(57)【要約】【課題】プローバに備えた各プローブ針と半導体素子との間の接触抵抗のバラツキを低減して接触不良の発生を防ぎ、測定が適正に行えるようにする。【解決手段】複数本のプローブ針を備えたプローブ針アッシーを用いて半導体素子の電気的測定を行うに際し、針先端面の曲率半径を全て統一したプローブ針を用いて線径に関係なく接触面圧を均一化して接触抵抗のバラツキを抑えるようにし、一例としてプローブ針をタングステン，半導体素子のチップパッド素材をアルミとした上で、前記曲率半径を２０００±５００μｍとする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本のプローブ針を備えたプローブ針アッシーを用いて被試験の半導体素子の電気的測定を行うに際し、針先端面の曲率半径を設計値Ｒに対して全てＲ±２５％に統一したプローブ針を用いて測定を行うことを特徴とする半導体素子の電気的測定方法。
【請求項２】
前記プローブ針の先端面曲率半径が２０００±５００μｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の電気的測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の特性試験実施に際し、半導体素子のチップパッドと個々に対応する複数のプローブ針を備えたプローバを用いて行う半導体素子の電気的測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体製造工程でウェハーに多数作り込まれた半導体素子の電気的特性をチェックするために、図１（ａ）  で示すようなプローバを用いて半導体素子の特性試験（各種の導通試験など）を行うようにしている。
【０００３】
図１（ａ）  において、１は被試験の半導体ウェハー、２はプローバステージ、３は絶縁基台４に複数本のカンチレバー式プローブ針５を配置したプローブ針アッシーであり、ウェハー１を載置したプローバステージ２を上昇することにより、プローバの各プローブ針５が同時にウェハー１に作り込まれた各半導体素子のチップパッドに接触し、この状態で試験装置から各プローブ針に通電して各種の導通試験を行うようにしている。
【０００４】
ここで、前記のプローブ針５はタングステンの細線で作られたもので、通常は半導体素子の回路パターンに合わせて大きな電流が流れる箇所の測定には太いプローブ針（例えば、線径：φ８０μｍ）を用い、小さな電流が流れる箇所の測定には細いプローブ針（例えば：φ４０μｍ）を用いるように使い分けており、プローブ針のメーカーでも各種線径のプローブ針を生産，販売している。
【０００５】
また、前記のように線径の異なるプローブ針を装備したプローバを使用して半導体素子の特性試験を行う場合でも、各プローブ針には均一荷重（針圧）が掛かるようにするために、従来のプローブ針では前記の針圧を設計パラメータとして線径（太さ）ごとにプローブ針の断面係数を調整するように設計している。
【０００６】
さらに、プローブ針の先端面形状についても、半導体素子のチップパッドとの間で安定した接触，導通性が得られるようにするための工夫がなされており、針の先端面を電解加工法により平坦に近い緩やかなＲ面に仕上げた平坦形のほか、レーザ加熱などの手法により針先端部を球面状に仕上げたものが知られている（例えば、特許文献１，特許文献２参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２８９０５６号公報
【特許文献２】
特開平６−２９４８１６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、プローバに装備するプローブ針について、前記のように針圧を設計パラメータとして作られた各種線径のプローブ針を採用し、このプローブ針の多数本を装備したプローバを使って半導体素子の特性試験を行った場合に、次記のような問題がある。
【０００９】
すなわち、プローバに装備した一部のプローブ針に接触不良が生じて電流が正しく流れなくなるほか、接触不良の発生箇所には異常発熱が原因でプローブ針の表面と半導体素子のチップパッド表面間に酸化膜が生じて導通性が更に低下し、そのために半導体素子の特性試験を適正に行えなくなるといった不具合が発生する。なお、この接触不良の発生率は測定された半導体チップ総数の２％にも及ぶ事例も報告されている。
【００１０】
そこで、発明者等はこの問題発生の原因を究明するために、前記構成のプローバを使って繰り返し測定を行い、プローブ針と半導体素子のチップパッドとの間の接触抵抗を調べたところ、プローブ針の線径，種類によって接触抵抗に大きなバラツキの生じていることが認められた。
