JP2020088283A - 試験用ウエハおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】実デバイスの発熱を模試することができる試験用ウエハおよびその製造方法を提供する。【解決手段】ウエハ上のデバイスの発熱を模試する試験用ウエハであって、シリコンウエハと、シリコンウエハの表面に接合されたシリコンヒータとを有する。【選択図】図１

Description

本開示は、試験用ウエハおよびその製造方法に関する。
半導体製造プロセスでは、所定の回路パターンを持つ多数のデバイス（ＩＣチップ）が半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す。）上に形成される。形成されたデバイスは、電気的特性等の検査が行われ、良品と不良品とに選別される。デバイスの検査は、例えば、各デバイスが分割される前のウエハの状態で、検査装置を用いて行われる。
デバイスの検査装置は、多数のピン状のプローブを有するプローブカードと、ウエハを載置する載置台と、テスタとを備える（特許文献１参照）。この検査装置は、プローブカードの各プローブをデバイスの電極に対応して設けられた電極パッドや半田バンプに接触させ、デバイスからの信号をテスタへ伝達させてデバイスの電気的特性を検査する。また、特許文献１の検査装置は、デバイスの電気的特性を検査する際、当該デバイスの実装環境を再現するために、載置台内の冷媒流路やヒータによって載置台の温度を制御するようになっている。
近時、ＩＣにおいては、高速化、高集積化が指向されており、そのため、ウエハに形成されるデバイスの発熱量が増大し、その吸熱手法が重要な技術となっている。デバイスの検査装置においては、吸熱手法を検証する上で、如何にしてデバイスの実際の発熱状況を模試できるかが重要な技術となる。
特開平１０−１３５３１５号公報
本開示は、実デバイスの発熱を模試することができる試験用ウエハおよびその製造方法を提供する。
本開示の一態様に係る試験用ウエハは、ウエハ上のデバイスの発熱を模試する試験用ウエハであって、シリコンウエハと、前記シリコンウエハの表面に接合されたシリコンヒータとを有する。
本開示によれば、実デバイスの発熱を模試することができる試験用ウエハおよびその製造方法が提供される。
一実施形態に係る試験用ウエハを示す断面図である。 試験用ウエハの製造方法の一例を示す模式図である。 検査装置に用いる、加熱・冷却可能なステージ装置の一例を示す断面図である。 試験用ウエハの具体例を示す平面図である。 試験用ウエハの他の具体例を示す平面図である。
以下、添付図面を参照して、実施形態について説明する。
＜経緯および概要＞
ウエハ上のデバイスを検査する検査装置において、実際のデバイスの実際の発熱状況を模試することが求められている。また、実デバイスが実際の動作時にどのような発熱状況になるかを把握することも必要である。
このため、ウエハ上の実デバイスの発熱状況を模試するための試験用（治具用）ウエハがあれば便利であるが、そのような試験用ウエハは存在しない。また、実際のデバイスと同じように半導体のリソグラフィー技術を用いてデバイスを模試すると、数千万円程度の費用と半年程度の製作期間が必要となる。そこで、本発明者は、実デバイスの発熱状況を模試できる試験用ウエハについて検討した。
実デバイスの回路は、シリコンウエハ上で薄膜により微細形成されるので、非常に速い熱応答がなされる。このため、そのような非常に速い熱応答をヒータで模試する場合、ヒータとしては低熱容量でかつ高熱密度のものが要求される。また、ヒータはシリコンウエハに接合して用いることを考慮すると、ヒータとシリコンウエハとの熱抵抗が低いことが要求される。
従来用いられているヒータとしては、ポリイミドヒータ、シリコーンヒータ、マイカヒータ等がある。ポリイミドヒータ、シリコーンヒータは、０．２ｍｍ程度と薄くできるが、一般的にヒータの耐熱温度は絶縁材料の耐熱性に律速され、ポリイミドヒータは２５０℃程度、シリコーンヒータは２００℃程度であり、高密度化は難しい。また、マイカヒータは耐熱温度が６００℃程度あるが、その脆さから１ｍｍ程度の厚さが必要となり、熱容量が増大し高速応答が難しい。
