JP2007305793A - 半導体素子の特性調整方法及び特性調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造過程におけるウエハロットやウエハの違いに係わらず、半導体素子の特性のばらつきを解消することができ、並列接続される半導体素子の特性のばらつきを低減するための管理を不要とするとともに、並列接続される半導体素子の個々の性能を十分に生かせ、その半導体素子により構成される半導体モジュール全体の性能を向上させる。
【解決手段】パワートランジスタ２０（半導体素子）の、ゲート酸化膜中に固定正電荷が発生することにより変化する電気特性（閾値電圧）を測定し、測定した電気特性の結果に基づき、パワートランジスタ３０のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理（Ｘ線源２からのＸ線の照射）を施して、パワートランジスタ３０の前記電気特性を、予め設定した所定の範囲内となるように変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＩＧＢＴモジュール等のパワーモジュールに用いられる半導体素子に用いて好適な半導体素子の特性調整方法及び特性調整装置に関する。

従来から、例えばＩＧＢＴ等のパワートランジスタから構成される電力用のパワーモジュールにおいては、その電流容量を確保する等ため、出力段の複数のパワートランジスタが並列接続される場合がある。
複数のパワートランジスタが並列接続される構成においては、電流が不均一となり、特定のパワートランジスタに電流が集中する場合がある。電流が集中したパワートランジスタは、発熱量が多くなって他のパワートランジスタに比べて素子温度が高くなり、これが特性劣化（寿命劣化）の原因となる。また、素子温度がパワートランジスタの限界温度を超えると破壊（過電流破壊）するおそれもある。
こうしたパワートランジスタが並列接続されることに起因する問題を解決するための技術として、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。本文献には、ダイオードチップと複数のパワートランジスタ（スイッチング素子チップ）とが並列接続される構成において、各チップから引出端子（各チップを外部回路と接続するための端子）までの配線インダクタンスの差を低減することで、各チップ間の電流の不均一を低減させるという技術が示されている。

他方、並列接続されるパワートランジスタ間の電流の不均一は、パワートランジスタの特性（閾値電圧など）のばらつきによっても生じる。すなわち、一般的に、パワートランジスタ等の半導体素子は、その製造に際し多数の工程を経るために製造上の様々な要因により特性がばらつく。そして、並列接続され組み合わされたパワートランジスタの特性のばらつきが大きいと、電流が不均一となり、前述のような特定のパワートランジスタに対する電流の集中にともなう問題が生じる。
このようなパワートランジスタの特性のばらつきに起因する問題を解消するため、例えば、ハイブリッド自動車などに搭載されるモータのインバータ制御に用いられる大電流容量のパワーモジュールでは、一枚の同じウエハから製作されたパワートランジスタが組み合わされ、一つのパワーモジュールに実装されることで、特性の近寄ったパワートランジスタが組み合わされている場合がある。

すなわち、パワートランジスタの特性は、その量産過程において、時間的に間が離れたウエハロットで生産されるもの同士と比べ、連続的に流されるウエハロット内で生産されるもの同士の方が近く、また、同じウエハロット内で生産されるパワートランジスタでも、プロセス温度、処理ガスの組成・流量、蒸着やスパッタの成膜量などの処理状況がわずかにばらつくことからその特性は若干異なる。これに比べ、同じウエハから製作されるパワートランジスタは、各工程で同時に処理され、前記処理状況もほぼ同じであるため、特性のばらつきが小さい。
そこで、パワーモジュールにおいては、前記のとおり同じウエハから製作されたパワートランジスタが組み合わされて用いられている。
特開平５−２０６４４９号公報

しかし、一つのウエハ内であっても、プロセス温度や成膜量などの処理状況が分布を持つ場合があるため、同じウエハから製作されるパワートランジスタであっても、その特性にばらつきが生じる場合がある。したがって、同じウエハから製作されるパワートランジスタであっても、その特性のばらつきによる影響をより小さくしようとすると、ウエハにおいて隣接しあるいは近傍に位置していた素子同士を選んで組み合せ、それらを並列接続することが望ましいという考えに至る。

このように、同じウエハから製作されるパワートランジスタを一つのパワーモジュールに実装しようとすると、次のような問題が生じる。
すなわち、パワーモジュールの製造過程において、素子構造が形成されたウエハからダイシングによりチップとして切り出されるパワートランジスタが、チップに個片化されてからパワーモジュールに実装されるまで、それらが同じウエハから製作されたものであることをトレーやラベル等を用いて管理しながら工程を進める必要がある。このため、管理の手間やそのためのコスト等が必要となる。このような管理のための負担は、前述したように同じウエハ内でさらに部位ごと（隣接していた素子ごと等）に管理しようとするとより大きなものなる。また、一つのウエハから切り出されるパワートランジスタの数が、一つのパワーモジュールに用いられるパワートランジスタの数に対して端数を生じさせる場合、余分なパワートランジスタの処理の問題も生じる。

また、パワートランジスタの特性のばらつきによる過電流破壊を免れるため、その特性のばらつきを見込んで電流量を下げることが考えられるが、その分、パワーモジュール全体での電流容量も低下することとなる。
つまり、パワーモジュールにおいて並列接続されるパワートランジスタの個々の性能を使いきり、パワーモジュール全体としての性能を向上させるためには、組み合わせるパワートランジスタの特性のばらつきをできる限り小さくすることが必要となる。

そこで、本発明の目的は、製造過程におけるウエハロットやウエハの違いに係わらず、半導体素子の特性のばらつきを解消することができ、並列接続される半導体素子の特性のばらつきを低減するための管理を不要とするとともに、並列接続される半導体素子の個々の性能を十分に生かせ、その半導体素子により構成される半導体モジュール全体の性能を向上させることができる半導体素子の特性調整方法及び特性調整装置を提供することにある。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

すなわち、請求項１においては、ゲート酸化膜中に固定正電荷が発生することにより変化する電気特性を有する半導体素子を調整対象とする半導体素子の特性調整方法であって、半導体素子の前記電気特性を測定し、測定した電気特性の結果に基づき、半導体素子のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施して、半導体素子の前記電気特性を、予め設定した所定の範囲内となるように変化させるものである。

