半導体評価装置
【課題】ウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる半導体評価装置を提供する。
【解決手段】プローブ５を定電流回路７に接続するか、プローブ５を電圧測定回路８に接続するかを切り替えるスイッチＳ１と、プローブ３を定電流回路７に接続するか、プローブ３を電圧測定回路８に接続するかを切り替えるスイッチＳ２と、プローブ４を定電流回路７に接続するか、プローブ４を電圧測定回路８に接続するかを切り替えるスイッチＳ３と、プローブ６を定電流回路７に接続するか、プローブ６を電圧測定回路８に接続するかを切り替えるスイッチＳ４と、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−の少なくとも１つの電極上において所定時間後に絶縁膜が成長する電極に接続されたプローブを定電流回路７に接続するようにスイッチＳ１〜スイッチＳ４を制御する切替制御回路１５とを備えている。
【解決手段】プローブ５を定電流回路７に接続するか、プローブ５を電圧測定回路８に接続するかを切り替えるスイッチＳ１と、プローブ３を定電流回路７に接続するか、プローブ３を電圧測定回路８に接続するかを切り替えるスイッチＳ２と、プローブ４を定電流回路７に接続するか、プローブ４を電圧測定回路８に接続するかを切り替えるスイッチＳ３と、プローブ６を定電流回路７に接続するか、プローブ６を電圧測定回路８に接続するかを切り替えるスイッチＳ４と、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−の少なくとも１つの電極上において所定時間後に絶縁膜が成長する電極に接続されたプローブを定電流回路７に接続するようにスイッチＳ１〜スイッチＳ４を制御する切替制御回路１５とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェーハ試験における４端子計測の接続の信頼性を確保する半導体評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセス評価の分野、及び半導体材料評価の分野において、ウェーハ上のサンプルを評価する際には、プローブと呼ばれる極細径の金属針によりウェーハ上の電極との電気的接触を得る。一方、ウェーハ上のサンプルを精度良く評価するには４つの電極を使用した４端子計測が用いられている。
【０００３】
ウェーハ上のサンプルに対して４端子計測を行う例としては、エレクトロマイグレーション（electromigration）評価がよく知られている。エレクトロマイグレーションとは、半導体デバイスのアルミニウム配線等の金属配線電極に１０５Ａ／ｃｍ２以上の高密度電流を長時間流し続けると、電子流の方向に配線金属原子が陰極側から陽極側へ移動し、配線が断線する現象である。半導体内部の配線抵抗を評価するエレクトロマイグレーション評価では、近年ウェーハレベルでの評価が開始されつつある。また、エレクトロマイグレーション評価では、サンプルの配線を正確に計測するために４端子計測が用いられている。
【０００４】
図３（ａ）は、従来のウェーハレベルでエレクトロマイグレーション評価が可能な半導体評価装置１０１の斜視図である。
【０００５】
図３（ａ）の半導体評価装置１０１は、高温チャック１０２、プローブ１０３〜プローブ１０６、定電流回路１０７及び電圧測定回路１０８を備えている。また、高温チャック１０２の上にウェーハ１０９が配置されている。ウェーハ１０９は、表面、即ち高温チャック１０２と接触しない面に、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−が形成されている。なお、ウェーハ１０９は、エレクトロマイグレーションの速度を速くするため、高温チャック１０２により２００℃〜３５０℃に加熱される。評価試験の間中、ウェーハの温度は一定に保たれる。
【０００６】
プローブ１０３の一端は、定電流回路１０７の＋端子に接続されている。プローブ１０４の一端は、定電流回路１０７の−端子に接続されている。プローブ１０５の一端は、電圧測定回路１０８の＋端子に接続されている。プローブ１０６の一端は、電圧測定回路１０８の−端子に接続されている。
【０００７】
プローブ１０３の他端は、電極Ｆ＋に接続されている。プローブ１０４の他端は、電極Ｆ−に接続されている。プローブ１０５の他端は、電極Ｓ＋に接続されている。プローブ１０６の他端は、電極Ｓ−に接続されている。
【０００８】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の半導体評価装置１０１においてウェーハの形成された半導体内部の配線抵抗を４端子計測にて評価する場合の回路図である。定電流回路１０７により、定電流回路１０７の＋端子→プローブ１０３→電極Ｆ＋→配線１１１→配線抵抗１１０→配線１１２→電極Ｆ−→プローブ１０４→定電流回路１０７の−端子の経路で電流Ｉが流れる。この経路で電流Ｉが流れた場合に、電圧測定回路１０８は、電極Ｓ＋と電極Ｓ−との間の電圧Ｖを測定する。
【０００９】
配線抵抗１１０の抵抗値をＲ、電極Ｆ＋と配線抵抗１１０との間の配線１１１の抵抗値をＲ１、電極Ｆ−と配線抵抗１１０との間の配線１１２の抵抗値をＲ２、電極Ｓ＋と配線抵抗１１０との間の配線１１３の抵抗値をＲ３、電極Ｓ−と配線抵抗１１０との間の配線１１４の抵抗値をＲ４、電圧Ｖの測定時に電圧測定回路１０８が電極Ｓ＋と電極Ｓ−との間に流す微弱電流をＩ’とした場合、（１）式が成立する。
【００１０】
Ｖ＝−Ｒ３・Ｉ’＋Ｒ・（Ｉ−Ｉ’）−Ｒ４・Ｉ’
Ｖ＝Ｒ・Ｉ−Ｒ・Ｉ’−（Ｒ３＋Ｒ４）・Ｉ’ （１）
一般に、Ｉ＞＞Ｉ’であり、（１）式の右辺において第１項以外は省略出来るので、（２）式が成立する。
【００１１】
Ｖ＝Ｒ・Ｉ （２）
従って、配線抵抗１１０の抵抗値Ｒは、（３）式により求められる。
【００１２】
Ｒ＝Ｖ／Ｉ （３）
図３の半導体評価装置と同様にウェーハ上のサンプルを評価するものとして、非特許文献１では３００ｍｍまでの基板に対応可能なウェーハレベル信頼性試験専用プローブシステムが開示されている。
【非特許文献１】“PM300WLR”、［online］、２００７年３月９日、SUSS MicroTec、［２００８年２月１５日検索］、インターネット〈URL：http://www.suss.com/download?id=745〉
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図３の半導体評価装置では、ウェーハ１０９を加熱していることにより、プローブと電極との接合部において絶縁膜が加速成長する。この場合、電極Ｆ＋及び電極Ｆ−に関しては、電極とプローブとの間に絶縁膜が成長すると、定電流回路１０７が上記絶縁膜にも電流Ｉを流すように出力電圧を上昇させる。この結果、上記絶縁膜にも電流Ｉが流れ、上記絶縁膜は破壊される。
【００１４】
しかし電極Ｓ＋及び電極Ｓ−に関しては、電圧測定回路１０８のインピーダンスが非常に高く、絶縁膜の破壊電流が流れない。このため、絶縁膜が成長し続ける結果、プローブと電極との接合部における電気的接触が無くなってしまう。よって電圧Ｖの測定が不可能となるので、配線抵抗１１０の抵抗値Ｒの測定が出来なくなる。