【００１１】
図３は供試プローブ針として、線径φ８０μｍの平坦形プローブ針，φ４０μｍの平坦形プローブ針（Ｎｏ１），およびφ４０μｍの球面形プローブ針（Ｎｏ２）の３種類を採用し、各プローブ針に加える荷重（針圧）を８ｇｆとして７０万回測定を行ったテストから得た接触抵抗の平均値をグラフで表したもので、この図から判るようにφ４０μｍＮｏ１のプローブ針（平坦形）はφ８０μｍのプローブ針（平坦形）と同程度の接触抵抗を示しているのに対して、φ４０μｍＮｏ２のプローブ針（球面形）では接触抵抗が２倍以上であり、両者の間には抵抗値で１Ω程度の差がある。
【００１２】
これは、測定時に各プローブ針に加わる針圧が同じであっても、プローブ針の種類（線径，先端面の形状）によって測定時にプローブ針と半導体素子のチップパッドとの間の接触面圧が変わり、このために半導体素子のチップパッド表面にプローブ針を加圧接触させた際生じるチップパッド（材質：  Ａｌ−Ｓｉ１ｗｔ％）の塑性変形量（プローブ針による測定の繰り返しに伴い、プローブ針にはその先端面の形状に倣ってアルミ製のチップパッドの削り屑が付着して成長するようになる）に差が生じ、これが接触抵抗のバラツキ発生の原因になるものと推定される。
【００１３】
そこで、発明者等はこのことを検証するために、前記した３種類の供試プローブ針について測定時に加わる接触面圧を実測し、プローブ針の種類と接触面圧との関係を調べた。図４はこの測定結果のグラフを表したもので、同じ線径φ４０μｍのプローブ針でも、その先端形状の平坦形，球面形により接触面圧に大きな差の生じることが確認された。
【００１４】
つまり、従来のプローバに採用するプローブ針は、測定時に各プローブ針に均一な荷重（針圧）が掛かるようにした設計であり、プローブ針の各種線径に対する先端形状および対チップパッドとの接触面圧については厳密な管理がなされてない。このために、線径，先端形状の異なる複数のプローブ針を備えたプローバを使って半導体素子の特性試験を行うと、各プローブ針と半導体素子のチップパッドとの間で接触面圧，接触抵抗にバラツキが生じ、これが原因で一部のプローブ針に接触不良が生じて電気的測定が適正に行えなくなる問題があった。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、前記の考察結果を基に、プローバに装備した各プローブ針と半導体素子との間の接触抵抗のバラツキを低減して特性試験が適正に行えるようにした半導体素子の電気的測定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、本発明によれば、複数本のプローブ針を備えたプローブ針アッシーを用いて半導体素子の電気的測定を行うに際し、針先端面の曲率半径を設計値Ｒに対して全てＲ±２５％に統一したプローブ針を用いて測定を行うものとする（請求項１）。
【００１７】
また、前記曲率半径の適正な設計値については、プローブ針の荷重（針圧），プローブ針（タングステン）と半導体素子チップパッド素材（アルミ）との合成弾性係数を既定値として、接触面圧がチップパッド素材の塑性流動応力よりも高い値となることを条件として演算式により求めた曲率半径２０００μｍに統一するようにし、さらに許容幅（公差）を考慮して、実用的にはプローバに装備する各プローブ針の先端面曲率半径を２０００±５００μｍとする（請求項２）。
【００１８】
上記のようにプローバに装備するプローブ針について、その先端面の曲率半径を全て前記の設計値に統一したプローブ針を採用して測定を行うことにより、プローブ針の太さ（線径）に関係なく測定時に半導体素子のチップパッドに当接する各プローブ針の接触面積は一定となる。これにより、プローバに装備した各プローブと半導体素子のチップパッドとの接触面圧が均一となって各プローブ針相互間の接触抵抗のバラツキが低減し、その結果として従来問題となっていた接触不良の発生率が大幅に改善されて適正な測定が行えるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。すなわち、図１（ａ）  のようにプローバステージ２に載置したウェハー１に作り込まれた半導体素子の電気的測定（特性試験）をプローブ針アッシー３を用いて行う際に、本発明ではアッシー３に装備する各プローブ針５について、図１（ｂ）  に示すように針先の先端面５ａをプローブ針の線径に関係なく全て所定の曲率半径Ｒに統一するように設計，製作したプローブ針を採用するものとする。なお、図中で５ａはプローブ針５の先端面，φは線径を表している。
【００２０】