請求項２においては、前記調整対象を、ウエハ状態、ベアチップ状態またはベアチップがモールド樹脂で封止された状態のいずれかの状態の半導体素子とするものである。

請求項３においては、前記電気特性を測定する対象を、並列接続された複数の半導体素子を有するものとし、前記各半導体素子から得た測定値のうち、最も前記電気特性を変化させる方向側にある測定値を基準測定値として用いて前記所定の範囲を定め、前記複数の半導体素子のうち、前記測定値が前記基準測定値である半導体素子以外の半導体素子に対して、そのゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施し、前記電気特性を変化させるものである。

請求項４においては、半導体素子のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を、Ｘ線の照射とする一方、前記調整対象を、Ｘ線が照射されることにより得られる画像から他部材に対する接合部の欠陥が検査される半導体素子とするものである。

請求項５においては、ゲート酸化膜中に固定正電荷が発生することにより変化する電気特性を有する半導体素子を調整対象とする半導体素子の特性調整装置であって、半導体素子のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施すことにより、半導体素子の前記電気特性を変化させる特性変化手段と、前記電気特性を測定する特性測定手段と、前記特性測定手段により測定された測定値が予め設定された所定の範囲内にあるか否かを判定する特性判定手段と、前記特性測定手段から得られる測定値及び前記特性判定手段から得られる判定結果の少なくともいずれかに基づいて、前記特性変化手段による半導体素子のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を制御する制御手段と、を備えるものである。

請求項６においては、前記調整対象が、ウエハ状態、ベアチップ状態またはベアチップがモールド樹脂で封止された状態のいずれかの状態の半導体素子であるものである。

請求項７においては、前記特性測定手段による測定対象が、並列接続された複数の半導体素子を有するものであり、前記特性判定手段は、前記特性測定手段により前記各半導体素子から得られる測定値のうち、最も前記電気特性がその変化される側にある測定値を基準測定値として用いて前記所定の範囲を定め、前記特性変化手段は、前記複数の半導体素子のうち、前記測定値が前記基準測定値である半導体素子以外の半導体素子に対して、そのゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施し、前記電気特性を変化させるものである。

請求項８においては、前記特性変化手段に、Ｘ線を照射するためのＸ線源を備え、半導体素子のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を、Ｘ線の照射とする一方、前記半導体素子にＸ線を照射することにより得られる画像から、該半導体素子の他部材に対する接合部の欠陥を検査するためのＸ線検査手段を備えるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、半導体素子の製造過程におけるウエハロットやウエハの違いに係わらず、半導体素子の特性のばらつきを解消することができ、並列接続される半導体素子の特性のばらつきを低減するための管理を不要とするとともに、並列接続される半導体素子の個々の性能を十分に生かせ、その半導体素子により構成されるパワーモジュール等の装置全体の性能を向上させることができる。

請求項２においては、実装前の段階で半導体素子の閾値電圧を所定の整範囲内とすることができるので、半導体素子の汎用性を向上することができる。これにより、任意の半導体素子を組み合せて並列接続することが可能となる。
また、一つのウエハから切り出される半導体素子の数が、ある装置に用いられる半導体素子の数に対して端数を生じさせる場合であっても、余分な半導体素子が発生することなく、労務費や仕損費を低減することができる。

請求項３においては、並列接続された半導体素子と並列接続されていない半導体素子とが混在する構成において、電気特性のばらつきが電流の集中による特性劣化などの等の原因となる並列接続された半導体素子を調整対象とすることができ、電気特性の調整を効率的に行うことが可能となる。
また、ある程度ばらついた電気特性を有する半導体素子が実装され並列接続されたとしても、その後に電気特性を自由に調整することが可能となるので、従来、ＮＧ品として廃棄されていた半導体装置などを救済することができ、コストの削減を図ることができる。

請求項４においては、半導体素子の他部材に対する接合部の欠陥の検査とともに、半導体素子の特性の調整を行うことができる。また、既存の設備を用いることができる。したがって、半導体素子の特性を調整するに際し、半導体素子を用いて構成される半導体装置やパワーモジュール等の製造過程における加工リードタイムの短縮及び設備投資の低減を図ることができる。

請求項５においては、半導体素子の製造過程におけるウエハロットやウエハの違いに係わらず、半導体素子の特性のばらつきを解消することができ、並列接続される半導体素子の特性のばらつきを低減するための管理を不要とするとともに、並列接続される半導体素子の個々の性能を十分に生かせ、その半導体素子により構成されるパワーモジュール等の装置全体の性能を向上させることができる。

請求項６においては、実装前の段階で半導体素子の閾値電圧を所定の整範囲内とすることができるので、半導体素子の汎用性を向上することができる。これにより、任意の半導体素子を組み合せて並列接続することが可能となる。また、一つのウエハから切り出される半導体素子の数が、ある装置に用いられる半導体素子の数に対して端数を生じさせる場合であっても、余分な半導体素子が発生することなく、労務費や仕損費を低減することができる。

請求項７においては、並列接続された半導体素子と並列接続されていない半導体素子とが混在する構成において、電気特性のばらつきが電流の集中による特性劣化などの原因となる並列接続された半導体素子を調整対象とすることができ、電気特性の調整を効率的に行うことが可能となる。
また、ある程度ばらついた電気特性を有する半導体素子が実装され並列接続されたとしても、その後に電気特性を自由に調整することが可能となるので、従来、ＮＧ品として廃棄されていた半導体装置などを救済することができ、コストの削減を図ることができる。

