TWI247905B - Method and apparatus for inspecting semiconductor device - Google Patents

Description

1247905 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明關於觀察、分析、檢測晶體缺陷的方法和設 備’最好可用於半導體裝置（尤指化合物半導體雷射二極 體裝置）之電應力等所造成之內部晶體缺陷或接面破裂的 分析和檢測。 【先前技術】 如圖4，一般半導體雷射二極體裝置包括雷射二極體 晶片1、安裝雷射二極體晶片1的次載具2、形成一體的 底座3、偵測光輸出的光二極體4、密封玻璃窗帽蓋5、 將電壓施於雷射二極體晶片1的陽極1 9a、陰極1 9b等。 雷射二極體晶片1通常有幾種半導體的疊層結構。如圖 5，雷射二極體晶片1裝有振盪器8以俘獲雷射光並由共 振放大雷射光，振盪器8由部分的疊層半導體構成。再 者，陽極1 9a、陰極1 9b的一端接到雷射二極體晶片1， 將電壓施於雷射二極體晶片1。許多技術傳統上開發給此 化合物半導體雷射二極體（下文稱爲雷射二極體）的故障 分析和檢測。 首先，已知近場圖形（NFP)觀察法，使用紅外線相機 等在雷射光發射位置二維捕捉雷射二極體晶片1之端面的 發光狀態，觀察發光形式，比較符合產品以判定異常 (Minoru Konuma 編著「Insight Into Semiconductor Laser」 ，Mitsuyoshi Shibata，第二版）。 (2) 1247905 但由於NFP觀察法只觀察反射雷射束的端面，故只 可測到端面上之做爲光資訊之COD (光破壞）的破壞痕 跡。因此，難以檢查晶片內之諸如晶體缺陷的異常。 再者，也有稱爲「條紋觀察法」之觀察振盪器8之發 光狀態的分析檢測法。使用圖5解釋使用此技術的檢測 法。首先，爲從雷射二極體晶片1的頂面可觀察縱向的整 個振盪器8，化學性或機械式除去截斷光透射的上電極 6。圖5顯示部分除去的上電極6。當整個表面除去時， 新電極形成於不妨礙振盪器8之觀察的位置。然後，在此 情況，電壓從電壓供應器1 22施於雷射二極體晶片1的陽 極9a與陰極9b間。上電極6和雷射二極體晶片1下的下 電極7分別接到陽極9a和陰極9b，因此電流產生於雷射 二極體晶片1，振盪器8開始發光。使用紅外線相機1 〇 1 等觀察發條紋光的振盪器8，此狀態與符合產品比較以觀 察異常。 條紋觀察法另包含CL觀察法，經由振盪器8的陰極 發光（CL)，化學性或機械式從晶片內的振盪器8除去部分 至晶片外表面，直到厚度降至電子束通過並看到晶體缺陷 的程度。解釋此原理。當電子束直接照在雷射二極體晶片 1的振盪器8時，電子被樣本散射並失去能量。部分的此 能量激勵共價鍵，產生電子和電洞對。電子和電洞在樣本 散射，在某些位置復合，此時發光。此發光反映缺陷區的 鍵結構，藉以產生與其他正常區之發光強度和頻譜形狀的 差異，找出此差異可識別缺陷。 -5- (3) 1247905 依據條紋觀察法，有諸如晶體缺陷和振盪器破裂的異 常時，這些區域在許多情形成爲非發光部，可識別異常 區。但由於發光無方向性，故非發光區與發光區的邊界模 糊’特別在微異常區的情形，因來自周邊區之光的模糊而 測不到這些區域。再者，發自振盪器的紅外線在通過晶片 的其他部分後看到，但可見光幾乎不透射，因此不能從外 部得到振盪器層的物理資訊。因此，即使有（異常區）， 也只能識別該區域，而不能如同雷射二極體晶片判定該部 分的物理條件。 由於電子束用於CL觀察法，故在真空不需進行觀 察。再者，晶體缺陷的偵測精密度雖優良，但須將振盪器 厚度降至約數微米，因而電子束可照在振盪器，在樣本處 理中需要高精密加工和時間。此外，如同在可見光的情 形，只能得到裝置表面（約1微米深）之形式和條件的資 訊，不能得到晶片內部的資訊（參考：「Insight Into Semiconductor Laser」，Mitsuyoshi Shibata，第二版， 11 1 頁）。 至於可用於半導體積體電路晶片之故障分析和檢測的 方法，已知OBIC (光束感應電流）法和OBIRCH (光束 感應電阻改變）法。 OBIC法是使用光照在Si半導體裝置之共價鍵與導電 鍵間的轉移所造成之電子和電洞對產生所引起之光激勵電 流的分析和檢測法，其波長的能量大於靶裝置的能隙。