【００１５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる半導体評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の半導体評価装置は、上記課題を解決するために、ウェーハに形成された第１の電極ないし第４の電極にそれぞれ接続される第１のプローブないし第４のプローブと、上記ウェーハを加熱し、上記ウェーハの温度を一定に保つ高温チャックと、上記第１の電極ないし上記第４の電極の内の２つの電極間に電流を流す定電流手段と、上記第１の電極ないし上記第４の電極の内の２つの電極間に生じる電圧を測定する電圧測定手段とを備える半導体評価装置において、上記第３のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第３のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第１の切り替え手段と、上記第１のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第１のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第２の切り替え手段と、上記第２のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第２のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第３の切り替え手段と、上記第４のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第４のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第４の切り替え手段と、上記第１の電極ないし上記第４の電極の少なくとも１つの電極上において所定時間後に絶縁膜が成長する電極に接続されたプローブを上記定電流手段に接続するように上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段を制御する切替制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
上記発明によれば、上記第１の電極ないし上記第４の電極それぞれについて、上記電流を流す電極とするか上記電圧を測定するための電極とするかを、上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段により切り替えることが可能となる。
【００１８】
これにより、上記第１の電極ないし上記第４の電極の少なくとも１つの電極上において絶縁膜が成長した場合でも、該絶縁膜が成長した電極に接続されたプローブを上記定電流手段に接続し、上記定電流手段が上記電流を流すために出力する追従電圧を上記絶縁膜に印加することにより、上記絶縁膜を破壊出来るので、上記絶縁膜の発生と成長を防止出来る。
【００１９】
また、上記絶縁膜が成長する前においても、上記定電流手段が上記電流を流し、上記絶縁膜の発生と成長を防止出来る。
【００２０】
従って、高温でかつウェーハ上の電極にプローブを、数百時間、より具体的には２００時間〜５００時間という長時間接触させて配線抵抗等の電気的パラメータの計測を行うウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる。
【００２１】
上記半導体評価装置では、上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段は、メカニカルリレーにより構成されてもよい。
【００２２】
また、上記半導体評価装置では、上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段は、半導体リレーにより構成されてもよい。
【００２３】
上記半導体評価装置では、上記第１のプローブないし上記第４のプローブは、タングステンレニウムで製作されてもよい。
【００２４】
また、上記半導体評価装置では、上記第１のプローブないし上記第４のプローブは、プラチナで製作されてもよい。
【００２５】
これらの構成により、ウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の半導体評価装置は、以上のように、第３のプローブを定電流手段に接続するか、上記第３のプローブを電圧測定手段に接続するかを切り替える第１の切り替え手段と、第１のプローブを上記定電流手段に接続するか、第１のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第２の切り替え手段と、第２のプローブを上記定電流手段に接続するか、第２のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第３の切り替え手段と、第４のプローブを上記定電流手段に接続するか、第４のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第４の切り替え手段と、第１の電極ないし第４の電極の少なくとも１つの電極上において所定時間後に絶縁膜が成長する電極に接続されたプローブを上記定電流手段に接続するように上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段を制御する切替制御手段とを備えているものである。
【００２７】
それゆえ、ウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる半導体評価装置を提供するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の一実施形態について図１及び図２に基づいて説明すると以下の通りである。
【００２９】
図１（ａ）は、本実施の形態に係るウェーハレベルでエレクトロマイグレーション評価が可能な半導体評価装置１の斜視図である。
【００３０】
図１（ａ）の半導体評価装置１は、高温チャック２、プローブ３〜プローブ６、定電流回路７、電圧測定回路８、スイッチＳ１〜スイッチＳ４及び切替制御回路１５を備えている。また、高温チャック２の上にウェーハ９が配置されている。ウェーハ９は、表面、即ち高温チャック２と接触しない面に、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−が形成されている。なお、ウェーハ９は、エレクトロマイグレーションの速度を速くするため、高温チャック２により２００℃〜３５０℃に加熱される。評価試験の間中、ウェーハの温度は一定に保たれる。
【００３１】
エレクトロマイグレーションの速度は、流れる電流が大きくなるほど、及びウェーハの温度が高くなるほど速くなるが、設定したエレクトロマイグレーションの加速速度で故障が発生するまでの時間と、サンプルの寿命とが一致している必要がある。エレクトロマイグレーションの加速速度を速くし過ぎると、エレクトロマイグレーションとは異なる故障が発生し、ウェーハ上のサンプルの正しい寿命が算出出来なくなる。サンプルの正しい寿命を算出するために必要なエレクトロマイグレーションの加速速度は、各社が実験により求めている。サンプルの配線がアルミ配線の場合にはウェーハの温度の上限は２００℃であり、この温度以上にするとサンプルの正しい寿命が算出出来なくなる。同様に、サンプルの配線が銅配線の場合にはウェーハの温度の上限は３５０℃である。
【００３２】
スイッチＳ１は、端子Ｔ１〜端子Ｔ３を有しており、端子Ｔ１と端子Ｔ２とを接続すること、及び端子Ｔ１と端子Ｔ３とを接続することが切り替え可能である。スイッチＳ２は、端子Ｔ４〜端子Ｔ６を有しており、端子Ｔ４と端子Ｔ５とを接続すること、及び端子Ｔ４と端子Ｔ６とを接続することが切り替え可能である。スイッチＳ３は、端子Ｔ７〜端子Ｔ９を有しており、端子Ｔ７と端子Ｔ８とを接続すること、及び端子Ｔ７と端子Ｔ９とを接続することが切り替え可能である。スイッチＳ４は、端子Ｔ１０〜端子Ｔ１２を有しており、端子Ｔ１０と端子Ｔ１１とを接続すること、及び端子Ｔ１０と端子Ｔ１２とを接続することが切り替え可能である。
【００３３】
なお、本実施の形態において、スイッチＳ１〜スイッチＳ４の接続の切り替えは、切替制御回路１５からスイッチＳ１〜スイッチＳ４へ出力される信号により制御される。また、スイッチＳ１〜スイッチＳ４は、メカニカルリレーにより構成されることが一般的であるが、半導体リレーにより構成されても良い。
【００３４】
プローブ３の一端は、端子Ｔ４に接続されている。プローブ４の一端は、端子Ｔ７に接続されている。プローブ５の一端は、端子Ｔ１に接続されている。プローブ６の一端は、端子Ｔ１０に接続されている。
【００３５】
プローブ３の他端は、電極Ｆ＋に接続されている。プローブ４の他端は、電極Ｆ−に接続されている。プローブ５の他端は、電極Ｓ＋に接続されている。プローブ６の他端は、電極Ｓ−に接続されている。
【００３６】
定電流回路７の＋端子は、端子Ｔ３及び端子Ｔ５に接続されている。定電流回路７の−端子は、端子Ｔ８及び端子Ｔ１２に接続されている。電圧測定回路８の＋端子は、端子Ｔ２及び端子Ｔ６に接続されている。電圧測定回路８の−端子は、端子Ｔ９及び端子Ｔ１１に接続されている。
