CN111279173B - 半导体装置的试验方法及半导体装置的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体装置的试验方法，该半导体装置形成了在形成有元件的基板晶片(1)和与所述基板晶片(1)相对地设置的盖晶片(3)之间具有气密空间(7)的封装件，该半导体装置的试验方法包含下述工序：水分赋予工序，在将所述半导体装置暴露于高湿环境之后进行冷却；以及泄漏判别工序，通过向在所述基板晶片(1)形成的元件(4)供给电力，对所述半导体装置产生的声波进行检测而判别所述封装件的泄漏。

Description

半导体装置的试验方法及半导体装置的制造方法

技术领域

本发明涉及晶片级芯片尺度封装件(WL-CSP)构造的半导体装置的气密性评价。

背景技术

半导体装置的气密性评价是通过被通称为精密泄漏试验的方法而进行评价的，该精密泄漏试验是在制作器件后，将其暴露于以数个大气压进行了加压的氦气气氛，向气密性差的器件注入氦气之后，通过氦气检测器而对侵入的氦气进行评价(例如参照专利文献1)。就该方法而言，由于氦气加压、检测需要数个小时，因此难以个别地对器件进行评价，需要集中几十至几百个器件而进行评价。因此，在发现了泄露时，需要将检查批次集中废弃，或者以每次较少的量对器件进行分割而多次进行评价，存在检查耗费时间的问题。另外，在半导体器件为晶片级芯片尺度封装件的情况下，与通常的电子器件的封装件相比，容积小，被注入的氦气的量少，因此存在无法充分地得到泄漏的检测灵敏度的问题。

另外，作为对耐湿性进行试验的方法，存在一边使器件工作一边将器件暴露于高温高湿气氛，根据器件特性的变化来检测泄漏的方法(例如专利文献2)。根据该方法，为了在高温高湿状态下向各器件通电，需要复杂构造的评价装置，存在检测需要数日以上的问题。

专利文献1：日本特开2004-23054号公报

专利文献2：日本特开2010-245348号公报

发明内容

如上所述，根据精密泄漏试验，检查耗费时间，另外，在应用于晶片级芯片尺度封装件的情况下，有可能无法充分地得到泄漏的检测灵敏度，检查精度变差。另外，专利文献2的方法也存在检查耗费时间的问题。

本发明就是为了解决上述这样的问题而提出的，其目的在于提供检查所需的时间短、在应用于晶片级芯片尺度封装件的情况下泄漏的检测灵敏度高的半导体装置的试验方法。

在本发明涉及的半导体装置的试验方法中，该半导体装置形成了在形成有元件的基板晶片和与基板晶片相对地设置的盖晶片之间具有气密空间的封装件，该半导体装置的试验方法包含下述工序：水分赋予工序，在将半导体装置暴露于高湿环境之后进行冷却；以及泄漏判别工序，通过向在基板晶片形成的元件供给电力，对半导体装置产生的声波进行检测而判别封装件的泄漏。

