JP2014139965A - 耐圧測定装置および耐圧測定方法 - Google Patents

耐圧測定装置および耐圧測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】プローブからの沿面放電を簡易な方法で十分に防止する耐圧測定装置を提供する。
【解決手段】耐圧測定装置100は、半導体基板200に形成されかつ電極部を有する半導体素子の耐圧を測定するためのものである。ステージ120は、気密容器110内に設けられており、半導体基板200を支持するためのものである。プローブ130は、気密容器110内に設けられステージ120に対して相対的に移動可能に構成されており、電極部に接触することによって電極部との電気的接続を得るためのものである。導入部140は、気密容器110に設けられており、気密容器110内にガスを導入するためのものである。排出部150は、気密容器110に設けられており、気密容器110からガスを排出するためのものである。
【選択図】図1

Description

この発明は、耐圧測定装置および耐圧測定方法に関し、より特定的には、半導体基板に形成された半導体素子の耐圧を測定するための、耐圧測定装置および耐圧測定方法に関する。
半導体装置、特に電力用半導体装置にとって、耐圧は重要な特性のひとつである。よって、半導体装置の製造方法において、半導体基板に形成された半導体素子の耐圧が測定されることがある。耐圧測定の条件が不適切な場合、半導体基板上において測定用プローブから沿面放電が生じることで半導体素子が破壊されることがある。よってこのような放電を防止することが求められる。特開平5−322961号公報によれば、プローブが配置される側が開放された試験槽に、フロリナート(商標)などの不活性液体、または不活性ガスを入れる方法が開示されている。
特開平5−322961号公報
上記公報に記載の技術において不活性液体が用いられる場合、不活性液体の扱いが煩雑であった。たとえば、蒸発した液体の補充、半導体基板の搬送時における液体のこぼれの防止、および、耐圧測定後の半導体基板からの不活性液体の除去が必要なことがあった。
上記公報に記載の技術において不活性ガスが用いられる場合、試験槽の開放部分に起因した問題があった。たとえば、試験槽内への水蒸気の混入によって、沿面放電の発生が十分に防止されなくなる場合があった。また、試験槽外への不活性ガスの漏洩による作業環境への影響に留意する必要があるという煩雑さがあった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、耐圧測定の際のプローブからの沿面放電を簡易な方法で十分に防止することである。
本発明の耐圧測定装置は、半導体素子の耐圧を測定するためのものである。半導体素子は、半導体基板に形成されており、かつ電極部を有するものである。耐圧測定装置は、気密容器と、ステージと、プローブと、導入口と、排出口とを有する。ステージは、気密容器内に設けられており、半導体基板を支持するためのものである。プローブは、電極部に接触することによって電極部との電気的接続を得るためのものである。プローブは、気密容器内に設けられており、ステージに対して相対的に移動可能に構成されている。導入口は、気密容器内にガスを導入するためのものであり、気密容器に設けられている。排出口は、気密容器からガスを排出するためのものであり、気密容器に設けられている。
この耐圧測定装置によれば、導入口および排出口を用いたガス置換により気密容器内の雰囲気を調整することができる。これによりプローブ周囲の雰囲気を容易かつ十分に管理することができる。よってプローブからの沿面放電を簡易な方法で十分に防止することができる。
上記耐圧測定装置は、半導体基板を加熱するための加熱部を有してもよい。加熱部による加熱によって半導体基板上から水分を除去することができる。よって沿面放電をより確実に防止することができる。
上記耐圧測定装置は、気密容器内の露点温度を検出するための検出部を有してもよい。検出部を用いることで、半導体基板上の水分量が過度に大きくならないよう、より確実に管理することができる。よって沿面放電をより確実に防止することができる。
