JP2023088792A - 半導体素子の特性評価装置、半導体素子の特性評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の検査によって得られる複数の特性と設計に係る因子との関係を容易に解析可能な半導体素子の特性評価システムを提供する。【解決手段】光半導体素子を検査する複数の特性検査装置１１、１２によって取得された複数の検査データ及び半導体素子の設計に係る設計データを取得する通信部２５と、複数の検査データのいずれか同士、または複数の検査データのいずれかと設計データとの関係を示す画像データを生成するグラフ化部と、によって半導体素子の特性評価システムを構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子の特性評価装置、半導体素子の特性評価システムに関する。

光学素子の開発においては、設計に関するデータを使って予めコンピュータにより演算し、演算の結果に基づいて実際に光学素子を製造することが行われている。このような設計のシステムは、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の光学素子製造設計支援システムは、製造対象となる光学素子が所望の光学性能を発揮するための光学有効面形状を、光学ＣＡＤツールを用いて設計する。そして、光学有効面形状に関する設計制約条件を満足しているかを確認し、さらに、光学有効面の周辺形状や、光学素子を光学装置に搭載する取り付け部分の形状等について３ＤＣＡＤツールを用いて設計する。

特許文献１には、さらに、設計の結果が制約条件を満たしているかを確認し、設計値を基にして光学素子を製造することが記載されている。また、特許文献１には、決定された光学素子設計形状に従い、光学素子の形状計測において使用する測定治具等を設計することが記載されている。特許文献１に記載のシステムは、光学有効面形状を高精度三次元形状測定装置を用いて計測する。面形状計測は、光学素子製造の光学面形状評価、及び面形状補正を行う際の形状修正データを取得することを目的とする。特許文献１に記載のシステムによれば、光学素子の光学有効面形状と、その他の部分の形状計測工程のデータ処理を自動化し、データ入力ミスに起因する測定ミス、再測定による戻りを解消することができる。

特開２０１０－１５７１２７号公報

しかしながら、新規な光素子を研究開発する場合、設計データに基づいて実際に作製された光素子を検証することが必要となる。また、光素子の動作特性の解析には、設計に係る因子ばかりでなく、作製に係る因子（プロセス条件等）についても様々な検討すべき項目があり、それらを網羅的に検証することは困難である。さらに、新規な光素子について、動作特性に影響する設計に関する因子と作製に関する因子との間にどのような関係があるのかを判定し、設計や作製工程の妥当性を検証することが困難な場合がある。特に化合物半導体の光学素子は、シリコン電子デバイス等に比べて加工寸法が大きいため、面内分布による特性への影響が大きい傾向がある。このような点は、研究開発ばかりでなく、光素子の量産製造においても歩留まりに影響し、製造コストを抑えることを妨げる。測定の自動化を目的とする特許文献１に記載のシステムは、設計データのみを考慮すればよく、このような困難性を解消するものではない。

また、光半導体素子の設計や製造工程の妥当性をチェックする場合、実際に作製された光素子の特性等の状態と、製造工程を含む設計の条件とを照らし合わせて比較することを行う場合がある。また、このような場合、１つの光素子について複数の特性を比較することが有効である。ただし、複数の特性の関係を検証するには、異なる検査装置で検査された検査データをそれぞれ取得し、比較する必要があった。このような比較は、処理に係る負荷が大きく、日常的に行われる製造装置や製造条件のチェック等に使用することに不向きであった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、半導体素子の検査によって得られる複数の特性と設計に係る因子との関係を容易に解析可能な半導体素子の特性評価装置及び半導体素子の特性評価システムに関する。

上記目的を達成するために本発明の一形態の半導体素子の特性評価装置は、半導体素子を検査する複数の検査装置によって取得された複数の検査データを取得する検査データ取得部と、前記半導体素子の設計に係る設計データを取得する設計データ取得部と、複数の前記検査データのいずれか同士、または複数の前記検査データのいずれかと前記設計データとの関係を示す画像データを生成する画像生成部と、を含む。

また、本発明の一形態の半導体素子の特性評価システムは、上記の前記半導体素子の特性評価装置と、前記半導体素子を検査する複数の前記検査装置と、を含む。

以上の形態によれば、半導体素子の検査によって得られる複数の特性と設計に係る因子との関係を容易に解析可能な半導体素子の特性評価装置及び半導体素子の特性評価システムを提供することができる。

