JP2002329759A - 半導体評価装置及び半導体装置の評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体装置の信頼性評価を高速に多数個同時
に行うことが可能な半導体評価装置及び半導体装置の評
価方法を提供する。 【解決手段】 開口部３周囲に設けられ、被評価半導体
ウエハーの複数のパッドにそれぞれ１対１で接続される
複数の接続パッド４と、外周部に設けられ、試験用信号
が入力されるピン２と、前記接続パッド４と前記ピン２
とを接続する配線５とを有する半導体評価装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の評価
に係り、特に半導体装置の信頼性評価等に使用される半
導体評価装置及び半導体装置の評価方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置は、その開発過程や量産工程
において、試作、製造された状態で、その製品寿命を評
価する必要があり、通常種種の環境下に半導体装置を置
いて、その信頼性評価を行っている。従来の半導体装置
の信頼性評価では、長時間を要するものは、半導体チッ
プをパッケージにアッセンブリを行って評価を実行して
いた。また、ウエハー状態で評価するものに関しては少
チャンネルごとにプローブを用いて評価していた。

【０００３】ここで、ＥＭ（エレクトロマイグレーショ
ン、Elecromigration：配線に高温、高電圧を掛けて、
抵抗変動を確認する信頼性評価。配線中を流れる電子が
熱的に活性化された金属イオンと運動量の交換を行い、
金属イオンを徐々にプラス電位方向に押しやるためにボ
イド（空孔）が発生し、局所的な電流密度の増大のため
に断線に至る現象で、長時間の配線の通電寿命を決め
る。）などの評価は高温（２５０〜３５０℃）で長時間
の評価（５００〜１０００時間）が必要であるため、ウ
エハーでの評価は不可能であった。そのためパッケージ
にアッセンブリして試験を行っていたのであるがパッケ
ージングには非常に多くのコストと時間が必要であっ
た。

【０００４】ＥＭでは、半導体の寿命に相当する抵抗変
動の発生までの期間が１０年以上であることを確認して
いる。そのため、試験電流を多く流して、試験温度を高
くすることで、加速試験を行っている。

【０００５】例えば、１０年間の寿命を持つ配線が壊れ
るまで、３００〜１０００時間を要する。余りに大きく
加速すると実使用の条件から大きく外れてしまうため、
試験時間をこれ以上短くすることができない。

【０００６】また、ＴＤＤＢ（Time Dependence Diel
ectric Breakdown：酸化膜に高電圧を掛けて、破壊を確
認する時間依存性信頼性評価試験）、ＨＣＩ（Hot Carr
ierInjection：高温又は低温にてトランジスタに高電圧
を掛け、閾値やドレイン電流の変動を確認する試験）な
どの評価時間が短い評価に関しても、より精度の高いデ
ータを出すために多くのサンプルデータを必要とするこ
とから、ウエハーでの少チャンネル評価では非常に長い
時間がかかっていた。ＴＤＤＢやＨＣＩでは、被検査対
象の１から４つの素子をウエハー上で、評価を行ってい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の半
導体装置の評価においては、以下の課題が生じる。

【０００８】従来の信頼性評価では、ＴＤＤＢやＨＣＩ
のようにウエハー状態で評価を行う場合、プローブカー
ドを用いているために、少チャンネルでしか一度に評価
を行うことはできなかった。プローブカードは針を用い
ていて、その針をウエハー上のパッドにつないでパッド
に接続されたチップの評価を行っている。ウエハーのパ
ッドに針を正確に当てるのは困難であり、位置合わせに
も時間を要していた。

【０００９】ここで、数多くの針をプローブカードに搭
載して、それぞれの針を正確にウエハー上のパッドに接
続することは非常に困難であるため、少ないチャンネル
で一度に評価を行っている。そのため、たとえウエハー
状態での評価ができてもその評価の効率は劣っていた。

【００１０】また、高温での評価を行う場合、プローブ
カードに備えられた針が伸び縮み現象を起こし、１２５
℃程度の温度まででしかプローブカードを用いた評価を
行えなかった。

