JPS635541A - 半導体ウエハ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体ウェハ測定装置間するもので、例え
ばＤＬＴＳ　（Ｄｅｅｐ　Ｌｅｖｅｌ　　Ｔｒａｎｓｉ
ｅｎｔＳ　ｐｅｃ　ｔｒｏｓｃｏｐｙ　）法をはじめと
する半導体材料・素子の評価を行う半導体ウェハ測定装
置に利用して有効な技術に関するものである。

〔従来の技術〕

ジョセフソン素子等の低温動作のデバイスの特性測定や
ＤＬＴＳ法をはじめとする半導体材料・素子の評価を行
うため、液化チッソを用いることが考えられる。ところ
が、液化チッソは、その気化によりはヌ°−定の一１９
６℃程度の低温度を形成する。したがって、これを負の
熱源として、電気ヒータ等を正の熱源として試料載置台
の温度をその中間の温度に設定すること又は所定の温度
勾配をもって変化させようとすることが極めて難しいも
のとなる。なぜなら、液化チッソは、その気化により常
に上記低温度を形成しようとするからである。また、強
力な電気ヒータにより上記中間温度を形成しようとする
と、液化チッソと電気ヒータの電力との消費量が膨大に
なるため、極めて不経済なものとなって実用に供し得な
い。そこで、本願出願人においては先に、精度良く温度
制御された低温用測定装置を開発した（−日本マイクロ
ニクス社、製品カタログ’ＦＰ−１５００ＢＪ参照）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本願発明者等において、上記のように精度良く温度制御
される試料載置台に固定された被測定半導体ウェハに温
度センサーを取り付けて、実際の温度を測定したところ
、上記試料載置台に取り付けられた温度センサーから出
力される温度との間、比較的大きな相違があることが判
明した。本願発明者において、上記原因を検討した結果
、以下のことが判明した。すなわち、上記のように精度
良（温度制御される試料載置台にあっても、試料載置台
の表面及び被試験半導体ウェハの下面には、極めて微細
な凹凸が存在するため両者の間に非接触面が多く存在し
て、これが熱伝導を阻害する。

これによって、上記試料載置台の温度を精度よく制御し
ても、それがそのまま半導体ウェハに伝えられなく、両
者に比較的大きな温度差が生じてしまうものとなる。し
たがって、上記試料載置台の温度をパラメータとして、
半導体ウェハの特性を評価する結果となり、信頬性の高
い特性評価ができない。

この発明の目的は、高精度の半導体ウェハの特性評価を
可能にした半導体ウェハ測定装置を提供することにある
。

この発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
この明細書の記述および添付図面から明らかになるであ
ろう。

〔問題点を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記の通りである。

すなわち、試料載置台の温度を制御された温度に設定す
る熱発生装置と、上記試料載置台と被測定半導体ウェハ
との間に設けられ、熱導電性及び電気導電性並びに展延
性を持つシート状の金属板を設けるものである。

〔作　用〕

上記した手段によれば、上記シート状の金属の持つ展延
性によって、上記金属板が半導体ウェハ及び試料載置台
の接触面の凹凸に従って面を持って密着するため、試料
載置台の温度をロスなく半導体ウェハに伝えることがで
きる。

〔実施例〕

第１図には、この発明に係る半導体ウェハ測定装置の要
部断面図が示され、第２図にはそのＡ−Ｂ線における水
平断面図が示されている。、言い換えれば、第１図は、
第２図のＡ−Ｂ切断線の垂直断面図となる。

第１図において、試料載置台５ａの下面側には、第１．
第２の熱伝導体６．７の上面と接合されている。これら
の熱伝導体６．７は、特に制限されないが、第２図に示
すように円形をはソ°４等分されることによって構成さ
れる扇形の断面形状をしている。この４つの扇形のうち
中心部に結合し、この中心部に対称的に配置された２つ
の扇形６は、第２の熱伝導体とされる。すなわち、この
中心部の中空は電気ヒータ１２の収納部とされる。した
がって、電気ヒータ１２により形成された正の温度は、
上記第２の熱伝導体６を通して上記試料載置台５ａに伝
えられる。この第２の熱伝導体６のはｙ゛下半分は切除
されている。

