JP4679059B2 - パワー半導体素子の試験装置およびこれを用いた試験方法 - Google Patents

Description

この発明は、垂直式プローブ針を用いたパワー半導体素子の測定装置およびこれを用いた測定方法ならびにパワー半導体装置の製造方法に関する。

半導体チップの試験は、半導体チップを試験装置のステージに搭載し、該半導体チップ表面の電極パッドと試験装置に接続されたプローブ針とを接触させて行う。半導体チップの電極パッドとプローブ針との接触は、半導体チップを搭載したステージを移動させ、プローブ針を所定の加圧力で電極パッドに押圧することによって行われる。
半導体チップの電極パッドにはプローブ針を介してテスターより様々な試験条件の電流・電圧が印加され、その測定値によって半導体チップの特性が測定・評価される。上記の試験は、半導体チップをウェハーの状態のままステージに載置して行っても良い。
ところで、パワー半導体素子は高電圧を印加して大電流を流す電極（主電極）を備えている。そのため、パワー半導体素子の試験では、実使用時を模して前記主電極に高電圧・大電流を印加して測定・評価が行われる。半導体チップとしてパワー半導体素子の試験を行う際には、前記主電極のパッドと接触するプローブ針も高電圧大電流に耐え得るように設計され、パワー半導体チップの主電極パッドに複数本のプローブ針を並列に接触させている。

図５は、上記のようなパワー半導体素子の試験を行う試験装置の従来例を示す図である。以下において、図５のように複数のプローブ針を垂直に備えた試験装置を垂直式試験装置という。このような垂直式試験装置に用いるプローブ針を垂直式プローブ針というが、以下において特に断りのない限り単にプローブ針と呼ぶ。１はパワー半導体チップ、２はパワー半導体チップ１を載置・固定するステージ、３はプローブ針であって複数本が樹脂などにより固定され、プローブ針アッシー４として使用され、プローブ針アッシー４はプローブ取り付け部５に固定されている。
複数のプローブ針３をプローブ針アッシー４に固定する際、パワー半導体素子に接触する側（以下、接触端という）の高さは揃えられ、他端はテスター（図示せず）に接続されている。

ステージ２は垂直方向に移動し、プローブ針３をパワー半導体チップ１の電極パッドに接触させて両者を電気的に接続する。テスターはプローブ針３を介してパワー半導体チップ１の試験のための電流・電圧の印加を行い、テスターにおいて諸特性の測定・評価を行う。
なお、図５においては、複数のプローブ針のうち＃１〜＃５の符号を付した５本のみを記載しているが、図６に示す試験対象によって必要な本数（紙面横方向の本数並びに奥行き方向の列数）が配置される。
図６は試験対象となるパワー半導体チップの一例を示す図である。図６はＩＧＢＴ（Insulated Gate bipolar Transistor）を示すものであり、ゲート電極パッド１ｇとエミッタ電極パッド１ｅが表面に露出している。ソース電極はチップ裏面に形成されている。表面に露出しているエミッタ電極パッド１ｅは３つの領域に区分されていて、チップ内部で接続されている。エミッタ電極パッド１２上に点線１０で示した個所は、試験時にプローブ針３が接触する個所であって、１つの電極パッドに対して複数のプローブ針３が並列に接触されている。１つの電極パッドに対して接触させるプローブ針３の本数は、そのパワー半導体チップの定格やチップサイズに応じて適宜設定されている。

図７はエミッタ電極パッド１ｅとプローブ針３との接触部分の拡大図である。エミッタ電極パッド１ｅはAl-Si薄膜１１などで形成されている。Al-Si薄膜１１の表面には厚さ数百ｎｍの自然酸化膜１２が存在するが、矢印の方向に所定の加圧力でプローブ針３を接触させることにより、前記自然酸化膜１２を破壊する。そして、図７の点線１３で囲んだ個所のように、プローブ針と電極パッドとの導通経路を確保する。なお、Al-Si薄膜１１の下層には絶縁層１５が形成され、シリコン基板層１５との絶縁を図っている。絶縁層１５としては例えばＰＳＧ（Phosho-Silicate-Glass層）が用いられている。
このような、垂直式測定装置に対して、微細なピッチで電極パッドを備えるＬＳＩのようなチップの試験には、導電性と弾性を備えたアームの先端を電極パッドに接触させるカンチレバー式プローブ針を用いている。以下において、このような測定装置をカンチレバー式試験装置という。

