JP7488492B2 - 半導体ウエハ - Google Patents

Description

この発明は半導体ウエハに関し、特にウエハ上に配列された複数のチップ領域それぞれに半導体素子が形成された半導体ウエハにおいて、ウエハ単位の一括検査を容易にすることを目的とした半導体素子の設計に関する。

半導体素子の信頼性検査の手法として、バーンイン試験が広く知られている。バーンイン試験は、実際の使用条件よりも高温・高電圧環境下である時間動作させ、特性が基準値から外れたものを除去するスクリーニング方法として用いられる。

従来、バーンイン試験は、半導体ウエハからダイシング等で個別チップに加工したのち、セラミック基板等にチップを実装して行われていた。しかしこの手法では、半導体チップの検査前に実装する必要があるため、不良品も良品と同等に実装せざるをえず、コストの大きい工程であった。このため、チップ実装前に半導体ウエハレベルでバーンインが実行可能な、ウエハレベルバーンイン試験が大量製造の現場で広く用いられるようになってきている。

ウエハレベルバーンインでは、半導体ウエハ上の多くの半導体素子に、一括して電気的コンタクトを可能とする、チップに対応した多数のピンが配置されたプローブカードが用いられる。プローブカードに配置された多数のピン（プローブ針）を、それぞれ電気的に高速切り替えするなどして測定器に接続することで、各素子の特性評価及びバーンインを効率的に行うことができる。

特開２００７－１２９１０８号公報

半導体ウエハ上に作製された多数の素子の一括大量検査を行う上で、プローブカードに備えられたプローブ針の状態が不全のまま検査を行うことは、不良品率の上昇及びスループットの低下に直結する。このため、検査前にはプローブ針の接触状態の確認（コンタクトチェック）が行われる。

このプローブ針のコンタクトチェックの方法として、半導体ウエハとは別の、ウエハ全範囲より大きいサイズの導電性基板（金属板など）に、多数のプローブ針をコンタクトさせチェックする方法が簡易である。しかしこの方法では、導電性基板に対するコンタクト不良しか確認することができない。

実際の半導体ウエハでは、導電性基板とは異なりエピタキシャル層による反りやプロセスによる凹凸等があり、完全な平面ではない。また、常温と異なる温度で測定を行う場合、ウエハ及びプローブ針先の状態も変わりうるため、実際の測定環境でのコンタクトチェックを行える手法が必要になる。

特許文献１では、検査するチップパターンと同寸法のコンタクトチェックパターンを用意することが提案されている。しかしこの方法では、コンタクトチェックのためだけに素子を有するパターンを形成する必要がある。また、プローブカード全体の多数のプローブ針に対してコンタクトチェックを行う場合、コンタクトチェック用パッドの面積が増え、ウエハ全体で得られる半導体素子の面積に影響を与えうるため、ウエハ全体の素子配置設計に制限が大きく生じる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、常温と異なる温度でのプローブカード全体のプローブ針のコンタクトチェックをより簡便に実現し、より設計が簡易になることを目的とする。

本発明の実施形態の一例は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
（構成１）
複数のチップが形成された半導体ウエハにおいて、
前記複数のチップのそれぞれの上に、
検査対象である半導体素子と、
前記半導体素子に接続され前記半導体素子の検査に用いられるプローブ針が接続される一組の第一のパッドと、
前記プローブ針のコンタクトチェックに用いられる、前記一組の第一のパッドに対応した第二のパッドとを備え、
前記第二のパッドは、前記一組の第一のパッドの中心間の距離より導通部分の長さが長いことにより、複数の前記プローブ針は、前記第一のパッドにおける接続位置と前記第二のパッドにおける接続位置との間で並進移動を可能とする、
ことを特徴とする半導体ウエハ。

以上記載した本発明により、テスト用に半導体素子を形成することなく、より簡易な電極パターンのみでプローブ針のコンタクトチェックを行うことができる。また、最低プローブ針２本が同一電極パターンにあればよく、プローブ針が多い場合でも半導体素子でコンタクトチェックを行う場合と比較し柔軟なパターン設計が可能である。第二のパッドがフリップチップを兼ねる場合には、コンタクトチェック用のみに使用するスペースが不要となり、より効率的にウエハ上に素子を形成することができる。

