JP2005235839A - 半導体デバイスチップウエハ検査方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザダイオードデバイスの内部の結晶欠陥を効率的に検査する。
【解決手段】
半導体レーザダイオードデバイスが集積されたウエハ１を試料台１０上に載置し、このウエハ１にレーザ光走査装置２０によってレーザ光を照射し、照射位置を高速で変化させ、すなわち高速走査を実行する。走査時に、ウエハ１に発生する熱起電力電流を起電力電流増幅／検出部３２によって測定し、不良アドレス判定部３６によって、所定のしきい値を超える熱起電力電流が発生した時の、レーザ光の照射位置を判定し、その位置を不良アドレス情報として不良アドレス記憶部３７に記憶する。
【選択図】図１

Description

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や発光ダイオードの製造工程において、結晶欠陥をウエハの段階で検出する半導体デバイスチップウエハ検査方法および検査装置に関する。

化合物半導体レーザダイオードデバイスの一般的な製造方法においては、所定の基板上に複数種類の化合物半導体層を順次結晶成長させ、積層してエピタキシャルウェハを作製する。次に、共振器として機能するストライプ構造を形成するために、ウエハの一部を除去するエッチング処理を施す。さらに、不純物の拡散処理や結晶成長、電極形成等の膜形成プロセスを終えた後に、ウエハのへき開を行い、個々のチップに分割する(チップ化)。

ところで、上記のように化合物半導体レーザダイオードデバイスウエハを製造する過程では、「転位」と呼ばれる結晶欠陥が生じることが知られている。一般的に、化合物半導体基板には結晶欠陥が含まれているため、その上にエピタキシャル成長を行うと、積層される化合物半導体層内に欠陥が成長する。また、基板表面に結晶欠陥が存在しない位置においても、結晶成長の過程において順次積層される化合物半導体層の表面に付着した不純物等に起因して新たな結晶欠陥が発生し、成長する。この結晶欠陥がストライプ構造部に存在すると、動作時の通電により結晶欠陥部からダークラインディフェクト(DLD)と呼ばれる暗線欠陥が成長することにより、光出力が低下し、化合物半導体レーザダイオードデバイスの寿命が短くなり、信頼性が著しく低下する。

そのため、従来技術では、通常、結晶欠陥がストライプ構造部に存在する不良素子を除去する目的で、化合物半導体レーザダイオードデバイスの完成品を高温環境下で数時間から数十時間動作させるエージングにより、短寿命劣化品を選別する検査手法が用いられている。しかしながら、このエージングの手法は、レーザダイオードの製造コスト増大の一因となっている。また、エージング手法で全ての結晶欠陥品を検出できるわけではなく、数百ppmのレベルで短寿命劣化品が出荷されてしまう虞がある。

これに対して、本出願人は、特願２００３−２７４５１１号明細書において、半導体レーザデバイスに対してウエハ段階で全数検査を精度よく実施する手法を提案している。この方法では、半導体レーザウエハ状態でウエハにウエハ結晶内部を透過する量子ビームを照射し、ウエハ異常部に発生する熱起電力を、ウエハ表面と裏面との間に現れる電圧または電流の変化により検出する。そして、照射する量子ビームによってウエハ全体を走査し、検出結果を画像に表示する。この画像を評価することによって、欠陥部を判定することができる。

しかしながら、上述の特願２００３−２７４５１１号明細書において提案した手法は、ウエハ段階で精度よく欠陥を検出することはできるが、ウエハ毎に、検出によって得られた画像を評価する必要があり、大量生産を行う量産工程で使用するにあたっては、さらに検査効率アップ・スループット向上を図る必要がある。

そこで、本発明の目的は、半導体レーザダイオードデバイス内部の結晶欠陥をウエハ段階で検出し、尚且つ、量産性を損なうことがないように、検査効率、スループットを向上させることが可能な、半導体デバイスチップウエハの検査方法および検査装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の半導体デバイスウエハ検査方法は、半導体デバイスのチップが集積されたウエハに量子ビームを照射し、照射位置を変化させつつ、ウエハに発生する熱起電力を検出する工程と、測定した熱起電力電流または熱起電力電圧がしきい値を超えているか否かを判定し、しきい値を超える熱起電力電流または熱起電力電圧が発生した時の、量子ビームのウエハ上への照射位置を不良アドレス情報として記憶する工程とを有することを特徴とする。