上記耐圧測定装置において、導入口および排出口の各々は弁を有してもよい。弁を気密容器内のガス置換が行なわれた後に閉じることで、ガス置換後に気密容器内へ外部の大気が流入しないようにすることができる。よって沿面放電を、ガス置換を停止した状態においても防止することができる。
上記耐圧測定装置は、プローブに接続され600V以上の電圧を発生可能な電圧源を有してもよい。これにより耐圧測定に600V以上の高い電圧を用いることができる。そのような高い電圧が用いられる場合でも、上記耐圧測定装置によれば沿面放電が十分に防止される。
上記耐圧測定装置において気密容器は、気密容器の外部から半導体素子の位置が観測可能となるように、光を透過する窓を有してもよい。これにより、気密容器の気密性を保ちつつ、半導体素子の位置を気密容器の外部から観測することができる。
本発明の耐圧測定方法は、半導体素子の耐圧を測定するためのものである。半導体素子は、半導体基板に形成されており、かつ電極部を有するものである。耐圧測定方法は次の工程を有する。気密容器内に半導体基板が支持される。次に、電極部にプローブが接触させられつつプローブに電圧が供給される。
この耐圧測定方法によれば、気密容器が用いられることにより、プローブ周囲の雰囲気を容易かつ十分に管理することができる。よって、プローブからの沿面放電を簡易な方法で十分に防止することができる。
上記耐圧測定方法において、半導体基板を支持する工程の後、かつ、プローブに電圧を供給する工程の前に、半導体基板が加熱されてもよい。これにより、加熱によって半導体基板上から水分が除去される。よって沿面放電をより確実に防止することができる。
上記耐圧測定方法において、半導体基板を支持する工程の後に、気密容器に設けられた導入口から気密容器内に不活性ガスを導入し、かつ気密容器に設けられた排出口から気密容器内のガスを排出することによって、気密容器内の雰囲気が不活性ガス雰囲気とされてもよい。気密容器内の露点温度が検出され、その結果に応じて、導入口および排出口の各々と気密容器との間が閉じられてもよい。これにより、気密容器内へ外部の大気が流入しないようにしつつ、気密容器内のガス置換を停止することができる。よって沿面放電を、ガス置換を停止した状態においても防止することができる。
上記耐圧測定方法において、半導体基板を支持する工程の後、かつ、プローブに電圧を供給する工程の前に、半導体基板の加熱が開始されてもよい。気密容器内の雰囲気を不活性ガス雰囲気とする工程の後、かつ、気密容器内の露点温度を検出する工程の前に、半導体基板の加熱が停止されてもよい。これにより、加熱による水分除去を完了した後に耐圧測定が行われる際に、半導体基板上の水分量が過度に大きくならないよう、より確実に管理することができる。よって沿面放電をより確実に防止することができる。
上述したようにこの発明によれば、プローブからの沿面放電を簡易な方法で十分に防止することができる。
本発明の実施の形態1における耐圧測定装置の構成を概略的に示す断面図である。 半導体素子が形成された半導体基板の構成の例を示す平面図である。 半導体素子が形成された半導体基板の構成の例を示す部分断面図である。 本発明の実施の形態1における耐圧測定方法のフロー図である。 本発明の実施の形態1における耐圧測定方法の一工程を概略的に示す部分断面図である。 図5に示す工程の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態2における耐圧測定方法の一工程を概略的に示す部分断面図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
(実施の形態1)
図1に示すように、耐圧測定装置100は、ウエハ200(半導体基板)に形成された半導体素子の耐圧を測定するためのものである。図2および図3に示すように、ウエハ200に形成されたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)素子210(半導体素子)は、ドレイン電極221と、ソース電極222(電極部)と、ゲート電極223とを有する。
耐圧測定装置100(図1)は、気密容器110と、カメラ112と、ステージ120と、プローブ130と、電圧源134と、ゲート制御部135と、導入口140(導入部)と、排出口150(排出口)と、ヒータ160(加熱部)と、センサ170(検出部)とを有する。
