JP5898243B2 - 電流印加装置及び半導体素子の製造方法 - Google Patents

電流印加装置及び半導体素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体素子に検査電流を印加する電流印加装置及びこれを用いて検査する半導体素子の製造方法に関する。
一般に、半導体素子の検査に用いられる半導体素子検査装置は、半導体素子の電気的特性を検査するための検査電流を半導体素子に印加する電流印加装置を備える。従来、かかる電流印加装置として、一定の間隔で配置した複数の突起からなる突起群を有する平面状の接触部(プローブ)を介して検査電流を印加するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
このような電流印加装置では、突起群を構成する各突起が半導体素子のアクティブ領域内の接触領域に接触するように、接触部をスプリングで半導体素子に押し当てながら検査電流を印加する。このとき、各突起の先端が、半導体素子の表面電極を被覆する電気的絶縁被膜を貫通して該表面電極と接触することにより、検査電流を半導体素子に印加することができる。
特開2007−218675号公報
上記のように検査するとき、半導体素子の電気的特性をより正確に検査するためには、接触部の突起が表面電極と良好に接触することが必要である。
本発明の目的は、半導体素子に検査電流を印加する際に、接触部の突起と表面電極との電気的接触性を向上することができる電流印加装置と、これを用いて適正に検査された半導体素子を製造する方法を提供することである。
本発明の電流印加装置は、表面電極の少なくとも一部が電気的絶縁被膜で被覆された半導体素子に検査電流を印加する電流印加装置であって、前記半導体素子に検査電流を印加するために前記被膜を貫通して前記表面電極に接触する複数の突起を有する接触部と、前記突起が前記被膜を貫通して前記表面電極に接触するように前記接触部を前記半導体素子に押し当てる押当て部とを備え、前記接触部は、湾曲形状に形成された面上に中心部と周縁部とに分布して前記複数の突起を備え、前記押当て部による押圧により前記湾曲形状の面が平面状に変形され、前記接触部の前記複数の突起を備えた面は、前記中心部が前記半導体素子に対して反対側に突出すると共に前記周縁部が半導体素子側に突出するように湾曲し、前記押当て部による押圧方向に対する傾きが、前記中心部の突起より前記周縁部の突起の方が大きいことを特徴とする。
本発明の電流印加装置では、複数の突起が接触部の湾曲形状の面上に形成されていることから、複数の突起のうち、湾曲形状の面上で半導体素子の表面と略平行な領域に設けられた突起は、押当て部による押圧方向に向いていて、湾曲形状の面上で半導体素子の表面に対して傾いた領域に設けられた突起は、前記押圧方向に対して傾いた方向に向いている。ここで、突起の向きは、突起の基端の中心位置から先端への方向をいう。
そして、検査対象の半導体素子に検査電流を印加する際には、押当て部により接触部の湾曲面を半導体素子の表面に押圧すると、接触部の面が湾曲形状から平面状に変形させられる。これに伴い、接触部の湾曲形状の面上で半導体素子の表面に対して傾いた領域に設けられた突起は、その向きを押圧方向に変えることによって半導体素子の被膜を削りながら貫通して表面電極に接触する。このとき、半導体素子では、突起の先端により、突起の先端が接触する領域部分の被膜が削られるので、その削られた分、表面電極が大きく露出される。
したがって、本発明の電流印加装置によれば、従来の電流印加装置と比較して、半導体素子の表面電極が大きく露出されるので、半導体素子に検査電流を印加する際に、接触部の突起と該表面電極との電気的接触性が向上する。これにより、本発明の電流印加装置は、半導体素子の電気特性をより正確に検査することができる。
本発明によれば、接触部が湾曲形状を保持している通常状態では、前記接触部の周縁部に設けられた突起は、押当て部による押圧方向に対して傾いた方向に向いていて、突起が前記接触部の中心部から離れて周縁部に近いほど、前記押圧方向に対する傾きが大きい。
