(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水銀電極を用いて半導体ウェーハの電気特性を測定して半導体ウェーハの評価を行う方法であって、保持面内に水銀電極を形成したウェーハチャックに、半導体ウェーハをその被測定面側を前記ウェーハチャック側にして保持する時、前記ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、前記半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さいウェーハチャックに保持して、前記水銀電極を前記ウェーハの被測定面に接触させて電気特性を測定することを特徴とする半導体ウェーハの評価方法。
【請求項２】
前記半導体ウェーハをＳＯＩウェーハとし、該ＳＯＩウェーハの被測定面側には被測定面を提供するＳＯＩ層を部分的に残したＭＥＳＡ部を形成す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評価方法。
【請求項３】
前記ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、前記半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径の０．５倍以上１．０倍未満とす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評価方法。
【請求項４】
前記半導体ウェーハの電気特性を測定する際に、雰囲気の相対湿度を５０％未満に調整することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの評価方法。
【請求項５】
水銀電極を用いて半導体ウェーハの電気特性を測定して半導体ウェーハの評価を行う装置であって、少なくとも、前記半導体ウェーハをその被測定面側をウェーハチャック側にして保持面で保持するウェーハチャックと、前記ウェーハチャックの保持面内に水銀電極を形成するプローブ部とを備えるものであり、前記ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、前記半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さいものであることを特徴とする半導体ウェーハの評価装置。
【請求項６】
前記ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、前記半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径の０．５倍以上１．０倍未満のものであることを特徴とする請求項５に記載の半導体ウェーハの評価装置。
【請求項７】
前記半導体ウェーハはＳＯＩウェーハであって、該ＳＯＩウェーハの被測定面側には被測定面を提供するＳＯＩ層を部分的に残したＭＥＳＡ部が形成されていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の半導体ウェーハの評価装置。
【請求項８】
少なくとも、前記ウェーハチャックと、該ウェーハチャックに保持された半導体ウェーハとを密閉して囲うチャンバーを具備し、該チャンバー内の雰囲気の相対湿度を５０％未満に制御する空調機を備えたものであることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハの電気特性を測定して半導体ウェーハの評価を行う評価方法及び評価装置に関し、更に詳しくは、半導体ウェーハを評価する際に、半導体ウェーハを保持し水銀電極を形成するウェーハチャックを改良することにより、高精度に半導体ウェーハを評価することのできる半導体ウェーハの評価方法及び評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在使用されている半導体ウェーハとして、例えばシリコンウェーハ、エピタキシャル（ＥＰ）ウェーハ、Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ウェーハ等があり、これらのウェーハ上にデバイスを形成することにより半導体デバイスが製造される。近年、半導体デバイスには微細化、高集積化、高速化、高歩留まり化等が求められている。その中において、形成された半導体デバイスの性能や歩留まりは前記ウェーハの品質が反映すると言われている。【０００３】
例えば、半導体ウェーハにおいて特に重要な品質の一つである半導体ウェーハを熱酸化して形成させた熱酸化膜の品質は、酸化膜形成条件の良否や半導体ウェーハ表面部の結晶品質等を反映している。また、Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＭＩＳ）キャパシタの電気特性は、半導体ウェーハ上に形成された絶縁膜の品質を反映するものであるが、特に絶縁膜の品質そのもの以外に半導体ウェーハ表面及び表面近傍の結晶品質を反映するものでもある。そして、半導体ウェーハに形成した絶縁膜の電気特性をより高感度に、また高精度に評価できるようにして、高品質の半導体ウェーハを提供することが今後ますます重要となってきている。【０００４】
