(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極が形成された半導体ウェーハを載置するウェーハチャックと、
前記ウェーハチャックに離隔して配置され、前記半導体ウェーハの評価測定時に前記電極に接触して試験信号を供給するプローブ針を保持するプローブカードと、
前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間のキャパシタ容量を測定する測定手段と、
前記評価測定に先立って、電気信号が供給された前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を一定距離ずつ短縮しながら前記測定手段に前記キャパシタ容量を逐次測定させ、測定されたキャパシタ容量値と前記半導体ウェーハの設計仕様に基づいて予め算出されたキャパシタ容量の基準値とを比較し、前記測定されたキャパシタ容量値が前記キャパシタ容量の基準値に達したときに、前記間隔の短縮を停止することで、前記評価測定時に前記電極に印加される荷重を調整する制御手段と、
を備えるウェーハプローブ装置。
【請求項２】
第１の電極が形成された評価用のテストエレメントグループと、第２の電極が形成されたモニタ用のテストエレメントグループとを有する半導体ウェーハを載置するウェーハチャックと、
前記ウェーハチャックに離隔して配置され、前記評価用のテストエレメントグループの評価測定時に前記電極に接触して試験信号を供給するプローブ針を保持するプローブカードと、
前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間のキャパシタ容量を測定する測定手段と、
前記評価測定に先立って、前記モニタ用のテストエレメントグループについて、電気信号が供給された前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を初期値に設定した上で第１の距離ずつ短縮しながら前記測定手段に前記キャパシタ容量を逐次測定させ、測定されたキャパシタ容量値と前記半導体ウェーハの設計仕様に基づいて予め算出されたキャパシタ容量の基準値とを比較し、前記測定されたキャパシタ容量値が前記キャパシタ容量の基準値に達したときに、前記間隔の短縮を停止し、このときの前記第１の距離の累計値を第２の距離として求め、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を前記初期値に戻し、前記評価用のテストエレメントグループについて、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を前記第２の距離に設定することにより、前記評価用のテストエレメントグループの評価測定時に前記電極に印加される荷重を調整する制御手段と、
を備えるウェーハプローブ装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記ウェーハチャックまたは前記プローブカードの機械的移動における余裕を考慮した第３の距離を前記第２の距離に加算して第４の距離を算出し、この第４の距離に基づいて前記評価用のテストエレメントグループについての前記荷重を調整することを特徴とする請求項２に記載のウェーハプローブ装置。
【請求項４】
表面に電極が形成された半導体ウェーハを載置するウェーハチャックと、前記ウェーハチャックに離隔して配置され、半導体ウェーハの評価測定時に前記電極に接触して試験信号を供給するプローブ針を保持するプローブカードと、を備えるウェーハプローブ装置の制御方法であって、
前記評価測定に先立って、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を一定距離ずつ短縮しながら前記プローブ針に電気信号を供給し、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間のキャパシタ容量を逐次測定し、測定されたキャパシタ容量値と前記半導体ウェーハの設計仕様に基づいて予め算出されたキャパシタ容量の基準値とを比較し、前記測定されたキャパシタ容量値が前記キャパシタ容量の基準値に到達したときに、前記間隔の短縮を停止することで、前記評価測定時に前記電極に印加される荷重を調整するウェーハプローブ装置の制御方法。
【請求項５】
第１の電極が形成された評価用のテストエレメントグループと、第２の電極が形成されたモニタ用のテストエレメントグループとを有する半導体ウェーハを載置するウェーハチャックと、前記ウェーハチャックに離隔して配置され、前記評価用のテストエレメントグループの評価測定時に前記電極に接触して試験信号を供給するプローブ針を保持するプローブカードと、を備えるウェーハプローブ装置の制御方法であって、
