本发明涉及晶片级芯片尺度封装件(wl-csp)构造的半导体装置的气密性评价。
背景技术：
半导体装置的气密性评价是通过被通称为精密泄漏试验的方法而进行评价的，该精密泄漏试验的方法是在制作器件后，将其暴露于以数个大气压进行了加压的氦气气氛，向气密性差的器件注入氦气之后，通过氦气检测器而对侵入的氦气进行评价(例如参照专利文献1)。就该方法而言，由于氦气加压、检测需要数个小时，因此难以个别地对器件进行评价，需要集中几十至几百个器件而进行评价。因此，在发现了泄露时，需要将检查批次集中废弃，或者以每次较少的量对器件进行分割而多次进行评价，存在检查耗费时间的问题。另外，在半导体器件为晶片级芯片尺度封装件的情况下，与通常的电子器件的封装件相比，容积小，被注入的氦气的量少，因此存在无法充分地得到泄漏的检测灵敏度的问题。
另外，作为对耐湿性进行试验的方法，存在一边使器件工作一边将器件暴露于高温高湿气氛，根据器件特性的变化来检测泄漏的方法(例如专利文献2)。根据该方法，为了在高温高湿状态下向各器件通电，需要复杂构造的评价装置，存在检测需要数日以上的问题。
专利文献1：日本特开2004-23054号公报
专利文献2：日本特开2010-245348号公报
技术实现要素：
如上所述，根据精密泄漏试验，检查需要时间，另外，在应用于晶片级芯片尺度封装件的情况下，有可能无法充分地得到泄漏的检测灵敏度，检查精度变差。另外，专利文献2的方法也存在检查需要时间的问题。
本发明就是为了解决上述这样的问题而提出的，其目的在于提供检查所需的时间短、在应用于晶片级芯片尺度封装件的情况下泄漏的检测灵敏度高的半导体装置的试验方法。
在本发明涉及的半导体装置的试验方法中，该半导体装置形成了在形成有元件的基板晶片和由能够使红外线透过的材料构成且与基板晶片相对地设置的盖晶片之间具有气密空间的封装件，该半导体装置的试验方法包含下述工序：水分赋予工序，将半导体装置暴露于高湿环境；以及泄漏判别工序，对来自半导体装置的红外线进行检测，通过红外线的由水分子造成的吸收而判别封装件的泄漏。
发明的效果
根据本发明，就晶片级芯片尺度封装件的泄漏试验而言，能够进行时间短、精度高的试验。
附图说明
图1是用于对本发明的实施方式1涉及的半导体装置的试验方法进行说明的半导体装置的剖面图。
图2是表示半导体装置的制造方法的流程图，该半导体装置的制造方法包含本发明的实施方式1涉及的半导体装置的试验方法。
图3是用于对本发明的实施方式1涉及的半导体装置的试验方法进行说明的另一个半导体装置的剖面图。
图4是用于对本发明的实施方式2涉及的半导体装置的试验方法进行说明的半导体装置的剖面图。
图5是表示半导体装置的制造方法的流程图，该半导体装置的制造方法包含本发明的实施方式2涉及的半导体装置的试验方法。
图6是用于对本发明的实施方式3涉及的半导体装置的试验方法进行说明的半导体装置的剖面图。
图7是表示半导体装置的制造方法的流程图，该半导体装置的制造方法包含本发明的实施方式3涉及的半导体装置的试验方法。
图8是用于对本发明的实施方式4涉及的半导体装置的试验方法进行说明的半导体装置的剖面图。
图9是表示半导体装置的制造方法的流程图，该半导体装置的制造方法包含本发明的实施方式4涉及的半导体装置的试验方法。
图10是用于对本发明的实施方式5涉及的半导体装置的试验方法进行说明的半导体装置的剖面图。
图11是表示半导体装置的制造方法的流程图，该半导体装置的制造方法包含本发明的实施方式5涉及的半导体装置的试验方法。
具体实施方式
实施方式1.
