(57)【要約】【課題】半導体集積回路内に集積化した半導体素子のＯＮ抵抗を、半導体素子と測定装置間の接触抵抗の影響を受けずに高精度に測定する半導体集積回路の測定方法の開発。【解決手段】半導体集積回路内の被測定半導体素子の両端に、前記半導体集積回路内に設けた固定倍率の電圧増幅回路を接続し、前記電圧増幅回路の出力電圧を測定することにより上記被測定半導体素子の両端の電圧を測定し、測定装置と被測定半導体素子の接触抵抗のバラツキを含めずに高精度にＯＮ抵抗を測定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路内の被測定半導体素子の両端に、前記半導体集積回路内に設けた固定倍率の電圧増幅回路を接続し、前記電圧増幅回路の出力電圧を測定することにより上記被測定半導体素子の両端の電圧を測定することを特徴とした半導体集積回路の測定方法。
【請求項２】
被測定半導体素子の出力をＯＦＦ状態に設定し、上記半導体集積回路の外部より電圧を加え、上記の電圧増幅回路の入出力電圧特性を校正する第１ステップと、上記被測定半導体素子の出力をＯＮ状態に設定する第２ステップと、上記半導体集積回路の外部より上記被測定半導体素子に電流を順方向で供給する第３ステップと、上記の電圧増幅回路の電圧出力を測定する第４ステップと、上記第１ステップの校正結果と上記第４ステップの電圧測定結果をもとに上記被測定半導体素子の順方向電圧を求める第５ステップとからなることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路の測定方法。
【請求項３】
被測定半導体素子の出力をＯＮ状態に設定し、上記半導体集積回路の外部より上記被測定半導体素子に電流を順方向で供給する第１ステップと、上記電圧増幅回路の電圧出力を測定する第２ステップと、上記被測定半導体素子の出力をＯＦＦ状態に設定する第３ステップと、上記半導体集積回路の外部より電圧を加え、上記の電圧増幅回路の出力電圧が上記第２ステップで得られた測定値と等しくなるように電圧を調整する第４ステップからなり、第４ステップで得られた調整電圧を上記被測定半導体素子の順方向電圧として測定することを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体集積回路の測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
年々高性能化される半導体集積回路において、半導体集積回路のＯＮ抵抗も低インピーダンス化が進み、より高精度にＯＮ抵抗を測定するための技術が必要になってきている。従来、半導体集積回路内の半導体素子のＯＮ抵抗を高精度に測定したい場合、被測定半導体素子と測定系の接触インピーダンスによる誤差をキャンセルするために４端子法を用いて測定するか（既知の技術）、或いは被測定半導体素子とダミー素子を半導体集積回路内で切り替え、測定系の誤差を補正するといった手法が一般的であった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２１１７８６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら半導体集積回路のパッケージのピンピッチは年々縮小傾向にあり、ＬＧＡ、ＢＧＡ、ＣＳＰといったパッケージでは、端子の面積も小さく、４端子法のような測定子を測定ピンに接触させることは実現が困難である。更にＱＦＰパッケージについても、リード端子の小型化から測定子を接触させることは困難になりつつある。これを解決するために、半導体集積回路の１つの端子にパッケージの２つの端子を接続した構成をとることもあるが、パッケージのピン数やピンレイアウトの制限によって実現が困難な場合も多い。
【０００５】
また、ダミー素子による補正を行う場合、測定装置と被測定素子との接触抵抗をキャンセルすることはできるが、ダミー素子自体の抵抗成分や切り替えスイッチの抵抗成分を誤差として含むという欠点を有している。また、切り替えスイッチの抵抗成分は能動素子のバラツキによるものであり、一律に補正することが出来ない。
【０００６】
以下、４端子法が使用できない場合の測定課題について、図面を参照しながら説明する。
【０００７】
図４は従来の半導体集積回路と測定装置の接続を示す等価回路図である。
【０００８】