この構成によれば、量子ビームの照射位置を変化させ、すなわち走査を実行している間に、ウエハの不良個所を判定し、不良個所の位置情報を不良アドレス情報として得ることができ、この情報を、チップ化後の不良チップの除去に用いることができる。この際、不良個所の判定は、熱起電力電流または熱起電力電圧がしきい値を超えているか否かの判定によって実行するので、この判定にはほとんど時間を要することはなく、高速で走査しつつ、不良判定を実行することができる。

本発明の半導体デバイスウエハ検査装置は、半導体デバイスのチップが集積されたウエハを載置して固定可能な試料台と、試料台上に載置されたウエハに量子ビームを照射し、照射位置を変化させることができる量子ビーム走査装置と、半導体デバイスに発生する熱起電力電流または熱起電力電圧を測定し、しきい値を超えているか否かを判定する熱起電力検出部と、熱起電力検出部によって、しきい値を超える熱起電力電流または熱起電力電圧の発生が判定された時の、量子ビーム走査装置による量子ビームの照射位置を判定して、その位置を不良アドレス情報として不良アドレス記憶部に記憶させる不良アドレス判定部とを有することを特徴とする。

この構成によれば、量子ビーム走査装置によって高速で走査を実行しつつ、不良アドレス判定部によって、ウエハの不良個所を判定して不良アドレス記憶部に記憶し、不良アドレス記憶部に記憶された不良アドレス情報を、チップ化後の不良チップの除去に用いることができる。

本発明によれば、完成品ではなく、ウエハ段階で結晶欠陥を含んだ異常個所を判定し、その位置を不良アドレス情報として記憶して、この不良アドレス情報を用いて、チップ化した完成品のうち、不良のものを除去することができる。したがって、一般的な従来技術のように、完成品でのエージングを実施する必要がなく、製造コストの削減を図ることができる。

さらに、本発明では、高速で走査を実行している間に、ウエハの不良アドレスを判定することができ、画像処理によって不良アドレスを判定する従来技術に比べて、検査効率、スループットを格段に向上させることができる。したがって、本発明の技術は量産工程に好適に適用することができる。

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、本発明の第１の実施形態の半導体デバイスチップウエハ検査装置の全体構成を示す模式図である。

本実施形態の半導体デバイスチップウエハ検査装置は、検査対象となる、化合物レーザダイオードチップが集積されたウエハ１を載せ、固定する試料台１０を有している。試料台１０は、図１に示すように、通常円板状であるウエハ１を載せることができる大きさを有している。

試料台１０のサブマウント部には、後述する、ポリゴンミラー２２を回転させることによるレーザ光の走査方向（図１のＹ方向）に見て、載置されるウエハ１を挟んだ両側に、この走査方向に直交する方向（図１のＸ方向）に直線状に延びるフォトダイオード（ＰＤ）が配置されている。これらのフォトダイオードの一方は、レーザ光の走査開始のタイミングを検出する働きをする開始位置検出ＰＤ１５であり、他方は、走査終了のタイミングを検出する働きをする終了位置検出ＰＤ１６である。これらのフォトダイオードの信号は、後述するように、不良アドレスの算出に用いられ、このために、これらのフォトダイオードは、図示を省略しているが、後述する不良アドレス判定部３６に接続されている。

ウエハ１には、上面及び下面に、ウエハ１に形成されたレーザダイオードチップのアノードとカソードにそれぞれ接続した上部電極２と下部電極３を予め形成しておく。この際、上部電極２と下部電極３は、ウエハ１の、レーザダイオードチップが形成されていない部位に設けるのが好ましい。上部電極２と下部電極３をレーザダイオードチップが形成された部位に設ける場合にも、後述するように、レーザ光を照射した際に、この照射が妨害されないように、レーザダイオードチップが形成されているウエハ上部の上部電極２には、少なくとも、レーザダイオードチップの発信器の上部を露出させる開口を形成しておく。

