JP5014740B2 - 信頼性試験装置および信頼性試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスを加熱下で動作させて信頼性を評価するのに好適な信頼性試験装置および信頼性試験方法に関する。

従来より、作製された半導体デバイスに対して、動作不良を生じる寿命等の動作信頼性を評価する信頼性試験が行なわれている。この信頼性試験は一般的に、あらかじめウエハ上に形成した半導体デバイスをチップにカットしてパッケージに組み付け、そのパッケージをさらに配線が施されている評価用のボードに組み付けた後、これを例えば１５０℃〜１７０℃程度に温調された恒温室内に配置することによって行なわれる。

具体的には、半導体デバイスの開発過程において、図２−（ｂ）に示すように、まずデバイス設計を行なった後、デバイスを試作して信頼性評価を行ない、不具合（ＮＧ）があるとされたときは不具合のある箇所あるいは試作工程を改善し、改善後再び試作、信頼性試験を行なう工程を繰り返し、信頼性試験で問題なし（ＮＧでない）とされると、製品としての製造が開始される。このとき、試作の半導体デバイスは、上記のようにチップとしてパッケージに組み付けた状態にして約１０００時間程度の動作試験を行なっており、試験に膨大な時間とコストが必要となる。

半導体デバイスの信頼性の合否は、半導体デバイスの基本パラメータが所望の範囲内での特性変動であるか否かを試験することにより判定できる。
例えば、半導体デバイスの信頼性を維持できる寿命は、高温下で通電試験を行なって電気的特性がある値まで変化するまでの時間を試験することにより寿命を評価することができる。

このときの寿命は、一般にはアレニウス型の依存性を示し、アレニウスプロットをもとに温度を上げることで短時間に評価することができる。また、寿命の温度依存性を計測し、活性化エネルギーを求めることによって所望の温度での寿命を予測することができる。

一方、作製された半導体デバイスの長期信頼性が保てる最大温度を試験しようとする場合、複数の温度環境下で長時間動作させる必要がある。
そのため、温度を複数変化させて長時間動作させようとすると、例えば一つの温度環境での評価時間が１０００時間である場合ｎ個の温度環境では１０００ｎ時間を要する等、試験に膨大な時間が必要になる。

また、半導体デバイスを加熱する方法の一つとして、デバイス領域の周囲にポリシリコンヒータが設けられたものが開示されている（非特許文献１参照）。ここでは、デバイス領域の温度を２００〜２５０℃として１０００秒間動作させたことが記載されている。
"Bias temperature instability assessment of n- and p-channel MOS transistors using a polysilicon resistive heated scribe lane test structure"Microelectronics Reliability、Werner Muth and Wolfgang Walter、44（2004） p.1251-1262.

上記のように、信頼性試験には高温加熱による評価等に膨大な時間を要するほか、評価対象である半導体デバイスもチップにしてパッケージに組み付ける必要があるため、組み付けに要する時間やコストも大きい。そのため、信頼性試験に要する時間の短縮およびパッケージへの組み付け作業の簡略化を検討することにより、半導体デバイスの生産に至るまでの工程の短縮、コスト削減が期待できる。

また、信頼性試験には高温での通電試験が必要であり、通電試験は高温ほど短時間に評価が可能であるほか、近年では、例えば車載用の半導体デバイスなど、より劣悪な高温環境下で使用されることを想定して従来以上の高い温度（例えば２００℃や３００℃を超える温度）での信頼性を試験する必要性も生じている。しかも、このような高い温度で例えば５０時間以上の長時間にわたる試験の必要性もある。

ところが、ウエハ状態で加熱し試験を行なう場合、半導体デバイスはウエハを載せるステージの温度を上げることにより加熱されていたが、ウエハ状態のままで加熱可能な温度は２００℃程度が限界であった。

さらに、長期信頼性を保証する最大温度を評価する試験を行なう場合は、複数の恒温室を用意してそれぞれ温度を変えて長時間動作させるようにすれば試験時間の短縮が図れるが、設備投資が不可避であり、やはりコスト的に不利である。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、半導体デバイスをパッケージ等に組み付けることなく、ウエハ状態のまま所望温度に加熱して信頼性試験を行なえ、複数の温度環境にわたる信頼性試験を短時間で行なうことができる信頼性試験装置および信頼性試験方法を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。

本発明は、半導体デバイスを作製する際に半導体プロセス中の工程を流用することにより、余分な工程を設けることなく、ウエハ状態のままでの加熱試験が可能であると共に、所望の半導体デバイスに対して選択的に所望の高温度に加熱しながら動作試験を行なうことができるとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。

