本発明は、半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定装置および耐圧測定方法に関し、特に、高耐圧を有する炭化珪素半導体素子などのパワーデバイスの耐圧を、パッケージに実装する前のウェハ状態で測定することのできる耐圧測定装置および耐圧測定方法に関する。
半導体素子は、通常、ウェハ上に複数形成され、個別の素子に分離された後、樹脂製のパッケージなどに封入される。各半導体素子は、測定装置を用いて所定性能を備えているかどうかが評価され、評価基準を満たしている半導体素子のみが製品として販売される。
このような評価をパッケージ後に行う場合、個別になっている半導体素子を測定装置のテストヘッドにひとつひとつ挿入する作業が必要であり、素子のハンドリングに労力と時間を要する。この作業を効率的に行うには、ハンドラーと呼ばれる大型の搬送機構が必要となる。
これに対し、素子を分離する前のウェハ状態で半導体素子を評価すれば、効率的に多数の素子を評価することができるため、好都合である。ウェハ上では素子が近接して規則正しく周期的に並んでいるので、個々の素子に検査用のプローブを接触させて特性の測定を行い、測定後、プローブを隣接する素子に相対的に移動させるだけで、効率的に多数の素子を評価することができるからである。
図8は、ウェハ状態の半導体素子の特性を測定する従来の一般的な測定装置200を模式的に示している。測定装置200は、ステージ201と、プローブ202および203と、電圧印加部204と、電流計測部205とを備えている。図9は測定装置200を用いた半導体素子の特性、特に、耐圧の測定手順を示すフローチャートである。
まず、複数のウェハ1が入ったカセットから1つのウェハ1をステージ201にロードする(S210)。次に、ウェハのアライメントを行う(S211)。例えば、図示しないCCDカメラ等により、ウェハ1上において離間させて設けられた複数のアライメントマーク(これは通常前もって設定されたウェハ上の特定パターンである。)を検出し、ステージ201の移動方向(例えばX、Y方向)とウェハ1における複数の半導体素子の配列方向とが一致するようにステージ201を回転させる(θ方向)。
次に、あらかじめ設定されたウェハマップに従い、プローブ202および203が最初の測定対象の半導体素子上に位置するようにステージを移動させる(S212)。続いて、例えば、ステージ201を上昇させ、プローブ202および203との先端と半導体素子の電極パッドとを接触させる(S213)。
その後、電圧印加部204によってプローブ202および203またはステージ201に電圧を印加する。電圧を増加させながら電流計測部205で流れる電流を計測し、所望の電流値となったときの電圧を耐圧として記録する(S214)。
耐圧測定の終了後、ステージ201を降下させ(S215)、ウェハ1上の次の素子の測定を行う(S216、S212〜S215)。
最後の素子を測定後(S216)、ウェハ1をアンロードして(S217)、次のウェハ1をカセットからロードする(S210)。これらの動作を繰り返し(S212〜S216)、カセット内のすべてのウェハ1の半導体素子の耐圧を測定する。
近年、地球温暖化が問題となり、二酸化炭素低減のために省エネルギー技術が必要とされている。このため、例えば、ハイブリッド車や電気自動車などに用いられるモータをインバータ制御するための、動作電圧および動作電流の高いMOSFET、IGBT、ダイオード、バイポーラトランジスタ、JFET、SITなどのパワーデバイスの開発が盛んになっている。
これらのパワーデバイスにとって耐圧は重要な性能のひとつであり、必ず評価すべき項目である。ところが、パワーデバイスには数百V以上の耐圧を有するものも多いため、耐圧を測定するために高電圧をプローブ間やプローブ・筐体間に印加すると、これらの間で大気放電がおこり、測定装置の電源が破壊されるなどの問題があった。また、耐圧の測定が、沿面距離や空間距離、湿度などによって左右され正確に耐圧を測定することが困難であるという問題があった。このため、半導体素子の耐圧をウェハ上で検査できず、耐圧特性が不十分なものであっても、素子分離を行ってパッケージに収めてからでなければ評価できず、検査効率を低下させる原因にもなっていた。
特許文献1は、このような課題を解決するために図10(a)および図10(b)に示す耐圧検査装置を開示している。図10(a)に示す検査装置は、ステージ302、プローブ311Pおよび312Pを備え、ステージ302上にウェハ301が支持される。ウェハ301の全体は絶縁溶液351で覆われている。ステージ302とプローブ311Pおよび312Pとは、ウェハ351上の半導体素子のコレクタ313Cとゲート311Gおよびエミッタ312Eとにそれぞれ電気的に接続される。このため、これらの間で電圧を印加することによって耐圧を測定することができると開示している。また、図10(b)に示す検査装置は、絶縁液322を満たした槽321を備え、ステージ302上に支持されたウェハ301全体が、絶縁溶液322中に浸漬された状態で耐圧が測定される。
特許文献1によれば、図10(a)および図10(b)に示す耐圧検査装置を用いることによって、耐圧検査装置自体の測定耐圧が従来2000V程度であったものを10kV程度に向上させることができると記載されている。
近年、開発が進められている炭化珪素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体材料は、シリコンに比べて1桁以上大きい絶縁破壊電界を有する。このため、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたパワーデバイスは、シリコンを用いたパワーデバイスに比べて半導体材料自体の絶縁破壊電界が高いことを考慮して素子の耐圧構造が設計される。
本願発明者は、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたパワーデバイスの1つである、炭化珪素を用いたMOSFETの耐圧測定をウェハ上で行うことを検討し、種々の実験を行った。その結果、炭化珪素を用いたMOSFETでは、設計耐圧よりも低い電圧でMOSFETが破壊することが分かった。これは、大気放電が関連していると考えられる。
大気放電を防止し、正しく耐圧を測定するためには、特許文献1に開示される装置を用いて耐圧を測定することが考えられる。しかしながら、特許文献1の図10(a)および図10(b)に示す装置では、ウェハ表面全面が絶縁液で覆われているため、ウェハ301に設けられたアライメントマークの正しい検出が困難となる可能性がある。このため、ウェハ301のアライメントが正しく行えない場合にはそのウェハ301を検査することができなくなる。
また、特許文献1は、このような絶縁液としてフッ素系不活性液を例示している。しかし、フッ素系不活性液の中には、例えばハイドロフルオロエーテルのように比較的短時間(数秒)で気化してしまうものもある。このため、図10(a)に示すようにウェハ301全体を絶縁溶液351で覆う場合、ウェハ301上の素子を測定中に絶縁溶液351が徐々に蒸発し、測定の途中で絶縁溶液351が完全になくなることも考えられる。
また、ウェハ301のすべての素子の耐圧を測定するためには、ステージ302を移動させる必要がある。通常、このような測定装置は、多くの素子の測定を短時間で行うために高速でステージが移動可能である。このため、ステージの移動が高速で行われると、図10(a)に示す装置では、絶縁溶液351がステージ302の移動によってこぼれてしまう可能性がある。また、絶縁溶液351がこぼれないようにステージ302の移動速度を低下させた場合には、ウェハ301全体の素子の測定を完了するのに要する時間が長くなり、上述したように絶縁溶液351が蒸発してしまう。
また、図10(b)に示す装置の場合、ステージ302全体を絶縁溶液322に浸漬する必要があるため、測定装置が大掛りになり、装置も高価になる。
本発明はこのような従来技術の課題の少なくとも1つを解決し、高耐圧の半導体素子の耐圧測定を行うことのできる耐圧測定装置および耐圧測定方法を提供することを目的とする。
本発明の耐圧測定方法は、ウェハ表面に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定方法であって、ステージに前記ウェハを固定する工程(A)と、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記複数の半導体素子から選ばれる1つの半導体素子に設けられた耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を絶縁液で覆い、かつ、前記1つ以上の電極にプローブを接触させる工程(B)と、前記1つ以上の電極および前記ステージ表面から選ばれる2つの間の耐圧を測定する工程(C)とを包含する。
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)は、前記1つの半導体素子と前記1つの半導体素子を囲む大気に露出したスクライブラインとを前記絶縁液で覆う。
ある好ましい実施形態において、前記絶縁液は、大気よりも高い絶縁性を有する。
ある好ましい実施形態において、前記複数の半導体素子から異なる1つの半導体素子を繰り返し選択し、選択した半導体素子に対して、前記工程(B)および(C)を行う。
ある好ましい実施形態において、耐圧測定方法は、前記工程(A)と(B)との間に、前記ウェハ表面に設けられた2つ以上のアライメントマークを用いて、前記ウェハに設けられた前記複数の半導体素子の配列方向と前記ステージの移動可能な方向が一致するように前記ステージを回転させる工程をさらに包含する。
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)は、前記1つの半導体素子の前記1つ以上の電極にプローブを接触させる工程(B1)と、前記工程(B1)の後、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記1つの半導体素子に設けられた耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を絶縁液で覆う工程(B2)とを含む。
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)は、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記1つの半導体素子に設けられた耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を絶縁液で覆う工程(B3)と、前記工程(B3)の後、前記1つの半導体素子の前記1つ以上の電極にプローブを接触させる工程(B4)とを含む。
ある好ましい実施形態において、前記工程(B3)は、前記ウェハが前記プローブに近接するように前記ステージを移動させる工程と、前記絶縁液をウェハ上に吐出する工程とを含む。
ある好ましい実施形態において、前記半導体素子は炭化珪素半導体パワー素子である。