本発明の実施形態１の半導体ウエハの1チップの概略の上面図である。 本発明の半導体ウエハのコンタクトチェック時の全体の概略の側面図である。 本発明の実施形態１の半導体ウエハのチップ領域の例1の上面図である。 本発明の実施形態１の半導体ウエハのチップ領域の例２の上面図である。 本発明の実施形態１の半導体ウエハのチップ領域の例３の上面図である。 本発明の実施形態２の半導体ウエハのチップ領域の上面図である。 本発明の実施形態２の半導体ウエハの全体の上面図である。 本発明の実施形態３の半導体ウエハのチップ領域の上面図である。 本発明の実施形態４の半導体ウエハのチップ領域の上面図である。 本発明の実施形態４の半導体ウエハのチップ領域の別例の上面図である。 本発明の実施形態５の半導体ウエハのチップ領域の上面図である。 本発明の実施形態６の半導体ウエハのチップ領域の上面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

実施形態１

図１に、本発明の実施形態１の半導体ウエハの1チップ分の概略の上面図を示す。図２は、本発明の半導体ウエハのコンタクトチェック時の、全体の概略の側面図である。

本発明の実施形態１の半導体ウエハには、半導体素子の例としてフォトダイオード（ＰＤ）１のチップ領域が、複数アレイ状に形成されている。図１には、半導体ウエハの半導体素子の１チップ分の領域として、太線の四角で示すスクライブライン６（半導体チップを切り離すために切断除去される領域）に囲まれて示されている。

図１で、二重の楕円で例示的に概略の形状を示すフォトダイオード（ＰＤ）１には、入出力端子および半導体素子の検査に用いられるパッド（電極）として、第一のパッド２，３が接続されており、おのおの検査の際に接続されるプローブ針４の先端が当たる位置が点線の小円で示されている。またプローブ針のコンタクトチェックに用いられる第二のパッド５が、図１左の縦長長方形で示されている。第二のパッド５は、半導体素子の検査に支障のない範囲において、第一のパッドの一部（例えばグランド電位の電極など）に導通していてもよい。

なお、以下の図でも同様であるが、第一の電極３はＰＤ１の外側リング電極にのみ、第一の電極２はＰＤ１の内側楕円部分の電極にのみ導通している。電極２からＰＤ１の内側楕円部分の電極に伸びる線と、ＰＤ１の外側リング電極はつながっていない（絶縁されている）ことに留意されたい。

図２の、半導体ウエハのコンタクトチェック時の全体の側面図には、ウエハ２１に面するプローブカード２０の下面に、Ｚ軸方向に立てられた複数のプローブ針４が並び、ウエハ２１にコンタクトする様子が示されている。ウエハ２１上には、図１に示したような半導体素子（フォトダイオード、ＰＤ）１が検査対象である半導体素子として作りこまれた複数のチップ領域が、アレイ状に多数形成されている。各半導体素子のチップのスクライブライン６の内側のチップ領域には、ＰＤ１と、ＰＤ１の上下にＰＤ１に検査用の電圧をプローブ針から印加するための第一のパッド２，３、およびプローブ針のコンタクトチェックに用いられる第二のパッド５を備える。

図３には、実施形態１の半導体ウエハのチップ領域の例1として、コンタクトチェック及び検査時におけるプローブ４の位置を、点線の円４ａ～４ｄで示す。コンタクトチェック用の第二のパッド５は、スクライブライン６の内側に第一パッド２と３の中心間距離より導通部分の長さが長い縦長長方形の形状に形成されている。プローブ針は第一のパッド２，３それぞれに１本ずつ、点線の円４ａ、４ｂの位置で配置され、チップ当たり計２本でコンタクトチェック及びＰＤ１に電圧を印加する素子検査を行う。

コンタクトチェックを行う場合、プローブ針は第二パッド５にコンタクトする位置にプローブカードごと移動され、素子検査を行うときには第一パッド２，３にそれぞれコンタクトする位置に移動される。

（第二パッドの大きさ）
図３で、第二パッド５の大きさについて述べる。第二パッド５のＹ方向の長さについては、プローブ針４ａ、４ｂの２本の間のＹ方向距離、すなわち第一パッド２，３の中心間距離より長ければよい。

また、第二パッド５のＸ方向の大きさ（幅）は、プローブ針の直径より長ければよい。プローブ針の直径は市中で10μｍ以上のものが主流であることより、Ｘ方向は10μｍ以上あればよい。すなわち、第二のパッド５は、第一のパッド２，３と同じ幅・長さである必要はない。