前記目的を達成するために、本発明の第１の発明である信頼性試験装置は、半導体プロセスで作製された加熱ヒータを有する半導体デバイスが形成されたウエハの前記加熱ヒータより選ばれる少なくとも一部に、前記加熱ヒータと前記半導体デバイスのデバイス動作領域とが下記（1）及び（2）の関係を満たす範囲においてウエハ状態のまま通電し、通電された加熱ヒータを有する半導体デバイスを選択的に加熱することにより、半導体デバイスの信頼性試験を行なう構成としたものである。

第１の発明の信頼性試験装置においては、ウエハ上の半導体デバイスのうち試験対象とする所望の半導体デバイスの一部もしくは全部を選択し、選択された半導体デバイスの加熱ヒータに対してウエハ状態のまま通電を行なえる構成にすることで、従来のように半導体デバイスをチップにして組み付ける必要がなく、信頼性試験に要する時間の短縮およびパッケージへの組み付け作業の簡略化が図れるので、半導体デバイスの生産に至るまでの工程の短縮、コスト削減を実現できる。
例えば、図２−（ａ）に示すように信頼性試験に必要な時間が短縮され（※印の期間）、半導体デバイスの生産に至るまでの全工程時間を、図２−（ｂ）に示す従来の工程時間よりも大幅に短縮することが可能である。

また、選択された半導体デバイスの加熱ヒータに局所的に通電して加熱を行なうことで、恒温室等の用意や恒温室等の環境温度を試験温度に応じて上げる必要性が不要で、ウエハ全体を加熱せずに、半導体デバイス毎の加熱および加熱温度の選択が可能であるので、余分な設備や工程を設けずに、従来以上の高温度（例えば２００℃以上の温度）で試験を行なうことができ、一つの試験のみならず複数の温度に環境変化させて試験する等の場合に要する時間を短縮できる。さらに、動作信頼性を保障する限界温度を評価する試験が可能であり、半導体デバイスの信頼性設計が容易になる。

第１発明においては、加熱ヒータのサイズをＬ（長さ）×Ｗ（幅）とし、半導体デバイスを構成するデバイス動作領域のサイズをＬｄ（長さ）×Ｗｄ（幅）とすると、デバイス動作領域と加熱ヒータとの寸法関係を下記（1）及び（2）の関係を満たす範囲とする。
Ｗｄ≦０．２Ｗ …（1）
Ｌｄ≦０．２８Ｌ…（2）

デバイス動作領域とは、例えばバイポーラ（bipolar）トランジスタや電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）またはＭＯＳＦＥＴなどの半導体構造が形成されている領域である。

加熱ヒータは、通電により発熱し、この発熱でデバイス動作領域は加熱される。このとき、加熱ヒータを長時間（例えば５０時間以上）加熱し続ける限界電力は、加熱ヒータの発熱温度によって決まるが、この発熱温度はヒータの通電時の抵抗で求められる。そして、通電前と通電時の加熱ヒータの抵抗値の比を利用し、前記寸法関係を満たす構成とすることで、加熱ヒータの短時間での劣化や破壊を抑制できるので、デバイス動作領域を高温（例えば４００℃）下で例えば５０時間以上の長時間にわたる信頼性試験を行なうことができる。

また、第１の発明は、半導体プロセスで作製された加熱ヒータを有する半導体デバイスの加熱ヒータに通電する通電手段と、半導体デバイスに通電する通電手段と、半導体デバイスの所望のパラメータの初期値に対する通電後の変化率が所定値以下であるか否かを判定する判定手段と、判定手段により前記変化率が所定値を超えていると判定されたときに、加熱ヒータおよび半導体デバイスへの通電を終了する通電制御手段とを設けて構成することができる。

通電手段により選択された所望の半導体デバイスの加熱ヒータに通電する場合、加熱ヒータのデバイス動作領域との寸法関係が上記の（1）及び（2）の関係を満たす範囲において、ヒータに劣化や破壊が起きない範囲でヒータ抵抗およびその変化に応じた最大電力を投入することができるので、例えば５０時間以上の長時間にわたる高温（例えば４００℃）での加熱が可能であり、動作信頼性を保障する限界温度を評価する試験に有効である。

第１発明においては、加熱ヒータをポリシリコンヒータで構成することができる。
ポリシリコンは通電すると自己発熱し、この発熱でデバイス動作領域は加熱される。このとき、ポリシリコンを長時間（例えば５０時間以上）加熱し続ける限界電力は、ポリシリコンの自己発熱温度によって決まるが、この自己発熱温度はポリシリコンの通電時の抵抗で求められる。そして、通電前と通電時のポリシリコンの抵抗値の比が１．５であることを利用し、前記寸法関係を満たす構成とすることで、ポリシリコンの短時間での劣化や破壊を抑制できるので、デバイス動作領域を高温（例えば４００℃）下で例えば５０時間以上の長時間にわたる信頼性試験を行なうことができる。