カンチレバー式試験装置において、カンチレバーは半導体チップ表面と平行な梁部分をもっており、カンチレバーにて支持されたカンチレバー式プローブ針は半導体チップの電極パッドにカンチレバーの弾性力によって押圧され接触する。このとき、カンチレバーの支持端を軸にカンチレバーが撓み、プローブ針が電極パッドに接触する。電極パッドとプローブ針との接触時に、プローブ針が電極パッド表面を僅かに摺動するため電極パッド表面の自然酸化膜が傷つけられて、電気信号の導通路が形成される。
なお、カンチレバー式プローブ針の可動範囲が狭いこと、並びに押圧力が小さいことから、より確実に酸化皮膜を除去するために、プローブ針あるいはプローバステージに超音波印加を行う方法が知られている（特許文献１）。
特開平10-62499号公報（要約など）

しかしながら、垂直式試験装置においては、プローブ針が電極パッドに鉛直方向にのみ荷重を加えられて接触する。このため、電極パッド表面の自然酸化膜は、プローブ針の押圧による塑性変形に倣って変形するため、自然酸化膜の破壊が不十分・不安定となっていた。また、必要以上の押圧力にてプローブ針を接触させると半導体チップに亀裂が入ったり割れたりしてしまう。
図８は垂直式試験装置における、プローブ針の接触抵抗の分布を示した図であって、図５におけるプローブ針３（＃１〜＃５）の接触抵抗値の分布を示している。平均接触抵抗値は121ｍΩ、分布幅は40〜290ｍΩであり、最も大きいものと小さい下の間には250ｍΩもの差が生じている。
このことは、ＬＳＩなどの微小な電圧信号を取り扱うカンチレバー式試験装置であれば、大きな問題とならない。

ところが、高電圧・大電流の試験を行うパワー半導体チップの試験では次のような問題となる。即ち、図６に示すように、パワー半導体チップ１の試験の際、１つのエミッタ電極パッド１ｅの表面には複数本のプローブ針が接触し、プローブ針が１つのエミッタ電極パッド１ｅに並列に接続される。例えば５本のプローブ針に合計で100Ａの電流を流そうとするとき、各プローブ針に一様な電流値が流れるのが理想であるが、上記の分布により接触抵抗の最も低い40ｍΩの針には全電流の39％にあたる39Ａの電流集中が発生する。
このため、プローブ針と電極パッドとの接触部におけるの発熱量は、約61Ｗとなり、5ｍｓの通電時間で接触部の温度が77℃上昇する。パワー半導体チップを高温雰囲気（150℃）で特性評価する高温試験では、プローブ針番号#2温度は、227℃となる。
仮に5本のプローブ針の接触抵抗値が平均値である121ｍΩとしても、20Ａ/本の電流値に対して、発熱量は49Ｗとなり、5ｍｓの通電時間で、接触部の温度は62℃上昇する。高温試験では全てのプローブ針温度が212℃となる。

図９はアルミニウムの降伏応力を示す図である（石田制一編，「実用金属便覧」，日刊工業新聞社，１９５６年６月２５日，ｐ１１８）。パワー半導体チップの電極パッドはアルミニウムからなり、アルミニウムの200℃での降伏応力は常温の約50％にまで低下している。つまり、高温下においては降伏応力が低下するため、同一荷重であっても、プローブ針の接触によって電極パッド表面にダメージを与えることになる。
図１０は、パワー半導体チップの電極パッドに同一荷重を印加してプローブ針を接触させて試験をしたときのプローブ針接触部部分（図７）の断面を模式的に示す図であり、同図（ａ）は電流が集中せずアルミニウムの溶融を伴わない場合を示し、同図（ｂ）は電流が集中したことによって電極パッドのアルミニウムが溶融した場合を示す。
図１０（ａ）において、プローブ針の接触によって電極パッド表面の変形（プローブ痕）の深さは１μｍ程度であるが、溶融を伴う図１０（ｂ）ではプローブ痕の深さは４μｍに達している。上述のように高温試験の条件下では、常温よりもさらに大きなプローブ痕となる。

