JP2007324457A - 半導体装置の故障解析に用いる支持治具、およびその支持治具を利用した故障解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の裏面解析において、微細化された半導体装置に対して充分なパターン解像度、分解能および検出感度が得られる支持治具、および故障解析方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の表面にプローブを当てた状態で、半導体装置の裏面の被観察部を通して放出される発光を観察する故障解析の際に用いられる半導体装置の支持治具であって、前記半導体装置の裏面側の前記被観察部を除く領域に接触する接触部と、一端側が前記接触部に固定され、他端側が前記半導体装置以外の箇所に固定される支持部とを備え、前記接触部の中心が、解析時における前記プローブの中心とほぼ一致するように、前記接触部がウェハに対して相対的に移動する。
【選択図】図２

Description

この発明は、半導体装置の裏面からの故障解析に用いる支持治具、およびその支持治具を利用した故障解析方法に関する。

半導体装置の故障解析において、電流リーク箇所から発生する微弱な光を検出することによって故障解析を行う発光解析（エミッション解析とも呼ばれる。）、電流リーク箇所からの発熱を検出することによって故障箇所を特定する発熱解析、レーザービームの照射によって発生する起電流または電源電流の変化を像に変換することにより故障箇所を特定するOBIC（Optical Beam Induced Current）解析およびOBIRCH（Optical Beam Induced Resistance CHange）解析等は、故障箇所の特定が容易にできる点で、一般的な解析方法となっている。これらの解析方法において、近年における半導体装置の多層化や、パッケージのフリップチップ化等により、半導体基板の裏面からの故障解析（以後、単に「裏面解析」と記す。）が不可欠となっている。

図６に、半導体装置が作り込まれたウェハのまま、半導体装置の裏面解析が行われている例を、断面図として示す。この図は、上述の発光解析をテスタと組み合わせて行った場合を、模式的に示している。

また、特許文献１には、Siからなる固浸レンズ（Solid Immersion Lens、以後「SIL」と記す場合がある。）プレート１０２を用いることで高い解像度を得ると共に、ステージ１０１上に安定して解析対象の半導体装置２を搭載でき、かつ解析視野を移動させることを可能とする技術が開示されている。この特許文献１における解析装置の例を、断面図として図７に示す。
特開２００４−３２７７７３号公報

ところで顕微鏡観察においては、観察における分解能dは、d＝λ／（2×n×sinθ）で表現され、使用される光の波長λと対物レンズの屈折率nで決まる（なお、θは光軸に対する集光角の半角を示す。）。ここで、使用される光は測定上の与条件により選択されることが多いため、分解能dを小さくするためには、結局、屈折率nの高い（即ち開口数NAの大きい）対物レンズを選択することで対応することになる。しかし、屈折率nの高い材質の対物レンズは、通常、焦点距離fが短くなるので、観察対象物と対物レンズの距離（動作距離あるいはWDとも記す。）を、余り長く取れない。

図６に示した従来例１においては、ウェハ２の半導体装置にプローブカード３のプローブ３１を当て、テストパターンの信号を印加し、故障箇所を発光させる。この光を、ウェハ２の裏面から、故障解析装置の対物レンズ４で捉えて、故障解析を行う。この場合、捉える光として半導体基板（大半の場合においてSi）を透過する近赤外光または赤外光を用いる為に、ウェハ２の厚さは100μm程度から400μm程度まで薄くしておく必要がある。この為、ウェハチャック５とウェハクランプ６だけでウェハ２を固定すると、ウェハ２の強度はプローブ３１の針当ての圧力に耐えられずに、ウェハ２が破損する。そこで裏面解析においては、石英ガラス製のステージ１０１にてウェハ２全体を支えることが、通常行われている。しかし、このステージ１０１の厚みにより動作距離を長く取らねばならず、十分な分解能dを得られる屈折率nの高い対物レンズを選択できないという問題がある。また、石英ガラスに発光した光が吸収又は反射され、測定感度も下がるという問題もある。

一方、特許文献１の場合、SILプレート１０２と対物レンズ４との間にステージ１０１を介在させる必要があり、このステージ１０１とSILプレート１０２の厚み分だけ、分解能を下げてしまう問題がある。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、半導体装置の裏面解析において、微細化された半導体装置に対して充分なパターン解像度、分解能および検出感度が得られる支持治具、および故障解析方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る半導体装置の支持治具は、半導体装置の表面にプローブを当てた状態で、半導体装置の裏面の被観察部を通して放出される発光を観察する故障解析の際に用いられる半導体装置の支持治具であって、前記半導体装置の裏面側の前記被観察部を除く領域に接触する接触部と、一端側が前記接触部に固定され、他端側が前記半導体装置以外の箇所に固定される支持部とを備え、前記接触部の中心が、解析時における前記プローブの中心とほぼ一致するように、前記接触部がウェハに対して相対的に移動することを特徴とする。
（２）上記（１）において、前記レンズが固浸レンズであることを特徴とする。
（３）上記（１）または（２）において、接触部を垂直方向と水平方向に移動させることが可能な位置決め手段を備えていることを特徴とする。
（４）本発明に係る半導体装置の故障解析方法は、半導体装置の表面にプローブを当てた状態で、半導体装置の裏面の被観察部を通して放出される発光を観察する半導体装置の故障解析方法において、前記観察に用いられる前記半導体装置の支持治具の接触部の中心が、解析時における前記プローブの中心とほぼ一致するように、前記接触部とウェハとを相対的に移動させ、次に、前記接触部を前記半導体装置の裏面に接触させ、前記半導体装置にプローブを当てることを特徴とする。

