JP2006349355A - 半導体装置の試験装置およびそれを用いた半導体装置の試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】恒温状態のための設備を設けたり、膨大な試験項目の温度特性の測定や試験内容の変更に時間を費やすことなく、各電気的特性に対し適切な試験結果が得られる半導体装置の試験装置および試験方法を提供すること。
【解決手段】被試験半導体装置９の温度測定を行う温度測定手段と、被試験半導体装置９における少なくともＩＤＤＳ特性を含む複数の電気的特性を測定する測定手段と、予め求めた被試験半導体装置９のＩＤＤＳ特性の温度特性に基づいて、前記温度測定手段により測定された温度におけるＩＤＤＳ特性の良否判断のための仕様値を設定する仕様値設定手段と、前記測定手段による被試験半導体装置９のＩＤＤＳ特性の測定値と前記仕様値設定手段により設定された仕様値とを比較して、前記被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性の良否判定を行う判定手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の試験装置、およびその試験装置を用いた半導体装置の試験方法に関するものである。

半導体装置においては、パッケージ組立前後に主として電気的特性に関する性能試験が行われるが、半導体回路の原理より、各種電気的特性は温度依存性を大なり小なり有している。

そこで、より正確な試験結果を得るための技術が幾つか開示されている。

１つは、恒温状態を得るための技術である。例えば、特許文献１は、ソケットにヒータ４ｂと温度センサー４ｃを設け、LSIを所定の温度に加熱する技術である。

もう１つは、その温度依存性には再現性が高い場合が多いことから、試験装置の試験時の温度から試験内容や結果を補正するという技術である。例えば、特許文献２は、検査装置内の温度を検出し、検出温度に基づき、必要な場合に試験用クロックパルスのスキュー補正回路を起動させる技術である。また特許文献３は、ハンドラの温度を測定、その温度に見合う測定規格値もしくは測定データへの変換を行う技術である。さらに、特許文献４の、被試験半導体装置の温度を測定し、その温度に最適のテスト規格でテスト（試験）を行うテストシステムがある。
特開平４−２３５３６２号公報 特開昭６３−１６３２９０号公報 特開平４−１７８５７３号公報 特開平４−２４５４５２号公報

しかし実際に性能試験を行うにあたっては、温度依存性が高い特性と低い特性とを含む、複数の電気的特性の試験を行う必要がある。

そうなると特許文献１のような恒温技術は、所定の温度になるまでに時間がかかり、しかも温度依存性が低い電気的特性にとっては精度良く一定温度になるまで待つ必要は無く、時間の上で効率が悪い。従って、効率的な試験のためには、被試験半導体装置を冷却あるいは加熱といった温度制御せずに試験を行えるのが望ましい。

一方、特許文献２〜４のように温度特性から試験内容の最適化を行う技術は、待ち時間が発生しない利点はあるものの、複数の試験項目のそれぞれについて温度依存性を把握して、その温度に見合った補正を行うことは非常に困難であるという問題点がある。現在行われている半導体装置の性能試験、特にASIC向けのものでは、ｏｐｅｎ／ｓｈｏｒｔ試験、SCAN、BISTや各種ユーザーパターンについてのファンクションテスト、静止時電源電流（IDDS）測定、Ｉ／Ｏバッファ特性測定、Ｐｕｌｌ ｄｏｗｎ／Ｐｕｌｌ ｕｐ抵抗電流測定、並びにその他マクロ特性試験等の試験項目が膨大である。このような膨大な項目の全てについて、温度依存性による影響の大小に関わり無く、同様の補正を行うのは、温度特性の測定に費やす労力の点からも試験時間の点からも、現実的な解決方法ではない。

