JP2009170730A - 裏面照射型固体撮像素子の検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハ状態のまま検査を行うことを可能とする裏面照射型固体撮像素子の検査装置を提供する。
【解決手段】半導体ウエハ１１を載置するステージ１４を構成する真空チャック４０は、吸引孔４３ａが配設された透明部材からなるチャックトップ４３と、開放された上部にチャックトップ４３が嵌め込まれるように形成された透明部材からなる支持容器４２とを備え、電極パッドが形成された表面とは反対側の裏面から受光を行う裏面照射型固体撮像素子が複数形成された半導体ウエハ１１の裏面１１ｂ側を吸着保持する。支持容器４２の底面にはＥＬシート４１が固着されている。ＥＬシート４１は、面発光を行い、検査光を、真空チャック４０を透過させて半導体ウエハ１１の裏面１１ｂ（裏面照射型固体撮像素子の光入射面）に照射する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体ウエハの検査装置に関し、特に、裏面照射型固体撮像素子が形成された半導体ウエハの検査装置に関する。

デジタルカメラ等の電子カメラに使用されるＣＣＤ（Charge Coupled Device）型やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像素子は、半導体ウエハにマトリクス状に配列された状態で形成され、半導体ウエハをチップ状に分割する前にウエハ状態で検査（ウエハ検査）が行われている。

このウエハ検査工程では、半導体ウエハを保持するとともに、半導体ウエハ内の所望の固体撮像素子の電極パッドに測定プローブを当て、電気的導通を図るウエハプローバと、このウエハプローバを介して固体撮像素子との間で電気信号を入出力し、固体撮像素子の電気的特性を検査する半導体テスタと、各固体撮像素子に検査用の光を入射させる光源装置とを備えた検査装置が用いられる。検査内容としては、電極パッド間の導通・非導通等を調べるＤＣ（直流）測定や、受光面に光を照射するとともに駆動パルスを供給して固体撮像素子から正しく信号出力がなされるか否かを調べる撮像測定がある。

固体撮像素子は、通常、電極パッドと受光面とが同一面に形成されているため、電極パッド及び受光面が形成されていない半導体ウエハの裏面側を真空チャック等により保持し、受光面上が開口されたプローブカード（測定プローブを配したカード）により電極パッドに針当てを行った状態で、プローブカードの開口から受光面に光を照射することにより、検査が行われる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１６４３９５号公報 特開平９−８２８５２号公報 特開２００２−２２２９３６号公報

ところで、近年、固体撮像素子として、開口率を向上させ高感度化を図るために、電極パッド及び配線層が形成された表面側とは反対の裏面側から入射した光を受光するように構成した裏面照射型固体撮像素子が知られている（例えば、特許文献２，３参照）。

しかしながら、この裏面照射型固体撮像素子が形成された半導体ウエハは、前述の真空チャック等により保持を行う裏面側が受光面とされているため、上記の検査装置では受光面に光を入射させることができず、検査を行うことができないといった問題がある。このため、裏面照射型固体撮像素子については、半導体ウエハを素子ごとにチップ状に分割し、各チップをパッケージ化した後、検査を行うことが考えられるが、この検査方法では、ウエハ状態で不良品を予め除外することができないため、検査のために不良品をパッケージ化することになり、無駄が多く、製造コストが増大してしまう。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、ウエハ状態のまま検査を行うことを可能とする裏面照射型固体撮像素子の検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の裏面照射型固体撮像素子の検査装置は、電極パッドが形成された表面とは反対側の裏面から受光を行う裏面照射型固体撮像素子が複数形成された半導体ウエハの裏面側を保持する透明部材で形成された保持手段と、検査光を、前記保持手段を透過させて前記半導体ウエハの裏面側に照射する検査光照射手段と、前記半導体ウエハの表面側から前記電極パッドとの導通を図り、電気的検査を行う検査手段と、を備えたことを特徴とする。

なお、検査光照射手段は、前記保持手段の底面に固着されたＥＬシートであることが好ましい。

また、前記保持手段は、前記半導体ウエハが載置され、前記裏面照射型固体撮像素子の形成領域外に位置するように吸引孔が配設されたチャックトップと、開放された上部に前記チャックトップが嵌め込まれるように形成された支持容器とからなる真空チャックであることが好ましい。

