CN1575514A - 可靠性评估测试装置、可靠性评估测试系统、接触器以及可靠性评估测试方法 - Google Patents

可靠性评估测试装置、可靠性评估测试系统、接触器以及可靠性评估测试方法 Download PDF

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Abstract

可靠性评估测试装置(10)，包括晶片存放单元(12)，该存放单元存放晶片(W)，该晶片则处于该晶片上形成的若干器件的电极衬垫与接触器(11)的凸起彼此完全电气接触的状态。该晶片存放单元(12)向/从测量单元(15)发送/接收一个测试信号，并具有与外界隔离的绝热结构。该晶片存放单元(12)具有对接触器(11)加压的压力机构(13)以及直接将与接触器(11)完全接触的晶片(W)加热到预定高温的加热机构(14)。该半导体晶片上形成的一层互连膜与绝缘膜的可靠性可以在加速条件下加以评估。

Description

可靠性评估测试装置、可靠性评估测试系统、 接触器以及可靠性评估测试方法
本申请基于并要求2001年11月30日申请的在先日本专利申请号2001-367286的优先权，其全部内容特此参考编入。
技术领域
本发明涉及一种可靠性评估测试装置、可靠性评估测试系统、接触器以及可靠性评估测试方法，更具体地讲，涉及这样一种可靠性评估测试装置、可靠性评估测试系统、接触器以及可靠性评估测试方法，可被用来评估/测试为半导体晶片上形成的多个半导体器件构成多层互连的互连与绝缘膜。
背景技术
在一个半导体测试过程中，半导体晶片(下文称为“晶片”)上形成的多个半导体元件(下文称为“器件”)的电气特性在晶片状态下进行测试，电气特性没有缺陷的器件会被筛选出来。然后，在测试过程的最后阶段进行晶片切割，并在温度等的加速条件下进行可靠性测试，譬如对每个器件的多层互连的电迁移测试、相同平面内的互连之间以及上下层互连之间的泄漏电流测试。
在一次可靠性评估测试中，要准备测试包。器件被包装在这些测试包之中。然后在一台具有预定高温(譬如300℃)的测试炉中进行大约——譬如说——70个包装器件的可靠性评估测试。
发明内容
但是，对需要在一台测试炉中进行的传统可靠性评估测试而言，需要进行晶片切割并准备测试包。器件就用这些测试包进行包装。所以，晶片切割、测试包装准备以及器件包装需要相当多的时间及成本。此外，在该测试炉中进行的传统测试只能同时处理几十个测试包，即只能处理几十个器件。
如果要测试具有由容易氧化的金属(譬如铜或铜合金)构成的金属互连的器件，就要在该测试炉中加入惰性气体。但是，举例来说，由于该测试炉的密封很差，故而无法使氧气浓度低得能防止铜制互连的氧化。所以，不仅铜制互连的衬垫部分，而且铜制互连本身都会通过该衬垫部分被氧化。为了防止这一点，在准备晶片样品时必须对每个铜衬垫部分附加一个抗氧化的铝衬垫层。另外，如果要测试多类样品，就必须按照每种类型改变切割及导线连接。因此，需要三周或更长的时间才能够得到一个可靠性评估测试结果。
还有，一些数据，譬如该可靠性测试的重要参数或者与各种测试模式有关的相互关系，必须通过多次进行一项测试来获得。因此，该测试的效率很低。譬如说，对一项电迁移测试，必须观察由电迁移产生的空隙位置，而且该观察结果稍后要被返回到过程开发。为了进行这种观察，要拆卸测试包以便逐个取出器件，要从每个器件拆开连接导线，而且每个器件都要在一台显微镜下进行观察。为此，必须花费很大的工作量及时间。
本发明已经能够解决上述问题。
按照本发明之一个方面的发明的目的是提供能够快速、高效并可靠地对晶片上形成的多个半导体器件进行可靠性评估测试的一种可靠性评估测试装置、可靠性评估测试系统、接触器以及可靠性评估测试方法。
按照本发明之另一个方面的发明的目的是提供能够大幅度降低一项可靠性评估测试所需的工作量及成本的一种可靠性评估测试装置、可靠性评估测试系统、接触器以及可靠性评估测试方法。
本发明的其他目的及优点将在随后的说明中加以阐述，其中一部分目的与优点很容易根据该说明看出，或者也可以通过本发明的实践加以理解。本发明的目的与优点可以借助下文特别指明的手段以及它们的组合来实现与获得。
根据本发明的一个第一方面，提供一个根据来自测量单元的一个测试信号对半导体晶片的可靠性进行测试的装置，该测量单元包括一个测量单元及一个具有隔离绝缘结构的存放单元，该测量单元存放与接触器充分电气接触的半导体晶片，并向/从该测量单元发送/接受一个测试信号。
该可靠性评估测试装置包括一个压力机构以及一个加热机构，该压力机构对该存放单元内的接触器加压，该加热机构将由该加压机构加压而与该接触器充分接触的半导体晶片加热到预定的高温。
该可靠性评估测试装置在加速条件下评估该半导体晶片上形成的一个多层互连以及一层绝缘膜的可靠性。
按照该第一方面提供的装置最好也包括下述(a1)至(a14)中的一个部件，或者是(a1)至(a14)中多个部件的组合。
(a1)安排在该存放单元内的一个具有绝热结构、其上放置该半导体晶片的台面，一个环绕该台面且与该接触器电气接触的连接环以及一个与该连接环电气接触并发送/接受来自该测量单元的测试信号的布线板。
(a2)安排在该连接环上的一个密封部件以及用于向该存放单元供应惰性气体与/或还原气体的装置，该密封部件与该半导体电气接触以便在该存放单元内密封一个与外部隔离的空间。
(a3)安排在该压力机构内的一个对该接触器加压的加压板，一个下端被连接到该压力板的波纹管，一个被连接到该波纹管的上端并能够垂直运动的支架，以及一个用于向由该加压板、该波纹管及该支架构成的空间供应气体的装置。
(a4)安排在该加热机构内的一个加热器，从下表面侧均匀加热该半导体晶片的整块表面，而且还被用来作为该台面。
(a5)安排在该加热器内部的一个第一加热部分以及一个第二加热部分，该第一加热部分加热该半导体晶片的中央部分，该第二加热器部分环绕该第一加热部分、并加热该半导体晶片的外缘部分。
(a6)安排在该加热机构内的一个辅助加热器，从上表面侧加热该半导体晶片的整块表面。
(a7)设计在该测量单元内的一个电迁移测量单元以及一个泄漏电流测量单元。
(a8)一个在这些测量单元之间交替切换的切换装置。
(a9)该电迁移测量单元包括供应三类电流的功能，这三类电流包括一个DC电流、一个脉冲DC电流以及一个AC电流。
(a10)该半导体晶片上形成的多种测试模式，及用于将这多种测试模式分组并同时对不少于5组执行可靠性评估测试的测试模式分组功能装置。
(a11)一层安置在该接触器与该半导体晶片之间的各向异性导电膜。
(a12)一个安排在该测量单元内的、被用于对在该半导体晶片上形成的不少于100个半导体器件同时执行可靠性评估测试的装置。
(a13)安排在该存放单元内的一个绝热结构，使该半导体晶片维持不低于160℃的温度。
(a14)设置在该接触器内的耐热片基，具有1～50ppm/℃的热膨胀系数。
根据本发明的一个第二实施例，提供一个可靠性评估测试系统，该系统包括一个调准器、一个传送工具以及按照本发明的第一实施例提供的一个可靠性评估测试装置，该调准器使接触器与半导体晶片完全接触，该传送工具传送由该调准器保持彼此完全接触的接触器及半导体晶片，该可靠性评估测试装置对与该传送工具组合在一起的半导体晶片进行可靠性评估测试。
按照该第二方面提供的可靠性评估测试系统最好也包括下述(b1)至(b4)中的一个部件或(b1)至(b4)中多个部件的组合。
(b1)用于使该调准器与该可靠性评估测试装置进行数据通信的装置。
(b2)安排在该调准器内的一台显微镜，根据该半导体晶片的测试结果来观察该半导体晶片。
(b3)安排在该传送工具内的磁铁，将该接触器与该半导体晶片组合到一起。
(b4)安排在该传送工具内的一条磁路、用于接通/切断该磁路的装置以及用于使该磁路激励/消磁而使该传送工具吸引/释放该接触器与该半导体晶片的装置。
根据本发明的一个第三方面，提供一个接触器，包括具有1～50ppm/℃的热膨胀系数的耐热片基以及在该耐热片基上形成的一个导体电路，而且它被用来在不低于160℃的温度下进行一种可靠性评估测试。
按照该第三方面提供的可靠性评估测试系统最好也包括下述(c1)至(c3)中的一个部件或(c1)至(c3)中多个部件的组合。
(c1)安排在该导体电路中的一个凸起。
(c2)由耐热树脂、金属、半导体以及陶瓷中的至少一种材料构成的耐热片基。
(c3)在表面上形成的一个绝缘涂层，但该表面上在执行该可靠性评估测试时进行电气连接的部分除外。
根据本发明的一个第四方面，提供一种可靠性评估测试方法，该方法在半导体晶片与接触器彼此完全电气接触的状态下对该半导体晶片执行不同的可靠性评估测试。