しかしながら、半導体ウェーハを評価するためにＭＩＳキャパシタを形成する場合、ＭＩＳキャパシタの形成工程は、大掛かりな装置と多数の工程を必要とし、コスト面での大きな負担や迅速性に欠ける等の不具合があった。【０００５】
そこで、利便性に優れた水銀を電極とした半導体ウェーハの評価方法が開発され、半導体ウェーハと酸化膜界面の界面準位、半導体ウェーハにおけるバルクのドーパント濃度等を測定するＣ−Ｖ法や、ＳＯＩウェーハを評価するためのＰｓｅｕｄｏ  ＭＯＳ  ＦＥＴ法が提案されている（例えば特開２００１−６０６７６号公報、特開２００１−２６７３８４号公報及びS. Cristoloveanu et al., " A Review of the Pseudo-MOS Transistor in SOI Wafers: Operation, Parameter Extraction, and Applications" IEEE Trans. Electron Dev, 47, 1018 (2000).、H. J. Hovel, "Si film electrical characterization in SOI substrates by HgFET technique", Solid-State Electronics, 47, 1311 (2003).参照）。
しかしながら、これらのような評価方法では、Ｃ−Ｖ特性やＦＥＴ特性を取得する上で、半導体ウェーハと電極とのコンタクト状態が非常に重要である。【０００６】
例えば特開２００１−６０６７６号公報又は特開２００１−２６７３８４号公報においては、電極として針状のプローブを突刺して接触させる方法を開示しているが、針状のプローブでは針の先端が歪んだり被測定物の擦れクズが付着したりするなどして接触抵抗が大きくなるという問題がある。【０００７】
一方、S. Cristoloveanu et al., " A Review of the Pseudo-MOS Transistor in SOI Wafers: Operation, Parameter Extraction, and Applications" IEEE Trans. Electron Dev, 47, 1018 (2000).又はH. J. Hovel, "Si film electrical characterization in SOI substrates by HgFET technique", Solid-State Electronics, 47, 1311 (2003).においては、電極として水銀プローブが用いられている。このような電極として用いられる水銀は、半導体ウェーハを評価する際にゴミ等の異物が混入してしまうことがある。水銀電極は、半導体ウェーハと直接接触して電気特性を測定するため、水銀の汚れに対して非常に敏感であり、ゴミ等の異物が水銀に混入しているとウェーハと水銀電極の接触面積の変化を引き起こしたり、また不純物の種類によりリーク源や絶縁体として働いたりする。そのため、電気伝導性が不安定になり、測定された電気特性に異常が見られる場合があった。【０００８】
このような水銀への異物の混入による半導体ウェーハ評価の問題を解消するために、例えば特開平６−１４０４７８号公報では、プローブヘッドの高さ調整用の圧力室および水銀押圧用の圧力室の圧力を所定の設定値に確実に保ち、圧力設定作業やその調整作業の手間を軽減し、精度の高い検査ができる接触式検査装置を開示している。
【発明の開示】
【０００９】
ところが、たとえ水銀中の異物を完全に取り除いたとしても、測定される微少電流がおよそ１０-7Ａのところで、それよりも微少な電流を測定することができなかった。
【００１０】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、水銀電極を用いて半導体ウェーハの電気特性を測定して半導体ウェーハの評価を行う際に、ウェーハチャックの保持面を被測定物である半導体ウェーハの被測定面の大きさよりも小さくすることで、半導体ウェーハの評価を高精度にかつ効率的に行うことのできる半導体ウェーハの評価装置及び評価方法を提供することにある。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の半導体ウェーハの評価方法は、水銀電極を用いて半導体ウェーハの電気特性を測定して半導体ウェーハの評価を行う方法であって、保持面内に水銀電極を形成したウェーハチャックに、半導体ウェーハをその被測定面側を前記ウェーハチャック側にして保持する時、前記ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、前記半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さいウェーハチャックに保持して、前記水銀電極を前記ウェーハの被測定面に接触させて電気特性を測定することを特徴とする。
【００１２】
このように、水銀を使った電極で半導体ウェーハの電気特性を測定する際に、ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、ウェーハチャックに保持される半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さくすることで、半導体ウェーハの側面を通って反対面側（裏面側）へリークする電流を抑えることができ、１０-7Ａ以下の微少電流も測定可能となり、その結果、半導体ウェーハの電気的物性値を正確に求めることができるようになる。