また、前記検査手段は、前記電極パッドに接触される測定プローブを備えたプローブカードと、前記プローブカードを介して前記電極パッドに電気信号を与える半導体テスタとからなることが好ましい。

本発明の裏面照射型固体撮像素子の検査装置は、半導体ウエハの裏面側を保持する透明部材で形成された保持手段と、この保持手段を透過させて半導体ウエハの裏面側に照射する検査光照射手段とを備えるので、ウエハ状態のまま裏面照射型固体撮像素子の検査を行うことができる。

図１において、本発明に係わる検査装置１０は、検査対象の半導体ウエハ１１を保持するとともに、半導体ウエハ１１に形成された裏面照射型固体撮像素子３０の電極パッド３１（図２参照）に電気的導通を図るためのウエハプローバ１２と、ウエハプローバ１２を介して半導体ウエハ１１との間で電気信号を入出力し、裏面照射型固体撮像素子３０の電気的特性を検査する半導体テスタ１３とから構成されている。

半導体テスタ１３は、コンピュータを内蔵し、テストプログラムに基づいてＤＣ特性や撮像特性検査用の電気信号を発生して検査対象の裏面照射型固体撮像素子３０に入力し、入力されたテスト信号に応じて検査対象の裏面照射型固体撮像素子３０から出力された電気信号を検出して良否の判定を行う周知の半導体測定装置である。

ウエハプローバ１２には、半導体ウエハ１１を載置するステージ１４が設置されている。ステージ１４は、コントローラ１５の制御の下でステージ移動機構１６及び位置検出センサ１７を介して、上下及び水平方向に精度良く移動するように構成されている。また、詳しくは後述するが、ステージ１４には、半導体ウエハ１１の裏面側に検査光を照射するための光源装置が設けられている。

ステージ１４の直上には、プローブカード１８が着脱自在に備え付けられている。プローブカード１８には、半導体ウエハ１１に形成された裏面照射型固体撮像素子３０の各電極パッド３１に対応するように複数の測定プローブ１９が配設されている。なお、このプローブカード１８及び半導体テスタ１３は、特許請求の範囲に記載の検査手段に対応する。

ステージ１４の近傍には、ＣＣＤカメラ等からなる画像認識機構２０が配設されている。画像認識機構２０は、半導体ウエハ１１の表面及び測定プローブ１９の先端をそれぞれ画像認識する。この画像認識情報は、コントローラ１５に送信され、コントローラ１５は、位置検出センサ１７によって検出されるステージ１４の位置情報に基づいてステージ移動機構１６を制御し、半導体ウエハ１１上の裏面照射型固体撮像素子３０の電極パッド３１を、これに対応する測定プローブ１９にアライメントする。

図２において、半導体ウエハ１１は、円盤状のシリコン単結晶基板に裏面照射型固体撮像素子３０を２次元マトリクス状に複数形成したものである。半導体ウエハ（半導体基板）１１の表面１１ａには、裏面照射型固体撮像素子３０の内部回路に電気信号を入出力するための外部端子としての電極パッド３１が複数形成されている。

図３は、裏面照射型固体撮像素子３０の受光部の断面構造を示す。受光素子３２は、半導体ウエハ１１内に形成された埋め込み型のフォトダイオードであり、上記表面１１ａとは反対側の裏面１１ｂ側から入射した光を受光する。受光素子３２は、数μｍのピッチで、半導体ウエハ１１内に２次元配列されている。半導体ウエハ１１は、裏面１１ｂ側からの光入射を可能とするように、約１０μｍの厚みに薄板化されており、裏面１１ｂ側には、入射光を分光するカラーフィルタ３３が各受光素子３２に対応するように設けられている。

受光素子３２は、入射光を受け、光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する素子であり、半導体ウエハ１１の表面１１ａ側には、受光素子３２に蓄積された信号電荷を、電荷転送路（裏面照射型固体撮像素子３０がＣＣＤ型の場合）やアンプ（裏面照射型固体撮像素子３０がＣＭＯＳ型の場合）に転送するためのゲート電極３４が設けられている。ゲート電極３４は、ポリシリコンなどの導電性シリコンからなり、その周囲は、酸化シリコンなどからなる層間絶縁層３５により覆われている。