第２の発明である信頼性試験方法は、半導体プロセスで作製された加熱ヒータを有する半導体デバイスが形成されたウエハを準備し（準備工程）、ウエハ上の加熱ヒータの少なくとも一部に、前記加熱ヒータと前記半導体デバイスのデバイス動作領域とが下記（1）及び（2）の関係を満たす範囲においてウエハ状態のまま通電し、通電された加熱ヒータを有する半導体デバイスを選択的に加熱しながら（加熱工程）通電することにより、半導体デバイスの信頼性試験を行なう構成としたものである。

第２の発明においても前記同様に、ウエハ上の半導体デバイスのうち試験対象とする所望の半導体デバイスの一部もしくは全部を選択し、選択された半導体デバイスの加熱ヒータに対してウエハ状態のまま通電を行なえる構成にすることで、従来のように半導体デバイスをチップにして組み付ける必要がなく、信頼性試験に要する時間の短縮およびパッケージへの組み付け作業の簡略化が図れるので、半導体デバイスの生産に至るまでの工程の短縮、コスト削減を実現できる。上記同様に、例えば、図２−（ａ）に示すように信頼性試験に必要な時間（※印）が短縮される。

また、選択された半導体デバイスの加熱ヒータに局所的に通電して加熱を行なうことで、恒温室等の準備や恒温室等の環境温度を試験温度に応じて上げる必要性が不要で、ウエハ全体を加熱せずに、半導体デバイス毎の加熱および加熱温度の選択が可能であるので、余分な設備や工程を設けずに、従来以上の高温度（例えば２００℃以上の温度）で試験を行なうことができ、一つの試験のみならず複数の温度に環境変化させて試験する等の場合に要する時間を短縮できる。さらに、動作信頼性を保障する限界温度を評価する試験が可能であり、半導体デバイスの信頼性設計が容易になる。

また、第２の発明の加熱ヒータのサイズをＬ（長さ）×Ｗ（幅）とし、半導体デバイスを構成するデバイス動作領域のサイズをＬｄ（長さ）×Ｗｄ（幅）とすると、デバイス動作領域とポリシリコンヒータとの寸法関係を下記（1）及び（2）の関係を満たす範囲とする。デバイス動作領域については、既述の通りである。
Ｗｄ≦０．２Ｗ …（1）
Ｌｄ≦０．２８Ｌ…（2）

第１の発明における場合と同様に、第２の発明は前記寸法関係を満たすように構成することで、加熱ヒータの短時間での劣化や破壊を抑制できるので、デバイス動作領域を高温（例えば４００℃）下で例えば５０時間以上の長時間にわたる信頼性試験を行なうことができる。

また、加熱ヒータおよび半導体デバイスへの通電は、半導体デバイスの所望のパラメータの初期値に対する通電後の変化率が所定値以下である範囲で電力を投入して行なうことができる。加熱ヒータのデバイス動作領域との寸法関係が上記の（1）及び（2）の関係を満たす範囲において、ヒータに劣化や破壊が起きない範囲でヒータ抵抗およびその変化に応じた最大電力を投入することができるので、例えば５０時間以上の長時間にわたる高温（例えば４００℃）での加熱が可能であり、動作信頼性を保障する限界温度を評価する試験に有効である。

第２発明においても、第１の発明と同様に、加熱ヒータとしてポリシリコンヒータを用いて好適に構成することができる。

本発明は、作製された半導体デバイスの信頼性を試験する場合に、評価用の恒温室やボードの準備および耐熱性対策等の設備投資を行なうことなく、任意の加熱温度、特に２００℃以上の高温環境での過酷な動作試験を短時間に、しかも低コスト化を図りながら行なうことが可能な信頼性試験システムを構築することができる。

本発明によれば、半導体デバイスをパッケージ等に組み付けることなく、ウエハ状態のまま所望温度に加熱して信頼性試験を行なえ、複数の温度環境にわたる信頼性試験を短時間で行なうことができる信頼性試験装置および信頼性試験方法を提供することができる。

以下、本発明の信頼性試験装置の実施形態の一例を図１〜図１０を参照して詳細に説明すると共に、該説明を通じて、本発明の信頼性試験方法の詳細についても述べる。但し、本発明においては、これら実施形態に制限されるものではない。