本発明の耐圧測定装置は、ウェハ表面に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定装置であって、制御部と、少なくとも1つのプローブと、前記ウェハを固定するステージを含み、前記制御部からの指令に基づき、前記ステージに固定したウェハの複数の半導体素子のうち、選択した1つの半導体素子に設けられた、耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極と、前記少なくとも1つのプローブとが接触可能なように前記ステージを移動させるウェハ位置制御部と、前記制御部からの指令に基づき、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記選択した半導体素子の前記電極を絶縁液で覆うように絶縁液を吐出する絶縁液吐出部と、前記制御部からの指令に基づき、前記少なくとも1つのプローブおよび前記ステージ表面から選ばれる2つの間の耐圧を測定する電圧印加部とを備える。
ある好ましい実施形態において、前記絶縁液吐出部は、少なくとも1つのプローブに近接した吐出口を有するノズルを含む。
ある好ましい実施形態において、前記絶縁液吐出部は、前記選択した1つの半導体素子と前記1つの半導体素子を囲む大気に露出したスクライブラインとを覆うように前記絶縁液を吐出する。
ある好ましい実施形態において、前記絶縁液は、大気よりも高い絶縁性を有する。
本発明によれば、ウェハに形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する場合、ウェハの全体ではなく、測定対象となる半導体素子の耐圧を測定する電極を絶縁液で覆うため、装置が大掛りになることなく、大気放電を防止することができ、半導体素子の正しい耐圧を測定することが可能となる。
また、ウェハ表面全体を絶縁液で覆う必要がないため、アライメントマークが絶縁液によって見えにくくなることがない。また、測定すべき半導体素子のみに対し、測定の直前に絶縁液を吐出することができるため、1つのウェハの測定に長い時間がかかる場合でも、絶縁液を蒸散させずに大気放電を防止することができる。
また、ステージの移動に伴う振動によって絶縁液が流れ落ちてしまうことも防げる。
特にワイドバンドギャップ半導体からなるパワーデバイスの耐圧測定において効果的である。
本発明による耐圧測定装置の第1の実施形態を示す図であって、主要部の構成を示す概念的な図である。
本発明による耐圧測定装置明第1の実施形態を示すブロック図である。
図1に示す耐圧測定装置において、耐圧を測定する際のMOSFETの状態を示す平面図である。
図3におけるB−B’断面図である。
本発明による耐圧測定方法の第1の実施形態を示すフローチャートである。
第1の実施の形態の耐圧測定方法によって測定された炭化珪素パワーMOSFETの耐圧測定時におけるIV特性図である。
第2の実施形態において、耐圧を測定する際のMOSFETの状態を示す平面図である。
従来の耐圧測定装置の構成を示す模式図である。
従来の耐圧測定方法を示すフローチャートである。
(a)および(b)は、それぞれ従来の耐圧測定装置の他の構成を示す模式図である。
従来の耐圧測定方法における測定状態の半導体素子を示す平面図である。
従来の半導体素子の構造を示す断面図である。
従来の半導体素子の耐圧測定時におけるIV特性図である。
本願発明者は、炭化珪素を用いたMOSFETにおいて、設計耐圧よりも低い電圧でMOSFETが破壊する原因について詳細に検討した。
図11は、本願発明者が試作した炭化珪素MOSFET2のウェハ状態の平面図である。複数のMOSFET2がウェハ上に配置されている。各MOSFET2は、ソース電極パッド9とゲート電極パッド10とを備えており、ウェハの裏面が複数のMOSFET2に共通に接続されたドレイン電極(図示せず)になっている。各MOSFET2は隣接するMOSFET2とスクライブライン11によって分離されている。ここで、スクライブラインとは、素子を切り離す(ダイシング)ために、半導体表面の層間絶縁膜や保護膜を除去している領域のことであり、したがって、スクライブラインでは半導体表面が大気に露出している。
MOSFET2は複数の微小なユニットセルを集積しており、各ユニットセルがそれぞれMOSFETを構成している。MOEFET2において、各ユニットセルのゲート、ソースおよびドレインは、ゲート電極パッド10、ソース電極パッド9、ウェハ裏面のドレイン電極に接続されており、ユニットセルによって構成されるMOSFETが並列に接続されたパワートランジスタを構成している。また、ウェハの裏面に設けられたドレイン電極とウェハの表面に設けられたソース電極パッド9との間で電流が流れる縦型構造を備えている。
ウェハ状態のMOSFET2のオフ状態における耐圧を、図8に示す従来の耐圧測定装置200を用いて測定した。耐圧を測定する場合、ステージ201にMOSFET2が形成されたウェハ1を真空吸着等で固定し、ゲート電極パッド10およびソース電極パッド9にプローブ202および203を接触させる。MOSFET2はエンハンスメント型であり、ゲートとソースを接地電位にすることによって、MOSFET2はオフ状態となる。したがって、プローブ202および203を接地電位に設定する。図示しないウェハ裏面のドレイン電極はウェハ1を固定するステージ201を介して、測定装置200の電圧印加部204および電流測定部205に電気的に接続される。
電流測定部205でドレイン電流を測定しながら、電圧印加部204でドレイン電圧を少しずつ増加させ、ドレイン電流が所定の閾値電流を越えたときのドレイン電圧を耐圧と規定する。あるいは電流測定部205、電圧印加部204に代えて定電流源、電圧印加部を接続し、所定のドレイン電流を流したときのドレイン電圧を耐圧と定義してもよい。
図13はMOSFET2のオフ時(ゲート電圧Vg=0)のドレイン電流とドレイン電圧のIV特性を示した図である。設計耐圧は1400Vである。
図13から分かるように、ドレイン電圧が1100Vになるまでは、ドレイン電流はほとんど流れていない。しかし、ドレイン電圧が約1100Vに達すると電流が急激に流れ1μAに達した。このときIV測定器の電力リミッタが働き、印加電圧は600Vまで低下した。電流の急増は大気放電により、半導体素子が破壊されたためである。もう一度このMOSFET2のIV特性の測定を行ったところ、2度目のIV測定では数Vでも大きなリーク電流が流れてしまった(図示せず)。これは、大気放電による破壊によって、炭化珪素に大電流が流れ、これに伴う温度上昇により、半導体素子にリークパスが形成されたからだと思われる。
破壊に至ったMOSFET2を光学顕微鏡で観察したところ、素子の周辺部での破壊が認められた。具体的には図11に示すソース電極パッド9の保護膜開口端13aと、周辺のシールリングが変色し、AL配線が溶融した痕跡が見られた。
検討の結果、本願発明者は大気放電の原因を以下のように推論した。図12は図11に示すMOSFFET2のA−A’断面を矢印方向に見た図である。低抵抗のn型半導体基板14上に高抵抗のn型半導体ドリフト層15が形成されており、ドリフト層15の内部には選択的にp型半導体領域16が形成されている。ユニットセル内のp型半導体領域16の表面にはソース電極18が形成されており、各ユニットセルのソース電極18は、厚膜のソース電極パッド9によって互いに接続されている。ソース電極パッド9は上述したようにプローブ203と接触しており、すべてのソース電極18は接地電位に固定される。
n型半導体基板14はドレインとして機能し、この裏面に形成されたドレイン電極(裏面電極)20を介してドレイン電位に固定される。通常ドレイン電位は正電圧であるので、p型半導体領域16とn型半導体ドリフト層15との界面であるpn接合には逆バイアス電圧が印加される。このため、ドリフト層15には空乏層17が広がる。
ドリフト層15のうち空乏層17内部には電界が存在し、電位分布を生じるが、空乏層17以外の領域では電界が生じず、電位は同一である。すなわち、ドリフト層15の空乏層17以外の領域はドレイン電位となっている。
ドリフト層15の表面にはゲート絶縁膜21を介してゲート電極19が形成されている。さらに、ゲート電極19を覆うように層間絶縁膜12が設けられている。層間絶縁膜12上にはソース電極パッド9が位置しており、層間絶縁膜12に設けられた開口を介して、ソース電極パッド9がソース電極18と接続される。
ソース電極パッド9上には主にシリコン窒化膜やポリイミドからなる保護膜13が形成されている。保護膜13にはソース電極パッド9を露出させるために、開口端13aによって規定される開口が設けられている。
スクライブライン11は、ウェハ上に設けられた複数のMOSFET2を切断するための領域である。スクライブライン11上には、ゲート絶縁膜21、層間絶縁膜12および保護膜13が設けられておらず、半導体ドリフト層15の表面が大気に露出している。上述したようにドリフト層15は空乏層17以外、同電位になっているため、耐圧測定中、スクライブライン11の表面もドレイン電位となっている。ソース電極パッド9は接地電位であり、スクライブライン11はドレイン電位となって大気に露出されている。これらの電位差によって生じる電界は半導体内部だけでなく、大気にも印加されることになる。
このため、耐圧測定中、ドリフト層15およびn型半導体基板14の絶縁破壊電界よりも保護膜13の開口端13aからスクライブライン11の端部までの距離Lにおける大気の絶縁破壊電界が小さければ、ドレイン電位の上昇によって、ソース電極パッド9の開口端13aからスクライブライン11の端部まで大気を介して電流が流れる。この電流が流れると、開口端13aからスクライブライン11の端部間の大気と接した保護膜13表面の温度が急上昇する。これにより、ドリフト層15表面近傍のこれらの間にある素子構造が熱によって破壊され、低抵抗な導電性パスが形成され、MOSFET2として正しく機能しなくなる。
このように、ソース電極パッド9とドレイン電極パッド20との間に高い電圧が印加された場合に大気を介した放電が生じるのは、ウェハ状態でMOSFET2の耐圧を測定するからである。通常、個々のMOSFET2はパッケージに収められ、MOSFET2の表面はパッケージ樹脂が覆われるため、このように大気を介して電流が流れることはない。
表1は、シリコン、炭化珪素、大気およびパッケージ樹脂の絶縁破壊電界を示している。
表1に示すように、炭化珪素の絶縁破壊電界は、シリコンよりも1桁程度大きい。表1には示していないが、窒化ガリウムの絶縁破壊電界もシリコンよりも1桁程度大きいことが知られている。このように、ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンに比べ10倍程度、絶縁破壊電界が大きいため、理論的には、素子のサイズを小さくしても素子の耐圧を確保することができる。
しかし、大気の絶縁破壊電界はシリコンに比べ1桁ほど小さい。したがって、シリコンから炭化珪素へ半導体材料を変更することによって、より小型で耐圧の高い半導体素子を実現することができるが、素子表面が大気に接している状況では、半導体素子の耐圧測定によって大気を介した放電が、ウェハ状態での半導体素子の耐圧測定における問題となる。
