JP5011661B2 - 半導体素子の試験方法 - Google Patents
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Description
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、半導体チップをウエハ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、半導体素子のうち、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10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10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。
なお、図10においては、図示を簡便にするため、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11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11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。コレクタ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12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はシリコン基板15上に絶縁層14を介して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12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。パワー半導体チップの表裏の電極と試験装置の電極とは、プローブ針をパワー半導体チップの表面電極への押圧による接触を図っていた。
さらに、銅板などの連続固体材料である電極パッド表面にパーティクルなどが存在すると、プローブ針を接触させるときの押圧力でパワー半導体チップ裏面を損傷させる可能性があった。
このように、パワー半導体チップの裏面を損傷させるような電極パッドでは後続の試験を連続して行うことができない。そのため、ステージを交換、あるいは盛り上がりを除去するメンテナンスが必要で、またその損傷量によって、試験装置電極の耐用寿命が決まっていた。
さらに、銅板などの連続固体材料による電極パッドでは、電極材料自身の硬度・弾性係数が高いため、反りを持ったパワー半導体チップ素子を押圧した際、半導体素子に内部応力、あるいはひずみが発生し、内部応力やひずみに起因して電気特性が変化し、本来の特性測定ができないという問題があった。
この発明は、前記のような従来の半導体装置の試験装置における問題点を解決して、パワー半導体チップの電極を試験装置の電極との接触を確実なものとし、パワー半導体チップを損傷させることなく、連続して試験を行うことができる半導体素子の試験装置および試験方法を得ることを課題とするものである。
繊維として、炭素繊維材料や導電性高分子材料も適用が可能である。
図2は電極パッド61の拡大図である。電極パッド61は直径50μmのステンレス繊維からなる不織布であり、空隙率は80%である。図3は、別の素材の電極パッドの例であり、直径20μmのチタン繊維からなる不織布であり、空隙率は50%である。
電極パッド61はステージ2に固定され図示しないテスターに接続されている。同様に、電極パッド2はプローブ針用アッシー4に固定されテスターに接続されている。ゲート用プローブ針3’の先端は電極パッド62のパワー半導体チップ1との接触面に揃うように調整されている。
次に試験方法について説明する。
電極パット61にコレクタ電極が接するようにパワー半導体チップを載置する。ステージ2を上昇させて、パワー半導体チップ1のエミッタ電極に電極パッド62を、ゲート電極にゲート用プローブ針3’をそれぞれ接触させる。
次に、コレクタ−エミッタ間に所定電圧(800V)を印加し、ゲート電極に所定のゲート電圧を印加する。コレクタ電極,エミッタ電極ともに多数の接続点,電流経路にて数百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。
図4は試験波形を示すものである。図4(a)は実施例1のもの、(b)は従来例に相当する電極パッドに連続固体材料(バルク材料)を用いたものの電流波形である。試験波形を比較すると、実施例1では最大296Aであるのに対し従来例では最大294Aであり、同じ印加電圧に対して電流値が2A高い。これは、電極パッドに金属繊維の不織布を採用したことにより、パワー半導体チップの電極と試験装置の電極パッドとの接触抵抗値が0.02Ω低下したことを示している。