試料台１０上に固定されたウエハ１の上部電極２と下部電極３には、プローブ等を介して、起電力電流増幅／検出部３２と電圧供給部３３が接続されている。起電力電流増幅／検出部３２は、上部電極２と下部電極３の間に生じる起電力電流を増幅し、この起電力電流がしきい値電流以上であるか否かを判定する働きをする。電圧供給部３３は、上部電極２と下部電極３の間に所定の電圧を供給する働きをする。

試料台１０のステム部１１には、詳細には示していないが、熱媒体が流されるパイプが設けられている。この熱媒体の供給系、あるいは循環系には、試料台１０上に載せられたウエハ１の温度を制御する温度制御部３４が設けられている。

試料台１０の上方には、試料台１０上に載せられたウエハ１に、量子ビームとしてのレーザ光を照射し、走査する働きをするレーザ光走査装置（量子ビーム走査装置）２０が配置されている。レーザ光走査装置２０は、レーザ光発生装置（量子ビーム発生装置）２１と、レーザ光発生装置２１によって発生したレーザ光を試料台１上に導く光学系を有している。この光学系には、不図示の回転駆動系によって回転駆動可能なポリゴンミラー２２が設けられており、レーザ光発生装置２１の出口には、照射光をポリゴンミラー２２上の所定の位置に導くレンズ２３が設けられている。ポリゴンミラー２２の下方には、水平方向に、かつポリゴンミラー２２の回転軸（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）に延びるｆθレンズ２４が設けられており、ポリゴンミラー２２による反射光を試料台１０上に導く働きをする。この際、レーザ光走査装置２０の光学系としては、レーザ光が、試料台１０上に固定したウエハ１の表面で微小スポットに絞られるように適当な構成のものが用いられている。

このレーザ光走査装置２０によれば、レーザ光発生装置２１によってレーザを発生しつつ、ポリゴンミラー２２を所定の一定速度で、図１の矢印で示すように時計回りに回転させることによって、レーザの、試料台１０上への照射位置が、Ｙ方向に沿って、図の右から左へと順次変化していく。このように、レーザ光発生装置２１によって発生したレーザ光が入射する位置に配置され、回転駆動されるポリゴンミラー２２を有するレーザ光走査装置２０を用いることによって、Ｙ方向に延びる走査ラインに沿って高速で走査を実行することができる。また、詳細には図示していないが、レーザ光走査装置２０は、リニアエンコーダ等の移動機構によって、Ｘ方向に移動可能になっており、それによって、走査ラインをＸ方向に変えることができる。

上述の起電力電流増幅／検出部３２、電圧供給部３３、および温度制御部３４は、これらの動作を統括制御する起電力電流制御部３１に接続されており、レーザ光走査装置２０の動作は、スキャン制御部３５によって制御される。本実施形態の半導体デバイスチップウエハ検査装置は、以下に詳細に説明するように、しきい値以上の起電力電流の発生の有無と、その起電力発生時の、レーザの照射位置とから、ウエハ１上の、欠陥などの異常がある位置、すなわち不良アドレスを判定するものであり、この判定と、判定した不良アドレス情報の記憶処理を実行する不良アドレス判定部３６が、起電力制御部３１とスキャン制御部３５に接続されている。不良アドレス判定部３６には、不良アドレス情報を記憶する不良アドレス記憶部３７が接続されている。

次に、図２の概略フロー図を参照して、本実施形態の検査方法について説明する。

まず、ウエハ１を試料台１０上に設置する（ステップＳ１）。この際、ウエハ１は、ポリゴンミラー２２の回転による走査方向であるＹ方向に対して、ウエハ１に形成されたレーザダイオードチップの発振器の長手方向が、平行または垂直になるように配置する。そして、ウエハ１の上部電極２と下部電極３には、前述のように、プローブ等を介して電圧供給部３３および起電力電流増幅／検出部３２を接続する。

次に、レーザ光走査装置２０を移動機構によってウエハ１上の所定の位置に配置し、ポリゴンミラー２２を定速度で回転させる（ステップＳ２）。そして、レーザ光発生装置２１を起動して、レーザ光照射を開始する（ステップＳ３）。

