JP3619179B2 - 半導体装置の不良検査法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の不良検査法に関し、特に、ヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いたパワーアンプの実装時に生じる不良の検査に使用される。
【0002】
【従来の技術】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)を用いたパワーアンプは、FET( Field Effect Transistor )とは異なり、電流を縦方向に流すデバイスであり、電流密度が大きく、チップ面積が小さい、という特長を有している。反面、ヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いたパワーアンプは、いわゆる熱暴走が発生し易いという欠点を有する。
【0003】
そこで、熱暴走を防止する技術が必要となる。その一つとして、従来、金(Au)からなるスタッドバンプをヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ直上に設け、デバイスの放熱性を向上させる技術が知られている。
【0004】
以下、ヘテロ接合バイポーラトランジスタを有するパワーアンプ及びスタッドバンプをヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ直上に設けた半導体デバイスについて説明する。
【0005】
図5は、パワーアンプチップの一例を示している。
パワーアンプチップ10上のエリアの主要部は、パワーアンプエリア11と周辺回路エリア12とにより占められる。また、パワーアンプエリア11内には、例えば、マルチフィンガータイプパワーアンプが形成される。
【0006】
マルチフィンガータイプパワーアンプは、複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの集合から構成される。
【0007】
例えば、図6は、マルチフィンガータイプパワーアンプの等価回路を示す。即ち、マルチフィンガータイプパワーアンプは、負荷Zに並列に接続される複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタQ1、Q2,・・・Qnから構成され、各トランジスタのベースとエミッタの間には、信号源が接続される。
【0008】
図7は、マルチフィンガータイプパワーアンプをフェースダウンで実装基板に実装した半導体デバイスを示している。図8は、図7のパワーアンプのヘテロ接合バイポーラトランジスタ部分を詳細に示している。
【0009】
マルチフィンガータイプパワーアンプの放熱性を向上させ、熱暴走を防止するため、スタッドバンプは、例えば、金から構成され、かつ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ直上に配置される。
【0010】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタは、コレクタコンタクト層13、コレクタ層14、ベース層(p型GaAs)15及びエミッタ層(n型InGaP)16を有し、素子分離層20により取り囲まれている。コレクタ電極17は、コレクタコンタクト層13上に形成され、ベース電極18は、ベース層15上に形成され、エミッタ電極19は、エミッタ層16上に形成される。
【0011】
絶縁層(SiO)21は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタを覆っている。絶縁層21には、エミッタ電極19に達するコンタクトホールが形成され、電極22は、このコンタクトホールを介してエミッタ電極19に接続される。ポリイミド樹脂層23は、絶縁層21上に形成される。また、ポリイミド樹脂層23には、電極22に達するコンタクトホールが形成され、Auメッキ層24は、このコンタクトホールを介して電極22に接続される。
【0012】
マルチフィンガータイプパワーアンプ30は、トランジスタのエミッタ直上に配置されたスタッドバンプ31を介してフェースダウンで実装基板32に実装される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ヘテロ接合バイポーラトランジスタを有するパワーアンプでは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ直上に、例えば、金からなるスタッドバンプを配置し、パワーアンプの放熱性を向上させることにより、その熱暴走を抑制している。
【0014】
しかし、スタッドバンプをトランジスタのエミッタ直上に配置する場合、パワーアンプチップを実装基板に実装するときのダメージにより、トランジスタが破壊されたり、スタッドバンプによる熱的接続が不十分になったりする。後者の場合には、それに起因して、マルチフィンガー(トランジスタ)間の温度分布が不均一となり、電流集中が発生し、トランジスタが破壊される可能性がある。
【0015】
ところで、製品の出荷検査では、このような不良デバイスを検出し、これを取り除く必要があるが、従来では、このような不良デバイスを電気的測定により検出することが非常に難しくなっている。
【0016】
例えば、パワーアンプを構成する複数のバイポーラトランジスタの一部がオープン不良(電流が常に流れない不良)を起こしている場合、このオープン不良を電気的測定により検出することは難しい。
【0017】
また、スタッドバンプの熱的接続が不完全であることに起因し、パワーアンプを構成する複数のバイポーラトランジスタの一部に電流集中が発生し、その温度分布が不均一になったとしても、電気的測定により、これを検出することは非常に難しくなっている。
