JP5929612B2 - 半導体装置の測定方法、測定器 - Google Patents

Description

本発明は、例えばパワー半導体素子が形成された半導体装置の電気的特性の測定方法、及びそれに用いる測定器に関する。

特許文献１は、半導体装置と接するステージ表面の経時劣化により半導体装置とステージの接触抵抗が変動することを開示する。特許文献１に開示の技術は、半導体装置を設置するステージを領域分割して４探針法を用いることで、接触抵抗の測定結果への影響を排除するものである。

特公平６−１０３７０８号公報

半導体装置と接するステージに電流を流して半導体装置の電気的特性を測定する場合、ステージの抵抗値（ステージ抵抗値）が測定結果に寄与する。このステージ抵抗値は、時間的、場所的に一定ではなくステージ表面の経時劣化、全体的部分的な汚れ、又は表面酸化物の増減等に起因して変動する。ステージ抵抗値の変動により、半導体装置の測定の精度にバラツキが生じることがあった。

特許文献１に開示の技術は４探針法を用いるので、測定器の構造や評価工程が複雑になる問題があった。また、特許文献１に開示の技術では、微小なパワー半導体素子が多数形成された半導体装置を測定する場合に、ステージを細かく分割する必要があるので測定器の構造が複雑化する問題もあった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、簡易な方法で、ステージ抵抗値の影響を排除した測定結果を得ることができる半導体装置の測定方法と測定器を提供することを目的とする。

本願の発明に係る半導体装置の測定方法は、ステージの上面の所定位置から該ステージ
に取り付けられた接続部までの抵抗値であるステージ抵抗値を取得し、該ステージ抵抗値
を評価部へ伝送する工程と、該ステージの上面に半導体装置の裏面を接触させ、該半導体
装置の上面にプローブをあてる工程と、該評価部が、該プローブから該半導体装置、該ス
テージ、及び該接続部を経由して該評価部に至る経路に電流を流して該半導体装置の測定
結果を取得する工程と、該評価部が、該ステージ抵抗値の該測定結果への影響を排除する
ように該測定結果を修正した修正測定結果を演算する工程と、を備え、該ステージ抵抗値は、該ステージの上面上の異なる位置で複数取得し、該測定結果は、該ステージの上面上の異なる位置で複数取得し、該修正測定結果の演算は、該測定結果の得られた該ステージ上の位置における該ステージ抵抗値を用いて行うことを特徴とする。

本願の発明に係る測定器は、プローブカードに固定されたプローブと、導電材で形成されたステージと、該ステージに取り付けされた接続部と、該プローブ及び該接続部と接続され、該ステージの上面の所定位置から該接続部までの抵抗値であるステージ抵抗値を取得する評価部と、を備える。そして、該評価部は、該プローブから、該ステージの上面にのせられた半導体装置、該ステージ、及び該接続部を経由する経路に電流を流して得られた測定結果を、該ステージ抵抗値の影響を排除するように修正し、該ステージに取り付けられた端子と、該端子と該評価部を接続する信号線と、を備え、該評価部は、該端子と該接続部の間に電流を流して該ステージ抵抗値を取得することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な方法で、ステージ抵抗値の影響を排除した測定結果を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る測定器を示す図である。 図１に示すステージの平面図である。 ステージ抵抗値を測定することを示す図である。 図３の場合とは別の位置でステージ抵抗値を測定することを示す図である。 半導体装置の電気的特性を測定することを示す図である。 図５の場合とは別の位置で半導体装置の電気的特性を測定することを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る測定器を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る測定器を示す図である。 図８の平面図である。 本発明の実施の形態４に係る測定器を示す図である。 図１０のステージとその周辺の平面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の測定方法を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る測定器を示す図である。測定器１０は、プローブカード１２を備えている。プローブカード１２の下面にはプローブ１４が固定されている。プローブ１４は、大電流に対応できるようにプローブカード１２に複数固定されている。複数のプローブ１４のそれぞれに流れる電流が略一致するようにしておくことが好ましい。プローブカード１２の上面にはプローブカード接続部１６が取り付けられている。プローブカード接続部１６はプローブ１４と電気的に接続されている。

プローブカード１２の下方には導電材で形成されたステージ１８がある。ステージ１８は平坦な上面１８ａを有している。上面１８ａは半導体装置２０を搭載する部分である。半導体装置２０は、上面と下面の間で電流を流す縦型構造を有する限り特に限定されないが、例えば複数のＩＧＢＴが形成された半導体ウエハである。

