JP7308792B2

JP7308792B2 - 半導体装置の評価装置および半導体装置の評価方法

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Publication number: JP7308792B2
Application number: JP2020087442A
Authority: JP
Inventors: 大北野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2040-05-19
Also published as: JP2021182584A

Description

本開示は、半導体装置の評価装置および半導体装置の評価方法に関するものである。

チャックトップステージタイプの評価装置は、円板状のウエハステージと、プローブピンとを備えている。ウエハステージは、配線接続端子に接続されたケーブルを介して測定回路に接続されている。ウエハステージに半導体ウエハを載置して固定した場合、半導体ウエハの裏面が測定回路に電気的に接続されるものがある。

しかし、従来の評価装置においては、ウエハステージの表面と半導体ウエハの裏面との接触箇所には、電気的な接触が強い箇所と弱い箇所とが現れる。そのため、電気的な接触が弱い箇所で電圧降下が発生して測定誤差が大きくなり、大電流特性の測定を行うことができないという問題があった。

例えば特許文献1には、ウエハステージ、ウエハステージの電位を設定するための電源装置、電源装置とウエハステージを接続するフォースライン、ウエハステージの所定位置に配置されたセンスとなる複数のピン、複数のピンのそれぞれに接続された複数のセンスライン、およびセンスラインと電源装置との間に設けられ、ピンのうちから１つのピンを選択して、選択したピンに対応するセンスラインを電源装置に接続する切替えスイッチとを備えた評価装置が開示されている。

選択されたピンの位置の電位を制御することにより、測定電流は半導体ウエハの裏面電極の厚み方向に流れ、被評価半導体装置の真裏からピンとの接触点までの電位差が抵抗分として測定値に重畳されないため、精度の高い測定を行うことができる。

特開２００８－２８２５１号公報

特許文献１に記載の評価装置は、ウエハステージの全面をフォース電極とし、ウエハステージの所定位置に配置された複数のピンから1つを選択してセンス電極としていた。そのため、フォース電極とセンス電極が分離した構成である。さらに、センス電極をフォース電極として、フォース電極をセンス電極として切り替えて使用することができない構成である。

大電流印加時にウエハステージにおける被評価半導体装置との接触部が破損し、被評価半導体装置の裏面電極とウエハステージとの電気的接続が困難になった場合、ウエハステージ全体を交換する必要があった。そのため、評価にかかるコストが高価になるという問題があった。

そこで、本開示は、半導体装置の評価装置において、ウエハステージにおける被評価半導体装置との接触部が破損した場合に、評価にかかるコストを低減可能な技術を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体装置の評価装置は、半導体ウエハに形成された複数の半導体装置を評価する半導体装置の評価装置であって、各前記半導体装置の表面に設けられた表面電極に接触可能な複数のプローブピンと、各前記半導体装置の裏面に設けられた裏面電極に先端面が接触することで各前記半導体装置を支持する複数のピンと、複数の前記ピンの基端部が固定されるピン固定台と、各前記ピンを、フォースラインに接続された状態、センスラインに接続された状態、およびオープン状態のいずれかに切り替える切替部とを有するウエハステージと、前記切替部を介して複数の前記ピンに接続され、被評価半導体装置に接触する複数の前記ピンの電位を設定するテスタ部とを備え、前記ウエハステージは、各前記ピンを上下方向に移動させる可動部をさらに備えるものである。

本開示によれば、ウエハステージにおける被評価半導体装置との接触部であるピンが破損した場合、切替部がピンの接続状態を切り替えることで破損したピンの機能を他のピンに代替させることができるため、ウエハステージ全体を交換する必要がない。これにより、評価にかかるコストを低減することができる。