【００１１】さらに長時間での評価が必要な場合、プロ
ーブカードを用いた評価ではそのチャネル数が少ないた
め、評価装置のスループット(throughput)を考慮すると
実用化は現実的ではない。

【００１２】ＥＭやＢＴ（Bias and Temperature Tes
t：トランジスタの高温高電圧での閾値変動を確認する
信頼性評価試験）は、被検査対象のウエハーをダイシン
グして、パッケージングしてから評価を行っている。す
なわち、被検査対象のチップだけをテスト用のセラミッ
クのパッケージに載せて、配線を施し、アセッンブルを
行う。このアセッンブルには１つの被検査対象のチップ
あたり、２週間などの長時間を要し、高額な金額を要し
てしまい効率が良くなかった。

【００１３】このように従来の半導体装置の評価装置
は、多チャンネル評価ができるものはパッケージにアッ
センブリを行っていて、一方、ウエハー状態のままで評
価するものに関しては少チャンネルでしか一度に評価す
ることができず、高温、長時間の評価を行うことが非常
に難しかった。

【００１４】本発明の目的は以上のような従来技術の課
題を解決することにある。

【００１５】特に、本発明の目的は、半導体装置の信頼
性評価を高速に多数個同時に行うことが可能な半導体評
価装置及び半導体装置の評価方法を提供することにあ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の特徴は、開口部周囲に設けられ、被
評価半導体ウエハーの複数のパッドにそれぞれ１対１で
接続される複数の接続パッドと、外周部に設けられ、試
験用信号が入力されるピンと、前記接続パッドと前記ピ
ンとを接続する配線とを有する半導体評価装置である。

【００１７】本発明の第２の特徴は、被評価半導体ウエ
ハー表面に高温対応基板を装着する工程と、前記被評価
半導体ウエハー表面の被評価パッドと前記高温対応基板
上の接続パッドとを接続する工程と、前記高温対応基板
に接続された被評価半導体ウエハーを評価に必要な温度
に設定する工程と、前記高温対応基板を介して前記被評
価半導体ウエハーに試験用信号を与える工程とを有する
半導体装置の評価方法である。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に，図面を参照して、本発明の
実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同
一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付してい
る。ただし、図面は模式的なものであり，厚みと平面寸
法との関係、各層の厚みの比率等は、現実のものとは異
なる。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌
して判断すべきものである。また、図面相互間において
も互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれてい
る。

【００１９】（第１の実施の形態）本発明にかかる第１
の実施の形態にかかる半導体評価装置及び半導体装置の
評価方法を、図１乃至図７を用いて説明する。

【００２０】図１には、円盤状の高温対応基板１の上面
図が示される。この高温対応基板１上面の外周部には多
数個のピン２が形成されている。このピン２は例えば約
５００個形成されている。高温対応基板１には、複数個
の開口部３が設けられている。ここでは、６個の開口部
３が設けられている。この開口部３は、一方向に長い形
状となっていて、それぞれが互いに平行な長手の辺を有
している。

【００２１】各開口部３の長手辺には、多数のパッド４
が形成されている。このパッド４はピン２と同数で、例
えば５００程度形成される。このパッド４は金などから
形成されている。

【００２２】各パッド４と各ピン２は互いに１対１で配
線５を介して接続されている。この配線５は金などから
形成されている。この図１では、配線５はその一部のみ
が図示されているが、実際にはすべてのパッド４とすべ
てのパッド２を１対１で接続している。

【００２３】高温対応基板１は、例えばセラミックなど
から形成されている。

【００２４】この高温対応基板１を用いて半導体装置の
評価が行われる。評価の際には、評価対象であるウエハ
ー上に高温対応基板１が搭載される。ウエハーから直接
高温対応基板１上のパッド４にボンディングがなされ
る。ここで、高温対応基板１に設けられた開口部３は、
各ウエハーの半導体チップの配置に応じて位置合わせを
自由に行えるように一方向（ここでは縦方向）に長い形
状となっている。