本発明は、上記問題を解決し、恒温状態のための設備を設けたり、膨大な試験項目の温度特性の測定や試験内容の変更に時間を費やすことなく、各電気的特性に対し適切な試験結果が得られる半導体装置の試験装置および試験方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る半導体装置の試験装置は、被試験半導体装置の温度測定を行う温度測定手段と、
前記被試験半導体装置の少なくともＩＤＤＳ特性を含む複数の電気的特性を測定する測定手段と、
予め求めた被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性の温度特性に基づいて、前記温度測定手段により測定された温度におけるＩＤＤＳ特性の良否判断のための仕様値を設定する仕様値設定手段と、
前記測定手段による前記被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性の測定値と、前記仕様値設定手段により設定された仕様値とを比較して、前記被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性についての良否判定を行う判定手段とを有する。
（２）上記（１）において、前記判定手段は、前記測定手段が測定した前記複数の電気的特性の内、ＩＤＤＳ特性以外については、前記測定された温度を考慮せずに、予め定めたそれぞれの仕様値と比較して良否判定を行う。
（３）本発明に係る半導体装置の試験方法は、被試験半導体装置の温度測定を行う温度測定ステップと、
前記被試験半導体装置の少なくともＩＤＤＳ特性を含む複数の電気的特性を測定する測定ステップと、
予め求めた被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性の温度特性に基づいて、前記温度測定ステップにて測定された温度におけるＩＤＤＳ特性の良否判断のための仕様値を設定する仕様値設定ステップと、
前記測定ステップで測定された前記被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性の測定値と、前記仕様値設定ステップで設定された仕様値とを比較して、前記被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性についての良否判定を行う判定ステップとを有する。
（４）上記（３）において、前記判定ステップにおいて、前記測定ステップで測定された前記被試験半導体装置の複数の電気的特性の内、ＩＤＤＳ特性以外については、前記測定された温度を考慮せずに予め定めたそれぞれの仕様値と比較して良否判定を行う。

本発明者は、試験項目となっているさまざまな電気的特性について調査し、他の項目については問題にならないような小さな温度変化に対してもIDDS値のみは敏感に影響を受けるという知見を得た。

IDDS値の温度依存性について、詳細に説明する。図３は、0.18μmプロセスにて作成した半導体装置の一例のIDDS値の温度依存性を示した図である。被試験半導体装置の温度Tは38℃（○印）と30℃（●印）の2水準で、横軸に測定されたIDDS値、縦軸に半導体装置の個数を示している。この様に、半導体装置の温度Tが8℃上がるだけで、個数の分布に大きなシフトが見られる。しかも、後から述べるように、この程度の温度上昇は、実際の半導体装置の試験において十分にあり得る。

図３より得られる累積度数が50%となるIDDS値で比較した場合、その差は約13μAにもなる。図３の場合、IDDS値の仕様値（良否判定の基準値）が半導体装置の温度T=30℃を想定して、例えば46μAと決められていた場合、試験装置の状況により被試験半導体装置の温度Tが38℃となっていたら、約29%（図３の累積度数からの算出値）の半導体装置のIDDS特性が不良と判定されることになる。

他の試験項目であれば、この程度の温度変動が起きても不良と判定されないように、余裕を持たせた仕様値を設定することも考えられる。しかし、IDDS特性は性能特性としては非常に重要なため、上記の例のように、大きな余裕を持たせることなく仕様値が定められる。このため、試験中の半導体装置の温度が変動することによって、半導体装置の試験歩留まりが悪化する結果となる。

一方、IDDS特性以外の電気的特性、特に、ファンクション試験項目は、室温近傍における温度依存性が小さく、上記の温度範囲においてはほとんど試験結果に変化が見られなかった。ＤＣテスト項目、例えば、出力バッファの出力電圧等については、上記の温度範囲において特性の変化が見られた。しかし、ＩＤＤＳ値に比較すると変化は小さく、測定温度による仕様値設定は行う必要は無いことが判明した。

そこで、電気的特性試験中の半導体装置の温度Tを何らかの手段を用いて測定し、その測定温度に基づいて、IDDS特性の仕様値を設定すれば良いとの発想に基づき、本発明を完成させた。

本発明の試験装置および試験方法においては、IDDS特性に対して測定温度に合わせた仕様値の設定をしていることから、試験中の半導体装置の温度が変動した場合にもIDDS特性起因の不良率が下がり、試験歩留りを上げることができる。しかも、恒温状態に到達するまで待つ必要が無く、かつ、膨大な試験項目の温度特性を把握するために時間を費やすことも無く、試験を効率的に実施できる。

図１に、本発明に係る試験装置の実施の形態の一例を側面から見た概要図を示す。
該試験装置は、１のハンドラと２のテスタから構成されている。

ハンドラ１は、パッケージ組立が終了した半導体装置を自動的にテスタ２に供給するとともに、テスタ２から受け取った良否判定結果に基づいて、試験済みの半導体装置を自動的に分類収納する。ハンドラ１とテスタ２とは専用線にて電気的に接続されており、各種制御信号等をやり取りする。

テスタ２は、２１のテストヘッドと２２のテスタ本体からなり、半導体装置の性能を試験し、さらにその良否判定を行う装置である。通常、半導体装置の性能試験は試験項目となっている電気的特性の測定と、良否判定と、結果記録を含む。テスタ２が本実施の形態における測定手段および判定手段となる。