本実施形態の信頼性試験装置は、図１に示すように、ウエハ（半導体基板）上の半導体デバイスを動作させるための通電試験用電源１１と、半導体デバイスのポリシリコンヒータに通電するためのヒータ電力用電源１２と、信頼性試験に必要な半導体デバイスの動作制御とポリシリコンヒータに対する通電制御を担う通電制御手段である制御装置１３とを備え、ウエハプローバ上に置かれたウエハ上の半導体デバイスにウエハ状態のまま、テスターと接続された検査針（プローブ）を立てて通電し、信頼性試験を行なえるようになっている。

ウエハプローバは、ウエハ上の半導体デバイスに検査針（プローブ）を立て検査を行なうものである。被試験物である半導体デバイス１５が作り込まれたウエハ１６は、図１に示すように、このウエハプローバ上に置いて試験できるようになっている。

ウエハ１６上の半導体デバイス１５は、図３に示す構造に構成されており、チップにカットされる前の、半導体プロセスでウエハ上に作り込まれた状態のままになっている。
半導体デバイス１５の中央部には、図３に示すように、ＭＯＳＦＥＴ構造を有するデバイス動作領域であるデバイス構造部位２１を備え、このデバイス構造部位２１の加熱が可能なようにポリシリコンヒータ２２が設けられている。

デバイス構造部位２１は、図３に示すように、Ｌｄ（長さ）３９μｍ、Ｗｄ（幅）２８．８μｍのサイズのＭＯＳＦＥＴが作製された動作領域であり、サイズＬ（長さ）×Ｗ（幅）のポリシリコンヒータ２２の中央部（長さＬ方向に等距離Ｌｐを、幅Ｗ方向に等距離Ｗｐを残している）に配置されている。

ポリシリコンヒータ２２は、半導体プロセスによりデバイス構造部位２１が作製される工程内でポリシリコンを堆積させて形成された、Ｌ（長さ）１４０μｍ、Ｗ（幅）１４４μｍ、厚み０．４μｍで抵抗値４６Ωの加熱ヒータである。このポリシリコンヒータは、その長さＬ方向の両端においてヒータ電極２３、２４とそれぞれ接続されており、ヒータ電極２３、２４間に電流を流すことによりポリシリコンヒータ２２は発熱し、その発熱によりデバイス構造部位２１の加熱が行なえるようになっている。

本実施形態では、デバイス構造部位２１およびポリシリコンヒータ２２は、Ｗｄ＝０．２Ｗ、Ｌｄ＝０．２８Ｌの寸法関係となっている。
本発明においては、デバイス動作領域（ここではデバイス構造部位２１）とポリシリコンヒータ２２とが、Ｗｄ≦０．２ＷかつＬｄ≦０．２８Ｌの寸法関係を満たすように構成される。ＷｄおよびＷ並びにＬｄおよびＬが前記関係にあると、ポリシリコンの劣化促進を抑え、短時間での破壊を抑制できる。その結果、デバイス動作領域を特に４００℃までの温度で５０時間以上の長時間にわたる信頼性試験が行なえる。

また、前記寸法関係を満たす構成とすると共に、デバイス動作領域は、加熱ヒータ（ここではポリシリコンヒータ）の略中心位置に配置されることが望ましい。略中心位置に配置することで、デバイス動作領域の加熱を均一に行なうことができる。

加熱ヒータとしては、半導体プロセスによりデバイス構造部位の作製と共に作製可能なヒータであればよく、ポリシリコンヒータ以外に、例えば拡散層抵抗や金属配線層等が挙げられる。

半導体プロセスにより、すなわちデバイス構造部位の作製プロセスを部分的に流用して加熱ヒータを設けるので、ヒータ作製用に別途工程を設けたり、設備投資する必要がなく、半導体デバイスの一連の作製プロセス内でコストをかけずに、デバイス構造部位ごとに精細にヒータを作製することができる。

ここで、加熱ヒータを作製する半導体プロセスは、金属またはポリシリコンを堆積して膜状にするプロセスであり、例えば、半導体構造のポリシリコン膜を形成する半導体シリコンプロセス、ＣＭＯＳプロセス、不揮発性メモリプロセス、バイポーラプロセス、ＢｉＣＭＯＳプロセス、等の手段がある。

ウエハ上に設けられた各半導体デバイスには、図示しない電極パッドがそれぞれ形成されており、この電極パッドを介して、デバイス通電用リード線１７およびヒータ通電用リード線１８の各一端が接続されている。

デバイス通電用リード線１７は、半導体デバイスの信頼性試験を行なう際に通電して半導体デバイスを動作させるための配線であり、その他端は通電試験用電源１１と接続されている。また、ヒータ通電用リード線１８は、半導体デバイスの信頼性試験を行なう際に所望の半導体デバイスのポリシリコンヒータに選択的に通電し、所望とする半導体デバイスを加熱するための配線であり、その他端はヒータ電力用電源１２と接続されている。

