(57)【要約】      （修正有）【課題】先端部と半導体ウエハ上面との間の接触力がより精確に制御できる、先端部を持つプローブを提供すること。【解決手段】半導体ウエハ、またはウエハ上のコーティングや膜を測定する測定装置であって、導電性ウエハチャック４と、弾性のまたは復元力のある導電性メンブレイン１６と流体接続した内部キャビティ１４を画成するプローブ本体１２を有するプローブ６とを含む。半導体ウエハ１０をウエハチャックで支持する時、メンブレインと半導体ウエハ上面とを、離間する関係となるよう移動する。プローブ本体の内部キャビティに供給する流体圧力を選択的に制御して、メンブレインを拡張させて半導体ウエハの上面と接触させる。適切な試験信号をメンブレインと半導体ウエハに印加し、試験信号に対する半導体ウエハの応答を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハの背面を支持する導電性ウエハチャックと；
弾性のまたは復元力のある導電性メンブレインに流体接続した内部キャビティを画成するプローブ本体を有するプローブと；
前記ウエハチャックが前記半導体ウエハを支持している時、前記メンブレインと前記半導体ウエハ上面とを、離間した関係になるように移動する手段と；
前記キャビティに供給する流体の圧力を選択的に制御する手段であって、前記流体の圧力増加に応答して、前記メンブレインが拡張して前記半導体ウエハ上面に接触するように成した前記制御手段と；
前記メンブレインと前記半導体ウエハとの間に試験信号を印加する手段と；
前記試験信号に対する前記半導体ウエハの応答を測定する手段とを備える；
半導体ウエハ測定装置。
【請求項２】
前記メンブレインが、流体の前記圧力に関連する力で前記半導体ウエハ上面に接触するよう拡張される；
請求項１の装置。
【請求項３】
前記流体圧力の低下に応答して、前記メンブレインが収縮して前記半導体ウエハ上面から離間する；
請求項１の装置。
【請求項４】
前記メンブレインおよび前記ウエハチャックが前記試験信号印加手段に電気接続される；
請求項１の装置。
【請求項５】
前記プローブ本体および前記流体の少なくとも一方が導電体であり；
前記メンブレインが、前記試験信号印加手段および前記測定手段の少なくとも一方に、前記プローブ本体および前記流体の少なくとも一方を介して電気接続される；
請求項４の装置。
【請求項６】
前記半導体ウエハが半導体材料を覆う誘電体を含み；
前記メンブレインが拡張して前記誘電体と接触することによりコンデンサを形成し、前記メンブレインが前記コンデンサの第１電極板を画成し、前記半導体材料が前記コンデンサの第２電極板を画成し、そして前記誘電体が両者の間の電気絶縁体を画成する；
請求項１の装置。
【請求項７】
前記プローブ本体と離間した関係で前記プローブ本体の少なくとも一部を囲む導電体と；
前記導電体を所望電位にバイアスする手段とを更に含む；
請求項１の装置。
【請求項８】
前記導電体が前記メンブレインに近接して配置される；
請求項７の装置。
【請求項９】
前記導電体と前記プローブ本体との間に配置される電気絶縁体を更に含む；
請求項７の装置。
【請求項１０】
（ａ）弾性のまたは復元力のある導電性メンブレインに流体接続した内部キャビティを画成するプローブ本体を有するプローブを提供するステップと；
（ｂ）半導体ウエハ上面と離間した関係で前記メンブレインを位置決めするステップと；
（ｃ）前記メンブレインが拡張して前記半導体ウエハ上面と接触するのに十分な圧力で、前記キャビティに流体を供給するステップと；
（ｄ）前記メンブレインと前記半導体ウエハとの間に試験信号を印加するステップと；
（ｅ）前記試験信号に対する前記半導体ウエハの応答を測定するステップとを含む；
半導体ウエハを試験する方法。
【請求項１１】
前記メンブレインが自らの弾性で収縮して、前記半導体ウエハ上面との接触を断つように、前記キャビティに供給された前記流体の圧力を十分に低下させるステップを更に含む；
請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記プローブ本体および前記流体の少なくとも一方が導電体であり；そして、
前記メンブレインが、前記プローブ本体および前記流体の少なくとも一方を介して前記試験信号を受信する；
請求項１０の方法。
【請求項１３】
前記半導体ウエハが半導体材料を覆う誘電体を含み；そして、
前記メンブレインが前記誘電体と接触するよう拡張してコンデンサを形成し、前記メンブレインが前記コンデンサの第１電極板を画成し、前記半導体材料が前記コンデンサの第２電極板を画成し、そして前記誘電体が両者間の電気絶縁体を画成する；