実施の形態１に係る半導体装置の評価装置の概略図である。図１に示す破線Ａで囲まれた部分の拡大図である。ウエハステージの平面図である。実施の形態２に係る半導体装置の評価装置が備えるピンおよび絶縁体カバーの斜視図である。実施の形態３に係る半導体装置の評価装置の概略図である。図５に示す破線Ｂで囲まれた部分の拡大図である。実施の形態４に係る半導体装置の評価装置が備えるピンおよびスプリング構造の断面図である。

＜実施の形態１＞
実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置の評価装置１００の概略図である。図２は、図１に示す破線Ａで囲まれた部分の拡大図である。図３は、ウエハステージ２の平面図である。

図１と図２に示すように、評価装置１００は、半導体ウエハ３に形成された複数の半導体装置９を評価する装置である。半導体装置９は、表面に設けられた表面電極９ａ、および裏面に設けられた裏面電極９ｂを備える縦型の電力用半導体装置である。

評価装置１００は、複数のプローブピン１ａが設けられたプローブカード１、ウエハステージ２、およびテスタ部８を備えている。

プローブカード１は、半導体ウエハ３の上側に位置する。複数のプローブピン１ａは、プローブカード１の裏面に設けられている。複数のプローブピン１ａは導電性を有し、半導体ウエハ３の表面に設けられた表面電極３ａ、すなわち、各半導体装置９の表面に設けられた表面電極９ａに接触可能である。

ウエハステージ２は、半導体ウエハ３を載置するための台座であり、半導体ウエハ３の下側に位置する。ウエハステージ２は、複数のピン５、ピン固定台６、および切替部７を備えている。

図１～図３に示すように、複数のピン５は、直径５ｍｍ以下の導電性材料で形成され、ピン固定台６の上面から立設するように配置されている。複数のピン５は、平面視にて矩形状のピン固定台６の上面部において相互に所定の間隔をあけて配置されている。これにより、各ピン５同士は接触しないようになっている。

また、複数のピン５が配置される領域は平面視にて円状であり、複数のピン５は半導体ウエハ３の平面視輪郭よりも大きな領域に配置されている。これにより、複数のピン５は、半導体ウエハ３の裏面に設けられた裏面電極３ｂ、すなわち、各半導体装置９の裏面に設けられた裏面電極９ｂに先端面が接触することで半導体ウエハ３を支持することができる。

また、複数のピン５は半導体ウエハ３に形成された全ての半導体装置９に対向する位置に配置されているため、評価装置１００は半導体ウエハ３に形成された全ての半導体装置９を被評価半導体装置９として評価することができる。

ピン５は、導電性を有し、半導体装置９の裏面電極９ｂに繰り返し接触しても容易に摩耗および変形しない強度を備えた材料であればどのような材料を用いて形成されていてもよい。例えば銅またはタングステンを用いて形成されたピン５、または、他の材料に金または銅などの導電性メッキ加工が施されたピン５を用いることが好ましい。

ピン固定台６の上端部には、複数のピン５の基端部が着脱可能なように固定される複数の固定穴（図示省略）が形成されている。例えば、各ピン５の基端部に雄ネジが形成されている。また、ピン固定台６における固定穴を形成する内壁に雌ネジが形成されている。これにより、複数のピン５の基端部は、複数の固定穴にネジ締めされている。

ピン固定台６は、全体として樹脂等の絶縁性材料で形成されているが、ピン固定台６におけるピン５が接触する箇所である固定穴の内壁のみ導電性材料で形成されている。各固定穴の内壁は、他の固定穴の内壁と電気的に分離されている。なお、複数のピン５は、複数の固定穴にネジ締めではなく圧入されていてもよい。

図２に示すように、切替部７は、ピン固定台６の内部に設けられている。切替部７の入力側は、フォースライン７ａおよびセンスライン７ｂに接続されている。フォースライン７ａおよびセンスライン７ｂは配線であり、各配線は電気的に分離されている。切替部７の出力側は、ピン固定台６における固定穴の内壁に接続されている。