特にウェハ状態では、半導体基板の表面が露出したスクライブラインが存在する。このため、図11および図12に示すように、ワイドバンドギャップ半導体を用いて半導体素子を作製し、素子サイズを小さくするほど、スクライブライン11の端部とソース電極パッド9の開口端部13aとの距離Lが短くなり、耐圧測定中の大気放電が生じやすくなる。
したがって、スクライブライン11が大気放電に関係している場合には、耐圧測定中、スクライブライン11を絶縁液で覆うことによって、スクライブライン11が大気に対して露出しなくなり、上述した大気放電は防止できると考えられる。
図11に示すMOSFET2では、耐圧測定中、ゲート電極パッド10とソース電極パッド9とが同電位に設定される。このため、これらの電極パッド間では高電位差は生じず、大気放電も生じない。しかし、半導体素子によっては(例えば、横型のパワーMOSFET)、耐圧測定中、ウェハ表面に形成された2つの電極で耐圧を測定することも考えられる。この場合、2つの電極間で大気を介して電流が流れる可能性もある。この場合には、大気に対し露出した2つの電極のうち少なくとも一方の電極を絶縁液で覆っておけば、2つの電極の少なくとも一方が大気に対して露出しないため、大気放電は防止できる。
つまり、ウェハ状態で半導体素子の耐圧を測定する場合、少なくとも耐圧を測定する1つ以上の大気に対して露出した電極または大気に対して露出したスクライブライン11を絶縁液で覆うことによって上述した大気放電の発生を抑制できる。特許文献1に開示されているように、ウェハの表面全体を絶縁液で覆う必要はない。また、このために絶縁液は、測定する素子に、測定直前に滴下すればよい。
これにより、ウェハのアライメントが困難となる問題や、ステージの移動によって絶縁液がこぼれたり、測定中に絶縁液が蒸発することによる問題も解決し得る。このような知見に基づき、本願発明者は以下において詳細に説明する耐圧測定装置および耐圧測定方法を発明した。
(第1の実施の形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による耐圧測定装置および耐圧測定方法の実施形態を説明する。
図1は、本発明の耐圧測定装置における第1の実施形態の主要部を模式的に示している。また図2は、第1の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の耐圧測定装置50は、ウェハ位置制御部51と、絶縁液吐出部52と、電圧印加部53と、電流測定部54、制御部55と、プローブ58および59とを備えている。制御部54は、ウェハ位置制御部51、絶縁液吐出部52、電圧印加部53および電流測定部54制御する。
本実施形態では、半導体素子として、ウェハ上1に作製された複数の縦型パワーMOSFET2の耐圧を測定する。通常、ウェハ状態の半導体装置を検査する装置は、プローバーと呼ばれ、検査を行う半導体素子に応じて、耐圧以外に、閾値電圧、オン抵抗や順方向および逆方向I−V特性など種々の素子特性が検査される。本発明の耐圧測定装置は、このようなプローバーに好適に組み込むことができる。
ウェハ位置制御部51はステージ57を含む。ウェハ位置制御部51は、制御部55からの指令に基づき、例えば吸着によってウェハ1をステージ57に固定する。ステージ57は、制御部55からの指令、つまり制御信号により、例えば図1に示すように、X、Y、Zの三軸方向に移動可能である。さらにステージ57は、X−Y平面内でθ方向に回転することが可能である。
プローブ58および59は、図示しない架台に固定されており、ステージ57に固定されたウェハ1に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定するために、半導体素子に設けられた電極と接触し、電極と電気的に接続することによって、電極に電圧を印加したり、電流を流す。本実施形態では、プローブ58および59は、MOSFET2のゲート電極パッドおよびソース電極パッドに接触し、所定の電位に設定される。本実施形態では、MOEFET2の耐圧測定の際、ゲートおよびソースを接地電位に設定する必要があるため、2つのプローブ58および59を備えている。しかし、プローブの数は、測定する半導体素子の端子の数、耐圧測定時に電位を設定すべき端子数などに応じて決定され、1つあるいは3つ以上であってもよい。例えば、検査を行う半導体素子が縦型ダイオードである場合、ウェハ1の裏面がアノードまたはカソードとなり、ウェハ1の表面にカソード電極パッドまたはアノード電極パッドが形成される。この場合、ウェハ1の表面に設けられたカソード電極パッドまたはアノード電極パッドと接触する1つのプローブを耐圧測定装置は備えていればよい。
図3は、ウェハ1上に複数形成されたMOSFET2の平面図である。図11を参照して説明したように、各MOSFET2は、ソース電極パッド9とゲート電極パッド10とを備えており、ウェハの裏面が複数のMOSFET2に共通に接続されたドレイン電極(図示せず)になっている。各MOSFET2は隣接するMOSFET2とスクライブライン11によって分離されている。
MOSFET2は複数のユニットセルを含み、各ユニットセルがそれぞれMOSFETを構成している。MOEFET2において、各ユニットセルのゲート、ソースおよびドレインは、ゲート電極パッド10、ソース電極パッド9、ドレイン電極に接続されており、ユニットセルによって構成されるMOSFETが並列に接続されパワートランジスタを構成している。また、MOSFET2はウェハの裏面に設けられたドレイン電極とウェハの表面に設けられたソース電極パッド9との間で電流が流れる縦型構造を備えている。
プローブ58および59は、それぞれの先端がゲート電極パッド10およびソース電極パッド9と接触するように配置される。ステージ57の表面は、例えば、金などの導体で被覆されており、ウェハの裏面に設けられたドレイン電極と電気的に接続している。プローブ58および59およびステージ57の表面は、電圧印加部53および電流測定部54を含む耐圧測定部に接続されている。制御部55の指令に基づき、プローブ58および59は接地電位に固定され、ステージ57の表面にドレイン電圧が印加される。
絶縁液吐出部52は、ノズル56を有するディスペンサを含む。ノズル56は、図示しない架台に固定され、プローブ58および59に近接して配置されている。でディスペンサは、絶縁液を保持したタンクをさらに含み、制御部55からの指令に基づき、所定量の絶縁液60を吐出する。
図4は、図3に示すMOSEFET2のB−B’断面を示している。図3および図4に示すように、概略的に説明すれば、吐出する絶縁液60は、ウェハ1に形成された複数のMOSFET2のうち、これから測定するMOSFET2の測定において大気放電が生じないように、絶縁液60でウェハ1の表面の一部のみであるMOSFET2を覆う。具体的には、少なくともこれから測定するMOSFET2に設けられた耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を絶縁液60で覆う。本実施形態の場合、絶縁液60でソース電極パッド9およびゲート電極パッド10を覆う。より好ましくは、ソース電極パッド9およびゲート電極パッド10ならびに測定位置にあり、これから測定するMOSFET2(破線24で示している)を囲む大気に露出したスクライブライン11を絶縁液60で完全に覆うように絶縁液60の量が調整される。例えば、スクライブライン11の外周の大きさが、3mm×3mm程度である場合、絶縁液60の量は1〜2ml程度である。より好ましくは、絶縁液60の端はスクライブライン11を越えて隣接する素子にまで達している。これにより、確実に測定対象であるMOSFET2およびこれを囲むスクライブライン11が完全に絶縁液60で覆われる。このような条件を満たしている限り、絶縁液60は、測定位置にあるMOSFET2に隣接するMOSFET2も覆っていてもよい。
絶縁液60は、少なくとも大気よりも高い絶縁性を有している。例えば、大気の絶縁破壊電界よりも大きな絶縁破壊電界を持つ絶縁液を用いる。具体的には、フッ素系不活性液体(ハイドロフルオロエーテル、パーフルオロポリエーテルなど)やシリコンオイルなどを用いることが好ましい。例えば住友スリーエム社製のフロリナート(登録商標)FC40は0.18MV/cmの絶縁破壊電界を有している。この値は、大気の絶縁破壊電界の6倍である。
絶縁液の絶縁性を示す指標として絶縁耐力を用いてもよい。絶縁耐力は、2.54mmのギャップを設けた電極間に印加可能な電圧で定義される。上述のフロリナートFC40の0.18MV/cmという絶縁耐力は、46kV/2.54mmである。またパーフルオロエーテルであるソルベイ ソレクシスカ社製 ガルデン(登録商標)も40kV/2.54mmという大気の6倍程度の絶縁耐力を有している。
絶縁液60は、耐圧測定の際、測定中のMOSFET2を覆っていればよい。絶縁液60でMOSFET2を覆った後、プローブ58および59をゲート電極パッド10およびソース電極パッド9に接触させてもよいし、プローブ58および59をゲート電極パッド10およびソース電極パッド9に接触させた後、そのMOSFET2を絶縁液60で覆ってもよい。ただし、絶縁液60の粘性が高く、プローブ58および59をゲート電極パッド10およびソース電極パッド9に先に接触させると、絶縁液60の回り込みにくく、これらのパッドを完全に絶縁液60で覆えなくなる可能性がある場合には、プローブ58および59の接触の前に絶縁液60でMOSFET2を覆うことが好ましい。フッ素系不活性液体の粘性は一般に低いため、プローブ58および59の接触と絶縁液60の吐出はいずれが先であってもよい。
絶縁液60としてフッ素系不活性液体を用いる場合、粘度が低いため、圧力をかけて吐出量を調整するタイプのディスペンサを用いることは一般には難しい。この場合には、ディスペンサはエアーバルブを備え、バルブの開閉によって吐出を制御することが好ましい。エアーバルブはエアーの圧力により、ニードルバルブを開閉し、定量の液体を吐出する。エアーはディスペンサコントローラから供給される。ディスペンサコントローラは制御部55からのトリガ信号によってあらかじめ設定された圧力と時間でエアーをニードルバルブに供給する。この圧力と時間を調整することによって吐出量を調整することが可能である。低粘度の液体を長距離飛ばすことは難しく、むしろ、測定すべきMOSEFT2の直上から自然落下させることが好ましい。このため、ノズル56は測定すべきMOSFET2の概ね真上に位置することが好ましい。より具体的には、ノズル56から定量吐出された絶縁液60が、測定すべきMOSFET2およびこれを囲むスクライブライン11の全体を自然に覆うことができるように、ノズル56は概ね測定すべきMOSFET2の中心上にあることが好ましい。
次に図1〜図4および図5を参照しながら本実施形態による耐圧測定方法を説明する。
まず、図1には図示しないウェハカセットからウェハ1を取り出し、ステージ57にロードする(S101)。
次に、ウェハ1のアライメントを行う。図示しないCCDカメラを用いてウェハ1上の2つ以上の離れたアライメントマークを読み込んで、X−Y平面におけるロードされたウェハ1の方位を決定する。決定した方位から、ウェハ1に形成された複数のMOSFET2の配列の方向と、ステージ57の移動方向とが一致するように、ステージ57をθ方向に回転させる(S102)。