層間絶縁層３５の表面は平坦化されている。層間絶縁層３５上には、コンタクトプラグ（図示せず）を介してゲート電極３４に接続された、アルミニウムなどからなる配線層３６が形成されている。この配線層３６上は、酸化シリコンなどからなる保護絶縁層３７により覆われている。なお、配線層３６は、表面１１ａ側に露出した前述の電極パッド３１に接続されている。

このように、裏面照射型固体撮像素子３０では、ゲート電極３４や配線層３６等の構造物が受光素子３２の光入射側に位置しないため、高い開口率が得られる。このため、マイクロレンズをカラーフィルタ上に設けなくても十分な受光感度が得られる。

図４は、ステージ１４の構造を示す。ステージ１４は、半導体ウエハ１１を吸着保持するための真空チャック４０と、半導体ウエハ１１に検査光を照射するためのＥＬ（エレクトロルミネッセンス）シート４１とにより構成されている。真空チャック４０は、ガラス等の透明部材により形成された支持容器４２及びチャックトップ４３が接着材４４により接合されてなる。なお、真空チャック４０及びＥＬシート４１は、特許請求の範囲に記載の保持手段及び検査光照射手段にそれぞれ対応する。

支持容器４２は、上部開放型の有底円筒容器であり、円筒の最上部には、チャックトップ４３が嵌め込まれる。チャックトップ４３は、円盤状であり、上下に貫通する微小な貫通孔（吸引孔）４３ａが複数形成されている。チャックトップ４３の表面には、半導体ウエハ１１が載置される。貫通孔４３ａは、半導体ウエハ１１の裏面照射型固体撮像素子３０が形成された領域外に位置するように、図５に示すように、半導体ウエハ１１の外縁部に相当する位置に配置されている。

支持容器４２の上部にチャックトップ４３を嵌め込むことにより、容器内に封止空間が生じる。支持容器４２の側部には、吸引口４５が形成されている。吸引装置４６により吸引口４５から封止空間内の空気を吸引することで、チャックトップ４３の貫通孔４３ａから空気が吸い込まれる。これにより、半導体ウエハ１１は、チャックトップ４３の表面上に吸着保持される。なお、半導体ウエハ１１は、裏面１１ｂ側がチャックトップ４３の表面に対向するように載置する。

ＥＬシート４１は、高誘電率バインダー中に分散した蛍光体に、電圧を印加することにより発光を行うＥＬ素子をシート状にした面発光型の光源装置であり、支持容器４２の底面に固着されている。ＥＬシート４１は、半導体ウエハ１１よりやや大きい円盤状とされ、射出された光は、透明部材からなる真空チャック４０を透過して半導体ウエハ１１の裏面１１ｂ（光入射面）に入射する。

図６に示すように、ＥＬシート４１は、支持容器４２の表面に接合する機能を有する透明な接合層５０、ＥＬ素子を含み全面が均一に発光するＥＬ層５１、ＥＬ層５１の表面を保護する保護層５２が順に積層されたものである。ＥＬ層５１は、透明電極層５１ａ、発光層５１ｂ、誘電体層５１ｃ、背面電極層５１ｄ、絶縁層５１ｅから構成され、透明電極層５１ａと背面電極層５１ｄとに電圧が印加されることによって、発光層５１ｂが発光するものである。ＥＬ層５１への電圧の供給は、コントローラ１５によって行われる。なお、ＥＬ層５１の発光色は、発光層５１ｂ中の発光材料により決定される。発光層５１ｂが白色発光を行う場合には、射出側にカラーフィルタを配することにより、検査光の色を調整してもよい。

次に、上記のように構成された検査装置１０の作用を説明する。検査が開始すると、まず、コントローラ１５の制御の下でステージ移動機構１６が水平移動し、ステージ１４に載置された半導体ウエハ１１内の検査対象の裏面照射型固体撮像素子３０がプローブカード１８の測定プローブ１９下に位置するように、位置決めが行われる（ステップＳ１）。位置決めが終了すると、コントローラ１５の制御の下でステージ移動機構１６が上方に移動し、検査対象の裏面照射型固体撮像素子３０の表面１１ａに形成された電極パッド３１が測定プローブ１９に接触される（ステップＳ２）。