【００３７】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の半導体評価装置１においてウェーハの形成された半導体内部の配線抵抗を４端子計測にて評価する場合の回路図である。
【００３８】
まず、スイッチＳ２において、端子Ｔ４と端子Ｔ５とを接続し、スイッチＳ３において、端子Ｔ７と端子Ｔ８とを接続する。これにより、定電流回路７は、定電流回路７の＋端子→端子Ｔ５→端子Ｔ４→プローブ３→電極Ｆ＋→配線１１→配線抵抗１０→配線１２→電極Ｆ−→プローブ４→端子Ｔ７→端子Ｔ８→定電流回路７の−端子の経路で電流Ｉを流すことが可能となる。
【００３９】
次に、スイッチＳ１において、端子Ｔ１と端子Ｔ２とを接続し、スイッチＳ４において、端子Ｔ１０と端子Ｔ１１とを接続する。これにより、電圧測定回路８は、上記経路に電流Ｉが流れた場合に、電極Ｓ＋と電極Ｓ−との間に発生する電圧Ｖを測定することが可能となる。
【００４０】
配線抵抗１０の抵抗値をＲ、電極Ｆ＋と配線抵抗１０との間の配線１１の抵抗値をＲ１、電極Ｆ−と配線抵抗１０との間の配線１２の抵抗値をＲ２、電極Ｓ＋と配線抵抗１０との間の配線１３の抵抗値をＲ１、電極Ｓ−と配線抵抗１０との間の配線１４の抵抗値をＲ２、電圧Ｖの測定時に電圧測定回路８が電極Ｓ＋と電極Ｓ−との間に流す微弱電流をＩ’とした場合、（４）式が成立する。
【００４１】
Ｖ＝−Ｒ３・Ｉ’＋Ｒ・（Ｉ−Ｉ’）−Ｒ４・Ｉ’
Ｖ＝Ｒ・Ｉ−Ｒ・Ｉ’−（Ｒ３＋Ｒ４）・Ｉ’ （４）
一般に、Ｉ＞＞Ｉ’であり、（４）式の右辺において第２項以外は省略出来るので、（５）式が成立する。
【００４２】
Ｖ＝Ｒ・Ｉ （５）
従って、配線抵抗１０の抵抗値Ｒは、（６）式により求められる。
【００４３】
Ｒ＝Ｖ／Ｉ （６）
以下では半導体評価装置１がどのように動作するかを図１及び図２を参照して説明する。図２は、図１（ａ）の半導体評価装置１がどのように動作するかを示すタイミングチャートである。
【００４４】
初期状態（図２において時刻ｔ＝０）では、図１（ａ）の半導体評価装置１においてスイッチＳ１〜スイッチＳ４を全て上側にする。具体的には、スイッチＳ１において、端子Ｔ１と端子Ｔ２とを接続し、スイッチＳ２において、端子Ｔ４と端子Ｔ５とを接続する。またスイッチＳ３において、端子Ｔ７と端子Ｔ８とを接続し、スイッチＳ４において、端子Ｔ１０と端子Ｔ１１とを接続する。上記初期状態では、定電流回路７が電極Ｆ＋及び電極Ｆ−を介して配線抵抗１０に電流Ｉを流し、電圧測定回路８が電極Ｓ＋と電極Ｓ−との間の電圧Ｖを測定する。上記初期状態を数十時間継続すると、電極Ｓ＋とプローブ５との間、及び電極Ｓ−とプローブ６との間に絶縁膜が成長することが実験により確認されている。
【００４５】
上記絶縁膜を破壊するためには、まず時刻ｔ１においてスイッチＳ１を下側にする、即ちスイッチＳ１において端子Ｔ１と端子Ｔ３とを接続する。また、時刻ｔ２においてスイッチＳ４を下側にする、即ちスイッチＳ４において端子Ｔ１０と端子Ｔ１２とを接続する。
【００４６】
次に時刻ｔ３においてスイッチＳ２を下側にする、即ちスイッチＳ２において端子Ｔ４と端子Ｔ６とを接続する。この場合、定電流回路７は、定電流回路７の＋端子→端子Ｔ３→端子Ｔ１→プローブ５→絶縁膜→電極Ｓ＋→配線１３→配線抵抗１０→配線１２→電極Ｆ−→プローブ４→端子Ｔ７→端子Ｔ８→定電流回路７の−端子の経路で電流Ｉを流すために必要な追従電圧を、端子Ｔ３と端子Ｔ８との間に印加する。
【００４７】
定電流回路７は、コンプライアンス電圧の範囲内で指定の電流Ｉを出力できる機能を有している。定電流回路７が、絶縁膜に定電流Ｉを流すために必要な電圧を印加した場合、絶縁膜抵抗値ＲＩが高い場合には、高電圧が絶縁膜に印加され、該高電圧により絶縁膜が破壊される。従って、時刻ｔ３においてスイッチＳ２を下側にすると、電極Ｓ＋とプローブ５との間で成長した絶縁膜が破壊される。
【００４８】
一方、絶縁膜に供給される絶縁膜供給電力ＷＩは、以下に示す（７）式により求められる。
【００４９】
ＷＩ＝Ｉ・Ｉ・ＲＩ （７）
絶縁膜が破壊され、絶縁膜抵抗値ＲＩが小さくなると、絶縁膜供給電力ＷＩは次第に小さくなっていき、最終的にはある値に収束する。
【００５０】
以上に示した絶縁膜の破壊は瞬時に行われるので、高電圧により絶縁膜を瞬時に破壊する。一方、試験サンプルである配線抵抗１０には、一定の電流Ｉが流れるのみである。従って、ウェーハ９上のサンプルへのダメージを抑制することが可能となる。
【００５１】
時刻ｔ３において電極Ｓ＋の絶縁膜を破壊後、時刻ｔ４においてスイッチＳ３を下側にする、即ちスイッチＳ３において端子Ｔ７と端子Ｔ９とを接続する。この場合、定電流回路７は、定電流回路７の＋端子→端子Ｔ３→端子Ｔ１→プローブ５→電極Ｓ＋→配線１３→配線抵抗１０→配線１４→電極Ｓ−→絶縁膜→プローブ６→端子Ｔ１０→端子Ｔ１２→定電流回路７の−端子の経路で電流Ｉを流すために必要な追従電圧を、端子Ｔ３と端子Ｔ１２との間に印加する。このように追従電圧を印加することにより、電極Ｓ−とプローブ６との間で成長した絶縁膜が破壊される。
【００５２】
時刻ｔ４においてスイッチＳ１〜スイッチＳ４が下側になった状態では、電流Ｉが流れる電極が、電極Ｆ＋及び電極Ｆ−から電極Ｓ＋及び電極Ｓ−に切り替わっている。これに対して、電圧Ｖを測定するための電極は、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−から電極Ｆ＋及び電極Ｆ−に切り替わっている。従って、時刻ｔ４の状態を数十時間継続すると、今度は電極Ｆ＋とプローブ３との間、及び電極Ｆ−とプローブ４との間に絶縁膜が成長する。この場合は、以下に示す手順で絶縁膜の破壊を行う。
【００５３】
まずスイッチＳ２を上側にし、次にスイッチＳ３を上側にする。そしてスイッチＳ１を上側にする。この場合、定電流回路７は、定電流回路７の＋端子→端子Ｔ５→端子Ｔ４→プローブ３→絶縁膜→電極Ｆ＋→配線１１→配線抵抗１０→配線１４→電極Ｓ−→プローブ６→端子Ｔ１０→端子Ｔ１２→定電流回路７の−端子の経路で電流Ｉを流すために必要な追従電圧を、端子Ｔ５と端子Ｔ１２との間に印加する。このように追従電圧を印加することにより、電極Ｆ＋とプローブ３との間で成長した絶縁膜が破壊される。
【００５４】
次にスイッチＳ４を上側にする。この場合、定電流回路７は、定電流回路７の＋端子→端子Ｔ５→端子Ｔ４→プローブ３→電極Ｆ＋→配線１１→配線抵抗１０→配線１２→電極Ｆ−→絶縁膜→プローブ４→端子Ｔ７→端子Ｔ８→定電流回路７の−端子の経路で電流Ｉを流すために必要な追従電圧を、端子Ｔ５と端子Ｔ８との間に印加する。このように追従電圧を印加することにより、電極Ｆ−とプローブ４との間で成長した絶縁膜が破壊される。絶縁膜破壊後は、全てのスイッチが上側にあるので、ｔ＝０の初期状態と同じ状態になる。
【００５５】
スイッチを切り替える周期は１時間単位で設定することが好ましい。上述したように、同じ接続状態を数十時間継続すると絶縁膜が形成されるので、１０時間程度で同じ接続状態に戻ることが好ましい。例えば、図２において全てのスイッチが上側であるｔ＝０からｔ１までを１秒未満、ｔ１からｔ２までを１秒未満、ｔ２からｔ３までを１秒未満、ｔ３からｔ４までを１秒未満とし、数１００ミリ秒〜数秒の間に全てのスイッチを上側から下側にしてもよい。そして、さらに１０時間程度かけて全てのスイッチを下側から上側に戻してもよい。この場合、同じ接続状態に戻るまでの総切り替え周期ＴＴは１０時間程度となる。
【００５６】
以上のように、半導体評価装置１では、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−それぞれについて、電流Ｉを流す電極とするか電圧Ｖを測定するための電極とするかを、スイッチＳ１〜スイッチＳ４により切り替え、絶縁膜が成長した電極に接続されたプローブを定電流回路７に接続し、定電流回路７が電流Ｉを流すために出力する追従電圧を上記絶縁膜に印加して絶縁膜を破壊出来るので、絶縁膜の発生と成長を防止出来る。従って、高温でかつウェーハ上の電極にプローブを、数百時間、より具体的には２００時間〜５００時間という長時間接触させて配線抵抗等の電気的パラメータの計測を行うウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる。
