JP4334927B2 - 半導体レーザーダイオードチップの検査方法および検査装置 - Google Patents
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Description
【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、本発明の半導体レーザーダイオードチップの検査方法は、半導体レーザーダイオードチップに、前記半導体レーザーダイオードチップのカソードとアノードとの間に逆バイアスを印加した状態で、前記半導体レーザーダイオード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前記半導体レーザーダイオードチップを構成する半導体のバンドギャップよりもエネルギーの小さい波長を有するレーザー光を走査しながら照射する工程と、前記レーザー光の照射により前記半導体レーザーダイオードチップの結晶異常部に発生する熱起電力を、前記半導体レーザーダイオード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、本発明の半導体レーザーダイオードチップの検査装置は、半導体レーザーダイオードチップに、前記半導体レーザーダイオードチップのカソードとアノードとの間に逆バイアスを印加した状態で、前記半導体レーザーダイオード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前記半導体レーザーダイオードチップを構成する半導体のバンドギャップよりもエネルギーの小さい波長を有するレーザー光を走査しながら照射する照射手段と、
前記レーザー光の照射により前記半導体レーザーダイオードチップの結晶異常部に発生する熱起電力を、前記半導体レーザーダイオード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】
レーザー光が半導体レーザーダイオードチップ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、半導体レーザーダイオードチップ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逆バイアスを印加する。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
Claims (6)
- 半導体レーザーダイオードチップに、前記半導体レーザーダイオードチップのカソードとアノードとの間に逆バイアスを印加した状態で、前記半導体レーザーダイオード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前記半導体レーザーダイオードチップを構成する半導体のバンドギャップよりもエネルギーの小さい波長を有するレーザー光を走査しながら照射する工程と、
前記レーザー光の照射により前記半導体レーザーダイオードチップの結晶異常部に発生する熱起電力を、前記半導体レーザーダイオード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、
半導体レーザーダイオードチップの検査方法。 - 前記表示は、前記レーザー光の照射位置と、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。
- 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半導体レーザーダイオードチップの温度を制御する、請求項1または2のいずれか1項に記載の検査方法。
- 半導体レーザーダイオードチップに、前記半導体レーザーダイオードチップのカソードとアノードとの間に逆バイアスを印加した状態で、前記半導体レーザーダイオード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前記半導体レーザーダイオードチップを構成する半導体のバンドギャップよりもエネルギーの小さい波長を有するレーザー光を走査しながら照射する照射手段と、
前記レーザー光の照射により前記半導体レーザーダイオードチップの結晶異常部に発生する熱起電力を、前記半導体レーザーダイオード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、
半導体レーザーダイオードチップの検査装置。 - 前記表示手段は、前記レーザー光の照射位置と、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4に記載の検査装置。
- 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半導体レーザーダイオードチップの温度を制御する手段をさらに有する、請求項4または5のいずれか1項に記載の検査装置。
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