根据本方面的一个第五方面，提供一种可靠性评估测试方法，该方法通过对与一个接触器完全电气接触的半导体晶片加压、将该半导体晶片加热到不低于160℃并使该半导体晶片导电来对该半导体晶片进行可靠性评估测试。
按照该第四与第五方面提供的可靠性评估测试方法最好包括下述(d1)至(d5)中的一个组成部分或(d1)至(d5)中多个组成部分的组合。
(d1)同时对该半导体晶片上的不少于100个半导体器件进行该可靠性评估测试。
(d2)进行一项电迁移测试与/或一项泄漏电流测试来作为该可靠性评估测试。
(d3)在160℃至350℃的范围内将该半导体晶片的表面内的温度分布控制在±2.0℃以内。
(d4)将该半导体晶片与该接触器放置在一种惰性气体环境以及由惰性气体与还原气体相混合的一种环境两者之中的一种环境内。
(d5)将氧气浓度调整到不高于100ppm。
熟悉技术的人员很容易发现其他的优点与修改方法。所以本发明在它更广泛的方面并不限于这里演示及说明的特定细节以及代表性实施例。
故而，可以进行各种修改而不偏离由所附权利要求以及它们的等价条款所定义的总体创造性概念的精神或范围。
附图说明
图1A与1B是表示按照本发明之实施例的一个可靠性评估测试装置的视图，其中图1A是一幅表示主体的视图，而图1B是一幅表示控制器的透视图；
图2是表示该主体在利用图1所示的可靠性评估测试装置进行晶片可靠性评估测试的状态下的一幅剖面图；
图3A与3B是表示按照本发明之实施例的一个接触器的视图，其中图3A是一幅剖面图，而图3B是一幅平面布置图；
图4是一幅表示按照本发明之另一个实施例的一个接触器的剖面图；
图5A与图5B是表示使晶片与接触器对齐的一个调准器的示例的视图，其中图5A是一幅表示该外形的透视图，而图5B是一幅表示固定机构的透视图；
图6是一幅侧视图，表示一个挤压件被一个晶片传送工具卡紧的状态；
图7A是一幅示意图，表示在该接触器与晶片通过图2所示的一个压力机构完全接触的状态下的一个侧面，图7B是一幅侧视图，夸张地表示了该接触器弯曲的状态；
图8A是一幅放大剖面图，表示在按照本发明的可靠性评估测试方法中使用的晶片的铜制互连内的一个电极衬垫部分，而图8B是一幅放大剖面图，表示在利用一台测试炉执行的传统可靠性评估测试方法中使用的晶片的铜制互连内的一个电极衬垫部分；
图9A与图9B是平面视图，表示晶片上要被用于电迁移测试的测试模式，其中图9A是一幅表示单端类型的视图，而图9B是一幅表示双端类型的视图；
图10是一幅曲线图，表示该电迁移测试过程中相对电阻的变化与测试时间之间的关系；
图11是一幅曲线图，表示该电迁移测试引起的累积故障；
图12是一幅曲线图，表示在利用脉冲DC电流进行的一项电迁移测试中所供应的一个电流的波形；
图13是一幅曲线图，表示利用AC电流进行的一项电迁移测试中所供应的一个AC电流的波形；
图14A至14C是表示一个主扩散通道与MTF之间的关系的示意图；
图15A是一幅表示临界长度测量结果的曲线图，而图15B是一幅表示MTF的容器长度关系的曲线图；
图16是表示晶片中的TTF与初始电阻分布的一幅示意图；
图17是表示MTF与σ对Juse的影响的曲线图；
图18A是一幅曲线图，表示由于电流变化所引起的一个Juse损耗，而图18B是一幅曲线图，表示由于该温度分布所引起的一个Juse损耗；
图19A至19D是表示一个BT测试(TDDB测试)中所用的测试模式示例的视图，其中图19A是一幅表示上层互连模式的平面图，图19B是图19A的一幅剖面图，图19C是一幅表示下层互连模式的平面图，图19D是图19C的一幅剖面图；
图20A至20E是表示制造符合该实施例的接触器的步骤的示意图；
图21A至21D是表示制造该接触器的步骤的示意图，紧接图20A至20E所示的步骤；
图22A至22D是表示制造接触器的步骤的示意图，紧接图21A至21D所示的步骤。
具体实施方式
下面将根据图1A至图22D所示的实施例来对本发明加以说明。符合该实施例的一个可靠性评估测试系统包括一个可靠性评估测试装置10和一个调准器50。可靠性评估测试装置10和调准器50可以通过一个通信网络连接以便进行数据通信。先说明符合该实施例的可靠性评估测试装置10，然后再说明调准器50。
如图1A、图1B与图2所示，符合这个实施例的可靠性评估测试装置10包括一个晶片存放单元12、压力机构13、加热机构14(图2)、测量单元15、测试器单元16、温度控制器17、测试器管理单元18、外壳19以及控制器20(图1B)。晶片存放单元12存放与接触器11(将在后面加以说明)(图3A与图3B)完全电气接触的晶片。压力机构13被放置在晶片存放单元12上以便对接触器11加压。加热机构14直接加热由压力机构13压在接触器11上的晶片。测量单元15测量由加热机构14加热的晶片的电气特性。测试器单元16产生测量单元15的一个测量信号并处理一个测量结果信号。温度控制器17控制该晶片的温度。测试器管理单元18控制测试器单元16。外壳19容纳上述器件。控制器20控制外壳19中的器件。可靠性评估测试装置10在温度、电流密度等加速变化的条件下评估该半导体晶片上形成的互连膜与绝缘膜的可靠性。如图1B所示，控制器20可以由一个台式计算机构成，并被安排得与外壳19相邻。举例来说，一个测试结果在该计算机的一个监视器屏幕20A上被显示为一幅晶片图(图16)。用鼠标20B或类似装置点击该晶片图上的任何一个器件，该晶片上这个器件的测试结果就能够立即被显示在监视器屏幕20A上。控制器20也具有与该调准器(将在后面加以说明)进行数据通信的功能，以便将该可靠性评估测试结果发送到该调准器。晶片存放单元12能够沿图1A中的一个箭头 a的方向、通过一个滑动机构21向/从外壳19插入/取出。举例来说，测量单元15可以包括一个电迁移(EM)测量单元15A与一个泄漏电流(BT)测量单元15B。测试器单元16的构造与这些测量单元15A与15B相对应。图2是可靠性评估测试装置10的结构之主体部分的一个示例。该测量单元也可以包括另一项测试项目的一个测量单元。
举例来说，如图2所示，晶片存放单元12可以包括一个台面22、绝热机构(圆筒)23、耐热连接环24以及布线板25。台面22由绝热绝缘材料制造。与接触器11完全电气接触的晶片W可以通过加热器29A与29B(将在后面加以说明)被安装在台面22上。绝热机构23由绝热绝缘材料制造并环绕台面22。耐热连接环24通过耐热接触端子(譬如弹簧插针)24A与接触器11电气接触。布线板25与连接环24电气接触并从测量单元15接收一个测试信号。晶片存放单元12能够可靠地使压力机构13做到让接触器11与晶片W完全电气接触。接触器11可以通过连接环24及布线板25被电气连接到测量单元15。
如图2所示，由耐热树脂(譬如硅树脂橡胶)制造的一个密封环26可以被放置在连接环24的外缘。当密封环26与接触器11电气接触时，就在晶片存放单元12内形成一个与外界隔离的空间。晶片存放单元12也可以包括一个对接触器11的外缘部分加压的加压机构27。加压机构27可靠地使接触器11与连接环24电气接触。举例来说，加压机构27可以由耐热材料(譬如陶瓷)制造，并包括一个第一环形部件27A、第二环形部件27B、耐热弹簧部件27C、臂形物27D以及一对气体弹簧(未画)。第一环形部件27A具有与接触器11的外缘部分吻合的形状。第二环形部件27B的大小与第一环形部件27A几乎相同。耐热弹簧部件27C被插在第一与第二环形部件27A、27B之间。臂形物27D与第二环形部件27B结合成一体，并在晶片存放单元12的后部通过一个铰链与晶片存放单元12相连。这一对气体弹簧支撑臂形物27D。由于这些气体弹簧的作用，用很小的力就可以开启/闭合第一与第二环形部件27A、27B。加压机构27可以具有一个锁定机构27E。锁定机构27E将第一与第二环形部件27A、27B固定到接触器11的外缘部分。因此，晶片存放单元12存放被结合到一起的接触器11与晶片W。由于压力机构13与加压机构27对接触器11加压，所以晶片存放单元12的内部就对外部环境隔热，从而这种隔离状态能够得以保持。