請求項１０の方法。
【請求項１４】
前記プローブ本体と離間した関係で、前記プローブ本体の少なくとも一部を囲む導電体を提供するステップと；
前記導電体を所望電位にバイアスするステップとを更に含む；
請求項１０の方法。
【請求項１５】
前記導電体が前記メンブレインに近接して配置される；
請求項１４の方法。
【請求項１６】
前記導電体と前記プローブ本体との間に配置される電気絶縁体を提供するステップを更に含む；
請求項１４の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハまたは半導体ウエハ上のコーティングもしくは膜の電気特性を測定するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハまたは半導体ウエハ上のコーティングもしくは膜の電気特性の測定は、かかるウエハの製造における重大なファクタである。現在、標準的に実施されているこれら電気特性の測定は、先ず１または２以上の金属コンタクト領域またはドープトポリシリコンコンタクト（ｄｏｐｅｄ  ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ  ｃｏｎｔａｃｔｓ）領域を上面に形成することにより行われている。これらコンタクト領域は、金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）またはショットキーバリア（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ｂａｒｒｉｅｒ）構造の一部となり、これを用いてしかるべき測定を行っている。言い換えると、半導体ウエハまたは半導体ウエハ上のコーティングもしくは膜上でこれらコンタクト領域が恒久的なフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅｓ）になるので、その半導体ウエハ全体が通常使用に適さなくなってしまう。したがって、これらコンタクト領域の形成は、モニター用または試験用の半導体ウエハに限られることになる。
【０００３】
その上、金属またはポリシリコンのコンタクト領域の形成には時間と費用がかかる。それは、普通、当該技術で周知な方法による半導体ウエハ表面への金属またはポリシリコンコンタクト領域の堆積および形成を伴う。
【０００４】
こうして形成されるコンタクト領域の代替が、Ａｌｂｅｒｔ Ｌｅｄｅｒｍａｎの「ＣＶプロッティングおよびプロファイリングのための真空操作式水銀プローブ」と題する論文（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９８１年８月、１２３〜１２６ページ）に記載されている。この論文には、アルミニウムまたはポリシリコンコンタクト領域に代わる水銀コンタクト領域の利用が開示されている。より具体的には、Ｌｅｄｅｒｍａｎの論文が開示しているのは、金属酸化膜半導体、均質半導体ウエハ、非均質半導体ウエハ、および絶縁基板上の半導体ウエハを測定する真空操作式水銀プローブである。Ｌｅｄｅｒｍａｎのこの水銀プローブを用いると、試験中に水銀がウエハ上の材料と化学反応するかもしれないという問題を生じる可能性がある。条件によっては水銀使用が深刻な安全上の問題を引き起こす。したがって水銀プローブの用途は限られていた。
【０００５】
コンタクト領域形成または真空操作式水銀プローブの代替が、１９９１年６月１１日発行のＨｉｌｌａｒｄの米国特許第５，０２３，５６１号に開示されており、これを引用して本明細書に組み込む。
【０００６】
Ｈｉｌｌａｒｄの特許は、所定寸法の一様平坦面を持つ先端部を含むプローブを一端に有する可動プローブアームを開示している。プローブスタンドが可動アームを支持し、チャックが半導体ウエハを支持する。プローブスタンド、可動アーム、およびチャックは、先端部の一様平坦面と半導体ウエハの誘電体層の外面との間の面接触が得られるように構成されている。
【０００７】
測定を行うための、Ｈｉｌｌａｒｄの特許に開示されたプローブの利用に伴う問題は、先端部の表面を一様平坦に研削しなければならないことである。もう一つの問題は、先端部の一様平坦面と、ウエハ表面との間の面接触を確保しなければならないことである。先端部の一様平坦面を使ってウエハ外面に面接触させることは、今日の非常に薄い酸化膜層では特に問題である。というのは、先端部の一様平坦面とウエハ外面との間で完全な平行度がとれないと、先端部の一様平坦面を囲む縁部が酸化膜層に損傷を与えることがあるからである。
【０００８】