なお、ウエハプローバの検査針（プローブ）はテスターと接続されている。このテスターは、ウエハ１６上に製作された半導体デバイス１５との電気信号のやりとりを行ない、半導体デバイスの電気的特性を測定するものである。

通電試験用電源１１は、ウエハ１６上に作り込まれた半導体デバイス１５を動作させるための電力を供給するための電源である。この通電試験用電源１１は、少なくとも電力の供給制御が可能なように電気的に制御装置１３と接続されており、制御装置１３からの信号を受けて半導体デバイスへの電力供給が行なわれるようになっている。

ヒータ電力用電源１２は、加熱しようとする半導体デバイスのポリシリコンヒータに通電するための電力を供給するための電源である。このヒータ電力用電源は、少なくとも電力の供給制御が可能なように電気的に制御装置１３と接続されており、制御装置１３からの信号を受けて選択されたポリシリコンヒータに電力供給が行なわれるようになっている。

上記した通電試験用電源１１、ヒータ電力用電源１２等は、制御装置１３と電気的に接続されている。制御装置１３は、信頼性試験を行なう際の半導体デバイスの選択、ポリシリコンヒータのＯＮ／ＯＦＦ切替、半導体デバイスの動作のＯＮ／ＯＦＦ、ポリシリコンヒータの温度制御、試験時間の監視など、信頼性試験時の動作制御を担うものである。

次に、半導体デバイスの信頼性試験を行なう信頼性試験方法の例を説明する。
まず、上記のように、あらかじめポリシリコンヒータ２２を有する半導体デバイス１５が作り込まれたウエハ１６をウエハプローバ上に配置する。室温環境下、半導体デバイス１５のポリシリコンヒータ２２にヒータ電力用電源１２から通電して半導体デバイスの加熱を行なうと共に、通電試験用電源１１から半導体デバイス１５に電力を投入し、半導体デバイスを動作させる。このようにすることで、室温下で所望の温度に加熱された半導体デバイスに対して通電試験を行なうことができる。

ポリシリコンヒータ２２による加熱は、制御装置１３によりヒータ電力用電源１２を制御してヒータ電極２３、２４間に電流を流すことによりポリシリコンヒータ２２が発熱し、その発熱温度に半導体デバイス１５は加熱される。

このとき、半導体デバイス１５の通電試験は、ウエハ状態のまま、ウエハに作り込まれた半導体デバイスのうち所望に応じて加熱温度が異なるように１つの半導体デバイスまたは複数の半導体デバイスからなる組を選択し、具体的には、例えば１５０℃、２００℃、２５０℃での通電試験を行なうことができる。室温環境下では、例えば、ポリシリコンヒータ２２に１．５Ｗ、２．０Ｗ、２．５Ｗの電力をそれぞれ投入すると、半導体デバイス１５の温度を１５０℃、２００℃、２５０℃に上げることができる。

なお、半導体デバイス１５の温度は、例えば、半導体デバイスのｐｎ接合ダイオードで測定することができる。
ここで、ダイオードの電流−電圧特性の温度依存性を図４に示す。図４に示すように、電流一定では、温度上昇と共に電圧ＶＦは変化する。これより、ｐｎ接合ダイオードの順方向電圧と温度との関係を示したグラフが図５である。図５のように、順方向電圧は温度に対して直線的に変化しており、下記の関係が得られる。
ＶＦ／ＶＦ_０＝１−β・（Ｔ−Ｔ_０）
〔Ｔ：ｐｎ接合ダイオードの温度、Ｔ_０：雰囲気温度、ＶＦ：順方向電圧、ＶＦ_０：雰囲気温度Ｔ_０でのＶＦ、β：温度係数〕
したがって、上記の式より半導体デバイスの温度は、
Ｔ＝（１−ＶＦ／ＶＦ_０）／β＋Ｔ_０
となり、ポリシリコンヒータに電力を投入したときのＶＦを測定することにより、電力と温度との関係を求めることができる。

この例を図６に示す。図６は、ポリシリコンヒータへの投入電力と温度との関係を示す図である。ポリシリコンヒータに電力を投入したときのデバイスの温度Ｔｓ（℃）は、
Ｔｓ＝Ｒｔｈ・Ｐ＋Ｔ_０
〔Ｒｔｈ：滅抵抗、Ｐ：投入電力（Power；Ｗ）〕
で表される。
したがって、投入電力Ｐを一定にすれば、一定の雰囲気温度の環境であればデバイスの温度も一定になる。よって、ポリシリコンヒータの投入電力を一定にすることで、デバイス領域の温度を一定に保つことができる。そして、ポリシリコンヒータに投入する電力を一定にするには、一般には、印加する電圧あるいは電流を一定にすればよい。しかし、ポリシリコンの発熱により、ポリシリコン自身の抵抗が変化する。したがって、投入電力を一定にするには、絶えず電力値をモニターして、電力が一定になるように電圧あるいは電流のフィードバック制御を行なうことが好ましい。

