JP2015065250A - 炭化珪素半導体装置の検査方法及び検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極等の半導体装置として必要な構造を作成する前の半導体ウェハの積層欠陥の検出のみならず、電極等の、半導体装置として必要な構造を作成した後の積層欠陥をも検出することができる、炭化珪素半導体装置の検査方法及び検査装置を提供する。【解決手段】炭化珪素よりなる半導体基板に作成され、ダイオードを有する半導体装置の当該ダイオードにパルス電流を流し、前記パルス電流を流す前後における当該ダイオードのオン抵抗を求め、前記オン抵抗の前記パルス電流を流す前後における変化に基いて前記半導体装置の不良を判定する。【選択図】図３

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置の検査方法及び検査装置に関する。

炭化珪素（シリコンカーバイド；ＳｉＣ）半導体装置は、従来のシリコン半導体装置に比べて高耐性、低損失であり、また、高周波、高温での動作が可能であるため、次世代の半導体装置として期待されている。

しかしながら、炭化珪素半導体装置が作成される炭化珪素基板は、初期的に結晶欠陥を持つことが知られている。この結晶欠陥は、炭化珪素半導体装置におけるｐｎ接合のダイオードに順方向に電流を流すことにより、電子正孔対のエネルギーを吸収し、その結果、積層欠陥として成長する場合がある。この積層欠陥は半導体装置の特性の劣化を招く。例えば炭化珪素半導体装置がＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor）である場合に、ボディダイオードに順方向の電流が流れることにより発生した積層欠陥は、順方向オン抵抗を増大させる。

したがって、炭化珪素半導体装置を検査し、検査結果によって不良の半導体装置を、製品の出荷前にあらかじめ選別することができれば、炭化珪素半導体装置の製品の信頼性を高められる。

炭化珪素半導体装置の検査方法及び検査装置に関して、炭化珪素半導体ウェハに、当該炭化珪素半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有するレーザ光を照射し、これにより半導体ウェハの基底面転位を積層欠陥に拡大し、このレーザ光の照射によって当該半導体ウェハから放射された光の特定波長の強度を、予め測定しておいた基底面転位のない半導体ウェハから放射させた特定波長の強度と比較して、積層欠陥の有無を判定する検出方法がある（特許文献１）。

特開２００９−８８５４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の検出方法は、電極等の半導体装置として必要な構造を作成する前の半導体ウェハに発生している積層欠陥を検出する方法である。そのため、電極等の半導体装置として必要な構造を作成する過程で発生した積層欠陥を検出することができない。また、基底面転位を積層欠陥に拡大させるためのレーザ光の照射が、積層欠陥がない半導体ウェハに作成された半導体装置の特性に、どのような影響を及ぼすのか明らかでない。

本発明は、電極等の半導体装置として必要な構造を作成する前の半導体ウェハの積層欠陥の検出のみならず、電極等の、半導体装置として必要な構造を作成した後の積層欠陥をも検出することができる、炭化珪素半導体装置の検査方法及び検査装置を提供することを目的とする。

本発明の炭化珪素半導体装置の検査方法は、炭化珪素よりなる半導体基板に作成され、ダイオードを有する半導体装置の当該ダイオードにパルス電流を流し、前記パルス電流を流す前後における当該ダイオードのオン抵抗を求め、前記オン抵抗の前記パルス電流を流す前後における変化に基いて前記半導体装置の不良を判定することを特徴とする。

本発明の別の態様である炭化珪素半導体装置の検査装置は、炭化珪素よりなる半導体基板に作成されたダイオードを有する半導体装置の当該ダイオード部分にパルス電流を流す通電部と、前記パルス電流を流す前後における当該ダイオードのオン抵抗を求める測定部と、前記オン抵抗の前記パルス電流を流す前後における変化に基いて前記半導体装置の不良を判定する判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明の炭化珪素半導体装置の検査方法によれば、炭化珪素よりなる半導体基板に作成され、ダイオードを有する半導体装置の当該ダイオードにパルス電流を流し、このパルス電流を流す前後における当該ダイオードのオン抵抗を求め、このオン抵抗の変化に基いて半導体装置の不良を判定することから、半導体基板に作成された半導体装置を、半導体基板と共に検査することができる。よって半導体装置の製品の出荷前に不良な製品を選別することが可能ととなり、ひいては信頼性の高い半導体装置を提供することが可能になる。

