JP6051831B2 - 評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体ウエハ又は半導体チップなどの半導体装置の電気的特性の評価に用いる評価装置に関する。

コンタクトプローブを半導体装置に接触させて半導体装置の電気的特性を評価することがある。その際、例えばコンタクトプローブと半導体装置の間で放電が生じることがある。放電が生じた半導体装置は確実に捕捉し市場に流出しないようにする必要がある。特許文献１、２には放電の発生を検出する技術が開示されている。

特許文献１には、半導体モジュールの内部にて発生するノイズと放電を半導体素子モジュール表面に取付けたアコースティックエミッションセンサを用いて部分放電に伴う音を測定することで判別し、放電を検出する技術が開示されている。特許文献２には、電流検出手段にて放電電流を検出する技術が開示されている。

特開２００３−１３０９２５号公報 特開２００２−２２７９３号公報

半導体装置の電気的特性の評価中に放電が生じると半導体装置を劣化させるおそれがある。従って評価中の放電を確実に検出する必要がある。しかも放電の検出はできるだけ容易な方法で行うことが好ましい。

特許文献１に開示の技術は放電に伴う音の測定が必要となる。しかしながら、ウエハやチップ状態の半導体装置の評価では放電に伴う音を測定することは困難である。また、特許文献２に開示の技術は、複雑な回路を要する問題と外来ノイズにより検出精度が低下する問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、容易に放電を検出できる評価装置を提供することを目的とする。

本発明に係る評価装置は、半導体装置に電圧及び電流を印加し、該半導体装置の電気的特性を評価する評価部と、該半導体装置に印加された電圧又は電流を検出し、該電圧又は電流の変化から放電の発生を検出したときに放電通知信号を発する放電検出部と、該放電検出部から該放電通知信号を受けたときに該評価部による評価を停止させる制御部と、放電のあった該半導体装置を特定する情報を記憶する記憶部と、を備え、該放電検出部は、該電圧又は電流を検出する検出部と、該電圧又は電流を上昇させる過程で予め定められた第１設定時間を超えても該電圧又は電流が予め定められた第１設定値に達しないとき、又は該電圧又は電流を下降させる過程で予め定められた第２設定時間を超えても該電圧又は電流が予め定められた第２設定値に達しないときに、該制御部へ該放電通知信号を発する第２比較部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、容易に放電を検出できる。

本発明の実施の形態１に係る評価装置の図である。 コンタクトプローブの正面図である。 本発明の実施の形態１に係る評価装置による放電検出動作等を示すフローチャートである。 高電圧での評価のために半導体装置に印加した電圧の波形を示す図である。 電圧上昇中に放電が発生したときの印加電圧の波形を示す図である。 微分値の推移の例を示す図である。 半導体装置に印加する電圧の下降過程での放電を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る評価装置の図である。 電圧を上昇させる過程で、第１設定時間を超えても電圧が第１設定値に達しなかった場合の波形を示す図である。 本発明の実施の形態１の放電検出部と実施の形態２の放電検出部を併用する評価装置の図である。

本発明の実施の形態に係る評価装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る評価装置の図である。本発明の実施の形態１に係る評価装置はチャックステージ１０を備えている。チャックステージ１０は半導体装置１１を真空吸着する。半導体装置１１の上面にはエミッタ電極１１ａが形成され、下面にはチャックステージ１０と接するコレクタ電極１１ｂが形成されている。半導体装置１１はエミッタ電極１１ａとコレクタ電極１１ｂの間で電流を流す縦型構造のＩＧＢＴで形成されている。

チャックステージ１０の上方には絶縁基体１２が配置されている。絶縁基体１２にはコンタクトプローブ１４が固定されている。コンタクトプローブ１４は半導体装置１１に大電流を印加できるように複数形成されている。コンタクトプローブ１４は、例えば絶縁基体１２上の金属板により、絶縁基体１２に固定された接続部１６と電気的に接続されている。