また、残り２つの扇形は、第１の熱伝導体とされ、上部
の接合部６ａを除き上記第２の熱伝導体とは相互に空間
分離されている。この第１の熱伝導体７は、その上半分
部の断面形状が上記第２図に示すような扇形をしており
、その上部の結合部６ａを介して第２の熱伝導体６と一
体的に結合される。そして、この結合部６ａの上面が上
記試料載置台５に接合している。

上記第１の熱伝導体７のはソ゛下半分は中空が設けられ
たリング状（ドーナツ状）にされる。この中空部を電気
ヒータ１２を収納する収納部の突出した下半分が空間分
離されて貫通している。このようにすることによって、
比較的大きな収納室が形成できるので、比較的大きな電
力の電気ヒータ１２を用いることができる。

上記第１の熱伝導体７の下部部分には、リング状の中空
とされる。このようにリング状にすることによって、比
較的大きな容量を持つタンクを形成することができる。

この中空部分８は、冷媒として、特に制限されないが、
液化チッソが注入される第２のタンクとして用いられる
。この第２のタンク８の下部には、同様な構成の第１の
タンク１１が設けられる。この第１のタンク１１の中心
部は、上記同様に中空とされ、上記収納部が空間分離さ
れて貫通している。

上記第１のタンク１１には、供給管１３を通して液化チ
ッソが注入される。バルブＢ１はその液化チッソの供給
制御を行うものである。

上記第１のタンク１１と第２のタンク８とは、熱伝導性
を持つ金属管９により接続されている。

これにより、第１のタンク１１の容積を越える液化チッ
ソを供給すると金属管９を通して第２のタンク８に液化
チッソが注入される。また、この第２のタンク８には、
気化したチッソガスを排気するための排気管１０が設け
られる。この排気管１０は、上記第２のタンク８を通っ
て外部に導出される。この理由は、外気温度が排気管１
０を通して伝わるのを防止するものである。バルブＢ２
は、その排気制御を行うものである。

なお、特に制限されないが、この実施例では、第２のタ
ンク８に一定量以上の液化チッソを第１のタンク１１に
戻す金属管が設けられる（図示せず）。

上記３つの管により第１のタンク１１は、第２のタンク
８に対して吊り下げられるような構成によって取り付け
られる。

箱体３の上部には、開口が設けられる。上記熱伝導体６
，７は、熱絶縁性の取り付は部材４により箱体３の開口
部の下方に取り付けられる。上記熱伝導体６，７と箱体
３とにより第１の真空室１が構成される。この第１の真
空室１は、箱体３の下部に設けられた排気口１３ａが真
空源（図示せず）と接続されることによって真空にされ
る。すなわち、第１の真空室１は、上記電気ヒータ１２
と液化チッソの気化熱及び熱伝導体６，７の熱絶縁手段
として利用される。

また、試料載置台５ａ等は、その上部を覆う蓋１４が設
けられており、第２の真空室２を構成する。この１ｉ１
４の試料載置台５ａに対応した上面には、観測用の窓１
４ａが設けられている。この第２の真空室２も上記同様
に真空源（真空ポンプ）により排気がなされることによ
って上記同様に真空にされる（図示垂ず）。このように
、試料載置部を真空にするのは、低温による空気中の水
蒸気により露結が生じてしまうからである。なお、特に
制限されないが、半導体ウェハ上に形成された素子等の
測定を容易にするため、上記箱体３の上部周辺には、プ
ローブアームを備えたマニピュレータが設けろる。すな
わち、蓋１４の側壁からプローブアーム１５が貫通して
上記真空室２に伸び、その先端に設けられた位置合わせ
機構１９によってプローブ１８の尖端位置の微調整を行
うようにされる。蛇腹１６の一端は上記’１１４側に、
他端はプローブアーム１５にそれぞれ密着固定される。

これによって、上記フローブアーム１５を上記のように
可動可能にしつつ、かつ真空室２の真空度が保たれる。

上記プローブアーム１５は、ステージ機構（マイクロヘ
ッドステージ）１７によって、その先端の大まかな位置
合わせが行われる。このような構成は、本願出願人の先
願（特願昭５７−１５１２９９）の低温用プローバによ
り詳細に説明されている。また、上記プローブアーム１
５の先端部には、プローブ針１８の尖端位置を調節する
ためのマニュピレータ２０が設けられる。なお、このよ
うなプローブによる測定素子との接続に代えて、測定素
子に対して直接的に配線を施すようにするものであって
もよい。上記プローブ針１８は、リード線１９によって
、上記真空室２の外部端子に接続される。

