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JP4599776B2 - ワイヤボンディング評価方法とそれに用いる評価用治具 - Google Patents

ワイヤボンディング評価方法とそれに用いる評価用治具 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワイヤボンディング評価方法とそれに用いる評価用治具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パワーＭＯＳトランジスタ等の半導体素子に対してその電極膜にワイヤボンディングを施す際、半導体素子にクラック等のダメージを与えることなく適正に実施することが重要事項である。特に、半導体素子の小型化のために素子のセル領域（アクティブエリア）に直接ボンディングする、いわゆるセル上ボンディングを実施する場合には、アルミ電極下の層間絶縁膜に微小なクラックが生じるだけで、絶縁が破壊されリーク電流不良を招いてしまう。
【０００３】
また、ワイヤボンダとして、ボンディングツールを超音波振動させながらワイヤ及び電極膜の相互拡散による接合を行わせるものがあり、そのボンディング時において、ツール振幅電流変化やツールの素子方向への移動量等の波形を逐次測定し、その測定結果からボンディング性（リーク不良の有無、接合性等）を評価する試みがなされている。しかしながら、同一条件下では測定波形が殆ど同一形状であり、測定波形から半導体素子のリーク不良を判断することは困難であった。つまり、素子えぐれ（クレータリング）のような大きな素子破壊に対してはツール振幅電流波形が乱れて良否判断が可能となるが、層間絶縁膜の微小なクラックによるリーク不良に対してはツール振幅電流波形では良否判断が実施できなかった。
【０００４】
そのため、半導体素子へのワイヤボンディングを一通り完了した後、あらためて半導体素子のリーク電流を測定し、その測定結果から良否判断をしなければならなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、ボンディング実施時においてボンディング性の評価を容易に且つ正確に実施することができるワイヤボンディング評価方法とそれに用いる評価用治具を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、パワーＭＯＳトランジスタ等の半導体素子に対してセル上ボンディングを行う際、それと同時にワイヤボンディング評価を行い、ボンディングによる半導体素子のリーク不良を判定するものである。すなわち、請求項１に記載の発明では、ワイヤボンディングの実施に際し、半導体素子のゲート、ソース及びドレインの各電極のうち何れか２つの電極間の電位差を測定するとともに、ボンディング実施状況を表す波形信号をワイヤボンダから表示装置に取り込み、前記２つの電極間の電位差の測定値と時間軸に対するワイヤボンダの波形信号との表示結果を逐次モニタしながらワイヤボンディング評価を実施する。この場合、ワイヤボンディング時に半導体素子の層間絶縁膜やゲート絶縁膜にクラックが生じると、その時点で各電極間の絶縁が破壊され、何れか２つの電極間の電位差が０になる。この電位差＝０となるタイミングがモニタできれば、ボンディング過程のどの時点で素子破壊（絶縁破壊）が生じたかが把握できる。また、ボンディング実施と同時に不良品の検出が可能となる。さらに、時間軸に対するワイヤボンダの波形信号をモニタすることにより、ボンディング開始後、どの時点でリーク不良が発生したかなどの不良発生状況が具体的に判明し、より一層適切なワイヤボンディング評価が可能となる。こうして本発明によれば、ボンディング実施時においてボンディング性の評価を容易に且つ正確に実施することができる。
【０００７】
より具体的には、請求項２に記載したように、半導体素子のゲート電極とソース電極との間に定電圧電源の電圧を印加し、ボンディング実施時に前記電極間の電位差の測定値と前記時間軸に対するワイヤボンダの波形信号との表示結果を逐次モニタしてワイヤボンディング評価を実施すると良い。つまり、ゲート電極を覆う層間絶縁膜が破壊された場合、ゲート／ソース間の電位差が０となる。この場合、層間絶縁膜の破壊によるリーク不良が適正に検出できる。
【０００８】
或いは、請求項３に記載したように、半導体素子のドレイン電極とゲート電極又はソース電極との間に定電圧電源の電圧を印加し、ボンディング実施時に前記電極間の電位差の測定値と前記時間軸に対するワイヤボンダの波形信号との表示結果を逐次モニタしてワイヤボンディング評価を実施すると良い。つまり、半導体基板上に設けられる層間絶縁膜、ゲート絶縁膜が破壊された場合、ドレイン／ソース間又はドレイン／ゲート間の電位差が０となる。この場合、層間絶縁膜、ゲート絶縁膜の破壊によるリーク不良が適正に検出できる。
【００１０】
