KR100252775B1 - 반도체디바이스의가속열화테스팅에대한시스템및방법 - Google Patents

반도체디바이스의가속열화테스팅에대한시스템및방법 Download PDF

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더글라스에이.애스버리
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더글라스지.월츠
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Abstract

반도체 디바이스의 테스팅 방법은 부적합한 부품을 열화시키고 적합한 안정화시키기 위해 지속시간동안 반도체 디바이스를 소정레벨로 전류로 펄싱하는 단계, 및 전류펄스 이후 반도체 디바이스에 대해 소정의 전기적 또는 광학적 성능특성을 측정하는 단계를 가진다. 또한 웨이퍼상의 반도체 디바이스의 테스팅 시스템은 전류펄스를 웨이퍼상의 반도체 디바이스에 인가시키는 접촉 프로브, 웨이퍼상의 반도체 디바이스의 소정의 전기적 또는 광학적 성능특성을 측정하기 위해 프로브에 전기적으로 접속된 측정수단, 및 웨이퍼상의 반도체 디바이스로부터 방출된 방사선을 검출하기 위해 측정수단에 전기적으로 접속된 광학적 검출수단을 구비하는 것으로 제공한다.

Description

[발명의 명칭]
반도체 디방이스의 가속열화테스팅에 대한 시스템 및 방법
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 따른 반도체 디바이스의 테스팅 방법을 예시하는 개략도.
제2도는 본 발명에 따른 다양한 전류펄스 레벨의 인가와 시간경과에 따라 반도체 디바이스의 열화(劣化)를 예시하는 도식도.
제3도는 본 발명에 따른 LED와 같은 반도체 디바이스의 웨이퍼를 테스팅하는 시스템의 개략도.
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명은 반도체 디바이스의 테스팅, 더욱 특히 상기 디바이스의 가속열화테스팅에 관한 것이다.
[발명의 배경]
지금까지 반도체 디바이스의 고장성능을 예측하거나 또는 테스팅하는데 다양한 방법이 이용되어 왔다. 상기 디바이스의 대부분의 제조업자는 이들 다양한 방법을 이용하여 약한 디바이스를 사용자가 이용하는 경우 고장나지 않도록 방지한다. 제조업자는 디바이스의 신뢰도를 구축하고, 반품을 방지하고, 제조업자에 의한 서비스 호출을 감소시키며, 그리고 사용자의 불만족을 방지하기 위해서 디바이스로부터 좋은 성능을 소망한다.
반도체 디바이스의 수명과 전형적으로 연관된 공지의 현상은 "인펀트 모탤리티(infant mortality)"로서 알려져 있다. 상기 용어는 새로운 부품에서 관찰된 비교적 높은 고장률을 설명하는데 이용된다. 부품의 초기 높은 고장률은 보통 단주기의 동작이후 낮은 값으로 떨어져 비교적 장주기의 시간동안 계속 낮은 값으로 유지된다. 반도체 디바이스에서의 "인펀트 모탤리티"의 효과를 피하기 위해서, 인펀트 모탤리티의 주기가 지나갈 때까지 상기 부품을 "번인(burn-in)"하는 것이 일반적이다. 상기 "번인"은 전형적으로 디바이스를 통해 높은 순방향 전류(forward current)를 통과시키고, 그리고 디바이스의 정격 피크 역전압 또는 온도변화와 대략 동일한 역바이어스를 교대로 인가시킨다. 이러한 "번인" 시스템과 방법의 실례는 미합중국 특허공보 5,047,711인 스미스(Smith) 등의 "집적회로의 웨이퍼중 번인 테스팅", 미합중국 특허공보 5,030,905인 피갈(Figal)의 "정밀한 번인하에서", 미합중국 특허공보 4,489,477인 치크(chik) 등의 "레이저 다이오드를 스크리닝(screenign)하는 방법" 및 미합중국 특허공보 4,215,309인 프레이(Frey)의 "고효율 스위칭 회로"에서 알 수 있다.
