(57)【要約】【課題】レーザダイオードチップ等の化合物半導体内部の結晶欠陥や破壊痕等の異常の観察、検出を容易かつ確実に行う。【解決手段】レーザダイオードチップ１に、チップ１の結晶内部を透過し、かつ光励起による起電力を発生させない波長を有するレーザ光１３を走査しながら照射する。照射によりチップ１の温度が上昇すると、ゼーベック効果によりチップ１の結晶異常部に熱起電力が発生する。この熱起電力をチップ１のアノードとカソードとの間に現れる電圧または電流の変化により検出してＣＲＴ３２に表示し、結晶内部の欠陥を検出する。アノードとカソードとの間に順バイアス、または逆バイアスを印加することができる。電流の発生が略極大化する温度にチップの温度を制御することもできる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスのチップに、前記チップの結晶内部を透過し、かつ励起による起電力を発生させない波長を有する量子ビームを走査しながら照射する工程と、
該照射により前記チップの結晶異常部に発生する熱起電力を、前記チップのアノードとカソードとの間に現れる電圧または電流の変化により検出して表示する工程とを有する、
半導体デバイスの検査方法。
【請求項２】
前記表示は、前記量子ビームの照射位置と、該照射位置に対応する前記電圧または電流の変化との関係を画像に表示することにより行う、請求項１に記載の検査方法。
【請求項３】
前記電圧または電流の変化を検出する際に、前記チップの前記アノードと前記カソードとの間に順バイアスまたは逆バイアスを印加する、請求項１または２のいずれか１項に記載の検査方法。
【請求項４】
前記電圧または電流の変化を検出する際に、前記電流の発生が略極大化する温度に前記チップの温度を制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の検査方法。
【請求項５】
前記半導体デバイスは半導体レーザダイオードデバイスである、請求項１から４のいずれか１項に記載の検査方法。
【請求項６】
半導体デバイスのチップに、前記チップの結晶内部を透過し、かつ励起による起電力を発生させない波長を有する量子ビームを走査しながら照射する照射手段と、
該照射により前記チップの結晶異常部に発生する熱起電力を、前記チップのアノードとカソードとの間に現れる電圧または電流の変化により検出して表示する表示手段とを有する、
半導体デバイスの検査装置。
【請求項７】
前記表示手段は、前記量子ビームの照射位置と、該照射位置に対応する前記電圧または電流の変化との関係を画像に表示する手段である、請求項６に記載の検査装置。
【請求項８】
前記電圧または電流の変化を検出する際に、前記チップの前記アノードと前記カソードとの間に順バイアスまたは逆バイアスを印加する手段をさらに有する、請求項６または７のいずれか１項に記載の検査装置。
【請求項９】
前記電圧または電流の変化を検出する際に、前記電流の発生が略極大化する温度に前記チップの温度を制御する手段をさらに有する、請求項６から８のいずれか１項に記載の検査装置。
【請求項１０】
前記半導体デバイスは半導体レーザダイオードデバイスである、請求項６から９のいずれか１項に記載の検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体デバイス、特に化合物半導体レーザダイオードデバイスの解析、検査、例えば内部の結晶欠陥や電気的なストレス等による接合破壊を解析、検査するのに好適な、結晶欠陥観測、解析および検査方法、ならびに装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な化合物半導体レーザダイオードデバイスは、図４に示すように、レーザダイオードチップ１、レーザダイオードチップ１を搭載しているサブマウント２、これらと一体になったステム３、光出力を検知するフォトダイオード４、気密封止用のガラス窓付きのキャップ５、レーザダイオードチップ１に電圧を印加するアノード１９ａ、カソード１９ｂ等より構成されている。レーザダイオードチップ１は一般に数種類の半導体の積層構造となっている。レーザダイオードチップ１の内部には、図５に示すように、レーザ光を閉じ込め、共振（共鳴）によりレーザ光を増幅させるための発振器（ストライプ）８が設けられており、発振器８は、積層された半導体の一部により構成されている。また、アノード１９ａ、カソード１９ｂはその一端がレーザダイオードチップ１に接続し、レーザダイオードチップ１に電圧を印加する。この化合物半導体レーザダイオード（以下、レーザダイオードという。）の故障解析や検査については、従来から、多くの技術が開発されてきた。