发明的效果

根据本发明，就晶片级芯片尺度封装件的泄漏试验而言，能够进行时间短、精度高的试验。

附图说明

图1是用于对本发明的实施方式1涉及的半导体装置的试验方法进行说明的半导体装置的剖面图。

图2是表示半导体装置的制造方法的流程图，该半导体装置的制造方法包含本发明的实施方式1涉及的半导体装置的试验方法。

图3是用于对本发明的实施方式1涉及的半导体装置的试验方法进行说明的另一个半导体装置的剖面图。

图4是用于对本发明的实施方式2涉及的半导体装置的试验方法进行说明的半导体装置的剖面图。

图5是表示半导体装置的制造方法的流程图，该半导体装置的制造方法包含本发明的实施方式2涉及的半导体装置的试验方法。

图6是用于对本发明的实施方式2涉及的半导体装置的试验方法进行说明的线图。

图7是用于对本发明的实施方式3涉及的半导体装置的试验方法进行说明的半导体装置的剖面图。

图8是表示半导体装置的制造方法的流程图，该半导体装置的制造方法包含本发明的实施方式3涉及的半导体装置的试验方法。

图9是用于对本发明的实施方式4涉及的半导体装置的试验方法进行说明的半导体装置的剖面图。

图10是表示半导体装置的制造方法的流程图，该半导体装置的制造方法包含本发明的实施方式4涉及的半导体装置的试验方法。

图11是用于对本发明的实施方式5涉及的半导体装置的试验方法进行说明的半导体装置的剖面图。

图12是表示半导体装置的制造方法的流程图，该半导体装置的制造方法包含本发明的实施方式5涉及的半导体装置的试验方法。

具体实施方式

实施方式1.

图1是用于使用作为试验对象的半导体装置100的剖面图对本发明的实施方式1涉及的半导体装置的试验方法进行说明的图。在由GaAs构成的基板晶片1之上，例如形成有高频放大用晶体管4。在图1中，作为晶体管4，以具有源极S、漏极D、栅极G的FET为例而进行图示。晶体管4不限于FET，另外，也可以是晶体管以外的半导体元件，还可以是集成电路，只要是形成于基板晶片1之上的元件，则可以是任意元件。另外，大多形成有将元件间电连接的电路。盖晶片3与基板晶片1相对地设置，以使得通过由GaAs构成的盖晶片3和由金形成的封装框2而在形成有晶体管4的区域形成确保了气密性的气密空间7。在盖晶片3，为了向晶体管4供电而形成有贯通的通路孔(V/H)5。在通路孔5连接有用于从外部供电的电极焊盘6。上述结构的半导体装置100被分类为所谓的被称为晶片级芯片尺度封装件(也被称为晶片级芯片尺寸封装件)的半导体装置。

就实施方式1涉及的半导体装置的试验方法而言，使半导体装置100的元件工作而使内部的温度上升，对由半导体装置产生的声波进行检测，由此对在半导体装置100的气密空间7中是否含有水分20进行试验。以下，通过包含半导体装置的制造方法而示出的图2的流程图对试验方法的详情进行说明。

在GaAs等单晶材料的基板晶片1之上通过通常的器件制作工艺而制作晶体管4、电路(步骤ST1)。此时，在基板晶片1之上另行制作气密封装用封装框2(步骤ST1)。将步骤ST1称为元件形成工序。该封装框2例如通过金颗粒的集合体、蒸镀或溅射、镀敷而形成。为了提高附着性，大多不仅层叠金，还层叠Ti、Cr、Pt、Pd等膜。然后，将由与基板晶片1类似的GaAs等单晶材料构成的盖晶片3在氮气气氛中在300℃左右的高温下粘贴(步骤ST2)。在盖晶片3，为了将电极向外部引出，预先形成有通路孔5、贯通电极50和电极焊盘6。在图1中，示出了从盖晶片3将电极引出的例子，但也可以在基板晶片1形成贯通电极。将如上所述以构成多个在基板晶片1与盖晶片3之间具有由封装框2封装的气密空间7的封装件的方式而制作的半导体装置，通过切割或划线而以每个封装件为单位进行单片化(步骤ST3)。将步骤ST2及步骤ST3称为封装件形成工序。

将单片化后的封装件暴露于高湿环境(步骤ST4)。这里的高湿环境是指相对湿度大于或等于80％的环境。作为标准的暴露条件，是指例如在85℃/85％(温度/相对湿度)下暴露约一日，或在130℃/85％下暴露2小时左右。通常，就晶片级芯片尺度封装件而言，难以确保封装框2与基板晶片1、盖晶片3之间的密接性，有时无法充分地得到气密性。在气密性差的情况下，在器件的使用过程中水分从外部环境侵入至封装件内的气密空间7，水分与晶体管4反应，由此诱发晶片的氧化、电极的腐蚀、金属的离子迁移等，引起器件的劣化。因此，确保气密性是重要的课题。