図１１は図１０（ｂ）に示した溶融を伴った場合のプローブ痕をFIBによって断面観察した結果を示す図である。プローブ痕は電極パッド表面を深く変形させ、そのダメージは電極パッドのAl-Si層の下層である絶縁層（PSG層）を破壊している。絶縁層が破壊されるとそのパワー半導体チップは動作不良を起こしてしまう。
絶縁層の破壊に到らないまでも、電極パッドが大きく変形していると、当該電極パッドにワイヤーボンディングを施した場合、ワイヤーボンディング領域直下に未接合部を残し、当該パワー半導体チップを組み込んだ半導体装置の信頼性に大きな影響を与えてしまう。
また、プローブ針の先端には電極パッドの溶融物などが付着し、プローブ針自身が短寿命になってしまう。

従来の垂直式試験装置においては、テスター（プローブ針）と半導体チップ（電極パッド）との導通不良や、接触抵抗のバラツキが発生し、通電時の抵抗熱による電極パッド材質の溶融によるチップダメージが発生していた。
また、特許文献１には、電極パッドに複数のプローブ針を並列に接触させること、プローブ針間の接触抵抗のばらつきを低減することについては何ら記載されていない。
この発明は、前記のような従来の垂直式試験装置における課題に鑑みてなされたものであり、電極パッドに対して並列接続関係にあるプローブ針の接触抵抗の値並びにばらつきを抑制することを課題とすものである。

前記の課題を解決するため、この発明は、パワー半導体素子の表面に形成された電極パッドにプローブ針を垂直に接触させて前記パワー半導体素子の特性を測定するパワー半導体素子の試験装置において、同一の前記電極パットに並列に接触する複数のプローブ針と、該複数のプローブ針が前記電極パッドに接触した状態で、該複数のプローブ針および/または前記パワー半導体素子が固定されたステージにそれぞれ高周波・微小振幅であって前記プローブ針と直交する方向の振動を与える振動印加手段とを備えるものとする。

前記のようにこの発明は、電極パッドに対して並列接続関係にあるプローブ針の接触抵抗の値，バラツキを同時に減少させることができる。また、導通面積が増加したことにより良好な導通状態を得ることができるため、プローブ針への荷重を軽減することが可能となって、プローブ針の接触による電極パッドの変形を抑制することができ、ワイヤーボンディング不良の発生を防ぐことができる。

以下にこの発明を、図に示す実施例に基づいて説明する。

図１はこの発明の第１の実施例を示すものであり、図５と同一の構成には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
なお、図１においても、複数のプローブ針のうち＃１〜＃５の符号を付した５本のみを記載しているが、試験対象に応じて必要な本数（紙面横方向の本数並びに奥行き方向の列数）が配置される。
図１において、６は超音波発生装置であり、６１は超音波発生装置にて発生した超音波振動を伝達する超音波振動子である。図１ではステージ２上にパワー半導体チップを搭載しているが、パワー半導体チップに切断する前のウェハー状態のままステージに搭載しても良い。以下において、特記しない限りいずれにも適用可能である。
プローブ針アッシー４は、樹脂や金属などの固体材料にプローブ針と同数の孔を設け、それぞれの孔にプローブ針３の円筒スリーブ３２をかしめて製作する。