本発明では、半導体装置の裏面解析において、半導体装置を裏面からステージで支持しなくても良いため、ステージの厚みによる分解能と測定感度の低下を防ぐことができる。

本発明に係る故障解析方法の実施の形態について、例をあげて説明する。図１は、実施の形態の一例を模式的に示した側面からの断面図である。また、図２は、図１の中心部分を拡大した斜視図である。両図とも、図６および図７と同一のものには同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１では、ウェハ２に作りこまれている半導体装置２１を、対物レンズ４を備えた故障解析装置（図示せず）により、ウェハ２１の裏面から故障解析を行っている。

真空吸着機能を有したウェハチャック５に、ウェハ２の裏面を故障解析装置側（この図では上側）にして設置し、ウェハクランプ６で、ウェハ２の外周端のみを固定する。そして、ウェハチャック５は、真空吸着により設置されたウェハ２の固定を行ない、プローブ３１が接触した後の解析箇所の位置ズレを防止する。また、ウェハチャック５は図示しないチャック駆動装置により、ウェハ２をウェハ面に平行に移動させることが可能である。更に、ウェハチャック５は、ウェハ２をウェハ面に垂直な方向に沿って移動させることが可能である。

対物レンズ４の先端には、分解能dを上げるための固浸レンズユニット７が備えられている。この固浸レンズユニット７の先端には、固浸レンズ７１が取り付けられており、観察対象物（本実施の形態では、ウェハ２）に、密着させて使用する。

ウェハ２の下部には、プローブカード３が配置されている。プローブカード３はさらに、テスタヘッド３２に電気的に接続されている。プローブカード３のプローブ３１を、ウェハ２の半導体装置２１の電極パッドに当てて、故障解析時に必要なテストパターンの信号を当該半導体装置２１に印加する。テストパターンの信号は、図示しないテスタにより生成され、テスタヘッド３２を介してプローブカード３に供給される。

さらに、固浸レンズ７１の周辺、解析対象の半導体装置２１のほぼ裏側のウェハ２裏面には、本発明に係る支持治具１が接触している。

本発明に係る支持治具１は、接触部１１とその接触部１１に一端が固定されている支持部１２とを備えている。図３に、支持治具１を模式的に示した上面図を示す。接触部１１は、プローブ３１の当たっている箇所に対向する裏面側の位置に、真空吸着によって接触している。この役割の為に、接触部１１はウェハ２に対し、精密に平行度が保たれている。一方、支持部１２は、その一端が接触部１１に固定されている。さらにこの場合は、支持部１２の他端が位置決め手段１３に、固定されている。この位置決め手段１３は、接触部１１を、垂直方向かつ水平方向に移動させることが可能で、さらに移動後に任意の位置で固定することもできる。また、この位置決め手段１３は、故障解析装置のマニピュレーター固定用台（図示せず）に固定されている。即ち、支持部１２は、接触部１１に固定されていると共に、故障解析装置にも固定されている。

このような構造により、また、支持治具１は、プローブ３１によりウェハ２の表面にかかる力を、ウェハ２の裏面から支えることができる。即ち、接触部１１は、プローブ３１よりウェハ２の表面にかかる力を、ウェハ２の裏面から支持部１２に伝達することができ、一方、支持部１２は、接触部１１から伝達されたプローブ３１からウェハ２にかかる力を、支えることができる。また、支持治具１は、対物レンズ４と固浸レンズユニット７とは独立して、ウェハ２をその裏面から支持する。

接触部１１は、細長い管状の部材を、任意の形状に変形し両端同士を閉じたものであり、その形状は解析対象となる半導体装置２１の形状に依存する。望ましい接触部１１の形状は、半導体装置２１の相似形にすることであり、最も望ましくは、半導体装置２１と同じ大きさとすることである。接触部１１の形状の例を、図４に示す。図４（１）は、解析対象装置の形状が正方形の場合を、図４（２）は、解析対象装置の形状が長方形の場合を、各々示している。図４（１）と同図（２）では、接触部１１の形状は、半導体装置２１よりも一回り大きい相似形であり、接触部１１は半導体装置２１を囲むように配置される。また、空いたその中心部を通して、故障解析装置の対物レンズ４や固浸レンズ７１によって解析が行われる。あるいは、図４（３）のような円形状としても良い。この場合、解析対象の半導体装置２１の形状に関わらず、汎用的に使用することができる。

