【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローブ方法及びプローブ装置に関し、更に詳しくは被検査体の検査用電極との電気的接触性を高めることができるプローブ方法及びプローブ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体処理工程にはウエハ状態の被検査体を検査する工程やパッケージ状態の被検査体を検査する工程等の種々の工程がある。検査を実施する場合には、被検査体の検査用の電極パッドに接触子を接触させ、接触子を介して被検査体に信号を印加する。ところが、検査用の電極パッドには電気的に絶縁性のある酸化膜が形成されているため、接触子を接触させただけでは導通を取ることができず、検査用の信号を印加することができないことがある。そこで、従来は、検査用の電極パッドと接触子間に所定の針圧を付与した上で接触子を電極パッド表面でスクラブさせて酸化膜を破り、接触子と電極パッド間の導通を確保している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体製品の超高集積化に伴って各成膜層の薄膜化が加速度的に進み検査用電極パッドも薄膜化しているため、従来のプローブ方法のように電極パッドの酸化膜を破る針圧を付与すると、接触子からの針圧によりトランジスタ特性等の電気的特性が変化する虞があり、また、低誘電率を有するＬｏｗ−ｋ材のように柔らかい材料が電極パッドの下層に使用されている場合には電極パッドの酸化膜を破るほどの針圧を付与できないなどという課題があった。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、プローブと検査用電極とを接触させるだけで両者間の電気的に確実に導通させることができ、信頼性の高い検査を確実に行なうことができるプローブ方法及びプローブ装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載のプローブ方法は、被検査体の電気的特性を検査するプロービング方法において、上記被検査体の検査用電極を還元処理する工程と、上記検査用電極とプローブを接触させる工程と、フリッティング現象を利用して上記検査用電極と上記プローブを電気的に導通させる工程とを備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の請求項２に記載のプローブ方法は、請求項１に記載の発明において、上記還元処理工程では、上記被検査体を加熱することを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の請求項３に記載のプローブ方法は、請求項１または請求項２に記載の発明において、上記フリッティング工程では、上記検査用電極に２本のプローブを接触させることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の請求項４に記載のプローブ方法は、請求項３に記載の発明において、上記フリッティング工程では、上記各検査用電極に接触した２本のプローブをリレーによって切り換えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項５に記載のプローブ方法は、請求項３に記載の発明において、上記フリッティング工程では、上記各検査用電極に接触した２本のプローブをドライバによって切り換えることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項６に記載のプローブ方法は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、上記検査用電極は、銅または銅合金からなることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の請求項７に記載のプローブ装置は、被検査体の電気的特性を検査するプローブ装置において、上記被検査体の検査用電極を還元処理する手段と、上記検査用電極とプローブを接触させる手段と、フリッティング現象を利用して上記検査用電極と上記プローブを電気的に導通させる手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の請求項８に記載のプローブ装置は、請求項７に記載の発明において、上記フリッティング手段は、上記各検査用電極それぞれ対応して設けられた一対のプローブと、これらの一対のプローブ間に電圧を印加する手段と、上記電圧を印加する方向を切り換える切換手段と、この切換手段を制御する制御手段とを有することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の請求項９に記載のプローブ装置は、請求項８に記載の発明において、上記切換手段としてリレーを設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の請求項１０に記載のプローブ装置は、請求項８に記載の発明において、上記切換手段としてドライバを設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の請求項１１に記載のプローブ装置は、請求項８〜請求項１０のいずれか１項に記載の発明において、上記一対のプローブはそれぞれ固有の配線を有することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図８に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。
本発明のプローブ方法は、還元性ガス（例えば、フォーミングガス）を用いてウエハの検査用の電極パッドに形成された酸化膜を還元処理して除去した後、フリッティング現象を利用して電極パッドの酸化膜を破ってプローブと電極パッドとを電気的に接触させる点に特徴がある。酸化膜の還元及びフリッティング現象を利用すればプローブと電極パッド間の針圧を殆どゼロにすることができるため、電極パッドを傷つけることがなく、しかもプローブの寿命を延ばすことができる。フリッティング現象とは金属（本発明では電極パッド）の表面に形成された酸化膜に印加される電位傾度が１０５〜１０６Ｖ／ｃｍ程度になると酸化膜の厚さや金属の組成の不均一性により電流が流れて絶縁被膜が破壊される現象をいう。
【００１７】
さて、まず本実施形態のプローブ装置について説明する。本実施形態のプローブ装置１０は、例えば図１に示すように、被処理体（例えば、ウエハ）Ｗを搬送するローダ室（図示せず）と、ウエハＷの電気的特性検査を行なうプローバ室１１と、これら両者内に配置された後述の各種機器を制御する制御装置（図示せず）とを備えている。
【００１８】