举例来说，如图2所示，台面22可以具有一对通过台面22垂直延伸的气体供应口与排放口22A、22B。惰性气体(譬如氮气)与/或还原气体(譬如氢气)通过气体供应口22A从一个惰性气体供应装置74提供。故而，在与晶片存放单元12内的接触器11与晶片W之间的接触部分相对应的、相当有限的最小空间中就形成了惰性气体环境或还原气体环境。排放口22B通过一个阀门75排放该惰性气体与/或该还原气体。供应一种还原气体最好通过在一种惰性气体中添加预定数量的一种还原气体来进行。如果在晶片存放单元12中的小空间内形成了惰性气体环境与/或原还气体环境，那么，就可以防止在晶片W上形成的、易于氧化的金属互连(譬如铜制互连)在高温下被氧化，或者可以使金属氧化物膜被还原。此外，该惰性气体与/或该还原气体的供应量可以被压缩到最小值。晶片存放单元12具有与外界隔离的结构。因此，当空气被惰性气体与/或还原气体取代时，氧气浓度就可以被降低，譬如说被降低到10ppm或更低，更特别地讲，被降低到1～5ppm，以便防止由铜制造的金属互连或衬垫的氧化。该氧气浓度由放置在晶片存放单元12内的常用的传统氧传感器(未画)加以检测。放置在外壳19中的一个氧气浓度测量单元28(图1)根据所检测到的信号计算该氧气浓度。所以与在先技术不同，在一个测试衬垫上不需要形成抗氧化的铝衬垫层。如果空气被还原气体所取代，那么在该测试前已经形成的任何金属氧化膜都可以被还原。因此，晶片W与接触器11能够可靠地保持电气接触。
如图1所示，压力机构13被直接固定在插入外壳19的晶片存放单元12上。如图1与图2所示，压力机构可以包括对接触器11加压的一个压力板13A、由金属制造而且其下端被连接到压力板13A之上表面的一个波纹管13B、被连接到波纹管13B的上端来支撑波纹管13B的一个支撑板13C以及被连接到支撑板13C并加以固定而且被悬挂在外壳19中的一个气缸机构13D。如图2所示，支撑板13C可以具有一个通孔13E。一个气体供应机构76从通孔13E供应压缩气体来增加由压力板13A、波纹管13B与支撑板13C构成的空间中的压力。一旦加压，波纹管13B就从由气缸机构13D支撑的支撑板13C向下延伸，以便通过压力板13A对接触器11加压。故而，接触器11的整块表面被均匀加压，从而使接触器11的凸起与晶片W的电极衬垫可靠地完全接触。如图2所示，一个辅助加热器29C(将在后面加以说明)可以被固定在压力板13A之下表面的中央。辅助加热器29C从接触器11这一侧加热晶片W。如上所述，加压机构27通过晶片存放单元12后面的一个铰链进行连接，并能够通过一个辅助机构(譬如气体弹簧)被自由地开启/闭合。在被结合到一起的接触器11与晶片W被放置到晶片存放单元12之后，加压机构27向前倾斜以便使第二环形部件27B与晶片存放单元12中的接触器11的外缘水平接触。结果，如图2所示，存放在晶片存放单元12内的接触器11的外缘部分就受到第二环形部件27B与锁定机构27E的挤压。
加热机构14可以具有一个对放在台面22上的晶片W从下表面侧进行加热的加热器29。加热器29均匀加热晶片W的整块表面。举例来说，加热器29可以由具有圆形、并被放置在台面22中心部分的第一加热器29A与具有环形、并环绕第一加热器29A的第二加热器29B组成。第一加热器29A加热晶片W的中央部分。第二加热器29B加热晶片W的外周部分。第二加热器29B也能补偿由晶片W的外周部分散失的热量。只要能够均匀加热晶片W的整块表面，那么加热器29可以具有任何形状。加热器29并非总是必须被划分为第一加热器29A与第二加热器29B。除了加热器29之外，加热机构14也可以具有圆盘形的、与接触器11上表面接触的辅助加热器29C。辅助加热器29C与加热器29一道更加可靠地将晶片W加热到预定的高温，并保持在该温度。如上所述，加热机构14直接从上、下表面来加热晶片W。由于要由加热机构14加热的加热空间相当有限，所以晶片W能够在一个短的时间内被加热到目标温度。此外，当晶片W被加热并被保持在160℃或更高温度时，更具体地讲，达到一个350℃的最高温度时，晶片W上的金属互连的电迁移与泄漏电流就能够在该高温下被精确测量。加热机构14最好实施控制以便将晶片W的整块表面均匀加热到160℃或更高温度，并同时使晶片W内的温度分布调整在±2.0℃之内。所以举例来说，如果用铜来作为互连材料，那么该互连及绝缘膜可以通过在高温与高电流密度的加速条件下进行该可靠性评估测试而被精确评估。
构成晶片存放单元12的布线板25延伸到外壳19的后侧(图2的右侧)。外连接端子15E被放置在延伸部分25A的上、下表面。另一方面，如图2所示，图1所示的EM测量单元15A与BT测量单元15B各自的连接板15C与15D被设计得能将该延伸部分25A夹在中间。连接板15C、15D由一个切换机构78带动而与延伸部分25A的上、下表面的外连接端子交替接触，以便在EM测量单元15A与BT测量单元15B之间交替切换。就是说，连接板15C与15D在EM测量单元15A与BT测量单元15B之间切换。测量单元15A与15B每个都可以由具有512个信道的板构成，以使512个器件能够被同时测量。
如图2所示，接触器11与晶片W能够通过一层各向异性导电膜31彼此完全接触。接触器11的凸起与晶片W的电极每个都最好具有圆形或多边形，或者由这些形状的组合构成的形状。一个凸起在间距方向上的最大长度最好等于或小于该晶片的电极衬垫的间距尺寸。每个凸起可以被做得具有一个大约75μm的直径。这些凸起可以被做得按中心计算具有一个大约120μm的间隔。另一方面，各向异性导电膜31具有弹性结构，所以即使接触器11的凸起与晶片W的电极衬垫具有水平差距，也能够忍受。各向异性导电膜31可以由四氟塑料树脂片31A与细镍颗粒团粒31B(譬如说，每个直径25μm)构成，团粒31B按照预定间隔(譬如说70μm)均匀排列在整块表面并顺四氟塑料片31A延伸，如图7A与7B所示。团粒31B是通过将细金属颗粒聚集到一起构成的。因此，当一个压力被施加到团粒31B时，就会使细镍颗粒成为压紧状态。所以，只通过在接触器11与晶片W之间插入各向异性导电膜31，接触器11的凸起与晶片W的电极衬垫就能够通过各向异性导电膜31彼此弹性地完全接触，从而两者就能可靠地进行电气连接。通常可以任意使用楔形配合(GoreMate)。参看图2、图7A与图7B，参考标号32表示由磁力材料(譬如铁基材料)制造的一个晶片固定装置。为使接触器11的凸起与晶片W的电极衬垫对齐，可以采用下面将要加以说明的一个调准器。
举例来说，如图3A与图3B所示，接触器11可以包括耐热片基11A、导体电路11B、多个凸起11C、为晶片W准备的连接衬垫部分11D、为该测试装置准备的另一个连接衬垫11E以及绝缘涂层11F。片基11A由材料(将在后面加以说明)制造。导体电路11B在耐热片基11A的上表面使用导电金属(譬如铜或铜合金)构成。多个凸起11C与导体电路11B整体制造。衬垫部分11E与排列在可靠性评估测试装置10的连接环24上的弹簧插针24A电气接触。绝缘涂层11F覆盖除了连接衬垫部分11D与连接衬垫部分11E之外的部分。接触器11能够适用于在160℃或更高的温度下进行可靠性评估测试。
绝缘涂层11F防止接触器11与晶片W之间产生任何不必要的电气接触。所以，可够保证接触器11与晶片W之间的稳定电气连接。耐热片基11A最好由热膨胀系数在高温下非常小的材料制造，譬如在160℃或更高的温度下热膨胀系数在接触器11的平面方向上为1～50ppm/℃的材料，最好为2～30ppm/℃。即使在160℃或更高的高温下，譬如说在350℃的高温下，耐热片基11A与晶片W的热膨胀系数也只有很小差别。所以，可够保持这种完全接触状态，可够可靠地保证该电气连接，而且能够可靠地进行该可靠性评估测试。举例来说，耐热片基11A可以用从耐热树脂(譬如聚酰亚胺或双马来酰亚胺三嗪树脂)、具有一种加强材料(如玻璃织物或碳纤维)的耐热树脂、金属(如铝、铜、不锈钢或不胀钢)、导电体(如硅)以及主要含有氮化铝或金刚砂的陶瓷之中选择的至少一种材料来制造。在采用两种以上的材料时，耐热片基11A可以通过适当组合这些材料来制造。对绝缘涂层11F的材料没有特别限制。举例来说，最好采用耐热树脂，譬如基于聚酰亚胺的树脂。为了可靠性评估测试，绝缘涂层11F只需要在除了电气连接部分之外的表面形成。如图4所示，可以根据耐热片基11A的类型在该表面形成一个绝缘层11G(譬如氧化硅膜)。
控制器20可以将晶片W的测试结果在该显示装置上显示为一幅晶片图(图16)。控制器20也能够通过一个数据通信线路将该测试结果发送到调准器50。
举例来说，该调准器具有图5A与图5B所示的结构。如图5A所示，调准器50包括一个存放晶片W并装载/卸载晶片W的负载室51以及一个与该负载室51相邻并使晶片W与接触器11对齐的调准室52。在该调准室中，晶片W与接触器11被对齐以使他们彼此完全接触。尽管没有画出，但在负载室51中还有一个传送机构(夹钳)与预调准机构(副卡盘)。晶片W从货架通过该夹钳被逐一传送。在该传送过程中，采用一个定向平面或缺口作为一个参考基准来在该副卡盘上对晶片W进行预调准。然后，晶片W通过该夹钳被传送到调准室52。
