JP6381854B1 - 半導体装置の試験方法、および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

素子が形成された基板ウエハ（１）と、赤外線が透過可能な材料で構成され、基板ウエハ（１）に対向して設けられたキャップウエハ（３）との間に気密空間（７）を有するパッケージが形成された半導体装置の試験方法であって、半導体装置を高湿環境に暴露する水分付与工程と、半導体装置からの赤外線を検出して、赤外線の水分子の吸収によりパッケージのリークを判別するリーク判別工程と、を含むものである。

Description

この発明はウェハレベル・チップスケール・パッケージ（ＷＬ-ＣＳＰ）構造の半導体装置の気密性評価に関するものである。

半導体装置の気密性評価は、デバイス作製後、数気圧で加圧されたヘリウム雰囲気に暴露し、気密性の悪いデバイスにヘリウムを注入した後、侵入したヘリウムをヘリウム検出器で評価する、通称ファインリーク試験と呼ばれる手法で評価していた（例えば特許文献１参照）。この手法はヘリウム加圧・検出に数時間を要するためデバイスを個別に評価することが難しく、数十から数百個のデバイスをまとめて評価する必要がある。このため、リークが発見された際、検査ロットをまとめて廃却するか、デバイスを少数に分割し何度も評価することが必要で、検査に時間がかかるという問題点があった。また、半導体デバイスがウェハレベル・チップスケール・パッケージの場合、通常の電子デバイスのパッケージに比べると容積が小さく、注入されるヘリウムの量が少ないため、リークの検出感度が充分に得られないという問題点があった。

また、耐湿性を試験する方法として、デバイスを動作させながら高温高湿雰囲気に暴露し、デバイス特性の変化からリークを検出する方法がある（例えば特許文献２）。この方法によれば、個々のデバイスに高温高湿状態で通電するためには複雑な構造の評価装置が必要であり、検出に数日以上を要するという問題点があった。

特開２００４−２３０５４号公報 特開２０１０−２４５３４８号公報

以上のように、ファインリーク試験によれば、検査に時間を要し、またウェハレベル・チップスケール・パッケージに適用する場合、リークの検出感度が十分に得られず、検査精度が悪くなる恐れがあった。また特許文献２の方法においても、検査に時間を要するという問題があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、検査に要する時間が短く、ウエハレベル・チップスケール・パッケージに適用した場合、リークの検出感度が高い半導体装置の試験方法を提供することを目的とする。

この発明に係わる半導体装置の試験方法は、素子が形成された基板ウエハと、赤外線が透過可能な材料で構成され、基板ウエハに対向して設けられたキャップウエハとの間に気密空間を有するパッケージが形成された半導体装置の試験方法であって、半導体装置を高湿環境に暴露する水分付与工程と、半導体装置からの赤外線を検出して、赤外線の水分子の吸収によりパッケージのリークを判別するリーク判別工程と、を含み、リーク判別工程において、基板ウエハに形成された素子に電力を供給し、素子から放射され、パッケージ外に放射される赤外線のスペクトルによりパッケージのリークを判別するものである。

本発明によれば、ウエハレベル・チップスケール・パッケージのリーク試験において、時間が短く、精度の高い試験を行うことができる。

本発明の実施の形態１による半導体装置の試験方法を説明するための、半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の試験方法を含む半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１による半導体装置の試験方法を説明するための、別の半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の試験方法を説明するための、半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の試験方法を含む半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３による半導体装置の試験方法を説明するための、半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態３による半導体装置の試験方法を含む半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４による半導体装置の試験方法を説明するための、半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態４による半導体装置の試験方法を含む半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態５による半導体装置の試験方法を説明するための、半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態５による半導体装置の試験方法を含む半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