本発明の一実施形態の光半導体素子の特性評価システムを説明するためのブロック図である。 図１に示す検査データ及び設計データの流れを説明するための機能ブロック図である。 単一の検査項目についての公知の累積確率分布のグラフを示す図である。 図２に示すグラフ化部によって生成されるグラフを説明するための図である。 図２に示すグラフ化部によって生成される他のグラフを説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を説明する。図１は、本実施形態の光半導体素子の特性評価システム１を説明するためのブロック図である。特性評価システム１は、特性検査装置１１及び特性検査装置１２と、データ記憶装置１３と、コンピュータ１４と、を含む。特性検査装置１１及び特性検査装置１２、データ記憶装置１３、コンピュータ１４は、ＨＵＢ１５を介して互いにネットワークに接続されている。特性検査装置１１は特性検査用コンピュータ１１１を、特性検査装置１２は特性検査用コンピュータ１１２をそれぞれ備えている。

上記の構成において、コンピュータ１４は、本実施形態の半導体素子の特性評価装置として機能する。コンピュータ１４は、半導体素子を検査する、特性検査装置１１、特性検査装置１２によって取得された複数の検査データと、半導体素子の設計に係る設計データと、を通信部２５、複数の検査データのいずれか同士、または複数の検査データのいずれかと設計データとの関係を示す画像データを生成するグラフ化部２４と、を含む。通信部２５は本実施形態の検査データ取得部及び設計データ取得部として機能する。

特性検査装置１１、１２は、それぞれ光半導体素子（以下、単に「光素子」とも記す）の検査装置に相当する。第１実施形態において、特性検査装置１１、１２は、光素子の互いに異なる検査項目を検査する装置である。検査項目は、例えば、光半導体素子の動作特性や外観をいう。動作特性は、例えば、半導体レーザ素子の評価における電流に対する電圧の特性や、電流に対する光出力の特性、光の波長や光フィールドの広がり等をいう。外観に係る特性は、光素子の形状や色、大きさ及びダスト等の異物の状態をいう。なお、特性検査装置１１、１２の検査対象となる光素子は、完成後の光半導体チップと、製造過程にある光半導体チップの両方を含む。

本実施形態は、特性検査装置１１を光素子の動作特性を検査する装置とする。特性検査装置１１は、特性検査のための電圧、電流、光学特性を測定し、その値や周期及び周波数の特性（例えば高周波特性）を取得する機能を備える。また、本実施形態は、特性検査装置１２を外観検査装置とする。特性検査装置１２は、光素子の外観を撮像するカメラや撮像された画像を表示するモニタを備える。特性検査装置１２は、画像にスケールを表示する機能、画像中の閾値よりも高い輝度を有する箇所を検出する機能等を備えてもよい。外観形状は特性に影響を与えている場合があり、特性検査装置１２は、画像及び画像から抽出したダストや欠陥位置データを検査データとして出力することができる。また、本実施形態は、特性検査装置を２つ備える構成に限定するものでなく、動作特性及び外観特性以外の特性を検査する装置を備えてもよく、また、同様の特性を検査する装置を複数備えてもよい。他の特性検査装置としては、例えば、光素子の耐久性や動作特性の温度依存性を検査する装置等が考えられる。

さらに、本実施形態は、特性検査装置１１、１２がそれぞれ異なる検査項目を検査する構成に限定されず、同様の検査項目を検査してもよい。この際、特性検査装置１１、１２は、異なる検査条件により同様の検査項目を測定する構成であってもよく、また、例えば、異なるプロセス条件によって作製された光素子を検査する装置であってもよい。

特性検査装置１１、１２が備える特性検査用コンピュータ１１１、１１２は、それぞれの特性検査装置１１、１２の検査の結果を示す検査データをデータ記憶装置１３に自動的に送信する機能を備えている。特性検査用コンピュータ１１１、１１２は、汎用的なコンピュータに検査データを送信するソフトウエアをインストールしたものであってもよいし、特性検査装置１１、１２に専用のコンピュータであってもよい。検査データの送信は、検査と並行に逐次行ってもよいし、測定が完了してから行ってもよい。また、特性検査用コンピュータ１１１、１１２は、検査データを送信する他、検査データの計測や、検査に係るプローブ等を駆動するモータ等を制御する機能を有してもよい。