【００５７】
なお、本実施の形態において、プローブ３〜プローブ６の材料としては、タングステンレニウム（ＷＲｅ）を使用する場合が多いが、プラチナ（Ｐｔ）を用いても良い。
【００５８】
本実施形態におけるスイッチの切り替えのタイミングは、図２のタイミングチャートと異なるタイミングでもよい。例えば、絶縁膜の成長による抵抗値の変化を検出し、所定の抵抗値以上になればスイッチの切り替えを始めてもよい。また、過去の実績や予め実験で求めた、絶縁膜が生じる時間のデータにより総切り替え周期ＴＴを決定してもよい。さらに、電気的パラメータの計測に影響を及ぼさないタイミングでスイッチの切り替えを始めるようにしたり、さらに、定期的にスイッチの切り替えを行うようにしてもよい。さらに、スイッチＳ１〜スイッチＳ４は、図２と同様に、同時に開閉しなくてもよい。
【００５９】
〔実施形態の総括〕
本発明の実施形態に係る半導体評価装置１は、ウェーハ９に形成された、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−にそれぞれ接続されるプローブ３〜プローブ６と、ウェーハ９を加熱し、ウェーハ９の温度を一定に保つ高温チャック２と、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−の内の２つの電極間に電流Ｉを流す定電流回路７と、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−の内の２つの電極間に生じる電圧Ｖを測定する電圧測定回路８とを備える半導体評価装置において、スイッチＳ１〜スイッチＳ４を備え、スイッチＳ１は、プローブ５を定電流回路７に接続するか、プローブ５を電圧測定回路８に接続するかを切り替え、スイッチＳ２は、プローブ３を定電流回路７に接続するか、プローブ３を電圧測定回路８に接続するかを切り替え、スイッチＳ３は、プローブ４を定電流回路７に接続するか、プローブ４を電圧測定回路８に接続するかを切り替え、スイッチＳ４は、プローブ６を定電流回路７に接続するか、プローブ６を電圧測定回路８に接続するかを切り替える。
【００６０】
上記構成によれば、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−それぞれについて、電流Ｉを流す電極とするか電圧Ｖを測定するための電極とするかを、スイッチＳ１〜スイッチＳ４により切り替えることが可能となる。
【００６１】
これにより、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−の少なくとも１つの電極上において絶縁膜が成長した場合でも、該絶縁膜が成長した電極に接続されたプローブを定電流回路７に接続し、定電流回路７が電流Ｉを流すために出力する追従電圧を上記絶縁膜に印加することにより、上記絶縁膜を破壊出来るので、上記絶縁膜の発生と成長を防止出来る。
【００６２】
従って、高温でかつウェーハ上の電極にプローブを、数百時間、より具体的には２００時間〜５００時間という長時間接触させて配線抵抗等の電気的パラメータの計測を行うウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる。
【００６３】
上記半導体評価装置では、スイッチＳ１〜スイッチＳ４は、メカニカルリレーにより構成されてもよい。
【００６４】
また、上記半導体評価装置では、スイッチＳ１〜スイッチＳ４は、半導体リレーにより構成されてもよい。
【００６５】
上記半導体評価装置では、プローブ３〜プローブ６は、タングステンレニウムで製作されてもよい。
【００６６】
また、上記半導体評価装置では、プローブ３〜プローブ６は、プラチナで製作されてもよい。
【００６７】
これらの構成により、ウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の半導体評価装置は、ウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となるので、ウェーハレベル信頼性試験用プローブシステムに好適に利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る、ウェーハレベルでエレクトロマイグレーション評価が可能な半導体評価装置の斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の半導体評価装置においてウェーハの形成された半導体内部の配線抵抗を４端子計測にて評価する場合の回路図である。
【図２】図１（ａ）の半導体評価装置がどのように動作するかを示すタイミングチャートである。
【図３】図３（ａ）は、従来のウェーハレベルでエレクトロマイグレーション評価が可能な半導体評価装置の斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の半導体評価装置においてウェーハの形成された半導体内部の配線抵抗を４端子計測にて評価する場合の回路図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 半導体評価装置
２ 高温チャック
３〜６ プローブ（第１のプローブ〜第４のプローブ）
７ 定電流回路（定電流手段）
８ 電圧測定回路（電圧測定手段）
９ ウェーハ
１０ 配線抵抗
１１〜１４ 配線
１５ 切替制御回路（切替制御手段）
Ｆ＋ 電極（第１の電極）
Ｆ− 電極（第２の電極）
Ｉ 電流
Ｉ’ 微弱電流
Ｒ 抵抗値
ＲＩ 絶縁膜抵抗値
Ｓ１〜Ｓ４ スイッチ（第１の切り替え手段〜第４の切り替え手段）
Ｓ＋ 電極（第３の電極）
Ｓ− 電極（第４の電極）
Ｔ１〜Ｔ１２ 端子
ＴＴ 総切り替え周期
Ｖ 電圧
ＷＩ 絶縁膜供給電力
ｔ１〜ｔ４ 時刻
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェーハ試験における４端子計測の接続の信頼性を確保する半導体評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセス評価の分野、及び半導体材料評価の分野において、ウェーハ上のサンプルを評価する際には、プローブと呼ばれる極細径の金属針によりウェーハ上の電極との電気的接触を得る。一方、ウェーハ上のサンプルを精度良く評価するには４つの電極を使用した４端子計測が用いられている。
【０００３】
ウェーハ上のサンプルに対して４端子計測を行う例としては、エレクトロマイグレーション（electromigration）評価がよく知られている。エレクトロマイグレーションとは、半導体デバイスのアルミニウム配線等の金属配線電極に１０５Ａ／ｃｍ２以上の高密度電流を長時間流し続けると、電子流の方向に配線金属原子が陰極側から陽極側へ移動し、配線が断線する現象である。半導体内部の配線抵抗を評価するエレクトロマイグレーション評価では、近年ウェーハレベルでの評価が開始されつつある。また、エレクトロマイグレーション評価では、サンプルの配線を正確に計測するために４端子計測が用いられている。
【０００４】
図３（ａ）は、従来のウェーハレベルでエレクトロマイグレーション評価が可能な半導体評価装置１０１の斜視図である。
【０００５】
図３（ａ）の半導体評価装置１０１は、高温チャック１０２、プローブ１０３〜プローブ１０６、定電流回路１０７及び電圧測定回路１０８を備えている。また、高温チャック１０２の上にウェーハ１０９が配置されている。ウェーハ１０９は、表面、即ち高温チャック１０２と接触しない面に、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−が形成されている。なお、ウェーハ１０９は、エレクトロマイグレーションの速度を速くするため、高温チャック１０２により２００℃〜３５０℃に加熱される。評価試験の間中、ウェーハの温度は一定に保たれる。
【０００６】
プローブ１０３の一端は、定電流回路１０７の＋端子に接続されている。プローブ１０４の一端は、定電流回路１０７の−端子に接続されている。プローブ１０５の一端は、電圧測定回路１０８の＋端子に接続されている。プローブ１０６の一端は、電圧測定回路１０８の−端子に接続されている。