テストヘッド２１は、３のテストボードを介して被試験半導体装置９と接続し、テスタ本体２２が生成した各種の信号を被試験半導体装置９に供給するとともに、被試験半導体装置９が出力した信号をテスタ本体２２に送る。テストボード３は、被試験半導体装置９の種類によっては、テストヘッド２１に接続する３１のテストヘッド接続部と３２の素子接続部とに分かれる事がある。本実施形態では、このテストヘッド接続部３１と素子接続部３２とを有する場合にて説明する。４のソケットは、素子接続部３２に固定されており、図２を用いて詳しく説明するように、被試験半導体装置９を固定する。

ソケット４に固定する被試験半導体装置に対する加熱等の温度制御は、行っていない。しかし、図１に模式的に示したように、ソケット４の周辺は、テストヘッド２１等が発する熱が滞留する熱滞留領域５となるため、温度変動が発生する。具体的には、周囲温度が２５℃の時にも、３０〜３８℃程度にまで被試験半導体装置の温度が上昇することが観察された。

図示は省略するが、テスタ本体２２は、被試験半導体装置の試験を実施するために必要な各種の試験装置と、試験プログラムに沿って試験装置を制御するコンピュータとからなる。試験装置には、被試験半導体装置に供給する信号を生成する信号源、被試験半導体装置から受け取った信号の値を測定する測定装置、等を含み、本発明の測定手段として機能する。コンピュータは、また、上記の試験プログラムやその他のプログラムを保存するとともに、測定や判定結果を記憶する、ハードディスク等の記憶領域を含む。

テスタ本体２２はまた、後述する温度センサからの信号を受け取って被測定半導体装置９の温度を測定する温度測定手段としても機能する。また、予め求めておいた被試験半導体装置のIDDS特性の温度特性に関するデータも、このテスタ本体２２内のコンピュータに保存する。一方、温度依存性の小さい他の電気的特性の各仕様値も、同じくテスタ本体２２内のコンピュータに保存する。

また、被試験半導体装置９の測定温度におけるIDDS特性の仕様値を、上記温度特性データに基づいて設定するための仕様値設定プログラムも、テスタ本体２２内のコンピュータに保存して使用する。この仕様値設定プロプラムと仕様値設定プログラムを保存し使用するためのテスタ本体２２内コンピュータとが、本実施形態における仕様値設定手段になる。

テスタ本体２２内のコンピュータは、さらに、測定装置から各種の測定値を受け取り、記憶装置に記憶された測定値判定プログラムに従い、仕様値設定手段が設定した仕様値を利用して良否判定を行う。すなわち、テスタ本体２２内のコンピュータが、本実施形態における判定手段となる。

図２は、図１のソケット４部分を拡大した断面図で、図１と同じく側面から見た図である。ソケット４は７の端子を有しており、この端子７が被試験半導体９の端子（図２の場合は、１０のはんだボール）と接続することで、性能試験のための各種信号のやり取りを行う。被試験半導体装置９は、ハンドラ１に設置されている６のプッシャーによって、ソケット４に固定される。このプッシャー６の内部に、被試験半導体装置９の外面に接するように温度センサ（熱電対）８を設置した。熱電対８の出力信号は、ハンドラ１のその他の信号系統と共にテスタインターフェースを介し、テスタ本体２２に供給され、温度測定のために利用される。

次に、本発明に係る試験方法について、図１および図２を用いて説明する。

先ず、供給トレイに載せた被試験半導体装置９をハンドラ１の所定の箇所に設置する。その後、試験プログラムによってハンドラ１を稼働させれば、被試験半導体装置９は、１個づつテストヘッド２１のソケット４に設置される。

プッシャー６により、被試験半導体装置９がソケット４に固定された後、熱電対８を利用して、テスタ本体２２の温度測定手段が、被試験半導体装置９の温度を測定する。次に、この測定された温度に適したIDDS特性の仕様値を仕様値設定手段が設定する。それから設定した仕様値を、仕様値設定手段が判定手段に引き渡した後に、性能試験を開始する。

その後さらに、試験プログラムに従って、IDDS特性を含む電気的特性を測定し、その測定結果に基づいて各電気的特性について判定手段が良否判定を行い、その判定結果に基づいてハンドラ１は回収トレイに被試験半導体装置９を分類収納する。

