(57)【要約】製造工程中における半導体ウェーハのリアルタイム・インラインテストのための装置および方法。１つの実施例において、この装置は、半導体ウェーハ処理ライン中にプローブ組立体を含む。各ウェーハがプローブ組立体近くを通過すると、プローブ組立体内にある所定の変調波長および周波数の変調光源がウェーハ上に照射する。プローブ組立体内のセンサが、変調光により誘起された表面光起電力を測定する。その後、コンピュータがこの誘起された表面光起電力を用いて、ウェーハのさまざまな電気特性を求める。
2006521701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体工程中における半導体ウェーハの電気特性決定のための方法であって、前記方法が：
前記ウェーハに対してイオン注入を行うステップと；
前記ウェーハのアニーリングを行うステップと；
半導体工程中に、前記ウェーハの表面がヘッド組立体の表面光起電力電極に対して実質的に平行になるよう前記ウェーハを搬送するステップと；
前記ウェーハの少なくとも一部を、ある波長をもちある周波数で変調された光に対して露出させるステップと；
前記表面光起電力を用いて、前記光に応じて前記ウェーハの表面で誘起される光起電力を検出するステップと；
前記ウェーハの表面で誘起された前記光起電力から前記ウェーハの電気特性を計算するステップと
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、さらに、前記ウェーハに対してフッ化水素洗浄を行うステップを含む方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、さらに、前記ウェーハの表面に反転層を誘起させるステップを含む方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記ウェーハの表面に反転層を形成するステップが前記ウェーハに対してコロナ放電を行うことで完遂されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項３に記載の方法であって、前記ウェーハの表面に反転層を形成するステップが前記ウェーハに対して化学処理を行うことで完遂されることを特徴とする方法。
【請求項６】
半導体工程中におけるイオン打込みされた半導体ウェーハの電気特性決定のための方法であって、前記方法が：
前記ウェーハのアニーリングを行うステップと；
半導体工程中に、前記ウェーハの表面がヘッド組立体の表面光起電力電極に対して実質的に平行になるよう前記ウェーハを搬送するステップと；
前記ウェーハの少なくとも一部を、ある波長をもちある周波数で変調された光に対して露出させるステップと；
前記表面光起電力を用いて、前記光に応じて前記ウェーハの表面で誘起される光起電力を検出するステップと；
前記ウェーハの表面で誘起された前記光起電力から前記ウェーハの電気特性を計算するステップと
を含む方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、さらに、前記ウェーハに対してフッ化水素洗浄を行うステップを含む方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、さらに、前記ウェーハの表面に反転層を誘起させるステップを含む方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記ウェーハの表面に反転層を形成するステップが前記ウェーハに対してコロナ放電を行うことで完遂されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であって、前記ウェーハの表面に反転層を形成するステップが前記ウェーハに対して化学処理を行うことで完遂されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項６に記載の方法であって、電気特性を計算するステップが前記ウェーハのドーピング濃度を計算するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
半導体工程中におけるイオン打込みされた半導体ウェーハの損傷を測定する方法であって、前記方法が：
半導体工程中に、前記ウェーハの表面がヘッド組立体の表面光起電力電極に対して実質的に平行になるよう前記ウェーハを搬送するステップと；
前記ウェーハの少なくとも一部を、ある波長をもちある周波数で変調された光に対して露出させるステップと；
前記表面光起電力を用いて、前記光に応じて前記ウェーハの表面で誘起される光起電力を検出するステップと；
前記ウェーハの表面で誘起された前記光起電力から前記ウェーハの電気特性を計算するステップと
を含む方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、前記ウェーハに対してフッ化水素洗浄を行うステップを含む方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、前記ウェーハに対してコロナ放電を行うステップを含む方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法であって、前記ウェーハの電気特性を計算するステップが基準に対する電気特性を比較するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
半導体工程中における半導体ウェーハの電気特性決定のための装置であって、前記装置が：