如图5A所示，顶板53被连接到调准室52以便自由地开启/闭合。一个开启/闭合驱动机构54移动顶板53，以使接触器11开启/闭合调准室52的上开孔。在顶板53的中央有一个直径比接触器11小的第一开孔部分53A。固定接触器11的4个固定机构53B环绕第一开孔部分53A被放置在顶板53的内表面上(在图5A中，顶板53由下向上开启)。举例来说，如图5B所示，每个固定机构53B都包括一个加压部件53D，该加压部件采用轴枢方式被安装到第一开孔部分53A周围相应的四个部分之一上形成的一个凹进部分53C之内，还包括一个气缸53E，被连接到最接近加压部件53D的部分。气缸54E按逆时针方向旋转加压部件53D，以便将放置在第一开孔部分53A上的接触器11固定到顶板53。
如图5A所示，在调准室52中，可够沿X、Y、Z与θ方向移动的一个主卡盘55被放置在顶板53之下。晶片W通过晶片固定装置32被放在主卡盘55上。主卡盘55通过一个X-Y平台56在X与Y方向上移动。主卡盘55包含一个旋转提升机构(未画)。该旋转提升机构在X-Y平台56上垂直移动该主卡盘，并在θ方向上前后旋转该主卡盘。负载室51中的夹钳将预调准后的晶片W移动到调准室52内预先已被安装到主卡盘55的晶片固定装置32。该晶片固定装置可以由磁力材料(譬如铁基合金)制造。晶片固定装置32被用来传送被晶片传送工具(将在后面加以说明)组合到一起的晶片W与接触器。
调准室52中可以放置一个调准机构(未画)。该调准机构具有一台固定在调准桥上的上摄像机以及一台固定在主卡盘55一侧的下摄像机。这些摄像机所检测到的图像被显示在一个显示装置57上。在显示装置57的显示屏上也显示一个触摸板，所以能够在该屏幕上操作该调准器。主卡盘55被移动时，晶片W上的电极衬垫由上摄像机检测。同时，主卡盘55被移动，附接到顶板53的接触器11的凸起(图3)由下摄像机检测。根据这个图像数据，晶片W上的电极衬垫与接触器11的凸起就会被对齐。举例来说，日本专利申请KOKAI出版号11-238767中建议的技术就可以被用来作为该调准技术。开启/闭合驱动机构54最好被设计得能在调准后对顶板53的开启/闭合进行重复操作的任何时候都可以精确地使接触器11与晶片W完全接触。
由与可靠性评估测试装置10的数据通信所发送的一个可靠性评估测试结果可以在显示装置57的显示屏上被显示为一幅晶片图(图16)。该测试结果在该晶片图上被显示为数值。测试后有缺陷的部分以及它们的状态可以通过该晶片图加以选择，而且这些有缺陷的器件可以利用一台显微镜79来观察。更具体地讲，在顶板53上制造一个与该第一开孔部分53A相邻的第二开孔部分53F。该显微镜(譬如说，具有2000×或更高的一个放大倍数)被安装在第二开孔部分53F的表面。放置在主卡盘55上的晶片W的每个器件都可以通过该显微镜加以观察。所以，在经由可靠性评估测试装置10加以测试的晶片W被安装到调准器50的主卡盘之后，来自可靠性评估测试装置10的测试结果就通过一条通信线路被发送到调准器50。该测试结果在显示装置57的显示屏上被显示为一幅晶片图。一个用于该测试的器件可以在该屏幕上加以选择。这个被测试器件通过操作主卡盘55而被移动到正好位于该显微镜之下的位置。由电迁移现象造成的空隙等可以在该晶片状态下利用该显微镜加以观察。如果利用一台带有透镜的CCD摄像机来作为该显微镜，那么晶片W上的每个器件都能够在显示装置57上加以观察。
按照上述方式由调准器50使其完全接触的晶片W与接触器11由一个晶片传送工具60传送到可靠性评估测试装置10。如图6所示，晶片传送工具60包括安排在外壳61中的一个磁路67、按照轴枢方式安装在外壳61上以便开启/闭合该磁路的一个操纵杆62以及在操纵杆62左右侧连接到该外壳的一对把手63。一块磁铁可以被用来代替该磁路。在这种情况下，该磁铁可以由操纵杆62在垂直方向上移动。如果在该晶片传送工具被从顶板53(图53A)的第一开孔部分53A放置到接触器11的状态下进行把手操作，那么磁路77就被激励。如图6所示，该磁路强烈吸引晶片固定装置32，所以接触器11、各向异性导电膜31以及晶片W就被组合到一起而不会有任何位置不齐。
本发明的可靠性评估测试方法的一个实施例将在下面参考图5A至图17、并结合可靠性评估测试系统的运行来加以说明。首先，接触器11的探针(譬如凸起)与晶片W的电极衬垫利用调准器50进行对齐。为此，顶板53被开启/闭合驱动机构54开启。接触器11从顶板53的内表面侧通过固定机构53B被附着到第一开孔部分53A。同时，晶片固定装置32被放置在主卡盘55上。然后，顶板53由开启/闭合驱动机构54闭合。然后，晶片W利用负载室51中的夹钳与副卡盘进行预调准，并被该夹钳放置在晶片固定装置32上。随后，晶片W上的电极衬垫与接触器11上的凸起利用X-Y平台56、旋转提升机构以及调准机构加以调准。调准结束后，顶板53被开启。各向异性导电膜31可以被放置在调准后的晶片W上。顶板53通过开启/闭合驱动机构来闭合调准室52的开孔部分。当主卡盘55向上移动到使接触器11的凸起与晶片W的电极衬垫能通过各向异性导电膜31完全接触时，就形成了包含晶片保持装置32在内的一个组合挤压件71。
此后，当操作员将晶片传送工具60从顶板53的第一开孔部分53A放到接触器11上并操作晶片传送工具60的操纵杆62来激励该磁路时，晶片固定装置32就被一个很强的磁力吸引而从接触器11这一侧分离，从而使接触器11、各向异性导电膜31、晶片W以及晶片固定装置32固定在一起而不会有任何位置不齐。顶板53通过释放固定机构53B来开启。此后，晶片传送工具60与挤压件71一起被从主卡盘55分离，被传送到可靠性评估测试装置10，并被安装到从装置10的外壳19抽出的晶片存放单元12的加热器29上。然后，当晶片存放单元12的加压机构27通过把手操作变倾斜时，晶片存放单元12内的接触器11的外缘部分就被压向密封环26并被固定(图2)。通过这种操作，晶片W通过晶片固定装置32暂时与台面22上的加热器29接触。当接触器11的外缘部分与连接环24上的密封环26弹性接触时，就形成与外界隔离的状态。此外，接触器11与连接环24的弹簧插针24A弹性接触，使得接触器11与连接环24电气接触。然后，操作晶片传送工具60的操纵杆62来使该磁路去磁。该挤压件被释放，晶片传送工具60从接触器11分离，而且晶片存放单元12被压入外壳19。
此后，控制器20(图1B)驱动压力机构13的气缸机构13D并通过通孔13E向波纹管13B供应压缩空气。经过这种注射后，气缸机构13D使压力板13A与波纹管13B向下移动。压力板13A之下表面上的辅助加热器29C被安装在加压机构27的内部。在压力板13A到达下端的状态下，压力板13A之下表面上的辅助加热器29C与接触器11接触。这时，如图7A所示，波纹管13B中压缩空气的压力使压力板13A通过辅助加热器29C挤压接触器11的中央部分，所以接触器11被均匀压向晶片W的整块表面。
来自压力板13A与加压机构27的压力使接触器11的凸起11C与在晶片W的多层互连73上形成的电极衬垫通过各向异性导电膜31电气接触。晶片W的多层互连73可以按照与绝缘膜74交叉叠置的结构来形成。这时，如图7B所示，接触器11可能变形并稍有起伏。如图7A与图2所示，波纹管13B中的压缩空气通过辅助加热器29C纠正接触器11的变形。采用这种纠正方法与各向异性导电膜31，接触器11的所有凸起与晶片W的所有电极衬垫就在均匀压力的作用下变得彼此完全电气接触。在该可靠性评估测试中，512个器件可以被同时测量。因此，与采用一台测试炉的传统方法相比，测试时间能够大幅度下降。
在上述实施例中，当在一段时间内(譬如大约30分钟)从气体供应口22A向晶片存放单元12供应惰性气体时，晶片存放单元12中的空气就从排气口22B排出，以便在晶片存放单元12中形成惰性气体环境。氧气浓度被降低到10ppm或更低，更具体地讲，降低到1～5ppm或更低。在这种氧气浓度下，电极衬垫与晶片W的金属互连的氧化能够被可靠地防止。因此举例来说，这些电极衬垫与金属互连就可以采用易于氧化的铜或铜合金来制造。举例来说，如图8所示，如果在晶片W上形成一个由铜或近来使用的铜合金制造的衬垫P，而且在该测试前已经经过了一段很长的时间，那么在衬垫P的表面会形成一层氧化膜。该氧化膜使电气连接变得很难。即使在这种情况下，如果惰性气体(譬如氮气)被预先供应到晶片存放单元12来形成惰性气体环境，那么晶片存放单元12中的氧气浓度会被降低到大约几个ppm。然后进行加热，接触器11与晶片W受到挤压，之间的电气连接就会得到改善。如果衬垫P的表面氧化相当严重，那么就将含有百分之几还原气体(譬如氢气)的一种惰性气体(譬如氮气)供应到晶片存放单元12并加热到200℃或更高。采用这种操作，衬垫P上的氧化膜就被该还原气体还原，衬垫P与接触器11之间的电气连接就会得到改善。这样，在获得接触器11与晶片W之间的令人满意的电气连接后，接触器11受到压力机构13的挤压。采用这种操作，接触器11与晶片W就能被可靠地电气连接，可靠性评估测试就能够进行。这时，该惰性气体(譬如氮气)或还原气体(譬如氢气)就从排气口22B排出。由于晶片存放单元12中的空间达到最小，所以该气体使用的用量可以被降到最低值。