そして、一例としてプローブ針５の先端面曲率半径Ｒを次のような設計手法により決定するものとする。すなわち、次記の式（１）  を基にプローブ針の先端面と半導体素子のチップパッドとの接触面圧ＰＯ  （ｋｇ／ｍｍ２）をヘルツ接触モデルにより求め、ここでプローブ針の先端面曲率半径Ｒをパラメータとして、接触面圧ＰＯ  がチップパッド素材の塑性流動応力（ｋ）  を基にした塑性限界ポンチ面圧となるような条件で曲率半径Ｒの設計値を求める。
【００２１】
【数式１】
ＰＯ  ＝〔６ＰＥ＊２／π２  Ｒ２  〕１／３  …………（１）
但し、Ｐ：プローブ針の針圧（ｇｆ）  、Ｅ＊２：プローブ針とチップパッド材質との合成弾性係数（ｇｆ／μｍ２  ）、Ｒ：プローブ針の先端面曲率半径（μｍ）
ここで、プローブ針の材質をタングステン，半導体素子のチップパッドの材質をアルミ（Ａｌ−Ｓｉ１ｗｔ％）として、前式（１）  に合成弾性係数Ｅ＊２＝５．９９×１０３（ｋｇ／ｍｍ２）  、針圧Ｐ＝９±１（ｇｆ）  （プローブ針メーカーの推奨針圧）  の既定値を与え、さらにチップパッド素材  （アルミ）  の塑性流動応力（Ｋ）  ＝４（ｋｇ／ｍｍ２）を基に、接触面圧ＰＯ  がチップパッド素材の塑性限界ポンチ面圧（（２  ＋π）  ×ｋ）となる条件で曲率半径Ｒを算出すると、曲率半径Ｒ＝２０００μｍが得られる。
【００２２】
そこで、実用的には前記の曲率半径Ｒを設計値として製作加工による公差（許容幅）を加味し、プローブ針５の適正な先端面曲率半径の設計値を２０００±５００μｍ（Ｒ±２５％）とした。なお、この曲率半径の設計値は、プローブ針の素材がタングステン，  半導体素子のチップパッド素材がアルミ（現在生産されている半導体素子のチップパッド素材はＡｌが一般的である）である場合に適用されるものであり、素材を変更する場合には当然のことながら曲率半径Ｒの設計値も変わる。
【００２３】
また、発明者等は上記の設計を基に製作した線径φ８０μｍ，φ４０μｍの２種類のプローブ針を用意し、このローブ針を装備した供試プローバを半導体素子の導通試験に採用して各プローブ針／半導体素子のチップパッド間の接触抵抗を実測した。図２はその実測結果を基にしたプローブ針の種類と接触抵抗値を表したグラフであり、線径φ８０μｍとφ４０μｍのプローブ針とは殆ど同じ値の接触抵抗値を示している。また、この導通試験を通してプローブ針の接触不良も見られず、半導体素子の電気的測定が適正に行えることが確認できた。
【００２４】
また、測定回数の増加に伴ってプローブ針の針先に付着するチップパッドの削り屑が測定性能に与える影響についても検証したが、各プローブ針の先端面曲率半径を全て同じに統一しておくことにより、付着した削り屑は針の先端形状に倣って成長するようになるので、各プローブ針の間で接触面圧，接触抵抗のバラツクことがなく、チップパッドの削り屑の付着が測定性能に影響を及ぼすおそれがないことも確認している。
【００２５】
なお、上記例の測定ではプローバに線径の異なる２種類（φ８０μｍとφ４０μｍ）のプローブ針を採用したが、プローブ針の線径を一種類として大きな電流を流すチップパッドには複数本のプローブ針を使用するようにしても同等な効果が得られる。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複数本のプローブ針を備えたプローブ針アッシーを用いて半導体素子の電気的測定を行うに際し、針先端面の曲率半径を設計値Ｒに対して全てＲ±２５％に統一したプローブ針を用いて測定を行うものとし、一例として前記曲率半径の設計値Ｒを２０００μｍとしてアッシーに装備する各プローブ針の先端曲率半径を全て２０００±５００μｍとなるように定めたことにより、各プローブ針間の接触抵抗のバラツキを低減し、従来の測定法で問題となっていたプローブ針の接触不良発生を抑えて半導体素子の電気的測定を適正に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プローバを用いた半導体素子の電気的測定法の説明図で、（ａ）  はプローバの構成配置図、（ｂ）  は本発明によるプローブ針の先端部拡大図
【図２】本発明の測定方法に用いたプローブ針の種類と実測した接触抵抗との関係を表すグラフ
【図３】従来の測定方法で用いたプローブ針の種類と実測した接触抵抗との関係を表すグラフ
【図４】従来の測定方法で用いたプローブ針の種類と実測した接触面圧との関係を表すグラフ
【符号の説明】
１    半導体ウェハー（半導体素子）
３    プローブ針アッシー
５    プローブ針
Ｒ    プローブ針の先端面曲率半径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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