KR20050001395A - 반도체디바이스의 검사방법 및 검사장치 - Google Patents

반도체디바이스의 검사방법 및 검사장치 Download PDF

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Abstract

레이저 다이오드 칩에, 칩의 결정 내부를 투과하고, 또 광여기에 의한 기전력을 발생시키지 않는 파장을 지닌 레이저광을 주사하면서 조사한다. 상기 조사에 의해 칩(1)의 온도가 상승하면, 제벡(Seebeck)효과에 의해 칩(1)의 결정이상부에 열기전력이 발생한다. 이 열기전력을 칩(1)의 애노드와 캐소드와의 사이에 나타나는 전압 또는 전원의 변화로부터 검출해서 CRT에 표시함으로써, 결정 내부의 결함을 검출한다.

Description

반도체디바이스의 검사방법 및 검사장치{METHOD AND APPARATUS FOR INSPECTING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 반도체 디바이스, 특히 화합물 반도체 레이저 다이오드 디바이스의 내부의 결정결함이나 전기적인 스트레스 등에 의한 접합파괴를 해석· 검사하는 데 바람직하게 적용가능한 결정결함의 관찰, 해석 및 검사 방법과 장치에 관한 것이다.
일반적인 화합물 반도체 레이저 다이오드 디바이스는, 도 4에 표시한 바와 같이, 레이저 다이오드 칩(1), 해당 레이저 다이오드 칩(1)을 탑재하고 있는 서브마운트(submount)(2), 이들과 일체로 되어 있는 스템(stem)(3), 광출력을 검지하는 포토다이오드(4), 기밀밀봉용의 유리창 부착의 캡(5), 레이저 다이오드 칩(1)에 전압을 인가하는 애노드(19a), 캐소드(19b) 등에 의해 구성되어 있다. 레이저 다이오드 칩(1)은 일반적으로 수 종류의 반도체의 적층구조를 지니고 있다. 레이저 다이오드 칩(1)의 내부에는, 도 5에 표시한 바와 같이, 레이저광을 트래핑 (trapping)해서 공진(공명)에 의해 레이저광을 증폭시키기 위한 발진기(스트라이프)(8)가 설치되어 있고, 발진기(8)는, 적층된 반도체의 일부를 구성하고 있다. 또, 애노드(19a) 및 캐소드(19b)는, 그들의 일단부가 레이저 다이오드 칩(1)에 접속되어, 해당 레이저 다이오드 칩(1)에 전압을 인가한다. 이 화합물 반도체 레이저 다이오드(이하, "레이저 다이오드"라고도 칭함)의 고장해석이나 검사에 대해서는, 종래부터, 많은 기술이 개발되어 있다.
먼저, 레이저 다이오드 칩(1)의 단면부의 레이저 발광위치에 있어서의 발광상태를 2차원적으로 적외카메라 등으로 포착해서, 그 발광형상을 관찰하여, 양품과 비교함으로써 이상을 판별하는 니어 필드 패턴(near field pattern: NFP)관찰법이 일반적으로 잘 알려져 있다(코누마 미노루, 시바타 미쯔요시 편저, "Insight Into Semiconductor Laser", 제 2판, Engineering).
그러나, 상기 NFP관찰법은, 레이저광을 반사하는 단부면만을 관찰하므로, 해당 단부면에 광학정보로서 나타나는 COD(광학 손상: optical damage)파괴에 의한 손상의 자취를 검출할 수 있을 뿐이다. 따라서, 상기 칩 내부에 있는 결정 결함 등의 이상을 확인하는 것은 곤란하다.