さらに、あらかじめ制御部55に記憶させた各MOSFET2のウェハ1上における座標および測定順に基づき、制御部55からの制御信号によって、ウェハ位置制御部51がステージ57を移動させ、測定順で指定されたMOSFET2をプローブ58および59が接触できる測定位置に移動させる(S103)。
次に、制御部55の指令に基づき、絶縁液吐出部52がウェハ1の測定位置に位置しているMOSFET2に絶縁液60を吐出する。上述したように、少なくとも、測定位置にあるMOSEFET2における耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を絶縁液60で覆う。好ましくは、絶縁液60で測定位置にあるMOSFET2およびこれを囲む大気に露出したスクライブライン11を完全に覆う(S104)。
次に、ステージ57をZ方向に上昇させることにより、プローブ58および59の先端を絶縁液60で覆われたMOSFET2のゲート電極パッド10およびソース電極パッド9にそれぞれ接触させる(S105)。ゲート電極パッド10とソース電極パッド9はそれぞれプローブ58および59を介して接地電位に固定される。上述したように、絶縁液60の吐出(S104)の前に、プローブ58および59をゲート電極パッド10およびソース電極パッド9に接触させてもよい(S105)。
次に、耐圧測定を行う(S106)。制御部23は耐圧測定部である電流測定部54と電圧測定53に制御信号を送り、電流測定部54によってステージ57に流れる電流(これはMOSFET2のドレイン電流となる)を測定しながら、電圧印加部53によってステージ57のドレイン電位を徐々に増加させる。ドレイン電流が閾値(例えば1mA)を越えた時点でのドレイン電圧を耐圧とし、制御部23がそのときの電圧印加部53が印加した電圧を記憶する。例えばドレイン電圧の印加は50V/s程度のレートで上昇させればよい。
耐圧測定が終了したら、ウェハ位置制御部51は、ステージ57を下降させ、プローブプローブ58および59をゲート電極パッド10およびソース電極パッド9から離間させる(S107)。
直前に測定したMOSFET2がウェハ1における測定すべき最後MOSFET2でなければ(S108)、次の測定順に指定されているMOSFET2が測定位置に来るように、制御部23の指令に基づき、ウェハ位置制御部51がステージ57を移動させる(S103)。その後、絶縁液60の吐出(S104)、プローブ58および59の接触(S105)、耐圧測定(S106)、プローブ58および59の離間(S107)を繰り返す。
測定したMOSFET2が測定順で指定される最後のMOSFET2である場合(S109)には、そのウェハ1における測定を終了し、ウェハをアンロードする。次の別のウェハ1をロードして、そのウェハ1に対して上述の手順(S101からS109)を繰り返す。カセットに収納された最後のウェハ1の測定が終了したら、全工程を終了する。なお、測定後、ウェハ1の表面に絶縁液60が残っている場合には、例えば、窒素ガスを吹きつけて、絶縁液60をウェハ1の表面から除去してもよい。
図6は、図1および図2に示す耐圧測定装置を用い、上述した本実施形態の耐圧測定方法により、炭化珪素パワーMOSFETの耐圧を測定した結果を示している。図6には、12個の炭化珪素パワーMOSFETのIV特性(ドレイン電流とドレイン電圧との関係)を示している。従来では、図13に示すように、大気放電が生じ、放電によって破壊した素子の抵抗は急激に低下するため、電圧が急激に低くなるIV特性を示す。また、再度測定すると同じIV特性は再現せず、低い電圧で電流が流れてしまっていた。
本実施形態の耐圧測定方法によれば、電流が流れ始めても電圧が下がることはなく半導体内部のいわゆるアバランシェ電流が流れていることが分かる。また、再度測定しても同じIV特性が再現性よく得られた。したがって、大気放電でなく本来の半導体素子の耐圧が測定できているといえる。なお、この測定ではドレイン電流の閾値を1μAとした。
このように本発明によれば、少なくとも測定を行う半導体素子の耐圧を測定する電極を絶縁液で覆うので、耐圧測定中に大気放電が起こることなく、ウェハ状態で各半導体素子の耐圧を測定することが可能となる。またチップ状態に切離すことなく、ウェハ上に規則正しく並んだ状態で測定するので、効率的な測定が可能である。
また、本発明ではウェハ全体を絶縁液に浸漬しないため、ステージ全体を浸漬させる大型の槽を必要とせず、ディスペンサなどの小型の絶縁液吐出部を追加するだけでよい。
また、ウェハの表面全体を絶縁液で覆わず、素子を測定するたびに必要な領域のみを絶縁液で覆うため、ステージが移動することによって絶縁液がこぼれたりすることがない。また、耐圧測定の直前にウェハ上に絶縁液が供給されるので、耐圧測定時に絶縁液が蒸散していることがない。
また、ウェハのアライメントマークは絶縁液で覆われないため、耐圧測定装置におけるウェハの位置あわせを確実に行うことができる。
なお、本実施の形態では耐圧測定部55は、電圧印加部53によりドレイン電圧を印加しながら電流測定部54によりドレイン電流を測定している。しかし、耐圧測定部55は、電流印加部(例えば定電流源)および電圧測定部を備え、電流印加部により一定電流を印加して、このときのドレイン電圧を測定して耐圧としてもよい。耐圧測定部55は、電流印加部と電圧印加部とを備えていてもよい。
また、本実施形態では、ウェハ位置制御部51がステージ57を移動させることにより、ウェハ1に形成された半導体素子の電極パッドをプローブ58および59に接触させ、また、絶縁液60を吐出するノズル56に近接させていた。しかし、プローブ58および59およびノズル56を測定すべき半導体素子の位置に移動させ、プローブ58および59を半導体素子の電極パッドに接触させてもよい。
(第2の実施の形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による耐圧測定装置および耐圧測定方法の他の実施形態を説明する。
本実施形態は、耐圧を測定すべき半導体素子が横型パワーMOSFETである点で第1の実施形態と異なっている。横型パワーMOSFETでは、ウェハの表面にゲート電極パッド、ドレイン電極パッドおよびソース電極パッドが形成されている。このため、横型パワーMOSFETの耐圧を測定する場合、耐圧測定装置は、3つのプローブを備えている。
図7は、耐圧測定装置のステージに固定されたウェハ1に形成された複数の横型パワーMOSFET2’の平面図である。各横型パワーMOSFET2’は、ゲート電極パッド42、ソース電極パッド44およびドレイン電極パッド46を備えている。本実施形態の耐圧測定装置は、プローブ58および59、62を備えており、プローブ58および59、62が、ゲート電極パッド42、ソース電極パッド44、ドレイン電極パッド46にそれぞれ接触する。絶縁液60は、測定すべきMOSFET2’の耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を覆っている。
プローブ58および59を接地電位に固定し、プローブ59に流れる電流(ソース電流)またはプローブ62に流れる電流(ドレイン電流)を測定しながら、プローブ62に電圧(ドレイン電圧)を印加していき、ドレイン電流またはソース電流がある所定の値に達したときのプローブ59とプローブ62間の電圧(ドレイン―ソース電圧)を耐圧とする。その他の耐圧測定装置の構成および耐圧の測定手順は第1の実施形態と同じである。
本実施形態によれば、第1の実施形態と同様、ウェハ状態で横型パワーMOSFETの耐圧を正しく測定することが可能となる。このため、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
以上、第1の実施形態および第2の実施形態では、縦型パワーMOSFETおよび横型パワーMOSFETの耐圧測定を例に挙げて本発明を説明した。しかし、本発明はこれらの半導体素子に限らず、様々な半導体素子をウェハ状態で測定することが可能である。例えば、ウェハに複数形成されたショットキーダイオードの耐圧を測定する場合は、1つのプローブを用い、プローブとステージ間に例えば電圧を印加する。この場合にも、絶縁液吐出部によって測定を行うショットキーダイオードのみ、つまり、ウェハ表面の一部のみが絶縁液で覆われる。このため、耐圧測定時に絶縁液が蒸散したり、ステージの移動に伴う振動によって絶縁液がこぼれることなく、耐圧測定時の大気放電を防止することができる。したがって、ウェハ状態のショットキーダイオードの耐圧を正しく測定することができる。同様に、IGBT、バイポーラトランジスタ、JFET、SITなどのパワーデバイスにも本発明を好適に用いることができる。
また、第1の実施形態および第2の実施形態では炭化珪素半導体素子を例に挙げて本発明を説明した。上述したように、GaNなど他のワイドバンドギャップ半導体からなるパワー半導体素子においてもチップサイズの縮小に伴って、同様の問題が生じるため、本発明はGaNなど他のワイドバンドギャップ半導体からなるパワー半導体素子にも好適に用いることができる。
本発明によれば、大気放電を起こすことなくウェハ状態にある種々のパワーデバイスの耐圧測定を効率よく行うことができる。このため、本発明は、高耐圧を有するパワーデバイスの検査工程に好適に用いられる。
1 ウェハ
2 半導体素子
9 ソース電極パッド
10 ゲート電極パッド
11 スクライブライン
12 層間絶縁膜
13 保護膜
13a 開口端部
14 基板
15 n型半導体ドリフト層
16 p型半導体領域
17 空乏層
18 ソース電極
19 ゲート電極
21 ゲート絶縁膜
50 耐圧測定装置
51 ウェハ位置制御部
52 絶縁液吐出部
53 電圧印加部
54 電流測定部
55 制御部
56 ノズル
57 ステージ
58、59 プローブ
60 絶縁液
本発明は、半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定装置および耐圧測定方法に関し、特に、高耐圧を有する炭化珪素半導体素子などのパワーデバイスの耐圧を、パッケージに実装する前のウェハ状態で測定することのできる耐圧測定装置および耐圧測定方法に関する。
半導体素子は、通常、ウェハ上に複数形成され、個別の素子に分離された後、樹脂製のパッケージなどに封入される。各半導体素子は、測定装置を用いて所定性能を備えているかどうかが評価され、評価基準を満たしている半導体素子のみが製品として販売される。
このような評価をパッケージ後に行う場合、個別になっている半導体素子を測定装置のテストヘッドにひとつひとつ挿入する作業が必要であり、素子のハンドリングに労力と時間を要する。この作業を効率的に行うには、ハンドラーと呼ばれる大型の搬送機構が必要となる。
これに対し、素子を分離する前のウェハ状態で半導体素子を評価すれば、効率的に多数の素子を評価することができるため、好都合である。ウェハ上では素子が近接して規則正しく周期的に並んでいるので、個々の素子に検査用のプローブを接触させて特性の測定を行い、測定後、プローブを隣接する素子に相対的に移動させるだけで、効率的に多数の素子を評価することができるからである。