以下，根据附图对本发明的一个实施方式进行说明。图1是用于使用作为试验对象的半导体装置100的剖面图对本发明的实施方式1涉及的半导体装置的试验方法进行说明的图。在由gaas构成的基板晶片1之上，例如形成有高频放大用晶体管4。在图1中，作为晶体管4，以具有源极s、漏极d、栅极g的fet为例而进行图示。晶体管4不限于fet，另外，也可以是晶体管以外的半导体元件，还可以是集成电路，只要是形成于基板晶片1之上的元件，则可以是任意元件。另外，大多形成有将元件间电连接的电路。盖晶片3与基板晶片1相对地设置，以使得通过由gaas构成的盖晶片3和由金形成的封装框2而在形成有晶体管4的区域形成确保了气密性的气密空间7。在盖晶片3，为了向晶体管4供电而形成有贯通的通路孔(v/h)5。在通路孔5连接有用于从外部供电的电极焊盘6。上述结构的半导体装置100被分类为所谓的被称为晶片级芯片尺寸封装件的半导体装置。
以往，就将半导体元件封装于封装件的半导体装置的气密性试验而言，使用了如专利文献1那样基于氦气泄漏的试验、如专利文献2那样将器件暴露于高温高湿气氛而通过器件特性的变化对泄漏进行试验的方法。电子器件大多通常使用陶瓷或树脂的封装件，不是透光的材料，因此未有过使用光对封装件内部的状态进行试验这样的设想。与此相对，发明人们发现，在晶片级芯片尺寸封装件的情况下，构成封装件的材料有时使用与形成元件的基板晶片1相同的例如gaas这样的材料，gaas使红外线区域的光透过，水分在红外线区域具有光的吸收带，从而构思了本发明。
就实施方式1涉及的半导体装置的试验方法而言，如图1所示，从外部向半导体装置100照射红外线8，通过红外线检测器9而对透过的红外线进行检测，由此对在半导体装置100的气密空间7中是否含有水分20进行试验。以下，通过包含半导体装置的制造方法而示出的图2的流程图而对试验方法的详情进行说明。
在gaas的基板晶片1之上通过通常的器件制作工艺而制作晶体管4、电路(步骤st1)。此时，在基板晶片1之上另行制作气密封装用的封装框2(步骤st1)。将步骤st1称为元件形成工序。该封装框2例如通过金颗粒的集合体、蒸镀或溅射、镀敷而形成。为了提高附着性，大多不仅层叠金，还层叠ti、cr、pt、pd等膜。然后，将由与基板晶片1类似的材料构成的盖晶片3在氮气气氛中在300℃左右的高温下粘贴(步骤st2)。在盖晶片3，为了将电极向外部引出，预先形成有通路孔5、贯通电极50和电极焊盘6。在图1中，示出了从盖晶片3将电极引出的例子，但也可以在基板晶片1形成贯通电极。将如上所述以构成多个在基板晶片1与盖晶片3之间具有由封装框2封装的气密空间7的封装件的方式而制作的半导体装置，通过切割或划线而以每个封装件为单位进行单片化(步骤st3)。将步骤st2及步骤st3称为封装件形成工序。
将单片化后的封装件暴露于高湿环境(步骤st4)。将步骤4称为水分赋予工序。在暴露条件的温度及相对湿度为85℃/85％时暴露约一日，或者在130℃/85％下暴露2小时左右为标准条件。通常，就晶片级芯片尺寸封装件而言，难以确保封装框2与基板晶片1、盖晶片3之间的密接性，有时无法充分地得到气密性。在气密性差的情况下，在器件的使用过程中水分从外部环境侵入至封装件内的气密空间7，水分与晶体管4反应，由此诱发gaas的氧化、电极的腐蚀、金属的离子迁移等，引起器件的劣化。因此，确保气密性是重要的课题。