前記ウェーハにイオン注入を行うためのイオン打ち込み装置と；
前記ウェーハのアニーリングを行うためのアニーリング装置と；
表面光起電力電極を含むヘッド組立体と；
前記半導体工程中に、前記ウェーハの表面が前記ヘッド組立体の前記表面光起電力電極に対して実質的に平行になるよう前記ウェーハを搬送するコンベアと；
ある波長をもちある周波数で変調された光を発生させる光源と；
前記表面光起電力を用いて、前記光に応じて前記ウェーハの表面で誘起される光起電力を検出するための検出器と；
前記ウェーハの表面で誘起された前記光起電力から前記ウェーハの電気特性を計算するための前記検出器との電気通信における処理装置と
を備える装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置であって、さらに、前記ウェーハに対してフッ化水素洗浄を行うための洗浄機を備える装置。
【請求項１８】
請求項１６に記載の装置であって、さらに反転層インデューサを備える装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置であって、前記反転層インデューサがコロナ放電装置を備えることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１８に記載の装置であって、前記反転層インデューサが化学処理アプライアを備えることを特徴とする装置。
【請求項２１】
半導体工程中におけるイオン注入された半導体ウェーハの電気特性決定のための装置であって、前記装置が：
前記ウェーハのアニーリングを行うためのアニーリング装置と；
表面光起電力電極を含むヘッド組立体と；
前記半導体工程中に、前記ウェーハの表面が前記ヘッド組立体の前記表面光起電力電極に対して実質的に平行になるよう前記ウェーハを搬送するためのコンベアと；
ある波長をもちある周波数で変調された光を発生させる光源と；
前記表面光起電力を用いて、前記光に応じて前記ウェーハの表面で誘起される光起電力を検出するための検出器と；
前記ウェーハの表面で誘起された前記光起電力から前記ウェーハの電気特性を計算するための前記検出器との電気通信における処理装置と
を備える装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の装置であって、さらに、前記ウェーハに対してフッ化水素洗浄を行うための洗浄機を備える装置。
【請求項２３】
請求項２１に記載の装置であって、さらに反転層インデューサを備える装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の装置であって、前記反転層インデューサがコロナ放電装置を備えることを特徴とする装置。
【請求項２５】
請求項２３に記載の装置であって、前記反転層インデューサが化学処理アプライアを備えることを特徴とする装置。
【請求項２６】
請求項２１に記載の装置であって、電気特性が前記ウェーハのドーピング濃度を含むことを特徴とする装置。
【請求項２７】
半導体工程中におけるイオン注入された半導体ウェーハの損傷を測定するための装置であって、前記装置が：
表面光起電力電極を含むヘッド組立体と；
前記半導体工程中に、前記ウェーハの表面が前記ヘッド組立体の前記表面光起電力電極に対して実質的に平行になるよう前記ウェーハを搬送するコンベアと；
ある波長をもちある周波数で変調された光を発生させる光源と；
前記表面光起電力を用いて、前記光に応じて前記ウェーハの表面で誘起される光起電力を検出するための検出器と；
前記ウェーハの表面で誘起された前記光起電力から前記ウェーハの電気特性を計算するための前記検出器との電気通信における処理装置と
を備える装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の装置であって、さらに、前記ウェーハに対してフッ化水素洗浄を行うための洗浄機を備える装置。
【請求項２９】
請求項２７に記載の装置であって、さらにコロナ放電装置を備える装置。
【請求項３０】
請求項２７に記載の装置であって、処理装置が、前記ウェーハの電気特性を、少なくとも基準に対する電気特性を比較することにより計算することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、製造中に半導体ウェーハのテストを行うこと、特に、集積回路加工中に半導体ウェーハのリアルタイム・インラインテストを行うことに関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
複雑な集積回路（ＩＣ）の製造過程において、厳しくフォローされたシーケンスで、数多くの個別操作、あるいは処理ステップがシリコンウェーハに対して実施される。必要な電気特性をもつ集積回路を全加工工程で確実に生成するため、このような操作のおのおのは精緻に制御されなければならない。
【０００３】
多くの場合、個々の操作における不具合は、ＩＣ加工の非常に高価な全工程が完了してから初めて検出される。改良型ＩＣ加工工程の費用が非常に高いことから、このような欠陥があると集積回路製造業者にとって深刻な経済損失になる。したがって、製造工程における誤りの検出を発生直後に行うことにより、誤動作を行いそうな装置の製造を不必要に継続することがなくなり、これにより、そのような誤りで発生する経済損失を実質的に減少させることが可能になる。
【０００４】