実施の形態１．
以下、この発明の一実施の形態を図について説明する。図１は本発明の実施の形態１による半導体装置の試験方法を、試験対象の半導体装置１００の断面図を用いて説明するための図である。ＧａＡｓで構成された基板ウエハ１上に、例えば高周波増幅用のトランジスタ４が形成されている。図１では、トランジスタ４として、ソースＳ、ドレインＤ、ゲートＧを有するＦＥＴを例に図示している。トランジスタ４は、ＦＥＴに限らず、またトランジスタ以外の半導体素子でも、集積回路であっても、基板ウエハ１上に形成される素子であればどのような素子であってもよい。また、素子間を電気的に接続する回路が形成されていることが多い。ＧａＡｓで構成されたキャップウエハ３と金で形成された封止枠２とにより、トランジスタ４が形成されている領域に気密性が確保された気密空間７が形成されるように、キャップウエハ３が基板ウエハ１に対向して設けられている。キャップウエハ３には、トランジスタ４に電気を供給するために貫通するビアホール（Ｖ／Ｈ）５が形成されている。ビアホール５には外部から電気を供給するための電極パッド６が接続されている。以上の構成の半導体装置１００は、いわゆるウエハレベル・チップサイズ・パッケージと呼ばれている半導体装置に分類される。

従来、半導体素子をパッケージに封止した半導体装置の気密性試験は、特許文献１のようにヘリウムリークによる試験や、特許文献２のようにデバイスを高温高湿雰囲気に暴露してデバイス特性の変化によりリークを試験する、といった方法が用いられていた。電子デバイスでは一般的にセラミックや樹脂のパッケージが用いられることが多く、光を透過する材料ではなかったため、パッケージ内部の状態を光を用いて試験する、という発想はなかった。これに対し、発明者らは、ウェハレベル・チップサイズ・パッケージにおいて、パッケージを構成する材料に、素子が形成される基板ウエハ１と同じ、例えばＧａＡｓのような材料が用いられる場合があり、ＧａＡｓは赤外線領域の光を透過すること、水分は赤外線領域に光の吸収帯を有していることに気づき、本願発明を着想したのである。

実施の形態１による半導体装置の試験方法では、図１に示すように、半導体装置１００に、外部から赤外線８を照射し、透過した赤外線を赤外線検出器９で検出することにより、半導体装置１００の気密空間７中に水分２０が含まれているかどうかを試験する。以下に試験方法の詳細を、半導体装置の製造方法を含めて示す図２のフローチャートにより説明する。

ＧａＡｓの基板ウェハ１上に通常のデバイス作製プロセスによりトランジスタ４や回路を作製する（ステップＳＴ１）。この時、気密封止用の封止枠２を基板ウエハ１上に別途作製しておく（ステップＳＴ１）。ステップＳＴ１を素子形成工程と称することとする。この封止枠２は、たとえば金粒の集合体、蒸着やスパッタ、めっきで形成されている。金だけでなく、付着性を向上させるため、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄなどの膜を積層する場合が多い。その後、基板ウェハ１と類似の材料で構成されたキャップウェハ３を窒素雰囲気、３００℃程度の高温で貼りつける（ステップＳＴ２）。キャップウェハ３には電極を外部に取り出すため、あらかじめビアホール５と貫通電極５０、電極パッド６を形成しておく。図１ではキャップウェハ３から電極を取り出した例を示したが、基板ウェハ１に貫通電極を形成してもよい。このようにして基板ウエハ１とキャップウエハ３との間に封止枠２で封止した気密空間７を有するパッケージを複数構成するように作製した半導体装置を、ダイシングやスクライブでパッケージ毎に個片化する（ステップＳＴ３）。ステップＳＴ２およびステップＳＴ３をパッケージ形成工程と称することとする。