請求項８においては、半導体素子の他部材に対する接合部の欠陥の検査とともに、半導体素子の特性の調整を行うことができる。また、前記接合部の欠陥を検査するための装置と兼用することができる。したがって、半導体素子の特性を調整するに際し、半導体素子を用いて構成される半導体装置やパワーモジュール等の製造過程における加工リードタイムの短縮及び設備投資の低減を図ることができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
本発明に係る半導体素子の特性調整方法及び特性調整装置は、例えば、パワーモジュールを構成するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のバイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電界効果トランジスタ等の電力用半導体素子（パワーデバイス）を調整対象とし、その素子特性を調整するものである。そして、調整する素子特性を、半導体素子のゲート酸化膜中に固定正電荷が発生することにより変化する電気特性としている。
すなわち、以下に説明する半導体素子の特性調整方法は、ゲート酸化膜中に固定正電荷が発生することにより変化する電気特性を有する半導体素子を調整対象とするものである。

まず、本発明に係る半導体素子の特性調整方法の基本原理について説明する。
前記のようなパワーデバイス（ＭＯＳデバイス）では、Ｘ線などの放射線が照射されることにより、ゲート酸化膜中に固定正電荷（正の固定電荷）が発生することが知られている。その原因としては、ＭＯＳデバイスが放射線を受けると、ゲート酸化膜（一般にＳｉＯ２）の内部で電子−正孔対が生成され、その生成された電子のうち、一部は正孔と再結合して電気的に中性となるが、一部は再結合する前にゲート酸化膜の外に逃げてしまう。ところが、正孔は電子に比べその移動性が低く、複雑な運動をするため、電子と再結合できない正孔はゲート酸化膜から出ることができず、閉じ込められた状態となる。こうして正孔がゲート酸化膜に溜まっていき、これにより固定正電荷が発生する。

そして、ＭＯＳデバイスにおいてゲート酸化膜中に固定正電荷が発生することにより、半導体素子の電気特性が変化する。その変化する電気特性の代表的なものとして閾値電圧がある。閾値電圧とは、トランジスタがオフ状態からオン状態に移り変わるときの境界となるゲート電圧のことである。
すなわち、ＭＯＳデバイスは、一般的な構造として、シリコン（Ｓｉ）基板に形成される二箇所の電極（ソース・ドレイン）を端子として有するとともに、これら電極間において、基板の表面に形成される酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の酸化膜（ゲート酸化膜）及びこの酸化膜上に蒸着される金属からなるゲートを端子として有する。そして、前記のとおりゲート酸化膜中に固定正電荷が発生すると、その固定正電荷が蓄積することにより、ゲートに正の電圧が印加されたのと同じ状態となり、結果として閾値電圧が低下することとなる。
そこで、このような現象を用いることにより、以下に説明する実施の形態においては、ゲート酸化膜中に固定正電荷が発生することにより変化する電気特性として閾値電圧を用い、半導体素子の閾値電圧を測定して変化させることにより、半導体素子の電気特性を調整する。
以下、本発明に係る半導体素子の特性調整方法及び特性調整装置について、実施の形態に即して具体的に説明する。

第一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る半導体素子の特性調整装置（以下「特性調整装置１」とする。）は、例えばパワーモジュールを構成するＩＧＢＴ等の半導体素子（以下「パワートランジスタ２０」とする。）を調整対象とする。

特性調整装置１は、パワートランジスタ２０のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施すことにより、パワートランジスタ２０の電気特性（閾値電圧）を変化させる特性変化手段を構成するＸ線源（Ｘ線発生器）２と、前記閾値電圧を測定する特性測定手段としての特性測定部６と、この特性測定部６により測定された測定値が予め設定された所定の範囲内にあるか否かを判定する特性判定手段としての特性判定部９と、特性測定部６から得られる測定値及び特性判定部９から得られる判定結果の少なくともいずれかに基づいて、前記特性変化手段によるパワートランジスタ２０のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を制御する制御手段としての総合制御部１０とを備える。

Ｘ線源２は、パワートランジスタ２０にＸ線を照射する。Ｘ線源２は、Ｘ線照射制御部３に接続され、このＸ線照射制御部３により、照射するＸ線の強度（電子銃の電流、加速電圧）や照射時間などが制御される。つまり、本実施形態においては、Ｘ線源２及びＸ線照射制御部３を含む構成が特性変化手段となり、この特性変化手段により行われる、パワートランジスタ２０のゲート酸化膜に固定正電荷を発生させる処理は、パワートランジスタ２０にＸ線を照射することとなる。

Ｘ線源２からのパワートランジスタ２０に対するＸ線の照射は、筐体４により形成される調整室４ａ内において行われる。
Ｘ線源２は、調整室４ａ内の所定の位置に設けられる。パワートランジスタ２０は、図示せぬベルトコンベア等を備える搬送装置５により、例えば載置台５ａに載置された状態で搬送され、調整室４ａ内においてＸ線源２からのＸ線の照射を受ける所定の位置（以下「セット位置」という。）に搬送される。なお、図示は省略するが、搬送装置５は筐体４に形成されるシャッター等の遮蔽部を介して筐体４外部に延設され、この搬送装置５により、調整室４ａ内へのパワートランジスタ２０の搬入（取込み）及び調整室４ａ内からの搬出（払出し）が行われる。
また、Ｘ線源２は、調整室４ａ内において、図示せぬ移動機構により移動可能に構成され、そのＸ線の照射位置が前記Ｘ線照射制御部３により制御される。具体的には、Ｘ線源２は、Ｘ線の照射対象物であるパワートランジスタ２０に対して近接離間方向や、照射面に平行な方向などに移動可能に構成され、その調整室４ａ内における移動（位置）がＸ線照射制御部３に制御され、Ｘ線の照射位置が制御される。

特性測定部６は、パワートランジスタ２０の閾値電圧を検出するための検出手段としての測定用プローブ７を備える。測定用プローブ７は、パワートランジスタ２０の閾値電圧を検出するためにゲート電圧が検出可能な部分（例えばパッド等）に当接するプローブピン７ａ・７ｂを有する。
すなわち、特性測定部６は、測定用プローブ７により検出されたパワートランジスタ２０の閾値電圧の検出値に基づき、パワートランジスタ２０の閾値電圧を測定しその測定値を導出する。