このため、検査時には、前記接触部を半導体素子に押圧して接触部の面を湾曲形状から平面状に変形させると、接触部の周縁部に近い位置に設けられた突起ほど、向きが押圧方向に変わる際の変位が大きいので、それらの突起の先端の移動距離が大きくなる。これにより、半導体素子は、周縁部に近い領域ほど、突起の先端によって被膜が大きく削られて、接触領域が大きく露出されることとなる。
したがって、半導体素子の周縁部においても、接触部の突起と表面電極との電気的接触性が向上して接触抵抗を低減することができる。
本発明の電流印加装置において、前記接触部は、円盤状であることが好ましい。また、本発明の電流印加装置において、前記突起は、錐体形状からなるものであってもよいが、錐台形状からなることがより好ましい。突起が錐体形状からなる場合には、半導体素子の被膜は、錐体形状の先端の1つの頂点の移動によって削られる。一方、突起が錐台形状からなる場合には、錐台形状の上端面の移動によって前記被膜を削ることにより、錐体形状の場合と比較して、被膜が大きく削られる。したがって、突起が錐台形状からなる場合には、表面電極の露出面積がさらに大きくなることによって、電気的接触性がさらに向上し、接触抵抗を低減することができる。
また、本発明の半導体素子製造方法は、表面電極の少なくとも一部が電気的絶縁被膜で被覆された半導体素子を形成する形成工程と、前記形成工程で形成された半導体素子に、湾曲形状に形成された面上に中心部と周縁部とに分布して複数の突起を備える接触部を押当て部により押し当てることによって前記接触部の湾曲形状の面を平面状に変形させ、前記突起によって前記被膜を削りながら貫通させて前記表面電極に接触させて検査電流を印加する電流印加工程と、前記電流印加工程で検査電流が印加される半導体素子が、該検査電流に基づき、所定の性能を満たすか否かを判定する判定工程とを備え、前記接触部の前記複数の突起を備えた面は、前記中心部が前記半導体素子に対して反対側に突出すると共に前記周縁部が半導体素子側に突出するように湾曲し、前記押当て部による押圧方向に対する傾きが、前記中心部の突起より前記周縁部の突起の方が大きくされて、前記電流印加工程において、前記周縁部の突起は前記中心部の突起より、前記被膜を削る距離が大きくなることを特徴とする。
本発明の半導体素子製造方法では、まず、形成工程において、表面電極の少なくとも一部が電気的絶縁被膜で被覆された半導体素子を形成する。
次に、電流印加工程において、前記形成工程で形成された半導体素子に、接触部を押し当てて突起によって半導体素子の被膜を貫通させて表面電極に接触させることにより、検査電流を印加する。
接触部を半導体素子に押し当てたとき、接触部の湾曲形状の面が平面状に変形される。これに伴って、接触部の湾曲形状の面上で半導体素子の表面と略平行な領域に設けられた突起が、その向きを押圧方向に変えることによって半導体素子の被膜を削りながら貫通して表面電極に接触する。このとき、半導体素子では、突起の先端により、突起の先端が接触する領域部分の被膜が削られるので、その削られた分、表面電極が大きく露出される。この結果、半導体素子に検査電流を印加する際に、接触部の突起と該表面電極との電気的接触性が向上し、半導体素子の電気特性をより正確に検査することができる。
そして、判定工程において、前記電流印加工程で検査電流が印加される半導体素子が、該検査電流に基づき、所定の性能を満たすか否かを判定する。
したがって、本発明の半導体素子製造方法によれば、前記電流印加工程において、半導体素子の電気特性をより正確に検査することができるので、適正に検査された半導体素子を製造することができる。
さらに、本発明の半導体素子製造方法では、半導体素子は、周縁部に近い領域ほど、突起の先端によって被膜が大きく削られて、接触領域が大きく露出されることとなる。したがって、半導体素子の周縁部においても、接触部の突起と表面電極との電気的接触性が向上して接触抵抗を低減することができる。