図２はプローブ針３の細部を示す図である。図２において、３１は接触端側に球面の先端形状を持つ直径１mm×長さ４０mmの円柱形状のプローブ芯、３２は、内部にプローブ芯３１の鉛直方向への移動量に依存した荷重を、プローブ芯に負荷するバネ３３を収納した円筒スリーブ、３４はプローブ針３と図示しないテスターとを接続する電線である。プローブ芯３１の先端形状は球面に限らず、該球面の表面をギザギザに粗したものでも良い。円筒スリーブ３２の内面にはプローブ芯３１が摺動する際に、プローブ芯３１をその軸心を中心に回動させる機構を備えても良い。プローブ芯３１と円筒スリーブ３２の内壁との間には、プローブ芯３１の鉛直方向の摺動を容易なものとするためのあそび（すきま）を設けている。
図２に示すように、プローブ芯３１と円筒スリーブ３２との間にプローブ芯３１の摺動を容易なものとするための空間があり、超音波振動子６１を円筒スリーブ３２に固定したのでは、上記の空間にて超音波振動が吸収され、プローブ芯３１の接触端まで超音波振動が伝達しないため、超音波振動子６１をプローブ芯３１にかしめて固定している。

なお、プローブ針３の内部には図２に示したようなバネ構造を有しないタイプもあるが、このときは、プローブ針に超音波振動子を固定すればよい。
このとき、各プローブ芯３１の先端位置にばらつきが大きいと、パワー半導体チップの電極パッドに接触した時のプローブ針負荷荷重に分布が生じてしまい、表面酸化膜の破壊状態に差が生じてしまう。このため、プローブ芯３１を超音波振動子６１にかしめる際には、各プローブ針先高さを揃えるのが望ましい。厳密には、プローブ針先高さの差をゼロにするのは難しいが、プローブ針先の高さの差を荷重換算で５ｇ以下となるように揃えて超音波振動子６１でかしめる。この高さの差はプローブ針の先端形状、プローブ針及び電極パッド材質の硬度・縦弾性係数などに依存し、個々のケースで異なるが、各プローブ針先高さを基準範囲内に揃えおくことが望ましい。

超音波振動子６１は超音波振動を十分に振動対象へ伝達できるよう硬質の素材によって形成されている。超音波発生装置６より発生される超音波振動を確実に複数のプローブ芯３１に伝達するため、本実施例においては超音波振動子６１に金属材料を採用し、プローブ針アッシー４と同様にプローブ芯３１をかしめている。本実施例において、プローブ針３は並列接続関係にあるため同電位となり、金属材料を用いても問題がない。超音波発生装置６と超音波振動子６１との間は絶縁が必要であるが、試験時（試験電圧印加時）には超音波発生装置６を取り外せば絶縁を図らなくても良い。
複数のプローブ針３から個別のデータを収集する必要がある場合や、同電位とならない電極パッドにプローブ針を接触させる場合は、超音波振動子に絶縁性の素材を用いる必要がある。高硬度の樹脂で形成するのが好適である。

ステージ２にはパワー半導体チップが位置決めされて載置されている。位置決めされたパワー半導体チップのズレを防ぐために、図示しない吸引機構を備え、パワー半導体チップを裏面から吸引してステージ２に吸着させることによって固定している。図６に示す縦型のパワー半導体素子は裏面にコレクタ電極が形成されている。そこで、ステージ２を導電性の素材で形成することによって試験装置のコレクタ側の電極とし、パワー半導体チップの裏面に形成されたコレクタ電極に接触する。また、ステージ２はパワー半導体チップ１を高温試験に供するためのヒーター（図示せず）を内蔵しても良い。
次に試験方法について説明する。
上記のとおりステージ２上にパワー半導体チップ１の位置決め・固定したのち、ステージ２を上昇させて、パワー半導体チップ１のエミッタ電極パッド１ｅの接触個所１０においてそれぞれプローブ針３を接触させる。