ステージ１８の側面には接続部２２が取り付けられている。ステージ１８の上面１８ａと接続部２２の間には不可避的に一定のステージ抵抗値を有するステージ抵抗２４が生じる。このステージ抵抗２４は、例えばステージ１８の上面１８ａの経時劣化、汚れ、又は表面酸化物などで生じるものである。図２は、図１に示すステージの平面図である。ステージ１８の上面１８ａには溝１８ｂが形成されている。溝１８ｂの内壁には半導体装置を真空吸着するための穴である吸着口１８ｃが形成されている。

図１の説明に戻る。接続部２２には信号線２６を介して評価部２８が接続されている。評価部２８は半導体装置の測定や測定結果の修正などを行う。評価部２８は、信号線３０、プローブカード接続部１６、及びプローブカード１２を介してプローブ１４と接続されている。

評価部２８は、保存部２８ａ、測定部２８ｂ、演算部２８ｃ、及び出力部２８ｄを備えている。保存部２８ａは、ステージ１８の抵抗値に関する情報を保存する部分である。測定部２８ｂは半導体装置の電気的特性を測定する部分である。演算部２８ｃは測定結果を修正する部分である。出力部２８ｄは、修正した測定結果を出力する部分である。

測定器１０を用いた半導体装置の測定方法について説明する。まず、ステージ１８の上面１８ａの所定位置から接続部２２までの抵抗値であるステージ抵抗値を取得する。図３は、ステージ抵抗値を測定することを示す図である。まずアーム５０でプローブカード１２を保持しつつ移動させてプローブ１４をステージ１８の上面１８ａにあてる。そして、プローブ１４と接続部２２の間で電流を流してステージ抵抗値を取得する。

図４は、図３の場合とは別の位置でステージ抵抗値を測定することを示す図である。このように、ステージ抵抗値はステージ１８の上面１８ａの異なる位置で複数取得する。取得したステージ抵抗値と、そのステージ抵抗値を取得した座標の情報を保存部２８ａに保存する。

次いで、半導体装置の電気的特性を測定する。図５は、半導体装置の電気的特性を測定することを示す図である。ステージ１８の上面１８ａに半導体装置２０の裏面を接触させ、半導体装置２０の上面にプローブ１４をあてる。プローブ１４は、上述したステージ抵抗値を測定した「所定位置」の直上の半導体装置２０の上面にあてる。この状態で評価部２８がプローブ１４から半導体装置２０、ステージ１８、及び接続部２２を経由して評価部２８に至る経路に電流を流して半導体装置２０の電気的特性の測定結果を取得する。この測定は測定部２８ｂにより実施する。測定結果は、例えば比較的大きな電流を印加する測定項目であるＶＦ（順電圧）やＶＣＥｓａｔ（飽和電圧）などに関するものである。

図６は、図５の場合とは別の位置で半導体装置の電気的特性を測定することを示す図である。ここでは、図４においてステージ抵抗を測定した場所の直上における半導体装置にプローブ１４をあてる。このように測定結果は、ステージ１８の上面１８ａ上の異なる位置で複数取得する。すべての測定結果は測定結果が取得された座標の情報と関連付けられている。そして、その座標は前述のステージ抵抗値を測定した場所を示す座標と対応している。

次いで、評価部２８で測定結果を修正する。具体的には、評価部２８の中の演算部２８ｃが、ステージ抵抗値の測定結果への影響を排除するように測定結果を修正した修正測定結果を演算（算出）する。修正測定結果の演算は、測定結果の得られたステージ１８上の位置におけるステージ抵抗値を用いて行う。修正測定結果は以下の数式１により算出する。
修正測定結果＝測定結果−（ステージ抵抗値×バイアス電流）・・・数式１
数式１に基づく修正測定結果の演算では、「ステージ抵抗値」を取得した場所の座標と「測定結果」を取得した場所の座標が一致する。このような修正測定結果の算出は、ステージ抵抗値を測定した場所ごとに実施する。最後に、評価部２８の出力部２８ｄが、修正測定結果を外部に出力する。

本発明の実施の形態１に係る測定器１０を用いた半導体装置の測定方法によれば、ステージ抵抗値の影響を排除した測定結果である修正測定結果を得ることができる。従って、半導体装置の測定結果は実際の半導体装置の電気的特性を反映したものとなる。また、ステージ抵抗値をステージ１８上の異なる場所で複数取得し、測定結果を得たステージ上の場所におけるステージ抵抗値を用いて測定結果を修正する。よって、ステージ１８内におけるステージ抵抗値のばらつきによる修正測定結果への影響を排除できる。