図8は、ウェハ状態の半導体素子の特性を測定する従来の一般的な測定装置200を模式的に示している。測定装置200は、ステージ201と、プローブ202および203と、電圧印加部204と、電流計測部205とを備えている。図9は測定装置200を用いた半導体素子の特性、特に、耐圧の測定手順を示すフローチャートである。
まず、複数のウェハ1が入ったカセットから1つのウェハ1をステージ201にロードする(S210)。次に、ウェハのアライメントを行う(S211)。例えば、図示しないCCDカメラ等により、ウェハ1上において離間させて設けられた複数のアライメントマーク(これは通常前もって設定されたウェハ上の特定パターンである。)を検出し、ステージ201の移動方向(例えばX、Y方向)とウェハ1における複数の半導体素子の配列方向とが一致するようにステージ201を回転させる(θ方向)。
次に、あらかじめ設定されたウェハマップに従い、プローブ202および203が最初の測定対象の半導体素子上に位置するようにステージを移動させる(S212)。続いて、例えば、ステージ201を上昇させ、プローブ202および203との先端と半導体素子の電極パッドとを接触させる(S213)。
その後、電圧印加部204によってプローブ202および203またはステージ201に電圧を印加する。電圧を増加させながら電流計測部205で流れる電流を計測し、所望の電流値となったときの電圧を耐圧として記録する(S214)。
耐圧測定の終了後、ステージ201を降下させ(S215)、ウェハ1上の次の素子の測定を行う(S216、S212〜S215)。
最後の素子を測定後(S216)、ウェハ1をアンロードして(S217)、次のウェハ1をカセットからロードする(S210)。これらの動作を繰り返し(S212〜S216)、カセット内のすべてのウェハ1の半導体素子の耐圧を測定する。
近年、地球温暖化が問題となり、二酸化炭素低減のために省エネルギー技術が必要とされている。このため、例えば、ハイブリッド車や電気自動車などに用いられるモータをインバータ制御するための、動作電圧および動作電流の高いMOSFET、IGBT、ダイオード、バイポーラトランジスタ、JFET、SITなどのパワーデバイスの開発が盛んになっている。
これらのパワーデバイスにとって耐圧は重要な性能のひとつであり、必ず評価すべき項目である。ところが、パワーデバイスには数百V以上の耐圧を有するものも多いため、耐圧を測定するために高電圧をプローブ間やプローブ・筐体間に印加すると、これらの間で大気放電がおこり、測定装置の電源が破壊されるなどの問題があった。また、耐圧の測定が、沿面距離や空間距離、湿度などによって左右され正確に耐圧を測定することが困難であるという問題があった。このため、半導体素子の耐圧をウェハ上で検査できず、耐圧特性が不十分なものであっても、素子分離を行ってパッケージに収めてからでなければ評価できず、検査効率を低下させる原因にもなっていた。
特許文献1は、このような課題を解決するために図10(a)および図10(b)に示す耐圧検査装置を開示している。図10(a)に示す検査装置は、ステージ302、プローブ311Pおよび312Pを備え、ステージ302上にウェハ301が支持される。ウェハ301の全体は絶縁溶液351で覆われている。ステージ302とプローブ311Pおよび312Pとは、ウェハ351上の半導体素子のコレクタ313Cとゲート311Gおよびエミッタ312Eとにそれぞれ電気的に接続される。このため、これらの間で電圧を印加することによって耐圧を測定することができると開示している。また、図10(b)に示す検査装置は、絶縁液322を満たした槽321を備え、ステージ302上に支持されたウェハ301全体が、絶縁溶液322中に浸漬された状態で耐圧が測定される。
特許文献1によれば、図10(a)および図10(b)に示す耐圧検査装置を用いることによって、耐圧検査装置自体の測定耐圧が従来2000V程度であったものを10kV程度に向上させることができると記載されている。
近年、開発が進められている炭化珪素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体材料は、シリコンに比べて1桁以上大きい絶縁破壊電界を有する。このため、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたパワーデバイスは、シリコンを用いたパワーデバイスに比べて半導体材料自体の絶縁破壊電界が高いことを考慮して素子の耐圧構造が設計される。
本願発明者は、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたパワーデバイスの1つである、炭化珪素を用いたMOSFETの耐圧測定をウェハ上で行うことを検討し、種々の実験を行った。その結果、炭化珪素を用いたMOSFETでは、設計耐圧よりも低い電圧でMOSFETが破壊することが分かった。これは、大気放電が関連していると考えられる。
大気放電を防止し、正しく耐圧を測定するためには、特許文献1に開示される装置を用いて耐圧を測定することが考えられる。しかしながら、特許文献1の図10(a)および図10(b)に示す装置では、ウェハ表面全面が絶縁液で覆われているため、ウェハ301に設けられたアライメントマークの正しい検出が困難となる可能性がある。このため、ウェハ301のアライメントが正しく行えない場合にはそのウェハ301を検査することができなくなる。
また、特許文献1は、このような絶縁液としてフッ素系不活性液を例示している。しかし、フッ素系不活性液の中には、例えばハイドロフルオロエーテルのように比較的短時間(数秒)で気化してしまうものもある。このため、図10(a)に示すようにウェハ301全体を絶縁溶液351で覆う場合、ウェハ301上の素子を測定中に絶縁溶液351が徐々に蒸発し、測定の途中で絶縁溶液351が完全になくなることも考えられる。
また、ウェハ301のすべての素子の耐圧を測定するためには、ステージ302を移動させる必要がある。通常、このような測定装置は、多くの素子の測定を短時間で行うために高速でステージが移動可能である。このため、ステージの移動が高速で行われると、図10(a)に示す装置では、絶縁溶液351がステージ302の移動によってこぼれてしまう可能性がある。また、絶縁溶液351がこぼれないようにステージ302の移動速度を低下させた場合には、ウェハ301全体の素子の測定を完了するのに要する時間が長くなり、上述したように絶縁溶液351が蒸発してしまう。
また、図10(b)に示す装置の場合、ステージ302全体を絶縁溶液322に浸漬する必要があるため、測定装置が大掛りになり、装置も高価になる。
本発明はこのような従来技術の課題の少なくとも1つを解決し、高耐圧の半導体素子の耐圧測定を行うことのできる耐圧測定装置および耐圧測定方法を提供することを目的とする。
本発明の耐圧測定方法は、ウェハ表面に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定方法であって、ステージに前記ウェハを固定する工程(A)と、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記複数の半導体素子から選ばれる1つの半導体素子に設けられた耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を絶縁液で覆い、かつ、前記1つ以上の大気に露出した電極にプローブを接触させる工程(B)と、前記1つ以上の大気に露出した電極および前記ステージ表面から選ばれる2つの間の耐圧を測定する工程(C)とを包含する。
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)は、前記1つの半導体素子と前記1つの半導体素子を囲む大気に露出したスクライブラインとを前記絶縁液で覆う。
ある好ましい実施形態において、前記絶縁液は、大気よりも高い絶縁性を有する。
ある好ましい実施形態において、前記複数の半導体素子から異なる1つの半導体素子を繰り返し選択し、選択した半導体素子に対して、前記工程(B)および(C)を行う。
ある好ましい実施形態において、耐圧測定方法は、前記工程(A)と(B)との間に、前記ウェハ表面に設けられた2つ以上のアライメントマークを用いて、前記ウェハに設けられた前記複数の半導体素子の配列方向と前記ステージの移動可能な方向が一致するように前記ステージを回転させる工程をさらに包含する。
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)は、前記1つの半導体素子の前記1つ以上の大気に露出した電極にプローブを接触させる工程(B1)と、前記工程(B1)の後、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記1つの半導体素子に設けられた前記耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を絶縁液で覆う工程(B2)とを含む。
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)は、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記1つの半導体素子に設けられた前記耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を絶縁液で覆う工程(B3)と、前記工程(B3)の後、前記1つの半導体素子の前記1つ以上の大気に露出した電極にプローブを接触させる工程(B4)とを含む。
ある好ましい実施形態において、前記工程(B3)は、前記ウェハが前記プローブに近接するように前記ステージを移動させる工程と、前記絶縁液をウェハ上に吐出する工程とを含む。
ある好ましい実施形態において、前記半導体素子は炭化珪素半導体パワー素子である。
本発明の耐圧測定装置は、ウェハ表面に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定装置であって、制御部と、少なくとも1つのプローブと、前記ウェハを固定するステージを含み、前記制御部からの指令に基づき、前記ステージに固定したウェハの複数の半導体素子のうち、選択した1つの半導体素子に設けられた、耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極と、前記少なくとも1つのプローブとが接触可能なように前記ステージを移動させるウェハ位置制御部と、前記制御部からの指令に基づき、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記選択した1つの半導体素子の前記1つ以上の大気に露出した電極を絶縁液で覆うように絶縁液を吐出する絶縁液吐出部と、前記制御部からの指令に基づき、前記少なくとも1つのプローブおよび前記ステージ表面から選ばれる2つの間の耐圧を測定する電圧印加部とを備える。
ある好ましい実施形態において、前記絶縁液吐出部は、少なくとも1つのプローブに近接した吐出口を有するノズルを含む。
ある好ましい実施形態において、前記絶縁液吐出部は、前記選択した1つの半導体素子と前記1つの半導体素子を囲む大気に露出したスクライブラインとを覆うように前記絶縁液を吐出する。
