半導体の電気テストとは？ウェハプローブ・シート抵抗・パラメトリックテストと良品判定をわかりやすく解説【検査・計測3級・第4講】

この記事でわかること

• ① 電気で確かめる理由
• ② 2種類のテスト
• ③ ウェハプローブ
• ④ シート抵抗
• ⑤ 良品の判定

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① なぜ最後に電気で確かめるのか

大事なポイント：見た目が良くても、動くとは限りません。最後は、電気を流して動作を確かめます。

第2講は膜の厚さや線の幅を測り、第3講は表面の欠陥を探しました。どちらも「形」を調べる方法です。しかし、形が正しくても、回路が正しく動くとは限りません。たとえば、目に見えない小さな欠陥で配線が細くなっていたり、トランジスタの性質が少しずれていたりすることがあります。

そこで、最後に電気テストをします。実際に電気を流して、動くかどうか、性質が許される範囲にあるかを調べるテストです。参考にした資料によれば、ウェハのテストは、配線などをつくる前工程がすべて終わったあと、パッケージ（外側の容器）に組み立てる前に行われます。組み立てる前に不良を見分ければ、不良品を組み立てる費用をむだにしなくて済みます

② 2種類のテスト：パラメトリックと機能テスト

大事なポイント：工程が正しくできたかを調べるパラメトリックテストと、チップが動くかを全部のチップで調べる機能テストがあります。

ウェハの電気テストは、大きく2つに分けられます。参考にした資料でも、この2つに分けて説明されています。

1. パラメトリックテスト：トランジスタや配線の電気的な性質（パラメータ）を測るテストです。ウェハ1枚につき数か所だけを測ります。測る対象は、チップとチップのあいだの切り取り用のすき間（スクライブ線）などに置いた、テスト専用の小さな回路です。しきい値電圧（トランジスタがオンになる電圧）や、配線の抵抗などを測ります。目的は、「工程が正しくできたか」を知ることです。
2. 機能テスト（ダイソート）：ウェハ上のすべてのチップに、試験用の信号を入れて、正しく動くかを調べます。目的は、「このチップは使えるか」を決めることです。

なぜ2つが必要なのでしょうか。機能テストだけだと、不良と分かっても、工程のどこが悪かったのかが分かりにくいからです。パラメトリックテストで、しきい値電圧や配線抵抗が目標からずれていれば、原因の工程に見当がつきます。逆に、パラメトリックテストだけでは、すべてのチップが動くかは分かりません。パラメトリックは工程の状態を、機能テストは全チップの動作を調べます

③ ウェハプローブ：針を当てて電気を流す

大事なポイント：ウェハプローブは、細い針を並べたカードをチップのパッドに当てて、テスターにつなぐ方法です。

ウェハのチップは、まだ容器に入っていないので、電気を流すには、チップ表面の金属の電極（パッド）に、直接触れる必要があります。そこで、細い針を並べたプローブカードを使います。参考にした資料にも、プローブカードは、微小な針の列で、ウェハに接触させる、と書かれています。

流れは、図のようになります。ウェハを載せた台（プローバ）が、ウェハを動かして、1つのチップのパッドを針の下に合わせます。針を下げてパッドに当て、テスターから信号を入れて、結果を読み取ります。終われば、針を上げて、次のチップへ動かし、同じことを繰り返します。パラメトリックテストと機能テストでは、使うプローブカードが違うことも、資料に書かれています。

針の接触が悪いと、本当は良品のチップが不良と判定されてしまいます。そのため、針の先の位置や汚れも、管理が必要です（一般的な説明です）。針が確実にパッドに触れていることが、正しい判定の前提です

④ シート抵抗：薄い膜の電気の通りにくさ

大事なポイント：シート抵抗は、薄い膜の電気の通りにくさを表す値で、四探針法で測ります。

パラメトリックテストでよく測る値の1つが、シート抵抗です。参考にした資料では、「正方形の薄い膜の、向かい合う2辺の間の抵抗」と定義されています。単位は Ω/sq（オーム・パー・スクエア）と書きます。正方形なら、大きさに関係なく同じ値になるのが特徴です。たとえば10Ω/sqの膜なら、どんな大きさの正方形でも、辺と辺の間の抵抗は10Ωです。