前記評価測定に先立って、前記モニタ用のテストエレメントグループについて、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を初期値に設定した上で第１の距離ずつ短縮しながら前記プローブ針に電気信号を供給し、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間のキャパシタ容量を逐次測定し、測定されたキャパシタ容量値と前記半導体ウェーハの設計仕様に基づいて予め算出されたキャパシタ容量の基準値とを比較し、前記測定されたキャパシタ容量値が前記キャパシタ容量の基準値に達したときに、前記間隔の短縮を停止し、このときの前記第１の距離の累計値を第２の距離として求め、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を前記初期値に戻し、前記評価用のテストエレメントグループについて、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を前記第２の距離に設定することにより、前記評価用のテストエレメントグループの評価測定時に前記電極に印加される荷重を調整するウェーハプローブ装置の制御方法。
【請求項６】
前記第２の距離に、前記ウェーハチャックまたは前記プローブカードの機械的移動における余裕を考慮した第３の距離を加算して第４の距離を算出し、この第４の距離に基づいて前記評価用のテストエレメントグループについての前記荷重を調整することを特徴とする請求項５に記載のウェーハプローブ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の評価装置および評価方法に関し、特に、ウェーハプローブ装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウェーハプローブ装置を用いて半導体素子を評価する場合、ウェーハ上のパッドに加わるプローブ針の荷重は、直接測定することが困難である。このため、モニタ量としてウェーハを載置するチャックの上昇における変位（チャックの高さの量）を用いている。
【０００３】
従来のプローブ装置では、ウェーハの表面にレーザを照射して得られた反射信号を用いてプローブ針とウェーハとの距離を測定することにより、またはウェーハ上の画像を取得し、この画像を用いてプローブ針とウェーハとの距離を測定することにより、チャックが上昇した高さを決定していた。このため、プローブ装置の検知における接触認識と、実際にパッドに接続するテストエレメントグループ（Test Element Group:以下、単にＴＥＧという）がプローブ針と電気的に接触するためのチャック上昇の接触認識とは、異なっていた。また、チャックの上昇位置を決定する他の方法として、エッジセンサを用いてセンサピンの物理的な接触を検知する方法もあった。しかし、この方法も実際にＴＥＧがプローブ針と電気的に接触することによる検知とは異なっていた。従って、これらの方法においては、実際に電気信号を検知できるように接触させるためには、プローブ装置が検知した位置から、オーバドライブ分として約１０μｍ〜１００μｍを追加し、この分だけさらに上昇させていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにオーバドライブ分を単純に追加すると、例えばポリシリコン膜を電極とする酸化膜の耐圧を測定評価する場合など、パッド電極がメタル配線で構成されていない場合は、必要以上のオーバドライブ分を追加すると、プローブ針と接触する素子そのものが針の荷重により損傷される場合があった。この一方、オーバドライブ分が少なすぎると、プローブ針とパッドとの接触抵抗が大きくなり、素子に対する評価そのものが不可能になる、という問題があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウェーハプロービングにおいて、パッド電極またはその直下の素子にダメージを与えることなく、容易かつ確実に電気的な接触を可能にするウェーハプローブ装置およびその制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。
【０００７】
即ち、本発明の第１の態様によれば、
表面に電極が形成された半導体ウェーハを載置するウェーハチャックと、
前記ウェーハチャックに離隔して配置され、前記半導体ウェーハの評価測定時に前記電極に接触して試験信号を供給するプローブ針を保持するプローブカードと、
前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間のキャパシタ容量を測定する測定手段と、
前記評価測定に先立って、電気信号が供給された前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を一定距離ずつ短縮しながら前記測定手段に前記キャパシタ容量を逐次測定させ、測定されたキャパシタ容量値と前記半導体ウェーハの設計仕様に基づいて予め算出されたキャパシタ容量の基準値とを比較し、前記測定されたキャパシタ容量値が前記キャパシタ容量の基準値に達したときに、前記間隔の短縮を停止することで、前記評価測定時に前記電極に印加される荷重を調整する制御手段と、
を備えるウェーハプローブ装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の第２の態様によれば、
第１の電極が形成された評価用のテストエレメントグループと、第２の電極が形成されたモニタ用のテストエレメントグループとを有する半導体ウェーハを載置するウェーハチャックと、
前記ウェーハチャックに離隔して配置され、前記評価用のテストエレメントグループの評価測定時に前記電極に接触して試験信号を供給するプローブ針を保持するプローブカードと、