本実施形態では、半導体デバイスの特性変動は、試験前と試験期間中ないし試験後に、室温にてウエハ状態のまま、ウエハ上の半導体デバイスに検査針（プローブ）を立てて電気的特性を測定し、所望のパラメータ変化を求める。

本実施形態の制御装置１３による制御ルーチンのうち、半導体デバイスの長期信頼性を室温環境で試験する場合の制御ルーチンについて詳細に説明する。図７は、ヒータ加熱および通電動作を自動制御する試験制御ルーチンを示すものである。なお、試験時の半導体デバイス１５の温度変化について、デバイス構造部位２１の温度変化を示す図８（ここでは半導体デバイスを４００℃で通電動作させる場合を示す）を参照して説明する。

本ルーチンが実行されると、まず、ステップ１００において、ウエハ１６に作り込まれている半導体デバイス１５に検査針（プローブ）を立て、加熱前の半導体デバイス１５の動作特性（初期特性）が測定される。このときの半導体デバイスの温度は５０℃である。

初期特性の測定後、ステップ１２０において、ウエハ１６上の半導体デバイス１５のうち、目的の温度（ここでは４００℃）で試験を行おうとする１つの半導体デバイスを選択し、選択された半導体デバイスのポリシリコンヒータ２２に対してヒータ電力用電源１２から電力を投入し、所望の電力３．７Ｗ（温度４００℃）に達するまで加熱する。半導体デバイスは、図８のａに示すように昇温する。

ここで、半導体デバイスは、制御装置１３により投入電力が制御されて、５０℃環境で４００℃に安定して加熱されるように制御される。すなわち、ステップ１４０において、ポリシリコンヒータへの投入電力をモニターして電力が安定化しているか否かが判定される。この場合、半導体デバイスが通電温度である図８のｂの状態にあるときの電力（温度）が安定化するように制御される。

ステップ１４０において、電力が安定化していると判定されたときには、所望の加熱温度での通電試験が可能であるので次のステップ１６０に移行し、電力が安定化していないと判定されたときには、ステップ１８０において、電力が一定になるように電圧あるいは電流のフィードバック制御をかけ、再びステップ１２０に戻って同様の制御を繰り返す。

ステップ１６０において、半導体デバイスを４００℃に加熱した状態で通電試験用電源１１からの電力供給により動作させ、通電試験を開始する。通電試験開始後、半導体デバイスは、図８のｃに示すように任意の期間通電が継続される。そして、次のステップ２００において、動作開始からの通電時間が設定時間に到達したか否かが判定される。

ステップ２００において、通電時間が設定時間に未だ到達していないと判定されたときは、通電試験が所定の安定した電力状態で所定の設定時間が経過するまで継続されるように、ステップ１８０において、ポリシリコンヒータへの投入電力をモニターしながら電力が一定になるように電圧あるいは電流のフィードバック制御をかけ、再びステップ１２０に戻って同様の制御を繰り返す。

逆に、ステップ２００において、通電時間が設定時間に到達したと判定されたときには、所期の高温動作が終了したので、ステップ２２０において、加熱状態を保持したまま（図８のｄ）通電試験用電源１１からの電力供給（通電動作）を停止する。このとき、半導体デバイスの温度は、図８に示すように所望温度（ここでは４００℃）を保った状態にある。

ステップ２４０において、ポリシリコンヒータへの通電をオフ（ＯＦＦ）する。半導体デバイス１５の温度は、通電オフにより、図８のｅに示すように所望温度（ここでは４００℃）から５０℃付近まで下降する。

そして、ステップ２６０において、半導体デバイスの温度が安定するまで待ち、安定した後、ステップ２８０において、高温加熱での通電試験後の半導体デバイス１５の動作特性（耐久特性）が、ステップ１００における場合と同様にして測定される。

そして、ステップ３００において、ステップ２００での通電試験の通電時間の積算値が、予め設定された信頼性試験の全設定時間に到達したか否かが判定される。

ステップ３００において、通電時間の積算値が全設定時間（例えば５０時間）に達していると判定されたときには、所期の信頼性試験が完了したので、そのまま本ルーチンを終了する。