図１に示すデータ記憶装置１３は、特性検査装置１１、１２とネットワークを介して接続されたメモリ装置である。ただし、データ記憶装置１３は、特性検査用コンピュータ１１１、１１２によって取得された検査データを保存するＵＳＢメモリやＣＤ／ＤＶＤ－ＲＯＭ等の外部メディアであってもよい。また、データ記憶装置１３は、検査データばかりでなく、設計データをも記憶する。

ここで、設計データは、例えば、電気特性、寸法形状及びプロセス条件に係る情報を含む。電気特性に係る設計データは、例えば、半導体レーザの共振器長等の設計値であってもよく、シミュレーション等によって取得するものであってもよい。寸法形状に係る設計データ（設計ルール）は、導波路構造の分類、導波路幅、多層量子井戸の厚さや組成、層数、回折格子の周期、回折格子の結合係数であってもよく、また、電極金属の種類や厚さ等の寸法情報であってもよい。プロセス条件に係る設計データは、例えば、熱処理の温度や時間、エッチング等のプラズマ加工の条件、あるいは光素子に使用されている半導体基板のウエハ内における位置（中央、周辺等）をいう。

コンピュータ１４は、データ記憶装置１３から検査データ及び設計データを取得する。また、コンピュータ１４は、キーボード等から直接設計データを入力する機能を有してもよい。また、コンピュータ１４は、検査データや設計データに基づいて図画を作成するグラフィック機能及び図画を表示するグラフ化部２４を備えている。図画は、グラフや撮像画像、撮像画像に基づく数値演算の結果、さらにはこれらの組み合わせであってもよい。

以上の構成は、一体的な装置として構成されてもよく、また、一部が遠隔地にあって通信により動作するシステムであってもよい。通信は、コンピュータ１４の既存の通信機能により行うことができる。また、図画を作成するにあたっての演算処理の一部を特性検査用コンピュータ１１１、１１２が行ってもよい。演算処理の一部は、検査によって得られた検査データの端数処理、各検査データが取得された光素子を特定するための情報の付与であってもよい。また、特性検査用コンピュータ１１１、１１２、またはコンピュータ１４は、特性や外観に予め一定の基準（閾値）を設定し、これを満たす光素子と満たさない光素子を分別するようにしてもよい。

光素子を特定するための情報は、例えば、単なる通し番号であってもよく、通し番号である場合、ロット毎に定められてもよい。また、情報は、ロット番号、製造年月日、光素子の種別等を示す情報を含んでもよい。データ記憶装置１３は、個々の光素子を特定する情報を、特性、寸法形状の設計値、さらにはプロセス条件等に紐づけて記憶してもよい。

図２は、図１に示す検査データ及び設計データの流れを説明するための機能ブロック図である。図２に示す記憶装置データ類２０、コンピュータインポート部２１、マスタデータベース２２、ローカルデータベース２３、グラフ化部２４は、図１の特性検査装置１１、１２、データ記憶装置１３、コンピュータ１４を機能ごとにまとめて示している。このため、記憶装置データ類２０、マスタデータベース２２、ローカルデータベース２３、グラフ化部２４は、各々図１に示す特性検査装置１１、１２、データ記憶装置１３、コンピュータ１４のいずれかに含まれるものであってもよいし、複数に分散されて機能するものであってもよい。記憶装置データ類２０、コンピュータインポート部２１、マスタデータベース２２、ローカルデータベース２３、グラフ化部２４は、データ、プログラム及びハードウエアのいずれか、またはこの組み合わせにより構成される。

特性検査装置１１によって取得された検査データＤ_A、特性検査装置１２によって取得された検査データＤ_B、コンピュータ１４に入力された設計データＤＰはデータ記憶装置１３に記憶装置データ類２０として保管される。記憶装置データ類２０は、コンピュータ１４に搭載されたコンピュータインポート部２１によりコンピュータ１４にインポートされる。インポートされた検査データＤ_A、Ｄ_B、設計データＤＰは、データ記憶装置１３内でマスタデータベース２２を構築する。グラフ化部２４は、操作者がグラフ化を要求することによって検査データＤ_A、Ｄ_B及び設計データＤＰに基づくグラフを作成する。作成されたグラフは、コンピュータ１４の既存のデスプレイ画面やコンピュータ１４に接続されたプリンタに出力される。