【００１３】
この場合、半導体ウェーハをＳＯＩウェーハとし、ＳＯＩウェーハの被測定面側には被測定面を提供するＳＯＩ層を部分的に残したＭＥＳＡ部が形成されていることが好ましい。このように、半導体ウェーハがＳＯＩウェーハであり、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層を部分的に残したＭＥＳＡ部とし、このＭＥＳＡ部のＳＯＩ層の表面を被測定面とすることで、被測定面の周辺領域が絶縁膜であるＢＯＸ膜（埋め込み酸化膜）とできるので、半導体ウェーハの側面を通って反対面側へリークする電流をより抑えることができる。
【００１４】
このとき、前記ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、前記半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径の０．５倍以上１．０倍未満とするのが好ましい。このように、ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径の０．５倍以上１．０倍未満とすることで、半導体ウェーハの側面を通って反対面側（裏面側）へリークする電流を確実に抑えることができる。
【００１５】
そして、前記半導体ウェーハの電気特性を測定する際に、雰囲気の相対湿度を５０％未満に調整するのが好ましい。このように、半導体ウェーハの電気特性を測定する際に、雰囲気の相対湿度を５０％未満とすることで、半導体ウェーハの側面を通って反対側へリークする電流をさらに確実に抑えることができる。
尚、この場合、測定装置が置かれた部屋の湿度を空調により制御して、部屋自体の相対湿度を５０％未満にしてもよいし、測定装置を例えば密閉型の箱で覆って、ウェーハチャック近傍に精製器を通した乾燥した空気や窒素を吹き付けるような構成にしてもよい。
【００１６】
また、本発明の半導体ウェーハの評価装置は、水銀電極を用いて半導体ウェーハの電気特性を測定して半導体ウェーハの評価を行う装置であって、少なくとも、前記半導体ウェーハをその被測定面側をウェーハチャック側にして保持面で保持するウェーハチャックと、前記ウェーハチャックの保持面内に水銀電極を形成するプローブ部とを備えるものであり、前記ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、前記半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さいものであることことを特徴とする。
【００１７】
このように、水銀を使った電極で半導体ウェーハの電気特性を測定して半導体ウェーハの評価を行う装置において、ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、ウェーハチャックに保持される半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さくすることで、半導体ウェーハの側面を通って反対面側（裏面側）へリークする電流を抑えることができ、１０-7Ａ以下の微少電流も測定可能となり、その結果、半導体ウェーハの電気的物性値を正確に求めることができるようになる。
【００１８】
この場合、ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径の０．５倍以上１．０倍未満のものであることが好ましい。このように、ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径の０．５倍以上１．０倍未満とすることで、半導体ウェーハの側面を通って反対面側（裏面側）へリークする電流を確実に抑えることができる。
尚、ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径の０．５倍未満になると、保持する半導体ウェーハが安定しなくなる恐れがあり、一方、１．０倍以上になると、半導体ウェーハの側面を通って反対面側へリークする電流を抑えることができなくなる。
【００１９】
さらに、半導体ウェーハはＳＯＩウェーハであって、ＳＯＩウェーハの被測定面側には被測定面を提供するＳＯＩ層を部分的に残したＭＥＳＡ部が形成されていることが好ましい。このように、半導体ウェーハがＳＯＩウェーハであり、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層を部分的に残したＭＥＳＡ部とし、このＭＥＳＡ部のＳＯＩ層の表面を被測定面とすることで、被測定面の周辺領域が絶縁膜であるＢＯＸ膜とできるので、半導体ウェーハの側面を通って反対面側へリークする電流をより確実に抑えることができる。
【００２０】
また、少なくとも、前記ウェーハチャックと、該ウェーハチャックに保持された半導体ウェーハとを密閉して囲うチャンバーを具備し、該チャンバー内の雰囲気の相対湿度を５０％未満に制御する空調機を備えたものであることが好ましい。このように、ウェーハチャックに保持された半導体ウェーハとを密閉して囲うチャンバーを具備し、該チャンバー内の雰囲気の相対湿度を５０％未満に制御する空調機を備えたものであるため、半導体ウェーハの電気特性を測定する際に、雰囲気の相対湿度を５０％未満とすることで、半導体ウェーハの側面を通って反対側へリークする電流をさらに確実に抑えることができる。