切替部７は、複数のスイッチを有し、各スイッチは、各固定穴を形成する内壁を介して各ピン５と電気的に接続されている。各スイッチは、各ピン５をフォースライン７ａに接続された状態、センスライン７ｂに接続された状態、およびオープン状態のいずれかに切り替える。

切替部７は、被評価半導体装置９に接触する複数のピン５のうちの少なくとも１つのピン５を選択し、選択されたピン５をセンスライン７ｂに接続された状態に切り替え、被評価半導体装置９に接触する複数のピン５のうちの選択されていないピン５をフォースライン７ａに接続された状態に切り替える。切替部７は、自身のメモリー等に記憶された被評価半導体装置９の位置情報を参照し、被評価半導体装置９の裏面電極９ｂに対向する位置にあるピン５の中から少なくとも１つのピンを選択する。

テスタ部８は、切替部７を介して複数のピン５に電気的に接続され、かつ、複数のプローブピン１ａに電気的に接続されている。テスタ部８は、複数のプローブピン１ａが被評価半導体装置９の表面電極３ａに接触した状態で、被評価半導体装置９に接触する複数のピン５の電位を設定し、被評価半導体装置９の評価を行う。

次に、評価装置１００を用いた半導体装置９の評価方法について説明する。まず、複数の半導体装置９が形成された半導体ウエハ３を準備し、半導体ウエハ３を評価装置１００のウエハステージ２上に載置する。この時、複数の半導体装置９の裏面電極３ｂを複数のピン５の先端面に接触させることで半導体ウエハ３がウエハステージ２に載置される。

次に、複数の半導体装置９の位置情報が切替部７に入力され、切替部７が有するメモリー等に記憶される。切替部７は入力された位置情報に基づいて被評価半導体装置９を選定する。その後、切替部７は、被評価半導体装置９に接触する複数のピン５のうちの１つのピン５を選択し、選択されたピン５をセンスライン７ｂに接続された状態に切り替え、かつ、被評価半導体装置９に接触する複数のピン５のうちの選択されていないピンをフォースライン７ａに接続された状態に切り替える。なお、切替部７により選択されるピン５は少なくとも１つ以上であればよく、２つ以上選択されてもよい。

また、被評価半導体装置９に接触しないピンは、センスライン７ｂおよびフォースライン７ａとは接続されずにオープン状態に切り替えられる。続いて、被評価半導体装置９の表面電極９ａにプローブピン１ａが接触される。その後、テスタ部８は、プローブピン１ａとフォースライン７ａとの間に電圧を印可して被評価半導体装置９の評価を行う。

評価装置１００は、評価の結果に問題がなければ、半導体装置９の位置情報に基づいて次の被評価半導体装置９を選定し、上記の場合と同様の工程を経て次の被評価半導体装置９の評価を行う。評価装置１００は、半導体ウエハ３内の全ての半導体装置９の評価が完了するまで評価を継続する。

仮に、大電流印加時に被評価半導体装置９の裏面側に接続されたピン５が破損した場合においても、評価装置１００は、ピン５の接続状態を切り替えることで破損したピン５の機能を他のピン５に代替させることができる。具体的には、フォースライン７ａに接続されたピン５が破損した場合、切替部７は、破損したピン５をオープン状態に切り替え、被評価半導体装置９に接触する他のピンをフォースライン７ａに接続された状態に切り替える。または、センスライン７ｂに接続されたピン５が破損した場合、切替部７は、破損したピン５をオープン状態に切り替える。

また、評価装置１００は、次の被評価半導体装置９を選定して評価を継続することも可能である。被評価半導体装置９毎に異なるピン５と、センスライン７ｂおよびフォースライン７ａとが接続されることから、破損したピン５を使用せずに評価を継続することができる。

