JP2012021853A - 半導体装置の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工程の増大を抑制し、かつ誤差の少ない熱抵抗を測定すること。
【解決手段】基準となる半導体装置の環境温度を変化量ΔＴ_０変化させたときの前記基準となる半導体装置の順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆ０を測定することにより、前記基準となる半導体装置のＫファクタＫ_０をＫ_０＝ΔＴ_０／ΔＶ_ｆ０とするステップ（Ｓ２２）と、基準となる半導体装置の順方向電流電圧測定から理想係数ｎ_０を測定するステップ（Ｓ２４）と、熱抵抗を測定する半導体装置に電力Ｐを印加することにより前記電力を印加する前後での順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆを測定するステップ（Ｓ２６）と、前記熱抵抗を測定する半導体装置の順方向電流電圧測定から理想係数ｎを測定するステップ（Ｓ２８）と、前記熱抵抗を測定する半導体装置の熱抵抗Ｒ_ｔｈをＲ_ｔｈ＝ｎ_０／ｎ×Ｋ_０×ΔＶ_ｆ／Ｐから算出するステップ（Ｓ３０）と、を含む半導体装置の測定方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置の測定方法に関し、特に半導体装置の熱抵抗の測定方法に関する。

半導体装置の動作領域と半導体装置の外面との間の熱抵抗は動作領域が発熱した場合の冷却の効率の指標とされる。例えば、熱抵抗が小さい場合、半導体装置の外面から熱を放出することにより、半導体装置の動作領域は効率的に冷却される。一方、熱抵抗が大きい場合、半導体装置の外面から熱を放出しても半導体装置の動作領域は冷却され難い。

特許文献１には、半導体回路素子の感熱ダイオードの順方向電圧の温度依存性を用いた熱抵抗の測定方法が記載されている。特許文献２には、ベース・エミッタ電圧やゲートしきい値電圧の温度依存性を用いた熱抵抗の測定方法が記載されている。

特開２００８−２２７１９１号公報 特開平６−２８１６９３号公報

特許文献１および２の方法を用いる場合、Ｋファクタをサンプル毎に測定する。または、Ｋファクタを予め定めておくこととなる。Ｋファクタの測定はサンプルの温度を変化させることになり、Ｋファクタを毎回測定することは工程の増大となる。一方、予めＫファクタを定めておくと、Ｋファクタの誤差により熱抵抗の誤差が大きくなる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、工程の増大を抑制し、かつ誤差の少ない熱抵抗を測定することを目的とする。

本発明は、基準となる半導体装置の環境温度を変化量ΔＴ_０変化させたときの前記基準となる半導体装置の順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆ０を測定することにより、前記基準となる半導体装置のＫファクタＫ_０をＫ_０＝ΔＴ_０／ΔＶ_ｆ０とするステップと、基準となる半導体装置の順方向電流電圧測定から理想係数ｎ_０を測定するステップと、熱抵抗を測定する半導体装置に電力Ｐを印加することにより前記電力を印加する前後での順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆを測定するステップと、前記熱抵抗を測定する半導体装置の順方向電流電圧測定から理想係数ｎを測定するステップと、前記熱抵抗を測定する半導体装置の熱抵抗Ｒ_ｔｈをＲ_ｔｈ＝ｎ_０／ｎ×Ｋ_０×ΔＶ_ｆ／Ｐから算出するステップと、を含むことを特徴とする半導体装置の測定方法である。本発明によれば、工程の増大を抑制し、かつ誤差の少ない熱抵抗を測定することができる。

上記構成において、前記熱抵抗を測定する半導体装置の前記熱抵抗が所定の範囲か否かに基づき、前記熱抵抗を測定する半導体装置を選別するステップを含む構成とすることができる。この構成によれば、誤差の少ない熱抵抗で半導体装置を選別することができる。

上記構成において、前記順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆ０およびΔＶ_ｆはダイオードの順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆ０であり、前記理想係数ｎ_０およびｎは前記ダイオードの理想係数である構成とすることができる。