ローダ室は、例えば２５枚のウエハＷが収納されたカセットを載置する載置部と、この載置部のカセットからウエハＷを一枚ずつ搬送するウエハ搬送機構と、このウエハ搬送機構を介してウエハＷを搬送する間にウエハを所定の向きに揃えるサブチャックとを備えている。
【００１９】
また、プローバ室１１は、三軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）移動機構１２を介して三軸方向に移動すると共にθ方向で正逆回転するメインチャック１３と、このメインチャック１３の上方に配置され且つフリッティング現象を利用してウエハＷ上に例えば銅、銅合金、アルミニウム等の導電性金属によって形成された電極パッドとプローブを電気的に導通させるプローブカード１４と、このプローブカード１４のプローブとウエハＷの位置合わせを行なうアライメント機構（図示せず）と、ウエハＷの電極パッドを還元する還元処理手段１５とを備え、還元処理手段１５でメインチャック１３上のウエハＷの電極パッドを還元処理した後、フリッティング現象を利用してプローブとウエハＷの電極パッドを電気的に接触させてウエハＷの電気的特性検査を行なう。
【００２０】
プローブカード１４はプローバ室１１のヘッドプレート１６に固定され、このヘッドプレート１６上にはテストヘッドＴがプローブカード１４と電気的に接続可能に配置されている。移動機構１２は、同図に示すように、プローバ室１１内の底面にＹ方向（同図では紙面に垂直方向）移動するＹテーブル１２Ａと、このＹテーブル１２Ａ上をＸ方向に移動するＸテーブル１２Ｂと、このＸテーブル１２Ｂの中心と軸心を一致させて配置されたＺ方向に昇降するＺ軸機構１２Ｃとを有し、メインチャック１３をＸ、Ｙ、Ｚ方向へ移動させる。メインチャック１３は、例えば−５５℃〜２２０℃の範囲で温度を調節する温度調節機構を内蔵し、図示しないθ駆動機構を介して中心軸を中心に所定の範囲で正逆方向に回転する。
【００２１】
而して、プローブカード１４は、図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、メインボード１４１と、中間ボード１４２と、サブボード１４３と、一つの電極パッドに対して２本当てのプローブ１４４とを有している。２本のプローブ１４４は同一の長さであっても、例えば図３の（ａ）、（ｂ）に示すように異なった長さであっても良い。図３の（ａ）はプローブ１４４の長さが異なる場合には二段階で電極パッドに接触する。即ち、フリッティング時にはウエハＷをオーバドライブさせてプローブ１４４を２本とも電極パッドＰと接触させ、フリッティング後のプローブ検査時にはウエハＷを下降させてフリッティング用のプローブを電極パッドから離して検査を行なう。
【００２２】
メインボード１４１には図２の（ｂ）に示すようにフリッティングライン１４１Ａと、リレー回路（例えばピエゾ素子等）１４１Ｂと、リレー制御ライン１４１Ｃと、信号ライン１４１Ｄとが形成されている。そして、メインボード１４１のフリッティングライン１４１Ａ、リレー制御ライン１４１Ｃにはケーブルコネクタ１４５を介してフリッティング回路１４６が接続され、その信号ライン（整合インピーダンス５０Ω）１４１Ｄにはケーブルコネクタ１４７を介して高速信号確認用機器１４８が接続されている。フリッティング回路１４６にはフリッティング制御回路（図示せず）が接続され、フリッティング制御回路の制御下でフリッティング回路１４６を制御する。フリッティング制御回路はテスタまたはプローバ（図示せず）に接続され、テスタまたはプローバの制御下で機能する。また、中間ボード１４２及びサブボード１４３には信号ライン１４２Ａ、１４３Ａ及びグランドライン１４２Ｂ、１４３Ｂが形成されている。そして、サブボード１４３の信号ライン１４３Ａ及びグランドライン１４３Ｂにはそれぞれに対応するプローブ１４４が接続されている。従って、フリッティング回路１４６は、フリッティング制御回路下でリレー制御ライン１４１Ａを介してリレー回路１４１Ｂを駆動し、プローブ１４４に接続するフリッティング回路１４１と高速信号確認用機器１４８とを適宜切り換える。尚、図１の（ｂ）において、１４１Ｅはメインボード１４１内に形成されたグランドラインである。
【００２３】
上記フリッティング回路１４６は以下のようにして動作する。まず、プローブカード１４の２本のプローブ１４４を電極パッドＰに低針圧（例えば、１ｍＮ以下）で接触させる。この状態で電圧源１４６Ａが作動し、図示しない電圧印加バッファアンプ及び電流センス抵抗１４６Ｂを介して一方のプローブ１４４に電圧を印加すると酸化膜が極めて薄い場合には最初は極めて僅かにトンネル電流が流れる。そして、電圧源１４６Ａの電圧を徐々に昇圧すると、２本のプローブ１４４間の電位傾度が徐々に大きくなり、所定の電位傾度（１０５〜１０６Ｖ／ｃｍ程度）に達するとフリッティング現象が生じ、電極パッドの酸化膜が破壊して２本のプローブ１４４が金属面と接触し、２本のプローブ１４４間の電流が急激に大きくなる。この電流を電流測定器１４６Ｃで検出し、それ以上の電流が流れないように電圧の印加を停止する。この結果、２本のプローブ１４４と電極パッドＰが電気的に接触し、その後のデバイスの検査が可能になる。
【００２４】
ところで、図２の（ｂ）に示すメインボード１４１の場合には、一つの電極パッドＰに対して２個のリレー回路１４１Ｂが設けられているため、電極パッドが高密度化するとリレー回路１４１Ｂも飛躍的に多くなる。そこで、例えば図４に示すように一つの電極パッドＰについて一つのリレー回路１４１Ｂを設けることで、リレー回路１４１Ｂの数を半減することができる。この場合には、同図に示すようにフリッティングを実行している電極パッドＰ以外の電極パッドＰを信号ライン１４１Ｄに接続し、所定の電極パッドＰのフリッティングを実行することができる。また、図５に示すように、テスタのドライバ１４９をフリッティングライン１４１Ａに接続することにより、リレー回路を省略することができる。この場合には全てのプローブ１２４を一括してフリッティングすることができ、スループットを高めることができる。
【００２５】
また、還元処理手段１５は、例えば、プローバ室１１内が常圧または減圧下で銅、銅合金等によって形成された電極パッドを還元処理する。還元処理手段１５は、例えば図１に示すように、ヘッドプレート１６上に配置され且つ例えば石英、セラミックス等の耐熱性材料からなる断熱容器１５Ａと、断熱容器１５Ａ内に設けられたヒータ１５Ｂと、断熱容器１５Ａの入口に接続された供給管１５Ｃと、供給管１５Ｃに接続され且つフォーミングガスを供給するガス供給手段１５Ｄと、ガス供給手段１５Ｄからのフォーミングガスの流量を制御するマスフローコントローラ（図示せず）を有し、断熱容器１５Ａ内でヒータ１５Ｂがフォーミングガス中の水素ガスを還元性の強い活性化水素を生成し、メインチャック１３上のウエハＷの電極パッドを還元する。