【００２５】縦方向にウエハーのパッドとの位置合わせ
をおこなって、ボンディングを行うことができる。ウエ
ハー６と高温対応基板１とは、多数箇所でのボンディン
グによって互いに機械的に接続され、その位置関係のず
れが生じることが防止される。

【００２６】図２には、本実施形態の評価装置の外観の
側面概念図が示されている。

【００２７】高温対応基板１の裏面に半導体ウエハー６
が密着されている。半導体ウエハー６はウエハー受け７
上に搭載されている。ウエハー受け７は、３５０℃程度
の高熱を半導体ウエハー６に与える必要があるため、銅
などの熱導電性の高い材料が用いられる。

【００２８】このウエハー受け７の上表面には突起８が
設けられていて、ウエハーの位置ずれを防止している。

【００２９】ウエハー受け７の突起８の外周にはウエハ
ー緩衝材９が搭載されていて、高温対応基板１とウエハ
ー受け７とが直接接触することを防止している。

【００３０】ウエハー受け７は温度制御装置１０の上に
搭載されている。このようにウエハー６をウエハー受け
７を介して温度制御装置１０と接触させることで、ウエ
ハー６に低温、高温ストレスをかけることが可能とな
り、ウエハー６の温度制御が行える。

【００３１】ここで、温度制御装置１０は熱板を用い、
温度制御を行うオーブンである。本実施の形態では、ウ
エハーを熱板で直接暖めたり、冷やすことができる。冷
やす場合には、冷媒を用いて冷却を行う。

【００３２】バネ１１でカバー１２から吊り下げられた
プロ−バ１３の下面には、複数の接続パッド（図示せ
ず）が設けられていて、高温対応基板１のピン２と互い
に１対１で接続されている。すなわち、高温対応基板１
のピン２とプロ−バ１３の接続パッドとは同数個となっ
ている。バネ１１によって、プロ−バ１３の上下方向の
位置は弾力性が持たされているので、適切な位置で高温
対応基板１のピン２とプロ−バ１３の接続パッドとの接
続がなされる。

【００３３】プロ−バ１３内には配線１４が組み込まれ
ていて、プロ−バ１３下面上の接続パッドと接続されて
いる。配線１４はカバー１２を貫いて、評価装置外部の
ストレッサー(Stressor)（図示せず）と接続されてい
る。このように電気的な接続がストレッサーとウエハー
６との間でなされることで、電流、電圧ストレス、電
圧、電流測定が可能となる。ウエハー６下に接続されて
いる温度制御装置１０により高温、低温の温度ストレス
をウエハー６にかけることができる。

【００３４】このカバー１２で囲われた半導体評価装置
１５内は、窒素でパージされる。半導体評価装置１５
は、外部環境とは温度が遮断されていて、評価に必要な
温度が得られる。

【００３５】このように、高温対応基板１とストレッサ
ーを接続することにより、電圧または電流ストレスを直
接ウエハー６内のテストエレメント（Test Element Gro
up）にかけることができ、同時に電圧、リーク電流等の
測定も可能となる。ここで、ストレッサーはＥＭの際に
使用する場合、電流源が該当する。さらに測定器も含ま
れ、電圧測定器が存在する。

【００３６】さらにストレッサーはＴＤＤＢ、ＨＣＩ，
ＢＴの際に使用する場合、電圧源が該当し、測定器とし
て電流測定器が含まれる。

【００３７】次に、図３を用いて、高温対応基板１、半
導体ウエハー６、及びウエハー受け７の接続を説明す
る。図３（Ａ）には、ウエハー受け７の突起８で囲まれ
た領域上に、ウエハー６にボンディングワイヤー１６で
接続された高温対応基板１を移動した状態の側面図が示
される。ここで、矢印に示される方向へウエハー６及び
高温対応基板１が移動される。

【００３８】この後で、図３（Ｂ）に示されるように、
ウエハー受け７上にウエハー６及び高温対応基板１を搭
載する。高温対応基板１はその外周部の下部面がウエハ
ー受け７上のウエハー緩衝材９上に搭載される。半導体
ウエハー６はその下部面がウエハー受け７上面に直接搭
載される。