さらに、接触部１１をウェハ２の裏面に接触させる位置は、プローブ３１が接触する箇所の直上であることが、最も望ましい。しかし、当該位置が接眼レンズ４や固浸レンズ７１での解析に差し障ることもあるため、プローブ３１が当たる箇所より少し外側において、接触部１１を接触させることが望ましい。即ち、プローブ３１が当たる箇所の直上（あるいは直下）ではなくとも、ウェハ２が破損しない範囲で、接触位置をプローブ３１が当たる箇所より外側に変更しても、本発明の範囲内であり効果を奏する。接触部１１の適切な形状と接触位置を、様々な半導体装置の形状や寸法に応じて選択することにより、プローブ３１の圧力に対する充分な強度が得られる。

少なくとも接触部１１は、その内部が中空となっており、ウェハ２に接触する面には吸着孔を開けてある。そして、ウェハ２との接触時には、それら吸着孔がウェハ２によって塞がれるように、接触部１１がウェハ２の裏面上に配置される。そして、接触部１１内の空気を接触部１１の外部に排気することによって、ウェハ２のプローブ３１が当たる箇所の裏面を、接触部１１が真空吸着する。

支持治具１、特に位置決め手段１３以外の部位の材質は、ウェハ２を汚染すること無く、プローブ３１からの圧力を受けるのに十分な強度があれば、何でも良い。具体的には、ステンレス、アルミニウム合金、セラミックス等があげられる。

接触部１１を水平方向および垂直方向に移動可能であれば、位置決め手段１３は、どの様な構造であっても良い。任意の位置で固定可能であれば、さらに好ましく、特に、垂直方向に微動が可能なものであれば、なおさらに好ましい。具体的には、故障解析装置において良く使用される、真空チャックを備えた3軸のマニピュレータが、最も望ましい。図３に示した手動の3軸マニピュレータならば、3つのつまみ１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより移動も固定も可能な上、故障解析装置のマニピュレータ用台に真空吸着等によって固定可能である。また、支持部１２がアーム状ならば、当該マニピュレータには簡単に取り付けられ、支持部１２に固定されている接触部１１の交換も容易となる。なお、この3軸マニピュレータは、手動でも電動でも構わない。

次に、以上説明した故障解析方法の実施の形態の測定手順について、説明する。手順は、以下の（１）から（８）の順となる。
（１）先ず、支持治具１の位置決め手段１３によって、接触部１１の水平方向の位置決めを行ない、さらに固定する。この時、接触部１１の上面から見て、接触部１１の中心とプローブ３１の中心とがほぼ一致するように、接触部１１を配置する（図５（１）参照）。もし、プローブ３１の中心と接触部１１の中心とが大きくずれたまま固定すれば（図５（２）参照）、ウェハ２に対するプローブ３１からの圧力が不均一となり、ウェハ２が破損する可能性が高くなる。

すなわち、上記「ほぼ一致する」における「ほぼ」とは、ウェハ２に対するプローブ３１からの圧力が不均一となるには至らず、その結果としてウェハ２が破損しない程度の範囲を示す。
（２）次に、ウェハ２の裏面を、故障解析装置側（図１では上側）にしてウェハチャック５に設置し、ウェハクランプ６と真空引きでウェハ２を固定する。
（３）それから、プローブ３１と相対するように、解析対象の半導体装置２１（以降、試料と記す。）の位置決めを行なう。
（４）そして、位置決め手段１３により、接触部１１を垂直方向にウェハ２に少しづつ近づけ、ウェハ裏面に余分な圧力がかからないよう正確に接触させる。そして、接触部１１をウェハ裏面に真空吸着させる。
（５）上記（４）の後に、プローブカード３のプローブ３１を、試料の電極パッドに接触させる。
（６）固浸レンズ７１を使用する場合、固浸レンズ７１を解析箇所に密着させる。この時、固浸レンズ７１の密着性を高める為に、ウェハ２の密着予定箇所に、密着液を塗布しておいても良い。
（７）固浸レンズ７１の接触後は、従来の故障解析方法の手順と同様に、プローブカード３を介して試料にテストパターンを印加し、故障解析を行なう。
（８）試料を、同一ウェハ２内の別の半導体装置２１に変更したい場合は、プローブカード３を下げて試料から外し、その後に、支持治具１の接触部１１の真空吸着を停止して、接触部１１をウェハ２の裏面への密着から解き、開放する。さらに、ウェハーチャック５によりウェハ２を水平方向に移動させて、次の試料をプローブカード３上に移動させる。