如上所述，在这个实施例中，该可靠性评估测试能够以晶片形式进行。在利用一台测试炉的传统方法中的所有晶片切割过程及组装(包装)过程都可以被省略。结果，测试时间可以被缩短，而且测试成本被大幅度降低。特别是，在该组装过程中，很难将一根导线直接安装到由铜或铜合金制造的衬垫P上。因此，如图8B所示，在形成铝制的一个阻挡层B与一个衬垫层P1之后，必须安装导线L。但是在这个实施例中，如上所述，由于晶片存放单元12内的氧气浓度可以被降低到几个ppm，所以铝制的阻挡层B与衬垫层P1可以被省略。结果，测试成本可以被进一步降低。在该传统方法中，因为测试炉的密封性能总体较差，所以除了一个铝阻挡层之外，还必须有一个铝衬垫层。如果由铜或铜合金制造的衬垫部分在测试期间被氧化，就很难保证电气连接。
然后，加热机构14就开始运行。加热器29与辅助加热器29C的温度上升。加热器29与29C直接从上侧与下侧加热晶片W。这样，当晶片W被夹在中间并被加热器29与辅助加热器29C加热时，晶片W可以在一个短的时间内(譬如1小时内)被加热到目标温度(最高350℃)。此外，因为晶片存放单元12具有绝热结构，所以，由于晶片存放单元12的散热而引起的任何温度下降都能够被有效抑制。结果，晶片W可以很容易地被保持在该目标温度。加热器29可以由独立工作的第一与第二加热器29A与29B构成。即使热量从接触器11的外缘散失，外层的第二加热器29B也会可靠地补偿从接触器11的外缘部分散失的热量，并使晶片W的这个表面维持在该目标温度。在160℃到350℃的范围内，晶片W的温度分布的变化可以被抑制到±2.0℃或者更小。
如图2所示，如果要在高温下进行一项电迁移测试，就要使EM测量单元15A的连接板15C与布线板25的延伸部分25A的外连接端子接触。然后，EM测量单元15A同时进行晶片W中512个器件的电迁移测量。测试器单元16分析该测试结果。在这种情况下，通过将晶片W稳定地维持在350℃的高温，晶片W就可以被维持在这些器件的铜制互连中的金属原子的运动容易受到感应的状态。结果，该测试结果就能够在一个短的时间内获得，而且晶片W上的每个器件都可以在一个短的时间内加以评估。
在需要供应一个电流来进行电迁移测试时，符合这个实施例的EM测量单元15A能够供应三类电流，即一种DC电流、脉冲DC电流以及AC电流。利用一台测试炉的传统方法采用只供应一种DC电流、脉冲DC电流或者AC电流的方案。按照这个实施例的可靠性评估测试装置10，这单独一个装置就能够应付三种电流供应方案。
如果要供应这三种电流，可以采用在晶片W上形成的如图9A与图9B所示的测试模式来作为一种测试模式77。这些测试模式通常使用得最频繁。基本的测试模式包括图9A所示的一种单端型测试模式，对电子流而言在上游端有一个连接孔，还包括图9B所示的一种双端型测试模式，对电子流而言在上游与下游端都有一个连接孔。当电子由下层互连通过该连接孔流向上游互连时，采用图9A所示的单端型测试模式。通常，在一次加速度测试中采用0.5至2.0mA/cm2的电流密度。但是，测试金属互连的一个长度L需要被设置为一个不产生回流效应的长度。50μm或更长的一个互连长度就足敷使用，不过最好为100～200μm。该测试互连宽度通常随要被测试的器件或对象而变。在要被测试的互连周围，每侧可以排列10个虚拟互连，即一个器件的两侧可以排列20个虚拟互连。排列这些虚拟互连是为了获得一个目标互连宽度并同时在形成稀疏测试互连时避免平板印刷技术中的临近效应，而且也是要检测在电迁移测试时作为一种互连材料的金属是否从该互连中被挤出。在该测试中，这种挤出基本上采用四端测量来进行监测。
在要采用一个DC电流时，采用图9A所示的一种单端型测试模式。采用互连长度L被设定为100μm的互连。如果该测试互连用铜或铜合金制造，那么该测试温度最好为250℃到350℃。如果该测试互连用铝或铝合金制造，那么该测试温度最好为150℃到250℃。要被供应的一个电流的密度最好约为0.5到3mA/cm2以避免由于焦耳加热引起的任何温度上升。图10表示相对电阻值在采用图9A所示的测试模式时的变化。从图10可以明显看出，存在一个很长的、电阻值完全不增加的时间(潜伏期)，然后，该电阻值突然增加(增长期)。这时，电阻值增长到——譬如说——10％或20％的时间被定义为一个故障时间。图11表示采用同一个测试模式同时测试——譬如说——30个器件时的累积故障。在图11中，一个对数正态分布被用来作为一个统计分布。除了对数正态分布外，可靠性评估测试装置10也可以同时输出一个维泊尔(Weibull)分布与正态分布。参看图11，到达50％故障的时间被定义为MTF(平均故障时间)。线性近似的梯度的倒数就相应于电迁移中的变化。这两个值在预测LSI电迁移寿命中是非常重要的参数。
举例来说，在要采用一个DC脉冲电流时，就供应图12所示的一个脉冲DC电流。在这种情况下，该脉冲频率十分重要。举例来说，必须有大约50KHz到10MHz的脉冲频率。符合这个实施例的可靠性评估测试装置10就能应付这个频率。在采用一个脉冲DC电流的电迁移测试中，金属原子的运动模式中的一个跃迁的产生与该脉冲频率有关。到目前为止所报告的跃迁频率为100KHz到几个MHz。因此，这个实施例的可靠性评估测试装置10能够正常测量金属原子的运动模式。在要供应一个AC电流时，重要的是改变该频率以及占空率(ton/tcycle)，并同时如图13所示保持该频率的正区域与负区域面积具有相同的大小。这是因为它类似于一个LSI电路中经常出现的金属原子特性。
在对晶片形式的器件进行电迁移测试时，512个器件可以被同时测试。相反，在采用一台测试炉的传统方法中，最多只能测试大约100个器件。所以，在本发明的实施例中，测试能力要高4到5倍。此外，如果采用晶片W上设计的测试模式以及可靠性评估测试装置10的测试模式的分组功能，就可以立即有效地获得提高可靠性的技术开发所需的、很重要的数据，包括互连宽度关系(识别一条主扩散通路)(图14A至图14C)、临界长度(Lc：临界长度)(图15A)以及容器长度关系(图15B)。相反，在使用一台测试炉的传统方法中，必须在每次要测量每个数据时对每个包进行调整。这就使该测试非常繁琐，而且需要一个很长的时间才能获得一个结果。
此外，在对该晶片上形成的器件进行测试时，与可靠性确关的输出参数，譬如晶片W状态中的TFT分布或初始电阻值，可以被输出成图16所示的晶片图。因此，可够立即掌握该分布状态。举例来说，参考图16，用由双口显示的、该器件的输出结果表示图10所示的相对电阻值的变化。根据图11所示的累积故障分布，可以立即看出相对电阻值对时间的变化或者累积故障对时间的变化。因此，根据该测试结果，可以在一个短的时间内有效地获得对象中的数据。此外，测试器单元16能够在一个短的时间内有效地、精确地分析该数据。相反，在使用一台测试炉的传统方法中，如果器件在晶片切割后加以包装，就需要花费劳动作出标记来区分这些器件。这也可能导致标记错误。
在该电迁移测试之后，该测试结果可以由数据通信从可靠性评估测试装置10传送到调准器50。调准器50具有供调准用的一台摄像机与显微镜。因此，当被测试的晶片W被放置到校正室52、而且一个有缺陷的器件正由该调准机构对准到正对该显微镜下的位置时，就可以立即对一个故障——譬如由于电迁移引起的一个空隙——进行观察。此外，512个测试模式的观察结果可以被存储为图像。举例来说，如果在该晶片图上存在一个具有异常电阻特性的器件，那么该器件的图像就能够立即被显示在显示装置57的显示屏上。调准器50的摄像机在需要时能够以手动方式操作以便以高放大倍数来观察有缺陷的部分以及它周围的区域。如果预先指定要被提取的电阻特性或空隙位置，那么在该测试之后，就能够在空隙观察后由调准器50自动列出。相反，在使用一台测试炉的传统方法中，每个器件要从该包装中分离并用一台显微镜加以观察。这种观察需要大量的工作量及时间。