就实施方式1涉及的半导体装置的试验方法而言，作为气密性试验，首先，暴露于高湿环境，有意地加速地将水分从泄漏部分注入至封装件内。此时，在存在泄漏的封装件的情况下，内部水分量增加。在暴露于高湿环境之后，进行冷却(步骤ST5)，从而在存在泄漏的封装件中，如图1所示，在基板晶片1及盖晶片3的内表面凝结而形成水膜21。这里，将步骤ST4及ST5称为水分赋予工序。然后，为了使在基板晶片1形成的元件即晶体管4工作而供给电力(步骤ST6)。如果使晶体管4工作，则温度上升，水膜21蒸发，内部压力急剧增加。由于该急剧的内压增加，基板晶片1及盖晶片3微妙地弹性变形，伴随该变形而产生微弱的声音。通过高灵敏度传声器9而对该声波进行检测(步骤ST7)，由此能够判定内部水分的有无，以非破坏的方式个别地判别封装件泄漏(步骤ST8)。在图1中示出了对在空气中传播的声波进行测定的结构，但也可以在盖晶片3或基板晶片1直接安装高灵敏度传声器9而对声音进行检测。将步骤ST6至步骤ST8称为泄漏判别工序。

在实施方式1中，将由温度上升引起的水分的压力上升作为声音而进行检测。就化合物半导体器件、特别是功率大于或等于1mW的高频放大用晶体管而言，由于通常进行模拟动作，因此晶体管发热。温度上升达到约10℃至200℃。该温度上升能够通过动作偏置而自由地调整。如上所述，由于急剧地上升的内压而使晶片膨胀，挤压外部空气，由此产生声压。尽管是非常微小的声波，但如果使用高灵敏度的传声器则能够充分地检测。例如，在对半导体的缺陷密度进行测定的光声分光法中使用的高灵敏度传声器是能够对由于电子-空穴对的复合而产生的声波进行检测这种程度的传声器，如果使用这样的传声器，则容易对本发明的声波进行检测。

对于现有的陶瓷、金属、树脂封装件也能够进行相同的检测，但陶瓷、金属材料是多晶的集合体，并且在更多情况下，考虑密接性、机械强度、热膨胀系数而设为层叠构造或复杂的构造，因此，认为如果从微观上看，有时声音的传播速度局部地不同而难以准确地对所产生的声波的变动进行检测。在使用GaAs等单晶材料作为封装件材料的情况下，声音的传播速度是单一的，速度也能够准确地推定，因此能够明确地检测出声音的产生。因此，优选盖晶片3由单晶材料构成。特别地，在后述的实施方式2的对声波的传播速度之差进行检测的方法中，声波的传播速度的波动是致命的，封装件使用单晶材料的必要性高。

在图1中，示出了通过封装框2而形成空间的晶片级芯片尺度封装件的例子，但如图3所示，也能够应用于通过基板晶片1和形成有凹陷的盖晶片3而形成气密空间7、或者通过盖晶片和形成有凹陷的基板晶片而形成气密空间等其它形状的晶片级芯片尺度封装件。这样，只要是形成了在形成有元件的基板晶片和与基板晶片相对地设置的盖晶片之间具有气密空间的封装件的半导体装置，就能够应用。

实施方式2.

图4是用于使用作为试验对象的半导体装置100的剖面图对本发明的实施方式2涉及的半导体装置的试验方法进行说明的图。另外，图5是包含半导体装置的制造方法而示出的流程图。半导体装置100与图1所示的半导体装置相同。在本实施方式2中，通过在使晶体管工作时产生的声音的传播速度的差异而判定内部水分的有无，判别封装件的泄漏。