就实施方式1涉及的半导体装置的试验方法而言，作为气密性试验，首先，暴露于高湿环境，有意地加速地将水分从泄漏部分注入至封装件内。此时，在存在泄漏的封装件的情况下，内部水分量增加。在暴露于高湿环境之后，从外部照射红外线8，使其透过封装件，通过在外部设置的红外线检测器9而测定红外线光谱(步骤st5)。在封装件存在泄漏，水分侵入至内部的情况下，测定到的红外线光谱成为在水分的吸收波长处强度下降的吸收光谱。因此，能够通过测定到的红外线光谱中的吸收光谱而判断水分的吸收，能够以非破坏的方式对每个封装件个别地判别泄漏(步骤st6)。将步骤st5和步骤st6称为泄漏判别工序。
如上所述，在实施方式1中，利用红外线的由水分造成的吸收。在该方法之中灵敏度最好的方法之一是ftir(傅立叶变换红外分光)。通过傅立叶变换，能够除去噪声，灵敏度良好地测定红外线光谱。作为基板晶片1及盖晶片3，封装件所使用的gaas的带隙是1.42ev，变换为波长是873nm。在ftir中是对1μm至20μm的波长范围进行测定，因此gaas是透明的，在ftir中使用的红外线能够透过。
在水分存在于ftir的光路的情况下，照射光对应于水分子的分子振动(伸缩振动、变角振动等)的频率而激发分子振动，红外线被吸收。就水分子而言，在1.5μm、2μm、2.5μm～3.5μm、5μm、5.5μm～7μm等存在大的红外吸收波段。在封装件内部在1个大气压、25℃下达到饱和蒸气压时，水蒸气的分压为3168pa。如果封装件内的水蒸气凝结，则水分子的膜厚约为略小于0.1μm，如果使用高灵敏度的ftir，则成为能够检测的范围。这样，通过从外部照射能够透过盖晶片3及基板晶片1并且包含水分子的吸收波段的红外线，从而在存在水分的情况下会测定到上述红外吸收波段处的吸收光谱，因此能够通过红外线的由水造成的吸收，以非破坏的方式个别地对由泄漏导致的内部水分量增加进行检测。
在实施方式1中示出了使用gaas的情况，但也能够应用于使用了其它材料的基板晶片1、盖晶片3的晶片级芯片尺寸封装件。在si的情况下，带隙为1.12ev，因而能够使波长大于或等于1.1μm的长波长透过，能够进行相同的试验。在inp的情况下，带隙为1.35ev，因而波长为918nm，sic为3.26ev、380nm，gan为3.4ev、364nm，由于使水分子的吸收波段的红外线透过，因此能够通过使用大于或等于1μm的波长的红外线而取得相同的效果。
以上，使用ftir对红外区域的光谱进行测定，通过水分子的吸收光谱而判别泄漏。如上所述，由于水分子的红外吸收波段是已知的，因此也可以使用水分子的吸收波段中的任意波长的红外线作为照射的红外线而不使用ftir。在这种情况下，并非根据光谱来判断水分的吸收，而是能够将穿过作为试验对象的封装件后的红外线的强度与穿过已判明没有泄漏的成为基准的封装件后的红外线的强度进行比较等，根据穿过封装件的红外线的强度来判断红外线的由水造成的吸收，判别封装件的泄漏。
另外，在图1中，示出了通过封装框2而形成空间的晶片级芯片尺寸封装件的例子，但如图3所示，也能够应用于通过基板晶片1和形成有凹陷的盖晶片3而形成气密空间7、或者通过盖晶片和形成有凹陷的基板晶片而形成气密空间等其它形状的晶片级芯片尺寸封装件。这样，只要是形成了在形成有元件的基板晶片和由能够使红外线透过的材料构成且与基板晶片相对地设置的盖晶片之间具有气密空间的封装件的半导体装置，就能够应用。
实施方式2.