【００２６】
断熱容器１５Ａには断熱処理が施され、ヒータ１５Ｂの温度低下を防止して断熱容器１５Ａ内を所定の高温に維持する。この断熱容器１５Ａの入口は、同図に示すように、プローブカード１４に隣接する位置でヘッドプレート１６を貫通し、メインチャック１３と対向するように配置されている。プローバ室１１には排気口１１Ａが形成され、この排気口１１Ａには排気管１５Ｅを介して排気装置（図示せず）に接続されている。また、移動機構１２の昇降機構には上端が開口し且つメインチャック１３を取り囲む扁平な容器１５Ｆが固定されている。この容器１５Ｆはメインチャック１３よりもかなり大径に形成され、断熱容器１５Ａから供給されたフォーミングガスが充満し容器１５Ｆ内で還元雰囲気を形成する。尚、断熱容器１５Ａは、メインチャック１３が移動する範囲内であれば、その取り付け場所は特に制限されない。
【００２７】
而して、フォーミングガスは水素ガスとキャリアガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガス等の希ガス）とからなる混合ガスで、マスフローコントローラを介して水素ガスの含有量が防爆範囲内（例えば、５容量％以下、具体的には３％程度）に調整されている。キャリアとしては、例えば、アルゴン、ヘリウム等の希ガスや窒素ガス等の不活性ガスを用いることができる。
【００２８】
また、プローバ室１１の内面にはシールド部材１５Ｇが施され、このシールド部材１５Ｇを介してプローバ室１１内を気密にし、所定の減圧状態を形成することができる。このプローバ室１１内外には酸素濃度計１７がそれぞれ設けられ、これらの酸素濃度計１７を介してプローバ室１１内外の酸素濃度を監視している。酸素濃度計１７が制御装置を介してアラーム等の警報手段に接続され、酸素濃度が危険域濃度に達したら警報を発する。
【００２９】
次に、上記プローブ装置１０を用いた本発明のプローブ方法の一実施形態について説明する。まず、プローバ室１１内でプローブピン１４４とウエハＷの電極パッドとの位置合わせを行い、検査を開始するための準備を行う。次いで、還元処理手段１５が駆動し、排気管１５Ｅからプローバ室１１内の空気を排気すると共にガス供給手段１５Ｄからフォーミングガスを断熱容器１５Ａ内に供給する。断熱容器１５内ではヒータ１５Ｂがフォーミングガスを加熱して水素ガスを活性化する。加熱後のフォーミングガスは断熱容器１５Ａの出口からメインチャック１３上のウエハＷに向けて流れ、容器１５Ｆ内に充満して容器１５Ｆ内に還元雰囲気を形成する。このフォーミングガスが既にメインチャック１３の温度調整機構を介して例えば２００℃以上の温度まで加熱されたウエハＷ上の電極パッドと接触すると、フォーミングガス中の活性化水素ガスが電極パッドの酸化膜を還元し、電極パッドの金属が表出する。そして、還元処理後のフォーミングガスは容器１５Ｆからプローバ室１１内へ流出し、プローバ室１１から排気管１５Ｅを経由してプローバ室１１外へ排気される。この動作中、プローバ室１１内の空気の排気が十分でなく、酸素濃度が所定の設定値よりも高いと、警報を発しその旨報知する。
【００３０】
還元処理と並行して移動機構１２及び昇降機構の働きで、プローブカード１４のプローブ１４４とウエハＷの電極パッドとが低い針圧で軽く接触する。この時、各電極パッドにはプローブ１４４が２本ずつ接触する。同時にフリッティング回路１４６がリレー制御ライン１４１Ｃを介してリレー回路１４１Ｂを駆動し、フリッティングライン１４１Ａとプローブ１４４とを接続した後、フリッティング回路１４６から所定の電圧を印加する。電圧を印加すると、酸化膜が極めて薄い場合には当初はプローブ１４４間にトンネル電流が流れる。トンネル電流は制限電流より遥かに小さい微小電流である。この微小電流を電流測定器１４６Ｃで検出する。その後、フリッティング回路１４６からの印加電圧を徐々に昇圧し、プローブ１４４間の電位傾度が徐々に大きくなり、フリッティング現象を生じて電極パッドＰの酸化膜が破れ、プローブ１４４間の電流が急激に大きくなって電圧の印加を止める。この時点で２本のプローブ１４４は電極パッドＰとそれぞれ電気的に導通し、検査可能な状態になる。この状態でフリッティング制御回路の制御下でリレー制御ライン１４１Ｃを介してリレー回路１４１Ｂが駆動し、プローブ１４４をフリッティングライン１４１Ａから切り離し、信号ライン１４１Ｄに切り換える。これら一連の動作を全ての電極パッドに対して行う。これによりプローブ１４４をテスタ１３へ順次接続した後、検査を実行する。
【００３１】
以上説明したように本実施形態によれば、フォーミングガスを用いてウエハＷの電極パッドＰを還元処理する工程と、電極パッドＰとプローブ１４４を接触させる工程と、フリッティング現象を利用して電極パッドＰとプローブ１４４を電気的に導通させる工程とを備えているため、プローブ１４４と電極パッドＰとを極めて低い針圧（例えば、１ｍＮ以下）で接触させるだけでこれら両者間の電気的導通を取ることができ、電極パッドＰはその下地層等の成膜層が薄膜化しても針圧で下地層を損傷させることなく安定した信頼性の高い検査を行なうことができる。また、本実施形態では、ヒータ１５Ｂによってフォーミングガス中の水素ガスを活性化するため、活性化水素によって電極パッドＰの酸化膜を短時間で還元除去することができる。しかもフォーミングガス及びウエハＷを加熱するため、高温によって還元反応を促進し電極パッドを確実に還元することができる。
【００３２】
【実施例】
本実施例では、銅膜ウエハ（銅薄膜＝１μｍ、ＴｉＮ下地＝１５ｎｍ）を用いて銅膜の酸化、還元現象を具体的に観察すると共に、本発明のプローブ方法を実施してその効果を確認した。
【００３３】
実施例１
本実施例では、図６に示すフリッティング特性測定装置２００を用いて銅膜ウエハ試料Ｓ２のフリッティングコンタクト特性の評価を行った。フリッティング特性測定装置２００は、７０本のタングステン製プローブ２０１、２０２、２０３を有するプローブカードと、このプローブカードにリレースキャナを構成するスイッチＳＷ１〜ＳＷ３０を介して接続されたフリッティング用の電源２０４とプローブを流れる電流を測定する電流計２０５と、プローブと電極間の電圧を測定する電圧計２０６とを備えている。そして、プローブ７０本の中で６０本は３０対のフリッティング用プローブ２０１、２０２として用いられ、残りの１０本は銅膜ウエハ試料Ｓ２上の銅電極（膜）を電圧計２０６に直結する電圧測定用プローブ２０３として用いられる。また、アナログ−デジタル（ＡＤ）変換器（図示せず）がＡ−Ａ’間、Ｂ−Ｃ間、Ｂ−Ｄ間に接続され、フリッティング時の電流、電圧変化がモニタされる。更に、銅膜ウエハ試料Ｓ２はＸＹＺステージ（図示せず）上に載置され、プローブのコンタクト位置やコンタクト力を変えることができる。
【００３４】
このフリッティング特性測定装置２００を用いた評価実験は以下の要領で行われる。