또, "스트라이프 관찰법"이라 불리는 발진기(8)의 발광상태를 관찰하기 위한 해석 및 검사법도 알려져 있다. 이 기술을 이용한 검사방법을, 도 5를 이용해서 설명한다. 먼저, 발진기(8)를 레이저 다이오드 칩(1)의 상부면으로부터 길이방향 전체를 관찰할 수 있는 상태로 하기 위해서, 광의 투과를 차단하는 상부전극(6)을 화학적 또는 기계적으로 제거한다. 도 5는 상부전극(6)의 일부를 제거한 상태를 표시한 것이다. 전체 면을 제거한 경우에는, 나중에 발진기(8)의 관찰에 지장이없는 위치에 새로운 전극을 형성한다. 다음에, 이 상태에서 레이저 다이오드 칩 (1)의 애노드(9a)와 캐소드(9b)와의 사이에 전압공급부(122)로부터 전압을 인가한다. 상부전극(6)과 레이저 다이오드 칩(1)의 아래쪽에 있는 하부전극(7)은, 각각 애노드(9a) 및 캐소드(9b)와 접속되어 있으므로, 레이저 다이오드 칩(1)에 전류가 생겨, 내부에 있는 발진기(8)가 발광상태로 된다. 이와 같이 해서, 스트라이프형상으로 발광한 발진기(8)를 적외카메라(101) 등을 이용해서 관찰해서, 그 상태를 양품과 비교함으로써 이상을 관찰한다.
스트라이프 관찰법은, 또한, 칩 내부에 있는 발진기(8)로부터 칩 외부면까지의 부분을, 전자선이 통과하는 정도의 두께로 감소될 때까지, 화학적 또는 기계적으로 제거해서, 발진기(8)의 캐소드 루미네센스(CL)에 의해 결정결함 등을 관찰하는 CL관찰법을 포함한다. 이 원리를 이하에 설명한다. 먼저, 전자선을 레이저 다이오드 칩(1)의 발진기(8)에 직접 조사하면, 전자는 시료에 의해 비탄성-산란되어서 에너지를 잃는다. 이 에너지의 일부는 가전자대로 여기해서, 전자·정공쌍을 생성한다. 이들 전자와 정공은 시료내를 확산해서, 어느 위치에서 재결합을 일으키고, 이 때 광이 방출(즉, 발광)된다. 이 발광은 결함영역에 있어서의 밴드구조를 반영하고 있으므로, 발광강도나 스펙트럼형상으로 다른 정상의 영역과 차이가 생기고, 이 차이를 취함으로써 결함부의 동정을 가능하게 하는 것이다.
이 스트라이프 관찰법에 의하면, 발광 상(像)을 확인하기 위한 발진기에 결정결함이나 파괴 등의 이상이 있을 경우, 이들 영역은 많은 경우에 있어서 비발광부로서 관찰될 수 있어, 이상영역을 동정하는 것이 가능하게 한다. 그러나, 지향성을 지니지 않은 광의 발광이므로, 비발광영역과 발광영역의 경계가 애매하고, 특히 미소한 이상부의 경우, 이들 영역은 주변영역으로부터의 광의 희미해짐 등에 의해 검출할 수 없는 일이 있다. 또, 발진기로부터 발광된 적외광을 칩의 다른 부분을 통과한 후에 관찰하고 있으나, 가시광은 거의 투과할 수 없으므로, 외부로부터 발진기층의 물리적인 정보를 얻는 일이 불가능하다. 그 때문에, 비발광영역(이상부)이 있다고 해도, 이들 영역의 동정이 가능할 뿐인 반면, 레이저 다이오드 칩으로서 그 부분이 어떠한 물리적 상태로 되어 있는가는 판단할 수 없다.
또, CL관찰법에서는, 전자선을 이용하므로, 진공중에서 관찰할 필요가 있어, 막대한 설비비용을 초래한다. 또, 결정결함의 검출정밀도는 우수하나, 발진기까지 전자선이 조사할 수 있도록, 해당 발진기까지 대략 수 미크론의 두께로 저감시키지 않으면 안되어, 샘플의 전처리에 고정밀도의 가공과 시간을 요한다. 또한, 가시광의 경우와 마찬가지로, 디바이스의 표면(심도 1미크론 정도)의 형상 및 상태의 정보밖에 얻을 수 없어, 칩 내부의 정보는 얻을 수 없다(참고문헌: 코누마 미노루, 시바타 미쯔요시 편저, "Insight Into Semiconductor Laser", 제 2판, 공학도서주식회사, 1998년 5월 25일, p111).