그러나, "번인" 테스팅은 순방향 전류의 인가만으로 검출될 수 없는 반도체 디바이스와 연고나된 다양한 문제점, 및 디바이스가 열화곡선의 초기 높은 고장률 지점을 넘어서는 경우에 발생할 수 있는 문제점을 검출하기가 어렵다. 예를들면, 고전압 서지(surge)는 제조업자에 의해 지정된 것보다 더높은 전압에 반도체 디바이스를 노출시키는 전기시스템에서 종종 발생한다. 순간적인 전력 서지의 발생은 전형적으로 항복전압을 결정하여 디바이스 고장을 발생시킨다. 항복전압은 미합중국 특허공보 4,307,342인 피터슨(Peterson)의 "전자 디바이스의 테스팅 방법 및 장치" 에서 알 수 있는 바와 같은 시스템 또는 방법으로 테스팅될 수 있거나 예측될 수 있다.
발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드와 같은 반도체 디바이스로부터 방출되는 방사선을 테스팅하는 다른 테스팅 시스템 및 방법이 시도되었다. 이러한 시스템 및 방법은 미합중국 특허공보 4,578,641인 타이제(Tiedje)의 "반도체 웨이퍼의 캐리어 수명의 측정시스템", 미합중국 특허공보 4,797,609인 예인(Yane)의 "외부 광검출 없이 모니터링한 LED", 미합중국 특허공보 5,065,007인 다나카(Tanaka)의 "반도체 발광소자로부터의 출력광 측정장치" 및 미합중국 특허공보 4,611,116인 배트(Batt)의 "발광 다이오드 광도 테스터"에서 알 수 있다.
또한, P-N 접삽 다이오드 또는 양극성 트랜지스터와 같은 반도체 디바이스가 고전압 서지로 펼싱되어 관련 반도체 접합에 손사을 유발시키는 테스팅 시스템 및 방법이 시도되었다. 이러한 시스템 및 방법의 시레는 미합중국 특허공보 3,978,405인 피트리(Petree)의 "전류펄스방법에 의한 P-N 접합 디바이스의 손상 임계값", 및 미합중국 특허공보 4,301,403인 호크스(Hawkes) 등의 "전기회로테스팅"에서 알 수 있다.
반도체 디바이스 테스팅의 또다른 공지된 방법은 동일 재료로부터 발전된 디바이스의 군 또는 다수의 디바이스를 통계적으로 샘플링하고 통계적 샘플에 근거되어 전체 디바이스의 군의 성능을 연구하는 것이다. 예를들면, GaAs, GaAsP, 또는 AlGaAs와 같은 더욱 발달한 LED 재료에 있어서, LED 다이스를 포하한 웨이퍼는 전형적으로 스크리빙(scribing)되고 소잉(sawing)되며, 그다음 통계적으로 샘플링된다. LED 샘플은 초기적으로 다양한 광학적 전기적 성능특성에 대해 테스팅된다. 통계적 LED 샘플의 다른 테스팅 또는 열화에 근거되어, LED 다이스의 전체 웨이퍼는 합격되거나 또는 불합격된다. LED 반도체에 대한 상기 기법의 설명을 참고문헌인 "발광 다이오드: 입문" (케이. 길레슨 및 더블유. 스케어러, § 3-3-7, 98-99(1991))에서 알 수 있다. 성능이 예측가능한 발달한 반도체 재료에는 유용하더라도, 상기 통계적 샘플링은 탄화규소(SiC)와 같은 덜 발달한 반도체 재료를 선택하는데 적절한 기법이 되기 어렵다.
LED와 같은 반도체 디바이스의 웨이퍼를 프로빙(probing)하는 것과 같은 다름 기법이 또한 공지되어 있다. 이러한 기법은 전형적으로 "웨이퍼 프로버(prober)" 를 수반하며, 이는 완전하게 공정된 웨이퍼의 질과 수량을 테스팅하는데 이용되는 기구이다. 프로버는 웨이퍼의 에지상의 제1디바이스의 접점상에 프로브를 얹어놓고 이용자가 다양한 측정을 수행하도록 한다. 제1디바이스상에서의 측정이 완료된 이후, 프로버는 다음 다이오드로 웨이퍼를 제어된 거리만큼 이동시킨다. 측정 사이클동안 얻어진 데이타는 합격-불합격 방식으로 평가되고 불량한 다이오드는 잉크도트로 마킹된다. 상기 기법의 설명은 또한 참고문헌인 "발광다이오드: 입문" (케이. 길레슨 및 더블유. 스케어러, § 3-3-6, 97 (1991)), 및 미합중국 특허공보 4,775,640인 찬(chan)의 "전자 디바이스 테스트 방법 및 장치"에서 알 수 있다.