電極パッド３１が測定プローブ１９に接触されると、半導体テスタ１３によりＤＣ測定用の検査信号がプローブカード１８を介して検査対象の裏面照射型固体撮像素子３０に入力され、ＤＣ測定が行われる（ステップＳ３）。ＤＣ測定が終了すると、ＥＬシート４１が作動し、真空チャック４０を透過した検査光が半導体ウエハ１１の裏面１１ｂ（光入射面）に照射される（ステップＳ４）。この状態で、半導体テスタ１３により撮像測定用の電気信号がプローブカード１８を介して検査対象の裏面照射型固体撮像素子３０に入力され、撮像測定が行われる（ステップＳ５）。

撮像測定が終了すると、コントローラ１５の制御の下でステージ移動機構１６が下方に移動して、測定プローブ１９が電極パッド３１から離反される（ステップＳ６）。この後、未検査の裏面照射型固体撮像素子３０が存在するか否かが判定される（ステップＳ７）。未検査の裏面照射型固体撮像素子３０が存在する場合には、ステップＳ１〜Ｓ６が繰り返され、半導体ウエハ１１内のすべての裏面照射型固体撮像素子３０が検査されると、検査が終了する。

以上のように、検査装置１０を用いることにより、裏面照射型固体撮像素子３０を半導体ウエハ１１に形成された状態のまま検査することができ、裏面照射型固体撮像素子３０をチップ状に個片化してパッケージ化する前に予め不良品を除外することができる。

なお、上記実施形態では、支持容器とチャックトップとの２つの透明部材により真空チャックを形成しているが、本発明はこれに限定されず、真空チャックを透明部材により一体形成してもよい。また、半導体ウエハを吸着するための貫通孔（吸引孔）は、素子形成領域外であれば、適宜位置に形成してよい。

また、上記実施形態では、ＥＬシートを用いて光源装置を構成しているが、本発明はこれに限定されず、ハロゲンランプやＬＥＤ（発光ダイオード）により構成された光源装置を用いてもよい。

本発明に係わる検査装置の構成を示す模式図である。 検査対象の半導体ウエハの表面側を示す平面図である。 裏面照射型固体撮像素子の構成を示す要部断面図である。 ステージの構成を示す断面図である。 チャックトップの平面図である。 ＥＬシートの構成を示す断面図である。 検査装置の作用を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ 検査装置
１１ 半導体ウエハ
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１２ ウエハプローバ
１３ 半導体テスタ（検査手段）
１４ ステージ
１８ プローブカード（検査手段）
１９ 測定プローブ
３０ 裏面照射型固体撮像素子
３１ 電極パッド
３２ 受光素子
４０ 真空チャック（保持手段）
４１ ＥＬシート（検査光照射手段）
４２ 支持容器
４３ チャックトップ
４３ａ 貫通孔（吸引孔）
４５ 吸引口

Claims (4)

1. 電極パッドが形成された表面とは反対側の裏面から受光を行う裏面照射型固体撮像素子が複数形成された半導体ウエハの裏面側を保持する透明部材で形成された保持手段と、
   検査光を、前記保持手段を透過させて前記半導体ウエハの裏面側に照射する検査光照射手段と、
   前記半導体ウエハの表面側から前記電極パッドとの導通を図り、電気的検査を行う検査手段と、
   を備えたことを特徴とする裏面照射型固体撮像素子の検査装置。
2. 検査光照射手段は、前記保持手段の底面に固着されたＥＬシートであることを特徴とする請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子の検査装置。
3. 前記保持手段は、前記半導体ウエハが載置され、前記裏面照射型固体撮像素子の形成領域外に位置するように吸引孔が配設されたチャックトップと、開放された上部に前記チャックトップが嵌め込まれるように形成された支持容器とからなる真空チャックであることを特徴とする請求項１または２記載の裏面照射型固体撮像素子の検査装置。
4. 前記検査手段は、前記電極パッドに接触される測定プローブを備えたプローブカードと、前記プローブカードを介して前記電極パッドに電気信号を与える半導体テスタとからなることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の裏面照射型固体撮像素子の検査装置。

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