JP2006138711A - 半導体装置の高温検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
半導体装置の高温検査時に発熱素子を別途設けることなく、自己発熱を利用して半導体装置の温度を均一かつすばやく上昇させることによって恒温槽不要の半導体装置の高温検査方法を提供する。
【解決手段】
半導体装置１０の入出力端子の過電圧保護用に設けられている保護ダイオード１１に順方向電流を通電することにより半導体装置１０を自己発熱させ、保護ダイオード１１の順方向電圧の温度特性から保護ダイオード１１の順方向電圧を測定することによって半導体装置１０の温度上昇を算出し、所望の温度上昇になるまで順方向電流を通電し、所望の温度になれば高温検査を実施する。これにより恒温槽が不要で、また別途発熱素子を設ける必要もなく、半導体装置１０の温度を均一かつすばやく上昇させることが可能で、安価な半導体装置の高温検査が可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体装置の高温検査方法に係り、特に高温検査時における加熱手段を効率化する半導体装置の高温検査方法に関する。

半導体装置の製造工程のうちの一工程である検査工程において、被検査半導体装置を最大動作保証温度付近まで上昇させてその電気的特性を試験する高温検査工程が実施されている。この場合、被検査半導体装置を高温に維持する方法として、被検査半導体装置を恒温槽内にいれて、周囲温度を所定の温度まで上昇させることにより、被検査半導体装置を高温に保持している。

しかしながら、上述の従来技術で用いられる恒温槽は、温度制御を容易に行なうことができる反面、設備にかかる費用が高くなるという欠点があった。また、被試験物に対して設備が大型になってしまうという欠点もあった。

そこで恒温槽を用いることなく半導体素子の自己発熱を用いて高温検査する方法が提案されている（特許文献１）。
この半導体素子は、図７に示すように、半導体素子７０に、出力がオープンコレクタであって、接地端子と電源供給端子間の寄生ダイオード（図示せず）を備えた出力トランジスタ７１を有する半導体素子を組み込み、この寄生ダイオードに電流を通電し、自己発熱させることによって半導体素子を高温にし、恒温槽を用いることなく高温検査を行なうようにした方法が提案されている。

またもう一つの提案として、図８に示すように、相補型半導体素子８１を自己発熱させ、高温検査する方法も提案されている（特許文献２）。この方法では、相補型半導体素子８１においてクロック入力端子を不定にすることによって貫通電流を流し、それにより自己発熱させ、相補型半導体素子８１の表面におかれた温度センサー８０により相補型半導体素子の表面温度を観測し、所定の温度に到達すればクロック入力端子に通常高温検査で使用するクロックを入力し、高温検査を実施する。

特開平８−１０１２５０号公報 特開平９−１２８９９６号公報

上述したように特許文献１に提案されている高温検査方法では、出力がオープンコレクタであって接地端子と電源供給端子間の寄生ダイオードを備えた出力トランジスタを有する自己発熱させるための発熱素子を別途設ける必要があり、チップ面積の増大を引き起こすことになる。

一方、特許文献２に記載されている高温検査方法では相補型半導体素子に限定されており、相補型半導体素子以外には適用できない。さらにこの検査方法では温度センサーにより試験デバイスの表面温度を測定しているため、恒温槽等の加熱手段は不要であるが、温度センサー及び計測制御装置が必要になり、構造が複雑となる。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、半導体装置の高温検査において、半導体チップ面積を増大させることなく低コストで実現可能な半導体装置の高温検査方法を提供することを目的とする。すなわち、保護ダイオードの自己発熱を利用して、温度センサーや恒温槽などの装置の付加を必要とすることなく高温検査を実現する方法を提供することを目的とする。
また、高精度に温度制御のなされた温度条件下で、適切な高温検査を容易に実現し、半導体装置を高歩留りで製造することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、半導体装置の高温検査時に、半導体素子の過電圧保護用に設けられている少なくとも一つの保護ダイオードに、外部より順方向電流を通電し、前記保護ダイオードを発熱させ半導体素子の自己発熱を利用して半導体素子を高温にしている。また、さらにその前記保護ダイオードの順方向電圧の温度特性を利用することによって温度センサーを用いず半導体装置の温度を検出し高温検査を実施するようにしている。