また、試験電圧の印加によってパワー半導体チップが破壊されて過大なショート電流が流れ、大きな熱エネルギーが発生した場合、従来の連続固体材料の試験装置電極では溶融再凝固時の表面張力差によるマランゴニ対流で中心が凹み周囲が盛り上がった形状で電極パッド表面が盛り上がる。このままの状態で試験を継続すると、後続の被試験パワー半導体チップ裏面を傷つけてしまうのに対し、金属繊維の電極パッドはその熱エネルギーを吸収・放散するので、溶融による電極パッドの盛り上がりが発生しない。このため、後続の被試験パワー半導体チップとの接触部分への影響がなくなり、試験装置電極のメンテナンスが不要となる。
図5はパワー半導体チップの裏面(コレクタ)電極を示したものであり、図5(a)は実施例1の試験装置で試験したあともの、(b)は従来例に相当する電極パッドに連続固体材料(バルク材料)を用いた試験装置で電極のメンテナンスをせずに連続して試験したあとものである。図5(a)に示すように電極パッドに金属繊維の不織布を採用した場合の方が、パワー半導体チップの電極に与えるダメージが少ないことを示している。
ここで、金属繊維の不織布における空隙率について説明する。空隙率は、電極パッドの容積に対する空隙の割合を示すものである。金属繊維の不織布の電極パッドとパワー半導体チップとの接触箇所数は空隙率に反比例する。
従って、これらの関係から、接触箇所数を多くするべく金属繊維の直径を1μm〜100μmの中から選定し、空隙率を選定すればよい。直径の異なる複数の不織布を積層する構成とし、空隙率を調整してもよい。
さらに、電極パッドに連続固体材料を用いた場合と比較して、不織布の電極パッドは硬度・弾性係数が小さい。このため、パワー半導体チップ1が反っていた場合でも、その反り形状にあわせて電極パッド61,62が変形し、パワー半導体チップ内部に応力を発生させることがない。
半導体素子の基準測定方法であるカーブトレーサによるマニュアル測定結果と、実施例1によるもの、従来例に相当する電極パッドに連続固体材料(バルク材料)を用いたものを比較すると、カーブトレーサによるマニュアル測定結果と実施例1による測定結果は完全に一致する。連続固体材料の電極パッドを用いた試験装置による自動測定結果に対して、金属繊維による不織布の電極パッドを用いて試験装置による自動測定は、その測定精度を向上させることができる。
ここで、エミッタ電極−電極パッド62間でフリッティング現象が起きるように、テスターより電極パッド61,プローブ3間に800Vを印加し、パワー半導体チップのゲートにゲート信号を印加する。コレクタ電極に対しては金属繊維の不織布が接しており多数の接触点を確保されている。さらに、エミッタ電極についてフリッティング現象により電流経路が確保される。
フリッティング現象は、先述の非特許文献1によって既に知られている技術であり、半導体の試験に適用することは特許文献2に記載されているが、特許文献2には、複数のプ
ローブ針を並列に接続し、高電圧,大電流を印加する試験については開示がない。
次に、テスターよりテストチップの両電極に800Vの電圧を印加し、テストチップのゲートに信号を印加してテストチップを導通させて、プローブ針に電流を流してフリッティング現象を誘起するとともに、接触抵抗を計測する。
プローブ針の接触位置を変更しながら複数のテストチップを用いて複数回の同様の計測を行い、接触抵抗の分布を求めたのが図7である。図7は、σ=0.12の正規分布であり、設計電流分布幅を平均電流±3σとする。この結果、フリッティング現象を用いた試験において、プローブ針1本に印加できる電流を図8から通電時間が20μsecにおいて14.5Aと求めた。この値は、この値以上の電流を継続して印加し続けた際、プローブの先端とパワー半導体チップ電極との接触抵抗に対応して発生するジュール熱により、パワー半導体チップの電極金属を溶融させないために選定した値である。従って、パワー半導体チップの電極に用いる材料の融点に対応して選定すればよい。接触抵抗の正規分布は、プローブを複数本並列に接続した場合にも当てはめることができ、先に選定したプローブ針1本に印加できる電流値と、被試験パワー半導体チップの定格、および試験時に印加しうる最大電流から必要なプローブの本数を決定する。例えば、試験時に最大で300Aの電流を印加するチップの場合、電流値に例えば50%ほどの余裕を見込むと450〔A〕÷14.5〔A/本〕≒32本が、最低限必要なプローブ本数となる。
プローブ針をパワー半導体チップ電極へ加圧接触させると電極表面に少なからずプローブ痕が残る。プローブ痕が深くなると、パワー半導体チップの実装工程におけるワイヤボンディング工程でワイヤの接合性に影響がある。プローブ痕の深さはプローブ針の荷重ではなく、接触面圧に比例している(式1)。
ここで、Rはプローブ針の先端曲率半径、Wはプローブ荷重、Eはプローブ針材料とパワー半導体チップ電極材料との合成弾性係数。
(1)式より、プローブ痕をワイヤボンディング時の拡散接合深さ(例えば0.2μm)より浅くして、ワイヤボンディング工程への影響を避けたい場合には、接触面圧を2.4GPa(0.25gf/μm2)以下、実用上は3GPa以下とすればよい。
上記の例では、パワー半導体チップ電極への接触面圧を2.4GPaより小さい1.9GPaとした。