１）銅膜ウエハ試料Ｓ２が載置されたステージを所望の位置に移動させ、プローブ２０１、２０２、２０３を機械的にコンタクトさせる。
２）リレースキャナを構成するスイッチＳ１〜Ｓ３０を全て開にした状態で、電源２０４でフリッティング電圧を設定する。
３）まずスイッチＳＷ１のみを閉状態に切り換え、スイッチＳＷ１に接続された一対のフリッティングコンタクト用のプローブ２０１、２０２間に、２）で設定した電圧を印加し、フリッティングを起こさせる。次いで、スイッチＳＷ１を開状態に戻した後、スイッチＳＷ２のみを閉状態に切り換え、上述の場合と同様にスイッチＳＷ２に接続された一対のフリッティングコンタクト用のプローブ２０１、２０２においてフリッティングを起こさせる。以下同様にしてスイッチＳＷ３０まで連続的に切り換えを行い、３０対全てのプローブ間で独立にフリッティングを起こす。
４）次いで、電源２０４の設定電圧を抵抗測定用の所定の低電圧に切り換える。
５）引き続き、３）の場合と同様に、スイッチＳＷ１からスイッチＳＷ３０まで接続を順次切り換えることにより３０対全てのプローブ２０１、２０２間の抵抗測定を行う。この際に測定される抵抗は、接触抵抗の他に、プローブ２０１、２０２と電源２０４を結ぶ配線の抵抗を含んでいるため、測定抵抗値から配線抵抗分（実測で約０．７Ω）を除いた値を接触抵抗とした。
【００３５】
また、銅膜ウエハ試料Ｓ２としては、銅金属をスパッタ蒸着後、大気保管したものと、それを下記条件で水素還元処理し、真空中で１０分間冷却した後、大気中に取り出したものを用いた。尚、測定雰囲気は、温度が２０〜２２℃、相対湿度が２０〜２３％であった。
〔還元処理条件〕
還元性ガス：水素ガス
ガス流量：３００ｍｌ／分
水素ガス圧力：１３０Ｐａ
処理時の試料温度：４９０Ｋ、６２０Ｋ
【００３６】
図７及び図８は水素還元後の大気暴露時間とフリッティング後の接触抵抗（平均値）との関係を示す。図７はプローブのコンタクト力を１ｍＮとした場合であり、図８はプローブのコンタクト力を５ｍＮとした場合である。図７及び図８に示す全ての条件において、大気保管した試料をそのまま用いた（水素還元前の）場合（破線）に比べ、水素還元したものは接触抵抗が低くなっており、また、水素還元した場合には大気暴露時間が長くなるに従ってその接触抵抗が増加していることが判る。そして、大気中に、１００〜３００分暴露した場合には、接触抵抗はほぼ水素還元前の試料のそれにほぼ戻ることが判る。これは、大気暴露によって再酸化が進行し、本実験雰囲気では１００〜３００分暴露でほぼ元の酸化状態に戻ることを示している。換言すれば、水素還元後３０分程度以内にプロービングを行えば、水素還元の効果により同じプロービング条件でも低抵抗接触が得られる。そして、プローブが一度接触すれば、接触部は大気に曝されないため、検査中は低抵抗接触を保つことができる。
【００３７】
水素還元処理を行わない場合には、低電圧（Ｖ＝０．５Ｖ）、低荷重（Ｆ＝１ｍＮ）では、接触抵抗は５Ω以上になるが、水素還元した場合には、暴露直後の２０〜３０分は、低電圧・低荷重であっても１Ω前後の低抵抗接触が可能である。即ち、図７の（ｃ）からも判るように、フリッティング電圧を高く（Ｖ＝１０Ｖ）すれば、低荷重（Ｆ＝１ｍＮ）であっても１Ω以下の低抵抗接触が得られ、更に、被測定試料の前処理として水素還元処理を行えば、低電圧（Ｖ＝０．５Ｖ）で低抵抗接触を行えることが実験的に示された。つまり、フリッティングと水素還元前処理を組み合わせれば、機械的にも電気的にもプロービングを低ダメージで行なうことができ、プローブ検査にとって極めて有効であることが判った。
【００３８】
尚、本発明は上記実施形態に何等制限されるものではない。例えばウエハの還元処理手段は図２に示す構成以外にも種々の形態を採用することができる。また、水素ガスに代えてウエハに支障のない還元性を有するガスを適宜選択して使用することができる。また、ウエハの還元処理はカセット内のウエハを一括して行なうこともできる。また、上記実施形態では被検査体としてウエハＷを用いたが、ウエハ以外のパッケージ品、あるいはＬＣＤ用基板にも本発明を適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の請求項１〜請求項１１に記載の発明によれば、プローブピンと検査用電極とを接触させるだけで両者間の電気的に確実に導通させることができ、信頼性の高い検査を確実に行なうことができるプローブ方法及びプローブ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプローブ装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示すプローブカードを示す図で、（ａ）はその分解側面図、（ｂ）はそのブロック図である。
【図３】ローブカードの２本のプローブの長さが異なる場合の動作の概念を示す図で、（ａ）はフリッティング動作時を示す側面図、（ｂ）はプローブ検査の動作時を示す側面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に用いられるプローブカードの要部を示すブロック図である。
【図５】本発明の更に他の実施形態に用いられるプローブカードの要部を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施例に用いられたフリッティング特性測定装置を示す概念図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ銅膜ウエハ試料の還元後大気暴露時間とそのフリッティング後の接触抵抗値の関係を示すグラフである。
【図８】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ銅膜ウエハ試料の還元後大気暴露時間とそのフリッティング後の接触抵抗値の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１４ プローブカード
１５ 還元処理手段
１５Ａ 断熱容器（ケース）
１５Ｂ ヒータ（加熱手段）
１５Ｄ ガス供給手段
１４１Ｂ リレー回路
１４６ フリッティング回路
１４９ ドライバ
Ｗ ウエハ（被検査体）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a probe method and a probe device, and more particularly, to a probe method and a probe device capable of improving electrical contact with an inspection electrode of an object to be inspected.