個片化されたパッケージを高湿環境に暴露する（ステップＳＴ４）。ステップ４を水分付与工程と称することとする。暴露条件の温度および相対湿度は８５℃／８５％で約一日、もしくは１３０℃／８５％で２時間程度が標準的な条件である。一般的に、ウェハレベル・チップサイズ・パッケージでは封止枠２と基板ウエハ１およびキャップウェハ３との密着性を確保することが難しく、気密性が充分に得られない場合がある。気密性が悪い場合、デバイスの使用中に外部環境から水分がパッケージ内の気密空間７に侵入し、水分とトランジスタ４が反応することで、ＧａＡｓの酸化、電極の腐食、金属のイオンマイグレーションなどを誘発しデバイスの劣化を引き起こす。このため、気密性を確保することが重要な課題である。

実施の形態１による半導体装置の試験方法では、気密性試験として、まず高湿環境に暴露し加速的に故意にリーク部分から水分をパッケージ内に注入する。このときリークが存在するパッケージでは内部水分量が増加する。高湿環境に暴露した後、外部から赤外線８を照射し、パッケージを透過させ外部に設置されている赤外線検出器９で赤外線スペクトルを測定する（ステップＳＴ５）。パッケージにリークがあり内部に水分が侵入した場合、測定された赤外線スペクトルが、水分の吸収波長で強度が低下する吸収スペクトルとなる。このため、測定された赤外線スペクトル中の吸収スペクトルにより水分の吸収を判断することができ、非破壊でパッケージ毎、個別にリークを判別する（ステップＳＴ６）ことができる。ステップＳＴ５とステップＳＴ６をリーク判別工程と称することにする。

上述のように、実施の形態１では、赤外線の水分での吸収を利用する。この手法の中で最も感度の良い手法の一つはＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光）である。フーリエ変換することでノイズを除去し感度良く赤外線スペクトルを測定することができる。基板ウエハ１およびキャップウエハ３としてパッケージに用いているＧａＡｓのバンドギャップは１．４２eVであり波長に変換すると８７３nmである。ＦＴＩＲでは１μmから２０μmの波長範囲を測定するため、ＧａＡｓは透明でありＦＴＩＲで用いる赤外線が透過可能である。

ＦＴＩＲの光路に水分が存在した場合、水分子の分子振動（伸縮振動、変角振動など）の振動数に応じて照射光が分子振動を励起し赤外線が吸収される。水分子では１．５μm、２μm、２．５μm〜３．５μm、５μm、５．５μm〜７μmなどに大きな赤外吸収波長帯がある。パッケージ内部が１気圧、２５℃で飽和蒸気圧に達した時、水蒸気の分圧は３１６８Paである。パッケージ内の水蒸気が結露したとすると水分子の膜厚は約０．１μm弱となり、高感度のＦＴＩＲを用いると検出できる範囲となる。このように、外部からキャップウエハ３および基板ウエハ１を透過可能でかつ水分子の吸収波長帯を含む赤外線を照射することで、水分が存在する場合は上記の赤外吸収波長帯における吸収スペクトルが測定されるため、赤外線の水の吸収により、非破壊で個別にリークによる内部水分量増加を検出することができる。

実施の形態１ではＧａＡｓを用いた場合を示したが、他の材料の基板ウエハ１、キャップウエハ３を用いたウェハレベル・チップサイズ・パッケージでも適用可能である。Ｓｉの場合、バンドギャップは１．１２eVなので波長１．１μm以上の長波長を透過させることができ、同様の試験が可能である。ＩｎＰの場合、バンドギャップは１．３５eVなので波長９１８nm、ＳｉＣでは３．２６eV、３８０nm、ＧａＮでは３．４eV、３６４nmであり、水分子の吸収波長帯の赤外線を透過するため、１μｍ以上の波長の赤外線を用いることで同様の効果を奏することができる。

以上では、ＦＴＩＲを用いて、赤外領域のスペクトルを測定し水分子の吸収スペクトルによりリークを判別するようにした。上記のように水分子の赤外吸収波長帯が分かっているため、ＦＴＩＲを用いることなく、照射する赤外線として、水分子の吸収波長帯におけるいずれかの波長の赤外線を用いてもよい。この場合、スペクトルから水分の吸収を判断するのではなく、リークがないことが判明している基準となるパッケージを通過した赤外線の強度と、試験対象のパッケージを通過した赤外線の強度を比較するなど、パッケージを通過した赤外線の強度により、赤外線の水の吸収を判断して、パッケージのリークを判別することができる。