本発明の実施の形態１ではステージ抵抗値を複数取得したが本発明はこれに限定されない。ステージ抵抗値がステージ１８の上面１８ａの位置に依存しないときは、１つのステージ抵抗値をすべての測定結果に対して用いたり、少数の測定点で得られたステージ抵抗値を用いたり、複数のステージ抵抗値の平均値を用いたりしてもよい。

その他、様々な変形が可能である。例えば、測定結果の取得の後にステージ抵抗値を測定してもよい。接続部２２はステージ１８の側面以外に取り付けてもよい。ステージ１８は真空吸着に限らず、静電吸着で半導体装置を保持してもよい。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体装置の測定方法、及び測定器は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。図７は、本発明の実施の形態２に係る測定器を示す図である。プローブカード１２には抵抗測定用プローブ６０が取り付けられている。本発明の実施の形態２に係る測定器は、抵抗測定用プローブ６０を用いてステージ抵抗値を測定することを特徴とする。

抵抗測定用プローブ６０はプローブ１４と比較してステージ１８方向に長く伸びるように形成されている。また、抵抗測定用プローブ６０はプローブカード１２から取り外し可能となっている。ステージ抵抗値は、抵抗測定用プローブ６０をステージ１８の上面１８ａにあてて、抵抗測定用プローブ６０と接続部２２の間に電流を流して取得する。そして、半導体装置の電気的特性を取得するときは、抵抗測定用プローブ６０をプローブカード１２から外し、プローブ１４を半導体装置の上面にあてる。

ステージ抵抗値を測定する際には抵抗測定用プローブ６０を用い、半導体装置を測定する際にはプローブ１４を用いることで、抵抗測定用プローブ６０はステージ抵抗値を測定するために最適化でき、プローブ１４は半導体装置を測定するために最適化できる。例えば、抵抗測定用プローブ６０の先端をステージ１８と面接触可能な形状としつつ、プローブ１４は先端が尖った形状とすることができる。また、抵抗測定用プローブ６０を硬い材料で形成してステージ１８との接触で変形しないようにしつつ、プローブ１４を比較的やわらかい材料で形成して半導体装置へのダメージを防止することができる。また、プローブ１４をステージ１８にあてる必要がなくなるので、プローブ１４の寿命をのばすことができる。

本発明の実施の形態２では、抵抗測定用プローブ６０はプローブカード１２から取り外し可能としたが、例えば抵抗測定用プローブ６０を折りたたみ可能としてもよい。この場合、半導体装置の電気的特性を取得するときは、抵抗測定用プローブ６０を折りたたみ、プローブ１４を半導体装置の上面にあてる。その他、少なくとも実施の形態１に係る半導体装置の測定方法、及び測定器と同程度の変形が可能である。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体装置の測定方法、及び測定器は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。図８は、本発明の実施の形態３に係る測定器を示す図である。ステージ１８の側面には端子７０ａが取り付けられている。本発明の実施の形態３に係る測定器は、ステージ１８に取り付けられた端子を用いてステージ抵抗値を測定することを特徴とする。

図９は、図８の平面図である。ステージ１８の側面には端子７０ａ、７０ｂ、７０ｃが取り付けられている。端子７０ａ、７０ｂ、７０ｃは信号線により評価部２８と電気的に接続されている。図９に破線で示すように半導体装置２０を第１領域２０ａ、第２領域２０ｂ、及び第３領域２０ｃに分割した場合、端子７０ａは第１領域２０ａ近傍に位置し、端子７０ｂは第２領域２０ｂ近傍に位置し、端子７０ｃは第３領域２０ｃ近傍に位置する。

ステージ抵抗値の決定方法について説明する。まず、端子７０ａと接続部２２の間の抵抗値（第１抵抗値という）、端子７０ｂと接続部２２の間の抵抗値（第２抵抗値という）、及び端子７０ｃと接続部２２の間の抵抗値（第３抵抗値という）を測定する。

そして、第１抵抗値は、半導体装置２０の第１領域２０ａにプローブをあてて得られた測定結果に対するステージ抵抗値として利用する。第２抵抗値は、半導体装置２０の第２領域２０ｂにプローブをあてて得られた測定結果に対するステージ抵抗値として利用する。第３抵抗値は、半導体装置２０の第３領域２０ｃにプローブをあてて得られた測定結果に対するステージ抵抗値として利用する。このように、ステージ１８に取り付けられた端子７０ａ、７０ｂ、７０ｃと接続部２２の間に電流を流して取得する抵抗値をステージ抵抗値として用いる。なお、このようにして修正測定結果を演算することを「分割演算」という。