上記構成において、前記半導体装置はＦＥＴであり、前記ダイオードはゲートとソース間のダイオードである構成とすることができる。また、上記構成において、前記半導体装置はＰＤ、ＬＥＤまたはＬＤであり、前記ダイオードはｐ−ｎ接合ダイオードである構成とすることができる。

本発明によれば、工程の増大を抑制し、かつ誤差の少ない熱抵抗を測定することができる。

図１は、熱抵抗の例を説明する図である。 図２は比較例に係る半導体装置の測定方法のフローチャートである 図３は、実施例１に係る半導体装置の測定方法を示すフローチャートである。 図４は順方向電流密度Ｊに対するΔＶ／Δ（ｌｎＪ）を示した模式図である。 図５は、各サンプルにおいて熱抵抗を測定した結果を示す図である。 図６は、実施例２に係る半導体装置の測定方法のフローチャートである。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

まず、熱抵抗の測定方法について説明する。図１は、熱抵抗の例を説明する図である。図１のように、半導体装置１００は半導体素子１０およびケース２０を備えている。半導体素子１０は例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）、バイポーラトランジスタ等のトランジスタ、ＰＤ（Photo Diode）等の受光素子またはＬＥＤ（Light Emitting Diode）もしくはＬＤ（Laser Diode）等の発光素子である。ケース２０は、例えば、半導体素子１０を実装するパッケージまたは回路基板である。半導体素子１０のジャンクションの温度Ｔ_ｊ（動作領域の温度）とケース２０の表面２２の温度である表面温度Ｔ_ｃとの間に熱抵抗が存在する。ケース２０の表面２２が冷却するための冷却面とすると、熱抵抗が低ければ半導体素子１０の冷却効率がよく、熱抵抗が高ければ半導体素子１０の冷却効率は悪い。

例えばＦＥＴにおいては、ゲート−ソース間はダイオードとして機能する、このように、ダイオードを有する半導体装置において、半導体装置の熱抵抗Ｒ_ｔｈは数式１のように定義される。

ここで、ＫはＫファクタ、ΔＶ_ｆｐは自己発熱によるダイオードの順方向電圧（順方向電流が所定の電流値であるときの順方向電圧）の変化量である。Ｐ_０は半導体装置への入力電力である。

Ｋファクタは数式２のように定義される。

ここで、ΔＴ_ｊはジャンクション温度（例えば半導体装置の動作領域の温度）の変化量であり、ΔＶ_ｆはダイオードの順方向電圧（順方向電流が所定の電流値であるときの順方向電圧）の変化量である。数式２のように、Ｋファクタは、ダイオードに環境温度をΔＴ変化させたときのダイオードの順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆを測定することにより、予め得ることができる。

熱抵抗Ｒ_ｔｈを測定する場合、対象となる半導体装置に電力Ｐ_０を入力する前後の順方向電圧を測定する。これにより、電力Ｐ_０の印加に起因する自己発熱によって生じる順方向電流ΔＶ_ｆｐを得る。前述のように予め測定しておいたＫファクタを用いることにより、数式１から熱抵抗Ｒ_ｔｈを得ることができる。

しかしながら、例えば、半導体装置の選別試験として熱抵抗の測定を行なう場合、全ての半導体装置に対し、Ｋファクタの測定を行なうことは工数の観点から難しい。そこで、比較例のように、熱抵抗を測定する。

図２は比較例に係る半導体装置の測定方法のフローチャートである。図２のように、Ｋファクタの平均値Ｋ_ａｖｅがあるかを判定する（ステップＳ１０）。Ｎｏの場合、Ｋ_ａｖｅを測定する（ステップＳ１２）。例えば、複数の同じ型格の異なる半導体装置についてＫファクタを測定する。測定したＫファクタの平均値を平均値Ｋ_ａｖｅとする。Ｋファクタの測定方法は前述のとおりである。次にステップＳ１４に進む。