举例来说，在要进行该电迁移测试时，晶片W中的温度分布在160℃到350℃的范围内被控制在±2.0℃。该电迁移测试可以在温度与电流密度的加速条件下进行。作为测试结果，可以获得MTF与变化σ。在不同温度条件与不同电流密度条件下进行测试后，获得加速度参数Ea(激活能量)与 n(电流指数)。最后获得Juse(运行条件下的使用电流密度)。Juse最好尽量大。根据电迁移原理，数值 n在1(增长期分量)到2(潜伏期分量)的范围内。数值 n按照测试模式的形成精度或者按照一个器件被认为是一个缺陷器件的相对电阻变化率而变化。Ea是一个产生扩散的激活能量，由形成测试模式所用的材料及过程决定。数值Ea与 n按照晶片W而不按照可靠性评估测试装置10的性能来确定。相反，变化σ受可靠性评估测试装置10的性能影响。图17表示MTF与σ对Juse的影响程度。由图17可以清楚看出，变化σ的影响相当大。换句话说，如果σ较大，譬如0.5或更大，那么就观察不到MTF长度的影响。变化σ是因为晶片W(LSI制造过程)或可靠性评估参数装置10而产生的。由于可靠性评估测试装置10而引起的变化σ最好尽量小。由可靠性评估测试装置10产生的σ可以分为两类：由晶片W中温度分布引起的变化与由电流变化引起的变化。图18A与图18B分别表示由于电流变化所引起的一个Juse与由于温度分布(变化)所引起的一个Juse。从这些计算结果可以明显看出，由温度分布引起的损耗非常大。为防止这一点，可靠性评估装置10采用加热机构14在一个很小的空间内直接并均匀加热整个晶片W，从而即使在350℃的高温下也能将该温度分布限制在±2.0℃的范围内。因此，由可靠性评估测试装置10引起的变化可以受到很大限制，所以就能够可靠地进行一项电迁移测试。
如果除了上述电迁移测试外还要进行泄漏电流测量(偏置温度测试：BT测试)或TDDB(绝缘随时间失效)测试，那么就由该切换机构将EM测量单元15A的连接板15C切换到BT测量单元15B的连接板15D。采用这种切换，就能采用这单个装置来进行不同的测试。在本发明的实施例中，可以省略该传统组装过程。此外，可以同时测试许多器件。因此，测试成本可以下降，测试效率可以大幅度提高。
图19A至图19D表示在一项泄漏电流测试中所用的测试模式的示例。如图19A到图19D所示，这个测试模式本质上是与交叉指型模式不同的一种模式，而且是在互连之间排列的一种平面模式或互连模式。参看图19B与19D，阴影部分表示分别从由图19A与19C中的长短交替的虚线所指示的方向观察到的互连部分。图19C与图19D上的口表示朝向上层互连的接触孔。在该泄漏电流测试中，在保持晶片W处于预定温度的同时施加一个电压，而互连之间产生的泄漏电流中的变化则随时间加以监测。该泄漏电流达到预定值的时间是该样本发生故障的时间。与该电迁移测试一样，也画出了故障时间的分布。在该泄漏电流测试中，维泊尔分布令人满意地符合该特征寿命。
在这种测试中，也能像该电迁移测试一样同时测量许多器件，而且，与测试模式相应的测试结果能够加以分组。因此，可够同时获得多个测量数据，譬如电场的函数关系。如果在制造接触器11时将该电迁移测试与泄漏电流测试的衬垫设计在相同的接触器11中，就能够同时进行该电迁移测试与泄漏电流测试。不过，该电迁移测试与泄漏电流测试中的温度加速度被限制为相同的温度。如果对该电迁移测试与泄漏电流测试需要使用不同的温度加速度，就必须适当地选择使用可靠性评估测试装置10。
如上所述，在这个实施例中，存放与接触器11完全电气接触的晶片W的晶片存放单元12可以具有对接触器11加压的压力机构13以及对由压力机构13使其与接触器11完全接触的晶片W直接加热的加热机构14。因此，像电迁移测试或泄漏电流测试这样的一项可靠性评估测试可以对100个或更多器件进行，更具体地讲，对晶片上形成的512个器件进行。与传统方法不同，由于省略了将晶片W切割为器件的过程以及切割后组装每个器件的过程，所以测试成本能够下降。此外，可够在短的时间内有效地进行多种类型的可靠性评估测试。
晶片存放单元12可以具有其上放置与接触器11完全电气接触的晶片W的台面22、环绕台面22并与接触器11电气接触的连接环24以及与连接环24电气接触并支撑台面22的布线板25。采用这种结构，可使晶片存放空间最小。此外，晶片W的温度可以在一个短的时间内被上升到160℃或更高，更具体地讲是350℃。
压力机构13可以具有与接触器11接触的压力板13A、其一个下端被连接到压力板13A的金属波纹管13B、连接到波纹管13B的支撑板13C以及用于向这些部件供应空气的装置。采用这种结构，接触器11与晶片W之间的接触压力就能够被该空气压力控制到最佳压力。
密封环26可以被设计在连接环24上。密封环26与接触器11接触，从而在晶片存放单元内密封出与外部隔离的空间。此外，还提供一种用于向晶片存放单元12供应惰性气体(譬如氮气)的装置。采用这种结构，晶片存放单元12内的氧气浓度可以被降低到10ppm或更低，更具体地讲，被降低到1～5ppm或更低。结果，由于能够防止晶片W上形成的金属互连(譬如铜互连)被氧化，所以接触器11与晶片W就能够被可靠地电气连接，而且能够可靠地进行可靠性评估测试。在需要时，可以将还原气体(譬如氢气)加到该惰性气体中一道供应。即使金属衬垫受到相当程度的氧化，该氧化膜也能够被可靠地还原，接触器11与晶片W能够被可靠地电气连接，而且该可靠性评估测试能够被可靠地进行。
加热机构14使第一与第二加热器29A与29B加热晶片W的下表面侧，并使辅助加热器29C加热晶片W的上表面侧。采用这种结构，晶片W的两个表面就能够被直接从上、下侧加热，从而在一个短的时间内上升到目标温度(160℃或更高，更具体地讲，为350℃)。由于晶片存放单元12具有绝热隔离结构，所以该测试期间的温度可以被真正维持在该目标温度。此外，晶片W的整块表面上的温度分布能够被限制到±2.0℃或更小。所以，可够获得可靠地、几乎不受温度变化影响的结果。
可以设计EM测量单元15A、BT测量单元15B以及一个在测量单元15A与15B之间进行切换的切换机构。采用这种结构，就可以用这单个装置同时或交替进行该电迁移测试以及泄漏电流测试。因此，测试效率可以大为提高，而且测试成本也能够被降低。
这个实施例可以具备在该电迁移测试中供应三种电流的功能，即一个DC电流、脉冲DC电流及AC电流。采用这种结构，在这个实施例中，可以同时进行三类测试，而且测试时间大为缩短。此外，在这个实施例中，晶片W上形成的多种测试模式可以被分组。这个实施例具有对多个组中的5个或更多个组同时进行测试的分组功能。因此，由于能够通过一次测试获得与可靠性相关的多个参数，所以测试效率与数据分析效率能够大幅度提高。
在这个实施例中，接触器11可以具有耐热片基11A。在耐热片基11A的平面方向上的热膨胀系数可以是1～50ppm/℃。即使在160℃或更高(譬如350℃)的高温下，耐热片基11A与晶片W的热膨胀系数也只有很小差别。因此，可够可靠地保证接触器11与晶片W之间的电气连接。如果耐热片基11A由从耐热树脂(譬如聚酰亚胺或双马来酰亚胺三嗪树脂)、具有一种加强材料(如玻璃织物或碳纤维)的耐热树脂、金属(如铝、铜、不锈钢或不胀钢)、导电体(如硅)以及主要含有氮化铝或金刚砂的陶瓷之中选择的至少一种材料来制造，就能够保证热膨胀系数。此外，除了连接到晶片W的部分以及连接到连接环24的弹簧插针24A的部分之外，绝缘涂层11F可以覆盖其他部分。因此，可够防止接触器11与晶片W之间的任何额外接触，而且能够保证接触器11与晶片W之间的可靠电气连接。各向异性导电膜31可以被插在接触器11与晶片W之间。因此，接触器11的凸起能够可靠地与晶片W的电极衬垫电气连接。
这个实施例可以包括调准器50、晶片传送工具60以及可靠性评估测试装置10，调准器50使接触器11与晶片W完全接触，晶片传送工具60将在调准器50中彼此完全接触的接触器11与晶片W组合起来一道传送，而可靠性评估测试装置10则利用通过晶片传输工具60存放并被组合到一起的接触器11进行晶片W的可靠性评估测试。调准器50可靠地使接触器11的凸起与晶片W上的电极衬垫接触而将接触器11与晶片W组合成一个挤压件。然后，该挤压件通过晶片传送工具60被传送到可靠性评估测试装置10，而可靠性评估测试装置10能够可靠地执行该可靠性评估测试。可靠性评估测试装置10与调准器50可以被设计得能够进行数据通信。因此，在可靠性评估测试装置10中获得的测试结果可以被直接发送到调准器50。调准器50可以将该测试结果显示为一幅晶片图并加以使用。调准器50也可以具有一台被用来根据该测试结果观察晶片W的显微镜。因此，一个被测试器件可以在该晶片图上加以指定。对被指定器件的一个空隙等可以直接加以观察，并在以后被有效地用于过程开发。该观察图像既可以由调准器50加以存储，也可以由可靠性评估测试装置10加以存储。
在这个实施例中，晶片传送工具60可以具有磁铁。因此，调准器50可以将完全接触的接触器11、各向异性导电膜31以及晶片W组合成一个挤压件并加以固定。接触器11与晶片W可以被可靠地传送而不会出现任何位置不齐。
【实施例】