[0002]
[Prior art]
The semiconductor processing process includes various processes such as a process of inspecting a device to be inspected in a wafer state and a process of inspecting a device to be inspected in a package state. When performing an inspection, a contact is brought into contact with an inspection electrode pad of the device under test, and a signal is applied to the device under test via the contact. However, since an electrically insulating oxide film is formed on the inspection electrode pad, conduction cannot be achieved only by bringing the contact into contact, and an inspection signal cannot be applied. There are things you can't do. Therefore, conventionally, after applying a predetermined needle pressure between the electrode pad for inspection and the contact, the contact is scrubbed on the surface of the electrode pad to break the oxide film, and the conduction between the contact and the electrode pad is secured. ing.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, with the ultra-high integration of semiconductor products, the thickness of each film formation layer has been accelerated and the electrode pads for inspection have also become thinner, so the needle that breaks the oxide film of the electrode pads as in the conventional probe method. When pressure is applied, electric characteristics such as transistor characteristics may change due to the stylus pressure from the contactor, and a soft material such as a low-k material having a low dielectric constant is used for the lower layer of the electrode pad. In such a case, there is a problem that it is impossible to apply a sufficient needle pressure to break the oxide film of the electrode pad.
[0004]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problem, and it is possible to reliably establish electrical connection between a probe and an inspection electrode only by bringing the probe into contact with the inspection electrode, thereby reliably performing a highly reliable inspection. It is an object of the present invention to provide a probe method and a probe device capable of performing such a method.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a probing method for inspecting an electrical characteristic of an object to be inspected, wherein a step of reducing the electrode for inspection of the object to be inspected and a step of contacting the probe with the electrode for inspection are performed. And a step of electrically connecting the inspection electrode and the probe using a fritting phenomenon.
[0006]
A probe method according to a second aspect of the present invention is the probe method according to the first aspect, wherein the object to be inspected is heated in the reduction step.
[0007]
In the probe method according to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, in the fritting step, two probes are brought into contact with the inspection electrode. Is what you do.
[0008]
The probe method according to claim 4 of the present invention is characterized in that, in the invention according to claim 3, in the fritting step, two probes in contact with the respective test electrodes are switched by a relay. Is what you do.
[0009]
In the probe method according to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect, in the fritting step, two probes that are in contact with the test electrodes are switched by a driver. Is what you do.
[0010]
The probe method according to claim 6 of the present invention is the probe method according to any one of claims 1 to 5, wherein the inspection electrode is made of copper or a copper alloy. Things.
[0011]
A probe device according to claim 7 of the present invention is a probe device for inspecting electrical characteristics of an object to be inspected, a means for reducing the inspection electrode of the object to be inspected, the inspection electrode and the probe. And a means for electrically connecting the inspection electrode and the probe using a fritting phenomenon.
[0012]
Further, in the probe device according to claim 8 of the present invention, in the invention according to claim 7, the fritting means comprises: a pair of probes provided corresponding to each of the inspection electrodes; And a switching means for switching the direction in which the voltage is applied, and a control means for controlling the switching means.
[0013]
A probe device according to a ninth aspect of the present invention is the probe device according to the eighth aspect, wherein a relay is provided as the switching means.
[0014]
A probe device according to a tenth aspect of the present invention is the probe device according to the eighth aspect, wherein a driver is provided as the switching means.
[0015]
According to a eleventh aspect of the present invention, in the probe device according to any one of the eighth to tenth aspects, each of the pair of probes has a unique wiring. It is.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the embodiments shown in FIGS.
The probing method according to the present invention reduces and removes an oxide film formed on an inspection electrode pad of a wafer using a reducing gas (for example, a forming gas), and then uses a fritting phenomenon. Is characterized in that the probe and the electrode pad are electrically contacted by breaking the oxide film. By utilizing the reduction and fritting phenomena of the oxide film, the stylus pressure between the probe and the electrode pad can be made almost zero, so that the electrode pad is not damaged and the life of the probe can be extended. The fritting phenomenon means that when the potential gradient applied to the oxide film formed on the surface of the metal (the electrode pad in the present invention) becomes about 10 5 to 10 6 V / cm, the thickness of the oxide film and the composition of the metal become uneven. A phenomenon in which a current flows due to the property and the insulating film is destroyed.
[0017]
First, the probe device according to the present embodiment will be described. As shown in FIG. 1, for example, a probe apparatus 10 of the present embodiment includes a loader chamber (not shown) for transporting a workpiece (for example, a wafer) W and a prober chamber 11 for inspecting an electrical characteristic of the wafer W. And a control device (not shown) for controlling various devices described later, which are arranged in both of them.
[0018]
The loader chamber includes, for example, a mounting portion on which a cassette containing 25 wafers W is mounted, a wafer transfer mechanism for transferring wafers W one by one from the cassette in the mounting portion, and a wafer transfer mechanism. And a sub chuck for aligning the wafer in a predetermined direction while transferring the wafer W.