ここで、コンタクトプローブ１４について詳細に説明する。図２は、コンタクトプローブ１４の正面図である。コンタクトプローブ１４は、絶縁基体１２に固定される本体部１４ａを備えている。本体部１４ａの下方には伸縮部１４ｂが接続されている。伸縮部１４ｂは内部にスプリング等が組み込まれ長手方向に伸縮できるようになっている。伸縮部１４ｂの下方にはコンタクト部１４ｃが接続されている。コンタクト部１４ｃの先端は丸みを帯びた形状となっており、この先端が半導体装置のエミッタ電極１１ａに当たる。

本体部１４ａの上方にはコンタクトプローブ１４の電気的接続のための接続部１４ｄが接続されている。コンタクトプローブ１４は、例えば銅、タングステン、又はレニウムタングステン等の導電性を有する材料で形成されている。コンタクト部１４ｃの導電性及び耐久性を高めるために、コンタクト部１４ｃに金、パラジウム、タンタル、又はプラチナ等で被覆することが好ましい。コンタクトプローブ１４は図２Ａの初期状態から徐々にエミッタ電極１１ａに近づけられコンタクト部１４ｃがエミッタ電極１１ａに接触する（図２Ｂ参照）。さらに、コンタクトプローブ１４をエミッタ電極１１ａ方向に押圧すると伸縮部１４ｂが縮みコンタクト部１４ｃとエミッタ電極１１ａが十分な力で接触する。

図１の説明に戻る。絶縁基体１２、コンタクトプローブ１４、及び接続部１６はまとめてプローブカード１８と称する。プローブカード１８は、絶縁基体１２を掴むことができるように形成されたアーム２０により任意の方向へ移動できるようになっている。

接続部１６には信号線３０の一端が接続されている。信号線３０の他端はコントローラ３２に接続されている。コントローラ３２は、半導体装置１１の電気的特性の評価のために半導体装置１１に電圧及び電流を印加するものである。チャックステージ１０の側面には接続部３４が設けられている。接続部３４はチャックステージ１０を介して半導体装置１１のコレクタ電極１１ｂと電気的に接続される。接続部３４には信号線３６の一端が接続されている。信号線３６の他端はコントローラ３２に接続されている。

コントローラ３２は、信号線３０と接続部１６を介してコンタクトプローブ１４に電気的に接続され、かつ信号線３６と接続部３４を介してチャックステージ１０に電気的に接続されている。半導体装置１１の電気的特性を評価する際は、コンタクトプローブ１４をエミッタ電極１１ａに当て、コレクタ電極１１ｂをチャックステージ１０に接触させる。コントローラ３２と半導体装置１１とを電気的に接続するものである、チャックステージ１０、絶縁基体１２、コンタクトプローブ１４、接続部１６、３４、及び信号線３０、３６をまとめて測定器具と称する。

コントローラ３２は、評価部３２ａと制御部３２ｂを備えている。評価部３２ａは、測定器具を介して半導体装置１１に電圧及び電流を印加し、半導体装置１１の電気的特性を評価する部分である。制御部３２ｂは評価部３２ａによる評価を停止させる部分である。

コントローラ３２には放電検出部４２が接続されている。放電検出部４２は、半導体装置１１に印加された電圧又は電流を検出し、当該電圧又は電流の変化から放電の発生を検出する部分である。放電検出部４２は、放電を検出したときには、放電通知信号をコントローラ３２の制御部３２ｂへ発する。

放電検出部４２について具体的に説明する。放電検出部４２は、微分値算出部４２ａと第１比較部４２ｂとを有している。微分値算出部４２ａは、半導体装置１１に印加した電圧又は電流の値を検出しこれを時間微分した微分値を算出する部分である。第１比較部４２ｂは、微分値算出部４２ａで算出した微分値と予め定められた閾値を比較し、微分値が閾値を超えたときに制御部３２ｂへ放電通知信号を発する。放電検出部４２の機能は、例えばオシロスコープの波形検出機能を利用することで実現できる。また、オシロスコープではなく、デジタイザーとピークホールド回路等を組み合わせたものを利用しても良い。

制御部３２ｂが第１比較部４２ｂから放電通知信号を受けたとき、制御部３２ｂは評価部３２ａによる評価を停止させる。コントローラ３２と放電検出部４２には記憶部４４が接続されている。記憶部４４には、半導体装置１１の評価項目毎の閾値が記憶させられている。前述の第１比較部４２ｂでは、記憶部４４に記憶された閾値を用いる。また、記憶部４４は放電のあった半導体装置１１を特定する情報を記憶する。