そこで本発明の半導体装置の高温検査方法は、半導体装置の信号入出力端子と電源供給端子間または、前記信号入出力端子と接地端子間に過電圧保護用に設けられている少なくとも一つの保護ダイオードに、外部電源より通電して前記保護ダイオードを発熱させることにより、前記半導体装置全体を所定温度に加熱する加熱工程と、加熱工程で加熱された前記半導体装置の信号入出力端子に信号を入力し、電気的機能検査を行なう検査工程とを含む。
この方法により、新たに素子を追加することなく、本来半導体素子の過電圧保護用に設けられている少なくとも一つの保護ダイオードに、外部より順方向電流を通電し、この保護ダイオードを発熱させ半導体素子の自己発熱を利用して半導体素子を高温にしているため、チップ面積の増大を招くことなく、高精度の温度制御が可能となる。

また、本発明の半導体装置の高温検査方法は、前記半導体装置をウェハレベルで用いるものを含む。
この方法によれば、実装に先立ち高温検査を行なうことができるため、早期に効率よく検査を行なうことができる。またこのときウェハレベルの場合、温度制御手段を備えた台座により加熱すると、温度の不均一性から反りや曲がりを生じたりすることがあったが、自己発熱による加熱の場合、より均一に加熱することができる。さらにまた順次必要な箇所のみを加熱していくようにすることもでき、反りやゆがみの発生を抑制することができる。

また、本発明の半導体装置の高温検査方法は、前記加熱工程が、半導体チップへの分割に先立ち、前記ウェハレベルの半導体装置を、温度制御手段を備えた台座上に載置し、前記温度制御手段による熱と前記保護ダイオードの発熱とによって、前記半導体装置を所定の温度に加熱する工程であるものを含む。
この方法によれば、台座による加熱に加えて自己発熱による加熱を用いるようにしているため、効率よく短時間で加熱することができ、検査時間の短縮化を図ることができる。

また、本発明の半導体装置の高温検査方法は、前記半導体装置は半導体チップをパッケージ内に収納したものを含む。
この方法によれば、特にパッケージング後の半導体装置の場合、自己発熱だけではパッケージまでの熱伝導に時間を要するが、パッケージの外側と内側との両方で加熱することにより、より効率よく所定温度に到達させることができる。

また、本発明の半導体装置の高温検査方法は、前記加熱工程は、２つ以上の前記保護ダイオードに通電して、前記半導体装置を加熱する工程を含むものを含む。
この方法によれば、複数の保護ダイオードに通電することにより、より均一にかつより効率よく短時間で昇温させることができる。

また、本発明の半導体装置の高温検査方法は、前記保護ダイオードが前記半導体チップ表面のボンディングパッドの周辺と、前記半導体チップ表面の中央部とに配置されたものを含む。
この方法によれば、より均一に温度制御を行うことができる。

また、本発明の半導体装置の高温検査方法は、前記加熱工程は、前記台座の加熱温度を前記所定の温度よりも低く設定し、前記保護ダイオードの発熱による加熱により、前記所定の温度まで加熱するようにしたものを含む。
この方法によれば、より効率よくかつ高精度の温度制御を実現することができる。

また、本発明の半導体装置の高温検査方法は、前記半導体装置の前記保護ダイオードに電流を通電し順方向電圧を測定する工程と、測定した前記順方向電圧を温度に変換し、あらかじめ設定している温度と比較する工程と、前記半導体装置の温度が前記設定温度になるように前記保護ダイオードに通電する電流値を制御する工程と、前記半導体装置が前記設定温度になった後に通電を停止し、前記検査工程を実行するようにしたものを含む。
この方法によれば、自己発熱に用いた保護ダイオードを保護ダイオードの順方向電圧の温度特性を利用することによって温度センサーを用いず半導体装置の温度を検出し高温検査を実施することができる。