更に、Ｈｉｌｌａｒｄの特許が１９９０年代初頭に出願された当時、半導体産業でのゲート酸化膜の典型的な厚さは数百Å（数十ｎｍ）のオーダーであった。プローブ先端部の一様平坦面と、ウエハの誘電体層外面との間の比較的狭い接触面積では、これらの比較的厚い酸化膜に適用した場合に静電容量の十分な信号対雑音比が得られなかった。対照的に、今日のゲート酸化膜は非常に薄く、１．０〜１．５ｎｍというオーダーである。こうした薄い酸化膜では、静電容量の信号対雑音比が増加するので、導電性圧力接触でなされる測定を効率的に利用してゲート酸化膜の特性を決定できる。
【０００９】
可動プローブアームおよび一様平坦面を持つ先端部を含むプローブの使用の代替が、２００２年１２月１０日発行のＭａｚｕｒらの米国特許第６，４９２，８２７号に開示されているが、これを引用して本明細書に組み込む。
【００１０】
Ｍａｚｕｒらの特許は、弾性変形する導電性先端部を有するプローブの使用を開示している。このプローブは可動であり、半導体ウエハ外面を形成する半導体材料、または半導体ウエハ外面に形成される誘電体に接触する。試験装置は導電性先端部と半導体ウエハとの間に信号を印加して半導体ウエハの応答、およびウエハのフロント面に形成した誘電体を備える場合はその誘電体の応答を測定し、半導体ウエハの半導体材料および／または誘電体の電気特性の少なくとも一種類を決定する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
Ｍａｚｕｒらの特許に開示されるプローブのプローブ先端部とウエハとの間の接触力は、半導体ウエハの半導体材料および／または誘電体への損傷を防ぐように制御されなければならない。この点は、今日の半導体ウエハ上の非常に薄いゲート酸化膜と接触させるためにプローブ先端部を利用する場合は特に重要である。
【００１２】
したがって、先端部と半導体ウエハ上面との間の接触力がより精確に制御できる、先端部を持つプローブを提供することが望ましい。更に他の望ましい特徴は、以下の詳細な説明を読んで理解すれば、当業者には明らかになろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、半導体ウエハの背面を支持する導電性ウエハチャックと、弾性のまたは復元力のある導電性メンブレインに流体接続した内部キャビティを画成するプローブ本体を有するプローブとを含む測定装置である。本装置は、ウエハチャックが半導体ウエハを支持している時に、メンブレインと半導体ウエハ上面とを、離間した関係となるように移動する手段を含む。加圧流体、例えば気体または液体をキャビティへ選択的に供給する手段が設けられ、そこでは、メンブレインが流体圧力の十分な上昇に応答して拡張し、半導体ウエハ上面に接触する。メンブレインおよび半導体ウエハへ試験信号を印加する手段が設けられる。最後に、試験信号に対する半導体ウエハの応答を測定する手段が設けられる。
【００１４】
半導体ウエハに接触するメンブレインの力および／または接触面積は流体圧力に関連付けることができる。メンブレインは流体圧力の低下に応答して、その復元力により収縮して半導体ウエハ上面から離間する。プローブ本体または流体は導電性であってもよく、プローブ本体または流体を介してメンブレインを試験信号印加手段または測定手段に電気接続してもよい。
【００１５】
プローブ本体から離間する導電体によりプローブ本体の少なくとも一部を囲んでもよい。所望電位になるよう、バイアス手段により導電体にバイアスを印加することもできる。導電体をプローブ本体から離間した関係に保つために、導電体とプローブ本体との間に電気絶縁体を配置してもよい。
【００１６】
また、本発明は半導体ウエハの試験方法であり、（ａ）弾性のまたは復元力のある導電性メンブレインに流体接続した内部キャビティを画成するプローブ本体を有するプローブを提供するステップと、（ｂ）メンブレインを半導体ウエハ上面から離間させて位置決めするステップと、（ｃ）メンブレインが拡張して半導体ウエハ上面に接触するのに十分な圧力で流体をキャビティに供給するステップと、（ｄ）メンブレインと半導体ウエハとの間に試験信号を印加するステップと、（ｅ）試験信号に対する半導体ウエハの応答を測定するステップとを含む。
【００１７】
本方法は、キャビティに供給する流体圧力を十分低下させてメンブレインをその弾性により収縮させ、半導体ウエハ上面との接触が断たれるようにするステップも含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を、付帯する図面を参照して説明する。図中、類似する符号は類似する要素に対応する。
【００１９】