また、材料の抵抗率ρ（電気の通りにくさ）と膜の厚さtから、シート抵抗 ＝ ρ ÷ t と表せます。同じ材料なら、膜が薄いほどシート抵抗が高くなります。不純物を入れた層（イオン注入コースで学びました）や、金属の膜の出来ばえを確かめるのに便利です。

測り方には、四探針法を使います。2本の針だけで測ると、針と膜の接触の抵抗も一緒に測ってしまいます。資料には、接触の抵抗がシート抵抗と同じくらい大きくなることもある、と書かれています。そこで、外側の2本で電流を流し、内側の2本で電圧だけを測ります。電圧を測る針には、ほとんど電流が流れないので、接触の抵抗の影響を避けられます。電圧と電流の比に、針の並びで決まる係数をかけて、シート抵抗を求めます。電流を流す針と、電圧を測る針を分けるのが、四探針法の工夫です

⑤ 良品の判定と、ウェハマップ

大事なポイント：すべての試験に合格したチップが良品です。結果はウェハマップに記録され、良品だけが組み立てに進みます。

チップごとに、決められた試験をすべて通ったら、良品です。1つでも不合格なら、不良として扱います。結果は、チップの位置と一緒に記録され、ウェハの形に並べたウェハマップになります。参考にした資料によれば、昔は不良のチップに小さなインクの点をつけていましたが、いまはマップのファイルとして記録し、組み立てのときに良品だけを選びます。

良品と不良の二択だけではありません。資料には、一部の試験に落ちても、機能を減らした安い製品として売れる場合があると書かれています。たとえば、記憶用のチップで、使える部分だけを使う製品です。このように試験結果で区分することを、一般に区分けといいます。

ウェハマップは、不良の傾向を読むためにも使います。外周に不良が多ければ、ウェハの端で何かが起きている手がかりです。次の第5講で、このデータの使い方をくわしく学びます。電気テストには時間がかかり、費用も時間に応じてかかるため、テストの手順は、できるだけ短くなるよう工夫されます。試験の結果は、合否の判定だけでなく、不良の原因を探す材料にもなります

安全のひとこと：試験の装置は、電気を流します。決められた電圧と電流を超えないこと、通電中の部分や針に触れないことを守ります。針の先は鋭く、静電気でチップが壊れることもあるので、静電気対策も必要です。取り扱いは、必ず職場の決まりに従います。

この講のまとめ

次の第5講では、検査や計測で集めたデータを、どう工程の改善に使うかを学びます。

ことばのおさらい

• 電気テスト：実際に電気を流して、動作や性質を調べるテストです。
• パラメトリックテスト：トランジスタや配線の電気的な性質を、テスト用の回路で測るテストです。
• 機能テスト（ダイソート）：ウェハ上のすべてのチップが、正しく動くかを調べるテストです。
• プローブカード：細い針を並べた、ウェハに当てるカードです。
• パッド：チップ表面の、電気の出入口になる金属の電極です。
• シート抵抗：薄い膜の電気の通りにくさです。単位はΩ/sqです。
• 四探針法：電流を流す針と電圧を測る針を分けて、シート抵抗を測る方法です。
• ウェハマップ：チップごとの試験結果を、ウェハの形に並べた図です。

よくある誤解

Q. シート抵抗の単位Ω/sqは、普通のΩと違うのですか？

単位の意味は同じΩですが、薄い膜の値であることを示すため、Ω/sqと書きます。

Q. 機能テストに合格したチップは、一生壊れませんか？

いいえ。試験の時点で動くという意味です。組み立てたあとにも、最終の試験をします。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Wafer testing」（パラメトリックテストと機能テスト、プローブカード、ウェハマップ、インクの点、区分けと安い製品、テスト工程の位置）
• Wikipedia「Sheet resistance」（シート抵抗の定義、単位、ρ÷t、四探針法と接触抵抗）
• Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（前工程のあとの電気テスト、最終テスト、試験費用が時間で決まること）

2秒、3円、抵抗率2×10⁻³Ω·cm、厚さ200nmなどの数値は、理解のために置いた仮の値です。プローバの動き、針の管理、区分けの呼び方は、一般的な知識にもとづく目安です。図は、記事用に描いた簡易の図です。四探針法の係数の値は、読めた資料に無いため書いていません。