前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間のキャパシタ容量を測定する測定手段と、
前記評価測定に先立って、前記モニタ用のテストエレメントグループについて、電気信号が供給された前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を初期値に設定した上で第１の距離ずつ短縮しながら前記測定手段に前記キャパシタ容量を逐次測定させ、測定されたキャパシタ容量値と前記半導体ウェーハの設計仕様に基づいて予め算出されたキャパシタ容量の基準値とを比較し、前記測定されたキャパシタ容量値が前記キャパシタ容量の基準値に達したときに、前記間隔の短縮を停止し、このときの前記第１の距離の累計値を第２の距離として求め、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を前記初期値に戻し、前記評価用のテストエレメントグループについて、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を前記第２の距離に設定することにより、前記評価用のテストエレメントグループの評価測定時に前記電極に印加される荷重を調整する制御手段と、
を備えるウェーハプローブ装置が提供される。
【０００９】
また、本発明の第３の態様によれば、
表面に電極が形成された半導体ウェーハを載置するウェーハチャックと、前記ウェーハチャックに離隔して配置され、半導体ウェーハの評価測定時に前記電極に接触して試験信号を供給するプローブ針を保持するプローブカードと、を備えるウェーハプローブ装置の制御方法であって、
前記評価測定に先立って、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を一定距離ずつ短縮しながら前記プローブ針に電気信号を供給し、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間のキャパシタ容量を逐次測定し、測定されたキャパシタ容量値と前記半導体ウェーハの設計仕様に基づいて予め算出されたキャパシタ容量の基準値とを比較し、前記測定されたキャパシタ容量値が前記キャパシタ容量の基準値に到達したときに、前記間隔の短縮を停止することで、前記評価測定時に前記電極に印加される荷重を調整するウェーハプローブ装置の制御方法が提供される。
【００１０】
さらに、本発明の第４の態様によれば、
第１の電極が形成された評価用のテストエレメントグループと、第２の電極が形成されたモニタ用のテストエレメントグループとを有する半導体ウェーハを載置するウェーハチャックと、前記ウェーハチャックに離隔して配置され、前記評価用のテストエレメントグループの評価測定時に前記電極に接触して試験信号を供給するプローブ針を保持するプローブカードと、を備えるウェーハプローブ装置の制御方法であって、
前記評価測定に先立って、前記モニタ用のテストエレメントグループについて、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を初期値に設定した上で第１の距離ずつ短縮しながら前記プローブ針に電気信号を供給し、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間のキャパシタ容量を逐次測定し、測定されたキャパシタ容量値と前記半導体ウェーハの設計仕様に基づいて予め算出されたキャパシタ容量の基準値とを比較し、前記測定されたキャパシタ容量値が前記キャパシタ容量の基準値に達したときに、前記間隔の短縮を停止し、このときの前記第１の距離の累計値を第２の距離として求め、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を前記初期値に戻し、前記評価用のテストエレメントグループについて、前記プローブ針と前記ウェーハチャックとの間隔を前記第２の距離に設定することにより、前記評価用のテストエレメントグループの評価測定時に前記電極に印加される荷重を調整するウェーハプローブ装置の制御方法が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本発明にかかるウェーハプローブ装置の実施の一形態を示す略示断面図である。同図に示すウェーハプローブ装置１は、プローブカード１０と、ウェーハチャック２０と、容量測定ユニット３０と、コントローラ４０と、メモリ４２とを備える。プローブカード１０は、電気信号を供給するプローブ１２を含み、本実施形態においてウェーハプローブ装置１に固定されている。ウェーハチャック２０は、被測定試料（Device Under Test：以下、単に「ＤＵＴ」という）９０を上面に載置する。ウェーハチャック２０は、コントローラ４０に接続され、コントローラ４０から供給される制御信号に基づいて上下に昇降し、ＤＵＴの高さを調整する。コントローラ４０は、後述する制御方法に従ってウェーハプローブ装置１を制御する。メモリ４２は、後述するキャパシタ容量値などのデータを格納する。
【００１３】
本実施形態においてＤＵＴ９０は、シリコンウェーハ９２と、シリコンウェーハ９２の表面に形成された酸化膜９４と、酸化膜９４上にリンをドープして選択的に形成されたポリシリコン膜９６を含み、これらの構成要素は、酸化膜９４を誘電体とし、シリコンウェーハ９２とポリシリコン膜９６を誘電体を間に挟む電極とするキャパシタを構成する。ポリシリコン膜９６は、パッド電極（以下、適宜、電極９６という）を兼ねる。