【００２１】
以上説明してきたように、本発明によれば、ウェーハチャックの大きさを半導体ウェーハの被測定面よりも小さくしているので、被測定物である半導体ウェーハの反対側へのリーク電流を低減でき、微少電流領域の測定下限電流値が１０-7Ａから１０-11Ａへと向上し、ｐＡレベルにまで測定可能となる。これにより、サブスレッショルド領域のＩ−Ｖ曲線の傾きから算出されるＤｉｔ（界面準位密度）の精度が向上し、より信頼性が高く、かつ安定した測定結果が得られるようになり、引いては半導体ウェーハの品質改善にも寄与することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る評価装置の概略断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ腺に沿って図１の上側を見た透視図である。
【図３】実施例のＩｄ−Ｖｇ曲線である。
【図４】比較例のＩｄ−Ｖｇ曲線である。
【図５】実施例及び比較例のＩｇ−Ｖｇ曲線である。
【図６】比較例におけるＩｄ−Ｖｇ／Ｉｓ−Ｖｇ／Ｉｇ−Ｖｇ曲線である。
【図７】Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴ測定方法を説明するための概略断面図である。
【図８】Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴのＩｄ−Ｖｇ曲線より界面準位密度を算出する方法の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について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。
図７は、H. J. Hovel, "Si film electrical characterization in SOI substrates by HgFET technique", Solid-State Electronics, 47, 1311 (2003).に開示されている水銀電極を用いたＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴ測定方法を説明するための図である。この方法は、ＳＯＩウェーハ１のベースウェーハ２の裏面に金属電極３を設けてゲート電極とする一方、ＢＯＸ膜４上のＳＯＩ層５の表面にソース電極及びドレイン電極となる水銀電極６を接触させる。そして、ゲート電圧を変化させた際の、ソース電極／ドレイン電極間に流れる電流を測定することで、ＳＯＩ層／ＢＯＸ膜間の界面の評価を行う。特に界面準位密度（Ｄｉｔ）の評価は、図８に示すように、ゲート電圧Ｖg（Ｖ）を変化させたときのドレイン電流Ｉd（Ａ）をlogスケールでプロットし、サブスレッショルド領域でのＶｇ−Ｉｄカーブの傾き（ＳＳＬ）から算出するために、安定した測定にはドレイン電流が数十pAから測定できることが必要である。【００２４】
実際に水銀プローブで水銀電極を形成する場合には、リング状水銀(ドレイン)の中心部にも水銀（ソース）をＳＯＩウェーハ（サンプルウェーハ）に接触させる必要があり、ＳＯＩ層表面をウェーハチャック側に置く必要がある。このため、いくらウェーハチャックに絶縁性の材質のものを用い、かつ、ＳＯＩウェーハにＭＥＳＡ構造を採用してＢＯＸ膜を露出させ、ＳＯＩウェーハ表面を流れる電流を絶縁しても、ＳＯＩウェーハ周辺（端部）から裏面のゲート側へのリークが発生しやすい。
このように、ウェーハチャックに起因するゲート側へのリークが原因で、ドレイン電流の測定下限が1E-7A台となり、ソース電極／ドレイン電極間の正確な電流測定ができないという点に本発明者らは着目し、本発明を完成させた。【００２５】
本発明に係る半導体ウェーハの評価方法は、図１および図２に示すように、半導体ウェーハ、特にＳＯＩウェーハ１をPseudo-MOS評価する際に、ＭＥＳＡ構造（メサ構造）を作製し、このＳＯＩ層５の一部を残したＭＥＳＡ部（シリコン島）５ａよりも面積が必ず小さくなるようなウェーハチャック７を用いるものである。すなわち、ウェーハチャック支持部８に支持されたウェーハチャック７に、ＳＯＩウェーハ１をＭＥＳＡ部５ａの表面側をウェーハチャック７側にして載置して保持し、ウェーハチャック７の保持面内に、リング状ドレイン電極およびこのリング状ドレイン電極の中心部に位置するソース電極となる水銀電極６を形成する一方、ＳＯＩウェーハ１のベースウェーハ２の裏面に金属電極を設けてゲート電極とし、ゲート電圧を変化させた際の、ソース電極／ドレイン電極間に流れる電流を測定して、ＳＯＩ層／ＢＯＸ膜間の界面の評価を行う方法において、ウェーハチャック７の保持面の最外周を構成する直径が、ＳＯＩウェーハ１のＭＥＳＡ部５ａの表面（被測定面）の最外周を構成する直径よりも小さくしたものである。
そして、この評価方法を実施するための評価装置は、少なくとも、ウェーハチャック７と、水銀電極６を形成するプローブ部９とを備えている。
また、少なくとも、ウェーハチャック７とＳＯＩウェーハ１とを密閉して囲うチャンバー１０と、チャンバー１０内の雰囲気の相対湿度を５０％未満に制御することのできる空調機１１を備えている。【００２６】