評価装置１００は、半導体ウエハ３内の全ての半導体装置９の評価が完了すると、半導体装置９毎の評価結果を出力する。その後、半導体ウエハ３が評価装置１００から取り出され、ダイシング装置に搭載される。ダイシング装置にて半導体ウエハ３は半導体装置９毎に分割される。ダイシングされた複数の半導体装置９のうち、評価装置１００が出力した評価結果に応じて評価結果に問題のない半導体装置９だけがグルーピングされ、製品として出荷される。

以上のように、実施の形態１に係る半導体装置の評価装置１００は、各半導体装置９の表面に設けられた表面電極９ａに接触可能な複数のプローブピン１ａと、各半導体装置９の裏面に設けられた裏面電極９ｂに先端面が接触することで各半導体装置９を支持する複数のピン５と、複数のピン５の基端部が固定されるピン固定台６と、各ピン５を、フォースライン７ａに接続された状態、センスライン７ｂに接続された状態、およびオープン状態のいずれかに切り替える切替部７とを有するウエハステージ２と、切替部７を介して複数のピン５に接続され、被評価半導体装置９に接触する複数のピン５の電位を設定するテスタ部８とを備えている。

したがって、ウエハステージ２における被評価半導体装置９との接触部であるピン５が破損した場合、切替部７がピン５の接続状態を切り替えることで破損したピン５の機能を他のピン５に代替させることができるため、ウエハステージ２全体を交換する必要がない。これにより、評価にかかるコストを低減することができる。

また、被評価半導体装置９毎に異なるピン５と、センスライン７ｂおよびフォースライン７ａとが接続されることから、破損したピン５を使用せずに評価を継続することができる。

さらに、ウエハステージ２のメンテナンスを行う場合に、破損したピン５のみを交換すればよいことから、ウエハステージ２の交換にかかるコストを低減することができる。

また、切替部７は、被評価半導体装置９に接触する複数のピン５のうちの少なくとも１つのピン５を選択し、選択されたピン５をセンスライン７ｂに接続された状態に切り替え、被評価半導体装置９に接触する複数のピン５のうちの選択されていないピン５をフォースライン７ａに接続された状態に切り替えている。

したがって、評価の進行状況に合わせて適切なピン５を選択することが可能となり、選択したピン５の位置における電位を制御することで、電圧降下の補正を効果的に行うことができる。これにより、被評価半導体装置９の裏面における電位を正確に制御することができる。

また、ピン固定台６は、複数のピン５の基端部を着脱可能なように固定する複数の固定穴を備えているため、ピンが破損した場合に破損したピンを簡単に交換することができる。さらに、１つのウエハステージの全面をフォース電極とする従来のウエハステージに比べて、ウエハステージ２の交換にかかるコストが低減し、かつ、メンテナンスが行い易いという利点を有している。

また、実施の形態１に係る半導体装置の評価方法は、複数の半導体装置９の裏面電極９ｂを複数のピン５の先端面に接触させることで半導体ウエハ３をウエハステージ２に載置する工程（ａ）と、切替部７は、被評価半導体装置９に接触する複数のピン５のうちの少なくとも１つのピン５を選択し、選択されたピンをセンスライン７ｂに接続された状態に切り替え、被評価半導体装置９に接触する複数のピン５のうちの選択されていないピン５をフォースライン７ａに接続された状態に切り替える工程（ｂ）と、プローブピン１ａが被評価半導体装置９の表面電極９ａに接触した後、テスタ部８は、プローブピン１ａとフォースライン７ａに接続された状態に切り替えられたピン５との間に電圧を印加する工程（ｃ）とを備えている。

したがって、評価にかかるコストを低減することができ、かつ、被評価半導体装置９の裏面における電位を正確に制御することができる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置の評価装置１００について説明する。図４は、実施の形態２に係る半導体装置の評価装置１００が備えるピン５および絶縁体カバー１０の斜視図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図４に示すように、実施の形態２では、ウエハステージ２は、各ピン５の外周を覆う絶縁体カバー１０をさらに備えている。絶縁体カバー１０は円筒状に形成され、各ピン毎に設けられている。各ピン５の先端面は半導体装置９の裏面電極９ｂに接触するため、絶縁体カバー１０から露出している。さらに、各ピン５の基端部はピン固定台６の固定穴に固定されるため、絶縁体カバー１０から露出している。絶縁体カバー１０付きの各ピン５の外周部は、絶縁体カバー１０付きの他のピン５の外周部に接触しないようになっている。