請求項４に記載の発明では、前記２つの電極間の電位差の測定値を制御装置に逐次入力し、該制御装置により前記測定値の異常を判定し、異常発生時にはボンディングの実施を直ちに停止する。この場合、ボンディング工程内での不良品の自動排除が可能となり、半導体素子の不良発生数を抑えることができる。
【００１１】
上述したワイヤボンディング評価を行う際、請求項５に記載の評価用治具を用いると良い。すなわち、この評価用治具は、治具基板上に固着され、表面にボンディング領域であるソース電極が設けられた半導体素子と、該半導体素子のゲート電極に接続されたゲート端子と、同じく半導体素子のドレイン電極に接続されたドレイン端子とを備える。この場合、セル上（ソース電極上）へのボンディング実施時には、評価用治具のゲート端子及びドレイン端子を用いて２電極間の電位差が測定される。従って、請求項１〜４に記載したワイヤボンディング評価が簡易に実現できる。また、上記の評価用治具を用いれば、ボンディング工程前にボンディング実施試験を簡易的に実施することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、パワーＭＯＳトランジスタのセル上ボンディングに関してその評価手法を開示するものであり、先ずはじめにパワーＭＯＳトランジスタの断面構造を図２を用いて簡単に説明する。
【００１３】
図２に示す半導体素子（パワーＭＯＳトランジスタ）３０において、ｎ+ 型基板３１の上には、ｎ- 型エピタキシャル層３２が積層され、ｎ- 型エピタキシャル層３２の表層部には二重拡散によるｐ- 型ベース領域３３及びｎ+ 型ソース領域３４が形成されている。ｎ- 型エピタキシャル層３２の上にはゲート絶縁膜３５を介してゲート電極３６が配置され、ゲート電極３６は層間絶縁膜３７にて覆われている。層間絶縁膜３７は、ＢＰＳＧ（Ｂoron- Ｐhosphorus Ｓilicate Ｇlass）膜やＰＳＧ（Ｐhosphorus Ｓilicate Ｇlass）膜などから成る。
【００１４】
また、半導体素子３０の表面には、セル領域を構成するｐ- 型ベース領域３３及びｎ+ 型ソース領域３４に接するようにしてソース電極用のアルミ層３８が配置されている。このアルミ層３８のセル領域上に、外部との電気的接続を取るためのボンディングワイヤ３９が設けられている。また、ｎ+ 型基板３１の裏面にはドレイン電極４０が配置されている。
【００１５】
図１にはワイヤボンディングに用いる装置例を示す。図１において、ワイヤボンダ１０は、図示しない出力可変型の超音波源により振動（伸び縮み）する振動子１１と、この振動子１１の振動（伸び縮み）に伴い振動するボンディングツール１２とを備える。ワイヤボンダ１０は、ツール振幅電流、周波数制御電圧等の各種信号を表示装置としてのオシロスコープ１５に出力する。オシロスコープ１５は、ツール振幅電流等の入力信号を入力端子ＣＨ１より取り込み、ディスプレイに表示する。
【００１６】
また、コンピュータ１３は、ボンディング工程を管理するための制御装置であり、このコンピュータ１３にも同様に、ツール振幅電流、周波数制御電圧等の各種信号が取り込まれる。
【００１７】
半導体素子３０のセル上ボンディング時には、ゲート／ソース間の絶縁破壊（リーク不良）が検出されると共に、ドレイン／ソース間の絶縁破壊（リーク不良）が検出されるようになっており、そのための構成として、２台の定電圧電源２１，２２が用意されている。つまり、一方の定電圧電源２１は−極が半導体素子３０のゲート電極に接続され、＋極が接地される。また、他方の定電圧電源２２は＋極が半導体素子３０のドレイン電極に接続され、−極が接地される。定電圧電源２１の−極とゲート電極間には抵抗２３が接続され、定電圧電源２２の＋極とドレイン電極間には抵抗２４が接続されている。なお、半導体素子３０のソース電極は、セル上ボンディング時において振動子１１及びボンディングツール１２を介して接地されるようになっている。この場合、ゲート／ソース間の電位差が測定されてオシロスコープ１５の入力端子ＣＨ２に取り込まれる。また、ドレイン／ソース間の電位差が測定されてオシロスコープ１５の入力端子ＣＨ３に取り込まれる。これら各電位差の測定値は、コンピュータ１３にも入力されるようになっている。
【００１８】
ワイヤボンダ１０によるボンディング時には、超音波振動が付与されながら半導体素子３０のセル上（ソース電極）にワイヤボンディングが実施される。このとき、ボンディング時の超音波振動により図２の層間絶縁膜３７が破壊されると、リーク不良によりゲート／ソース間が導通されてしまい、それがオシロスコープ１５にて観測される。また更に、図２のゲート絶縁膜３５が破壊されると、リーク不良によりドレイン／ソース間が導通されてしまい、それがオシロスコープ１５にて観測される。
【００１９】