そこで、さらなる検討の結果、実デバイスの熱応答性を模試できるヒータとしてシリコンを発熱体とするシリコンヒータが有効であるという結論に至った。
シリコン自体は、比抵抗は通常１×１０３Ω・ｃｍ程度であり、ヒータとしての発熱密度は低い。しかしながら、不純物をドープしたシリコン（単結晶シリコン）は、ドープする材料およびドープ量等を調整することにより０．２Ω・ｃｍ程度に制御することができ、絶縁は表面を酸化することにより実現することができる。また、０．２ｍｍ程度と薄くすることも可能であり、シリコンウエハとの間の熱抵抗も低くすることができる。このため、シリコンヒータは実デバイスの発熱状況を模試するヒータとして適しており、シリコンウエハにこのようなシリコンヒータを接合することにより、実デバイスの発熱状況を模試するための試験用ウエハを実現することができる。
なお、上述したシリコーンヒータは、発熱体として金属（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、Ｎｉ、Ｗ等）を用い、絶縁材料としてシリコーン樹脂（シロキサンの重合体）を用いたものである。この点、発熱体としてシリコン単結晶に不純物を微量ドープしたものを用い、絶縁材料としてシリコンの表面を酸化した酸化シリコンを用いる本開示のシリコンヒータとは異なる。
＜試験用ウエハ＞
以下、試験用ウエハの実施形態について説明する。
図１は、一実施形態に係る試験用ウエハを示す断面図である。
試験用ウエハ１は、実際のウエハの発熱状況を模試するものであり、ベースとなる例えば３００ｍｍのシリコンウエハ２と、シリコンウエハ２の表面に接合されたシリコンヒータ３とを有する。シリコンウエハ２の表面のシリコンヒータ３の近傍には、ダイオードからなる温度モニタ素子４が接合されている。ただし、温度モニタ素子４は必須ではない。
シリコンヒータ３は、実ウエハに形成されるデバイスを熱的に模擬したものであり、正方形または矩形に形成される。シリコンヒータ３の大きさは、対象となるデバイスに応じて適宜設定される。また、極力熱容量が小さくなるように、厚さは０．１〜０．５ｍｍと薄く形成されることが好ましく、例えば０．２ｍｍ程度とされる。
なお、図１では、シリコンヒータ３の接合位置をシリコンウエハ２の中央としているが、これに限らない。また、シリコンヒータ３の個数は１個に限らず、例えば、実際のウエハについて検査装置により同時に２個以上のデバイスの検査を行う場合の模試では、そのデバイスの個数に相当した数のシリコンヒータ３を形成する。
シリコンの比抵抗は通常１×１０３Ω・ｃｍ程度であり、ヒータとしての発熱密度は低い。しかしながら、シリコンは不純物をドープすることにより抵抗値を制御することができる。シリコンをＮ型半導体とする場合は、例えば、リン、ヒ素がドープされ、Ｐ型半導体とする場合は、例えば、ホウ素、ガリウムがドープされる。このような不純物がシリコンの結晶成長段階でドープされて例えば０．２Ω・ｃｍ程度に抵抗管理されたシリコンウエハを準備し、上述したように正方形または矩形状に、かつ０．２ｍｍ程度に薄く加工してシリコンヒータ３とする。シリコンヒータ３の絶縁は、熱酸化処理により表面に熱酸化膜を形成することにより実現される。
シリコンヒータ３には電極５が形成されており、電極５に給電されることにより、シリコンヒータ３が発熱する。シリコンヒータ３による加熱温度は、温度モニタ素子４を構成するダイオードにより測定した温度に基づいて制御することができる。なお、６は温度モニタ素子４を構成するダイオードの電極である。
シリコンヒータ３とベースとなるシリコンウエハ２との接合は、接合面を研磨し、硝酸等により洗浄した後、接合面同士を貼り合わせて加熱することにより行うことができる。このときの接合は、１０００℃程度に加熱して拡散接合により接合することもできるが、以下のような手法が好適である。