また、本発明の半導体装置の高温検査方法は、前記加熱工程が、前記複数の保護ダイオードの内、測定用ダイオードとして少なくとも１つの保護ダイオードを常に定電流電源に接続し順方向電圧を測定する工程と、測定した前記順方向電圧を前記半導体装置の温度に変換し、あらかじめ設定している温度と比較する工程と、前記半導体装置の温度が前記設定温度になるように前記測定用ダイオード以外の保護ダイオードに通電する電流値を制御する工程とを並行して実行し、前記半導体装置が前記設定温度になった後に通電を停止し、前記検査工程を実行するようにしたものを含む。
この方法によれば、常に１つの保護ダイオードを温度測定用に用い、常時温度を測定しながら、加熱するようにしているため、より高精度の温度上昇を実現することができる。

また、本発明の半導体装置の高温検査方法は、前記加熱工程が、前記複数の保護ダイオードの内、隣接する２つの保護ダイオード毎に、測定用ダイオードおよび加熱用ダイオードからなる温度制御ダイオード対として用い、各温度制御ダイオード対毎に通電する電流値を独立して制御するようにしたものを含む。
この方法によれば、加熱と温度測定が近接して行なわれ、この温度制御ダイオード対毎に独立して温度制御を行なうことができるため、より高精度の温度制御が可能となる。

上記構成によれば、保護ダイオードの自己発熱を利用することにより、半導体チップ面積を増大させることなく、かつ温度センサーも恒温槽も必要なく半導体装置の高温検査を実施することができる。

また、複数個の保護ダイオードを用いるようにすれば、順方向電流を通電することにより、半導体装置全体をすばやく温度上昇させることも可能になり、更に複数個の保護ダイオードの通電電流を個々に制御し、温度上昇のばらつきを抑制することで半導体装置を均一に温度上昇させることができるため、短時間で信頼性の高い半導体装置の高温検査を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の半導体装置の高温検査方法を示す要部のブロック図であり、図２はその高温検査方法を説明するためのフローチャートであり、図３は半導体チップ内部の保護ダイオードの構成を示す回路図である。

この半導体装置の高温検査方法は、樹脂パッケージに収納されたもので、この状態で高温検査が行なわれるようになっている。すなわち、保護ダイオードの順方向電圧の温度特性を利用することによって温度センサーを用いることなく半導体装置の温度を検出し高温検査を実施するようにしたことを特徴とする。

図１を参照すると、半導体チップ１８の信号端子１７に過電圧保護用に設けられた保護ダイオード１１を少なくとも一つ有する半導体装置１０を検査するもので、検査装置は、この保護ダイオード１１の順方向電圧を測定する順方向電圧測定手段１３と、あらかじめ測定しておいた順方向電圧の温度特性にしたがって測定した順方向電圧の変化量を半導体装置１０の温度変化量に変換する電圧―温度変換手段１２と、あらかじめ決められている高温試験の温度と電圧―温度変換手段によって得られた半導体装置１０の温度とを比較する温度比較手段１５と、あらかじめ設定されている設定温度になるまで保護ダイオード１１に電流を通電し続ける信号を発生させる通電電流制御手段１６と、その制御信号により保護ダイオードに順方向電流を通電し、半導体素子を自己発熱させ半導体装置の温度を上昇されるための電流通電手段１４とから構成される。

図３は本発明の実施の形態における半導体装置１０内部の保護ダイオードの構成を示す回路図である。図のように電源供給端子３０と接地端子３４との間に直列に接続された一対の保護ダイオード３１，３３の間に内部回路(図示略)に接続された信号端子３２が接続されており、内部回路を過電圧から保護する構成となっている。なお信号端子３２には、入力端子、出力端子、入出力端子が含まれ、順方向に電流を通電し、自己発熱させ順方向電圧の温度特性による半導体装置の温度検出にはいずれの保護ダイオード３１，３３を用いるようにしてもよい。