本発明の実施の形態１に係る評価装置の動作について説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る評価装置による放電検出動作等を示すフローチャートである。まず、半導体装置１１をチャックステージ１０にのせる（ステップ１００）。次いで、平行になるように位置を調整した複数のコンタクトプローブ１４のコンタクト部１４ｃを半導体装置１１のエミッタ電極１１ａに接触させる（ステップ１０２）。ステップ１０２では図２に示したように伸縮部１４ｂを縮ませてコンタクト部１４ｃとエミッタ電極１１ａを接触させる。

ステップ１０２により、半導体装置１１のエミッタ電極１１ａはコンタクトプローブ１４、接続部１６、及び信号線３０を介してコントローラ３２に接続される。また、半導体装置１１のコレクタ電極１１ｂはチャックステージ１０、接続部３４、及び信号線３６を介してコントローラ３２に接続される。

次いで、コントローラ３２の評価部３２ａから半導体装置１１へ電圧及び電流を印加して半導体装置１１の電気的特性を評価する（ステップ１０４）。通常は複数の評価項目について評価を実施する。ステップ１０４では、例えばコレクタエミッタ間飽和電圧（Ｖ_ＣＥ（ｓａｔ））を評価する。

Ｖ_ＣＥ（ｓａｔ）の評価は半導体装置に数ｋＶの高電圧を印加して行う。高電圧での評価を行うためには、半導体装置１１に印加する電圧を徐々に上昇させて予め定めた電圧（高電圧）に到達するようにする。図４は、高電圧での評価のために半導体装置１１に印加した電圧の波形を示す図である。図４に示すように時間軸に対して直線的に電圧が上昇していくのが理想的である。

しかし、電圧上昇中に例えばコンタクトプローブ１４と半導体装置１１の間で放電が生じる場合がある。図５は、電圧上昇中に放電が発生したときの印加電圧の波形を示す図である。一時的な放電が起こったときは、Ａ領域のように電圧の落ち込みが生じるがその後再び電圧の上昇過程に復帰する。しかし、継続的な放電が起こったときは、Ｂ領域のように電圧が落ち込み設定値まで電圧を高めることができなくなる。

ステップ１０４にて半導体装置１１の印加電圧を上昇させている過程においては常に微分値算出部４２ａが微分値を算出する。微分値とは評価部３２ａにより半導体装置１１に印加した電圧又は電流の値を時間微分した値である。ここではＶ_ＣＥ（ｓａｔ）を評価しているので、半導体装置１１に印加した電圧の値から微分値を算出する。半導体装置１１に印加した電圧の値から微分値を算出するか、半導体装置１１に印加した電流の値から微分値を算出するかは、評価項目毎に適宜定める。

微分値が算出されると第１比較部４２ｂは即座に微分値と予め定められた閾値を比較する（ステップ１０６）。第１比較部４２ｂは、評価中の評価項目がＶ_ＣＥ（ｓａｔ）であることを評価部３２ａから把握（読み取り）した上で、記憶部４４に記憶された閾値のうちＶ_ＣＥ（ｓａｔ）評価用の閾値を利用する。なお、この閾値はＶ_ＣＥ（ｓａｔ）評価において半導体装置の電圧を上昇させる過程で用いる閾値である。

第１比較部４２ｂにて微分値が閾値を超えたと判断されれば、第１比較部４２ｂは制御部３２ｂへ放電通知信号を発する。放電通知信号を受けた制御部３２ｂは評価部３２ａによる評価を停止させる（ステップ１０８）。このとき、記憶部４４は、放電のあった半導体装置１１を特定する情報を記憶する。この情報は例えば半導体装置１１のＩＤである。後に、この情報に基づき放電の発生した半導体装置を廃棄する。

図６は、微分値の推移の例を示す図である。図６のＡ領域、及びＢ領域は図５のＡ領域、及びＢ領域に対応する。一時的な放電でも継続的な放電でも微分値が閾値を超えるように閾値が設定されている。