【0018】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、その目的は、マルチフィンガータイプパワーアンプにおいて、それを構成する複数のトランジスタのうちの一部に不良(オープン不良、電流集中など)が発生している場合に、この不良を容易に検出できる新規な不良検査法を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の不良検査法は、コレクタ層、ベース層及び前記ベース層よりも大きなバンドギャップを有するエミッタ層から構成される複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタをGaAs基板上に有するパワーアンプと、前記パワーアンプが実装される実装基板と、前記エミッタ層の直上と前記実装基板の間に配置されるスタッドバンプとを具備する半導体装置に適用される。まず、前記パワーアンプを動作させ、次に、前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの各々について、前記ベース中の少数キャリアの再結合による発光を生じさせ、次に、前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの各々について、前記発光のスペクトルを分光し、前記発光のピーク波長を検出し、最後に、前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの前記発光のピーク波長を互いに比較することにより、前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの温度分布を評価する。
【0022】
本発明の半導体装置の不良検査法は、コレクタ層、ベース層及び前記ベース層よりも大きなバンドギャップを有するエミッタ層から構成される複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタをGaAs基板上に有するパワーアンプと、前記パワーアンプが実装される実装基板と、前記エミッタ層の直上と前記実装基板の間に配置されるスタッドバンプとを具備する半導体装置に適用される。まず、前記パワーアンプを動作させ、次に、前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの各々について、前記ベース中の少数キャリアの再結合による発光を生じさせ、次に、互いに異なる波長の光を通す複数のフィルタを、1枚ずつ、それぞれ順番に用いて、前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの各々について、各波長における発光強度を検出し、次に、各波長における前記発光強度を比較し、前記発光強度が最も強く観測された波長を発光スペクトルのピーク波長とし、最後に、前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの前記発光のピーク波長を互いに比較することにより、前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの温度分布を評価する。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の半導体装置の不良検査法について詳細に説明する。
【0024】
マルチフィンガータイプパワーアンプに関しては、それを構成する複数のトランジスタのうちの一部に発生するオープン不良や、電流集中などを、電気的測定により検出することが非常に困難である。
【0025】
そこで、本発明では、第一に、オープン不良が発生しているか否かは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース内で起こる少数キャリアの再結合による発光を観測することにより判断する。また、発光強度は、コレクタ電流が大きいほど強くなるので、発光強度を観測することで電流集中を起こしているトランジスタを検出することができる。
【0026】
また、第二に、電流集中(温度分布の不均一)が発生しているか否かは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース内で起こる少数キャリアの再結合による発光のピーク波長のシフト量に基づいて判断する。
【0027】
このように、本発明の不良検査法では、電気的測定ではなく、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース内で起こる少数キャリアの再結合による発光に基づいて、各種の不良を検出するようにしている。
【0028】
従って、マルチフィンガータイプパワーアンプを構成する複数のトランジスタのうちの一部に不良(オープン不良、電流集中など)が発生しているか否かを容易に検出することができる。
【0029】
1. 第1実施の形態
図1は、本発明の不良検査法を実行するためのシステムの概要を示している。
【0030】
マルチフィンガータイプパワーアンプ30は、複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタを有している。ヘテロ接合バイポーラトランジスタは、コレクタコンタクト層、コレクタ層、ベース層及びベース層よりもバンドギャップが大きいエミッタ層を含み、素子分離層により取り囲まれている。
【0031】
なお、マルチフィンガータイプパワーアンプ30のデバイス構造の詳細については、図8で説明したので、ここでは、省略する。
【0032】
マルチフィンガータイプパワーアンプ30は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ直上に配置されたスタッドバンプ31を介して、フェースダウンで実装基板32に実装されている。
【0033】
スタッドバンプ31は、例えば、金(Au)から構成され、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ直上に、1個又は複数個配置される。ここで、マルチフィンガータイプパワーアンプ30を実装基板32に実装する際には、超音波を用いた熱圧着法が用いられる。
【0034】