グラフ化は、操作者が可視化を希望する項目（パラメータ）の指定にしたがって行われる。このとき、指定された項目のグラフ化に使用されるデータは、マスタデータベース２２から抽出され、ローカルデータベース２３を構築する。作成されたグラフは、操作者により指定された複数の項目の相関関係を示す。

なお、本実施形態は、設計データＤＰの入力、記憶装置データ類２０のインポート、ローカルデータベース２３の構築及びグラフ化をコンピュータ１４が行っている。しかし、本実施形態は、このような構成に限定されるものではなく、このような動作のいくつかを分担して行う複数のコンピュータを備えてもよい。

図３は、単一の検査項目についての累積確率分布のグラフであって、公知の例を示している。図４は、グラフ化部２４によって生成されるグラフを説明するための図である。図３の横軸は検査によって得られた結果（数値）を示し、縦軸は横軸に示した数値が得られた光素子の累積確率（％）を示している。図３によれば、検査データの全体の９９％が１０から２０の間にあることを示している。このような図３の検査データは、測定によって得られた電気特性を統計処理した結果である。

累積確率は、歩留まりを分析する場合に有用なパラメータであり、設計や工程が変わった場合に変化する。このため、設計や工程を変更した場合、あるいは工程や装置のチェックに累積確率を求めることがある。このとき、所定の検査項目の累積確率と設計や他の検査項目との関係を調査することにより、歩留まり変化の要因を容易に特定することが可能になる。本実施形態は、この点に着目し、図４に示すグラフを作成する。図４に示すグラフは、図３のグラフと同様に、横軸（Ｘ軸）に所定の検査により得られた数値を、縦軸（Ｙ軸）に、その数値が得られた光素子の累積確率を示している。さらに、図４に示すグラフは、このようなＹ軸とＸ軸との関係を、さらに他の検査項目または設計項目に対応して複数示している。他の検査項目の検査データまたは他の設計項目の設計データの変化方向をＺ軸として図４に示す。

Ｚ軸方向に示される検査データとしては、例えば、Ｘ軸に示す検査データとは異なる検査項目の検査データであり、他の電気特性を示すデータであってもよい。また、Ｚ軸方向に示される検査データとしては、外観形状を示すデータであってもよい。さらに、Ｚ軸方向に示される設計データとしては、設計ルールであってもよいし、プロセス条件であってもよい。

複数の特性検査装置１１、１２によって得られた検査データを取得する本実施形態の光半導体素子の特性評価装置は、Ｚ軸方向に示す項目を検査データと設計データとを切り替えることができる。検査データと設計データとの切り替えは、例えば、コンピュータ１４の公知のユーザインターフェーズ、キーボード、デスプレイ画面のアイコン、あるいはタッチパッド等により可能になる。例えば、操作者がＺ軸の項目を検査データから設計データへ切り替えることを指示すると、グラフ化部２４は、指定された設計データを取り込み、検査データに置き換えてグラフ等の図画を作成する。

また、本実施形態は、図４に示したように、検査データの累積確率を他の検査データまたは設計データと合わせて表示するグラフを示すことに限定されるものではない。図５は、検査データと設計データとを比較する他のグラフを例示する図である。図５に示す例は、縦軸（Ｙ軸）に検査データを示し、横軸（Ｘ軸）に他の検査項目の検査データまたは設計データを示すものでもよい。また、当然のことながら、図５に示す例は、縦軸（Ｙ軸）に設計データを示し、横軸（Ｘ軸）に検査データを示すものでもよい。さらに、図５に示す例は、このような検査データ同士、または検査データと設計データとの関係を他の検査項目、または他の設計項目の変化に対応して複数示している。他の検査項目、または他の設計項目の変化の方向をＺ方向として示す。