半導体装置製造における工程監視は、半導体装置が加工されるシリコンウェーハの、ある物理的および／または化学的特性の変化を調べることによる。このような変化は、シリコンウェーハの通るさまざまな処理ステップに応じて発生し、ウェーハの電気特性の変化の影響を反映する。したがって、ＩＣ加工工程中にシリコンウェーハの選択された電気特性を監視することで、製造工程に対する効果的な制御が達成できる。
【０００５】
部分的に処理されたウェーハに対して行う測定結果に基づいて、完成した集積回路の電気特性の全てが予測できるわけではない。しかし、特性の大部分は、ＩＣ製造工程中にシリコンウェーハ（基板）の表面状態の調査に基づいて、直接的あるいは間接的に予測できる。シリコン表面の状態は、ＩＣ製造中に適用される個々の処理ステップの結果に対して非常に感知しやすいため、基板表面の電気特性の測定は、個々の処理ステップの結果の監視が完遂される効果的なツールになりうる。
【０００６】
ウェーハ表面の電気特性の判定では、典型的に、ウェーハ表面に対して物理的に接触する、あるいは固定したウェーハ上に、接触しないプローブを置くことが必要である。後者の場合、光信号あるいは高電場を用いて、半導体の表面あるいは表面近くの電子平衡分布をかく乱させる。典型的には、平衡逸脱の度合いは、表面領域、近表面領域、半導体本体の１つ以上の電気特性の変動によって促進される。ウェーハの全表面のさらに完全な様子を得るため、表面のさまざまな点で複数の測定を行うことができる。このような手順は「マッピング」として知られるが、ここでは試料表面にわたって測定材料に対して測定プローブを移動させ（あるいはその逆）、多くの位置で停止し、次の位置に移動する前に各位置で測定を行う。この手順において、基板が連続的な動きの中におかれ続けるわけではないため、この方法のリアルタイム・インライン工程監視への適用可能性は限られる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、注入された状態（アニーリング前）の、さらに注入／アニーリングされた状態（アニーリング後）の半導体ウェーハ処理のリアルタイム・インライン監視のための装置および方法に関する。１つの実施例において、ウェーハにイオンを注入し、ウェーハをプローブ組立体に搬送する前にこのウェーハにアニーリングを行い、ウェーハの少なくとも一部に光を露出させる。プローブ組立体内のセンサが、変調光により誘起された表面光起電力を測定する。センサからの信号がコンピュータに送られ、このコンピュータが、次に、何よりも、誘起された表面光起電力を用いて、表面電荷、キャリア寿命、自由キャリア濃度といったウェーハのさまざまな電気特性を求める。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
１つの実施例において、さまざまな電気特性決定を行うための装置では、米国特許番号４，５４４，８８７で開示された表面光起電力（ＳＰＶ）と呼ばれる半導体物質表面で光誘起された電圧を測定するための方法を用いる。この方法では、光線が半導体物質の試料表面領域に対して向けられ、表面の電位における光誘起の変化量が測定される。照射光線の波長は、テスト中の半導体物質のエネルギーギャップに対応する光の波長よりも短くなるよう選択される。誘起されて得られる光起電力の交流成分は光の強度に直接比例し、変調周波数に逆比例するよう、光の強度と変調周波数の両方が選択され、光線の強度が変調される。
【０００９】
こういった条件の下で測定された場合、δＶｓと標識される表面光起電力（ＳＰＶ）の交流成分は、半導体の空間電荷キャパシタンスＣｓｃの逆数に比例する。試料の表面が均一に照射される場合、表面光起電力（ＳＰＶ）と空間電荷キャパシタンスとの間の関係式は、光変調の周波数が十分高ければ次の式で与えられる：
【００１０】
【化１】
2006521701.tif 000003
ここで、Φは入射光子束であり、Ｒは半導体試料の反射係数であり、ｆは光の変調周波数であり、ｑは電気素量である。定数Ｋは光強度の方形波変調では４に等しく、正弦波変調では２πに等しい。
【００１１】
上で引用された特許では、均一な構成だけが考えられており、センサエリアは半導体ウェーハと少なくとも同一の大きさであり、試料の全エリアが均一に照射される。半導体試料表面の一部だけがセンサに結合されている場合、すなわちセンサがウェーハよりも小さい場合、さらに当該エリアで均一に照射される半導体表面がセンサと結合されている場合、表面光起電力δＶｓは測定信号δＶｍから次の式に従って決まる：
【００１２】
【化２】
2006521701.tif 000004
ここで、Ｒｅ（δＶｓ）およびＩｍ（δＶｓ）は電圧の実数成分と虚数成分であり、ωは光変調の角周波数であり、Ｃｐはセンサとウェーハ間のキャパシタンスであり、ＣＬとＲＬはそれぞれ電子検出システムの入力キャパシタンスと抵抗である。
【００１３】
虚数成分の符号から、導電率形式が決定される。測定がｐ型物質に対して較正される場合、この材料がｎ型であれば虚数成分の符号が変化する。
【００１４】
上述の関係式を用いて、空乏層幅Ｗｄは次の式で与えられる：
【００１５】
【化３】
2006521701.tif 000005
ここで、Φ（１−Ｒ）は半導体で吸収される光の強度であり、ｑは電気素量であり、εｓは半導体誘電率である。
【００１６】
空間電荷キャパシタンスＣｓｃに加えて、以下の関係式を用いて、表面電荷密度Ｑｓｓ、ドーピング濃度Ｎｓｃ、表面再結合寿命τを求めるために表面光起電力の測定を用いることが可能である。空間電荷キャパシタンスＣｓｃは、以下の関係式により、半導体空乏層幅Ｗｄの逆数に比例する：
【００１７】
【化４】