[0019]
Further, a prober chamber 11 moves in three axial directions via a three-axis (X-axis, Y-axis, and Z-axis) moving mechanism 12 and rotates forward and reverse in the θ direction. A probe card 14 disposed on the wafer W and electrically connecting probes to electrode pads formed of a conductive metal such as copper, copper alloy, or aluminum on the wafer W by utilizing the fritting phenomenon; An alignment mechanism (not shown) for aligning the wafer W with the probe, and reduction processing means 15 for reducing the electrode pads of the wafer W. After the reduction process, the probe and the electrode pad of the wafer W are electrically contacted by using the fritting phenomenon, and the electrical characteristics of the wafer W Perform 査.
[0020]
The probe card 14 is fixed to a head plate 16 in the prober chamber 11, and a test head T is arranged on the head plate 16 so as to be electrically connectable to the probe card 14. As shown in FIG. 1, the moving mechanism 12 includes a Y table 12A that moves to the bottom surface in the prober chamber 11 in the Y direction (in the drawing, a direction perpendicular to the paper surface), and an X table that moves on the Y table 12A in the X direction. 12B, and a Z-axis mechanism 12C that moves up and down in the Z direction and is arranged so that the center of the X table 12B is aligned with the axis, and moves the main chuck 13 in the X, Y, and Z directions. The main chuck 13 has a built-in temperature adjustment mechanism for adjusting the temperature in a range of, for example, -55 ° C to 220 ° C, and rotates in a normal / reverse direction around a central axis through a θ drive mechanism (not shown) within a predetermined range.
[0021]
Thus, as shown in FIGS. 2A and 2B, the probe card 14 has a main board 141, an intermediate board 142, a sub board 143, and two contact pads for one electrode pad. And a probe 144. The two probes 144 may have the same length, or may have different lengths, for example, as shown in FIGS. FIG. 3A shows that when the probe 144 has a different length, the probe 144 comes into contact with the electrode pad in two stages. That is, at the time of fritting, the wafer W is overdriven to bring both probes 144 into contact with the electrode pads P, and at the time of probe inspection after fritting, the wafer W is lowered and the fritting probe is separated from the electrode pads and inspected. Perform
[0022]
As shown in FIG. 2B, a fritting line 141A, a relay circuit (for example, a piezo element) 141B, a relay control line 141C, and a signal line 141D are formed on the main board 141. A fritting circuit 146 is connected to the fritting line 141A and the relay control line 141C of the main board 141 via a cable connector 145, and the signal line (matching impedance 50Ω) 141D of the main board 141 is connected to a high-speed signal via a cable connector 147. A confirmation device 148 is connected. The fritting circuit 146 is connected to a fritting control circuit (not shown), and controls the fritting circuit 146 under the control of the fritting control circuit. The fritting control circuit is connected to a tester or prober (not shown) and functions under the control of the tester or prober. Further, signal lines 142A and 143A and ground lines 142B and 143B are formed on the intermediate board 142 and the sub-board 143. The probe 144 corresponding to each of the signal line 143A and the ground line 143B of the sub board 143 is connected. Therefore, the fritting circuit 146 drives the relay circuit 141B via the relay control line 141A under the fritting control circuit, and appropriately switches between the fritting circuit 141 connected to the probe 144 and the high-speed signal confirmation device 148. In FIG. 1B, 141E is a ground line formed in the main board 141.
[0023]
The fritting circuit 146 operates as follows. First, the two probes 144 of the probe card 14 are brought into contact with the electrode pads P with a low stylus pressure (for example, 1 mN or less). In this state, the voltage source 146A operates and a voltage is applied to one of the probes 144 via a voltage application buffer amplifier and a current sense resistor 146B (not shown). When the oxide film is extremely thin, a very small tunnel current flows at first. . When the voltage of the voltage source 146A is gradually increased, the potential gradient between the two probes 144 gradually increases. When a predetermined potential gradient (about 10 5 to 10 6 V / cm) is reached, a fritting phenomenon occurs. As a result, the oxide film of the electrode pad is broken, and the two probes 144 come into contact with the metal surface, and the current between the two probes 144 increases rapidly. This current is detected by the current measuring device 146C, and the application of the voltage is stopped so that no more current flows. As a result, the two probes 144 and the electrode pads P come into electrical contact, and the device can be inspected thereafter.
[0024]
By the way, in the case of the main board 141 shown in FIG. 2B, two relay circuits 141B are provided for one electrode pad P. Therefore, when the electrode pads are increased in density, the relay circuit 141B is also formed. It will increase dramatically. Therefore, for example, by providing one relay circuit 141B for one electrode pad P as shown in FIG. 4, the number of relay circuits 141B can be reduced by half. In this case, as shown in the figure, an electrode pad P other than the electrode pad P performing fritting can be connected to the signal line 141D, and fritting of a predetermined electrode pad P can be performed. Also, as shown in FIG. 5, by connecting the driver 149 of the tester to the fritting line 141A, the relay circuit can be omitted. In this case, all the probes 124 can be flitted at once and the throughput can be increased.
[0025]
The reduction processing means 15 performs reduction processing on the electrode pads formed of copper, a copper alloy, or the like in the prober chamber 11 at normal pressure or reduced pressure. For example, as shown in FIG. 1, the reduction treatment means 15 is disposed on the head plate 16 and is made of a heat-insulating container 15A made of a heat-resistant material such as quartz or ceramics; A supply pipe 15C connected to the inlet of the heat insulating container 15A, a gas supply means 15D connected to the supply pipe 15C and supplying a forming gas, and a mass flow controller (not shown) for controlling the flow rate of the forming gas from the gas supply means 15D. The heater 15B in the heat insulating container 15A generates activated hydrogen having strong reducibility for the hydrogen gas in the forming gas, and reduces the electrode pad of the wafer W on the main chuck 13.