本発明の実施の形態３に係る測定器と半導体装置の測定方法によれば、ステージ１８の側面に取り付けられた端子７０ａ、７０ｂ、７０ｃを用いることで半導体装置の電気的特性の測定時に半導体装置をステージに設置した状態でステージ抵抗値を測定できる。よって、実施の形態１の半導体装置の測定方法と比較して工程を簡略化しつつ測定を短時間で行うことができる。

ステージ抵抗値の決定方法は上述の方法に限定されない。前述の分割演算は第１−第３抵抗値がばらついている場合（例えば最大値が最小値の２倍以上となる場合）に用いることが好ましい。ステージ抵抗値がステージ位置によってばらついているときには、端子の数を増やして半導体装置の領域を細分化することで、精度の高い修正測定結果を得ることができる。

他方で、第１−第３抵抗値のばらつきが小さい場合は、処理を簡素化するために例えば３つの測定された抵抗値を平均した値をステージ抵抗値としてもよい。

端子７０ａ、７０ｂ、７０ｃの取り付け位置はステージ１８の側面に限定されない。例えば、半導体装置と接触しないようにステージ１８の上面１８ａに取り付けてもよい。その他、少なくとも実施の形態１に係る半導体装置の測定方法、及び測定器と同程度の変形が可能である。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る半導体装置の測定方法、及び測定器は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。図１０は、本発明の実施の形態４に係る測定器を示す図である。ステージ１８の側面には温度センサー８０が取り付けられている。本発明の実施の形態４に係る測定器は、温度センサー８０で得たステージ１８の温度を利用してステージ抵抗値を修正することを特徴とする。

図１１は、図１０のステージとその周辺の平面図である。温度センサー８０は、ステージ１８の側面の温度を測定できる位置に取り付けられている。以後、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の測定方法について説明する。図１２は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の測定方法を示すフローチャートである。まず、ステージ１８が第１温度のときにステージ抵抗値を測定する。また、温度センサー８０で第１温度のステージの温度を測定する（ステップ９０）。そしてステージ抵抗値と、そのステージ抵抗値を取得した座標情報と、温度センサー８０で測定した第１温度の情報を保存部２８ａに保存する。なお、第１温度は例えば室温である。

次いで、ステージ１８を加熱又は冷却してステージ１８を第１温度と異なる第２温度とした状態で測定結果（半導体装置の電気的特性の測定結果）を取得する。また、温度センサー８０で第２温度のステージの温度を測定する（ステップ９２）。測定結果は、測定結果を取得した場所の座標の情報、及び温度センサー８０で測定した第２温度の情報とともに評価部２８へ伝送する。

次いで、評価部２８は、ステージ１８の温度を第１温度から第２温度へ変化させたときのステージ抵抗値の変化分を算出する。この変化分は演算によって求めてもよいし、あらかじめ評価部２８の保存部２８ａに保存したテーブルを参照して求めてもよい。テーブルは、例えばステージ１８の経時劣化前における「温度に対する抵抗値の変化分」を示すものである。

次いで、評価部２８はこの変化分をステップ９０で取得したステージ抵抗値に付加したステージ抵抗値を生成する（ステップ９４）。具体的には、以下の数式２により算出する。
ステージ抵抗値＝第１温度におけるステージ抵抗値＋変化分・・・数式２
このステージ抵抗値は、測定結果が得られた場所ごとに生成する。次いで、ステップ９４で生成したステージ抵抗値を利用して修正測定結果を算出する（ステップ９６）。

本発明の実施の形態４に係る半導体装置の測定方法と測定器によれば、高温又は低温で半導体装置を測定した場合において、当該測定時の温度を反映したステージ抵抗値により測定結果を修正できる。よって、高温又は低温で得られた測定結果に対してステージ抵抗値の影響を排除した修正測定結果を得ることができる。なお、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の測定方法、及び測定器は、少なくとも実施の形態１に係る半導体装置の測定方法、及び測定器と同程度の変形が可能である。

１０ 測定器、 １２ プローブカード、 １４ プローブ、 １６ プローブカード接続部、 １８ ステージ、 １８ａ 上面、 １８ｂ 溝、 １８ｃ 吸着口、 ２０ 半導体装置、 ２０ａ 第１領域、 ２０ｂ 第２領域、 ２０ｃ 第３領域、 ２２ 接続部、 ２４ ステージ抵抗、 ２６ 信号線、 ２８ 評価部、 ２８ａ 保存部、 ２８ｂ 測定部、 ２８ｃ 演算部、 ２８ｄ 出力部、 ３０ 信号線、 ５０ アーム、 ６０ 抵抗測定用プローブ、 ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ 端子、 ８０ 温度センサー