2006521701.tif 000006
ここで、εｓは半導体誘電率である。空間電荷密度Ｑｓｃについては次の式で記述される：
Ｑｓｃ＝ｑＮｓｃＷｄ
ここで、ｑは電気素量であり、空間電荷領域Ｎｓｃにおける正味ドーピング濃度はｎ型材料では正であり、ｎ型材料では負である。さらに、表面電荷密度Ｑｓｃは次の式で与えられることから：
Ｑｓｃ＝−Ｑｓｓ
表面電荷密度は空間電荷密度から容易に求めることができる。
【００１８】
さらに、反転層がウェーハ表面に生成されると、反転条件下での空乏層幅Ｗｄは、次の関係式により正味ドーピング濃度Ｎｓｃと関連付けられる：
【００１９】
【化５】
2006521701.tif 000007
ここで、ｋＴは熱エネルギーであり、ｎｉは半導体の自由キャリアの固有濃度である。半導体表面でこういった反転層を形成する複数の方法が以下のとおり開示されている。
【００２０】
さらに、表面再結合率もＳＰＶから決定できる。表面における少数キャリアの再結合寿命τは次の式で与えられる：
【００２１】
【化６】
2006521701.tif 000008
最後に、イオン注入されたシリコンウェーハの場合、特に、注入された状態において、キャリア寿命は注入損傷に対して逆比例することがわかる。非常に低線量の注入の場合、自由キャリア濃度が減少する。高線量注入の適用例では結晶損傷が増加することから、自由キャリア濃度よりも光キャリア寿命のほうが優勢な光起電力信号が与えられる。場合によっては、キャリア寿命が、測定されたＳＰＶ信号における優勢因子である。ウェーハがアニーリングされた後、置換サイト注入されたドーパントが正味キャリア濃度Ｎｓｃに寄与するが、これはＳＰＶから導かれる。注入された状態のｐ型またはｎ型ウェーハに対して、荷電欠陥密度は注入線量／エネルギーの指標である。注入／アニーリングされたシリコンウェーハに対して、測定量によりドーピング濃度が得られるが、これは注入線量／エネルギーに対して直接関連付けられる。
【００２２】
概略を見て、さらに図１を参照すると、誘起された表面光起電力を用いて製造中の半導体のリアルタイム・インライン電気特性決定を行うためのこのような装置１０の１つの実施例は、エレクトロニクスをサポートするセンサヘッド組立体１４とウェーハ搬送装置２２とを含む。操作において、コンベアベルと、ロボットアーム、ウェーハチャックといったウェーハ搬送装置２２、あるいは同様の装置がウェーハ２８，２８’を、製造工程を通して、１つの実施例ではセンサヘッド組立体１４下を移動させる。
【００２３】
図２を参照すると、センサヘッド組立体１４は、電動式ステージ４０のブラケット３６に設けられたプローブヘッド３２を含む。電動式ステージ４０は、ウェーハ２８に対してプローブヘッド３２の垂直位置を０．２μｍ以内の精度で調整するため、プローブヘッド３２を垂直方向（矢印ｚ）に移動させる。機械ステージ４０はプローブアーム４４に設置される。
【００２４】
プローブヘッド３２の縦方向軸Ｌ−Ｌ’は、手動（押しねじ４６を用いて）あるいは機械的（例えば、圧電アクチュエータ４８を用いて）のいずれかでプローブアーム４４の傾きを調節することでウェーハ２８の面に対して垂直になるよう調節される。ウェーハ２８に対するプローブヘッド３２の垂直位置は、以下で詳細を示す容量性位置感知電極からのフィードバック信号で制御される。
【００２５】
簡単にいうと、３つの容量性位置感知電極がセンサの周囲に位置する。これらの電極のおのおのとウェーハ間のキャパシタンスを測定するため、７０ｋＨｚ、１Ｖの信号が、これらの電極のおのおのに接続された各１０キロオームの抵抗体を通して印加される。これらの抵抗体を通過して流れる交流電流は、前段増幅器およびロックイン増幅器を用いて測定される。ロックイン信号はさらにコンピュータで処理され、動き制御ボードに供給され、この動き制御ボードが、垂直（ｚ軸）電動式ステージを用いてウェーハ表面から所定距離にプローブを位置づける。
【００２６】
図３を参照すると、プローブヘッド３２は、複数の柔軟コネクタ６０により前段増幅器ボード５８に接続されたセンサ５４に対する支持を行うセンサマウント組立体５０を含む。発光ダイオード（ＬＥＤ）６４で発せられる光はビームスプリッタ７２を通過する前にレンズ６８で平行にされる。
【００２７】
ＬＥＤ６４は、コンピュータ１６０で決められる強度レベルで（前段増幅器７９を通して）定電圧光ダイオード７８からの信号に応じてＬＥＤ６４の強度を制御するＬＥＤドライバボード７４上に設けられる。ＬＥＤ６４からの光は、ビームスプリッタ７２で部分的に反射されることで定電圧光ダイオード７８に到達する。ビームスプリッタ７２を通過する光は、センサマウント組立体５０を通過して試験中のウェーハ２８に入射する前に、回路ボード８６および前段増幅器ボード５８それぞれの開口部８０，８２を通過する。
【００２８】
ウェーハ２８で反射される光は、ビームスプリッタ７２により測定光ダイオード９２まで反射される前に、すぐ上で説明した光経路に沿って戻る。ウェーハ２８で反射される光ΦＲは、プローブヘッド３２下を通過するウェーハの縁部の検出およびトリガ測定で用いられる。反射された光はまた、以下の関係式によりウェーハ２８で吸収された光を測定するために用いられる：
Φ＝Φ０−ΦｈｄＲ
ここで、Φ０は入射光であり、この入射光は、ウェーハ２８と置き換えたアルミ製鏡から反射される光を測定することで決定できる。このようにしてウェーハ２８の反射係数が決定できる。上に示す実施例ではビームスプリッタにより光の分解を行うという説明を行ったが、光ファイバを用いて光が分解されるという他の実施例も可能である。