また、特性調整装置１は、プローブ系及び搬送系の制御手段としての駆動制御部８を備える。駆動制御部８は、プローブ系を構成する測定用プローブ７の動作（プローブピン７ａ・７ｂの移動など）や、搬送系を構成する搬送装置５の動作（ベルトコンベアの駆動など）を制御する。
すなわち、特性調整装置１においては、駆動制御部８により搬送装置５及び測定用プローブ７の動作が制御されることにより、搬送装置５による調整室４ａ内へのパワートランジスタ２０の取込み（セット位置への移動）及び払出し、並びに測定用プローブ７におけるプローブピン７ａ・７ｂの、パワートランジスタ２０の所定の位置に対するセット（当接）を含む移動が行われる。

特性判定部９は、特性測定部６により得られた測定値、つまりパワートランジスタ２０の閾値電圧の値が、予め設定された所定の範囲内にあるかを判定し、範囲内であればＯＫ、範囲外であればＮＧとして、そのパワートランジスタ２０についての良否を判定する。つまり、特性判定部９は、予め設定した所定の範囲を記憶するＲＯＭや、特性測定部６により得られる測定値を一時的に記憶するＲＡＭ等の記憶手段を備え、特性測定部６から得た測定値と所定の範囲内の値とを比較することにより、閾値電圧の測定値が所定の範囲内にあるか否かの判定を行う。
特性判定部９による判定結果（ＯＫ／ＮＧ）は、例えば図１に示すように、特性判定部９に接続されるとともに筐体４に付設される報知ランプ１４により表示され、警報音などとともに作業者などに報知される。
ここで、特性判定部９における前記所定の範囲は、例えば、パワートランジスタ２０の種類や用途など、あるいはこのパワートランジスタ２０が用いられて構成されるパワーモジュールの用途や構成などから要求される閾値電圧のばらつきの許容範囲などにより予め設定される。以下、特性判定部９において予め設定される所定の範囲を「特性許容範囲」とする。

また、総合制御部１０は、特性調整装置１の装置全体を総合的に制御するものであり、その制御の一つとして、特性測定部６から得られる測定値（パワートランジスタ２０の閾値電圧の値）及び特性判定部９から得られる判定結果（パワートランジスタ２０の閾値電圧の値が特性許容範囲内にあるか否か）の少なくともいずれかに基づいて、Ｘ線源２によるＸ線の照射を制御する。
すなわち、総合制御部１０は、特性測定部６から得られる測定値や特性判定部９から得られる判定結果に基づいて、Ｘ線照射制御部３に制御信号を送り、このＸ線照射制御部３を介して、Ｘ線源２により照射されるＸ線の強度や照射時間、またはＸ線源２の調整室４ａ内における位置を制御することにより、パワートランジスタ２０に照射されるＸ線を一定の値としたり前記測定値や判定結果に応じて変化させたりする。

また、総合制御部１０は、プローブ系及び搬送系を制御する駆動制御部８に対しての制御信号を生成する。
すなわち、総合制御部１０は、駆動制御部８に制御信号を送り、この駆動制御部８を介して、搬送装置５及び測定用プローブ７を制御する。例えば、順次調整対象となる複数の半導体装置に対して搬送装置５及び測定用プローブ７が周期的な動作を行うように制御したり、特性判定部９による判定結果に基づいて調整後のパワートランジスタ２０を所定の搬送経路（ＯＫ用経路、ＮＧ用経路など）に従って払い出すように搬送装置５を制御したりする。

このように、特性調整装置１においては、Ｘ線照射制御部３、特性測定部６、駆動制御部８及び特性判定部９が、それぞれ総合制御部１０に接続されて信号の出入力が行われる構成となっており、各部が独立してまたは関連して制御される。
なお、Ｘ線照射制御部３、駆動制御部８、特性測定部６及び特性判定部９は、総合制御部１０を含めそれぞれ独立した装置とする構成であってもよく、また、いずれかあるいは全部を一つの装置とする構成であってもよい。

以上のような構成を備える特性調整装置１により、パワートランジスタ２０の電気特性の調整が行われる。
本実施形態に係るパワートランジスタ２０の特性調整方法は、パワートランジスタ２０の閾値電圧を測定し、測定した閾値電圧の結果（測定値）に基づき、パワートランジスタ２０のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施して、パワートランジスタ２０の閾値電圧を、予め設定した所定の範囲内となるように変化させる。

具体的には、本実施形態に係るパワートランジスタ２０の特性調整方法は、パワートランジスタ２０の閾値電圧を測定する特性測定ステップと、特性測定ステップにより測定した測定値が特性許容範囲内にあるか否かを判定する特性判定ステップと、パワートランジスタ２０に、そのゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施すことにより、パワートランジスタ２０の閾値電圧を変化させる特性変化ステップとを有する。
すなわち、特性測定ステップでは、特性測定部６により調整対象であるパワートランジスタ２０の閾値電圧を測定し、特性判定ステップでは、特性判定部９によりパワートランジスタ２０の閾値電圧の値が特性許容範囲内となったか否かを判定し、特性変化ステップでは、Ｘ線源２によるＸ線の照射によりパワートランジスタ２０の閾値電圧を変化させる。そして、総合制御部１０により、パワートランジスタ２０の閾値電圧の値が特性許容範囲内となるように各部を制御する。

前記各ステップを用いたパワートランジスタ２０の特性調整方法の一態様について、図２に示すフロー図を用いて説明する。
まず、搬送装置５により調整対象であるパワートランジスタ２０を調整室４ａ内に取り込んでセット位置へと移動させるとともに、測定用プローブ７をセットさせ、そのパワートランジスタ２０の閾値電圧を、特性測定部６により測定する（ステップ（以下、「Ｓ」と略す）１１０）。このＳ１１０が特性測定ステップに相当する。