【０００３】
まず、レーザダイオードチップ１の端面部のレーザ光発光位置における発光状態を２次元的に赤外カメラ等で捉え、その発光形状を観察し、良品と比較することによって異常を判別するニアフィールドパターン（ＮＦＰ）観察法が一般的に良く知られている。この方法は、レーザダイオードチップ１を発光させた状態で発光位置を光学顕微鏡等で拡大し、赤外線カメラでその近視野像、すなわちＮＦＰを捉え、これをモニタ画面に映し出すことで観察するものである（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
また、発振器８の発光状態を観察することによる解析、検査方法も、従来技術として良く知られている。この手法はストライプ観察法と呼ばれる。本手法による検査方法を、図５を用いて説明する。まず、発振器８をレーザダイオードチップ１の上面から長手方向全体を観察できる状態にするために、光の透過を遮断する上部電極６を化学的または機械的に除去する。発振器８の上部に当たらない部分は残してもよいし、全面を除去してもよい。図５は上部電極６の一部を除去した後の状態を示している。全面を除去した場合は、後から発振器８の観察に支障のない位置に新たに電極を形成する。次に、この状態でレーザダイオードチップ１のアノード９ａ、カソード９ｂ間に電圧供給部１２２により電圧を印加する。上部電極６とレーザダイオードチップ１下方にある下部電極７は、それぞれアノード９ａ、カソード９ｂと接続されているので、レーザダイオードチップ１に電流が生じ、内部にある発振器８が発光状態になる。このようにしてストライプ状に発光した発振器８を赤外カメラ１０１等で観察し、その状態を良品と比較することにより異常を観察する。
【０００５】
ストライプ観察法においてはさらに、チップ内部にある発振器８からチップ外面までの部分を、電子線が通過する程度の厚さになるまで、化学的、機械的に除去し、発振器８にカソードルミネッセンス（ＣＬ）により結晶欠陥等を観察するＣＬ観察法がある。本手法の原理を以下に述べる。まず、電子線をレーザダイオードチップ１の発振器８に直接照射すると、電子は試料により非弾性散乱されてエネルギーを失う。このエネルギーの一部は価電子帯に励起して電子正孔対を生成する。電子と正孔は試料内を拡散し、ある位置で再結合を起し、このとき光が放出される。この光発は欠陥領域におけるバンド構造を反映しているため、発光強度やスペクトル形状に他の正常な部分と差異ができ、この差異をとることで欠陥部の同定を可能とするものである。
【０００６】
半導体集積回路用チップの故障解析や検査に応用可能なものとして、さらにＯＢＩＣ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｂｅａｍ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）法やＯＢＩＲＣＨ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｂｅａｍ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｃｈａｎｇｅ）法が知られている。
【０００７】
ＯＢＩＣ法は、Ｓｉ半導体デバイスへの光照射による、価電子帯と伝導帯との間の遷移に伴う電子・正孔対の生成で発生する光励起電流を利用した解析、検査方法であり、対象デバイスのエネルギーギャップよりも大きなエネルギーを持つ波長の光を利用する。例えばＳｉ半導体の場合はＨｅ−Ｎｅの６３３ｎｍの波長を持つレーザ光を用い、光励起電流であるＯＢＩＣ電流を効率よく発生させ、欠陥部の検出を行う。
【０００８】
ＯＢＩＲＣＨ法は、可視光としてのレーザ光を半導体集積回路内部相互配線に、レーザ光を走査しながら照射加熱し、照射による温度上昇に起因する抵抗変化、配線に流れる電流の変化を検出し、配線内の欠陥を検知するものである（例えば、特許文献１，２参照。）。検出結果は、例えば、レーザ光の走査と同期して、対象とする配線の電流の変化を、照射位置に対応して、輝度の変化あるいは輝度をカラーに擬似的に置き換えた擬似カラーとして像表示することができる。これにより、配線中のボイドやＳｉノジュール（Ｓｉの析出物）の検出や、配線に流れる電流の観測が可能となる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−３００８２４号公報
【特許文献２】
特開平８−１６００９５号公報
【非特許文献１】
小沼稔、柴田光義編著、「よくわかる半導体レーザ」、第２版、工学図書株式会社、１９９８年５月２５日、ｐ１１１