【００２９】
再び図１を参照すると、ＬＥＤ６４は、支持エレクトロニクス１８からの信号で制御され、プローブヘッド３２が信号を支持エレクトロニクス１８に戻す。支持エレクトロニクス１８は、ＬＥＤ６４への動力供給を行うＬＥＤドライバ６３を制御するＬＥＤ制御６２により基準信号として用いられる４０ｋＨｚの変調制御信号１０４を供給するオシレータ１００を含む。オシレータ１００はまた、ロックイン増幅器１１２に対して基準信号１０８をもたらす。表面光起電力センサおよびプローブヘッド３２の（前段増幅器９３経由の）測定光ダイオード９２からの出力信号１１６は、各信号をロックイン増幅器１１２の入力に対して交互に接続するマルチプレクサ１２０に対する入力信号である。ロックイン増幅器１１２は入力信号を復調し、復調された信号を他のマルチプレクサ１５０に供給する。マルチプレクサ１５０は、コンピュータ１６０での処理においてさらに利用可能にするため、入力信号をデジタル化するデータ取得（ＤＡＱ）ボード１５６に接続するロックイン増幅器１１２および１４０からの２つの入力信号間で切り替えを行う。他の実施例において、マルチプレクサ１５０はデータ取得ボード１５６の一部である。
【００３０】
図４は、センサヘッド３２のセンサ板を示す下面斜視図である。複数の電極が、堅固な絶縁基板２００上に形成されている。１つの実施例において、１０ｍｍ直径の石英ガラスディスクが用いられる。中心表面光起電力電極２０４がウェーハ２８からの信号を検出する。中心表面光起電力電極２０４は部分的に透過であるため、ＬＥＤまたはレーザ６４からの光がウェーハ２８に到達することが可能になる。基板の周囲に配置された３つの他の電極２０８は、ウェーハ２８上のセンサヘッド３２の位置の検知と、ウェーハ２８の表面に対するセンサの平行度の測定との両方のために用いられる。全電極２０４，２０８は、シャドウマスクを通したインジウム錫酸化物の析出で形成される。
【００３１】
同様に、柔軟コネクタ６０を通してセンサを前段増幅器回路ボード５８に接続するための複数の電極２１２は、電極２０４，２０８の反対側の基板２００表面に形成される。第１面の電極２０４，２０８を第２面の角電極２１２と接続する、基板２００の側壁上にある薄導電性電極２１８もまた、シャドウマスクを用いて析出される。こういった析出を行うことで、基板を通したバイアの利用を避けることができ、センサの平面度を０．２μｍ以内に抑えることができる。前電極２０４，２０８および側電極２１８の両方は、センサの平面度を維持するようスピニングにより形成されるポリイミド等の薄絶縁コーティングで防護される。
【００３２】
電極２０８を用いて、ウェーハ２８上のセンサの位置を容量的に感知する。再び図１を参照すると、ウェーハ２８からの距離を測定するための７０ｋＨｚの入力信号１２４がオシレータ１２８により位置電極２０８に供給される。同じ信号が、ロックイン増幅器１４０用の基準信号１３２としても供給される。３つの位置感知電極２０８のおのおのからの位置信号１４６は、前段増幅器１４９を通してマルチプレクサ１４８に入力信号として供給される。マルチプレクサ１４８はこれらの信号のおのおのの間で切り替えを行うが、それぞれの信号をロックイン増幅器１４０に交互に接続する。ロックイン増幅器１１２および１４０からの変調出力信号はマルチプレクサ１５０の入力信号であり、これが、各信号を、ＣＰＵ１６４を含むコンピュータ１６０内にあるデータ取得ボード１５６に交互に接続する。他の実施例においてもマルチプレクサ１５０はデータ取得ボード１５６の一部である。
【００３３】
位置信号１４６はＣＰＵ１６４により、センサ５４とウェーハ２８との間の（較正により決められ、コンピュータ内に保存される）必要な距離に対応する基準値と比較される。これら２つの値の差は、必要な値からのセンサ／ウェーハの距離のずれに対応するものであり、電動式ステージ４０を用いてウェーハ２８から所定距離にプローブヘッド３２を位置づける動き制御ボード１７０に供給される。
【００３４】
動作中、連続的に動くウェーハ２８の縁部が、ＬＥＤまたはレーザ６４からの強度変調された光線と交差すると、反射される光の強度が大きくなるため、光ダイオード９２からの信号が増加する。こうのような反射光の測定が繰り返され、新たな値が前の値と比較される。光強度測定は、連続する値の差が５％未満になり全ての光線がウェーハの平面部内に入ることを示すようになるまで繰り返される。
【００３５】
偏差の減少により、表面光起電力電極２０４によるＳＰＶ信号の取得が始まり、その後、位置電極２０８によるキャパシタンス信号の取得が行われる。異なる電極２０８からのキャパシタンス信号が５％未満の差しかなければ、ＳＰＶ信号が保存されるが、再計算はされない。異なる位置電極２０８からのキャパシタンスが５％以内になり、電極がウェーハ２８の縁部近くにないということが示されるまで、この一連の全測定が繰り返される。この点における３つの位置決め電極２０８からのキャパシタンスの平均を用いて、ＳＰＶ信号の全ての元の値が再計算される。
【００３６】
光強度、ＳＰＶ信号、位置電極のキャパシタンスを順次測定するＳＰＶ測定サイクルは、３つの位置決め電極２０８からのキャパシタンスの差が５％未満になり、ウェーハ２８の反対側の縁部の近接を示すまで繰り返される。ウェーハ２８がこの点まで到達した後、キャパシタンスの元の測定値を用いてＳＰＶ測定が行われる。各サイクルにおける各値（反射光、ＳＰＶ信号、キャパシタンス）の測定は１０ミリ秒繰り返され、ＣＰＵ１６４で平均される。
【００３７】