图4是用于使用作为试验对象的半导体装置100的剖面图对本发明的实施方式2涉及的半导体装置的试验方法进行说明的图。另外，图5是包含半导体装置的制造方法而示出的流程图。半导体装置100与图1所示的半导体装置相同。在将该半导体装置100暴露于高湿环境之后，进行冷却，从而在存在泄漏的封装件中，如图4所示，在基板晶片1及盖晶片3的内表面凝结而形成水膜21。
图5的流程图所示的步骤st1至步骤st4与实施方式1相同。通过与实施方式1同样地暴露于高湿环境(步骤st4)，水分被注入至存在泄漏的封装件。然后，将封装件整体冷却(步骤st41)，使水分凝结而形成水膜21。从外部的红外线光源80照射红外线8，使其穿过由能够使红外线透过的材料构成的盖晶片3内，由水膜21反射。反射光再次放射至外部，通过检测器122对该红外线进行检测。对反射光的红外线光谱进行测定(步骤st51)。在存在水膜21的情况下，测定出的红外线光谱成为在水分的吸收波长处强度下降的吸收光谱，因此能够通过红外线光谱而判断由水造成的吸收，判别封装件的泄漏(步骤st6)。
使通过高湿环境的暴露而侵入至封装件内的水分冷却而凝结，由此能够转换为水膜21。例如在25℃下，相对湿度为50％时凝点为13.9℃，相对湿度为10％时凝点为-8.7℃，相对湿度为1％时凝点为-35℃，如果冷却至-65℃，则能够使由于微小的泄漏而侵入的水分基本都凝结。在冰点下水膜21成为冰状态，虽然由于水分子间的氢键的不同，水和冰的吸收强度多少有些变化，但冰也能得到与水大致相同的光谱，能够进行检测。
在凝结的情况下，虽然对封装件整体进行冷却是简便的，但也可以仅对盖晶片3吹送冷却风而进行凝结。由于封装件内的水分仅在盖晶片3侧凝结，因此能够确保约2倍的水膜厚度，能够提高检测灵敏度。
并且，也可以选择性地仅对照射部分进行冷却，使红外线会聚地照射。由于封装件内的水分整体聚集于狭窄的区域而凝结，因此能够实现更高灵敏度的水分检测。
在实施方式1中，使红外线透过而对内部水分进行检测。在实施方式2中，使红外线在盖晶片3内进行反射而检测水的红外吸收。在ftir中，在使红外光在盖晶片3内进行反射的情况下，能够通过光的渗出效应而对附着物的吸收进行检测。进而，如图3所示，能够通过产生多重反射而使检测灵敏度飞跃性地提高，微量的水分也能够高灵敏度地检测。此外，就本实施方式2的方法而言，由于测定在盖晶片3内进行反射的红外线，因此也能够应用于基板晶片1为不使红外线透过的材料的半导体装置。
另外，与在实施方式1中所说明的情况相同，也可以使用水分子的吸收波段中的任意波长的红外线作为照射的红外线而不使用ftir。在这种情况下，并非根据光谱来判断水分的存在，而是将从作为试验对象的封装件的盖晶片3反射来的红外线的强度与从已判明没有泄漏的成为基准的封装件的盖晶片反射来的红外线的强度进行比较等，对从盖晶片3反射来的红外线的强度进行测定而判断水的吸收，由此能够判别封装件的泄漏。
实施方式3.
图6是用于通过作为试验对象的半导体装置100的剖面图而对本发明的实施方式3涉及的半导体装置的试验方法进行说明的图。另外，图7是包含半导体装置的制造方法而示出的流程图。半导体装置100与图1所示的半导体装置相同。
与实施方式1同样地，通过暴露于高湿环境(步骤st4)而将水分注入至存在泄漏的封装件。然后，通过对封装件整体进行冷却(步骤st41)而使水分凝结，从而如图6所示形成水膜21。接下来，如果向晶体管等在基板晶片形成的元件供给电力(步骤st52)而使元件工作，则元件发热，射出红外线80。使该红外线穿过水膜21，通过外部的红外线检测器9(步骤st53)而对放射至封装件外的红外线的光谱进行测定，由此对水膜21进行检测。在图5中示出形成有水膜21的情况下的例子，但在图1那样的水蒸气状态下也能够进行测定。
通常，如果使晶体管工作，则在几℃至几十℃、流过大电流的情况下，晶体管部分的温度有时达到100℃。在这样的高温状态下，通过辐射而产生红外线。就波长而言，该红外线是比较均匀的连续光。在水膜21或气密空间7内部存在水蒸气的情况下，就所产生的红外线而言，水分子的吸收波段的红外线被水膜21或水蒸气吸收，成为特征性的光谱，通过检测器9而对红外线的光谱进行测定，由此能够判断水分的吸收。与此前的实施方式相比，由于不需要照射光源，因此能够简化检测装置。由于能够仅使工作的封装件独立地产生红外线，因此能够通过同时大范围地对多个封装件进行测定的廉价的检测器而测定红外线。依次使不同的封装件的元件进行工作，能够通过在每次使元件工作时测定出的红外线的光谱中的水的吸收光谱而进行个别的封装件的泄漏的判别。此外，就本实施方式3的方法而言，由于对透过盖晶片3的红外线进行测定，因此也能够应用于基板晶片1为不使红外线透过的材料的半导体装置。
实施方式4.