ボンディング工程前にボンディング実施試験（事前評価）を実施する際、図３に示す評価用治具を用いる。これは、半導体素子の評価用サンプルをセラミック基板（治具基板）に固着しておき、その状態で半導体素子のソース電極上（セル上）にワイヤボンディングを実施しボンディング性を評価するための評価用治具である。なお、半導体素子の評価用サンプルは、前記図２と同様の断面構造を有するものであるが、表面にソース電極Ｓとゲート電極Ｇとが設けられている（裏面はドレイン電極Ｄである）。
【００２０】
図３において、セラミック基板５０には、３つの導体膜５１，５２，５３が個別に設けられている。このうち、中央の導体膜５１には半導体素子の評価用サンプル６０がはんだ付けされ、評価用サンプル６０のドレイン電極Ｄの電位はドレイン端子５４より取り出される。また、評価用サンプル６０のゲート電極Ｇと導体膜５２とはボンディングワイヤＷにより導通され、評価用サンプル６０のゲート電極Ｇの電位はゲート端子５５より取り出される。
【００２１】
前記図１の装置によるボンディング時には、図３のドレイン端子５４に抵抗２４を介して定電圧電源２２を接続すると共に、図３のゲート端子５５に抵抗２３を介して定電圧電源２１を接続する。そして、ワイヤボンダ１０のツール振幅電流波形をオシロスコープ１５にてモニタしながら、評価用サンプル６０のソース電極Ｓ上にワイヤボンディングを実施する。このとき、オシロスコープ１５には、ワイヤボンダ１０からのツール振幅電流が表示されると共に、ドレイン／ソース間電圧並びにゲート／ソース間電圧が表示される。
【００２２】
図４にはボンディング時の各種信号波形を示す。図４では、ｔ１のタイミングでワイヤボンダ１０によるボンディングが開始され、その開始当初はリーク不良が発生しないためゲート／ソース間電圧が−５Ｖ、ドレイン／ソース間電圧が５Ｖとなっている。また、ｔ２のタイミングにおいて、図２の層間絶縁膜３７でクラックが発生しリーク不良になると、ゲート／ソース間電圧が０Ｖになる。これにより、層間絶縁膜３７でのリーク不良が確認でき、ボンディング性が評価できる。なお、図４には層間絶縁膜３７でのリーク不良発生のみを図示するが、仮にゲート絶縁膜３５でもリーク不良が発生すると、そのリーク不良発生時にドレイン／ソース間電圧が０Ｖになる。
【００２３】
上記の如くオシロスコープ１５の表示波形をモニタしながらワイヤボンディングを実施すれば、ツール振幅電流波形からボンディング開始のタイミングとリーク不良の発生タイミングとが各々判明する。従って、リーク不良の発生までの経過時間を容易に知り得ることができる。
【００２４】
この評価方法を半導体製造時のボンディング工程に用いる場合には、やはり前記図１の装置を用い、半導体素子のドレイン導体、ゲート導体に各々針を当て、その針に定電圧電源２１，２２の電圧を印加する。そして、ボンディング実施時に、ドレイン／ソース間電圧及びゲート／ソース間電圧をオシロスコープ１５で逐次モニタする。これにより、ゲート絶縁膜や層間絶縁膜の絶縁破壊（リーク不良）が各々観測できる。
【００２５】
図５には、ボンディング工程での処理の流れを示す。製品が前工程からボンディング工程に流れてくると、ワイヤボンダ１０にてセル上ボンディングが実施される。このとき、ツール振幅電流波形やドレイン／ソース間電圧、ゲート／ソース間電圧がコンピュータ１３に入力され、コンピュータ１３はそれら入力信号から良品か不良品かを判定する。すなわち、ボンディング中にドレイン／ソース間電圧又はゲート／ソース間電圧が０になった場合、直ちに不良品として判定し、その不良品情報をメモリに記憶する。不良品判定されたものは次工程には流されず、自動的に排除される。また、良品判定されたものは次工程へと流される。
【００２６】
以上の手法によれば、ボンディング工程において不良品の自動排除が実施できる。この場合、不良品発生時には、それ以降のボンディングの実施を停止させることにより不良発生数を抑えることができる。
【００２７】
また、コンピュータ１３は、ツール振幅電流波形やドレイン／ソース間電圧、ゲート／ソース間電圧により良否判定を行うため、自動的に不良モードが分類できる。例えば、不良発生時間を基準として、ワイヤの異常振動、ボンディングツールの素子接触等による素子ダメージが分類できる。また、不良モードの分類により、装置や冶具の管理が容易になる。
【００２８】
不良品発生時には、ツール振幅電流や周波数制御電圧等のボンディング実施条件を変更するようにしても良い。例えば、コンピュータ１３により、ボンディング実施条件を適宜補正し、装置動作へのフィードバックをかける。或いは、不良品発生時には、その旨を作業者等に警告するようにしても良い。
【００２９】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（イ）ボンディング実施と同時に不良品の判定が可能となり、その不具合要因をワイヤボンディングの実施条件にすぐさま反映できる。より具体的には、ゲート／ソース間の電位差から層間絶縁膜の破壊によるリーク不良が適正に検出でき、ドレイン／ソース間の電位差からゲート絶縁膜の破壊によるリーク不良が適正に検出できる。こうして本実施の形態によれば、ボンディング実施時においてボンディング性の評価を容易に且つ正確に実施することができる。