【０００７】
プローブ１０３の他端は、電極Ｆ＋に接続されている。プローブ１０４の他端は、電極Ｆ−に接続されている。プローブ１０５の他端は、電極Ｓ＋に接続されている。プローブ１０６の他端は、電極Ｓ−に接続されている。
【０００８】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の半導体評価装置１０１においてウェーハの形成された半導体内部の配線抵抗を４端子計測にて評価する場合の回路図である。定電流回路１０７により、定電流回路１０７の＋端子→プローブ１０３→電極Ｆ＋→配線１１１→配線抵抗１１０→配線１１２→電極Ｆ−→プローブ１０４→定電流回路１０７の−端子の経路で電流Ｉが流れる。この経路で電流Ｉが流れた場合に、電圧測定回路１０８は、電極Ｓ＋と電極Ｓ−との間の電圧Ｖを測定する。
【０００９】
配線抵抗１１０の抵抗値をＲ、電極Ｆ＋と配線抵抗１１０との間の配線１１１の抵抗値をＲ１、電極Ｆ−と配線抵抗１１０との間の配線１１２の抵抗値をＲ２、電極Ｓ＋と配線抵抗１１０との間の配線１１３の抵抗値をＲ３、電極Ｓ−と配線抵抗１１０との間の配線１１４の抵抗値をＲ４、電圧Ｖの測定時に電圧測定回路１０８が電極Ｓ＋と電極Ｓ−との間に流す微弱電流をＩ’とした場合、（１）式が成立する。
【００１０】
Ｖ＝−Ｒ３・Ｉ’＋Ｒ・（Ｉ−Ｉ’）−Ｒ４・Ｉ’
Ｖ＝Ｒ・Ｉ−Ｒ・Ｉ’−（Ｒ３＋Ｒ４）・Ｉ’ （１）
一般に、Ｉ＞＞Ｉ’であり、（１）式の右辺において第１項以外は省略出来るので、（２）式が成立する。
【００１１】
Ｖ＝Ｒ・Ｉ （２）
従って、配線抵抗１１０の抵抗値Ｒは、（３）式により求められる。
【００１２】
Ｒ＝Ｖ／Ｉ （３）
図３の半導体評価装置と同様にウェーハ上のサンプルを評価するものとして、非特許文献１では３００ｍｍまでの基板に対応可能なウェーハレベル信頼性試験専用プローブシステムが開示されている。
【非特許文献１】“PM300WLR”、［online］、２００７年３月９日、SUSS MicroTec、［２００８年２月１５日検索］、インターネット〈URL：http://www.suss.com/download?id=745〉
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図３の半導体評価装置では、ウェーハ１０９を加熱していることにより、プローブと電極との接合部において絶縁膜が加速成長する。この場合、電極Ｆ＋及び電極Ｆ−に関しては、電極とプローブとの間に絶縁膜が成長すると、定電流回路１０７が上記絶縁膜にも電流Ｉを流すように出力電圧を上昇させる。この結果、上記絶縁膜にも電流Ｉが流れ、上記絶縁膜は破壊される。
【００１４】
しかし電極Ｓ＋及び電極Ｓ−に関しては、電圧測定回路１０８のインピーダンスが非常に高く、絶縁膜の破壊電流が流れない。このため、絶縁膜が成長し続ける結果、プローブと電極との接合部における電気的接触が無くなってしまう。よって電圧Ｖの測定が不可能となるので、配線抵抗１１０の抵抗値Ｒの測定が出来なくなる。
【００１５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる半導体評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の半導体評価装置は、上記課題を解決するために、ウェーハに形成された第１の電極ないし第４の電極にそれぞれ接続される第１のプローブないし第４のプローブと、上記ウェーハを加熱し、上記ウェーハの温度を一定に保つ高温チャックと、上記第１の電極ないし上記第４の電極の内の２つの電極間に電流を流す定電流手段と、上記第１の電極ないし上記第４の電極の内の２つの電極間に生じる電圧を測定する電圧測定手段とを備える半導体評価装置において、上記第３のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第３のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第１の切り替え手段と、上記第１のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第１のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第２の切り替え手段と、上記第２のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第２のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第３の切り替え手段と、上記第４のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第４のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第４の切り替え手段と、上記第１の電極ないし上記第４の電極の少なくとも１つの電極上において所定時間後に絶縁膜が成長する電極に接続されたプローブを上記定電流手段に接続するように上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段を制御する切替制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
上記発明によれば、上記第１の電極ないし上記第４の電極それぞれについて、上記電流を流す電極とするか上記電圧を測定するための電極とするかを、上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段により切り替えることが可能となる。
【００１８】
これにより、上記第１の電極ないし上記第４の電極の少なくとも１つの電極上において絶縁膜が成長した場合でも、該絶縁膜が成長した電極に接続されたプローブを上記定電流手段に接続し、上記定電流手段が上記電流を流すために出力する追従電圧を上記絶縁膜に印加することにより、上記絶縁膜を破壊出来るので、上記絶縁膜の発生と成長を防止出来る。
【００１９】
また、上記絶縁膜が成長する前においても、上記定電流手段が上記電流を流し、上記絶縁膜の発生と成長を防止出来る。
【００２０】
従って、高温でかつウェーハ上の電極にプローブを、数百時間、より具体的には２００時間〜５００時間という長時間接触させて配線抵抗等の電気的パラメータの計測を行うウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる。
【００２１】
上記半導体評価装置では、上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段は、メカニカルリレーにより構成されてもよい。
【００２２】
また、上記半導体評価装置では、上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段は、半導体リレーにより構成されてもよい。
【００２３】
上記半導体評価装置では、上記第１のプローブないし上記第４のプローブは、タングステンレニウムで製作されてもよい。
【００２４】
また、上記半導体評価装置では、上記第１のプローブないし上記第４のプローブは、プラチナで製作されてもよい。
【００２５】
これらの構成により、ウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の半導体評価装置は、以上のように、第３のプローブを定電流手段に接続するか、上記第３のプローブを電圧測定手段に接続するかを切り替える第１の切り替え手段と、第１のプローブを上記定電流手段に接続するか、第１のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第２の切り替え手段と、第２のプローブを上記定電流手段に接続するか、第２のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第３の切り替え手段と、第４のプローブを上記定電流手段に接続するか、第４のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第４の切り替え手段と、第１の電極ないし第４の電極の少なくとも１つの電極上において所定時間後に絶縁膜が成長する電極に接続されたプローブを上記定電流手段に接続するように上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段を制御する切替制御手段とを備えているものである。