반도체 집적회로용 칩의 고장해석이나 검사에 응용가능한 방법으로서, 또 OBIC(Optical Beam Induced Current)법이나 OBIRCH(Optical Beam Induced Resistance Change)법이 알려져 있다.
OBIC법은, Si반도체디바이스에의 광조사에 의한, 가전자대와 전도대와의 사이의 천이에 따른 전자·정공쌍의 생성에 의해 발생하는 광여기전류를 이용한 해석및 검사방법이며, 대상 디바이스의 에너지갭보다도 큰 에너지를 지닌 파장의 광을 이용한다. 예를 들면, Si반도체의 경우에는, 633nm의 파장을 지닌 He-Ne레이저광을 이용해서, 광여기전류인 OBIC전류를 효율좋게 발생시켜, 결함영역의 검출을 행한다.
OBIRCH법은, 가시광으로서의 레이저광을 반도체 집적회로내부의 상호배선에, 레이저광을 주사하면서 조사해서 해당 배선을 가열하고, 조사에 의한 온도상승에 기인하는 저항변화 및 배선에 흐르는 전류의 변화를 검출하여, 배선내의 결함을 검지하는 것이다(미국특허 제 5,422,498호 및 미국특허 제 5,804, 980호 공보).
그러나, OBIC법은, 광여기전류를 관측하는 검사방법이며, Si반도체의 밴드갭에너지보다 큰 에너지를 지닌 파장의 광을 조사한다. 사용하는 레이저광은, 예를 들면, 633nm의 He-Ne레이저 등이며, 사용할 수 있는 광의 파장이 제한된다고 하는 문제가 있었다.
OBIRCH법은, 레이저 다이오드 칩내와 같이, 배선이 없는 영역에서의 결정결함의 검출을 하는 것은 불가능하다.
본 발명은, 반도체 디바이스, 특히 화합물 반도체 레이저 다이오드 디바이스의 내부의 결정결함이나 전기적인 스트레스 등에 의한 접합파괴를 해석하고, 검사하는 데 바람직하게 적용가능한 결정결함의 관찰, 해석 및 검사 방법과 장치에 관한 것이다
본 발명은, 화합물 반도체 레이저와 같은 반도체 디바이스 칩에, 칩의 결정내부를 투과하고, 또 여기에 의한 기전력을 발생시키지 않는 파장을 지닌 양자빔을 주사하면서 조사하는 공정과, 해당 조사에 의해 칩의 결정이상부에 발생하는 열기전력을, 칩의 애노드와 캐소드와의 사이에 나타나는 전압 또는 전류의 변화로부터 검출하는 공정을 지니는 검사방법 또는 검사장치에 관한 것이다.
본 발명의 기타 특징 및 이점 등은 첨부도면과 관련해서 취한 이하의 설명으로부터 명백해질 것이며, 첨부도면 전체를 통해서, 유사한 참조부호는 동일 또는 마찬가지 부분을 가리킨다.
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 의한 반도체 디바이스의 해석장치의 전체블록도
도 2는 본 발명의 일실시형태에 의한 반도체 디바이스의 검사방법의 전체 순서도
도 3A 및 도 3B는 도 2에 표시한 검사방법에 의한 레이저 다이오드 디바이스의 전처리방법의 설명도
도 4는 화합물 반도체 레이저 다이오드 디바이스의 외관도
도 5는 화합물 반도체 레이저 다이오드의 종래의 검사방법의 설명도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 레이저 다이오드 칩 2: 서브마운트
3: 스템 4: 포토다이오드
5: 캡 6, 6a: 상부전극
7: 하부전극 8: 발진기
9a, 9c: 애노드 11: 레이저광 발생기/주사기
12: 현미경 13: 레이저광
19a: 애노드 19b: 캐소드
21: 시료지지대 22: 전압공급부
23: 전류변화 검출기/증폭기 24: 온도제어기
25: 열매체용 파이프 31: 제어기
32: CRT
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를, 첨부도면을 참조해서 설명한다.