次に、Ｓ１１０により測定した閾値電圧の測定値Ｖｔｈが、予め設定した所定の下限値ＶｔｈＬＬ以上であるか否かを、特性判定部９により判定する（Ｓ１２０）。ここで測定値Ｖｔｈと比較される閾値電圧の下限値ＶｔｈＬＬが、特性許容範囲の下限値となる。
すなわち、本実施形態において測定及び調整する対象である閾値電圧は、前述したようにＸ線の照射により低下するものであるため、調整（合わせ込み）不可能な値として特性許容範囲の下限値ＶｔｈＬＬを設定し、調整しようとするパワートランジスタ２０の閾値電圧の値が下限値ＶｔｈＬＬよりも低い場合は、そのパワートランジスタ２０を調整対象から除く処理を行う。
したがって、特性判定部９がＳ１２０において測定値Ｖｔｈが下限値ＶｔｈＬＬ以上でないと判定した場合は、そのパワートランジスタ２０についてはＮＧ判定とし（Ｓ１２５）、報知ランプ１４のＮＧランプを点灯させ、搬送装置５によるＮＧ用経路などへの払い出しあるいは作業者によるＮＧ品の除去などの所定の処理を行い、そのパワートランジスタ２０についての処理は終了する。

一方、特性判定部９がＳ１２０において測定値Ｖｔｈが下限値ＶｔｈＬＬ以上であると判定した場合は、Ｓ１１０により測定した測定値Ｖｔｈが予め設定した所定の目標値ＶｔｈＴであるか否かを、特性判定部９により判定する（Ｓ１３０）。つまり、ここで測定値Ｖｔｈと比較される閾値電圧の目標値ＶｔｈＴが、特性許容範囲の上限値となる。
特性判定部９が、Ｓ１３０において測定値Ｖｔｈが目標値ＶｔｈＴ以下であると判定した場合は、そのパワートランジスタ２０の閾値電圧は特性許容範囲内にあることになるので、閾値電圧を変化させる必要がなく、Ｘ線の照射は行わない。つまり、そのパワートランジスタ２０についてはＯＫ判定とし（Ｓ１３５）、報知ランプ１４のＯＫランプを点灯させ、搬送装置５によるＯＫ用経路などへの払い出しあるいは作業者によるＯＫ品の選出などの所定の処理を行い、そのパワートランジスタ２０についての処理は終了する。
このように、パワートランジスタ２０の閾値電圧の測定値Ｖｔｈが特性許容範囲にあるか否かの判定を行うＳ１２０及びＳ１３０が特性判定ステップに相当する。

一方、特性判定部９がＳ１３０において測定値Ｖｔｈが目標値ＶｔｈＴ以下でないと判定した場合は、Ｘ線源２によりそのパワートランジスタ２０にＸ線を照射させる（Ｓ１４０）。
つまりこの場合、パワートランジスタ２０の閾値電圧が特性許容範囲を上回っていることとなるので、その値を特性許容範囲内の値に変化させるため、パワートランジスタ２０にＸ線を照射してその閾値電圧を低下させる。

Ｓ１４０におけるパワートランジスタ２０に対するＸ線の照射は、予め設定した設定照射時間の間行う。つまり、Ｘ線の照射を開始してからの経過時間（照射時間）が設定照射時間以上であるか否かの判断を行う（Ｓ１５０）。つまりＳ１５０により、Ｘ線の照射時間が設定照射時間を経過するまでＸ線の照射を継続する。
なお、パワートランジスタ２０に対するＸ線の照射に関し、Ｓ１３０における測定値Ｖｔｈと目標値ＶｔｈＴとの比較の際、測定値Ｖｔｈと目標値ＶｔｈＴとの乖離量（差の大きさ）を求め、その大きさによって、照射時間も含め、パワートランジスタ２０に対するＸ線源２の距離やＸ線の強度（電子銃の電流、加速電圧）などの制御を行うこともできる。
このように、パワートランジスタ２０に対するＸ線の照射を行うＳ１４０及びＳ１５０が特性変化ステップに相当する。

そして、Ｓ１５０にて、パワートランジスタ２０に対するＸ線の照射を開始してからの経過時間（照射時間）が設定照射時間以上となった（経過した）と判断した場合は、Ｓ１１０に戻り、前述したステップ（Ｓ１１０〜１５０）を繰り返す。
以上のようなフローに従って前記各ステップを行うことにより、閾値電圧が特性許容範囲内にあるパワートランジスタ２０が得られる。つまり、パワートランジスタ２０の閾値電圧を特性許容範囲内に調整することができる。

なお、以上説明した第一実施形態においては、パワートランジスタ２０のゲート酸化膜に固定正電荷を発生させる処理を、Ｘ線源２によるＸ線の照射として説明したが、これに限定するものではない。
すなわち、Ｘ線に限らず電子線やプロトンやγ線などの他の放射線であってもパワートランジスタ２０のゲート酸化膜に固定正電荷を発生させることができ、これらの放射線を用いることができる。
また、パワートランジスタ２０に対してイオン注入を行うことによっても、そのゲート酸化膜に固定正電荷を発生させることができる。つまり、放射線の照射に代えてイオン注入を行うことができる。この場合、特性調整装置１における特性変化手段として、イオンを発生させるイオン源や、イオンを高エネルギーまで電気的に加速させる加速器などを備える一般的なイオン注入装置を用いて行うことができる。

以上のような、特性調整装置１及び特性調整方法を用いることにより、パワートランジスタ２０の製造過程におけるウエハロットやウエハの違いに係わらず、パワートランジスタ２０の特性のばらつきを解消することができ、並列接続されるパワートランジスタ２０の特性のばらつきを低減するための管理を不要とするとともに、並列接続されるパワートランジスタ２０の個々の性能を十分に生かせ、そのパワートランジスタ２０により構成されるパワーモジュール全体の性能を向上させることができる。

また、第一実施形態における調整対象としてのパワートランジスタ２０は、例えばベアチップ状態のように絶縁基板に実装される前の状態、または絶縁基板などに実装され半導体装置を構成した状態、さらにその半導体装置が所定の個数、所定の配置で放熱板にはんだ付けされパワーモジュールを構成した状態のいずれの状態であってもよい。
ただし、調整対象を、ウエハ状態、ベアチップ状態またはベアチップがモールド樹脂で封止された状態のいずれかの状態、つまり絶縁基板などの他の部材に実装する前の状態のパワートランジスタ２０とすることにより、次のような効果を得ることができる。