他方、放電がなく微分値が閾値を超えないときは、半導体装置の昇圧を終えたかどうか放電検出部４２が判断する（ステップ１１０）。昇圧を終えていない場合は放電検出を継続し、昇圧を終えた場合は放電検出を終了する。このように本発明の実施の形態１に係る評価装置によれば、微分値が閾値を超えたときに放電が起こったとみなして評価部３２ａによる評価を停止させる。

なお、ここでは半導体装置に印加する電圧の上昇過程での放電について説明したが、一定の電圧を印加する過程（定常過程）及び電圧の下降過程においても放電が生じ得るためこれらの過程についても放電検出を行うことが望ましい。図７は、半導体装置に印加する電圧の下降過程での放電を示す図である。一時的な放電はＣ領域に示され、継続的な放電はＤ領域に示されている。なお、一定の電圧を印加する過程及び電圧の下降過程において放電検出する場合は、それらの過程に応じた閾値を記憶部４４に記憶させておく。この場合評価項目毎に複数の閾値を記憶させておくことになる。

本発明の実施の形態１に係る評価装置によれば、半導体装置１１に印加した電圧の値の微分値を微分値算出部４２ａで算出し、第１比較部４２ｂで微分値と閾値を比較することで放電を容易に検出できる。従って、放電の発生した半導体装置を確実に捕捉できる。さらに、放電発生後すぐに制御部３２ｂで評価部３２ａによる評価を停止することでコンタクトプローブ１４及びエミッタ電極１１ａの破損防止、並びに破損範囲の拡大防止ができる。

放電のあった半導体装置を特定する情報を記憶部４４で記憶するので、放電のあった半導体装置が出荷されることを防止できる。第１比較部４２ｂは評価部３２ａから評価中の評価項目を把握した上で、記憶部４４に記憶された閾値のうち評価中の評価項目に対応する閾値を微分値と比較する。従って、評価項目毎に適切な閾値を利用して放電の有無を検出できる。

図１から明らかなように、接続部１６と接続部３４で複数のコンタクトプローブ１４を挟むように接続部１６、３４、及び複数のコンタクトプローブ１４を配置した。従って、各コンタクトプローブについて、接続部１６からコンタクトプローブを経由して接続部３４に至る経路の長さを略一致させて各コンタクトプローブの電流密度を略一致させることができる。

評価対象となる半導体装置１１は縦型構造のＩＧＢＴに限定されない。例えば、上面において電流の入出力を行う横型構造の半導体装置を評価対象としても良い。また、半導体装置１１は、複数の半導体チップが形成されたウエハで良いし１つの半導体チップでも良い。半導体装置１１に複数の半導体チップが形成されている場合、記憶部４４で記憶する「放電のあった半導体装置１１を特定する情報」は例えば半導体装置１１の位置の座標である。

測定器具は、半導体装置１１の電気的特性を測定するものであれば図１に示す測定器具に限定されない。例えばカンチレバー式のコンタクトプローブを採用しても良い。また、積層プローブ又はワイヤープローブ等によって、コンタクトプローブの伸縮性を確保しても良い。

チャックステージ１０は半導体装置１１を真空吸着又は静電吸着等させることで半導体装置を固定するものであれば特に限定されない。また、アーム２０でプローブカード１８を移動するのではなく、チャックステージ１０を移動させても良い。なお、本発明の実施の形態１にて示した変形例は、以下の実施の形態に係る評価装置にも応用できる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る評価装置は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。図８は、本発明の実施の形態２に係る評価装置の図である。放電検出部２００は、検出部２００ａと第２比較部２００ｂを備えている。

検出部２００ａは、半導体装置１１に印加した電圧又は電流の値を検出する部分である。第２比較部２００ｂは、半導体装置に印加する電圧又は電流の上昇過程又は下降過程において、「予め定められた時間」内に電圧又は電流が「予め定められた値」に達したかどうか検査する部分である。つまり、第２比較部２００ｂは、電圧又は電流を上昇させる過程で予め定められた第１設定時間を超えても電圧又は電流が予め定められた第１設定値に達しないとき、又は電圧又は電流を下降させる過程で予め定められた第２設定時間を超えても電圧又は電流が予め定められた第２設定値に達しないときに、制御部３２ｂへ放電通知信号を発する。