ある好ましい実施形態において、前記絶縁液は、大気よりも高い絶縁性を有する。
本発明によれば、ウェハに形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する場合、ウェハの全体ではなく、測定対象となる半導体素子の耐圧を測定する電極を絶縁液で覆うため、装置が大掛りになることなく、大気放電を防止することができ、半導体素子の正しい耐圧を測定することが可能となる。
また、ウェハ表面全体を絶縁液で覆う必要がないため、アライメントマークが絶縁液によって見えにくくなることがない。また、測定すべき半導体素子のみに対し、測定の直前に絶縁液を吐出することができるため、1つのウェハの測定に長い時間がかかる場合でも、絶縁液を蒸散させずに大気放電を防止することができる。
また、ステージの移動に伴う振動によって絶縁液が流れ落ちてしまうことも防げる。
特にワイドバンドギャップ半導体からなるパワーデバイスの耐圧測定において効果的である。
本発明による耐圧測定装置の第1の実施形態を示す図であって、主要部の構成を示す概念的な図である。
本発明による耐圧測定装置の第1の実施形態を示すブロック図である。
図1に示す耐圧測定装置において、耐圧を測定する際のMOSFETの状態を示す平面図である。
図3におけるB−B’断面図である。
本発明による耐圧測定方法の第1の実施形態を示すフローチャートである。
第1の実施の形態の耐圧測定方法によって測定された炭化珪素パワーMOSFETの耐圧測定時におけるIV特性図である。
第2の実施形態において、耐圧を測定する際のMOSFETの状態を示す平面図である。
従来の耐圧測定装置の構成を示す模式図である。
従来の耐圧測定方法を示すフローチャートである。
(a)および(b)は、それぞれ従来の耐圧測定装置の他の構成を示す模式図である。
従来の耐圧測定方法における測定状態の半導体素子を示す平面図である。
従来の半導体素子の構造を示す断面図である。
従来の半導体素子の耐圧測定時におけるIV特性図である。
本願発明者は、炭化珪素を用いたMOSFETにおいて、設計耐圧よりも低い電圧でMOSFETが破壊する原因について詳細に検討した。
図11は、本願発明者が試作した炭化珪素MOSFET2のウェハ状態の平面図である。複数のMOSFET2がウェハ上に配置されている。各MOSFET2は、ソース電極パッド9とゲート電極パッド10とを備えており、ウェハの裏面が複数のMOSFET2に共通に接続されたドレイン電極(図示せず)になっている。各MOSFET2は隣接するMOSFET2とスクライブライン11によって分離されている。ここで、スクライブラインとは、素子を切り離す(ダイシング)ために、半導体表面の層間絶縁膜や保護膜を除去している領域のことであり、したがって、スクライブラインでは半導体表面が大気に露出している。
MOSFET2は複数の微小なユニットセルを集積しており、各ユニットセルがそれぞれMOSFETを構成している。MOEFET2において、各ユニットセルのゲート、ソースおよびドレインは、ゲート電極パッド10、ソース電極パッド9、ウェハ裏面のドレイン電極に接続されており、ユニットセルによって構成されるMOSFETが並列に接続されたパワートランジスタを構成している。また、ウェハの裏面に設けられたドレイン電極とウェハの表面に設けられたソース電極パッド9との間で電流が流れる縦型構造を備えている。
ウェハ状態のMOSFET2のオフ状態における耐圧を、図8に示す従来の耐圧測定装置200を用いて測定した。耐圧を測定する場合、ステージ201にMOSFET2が形成されたウェハ1を真空吸着等で固定し、ゲート電極パッド10およびソース電極パッド9にプローブ202および203を接触させる。MOSFET2はエンハンスメント型であり、ゲートとソースを接地電位にすることによって、MOSFET2はオフ状態となる。したがって、プローブ202および203を接地電位に設定する。図示しないウェハ裏面のドレイン電極はウェハ1を固定するステージ201を介して、測定装置200の電圧印加部204および電流測定部205に電気的に接続される。
電流測定部205でドレイン電流を測定しながら、電圧印加部204でドレイン電圧を少しずつ増加させ、ドレイン電流が所定の閾値電流を越えたときのドレイン電圧を耐圧と規定する。あるいは電流測定部205、電圧印加部204に代えて定電流源、電圧測定部を接続し、所定のドレイン電流を流したときのドレイン電圧を耐圧と定義してもよい。
図13はMOSFET2のオフ時(ゲート電圧Vg=0)のドレイン電流とドレイン電圧のIV特性を示した図である。設計耐圧は1400Vである。
図13から分かるように、ドレイン電圧が1100Vになるまでは、ドレイン電流はほとんど流れていない。しかし、ドレイン電圧が約1100Vに達すると電流が急激に流れ1μAに達した。このときIV測定器の電力リミッタが働き、印加電圧は600Vまで低下した。電流の急増は大気放電により、半導体素子が破壊されたためである。もう一度このMOSFET2のIV特性の測定を行ったところ、2度目のIV測定では数Vでも大きなリーク電流が流れてしまった(図示せず)。これは、大気放電による破壊によって、炭化珪素に大電流が流れ、これに伴う温度上昇により、半導体素子にリークパスが形成されたからだと思われる。
破壊に至ったMOSFET2を光学顕微鏡で観察したところ、素子の周辺部での破壊が認められた。具体的には図11に示すソース電極パッド9の保護膜開口端13aと、周辺のシールリングが変色し、AL配線が溶融した痕跡が見られた。
検討の結果、本願発明者は大気放電の原因を以下のように推論した。図12は図11に示すMOSFFET2のA−A’断面を矢印方向に見た図である。低抵抗のn型半導体基板14上に高抵抗のn型半導体ドリフト層15が形成されており、ドリフト層15の内部には選択的にp型半導体領域16が形成されている。ユニットセル内のp型半導体領域16の表面にはソース電極18が形成されており、各ユニットセルのソース電極18は、厚膜のソース電極パッド9によって互いに接続されている。ソース電極パッド9は上述したようにプローブ203と接触しており、すべてのソース電極18は接地電位に固定される。
n型半導体基板14はドレインとして機能し、この裏面に形成されたドレイン電極(裏面電極)20を介してドレイン電位に固定される。通常ドレイン電位は正電圧であるので、p型半導体領域16とn型半導体ドリフト層15との界面であるpn接合には逆バイアス電圧が印加される。このため、ドリフト層15には空乏層17が広がる。
ドリフト層15のうち空乏層17内部には電界が存在し、電位分布を生じるが、空乏層17以外の領域では電界が生じず、電位は同一である。すなわち、ドリフト層15の空乏層17以外の領域はドレイン電位となっている。
ドリフト層15の表面にはゲート絶縁膜21を介してゲート電極19が形成されている。さらに、ゲート電極19を覆うように層間絶縁膜12が設けられている。層間絶縁膜12上にはソース電極パッド9が位置しており、層間絶縁膜12に設けられた開口を介して、ソース電極パッド9がソース電極18と接続される。
ソース電極パッド9上には主にシリコン窒化膜やポリイミドからなる保護膜13が形成されている。保護膜13にはソース電極パッド9を露出させるために、開口端13aによって規定される開口が設けられている。
スクライブライン11は、ウェハ上に設けられた複数のMOSFET2を切断するための領域である。スクライブライン11上には、ゲート絶縁膜21、層間絶縁膜12および保護膜13が設けられておらず、半導体ドリフト層15の表面が大気に露出している。上述したようにドリフト層15は空乏層17以外、同電位になっているため、耐圧測定中、スクライブライン11の表面もドレイン電位となっている。ソース電極パッド9は接地電位であり、スクライブライン11はドレイン電位となって大気に露出されている。これらの電位差によって生じる電界は半導体内部だけでなく、大気にも印加されることになる。
このため、耐圧測定中、ドリフト層15およびn型半導体基板14の絶縁破壊電界よりも保護膜13の開口端13aからスクライブライン11の端部までの距離Lにおける大気の絶縁破壊電界が小さければ、ドレイン電位の上昇によって、ソース電極パッド9の開口端13aからスクライブライン11の端部まで大気を介して電流が流れる。この電流が流れると、開口端13aからスクライブライン11の端部間の大気と接した保護膜13表面の温度が急上昇する。これにより、ドリフト層15表面近傍のこれらの間にある素子構造が熱によって破壊され、低抵抗な導電性パスが形成され、MOSFET2として正しく機能しなくなる。
このように、ソース電極パッド9とドレイン電極パッド20との間に高い電圧が印加された場合に大気を介した放電が生じるのは、ウェハ状態でMOSFET2の耐圧を測定するからである。通常、個々のMOSFET2はパッケージに収められ、MOSFET2の表面はパッケージ樹脂が覆われるため、このように大気を介して電流が流れることはない。
表1は、シリコン、炭化珪素、大気およびパッケージ樹脂の絶縁破壊電界を示している。
表1に示すように、炭化珪素の絶縁破壊電界は、シリコンよりも1桁程度大きい。表1には示していないが、窒化ガリウムの絶縁破壊電界もシリコンよりも1桁程度大きいことが知られている。このように、ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンに比べ10倍程度、絶縁破壊電界が大きいため、理論的には、素子のサイズを小さくしても素子の耐圧を確保することができる。
しかし、大気の絶縁破壊電界はシリコンに比べ1桁ほど小さい。したがって、シリコンから炭化珪素へ半導体材料を変更することによって、より小型で耐圧の高い半導体素子を実現することができるが、素子表面が大気に接している状況では、半導体素子の耐圧測定によって大気を介した放電が、ウェハ状態での半導体素子の耐圧測定における問題となる。
特にウェハ状態では、半導体基板の表面が露出したスクライブラインが存在する。このため、図11および図12に示すように、ワイドバンドギャップ半導体を用いて半導体素子を作製し、素子サイズを小さくするほど、スクライブライン11の端部とソース電極パッド9の開口端部13aとの距離Lが短くなり、耐圧測定中の大気放電が生じやすくなる。
したがって、スクライブライン11が大気放電に関係している場合には、耐圧測定中、スクライブライン11を絶縁液で覆うことによって、スクライブライン11が大気に対して露出しなくなり、上述した大気放電は防止できると考えられる。
図11に示すMOSFET2では、耐圧測定中、ゲート電極パッド10とソース電極パッド9とが同電位に設定される。このため、これらの電極パッド間では高電位差は生じず、大気放電も生じない。しかし、半導体素子によっては(例えば、横型のパワーMOSFET)、耐圧測定中、ウェハ表面に形成された2つの電極で耐圧を測定することも考えられる。この場合、2つの電極間で大気を介して電流が流れる可能性もある。この場合には、大気に対し露出した2つの電極のうち少なくとも一方の電極を絶縁液で覆っておけば、2つの電極の少なくとも一方が大気に対して露出しないため、大気放電は防止できる。