続いて、超音波発生装置６より超音波を発生させ、超音波振動子６１を介してプローブ芯３１を振動させる。プローブ芯３１はエミッタ電極パッド１ｅ上をプローブ針と直行する方向に微小振幅で摺動し、表面酸化膜を破壊して、プローブ芯３１がエミッタ電極パッド１ｅの新生面と接触する。
次に、超音波発生装置６を取り外した後、コレクタ−エミッタ間に所定電圧（１ｋＶ）を印加し、ゲート電極に所定のゲート電圧を印加する。エミッタ電極１ｅに対して合計３４本のプローブ針３が並列に接続され、数百Ａの試験電流を分担して印加し、パワー半導体チップの特性を測定する。
上記の試験に続いて、高温試験を行う場合、プローブ針３をパワー半導体チップに接触させたまま、ステージ２に内蔵したヒーターによってパワー半導体チップを所定温度（１５０℃）まで上昇させた後、再びコレクタエミッタ間に所定の電圧を印加して特性測定を行う。

温度雰囲気の変更時にプローブ針がエミッタ電極１ｅから離れないため、良好な接触を保つことができるが、温度条件の変更時など、測定と測定の間に、再度超音波振動を印加しても良い。
図３は、本実施例におけるプローブ針の接触抵抗の分布を示した図であって、図１におけるプローブ針３（＃１〜＃５）の接触抵抗値の分布を示している。図８に示した従来例における接触抵抗値の最小最大値は40、290mΩで、バラツキはΔ250mΩ（=290―40mΩ）であったのに対して、図３ではプローブ針の接触抵抗値の最小最大値は、19、25mΩ、バラツキはΔ6mΩ（＝25―19mΩ）であり、接触抵抗の値，バラツキとも減少していることがわかる。これは酸化膜破壊が促進され、導通面積が増加したことによる。良好な導通状態を得ることができるため、プローブ針への荷重を軽減することが可能であり、プローブ針の接触によるプローブ痕の発生を抑制することができる。

図４は、本実施例の別の構成を示す図であり、図４に示すように、プローブ芯固定部材６３によってプローブ芯３１と円筒スリーブ３２との間のあそびを拘束し、超音波振動子６２をプローブ取り付け部５に接続してプローブ取り付け部５に超音波振動を供給しても良い。
同様に、プローブ芯固定部材６３によってプローブ芯３１と円筒スリーブ３２との間のあそびを拘束し、超音波振動子６４をステージ２に接続してステージ２に超音波振動を供給しても良い。
あるいは、プローブ芯固定部材６３によってプローブ芯３１と円筒スリーブ３２との間のあそびを拘束し、超音波振動子６２をプローブ取り付け部５に接続すると共に超音波振動子６４をステージ２に接続し、プローブ取り付け部５およびステージ２に同時に超音波振動を供給しても良い。このときの振動方向はプローブ針と直交する方向であって、かつプローブ取り付け部５とステージ２とは振動方向を異ならせておくと、いずれかに単独で超音波振動を印加した場合に比べ、同一の超音波振動（振幅、周波数）を印加した場合でも、摺動面積が大きくなってより良好な接触を得ることができる。

同様に、プローブ取り付け部５とステージ２それぞれに超音波振動子６２，６４を接続し、印加する超音波の周波数を異ならせてもよい。プローブ取り付け部５とステージ２の振動方向が同一であっても周波数が異なることにより摺動の効果を大きくすることができる。
なお、上記の実施例はＩＧＢＴを例にとって説明したが、これに限るものではなく、パワー半導体素子としてダイオードにも適用可能であることは言うまでもない。
また、パワー半導体素子をチップ状に切断する前のウェハー状態においても適用可能である。この場合、ステージ２もしくはプローブ取り付け部５が水平方向に移動可能に構成されている。ステージ２にウェハーを載置・固定し、ウェハー内に形成されたパワー半導体素子の電極パッドにプローブ針を接触させ、超音波振動を印加した後、所定の試験を行う。試験の後、ステージ２もしくはプローブ取り付け部５を移動させ、順次同様にパワー半導体素子の試験を行う。このような試験によって不良品と判別されたパワー半導体チップは、プローブ針近傍に設けられたマーカーによってマーキングされ、チップに切断された後選別・排除される。
＜参考例＞