[0026]
The heat-insulating container 15A is subjected to a heat-insulating process to prevent the temperature of the heater 15B from lowering and maintain the inside of the heat-insulating container 15A at a predetermined high temperature. As shown in the figure, the inlet of the heat insulating container 15A penetrates the head plate 16 at a position adjacent to the probe card 14, and is arranged to face the main chuck 13. An exhaust port 11A is formed in the prober chamber 11, and the exhaust port 11A is connected to an exhaust device (not shown) via an exhaust pipe 15E. A flat container 15F having an open upper end and surrounding the main chuck 13 is fixed to the elevating mechanism of the moving mechanism 12. This container 15F is formed to have a considerably larger diameter than the main chuck 13, and is filled with the forming gas supplied from the heat insulating container 15A to form a reducing atmosphere in the container 15F. The mounting location of the heat insulating container 15A is not particularly limited as long as the main chuck 13 is moved.
[0027]
The forming gas is a mixed gas of a hydrogen gas and a carrier gas (eg, a rare gas such as a nitrogen gas or an argon gas), and the content of the hydrogen gas falls within an explosion-proof range (eg, 5 Volume% or less, specifically about 3%). As the carrier, for example, a rare gas such as argon or helium or an inert gas such as nitrogen gas can be used.
[0028]
In addition, a shield member 15G is provided on the inner surface of the prober chamber 11, and the inside of the prober chamber 11 can be made airtight through this shield member 15G, and a predetermined reduced pressure state can be formed. An oxygen concentration meter 17 is provided inside and outside the prober chamber 11, and the oxygen concentration inside and outside the prober chamber 11 is monitored via these oxygen concentration meters 17. The oxygen concentration meter 17 is connected to alarm means such as an alarm via a control device, and issues an alarm when the oxygen concentration reaches a dangerous concentration.
[0029]
Next, an embodiment of the probe method of the present invention using the probe device 10 will be described. First, the probe pins 144 are aligned with the electrode pads of the wafer W in the prober chamber 11 to prepare for starting the inspection. Next, the reduction processing means 15 is driven to exhaust the air in the prober chamber 11 from the exhaust pipe 15E and to supply the forming gas from the gas supply means 15D into the heat insulating container 15A. In the heat insulating container 15, the heater 15B heats the forming gas to activate the hydrogen gas. The heated forming gas flows from the outlet of the heat insulating container 15A toward the wafer W on the main chuck 13 and fills the container 15F to form a reducing atmosphere in the container 15F. When this forming gas comes into contact with the electrode pad on the wafer W heated to a temperature of, for example, 200 ° C. or more through the temperature adjusting mechanism of the main chuck 13, the activated hydrogen gas in the forming gas changes the oxide film of the electrode pad. It is reduced, and the metal of the electrode pad is exposed. Then, the forming gas after the reduction process flows from the container 15F into the prober chamber 11, and is exhausted from the prober chamber 11 to the outside of the prober chamber 11 via the exhaust pipe 15E. During this operation, if the air in the prober chamber 11 is not sufficiently exhausted and the oxygen concentration is higher than a predetermined set value, an alarm is issued and the fact is notified.
[0030]
In parallel with the reduction process, the probe 144 of the probe card 14 and the electrode pad of the wafer W lightly contact with a low stylus pressure by the operation of the moving mechanism 12 and the elevating mechanism. At this time, two probes 144 are in contact with each electrode pad. Simultaneously, the fritting circuit 146 drives the relay circuit 141B via the relay control line 141C to connect the fritting line 141A to the probe 144, and then applies a predetermined voltage from the fritting circuit 146. When a voltage is applied, a tunnel current initially flows between the probes 144 when the oxide film is extremely thin. The tunnel current is a very small current much smaller than the limit current. This minute current is detected by the current measuring device 146C. Thereafter, the voltage applied from the fritting circuit 146 is gradually increased, and the potential gradient between the probes 144 gradually increases, causing a fritting phenomenon and the oxide film of the electrode pad P is broken, so that the current between the probes 144 sharply increases. And stop applying the voltage. At this point, the two probes 144 are electrically connected to the electrode pads P, respectively, and are ready for inspection. In this state, the relay circuit 141B is driven via the relay control line 141C under the control of the fritting control circuit to disconnect the probe 144 from the fritting line 141A and switch to the signal line 141D. These series of operations are performed on all the electrode pads. As a result, after the probes 144 are sequentially connected to the tester 13, an inspection is performed.
[0031]
As described above, according to the present embodiment, the step of reducing the electrode pad P of the wafer W using the forming gas, the step of bringing the electrode pad P into contact with the probe 144, and the step of making the electrode utilizing the fritting phenomenon A step of electrically connecting the pad P to the probe 144 is provided, so that the probe 144 and the electrode pad P are brought into contact with each other with only a very low stylus pressure (for example, 1 mN or less) to establish electrical conduction between them. The electrode pad P can perform a stable and highly reliable inspection without damaging the underlying layer by the stylus pressure even if the film forming layer such as the underlying layer becomes thinner. In the present embodiment, since the hydrogen gas in the forming gas is activated by the heater 15B, the oxide film on the electrode pad P can be reduced and removed by the activated hydrogen in a short time. In addition, since the forming gas and the wafer W are heated, the reduction reaction is promoted by the high temperature, and the electrode pads can be reliably reduced.
[0032]
【Example】
In this example, the oxidation and reduction phenomena of the copper film were specifically observed using a copper film wafer (copper thin film = 1 μm, TiN base = 15 nm), and the effect was confirmed by implementing the probe method of the present invention. did.