ここで、１０は半導体パッケージ、１１は半導体パッケージのダイパッド、１２は半導体集積回路、１３は半導体集積回路のパッド、１４は半導体集積回路とパッケージ間の接続ワイヤ、１５は半導体集積回路パッケージのリード、１６は電流源、１７は電圧計、１８は被測定半導体素子であり、この図では、被測定半導体素子１８をトランジスタと想定している。
【０００９】
そして、被測定半導体素子１８のコレクタはパッド１３−１、ワイヤ１４−１、リード１５−１を通して測定装置である電流源１６と電圧計１７に接続されており、被測定半導体素子１８のエミッタはパッド１３−２、ワイヤ１４−２、リード１５−２を通してＧＮＤを接続した構成となっている。
【００１０】
この回路における、半導体パッケージ１０内の構成素子である被測定半導体素子１８のＯＮ抵抗の測定について考える。
【００１１】
この測定系で被測定半導体素子１８がＯＮしている場合の等価式は、被測定半導体素子１８のＯＮ抵抗をＲｏｎ、被測定半導体素子１８の順方向電圧をＶｓａｔ、被測定半導体素子１８のコレクタエミッタ間電流をＩＣＥ、ワイヤ１４のインピーダンスをｒ１、ワイヤ１４とパッド１３の接合インピーダンスをｒ２、ワイヤ１４とリード１５の接合インピーダンスをｒ３、リード１５のインピーダンスをｒ４、リード１５と測定装置の接触インピーダンスをｒ５とした場合、下式（１）、（２）、（３）で表される。
【００１２】
Ｖｏｕｔ＝Ｉｉｎ＊Ｒ＋Ｉｏｕｔ＊Ｒ＋Ｖｓａｔ      ．．．（１）
Ｒｏｎ  ＝Ｖｓａｔ／ＩＣＥ                        ．．．（２）
ＩＣＥ  ＝Ｉｉｎ＝Ｉｏｕｔ                        ．．．（３）
ここで
Ｒ＝ｒ１＋ｒ２＋ｒ３＋ｒ４＋ｒ５
である。
【００１３】
ここで、Ｖｏｕｔは電圧計１７の測定値、Ｉｉｎは電流源１６の設定値でリード１５−１に流れる電流値、Ｉｏｕｔはリード１５−２からＧＮＤに流れる電流値、Ｖｓａｔは被測定半導体素子１８の飽和電圧であり、インピーダンスとしてはｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４は５０ｍΩ、ｒ５は１００ｍΩ〜１Ω程度である。
【００１４】
式（３）を式（１）に代入して変形すると、
Ｖｏｕｔ＝ＩＣＥ＊２Ｒ＋Ｖｓａｔ
Ｖｓａｔ＝Ｖｏｕｔ−Ｉｉｎ＊２Ｒ                  ．．．（４）
（２）に（４）を代入して
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ｒ１〜ｒ４のインピーダンスについては、製品間のバラツキも小さく、既知の値として一律に補正が可能であるが、ｒ５のリードと測定系の接触インピーダンスについてはｒ１〜ｒ４のインピーダンスに比べてバラツキが非常に大きく、測定したいＯＮ抵抗の値が接触抵抗と同程度である１Ω以下の場合は測定誤差が大きくなるため、一律に補正することは不可能である。そのため、ＯＮ抵抗を正確に測定することは出来ない。
【００１５】
本発明は上記の問題を解決するための半導体集積回路の測定方法であり、半導体集積回路内の半導体素子のＯＮ抵抗を高精度に測定する半導体集積回路の測定方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の半導体集積回路の測定方法は、半導体集積回路内の被測定半導体素子の両端に、固定倍率の電圧増幅回路を接続し、上記電圧増幅回路の出力電圧を測定できる構成を有しており、被測定半導体素子の出力をＯＦＦ状態に設定し、上記半導体集積回路の外部より電圧を加え、上記の電圧増幅回路の入出力電圧特性を校正する第１ステップと、上記被測定半導体素子の出力をＯＮ状態に設定し、上記半導体集積回路の外部より上記被測定半導体素子に電流を順方向で供給する第２ステップと、上記の電圧増幅回路の電圧出力を測定する第３ステップと、上記第１ステップの校正結果と上記第３ステップの電圧測定結果をもとに上記被測定半導体素子の順方向電圧を逆算する第４ステップによって高精度に順方向電圧を測定し、得られた順方向電圧と供給した電流値からＯＮ抵抗を測定することが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１、請求項２に基づいた一実施形態について、図１を用いて具体例を示す。
【００１８】