次に、絶縁ゲート型のパワー半導体素子の試験の参考例について説明する。
図６に示すように、パワー半導体チップ１のゲート電極パッドはエミッタ電極パッドと同じ面に形成されている。ゲート電極用のプローブ針をエミッタ電極用のプローブ針と共にプローブ針アッシーに固定しておけば、ゲート電極パッドとエミッタ電極パッドに同時にプローブ針を接触させることができる。
このとき、図１に示す超音波振動子６１は、エミッタ電極用のプローブ芯３１のみに固定され、ゲート電極用のプローブ芯は固定しない。したがって、エミッタ電極用のプローブ針には超音波発生装置６からの超音波振動が印加され、上記の如くエミッタ電極パッド表面上を摺動するがゲート用プローブ針には振動を印加しない。
ゲート電極には大電流が流れることがなく、数ボルトのゲート電圧が印加されるだけであるので、垂直方向の荷重によるものだけでも十分接触可能である。また、大電流が流れないことから溶融等の問題への対策が不用であり、振動を印加する必要がない。

ゲート電極パット上でのプローブ針の摺動がないため、電極パッドのダメージを抑制できる。

第１の実施例を示す図である。 プローブ針３の細部を示す図である。 第１の実施例におけるプローブ針の接触抵抗の分布を示した図である。 第１の実施例の別の構成を示す図である。 従来例を示す図である。 パワー半導体チップの一例を示す図である。 エミッタ電極パッド１ｅとプローブ針３との接触部分の拡大図である。 従来のプローブ針の接触抵抗の分布を示した図である。 アルミニウムの降伏応力を示す図である。 プローブ針接触部部分の断面を模式的に示す図である。 溶融を伴った場合のプローブ痕の断面観察結果を示す図である。

符号の説明

１ パワー半導体チップ
２ ステージ
３ プローブ針
４ プローブ針アッシー
５ プローブ取り付け部
６ 超音波発生装置
６１，６２，６４ 超音波振動子
６３ プローブ芯固定部

Claims (2)

1. パワー半導体素子の表面に形成された１つの電極パッドに複数のプローブ針を垂直に接触させて前記パワー半導体素子の特性を測定するパワー半導体素子の試験装置において、
   前記パワー半導体素子を固定するステージと、
   前記１つの電極パットに並列に接続され、先端の高さがあらかじめ定めた範囲に揃えられた複数のプローブ針と、
   該複数のプローブ針を前記電極パッドに接触させた状態で、該複数のプローブ針に高周波・微小振幅であって前記プローブ針と直交する方向の振動を与える第１の振動印加手段と、
   前記ステージに高周波・微小振幅であって前記プローブ針と直交する方向の振動を与える第２の振動印加手段と、を備え、
   前記第１の振動印加手段によって供給される振動方向と、前記第２の振動印加手段によって供給される振動方向はそれぞれ異なる方向であることを特徴とするパワー半導体素子の試験装置。
2. パワー半導体素子の表面に形成された１つの電極パッドに複数のプローブ針を垂直に接触させて前記パワー半導体素子の特性を測定するパワー半導体素子の試験装置において、
   前記パワー半導体素子を固定するステージと、
   前記１つの電極パットに並列に接続され、先端の高さがあらかじめ定めた範囲に揃えられた複数のプローブ針と、
   該複数のプローブ針を前記電極パッドに接触させた状態で、該複数のプローブ針に高周波・微小振幅であって前記プローブ針と直交する方向の振動を与える第１の振動印加手段とを備え、
   前記複数のプローブ針は、それぞれ前記電極パッドに接触するプローブ芯と、前記プローブ針を固定するための固定部に固定されるスリーブからなり、
   前記プローブ芯と前記スリーブとの間のあそびを拘束する芯固定部材を備え、
   前記第１の振動印加手段から前記固定部に前記振動を与えることを特徴とするパワー半導体素子の試験装置。