従って、実装時に、マルチフィンガータイプパワーアンプ30にはダメージが加わるため、トランジスタの一部がオープン不良(導通不良)を起こしたり、また、トランジスタの一部に電流集中が発生し、温度分布が不均一になり、素子が破壊されたりする問題が生じる。
【0035】
第1実施の形態では、オープン不良又は電流集中を起こしているトランジスタを検出する方法について提案する。
【0036】
このような不良を検出するため、本発明では、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース内で起こる少数キャリアの再結合による発光を検出する。発光を検出する装置としては、発光波長を十分にカバーできる感度を有する検出器であれば、何でもよい。例えば、CCDや、フォトマル(Photo−multiplier tube(光電子増倍管))を備えたエミッション顕微鏡25を用いれば、微弱な発光も検出でき、高精度な不良検出を行うことができる。
【0037】
具体的には、まず、マルチフィンガータイプパワーアンプ30を動作させ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに電流を流し、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース内で起こる少数キャリアの再結合による発光を、エミッション顕微鏡25を用いて検出する。
【0038】
この場合、図2に示すように、正常なトランジスタについては、発光パターンが検出される。一方、オープン不良を有するトランジスタについては、電流が流れないため、発光パターンが検出されることはない。
【0039】
また、発光強度は、コレクタ電流の増加に伴って増加するので、各トランジスタについて発光強度を比較することにより、電流集中を起こしているトランジスタを検出することができる。
【0040】
このように、本発明の不良検査法では、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース内で起こる少数キャリアの再結合による発光を検出することにより、その発光パターンに基づいて、トランジスタの不良(オープン不良)を検出することができる。
【0041】
また、各トランジスタについて発光強度を観測することにより、電流集中により温度が上昇しているトランジスタを検出することができる。
【0042】
2. 第2実施の形態
第2実施の形態では、電流集中による不良(温度分布)を検出する方法を提案する。
【0043】
本発明の不良検査法を実行するためのシステムについては、上述の第1実施の形態と同じであり、図1に示すようになる。
【0044】
電流集中による不良(温度分布)を検出するため、本発明では、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース内で起こる少数キャリアの再結合による発光を検出する。
【0045】
まず、マルチフィンガータイプパワーアンプを動作させ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに電流を流し、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース内で起こる少数キャリアの再結合による発光を、エミッション顕微鏡を用いて検出する。ここで、本実施の形態では、マルチフィンガータイプパワーアンプを構成する複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの1個1個について、エミッション顕微鏡を用いて発光を検出する。
【0046】
そして、図3に示すように、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの各々について分光スペクトルのピーク波長を測定する。電流集中が起こり、温度が上昇しているトランジスタからの発光の分光スペクトルのピーク波長は、長波長側にシフトする。
【0047】
従って、例えば、図4に示すように、各トランジスタのピーク波長を比較することにより、マルチフィンガータイプパワーアンプを構成する複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタについて、電流集中による不良(温度分布)を検出することができる。
【0048】
ここで、発光波長と素子の温度との関係について簡単に述べる。
マルチフィンガータイプパワーアンプをGaAs基板に形成する場合について検討する。
【0049】
GaAsのバンドギャップEgの温度依存性は、
Eg(T)=1.519−5.401×10−4×T/(T+204)
T : 温度(K)
で表される。
【0050】
発光は、ベース層における電子とホールの再結合により起こると考えられるため、発光波長λは、
λ=1.24/(Eg(T)+(Ev−Fp))
で表される。
【0051】
この場合、
Ev−Fp=−kT・ln(Nv/Na)
Nv : 価電子帯の有効状態密度(cm−3
Na : ベース中のアクセプタ濃度(cm−3
となり、発光波長λは、温度Tの関数となる。
【0052】
従って、発光波長から素子の温度を導出することができる。
【0053】
3. 第3実施の形態
第3実施の形態では、上述の第2実施の形態と同様に、電流集中による不良(温度分布)を検出する方法を提案する。
【0054】
本発明の不良検査法を実行するためのシステムについては、上述の第1実施の形態と同じであり、図1に示すようになる。
【0055】
電流集中による不良(温度分布)を検出するため、本発明では、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース内で起こる少数キャリアの再結合による発光を検出する。
【0056】
まず、マルチフィンガータイプパワーアンプを動作させ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに電流を流し、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース内で起こる少数キャリアの再結合による発光を、エミッション顕微鏡を用いて検出する。ここで、本実施の形態では、発光の検出に当たり、互いに異なる波長の光を透過させる特性を持つ複数のフィルタを用いる。