【００３０】
（ロ）ボンディング開始後、どの時点でリーク不良が発生したかなどの不良発生状況が具体的に判明し、より一層適切な評価が可能となる。更に、コンピュータ１３により不良品の自動排除が可能となり、半導体素子の不良発生数を抑えることができる。
【００３１】
（ハ）上記図３に示す評価用治具を用いることにより、ボンディング工程前においてボンディング実施試験（事前評価）を簡易的に実施することが可能となる。
【００３２】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記実施の形態では、ボンディング実施時においてゲート／ソース間の電位差とドレイン／ソース間の電位差とを共に計測し、層間絶縁膜のリーク不良とゲート絶縁膜のリーク不良とを共に検出する構成としたが（図１）、層間絶縁膜又はゲート絶縁膜の何れかのリーク不良だけを検出する構成であっても良い。
【００３３】
上記実施の形態では、ゲート絶縁膜のリーク不良（絶縁破壊）を検出する際、ドレイン／ソース間の電位差を測定したが、これに代えて、ドレイン／ゲート間の電位差を測定するようにしても良い。具体的には、半導体素子のドレイン電極とゲート電極との間に定電圧電源の電圧を印加し、ボンディング実施時に上記電極間の電位差をモニタする。この構成によっても、ゲート絶縁膜のリーク不良が容易に検出でき、適正なワイヤボンディング評価が実施できる。
【００３４】
上記実施の形態では、評価用治具として、セラミック基板上に半導体素子（評価用サンプル）を固着したものを用いたが、これに代えて、例えば金属基板、プリント基板、リードフレーム上に半導体素子を固着したものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】ワイヤボンディングに用いる装置例を示す構成図。
【図２】パワーＭＯＳトランジスタの断面構造を示す図。
【図３】ワイヤボンディングの評価用治具を示す平面図。
【図４】ボンディング実施時の各種信号波形を示す図。
【図５】ボンディング工程の流れを示すブロック図。
【符号の説明】
１０…ワイヤボンダ、１２…ボンディングツール、１３…コンピュータ、１５…オシロスコープ、２１，２２…定電圧電源、３０…半導体素子、３５…ゲート絶縁膜、３６…ゲート電極、３７…層間絶縁膜、３８…アルミ層、３９…ボンディングワイヤ、４０…ドレイン電極、５０…セラミック基板、５４…ドレイン端子、５５…ゲート端子。

Claims (5)

  1. ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有し、半導体基板上にゲート絶縁膜及びゲート電極が設けられると共にそのゲート電極を覆う層間絶縁膜を介してソース電極が設けられた半導体素子に対し、ソース電極を含むセル領域の上方にワイヤボンディングを実施する際の評価方法であって、
    ワイヤボンディングの実施に際し、半導体素子のゲート、ソース及びドレインの各電極のうち何れか２つの電極間の電位差を測定するとともに、ボンディング実施状況を表す波形信号をワイヤボンダから表示装置に取り込み、前記２つの電極間の電位差の測定値と時間軸に対するワイヤボンダの波形信号との表示結果を逐次モニタしながらワイヤボンディング評価を実施することを特徴とするワイヤボンディング評価方法。
  2. 半導体素子のゲート電極とソース電極との間に定電圧電源の電圧を印加し、ボンディング実施時に前記電極間の電位差の測定値と前記時間軸に対するワイヤボンダの波形信号との表示結果を逐次モニタしてワイヤボンディング評価を実施する請求項１に記載のワイヤボンディング評価方法。
  3. 半導体素子のドレイン電極とゲート電極又はソース電極との間に定電圧電源の電圧を印加し、ボンディング実施時に前記電極間の電位差の測定値と前記時間軸に対するワイヤボンダの波形信号との表示結果を逐次モニタしてワイヤボンディング評価を実施する請求項１又は２に記載のワイヤボンディング評価方法。
  4. 前記２つの電極間の電位差の測定値を制御装置に逐次入力し、該制御装置により前記測定値の異常を判定し、異常発生時にはボンディングの実施を直ちに停止する請求項１〜３の何れかに記載のワイヤボンディング評価方法。
  5. 請求項１〜４の何れかに記載のワイヤボンディング評価方法に用いる評価用治具であって、
    治具基板上に固着され、表面にボンディング領域であるソース電極が設けられた半導体素子と、該半導体素子のゲート電極に接続されたゲート端子と、同じく半導体素子のドレイン電極に接続されたドレイン端子とを備えることを特徴とする評価用治具。
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