１つの実施例において、ウェーハ２８は、プローブヘッド３２のセンサ表面とウェーハ表面とが平行になるようウェーハ２８を下、上、その他で搬送するために用いられる絶縁材料でコーティングされ接地されたチャック（コンベアベルト、ロボットアーム、あるいはその他の同様の装置）上に置かれる。その他の場合、搬送装置は直流電圧でバイアスがかけられる。１つの実施例において、直流バイアス電圧は、−１０００から１０００ボルトの間になるよう選択される。図１では、プローブ組立体１４下でウェーハ２３を移動させるため、接地され絶縁されたチャック２２の利用が図示されているが、センサ５４で与えられる電極だけを用いて、チャックの接地なしに全ての必要な測定を行うことも可能である。図５を参照すると、前述の通り、ＳＰＶ信号は、前段回路ボード５８上に設けられた演算増幅器２５０の入力端子に接続された中心表面光起電力電極２０４により受信される。演算増幅器２５０の他の入力端子は接地され、１つ以上の抵抗体を通して演算増幅器２５０の出力端子にも接続される。チャックで供給された前述の後部容量接触は、ここではセンサの周囲に設けられた３つの位置決め電極２０８で供給され、ＳＰＶ測定中、これは、前段増幅器回路ボード５８上に設けられた容量（電流測定）前段増幅器の入力端子に接続されるよりもむしろ接地される。
【００３８】
キャパシタンスを測定するため、電極２０８は、アース２５２と、前段増幅器回路ボード５８上に設けられた容量前段増幅器の入力との間で交互に切り替えされる。こういった配置により、任意の形式のウェーハ支持を用いた非接触測定が可能になる。これにより、ウェーハ支持はアースと接続する必要がなくなり、絶縁材料で形成できる。
【００３９】
上述の通り、表面ドーピング濃度の測定ではウェーハ表面に反転層を形成する必要がある。１つの実施例において、コロナ放電発生器を用いてウェーハ２８を荷電させ、引き続いてウェーハ２８に対して表面光起電力測定を行うことでこれが達成される。特に、ウェーハ２８はコロナ放電発生器を用いれば反転に対して高速荷電される。ｎ型ウェーハでは負の表面電荷が必要であり、ｐ型ウェーハでは正の表面電荷が必要である。１つの実施例において、コロナ放電発生器は、ウェーハ２８の５ｍｍ上に設けられ、２から３秒間にわたって３．５ｋＶまでバイアスのかけられた、例えばタングステンといった１つの金属製の先端を含む。荷電後、ウェーハ２８がプローブ組立体１４下で移動され測定が行われる。測定後、ウェーハ２８は、ウェーハの放電を行うため、中性電荷コロナ放電発生器下で移動される、あるいは中性放電モードで動作される元のコロナ放電発生器に戻される。
【００４０】
金属製先端あるいはワイヤをもつ１つのコロナ放電発生器は、ウェーハ表面の制御された荷電に対しては許可されない。荷電の制御は重要であるが、その理由は、ウェーハ２８表面に反転層を誘起する上で必要な最小電荷があるものの、過荷電によりウェーハ表面が損傷する恐れがあり、ウェーハ表面に形成された絶縁コーティングの絶縁破壊が発生することがあるためである。ウェーハ２８の過荷電を防ぐため、図６ａおよび６ｂで開示された閉ループ制御コロナ荷電配置により、ウェーハの表面にもたらされる電荷を制御し、これにより表面損傷を防ぐ。
【００４１】
図６ａを参照すると、接地され絶縁されたチャック２２上のウェーハ２８は、ウェーハ２８の約１４ｍｍ上に設けられたイオン化空気源下で移動される。メッシュ状ステンレス鋼の基準電極２６４は、ウェーハ２８の約０．５ｍｍから１ｍｍの距離に設けられる。基準電極２６４の電位Ｖｅｌと、差電位Ｖｄｉｆｆと呼ばれるユーザが定義してコンピュータが生成する基準電圧Ｖｒｅｆとの差が増幅され、コロナ放電制御モジュール２７０内で極性が反転される。この電圧Ｖｃｏｒｒはイオン化空気源２６０に印加される。これにより、コロナ放電制御モジュール２７０によりイオン化空気源に印加される電位の極性は、差電位の極性と反対で、次の式で与えられる：
Ｖｃｏｒｒ＝Ｖｒｅｆ−Ｖｅｌ
荷電工程中のコロナ荷電の制御により、リアルタイム制御だけでなく、電子回路の利用も簡単にできるようになる。イオン化空気源２６０、基準電極２６４、ウェーハ２３１間にイオンがあることで回路の等価インピーダンスが低下し、１０９から１０１０オームの入力インピーダンスをもつ増幅器を（制御モジュール２７０内で）使うことが可能になる。この入力インピーダンスは、ウェーハ表面の電位が荷電中に測定されるのではなくコロナ放電の停止後に測定される場合に、これまでの方法で用いられる増幅器（典型的には、１０１３から１０１５オーム）よりも数桁小さくなる。
【００４２】
図６ｂを参照すると、ウェーハ２８は、基準電圧２６８をゼロに設定する、すなわち接地することにより放電される。その他、別個のコロナ放電ユニットがウェーハの荷電と放電で用いられる場合、放電コロナ基準電圧を恒久的にアースと接触させることが可能になる。
【００４３】