すなわち、チップに個片化される前の状態であるウエハやそのウエハにおける位置などによらず、パワートランジスタ２０の電気特性のばらつきを低減させ、電気特性の均一化を図ることができる。これにより、例えばパワーモジュールを構成する際など、任意のパワートランジスタ２０を組み合せて並列接続することが可能となる。
つまり、実装する前のパワートランジスタ２０の閾値電圧の調整対象とすることにより、実装前の段階でパワートランジスタ２０の閾値電圧を特性調整範囲内とすることができるので、パワートランジスタ２０の汎用性を向上することができる。

これにより、パワートランジスタ２０が、ウエハからチップに個片化されてから、例えばパワーモジュールに実装されるまで、それらが同じウエハから製作されたものであることを管理する必要がなくなり、管理のための手間やコストを削減することができる。
また、電気特性の均一化が図れることから、一つのウエハから切り出されるパワートランジスタ２０の数が、一つのパワーモジュールに用いられるパワートランジスタの数に対して端数を生じさせる場合であっても、余分なパワートランジスタが発生することなく、労務費や仕損費を低減することができる。

なお、ウエハ状態のパワートランジスタ２０を調整対象とする際は、ウエハに形成されている個々の素子部分に対してそれぞれ前述したような閾値電圧の調整を行う。
つまり、ウエハにおける個々の素子部分に対して、測定用プローブ７によるプローブピン７ａ・７ｂの当接、及びＸ線源２によるＸ線の局所的な照射を行う。
ここで、Ｘ線を局所的に照射する方法としては、次のような方法が考えられる。例えば、Ｘ線を照射する素子部分に対し、Ｘ線源２を、その照射するＸ線が他の素子部分に照射されないかあるいは素子特性に影響を及ぼさない程度に近接させた状態でＸ線の照射を行う方法がある。また、他の方法としては、Ｘ線源２とウエハとの間に、所定の部分にのみＸ線を透過させるマスク部材を介在させることにより、照射する素子部分以外の部分に対するＸ線を遮蔽することで局所的なＸ線の照射を行う方法がある。

一方、特性調整装置１においては、例えば、パワートランジスタ２０により構成される半導体装置が放熱板にはんだ付けされボンディングワイヤやバスバー等の電気配線が施されることにより構成されるパワーモジュール等のように、複数のパワートランジスタ２０が並列接続されたものを、特性測定部６による測定対象とすることができる。
この場合、例えば次のようにしてパワートランジスタ２０の閾値電圧の調整を行うことができる。

すなわち、特性測定部６における閾値電圧を測定する対象を、並列接続された複数のパワートランジスタ２０を有するものとし、並列接続されている各パワートランジスタ２０から得た測定値のうち、最も閾値電圧を変化（低下）させる方向側、つまり最も閾値電圧が低い測定値を基準測定値として用いて特性許容範囲を定め、複数のパワートランジスタ２０のうち、閾値電圧の測定値が前記基準測定値であるパワートランジスタ２０以外のパワートランジスタ２０に対して、そのゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施し、閾値電圧を変化させる。

この場合、特性測定ステップ（Ｓ１１０）では、特性測定部６により、並列接続されている複数のパワートランジスタ２０それぞれについて閾値電圧を測定する。
ここで、閾値電圧の測定に際して用いられる測定用プローブ７は、複数のパワートランジスタ２０に対して一つを共用して順次閾値電圧の検出及び測定を行ってもよく、各パワートランジスタ２０について測定用プローブ７を設ける構成であってもよい。

次に、並列接続された複数のパワートランジスタ２０から得られる閾値電圧の測定値のうち、最も低い測定値を基準測定値ＶｔｈＳとし、この基準測定値ＶｔｈＳを用いて特性許容範囲を定める。つまり、特性測定ステップ（Ｓ１１０）と特性判定ステップ（Ｓ１２０・Ｓ１３０）との間に、複数のパワートランジスタ２０から得られる測定値から基準測定値ＶｔｈＳを選定するステップと、この基準測定値を用いて特性許容範囲を設定するステップとを行わせる。
特性許容範囲は、基準測定値ＶｔｈＳを基準として、並列接続されるパワートランジスタ２０の閾値電圧のばらつきを合わせ込みたい範囲となるように定める。具体的には、例えば特性許容範囲を基準測定値ＶｔｈＳ±０．１（Ｖ）等のように設定する。この場合、特性許容範囲の下限値ＶｔｈＬＬが基準測定値ＶｔｈＳ−０．１（Ｖ）となり、上限値である目標値ＶｔｈＴが基準測定値ＶｔｈＳ＋０．１（Ｖ）となり、これらの値と、他のパワートランジスタ２０の測定値との比較が特性判定ステップ（Ｓ１２０・Ｓ１３０）において行われる。

そして、特性変化ステップ（Ｓ１４０・Ｓ１５０）においては、並列接続されたパワートランジスタ２０のうち、閾値電圧の測定値が基準測定値ＶｔｈＳであるパワートランジスタ２０以外のパワートランジスタ２０にＸ線を照射し、それぞれのパワートランジスタ２０について例えば前述したフローに沿って閾値電圧の調整を行う。
ここで、複数あるパワートランジスタ２０に対するＸ線の照射は、一つのＸ線源２を共用して順次行ってもよく、複数のＸ線源を設けて同時に行ってもよい。なお、複数のパワートランジスタ２０に対する選択的なＸ線の照射は、前述したＸ線を局所的に照射する方法と同様に、Ｘ線源２のパワートランジスタ２０に対する位置の調節やマスク部材を用いること等により行うことができる。