(실시형태 1)
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 반도체 디바이스의 내부결함 해석장치의 전체 구성개념도이다.
시료지지대(21)는 시료로 되는 반도체 디바이스를 설치하는 지지대이다. 시료지지대(21) 위에는, 화합물 반도체 레이저 다이오드 칩(1), 서브마운트(2) 및 스템(3)을 일체로 탑재해서, 고정한다.
레이저 다이오드 칩(1)의 상부면 및 하부면에는, 각각 상부전극(6a)과 하부전극이 설치되어 있고, 이들 전극은 애노드(9a) 및 캐소드(9b)와 각각 접속되어 있다. 애노드(9a) 및 캐소드(9b)의 타단부는, 전류변화 검출기/증폭기(23)와 접속되어 있다. 전류변화 검출기/증폭기(23)는, 각종 점에 레이저광(13)을 조사한 순간의 레이저 다이오드 칩(1)의 내부에 발생하는 전류의 변화를 검출하여, 증폭한다.
시료지지대(21)에는, 레이저 다이오드 칩(1)에 전압을 공급하는 전압공급부 (22)가 접속되어 있다. 또, 시료지지대(21)에는, 레이저 다이오드 칩(1)의 온도를 제어하기 위한 온도제어기(24)가, 열매체용 파이프(25)를 개재해서 접속되어 있다.
시료지지대(21) 위에는, 레이저광(13)을 발생시켜, 레이저 다이오드 칩(1)에 주사시키는 레이저광 발생기/주사기(11)가 설치되어 있다. 또, 레이저광 발생기/주사기(11)와 시료지지대(21)와의 사이에는, 레이저광(13)의 광속을 조이기 위한 현미경(12)이 설치되어 있다. 레이저광 발생기/주사기(11) 및 현미경(12)은, 레이저 다이오드 칩(1)의 주로 발진기(8)의 주변부를 상부면으로부터 수직방향으로 관찰할 수 있도록 설치되어 있다.
제어기(31)는, 레이저광 발생기/주사기(11), 전류변화 검출기/증폭기(23) 및 온도제어기(24)에 접속되어 있어, 레이저광(13)의 주사위치, 레이저 다이오드 칩(1)의 전류변화, 레이저 다이오드 칩(1)에 인가된 온도, 전압 등의 정보를 수취하고, 이 정보를 처리·기억한다. 제어기(31)는 또 관측결과를 위치와 휘도의 정보로 변환해서 표시하는 CRT(32)와도 접속되어 있고, 필요에 따라서 처리·기억한 결과를 CRT(32)에 송출한다.
다음에, 본 실시형태에 의한 레이저 다이오드 칩(1)의 검사방법을 설명한다. 도 2는 그의 전체 순서를 개략적으로 표시한 도면이다.
먼저, 레이저 다이오드 칩(1)의 처리를 수행한다(스텝 51). 해당 처리의구체적인 내용을, 도 3A 및 도 3B를 이용해서 이하에 설명한다. 도 3A는 처리전의 레이저 다이오드 칩(1)의 외관도이고, 도 3B는 처리후의 레이저 다이오드 칩(1)의 외관도이다. 도 3A에 표시한 바와 같이, 레이저 다이오드 칩(1)의 표면에는 상부전극(6)이, 그 이면에는 하부전극(7)이 설치되어 있다. 이들 전극은 애노드 (9a) 및 캐소드(9b)로부터 수치한 전압을, 레이저 다이오드 칩(1)에 인가하는 기능을 지니고 있다. 이 처리에서는, 먼저 상부전극(6)을 화학적 또는 물리적 수단에 의해서 제거한다. 제거하는 이유는, 레이저 다이오드 칩(1)의 상부면으로부터 광 (13)을 조사할 경우, 상부전극(6)이 존재하면 발진기(8)에의 조사가 유효하게 행해지지 않기 때문이다. 상부전극(6)은 레이저 다이오드 칩(1)의 검사시에, 레이저 다이오드 칩(1)의 전류변화를 검출해서, 전류변화 검출기/증폭기(23)에 송신하는 전극으로서 이용하므로, 주된 검사영역인 발진기(8)의 근방에 있는 상부전극(6)만을 제거하는 것이 효율적이다. 도 3B에는, 제거한 후의 상부전극을 상부전극(6a)으로서 표시하고 있다. 상부전극(6)의 전체를 제거한 경우에는, 새로운 상부전극 (6a)을 설치할 필요가 있다. 이 경우, 상부전극(6a)은, 상기 이유에 의해, 레이저광(13)의 발진기(8)에의 조사에 방해가 없는 위치에 설치한다. 또, 애노드(9a)가 상부전극(6)과 함께 제거된 경우에는, 조사에 방해되지 않는 위치에 새로운 애노드(9c)를 설치한다.