図9(b)も金属微粒子を用いた他の電極パッド80の断面概略図である。81は表面に50μmの曲率半径の凹凸を有する銅の微粒子であり、表面にニッケルのメッキを施したものである。曲率半径は1μm〜100μmの範囲で適宜選択すればよい。微粒子81は導電性の導電性の容器82に格納され図示しないテスターに接続される。導電性の容器82は図1の電極パッド61に替えてステージ2上に固定する。
容器72,82の開口部の端部は、パワー半導体チップ1が接触した際にパワー半導体チップを破損しないよう導電性微粒子のよりわずかに低くするか、パワー半導体チップとの接触で容易に弾性変形しうる樹脂で構成してもよい。あるいは、パワー半導体チップ搭載部分の有効面積を広めに確保してもよい。
このようにすることで、電極パッド70,80にはパワー半導体チップ1を多数の点で支持した状態で載置可能となる。ステージ2の上昇によってパワー半導体チップ1に押圧力が印加されると、パワー半導体チップ1のコレクタ電極は複数の金属微粒子と確実に接触し、実施例1と同様に試験を行うことができる。金属微粒子の電極パッドは熱エネルギーを吸収・放散するので、溶融による電極パッドの盛り上がりが発生しない。このため、後続の被試験パワー半導体チップとの接触部分への影響がなくなり、試験装置電極のメンテナンスが不要となる。また、パーティクルが発生しても空隙へ落下し後続の試験への影響がない。
ここで、微粒子を表面に1μm〜100μmの曲率半径を有する形状の微粒子、もしくはその直径が1μm〜100μmの微粒子としたのは、実施例1と同様に接触箇所をできるだけ多くするためである。これらの数値は、金属繊維の場合と同様に、空隙率を調整するためには曲率半径や粒径の異なる微粒子を混合して用いるとよい。
また、実施例2の構成において、電極パッド70,80の最上層であってパワー半導体チップ1を載置する部分に、さらに、実施例1の不織布を敷いた構成としてもよい。このようにすると、パワー半導体チップ1への不要な応力が印加されるの微粒子の飛散を防ぐことができる。
2 ステージ
3,3’ 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
61,62,70,80 電極パッド
Claims (4)
- 被試験素子としての半導体素子の第1の主面に形成された第1電極と複数箇所で接触し、並列に接続された複数のプローブ針からなる第1接触子と、前記半導体素子の第2の主面に形成された第2電極と複数個所で接触する第2接触子と、を備え、少なくとも前記第1電極と前記第1接触子とがフリッティング現象により前記接触箇所において導通する半導体素子の試験方法において、
前記被試験素子としての半導体素子と同等のモデル素子を用い、該モデル素子の第1の主面に形成された第1電極と1本のプローブ針とを接触させ、前記モデル素子の第2の主面に形成された第2電極を回路基板に接合し、
前記1本のプローブ針と前記回路基板の回路パターンとの間に、フリッティング現象を誘起するための電圧を印加し、
続いて、前記モデル素子のゲートにゲート信号を印加して前記モデル素子をオンし、前記第1接触子に電流を流して、前記モデル素子の第1電極との間でフリッティング現象を誘起させ、
続いて、前記1本のプローブ針と前記モデル素子の第1電極との間の接触抵抗を計測し、
前記1本のプローブ針と前記モデル素子の第1電極との接触箇所を変更して前記接触抵抗の計測を複数回行なって接触箇所における接触抵抗の正規分布を求め、該正規分布の標準偏差によりプローブ針1本に印加できる電流を求め、
前記1本のプローブ針に印加できる電流値と、試験時に被試験素子に印加しうる最大の電流値とから、試験に必要な前記第1電極のプローブの本数を決定することを特徴とする半導体素子の試験方法。
- 続いて、被試験素子である半導体素子の第1電極と前記決定した本数のプローブを有する第1接触子を接触させ、被試験素子である半導体素子の第2電極と前記第2接触子とを接触させ、前記第1接触子と第2接触子との間に、フリッティング現象を誘起するための電圧を印加し、
続いて、前記半導体素子のゲートにゲート信号を印加して前記半導体素子をオンし、
前記第1接触子に電流を流して、前記第1電極との間でフリッティング現象を誘起し、
続いて、前記第1接触子と第2接触子との間に、電圧を印加して、前記半導体素子の試験を行なうことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の試験方法。 - 前記第1接触子の前記第1電極への接触面圧は、3GPa以下とすることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子の試験方法。
- 前記第2接触子に、ほぼ平坦な面を有する外形に形成され、空隙により弾性係数を前記電極を形成する材料のバルクの弾性係数より低い弾性係数とし、導電性繊維からなる不織布を用いることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子の試験方法。
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