【００３９】次に高温対応基板１と半導体ウエハー６の
接続形態を図４を用いて説明する。図４（Ａ）には、半
導体ウエハー６上に高温対応基板１を搭載し、ボンディ
ングワイヤー１６で接続がなされた状態の上面図が示さ
れている。半導体ウエハー６は、高温対応基板１よりも
その大きさが小さく形成されていて、上面図では開口部
３以外では、その上面は現れていない。

【００４０】高温対応基板１の開口部３には、その開口
の大きさに応じた個数の半導体チップ１７が露出してい
る。

【００４１】この図４（Ａ）中で、“Ｃ”で示される領
域の拡大図が図４（Ｂ）に示される。半導体チップ１７
表面にはパッドが複数個設けられている。開口部３に露
出したＴＥＧ（Test Element Group）パッド１８とその
周囲近辺に設けられた高温対応基板１上のパッド４とが
ボンディングワイヤー１６で接続されている。この高温
対応基板１上のパッド４は配線５に接続されている。ボ
ンディングワイヤー１６はアルミニウムなどを用いてい
る。

【００４２】図５には、ウエハー受け７が示される。図
７（Ａ）には、その上面図、図７（Ｂ）には、図７
（Ａ）の“Ｄ−Ｅ”線上での断面図が示される。このウ
エハー受け７は、その上に搭載するウエハー６よりも十
分に大きい大きさの円盤状形状となっている。その表面
には、ウエハー６のずれを防止する突起８が設けられて
いる。この突起８は、ウエハー６の形状にほぼ対応する
ようなリング形状となっていて、ウエハー６の位置ずれ
を防止する機能を有する。図５（Ａ）に示されるように
位置合わせマーク１９がその表面に形成されていて、ウ
エハー６を搭載する際に、ウエハーのノッチとの位置合
わせが行える。

【００４３】次に、図６には、ウエハー６の上面図が示
されている。ウエハー６の外周部以外の領域には多数個
の半導体チップ１７が形成されている。このウエハー６
の外周部の一箇所には位置合わせ用のノッチ２０が形成
されている。このノッチ２０とウエハー受け７の位置合
わせマーク１９とが一致するように、ウエハー６はウエ
ハー受け７の上に搭載される。

【００４４】次に、図７にはウエハー緩衝材９の上面図
が示される。このウエハー緩衝材９はリング状であり、
ウエハー受け７よりも若干小さめの径を有している。こ
のウエハー緩衝材９は、ウエハー６をはさみ固定するこ
とから、ウエハー６を壊さないため十分な弾性を持った
ものが望ましい。また、ウエハー６には高温ストレスを
かけることから、ウエハー緩衝材９には、断熱性の高い
ものを用いるとよい。

【００４５】８インチや１２インチなどウエハーサイズ
の異なるウエハーを評価する場合、それぞれのウエハー
の大きさに応じた大きさの高温対応基板を用意すること
で、様様な大きさのウエハーの評価を容易に行うことが
可能である。

【００４６】この装置を用いれば従来１ウエハーからは
同時に８個のＴＥＧ程度のみしか評価ができなかったの
に対し、１ウエハーから１００個のＴＥＧ以上もの評価
を同時に行う事が可能である。１００個のＴＥＧを評価
し、各ＴＥＧについて５端子を評価することができ、５
００チャンネルの評価が可能である。

【００４７】本実施の形態は、ウエハー信頼性評価であ
ることからアッセンブリする必要が無いためパッケージ
ングによるコスト、時間の削減が可能となる。従来で
は、ＥＭ，ＢＴなどの評価に先立ちパッケージングを行
うことが必要であったが、パッケージングには、１つの
半導体チップにつき、２週間ほどの時間を要していた
が、本実施の形態による高温対応基板と半導体ウエハー
とのボンディングに時間はそれを約１０００分の１近く
の時間に短縮できる。