すなわち、水酸基（−ＯＨ）による水素結合を介して共有結合させる手法である。例えば、図２の（ａ）に示すように、シリコンウエハ２およびシリコンヒータ３の互いの接合面をプラズマ処理してダングリングボンドを形成し、接合面に水酸基を多く生成させて表面を活性化する。次いで（ｂ）に示すようにシリコンウエハ２およびシリコンヒータ３を貼り合わせて、ＯＨ基を介して水素結合させる。その後、（ｃ）に示すように、例えば２００℃程度で加熱処理することにより、脱水反応を生じさせ、最終的には（ｄ）で示すように、共有結合により両者を接合する。以上のような方法により、シリコンウエハ２およびシリコンヒータ３を２００℃程度の低温で接合することができる。このときの加熱温度は、３５０℃程度が好ましい。
共有結合は非常に結合力が強く、拡散接合の場合と同様、シリコンウエハ２とシリコンヒータ３との界面の熱伝導率がバルク状態と同等の１６８Ｗ／ｍ・Ｋ程度になり、このため、シリコンウエハ２とシリコンヒータ３との熱抵抗も小さくすることができる。これにより、シリコンウエハ２上にデバイス（トランジスタ回路等）を形成した場合と同様な高速の発熱状態を実現することができる。
このような試験用ウエハ１は、ウエハの電気特性を検査する検査装置における、実ウエハを載置する加熱・冷却可能なステージ装置の吸熱特性等を検証するための治具ウエハとして使用することができる。
図３は、検査装置に用いる、加熱・冷却可能なステージ装置の一例を示す断面図である。図３に示すように、ステージ装置は、ウエハを載置するステージ１０と、ウエハを加熱するための複数のＬＥＤ２１を有する加熱機構２０と、ステージ１０を冷却する冷却機構３０とを有する。ステージ１０の内部には、冷媒流路１１が形成されており、ステージ１０の上面中央には温度検出用の熱電対１２が設けられている。加熱機構２０は、複数のＬＥＤ２１がユニット化されたＬＥＤユニット２２を複数有する。複数のＬＥＤユニット２２は、例えばウエハ上の複数のデバイスのそれぞれに対応して設けられている。各ＬＥＤユニット２２のＬＥＤ２１には電源（図示せず）から給電される。電源からの出力は制御部（図示せず）により制御される。冷却機構３０は、ステージ１０の冷媒流路１１に冷媒（例えば水）を通流させてステージ１０上のウエハに形成されたデバイスの吸熱を行う。冷却機構３０は、冷媒を供給するチラーユニット３１と、冷媒を循環させる冷媒配管３２と、流量調整バルブ３３とを有する。流量調整バルブ３３による冷媒の流量は制御部（図示せず）により制御される。
ＩＣの高速化、高集積化にともない、ウエハに形成されるデバイスの発熱量が増大しており、発熱時のデバイスの吸熱が重要となっている。図３のステージ装置では、ステージ１０上に上述の試験用ウエハ１を載置し、シリコンヒータ３により試験時の実デバイスの発熱状況を模試することができ、ステージ１０の温度制御性（吸熱特性等）を検証することができる。これにより、検査装置の装置評価および試験評価を正確に行うことができる。
このような検証（模試）は、実際の回路と同じようにシリコンウエハ上に回路パターンを形成し、その発熱を用いて行うことが理想であるが、製作に膨大な時間と費用がかかる。他方、既成のヒータでは、パワー密度、応答速度の観点から最先端のデバイスの発熱を模試することは困難である。これに対して、本実施形態に係る試験用ウエハでは、安価にかつ正確に実デバイスの発熱の挙動を模試することができる。
なお、本実施形態の試験用ウエハ１は、このような検査装置のステージの吸熱特性等を検証するための治具ウエハに限らず、検査時にデバイスにどれだけ温度がかかっているかを把握するための試験等に用いることもできる。
＜具体例＞
次に、具体例について説明する。
高ドーピングシリコンウエハ（リンドープシリコンウエハ）を、所定の形状に加工した後、電極を形成し、厚さ０．２ｍｍで抵抗を管理したシリコンヒータ３を作成した（抵抗値：約８Ω、最大１０Ａ、５０Ｖを想定）。このようなシリコンヒータ３を３００ｍｍシリコンウエハ２に接合し、試験用ウエハ１を作製した。また、３００ｍｍシリコンウエハ２上に電極６を形成し、その上に温度モニタ素子４として市販のダイオードをボンディングした。