【００２７】
それゆえ、ウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる半導体評価装置を提供するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の一実施形態について図１及び図２に基づいて説明すると以下の通りである。
【００２９】
図１（ａ）は、本実施の形態に係るウェーハレベルでエレクトロマイグレーション評価が可能な半導体評価装置１の斜視図である。
【００３０】
図１（ａ）の半導体評価装置１は、高温チャック２、プローブ３〜プローブ６、定電流回路７、電圧測定回路８、スイッチＳ１〜スイッチＳ４及び切替制御回路１５を備えている。また、高温チャック２の上にウェーハ９が配置されている。ウェーハ９は、表面、即ち高温チャック２と接触しない面に、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−が形成されている。なお、ウェーハ９は、エレクトロマイグレーションの速度を速くするため、高温チャック２により２００℃〜３５０℃に加熱される。評価試験の間中、ウェーハの温度は一定に保たれる。
【００３１】
エレクトロマイグレーションの速度は、流れる電流が大きくなるほど、及びウェーハの温度が高くなるほど速くなるが、設定したエレクトロマイグレーションの加速速度で故障が発生するまでの時間と、サンプルの寿命とが一致している必要がある。エレクトロマイグレーションの加速速度を速くし過ぎると、エレクトロマイグレーションとは異なる故障が発生し、ウェーハ上のサンプルの正しい寿命が算出出来なくなる。サンプルの正しい寿命を算出するために必要なエレクトロマイグレーションの加速速度は、各社が実験により求めている。サンプルの配線がアルミ配線の場合にはウェーハの温度の上限は２００℃であり、この温度以上にするとサンプルの正しい寿命が算出出来なくなる。同様に、サンプルの配線が銅配線の場合にはウェーハの温度の上限は３５０℃である。
【００３２】
スイッチＳ１は、端子Ｔ１〜端子Ｔ３を有しており、端子Ｔ１と端子Ｔ２とを接続すること、及び端子Ｔ１と端子Ｔ３とを接続することが切り替え可能である。スイッチＳ２は、端子Ｔ４〜端子Ｔ６を有しており、端子Ｔ４と端子Ｔ５とを接続すること、及び端子Ｔ４と端子Ｔ６とを接続することが切り替え可能である。スイッチＳ３は、端子Ｔ７〜端子Ｔ９を有しており、端子Ｔ７と端子Ｔ８とを接続すること、及び端子Ｔ７と端子Ｔ９とを接続することが切り替え可能である。スイッチＳ４は、端子Ｔ１０〜端子Ｔ１２を有しており、端子Ｔ１０と端子Ｔ１１とを接続すること、及び端子Ｔ１０と端子Ｔ１２とを接続することが切り替え可能である。
【００３３】
なお、本実施の形態において、スイッチＳ１〜スイッチＳ４の接続の切り替えは、切替制御回路１５からスイッチＳ１〜スイッチＳ４へ出力される信号により制御される。また、スイッチＳ１〜スイッチＳ４は、メカニカルリレーにより構成されることが一般的であるが、半導体リレーにより構成されても良い。
【００３４】
プローブ３の一端は、端子Ｔ４に接続されている。プローブ４の一端は、端子Ｔ７に接続されている。プローブ５の一端は、端子Ｔ１に接続されている。プローブ６の一端は、端子Ｔ１０に接続されている。
【００３５】
プローブ３の他端は、電極Ｆ＋に接続されている。プローブ４の他端は、電極Ｆ−に接続されている。プローブ５の他端は、電極Ｓ＋に接続されている。プローブ６の他端は、電極Ｓ−に接続されている。
【００３６】
定電流回路７の＋端子は、端子Ｔ３及び端子Ｔ５に接続されている。定電流回路７の−端子は、端子Ｔ８及び端子Ｔ１２に接続されている。電圧測定回路８の＋端子は、端子Ｔ２及び端子Ｔ６に接続されている。電圧測定回路８の−端子は、端子Ｔ９及び端子Ｔ１１に接続されている。
【００３７】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の半導体評価装置１においてウェーハの形成された半導体内部の配線抵抗を４端子計測にて評価する場合の回路図である。
【００３８】
まず、スイッチＳ２において、端子Ｔ４と端子Ｔ５とを接続し、スイッチＳ３において、端子Ｔ７と端子Ｔ８とを接続する。これにより、定電流回路７は、定電流回路７の＋端子→端子Ｔ５→端子Ｔ４→プローブ３→電極Ｆ＋→配線１１→配線抵抗１０→配線１２→電極Ｆ−→プローブ４→端子Ｔ７→端子Ｔ８→定電流回路７の−端子の経路で電流Ｉを流すことが可能となる。
【００３９】
次に、スイッチＳ１において、端子Ｔ１と端子Ｔ２とを接続し、スイッチＳ４において、端子Ｔ１０と端子Ｔ１１とを接続する。これにより、電圧測定回路８は、上記経路に電流Ｉが流れた場合に、電極Ｓ＋と電極Ｓ−との間に発生する電圧Ｖを測定することが可能となる。
【００４０】
配線抵抗１０の抵抗値をＲ、電極Ｆ＋と配線抵抗１０との間の配線１１の抵抗値をＲ１、電極Ｆ−と配線抵抗１０との間の配線１２の抵抗値をＲ２、電極Ｓ＋と配線抵抗１０との間の配線１３の抵抗値をＲ１、電極Ｓ−と配線抵抗１０との間の配線１４の抵抗値をＲ２、電圧Ｖの測定時に電圧測定回路８が電極Ｓ＋と電極Ｓ−との間に流す微弱電流をＩ’とした場合、（４）式が成立する。
【００４１】
Ｖ＝−Ｒ３・Ｉ’＋Ｒ・（Ｉ−Ｉ’）−Ｒ４・Ｉ’
Ｖ＝Ｒ・Ｉ−Ｒ・Ｉ’−（Ｒ３＋Ｒ４）・Ｉ’ （４）
一般に、Ｉ＞＞Ｉ’であり、（４）式の右辺において第２項以外は省略出来るので、（５）式が成立する。
【００４２】
Ｖ＝Ｒ・Ｉ （５）
従って、配線抵抗１０の抵抗値Ｒは、（６）式により求められる。
【００４３】
Ｒ＝Ｖ／Ｉ （６）
以下では半導体評価装置１がどのように動作するかを図１及び図２を参照して説明する。図２は、図１（ａ）の半導体評価装置１がどのように動作するかを示すタイミングチャートである。
【００４４】
初期状態（図２において時刻ｔ＝０）では、図１（ａ）の半導体評価装置１においてスイッチＳ１〜スイッチＳ４を全て上側にする。具体的には、スイッチＳ１において、端子Ｔ１と端子Ｔ２とを接続し、スイッチＳ２において、端子Ｔ４と端子Ｔ５とを接続する。またスイッチＳ３において、端子Ｔ７と端子Ｔ８とを接続し、スイッチＳ４において、端子Ｔ１０と端子Ｔ１１とを接続する。上記初期状態では、定電流回路７が電極Ｆ＋及び電極Ｆ−を介して配線抵抗１０に電流Ｉを流し、電圧測定回路８が電極Ｓ＋と電極Ｓ−との間の電圧Ｖを測定する。上記初期状態を数十時間継続すると、電極Ｓ＋とプローブ５との間、及び電極Ｓ−とプローブ６との間に絶縁膜が成長することが実験により確認されている。
【００４５】
上記絶縁膜を破壊するためには、まず時刻ｔ１においてスイッチＳ１を下側にする、即ちスイッチＳ１において端子Ｔ１と端子Ｔ３とを接続する。また、時刻ｔ２においてスイッチＳ４を下側にする、即ちスイッチＳ４において端子Ｔ１０と端子Ｔ１２とを接続する。
【００４６】
次に時刻ｔ３においてスイッチＳ２を下側にする、即ちスイッチＳ２において端子Ｔ４と端子Ｔ６とを接続する。この場合、定電流回路７は、定電流回路７の＋端子→端子Ｔ３→端子Ｔ１→プローブ５→絶縁膜→電極Ｓ＋→配線１３→配線抵抗１０→配線１２→電極Ｆ−→プローブ４→端子Ｔ７→端子Ｔ８→定電流回路７の−端子の経路で電流Ｉを流すために必要な追従電圧を、端子Ｔ３と端子Ｔ８との間に印加する。
【００４７】
定電流回路７は、コンプライアンス電圧の範囲内で指定の電流Ｉを出力できる機能を有している。定電流回路７が、絶縁膜に定電流Ｉを流すために必要な電圧を印加した場合、絶縁膜抵抗値ＲＩが高い場合には、高電圧が絶縁膜に印加され、該高電圧により絶縁膜が破壊される。従って、時刻ｔ３においてスイッチＳ２を下側にすると、電極Ｓ＋とプローブ５との間で成長した絶縁膜が破壊される。
【００４８】
一方、絶縁膜に供給される絶縁膜供給電力ＷＩは、以下に示す（７）式により求められる。
【００４９】
ＷＩ＝Ｉ・Ｉ・ＲＩ （７）