この実施例では、上記試料載置台５ａの制御された温度
を効率よく図示しない測定試料（半導体ウェハ）に伝え
るため、上記温度制御される試料載置台５ａの表面には
、熱導電性及び電気導電性並びに展延性を持つシート状
の金属板５ｂが設けられる。この金属板５ｂは、特に制
限されないが、約０．２　＋＋ｎ程度の薄いインジュウ
ム板からなる。この金属板５ｂは、その表面に載置され
る試料（半導体ウェハ）の基板側にとの電気的接続を行
う電極としての作用も行うものである。それ故、金属ｔ
Ｈ５ｂはリード線１９を介して上記真空室２の外部測定
端子に接続される。

この実施例による低温用試料載置台の温度制御の作動形
態を次に説明する。

所望の低温を形成するにあたり、上記第１．第２の真空
室１，２の排気がなされる。この後、バルブＢ１が開か
れて液化チッソの供給が行われる。

このとき、同時に気化ガスを抜き取るバルブＢ２も開か
れる。上記液化チッソの注入により第１のタンク１１の
容量を越える液化チッソは、金属管９を通して第２のタ
ンク８に注入される。このように第２にタンク８に液化
チッソが注入されると、その気化がこの第２のタンク８
によって行われる。

したがって、上記約−１９６℃の低温度がこの第２のタ
ンク８で形成されることになるため、熱伝導体７を通し
て試料載置台５ａに上記温度が最低温度として伝えられ
る。

この状態から、徐々に一定の温度勾配のもとに温度を上
昇させる場合、バルブＢ２による気化ガスの排気量と、
バルブＢ１による液化チッソの供給量を減らす。これに
より、第２のタンク８内の気圧が高くなり、第２のタン
ク８の液化チッソ量が減少していく。これと同時に電気
ヒータ１２を作動させてその温度を徐々に高める。

そして、第２のタンク８の液化チッソが無くなると、液
化チッソの気化は金属管９から第１のタンク１１で行わ
れるようになる。

上記金属管９乃至第１のタンク１１で液化チッソの気化
が行われるようになると、これらの部分で上記−１９６
℃のような低温度が形成されるが、上記熱伝導体７には
、第２のタンク８乃至これとともに金属管９を通して伝
えられるものとなる。

第２のタンク８と金属管９とは、共に適当な熱抵抗を持
つように形成されているので、上記気化により形成され
た一１９６℃の温度は減衰して熱伝導体７に伝えられる
。このため、試料載置台５ａの温度は、熱伝導体７を通
して形成された負の温度と電気ヒータ１２により形成さ
れ熱伝導体６を通して形成された正の温度とが加算され
た中間の温度又は温度勾配を持つものとされる。このよ
うな温度制御を行うため、上記試料載置台５ａには温度
センサーが取り付けられている。

なお、上記第１のタンク１１で形成した低温度を第２の
タンク８に伝える熱伝導路は、上記金属管９の他、熱伝
導性を持つ金属等で排気管１ｏ及び図示しない前記した
液化チッソの戻し管を形成することにより、これらをも
通して行なわれる。

また、上記試料載置台５ａは、特に制限されないが、半
導体ウェハ等の測定試料を固定するクリップ等（図示せ
ず）が設けられ、上記金属板５ｂとともに上記測定試料
を試料載置台５ａの表面に押し当てるように固定支持す
るものである。これにより、インジニウムからなる金属
板５ｂの両面は、その展延性により上記半導体ウェハの
下面及び試料載置台５ａの上面における凹凸になじみ、
高い密着度により両者との密着する。これにより、上記
試料載置台５ａの温度は、上記インジウユム板５ｂが併
せて良好な熱導電性を持つことから、熱損失なく測定試
料（半導体ウェハ）に伝えられる。これにより、上記試
料測定台５ａの温度センサーからの得られる温度をパラ
メータとした、前記ＤＬＴＳ法等の評価を高い精度のも
とで行うことができる。

上記の実施例から得られる作用効果は、下記の通りであ
る。すなわち、 （１１温度を制御された試料裁置台の表面に熱導電性及
び電気導電性並びに展延性を持つシート状の金属板介し
て測定試料（半導体ウェハ）を固定支持されることによ
り、上記シート状の金属の持つ展延性によって、上記金
属板が半導体ウヱハ及び試料載置台の接触面の凹凸にな
じんで密着するため、試料載置台の温度をロスなく測定
試料に伝えることができる。これによって、精度の高い
測定結果が得られるという効果が得られる。