一方、ステップ３００において、通電時間の積算値が全設定時間（例えば５０時間）に未だ達していないと判定されたときには、ステップ３２０において、半導体デバイスのパラーメータの変化率ｒが所定値Ｒ以下であるか否かが判定される。
パラーメータは、しきい値電圧、電流増幅率などが適用可能である。

ステップ３２０において、変化率ｒが所定値Ｒ以下であると判定されたときには、ポリシリコンヒータの加熱および半導体デバイスへの通電を継続可能であるので、ステップ１２０に戻って同様の操作を繰り返す。逆に、変化率ｒが所定値Ｒを超えていると判定されたときには、そのまま本ルーチンを終了する。

本発明では、上記の実施形態に示すように、図２−（ａ）に示すように信頼性試験に必要な時間が短縮され（※印の期間）、半導体デバイスの生産に至るまでの全工程時間を、図２−（ｂ）に示す従来の工程時間よりも大幅に短縮することができる。
また、上記のように、半導体デバイスの高温加熱下での動作信頼性を評価する試験を、所望とする半導体デバイスに対して選択的に、環境温度以上の温度で、しかも従来困難であった２００℃以上の温度（例えば２５０℃や３００℃、３５０℃など）にまで上げて行なうことが可能であり、異なる温度環境で行なう複数の信頼性試験を短時間に行なうことができる。

以下、本発明を具体的な実施例を示して更に詳細に説明する。但し、本発明はその主旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

本実施例では、ウエハプローバ、半導体デバイスに電力を供給（通電）して動作させる通電試験用電源１１、半導体デバイスのポリシリコンヒータに通電可能なヒータ電力用電源１２、および半導体デバイスの通電動作およびポリシリコンヒータに対する通電制御などの信頼性試験に必要な制御を担う制御装置１３を配置して、図１と同様に構成された信頼性試験装置を準備し、ウエハプローバの上に５０℃下、図３に示すように、ポリシリコンヒータ２２を有する半導体デバイスであるパワーＭＯＳＦＥＴ１５が作り込まれたウエハ１６を配置した。

パワーＭＯＳＦＥＴ１５は、ウエハ上にバイポーラトランジスタやダイオード、ＣＭＯＳＦＥＴを同時に作製する複合プロセスで作製した。

また、パワーＭＯＳＦＥＴのデバイス構造部位２１およびポリシリコンヒータ２２の寸法関係は、Ｗｄ＝０．３０Ｗ、Ｌｄ＝０．４４Ｌであり、デバイス構造部位２１は図３に示すようにポリシリコンヒータ２２の中央部に配置されている。

そして、ウエハ上の１つのパワーＭＯＳＦＥＴを選択して図７に示す試験制御ルーチンを実行し、５０℃環境下、はじめはポリシリコンヒータ２２への投入電力を２．６ＷにしてパワーＭＯＳＦＥＴの加熱温度を２５０℃に制御して試験し、その後は投入電力を２．０Ｗ、１．４Ｗに変えることにより、２００℃、１５０℃に順次制御して同様にステップ１００〜ステップ３２０を繰り返した。

このように、パワーＭＯＳＦＥＴに電圧をかけて通電試験を行なったときの閾値電圧の時間変化に対する温度依存性を図９に示す。
図９に示すように、閾値電圧の時間変化は通電試験を行なうときのデバイス温度が高いほど短時間で変化していることがわかる。また、閾値電圧の変化量が１０ｍＶとなるときの時間（time：ΔVth=10mV）を温度の逆数に対してプロットすると、活性化エネルギーが求められる。これを図１０に示す。活性化エネルギーは０．７９ｅＶであった。この値を用いることにより、低い温度での半導体デバイスの寿命を見積もることが可能である。
ここでは、この値を求めるのに要した試験時間は、２５０℃で１００秒、２００℃で１０００秒、１５０℃で１万秒であり、合計で約３時間程度であった。

また、本実施例では、１度のセットアップにより複数の加熱温度での信頼性試験が可能であり、短時間に効率よく信頼性試験を行なうことができた。

上記の実施例に対する比較として、ヒータ電力用電源１２を設けなかった以外は、前記実施例と同様にして、図１に示す構造の信頼性試験装置を準備し、前記同様にパワーＭＯＳＦＥＴを有するウエハを配置して信頼性試験を試みた。この信頼性試験装置では、パワーＭＯＳＦＥＴの温度が所望温度になるように恒温槽を用いて環境温度を上げることが不可避であり、しかも環境温度を２００℃、２５０℃にまで上げるのは困難であった。