ステップＳ１０においてＹｅｓの場合、順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆｐを測定する（ステップＳ１４）。例えば、半導体装置に電力を入力せず順方向電圧Ｖ_ｆ０を測定する。半導体装置に電力Ｐ_０を入力し順方向電圧Ｖ_ｆｐを測定する。これにより、半導体装置に電力Ｐ_０を入力する前後のダイオードの順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆｐ＝Ｖ_ｆｐ−Ｖ_ｆ０を得る。次に、熱抵抗Ｒ_ｔｈをＲ_ｔｈ＝Ｋ_ａｖｅ×ΔＶ_ｆｐ／Ｐ_０より算出する（ステップＳ１６）。その後、ステップＳ１０に戻り別の半導体装置について熱抵抗を測定する。以上により、半導体装置の熱抵抗を測定することができる。

比較例においては、Ｋファクタとして、同じ型格の複数の半導体装置のＫファクタの平均値を用いている。これにより、半導体装置毎にＫファクタを測定しなくてもよい。しかしながら、個々の半導体装置のＫファクタのばらつきに起因し、熱抵抗Ｒ_ｔｈの測定値に誤差が生じてしまう。

以下に、Ｋファクタのばらつきに起因した熱抵抗Ｒ_ｔｈの測定値誤差を抑制する実施例１について説明する。

数式２のように、Ｋファクタは順方向電流Ｖ_ｆの温度依存を示している。そこで、高温時におけるジャンクション温度をＴ_Ｈｊおよび順方向電圧をＶ_Ｈｆとする。低温時におけるジャンクション温度をＴ_Ｌｊおよび順方向電圧をＶ_Ｌｆとする。このとき、ΔＶ_ＴｊおよびΔＶ_ｆは数式３となる。

一方で、ダイオードの順方向電流密度として、例えばショットキーダイオードの電流密度Ｊは数式４で表される。

ここで、ｅは単位電荷、Ａは実効リチャードソン定数、φ_ｂはショットキー障壁の高さ、ｎは理想係数、ｋはボルツマン定数，Ｖ_ｆは順方向電圧、Ｔ_ｊはジャンクション温度である。

数式４より、順方向電圧Ｖｆは数式５で表される。

熱抵抗Ｒ_ｔｈを測定する場合、Ｖ_ｆ＞３ｋＴ_ｊ／ｅであるため、近似を行なうと、ΔＶｆは数式６のように表される。

したがって、Ｋファクタは数式７のように表される。

数式７のように、Ｋファクタには、リチャードソン定数Ａと理想係数ｎが含まれている。リチャードソン定数Ａは半導体中のキャリアの有効質量より算出される定数であり、同じ型格の個々の半導体装置内ではほぼ同じ値となる。

ｐ−ｎ接合ダイオードの場合も、係数が異なるものの、ショットキーダイオードと同様に、順方向電圧Ｖ_ｆは理想係数ｎに比例し、Ｋファクタは１／ｎに比例する。

一方、理想係数ｎは、金属と半導体の界面状態、半導体のドーピング濃度、金属および半導体の組成に依存する。これらは、半導体装置を構成する半導体層の結晶成長工程、ウエハプロセスの変動により、変動する可能性がある。そこで、Ｋファクタは理想係数ｎに反比例して変動すると考えた。実測した理想係数ｎを用いて、Ｋファクタを補正することで、より正確な熱抵抗Ｒ_ｔｈが得られると考えた。

まず、標準となる半導体装置についてＫファクタＫ_０を測定する。同じ半導体装置を用い理想係数ｎ_０を測定する。同じ標準となる半導体装置において測定したＫファクタＫ_０と理想係数ｎ_０との関係は、数式８のようになる。