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したような従来の半導体レーザダイオードデバイスの検査・解析方法および装置については次のような問題があった。
【００１１】
まず、ＮＦＰ観察法は、レーザ光を反射する端面のみを観察するため、端面に光学情報として現れているＣＯＤ（光学損傷）破壊の損傷跡しか検出できない。したがって、チップ内部にある結晶欠陥等の異常を確認することは難しい。
【００１２】
ストライプ観察法では、発光像を確認する発振器に結晶欠陥や破壊等の異常がある場合、多くの場合光らない部分として観察ができ、異常部の同定が可能となる。しかし、指向性を持たない光の発光であるため、非発光領域と発光領域の境界があいまいであり、特に微小な異常部の場合、周辺領域からの光のにじみ等により検出できないことがある。また、発振器から発光された赤外光をチップの他の部分を透過して観察しているが、可視光の透過は困難なことから、外部から発振器層の物理的な情報を得ることができない。そのため、非発光部（異常部）があったとしても、部位の同定ができるのみであり、レーザダイオードチップとしてその部分がどのような物理的状態になっているかは判断できない。
【００１３】
ＣＬ観察法は、電子線を用いるため真空中で観察する必要があり、設備的な負担が大きい。また、結晶欠陥の検出精度は優れているものの、発振器まで電子線が照射できるように、発振器まで数ミクロンの厚さまで薄片化しなくてはならず、サンプルの前処理に高精度の加工と時間とを要する。さらに、電子線による高倍率の観察が可能であるといった長所はあるが、可視光と同様にデバイスの表面（深さ１ミクロン程度）の形状状態の情報しか得られず、チップ内部の情報や発振器の情報は得ることができない。
【００１４】
ＯＢＩＣ法は光励起電流を観測する検査方法であり、被観測対象物として主にＳｉ半導体デバイスを想定しており、Ｓｉ半導体のバンドギャップエネルギーより大きなエネルギーを持つ波長を照射する。使用するレーザ光は、例えば６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザなどであり、波長１３００ｎｍのレーザ光ではＳｉ半導体デバイスに対してＯＢＩＣ電流は発生せず、信頼性の高い検査は難しい。すなわち、使用できるレーザ光の波長が限られるという問題があった。
【００１５】
ＯＢＩＲＣＨ法は、半導体集積回路の内部相互配線に対し適用可能な方法であり、レーザダイオードチップ内のように、配線のない領域での結晶欠陥の検出をすることはできない。
【００１６】
本発明は、以上の状況に鑑み、レーザダイオードチップ等の化合物半導体内部の結晶欠陥や破壊痕等の異常の観察、検出を容易かつ確実に行うことのできる方法および装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体デバイスの内部欠陥検査方法は、化合物半導体レーザーのような半導体デバイスのチップに、チップの結晶内部を透過し、かつ励起による起電力を発生させない波長を有する量子ビームを走査しながら照射する工程と、照射によりチップの結晶異常部に発生する熱起電力を、チップのアノードとカソードとの間に現れる電圧または電流の変化により検出して表示する工程とを有する。
【００１８】
また、本発明の半導体デバイスの検査装置は、半導体デバイスのチップに、チップの結晶内部を透過し、かつ励起による起電力を発生させない波長を有する量子ビームを走査しながら照射する照射手段と、照射によりチップの結晶異常部に発生する熱起電力を、チップのアノードとカソードとの間に現れる電圧または電流の変化により検出して表示する表示手段とを有する。
【００１９】
量子ビームが半導体デバイスの欠陥箇所に照射され欠陥（異常）個所が加熱されると、ゼーベック効果による熱起電力が生じ、チップ内過渡的に電流が流れる。この電流の強度を検出することで、化合物半導体デバイス内の発振器及び周辺領域に存在する欠陥を容易かつ高い信頼性で検出することができる。
【００２０】
レーザ光の照射位置と、照射位置に対応する電圧または電流の変化との関係を画像に表示することにより検査結果を可視化することができる。これにより、欠陥の位置を視覚的に直接把握することが可能となり、検査の容易性、信頼性が向上する。
【００２１】
電圧または電流の変化を検出する際に、チップのアノードとカソードとの間に順バイアスまたは逆バイアスを印加することができる。これにより、異常部の検出感度を上げることができ、検査の信頼性が向上する。
【００２２】