また、図１で示すように第二のパッド５の形は長方形でもよく、図４1-2の実施形態１の例２で示すように、第一のパッド２，３にＹ座標が対応する２つのパッド部分を上下に結んで、幅の狭い電極の一部分だけで導通する形状でもよい。また、図４の第二のパッド５のプローブ針４ｃ、４ｄの当たる２つのパッド部分の形状は、長方形でなく丸形等他の形状でもよい。

図５には、実施形態１の例３として、ＰＤ５１の下側に接続する第一パッドのパッド部分（図１の第一のパッド２に相当）が、ＰＤ５１の左右に２つの部分５２，５４に分かれて配列し、３つ第一のパッド部分５２，５３，５４がある場合を示す。この場合、第二のパッド５５は図５の下部に、横長長方形の形状に形成されている。第二のパッド５５の大きさは、Ｘ方向にプローブ針３本のＸ方向距離に針直径を足した長さ以上、すなわちスクライブライン６内で両端のパッド部分５２から５４の間の中心距離以上あればよく、Ｙ方向にはプローブ針の直径以上の長さがあればよい。

上記実施形態１の各例を含め、以下の全実施形態において、熱膨張等の影響により特にウエハ端で位置ずれが起こることが考えられるので、高温下で測定を行う場合は熱膨張を考慮したマージンを、第一及び第二パッドの配置とサイズに設ける必要がある。

また、全実施形態において、形成される素子は電気的測定を行う素子であればＰＤ以外、例えばトランジスタ等２つ以上の端子を備えた素子でも構わない。

実施形態２

図６に、本発明の半導体ウエハの実施の形態２のチップ領域部分を示す。図７は、本発明の実施形態２の半導体ウエハの全体の上面図である。

実施の形態２では、スクライブライン６６の外側に、Ｙ軸方向に縦長の第二のパッド６５をチップの１列分に渡る長さで形成する。スクライブライン６６の内側に形成されたＰＤ６１の１つに対して、図６のようにプローブ針６４ａ、６４ｂを上下に１本ずつ配置して素子の検査をする。この場合、プローブ針を第一パッド６２，６３の位置からＸ軸方向にずらせば、図７の第二のパッド６５でプローブ針のコンタクトチェックを行うことができる。図７のＸ軸方向とＹ軸方向を入れ替えて、あるいは半導体ウエハを９０度回転して、横長の第二のパッド６５を複数形成してもよい。さらには、複数の第二のパッド６５は互いに電気的に接続されていてもよい。

この実施形態２では、スクライブライン６６の内側に第二のパッドが存在しないため、最終的なチップサイズを第二のパッドに依らず設計することができるのがメリットである。ただし、第二のパッド６５のウエハ面積は、半導体素子に使用することはできない。

実施形態３

図８には、本発明の実施の形態３の半導体ウエハの1チップ分の上面図を示す。スクライブライン８６の内側に、ＰＤ８１と、ＰＤ８１の上下に素子検査時に電圧を印加するための第一のパッド８２，８３を備える。実施の形態３では、第一のパッドの少なくともひとつを、Ｘ方向に長い形状とし、第二のパッドを兼ね、スクライブライン８６の内側に設けた第一兼第二パッド８３としている。

第一兼第二パッド８３のＸ方向長さは、プローブ針８４ａ、８４ｂの２本の間のＹ方向距離、すなわちパッド中心間距離より長ければよい。本形態の場合、コンタクトチェック時からウエハを９０度回転して、半導体素子測定を行う。

本実施形態３では、ウエハを移動させるプローバに９０度以上の回転機構があれば、チップサイズをＹ方向に２倍にせずとも第一のパッドが第二のパッドを兼ねた第一兼第二パッド８３とすることができる。ただしＸ方向にはチップサイズが大きくなる。

実施形態４

半導体デバイスの製造に関し、素子に隣接してボンディングパッドを形成し、フリップチップボンディング構造として、フリップチップボンディング工程等でデバイスを製造する方法が広く用いられている。コンタクトチェック用のパッドは半導体素子の動作には寄与しないため、すべての実施形態の構成において、第二のパッドがフリップチップ用ボンディングパッドを兼ねてもよい。