本発明の一実施形態に係る電流印加装置の斜視図である。 図1の電流印加装置の分解斜視図である。 図1の電流印加装置における接触部と検査電流が印加される半導体素子の断面図である。 図1の電流印加装置における接触部の一部の拡大図である。 図3の接触部に設けられる突起の一例を示す図であり、(a)は正面図、(b)は平面図である。 図1の電流印加装置により検査電流が印加される半導体素子の平面図である。 図3の接触部に設けられた突起の頂点の半導体素子表面上での移動を示す図である。 突起の変形例を示す図であり、(a)は正面図、(b)は平面図、(c)は突起の先端面の半導体素子表面上での移動を示す図である。 図1の電流印加装置を用いて適正に検査された半導体素子を製造する方法の工程を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態の電流印加装置は、外部電源から電流が供給されて、半導体素子を検査するための検査電流を半導体素子に印加するために用いられ、特に400〜2000[A]程度の大電流のスイッチングに用いられるパワー半導体素子の検査に適している。半導体素子としては、例えば、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やパワーMOSFETが該当し、表面電極の少なくとも一部が電気的絶縁被膜で絶縁されている。本実施形態では、表面電極の電気的絶縁被膜とは反対側にアクティブ領域及び接触領域を備える半導体素子の場合について説明するが、これに限定されない。
図1及び図2に示すように、電流印加装置1は、外部電源(図示せず)に接続して、検査される半導体素子に印加する検査電流が供給される円盤状の接触部2と、接触部2を保持して該半導体素子に押し当てる押当て部3とを備える。
接触部2は、後述する突起群が設けられた接触面4を、検査される半導体素子が配置される側(以下、単に「素子側」という。)に有する。押当て部3は、ほぼ円筒形状を有しており、その内側に接触部2を保持する。押当て部3は、接触部2を、接触面4が該円筒形状の軸線の方向(以下、単に「軸線方向」という。)にほぼ垂直となるように保持しながら、軸線方向に沿って半導体素子に押し当てる。
押当て部3は、図2に示すように、円盤状の基部5と、基部5の素子側の面上で縦横に一定間隔で配列される多数のバネ付きピン6と、バネ付きピン6を軸線方向に垂直な方向に支持しながら軸線方向に沿って案内する円盤状の案内支持部7と、接触部2を案内支持部7の素子側に取り付けるためのリング状の取付け部8と、接触部2と取付け部8とを絶縁する絶縁プレート9と、接触部2を軸線方向に案内する円筒ピン10とを備える。
案内支持部7は、基部5に対し、固定ネジ11で平行に固定される。基部5には、円筒ピン10の素子側と反対側の端部を挿入して位置決めするための位置決め孔12と、固定ネジ11が螺合されるネジ孔13とが設けられる。
案内支持部7には、各バネ付きピン6を軸線方向と垂直な方向に支持しながら軸線方向に案内するバネ付きピン6と同数の貫通孔で構成される案内孔群14と、円筒ピン10を軸線方向と垂直な方向に支持しながら軸線方向に案内する貫通孔としての案内孔15と、素子側の面に立設された円筒状の突出部16とが設けられる。
案内支持部7の外周には、取付け部8を案内支持部7に固定するための雄ネジが設けられる。案内孔群14の配列は、案内支持部7の素子側の面において、接触部2の接触面4に対応する矩形状のパターンを構成している。すなわち、案内孔群14により案内される各バネ付きピン6により、接触部2の接触面4と反対側の面が、接触面4に丁度対応する領域において支持される。
案内孔15及び突出部16は、該矩形状パターンの対向する2辺の外側に位置する。接触部2には、案内孔15及び突出部16に対応する位置に、貫通孔17及び18が設けられる。接触部2の接触面4を構成している部分は、段差を経て素子側に出っ張っており、矩形状の台状部によって角形状の領域を形成している。
絶縁プレート9には、案内支持部7の突出部16が挿入される開口孔19と、接触面4を構成している台状部が挿入される開口部20とが設けられる。絶縁プレート9は、取付け部8の内壁に収まる外径を有する。取付け部8の内壁には、案内支持部7の雄ネジに対応する雌ネジが設けられる。取付け部8の素子側の端面は、絶縁プレート9の外径よりやや小さい内径で開口している。
図3に示すように、接触部2は、例えば縦1[cm]、横1[cm]、厚さ650[μm]のNi板2a上に、例えば厚さ50[μm]の硬質Ni膜2bを形成してなり、硬質Ni膜2bが半導体素子22に臨む接触面4を構成している。接触部2は、中心部が半導体素子22とは反対側(Ni板2a側)に突出し、周縁部が半導体素子22側(Ni膜2b側)に突出するように湾曲していて、湾曲の高さHが例えば15[μm]に形成されている。