つまり、ウェハ状態で半導体素子の耐圧を測定する場合、少なくとも耐圧を測定する1つ以上の大気に対して露出した電極または大気に対して露出したスクライブライン11を絶縁液で覆うことによって上述した大気放電の発生を抑制できる。特許文献1に開示されているように、ウェハの表面全体を絶縁液で覆う必要はない。また、このために絶縁液は、測定する素子に、測定直前に滴下すればよい。
これにより、ウェハのアライメントが困難となる問題や、ステージの移動によって絶縁液がこぼれたり、測定中に絶縁液が蒸発することによる問題も解決し得る。このような知見に基づき、本願発明者は以下において詳細に説明する耐圧測定装置および耐圧測定方法を発明した。
(第1の実施の形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による耐圧測定装置および耐圧測定方法の実施形態を説明する。
図1は、本発明の耐圧測定装置における第1の実施形態の主要部を模式的に示している。また図2は、第1の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の耐圧測定装置50は、ウェハ位置制御部51と、絶縁液吐出部52と、電圧印加部53と、電流測定部54、制御部55と、プローブ58および59とを備えている。制御部55は、ウェハ位置制御部51、絶縁液吐出部52、電圧印加部53および電流測定部54を制御する。
本実施形態では、半導体素子として、ウェハ上1に作製された複数の縦型パワーMOSFET2の耐圧を測定する。通常、ウェハ状態の半導体装置を検査する装置は、プローバーと呼ばれ、検査を行う半導体素子に応じて、耐圧以外に、閾値電圧、オン抵抗や順方向および逆方向I−V特性など種々の素子特性が検査される。本発明の耐圧測定装置は、このようなプローバーに好適に組み込むことができる。
ウェハ位置制御部51はステージ57を含む。ウェハ位置制御部51は、制御部55からの指令に基づき、例えば吸着によってウェハ1をステージ57に固定する。ステージ57は、制御部55からの指令、つまり制御信号により、例えば図1に示すように、X、Y、Zの三軸方向に移動可能である。さらにステージ57は、X−Y平面内でθ方向に回転することが可能である。
プローブ58および59は、図示しない架台に固定されており、ステージ57に固定されたウェハ1に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定するために、半導体素子に設けられた電極と接触し、電極と電気的に接続することによって、電極に電圧を印加したり、電流を流す。本実施形態では、プローブ58および59は、MOSFET2のゲート電極パッドおよびソース電極パッドに接触し、所定の電位に設定される。本実施形態では、MOEFET2の耐圧測定の際、ゲートおよびソースを接地電位に設定する必要があるため、2つのプローブ58および59を備えている。しかし、プローブの数は、測定する半導体素子の端子の数、耐圧測定時に電位を設定すべき端子数などに応じて決定され、1つあるいは3つ以上であってもよい。例えば、検査を行う半導体素子が縦型ダイオードである場合、ウェハ1の裏面がアノードまたはカソードとなり、ウェハ1の表面にカソード電極パッドまたはアノード電極パッドが形成される。この場合、ウェハ1の表面に設けられたカソード電極パッドまたはアノード電極パッドと接触する1つのプローブを耐圧測定装置は備えていればよい。
図3は、ウェハ1上に複数形成されたMOSFET2の平面図である。図11を参照して説明したように、各MOSFET2は、ソース電極パッド9とゲート電極パッド10とを備えており、ウェハの裏面が複数のMOSFET2に共通に接続されたドレイン電極(図示せず)になっている。各MOSFET2は隣接するMOSFET2とスクライブライン11によって分離されている。
MOSFET2は複数のユニットセルを含み、各ユニットセルがそれぞれMOSFETを構成している。MOEFET2において、各ユニットセルのゲート、ソースおよびドレインは、ゲート電極パッド10、ソース電極パッド9、ドレイン電極に接続されており、ユニットセルによって構成されるMOSFETが並列に接続されパワートランジスタを構成している。また、MOSFET2はウェハの裏面に設けられたドレイン電極とウェハの表面に設けられたソース電極パッド9との間で電流が流れる縦型構造を備えている。
プローブ58および59は、それぞれの先端がゲート電極パッド10およびソース電極パッド9と接触するように配置される。ステージ57の表面は、例えば、金などの導体で被覆されており、ウェハの裏面に設けられたドレイン電極と電気的に接続している。プローブ58および59およびステージ57の表面は、電圧印加部53および電流測定部54を含む耐圧測定部に接続されている。制御部55の指令に基づき、プローブ58および59は接地電位に固定され、ステージ57の表面にドレイン電圧が印加される。
絶縁液吐出部52は、ノズル56を有するディスペンサを含む。ノズル56は、図示しない架台に固定され、プローブ58および59に近接して配置されている。ディスペンサは、絶縁液を保持したタンクをさらに含み、制御部55からの指令に基づき、所定量の絶縁液60を吐出する。
図4は、図3に示すMOSEFET2のB−B’断面を示している。図3および図4に示すように、概略的に説明すれば、吐出する絶縁液60は、ウェハ1に形成された複数のMOSFET2のうち、これから測定するMOSFET2の測定において大気放電が生じないように、絶縁液60でウェハ1の表面の一部のみであるMOSFET2を覆う。具体的には、少なくともこれから測定するMOSFET2に設けられた耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を絶縁液60で覆う。本実施形態の場合、絶縁液60でソース電極パッド9およびゲート電極パッド10を覆う。より好ましくは、ソース電極パッド9およびゲート電極パッド10ならびに測定位置にあり、これから測定するMOSFET2(破線24で示している)を囲む大気に露出したスクライブライン11を絶縁液60で完全に覆うように絶縁液60の量が調整される。例えば、スクライブライン11の外周の大きさが、3mm×3mm程度である場合、絶縁液60の量は1〜2ml程度である。より好ましくは、絶縁液60の端はスクライブライン11を越えて隣接する素子にまで達している。これにより、確実に測定対象であるMOSFET2およびこれを囲むスクライブライン11が完全に絶縁液60で覆われる。このような条件を満たしている限り、絶縁液60は、測定位置にあるMOSFET2に隣接するMOSFET2も覆っていてもよい。
絶縁液60は、少なくとも大気よりも高い絶縁性を有している。例えば、大気の絶縁破壊電界よりも大きな絶縁破壊電界を持つ絶縁液を用いる。具体的には、フッ素系不活性液体(ハイドロフルオロエーテル、パーフルオロポリエーテルなど)やシリコンオイルなどを用いることが好ましい。例えば住友スリーエム社製のフロリナート(登録商標)FC40は0.18MV/cmの絶縁破壊電界を有している。この値は、大気の絶縁破壊電界の6倍である。
絶縁液の絶縁性を示す指標として絶縁耐力を用いてもよい。絶縁耐力は、2.54mmのギャップを設けた電極間に印加可能な電圧で定義される。上述のフロリナートFC40の0.18MV/cmという絶縁耐力は、46kV/2.54mmである。またパーフルオロエーテルであるソルベイ ソレクシスカ社製 ガルデン(登録商標)も40kV/2.54mmという大気の6倍程度の絶縁耐力を有している。
絶縁液60は、耐圧測定の際、測定中のMOSFET2を覆っていればよい。絶縁液60でMOSFET2を覆った後、プローブ58および59をゲート電極パッド10およびソース電極パッド9に接触させてもよいし、プローブ58および59をゲート電極パッド10およびソース電極パッド9に接触させた後、そのMOSFET2を絶縁液60で覆ってもよい。ただし、絶縁液60の粘性が高く、プローブ58および59をゲート電極パッド10およびソース電極パッド9に先に接触させると、絶縁液60の回り込みにくく、これらのパッドを完全に絶縁液60で覆えなくなる可能性がある場合には、プローブ58および59の接触の前に絶縁液60でMOSFET2を覆うことが好ましい。フッ素系不活性液体の粘性は一般に低いため、プローブ58および59の接触と絶縁液60の吐出はいずれが先であってもよい。
絶縁液60としてフッ素系不活性液体を用いる場合、粘度が低いため、圧力をかけて吐出量を調整するタイプのディスペンサを用いることは一般には難しい。この場合には、ディスペンサはエアーバルブを備え、バルブの開閉によって吐出を制御することが好ましい。エアーバルブはエアーの圧力により、ニードルバルブを開閉し、定量の液体を吐出する。エアーはディスペンサコントローラから供給される。ディスペンサコントローラは制御部55からのトリガ信号によってあらかじめ設定された圧力と時間でエアーをニードルバルブに供給する。この圧力と時間を調整することによって吐出量を調整することが可能である。低粘度の液体を長距離飛ばすことは難しく、むしろ、測定すべきMOSEFT2の直上から自然落下させることが好ましい。このため、ノズル56は測定すべきMOSFET2の概ね真上に位置することが好ましい。より具体的には、ノズル56から定量吐出された絶縁液60が、測定すべきMOSFET2およびこれを囲むスクライブライン11の全体を自然に覆うことができるように、ノズル56は概ね測定すべきMOSFET2の中心上にあることが好ましい。
次に図1〜図4および図5を参照しながら本実施形態による耐圧測定方法を説明する。
まず、図1には図示しないウェハカセットからウェハ1を取り出し、ステージ57にロードする(S101)。
次に、ウェハ1のアライメントを行う。図示しないCCDカメラを用いてウェハ1上の2つ以上の離れたアライメントマークを読み込んで、X−Y平面におけるロードされたウェハ1の方位を決定する。決定した方位から、ウェハ1に形成された複数のMOSFET2の配列の方向と、ステージ57の移動方向とが一致するように、ステージ57をθ方向に回転させる(S102)。
さらに、あらかじめ制御部55に記憶させた各MOSFET2のウェハ1上における座標および測定順に基づき、制御部55からの制御信号によって、ウェハ位置制御部51がステージ57を移動させ、測定順で指定されたMOSFET2をプローブ58および59が接触できる測定位置に移動させる(S103)。
次に、制御部55の指令に基づき、絶縁液吐出部52がウェハ1の測定位置に位置しているMOSFET2に絶縁液60を吐出する。上述したように、少なくとも、測定位置にあるMOSEFET2における耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を絶縁液60で覆う。好ましくは、絶縁液60で測定位置にあるMOSFET2およびこれを囲む大気に露出したスクライブライン11を完全に覆う(S104)。
次に、ステージ57をZ方向に上昇させることにより、プローブ58および59の先端を絶縁液60で覆われたMOSFET2のゲート電極パッド10およびソース電極パッド9にそれぞれ接触させる(S105)。ゲート電極パッド10とソース電極パッド9はそれぞれプローブ58および59を介して接地電位に固定される。上述したように、絶縁液60の吐出(S104)の前に、プローブ58および59をゲート電極パッド10およびソース電極パッド9に接触させてもよい(S105)。