また、信頼性試験装置として図１１のように、評価用ボードを設置する恒温槽３１、半導体デバイスに電力を供給（通電）して動作させる通電試験用電源３２、および半導体デバイスの通電制御を担う制御装置３３を配置した装置を準備し、その恒温槽１１内に、実施例１と同様の半導体デバイスであるパワーＭＯＳＦＥＴをチップにカットしこれをパッケージに組み付けた状態で配置した評価用ボード３４を設置した。
このように、評価ボードを用いて行なった信頼性試験では、試験時間に約１０００時間を要した。すなわち本実施例では、従来の試験時間に比し、１／１００以下の試験時間で評価することができた。
しかも、評価用ボードの耐熱性が保てず、２００℃以上では長時間にわたる通電試験は行なえなかった。

本発明の実施形態に係る信頼性試験装置の構成例を示す概略図である。 （ａ）は本発明において半導体デバイスの生産に至るまでに要する全工程時間を示す概略工程図あり、（ｂ）は従来半導体デバイスの生産に至るまでに要していた全工程時間を示す概略工程図である。 ポリシリコンヒータを有する半導体デバイスの構成の一例を示す平面図である。 本発明の実施形態における半導体デバイスのｐｎ接合ダイオードの電流−電圧特性の温度依存性を示すグラフである。 図４のｐｎ接合ダイオードの順方向電圧と温度との関係を示すグラフである。 ポリシリコンヒータへの投入電力と温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態において、ヒータ加熱および通電動作を自動制御する試験制御ルーチンを示す流れ図である。 試験時におけるデバイス構造部位の温度変化を説明するための概略説明図である。 実施例のパワーＭＯＳＦＥＴを通電試験した際の閾値電圧の時間変化に対する温度依存性を示すグラフである。 実施例のパワーＭＯＳＦＥＴを通電試験した際に、閾値電圧の変化量が１０ｍＶとなるときの時間の温度依存性を示すグラフである。 従来の信頼性試験装置の構成を説明するための概略図である。

符号の説明

１１…通電試験用電源
１２…ヒータ電力用電源
１３…制御装置
１５…半導体デバイス、パワーＭＯＳＦＥＴ
１６…ウエハ
２１…デバイス構造部位、
２２…ポリシリコンヒータ

Claims (6)

1. 半導体プロセスで作製された加熱ヒータを有する半導体デバイスが形成されたウエハの前記加熱ヒータより選ばれる少なくとも一部に、前記加熱ヒータと前記半導体デバイスのデバイス動作領域とが下記（1）及び（2）の関係を満たす範囲においてウエハ状態のまま通電し、通電された加熱ヒータを有する半導体デバイスを選択的に加熱することにより、半導体デバイスの信頼性試験を行なう信頼性試験装置。
   Ｗｄ≦０．２Ｗ …（1）
   Ｌｄ≦０．２８Ｌ…（2）
   〔Ｌ：加熱ヒータの長さ、Ｗ：加熱ヒータの幅、Ｌｄ：デバイス動作領域の長さ、Ｗｄ：デバイス動作領域の幅〕
2. 前記加熱ヒータに通電する通電手段と、
   前記半導体デバイスに通電する通電手段と、
   前記半導体デバイスの所望のパラメータの初期値に対する通電後の変化率が所定値以下であるか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により前記変化率が所定値を超えていると判定されたときに、前記加熱ヒータおよび前記半導体デバイスへの通電を終了する通電制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の信頼性試験装置。
3. 前記加熱ヒータは、ポリシリコンヒータであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の信頼性試験装置。
4. 半導体プロセスで作製された加熱ヒータを有する半導体デバイスが形成されたウエハを準備し、ウエハ上の前記加熱ヒータの少なくとも一部に、前記加熱ヒータと前記半導体デバイスのデバイス動作領域とが下記（1）及び（2）の関係を満たす範囲においてウエハ状態のまま通電し、通電された加熱ヒータを有する半導体デバイスを選択的に加熱しながら通電することにより、半導体デバイスの信頼性試験を行なう信頼性試験方法。
   Ｗｄ≦０．２Ｗ …（1）
   Ｌｄ≦０．２８Ｌ…（2）
   〔Ｌ：加熱ヒータの長さ、Ｗ：加熱ヒータの幅、Ｌｄ：デバイス動作領域の長さ、Ｗｄ：デバイス動作領域の幅〕
5. 前記加熱ヒータおよび前記半導体デバイスへの通電は、前記半導体デバイスの所望のパラメータの初期値に対する通電後の変化率が所定値以下である範囲で電力を投入して行なうことを特徴とする請求項４に記載の信頼性試験方法。
6. 前記加熱ヒータは、ポリシリコンヒータであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の信頼性試験方法。

Images