図4に示すように、上記接触部2の湾曲形状に形成された接触面4上には、複数の突起21で構成される突起群が設けられている。突起21は、接触面4上に所定のピッチDが、例えば0.5[mm]程度の間隔で、行列状に配置される。接触部2に供給される検査電流は、各突起21を介して、検査対象の半導体素子22の表面電極22aに流入する。
図3に示すように、複数の突起21のうち、接触面4上で半導体素子22の表面と略平行な領域に設けられた突起21aは、押当て部3による押圧方向(図中の矢印で示す方向)に向き、接触面4上で半導体素子22の表面に対して傾いた領域に設けられた突起21b,21cは、前記押圧方向に対して傾いた方向に向いている。ここで、突起21の向きとは、図5(a)に示すように、突起21の基端の中心位置から先端への方向をいう。突起21は、接触面4の中心部から離れて周縁部に近いほど、前記押圧方向に対する傾きが大きくなる、すなわち、突起21a,21b,21cの順でその傾きが大きくなる。
接触面4上の突起群は、検査対象の半導体素子22の表面に押し当てられたとき、突起21の先端が、図3に示す半導体素子22の表面の電気的絶縁被膜22bを貫通して、表面電極22aと良好に接触する。これにより、表面電極22aを介して、アクティブ領域23の内側の接触領域24に検査電流を印加することができる。
図5(a)は1つの突起21の形状を示す正面図であり、図5(b)はその平面図である。図5(a)に示すように、突起21は、例えば縦10[μm]、横10[μm]、高さ5[μm]の四角錐の形状に形成されている。
電流印加装置1は、次のようにして組み立てることができる。すなわち、まず、案内支持部7の案内孔群14にバネ付きピン6を装填し、案内支持部7を2本の固定ネジ11で基部5に取り付ける。次に、円筒ピン10を案内支持部7の案内孔15に挿入し、さらに円筒ピン10の端部を基部5の位置決め孔12に挿入する。
次に、接触部2を、その貫通孔17と18とにそれぞれ円筒ピン10と案内支持部7の突出部16とが挿入されるようにして、案内支持部7の素子側に配置する。次に、絶縁プレート9を、その開口部20に、接触部2の接触面4を構成している台状部が挿入され、かつ開口孔19に、接触部2の貫通孔18から突出する案内支持部7の突出部16が挿入されるようにして、接触部2の素子側に配置する。
そして、取付け部8の雌ネジを案内支持部7の雄ネジに締結させることにより、取付け部8を案内支持部7に固定する。これにより、電流印加装置1の組立てが完了し、接触部2及び押当て部3は、図1の状態となる。
この状態において、接触部2の接触面4と反対側の面における接触面4に対応する領域が、多数のバネ付きピン6によって素子側に付勢されながら基部5上で支持されている。また、接触部2は、円筒ピン10及び突出部16によって軸線方向と垂直な方向に位置決めされ、かつ軸線方向に多少移動可能に案内されている。
このため、接触部2は、検査される半導体素子22の表面に押し当てられたとき、該表面と接触面4との傾きに差がある場合には、その差が解消されるように、多少傾くことができる。
図6は、電流印加装置1により検査電流が印加される半導体素子22の平面図である。図6に示すように、半導体素子22は、その複数のセルが配置されたアクティブ領域23を有する。アクティブ領域23の内側に接触領域24が設定されている。接触領域24は、半導体素子22の検査時に、電流印加装置1により検査電流が印加される部分である。
検査電流の印加時には、電流印加装置1の接触面4上の各突起21が、接触領域24内の複数の接触点25でそれぞれ接触し、各突起21から、対応する接触点25の近傍に電流が流入する。
半導体素子22への検査電流の印加時には、電流印加装置1が組み込まれた半導体検査装置により、電流印加装置1が、半導体素子22に対して所定位置に位置するように位置決めされる。この位置において、押当て部3は、接触面4上の突起群が表面電極22aに接触するように、接触部2をバネ付きピン6の配列により半導体素子22に、例えば2.17[MPa]の圧力で押し当てる。
このとき、接触部2は、円筒ピン10及び突出部16により若干傾き可能に案内されているので、接触面4の半導体素子22表面に対する多少の傾きは、各バネ付きピン6の収縮量の差異により吸収され、これにより、接触面4の各突起21は、半導体素子22表面に対してほぼ均等な押圧力で接触することができる。