これによって、ウエハ１上に、スポット状にレーザ光が照射され、照射位置がＹ方向に変化して、走査が行なわれる。この際、レーザ光が、ウエハ１上の、転移が発生する等して欠陥等の異常が生じている位置に照射された時には、ゼーベック効果により、熱起電力が発生する。これによって発生した熱起電力電流が上部電極２および下部電極３から熱起電力電流増幅／検出部３２に送られ、増幅されて、しきい値を超えているか否かによって、異常部であるか否かの判定が行なわれ（ステップＳ４）。この際、異常部か否かを判定するためのしきい値は、理論的に推定して、あるいは試行によって予め設定しておく。

この熱起電力電流の検出においては、照射するレーザ光によって、光励起電流であるOBIC(Optical Beam Induced Current)電流が発生してノイズとなるのを回避するために、照射するレーザ光は、被観測対象物であるウエハ１のバンドギャップより低いエネルギーの、すなわち、所定以上の波長を有するものとする。なおかつ、照射するレーザ光は、ウエハ１内を十分透過するように、一定以上のエネルギーを有し、すなわち、所定以下の波長を有するものとする。照射するレーザ光の波長をこのように設定することによって、異常部の検出を精度良く実行することができる。

また、レーザ光を照射する際、ウエハ１に順バイアスや逆バイアスを印加するのが、ゼーベック効果による異常部の検出感度を向上させる上で有効であり、このために、電圧供給部３３からウエハ１に所定の電圧を印加した状態とする。同様に、ウエハ１の温度は、所定の温度条件下で熱起電力電流の発生効率が最も高くなるので、このように制御するのが、異常部の検出感度を上げる上で有効である。このため、走査中、温度制御部３４による温度制御を実行する。これらの処置によって、検査の信頼性を高くすることができる。

発生した熱起電力電流がしきい値を超えているか否かを判定する際には、増幅した微小電流を各走査点でのレーザ光滞留時間で平均化する。平均化を適正に実行するため、必要な回数の走査を実行する。平均化した微小電流を電圧に変換し、それをさらにＡ／Ｄ変換する。これらの処置によって、精度の良い判定処理が可能となる。

次に、しきい値を越える熱起電力が検出され、したがって、異常と判定された部位のＹ方向アドレスを不良アドレス判定部３６で判定する（ステップＳ５）。この判定は、しきい値を越える熱起電力が検出されたタイミングと、開始位置検出ＰＤ１５および終了位置検出ＰＤ１６からの、レーザ光の検出信号が発生したタイミングとを比較することによって実行する。この判定の概念図を図３に示す。図３において、上のグラフは、１回の走査における熱起電力電流の検出値の時間変化を示しており、下のグラフは、同じ時刻のフォトダイオードの信号電流の発生タイミングを示している。１回の走査においては、走査開始時に開始位置検出ＰＤ１５の信号電流が発生し、走査終了時に終了位置検出ＰＤ１６の信号電流が発生する。そこで、これら開始位置検出ＰＤ１５、終了位置検出ＰＤ１６の信号電流の発生時刻と、しきい値を越える熱起電力の発生時刻との差から、Ｙ方向の位置を算出することができる。

次に、このようにして算出した、しきい値を越える熱起電力が検出され、したがって、不良個所と判定された位置のＹ方向アドレスを、この走査実行時のレーザ光走査装置２０の位置から決まるＸ方向アドレスと共に、不良アドレス情報として不良アドレス記憶部３７に記憶する（ステップＳ６）。

以上のステップＳ２からＳ６の処理によって、Ｙ方向の１走査ライン分の走査が終了する。そして、次に、レーザ光走査装置２０を移動機構によってＸ軸方向に、１つとなりの走査ラインまで移動させた後、同様にＹ方向の１走査ライン分の走査を行い、これを、ウエハの全面の走査が完了するまで繰り返す（ステップＳ７，Ｓ８）。