制造本发明的接触器的方法以及它的性能将参考图22A至图22D予以详细说明。
第一实施例
在该第一实施例中，将对制造图3所示的接触器11的一种情况进行说明。首先，喷射一种混合物并使其干燥来制备一种粒状混合物粉末，该混合物按重量计算包括100份具有0.6μm平均颗粒尺寸的氮化铝粉末、4份具有0.4μm平均颗粒尺寸的氧化钇粉末、12份丙烯酸树脂黏合剂以及20份酒精。这种粒状混合物粉末被充填到一个模具并被铸造成平板形状，以便获得一个铸件(生坯)。这个铸件在1,890℃与15MPa下被热压10个小时来获得具有一个5mm厚度的氮化铝烧结体。从该烧结体切割具有一个310mm直径的圆片状片基来获得图20A所示的耐热片基11A。在耐热片基11A的平面方向上的热膨胀系数为4.5ppm/℃。
然后，如图20B所示，用一个喷涂装置将铜喷涂到耐热片基11A的表面来形成具有一个5μm厚度的一层薄铜膜11B1。薄铜膜11B1被覆盖上一层薄膜101。薄膜101被曝光并被显影来形成抗蚀刻膜101，具有薄铜膜11B1部分地对其曝光的一个开孔101A(图20C)。然后，除了形成抗蚀刻膜101的部分之外，薄铜膜11B1都利用55℃的HF/HNO3水成溶液(HF/HNO3/水＝1/1/2)加以去除(图20D)。除去抗蚀刻膜100就形成由铜制成的一个导体电路11B(图20E)  。
然后，利用旋转喷涂方法向耐热片基11A的主表面(形成导体电路11B的表面)喷涂一种用于形成凸起的液体保护剂。该保护剂在一个160℃的温度下干燥20分钟来形成一层保护涂膜。该保护膜被曝光并被显影来形成一层保护镀膜102，如图21A所示，具有供凸起成形的开孔102A。在一个无电镀镍槽中从开孔102A在导体电路11B上镀镍11C1(图21B)。然后，如图21C所示，除去保护镀膜102以形成一个要被连接到晶片W的凸起11C。此外，在导体电路11B与凸起11C上形成一层镍镀膜103(图21D)。
此外，如图22A所示，粘度被调节到30Pa·s的光敏阳基环聚合物溶液被预先利用旋转喷涂方法喷涂到镍镀膜103与耐热片基11A的整块表面，并在一个160℃的温度下干燥20分钟来形成一个光刻胶膜104。然后，如图22B与图22C所示，将一个光刻遮幅框放置在光刻胶膜104上，该遮幅框在与凸起开孔位置相应的位置上具有一个实心圆。光刻胶膜104在一种400mJ/cm2的条件下接受UV光线照射来对光刻胶膜104进行曝光显影，从而形成一个用于连接晶片W的连接开孔104A。此外，如图22D所示，从开孔104A在凸起11C与导体电路11B上电镀一层稀有金属105(譬如金)。经过这一系列处理，就在耐热片基11A上形成导体电路11B与凸起11C。尽管图中未画，但是按照与那一系列处理相同的处理也形成了一个开孔部分，要与可靠性评估测试装置10的弹簧插针24A连接的连接衬垫部分11E就对该开孔曝光(图3A与图3B)。该凸起具有长方形状。在间隔方向的最大长度为75μm。
第二实施例2
在该第二实施计中将对图4所示的制造接触器11的一种方法加以说明。喷涂一种混合物并使其干燥来制备一种粒状混合物粉末，该混合物按重量计算包括100份具有1.1μm平均颗粒尺寸的金刚砂粉末、0.5份作为烧结助剂的碳化硼粉末、12份丙烯酸树脂黏合剂以及20份酒精。这种粒状混合物粉末被充填到一个模具并被铸造成平板形状，以便获得一个铸件(生坯)。这个铸件在2,100℃与17.6MPa下热压10个小时来获得由金刚砂构成的、具有一个3mm厚度的陶瓷片基。这块陶瓷片基被浸泡在1,500℃的熔融硅中以使该陶瓷片基浸透该硅溶液。从该陶瓷片基切割具有一个210mm直径的圆片形片基来获得混合物片基。在该混合物片基的平面方向上的热膨胀系数为3.6ppm/℃。一种玻璃糊状物(G-523N：Shoei化学公司供货)被涂在该混合物片基上。然后，将所得的构成物在600℃下烧结1小时以便在主要由金刚砂构成的混合物片基的表面获得一层具有一个2μm厚度的氧化硅膜11G，从而获得耐热片基11A(图4)。一个导体电路11B等就在耐热片基11A的主表面按照与前面所述的程序类似的程序形成。
更具体地讲，采用一个喷射装置将铜喷射到耐热片基11A的表面来形成一层具有一个5μm厚度的薄铜膜。该薄铜膜被覆盖上一层薄膜。该薄膜被曝光并被显影来形成该薄铜膜部分地对其曝光的一层抗刻蚀膜。然后，利用一种55℃的HF/HNO3水成溶液(HF/HNO3/水＝1/1/2)来除去形成该抗刻蚀膜的部分之外的薄铜膜。除去该抗刻蚀膜就形成由金属铜构成的导体电路11B。
然后，粘度被调节到30Pa·s的光敏阳基环聚合物的溶液被预先采用旋转喷涂方法涂在耐热片基11A的整个主表面，并在一个150℃的温度下干燥20分钟来形成一层由光敏阳基环聚合物的半硬化膜构成的树脂层。然后，将一个光刻遮幅框放置在该树脂层上，该光刻遮幅框在与晶片W的衬垫部分以及与连接到可靠性评估测试装置10的弹簧插针24A的连接衬垫部分11E相应的开孔位置上具有实心圆。该树脂层在一个400mJ/cm2的条件下接受UV光线照射来使该树脂层曝光并显影，从而形成要被连接到晶片W的连接开孔部分以及连接衬垫部分11E将会对其曝光的开孔部分，而连接衬垫部分11E则要被连接到可靠性评估测试装置10的弹簧插针24A。然后，该树脂层在250℃的温度下经120分钟被完全硬化，以便形成一个绝缘涂层11F。此外，采用一个镀金槽在每个衬垫部分形成一层具有一个0.03μm厚度的金层，以便获得图4所示的接触器11。
第三实施例
在该第三实施例中，一块含有玻璃织物的聚酰亚胺片基(在平面方向上的热膨胀系数为30ppm/℃)被用来作为该片基的材料。这块片基按照如下方法制造。一块玻璃织物被浸泡在聚酰亚胺树脂中。所得的构成物在80℃下干燥1小时以便像阶段B那样预准备预浸料坯。10个预浸料坯被放成一叠，将所得的构成物在7.8Mpa与120℃下加热并加压1小时。更具体地讲，采用一个喷涂装置将铜喷涂到该聚酰亚胺片基的表面来形成一层具有一个5μm厚度的薄铜膜。该薄铜膜被覆盖上一层保护剂膜(TOKYO OHKA KK供应的DF)。该保护剂膜被曝光并被显影来形成一层该薄铜膜部分地对其曝光的保护膜。然后，采用一种55℃的HF/HNO3水成溶液(HE/RNO3/水＝1/1/2)除去形成该抗蚀膜的部分之外的薄铜膜。除去该抗刻蚀膜就形成一个由铜制造的导体电路11B。
然后，粘度被调节到30Pa·s的光敏阳基环聚合物的溶液被预先采用旋转喷涂方法喷涂在聚酰亚胺片基的整个主表面，并在一个150℃的温度下干燥20分钟来形成一层由光敏阳基环聚合物的半硬化膜构成的树脂层。然后，将一个光刻遮幅框放置在该树脂层上，该光刻遮幅框在与晶片W的衬垫部分以及与连接到可靠性评估测试装置10的弹簧插针24A的连接衬垫部分11E相应的开孔位置具有实心圆。该树脂层在一个400mJ/cm2的条件下接受UV光线照射来使该树脂层曝光并显影，从而形成要被连接到晶片W的连接开孔部分以及连接衬垫部分11E将会对其曝光的开孔部分，而连接衬垫部分11E则要被连接到可靠性评估测试装置10的弹簧插针24A。然后，该树脂层在250℃的温度下被加热120分钟并被完全硬化，以便形成一个绝缘涂层11F。此外，采用一个镀金槽在通向晶片W的每个连接衬垫部分以及通向可靠性评估测试装置10的每个连接衬垫部分的表面形成一个金层。采用一个导线安装装置来形成金制的尖锥形的金凸起，从而获得一个接触器。
比较示例1
在比较示例1中，一种碳纤维被用来作为一种片基材料。举例来说，一种碳纤维(与Toray供应的T-300相应的一种产品：纤维直径：15μm)与苯酚树脂加以混合。所得的混合物在一个1,000℃的温度与一个19.6Mpa的压力下被热压，以便获得其平面方向上的热膨胀系数为0.9ppm/℃的碳片基来作为耐热片基。一种玻璃糊状物(G-523N：Shoei化学公司供货)被涂到该碳片基上。然后，所得的构成物在600℃下被烧结1小时，以便在该表面形成一层具有一个2μm厚度的氧化硅膜。
采用一个喷涂装置将铜喷涂到该耐热片基的表面来形成一层具有一个5μm厚度的薄铜膜。该薄铜膜被覆盖上一层保护剂膜(TOKYO OHKA KK供应的DF)。该保护剂膜被曝光并被显影来形成一层该薄铜膜部分地对其曝光的抗刻蚀膜。然后，采用一种55℃的HF/HNO3水成溶液(HE/RNO3/水＝1/1/2)除去形成该抗刻蚀膜的一个部分之外的薄铜膜。除去该抗刻蚀膜就形成一个由铜制造的导体电路11B。