フリップチップ接続にパッドを用いる場合は、実装上作業性が要求されることから、ある程度の縦横サイズのパッドが必要となる。このためフリップチップ接続用にパッドを使用する場合には、50×50μｍ以上のパッドサイズがなければならない。

また、強度面からはパッド配置の対称性も必要となるため、パッドをチップ内で左右および上下に対称に用意するのが望ましい。

図９、図１０の実施形態４には、フリップチップ接続用に兼用として第二パッド９５、１０５を配置した、半導体ウエハのチップ部分の形状例を示す。ＰＤ素子９１、１０１をはさんで第二パッド９５、１０５を左右対称に配置している。パッドの形状が上下にも対称のため、スクライブライン９６、１０６内で第二パッド９５、１０５は、上下でも左右でも対称な形状となり、計４つのパッド部分を有している。第二パッド９５、１０５の縦方向の導通部分の長さは、前述の実施形態の例と同様に、第一パッド９２，９３あるいは１０２、１０３の中心間の距離以上あればよく、図９のように、最小幅50μｍ以上の複数のパッド部分の一部分を導通させる形状でも構わない。

図１０に示すように、第二パッド１０５の形は図１，３と同様な長方形でも良く、図９に示す第二パッド９５のように、一部分だけ導通した鉄アレイのような形状でもよい。また、プローブ針の当たる第二パッドの部分は、長方形でなく丸形等他の形状でもよい。但し、50μｍ以上の直径が望ましい

実施形態５、６

図１１、図１２に、本発明の半導体ウエハの実施の形態５、６のチップ部分の形状示す。左右対称に形成された第二パッド１１５ａ、１１５ｂの対または１２５ａ、１２５ｂの対は、各々の端部のパッド部分を、縦方向（Ｙ方向）に第一パッドの中心間距離以上で結ぶ導通部分に加えて、横方向（Ｘ方向）に第一パッドの中心間距離以上で結ぶ第二の導通部分１１７ａ、１１７ｂまたは１２７ａ、１２７ｂを備える。この形状であれば、プロセス過程の何らかの不具合でコンタクトチェックの一部分が導通しなくても、ウエハの９０度回転または左右の移動等を行い、同一チップ内でコンタクトチェックを行える確率を高めることができる。

上記各実施形態において、必ずしも全ての半導体素子のチップ領域に第一パッドに対応する第二パッドが備えられている必要はないが、全ての半導体素子のチップ領域に第一パッドに対応する第二パッドが備えられている場合には、全素子に対して用意したプローブ全てで一度にコンタクトチェックを行うことが可能となる。このため、測定の更なる効率化につなげることができる。

以上のように、本発明の半導体ウエハでは、簡易な電極パターンの追加のみでプローブ針のコンタクトチェックを行うことが実現可能となった。

Claims (8)

1. 複数のチップが形成された半導体ウエハにおいて、
   前記複数のチップのそれぞれの上に、
   検査対象である半導体素子と、
   前記半導体素子に接続され前記半導体素子の検査に用いられるプローブ針が接続される一組の第一のパッドと、
   前記プローブ針のコンタクトチェックに用いられる、前記一組の第一のパッドに対応した第二のパッドとを備え、
   前記第二のパッドは、前記一組の第一のパッドの中心間の距離より導通部分の長さが長いことにより、複数の前記プローブ針は、前記第一のパッドにおける接続位置と前記第二のパッドにおける接続位置との間で並進移動を可能とする、
   ことを特徴とする半導体ウエハ。
2. 前記第二のパッドは、前記半導体素子の検査に支障のない範囲において前記第一のパッドの一部に導通している
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハ。
3. 前記第二のパッドは、前記チップのスクライブラインの外側に存在し、隣接する他のチップの第二のパッドと接続する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハ。
4. 前記第二のパッドは、１つのチップに対して複数個配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハ。
5. 前記第二のパッドは、パッド部分の最小幅が50μｍ以上あり、チップ内で左右及び上下に対称に配置されていて、全チップに対して備えられている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハ。
6. 前記第二のパッドは、前記チップの上下および左右それぞれの方向について少なくとも一か所以上、導通部分の長さが前記一組の第一のパッドの中心間距離より長い
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハ。
7. 前記第二のパッドは、フリップチップ接続用に兼用とされる
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハ。
8. 前記第二のパッドは、１つのチップに対して複数個配置され、その全てが導通している
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハ。

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