（２）約０．２　ｍのような薄いインジュウム等の金属
板を追加するという簡単な構成により、上記精度の高い
測定結果を得ることができるという効果が得られる。

（３）上記試料載置台の温度制御を行う負の熱源として
、液化チッソを用いるにも拘わらず、第１のタンクと第
２のタンクとを設けその間を熱抵抗手段を兼ねる液化チ
ッソの供給管で接続することによって、実質的に複数段
階の負の熱源を構成できる。

これにより、正の温度を形成する電気ヒータは、より少
ない電力量により所望の中間温度を形成することができ
るという効果が得られる。

（４）上記温度ないし温度勾配を精度よく制御できるこ
とによって、ＤＬＴＳ法をはじめとする半導体材料・素
子の評価の信頼性を高めることができるという効果が得
られる。例えば、半導体結晶を低温にしておいて、光照
射、注入その他の方法で励記すると、トラップの大部は
キャリアを捉えて充満する。この温度から毎秒１℃以下
の程度の速さで温度を上昇させると、トラップされたキ
ャリアが解離し電場により流れる。これは熱刺激電流と
呼ばれ、これから半導体結晶のトラップの深さと濃度を
評価できる。このような評価において、試料載置台の上
記温度勾配が高精度に制御されて一定にできることによ
って、初めてその信頼性を得ることができるものとなる
。このように、半導体材料・素子の評価においては、温
度制御が高精度になるに従ってその信頼性が高まるもの
である。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、この発明は上記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。例えば、金属板５ｂは
、インジュウムの他、電気導電性、熱導電性並びに展延
性を持つものであれば何であってもよい。例えば、金等
に置き換えることができる。また、上記温度制御するた
めの手段としての２つの熱伝導体６と７とは、それぞれ
直接試料載置台５の下面側に取り付けるものであっても
よい。また、タンクの数を３個以上にするものとして、
実質的により多くの複数段階の負の温度を液化チッソに
より形成するものとしてもよい。また、熱伝導体をより
細かく分割して試料載置台に伝わる温度の均一化を図る
ものとしてもよい。

また、冷媒としては、液化フレオン等を用いるものであ
ってよい。

この発明は、半導体材料・素子の評価に用いられる低温
用試料！！２置台として広く利用できるものである。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。すなわち、温度を制御された試料載置台の表面に熱導
電性及び電気導電性並びに展延性を持つシート状の金属
板介して測定試料を固定支持されることにより、上記シ
ート状の金属の持つ展延性によって、上記金属板が半導
体ウェハ及び試料載置台の接触面の凹凸になじんで密着
するため、試料載置台の温度をロスなく測定試料に伝え
ることができる。これによっ、て、精度の高い測定結果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す断面図、第２図は
、第１図のＡ−Ｂ線における水平方向の断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料載置台と、この試料載置台を制御された温度に
   設定する熱発生装置と、上記試料載置台と被測定半導体
   ウェハとの間に設けられ、熱導電性及び電気導電性並び
   に展延性を持つシート状の金属とを具備することを特徴
   とする半導体ウェハ測定装置。 ２、上記熱発生装置は、その気化により超低温を形成す
   る冷媒の供給管が設けられた熱伝導性を持つ第１のタン
   クと、この第１のタンクの上部に設けられ、熱伝導性の
   金属管を通して接続された熱伝導性を持つ第２のタンク
   と、上記第２のタンク内の気化ガスの排気を選択的に行
   うバルブが設けられた排気管と、上記第２のタンクの一
   部と結合され試料載置台に熱を伝導する第１の熱伝導体
   と、電気ヒータと、この電気ヒータで形成された熱を上
   記試料載置台に伝導し、上記第１の熱伝導体とは少なく
   ともその表面の大半が相互に空間分離された第２の熱伝
   導体と、これらの熱源及び熱伝導体を収納する真空室と
   を含むものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の半導体ウェハ測定装置。 ３、上記シート状の金属板は、インジュウムを主成分と
   する金属であることを特徴とする特許請求の範囲第１又
   は第２項記載の半導体ウェハ測定装置。