ここで、Ｋ_extは、数式７において、理想係数ｎ以外の項を表している。実施例１においては、数式８のＫファクタＫ_０を基準となるＫファクタとする。

数式１におけるΔＶ_ｆｐは、数式６と同様に個々の半導体装置の理想係数ｎに比例する。よって、ΔＶ_ｆｐは数式９で表すことができる。

ここで、ΔＶ_extは、数式５において、理想係数ｎ以外の項を表している。

個々の半導体装置においてＫファクタを測定せず、予め定めたＫファクタを用い算出する熱抵抗Ｒ_ｔｈは、数式８および数式９を数式１に代入し、数式１０で表される。

数式１０において、ダイオードの理想係数ｎがｎ_０と一致している場合、ｎ／ｎ_０＝１となり、個々の半導体装置の理想係数ｎ_０によらず、正確な熱抵抗Ｒ_ｔｈが算出できる。しかし、個々の半導体装置の理想係数ｎ_０が変動すると、熱抵抗Ｒ_ｔｈは、正確な値に比べｎ／ｎ_０倍になってしまう。

そこで、数式１０に補正係数ｎ_０／ｎを乗じ、数式８を代入することにより、数式１１を得る。

数式１１により、より正確な熱抵抗Ｒ_ｔｈが算出できる。

数式１１を用いた熱抵抗の測定方法について説明する。図３は、実施例１に係る半導体装置の測定方法を示すフローチャートである。図３のように、まず、基準となる半導体装置のＫファクタＫ０および理想係数ｎ_０があるか判定する（ステップＳ２０）。Ｎｏの場合、基準となる半導体装置のＫファクタＫ_０を測定する（ステップＳ２２）。基準となる半導体装置の環境温度を変化量ΔＴ_０変化させたときの基準となる半導体装置の順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆ０を測定する。基準となる半導体装置のＫファクタＫ_０をＫ_０＝ΔＴ_０／ΔＶ_ｆ０とする。

次に、基準となる半導体装置の順方向電流電圧測定から理想係数ｎ_０を測定する（ステップＳ２２）。図４は順方向電流密度Ｊに対するΔＶ／Δ（ｌｎＪ）を示した模式図である。ここでＶは順方向電流密度Ｊが流れるときの順方向電圧である。図４の黒丸は測定点を示し、実線は測定点を直線近似した線である。図４の直線のＹ切片がｎｋＴ／ｅとなる。よって、半導体装置の順方向電流電圧測定を行ない、図４のように測定点を直線近似し、Ｙ切片を求めることにより、理想係数ｎを求めることができる。ステップＳ２６に進む。

ステップＳ２０においてＹｅｓの場合、熱抵抗を測定する半導体装置に電力Ｐを印加することにより電力Ｐを印加する前後での順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆを測定する（ステップＳ２６）。熱抵抗を測定する半導体装置の順方向電流電圧測定から理想係数ｎを測定する（ステップＳ２８）。理想係数ｎの測定方法はステップＳ２４と同様である。熱抵抗を測定する半導体装置の熱抵抗Ｒ_ｔｈをＲ_ｔｈ＝ｎ_０／ｎ×Ｋ_０×ΔＶ_ｆ／Ｐから算出する（ステップＳ３０）。ステップＳ１０に戻り別の半導体装置について熱抵抗を測定する。以上により、半導体装置の熱抵抗を測定することができる。

図５は、各サンプルにおいて熱抵抗を測定した結果を示す図である。各サンプルは、ＧａＡｓを用いたＦＥＴであり、ゲート長は０．６５μｍ、ゲート幅は１８ｍｍ、ＧａＡｓ基板厚は２８μｍである。順方向電圧を測定した電流は３６ｍＡである。ΔＶ_ｆｐの測定は、ソース−ドレイン間にドレイン−ソース電圧Ｖｄｓ＝１０Ｖ、ドレイン電流Ｖｄ＝１．６３Ａを５秒間印加しＦＥＴを加熱した。電圧印加からΔＶ_ｆｐ測定までの時間は１０μ秒とした。

図５において、白丸は、Ｋファクタを各サンプルで実測し、熱抵抗を測定した結果を示す。黒三角は、比較例の方法を用い各サンプルを測定した熱抵抗を示す。白四角は実施例１の方法を用い各サンプルを測定した熱抵抗を示す。サンプル２および５においては、実施例１と比較例との結果が重なっている。比較例の結果は、Ｋファクタを実測した値とはずれるサンプルもある。一方、各サンプルにおいて実施例１の結果はＫファクタを実測した値とよく一致している。