このような評価方法および評価装置においては、ＳＯＩウェーハ１のＭＥＳＡ部５ａ以外は空気により完全に絶縁状態になり、ゲート側へのリーク電流を抑えることができる。すなわち、まず、ＭＥＳＡ構造を作製することで、水銀電極６周辺部のＳＯＩ層５を除去し、ＢＯＸ膜４を露出させて、ＳＯＩウェーハ１表面を流れる余計な電流を排除する。さらに、ＳＯＩウェーハ１周辺をウェーハチャック７と非接触とし空気を介することでＳＯＩウェーハ１端部からウェーハチャック７及び周辺へのリークを除去し、これにより安定した測定が可能になる。【００２７】
ウェーハチャック７の保持面の最外周を構成する直径は、ＳＯＩウェーハ１のＭＥＳＡ部５ａの表面の最外周を構成する直径の０．５倍以上１．０倍未満であることが好ましく、０．５倍以上０．９８未満であればより好ましい。
また、ＳＯＩウェーハ１周辺部（図１ではＢＯＸ膜４）には何も接触させないことが望ましく、ウェーハチャック支持部８と被測定面、即ちＭＥＳＡ部５ａとの空気の入る空隙Xは最低でも１μｍは必要である（図１参照）。これよりも間隔が小さいと、ＳＯＩウェーハ１の傾きや平坦度の影響によりウェーハチャック支持部８とＳＯＩウェーハ１が接触し安定した測定が不可能になる。一方、この空隙の上限はなく、完全に分離できる構造であればより望ましい。
なお、空気を介することから、測定中の環境、特に湿度が影響するが、クリーンルーム環境として５０％以下の湿度であれば、絶縁性が確実に保たれるので、より好ましい。
【００２８】
以下に本発明の実施例を挙げて、本発明を詳細に説明するが、これらは本発明を限定するものではない。
＜実施例＞
本実施例の試料には、P型、直径２００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のシリコン単結晶ウェーハを用いて作製されたＳＯＩウェーハを用いた。なお、このP型ウェーハのドーパントはボロンである。また、ＳＯＩ層/BOX膜厚さは、100/145nm程度のものである。本ＳＯＩウェーハより10mm角にサンプルを切り出し、5%TMAH（Ｔｅｔｒａ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）溶液によりＳＯＩ層のエッチングを行いMESA構造を作製した。その後、1%HFにて1分間処理後、純水にてリンスを行い、その後乾燥空気にて水分を除去した。このサンプルを用いて、H. J. Hovel, "Si film electrical characterization in SOI substrates by HgFET technique", Solid-State Electronics, 47, 1311 (2003).に記載されているPseudo-MOS FET測定を、図１および図２に記載の評価装置で行った。そのＩｄ−Ｖｇ特性を図３に示す。この図から、サブスレッショルド領域での電流がスムーズに立ち上がっていることが分かる。また、ＢＯＸ膜のＶｂｄ（ブレイクダウン電圧）を測定したところ、図５に示すように、ｐＡレベルから測定が可能となっている。
【００２９】
＜比較例＞
本比較例では、実施例と同様の試料を用いて、同様の処理をして、同様のサンプルを作成し、このサンプルを用いて、H. J. Hovel, "Si film electrical characterization in SOI substrates by HgFET technique", Solid-State Electronics, 47, 1311 (2003).に記載されているPseudo-MOS FET測定を行った。本比較例は、水銀プローブとしてウェーハ全面が吸着されるウェーハチャックのタイプの評価装置を用いた点、即ち、ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径がウェーハの被測定面の最外周を構成する直径より大きい点が実施例と異なる。そのＩｄ−Ｖｇ特性を図４に示す。この図から、Ｖｇがマイナス側にてＩｄ−Ｖｇカーブにゆがみを生じていることが分かる。また、Ｖｇが２．５Ｖのところで最小電流値が1E-7Aレベルしか測定されていない。実際にゲート側へ流れている電流値を確認すると、図６に示すように、ゲート側へリークしていることが分かる。また、ＢＯＸ膜のＶｂｄを測定したところ、図５に示すように、実施例ではｐＡレベルの測定が可能であるのに対し、ウェーハチャックからサンプル裏面側へサンプル外周側面部を通して電流が流れてしまうため、比較例では０．１μＡレベルでしか測定を行うことができない。
【００３０】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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思想に包含される。
【図１】
0004379627.tif 000002
【図２】
0004379627.tif 000003
【図３】
0004379627.tif 000004
【図４】
0004379627.tif 000005
【図５】
0004379627.tif 000006
【図６】
0004379627.tif 000007
【図７】
0004379627.tif 000008
【図８】
0004379627.tif 000009