지금까지는, 상부전극(6)쪽을 레이저광(13)으로 조사하는 경우에 대해서 설명하였으나, 하부전극(7)쪽을 레이저광(13)으로 조사하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 상술한 처리를 하부전극(7)에 대해서 행하면 된다.
다음에, 레이저 다이오드 칩(1)이 장착된 시료를 시료지지대(21)에 설치한다 (스텝 52). 레이저 다이오드 칩(1)은, 외부로부터의 레이저광(13)을 칩내부의 발진기(8)의 길이방향에 대해서 수직으로 조사할 수 있도록 위치결정한다.
또, 상부전극(6a) 및 하부전극(7)을, 애노드(9a) 및 캐소드(9b)를 개재해서 전류변화 검출기/증폭기(23)에 접속한다(스텝 52).
이상부의 검출감도를 높이기 위해서는, 순바이어스나 역바이어스를 인가하는 것이 유효하므로, 전압공급부(22)로부터 레이저 다이오드 칩(1)에 전압을 인가한다 (스텝 53). 또, 마찬가지 방법으로 이상부의 검출감도를 높일 목적으로, 온도제어기(24)에 의해서 레이저 다이오드 칩(1)의 온도를 제어한다(스텝 54). 열기전력 전류는 시료의 온도에 의존하므로, 온도제어기(24)가, 레이저 다이오드 칩(1)의 온도를 열기전력전류의 발생효율이 최대치로 되도록 제어함으로써, 보다 신뢰성이 높은 검사를 실시하는 것이 가능해진다.
다음에, 레이저 다이오드 칩(1)에 레이저광(13)을 주사하면서 조사한다(스텝 55). 조사하는 레이저광(13)은, 광여기전류인 OBIC전류의 발생을 최소로 억제하기 위해서, 피관측대상물인 레이저 다이오드 칩(1)의 밴드갭보다도 낮은 에너지(긴 파장)을 지니는 동시에, 레이저 다이오드 칩(1)을 투과하는 데 충분한 에너지(짧은 파장)를 지니고 있다.
레이저 다이오드 칩(1)에 결함 등의 이상부가 있으면, 레이저광(13)의 조사에 의한 제벡효과(Seebeck)에 의해, 열기전력 전류가 발생한다. 제벡효과란, 2종류의 금속 등으로 구성한 폐회로의 2접점간에 온도차가 있으면, 기전력이 생겨 전류가 흐르는 현상을 말한다. 결정결함 등의 이상이 물성이나 조성이 일부 다른 개소는, 열전도나 열전력이 주위와 다르므로, 주변과 비교해서, 저항이 증대 또는 감소하여, 열기전력에 차가 생긴다. 그 결과, 정상부인 주위와 비교해서 전류가 변화한다. 발생한 전류는, 상부전극(6a) 및 하부전극(7)으로부터 애노드(9a) 및 캐소드(9b)를 경유해서 전류변화 검출기/증폭기(23)에 송출되어, 적절하게 증폭된다(스텝 56). 증폭된 미소전류는, 각종 주사점에서의 레이저광(13)의 체류시간동안 평균화해서, 전압으로 변환하고(스텝 57), 그것을 더욱 A/D변환해서, 주사위치에 대응한 제어기(31) 내부에 있는 메모리에 기록한다(스텝 58). 미리 설정된 주사범위의 주사가 종료한 것을 확인한 후(스텝 59), 레이저광(13)의 조사를 종료한다.