この半導体装置の高温試験方法は例えば半導体装置１０を１２５℃の高温で機能検査するもので、図１および図２を参照しつつ説明する。
まず高温検査の設定温度(この場合１２５℃)を温度比較手段１５に設定する。
なお本発明の場合、保護ダイオードの順方向電圧の温度特性をあらかじめ測定しておく必要がある。保護ダイオードの順方向電圧は温度によって変化することがわかっており、（例えば-２ｍＶ／℃）この保護ダイオードの順方向電圧の温度依存性を電圧−温度変換手段１２にあらかじめ記憶させておく。したがって、電圧―温度変換手段１２は保護ダイオードの順方向電圧の変化量から半導体装置１０の温度の変化量を算出することが可能になる。

次に室温（例えば２５℃）の状態で信号端子に接続されている保護ダイオードの順方向電圧を順方向電圧測定手段１３を用いて測定し、その順方向電圧を電圧―温度変換手段１２へ出力する。電圧―温度変換手段１２はその順方向電圧を初期値として記憶し、次に出力される順方向電圧との差分からあらかじめ記憶していた順方向電圧の温度特性を用いて半導体装置１０の温度変化を算出し、温度比較手段１５に伝達する。

温度比較手段１５は室温(２５℃)とあらかじめ設定されていた温度(１２５℃)との差分(Δ１００℃)と電圧―温度変換手段１２より出力された半導体装置１０の温度変化量とを比較し、その差分を通電電流制御手段１６に伝達する。

通電電流制御手段１６はその差分信号が０になるまで、通電電流手段１４を制御し、電流供給端子１９を介して、保護ダイオード１１に順方向電流を通電しつづける。順方向に電流を通電された保護ダイオード１１は自己発熱し半導体装置１０全体の温度を上昇させることになる。

そしてまた、保護ダイオード１１の順方向電圧を測定し、この測定値を電圧―温度変換手段１２に伝達し、電圧―温度変換手段は初期値として記憶していた室温状態での順方向電圧との差を算出し、その順方向電圧の変化量により半導体装置１０の温度変化量を算出し、温度比較手段１５に伝達する。

これにより半導体装置１０は所望の高温状態になる。
この状態で、この半導体装置の入出力端子に接続し、高温検査を実施する。これにより恒温槽を用いることなく自己発熱により、より効率よく所定温度に到達させることができ、高温検査が容易に可能である。
なお、パッケージング後の半導体装置の場合、自己発熱だけではパッケージまでの熱伝導に時間を要するが、パッケージの外側と内側との両方で加熱することにより、より効率よく所定温度に到達させることができる。

また、前記実施の形態において、この場合信号端子１７と電流供給端子１９とにかかる電位を調整して、常時、独立して通電することにより、前記複数の保護ダイオードの内、隣接する２つの保護ダイオード毎に、測定用ダイオードおよび加熱用ダイオードからなる温度制御ダイオード対として用い、各温度制御ダイオード対毎に通電する電流値を独立して制御するようにすることもできる。これにより、より高精度の温度制御が実現可能である。

(実施の形態２)
図４は、本発明の実施の形態２における半導体装置の高温検査方法の要部を示したものである。第１の実施の形態との違いは順方向電流を通電する保護ダイオードを複数個具備した点である。通常、保護ダイオードは半導体素子の信号端子すべてに接続されていることが多く、半導体チップ内部にある複数個の保護ダイオードを発熱素子として使用することにより、すばやく半導体装置の温度を上昇させることが可能になる。

さらに通常保護ダイオードはボンディングパッドの周辺に配置され、半導体チップの外周に配置されている事が多い。したがって、この外周に配置されている複数個の保護ダイオードの温度上昇を同一にする事によって半導体装置を均一に温度上昇させることが可能になる。

また発熱させる保護ダイオードの配置としては半導体チップの４隅にある保護ダイオードを選択したり、チップ中央部に対して点対称に選んだりすることによって半導体装置の温度上昇を均一にすることが可能になり、さらなる温度の均一化を測ることができる。

またこの保護ダイオードを半導体チップのボンディングパッドの周辺のみでなく、半導体チップの中央もしくは中央部周辺にも配置することによって、半導体素子の中央及び外周から発熱させる事が可能になり、すばやく、かつ均一に半導体装置の温度を上昇させることが可能になる。