絶縁体カバー１０に使用される材料は、絶縁体である限りどのような材料を用いてもよいが、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂を用いることが好ましい。

以上のように、実施の形態２に係る半導体装置の評価装置１００では、ウエハステージ２は、各ピン５における先端面を除く部分の外周を覆う絶縁体カバー１０をさらに備えている。

したがって、半導体ウエハ３の裏面電極３ｂと絶縁体カバー１０付きのピン５との接触面積が大きくなり、半導体ウエハ３への応力によるダメージ、および裏面電極３ｂに傷が入ることを抑制できる。

また、ピン５の外周を絶縁体カバー１０で覆うことで、隣接するピン５同士が異物などでショートすることを抑制できる。これにより、センスライン７ｂに接続されたピン５とフォースライン７ａに接続されたピン５が電気的に干渉することをさらに抑制できる。

＜実施の形態３＞
次に、実施の形態３に係る半導体装置の評価装置１００について説明する。図５は、実施の形態３に係る半導体装置の評価装置１００の概略図である。図６は、図５に示す破線Ｂで囲まれた部分の拡大図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図５と図６に示すように、実施の形態３では、ウエハステージ２は、各ピン５を上下方向に移動させる可動部１１をさらに備えている。

可動部１１は、例えば図６に示すような端面カム１１ａを備えている。端面カム１１ａは各ピン５毎に設けられている。端面カム１１ａは、ピン固定台６の固定穴に回転軸１１ｃを介して取り付けられており、回転軸１１ｃの周りに回転可能である。ピン５は、ピン５の基端面から下方に突出する従動部１１ｂを介して端面カム１１ａに取り付けられている。ピン５は、端面カム１１ａの回転により、半導体装置９の裏面電極９ｂに接触する上方位置と、半導体装置９の裏面電極９ｂに接触しない下方位置との間で上下方向に移動する。なお、端面カム１１ａ、従動部１１ｂ、および回転軸１１ｃは、導電性材料で形成されている。

以上のように、実施の形態３に係る半導体装置の評価装置１００では、ウエハステージ２は、各ピン５を上下方向に移動させる可動部１１をさらに備えている。

したがって、被評価半導体装置９に対向するピン５のみを被評価半導体装置９の裏面電極９ｂに接触させ、それ以外のピン５を機械的に非接触にすることができるため、電流が流れる経路が最短となり、より精度よく、かつ、大電流での測定を行うことができる。

また、被評価半導体装置９に対向していないピン５は被評価半導体装置９に対して機械的に非接触にすることができるため、大電流測定にて被評価半導体装置９が破損した場合に、被評価半導体装置９に機械的に接触していないピン５に溶融および異物付着などのダメージを与えることを抑制できる。

＜実施の形態４＞
次に、実施の形態４に係る半導体装置の評価装置１００について説明する。図７は、実施の形態４に係る半導体装置の評価装置１００が備えるピン５およびスプリング構造の断面図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１～３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

図７に示すように、実施の形態４では、ウエハステージ２は、各ピン５に上下方向への弾性を持たせるスプリング１２ａをさらに備えている。

スプリング１２ａは、ケース１２に収容された状態で各ピン５に取り付けられている。各ピン５は、上側ピン部５ａおよび下側ピン部５ｂを備えている。上側ピン部５ａの下端部は、ケース１２の天面部に形成された孔１２ｂに挿入された状態でスプリング１２ａの一端部に接続されている。また、スプリング１２ａの他端部はケース１２内の底面に固定され、下側ピン部５ｂの上端面はケース１２の下端面に固定されている。これにより、スプリング１２ａは上側ピン部５ａに上下方向（垂直方向）への弾性を持たせることができる。なお、ケース１２は、ピン５と同様に、導電性材料を用いて形成されることが好ましい。