ここで「気密容器」とは、その外部から独立して露点温度を管理できる程度の気密性を少なくとも有する容器である。よって、真空容器が有するほどの気密性は必ずしも必要ではない。言い換えれば、大気圧程度の大きな圧力差の下でもリークを実質的に防止することができるような厳密な気密性は必ずしも必要ではない。逆に、そのような圧力差がない場合に容器の内外間での気流の容易な通過を防止する程度の気密性は必要であり、たとえば、一般的なデシケータ程度あるいはそれ以上の気密性を有することが望ましい。気密容器の材料は、好ましくは金属または樹脂であり、たとえばステンレスまたはアクリル樹脂である。
ステージ120は、気密容器110内に設けられており、ウエハ200を支持するためのものである。ステージは、ウエハ200を固定するための真空チャック121を有してもよい。
プローブ130は気密容器110内に設けられている。プローブ130の機能の一つは、ソース電極222に接触することによってソース電極222との電気的接続を得ることである。プローブ130は、たとえば、基部131と針132および133とを有してもよい。針132および133のそれぞれはソース電極222およびゲート電極223との電気的接続を得るためのものであり、基部131に取り付けられている。
本実施の形態の形態においては、ステージ120は移動機構122上に設けられることで、気密容器110内において移動可能に構成されている。これによりステージ120とプローブ130とが相対的に変位可能に構成されている。言い換えれば、プローブ130はステージ120に対して相対的に移動可能に構成されている。移動機構122は、好ましくは、3次元的な変位を可能とする、いわゆるXYZステージである。
導入口140は、気密容器110に設けられており、気密容器110内にガスを導入するためのものである。排出口150は、気密容器110に設けられており、気密容器110からガスを排出するためのものである。導入口140および排出口150のそれぞれはゲート弁141および151を有する。
ヒータ160はウエハ200を加熱するためのものである。ヒータ160は気密容器110内に配置されており、ステージ120内に配置されていてもよい。ヒータ160には、気密容器110の外部に配置されたヒータ電源161が接続されていてもよい。
センサ170は、気密容器110内の露点温度を検出するために、気密容器110内に設けられている。センサ170は、露点温度を直接測定可能なように専用に設計された露点温度計であってもよく、あるいは、温度および湿度から露点温度を算出するために温度計および湿度計を有するものであってもよい。センサ170は、気密容器110の外部に設けられた読取部171と接続されていてもよい。
電圧源134はプローブ130に接続されている。具体的には電圧源134は、プローブ130の針132と、ステージ120との間に電圧を加えるように接続されている。電圧源134が発生可能な電圧は、好ましくは600V程度以上であり、より好ましくは1kV程度以上であり、さらに好ましくは3kV程度以上である。
ゲート制御部135は、プローブ130の針132および133の間に電圧を加えるように接続されている。ゲート制御部135は、MOSFET素子210のゲート電圧を制御できる程度の電圧を発生可能なものであればよい。ダイオードのようにゲート電圧の制御が不要な場合はゲート制御部135は省略され得る。
気密容器110は、気密容器110の外部からMOSFET素子210の位置が観測可能となるように、光を透過する窓111を有する。窓111は、この目的に十分な程度に光を透過する材料から作られており、たとえばガラスまたは透明樹脂から作られている。窓111には、耐圧測定時に窓111を介して光が入射しないように遮光を行なうための遮光部(図示せず)が設けられることが好ましい。この遮光部は、たとえば、窓111の外側において着脱され得るカバー、または、窓111の外側または内側に設けられたシャッターである。カメラ112は、図1の破線で示すように、窓111を介してウエハ200を観察し得るように配置されている。なおカメラは気密容器110内に設けられてもよく、この場合は窓111は必要ではない。
次に、耐圧測定装置100(図1)を用いた耐圧測定方法について説明する。