電圧または電流の変化を検出する際に、電流の発生が略極大化する温度にチップの温度を制御することができる。これにより、異常部の検出感度を上げることができ、検査の信頼性が向上する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。  図１は、本発明の実施形態による半導体デバイスの内部欠陥解析装置の全体構成概念図である。
【００２４】
試料台２１は試料となる半導体デバイスを設置する台である。試料台２１の上には、化合物半導体レーザダイオードチップ１、サブマウント２、ステム３を一体で搭載し、固定する。
【００２５】
レーザダイオードチップ１の上面および下面には、各々上部電極６ａと下部電極が設けられており、これらの電極はアノード９ａおよびカソード９ｂと接続されている。アノード９ａおよびカソード９ｂの他端は、電流変化検出／増幅部２３と接続されている。電流変化検出／増幅部２３は、各点にレーザ光１３を照射した瞬間のレーザダイオードチップ１の内部に発生する電流の変化を検出し、増幅する。
【００２６】
試料台２１には、レーザダイオードチップ１に電圧を供給する電圧供給部２２が接続されている。また、試料台２１には、レーザダイオードチップ１の温度を制御するための温度制御部２４が、熱媒体用パイプ２５を介して接続されている。
【００２７】
試料台２１の上部には、レーザ光１３を発生させ、レーザダイオードチップ１上にレーザ光１３を走査させるレーザ光発生／走査部１１が設けられている。また、レーザ光発生／走査部１１と試料台２１との間には、レーザ光１３の光束を絞るための顕微鏡１２が設けられている。レーザ光発生／走査部１１および顕微鏡１２は、レーザダイオードチップ１の主として発振器８の周辺部を上面から垂直方向に観測できるようにセットされている。
【００２８】
制御部３１は、レーザ光発生／走査部１１、電流変化検出／増幅部２３および温度制御部２４に接続されており、レーザ光１３の走査位置、レーザダイオードチップ１の電流変化、レーザダイオードチップ１に印加された温度、電圧等の情報を受け取り、処理・記憶する。制御部３１はまた、観測結果を位置と輝度の情報に変換して表示するＣＲＴ３２とも接続されており、必要に応じて処理・記憶した結果をＣＲＴ３２に送出する。
【００２９】
次に、本実施形態によるレーザダイオードチップ１の検査方法を説明する。図２はその全体フローを概略示したものである。
【００３０】
まず、レーザダイオードチップ１の前処理加工を行う（ステップ５１）。前処理の具体的内容を、図３を用いて以下に説明する。図３（ａ）は処理前のレーザダイオードチップ１の外観図であり、図３（ｂ）は処理後のレーザダイオードチップ１の外観図である。図３（ａ）に示すように、レーザダイオードチップ１の表面には上部電極６が、その裏面には下部電極７が設けられている。これらの電極はアノード９ａ、カソード９ｂから受けた電圧を、レーザダイオードチップ１に印加する機能を有している。前処理では、まず上部電極６を化学的または物理的手段によって除去する。除去する理由は、レーザダイオードチップ１に上面からレーザ光１３を照射する場合、上部電極６が存在すると発振器８への照射が有効に行われないためである。上部電極６はレーザダイオードチップ１の検査時に、レーザダイオードチップ１の電流変化を検出し、電流変化検出／増幅部２３に送信する電極として利用するので、主な検査領域である発振器８の近くにある上部電極６だけを除去するのが効率的である。図３（ｂ）には、除去した後の上部電極を上部電極６ａとして示している。上部電極６の全体を除去した場合は、上部電極６ａを新たに設けることが必要となる。この場合、上部電極６ａは、上記理由により、レーザ光１３の発振器８への照射の妨げにならない位置に設ける。また、アノード９ａが上部電極６と一緒に除去された場合は、照射に妨げにならない位置にアノード９ｃを新たに設ける。
【００３１】
なお、以上は上部電極６の側をレーザ光１３で照射するとして説明したが、下部電極７の側をレーザ光１３で照射することも可能である。この場合は、上述した処理を下部電極７に対して行えばよい。
【００３２】
次に、レーザダイオードチップ１がマウントされた試料を試料台２１に設置する（ステップ５２）。レーザダイオードチップ１は、外部からのレーザ光１３をチップ内部の発振器８長手方向に対し垂直に照射できるように位置決めする。
【００３３】
さらに、上部電極６ａならびに下部電極７を、アノード９ｃ、カソード９ｂを介して電流変化検出／増幅部２３に接続する（ステップ５２）。
【００３４】
異常部の検出感度を上げるためには、順バイアスや逆バイアスを印加するのが有効であるため、電圧供給部２２からレーザダイオードチップ１に電圧を印加する（ステップ５３）。また、同様に異常部の検出感度を上げる目的で、温度制御部２４によってレーザダイオードチップ１の温度を制御する（ステップ５４）。熱起電力電流は試料の温度に依存するため、温度制御部２４が、レーザダイオードチップ１の温度を熱起電力電流の発生効率が最も高くなるように制御することで、より信頼性の高い検査を実施することが可能となる。