また、図１では、封止枠２により空間を形成するウェハレベル・チップサイズ・パッケージの例を示したが、図３に示すように、窪みを形成したキャップウエハ３と基板ウエハ１とにより気密空間７を形成、あるいは窪みを形成した基板ウエハとキャップウエハとにより気密空間を形成するなど、他の形状のウェハレベル・チップサイズ・パッケージに適用することもできる。このように、素子が形成された基板ウエハと、赤外線が透過可能な材料で構成され、基板ウエハに対向して設けられたキャップウエハとの間に気密空間を有するパッケージが形成された半導体装置であれば適用可能である。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２による半導体装置の試験方法を、試験対象の半導体装置１００の断面図を用いて説明するための図である。また図５は半導体装置の製造方法を含めて示すフローチャートである。半導体装置１００は図１に示したものと同じである。この半導体装置１００を高湿環境に暴露した後、冷却することにより、リークがあるパッケージでは、図４に示すように基板ウエハ１およびキャップウエハ３の内面に結露して水膜２１が形成される。

図５のフローチャートに示すステップＳＴ１からステップＳＴ４までは実施の形態１と同様である。実施の形態１と同様に高湿環境に暴露する（ステップＳＴ４）ことにより、リークのあるパッケージに水分が注入される。その後パッケージ全体を冷却（ステップＳＴ４１）し水分を結露させて水膜２１を形成する。外部の赤外線光源８０から赤外線８を照射し、赤外線を透過可能な材料で構成されたキャップウェハ３内を通過させ、水膜２１で反射させる。反射光は再び外部に放射されその赤外線を検出器で１２２検出する。反射光の赤外線スペクトルを測定（ステップＳＴ５１）する。水膜２１がある場合、測定された赤外線スペクトルが、水分の吸収波長で強度が低下する吸収スペクトルとなるため、赤外線スペクトルにより水の吸収を判断してパッケージのリークを判別できる（ステップＳＴ６）。

高湿環境の暴露でパッケージ内に侵入した水分は、冷却して結露させることで水膜２１に変換できる。たとえば２５℃で相対湿度５０％では露点は１３．９℃、相対湿度１０%では−８．７℃、相対湿度１%では−３５℃であり、−６５℃まで冷却すれば微小なリークで侵入した水分をほとんど結露させることができる。氷点下では水膜２１は氷状態になるが、水分子間の水素結合の違いにより水と氷で多少吸収強度が変化するものの、氷でもほぼ水と同様のスペクトルが得られ検出が可能である。

結露させる場合、パッケージ全体を冷却するのが簡便ではあるが、キャップウェハ３のみに冷却風を吹き付け結露させてもよい。パッケージ内の水分はキャップウェハ３側のみに結露するため、約２倍の水膜厚を確保することができ検出感度を向上させることができる。

さらに、照射部分のみを選択的に冷却して、赤外線を集束照射してもよい。パッケージ内の水分全体が狭い領域に収束して結露するため、さらに高感度の水分検出が可能になる。

実施の形態１では赤外線を透過させて内部水分を検出した。実施の形態２では赤外線をキャップウエハ３内で反射させて水の赤外吸収を検出している。ＦＴＩＲではキャップウェハ３内で赤外光を反射させた場合、光のしみだし効果で付着物の吸収を検出することができる。さらに図３に示すように多重反射を発生させることで検出感度を飛躍的に向上させることができ、微量な水分も感度良く検出することができる。なお、本実施の形態２の方法では、キャップウエハ３内を反射する赤外線を測定するため、基板ウエハ１が赤外線を透過しない材料の半導体装置にも適用可能である。