ｎ型のＭＯＳＦＥＴの一例の模式的な断面図である。 ｎ型のＭＯＳＦＥＴの記号を示す図である。 本実施形態の半導体装置の検査方法の手順を示すフローチャートである。 本実施形態の半導体装置の検査装置の説明図である。 ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の温度依存性を示すグラフである。

以下、本発明の炭化珪素半導体装置の検査方法及び検査装置の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。

発明者は、炭化珪素半導体装置が作成された半導体基板の積層欠陥を検出する方法について研究を重ねた結果、半導体装置に含まれるダイオードにパルス電流を流すことにより、短時間で積層欠陥を意図的に成長させることができ、これにより成長した積層欠陥の有無を、当該ダイオードのオン抵抗の増大に基いて検出することができることを見出し、本発明に至った。

本発明の検査方法は、半導体装置に含まれるダイオードにパルス電流を流すことにより、半導体装置及び半導体基板を加速劣化させて積層欠陥を成長させ、よって将来的に積層欠陥が発生する可能性のある半導体装置の製品を、出荷前にスクリーニングできるようにする。

本発明に従って検査を行う炭化珪素半導体基板に形成された半導体装置は、一例としてＭＯＳＦＥＴを挙げることができる。ｎ型のＭＯＳＦＥＴの一例の模式的な断面図を図１に示し、その記号を図２に示す。図示したＭＯＳＦＥＴ１は、ドレイン電極１１とソース電極１２とゲート電極１３とを備えている。図１に示す断面図においては、炭化珪素半導体基板及びその上にエピタキシャル成長させてなるｎ型半導体層１４上に、イオン注入によってｐ型半導体層１５及びｎ型半導体層１６が選択的に形成されている。また、チャンネルを形成するように絶縁層１７が形成され、更に保護絶縁層１８が形成されている。

図１に示した縦型のＭＯＳＦＥＴ１には、また、ソース電極１２とドレイン電極１１との間でｎ型半導体層１４とｐ型半導体層１５とが接続されていることにより、ボディダイオード１９（寄生ダイオード）が形成されている。本実施形態の半導体装置の検査方法は、このボディダイオード１９にパルス電流を流して、積層欠陥を意図的に成長させる。

本実施形態の半導体装置の検査方法の手順を図３にフローチャートで示す。本実施形態の検査方法では、図４に示す検査装置２０を用いる。検査装置２０は、ＭＯＳＦＥＴ１の、ドレイン電極１１と、ソース電極１２と、ゲート電極１３とのそれぞれに電気的に接続され、ボディダイオード１９にパルス電流を流すことが可能な構成を有するものであり、ボディダイオード１９にパルス電流を流す通電部２１と、パルス電流を流す前後におけるボディダイオード１９のオン抵抗を求める測定部２２と、ボディダイオード１９のオン抵抗の、パルス電流を流す前後における変化に基いてＭＯＳＦＥＴ１の不良を判定する判定部２３とを備えている。判定部２３は、記憶部２３１と演算部２３２を備えている。

図３に示す手順において、まず、検査装置２０の通電部２１により、ボディダイオード１９に順方向に電流を流して測定部２２で順方向のオン抵抗を測定する（ステップＳ１）。測定値は初期オン抵抗値として判定部２３の記憶部２３１に記憶させる。初期オン抵抗値は、ボディダイオード１９に電流を流した時の初期電圧の値として記憶部２３１に記憶してもよい。

次に、検査装置２０の通電部２１によりＭＯＳＦＥＴ１のゲート１３に負バイアスを加えながら、ボディダイオード１９に、パルス電流を順方向に流す（ステップＳ２）。パルス電流を流すことにより、積層欠陥を可能な限り短い時間で巨大に成長させることができる。

発明者の研究によれば、ＭＯＳＦＥＴ１のボディダイオード１９にパルス電流を流して、半導体基板炭化珪素半導体基板及びこの基板上に作成された半導体層１４、１５、１６に積層欠陥を成長させるための要因としては、（１）電子正孔対生成量、（２）ボディダイオード１９に通電時の温度、（３）ゲート電極１３に加えられる負バイアス電圧、を挙げることができる。そして、ボディダイオード１９にパルス電流を流すと、直流を流す場合に比べてボディダイオード１９に通電時の温度を低く抑えることができる。これが炭化珪素半導体基板及びこの基板上に作成された半導体層１４、１５、１６に短時間で積層欠陥を成長させるのに有効に寄与する。