ウエハ全面の走査が完了したら、次に、ウエハ１の、不良アドレス記憶部３７に記憶された不良アドレス箇所に、インクなどでマーキングを実行する（ステップＳ８）。そして、チップ化した後（ステップＳ１０）、マーキングされたチップを、不良チップとして除去する。

以上説明した本実施形態の半導体デバイスチップウエハ検査方法によれば、ウエハ１にスポット状にレーザ光を照射し、照射位置を高速で変化させ、すなわち走査して、この際、しきい値以上の熱起電力が発生した時のレーザ照射位置を異常部と判定する処理を実行することによって、高速で効率的にウエハ１の異常部の位置情報である不良アドレス情報を得ることができる。の際、ウエハ段階の検査によって、不良チップを判定することができるので、一般的な従来技術におけるエージングは不要となる。すなわち、得られた不良アドレス情報に基づいて、チップ化した後の製品から、不良チップを除去することができる。

このように、本実施形態の半導体デバイスチップウエハ検査方法は、検査効率、検査スループットが高く、したがって、量産工程に好適に利用し、量産性を損なうことなく、高精度で不良チップを除去して、高品質の製品の生産を可能とすることができる。

なお、本実施形態では、開始位置検出ＰＤ１５、終了位置検出ＰＤ１６としては、Ｘ方向に沿って直線状に延びる構成のものを配置した例を示したが、円板形のウエハ１の縁に沿うように円弧状に延びる構成としてもよい。また、試料台１０は、よりコンパクトな構成として、この試料台１０上に、正方形に、あるいはレーザダイオードチップの列ごとにバー状に切り出すなど、あらかじめ適宜の大きさ、個数に分割したウエハを載せる構成としてもよい。また、試料台１０上のウエハ１の温度を調整する構成としては、ステム１１内にペルチェ素子を内蔵する構成としてもよい。

本実施形態では、ウエハ１として、半導体レーザダイオードデバイスを形成したものに対して、検査を実行する例について説明したが、本発明の検査方法の対象物は、これに限られることはなく、一般に、半導体デバイスのチップが集積されたウエハを検査対象とすることができる。このような検査対象としては、例えば、化合物半導体デバイスである発光ダイオードを形成したウエハがある。

発生する熱起電力を測定し、所定の大きさを越えているか否かを判定する熱起電力検出部として、本実施形態では、熱起電力によって発生する電流を増幅して、しきい値電流を超えているか否かを判定する起電力電流増幅／検出部６２を用いる例を示したが、熱起電力が所定の大きさを越えているか否かは、発生する電圧に基づいて判定する構成としてもよい。

また、量子ビーム走査装置としては、本実施形態では、レーザ光の照射位置を変化させ、すなわち走査を実行するのにポリゴンミラー５２を利用した走査機構を用いた例を示したが、他の走査機構を用いてもよい。いずれにしても、走査機構は高速で走査を実行可能なものを用いるのが好ましい。

次に、図４を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、この実施形態の半導体デバイスチップウエハ検査装置の全体構成を示す模式図である。同図において、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態では、レーザ光走査装置５０は、レーザアレイを備えるマルチビームレーザ光発生装置５１を有している。このマルチビームレーザ発生装置５１は、ポリゴンミラー５２の回転軸線方向であるＸ方向に並んで複数のレーザを同時に発生可能であり、ポリゴンミラー５２、レンズ５３、およびｆθレンズ５４としては、これらの複数のレーザ光を同時に導光できるように、Ｘ方向に所定の大きさを有するものを用いている。これによって、ポリゴンミラー５２の回転軸線方向に垂直で、かつ水平なＹ方向に延びる複数の走査ラインに沿って同時に走査を実行することができる。

試料台１０上に載せるウエハ４１には、この複数の走査ライン毎に上部電極４２と下部電極４３をあらかじめ形成しておく。これらの上部電極４２と下部電極４３は、図では結線を簡略化して示しているが、走査ライン毎に別々の起電力電流増幅／検出部６２に接続されている。したがって、走査ライン毎に、しきい値を超える熱起電力の発生する個所、すなわち異常部を検出する処理を同時に実行することができる。