图5的流程图所示的步骤ST1至步骤ST4与实施方式1相同。通过与实施方式1同样地暴露于高湿环境(步骤ST4)，水分被注入至存在泄漏的封装件。这里，将步骤ST4称为水分赋予工序。然后，为了使在基板晶片1形成的元件即晶体管4工作而供给电力(步骤ST6)。通常，就在GaAs等化合物半导体材料的基板晶片形成的器件、特别是功率大于或等于1mW的高频放大用晶体管而言，通过脉冲式地供给电力，从而晶体管4以微秒级发生温度上升。由于该温度上升，晶体管周围的气体膨胀而成为声波进行传播。到达盖晶片3的声波使盖晶片3变形，其振动传播至晶片外部而成为声波，能够通过高灵敏度传声器进行检测。

图6示出使晶体管工作时的检测声的随时间的变化。例如，在干燥空气0℃的条件下，声波的传播速度即声速约为331m/s，从晶体管工作开始起，稍微延迟后由传声器检测到声波。在含有水蒸气的潮湿气体中声速变快。在极端的例子中，在100℃的干燥空气中声速为405m/s，但在100℃、湿度100％时声速为477m/s。如果将干燥气氛的声速设为c，则湿气氛的声速c'能够由下式计算。

【式1】

其中，p是水蒸气压，H是气压，γ_w是水蒸气的恒压比热与恒容比热之比，γ是干燥空气的恒压比热与恒容比热之比。

能够根据该关系式和封装件形状来推定水蒸气量。如图6所示，在湿气氛中，与干燥气氛相比，可更早地观测到声波，因此能够将不包含水分的封装件作为基准封装件，针对基准封装件与作为试验对象的封装件对检测到声波为止的时间进行测定，根据检测到声波为止的时间差Δt来估算内部水蒸气量。晶体管工作、检测到声波为止的时间大约小于或等于几微秒到几毫秒。此时，如果湿度不同，则产生最大约20％的声速的差异，因此容易根据与基准封装件之间的时间差来求出湿度。这样，根据本实施方式，不止泄漏的有无，还能够简便地推定泄漏率(leak rate)。

另外，通过多次脉冲而使晶体管工作，针对每个脉冲，测定从脉冲的上升至检测到声音为止的时间，进行例如求出所测定的时间的平均值或忽略由噪声引起的不准确的测量值等处理，由此能够实现更高精度的试验。

此外，也可以与实施方式1同样地在注入水分之后，将封装件冷却至凝结条件而形成水膜，然后使晶体管工作。由于在凝结状态下，封装件内的湿度保持在100％，因此就存在泄漏的封装件而言声速变快，至检测到声波为止的时间变短。在形成水膜之后使晶体管工作的情况下，有时如在实施方式1中说明的那样，通过由晶体管的发热所带来的热量所引起的水膜的爆发性的蒸发而产生声音，但该声音是在封装件的温度上升之后产生的。因此，该声音从开始向晶体管供给电力起以一定程度延迟而产生。另一方面，就在本实施方式2中进行检测的通过由晶体管本身的温度上升引起的晶体管周边的气体的膨胀而产生的声音而言，由于晶体管的热容小，因此在刚开始对晶体管供给电力之后就产生。这样，在实施方式2中说明的声音与在实施方式1中说明的声音相比更早产生，因此能够区分两者的声音。

实施方式3.

图7是用于通过作为试验对象的半导体装置100的剖面图而对本发明的实施方式3涉及的半导体装置的试验方法进行说明的图。另外，图8是包含半导体装置的制造方法而示出的流程图。半导体装置100与图1所示的半导体装置相同。

与实施方式1同样地，在制作封装件之后，暴露于高湿环境，从而将水分注入至存在泄漏的封装件，进行冷却而形成水膜，然后，使晶体管工作而使晶片振动，到此为止(步骤ST1～ST6)与实施方式1相同。在本实施方式3中，如图7所示，通过悬臂90而测量晶片的振动(步骤ST72)。悬臂90例如使用在原子力显微镜中所使用的探针。该探针具有即使1个原子水平的变动也能够充分地检测的灵敏度，因此即使是晶片的微小的变动也能够灵敏度良好地检测。通过该振动的检测而判断水分的有无，从而判别泄漏(步骤ST82)。

在图8中，示出了进行在实施方式1中所说明的声音的检测的例子，但由悬臂90进行的测定也能够应用于实施方式2。即，只要使用悬臂90而测定从晶体管开始工作起至测量到振动为止的时间即可。

实施方式4.