このような本実施形態によれば、検査データの動作特性同士を比較する例として、例えば、光半導体レーザの光出力強度とレーザ光の波長との関係を比較することが考えられる。また、本実施形態によれば、検査データの動作特性と外観特性とを比較する例として、例えば、光素子の漏れ電流と、活性領域の形状を観察した画像との関係を比較することが考えられる。外観特性としては、ダストの個数、ダストの個数によって判断される合否の個数等がある。このような外観特性と検査データの動作特性との関係をグラフ化し、比較することが考えられる。また、本実施形態によれば、検査データとプロセスの設計データとを比較する例として、例えば、光導波路の屈折率と、熱処理の温度との関係を比較することが考えられる。さらに、本実施形態によれば、例えば、活性層の屈折率の設計値が相違する複数の光半導体レーザについて光出力強度とレーザ光の波長との関係を測定し、これを活性層の屈折率に対応付けて複数表示することができる。また、本実施形態は、例えば、エッチング時間が相違する複数の光素子について漏れ電流と、活性領域の形状を観察した画像との関係を複数表示することができる。

以上説明したように、半導体素子の特性評価装置及び特性評価システムは、単一の特性検査装置のデータだけでなく、複数の装置で取得した多項目の特性データや設計データ、工程データを多次元的に解析することが可能である。すなわち、本実施形態の特性評価装置及び特性評価システムは、比較となる検査対象や設計の因子の数や種別を任意に選択し、更にパラメータの次元数を増やして互いの関係を解析することが可能である。なお、本実施形態は、図１に示すように、一つのＨＵＢ１５に接続されたネットワークの特性検査装置１１、１２の特性検査用コンピュータ１１１、１１２にデータ収集ソフトウエアを搭載する形態とした。しかし、本実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、同一ネットワークに配置した設計データを入力するコンピュータや、別のコンピュータに設置したソフトウエアから特性検査装置の制御ソフトウエアと通信し、データを収集するようにしてもよい。

さらに、本実施形態は、以上説明した実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、光素子を製造するプロセス装置の制御コンピュータを本実施形態の半導体素子の特性評価装置または特性評価システムのネットワークに接続することにより、プロセス条件を自動で取得するようにすることも可能である。さらに、本実施形態は、ウエハのダスト検査装置や分光エリプソメトリー等の特性検査装置を接続し、工程内検査で使用する検査データを解析に含めることも可能である。このような本実施形態によれば、膨大な設計項目、検査データに対するデータ解析においても作業スループットを落とさずに実施することが可能である。この点は、各種特性や累積確率分布の描画等を画像形成用のソフトウエアに入力し、データ解析するよりもプロセス装置や工程のチェックのスループットを高めることが可能である。さらに、以上説明した実施形態は、光素子を対象にした半導体素子の特性検査について説明したが、本実施形態は、光信号以外の信号を伝搬する半導体素子にも適用可能である。

１ 特性評価システム
１１，１２ 特性検査装置
１３ データ記憶装置
１４ コンピュータ
２０ 記憶装置データ類
２１ コンピュータインポート部
２２ マスタデータベース
２３ ローカルデータベース
２４ グラフ化部
２５ 通信部
１１１，１１２ 特性検査用コンピュータ

Claims (7)

1. 半導体素子を検査する複数の検査装置によって取得された複数の検査データを取得する検査データ取得部と、
   前記半導体素子の設計に係る設計データを取得する設計データ取得部と、
   複数の前記検査データのいずれか同士、または複数の前記検査データのいずれかと前記設計データとの関係を示す画像データを生成する画像生成部と、を含む、半導体素子の特性評価装置。
2. 複数の前記検査データ取得部は、前記半導体素子の電気的特性に関するデータを取得する、請求項１に記載の特性評価装置。
3. 複数の前記検査データ取得部は、前記半導体素子の外観に関するデータを取得する、請求項１または２に記載の半導体素子の特性評価装置。
4. 前記設計データは、前記半導体素子の設計寸法に関する情報、前記半導体素子の半導体基板の半導体ウエハにおける位置及び前記半導体素子の製造に係る情報の少なくとも１つを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体素子の特性評価装置。
5. 複数の前記検査装置の少なくとも一部は、製造工程にある未完成の前記半導体素子の特性を検査する、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体素子の特性評価装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の前記半導体素子の特性評価装置と、
   前記半導体素子を検査する複数の前記検査装置と、を含む、
   半導体素子の特性評価分析システム。
7. 前記特性評価装置と、複数の前記検査装置とがネットワーク回線を介して接続され、前記特性評価装置と複数の前記検査装置の少なくとも一方は、複数の前記検査装置によって取得された前記検査データを前記特性評価装置に自動的に送信する通信部を備える、請求項６に記載の特性評価分析システム。

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