【００１４】
プローブ１２とウェーハチャック２０とは容量測定ユニット３０に接続される。また、容量測定ユニット３０は、図示しないインタフェイスを介してコントローラ４０に接続され、プローブ１２とウェーハチャック２０から供給された電気信号に基づいてＤＵＴ９０のキャパシタの容量を測定し、測定データをコントローラ４０に供給する。
【００１５】
図１に示すウェーハプローブ装置１の動作について、本発明にかかるウェーハプローブ装置の制御方法の実施の形態として図２から図５を参照しながら説明する。
【００１６】
図２は、本発明にかかるウェーハプローブ装置の制御方法の第１の実施の形態を示すフローチャートである。同図に示すように、まず、コントローラ４０は、プローブ針１２の先端が任意のチップの評価用ＴＥＧの真上に位置するようにウェーハチャック２０の水平位置を調整し、この位置で初期設定の位置にまで下降させておく（ステップＳ１）。次に、コントローラ４０は、ウェーハチャック２０を所定の高さｈｇ（第１の距離）だけ上昇させる（ステップＳ２）。容量測定ユニット３０は、プローブ針１２とウェーハチャック２０との間の電気的な状態を現わす物理量であるキャパシタ容量を測定し（ステップＳ３）、その測定値Ｃｍをコントローラ４０に供給する。メモリ４２には、プローブ針１２と電極９６とが電気的に導通した場合に得られる所望の物理量、即ち、設計仕様に基づく算出により得られた酸化膜９４のキャパシタ容量値（以下、基準値Ｃｓという）が予め格納されており、コントローラ４０は、メモリ４２から引き出した基準値Ｃｓと、容量測定ユニット３０から供給された測定値Ｃｍとを比較する（ステップＳ４）。コントローラ４０は、測定値Ｃｍが基準値Ｃｓに至るまで、以上のステップＳ２からＳ４までの処理を繰り返す。測定値Ｃｍが基準値Ｃｓに到達すると、コントローラ４０は、ウェーハチャック２０の上昇を止め、その位置でキャパシタの酸化膜耐圧などの評価測定を実行する（ステップＳ５）。さらに、コントローラ４０は、以上のステップＳ１からＳ５の処理を全ての測定対象チップについて実行する（ステップＳ６）。
【００１７】
このように、本実施形態の制御方法によれば、チップ毎にウェーハチャック２０の高さを制御するので、チップ毎にプローブ針１２とポリシリコン膜による電極９６との接触荷重を適正量に制御することができる。これにより、プローブ針１２の過剰な荷重によるポリシリコン膜９６を介した酸化膜９４の損傷を防止するとともに、プローブ針１２と電極９６との接触不良による測定エラーを防止することができる。
【００１８】
次に、本発明にかかるウェーハプローブ装置の制御方法の第２の実施の形態について図３のフローチャートを参照しながら説明する。本実施形態では、まず、チップの評価用ＴＥＧ素子でなく、チップ内のモニタ用のＴＥＧについてウェーハチェック２０の高さを決定し、このときの高さを評価用ＴＥＧの測定に適用する点にある。
【００１９】
まず、コントローラ４０は、プローブ針１２の先端がモニタ用のＴＥＧの真上に位置するようにウェーハチャック２０の水平位置を調整した後（ステップＳ１０）、ウェーハチャック２０を初期設定での垂直方向の位置から高さｈｇずつ段階的に上昇させ（ステップＳ１２）、その都度キャパシタ容量を逐次測定し（ステップＳ１３）、測定値Ｃｍが基準値Ｃｓに至るまで上昇動作と測定動作を繰り返す（ステップＳ１１〜Ｓ１４）。測定値Ｃｍが基準値Ｃｓになると、コントローラ４０は、ウェーハチャック２０の上昇を停止してそれまでの上昇量ｈｃ（第２の距離）をメモリ４２に格納する（ステップＳ１５）。
【００２０】
次に、コントローラ４０は、ウェーハチャック２０を初期設定の位置にまで一旦下降させ（ステップＳ１６）、測定対象のＴＥＧ座標に、即ち、プローブ針１２の先端がそのチップ内の評価用ＴＥＧの真上になる位置までウェーハチャック２０を水平方向に移動させ（ステップＳ１７）、その後、ウェーハチャック２０をメモリ４２に格納した上昇量ｈｃの分だけ上昇させて（ステップＳ１８）、評価用ＴＥＧのキャパシタに対する測定を実行する（ステップＳ１９）。さらに、コントローラ４０は、以上の処理を全ての測定対象チップについて実行する（ステップＳ２０）。
【００２１】
本実施形態によれば、ウェーハチャック２０の高さを決定するために測定対象であるキャパシタに電気的なストレスを与えることがないので、キャパシタ特性を高い精度で評価することができる。
【００２２】
次に、本発明にかかるウェーハプローブ装置の制御方法の第３の実施の形態について図４のフローチャートを参照しながら説明する。
【００２３】
図３との対比において明らかなように、本実施形態の特徴は、図４のステップＳ３８にある。即ち、測定対象のＴＥＧ座標でウェーハチャック２０を上昇させるときに、メモリ４２に格納した上昇量ｈｃでなく、これに予め定めた追加の上昇量ｈｏｖ（第３の距離）、例えば１０μｍ〜１００μｍを加算した量（第４の距離）だけウェーハチャック２０を上昇させる。その他のステップは、図３のステップ番号に単に２０を加えたものであり、上述した第２の実施形態と実質的に同一である。
【００２４】