このように、並列接続された複数のパワートランジスタを測定対象とするとともに、その各測定値のうち、最も低い閾値電圧の値を基準測定値として特性許容範囲を定めてパワートランジスタの電気特性の調整を行うことにより、例えばパワーモジュール等のように、複数の半導体装置が実装され、並列接続されたパワートランジスタと並列接続されていないパワートランジスタとが混在する構成において、電気特性のばらつきが電流の集中による特性劣化などの原因となる並列接続されたパワートランジスタのみを調整対象とすることにより、電気特性の調整を効率的に行うことが可能となる。
また、ある程度ばらついた電気特性を有するパワートランジスタが実装され並列接続されたとしても、その後に電気特性を自由に調整することが可能となるので、従来、ＮＧ品として廃棄されていた半導体装置などを救済することができ、コストの削減を図ることができる。また、ウエハからチップに個片化されてから、実装されて並列接続されるまでにおけるパワートランジスタ２０の特性のばらつきを低減するための管理が不要となり、管理のための手間やコストを削減することができる。

なお、本実施形態では、パワートランジスタ２０電気特性として、Ｘ線などの照射によるゲート酸化膜に固定正電荷が発生することにより低下する閾値電圧を用いているため、並列接続された複数のパワートランジスタ２０から得られる閾値電圧の測定値のうち、最も低い値を基準測定値ＶｔｈＳとして用いているが、これに限定されるものではない。
すなわち、閾値電圧とは逆に、ゲート酸化膜に固定正電荷が発生することにより上昇する電気特性を用いる場合は、「最も電気特性を変化させる方向側にある測定値」として、その電気特性の一般的な測定値として並列接続されるパワートランジスタ２０から得られる測定値のうち最も高い測定値を基準測定値ＶｔｈＳとして用い、特性許容範囲を定める。つまり、電気特性として、ゲート酸化膜に固定正電荷が発生することにより変化し、周知の装置などによって測定できるものを有する半導体素子であれば、本発明に係る調整対象とすることができる。

ところで、例えばＩＧＢＴ等のパワーモジュール用のパワートランジスタは、半導体装置を構成する際には、例えばＤＢＡ基板などの絶縁基板にはんだにより接合され、さらにこの半導体装置が電極などを介して放熱板にはんだ付けされ、熱的・電気的に接続される。つまり、パワートランジスタ等の半導体素子は、絶縁基板や放熱板などの他部材にはんだを介して電気的・熱的・機械的に接合される。
このように、パワートランジスタの他部材に対する接合部となるはんだ部分においては、パワートランジスタの通電による発熱を放熱板に放熱させるためや、電気的・機械的な接続の信頼性を確保する等のため、ボイド（気泡の空洞）などの欠陥が少なくなくてはならない。このため、パワートランジスタを用いた半導体装置やパワーモジュール等の製造過程においては、はんだによる接合部のボイド等の欠陥が一定量以下であることの検査が、Ｘ線透過画像の撮像により行われている。つまり、このような接合欠陥の検査の際には、パワートランジスタにＸ線が照射される。

そこで、パワートランジスタを用いた半導体装置やパワーモジュール等の製造過程において、はんだ等による接合欠陥の検査に用いられるＸ線を、パワートランジスタの電気特性の調整に用いることができる。
つまり、前述したようなパワートランジスタの電気特性の調整に際し、パワートランジスタのゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理をＸ線の照射とすることにより、パワートランジスタの電気特性の調整ができるとともに、パワートランジスタの接合欠陥の検査を行うことができる。言い換えると、既存のＸ線検査装置を用いて、前述したようなパワートランジスタの電気特性の調整方法を使用することができる。

次に、第二実施形態について説明する。
図３に示すように、本実施形態に係る半導体素子の特性調整装置５１は、特性変化手段にＸ線源２を備えゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理をＸ線の照射とする第一実施形態の特性調整装置１に加え、半導体素子にＸ線を照射することにより得られる画像から、この半導体素子の他部材に対する接合部の欠陥を検査するためのＸ線検査手段を備える。なお、第一実施形態と共通する部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。

特性調整装置５１は、ゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を、Ｘ線の照射とする一方、調整対象を、Ｘ線が照射されることにより得られる画像から他部材に対する接合部の欠陥が検査される半導体素子とする。
具体的には、図３に示すように、半導体装置３１において、例えばＤＢＡ基板である絶縁基板３２にはんだ接合部３３により接合されて実装されるＩＧＢＴ等の半導体素子（以下「パワートランジスタ３０」とする。）を調整対象とする。半導体装置３１は、所定の個数、放熱板にはんだ付けされ配設されるとともに所定の電気的接続が施されることにより、パワーモジュールを構成する。したがって、パワートランジスタ３０の他部材に対する接合部とは、絶縁基板３２のように直接的にはんだ付けされる部材に対する接合部に限られず、絶縁基板３２を介した放熱板（図示略）に対する接合部のように他の部材を介した接合部を含む。

特性調整装置５１は、半導体装置３１におけるパワートランジスタ３０の絶縁基板３２に対する接合部であるはんだ接合部３３の欠陥を検査するためのＸ線検査手段としては、周知の装置構成を用いることができ、具体的には、Ｘ線源２からパワートランジスタ３０に照射され半導体装置３１を透過したＸ線の透過画像を検出するＸ線センサーとしてのＸ線検出部１１と、Ｘ線検出部１１により検出されたＸ線透過画像を解析するＸ線画像解析部１２と、Ｘ線画像解析部１２による解析結果が例えば予め設定された許容範囲内であるか否かを判定する接合欠陥判定部１３とを備える。

Ｘ線検出部１１は、調整室４ａ内において半導体装置３１を透過するＸ線を検出する位置（本実施形態では搬送装置５の下方位置）に設けられ、半導体装置３１を透過したＸ線をシンチレータ等の蛍光体を介してＸ線透過画像として検出するＣＣＤカメラ等により構成される。
Ｘ線画像解析部１２は、総合制御部１０に接続され、この総合制御部１０からの指令信号やＸ線検出部１１により検出された画像信号などが入力される。
接合欠陥判定部１３は、総合制御部１０及びＸ線画像解析部１２に接続され、総合制御部１０からの指令信号やＸ線画像解析部１２からの解析信号などが入力される。接合欠陥判定部１３は、Ｘ線解析画像や判定結果などを表示する表示装置などを備え、例えば、ボイドの量が予め設定された許容範囲内であるか否かを判定し、範囲内であればＯＫ、範囲外であればＮＧとして、半導体装置３１における接合部の良否を判定する。
なお、Ｘ線画像解析部１２及び接合欠陥判定部１３は、総合制御部１０を含めそれぞれ独立した装置とする構成であってもよく、また、いずれかあるいは全部を一つの装置とする構成であってもよい。