Claims (9)

1. ステージの上面の所定位置から前記ステージに取り付けられた接続部までの抵抗値であるステージ抵抗値を取得し、前記ステージ抵抗値を評価部へ伝送する工程と、
   前記ステージの上面に半導体装置の裏面を接触させ、前記半導体装置の上面にプローブをあてる工程と、
   前記評価部が、前記プローブから前記半導体装置、前記ステージ、及び前記接続部を経由して前記評価部に至る経路に電流を流して前記半導体装置の測定結果を取得する工程と、
   前記評価部が、前記ステージ抵抗値の前記測定結果への影響を排除するように前記測定結果を修正した修正測定結果を演算する工程と、を備え、
   前記ステージ抵抗値は、前記ステージの上面上の異なる位置で複数取得し、
   前記測定結果は、前記ステージの上面上の異なる位置で複数取得し、
   前記修正測定結果の演算は、前記測定結果の得られた前記ステージ上の位置における前記ステージ抵抗値を用いて行うことを特徴とする半導体装置の測定方法。
2. 前記プローブを前記半導体装置の上面にあてる位置は、前記所定位置の直上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の測定方法。
3. 前記ステージ抵抗値は、前記プローブを前記ステージにあてて、前記プローブと前記接続部の間に電流を流して取得することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の測定方法。
4. 前記ステージ抵抗値は、抵抗測定用プローブを前記ステージにあてて、前記抵抗測定用プローブと前記接続部の間に電流を流して取得することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の測定方法。
5. 前記ステージ抵抗値は、前記ステージに取り付けられた端子と前記接続部の間に電流を流して取得することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の測定方法。
6. 前記ステージ抵抗値は前記ステージが第１温度のときに測定し、
   前記測定結果は、前記ステージを前記第１温度と異なる第２温度とした状態で取得し、
   前記評価部は、前記ステージの温度を前記第１温度から前記第２温度へ変化させたときの前記ステージ抵抗値の変化分を、前記ステージ抵抗値に付加したステージ抵抗値を生成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の測定方法。
7. ステージの上面の所定位置から前記ステージに取り付けられた接続部までの抵抗値であるステージ抵抗値を取得し、前記ステージ抵抗値を評価部へ伝送する工程と、
   前記ステージの上面に半導体装置の裏面を接触させ、前記半導体装置の上面にプローブをあてる工程と、
   前記評価部が、前記プローブから前記半導体装置、前記ステージ、及び前記接続部を経由して前記評価部に至る経路に電流を流して前記半導体装置の測定結果を取得する工程と、
   前記評価部が、前記ステージ抵抗値の前記測定結果への影響を排除するように前記測定結果を修正した修正測定結果を演算する工程と、を備え、
   前記ステージ抵抗値は、前記プローブを前記ステージにあてて、前記プローブと前記接続部の間に電流を流して取得することを特徴とする半導体装置の測定方法。
8. プローブカードに固定されたプローブと、
   導電材で形成されたステージと、
   前記ステージに取り付けされた接続部と、
   前記プローブ及び前記接続部と接続され、前記ステージの上面の所定位置から前記接続部までの抵抗値であるステージ抵抗値を取得する評価部と、を備え、
   前記評価部は、前記プローブから、前記ステージの上面にのせられた半導体装置、前記ステージ、及び前記接続部を経由する経路に電流を流して得られた測定結果を、前記ステージ抵抗値の影響を排除するように修正し、
   前記プローブカードに取り付けられた抵抗測定用プローブを備え、
   前記抵抗測定用プローブの先端は前記ステージと面接触可能な形状であり、
   前記抵抗測定用プローブは、前記プローブカードから取り外し可能又は折りたたみ可能となっていることを特徴とする測定器。
9. プローブカードに固定されたプローブと、
   導電材で形成されたステージと、
   前記ステージに取り付けされた接続部と、
   前記プローブ及び前記接続部と接続され、前記ステージの上面の所定位置から前記接続部までの抵抗値であるステージ抵抗値を取得する評価部と、を備え、
   前記評価部は、前記プローブから、前記ステージの上面にのせられた半導体装置、前記ステージ、及び前記接続部を経由する経路に電流を流して得られた測定結果を、前記ステージ抵抗値の影響を排除するように修正し、
   前記ステージに取り付けられた端子と、
   前記端子と前記評価部を接続する信号線と、を備え、
   前記評価部は、前記端子と前記接続部の間に電流を流して前記ステージ抵抗値を取得することを特徴とする測定器。

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