また、実施の形態１で説明したのと同様、ＦＴＩＲを用いることなく、照射する赤外線として、水分子の吸収波長帯におけるいずれかの波長の赤外線を用いてもよい。この場合、スペクトルから水分の存在を判断するのではなく、リークが無いことが判明している基準となるパッケージのキャップウエハから反射されてきた赤外線の強度と、試験対象のパッケージのキャップウエハ３から反射されてきた赤外線の強度を比較するなど、キャップウエハ３から反射されてきた赤外線の強度を測定して水の吸収を判断することにより、パッケージのリークを判別することができる。

実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３による半導体装置の試験方法を、試験対象の半導体装置１００の断面図により説明するための図である。また図７は半導体装置の製造方法を含めて示すフローチャートである。半導体装置１００は図１に示したものと同じである。

実施形態１と同様に高湿環境に暴露（ステップＳＴ４）することによりリークのあるパッケージに水分が注入される。その後パッケージ全体を冷却（ステップＳＴ４１）し水分を結露させることにより、図６に示すように水膜２１を形成する。次にトランジスタなど、基板ウエハに形成された素子に電力を供給して（ステップＳＴ５２）動作させると素子が発熱し赤外線８０を放出する。この赤外線を水膜２１を通し外部の赤外線検出器９（ステップＳＴ５３）でパッケージ外に放射された赤外線のスペクトルを測定することで水膜２１を検出する。図５では水膜２１を形成させた場合の例を示したが、図１のような水蒸気状態でも測定可能である。

通常、トランジスタを動作させると数℃〜数十℃、大きな電流を流した場合はトランジスタ部分の温度が１００℃に達する場合もある。このような高温状態では輻射により赤外線が発生する。この赤外線は波長に対し比較的一様な連続光である。水膜２１あるいは気密空間７内部に水蒸気が存在する場合、発生した赤外線は水膜２１あるいは水蒸気で水分子の吸収波長帯の赤外線が吸収され特徴的なスペクトルとなり検出器９で赤外線のスペクトルを測定することにより水分の吸収を判断することができる。これまでの実施の形態に比べ、照射光源が不要なため検出装置を簡素化することができる。動作させたパッケージのみ独立して赤外線の発生が可能なため、複数のパッケージを同時に広範囲に測定する安価な検出器で赤外線を測定できる。順次異なるパッケージの素子を動作させ、動作させる毎に測定された赤外線のスペクトルにおける水の吸収スペクトルにより個別のパッケージにおけるリークの判別が可能である。なお、本実施の形態３の方法では、キャップウエハ３を透過する赤外線を測定するため、基板ウエハ１が赤外線を透過しない材料の半導体装置にも適用可能である。

実施の形態４．
図８は本発明の実施の形態４による半導体装置の試験方法を、試験対象の半導体装置１００の断面図を用いて説明するための図である。また図９は半導体装置の製造方法を含めて示すフローチャートである。半導体装置１００は図１に示したものと同じである。この半導体装置１００を高湿環境に暴露した後、冷却することにより、リークがあるパッケージでは、図８に示すように基板ウエハ１およびキャップウエハ３の内面に結露して水膜２１が形成される。

実施の形態２で説明したように、キャップウェハ３のみに冷却風を吹き付け結露させてもよい。また、照射部分のみを選択的に冷却し、冷却部に赤外線を集束照射してもよい。

この半導体装置１００に、外部の赤外線光源８０から赤外線１０をキャップウエハ３に入射させて、キャップウェハ３内を通過させ、水膜２１で反射させる。反射光は再び外部に放射されその光を検出器９０で検出する。反射光の偏光分光を行うためエリプソメトリの原理を用いる（ステップＳＴ５４）。

エリプソメトリでは入射光に対する反射光の偏光角度をモニタする。屈折率や分散がキャップウエハとは異なる水膜がキャップウエハに付着していると、付着していない場合に対して偏光角度が異なるため、水膜を検出することができる。検出感度は高く、数原子層の水膜があれば検出可能なため、わずかなリークでも検出が可能である。図８ではキャップウェハ３内を多重反射させている。反射回数に応じて検出感度を向上させることができる。もちろん一回の反射でも十分な検出感度を得ることができる。