したがって、本実施形態の検査方法は、ボディダイオード１９に流す電流をパルス電流にする。これに対し、パルス電流の代わりに、通常の直流をボディダイオード１９に通電した場合には、炭化珪素半導体基板及びこの基板上に作成された半導体層１４、１５、１６の温度が高くなり、その結果、積層欠陥が成長しにくい。この理由は、通電時の基板の温度が高くなると、少数キャリアトラップにより電子正孔対エネルギーが下がり、積層欠陥が縮小するためと考えられる。

パルス電流の通電時のパルス周波数、デューティ比は特に限定されず、炭化珪素半導体基板を高温にさせない範囲で適宜選択することができる。

基板温度は、１０２℃未満であることが望ましい。基板温度が１０２℃以上であると、少数キャリアトラップにより電子正孔対エネルギー、積層欠陥の成長が抑制される。

上述した炭化珪素半導体装置に積層欠陥を成長させるための要因のうち、電子正孔対の生成量は、ボディダイオード１９に流す電流と正の相関があるので、積層欠陥を成長させるためには、ボディダイオード１９に、できるだけ大きな電流を流すようにする。
そのために、ＭＯＳＦＥＴ１のゲート１３に加えられる負バイアスは、半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ１が保証する最大の負電圧とすることが好ましい。

本実施形態の検査方法は、一個のＭＯＳＦＥＴ１当たり１０分程度の時間で積層欠陥を発生させることができる。この時間は、特許文献１において従来技術として記載された通電時間４時間３０分と比べて極めて短時間に積層欠陥を成長させることができることを意味している。

ボディダイオード１９にパルス電流を通電させることによって成長した積層欠陥は、ボディダイオード１９の順方向オン抵抗を増大させる。そこで、パルス電流を通電して所定時間を経過後におけるボディダイオード１９の順方向のオン抵抗を検査装置の測定部２２で測定し、最終オン抵抗値として演算部２３の記憶部２３１に記憶させる（ステップＳ３）。最終オン抵抗値は、ボディダイオード１９に電流を流した時の最終電圧の値として記憶してもよい。

パルス電流の通電させる前後でボディダイオード１９の順方向オン抵抗の変化を検査装置２０の演算部２３２で求め（ステップＳ４）、このオン抵抗変化に基いてＭＯＳＦＥＴ１が不良か否かを演算部２３２で判定する（ステップＳ５）。ボディダイオード１９の順方向オン抵抗の変化に基く判定は、例えば、初期オン抵抗値に対する最終オン抵抗値の増加割合を求め、この増加割合が所定基準を超えるときにＭＯＳＦＥＴ１が不良であると判定する。

本発明の検査方法に用いられる検査装置２０は、本発明の検査方法を実施可能な専用の検査装置に限られない。ＭＯＳＦＥＴ１の種々の電気的特性を調べるために用いられている測定装置に、本発明の検査方法を実施可能な機能が含まれているものであってもよい。

本発明の検査方法を用いて検査をするＭＯＳＦＥＴ１の形態は、炭化珪素半導体ウェハに複数個が形成されているものであることが、一枚の半導体ウェハに形成された複数の半導体装置を順次に検査することができることから好ましい。もっとも、炭化珪素半導体ウェハをダイシングして得られた個々の半導体チップに対して本発明の検査方法を用いて検査してもよい。本発明の検査方法により不良と判定されたＭＯＳＦＥＴ１は、その後に選別される。

本実施形態の検査方法は、半導体装置としての半導体基板上に作成されたＭＯＳＦＥＴ１のボディダイオード１９にパルス電流を流すことにより積層欠陥を成長させることから、電極等の、半導体装置として必要な構造を作成する前の半導体ウェハの積層欠陥の検出することができるばかりでなく、電極等の、半導体装置として必要な構造を作成した後の積層欠陥をも検出することができる。

試料として、複数の炭化珪素ＭＯＳＦＥＴを用意し、個々のボディダイオードに種々のパルス電流を流した試験を行った。また比較のために、いくつかの試料では、パルス電流の代わりに直流を流した。ゲート電圧Ｖｇは−５Ｖとし、試験時のジャンクション温度Ｔｊと、試験前後でのオン抵抗増大率（（（最終電圧−初期電圧）／最終電圧）×１００）を調べた結果を表１に示す。

表１から、ボディダイオードに直流を流した場合には、３０分の通電でもオン抵抗増大率が数パーセントであったのに対して、ボディダイオードにパルス電流を流した場合には、通電時の温度を低く制御することができ、よって短い時間で大きなオン抵抗増大率が得られた。