このように、本実施形態によれば、ｈｏｖに相当するオーバードライブを加えることにより、ウェーハチャック２０の上昇時および下降時の機械動作の余裕による接触不良の問題を解消することができる。
【００２５】
次に、本発明にかかるウェーハプローブ装置の制御方法の第４の実施の形態を図５のフローチャートを参照しながら説明する。
【００２６】
図４との比較において明らかなように、本実施形態の特徴は、図５のＳ５０、Ｓ５３、Ｓ５９およびＳ６０のステップにある。その他の点は、上述した第３の実施形態と実質的に同一であり、図４の各ステップ番号に単に２０を加えただけであるので、以下では、相違する点を中心に説明する。
【００２７】
本実施形態では、測定対象チップのそれぞれについてウェーハチャック２０の上昇量ｈｃを決定するのでなく、あるまとまったチップ群、例えば相互に近接して配置されているチップ群がある場合は、このチップ群を代表するチップで上昇量ｈｃを決定する。即ち、最初のウェーハチャック２０の水平位置調整において、チップ群を代表するチップのモニタ用ＴＥＧの真上にプローブ針１２の先端が位置するように調整する（ステップＳ５０）。従って、キャパシタ容量は、この、チップ群を代表するチップについて測定する（ステップＳ５３）。
【００２８】
基準値Ｃｓに一致するキャパシタ容量値Ｃｍが得られれば（ステップＳ５４）、そのときの上昇量ｈｃをメモリ４２に格納しておく（ステップＳ５５）。次に、ウェーハチャック２０を一旦下降させて（ステップＳ５６）、測定するＴＥＧ座標にウェーハチャック２０を水平移動させた後に、（ｈｃ＋ｈｏｖ）だけウェーハチャック２０を上昇させてそのチップで測定用ＴＥＧの評価測定を実行する（ステップＳ５９）。その後は、既に得られた上昇量ｈｃをそのチップ群における他のチップに適用して順次評価用ＴＥＧの測定評価を実行する（ステップＳ６０）。
【００２９】
このように、本実施形態では、チップ群を代表するチップのモニタ用ＴＥＧについてウェーハチャック２０の上昇量ｈｃを決定し、この上昇量ｈｃをそのチップ群の評価用ＴＥＧの評価測定に適用するので、評価測定の効率を大幅に向上させることができる。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記形態に限ることなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して適用することができる。
【００３１】
上述した制御方法の第３および第４の実施形態においては、決定した上昇量ｈｃに追加の上昇量ｈｏｖを加算する手順と、代表するチップ群について上昇量ｈｃを決定する手順とをそれぞれ第２の実施形態に加えた形態について説明したが、これに限ることなく、これらの手順を上述した第１の実施形態に加えても良い。また、上記実施形態では、プローブ針１２と電極９６とが電気的に導通した場合に得られる物理量としてキャパシ容量値を用いる場合について説明したが、これに限ることなく、インピーダンス値や電流値、または電圧値を用いても良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明は、以下の効果を奏する。
【００３３】
即ち、本発明にかかるウェーハプローブ装置によれば、プローブ針とウェーハチャックとの間の電気的状態を現わす物理量を測定する測定手段と、上記測定手段から供給される上記物理量の測定結果に基づいて上記プローブカードと上記ウェーハチャックとの間隔を制御する制御手段とを備えるので、電極に印加される上記プローブ針の荷重を適正な値に調整することができる。これにより、過剰な荷重により上記半導体ウェーハに形成された素子を損傷するおそれがなくなる。この一方、上記荷重が過小であるために上記プローブ針と上記電極との大きな接触抵抗から評価そのものができなくなる、というおそれも解消される。
【００３４】
また、本発明にかかるウェーハプローブ装置の制御方法によれば、プローブ針とウェーハチャックとの間の電気的状態を現わす物理量が基準値に達したときの第１の距離の累計値に基づいて上記評価測定時における上記プローブカードと上記ウェーハチャックとの間隔を制御するので、電極に印加される上記プローブ針の荷重を適正な値に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかるウェーハプローブ装置の実施の一形態を示す略示断面図である。
【図２】  本発明にかかるウェーハプローブ装置の制御方法の第１の実施の形態を示すフローチャートである。
【図３】  本発明にかかるウェーハプローブ装置の制御方法の第２の実施の形態を示すフローチャートである。
【図４】  本発明にかかるウェーハプローブ装置の制御方法の第３の実施の形態を示すフローチャートである。
【図５】  本発明にかかるウェーハプローブ装置の制御方法の第４の実施の形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  ウェーハプローブ装置
１０  プローブカード
１２  プローブ
２０  ウェーハチャック
３０  容量測定ユニット
４０  コントローラ
【図１】
0004365534.tif 000002
【図２】
0004365534.tif 000003
【図３】
0004365534.tif 000004
【図４】
0004365534.tif 000005
【図５】
0004365534.tif 000006