上記試験方法を用いることにより、温度依存性が大きいIDDS特性については、測定した被試験半導体装置の温度の測定値に基づいて仕様値を設定するため、被試験半導体装置の温度が変動した場合にも、試験歩留り低下を防止することができる。従って、被試験半導体装置の温度を一定に維持するための設備を導入することも、一定温度に到達するまで待つことも不要である。しかも、IDDS特性以外の各種の、大きな温度依存性を持たない試験項目については、測定された被試験装置の温度にかかわらず、一定の仕様値を設定する。このため、これら各種試験項目についてあらかじめ温度依存性を調べる必要はなく、時間上の効率が良くなる。

温度特性から求めるIDDS特性の仕様値の設定方法については、例えば以下の方法を取る事ができる。

先ず、試験時の想定温度範囲（上記の例の場合は、室温から３８℃の範囲となる）の数点の設定温度Taを選び、この数点の設定温度Taについては、被試験半導体装置の実測の結果やシミュレーション結果等から仕様値を設定する。選択した設定温度Ta以外でかつその間にある温度においては、例えば線形補間によって仕様値の設定を行う。もしくは、十分な個数の設定温度Taにおける仕様値の設定を行うことができれば、測定した被試験半導体装置の温度と等しい設定温度Taが無い場合には、測定温度よりも高い、最も近い設定温度における仕様値を設定するようにしてもよい。

図４に具体的な数点の設定温度Taでの設定（□印１００）と線形補間（実線１０１）の例を示す。図４の例の場合は、25℃、30℃、38℃の三点の設定温度Taにおいて、実測により、それぞれ、36μA、46μA、60μAの仕様値を設定し、それ以外の温度に関しては、実線に示した一次式より仕様値を設定する。

なお、本実施の形態では、熱電対８をプッシャー６に取り付けて被試験半導体装置９の裏面外面より温度を測定するようにしたが、本発明はこの形態に限定されるものでは無い。例えば熱電対８を、ソケット４内に設置しても良い。さらに、熱電対８の代わりに、サーミスタ等の他の温度センサを用いても良い。また、半導体装置のパッケージ内に、もしくは、半導体装置チップ上に、温度センサを設けることも可能である。

本発明に係る半導体装置の試験装置の概要図。（実施の形態） 図１中の測定部（点線内）の拡大断面図。（実施の形態） IDDS特性の温度依存性の一例を示した図。 IDDS特性の仕様値の決定方法の一例を示した図。

符号の説明

１ ハンドラ
２ テスタ
２１ テストヘッド
２２ テスタ本体
３ テストボード
３１ テストヘッド接続部
３２ 素子接続部
４ ソケット
５ 熱滞留領域
６ プッシャー
７ 端子
８ 熱電対
９ 被試験半導体装置
１０ はんだボール

Claims (4)

1. 被試験半導体装置の温度測定を行う温度測定手段と、
   前記被試験半導体装置の少なくともＩＤＤＳ特性を含む複数の電気的特性を測定する測定手段と、
   予め求めた被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性の温度特性に基づいて、前記温度測定手段により測定された温度におけるＩＤＤＳ特性の良否判断のための仕様値を設定する仕様値設定手段と、
   前記測定手段による前記被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性の測定値と、前記仕様値設定手段により設定された仕様値とを比較して、前記被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性についての良否判定を行う判定手段とを有することを特徴とする半導体装置の試験装置。
2. 前記判定手段は、前記測定手段が測定した前記複数の電気的特性の内、ＩＤＤＳ特性以外については、前記測定された温度を考慮せずに、予め定めたそれぞれの仕様値と比較して良否判定を行うことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の試験装置。
3. 被試験半導体装置の温度測定を行う温度測定ステップと、
   前記被試験半導体装置の少なくともＩＤＤＳ特性を含む複数の電気的特性を測定する測定ステップと、
   予め求めた被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性の温度特性に基づいて、前記温度測定ステップにて測定された温度におけるＩＤＤＳ特性の良否判断のための仕様値を設定する仕様値設定ステップと、
   前記測定ステップで測定された前記被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性の測定値と、前記仕様値設定ステップで設定された仕様値とを比較して、前記被試験半導体装置のＩＤＤＳ特性についての良否判定を行う判定ステップとを有することを特徴とする半導体装置の試験方法。
4. 前記判定ステップにおいて、前記測定ステップで測定された前記被試験半導体装置の複数の電気的特性の内、ＩＤＤＳ特性以外については、前記測定された温度を考慮せずに予め定めたそれぞれの仕様値と比較して良否判定を行うことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の試験方法。

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