そして、接触部2の接触面4を押当て部3により半導体素子22に押し当てたとき、接触面4が湾曲形状から平面形状に変形させられる。このとき、図3に示すように、接触面4の中心部に設けられ、押圧前に押圧方向に向いている突起21aは、その向きを保ちながら被膜22bを貫通して表面電極22aに接触する。
一方、接触面4の周縁部に設けられ、押圧前に押圧方向に対して傾いた方向に向いている突起21b,21cは、接触面4の変形に伴ってその向きを押圧方向に変えることによって前記被膜22bを削りながら被膜22bを貫通して表面電極22aに接触する。このとき、接触部2の周縁部に設けられた突起21b,21cは、図7に示すように、その先端が四角形の対角線方向に位置Pから位置Pへ移動するに伴い、先端が接触する領域部分の被膜22bを削っていくので、表面電極22aが大きく露出される。尚、突起21b,21cは、その先端が四角形の対角線方向に移動するのに伴って、図7に示すように、四角形の底面が対角線方向に延びた形状に変化する。
上記のように、本実施形態の電流印加装置1によれば、従来の電流印加装置と比較して、半導体素子22の表面電極22aが大きく露出するので、半導体素子22に検査電流を印加する際に、接触部2の突起21の先端と半導体素子22の表面電極22aとの電気的接触性が向上し、これにより、半導体素子22の電気特性をより正確に検査することができる。
特に、突起21は、接触面4の中心部から離れて周縁部に近いほど、押圧前に押圧方向に対する傾きが大きいので、押圧した際に向きが変わる際の変位が大きく、突起21の先端の移動距離が大きくなる。例えば、突起21の接触部2の中心部からの距離が0/0.3/0.5/0.6[cm]である場合には、押圧した際の突起21の先端の移動距離は、それぞれ0/1/7/9[μm]となる。この結果、突起21は、接触面4の中心部から離れて周縁部に近いほど、半導体素子22の被膜22bを大きく削ることができ、半導体素子22の周縁部においても、接触部2の突起21と表面電極22aとの電気的接触性が向上する。
例えば、従来の平面状の接触部を備える電流印加装置では、接触面の中心部の突起及び周縁部の突起の接触抵抗が20〜200[Ω]の範囲であり、特に周縁部の突起における接触不良が生じていた。しかしながら、本実施形態の電流印加装置1では、前記接触抵抗を20〜40[Ω]の範囲とすることができ、周縁部の突起21における接触不良を解消し、全体として、接触抵抗を低減することができる。
本実施形態の電流印加装置1では、突起21が四角錐の形状に形成されているが、図8(a)に示すように、頂部を平坦にした四角錐台の形状であることがより好ましい。さらに、突起21が四角錐台の形状である場合には、先端面は、一辺の長さが半導体素子22の凹凸表面の算術平均粗さRaよりも大きいことが好ましい。
突起21cが四角錐状の形状である場合には、図7に示すように、四角錐状の先端の1つの頂点が位置Pから位置Pへ移動することにより、半導体素子22の被膜22bが削られる。一方、突起21cが四角錐台状の形状を備える場合には、図8(c)に示すように、四角形の先端面が対角線方向に位置Pから位置Pへ移動する。この先端面の移動によって、半導体素子22の被膜22bが削られるので、突起21は、四角錐状の形状である場合と比較して、表面電極22aの露出面積がさらに大きくなり、電気的接触性がさらに向上する。
また、突起21の先端面の一辺が半導体素子22の凹凸表面の算術平均粗さRaよりも大きい寸法を備える場合には、突起21の先端面が半導体素子22の凹部を跨ぐ形で半導体素子22の表面電極22aに接触させることができるので、電気的接触性がさらに向上する。
なお、突起21の形状は、上記のようにして良好な接触による導通を確保できる形状であればよく、多角錐状、多角錐台状のものに限定されず、円錐状、円錐台状であってもよい。
最後に、本発明の半導体素子の製造方法について説明する。
図9に示すように、実施形態の製造方法は、半導体素子を形成する工程ST1と、この工程で形成された半導体素子の良否判定のために、上述した電流印加装置1を用いて検査電流を印加して検査する試験工程ST2と、この工程で検査電流が印加された半導体素子が破壊されたか否かを判別する工程ST3と、この工程での判別結果により良品と判定する工程ST4と、不良品を判定する工程ST5とを備える。