图8是用于使用作为试验对象的半导体装置100的剖面图而对本发明的实施方式4涉及的半导体装置的试验方法进行说明的图。另外，图9是包含半导体装置的制造方法而示出的流程图。半导体装置100与图1所示的半导体装置相同。在将该半导体装置100暴露于高湿环境之后，进行冷却，从而在存在泄漏的封装件中，如图8所示，在基板晶片1及盖晶片3的内表面凝结而形成水膜21。
如在实施方式2中所说明的那样，也可以仅向盖晶片3吹送冷却风而进行凝结。另外，也可以选择性地仅对照射部分进行冷却，向冷却部会聚地照射红外线。
向该半导体装置100，使红外线10从外部的红外线光源80入射至盖晶片3，穿过盖晶片3的内部，由水膜21进行反射。反射光再次被放射至外部，通过检测器90而对该光进行检测。为了进行反射光的偏光分光，使用椭圆偏光法的原理(步骤st54)。
椭圆偏光法对与入射光相对的反射光的偏光角度进行监测。如果折射率、色散与盖晶片不同的水膜附着于盖晶片，则相对于没有附着的情况，偏光角度不同，因此能够检测出水膜。由于检测灵敏度高，只要存在数个原子层的水膜就能够检测到，因此即使是微小的泄漏也能够检测到。在图8中，在盖晶片3内进行多重反射。能够对应于反射次数而提高检测灵敏度。当然，即使是一次反射也能够得到足够的检测灵敏度。
以上，使用红外线作为椭圆偏光法的光，但在盖晶片3例如由gan构成的情况下，盖晶片3使可见光透过，因此也能够使用可见光，通过椭圆偏光法而对偏光角度进行检测。这样，就使用椭圆偏光法的实施方式4而言，不是利用水分子的红外吸收，而是利用反射光的偏光角度来检测水膜的存在。因此，不限于红外线区域的光，能够使包含能够从盖晶片3的材料透过的波长的光的光入射，通过椭圆偏光法而判断水膜的有无，能够进行泄漏的判别。
实施方式5.
图10是用于使用作为试验对象的半导体装置200的剖面图而对本发明的实施方式5涉及的半导体装置的试验方法进行说明的图。另外，图11是包含半导体装置的制造方法而示出的流程图。在实施方式1中，在暴露于高湿环境时，为了使水分侵入至各个封装件，需要通过切割等而以每个封装件为单位切断成单片。如果不进行单片化，则各封装件的周围被其它封装件包围，因此无法从外部供给水分。在实施方式5中，在粘贴了盖晶片(步骤st2)之后，在各个封装件的与相邻的封装件之间处的位置的盖晶片3形成贯通孔14，以使得能够从外部向每个封装件供给水分(步骤st31)。然后，暴露于高湿环境(步骤st4)。水分通过该贯通孔14而被供给至各封装件。
就晶片级芯片尺寸封装件而言，在几英寸的1片晶片形成几百至几万个封装件。如果通过切割或划线而单片化为各封装件，则后续工序的处理、测定变得繁杂。在实施方式5中，由于能够从贯通孔14向各封装件供给水分，因此不需要进行单片化，能够在晶片的状态下进行评价，处理容易且工序变得简便。
在图11中，作为在暴露于高湿环境之后对水分进行检测而判别泄漏的方法，以实施方式1的方法为例而示出，但图10所示的半导体装置当然也能够应用在实施方式1～4中说明的任意试验方法。
本发明能够在本发明的范围内对各实施方式进行组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。
标号的说明
1基板晶片，3盖晶片，4晶体管(元件)，7气密空间，20水分，21水膜，100、200半导体装置。
1.一种半导体装置的试验方法，该半导体装置形成了在形成有元件的基板晶片和由能够使红外线透过的材料构成且与所述基板晶片相对地设置的盖晶片之间具有气密空间的封装件，
该半导体装置的试验方法的特征在于，包含下述工序：
水分赋予工序，将所述半导体装置暴露于高湿环境；以及
泄漏判别工序，对来自所述半导体装置的红外线进行检测，通过红外线的由水分子造成的吸收而判别所述封装件的泄漏。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，