図１を参照すると、半導体ウエハ試験装置２は導電性チャック４および測定プローブ６を含む。チャック４は、半導体ウエハ１０の背面８を支持するように構成されている。プローブ６は、封止された内部キャビティ１４を画成するプローブ本体１２を有し、この内部キャビティは、プローブ本体１２の末端に固定された弾性のまたは復元力のある導電性メンブレイン１６に流体接続する。メンブレイン１６および半導体ウエハ１０の上面１８を、離間した関係となるよう移動するために、移動手段２０をチャック４、またはプローブ６、またはその両者に連結することができる。
【００２０】
チャック４とメンブレイン１６との間に電気信号手段２２が電気接続され、以下に説明するように、チャック４上に半導体ウエハが受け入れられて、メンブレイン１６を半導体ウエハ１０の上面１８と接触するよう移動した時に、適切な試験信号を半導体ウエハ１０に印加する。適切な試験信号の一つは、図２に示す種類のＣＶ型電気信号２４であり、重畳されたＡＣ電圧（不図示）を含むＤＣ電圧が、半導体ウエハ１０の閾値電圧（ＶＴ）２８未満である第１電圧（ＶＳＴＡＲＴ）２６から、ＶT２８を超える第２電圧（Ｖｍｅａｓ）３０まで掃引される。ＣＶ型測定法は当該技術で周知である。メンブレイン１６と半導体ウエハ１０との間の接触部の下にある半導体材料の少数キャリア生成を可能にするのに十分に遅い速度でＤＣ電圧を掃引する。ＣＶ型電気信号２４は、Ｐ型シリコンで形成される半導体ウエハ１０向けである。Ｎ型シリコンで形成される半導体ウエハ１０には、ＣＶ型電気信号２４の鏡像を利用することになろう。
【００２１】
装置２は、適切な流体ポンプなどの流体圧力供給手段３４を含み、内部キャビティ１４の内側の、気体または液体のどちらかの流体の圧力を選択的に増減させるために、流体圧力供給手段は、プローブ本体１２の内部キャビティ１４に流体的に結合される。測定手段３６をチャック４とメンブレイン１６との間に接続して、試験信号に対する半導体ウエハ１０の応答を測定し、この測定値から半導体ウエハ１０の特性を決定する。
【００２２】
半導体ウエハ１０は、半導体材料４０を覆う誘電体３８を含んでもよい。したがって、半導体ウエハ１０の上面１８は、半導体材料４０と反対側の誘電体３８の面となる。
【００２３】
メンブレイン１６は、弾性のまたは復元力のある導電性材料の任意の適切な材料から形成できる。適切な材料の一つは、弾性のまたは復元力のある導電性高分子である。
【００２４】
図１を参照した上でさらに図３も参照すると、復元力に抗するのに十分な圧力で流体圧力供給手段３４が内部キャビティ１４へ流体Ｆを供給するのに応じて、メンブレイン１６が拡張し半導体ウエハ１０の上面１８に接触する。半導体ウエハ１０の上面１８が誘電体３８を含む場合、メンブレイン１６と上面１８との間の接触がコンデンサを形成し、ここでメンブレイン１６がコンデンサの第１電極板を画成し、半導体材料４０がコンデンサの第２電極板を画成し、そして誘電体３８が両者の間の電気絶縁体を画成する。半導体ウエハ１０の上面１８が誘電体３８を含まない場合は、メンブレイン１６と上面１８との間の接触はショットキー試験構造を形成する。本発明の説明のために、半導体ウエハ１０には誘電体３８が含まれるものとして説明する。しかし、このことにより本発明を限定するものと解釈されてはならない。
【００２５】
メンブレイン１６が半導体ウエハ１０の上面１８に接触する力は、内部キャビティ１４内の流体の圧力に関係する。同様に、メンブレイン１６と上面１８との間の接触面積は、キャビティ１４内の流体の圧力に関係する。流体圧力供給手段３４は、内部キャビティ１４内の流体Ｆの圧力を測定するための内部電子回路を含んでもよい。この測定圧力を利用して、流体圧力供給手段３４は、半導体ウエハ１０の上面１８と接触するメンブレイン１６の力、および上面１８と接触するメンブレイン１６の接触面積を制御できる。
【００２６】
メンブレイン１６が上面１８と接触した後、適切な時間をおいて、電気信号手段２２がメンブレイン１６とチャック４との間に適切な試験信号を印加する。適切な試験信号には、静電容量−電圧型（ＣＶ）、電流−電圧型（ＩＶ）、コンダクタンス−電圧型（ＧＶ）、または静電容量−時間型（Ｃｔ）の電気信号が含まれる。適切な試験信号がＣＶ型電気信号２４である場合、電気信号手段２２は、重畳ＡＣ電圧を持つＤＣ電圧を第１電圧２６と第２電圧３０との間で掃引する。ＣＶ型電気信号の印加中、測定手段３６は、メンブレイン１６と半導体ウエハ１０とにより形成される、第１電圧２６での最大静電容量(Ｃｍａｘ)４１から、第２電圧３０での最小静電容量（Ｃｍｉｎ）４２までの、コンデンサの静電容量変化を観察する。第２電圧３０で、ＣＶ型電気信号２４のＤＣ成分の印加を終了すると直ぐに、メンブレイン１６と半導体ウエハ１０とにより形成される、Ｃｍｉｎ４２からＣｍａｘ４１までのコンデンサの静電容量の増加を測定手段３６で観察する。この静電容量の増加を図２に矢印４４で示す。