图9是用于使用作为试验对象的半导体装置100的剖面图而对本发明的实施方式4涉及的半导体装置的试验方法进行说明的图。另外，图10是包含半导体装置的制造方法而示出的流程图。半导体装置100与图1所示的半导体装置相同。

与实施方式1同样地，在制作封装件之后，暴露于高湿环境，从而将水分注入至存在泄漏的封装件，进行冷却而形成水膜，然后，使晶体管工作而使晶片振动，到此为止(步骤ST1～ST6)与实施方式1相同。在实施方式4中，如图9所示，通过光检测器92而对来自例如激光器这样的光源91的光93由盖晶片3的表面反射后的光94进行测定。由于盖晶片3振动，在光检测器92的位置处反射光发生移位，因此根据反射光的移位而检测盖晶片3的振动(步骤ST73)。通过反射光的移位实现的方法被用作在原子力显微镜中高精度地检测悬臂的变动量的方法，但在本发明中，用于直接检测晶片的振动。认为在封装件由通常的陶瓷或树脂构成的情况下，有时光发生散射，难以高灵敏度地检测反射光的移位。在封装件由单晶材料构成的情况下，由于表面为半导体镜面，因此平坦性良好，反射光的移位也能够高精度地检测。因此，优选盖晶片3由单晶材料构成。通过该振动的检测而判断水分的有无，判别泄漏(步骤ST83)。

在图10中，示出了进行在实施方式1中所说明的声音的检测的例子，但通过反射光的移位而检测振动的方法也能够应用于实施方式2。即，只要通过测定反射光的移位而测定从晶体管的工作开始起至测量到振动为止的时间即可。

实施方式5.

图11是用于使用作为试验对象的半导体装置200的剖面图而对本发明的实施方式5涉及的半导体装置的试验方法进行说明的图。另外，图12是包含半导体装置的制造方法而示出的流程图。在实施方式1中，在暴露于高湿环境时，为了使水分侵入至各个封装件，需要通过切割等而以每个封装件为单位切断成单片。如果不进行单片化，则各封装件的周围被其它封装件包围，因此无法从外部供给水分。在实施方式5中，在粘贴了盖晶片(步骤ST2)之后，在各个封装件的与相邻的封装件之间处的位置的盖晶片3形成贯通孔14，以使得能够从外部向每个封装件供给水分(步骤ST31)。然后，暴露于高湿环境(步骤ST4)。水分通过该贯通孔14而被供给至各封装件。

就晶片级芯片尺度封装件而言，在几英寸的1片晶片形成几百至几万个封装件。如果通过切割或划线而单片化为各封装件，则后续工序的处理、测定变得繁杂。在实施方式5中，由于能够从贯通孔14向各封装件供给水分，因此不需要进行单片化，能够在晶片的状态下进行评价，处理容易且工序变得简便。

在图12中，作为在暴露于高湿环境之后对声音进行检测而判别泄漏的方法，以实施方式1的方法为例而示出，但对于图11所示的半导体装置，在实施方式1～4中说明的所有试验方法当然都能够应用。

本发明能够在本发明的范围内对各实施方式进行组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。

标号的说明

1基板晶片，3盖晶片，4晶体管(元件)，7气密空间，20水分，21水膜，100、200半导体装置。

Claims (24)