또, 애노드(9c)와 캐소드(9b) 사이의 전류를 측정하는 대신에, 애노드(9c)와 캐소드(9b) 사이의 전압을 직접 측정하는 것도 가능하다.
제어기(31)는, 또 메모리내의 각 주사점에 대응하는 전압치를 휘도신호로 변환하고, 주사점의 데이터와 함께 CRT(32)에 송출한다. CRT(32)는 그 데이터를 화면상에 2차원적으로 표시한다(스텝 60). 이것에 의해서, 레이저광 주사에 의한 조사개소(이상부의 유무)에 의한 전류의 변화에 대응한 콘트라스트의 변화가 관측될 수 있다. 휘도외에, 의사(pseudo) 컬러(예를 들면, 256계조 표시)를 이용하는 것도 가능하다.
또, 이제까지는, 화합물 반도체 레이저 다이오드 칩의 결정구조의 결함을 검지할 경우의 적용예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 본 실시예로 한정되지 않고, 다른 반도체 디바이스에도 적용할 수 있다. 또, 레이저광 이외에도, 전자선이나 이온빔 등의 양자빔을 이용해서 검사하는 경우에도 유효하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 화합물 반도체 레이저 다이오드 칩 등의 반도체 디바이스에 내재하고 있는 결정결함이나, 전기적인 스트레스에 의해 초래되는 결정파괴를 정밀도 좋게 검출하는 것이 가능하다. 또, 본 발명에서는, 반도체 디바이스로서 제품화된 후, 시장에서 고장난 디바이스에 대해서도 칩에 내재하고 있던 결정결함을 검출하는 것이 가능하며, 이것에 의해 원인규명 및 효과적인 대책을 취하는 것도 가능해진다.

Claims (10)

  1. 반도체 디바이스의 칩에, 해당 칩의 결정 내부를 투과하고, 또 여기에 의한 기전력을 발생시키지 않는 파장을 지닌 양자빔을 주사하면서 조사하는 공정과;
    상기 조사에 의해 상기 칩의 결정이상부에 발생하는 열기전력을, 상기 칩의 애노드와 캐소드와의 사이에 나타나는 전압 또는 전류의 변화로부터 검출해서 표시하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 검사방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 표시는, 상기 양자빔의 조사위치와, 해당 조사위치에 대응하는 상기 전압 또는 전류의 변화와의 관계를 화면(screen)에 표시함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 검사방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전압 또는 전류의 변화를 검출할 때에, 상기 칩의 상기 애노드와 상기 캐소드와의 사이에 순바이어스 또는 역바이어스를 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 검사방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 전압 또는 전류의 변화를 검출할 때에, 상기 전류의 발생이 대략 최대화하는 온도로 상기 칩의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 검사방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 디바이스는, 반도체 레이저 다이오드 디바이스인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 검사방법.
  6. 반도체 디바이스의 칩에, 해당 칩의 결정 내부를 투과하고, 또 여기에 의한 기전력을 발생시키지 않는 파장을 지닌 양자빔을 주사하면서 조사하는 조사수단과;
    상기 조사에 의해 상기 칩의 결정이상부에 발생하는 열기전력을, 상기 칩의 애노드와 캐소드와의 사이에 나타나는 전압 또는 전류의 변화로부터 검출해서 표시하는 표시수단을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 검사장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 표시수단은, 상기 양자빔의 조사위치와, 해당 조사위치에 대응하는 상기 전압 또는 전류의 변화와의 관계를 화면에 표시하는 수단인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 검사장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 전압 또는 전류의 변화를 검출할 때에, 상기 칩의 상기 애노드와 상기 캐소드와의 사이에 순바이어스 또는 역바이어스를 인가하는 수단을 또 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 검사장치.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 전압 또는 전류의 변화를 검출할 때에, 상기 전류의 발생이 대략 최대화하는 온도로 상기 칩의 온도를 제어하는 수단을 또 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 검사장치.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 반도체 디바이스는, 반도체 레이저 다이오드 디바이스인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 검사장치.
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