図４を参照し、半導体装置１０を高温(例えば１２５℃)で検査することを例にあげて複数個の保護ダイオードの温度上昇を同一にする方法を説明する。
通常半導体チップ１８の信号端子１７の過電圧保護用に設けられている保護ダイオード４０a,４０b,４０c,・・・・の順方向電圧の温度特性が同一のものでないことが多く、そのため同じ順方向電流を流しても温度上昇が同じとは限らない。

したがって、あらかじめ発熱させる保護ダイオードの順方向電圧の温度特性を測定し、電圧-温度変換手段１２に記憶させておく必要がある。例えば保護ダイオード４０aは−２．１ｍＶ／℃、保護ダイオード４０bは−２．０ｍＶ／℃、保護ダイオード４０cは−１．９ｍＶ／℃・・であるものとする・。

そして、それぞれの保護ダイオードの順方向電圧の変化量により、温度変化を算出し、すべての温度変化量が等しくなる様に(例えば室温が２５℃であればすべての保護ダイオードの温度上昇が１００℃になるまで)通電電流制御手段１６はそれぞれの保護ダイオード４０a,４０b,４０c・・・の通電電流を制御する。例えば保護ダイオード４０aのみ温度上昇が１００℃に達したとすれば電流通電を中止し、温度上昇が１００℃に到達していない保護ダイオード４０b,４０c・・・等は電流を通電しつづけ発熱させる。
このようにして、より効率よく、温度制御を行うことができる。
そして、すべての保護ダイオードの温度上昇４０a,４０b,４０cが１００℃になれば高温検査を実施する。

(実施の形態３)
前記実施の形態１，２では、パッケージに収納された半導体装置の検査について説明したが、本実施の形態では、ウェハレベルでの検査について説明する。図５は、本発明の実施の形態３における半導体装置の高温検査方法を示したものである。ここでは、半導体チップへの分割に先立ち、前記ウェハレベルの半導体装置５１を、ヒータなどの温度制御手段を備えた台座５０上に載置し、温度制御手段による熱と保護ダイオードの発熱とによって、半導体装置を所定の温度に加熱するようにしたものである。

なお、５２に示すような上部加熱装置５２を配置するようにしてもよい。

この方法によれば、実装に先立ち高温検査を行なうことができるため、早期に効率よく検査を行なうことができる。また、自己発熱による加熱方法を用いているため、より均一に加熱することができる。またウェハの所定箇所での温度を測定し、測定値をフィードバックしながら電流制御を行うことにより、より均一な加熱を行なうことができる。また台座の温度のばらつきを補償することもでき、温度の不均一性から生じるウェハの反りや曲がりを抑制することができる。

(実施の形態４)
本実施の形態では、図６に示すように、常に１つの保護ダイオードを温度測定用に用い、常時温度を測定しながら、加熱するようにしたことを特徴とするものである。
図１に示した実施の形態１の構成に加え、信号端子６７と、加熱用および測定用の電流供給端子６９とを別に配設したものである。
この構成によれば、常時温度を測定しながら、加熱しつつ、テストを行なうことができるため、より高精度のテストが可能となる。
なお図中同一部位には同一符号を付し、詳細な説明は省略した。

以上説明したように、本発明の方法は、占有面積を増大することなく自己発熱により高温検査が可能となり、高品質化をはかることができることから、高精度の高温検査を必要とする車載用部品に用いられる半導体装置の高温検査方法等に有用である。

第１の実施の形態の半導体装置を示すブロック図 第１の実施の形態の動作説明用タイミングチャート 半導体素子内部の保護ダイオードの構成 第２の実施の形態の半導体装置を示すブロック図 第３の実施の形態の半導体装置を示すブロック図 第４の実施の形態の半導体装置を示すブロック図 従来の高温検査で出力トランジスタを発熱素子とするブロック図 従来の高温検査で相補型半導体素子のクロックの入力部を不定にすることによって発熱させるブロック図