気密容器110内にウエハ200が支持される(図4:ステップS11)。具体的には、ウエハ200が気密容器110内に搬入され、さらにステージ120上に載置される。これによりウエハ200の裏面に位置するドレイン電極221の電位がステージ120の電位とされる。またウエハ200がステージ120に固定される。この固定は、真空チャック121によって行われ得る。
次に、移動機構122の駆動によってステージ120とプローブ130との間の相対変位が生じることにより、図5に示すように、針132および133のそれぞれがソース電極222およびゲート電極223に接触させられる。このようにしてソース電極222にプローブ130が接触させられつつ、プローブ130に電圧が供給される(図4:ステップS17)。具体的には、プローブ130の針132とステージ120との間に電圧が供給される。これによりMOSFET素子210のドレイン電極221およびソース電極222の間に、耐圧測定のための電圧が印加される。この電圧は、たとえば600V程度以上である。また必要に応じてゲート制御部135によってゲート電圧が調整される。これによりMOSFET素子210の耐圧が測定される。
上記方法において、ウエハ200を支持する工程(図4:ステップS11)の後、かつ、プローブ130に電圧を供給する工程(図4:ステップS17)の前に、ウエハ200が加熱されてもよい(図4:ステップS12)。ウエハ200の加熱温度の下限は、好ましくは50℃程度以上であり、より好ましくは100℃程度以上である。またウエハ200の加熱温度の上限は、好ましくは200℃程度以下であり、より好ましくは150℃程度以下である。
上記方法において、ウエハ200を支持する工程(図4:ステップS11)の後に、気密容器110に設けられた導入口140から気密容器110内に不活性ガスを導入し、かつ気密容器110に設けられた排出口150から気密容器110内のガスを排出することによって、気密容器110内の雰囲気が不活性ガス雰囲気とされてもよい(図4:ステップS13)。不活性ガスは、たとえば、N2ガス、SF6ガスまたは希ガスである。希ガスとしてはArガスが特に好適である。
上記方法において、気密容器110内の露点温度が検出されてもよい(図4:ステップS15)。そして露点温度を検出する工程の結果、すなわち検出された露点温度に応じて、導入口140および排出口150の各々と気密容器110との間がゲート弁141および151によって閉じられてもよい(図4:ステップS16)。具体的には、露点温度が所定の温度以下になって時点でゲート弁141および151が閉じられてもよい。所定の露点温度の下限は、好ましくは−150℃程度以上であり、より好ましくは−100℃程度以上である。所定の露点温度の上限は、好ましくは0℃程度以下であり、より好ましくは−20℃程度以下である。
上記方法において、ウエハ200を支持する工程(図4:ステップS11)の後、かつ、プローブ130に電圧を供給する工程(図4:ステップS17)の前に、ウエハ200の加熱が開始されてもよい(図4:ステップS12)。そして、気密容器110内の雰囲気を不活性ガス雰囲気とする工程(図4:ステップS13)の後、かつ、気密容器110内の露点温度を検出する工程(図4:ステップS15)の前に、ウエハ200の加熱が停止されてもよい(図4:ステップS14)。
本実施の形態の耐圧測定装置100によれば、導入口140および排出口150を用いたガス置換により気密容器110内の雰囲気を調整することができる。これによりプローブ130周囲の雰囲気を容易かつ十分に管理することができる。よってプローブ130からの沿面放電を簡易な方法で十分に防止することができる。
ヒータ160での加熱によってウエハ200上から水分を除去することができる。よって沿面放電をより確実に防止することができる。
センサ170を用いて、ウエハ200上の水分量が過度に大きくならないよう、より確実に管理することができる。よって沿面放電をより確実に防止することができる。
気密容器110内のガス置換が行なわれた後にゲート弁141および151を閉じることで、ガス置換後に気密容器110内へ外部の大気が流入しないようにすることができる。よって沿面放電を、ガス置換を停止した状態においても防止することができる。
電圧源134が600V程度以上の電圧を発生可能な場合であっても、耐圧測定装置100によれば沿面放電が十分に防止される。この電圧は、1kV以上とすることもでき、さらに3kV程度以上とすることもできる。