次に、耐圧測定を行う(S106)。制御部55は耐圧測定部である電流測定部54と電圧印加部53に制御信号を送り、電流測定部54によってステージ57に流れる電流(これはMOSFET2のドレイン電流となる)を測定しながら、電圧印加部53によってステージ57のドレイン電位を徐々に増加させる。ドレイン電流が閾値(例えば1mA)を越えた時点でのドレイン電圧を耐圧とし、制御部55がそのときの電圧印加部53が印加した電圧を記憶する。例えばドレイン電圧の印加は50V/s程度のレートで上昇させればよい。
耐圧測定が終了したら、ウェハ位置制御部51は、ステージ57を下降させ、プローブ58および59をゲート電極パッド10およびソース電極パッド9から離間させる(S107)。
直前に測定したMOSFET2がウェハ1における測定すべき最後MOSFET2でなければ(S108)、次の測定順に指定されているMOSFET2が測定位置に来るように、制御部55の指令に基づき、ウェハ位置制御部51がステージ57を移動させる(S103)。その後、絶縁液60の吐出(S104)、プローブ58および59の接触(S105)、耐圧測定(S106)、プローブ58および59の離間(S107)を繰り返す。
測定したMOSFET2が測定順で指定される最後のMOSFET2である場合(S109)には、そのウェハ1における測定を終了し、ウェハをアンロードする。次の別のウェハ1をロードして、そのウェハ1に対して上述の手順(S101からS109)を繰り返す。カセットに収納された最後のウェハ1の測定が終了したら、全工程を終了する。なお、測定後、ウェハ1の表面に絶縁液60が残っている場合には、例えば、窒素ガスを吹きつけて、絶縁液60をウェハ1の表面から除去してもよい。
図6は、図1および図2に示す耐圧測定装置を用い、上述した本実施形態の耐圧測定方法により、炭化珪素パワーMOSFETの耐圧を測定した結果を示している。図6には、12個の炭化珪素パワーMOSFETのIV特性(ドレイン電流とドレイン電圧との関係)を示している。従来では、図13に示すように、大気放電が生じ、放電によって破壊した素子の抵抗は急激に低下するため、電圧が急激に低くなるIV特性を示す。また、再度測定すると同じIV特性は再現せず、低い電圧で電流が流れてしまっていた。
本実施形態の耐圧測定方法によれば、電流が流れ始めても電圧が下がることはなく半導体内部のいわゆるアバランシェ電流が流れていることが分かる。また、再度測定しても同じIV特性が再現性よく得られた。したがって、大気放電でなく本来の半導体素子の耐圧が測定できているといえる。なお、この測定ではドレイン電流の閾値を1μAとした。
このように本発明によれば、少なくとも測定を行う半導体素子の耐圧を測定する電極を絶縁液で覆うので、耐圧測定中に大気放電が起こることなく、ウェハ状態で各半導体素子の耐圧を測定することが可能となる。またチップ状態に切離すことなく、ウェハ上に規則正しく並んだ状態で測定するので、効率的な測定が可能である。
また、本発明ではウェハ全体を絶縁液に浸漬しないため、ステージ全体を浸漬させる大型の槽を必要とせず、ディスペンサなどの小型の絶縁液吐出部を追加するだけでよい。
また、ウェハの表面全体を絶縁液で覆わず、素子を測定するたびに必要な領域のみを絶縁液で覆うため、ステージが移動することによって絶縁液がこぼれたりすることがない。また、耐圧測定の直前にウェハ上に絶縁液が供給されるので、耐圧測定時に絶縁液が蒸散していることがない。
また、ウェハのアライメントマークは絶縁液で覆われないため、耐圧測定装置におけるウェハの位置あわせを確実に行うことができる。
なお、本実施の形態では耐圧測定部は、電圧印加部53によりドレイン電圧を印加しながら電流測定部54によりドレイン電流を測定している。しかし、耐圧測定部は、電流印加部(例えば定電流源)および電圧測定部を備え、電流印加部により一定電流を印加して、このときのドレイン電圧を測定して耐圧としてもよい。耐圧測定部は、電流印加部と電圧印加部とを備えていてもよい。
また、本実施形態では、ウェハ位置制御部51がステージ57を移動させることにより、ウェハ1に形成された半導体素子の電極パッドをプローブ58および59に接触させ、また、絶縁液60を吐出するノズル56に近接させていた。しかし、プローブ58および59およびノズル56を測定すべき半導体素子の位置に移動させ、プローブ58および59を半導体素子の電極パッドに接触させてもよい。
(第2の実施の形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による耐圧測定装置および耐圧測定方法の他の実施形態を説明する。
本実施形態は、耐圧を測定すべき半導体素子が横型パワーMOSFETである点で第1の実施形態と異なっている。横型パワーMOSFETでは、ウェハの表面にゲート電極パッド、ドレイン電極パッドおよびソース電極パッドが形成されている。このため、横型パワーMOSFETの耐圧を測定する場合、耐圧測定装置は、3つのプローブを備えている。
図7は、耐圧測定装置のステージに固定されたウェハ1に形成された複数の横型パワーMOSFET2’の平面図である。各横型パワーMOSFET2’は、ゲート電極パッド42、ソース電極パッド44およびドレイン電極パッド46を備えている。本実施形態の耐圧測定装置は、プローブ58および59、62を備えており、プローブ58および59、62が、ゲート電極パッド42、ソース電極パッド44、ドレイン電極パッド46にそれぞれ接触する。絶縁液60は、測定すべきMOSFET2’の耐圧を測定する1つ以上の大気に露出した電極を覆っている。
プローブ58および59を接地電位に固定し、プローブ59に流れる電流(ソース電流)またはプローブ62に流れる電流(ドレイン電流)を測定しながら、プローブ62に電圧(ドレイン電圧)を印加していき、ドレイン電流またはソース電流がある所定の値に達したときのプローブ59とプローブ62間の電圧(ドレイン―ソース電圧)を耐圧とする。その他の耐圧測定装置の構成および耐圧の測定手順は第1の実施形態と同じである。
本実施形態によれば、第1の実施形態と同様、ウェハ状態で横型パワーMOSFETの耐圧を正しく測定することが可能となる。このため、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
以上、第1の実施形態および第2の実施形態では、縦型パワーMOSFETおよび横型パワーMOSFETの耐圧測定を例に挙げて本発明を説明した。しかし、本発明はこれらの半導体素子に限らず、様々な半導体素子をウェハ状態で測定することが可能である。例えば、ウェハに複数形成されたショットキーダイオードの耐圧を測定する場合は、1つのプローブを用い、プローブとステージ間に例えば電圧を印加する。この場合にも、絶縁液吐出部によって測定を行うショットキーダイオードのみ、つまり、ウェハ表面の一部のみが絶縁液で覆われる。このため、耐圧測定時に絶縁液が蒸散したり、ステージの移動に伴う振動によって絶縁液がこぼれることなく、耐圧測定時の大気放電を防止することができる。したがって、ウェハ状態のショットキーダイオードの耐圧を正しく測定することができる。同様に、IGBT、バイポーラトランジスタ、JFET、SITなどのパワーデバイスにも本発明を好適に用いることができる。
また、第1の実施形態および第2の実施形態では炭化珪素半導体素子を例に挙げて本発明を説明した。上述したように、GaNなど他のワイドバンドギャップ半導体からなるパワー半導体素子においてもチップサイズの縮小に伴って、同様の問題が生じるため、本発明はGaNなど他のワイドバンドギャップ半導体からなるパワー半導体素子にも好適に用いることができる。
本発明によれば、大気放電を起こすことなくウェハ状態にある種々のパワーデバイスの耐圧測定を効率よく行うことができる。このため、本発明は、高耐圧を有するパワーデバイスの検査工程に好適に用いられる。
1 ウェハ
2 半導体素子
9 ソース電極パッド
10 ゲート電極パッド
11 スクライブライン
12 層間絶縁膜
13 保護膜
13a 開口端部
14 基板
15 n型半導体ドリフト層
16 p型半導体領域
17 空乏層
18 ソース電極
19 ゲート電極
21 ゲート絶縁膜
50 耐圧測定装置
51 ウェハ位置制御部
52 絶縁液吐出部
53 電圧印加部
54 電流測定部
55 制御部
56 ノズル
57 ステージ
58、59 プローブ
60 絶縁液
本発明の耐圧測定方法は、ウェハ表面に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定方法であって、ステージに前記ウェハを固定する工程(A)と、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記複数の半導体素子から選ばれる1つの半導体素子に設けられた、耐圧を測定する大気に露出した1つ以上の電極を絶縁液で覆い、かつ、プローブと接触させる工程(B)と、前記絶縁液で覆われ、かつ、前記プローブと接触した前記1つ以上の電極および前記ステージ表面から選ばれる2つの間の耐圧を測定する工程(C)とを包含する。
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)は、前記1つの半導体素子の前記耐圧を測定する大気に露出した1つ以上の電極にプローブを接触させる工程(B1)と、前記工程(B1)の後、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記1つの半導体素子に設けられた、前記大気に露出し、プローブと接触した1つ以上の電極を絶縁液で覆う工程(B2)とを含む。
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)は、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記1つの半導体素子に設けられた前記耐圧を測定する大気に露出した1つ以上の電極を絶縁液で覆う工程(B3)と、前記工程(B3)の後、前記1つの半導体素子の前記絶縁液で覆われた1つ以上の電極にプローブを接触させる工程(B4)とを含む。
本発明の耐圧測定装置は、ウェハ表面に形成された複数の半導体素子の耐圧を測定する耐圧測定装置であって、制御部と、少なくとも1つのプローブと、前記ウェハを固定するステージを含み、前記制御部からの指令に基づき、前記ステージに固定したウェハの前記複数の半導体素子のうち、選択した1つの半導体素子に設けられた耐圧を測定する1つ以上の電極と、前記少なくとも1つのプローブとが接触可能なように前記ステージを移動させるウェハ位置制御部と、前記制御部からの指令に基づき、前記ウェハ表面の一部のみであって、少なくとも前記選択した1つの半導体素子の大気に露出した前記1つ以上の電極を絶縁液で覆うように絶縁液を吐出する絶縁液吐出部と、前記制御部からの指令に基づき、前記少なくとも1つのプローブおよび前記ステージ表面から選ばれる2つの間の耐圧を測定する電圧印加部とを備える。