符号の説明

１０ 半導体装置
１１ 保護ダイオード
１２ 電圧−温度変換手段
１３ 順方向電圧測定手段
１４ 電流通電手段
１５ 温度比較手段
１６ 通電電流制御手段
１７ 信号端子
１８ 半導体チップ
１９ 電源供給端子
２０ 高温検査方法のフローチャート
３０ 電源供給端子
３１ 保護ダイオード
３２ 信号端子
３３ 保護ダイオード
３４ 接地端子
５０ 半導体素子
５１ 接地探知と電源供給端子間の寄生ダイオードを備えた出力トランジスタ
６０ 温度センサー
６１ 相補型半導体素子
６２ 温度制御器

Claims (10)

1. 半導体装置の信号入出力端子と電源供給端子間または、前記信号入出力端子と接地端子間に過電圧保護用に設けられている少なくとも一つの保護ダイオードに、外部電源より通電して前記保護ダイオードを発熱させることにより、前記半導体装置全体を所定温度に加熱する加熱工程と、
   加熱工程で加熱された前記半導体装置の信号入出力端子に信号を入力し、電気的機能検査を行なう検査工程とを含む半導体装置の高温検査方法。
2. 請求項１に記載の高温検査方法であって、
   前記半導体装置はウェハレベルである高温検査方法。
3. 請求項２に記載の高温検査方法であって、
   前記加熱工程は、半導体チップへの分割に先立ち、前記ウェハレベルの半導体装置を、温度制御手段を備えた台座上に載置し、前記温度制御手段による熱と前記保護ダイオードの発熱とによって、前記半導体装置を所定の温度に加熱する工程である高温検査方法。
4. 請求項１に記載の高温検査方法であって、
   前記半導体装置は半導体チップをパッケージ内に収納したものである高温検査方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の高温検査方法であって、
   前記加熱工程は、２つ以上の前記保護ダイオードに通電して、前記半導体装置を加熱する工程を含む半導体装置の高温検査方法。
6. 請求項５に記載の高温検査方法であって、
   前記保護ダイオードが前記半導体チップ表面のボンディングパッドの周辺と、前記半導体チップ表面の中央部とに配置された半導体装置の高温検査方法。
7. 請求項３に記載の高温検査方法であって、
   前記加熱工程は、前記台座の加熱温度を前記所定の温度よりも低く設定し、前記保護ダイオードの発熱による加熱により、前記所定の温度まで加熱するようにした高温検査方法。
8. 請求項５乃至７のいずれかに記載の高温検査方法であって、
   前記半導体装置の前記保護ダイオードに電流を通電し順方向電圧を測定する工程と、
   測定した前記順方向電圧を温度に変換し、あらかじめ設定している温度と比較する工程と、
   前記半導体装置の温度が前記設定温度になるように前記保護ダイオードに通電する電流値を制御する工程と、
   前記半導体装置が前記設定温度になった後に通電を停止し、前記検査工程を実行するようにした半導体装置の高温検査方法。
9. 請求項５乃至７のいずれかに記載の高温検査方法であって、
   前記加熱工程は、
   前記複数の保護ダイオードの内、測定用ダイオードとして少なくとも１つの保護ダイオードを常に定電流電源に接続し順方向電圧を測定する工程と、測定した前記順方向電圧を前記半導体装置の温度に変換し、あらかじめ設定している温度と比較する工程と、
   前記半導体装置の温度が前記設定温度になるように前記測定用ダイオード以外の保護ダイオードに通電する電流値を制御する工程とを並行して実行し、
   前記半導体装置が前記設定温度になった後に通電を停止し、前記検査工程を実行するようにした半導体装置の高温検査方法。
10. 請求項９に記載の高温検査方法であって、
    前記加熱工程は、
    前記複数の保護ダイオードの内、隣接する２つの保護ダイオード毎に、測定用ダイオードおよび加熱用ダイオードからなる温度制御ダイオード対として用い、
    各温度制御ダイオード対毎に通電する電流値を独立して制御するようにした半導体装置の高温検査方法。

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