル現象を示さない。
【００３３】
テスト中に、誘電層１４と接触するタンタル以外の材料から形成される表面２０上になんらかの絶縁性の元からある酸化物の成長（大気に対する露出による）の組み合わせでは、量子物理的トンネル現象を無くする、又は、望ましいレベルにまで減少させるのに不十分であることが観察されている。その理由としては、（１）ＣＶを利用したテスト中において、そのような元から存在する酸化物の厚みと、誘電層１４の厚みとの合計の厚みが、量子物理的トンネル現象を無くする、又は、望ましいレベルにまで減少させるのに十分な厚みにまで成長しないこと、（２）元から存在する酸化物は品質が劣悪で、それに電流が通ることを容易にする電子及び正孔トラップに満ちていること、又は（３）これらの両方、が考えられている。勿論、表面２０が、絶縁性の元からの酸化物を成長させることが出来ない材料（例えば、イリジウム）から形成されたり、或いは、導電性の酸化物を成長させる材料から形成される場合にも、そのような表面２０は、同様に、量子物理的トンネル現象の除去又は、量子物理的トンネル現象の所望レベルへの低減に寄与しないものとなるであろう。
【００３４】
ＣＶ的刺激を利用したテスト中に、量子物理的トンネル現象を除去又は量子物理的トンネル現象を減少させるために、制御された酸化処理によって、電子及び正孔トラップがほとんど無い、又は皆無の、絶縁性酸化物層６０（図１−５において破線によって示されている）を意図的に表面２０上に形成することができる。タンタルから形成された表面２０は、通常、量子物理的トンネル現象を回避するために適当な量と厚みの、元からの酸化物を形成するので、通常、この表面２０上に酸化物層６０を意図的に形成する必要は無い。しかしながら、もしも性能を最適化するために望ましい又は必要な場合には、タンタルから形成された表面２０上に酸化物層６０を意図的に形成することも可能であるので、このことによって本発明が限定されるものと解釈されてはならない。
【００３５】
酸化物層６０は、熱酸化、アノード酸化、又は析出酸化などの制御された酸化成長処理によって形成することが可能である。これらの酸化処理は、当該技術において周知であるので、その詳細の説明はここでは省略する。好ましくは、前記酸化物層６０は、表面２０上の元からの酸化物層の除去の後に形成される。但し、これは本発明を限定するものと解釈されてはならない。
【００３６】
上述した制御された酸化処理のそれぞれによって、酸化物層６０が表面２０上に形成される厚みを制御することができる。従って、上述の制御された酸化処理のいずれかにより、酸化物層６０が形成される厚みを、それによって、量子物理学的トンネル現象が除去又は所望のレベルにまで低減され、同時に、半導体ウエハ１０のＣＶ式テストのためのコンタクト６の作動が影響されないように、所望の状態で設定することが可能である。換言すると、誘電層１４の厚みと酸化物層６０の厚みとの合計が、量子物理学的トンネル現象が除去又は所望レベルにまで低減され、かつ、同時に、測定手段３２によって、ＣＶ的刺激に対する半導体ウエハ１０の応答の測定に対する酸化物層６０の影響が相殺可能であるようなものして構成されることが望ましい。この目的のために、表面２０がこの誘電層１４と接触する時の、誘電層１４の厚みと酸化物層６０の厚みとの合計は、約２５〜１０００オングストローム、好ましくは、約２５〜５００オングストローム、更に好ましくは、約２５〜３０オングストロームである。
【００３７】
以上、本発明をその好適実施例を参照して説明した。以上の詳細説明を読むことによって当業者は、その種々の改変、改造を容易に想到するであろう。例えば、前記各実施例のコンタクト６は、表面２０を形成する先端部を有するプローブとして図示された。しかし、これは本発明を限定するものと解釈されてはならない。更に、種々の層４０，４２，５４、６０が本体３８の径の外側に延出するものとして図示されていることは単に図示の目的でそのようにされているに過ぎない。当業者は、これらのコーティング４０，４２，５４、６０は、比較的薄いものであって、これらの層は図面に図示されているような程度にまで本体３８の径の外側にまで延出するようなものではないことを理解するであろう。本発明は、特許請求の範囲又はそれらの均等物の範囲におけるそのような変形例及び改造例のすべてを含むものとして解釈されるものであると意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】半導体ウエハの断面図、及びそれと連動状態にある第１実施例コンタクトを含む半導体ウエハテストシステムのブロック図
【図２】図１に図示したテストシステムと使用可能な第２実施例のコンタクトを示した図
【図３】図１に図示したテストシステムと使用可能な第３実施例のコンタクトを示した図
【図４】図１に図示したテストシステムと使用可能な第４実施例のコンタクトを示した図
【図５】図１に図示したテストシステムと使用可能な第５実施例のコンタクトを示した図
【符号の説明】
【００３９】
６    コンタクト
１０  半導体ウエハ
１４  誘電層
１６  上面
６０  酸化物層
【図１】
2006295200.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006295200.tif 000007
【外国語明細書】
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