ここで、１０は半導体パッケージ、１１は半導体パッケージのダイパッド、１２は半導体集積回路、１３は半導体集積回路のパッド、１４は半導体集積回路とパッケージ間の接続ワイヤ、１５は半導体集積回路パッケージのリード、１６は電流源、１７は電圧計、１８は被測定半導体素子、１９は電圧源、２０は電流源１６と電圧源１９の切り替えスイッチ（以下ＳＷとする）、２１は増幅率Ａの固定倍率の高インピーダンス電圧増幅回路（以下増幅回路とする）である。
【００１９】
そして、被測定半導体素子１８のコレクタはパッド１３−１、ワイヤ１４−１、リード１５−１を通して測定装置である電流源１６と電圧源１９に切り替えスイッチ２０を通して接続されると共に増幅回路２１の＋入力に接続されており、被測定半導体素子１８のエミッタはパッド１３−２、ワイヤ１４−２、リード１５−２を通してＧＮＤを接続されると共に増幅回路２１の−入力に接続されており、増幅回路２１の出力はパッド１３−３、ワイヤ１４−３、リード１５−３を通して電圧計１７に接続された構成となっている。
【００２０】
この回路における、半導体パッケージ１０内の構成素子である被測定半導体素子１８のＯＮ抵抗の測定について考える。
【００２１】
この測定系で被測定半導体素子１８がＯＮ、電流源１６と電圧源１９のＳＷ２０が電流源１６側の場合の等価式は下式（６）、（７）のようになる。
【００２２】
Ｖｏｕｔ＝Ａ＊Ｖｓａｔ−Ｉｏｕｔ＊Ｒ              ．．．（６）
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増幅回路２１の入力インピーダンスと、電圧計１７の入力インピーダンスが高い場合、
Ｉ１＝Ｉ２＝０                                    ．．．（８）
Ｉｏｕｔ＝０                                      ．．．（９）
であるので、式（８）を式（７）に、式（９）を式（６）に代入変形すると、
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実際にＩｏｕｔ、Ｉ１、Ｉ２は、通常数μＡ以下であり、上記ｒ１〜ｒ５の値が１Ωあったとしてもその電圧降下は数μＶであるため無視できる。
【００２３】
従って、増幅回路２１のゲインＡが測定できればバラツキが大きいリードと測定装置との接触抵抗ｒ５が含まれず、正確な測定ができることになる。
【００２４】
次に増幅回路２１のゲインＡの測定手順を以下に示す。
【００２５】
まず、被測定半導体素子１８をＯＦＦ、ＳＷ２０を電圧源１９側に設定し、電圧源１９より入力電圧Ｖｉｎを与える。
【００２６】
この場合の等価式は、電圧計１７の測定値をＶｏｕｔ’とすると
Ｖｏｕｔ’＝Ａ＊Ｖｓａｔ−Ｉｏｕｔ＊Ｒ            ．．．（１１）
Ｖｓａｔ  ＝Ｖｉｎ−Ｉｉｎ＊Ｒ−Ｉ３＊Ｒ          ．．．（１２）
Ｉｉｎ    ＝ＩＣＥ＋Ｉ１                          ．．．（１３）
Ｉ３      ＝ＩＣＥ−Ｉ２                          ．．．（１４）
となる。被測定半導体素子１８がＯＦＦしていることから、
ＩＣＥ＝０                                        ．．．（１５）
式（１５）、（８）を式（１３）、（１４）に代入し、
Ｉｉｎ＝０                                        ．．．（１６）
Ｉ３  ＝０                                        ．．．（１７）
式（９）より
Ｖｏｕｔ’＝Ａ＊Ｖｓａｔ                          ．．．（１８）
式（１６）、（１７）より
Ｖｓａｔ  ＝  Ｖｉｎ                              ．．．（１９）
式（９）、（１１）、（１９）より
Ｖｏｕｔ’＝Ａ＊Ｖｉｎ
Ａ        ＝Ｖｏｕｔ’／Ｖｉｎ                    ．．．（２０）
このように、入力電圧Ｖｉｎを設定し、出力電圧Ｖｏｕｔ’を測定することにより、半導体集積回路１２内の増幅回路２１のゲインＡを測定することが可能である。
【００２７】
この増幅回路２１のゲインＡを式（１０）に代入することにより、高精度にＯＮ抵抗を測定することが出来る。
【００２８】
Ｒｏｎ＝Ｖｏｕｔ／（Ｖｏｕｔ’／Ｖｉｎ）／Ｉｉｎ  ．．．（２１）
続いて、図１を用いて、請求項３の具体例を示す。
【００２９】