1.一种半导体装置的试验方法，该半导体装置形成了在形成有元件的基板晶片和与所述基板晶片相对地设置的盖晶片之间具有气密空间的封装件，

该半导体装置的试验方法的特征在于，包含下述工序：

水分赋予工序，在将所述半导体装置暴露于高湿环境之后进行冷却；以及

泄漏判别工序，通过向在所述基板晶片形成的元件供给电力，对所述半导体装置产生的声波进行检测而判别所述封装件的泄漏。

2.根据权利要求1所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

所述盖晶片由单晶材料构成。

3.根据权利要求1所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

在所述泄漏判别工序中，供给电力的元件是高频放大用晶体管。

4.根据权利要求2所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

在所述泄漏判别工序中，供给电力的元件是高频放大用晶体管。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

通过传声器而进行所述声波的检测。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

使用悬臂而对所述盖晶片的振动进行检测，由此进行所述声波的检测。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

将光照射至所述盖晶片的表面，根据由所述盖晶片的表面反射出的反射光的移位而检测所述盖晶片的振动，由此进行所述声波的检测。

8.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包含下述工序：

元件形成工序，在基板晶片形成元件；

封装件形成工序，与所述基板晶片相对地设置盖晶片，形成在存在所述元件的区域具有气密空间的封装件；以及

通过所述权利要求1至7中任一项所述的半导体装置的试验方法而判别所述封装件的泄漏的工序。

9.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，

在所述封装件形成工序中，包含针对1片所述基板晶片而形成多个封装件，以每个封装件为单位进行单片化的工序。

10.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，

在所述封装件形成工序中，包含如下工序：针对1片所述基板晶片而形成多个封装件，在各个封装件的与相邻的封装件之间处的所述盖晶片形成贯通孔。

11.一种半导体装置的试验方法，该半导体装置形成了在形成有元件的基板晶片和与所述基板晶片相对地设置的盖晶片之间具有气密空间的封装件，

该半导体装置的试验方法的特征在于，包含下述工序：

水分赋予工序，将所述半导体装置暴露于高湿环境；以及

泄漏判别工序，向在所述基板晶片形成的元件供给电力，对所述半导体装置产生的声波进行检测，通过从开始向所述元件供给电力起至检测到所述声波为止的时间而判别所述封装件的泄漏。

12.根据权利要求11所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

在所述水分赋予工序中，包含在将所述半导体装置暴露于高湿环境之后进行冷却的工序。

13.根据权利要求11所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

所述盖晶片由单晶材料构成。

14.根据权利要求12所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

所述盖晶片由单晶材料构成。

15.根据权利要求11所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

在所述泄漏判别工序中，供给电力的元件是高频放大用晶体管。

16.根据权利要求12所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

在所述泄漏判别工序中，供给电力的元件是高频放大用晶体管。

17.根据权利要求13所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

在所述泄漏判别工序中，供给电力的元件是高频放大用晶体管。

18.根据权利要求14所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

在所述泄漏判别工序中，供给电力的元件是高频放大用晶体管。

19.根据权利要求11至18中任一项所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

通过传声器而进行所述声波的检测。

20.根据权利要求11至18中任一项所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

使用悬臂而对所述盖晶片的振动进行检测，由此进行所述声波的检测。

21.根据权利要求11至18中任一项所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，

将光照射至所述盖晶片的表面，根据由所述盖晶片的表面反射出的反射光的移位而检测所述盖晶片的振动，由此进行所述声波的检测。

22.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包含下述工序：

元件形成工序，在基板晶片形成元件；

封装件形成工序，与所述基板晶片相对地设置盖晶片，形成在存在所述元件的区域具有气密空间的封装件；以及

通过所述权利要求11至21中任一项所述的半导体装置的试验方法而判别所述封装件的泄漏的工序。

23.根据权利要求22所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，

在所述封装件形成工序中，包含针对1片所述基板晶片而形成多个封装件，以每个封装件为单位进行单片化的工序。

24.根据权利要求22所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，

在所述封装件形成工序中，包含如下工序：针对1片所述基板晶片而形成多个封装件，在各个封装件的与相邻的封装件之间处的所述盖晶片形成贯通孔。

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