記憶部２０２は、評価項目毎の第１設定時間、第１設定値、第２設定時間、及び第２設定値を記憶している。第２比較部２００ｂは、評価部３２ａから評価中の評価項目を把握し、評価中の評価項目に対応した第１設定時間、第１設定値、第２設定時間、及び第２設定値を記憶部２０２から抽出して上記の検査（放電検出）を実施する。

図９は、電圧を上昇させる過程で、第１設定時間を超えても電圧が第１設定値に達しなかった場合の波形を示す図である。図９においてｔｐは第１設定時間を表す。Ｖｐは第１設定値を表す。この場合、第１設定時間ｔｐの範囲内で第１設定値Ｖｐまで昇圧することを想定している。図９には、Ｅ領域で示される継続的な放電が起こったために、第１設定時間ｔｐ以内に第１設定値Ｖｐまで昇圧できなかったことが示されている。第１設定時間ｔｐ以内に第１設定値Ｖｐに達することができなかったので、第２比較部２００ｂは制御部３２ｂへ放電通知信号を発する。そして制御部３２ｂが評価部３２ａによる評価を停止させる。

電圧を下降させる過程については、電圧を上昇させる過程と同じであるので説明を省略する。評価項目によっては上記の電圧を電流に置き換えて放電検出を行うことができる。本発明の実施の形態２に係る評価装置によれば、特に放電が起こる可能性の高い電圧若しくは電流の上昇時、又は電圧若しくは電流の下降時における放電を確実に捕捉できる。

ところで、本発明の実施の形態２に係る評価装置に、実施の形態１に係る記憶部４４と放電検出部４２を追加しても良い。図１０は、本発明の実施の形態１の放電検出部と実施の形態２の放電検出部を併用する評価装置の図である。この評価装置によれば、いずれか一方の放電検出部に不具合が生じても、他方の放電検出部にて確実に放電を捕捉できる。

本発明は、放電検出部が、半導体装置の評価中に半導体装置に印加された電圧又は電流を検出し、電圧又は電流の変化から放電の発生を検出するというものである。この特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。

１０ チャックステージ、 １１ 半導体装置、 １１ａ エミッタ電極、 １１ｂ コレクタ電極、 １２ 絶縁基体、 １４ コンタクトプローブ、 １６ 接続部、 １８ プローブカード、 ２０ アーム、 ３０ 信号線、 ３２ コントローラ、 ３２ａ 評価部、 ３２ｂ 制御部、 ３４ 接続部、 ３６ 信号線、 ４２ 放電検出部、 ４２ａ 微分値算出部、 ４２ｂ 第１比較部、 ４４,２０２ 記憶部、 ２００ 放電検出部、 ２００ａ 検出部、 ２００ｂ 第２比較部

Claims (2)

1. 半導体装置に電圧及び電流を印加し、前記半導体装置の電気的特性を評価する評価部と、
   前記半導体装置に印加された電圧又は電流を検出し、前記電圧又は電流の変化から放電の発生を検出したときに放電通知信号を発する放電検出部と、
   前記放電検出部から前記放電通知信号を受けたときに前記評価部による評価を停止させる制御部と、
   放電のあった前記半導体装置を特定する情報を記憶する記憶部と、を備え、
   前記放電検出部は、
   前記電圧又は電流を検出する検出部と、
   前記電圧又は電流を上昇させる過程で予め定められた第１設定時間を超えても前記電圧又は電流が予め定められた第１設定値に達しないとき、又は前記電圧又は電流を下降させる過程で予め定められた第２設定時間を超えても前記電圧又は電流が予め定められた第２設定値に達しないときに、前記制御部へ前記放電通知信号を発する第２比較部と、を備えたことを特徴とする評価装置。
2. 前記記憶部は、評価項目毎の前記第１設定時間、前記第１設定値、前記第２設定時間、及び前記第２設定値を記憶し、
   前記第２比較部は、前記評価部から評価中の評価項目を把握し、前記評価中の評価項目に対応する前記第１設定時間、前記第１設定値、前記第２設定時間、及び前記第２設定値を前記記憶部から抽出して用いることを特徴とする請求項１に記載の評価装置。

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