【００４８】多チャンネルの一斉評価が可能になること
から、より精度のあるデータを短時間で得ることができ
る。

【００４９】さらに、本実施の形態によれば、針を用い
ていないことから２５０℃から３５０℃の高温での評価
を行うことが可能である。

【００５０】ストレッサーをウエハーへ接続することが
容易であることから、一つの評価装置でＥＭ、ＴＤＤ
Ｂ、ＨＣＩ、ＢＴ等の多数の信頼性評価を一つの装置で
行え、図２に示された構成以外にはストレッサー以外の
装備を一切必要としないので、少スペース化も図ること
が可能となる。

【００５１】次に、本実施の形態における半導体装置の
評価方法を説明する。

【００５２】まず、図１に示される構成を有する高温対
応基板１を準備する。次に、被評価ウエハー６表面上に
高温対応基板１を装着する。この際、被評価半導体チッ
プ１７のＴＥＧパッド１８が高温対応基板１の開口部３
に露出するように位置合わせを行って、ウエハー６の上
面に高温対応基板１の下面を接触させる。ここで、開口
部３は、複数の半導体チップ表面を露出するように複数
個設けられている。

【００５３】次に、図４（Ｂ）に示されるように、前記
被評価ウエハー６表面の複数の半導体チップ上の複数の
ＴＥＧパッド１８と高温対応基板１上の接続パッド４と
を１対１の関係となるようにワイヤーボンダーを用いて
ボンディングワイヤー１６で接続する。この際、位置を
マニュアル設定できるオートボンダーを用い評価対象物
をボンディングする。このようなボンダーを用いると効
率的にボンディングが行える。

【００５４】次に、図３（Ｂ）に示されるように被評価
ウエハー６及び高温対応基板１をウエハー受け７に搭載
する。ここで、ウエハー受け７は、ウエハー６の余計な
動きを抑制するために設けられている。

【００５５】次に、図２に示されるようにウエハー受け
７上に搭載されたウエハー６及び高温対応基板１を温度
制御装置１０上に搭載する。そして、バネの弾性状態を
調整してプロ−バ１３のパッドと高温対応基板１上のピ
ン２を接続する。温度制御装置１０、高温対応基板１、
ウエハー６などはカバー１５で覆われた空間内に配置さ
れ、外の雰囲気と遮断されていて、保温が図られてい
る。

【００５６】次に、ウエハー６上の各パッド表面が酸化
することを防止するために窒素パージを行う。

【００５７】次に、温度制御装置１０を制御して評価に
必要な温度になるまで、ウエハー６の加熱を行う。又
は、場合により、必要な温度まで冷却を行う。

【００５８】次に、ストレッサーから試験用の所定電
圧、電流の試験信号を接続ケーブル１４、高温対応基板
１を介してウエハー６のＴＥＧパッド１８に加えて、電
圧、リーク電流の測定を行って試験を開始する。

【００５９】本実施の形態によれば、すべての評価をウ
エハーにて行うことができ、さらに１ウエハーあたり約
１００素子程度の多チャンネルの評価を一斉に行うこと
ができる。

【００６０】従来のウエハー状態でプローブカードを用
いて、半導体チップごとに評価を行っていた場合と比べ
て、本実施の形態では約３０倍のチャンネル数で評価を
行うことができる。さらに従来よりも約３００時間程度
は評価時間を短縮することができる。

【００６１】本実施の形態では、従来の半導体装置の評
価の際、ウエハー評価で必要なプローブカード、パッケ
ージ評価で必要とされるパッケージが不要となり、低コ
スト、短時間での評価が可能である。

【００６２】本実施の形態の半導体装置の評価方法を用
いることで、事前に高温対応基板を用意しておけば、半
導体ウエハー内の被評価半導体チップの被測定用パッド
と高温対応基板上のパッドとをワイヤーで接続してテス
ト環境を準備するには数時間もあれば可能であり、半導
体装置開発過程で、早期に半導体装置のテストを実行で
きる点で開発スピードを向上できる。

【００６３】さらに、半導体装置の量産工程で、抜き取
り検査を行う場合において、効率良く評価が行え、量産
効率を向上できる。

【００６４】ここで使用される高温対応基板は、その構
成材料などを適宜、選択することで、複数回の評価を同
じ高温対応基板を用いて繰り返し行うことができる。こ
のように同一の高温対応基板を複数回用いることで、コ
ストの削減も図られる。