그러나, 통계적 샘플링과 마찬가지로 웨이퍼 프로빙 기법은 일부의 발달한 반도체 재료에는 적절할 수 있지만, 덜 발달한 반도체 재료의 성능을 측정하는 방법을 시간 경과에 따라 항상 제공할 수는 없으며, 그로인해 이전에 설명된 사용자의 불만족을 야기시킨다. 또한 상기 덜 발달한 재료로 제작된 디바이스의 성능은 비교적 최근의 발전이기 때문에 통계적으로 예측가능하지 않을 수 있다. 예를들면, 발광 다이오드를 포함해서 다양한 반도체 디바이스에 대한 SiC의 이용은 단지 최근에 상업적으로 실행가능한 대안으로 되었다. 상기 재료로부터 형성된 디바이스는 미합중국 특허공보 4,918,497 및 5,027,168인 본 출원의 발명자중 한사람인 에드몬드의 "탄화규소로 형성된 청색 발광 다이오드"에서 알 수 있다. 따라서, 이러한 덜 발달한 재료는 다른 테스팅 장치와 방법을 요구한다.
그러므로, 성능이 디바이스군에 대해 통계적으로 예측가능하지 않고 전 시간에 걸쳐 성능을 예측하는 반도체 디바이스를 테스팅하는 장치 및 방법이 요구된다.
[발명의 요약]
본 발명의 목적은 반도체 디바이스의 열화를 가속화하고 다양한 성능특성을 측정함으로써 반도체 디바이스를 테스팅하는 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 부적합한 디바이스를 열화시키고 적합한 디바이스를 안정화시키기 위해 반도체 디바이스를 충분히 높은 전류로 전류 펄싱하고, 그리고 전류펄스의 이전, 동안, 및 이후에 광학적 및/또는 전기적 성능특성을 측정하는 장치 및 방법에 의해 제공된다.
더욱 특히, 반도체 디바이스의 테스팅 방법은 부적합한 부품을 열화시키고, 적합한 부품을 안정화시키기 위해서 지속시간동안 반도체 디바이스를 소정량의 전류로 펄싱하는 단계, 및 전류펄스의 이전, 동안, 및 이후에 소정의 전기적 또는 광학적 성능특성을 측정하는 단계를 가진다.
웨이퍼상의 반도체 디바이스의 테스팅 시스템은 전류펄스를 웨이퍼상의 반도체 디바이스에 인가시키는 접촉 프로브, 웨이퍼상의 반도체 디바이스의 소정의 전기적 또는 광학적 성능특성을 측정하기 위해 프로브에 전기적으로 접속된 측정수단, 및 웨이퍼상의 반도체 디바이스로부터 방출된 방사선을 검출하기 위해 측정수단에 전기적으로 접속된 광학적 검출수단을 가진다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 효과, 특징, 및 상기가 수행되는 방식은 바람직하고 실례적인 실시예를 예시하는 첨부도면과 관련하여 본 발명의 하기 상세히 설명의 고려시에 더욱 용이하게 명백해질 것이다.
[바람직한 실시예의 설명]
본 발명은 이제 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참조하여 이후 더욱 충분히 설명될 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 LED의 같은 반도체 디바이스를 테스팅하는 방법의 개략도를 예시한다. 블록(10)에 예시된 바와 같이, 테스트받는 디바이스는 초기적으로 순방향 전류(VF), 광도, 및 색조와 같은 소정의 전기적 또는 광학적 성능특성에 대해 측정된다. 디바이스가 블록(20)에 예시된 바와 같이 초기측정테스트를 통과한다면, 디바이스는 더욱더 분석된다. 디바이스가 초기측정테스트에서 실패한다면, 블록(25)에 예시된 바와 같이, 디바이스의 테스팅은 종료되고 디바이스는 불합격된다. 초기에 디바이스의 성능특성을 측정하고 디바이스가 합격가능한지를 판단한 이후, 블록(30)에 예시된 바와 같이, 부적합한 디바이스를 열화시키고 적합한 부품을 안정화시키기 위해 전류펄스가 소정의 시간주기동안 디바이스에 인가된다. 전류펄스에 대한 상기 시간주기는 전형적으로 약 2.2초이고, 그리고 전류밀도는 전형적으로 약 3333 A/cm2이지만, 1666 A/cm2내지 5000 A/cm2의 범위일 수 있다. 그후 반도체 디바이스는 블록(40, 50 및 60)에 예시된 바와 같이 전기적 또는 광학적 성능특성을 평가하기 위해 전류펄스동안 측정될 수 있거나 또는 디바이스는 블록(85, 90 및 100)에 예시된 바와 같이 재빨리 냉각하게 된 후 상기 특성을 측정하게 될 수 있다. 또한, 이러한 특성은 전류펄스 동안 및 이후에 측정될 수 있다. 성능특성이 적합하다면, 디바이스는 블록(70 및 110)에 예시된 바와 같이 통과되거나 또는 합격된다. 특성이 부적합하다면, 디바이스는 블록(80 및 120)에 예시된 바와 같이 실패, 즉 불합격되고 잉크로 마킹된다. 측정된 디바이스는 탄화규소(SiC)로 형성된 청색 발광 다이오드였다. SiC로 형성된 녹색 발광 다이오드를 포함하여 다양한 다른 반도체 디바이스에 상기 방법이 이용될 수 있다.