ウェハ２内において、故障解析を必要とする半導体装置２１が無くなるまで、上記（１）から（８）までを繰り返せば良い。

本発明によれば、ウェハ２を従来からある石英ガラス製ステージ１０１によって支持しなくても良いため、半導体装置が単数の場合（例えば、ウェハから切り離されたチップの状態）や、複数の半導体装置がまとまっている場合（例えば、切り離す前のウェハのままの状態）に関わらず、当該ステージの厚みによる分解能と測定感度の低下を防ぐことができる。また、同一ウェハ２内の移動も容易であり、解析の効率化を図ることができる。

また、本実施の形態のように固浸レンズ７１を使用する場合は、固浸レンズ７１を解析箇所の裏面に密着させても、ウェハ２の半導体装置２１の裏面は、支持治具１により支持されているため、ウェハ２を破損させること無く固浸レンズ７１を装着することができる。その為、従来は不可能であったウェハ２での裏面からの発光解析、発熱解析、OBIC若しくはOBIRCH解析において、固浸レンズ７１を使用することができるようになる。このことにより、高解像度、高分解能および高感度の裏面解析が可能となり、近年の微細化プロセスや多層配線プロセスを用いたデバイスの解析が可能となる。

なお、本実施の形態においては、半導体装置２１に対する信号印加を、プローブカード３とプローブ３１にて説明したが、マニピュレーターとそのマニピュレーターに取り付けられたプローブによって行っても良い。

なお、本実施の形態においては、接触部１１を真空吸着にてウェハ２へ接触させたが、本発明はこれに限定されない。半導体装置の製造において一般的に用いられる接触手段から、適宜選択すれば良い。具体的には、静電チャックを適用することができる。または、これらの接触手段を設けずに、接触部１１の垂直方向の位置を調整することで、ウェハ２に接触させても構わない。例えば、位置決め手段１３を用い、接触部１１をウェハ２に押し付け可能な高さに接触部１１を固定しても、本発明の効果を十分に奏することができる。

なお、本実施の形態のおいては、対物レンズ４に固浸レンズ７１を組み合わせて説明したが、本発明はこれに限定されない。オイルレンズに代表される液浸レンズを用いても、若しくは対物レンズ４のみで観察を行っても、本発明の効果を奏する。解析目的、及び、必要とする観察倍率若しくは必要とする分解能dに合わせて、半導体装置の製造において一般的に用いられている光学系から、適宜選択すれば良い。

本発明に係る故障解析方法を模式的に示した断面図である。 図１の中心部分を拡大した斜視図である。 本発明に係る支持治具を、模式的に示した平面図である。 本発明に係る支持治具の接触部の形状を、模式的に示した平面図である。 本発明に係る支持治具の位置決め方法を、模式的に示した平面図である。 半導体装置が作り込まれたウェハを裏面解析している例を、模式的に示した断面図である（従来例１）。 特許文献１に開示された技術の例を、模式的に示した断面図である（従来例２）。

符号の説明

１ 支持治具
１１ 接触部
１２ 支持部
１３ 位置決め手段
２ ウェハ
２１ 半導体装置
３ プローブカード
３１ プローブ
３２ テスタヘッド
４ 対物レンズ
５ ウェハチャック
６ ウェハクランプ
７ 固浸レンズユニット
７１ 固浸レンズ（SIL）
１０１ 石英ガラス製ステージ
１０２ SILプレート
１０３ チャック

Claims (4)

1. 半導体装置の表面にプローブを当てた状態で、半導体装置の裏面の被観察部を通して放出される発光を観察する故障解析の際に用いられる半導体装置の支持治具であって、
   前記半導体装置の裏面側の前記被観察部を除く領域に接触する接触部と、
   一端側が前記接触部に固定され、他端側が前記半導体装置以外の箇所に固定される支持部とを備え、
   前記接触部の中心が、解析時における前記プローブの中心とほぼ一致するように、前記接触部がウェハに対して相対的に移動することを特徴とする半導体装置の支持治具。
2. 前記レンズが固浸レンズであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の支持治具。
3. 接触部を垂直方向と水平方向に移動させることが可能な位置決め手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の支持治具。
4. 半導体装置の表面にプローブを当てた状態で、半導体装置の裏面の被観察部を通して放出される発光を観察する半導体装置の故障解析方法において、
   前記観察に用いられる前記半導体装置の支持治具の接触部の中心が、解析時における前記プローブの中心とほぼ一致するように、前記接触部とウェハとを相対的に移動させ、
   次に、前記接触部を前記半導体装置の裏面に接触させ、前記半導体装置にプローブを当てることを特徴とする半導体装置の故障解析方法。

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