具体的には以下の通りである。
シリコンヒータ３の条件としては、電圧５０Ｖ、最大電力６００Ｗとした。まず、３００Ｗで抵抗値を算出した。
Ｗ＝Ｖ２／Ｒ Ｒ＝Ｖ２／Ｗ＝２５００／３００＝８．３３Ω
次にシリコンヒータ３の抵抗管理比抵抗ρを算出した（２０ｍｍ□、厚さｔ＝０．２ｍｍで計算）。
ρ＝Ｒ×Ｓ／ｌ＝８．３３×２×０．０２／２＝０．１６７Ω・ｃｍ
シリコンヒータ３としては、２０ｍｍ□、３０ｍｍ□、１０ｍｍ□のものを作製し、２０ｍｍ□、３０ｍｍ□のものは、図４に示すように、３００ｍｍウエハの中央に１個、１０ｍｍ□のものは、図５に示すように、３００ｍｍウエハの中央から離れた位置に２個接合した。１０ｍｍ□のシリコンヒータを２個設けたのは、デバイスサイズが小さくなると、デバイス検査時に２個同時検査も考えられるためである。また、１０ｍｍ□のシリコンヒータを中央から離れた位置に配置したのは、ステージに設けた熱電対との位置関係による挙動を見るためである。温度モニタ素子４であるダイオードは、シリコンヒータ３の接合位置の近傍に設け、シリコンヒータ３の温度を測定し、シリコンヒータ３の温度制御に用いる。
このように製造された試験用ウエハ１においては、シリコンヒータ３が実ウエハのデバイスに相当し、デバイスと同様の熱的挙動を示す。このような構成の試験用ウエハを検査装置のステージの治具ウエハとして用いることにより、実デバイスの発熱を高精度で模試することができ、ステージの吸熱特性等を正確に検証することができる。
＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
例えば、上記実施形態の具体例におけるシリコンヒータの形状・大きさ、配置位置、数は例示に過ぎず、対象となる実ウエハのデバイスの大きさ、配置、および発熱量、ならびに検査手法等に応じて適宜設定される。
１；試験ウエハ
２；シリコンウエハ
３；シリコンヒータ
４；温度モニタ素子
５；電極

Claims (7)

  1. ウエハ上のデバイスの発熱を模試する試験用ウエハであって、
    シリコンウエハと、
    前記シリコンウエハの表面に接合されたシリコンヒータと、
    を有する、試験用ウエハ。
  2. ウエハの検査を行う検査装置のステージに載置され、前記ステージの吸熱特性を検証する治具用ウエハとして用いる、請求項１に記載の試験用ウエハ。
  3. 前記シリコンウエハの表面に接合された温度モニタ素子をさらに有する、請求項１または請求項２に記載の試験用ウエハ。
  4. 前記シリコンヒータは、不純物がドーピングされることにより比抵抗が制御されたものである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の試験用ウエハ。
  5. 前記シリコンヒータの厚さは０．１〜０．５ｍｍの範囲である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の試験用ウエハ。
  6. 前記シリコンヒータは、給電用の電極が形成されており、表面に絶縁用の熱酸化膜が形成されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の試験用ウエハ。
  7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の試験用ウエハの製造方法であって、
    シリコンウエハおよびシリコンヒータの互いの接合面をプラズマ処理してダングリングボンドを形成し、接合面に水酸基を生成させる工程と、
    前記シリコンウエハおよび前記シリコンヒータを貼り合わせて、ＯＨ基を介して水素結合させる工程と、
    前記シリコンウエハおよび前記シリコンヒータを加熱し、脱水反応を生じさせ、共有結合により前記シリコンウエハおよび前記シリコンヒータを接合する工程と、
    を有する試験用ウエハの製造方法。
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