以上ではエリプソメトリの光として赤外線を用いたが、キャップウエハ３が例えばＧａＮで構成されている場合、可視光を透過するため、可視光を用いてエリプソメトリにより偏光角度を検出することもできる。このように、エリプソメトリを用いる実施の形態４では、水分子の赤外吸収を利用するのではなく反射光の偏光角度を利用して、水膜の存在を検出する。このため、赤外線領域の光に限らず、キャップウエハ３の材料を透過可能な波長の光を含む光を入射させて、エリプソメトリにより水膜の有無を判断でき、リークの判別をすることができる。

実施の形態５．
図１０は本発明の実施の形態５による半導体装置の試験方法を、試験対象の半導体装置２００の断面図を用いて説明するための図である。また図１１は半導体装置の製造方法を含めて示すフローチャートである。実施の形態１において高湿環境に暴露する際、個々のパッケージに水分を侵入させるためにはダイシングなどによりパッケージ毎、個片に切断する必要があった。個片化しないと、各パッケージの周囲が他のパッケージで囲まれているため、外部から水分を供給できない。実施の形態５では、キャップウエハを貼り付けた（ステップＳＴ２）後、パッケージ毎に外部から水分を供給できるよう、個々のパッケージの隣り合うパッケージとの間となる位置のキャップウエハ３に貫通孔１４を形成する（ステップＳＴ３１）。その後、高湿環境に暴露する（ステップＳＴ４）。水分はこの貫通孔１４を通して各パッケージに供給される。

ウェハレベル・チップサイズ・パッケージでは数インチのウェハ１枚に数百から数万個のパッケージが形成される。ダイシングやスクライブにより各パッケージに個片化してしまうと、後工程のハンドリングや測定が煩雑になる。実施の形態５では貫通孔１４から水分を各パッケージに供給できるため、個片化する必要は無くウェハのまま評価が可能になり、ハンドリングが容易で工程が簡便になる。

図１１では、高湿環境に暴露した後、水分を検出してリークを判別する方法として実施の形態１の方法を例に示しているが、図１０に示す半導体装置は、実施の形態１〜４で説明したいずれの試験方法も適用できることは言うまでもない。

本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 基板ウエハ、３ キャップウエハ、４ トランジスタ（素子）、７ 気密空間、２０ 水分、２１ 水膜、１００、２００ 半導体装置

Claims (4)

1. 素子が形成された基板ウエハと、赤外線が透過可能な材料で構成され、前記基板ウエハに対向して設けられたキャップウエハとの間に気密空間を有するパッケージが形成された半導体装置の試験方法であって、
   前記半導体装置を高湿環境に暴露する水分付与工程と、
   前記半導体装置からの赤外線を検出して、赤外線の水分子の吸収により前記パッケージのリークを判別するリーク判別工程とを含み、
   前記リーク判別工程において、前記基板ウエハに形成された素子に電力を供給し、前記素子から放射され、前記パッケージ外に放射される赤外線のスペクトルにより前記パッケージのリークを判別することを特徴とする半導体装置の試験方法。
2. 基板ウエハに素子を形成する素子形成工程と、
   前記基板ウエハに対向して、赤外線が透過可能な材料で構成されたキャップウエハを設置して、形成された前記素子が存在する領域に気密空間を有するパッケージを形成するパッケージ形成工程と、
   請求項１に記載の半導体装置の試験方法により前記パッケージのリークを判別する工程と
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 前記パッケージ形成工程において、１枚の前記基板ウエハに対して複数のパッケージが形成され、パッケージ毎に個片化する工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記パッケージ形成工程において、１枚の前記基板ウエハに対して複数のパッケージが形成され、個々のパッケージの隣り合うパッケージとの間となる前記キャップウエハに貫通孔を形成する工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。

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