窓111により、気密容器110の気密性を保ちつつ、MOSFET素子210の位置を気密容器110の外部から観測することができる。
本実施の形態の耐圧測定方法によれば、気密容器110が用いられることにより、プローブ130周囲の雰囲気を容易かつ十分に管理することができる。よって、プローブ130からの沿面放電を簡易な方法で十分に防止することができる。
ウエハ200を支持する工程(図4:ステップS11)の後、かつ、プローブ130に電圧を供給する工程(図4:ステップS17)の前に、ウエハ200が加熱されてもよい(図4:ステップS12)。これにより、加熱によってウエハ200上から水分が除去される。よって沿面放電をより確実に防止することができる。
ウエハ200を支持する工程(図4:ステップS11)の後に、気密容器110内の雰囲気が不活性ガス雰囲気とされてもよい(図4:ステップS13)。気密容器110内の露点温度が検出されてもよく(図4:ステップS15)、この結果に応じて、導入口140および排出口150の各々と気密容器110との間が閉じられてもよい(図4:ステップS16)。これにより、気密容器110内へ外部の大気が流入しないようにしつつ気密容器110内のガス置換を停止することができる。よって沿面放電を、ガス置換を停止した状態においても防止することができる。
ウエハ200を支持する工程(図4:ステップS11)の後、かつ、プローブ130に電圧を供給する工程(図4:ステップS17)の前に、ウエハ200の加熱が開始されてもよい(図4:ステップS12)。気密容器110内の雰囲気を不活性ガス雰囲気とする工程(図4:ステップS13)の後、かつ、気密容器110内の露点温度を検出する工程(図4:ステップS15)の前に、ウエハ200の加熱が停止されてもよい(図4:ステップS14)。これにより、加熱による水分除去を完了した後に耐圧測定が行われる際に、ウエハ200上の水分量が過度に大きくならないよう、より確実に管理することができる。よって沿面放電をより確実に防止することができる。
なおプローブ130(図5)の針132および133はウエハ200の厚さ方向に延在している。これにより針132および133のそれぞれをソース電極222およびゲート電極223に強い力で接触させることができる。よってプローブ130の電気的接続がより確実となる。プローブ130の代わりにプローブ130V(図6)が用いられてもよい。プローブ130Vが有する針132Vおよび133Vは、ウエハ200の厚さ方向に対して傾いた方向に延在している。これにより針132Vおよび133Vのそれぞれをソース電極222およびゲート電極223に過度の力が加わることなく接触させることができる。よってプローブ130の接触によるソース電極222およびゲート電極223へのダメージの発生を抑えることができる。
(実施の形態2)
本実施の形態は、実施の形態1とほぼ同様の構成を有するが、ステージ120上にウエハ200が直接は載置されず、代わりに、ウエハ200を収めたトレー301が載置される。この場合においても実施の形態1とほぼ同様の効果が得られる。耐圧測定においてウエハ200の裏面側(図7における下面側)との電気的接続が必要な場合は、この電気的接続をトレー301を介して行なえるよう、トレー301が導体から作られることが好ましい。なお沿面放電をより確実に抑制するために、トレー301内に、ウエハ200の表面が覆われるように不活性液体302が入れられてもよい。
(付記)
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
たとえば、半導体素子はMOSFETに限定されるものではなくMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)素子であってもよい。また半導体素子はMISFET素子以外のトランジスタ素子であってもよく、たとえばJFET(Junction Field Effect Transistor)素子またはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子であってもよい。また半導体素子はトランジスタ素子に限定されるものではなく、たとえばダイオード素子であってもよい。また半導体素子は、トランジスタ機能またはダイオード機能などの単一の機能を有する素子に限定されるものではなく、複数の機能を有するモジュールであってもよい。半導体素子の種類に応じて、電極部はソース電極以外の電極に対応する。