【００２７】
ＣＶ型電気信号２４の形状と、ＣＶ型電気信号２４のＤＣ電圧成分の印加終了後の静電容量の時間変化率とが測定でき、半導体材料４０の欠陥および不純物濃度との相関をとることができる。適切な試験信号であるとしたＣＶ型電気信号２４の説明は、当該技術で知られる任意の適切な試験信号を利用できるので、本発明を制限するものと解釈されてはならない。
【００２８】
試験が終了すると、流体圧力供給手段３４が内部キャビティ１４内の流体Ｆの圧力を低下させ、メンブレイン１６が自らの復元力により収縮して、半導体ウエハ１０の上面１８から離間する。流体圧力供給手段３４がキャビティ１４内の流体圧力を十分に低下させたことに応答して、メンブレイン１６の両面に加わる流体圧力は直ちに同一またはほぼ同一となり、メンブレイン１６が図１に示す緩和位置をとる。
【００２９】
図１に破線図で示すように、測定プローブ６は、プローブ本体１２を少なくとも一部囲んでプローブ本体から離間した関係にある導電体４６を含んでもよい。導電体４６は、プローブ本体１２と導電体４６との間に配置された電気絶縁体４８により、プローブ本体１２と離間した関係を保つことができる。導電体４６は、プローブ本体１２の末端に近接して配置するのが望ましい。しかし、このことにより本発明を限定するものと解釈されてはならない。
【００３０】
導電体４６を電気接地５０に接続してもよい。代替として、導電体４６をバイアス手段５２に接続してもよい。バイアス手段は、導電体４６を適切な電圧にバイアスする電気信号を導電体４６に供給して、導電体４６の直下にある半導体材料４０の領域内の望ましくない電子またはホールの生成を避ける。
【００３１】
導電体４６は、プローブ本体１２を囲むワッシャー形状で示されているが、プローブ本体１２の長さに沿って延在して、その末端近傍で終端を成すスリーブ形状であってもよい。
【００３２】
上記のように、本発明は、弾性のまたは復元力のある導電性メンブレインを有するプローブであり、メンブレインは流体により拡張して、半導体ウエハの試験中に半導体ウエハ上面と接触する。試験が終了すると、流体圧力を低下させ、メンブレインは自らの復元力で直ちに収縮し半導体ウエハから離間する。
【００３３】
本発明を好適な実施の形態を引用して説明した。先に記載の詳細な説明を読んで理解した者は、自明な改変および変更に至るであろう。例えば、プローブ本体１２および／または流体Ｆは導電体であってもよく、メンブレイン１６はプローブ本体１２または流体Ｆを介して、電気信号手段２２および測定手段３６と電気的に接続されてもよい。本発明が、付帯する特許請求の範囲またはそれと均等な範囲内にある限り、かかる改変および変更すべてを含むものとして解釈されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、弾性のまたは復元力のあるメンブレインを末端に取り付けたプローブを有する半導体ウエハ試験装置の概要図である。
【図２】図２は、図１の半導体ウエハとの接触でメンブレインが形成するコンデンサに関する静電容量対電圧のグラフである。
【図３】図３は、半導体ウエハ上面に接触する弾性のまたは復元力のあるメンブレインを有する、図１に示す半導体ウエハ試験装置の概要図である。
【符号の説明】
【００３５】
２  半導体ウエハ試験装置
４  導電性チャック
６  測定プローブ
１０  半導体ウエハ
１２  プローブ本体
１４  内部キャビティ
１６  導電性メンブレイン
２０  移動手段
２２  電気信号手段
３４  流体圧力供給手段
３６  測定手段
３８  誘電体
４０  半導体材料
４６  導電体
４８  電気絶縁体
５０  電気接地
５２  バイアス手段
Ｆ  流体
【図１】
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【図２】
2005045216.tif 000004
【図３】
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【外国語明細書】
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【図１】
2005045216.tif 000018
【図２】
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【図３】
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