この測定系で被測定半導体素子１８をＯＮ、ＳＷ２０を電流源１６側に設定し、入力電流Ｉｉｎを与えたときの出力電圧Ｖｏｕｔを電圧計１７で測定する。
【００３０】
次に、被測定半導体素子１８をＯＦＦ、ＳＷ２０を電圧源１９側に設定し、電圧源１９より入力電圧Ｖｉｎを与え、電圧計１７によりＶｏｕｔ’を測定する。ここで入力電圧Ｖｉｎを調整し、Ｖｏｕｔ’＝Ｖｏｕｔとなる入力電圧をＶｉｎ’とする。
【００３１】
この時、前記式（１９）より、
Ｖｓａｔ  ＝Ｖｉｎ’                              ．．．（２２）
Ｖｉｎ’は電圧源１９の設定値であるため、これによりＶｓａｔが求まる。
【００３２】
式（１０）に式（２２）を代入し、
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以上の測定では、半導体集積回路内の被測定半導体素子のＯＮ抵抗のみの測定値であるが、パッケージを含めたＯＮ抵抗を求めるには、ｒ１〜ｒ４の値を補正値として与えることにより可能である。
【００３３】
なお、図１はＱＦＰパッケージを想定しているが、図２に示すようなＣＳＰパッケージについても、半導体パッケージのハンダボールと測定装置の接触インピーダンスを含めずに被測定半導体素子のＯＮ抵抗を測定することが可能であり、パッケージによらない高精度な測定方法を提供することが出来る。
【００３４】
図２において２２はパッド１３からの再配線、２３はポスト、２４はハンダボール、２５は絶縁層であり、ｒ６は再配線２２とポスト２３の合成インピーダンス、ｒ７はパッド１３と再配線２２との接合インピーダンス、ｒ８はポスト２３とハンダボール２４の接合インピーダンス、ｒ９はハンダボールと測定装置の接触インピーダンスである。
【００３５】
この場合、合成抵抗ｒ６＋ｒ７＋ｒ８は前記図１の合成抵抗ｒ１＋ｒ２＋ｒ３＋ｒ４に相当し、ｒ９はｒ５に相当する。
【００３６】
更に、図３に示す半導体ウエハ検査時の測定においても上記の図１による具体的説明と同様、請求項１、２を用いることにより、被測定半導体素子１８のＯＮ抵抗を高精度に測定することが可能である。
【００３７】
図３において、２６は複数の半導体集積回路１２で構成される半導体ウエハ、２７はプローブ針であり、ｒ１１はプローブ針先とパッドの接触インピーダンス、ｒ１２はプローブ針元と測定装置の接触インピーダンスである。
【００３８】
この場合、ｒ１０が合成抵抗ｒ１＋ｒ２＋ｒ３＋ｒ４に相当し、合成抵抗ｒ１１＋ｒ１２がｒ５に相当する。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明を用いることにより、バラツキの大きいパッケージのリードと測定装置の接触インピーダンス、あるいは半導体集積回路のパッドとプローブ針の接触インピーダンスによる測定誤差を含まずに、半導体集積回路内の被測定半導体素子のＯＮ抵抗を高精度に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＱＦＰパッケージにおける、本発明の請求項１の一実施形態の半導体集積回路と測定装置の接続を示す等価回路図
【図２】ＣＳＰパッケージにおける、本発明の請求項１の一実施形態の半導体集積回路と測定装置の接続を示す等価回路図
【図３】半導体ウエハ検査における、本発明の請求項１の一実施形態の半導体集積回路と測定装置の接続を示す等価回路図
【図４】従来の半導体集積回路と測定装置の接続を示す等価回路図
【符号の説明】
１０  半導体集積回路のパッケージ
１１  半導体集積回路のダイパッド
１２−１〜１２−９  半導体集積回路
１３−１〜１３−３  半導体集積回路のパッド
１４−１〜１４−３  半導体集積回路とパッケージ間の接続ワイヤ
１５−１〜１５−３  半導体集積回路パッケージのリード
１６  電流源
１７  電圧計
１８  被測定半導体素子
１９  電圧源
２０  測定装置切り替えスイッチ
２１  固定倍率の電圧増幅回路
２２−１〜２２−３  再配線
２３−１〜２３−３  ポスト
２４−１〜２４−３  ハンダボール
２５  絶縁層
２６  半導体ウエハ
２７−１〜２７−３  プローブ針
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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