然后，粘度被调节到30Pa·s的光敏阳基环聚合物的溶液被预先采用旋转喷涂方法喷涂在该耐热片基的整个主表面，并在150℃的温度下干燥20分钟来形成一层由光敏阳基环聚合物的半硬化膜构成的树脂层。然后，将一个光刻遮幅框放置在该树脂层上，该光刻遮幅框在与晶片W的衬垫部分以及与连接到可靠性评估测试装置10的弹簧插针24A的连接衬垫部分11E相应的开孔位置具有实心圆。该树脂层在一个400mJ/cm2的条件下接受UV光线照射来使该树脂层曝光并显影，从而形成要被连接到晶片W的连接开孔部分以及连接衬垫部分11E将会对其曝光的开孔部分，而连接衬垫部分11E则要被连接到可靠性评估测试装置10的弹簧插针24A。然后，该树脂层在250℃的温度下经120分钟被完全硬化，以便形成一个绝缘涂层11F。此外，采用一个镀金槽在通向晶片W的每个连接衬垫部分以及通向可靠性评估测试装置10的每个连接衬垫部分的表面形成一层具有一个0.03μm厚度的金层，从而获得一个接触器。
比较示例2
除了使用苯酚树脂板以外，比较示例2与比较示例1相同。该苯酚树脂片基是通过向一个用碳氟化合物制造的模具供应未硬化的苯酚树脂并在120℃下硬化该树脂来制备的。在这块片基的平面方向上的热膨胀系数为60ppm/℃。
对在上述实施例与比较示例中得到的接触器，在25℃与250℃下获得了晶片W与接触器之间的接触比。获得了表1所示的一个结果。根据表1所示的结果，实施例1、2与3中的接触器11展示出100％的接触比。这表示这些接触器能够在一个250℃的高温下使用。相反，比较示例1与2在类似室温的温度下展示出100％的接触比。但是，这些接触器不能在一个250℃的高温下使用。
                 表1
    25℃     250℃
    实施例1     100％     100％
    实施例2     100％     100％
    实施例3     100％     100％
    比较示例1     100％      50％
    比较示例2     100％      60％
本发明不受上述实施例的限制，这些构成部件的设计可以在本发明的精神与范围内适当变化。譬如说，如果压力机构13的压力板13A采用绝热材料制造，就能防止从接触器11的上表面散热，就可以不设计辅助加热器29C。在该实施例中，各向异性导电膜31被插在接触器11与晶片W之间。但是，如果接触器11的凸起与晶片W的电极衬垫能够彼此弹性接触，那么就可以不插入各向异性导电膜31。
本发明的接触器不限于上述实施例。任何具有其平面方向上的热膨胀系数为1～50ppm/℃的耐热片基的接触器都被编入该发明。此外，本发明的接触器也可以被用于可靠性评估测试以外的目的。
本发明效果
根据本发明，可够提供一种可靠性评估测试装置、可靠性评估测试系统、接触器以及可靠性评估测试方法，可够对晶片形式的半导体器件迅速、有效并可靠地进行可靠性评估测试，并大幅度降低该可靠性评估测试所需的工作量与成本。

Claims (31)

1、一种可靠性评估测试装置(10)，根据来自测量单元的测试信号测试半导体器件的可靠性，该装置包括测量单元(15)与存放单元(12)，该存放单元具有与外界隔离的绝热结构，存放与接触器完全电气接触的半导体晶片(W)，并向/从该测量单元发送/接收测试信号，该装置包括：
压力机构(13)，用于挤压该存放单元内的接触器；以及
加热机构(14)，将由该压力机构使其完全与该接触器接触的半导体晶片加热到预定的温度，
其中，该可靠性评估测试装置在加速条件下评估该半导体晶片上形成的多层互连(73)与绝缘膜(74)的可靠性。
2、按照权利要求1的可靠性评估测试装置，其中该存放单元(12)具有台面(22)、连接环(24)以及布线板(25)，该台面具有绝热结构，而且上面放置该半导体晶片，该连接环环绕该台面并与该接触器电气接触，该布线板与该连接环电气接触并向/从该测量单元发送/接收该测试信号。
3、按照权利要求2的可靠性评估测试装置，在连接环(24)上还包括密封部件(26)以及用于向该存放单元供应惰性气体与/或还原气体的装置(74)，该密封部件与接触器(11)接触以便在存放单元(12)中密封一个与外部隔离的空间。
4、按照权利要求1的可靠性评估测试装置，其中该压力机构(13)包括对该接触器加压的压力板(13A)、下端被连接到该压力板的波纹管(13B)、被连接到该波纹管上端并能够垂直运动的支架(13C)以及用于向由该压力板、该波纹管与该支架形成的空间供应气体的装置(76)。
5、按照权利要求1的可靠性评估测试装置，其中该加热机构(14)包括加热器(29)，从下表面侧均匀加热半导体晶片(W)的整块表面并被用作上述台面。
6、按照权利要求5的可靠性评估测试装置，其中该加热器(29)包括加热该半导体晶片中央部分的第一加热器(29A)以及环绕该第一加热器并加热该半导体晶片外缘部分的第二加热器(29B)。
7、按照权利要求5的可靠性评估测试装置，其中该加热机构(14)包括从上表面侧加该热半导体晶片的整块表面的辅助加热器(29C)。
8、按照权利要求1的可靠性评估测试装置，其中该测量单元(15)包括电迁移测量单元(15A)与泄漏电流测量单元(15B)。
9、按照权利要求8的可靠性评估测试装置，还包括在这两个测量单元之间交替切换的切换机构(73)。
10、按照权利要求8的可靠性评估测试装置，其中该电迁移测量单元(15A)包括供应三类电流的功能，这三类电流包括DC电流、脉冲DC电流以及AC电流。
11、按照权利要求1的可靠性评估测试装置，其中多个测试模式(77)在该半导体晶片上形成，而且该装置包括将这多个测试模式分组、并同时对不少于5组进行可靠性评估测试的测试模式分组功能。
12、按照权利要求1的可靠性评估测试装置，还包括在该接触器与该半导体晶片之间的各向异性导电膜(31)。
13、按照权利要求1的可靠性评估测试装置，其中该测量单元同时对该半导体晶片上形成的不少于100个半导体器件进行可靠性评估测试。
14、按照权利要求1的可靠性评估测试装置，其中该存放单元(12)包括将该半导体晶片维持在不低于160℃的温度的绝热结构(23)。
15、按照权利要求1的可靠性评估测试装置，其中该接触器包括耐热片基(11A)，而且该耐热片基的热膨胀系数为1～50ppm/℃。
16、一种可靠性评估测试系统，包括：调准器(50)，使接触器与半导体晶片完全接触；传送工具(60)，传送由该调准器保持彼此完全接触的接触器与半导体晶片；以及权利要求1的可靠性评估测试装置，对由该传送工具传送的半导体晶片进行可靠性评估测试。
17、按照权利要求16的可靠性评估测试系统，允许在该调准器与该可靠性评估测试装置之间进行数据通信。
18、按照权利要求16的可靠性评估测试系统，其中该调准器包括一台根据该半导体晶片的测试结果来观察该半导体晶片的显微镜(79)。
19、按照权利要求16的可靠性评估测试系统，其中该传送工具(60)包括用于将该接触器与该半导体晶片组合成一体的磁铁(67)。
20、按照权利要求16的可靠性评估测试系统，其中该传送工具(60)包括一条磁路(67)以及用来开/关该磁路的切换装置(62)，而且该切换装置对该磁路进激励/消磁来使该传送工具吸引/释放该接触器与该半导体晶片。
21、一种接触器，包括具有1～50ppm/℃热膨胀系数的耐热片基(11A)以及在该耐热片基上形成的导体电路(11B)，而且被用来在不低于160℃的温度下执行可靠性评估测试。
22、按照权利要求21的接触器，其中该导体电路包括一个凸起(11C)。
23、按照权利要求21的接触器，其中该耐热片基用从耐热树脂、金属、半导体以及陶瓷中选择的至少一种材料来制造。
24、按照权利要求21的接触器，其中绝缘涂层(11F)在表面上除了执行该可靠性评估测试时进行电气连接的部分之外的部分形成。
25、在半导体晶片与接触器彼此完全电气接触的状态下，对该半导体晶片执行不同可靠性评估测试的一种可靠性评估测试方法。
26、通过挤压彼此完全电气接触的半导体晶片与接触器、将该半导体晶片加热到不低于160℃并使该半导体晶片导电来对该半导体晶片进行可靠性评估测试的一种可靠性评估测试方法。
27、按照权利要求25的可靠性评估测试方法，其中该可靠性评估测试同时对该半导体晶片上的不少于100个半导体器件进行。
28、按照权利要求25的可靠性评估测试方法，其中一项电迁移测试与/或一项泄漏电流测被试作为该可靠性评估测试加以执行。
29、按照权利要求25的可靠性评估测试方法，其中该半导体晶片的表面上的温度分布在160℃到350℃的范围内被控制在±2.0℃之内。
30、按照权利要求25的可靠性评估测试方法，其中该半导体晶片与该接触器被放置在惰性气体环境以及由惰性气体与还原气体混合的环境两者之中的一种环境内。
31、按照权利要求30的可靠性评估测试方法，其中该环境内的氧气浓度不高于100ppm。
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