【0057】
即ち、複数のフィルタを、1枚ずつ、それぞれ順番に、マルチフィンガータイプパワーアンプとエミッション顕微鏡の間に配置し、それぞれの場合について、発光強度を観察する。
【0058】
また、それぞれの場合における結果を比較し、発光強度が最も強く観測された波長を発光スペクトルのピーク波長とする。
【0059】
そして、マルチフィンガータイプパワーアンプを構成する複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの1個1個について、このピーク波長を決定する。電流集中が起こり、温度が上昇しているトランジスタからの発光の分光スペクトルのピーク波長は、長波長側にシフトすることは、上述した通りである。
【0060】
従って、各トランジスタのピーク波長を比較することにより、マルチフィンガータイプパワーアンプを構成する複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタについて、電流集中による不良(温度分布)を検出することができる。
【0061】
さらに、基準温度に相当する波長よりも長い波長の光を透過させるバイパスフィルタを用いることで、その基準温度以上に温度上昇しているトランジスタを検出することができる。
【0062】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の不良検査法によれば、マルチフィンガータイプパワーアンプにおいて、それを構成する複数のトランジスタのうちの一部に不良(オープン不良、電流集中など)が発生している場合に、この不良を容易に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の不良検査法を実施するシステムの一例を示す図。
【図2】パワーアンプからの発光パターンの一例を示す図。
【図3】1素子についての発光強度と発光波長との関係を示す図
【図4】複数素子についての発光スペクトルを比較して示す図。
【図5】パワーアンプチップの一例を示す図。
【図6】マルチフィンガータイプパワーアンプの等価回路を示す図。
【図7】マルチフィンガータイプパワーアンプを実装基板に実装した状態を示す図。
【図8】パワーアンプのトランジスタ部分を詳細に示す図。
【符号の説明】
10 :パワーアンプチップ、
11 :パワーアンプエリア、
12 :周辺回路エリア、
13 :コレクタコンタクト層、
14 :コレクタ層、
15 :ベース層、
16 :エミッタ層、
17 :コレクタ電極、
18 :ベース電極、
19 :エミッタ電極、
20 :素子分離層、
21 :絶縁膜、
22 :電極、
23 :ポリイミド樹脂層、
24 :Auメッキ層、
25 :エミッション顕微鏡、
30 :マルチフィンガータイプパワーアンプ、
31 :スタッドバンプ、
32 :実装基板。

Claims (2)

  1. コレクタ層、ベース層及び前記ベース層よりも大きなバンドギャップを有するエミッタ層から構成される複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタをGaAs基板上に有するパワーアンプと、前記パワーアンプが実装される実装基板と、前記エミッタ層の直上と前記実装基板の間に配置されるスタッドバンプとを具備する半導体装置の不良検査法において、
    前記パワーアンプを動作させ、
    前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの各々について、前記ベース中の少数キャリアの再結合による発光を生じさせ、
    前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの各々について、前記発光のスペクトルを分光し、前記発光のピーク波長を検出し、
    前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの前記発光のピーク波長を互いに比較することにより、前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの温度分布を評価する
    ことを特徴とする半導体装置の不良検査法。
  2. コレクタ層、ベース層及び前記ベース層よりも大きなバンドギャップを有するエミッタ層から構成される複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタをGaAs基板上に有するパワーアンプと、前記パワーアンプが実装される実装基板と、前記エミッタ層の直上と前記実装基板の間に配置されるスタッドバンプとを具備する半導体装置の不良検査法において、
    前記パワーアンプを動作させ、
    前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの各々について、前記ベース中の少数キャリアの再結合による発光を生じさせ、
    互いに異なる波長の光を通す特性を持つ複数のフィルタを、1枚ずつ、それぞれ順番に用いて、前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの各々について、各波長における発光強度を検出し、
    各波長における前記発光強度を比較し、前記発光強度が最も強く観測された波長を発光スペクトルのピーク波長とし、
    前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの前記発光のピーク波長を互いに比較することにより、前記複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタの温度分布を評価する
    ことを特徴とする半導体装置の不良検査法。
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