絶縁膜が破壊され、絶縁膜抵抗値ＲＩが小さくなると、絶縁膜供給電力ＷＩは次第に小さくなっていき、最終的にはある値に収束する。
【００５０】
以上に示した絶縁膜の破壊は瞬時に行われるので、高電圧により絶縁膜を瞬時に破壊する。一方、試験サンプルである配線抵抗１０には、一定の電流Ｉが流れるのみである。従って、ウェーハ９上のサンプルへのダメージを抑制することが可能となる。
【００５１】
時刻ｔ３において電極Ｓ＋の絶縁膜を破壊後、時刻ｔ４においてスイッチＳ３を下側にする、即ちスイッチＳ３において端子Ｔ７と端子Ｔ９とを接続する。この場合、定電流回路７は、定電流回路７の＋端子→端子Ｔ３→端子Ｔ１→プローブ５→電極Ｓ＋→配線１３→配線抵抗１０→配線１４→電極Ｓ−→絶縁膜→プローブ６→端子Ｔ１０→端子Ｔ１２→定電流回路７の−端子の経路で電流Ｉを流すために必要な追従電圧を、端子Ｔ３と端子Ｔ１２との間に印加する。このように追従電圧を印加することにより、電極Ｓ−とプローブ６との間で成長した絶縁膜が破壊される。
【００５２】
時刻ｔ４においてスイッチＳ１〜スイッチＳ４が下側になった状態では、電流Ｉが流れる電極が、電極Ｆ＋及び電極Ｆ−から電極Ｓ＋及び電極Ｓ−に切り替わっている。これに対して、電圧Ｖを測定するための電極は、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−から電極Ｆ＋及び電極Ｆ−に切り替わっている。従って、時刻ｔ４の状態を数十時間継続すると、今度は電極Ｆ＋とプローブ３との間、及び電極Ｆ−とプローブ４との間に絶縁膜が成長する。この場合は、以下に示す手順で絶縁膜の破壊を行う。
【００５３】
まずスイッチＳ２を上側にし、次にスイッチＳ３を上側にする。そしてスイッチＳ１を上側にする。この場合、定電流回路７は、定電流回路７の＋端子→端子Ｔ５→端子Ｔ４→プローブ３→絶縁膜→電極Ｆ＋→配線１１→配線抵抗１０→配線１４→電極Ｓ−→プローブ６→端子Ｔ１０→端子Ｔ１２→定電流回路７の−端子の経路で電流Ｉを流すために必要な追従電圧を、端子Ｔ５と端子Ｔ１２との間に印加する。このように追従電圧を印加することにより、電極Ｆ＋とプローブ３との間で成長した絶縁膜が破壊される。
【００５４】
次にスイッチＳ４を上側にする。この場合、定電流回路７は、定電流回路７の＋端子→端子Ｔ５→端子Ｔ４→プローブ３→電極Ｆ＋→配線１１→配線抵抗１０→配線１２→電極Ｆ−→絶縁膜→プローブ４→端子Ｔ７→端子Ｔ８→定電流回路７の−端子の経路で電流Ｉを流すために必要な追従電圧を、端子Ｔ５と端子Ｔ８との間に印加する。このように追従電圧を印加することにより、電極Ｆ−とプローブ４との間で成長した絶縁膜が破壊される。絶縁膜破壊後は、全てのスイッチが上側にあるので、ｔ＝０の初期状態と同じ状態になる。
【００５５】
スイッチを切り替える周期は１時間単位で設定することが好ましい。上述したように、同じ接続状態を数十時間継続すると絶縁膜が形成されるので、１０時間程度で同じ接続状態に戻ることが好ましい。例えば、図２において全てのスイッチが上側であるｔ＝０からｔ１までを１秒未満、ｔ１からｔ２までを１秒未満、ｔ２からｔ３までを１秒未満、ｔ３からｔ４までを１秒未満とし、数１００ミリ秒〜数秒の間に全てのスイッチを上側から下側にしてもよい。そして、さらに１０時間程度かけて全てのスイッチを下側から上側に戻してもよい。この場合、同じ接続状態に戻るまでの総切り替え周期ＴＴは１０時間程度となる。
【００５６】
以上のように、半導体評価装置１では、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−それぞれについて、電流Ｉを流す電極とするか電圧Ｖを測定するための電極とするかを、スイッチＳ１〜スイッチＳ４により切り替え、絶縁膜が成長した電極に接続されたプローブを定電流回路７に接続し、定電流回路７が電流Ｉを流すために出力する追従電圧を上記絶縁膜に印加して絶縁膜を破壊出来るので、絶縁膜の発生と成長を防止出来る。従って、高温でかつウェーハ上の電極にプローブを、数百時間、より具体的には２００時間〜５００時間という長時間接触させて配線抵抗等の電気的パラメータの計測を行うウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる。
【００５７】
なお、本実施の形態において、プローブ３〜プローブ６の材料としては、タングステンレニウム（ＷＲｅ）を使用する場合が多いが、プラチナ（Ｐｔ）を用いても良い。
【００５８】
本実施形態におけるスイッチの切り替えのタイミングは、図２のタイミングチャートと異なるタイミングでもよい。例えば、絶縁膜の成長による抵抗値の変化を検出し、所定の抵抗値以上になればスイッチの切り替えを始めてもよい。また、過去の実績や予め実験で求めた、絶縁膜が生じる時間のデータにより総切り替え周期ＴＴを決定してもよい。さらに、電気的パラメータの計測に影響を及ぼさないタイミングでスイッチの切り替えを始めるようにしたり、さらに、定期的にスイッチの切り替えを行うようにしてもよい。さらに、スイッチＳ１〜スイッチＳ４は、図２と同様に、同時に開閉しなくてもよい。
【００５９】
〔実施形態の総括〕
本発明の実施形態に係る半導体評価装置１は、ウェーハ９に形成された、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−にそれぞれ接続されるプローブ３〜プローブ６と、ウェーハ９を加熱し、ウェーハ９の温度を一定に保つ高温チャック２と、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−の内の２つの電極間に電流Ｉを流す定電流回路７と、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−の内の２つの電極間に生じる電圧Ｖを測定する電圧測定回路８とを備える半導体評価装置において、スイッチＳ１〜スイッチＳ４を備え、スイッチＳ１は、プローブ５を定電流回路７に接続するか、プローブ５を電圧測定回路８に接続するかを切り替え、スイッチＳ２は、プローブ３を定電流回路７に接続するか、プローブ３を電圧測定回路８に接続するかを切り替え、スイッチＳ３は、プローブ４を定電流回路７に接続するか、プローブ４を電圧測定回路８に接続するかを切り替え、スイッチＳ４は、プローブ６を定電流回路７に接続するか、プローブ６を電圧測定回路８に接続するかを切り替える。
【００６０】
上記構成によれば、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−それぞれについて、電流Ｉを流す電極とするか電圧Ｖを測定するための電極とするかを、スイッチＳ１〜スイッチＳ４により切り替えることが可能となる。
【００６１】
これにより、電極Ｆ＋、電極Ｆ−、電極Ｓ＋及び電極Ｓ−の少なくとも１つの電極上において絶縁膜が成長した場合でも、該絶縁膜が成長した電極に接続されたプローブを定電流回路７に接続し、定電流回路７が電流Ｉを流すために出力する追従電圧を上記絶縁膜に印加することにより、上記絶縁膜を破壊出来るので、上記絶縁膜の発生と成長を防止出来る。
【００６２】
従って、高温でかつウェーハ上の電極にプローブを、数百時間、より具体的には２００時間〜５００時間という長時間接触させて配線抵抗等の電気的パラメータの計測を行うウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる。
【００６３】
上記半導体評価装置では、スイッチＳ１〜スイッチＳ４は、メカニカルリレーにより構成されてもよい。
【００６４】
また、上記半導体評価装置では、スイッチＳ１〜スイッチＳ４は、半導体リレーにより構成されてもよい。
【００６５】
上記半導体評価装置では、プローブ３〜プローブ６は、タングステンレニウムで製作されてもよい。
【００６６】
また、上記半導体評価装置では、プローブ３〜プローブ６は、プラチナで製作されてもよい。
【００６７】