【００６５】（第１の実施の形態の変形例）第１の実施
の形態においては、高温対応基板１はウエハー受けにウ
エハー緩衝材９を介して、搭載されていたが、必ずしも
ウエハー緩衝材９は用いる必要はない。ウエハー緩衝材
９を用いない場合、高温対応基板１はウエハー受け７に
対して、間に被測定ウエハー６を介在させて、ウエハー
６と接触していない、その外周部において、ねじなどを
用いて接続される。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、半導体装置の信頼性評
価を高速に多数個同時に行うことが可能な半導体評価装
置及び半導体装置の評価方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施の形態における高温対応基板の上
面図。

【図２】 第１の実施の形態における半導体評価装置の
側面図。

【図３】 （Ａ）は、第１の実施の形態におけるウエハ
ー受け上に位置合わせされたウエハー及び高温対応基板
の側面図であり、（Ｂ）は、第１の実施の形態における
ウエハー受けに搭載された状態のウエハー及び高温対応
基板を表す側面図。

【図４】 （Ａ）は、ウエハー上に搭載された状態の高
温対応基板を表す上面図であり、（Ｂ）は、図４（Ａ）
における“Ｃ”の部分の拡大断面図である。

【図５】 （Ａ）は、ウエハー受けの上面図であり、
（Ｂ）は図５（Ａ）における“Ｄ−Ｅ”線上での断面図
である。

【図６】 ウエハーの上面図。

【図７】 ウエハー緩衝材の上面図。

【符号の説明】

１ 高温対応基板 ２ ピン ３ 開口部 ４ パッド ５ 配線 ６ ウエハー ７ ウエハー受け ８ 突起 ９ ウエハー緩衝材 １０ 温度制御装置 １１ バネ １２ カバー １３ プロ−バー １４ 接続ケーブル １５ 半導体評価装置 １６ ボンディングワイヤー １７ 半導体チップ １８ ＴＥＧパッド １９ 位置合わせマーク ２０ ノッチ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】開口部周囲に設けられ、被評価半導体ウエ
   ハーの複数のパッドにそれぞれ１対１で接続される複数
   の接続パッドと、 外周部に設けられ、試験用信号が入力されるピンと、 前記接続パッドと前記ピンとを接続する配線とを有する
   ことを特徴とする半導体評価装置。
2. 【請求項２】前記被評価半導体ウエハーを搭載するウエ
   ハー受けと、 このウエハー受けが搭載され、評価に必要な温度を被評
   価半導体ウエハーに加える温度制御装置をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体評価装置。
3. 【請求項３】前記ピンに接続される端子を有し、試験用
   信号がこの端子に与えられるプロ−バをさらに有し、全
   体が断熱材で被覆されていることを特徴とする請求項１
   又は２記載の半導体評価装置。
4. 【請求項４】被評価半導体ウエハー表面に高温対応基板
   を装着する工程と、 前記被評価半導体ウエハー表面の被評価パッドと前記高
   温対応基板上の接続パッドとを接続する工程と、 前記高温対応基板に接続された被評価半導体ウエハーを
   評価に必要な温度に設定する工程と、 前記高温対応基板を介して前記被評価半導体ウエハーに
   試験用信号を与える工程とを有することを特徴とする半
   導体装置の評価方法。
5. 【請求項５】前記被評価半導体ウエハー表面の被評価パ
   ッドと前記高温対応基板上の接続パッドとを接続する工
   程において、ワイヤーボンディングを用いて接続するこ
   とを特徴とする請求項４記載の半導体装置の評価方法。
6. 【請求項６】前記被評価半導体ウエハー表面の被評価パ
   ッドと前記高温対応基板上の接続パッドとを接続する工
   程において、前記被評価半導体ウエハーの被評価パッド
   は複数の半導体チップにまたがって複数存在することを
   特徴とする請求項４又は５いずれか１項記載の半導体装
   置の評価方法。