제2a도에 도식적으로 예시된 바와 같이, 제1도의 블록(30)에서 디바이스에 인가된 전류의 레벨 또는 양을 보다 짧은 지속시간동안 증가시키는 경우, 더 적은 디바이스 열화가 발생한다. 따라서, LED 다이와 같이 적합한 디바이스를 안정화시켜 합격되게하고, 그리고 부적합한 디바이스를 열화시켜 불합격되게 하는 전류의 어떤 레벨사이의 관계는 통상 그래프로 표현된다. 전류밀도는 테스트하의 디바이스에 따라 변화할 수 있으나, 전형적으로 SiC 디바이스에 대해 약 3333 A/㎠는 부적합한 LED 디바이스에 열화를 발생시키는 합격가능한 레벨이다. 제2b도는 고레벨의 전류(즉, 3333 A/㎠)로 펄싱되는 경우, 부적합한 디바이스에서 발생하는 방사선 또는 광도의 열화를 도식적으로 예시한다.
웨이퍼 프로버를 이용하여 반도체 디바이스를 테스팅하는 것은 본 기술의 당업자에게 공지되어 있다. 본 발명의 방법에 따라서, 웨이퍼 프로버는 SiC와 가은 반도체 재료의 웨이퍼상의 각각의 LED를 펄싱하고, 그때 디바이스의 성능특성을 측정하는데 이용될 수 있다.
LED에 따라, 예를들면 광도, 색, 및 열화는 VF와 역방향 전류(IR) 등과 같이 상기 기법에 의해 측정될 수 있다. 일반적으로, LED 및 다른 반도체 디바이스에 대한 측정은 하기의 순방향 전압, 역방향 전압, 순방향 전류, 역방향 전류, 색조, 색조 열화, 광출력, 광출력 열화, 조도, 조도 열화, 발광효율, 색, 색 열화, 피크 색파장, 기본 색파장, 반응속도, 커패시턴스, 열저항, 전력손실 및 그 조합중 한가지 또는 그이상을 포함할 수 있다. 그러나, 이들 측정은 이들 특정 디바이스 특성에 제한되지 않는다.
또한, 이러한 측정 및 다양한 컴퓨터 소프트웨어 프로그램으로부터, LED와 같은 반도체 디바이스의 전체 성능은 그러한 디바이스에 대해 계산될 수 있으며 매핑(mapping) 될 수 있다. 매핑은 시간에 따른 전기적 또는 광학적 성능특성, 및 반도체 웨이퍼상의 합격불가능 디바이스의 위치적 지점의 그래프를 포함할 수 있다. 상기 종류의 매핑정보는 반도체 재료품질에 대한 제조업자로의 송환, 재료 처리기법, 및 테스트하의 디바이스에 대한 다양한 다른 정보를 포함한다.
제3도는 LED와 같은 반도체 디바이스의 웨이퍼를 측정하는 장치를 개략적으로 예시한다. 210으로 각각 도시된 10개의 접촉 프로브중 적어도 하나는 제1도에 설명된 방법에 따라 웨이퍼상의 LED에 전류펄스를 인가시킨다. 전류펄스의 전류밀도는 비교적 높으며 전형적으로 약 3333 A/㎠이다. 측정수단(230)은 웨이퍼상의 반도체 디바이스의 소정의 전기적 성능특성을 측정하기 위해 접촉 프로브(210)에 전기적으로 접속된다, 측정수단(230)은 테스팅동안 측정을 수행하기 위해 3개의 광도계(photometer)(231, 232, 245)와 컴퓨터(235)를 구비한다. 광섬유 프로브(241, 242) 또는 센서와 같은 광학적 검출수단(240)은 웨이퍼상의 LED 디바이스로 부터 방출된 청색 및 녹색 범위의 방사선 및 색조를 검출하기 위해 측정수단(230)에 전기적으로 접속된다. 색조 측정은 녹색통과 및 청색통과 필터를 통해 각각의 디바이스상에 색조율을 측정하고 검출하여 통과될 수 있다. 합격불가능한 웨이퍼상의 디바이스는 잉크웰(ink well)(260)을 이용하여 마킹된다.