半導体素子は、電圧源によって互いに異なる電位が印加される1対の主電極のそれぞれを半導体基板の上面および下面に有する縦型素子に限定されるものではない。すなわち半導体素子は1対の主電極の両方を半導体基板の一の面上に有する横型素子であってもよい。この場合、ステージを介することなくプローブのみによって1対の主電極間に耐圧測定のための電圧を印加し得る。
100 耐圧測定装置、110 気密容器、111 窓、112 カメラ、120 ステージ、121 真空チャック、122 移動機構、130,130V プローブ、131 基部、132,132V 針、134 電圧源、135 ゲート制御部、140 導入口(導入部)、141,151 ゲート弁(弁)、150 排出口(排出部)、160 ヒータ(加熱部)、161 ヒータ電源、170 センサ(検出部)、171 読取部、200 ウエハ(半導体基板)、210 MOSFET素子(半導体素子)、221 ドレイン電極、222 ソース電極(電極部)、223 ゲート電極、301 トレー、302 不活性液体。

Claims (10)

  1. 半導体基板に形成されかつ電極部を有する半導体素子の耐圧を測定するための耐圧測定装置であって、
    気密容器と、
    前記気密容器内に設けられた、前記半導体基板を支持するためのステージと、
    前記気密容器内に設けられ前記ステージに対して相対的に移動可能に構成された、前記電極部に接触することによって前記電極部との電気的接続を得るためのプローブと、
    前記気密容器に設けられた、前記気密容器内にガスを導入するための導入部と、
    前記気密容器に設けられた、前記気密容器からガスを排出するための排出部とを備える、耐圧測定装置。
  2. 前記半導体基板を加熱するための加熱部をさらに備える、請求項1に記載の耐圧測定装置。
  3. 前記気密容器内の露点温度を検出するための検出部をさらに備える、請求項1または2に記載の耐圧測定装置。
  4. 前記導入部および前記排出部の各々は弁を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐圧測定装置。
  5. 前記プローブに接続され、600V以上の電圧を発生可能な電圧源をさらに備える、請求項1〜4のいずれか1項に記載の耐圧測定装置。
  6. 前記気密容器は、前記気密容器の外部から前記半導体素子の位置が観測可能となるように光を透過する窓を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の耐圧測定装置。
  7. 半導体基板に形成されかつ電極部を有する半導体素子の耐圧を測定するための耐圧測定方法であって、
    気密容器内に前記半導体基板を支持する工程と、
    前記半導体基板を支持する工程の後に、前記電極部にプローブを接触させつつ前記プローブに電圧を供給する工程とを備える、耐圧測定方法。
  8. 前記半導体基板を支持する工程の後、かつ、前記プローブに電圧を供給する工程の前に、前記半導体基板を加熱する工程をさらに備える、請求項7に記載の耐圧測定方法。
  9. 前記半導体基板を支持する工程の後に、前記気密容器に設けられた導入部から前記気密容器内に不活性ガスを導入し、かつ前記気密容器に設けられた排出部から前記気密容器内のガスを排出することによって、前記気密容器内の雰囲気を不活性ガス雰囲気とする工程と、
    前記気密容器内の露点温度を検出する工程と、
    前記露点温度を検出する工程の結果に応じて、前記導入部および前記排出部の各々と前記気密容器との間を閉じる工程とをさらに備える、請求項7に記載の耐圧測定方法。
  10. 前記半導体基板を支持する工程の後、かつ、前記プローブに電圧を供給する工程の前に、前記半導体基板の加熱を開始する工程と、
    前記気密容器内の雰囲気を不活性ガス雰囲気とする工程の後、かつ、前記気密容器内の露点温度を検出する工程の前に、前記半導体基板の加熱を停止する工程とをさらに備える、請求項9に記載の耐圧測定方法。
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