【００３５】
次に、レーザ光１３を走査しながらレーザダイオードチップ１に照射する（ステップ５５）。照射するレーザ光１３は、光励起電流であるＯＢＩＣ電流の発生を極力抑えるために、被観測対象物であるレーザダイオードチップ１のバンドギャップよりも低いエネルギー（波長が長い）を有し、かつレーザダイオードチップ１内を十分透過するエネルギー（波長が短い）を有している。
【００３６】
レーザダイオードチップ１に欠陥等の異常部があると、レーザ光１３の照射によるゼーベック効果により、熱起電力電流が発生する。ゼーベック効果とは２種類の金属等で構成した閉回路の２接点に温度差があると、起電力が生じ電流が流れる現象をいう。結晶欠陥等の異常が物性や組成が一部異なる箇所は、熱伝導や熱電能が周囲と異なるため、周辺と比較し、抵抗が増大または減少し、熱起電力に差が現れる。その結果、正常部である周囲と比較し電流が変化する。発生した電流は、上部電極６ａならびに下部電極７からアノード９ｃ、カソード９ｂを経由して電流変化検出／増幅部２３に送られ、適宜増幅される（ステップ５６）。増幅された微小電流は、各走査点でのレーザ光１３の滞留時間で平均化し、電圧に変換し（ステップ５７）、それをさらにＡ／Ｄ変換して、走査位置に対応した制御部３１の内部にあるメモリーに記録される（ステップ５８）。あらかじめ設定された走査範囲の走査が終了したことを確認し（ステップ５９）、レーザ光１３の照射を終了する。
【００３７】
なお、アノード９ｃ、カソード９ｂの間の電流を測定する代わりに、アノード９ｃ、カソード９ｂの間の電圧を直接測定することも可能である。
【００３８】
制御部３１は、さらにメモリー内の各走査点に対応する電圧値を輝度信号に変換し、走査点のデータとともにＣＲＴ３２に送出する。ＣＲＴ３２はそのデータを画面上に２次元的に表示する（ステップ６０）。これによって、レーザ光走査による照射箇所（異常部の有無）による電流の変化に対応したコントラストの変化が観測できる。輝度のほか、擬似カラー（例えば２５６階調表示）を用いることも可能である。
【００３９】
なお、以上は、化合物半導体レーザダイオードチップの結晶組織の欠陥を検知する場合の適用例について説明したが、本実施例に限ることなく、他の半導体デバイスに適用できる。また、レーザ光に限らず、電子ビームやイオンビームなどの量子ビームを用いて検査する場合にも有効である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、化合物半導体レーザダイオードチップをはじめとする半導体デバイスに内在している結晶欠陥や、電気的なストレスなどによる結晶破壊を精度良く検出することができる。本発明では、半導体デバイスとして製品化された後、市場で故障発生したデバイスに対してもチップに内在していた結晶欠陥を検出することができ、原因究明及び効果的な対策をとることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による半導体デバイスの解析装置の全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態による半導体デバイスの検査方法の全体フロー図である。
【図３】図２に示す検査方法におけるレーザダイオードデバイスの前処理方法の説明図である。
【図４】化合物半導体レーザダイオードデバイスの外観図である。
【図５】化合物半導体レーザダイオードの従来の検査方法の説明図である。
【符号の説明】
１    レーザダイオードチップ
２    サブマウント
３    ステム
４    フォトダイオード
５    キャップ
６、６ａ    上部電極
７    下部電極
８    発振器
９ａ、９ｃ    アノード
９ｂ    カソード
１１    レーザ光発生／走査部
１２    顕微鏡
１３    レーザ光
１９ａ    アノード
１９ｂ    カソード
２１    試料台
２２    電圧供給部
２３    電流変化検出／増幅部
２４    温度制御部
２５    熱媒体用パイプ
３１    制御部
３２    ＣＲＴ
【図１】
2005017186.tif 000003
【図２】
2005017186.tif 000004
【図３】
2005017186.tif 000005
【図４】
2005017186.tif 000006
【図５】
2005017186.tif 000007