도면과 명세서에 본 발명의 전형적인 바람직한 실시예가 개시되어 있으며, 특정 용어가 사용되었더라도, 그들은 일반적이고 설명적인 의미만으로 이용된 것이지 제한을 위해서가 아니며, 본 발명의 영역은 하기의 특허청구범위에서 명시된다.

Claims (14)

  1. 반도체 디바이스의 테스팅 방법에 있어서,
    반도체 디바이스를 소정레벨의 전류로 펄싱하는 단계(30); 및
    전류펄스이후, 반도체 디바이스에 대해 소정의 전기적 또는 광학적 성능특성을 측정하는 단계(50)로 구성되며,
    여기에서, 전류펄스의 전류레벨은 테스팅되는 반도체 디바이스의 평균동작 전류레벨보다 더 높은 것을 특징으로 하며,
    여기에서, 펄싱시간은 테스팅되는 부적합한 디바이스를 열화시키고 테스팅되는 적합한 디바이스를 안정화시키기 위해 15초 미만의 지속시간인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  2. 제1항에 있어서, 테스팅되는 반도체 디바이스는 광학전자 디바이스로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  3. 제2항에 있어서, 테스팅되는 반도체 디바이스는 발광 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  4. 제1항에 있어서, 테스팅되는 반도체 디바이스는 다수 발광 다이오드의 웨이퍼의 일 발광 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  5. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 반도체 디바이스를 소정레벨의 전류로 펄싱하는 단계 이전에, 반도체 디바이스의 소정의 전기적 또는 광학적 성능 특성을 초기적으로 측정하는 단계(10)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  6. 제1항, 제2항, 제3항, 또는 제4항에 있어서, 반도체 디바이스의 소정의 전기적 또는 광학적 성능특성을 측정하는 단계는 또한 디바이스를 전류로 펄싱하는 단계(40) 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  7. 제1항, 제2항, 제3항, 또는 제4항에 있어서, 반도체 디바이스의 소정의 전기적 또는 광학적 성능특성을 초기적으로 측정하는 단계는 순전압, 역전압, 순전류, 역전류, 색조, 색조 열화, 광출 전력, 광출 전력 열화, 조도, 조도 열화, 발광효율, 색, 색 열화, 피크 색파장, 기본 색파장, 반응속도, 열저항, 전력손실 및 그 조합으로 구성된 군으로 부터 선택된 성능특성의 측정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  8. 제1항, 제2항, 제3항, 또는 제4항에 있어서, 전류펄스의 소정의 전류밀도는 약 1666 A/㎠ 내지 약 5000 A/㎠의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  9. 제1항, 제2항, 제3항, 또는 제4항에 있어서, 전류펄스의 소정의 전류밀도는 약 3333 A/㎠인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  10. 제1항, 제2항, 제3항, 또는 제4항에 있어서, 반도체 디바이스는 탄화 규소(SiC)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  11. 제1항, 제2항, 제3항, 또는 제4항에 있어서, 반도체 디바이스는 탄화규소로 형성된 청색 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  12. 제1항, 제2항, 제3항, 또는 제4항에 있어서, 테스팅되는 반도체 디바이스에 대해 전기적 성능특성을 매핑시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  13. 제3항 또는 제4항에 있어서, 초기적으로 측정하는 단계는 웨이퍼상의 각각의 발광다이오드의 전기적 또는 광학적 성능특성을 개별적으로 측정하는 프로빙머신상에 다수 발광 다이오드의 웨이퍼를 탑재시키는 단계가 선행되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 테스팅 방법.
  14. 제3항 또는 제4항에 있어서, 전류펄스동안 측정된 소정의 전기적 성능특성을 만족시키지 못한다면, 웨이퍼상의 발광 다이오드를 잉크(260)로 마킹하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스의 테스팅 방법.
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