これらの構成により、ウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の半導体評価装置は、ウェーハレベル信頼性試験において、長期にわたって良好な電気的接触を確保することが可能となるので、ウェーハレベル信頼性試験用プローブシステムに好適に利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る、ウェーハレベルでエレクトロマイグレーション評価が可能な半導体評価装置の斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の半導体評価装置においてウェーハの形成された半導体内部の配線抵抗を４端子計測にて評価する場合の回路図である。
【図２】図１（ａ）の半導体評価装置がどのように動作するかを示すタイミングチャートである。
【図３】図３（ａ）は、従来のウェーハレベルでエレクトロマイグレーション評価が可能な半導体評価装置の斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の半導体評価装置においてウェーハの形成された半導体内部の配線抵抗を４端子計測にて評価する場合の回路図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 半導体評価装置
２ 高温チャック
３〜６ プローブ（第１のプローブ〜第４のプローブ）
７ 定電流回路（定電流手段）
８ 電圧測定回路（電圧測定手段）
９ ウェーハ
１０ 配線抵抗
１１〜１４ 配線
１５ 切替制御回路（切替制御手段）
Ｆ＋ 電極（第１の電極）
Ｆ− 電極（第２の電極）
Ｉ 電流
Ｉ’ 微弱電流
Ｒ 抵抗値
ＲＩ 絶縁膜抵抗値
Ｓ１〜Ｓ４ スイッチ（第１の切り替え手段〜第４の切り替え手段）
Ｓ＋ 電極（第３の電極）
Ｓ− 電極（第４の電極）
Ｔ１〜Ｔ１２ 端子
ＴＴ 総切り替え周期
Ｖ 電圧
ＷＩ 絶縁膜供給電力
ｔ１〜ｔ４ 時刻
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハに形成された第１の電極ないし第４の電極にそれぞれ接続される第１のプローブないし第４のプローブと、
上記ウェーハを加熱し、上記ウェーハの温度を一定に保つ高温チャックと、
上記第１の電極ないし上記第４の電極の内の２つの電極間に電流を流す定電流手段と、
上記第１の電極ないし上記第４の電極の内の２つの電極間に生じる電圧を測定する電圧測定手段とを備える半導体評価装置において、
上記第３のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第３のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第１の切り替え手段と、
上記第１のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第１のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第２の切り替え手段と、
上記第２のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第２のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第３の切り替え手段と、
上記第４のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第４のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第４の切り替え手段と、
上記第１の電極ないし上記第４の電極の少なくとも１つの電極上において所定時間後に絶縁膜が成長する電極に接続されたプローブを上記定電流手段に接続するように上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段を制御する切替制御手段とを備えていることを特徴とする半導体評価装置。
【請求項２】
上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段は、メカニカルリレーにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項３】
上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段は、半導体リレーにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項４】
上記第１のプローブないし上記第４のプローブは、タングステンレニウムで製作されることを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項５】
上記第１のプローブないし上記第４のプローブは、プラチナで製作されることを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項１】
ウェーハに形成された第１の電極ないし第４の電極にそれぞれ接続される第１のプローブないし第４のプローブと、
上記ウェーハを加熱し、上記ウェーハの温度を一定に保つ高温チャックと、
上記第１の電極ないし上記第４の電極の内の２つの電極間に電流を流す定電流手段と、
上記第１の電極ないし上記第４の電極の内の２つの電極間に生じる電圧を測定する電圧測定手段とを備える半導体評価装置において、
上記第３のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第３のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第１の切り替え手段と、
上記第１のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第１のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第２の切り替え手段と、
上記第２のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第２のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第３の切り替え手段と、
上記第４のプローブを上記定電流手段に接続するか、上記第４のプローブを上記電圧測定手段に接続するかを切り替える第４の切り替え手段と、
上記第１の電極ないし上記第４の電極の少なくとも１つの電極上において所定時間後に絶縁膜が成長する電極に接続されたプローブを上記定電流手段に接続するように上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段を制御する切替制御手段とを備えていることを特徴とする半導体評価装置。
【請求項２】
上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段は、メカニカルリレーにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項３】
上記第１の切り替え手段ないし上記第４の切り替え手段は、半導体リレーにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項４】
上記第１のプローブないし上記第４のプローブは、タングステンレニウムで製作されることを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項５】
上記第１のプローブないし上記第４のプローブは、プラチナで製作されることを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−１４７２７７（Ｐ２０１０−１４７２７７Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２３５５７（Ｐ２００８−３２３５５７）
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（０００１０８７９７）エスペック株式会社 (282)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（０００１０８７９７）エスペック株式会社 (282)
【Ｆターム（参考）】
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