このような構成において、パワートランジスタ３０の電気特性の調整に際し、Ｘ線源２からパワートランジスタ３０にＸ線が照射されると、Ｘ線検出部１１によりＸ線が検出され、この検出されたＸ線画像信号に基づきＸ線画像解析部１２がはんだ接合部３３の透過画像が取得され解析される。そして、接合欠陥判定部１３により、Ｘ線画像解析部１２による解析結果に基づいて、はんだ接合部３３の接合欠陥が所定の許容範囲内にあるか否か等の判定が行われる。
なお、パワートランジスタ３０の電気特性の調整方法及びその他の構成などについては、第一実施形態と同様であり、説明を省略する。

このように、特性調整装置５１にＸ線検査手段を備えることで、パワートランジスタ３０の他部材（絶縁基板３２など）に対する接合部（はんだ接合部３３など）の欠陥の検査とともに、パワートランジスタ３０の特性の調整を行うことができる。また、Ｘ線検査装置との兼用及び既存のＸ線検査装置の利用を図ることができる。したがって、パワートランジスタ３０の特性を調整するに際し、パワートランジスタ３０を用いて構成される半導体装置やパワーモジュール等の製造過程における加工リードタイムの短縮及び設備投資の低減を図ることができる。
すなわち、パワートランジスタ３０の電気特性の調整及びはんだ接合部３３の接合欠陥の検査を同時に行うことができるので、これらの調整及び検査を個別に行う場合と比べ、短い加工リードタイムを実現することができる。
また、特性調整装置５１にＸ線検査手段を備えることにより、特性調整装置５１をはんだ接合部のＸ線検査装置として兼用することができるとともに、既存のＸ線検査装置を用いることができるので、パワートランジスタ３０の電気特性の調整を行うに際し、ゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施すための装置が不要となり、設備費用を低減することができる。

第一実施形態の特性調整装置の構成を示す図。 半導体素子の特性調整方法の一態様を示すフロー図。 第一実施形態の特性調整装置の構成を示す図。

符号の説明

１ 特性調整装置
２ Ｘ線源
３ Ｘ線照射制御部
６ 特性測定部
９ 特性判定部
１０ 総合制御部
１１ Ｘ線検出部
１２ Ｘ線画像解析部
１３ 接合欠陥判定部
２０ パワートランジスタ（半導体素子）
３０ パワートランジスタ（半導体素子）
３１ 半導体装置
３３ はんだ接合部
５１ 特性調整装置

Claims (8)

1. ゲート酸化膜中に固定正電荷が発生することにより変化する電気特性を有する半導体素子を調整対象とする半導体素子の特性調整方法であって、
   半導体素子の前記電気特性を測定し、
   測定した電気特性の結果に基づき、半導体素子のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施して、半導体素子の前記電気特性を、予め設定した所定の範囲内となるように変化させる、
   ことを特徴とする半導体素子の特性調整方法。
2. 前記調整対象を、ウエハ状態、ベアチップ状態またはベアチップがモールド樹脂で封止された状態のいずれかの状態の半導体素子とする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の特性調整方法。
3. 前記電気特性を測定する対象を、並列接続された複数の半導体素子を有するものとし、
   前記各半導体素子から得た測定値のうち、最も前記電気特性を変化させる方向側にある測定値を基準測定値として用いて前記所定の範囲を定め、
   前記複数の半導体素子のうち、前記測定値が前記基準測定値である半導体素子以外の半導体素子に対して、そのゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施し、前記電気特性を変化させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の特性調整方法。
4. 半導体素子のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を、Ｘ線の照射とする一方、
   前記調整対象を、Ｘ線が照射されることにより得られる画像から他部材に対する接合部の欠陥が検査される半導体素子とする、
   ことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の半導体素子の特性調整方法。
5. ゲート酸化膜中に固定正電荷が発生することにより変化する電気特性を有する半導体素子を調整対象とする半導体素子の特性調整装置であって、
   半導体素子のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施すことにより、半導体素子の前記電気特性を変化させる特性変化手段と、
   前記電気特性を測定する特性測定手段と、
   前記特性測定手段により測定された測定値が予め設定された所定の範囲内にあるか否かを判定する特性判定手段と、
   前記特性測定手段から得られる測定値及び前記特性判定手段から得られる判定結果の少なくともいずれかに基づいて、前記特性変化手段による半導体素子のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする半導体素子の特性調整装置。
6. 前記調整対象が、ウエハ状態、ベアチップ状態またはベアチップがモールド樹脂で封止された状態のいずれかの状態の半導体素子であることを特徴とする請求項５に記載の半導体素子の特性調整装置。
7. 前記特性測定手段による測定対象が、並列接続された複数の半導体素子を有するものであり、
   前記特性判定手段は、前記特性測定手段により前記各半導体素子から得られる測定値のうち、最も前記電気特性がその変化される側にある測定値を基準測定値として用いて前記所定の範囲を定め、
   前記特性変化手段は、前記複数の半導体素子のうち、前記測定値が前記基準測定値である半導体素子以外の半導体素子に対して、そのゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を施し、前記電気特性を変化させることを特徴とする請求項５に記載の半導体素子の特性調整装置。
8. 前記特性変化手段に、Ｘ線を照射するためのＸ線源を備え、
   半導体素子のゲート酸化膜中に固定正電荷を発生させる処理を、Ｘ線の照射とする一方、
   前記半導体素子にＸ線を照射することにより得られる画像から、該半導体素子の他部材に対する接合部の欠陥を検査するためのＸ線検査手段を備えることを特徴とする請求項５または請求項７に記載の半導体素子の特性調整装置。
   

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