図５に、ボディダイオードに通電させ、そのときのオン抵抗増大率が１１１％〜６６４％であった各試料について、オン抵抗の温度依存性を調べた試験の結果をグラフで示す。オン抵抗増大率が１１１％と低い試料は、オン抵抗は温度と正の相関がある温度特性を示したのに対して、オン抵抗増大率が１７０％以上の試料は、負の相関がある温度特性を示した。この試験結果は、温度が上がることにより、積層欠陥が縮小していることが原因である。理論的には、高温時の少数キャリアトラップにより積層欠陥が縮小していると考えられる。この試験結果から、炭化珪素半導体装置が作成された半導体基板は、温度が高いほど積層欠陥は成長しにくいということができ、したがって、本発明の検査方法において、ボディダイオードに電流を流すときに、温度が高いほど積層欠陥の成長率が低下するということができ、逆にいえば、温度が低いほど積層欠陥を成長させるとこができるということができる。

次に、参考試験として炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を種々に変えて、ボディダイオードに直流を順方向に流したときのオン抵抗増大率を調べた。その結果を表２に示す。

タイプＡの半導体装置に関して、順方向電流Ｉｆ＝１６Ａ、ゲート電圧Ｖｇ＝−５Ｖの条件では、１０６９時間までオン抵抗の増大が発生していないが、同じ種類のＭＯＳＦＥＴについてゲート電圧をＶｇ＝−１０Ｖとした以外は同じ条件では、１５７時間の通電でオン抵抗増大が５個の試料中の４個で発生した。タイプＢの半導体装置に関して、順方向電流Ｉｆ＝８Ａ、ゲート電圧Ｖｇ＝−１０Ｖの条件では、８９４時間までオン抵抗の増大が５個の試料中の４個で発生していないが、同じ種類のＭＯＳＦＥＴについてゲート電圧をＶｇ＝−２０Ｖとした以外は同じ条件では、一つの試料では３３４時間の通電でオン抵抗増大が発生し、一つの試料では１６３時間の通電でオン抵抗増大が発生した。
これは、ゲート負バイアスを大きくしたことで、ボディダイオードに流れる電流の割合が増し、劣化が生じやすくなったことが理由である。この試験結果から、本発明の検査方法において、ボディダイオードに電流を流すときに、ゲート負バイアスが高いほど積層欠陥を成長させることができる。

以上、本発明の半導体装置の検査方法及び検査装置を、図面及び実施形態について説明したが、本発明の半導体装置の検査方法及び検査装置は、実施形態及び図面の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。

１ ＭＯＳＦＥＴ
１１ ドレイン電極
１２ ソース電極
１３ ゲート電極
１４ ｎ型半導体層
１５ ｐ型半導体層
１６ ｎ型半導体層１６
１７ 絶縁層
１８ 保護絶縁層
１９ ボディダイオード
２０ 検査装置
２１ 通電部
２２ 測定部
２３ 判定部

Claims (7)

1. 炭化珪素よりなる半導体基板に作成され、ダイオードを有する半導体装置の当該ダイオードにパルス電流を流し、
   前記パルス電流を流す前後における当該ダイオードのオン抵抗を求め、
   前記オン抵抗の前記パルス電流を流す前後における変化に基いて前記半導体装置の不良を判定することを特徴とする炭化珪素半導体装置の検査方法。
2. 前記オン抵抗の増加が所定の基準を超える場合に、前記半導体装置を不良と判定する請求項１記載の炭化珪素半導体装置の検査方法。
3. 前記半導体装置がＭＯＳＦＥＴであり、前記ダイオードが該ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードである請求項１記載の炭化珪素半導体装置の検査方法。
4. 前記パルス電流を流すときの前記ボディダイオードのジャンクション温度を１０２℃未満とする請求項３記載の炭化珪素半導体装置の検査方法。
5. 前記パルス電流を流すときの前記ＭＯＳＦＥＴの負バイアスのゲート電圧を、該ＭＯＳＦＥＴが保証する範囲で絶対値で最大とする請求項３又は４記載の炭化珪素半導体装置の検査方法。
6. 前記半導体基板が炭化珪素半導体ウェハである請求項１記載の炭化珪素半導体装置の検査方法。
7. 炭化珪素よりなる半導体基板に作成されたダイオードを有する半導体装置の当該ダイオード部分にパルス電流を流す通電部と、
   前記パルス電流を流す前後における当該ダイオードのオン抵抗を求める測定部と、
   前記オン抵抗の前記パルス電流を流す前後における変化に基いて前記半導体装置の不良を判定する判定部と、
   を備えることを特徴とする炭化珪素半導体装置の検査装置。
   

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