在所述泄漏判别工序中，向所述半导体装置照射能够透过所述基板晶片及所述盖晶片并且包含水分子的吸收波段的红外线，通过透过所述半导体装置的所述红外线的光谱而判别所述封装件的泄漏。
3.根据权利要求1所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，
在所述泄漏判别工序中，向所述半导体装置照射能够透过所述基板晶片及所述盖晶片的、水分子的吸收波段中的任意波长的红外线，通过透过所述半导体装置的红外线的强度而判别所述封装件的泄漏。
4.根据权利要求1所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，
在所述水分赋予工序中，在将所述半导体装置暴露于高湿环境之后，对所述半导体装置进行冷却，
在所述泄漏判别工序中，向冷却后的所述半导体装置的所述盖晶片照射能够透过所述盖晶片并且包含水分子的吸收波段的红外线，通过从所述盖晶片反射来的红外线的光谱而判别所述封装件的泄漏。
5.根据权利要求1所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，
在所述水分赋予工序中，在将所述半导体装置暴露于高湿环境之后，对所述半导体装置进行冷却，
在所述泄漏判别工序中，向冷却后的所述半导体装置的所述盖晶片照射能够透过所述盖晶片的、水分子的吸收波段中的任意波长的红外线，通过从所述盖晶片反射来的红外线的强度而判别所述封装件的泄漏。
6.根据权利要求1所述的半导体装置的试验方法，其特征在于，
在所述泄漏判别工序中，向在所述基板晶片形成的元件供给电力，通过从所述元件放射、被放射至所述封装件外的红外线的光谱而判别所述封装件的泄漏。
7.一种半导体装置的试验方法，该半导体装置形成了在形成有元件的基板晶片和由能够使光透过的材料构成且与所述基板晶片相对地设置的盖晶片之间具有气密空间的封装件，
该半导体装置的试验方法的特征在于，包含下述工序：
水分赋予工序，在将所述半导体装置暴露于高湿环境之后，对所述半导体装置进行冷却；以及
泄漏判别工序，使包含能够透过所述盖晶片的波长的光的光入射至冷却后的所述半导体装置的所述盖晶片，通过椭圆偏光法而判别所述封装件的泄漏。
8.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包含下述工序：
元件形成工序，在基板晶片形成元件；
封装件形成工序，与所述基板晶片相对地设置由能够使红外线透过的材料构成的盖晶片，形成在存在所形成的所述元件的区域具有气密空间的封装件；以及
通过所述权利要求1至6中任一项所述的半导体装置的试验方法而判别所述封装件的泄漏的工序。
9.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包含下述工序：
元件形成工序，在基板晶片形成元件；
封装件形成工序，与所述基板晶片相对地设置由能够使光透过的材料构成的盖晶片，形成在存在所形成的所述元件的区域具有气密空间的封装件；以及
通过权利要求7所述的半导体装置的试验方法而判别所述封装件的泄漏的工序。
10.根据权利要求8或9所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
在所述封装件形成工序中，包含针对1片所述基板晶片而形成多个封装件，以每个封装件为单位进行单片化的工序。
11.根据权利要求8或9所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
在所述封装件形成工序中，包含如下工序：针对1片所述基板晶片而形成多个封装件，在各个封装件的与相邻的封装件之间处的所述盖晶片形成贯通孔。
技术总结