[0033]
Example 1
In the present embodiment, the fritting contact characteristic of the copper film wafer sample S2 was evaluated using the fritting characteristic measuring apparatus 200 shown in FIG. The fritting characteristic measuring apparatus 200 includes a probe card having 70 tungsten probes 201, 202, and 203, and a power supply 204 for fritting connected to the probe card via switches SW1 to SW30 constituting a relay scanner. And an ammeter 205 for measuring a current flowing through the probe, and a voltmeter 206 for measuring a voltage between the probe and the electrode. Of the 70 probes, 60 are used as 30 pairs of fritting probes 201 and 202, and the remaining 10 are voltages directly connecting the copper electrodes (films) on the copper film wafer sample S2 to the voltmeter 206. Used as a measurement probe 203. Further, an analog-digital (AD) converter (not shown) is connected between AA ′, between BC, and between BD to monitor current and voltage changes during fritting. Further, the copper film wafer sample S2 is placed on an XYZ stage (not shown), and the contact position and contact force of the probe can be changed.
[0034]
An evaluation experiment using the fritting characteristic measuring device 200 is performed in the following manner.
1) The stage on which the copper film sample S2 is placed is moved to a desired position, and the probes 201, 202, and 203 are brought into mechanical contact.
2) The power supply 204 sets the fritting voltage with all of the switches S1 to S30 constituting the relay scanner open.
3) First, only the switch SW1 is switched to the closed state, and the voltage set in 2) is applied between the pair of fritting contact probes 201 and 202 connected to the switch SW1 to cause fritting. Next, after the switch SW1 is returned to the open state, only the switch SW2 is switched to the closed state, and fritting is caused in the pair of fritting contact probes 201 and 202 connected to the switch SW2 in the same manner as described above. . In the same manner, switching is continuously performed up to the switch SW30, and fritting occurs independently among all 30 pairs of probes.
4) Next, the set voltage of the power supply 204 is switched to a predetermined low voltage for resistance measurement.
5) Subsequently, similarly to the case of 3), the connection between the switches SW1 to SW30 is sequentially switched to measure the resistance between all 30 pairs of probes 201 and 202. Since the resistance measured at this time includes the resistance of the wiring connecting the probes 201 and 202 and the power supply 204 in addition to the contact resistance, the wiring resistance (about 0.7Ω in actual measurement) is excluded from the measured resistance value. The resulting value was defined as the contact resistance.
[0035]
As the copper film wafer sample S2, a copper metal sputter-deposited and stored in the air, and a copper metal that was subjected to a hydrogen reduction treatment under the following conditions, cooled in a vacuum for 10 minutes, and then taken out to the air were used. Was. The measurement atmosphere had a temperature of 20 to 22 ° C. and a relative humidity of 20 to 23%.
[Reduction treatment conditions]
Reducing gas: Hydrogen gas flow rate: 300 ml / min Hydrogen gas pressure: 130 Pa
Sample temperature during processing: 490K, 620K
[0036]
7 and 8 show the relationship between the time of exposure to air after hydrogen reduction and the contact resistance (average value) after fritting. FIG. 7 shows a case where the contact force of the probe is 1 mN, and FIG. 8 shows a case where the contact force of the probe is 5 mN. In all the conditions shown in FIGS. 7 and 8, the contact resistance of the hydrogen-reduced sample was lower than that in the case where the sample stored in the air was used as it was (before hydrogen reduction) (broken line). In this case, it can be seen that the contact resistance increases as the air exposure time increases. Then, when exposed to the air for 100 to 300 minutes, the contact resistance almost returns to that of the sample before hydrogen reduction. This indicates that the re-oxidation progressed by exposure to the atmosphere, and in the atmosphere of this experiment, it returned to almost the original oxidation state after exposure for 100 to 300 minutes. In other words, if probing is performed within about 30 minutes after hydrogen reduction, low resistance contact can be obtained even under the same probing conditions due to the effect of hydrogen reduction. Then, once the probe makes contact, the contact portion is not exposed to the atmosphere, so that low-resistance contact can be maintained during the inspection.
[0037]
When the hydrogen reduction treatment is not performed, the contact resistance becomes 5Ω or more at a low voltage (V = 0.5 V) and a low load (F = 1 mN). For 30 minutes, low-resistance contact of about 1Ω is possible even at low voltage and low load. That is, as can be seen from FIG. 7C, when the fritting voltage is increased (V = 10 V), a low-resistance contact of 1Ω or less can be obtained even with a low load (F = 1 mN). It has been experimentally shown that if a hydrogen reduction treatment is performed as a pretreatment of a sample to be measured, low-resistance contact can be performed at a low voltage (V = 0.5 V). In other words, it was found that the probing can be performed mechanically and electrically with low damage by combining the fritting and the pretreatment for hydrogen reduction, which is extremely effective for probe inspection.
[0038]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, various types of wafer reduction processing means other than the configuration shown in FIG. 2 can be employed. Further, instead of hydrogen gas, a gas having a reducing property that does not hinder the wafer can be appropriately selected and used. Further, the wafer reduction processing can be performed on the wafers in the cassette at a time. In the above embodiment, the wafer W is used as the object to be inspected. However, the present invention can be applied to package products other than wafers or LCD substrates.
[0039]
【The invention's effect】
According to the first to eleventh aspects of the present invention, the probe pin and the inspection electrode can be electrically connected to each other simply by contacting the probe pin and the inspection electrode, and a highly reliable inspection can be reliably performed. A probe method and a probe device that can be performed at a time can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of a probe device of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are views showing the probe card shown in FIG. 1, wherein FIG. 2A is an exploded side view thereof, and FIG. 2B is a block diagram thereof.
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing the concept of operation when two probes of a lobe card have different lengths, where FIG. 3A is a side view showing a fritting operation, and FIG. It is a side view.
FIG. 4 is a block diagram showing a main part of a probe card used in another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing a main part of a probe card used in still another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a fritting characteristic measuring device used in an embodiment of the present invention.
FIGS. 7A to 7C are graphs each showing a relationship between a time of exposure of a copper film wafer sample to air after reduction and a contact resistance value after fritting.
FIGS. 8A to 8C are graphs each showing a relationship between a time of exposure of a copper film wafer sample to air after reduction and a contact resistance value after fritting.
[Explanation of symbols]
14 Probe card 15 Reduction treatment means 15A Insulated container (case)
15B heater (heating means)
15D Gas supply means 141B Relay circuit 146 Flitting circuit 149 Driver W Wafer (inspection object)