実施例１によれば、基準となる半導体装置のＫファクタＫ_０および理想係数ｎ_０を予め測定しておき、熱抵抗を測定する半導体装置のＫファクタをｎ_０／ｎ×Ｋ_０とする。これにより、全ての半導体装置においてＫファクタを測定しなくてもよい。かつ、Ｋファクタのばらつきに起因した熱抵抗の測定誤差を抑制することができる。よって、測定工程の増大を抑制し、かつ誤差の少ない熱抵抗を測定することができる。

実施例２は、半導体装置を選別する方法の例である。図６は、実施例２に係る半導体装置の測定方法のフローチャートである。図６のように、半導体装置の熱抵抗Ｒ_ｔｈを測定する（ステップＳ４０）。熱抵抗の測定方法は実施例１と同じ方法である。測定した熱抵抗が所定の範囲かを判定する（ステップＳ４２）。Ｙｅｓの場合、半導体装置を合格とする（ステップＳ４６）。Ｎｏの場合、半導体装置を不合格とする（ステップＳ４４）。その後、終了し、別の半導体装置についてステップＳ４０に進む。

図６のステップＳ４２からＳ４６のように、熱抵抗を測定する半導体装置の熱抵抗が所定の範囲か否かに基づき、熱抵抗を測定する半導体装置を選別することができる。これにより、より正確な熱抵抗により、半導体装置を選別することができる。

実施例１および２において、順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆ０およびΔＶ_ｆはダイオードの順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆ０であり、理想係数ｎ_０およびｎはダイオードの理想係数とすることができる。

例えば、半導体装置はＦＥＴであり、ダイオードはゲートとソース間のダイオードとすることができる。また、本発明は、ＧａＡｓ−ＦＥＴ以外にもＧａＮ−ＦＥＴにも同様に適用できる。ダイオードを有する半導体装置として、ＦＥＴ以外にもバイポーラトランジスタ、ＰＤ、ＬＥＤまたはＬＤについて熱抵抗を測定することができる。ＰＤ、ＬＥＤまたはＬＤの場合、ダイオードは、ｐ−ｎ接合ダイオードとすることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 半導体素子
２０ ケース
１００ 半導体装置

Claims (5)

1. 基準となる半導体装置の環境温度を変化量ΔＴ_０変化させたときの前記基準となる半導体装置の順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆ０を測定することにより、前記基準となる半導体装置のＫファクタＫ_０をＫ_０＝ΔＴ_０／ΔＶ_ｆ０とするステップと、
   基準となる半導体装置の順方向電流電圧測定から理想係数ｎ_０を測定するステップと、
   熱抵抗を測定する半導体装置に電力Ｐを印加することにより前記電力を印加する前後での順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆを測定するステップと、
   前記熱抵抗を測定する半導体装置の順方向電流電圧測定から理想係数ｎを測定するステップと、
   前記熱抵抗を測定する半導体装置の熱抵抗Ｒ_ｔｈをＲ_ｔｈ＝ｎ_０／ｎ×Ｋ_０×ΔＶ_ｆ／Ｐから算出するステップと、
   を含むことを特徴とする半導体装置の測定方法。
2. 前記熱抵抗を測定する半導体装置の前記熱抵抗が所定の範囲か否かに基づき、前記熱抵抗を測定する半導体装置を選別するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の測定方法。
3. 前記順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆ０およびΔＶ_ｆはダイオードの順方向電圧の変化量ΔＶ_ｆ０であり、
   前記理想係数ｎ_０およびｎは前記ダイオードの理想係数であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の測定方法。
4. 前記半導体装置はＦＥＴであり、前記ダイオードはゲートとソース間のダイオードであることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の測定方法。
5. 前記半導体装置はＰＤ、ＬＥＤまたはＬＤであり、前記ダイオードはｐ−ｎ接合ダイオードであることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の測定方法。

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