以上のように、本実施形態の構成によれば、複数の走査ラインで異常部の検出を同時に実行することができるので、より効率的に検査を実行し、検査効率、スループットをさらに向上させることができる。

なお、本実施形態では、複数のレーザビームによって走査を実行するのに、レーザアレイの並びに沿って延びるポリゴンミラー５２を用いる例を示したが、各レーザビームの照射位置を変化させ、すなわち、各レーザビームについて走査を実行可能な他の走査機構を用いてもよい。いずれにしても、複数のレーザビームによって同時に走査を実行することによって、検査効率を向上させる作用を得ることができる。

また、本発明は、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。

本発明の第１の実施形態の半導体デバイスチップウエハ検査装置の全体構成図である。 図１の半導体デバイスチップウエハ検査装置による検査の概略フロー図である。 図１の半導体デバイスチップウエハ検査装置による熱起電力電流の測定結果を模式的に示すグラフである。 本発明の第２の実施形態の半導体デバイスチップウエハ検査装置の全体構成図である。

符号の説明

１，４１ ウエハ
２，４２ 上部電極
３，４３ 下部電極
１０ 試料台
１１ ステム
１５ 開始位置検出ＰＤ
１６ 終了位置検出ＰＤ
２０，５０ レーザ光走査装置
２１ レーザ光発生装置
２２，５２ ポリゴンミラー
２３，５３ レンズ
２４，５４ ｆθレンズ
３１ 起電力電流制御部
３２，６２ 起電力電流増幅／検出部
３３ 電圧供給部
３４ 温度制御部
３５ スキャン制御部
３６ 不良アドレス判定部
３７ 不良アドレス記憶部
５１ マルチビームレーザ光発生装置

Claims (8)

1. 半導体デバイスのチップが集積されたウエハに量子ビームを照射し、照射位置を変化させつつ、前記ウエハに発生する熱起電力を検出する工程と、
   測定した熱起電力電流または熱起電力電圧がしきい値を超えているか否かを判定し、しきい値を超える熱起電力電流または熱起電力電圧が発生した時の、前記量子ビームの前記ウエハ上への照射位置を不良アドレス情報として記憶する工程とを有する半導体デバイスウエハ検査方法。
2. 前記量子ビームとして、前記ウエハ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レーザ光を照射する、請求項１に記載の半導体デバイスウエハ検査方法。
3. 前記量子ビームを、回転するポリゴンミラーに照射することによって、前記ウエハ上への照射位置を変化させる、請求項１または２に記載の半導体デバイスウエハ検査方法。
4. 複数の前記量子ビームを同時に照射し、該各量子ビームの照射位置を同時に変化させて、各量子ビームの照射によって発生する熱起電力を同時に検出する、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体デバイスウエハ検査方法。
5. 半導体デバイスのチップが集積されたウエハを載置して固定可能な試料台と、
   前記試料台上に載置された前記ウエハに量子ビームを照射し、照射位置を変化させることができる量子ビーム走査装置と、
   前記半導体デバイスに発生する熱起電力電流または熱起電力電圧を測定し、しきい値を超えているか否かを判定する熱起電力検出部と、
   前記熱起電力検出部によって、しきい値を超える熱起電力電流または熱起電力電圧の発生が判定された時の、前記量子ビーム走査装置による前記量子ビームの照射位置を判定して、その位置を不良アドレス情報として不良アドレス記憶部に記憶させる不良アドレス判定部とを有する半導体デバイスウエハ検査装置。
6. 前記量子ビーム走査装置は、前記量子ビームとして、前記ウエハ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レーザ光を発生するレーザ光発生装置を有している、請求項５に記載の半導体デバイスウエハ検査装置。
7. 前記量子ビーム走査装置は、前記量子ビームを発生する量子ビーム発生装置と、前記量子ビーム発生装置によって発生した量子ビームが入射する位置に配置され、回転駆動されるポリゴンミラーとを有する、請求項５または６に記載の半導体デバイスウエハ検査装置。
8. 前記量子ビーム走査装置は、複数の量子ビームを同時に発生可能な量子ビーム発生装置を有する、請求項５から７のいずれか１項に記載の半導体デバイスウエハ検査装置。

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