ここで、試験工程ST2は、本発明の製造方法における電流印加工程に相当し、判別工程ST3からST5が、本発明の製造方法において半導体素子が所定の性能を満たすか否かを判定する判定工程に相当する。
上記実施形態では、形成工程ST1において公知の製造技術により製造された半導体素子を検査対象として、工程ST2で電流印加試験を行う。これは、例えば、特開2006−284490号公報に開示されているように、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)のRBSOA(逆バイアス安全動作領域)耐量の評価に用いられる試験方法であり、RBSOAは、IGBTのターンオフに伴うコレクタ−エミッタ間電圧とコレクタ電流の非破壊動作範囲を表し、この範囲が広いほど逆バイアスに対する非破壊性能が高い。
従って、試験工程ST2では、電流印加装置1を用いて検査対象の半導体素子に大電流を印加する。例えば、RBSOAの設計値(定格電流)が500アンペアである場合は、1000アンペアの電流を印加する。そして、検査電流を印加された半導体素子が所定の性能を満たすか否かを検証することにより、当該半導体素子が破壊されたか否かを判別する(工程ST3)。その結果、半導体素子が破壊されていない場合は、良品と判定し(工程ST4)、半導体素子が破壊された場合は、不良品と判定する(工程ST5)。
本実施形態の方法によれば、上記のように、接触部の突起と半導体素子の表面電極22aとの電気的接触性に優れた電流印加装置を用いて適正に検査された半導体素子が製造される。
1…電流印加装置、 2…接触部、 3…押当て部、 4…湾曲形状に形成された面、突起を備えた面、 21,21a,21b,21c…突起、 22…半導体素子、 22a…表面電極、 22b…被膜。

Claims (4)

  1. 表面電極の少なくとも一部が電気的絶縁被膜で被覆された半導体素子に検査電流を印加する電流印加装置であって、
    前記半導体素子に検査電流を印加するために前記被膜を貫通して前記表面電極に接触する複数の突起を有する接触部と、
    前記突起が前記被膜を貫通して前記表面電極に接触するように前記接触部を前記半導体素子に押し当てる押当て部とを備え、
    前記接触部は、湾曲形状に形成された面上に中心部と周縁部とに分布して前記複数の突起を備え、前記押当て部による押圧により前記湾曲形状の面が平面状に変形され、
    前記接触部の前記複数の突起を備えた面は、前記中心部が前記半導体素子に対して反対側に突出すると共に前記周縁部が半導体素子側に突出するように湾曲し、
    前記押当て部による押圧方向に対する傾きが、前記中心部の突起より前記周縁部の突起の方が大きいことを特徴とする電流印加装置。
  2. 前記接触部は、円盤状であることを特徴とする請求項1に記載の電流印加装置。
  3. 前記突起は、錐台状からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の電流印加装置。
  4. 表面電極の少なくとも一部が電気的絶縁被膜で被覆された半導体素子を形成する形成工程と、
    前記形成工程で形成された半導体素子に、湾曲形状に形成された面上に中心部と周縁部とに分布して複数の突起を備える接触部を押当て部により押し当てることによって前記接触部の湾曲形状の面を平面状に変形させ、前記突起によって前記被膜を削りながら貫通させて前記表面電極に接触させて検査電流を印加する電流印加工程と、
    前記電流印加工程で検査電流が印加される半導体素子が、該検査電流に基づき、所定の性能を満たすか否かを判定する判定工程とを備え
    前記接触部の前記複数の突起を備えた面は、前記中心部が前記半導体素子に対して反対側に突出すると共に前記周縁部が半導体素子側に突出するように湾曲し、
    前記押当て部による押圧方向に対する傾きが、前記中心部の突起より前記周縁部の突起の方が大きくされて、前記電流印加工程において、前記周縁部の突起は前記中心部の突起より、前記被膜を削る距離が大きくなることを特徴とする半導体素子の製造方法。
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