図７を参照すると、表面反転層を誘起する他の方法は、高電圧を用いてセンサにバイアスをかけるというものである。この方法では、センサの中心電極２０４および位置決め電極２０８上にポリイミドといった絶縁薄膜２３０を形成する必要がある。図８は、電圧バイアスをかけることによりウェーハ２８表面に反転層を誘起する代替法を示している。図８は、交流表面光起電力を測定するための前段増幅器と、すぐ上で説明したポリイミドコーティング２３０をもつセンサとともに用いられるバイアス高電圧源への接続とを含む電子回路の概略図を示す。センサ５４の絶縁コーティング２３４により、製造中に用いられる典型的なウェーハの表面反転層を誘起する上で十分な高電圧（５００から１０００Ｖ）の印加が可能になる。堅固なセンサ電極２０４が半導体表面から空隙により分離される配置では、電極表面において高度な平面度が必要である。このような高電圧直流が用いられる場合、エッジあるいは表面粗さがあることで局部的な電場が大きくなり、空気の電離が促進される結果、絶縁破壊が起こる。したがって、電極と検出エレクトロニクス間の電気接続は、表面平面度に与える影響が最小限になるよう構成される。これにより、側接続２１８の利用で、センサのバイア穴を形成する必要度が小さくなり、センサの高平面度が維持される。ＬＥＤ６４によるウェーハ２８の照射により生成されるウェーハ２８の（ファントムで示されている）空間電荷領域の電流は等価電流源Ｊｈとして示される。ウェーハ２８表面におけるキャリア再結合を示す等価抵抗体Ｒｎと、空間電荷キャパシタンスを示す等価キャパシタＣｓｃが同様に示されている。ＣＧは、ウェーハ２８とチャック２２間のキャパシタンスを示し、Ｃｐはセンサ電極２０４とウェーハ２８との間のキャパシタンスを示す。コンピュータ制御可能な高電圧３００が１０メガオームの抵抗体ＲＨＶを通してセンサ電極２０４に印加される。センサ電極２０４はまた、高電圧キャパシタＣＨＶを通して（前述の）演算増幅器２５０の入力に接続される。（同様にファントムで示された）キャパシタンスＣＯＡは演算増幅器２５０の入力キャパシタンスを示す。ＣＨＶは、ＩＭ（δＶｓ）とＲｅ（δＶｓ）の計算で用いられるＣＬがＣＯＡに近くなるようＣＯＡよりも約１０倍大きくなるように選択される。同様に、ＩＭ（δＶｓ）とＲｅ（δＶｓ）の計算で用いられるＲＬはＲＨＶに近い。
【００４４】
反転層を形成するためのすぐ上で説明した方法に加えて、ウェーハ２８表面における反転層は化学処理を用いることで形成することも可能である。この方法は特に、ｐ型シリコンウェーハに対して便利である。フッ化水素により正の表面電荷が導びかれることから、フッ化水素処理によりｐ型シリコンウェーハの表面に負の反転層が生じる。１つの実施例において、テストされるシリコンウェーハが、液体あるいは蒸気形態のフッ化水素酸と水との混合物（１：１００ＨＦ：Ｈ２Ｏ）に内に置かれる。その後、プローブ組立体１４下にウェーハが置かれる。多数の工程において、フッ化水素処理はすでに製造シーケンスの一部になっていることから、プローブ組立体１４をフッ化水素処理位置の後に置くだけでよい。
【００４５】
反転層の形成が導電度タイプの測定で便利であるということに注意すべきである。
【００４６】
場合により、水素または銅の存在により、入ってくるウェーハがアクセプタ中性化を示すことから、表面におけるドーピング濃度を回復するため、測定されたウェーハは、ＳＰＶ測定実施後に高強度照射（例えば、２５０Ｗのハロゲン光源を用いて）を受ける。
【００４７】
他の実施例において、図１０のフロー図で示されるとおり、注入された状態の（アニーリング前の）シリコンウェーハパラメータおよび注入されアニーリングされた（アニーリング後の）シリコンウェーハパラメータの電気特性を測定するために用いられる。ＳＰＶは注入された状態での結晶格子損傷の指標になるとともに、アニーリングされた注入状態における自由キャリア濃度の指標になる。０．５から３．０の範囲でＳＰＶ信号における相対パーセント変化量と注入線量エネルギーにおける相対パーセント変化量との比率として決定される注入線量感度は、高密度測定マップとともにイオン注入均一性の改良型解析法をもたらす。
【００４８】
１つの表示的実施例において、シリコンウェーハは、イオン注入されたもの、あるいは監視工程４００の一部としてイオンが注入されたもののいずれかとして示されている。イオン注入は、基板に対して、ホウ素（Ｂ）、燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、アルゴン（Ａｒ）、インジウム（Ｉｎ）、ニフッ化ホウ素（ＢＦ２）といった任意の一般的な化学種を用いてドーパント４０２をドーピングすることで行われる。ドーピングは、例えば１０ｋｅＶ未満といった超低エネルギーイオンを用いて実施される。イオン注入後、ウェーハは典型的には、イオン注入線量／エネルギー範囲をもつ。例として、低線量は０．１Ｅ１１から５Ｅ１２イオン／ｃｍ２の範囲であり；光線量は５Ｅ１２から２Ｅ１５イオン／ｃｍ２の範囲であり；低エネルギーは０．１ｋｅＶから２０ｋｅＶであり；高エネルギーは２０ｋｅＶから１０Ｍｅｖの範囲である。ウェーハはその後、自由キャリア濃度を測定するため、注入された状態でアニーリング前）として監視される、あるいはウェーハが監視工程実施前にアニーリングされる。
【００４９】
１つの表示的実施例において、注入された状態のウェーハを測定する場合、ウェーハに対して任意のイオン注入４０２を行った後、酸化物を除去するため、ウェーハに対して任意のフッ化水素洗浄４１４，４１６を行う。例えば、低エネルギー／低線量の場合に任意のフッ化水素洗浄が行われる。その他の場合、ウェーハが低エネルギー／低線量あるいは高エネルギー／低線量として特性決定される場合、イオン注入前に酸化物がウェーハに用いられるような場合にフッ化水素洗浄が適用される。上述の表示的実施例で示されるとおり、その後、ウェーハがプローブ組立体１４下で移動されて測定が実施４２２される前にコロナ放電が任意で適用される４１８，４２０。表示的実施例によれば、ウェーハが低線量／低エネルギーとして特性決定されるような場合にコロナ放電が用いられる。コロナ放電を用いることにより、表面再結合時間の計算が可能になる一方、基板に対してコロナ放電がなされなければ、少数寿命と多数寿命とが計算される。任意のコロナ放電の使用後、ウェーハはプローブ組立体１４下を移動され、結晶格子４２２等への損傷を評価するための測定が行われる。注入された状態のウェーハの電気特性は、典型的なウェーハ損傷の既知の基準に対する測定値を比較することで特性決定される。