以上のように、実施の形態４に係る半導体装置の評価装置１００では、ウエハステージ２は、各ピン５に上下方向への弾性を持たせるスプリング１２ａをさらに備えている。

したがって、上側ピン部５ａの先端面と半導体ウエハ３の裏面電極３ｂとの間に異物がある場合に、異物に起因する半導体ウエハ３への応力によるダメージを緩和することができるため、半導体ウエハ３にクラックが発生することを抑制できる。

＜その他の変形例＞
実施の形態３のピン５に実施の形態２の絶縁体カバー１０を設けてもよいし、実施の形態４のピン５に実施の形態２の絶縁体カバー１０を設けてもよい。また、実施の形態４のピン５に実施の形態３の可動部１１を設けてもよい。

なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ａプローブピン、２ウエハステージ、３半導体ウエハ、５ピン、６ピン固定台、７切替部、８テスタ部、９半導体装置、９ａ表面電極、９ｂ裏面電極、１０絶縁体カバー、１１可動部、１２ａスプリング、１００評価装置。

Claims

半導体ウエハに形成された複数の半導体装置を評価する半導体装置の評価装置であって、
各前記半導体装置の表面に設けられた表面電極に接触可能な複数のプローブピンと、
各前記半導体装置の裏面に設けられた裏面電極に先端面が接触することで各前記半導体装置を支持する複数のピンと、複数の前記ピンの基端部が固定されるピン固定台と、各前記ピンを、フォースラインに接続された状態、センスラインに接続された状態、およびオープン状態のいずれかに切り替える切替部とを有するウエハステージと、
前記切替部を介して複数の前記ピンに接続され、被評価半導体装置に接触する複数の前記ピンの電位を設定するテスタ部と、を備え、
前記ウエハステージは、各前記ピンを上下方向に移動させる可動部をさらに備える、半導体装置の評価装置。
前記切替部は、前記被評価半導体装置に接触する複数の前記ピンのうちの少なくとも１つの前記ピンを選択し、選択された前記ピンを前記センスラインに接続された状態に切り替え、前記被評価半導体装置に接触する複数の前記ピンのうちの選択されていない前記ピンを前記フォースラインに接続された状態に切り替える、請求項１に記載の半導体装置の評価装置。
前記ピン固定台は、複数の前記ピンの前記基端部を着脱可能なように固定する複数の固定穴を備える、請求項１または請求項２に記載の半導体装置の評価装置。
前記ウエハステージは、各前記ピンにおける前記先端面を除く部分の外周を覆う絶縁体カバーをさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置の評価装置。
前記ウエハステージは、各前記ピンに上下方向への弾性を持たせるスプリングをさらに備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置の評価装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置の評価装置を用いた半導体装置の評価方法であって、
（ａ）複数の前記半導体装置の前記裏面電極を複数の前記ピンの前記先端面に接触させることで前記半導体ウエハを前記ウエハステージに載置する工程と、
（ｂ）前記切替部は、前記被評価半導体装置に接触する複数の前記ピンのうちの少なくとも１つの前記ピンを選択し、選択された前記ピンを前記センスラインに接続された状態に切り替え、前記被評価半導体装置に接触する複数の前記ピンのうちの選択されていない前記ピンを前記フォースラインに接続された状態に切り替える工程と、
（ｃ）前記プローブピンが前記被評価半導体装置の前記表面電極に接触した後、前記テスタ部は、前記プローブピンと前記フォースラインに接続された状態に切り替えられた前記ピンとの間に電圧を印加する工程と、
を備える、半導体装置の評価方法。