【００５０】
その他、ウェーハがアニーリング後に測定される場合、任意のイオン注入４０２後に急速熱処理（ＲＴＰ）あるいは炉アニーリング４１２といった任意の標準的なアニーリング工程を用いてウェーハがアニーリング４１２される。アニーリング後、ウェーハ４１４’，４１６’に対して任意のフッ化水素洗浄が行われる。１つの表示的実施例によれば、任意のフッ化水素洗浄を行った後、ウェーハ４２４の表面に反転層が生成される。例として、適切な極性のコロナ放電を行う、あるいは以下の化学処理を行うことにより、反転層が生成４２６される。任意に反転層が生成された後、ウェーハはプローブ組立体１４下で移動され測定が行われる４２２。
【００５１】
さらに、本装置は特に、減圧チェンバ、化学活性ガス用チェンバ、不活性環境用チェンバといった密閉されたチェンバ環境での利用に適用可能である。全プローブ組立体１４は、圧力フィッティングを通して密閉チェンバの壁を通過するエレクトロニクスに接続して密閉チェンバ内に置かれる。その他の場合、センサはチェンバ内にあるが、プローブ組立体の残りが密閉チェンバ外に位置するよう、プローブ組立体が密閉チェンバの壁に設けられる。
【００５２】
ＡＣ−ＳＰＶ法を用いた監視法を処理する方式では、特定のパラメータそのものの値よりも、ウェーハからウェーハの間の測定パラメータの変化を求めることに重点が置かれている。典型的には、測定サーキットを完了するために接触の必要がある前面を変化させなければウェーハ後面の電気パラメータの測定は不可能である。したがって、ウェーハの後面に対して行われる測定は、典型的には工程監視では用いられない。非接触ＡＣ−ＳＰＶ測定により、後面とともに前面の表面特性の測定を行うことで工程監視が可能になる。上で説明したとおり、プローブヘッドは、ウェーハ搬送システムがウェーハをプローブヘッドまでどのように搬送するかにより、センサ表面がウェーハ後面と平行になるよう、ウェーハ下、ウェーハ上、その他にプローブヘッドを設けることが可能である。さらに、ウェーハの前面と後面の同時特性決定のためウェーハの各面に１つずつ置くことで、２つのプローブヘッドを用いることが可能である。このような方法を示すものとして、鏡面仕上げの特性をもつ前面での表面電荷の測定が図９で示されている。同時に湿式洗浄処理の行われた同一の１００ｍｍ、ｐ型（１００）シリコンウェーハの半分それぞれに対して測定が行われた。洗浄工程のさまざまな段階において、１つの半分の（研磨された）前面と、他の半分の（研磨されていない）後面に対して表面電荷が測定された。図９に示されたこれらの結果によれば、前面と後面での表面電荷の挙動は同一である。
【００５３】
好ましい実施例を示すことで、当業者はさまざまな応用例が可能であり、これらの応用例は請求された発明の適用範囲とその考え方の範囲内にあるということに気づくであろう。したがって、以下の請求項の適用範囲で示されるものとしてのみ本発明を限定することが意図されている。特許請求の範囲は以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
本発明は、添付請求項における特殊な例を用いて提示される。本発明の上述の利点およびそれ以外の利点は、添付の図面と関連付けて行われる以下の説明を参照することでさらによく理解できるようになるが、添付図面として次のものがある。    
【図１】図１は、製造中に、半導体のリアルタイム・インライン電気特性決定のための装置の１つの実施例のブロック図である；
【図２】図２は、ウェーハ移送システムより上部にある図１の装置のプローブ組立体の１つの実施例の斜視図である；
【図３】図３は、図２のプローブ組立体の上面斜視破断図である；
【図４】図４は、図３のプローブ組立体のセンサ板の１つの実施例の下面斜視図である；
【図５】図５は、ウェーハ前面結合を用いて表面光起電力を測定するための電気回路の１つの実施例の概略図である；
【図６】図６ａは、ウェーハ表面に反転層を生成させるようウェーハを変化させるために用いられるコロナ放電制御回路のブロック図を示し、図６ｂは、ウェーハの放電を行うために用いられる図６ａのコロナ放電制御回路のブロック図を示す。
【図７】図７は、センサを充電し高電圧でバイアスをかけた状態で用いられるポリイミドコーティングされた図４の被覆センサ板の１つの実施例の下面斜視破断図である；
【図８】図８は、センサ電極を用いたウェーハの高電圧バイアスのために用いられる前置増幅器回路の１つの実施例の概略図である；
【図９】図９は、洗浄後のシリコンウェーハの前面および後面電荷測定のグラフである；
【図１０】図１０は、本発明の図解実施例による、注入された状態（アニーリング前）のウェーハパラメータ、さらに注入／アニーリングされた（アニーリング後）のウェーハパラメータを監視するためのシステムのステップを示すフロー図である。
【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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【図１０】
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【国際調査報告】
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