例 如，在Si半導體的情形，使用63 3 nm波長的He-Ne雷射 (4) 1247905 光，有效產生光激勵電流的OBIC電流以偵測缺陷區。 · OBIRCH法以做爲可見光的雷射光掃瞄並照射半導體 · 積體電路的內部交互接線並加熱，偵測經由照射之溫升所 造成的電阻改變及流經接線之電流的改變，偵測接線的缺 · 陷（USP 5422498 和 5 804980 ) ° 但OBIC法是觀察光激勵電流的檢測法，其波長的能 量大於Si半導體的帶隙能量。所用的雷射束是63 3 nm H^Ne雷射，問題是可用的光波長有限。 φ OBIRCH法在無接線的區域（如雷射二極體晶片內） 不能偵測晶體缺陷 【發明內容】 本發明關於觀察、分析、檢測晶體缺陷的方法和設 備，最好可用於半導體裝置（尤指化合物半導體雷射二極 體裝置）之電應力等所造成之內部晶體缺陷或接面破裂的 分析和檢測。 _ 本發明關於檢測方法或檢測設備，包括下列步驟：以 穿透晶片之晶體內部的量子束掃瞄並照射諸如化合物半導 體雷射的半導體裝置晶片，其波長不由激勵產生電動勢； 從出現在晶片陽極與陰極間的電壓或電流改變，經由照射 偵測產生於晶片之晶體異常區的熱電動勢。 ^ 從以下說明並配合附圖，凸顯本發明的其他特性和優 - 點，圖中相同參考字元代表相同或類似組件。 (5) 1247905 【實施方式】 依據附圖詳述本發明較佳實施例。 (實施例1 ) 圖1是本發明實施例之半導體裝置內部缺陷分析設備 的整體組態觀念圖。 樣本支架2 1上安裝做爲樣本的半導體裝置。化合物 半導體雷射二極體晶片1、次載具2、底座3裝在樣本支 架21上，固定成一體。 上電極6 a和下電極分別設在雷射二極體晶片1的頂 面和底面，這些電極分別接到陽極9a和陰極9b。陽極9a 和陰極9b的另一端接到電流改變偵測器/放大器23。雷射 光1 3照在各點時，電流改變偵測器/放大器23偵測並放 大產生於雷射二極體晶片1內之電流的改變。 將電壓送到雷射二極體晶片1的電壓供應器22接到 樣本支架21。再者，控制雷射二極體晶片1之溫度的溫 度控制器24經由熱介質管25接到樣本支架2 1。 產生雷射光1 3並掃瞄雷射二極體晶片1的雷射光產 生器/掃瞄器U設在樣本支架21上。再者，弄窄雷射光 1 3之光通量的顯微鏡1 2設在雷射光產生器/掃瞄器1 1與 樣本支架21間。雷射光產生器/掃瞄器1 1和樣本支架21 主要從頂面在垂直方向觀察雷射二極體晶片1之振盪器8 的周邊區。 控制器3 1接到雷射光產生器/掃瞄器1 1、電流改變偵 -8 - (6) l2479〇5 _器/放大器23、溫度控制器24，接收雷射光1 3之掃瞄 位置、雷射二極體晶片1之電流改變、施於雷射二極體晶 ^ 1之溫度和電壓等的資訊，處理並儲存資訊。控制器 3 1也接到顯示轉換成位置和亮度之資訊之觀察結果的 32，將處理和儲存的結果送到CRT 32。 然後，解釋此實施例之雷射二極體晶片1的檢測法。 _ 2顯示整體流程。 首先，進行雷射二極體晶片1的處理（步驟5 1 )。 以下使用圖3A和3B解釋處理的特定內容。圖3A是處理 前之雷射二極體晶片1的外視圖，圖3 B是處理後之雷射 =極體晶片1的外視圖。如圖3 A，上電極6設在雷射二 極體晶片1的表面上，下電極7設在背面上。這些電極設 有將收自陽極9a和陰極9b之電壓施於雷射二極體晶片1 的功能。處理中，化學或物手段先除去上電極6。除去的 理由是雷射光1 3從頂面照在雷射二極體晶片1時，上電 極6的存在妨礙對振盪器8的有效照射。上電極6在雷射 二極體晶片1的檢測時做爲偵測雷射二極體晶片1之電流 改變的電極，送到電流改變偵測器/放大器2 3，因此只有 效除去接近振盪器8的上電極6。圖3 B顯示除去的上電 極做爲上電極6a。當整個上電極6除去時，須提供新的 上電極6a。在此情形，上電極6a設在不干擾雷射光1 3 照射振盪器8的位置。再者，當陽極9a與上電極6 —起 除去時，新陽極9 c設在不干擾照射的位置。 已解釋以雷射光1 3照射上電極6的情形，但也能以 -9- 1247905 (7) 雷射光1 3照射下電極7 °在此情形’上述處理可用於下 電極7。 然後，裝有雷射二極體晶片1的樣本置於樣本支架 2 1上（步驟5 2 )。定位雷射二極體晶片1，使得來自外 部的雷射光1 3可照射垂直於晶片內之振盪器8的縱向。 再者，上電極6a和下電極7經由陽極9a和陰極9b 接到電流改變偵測器/放大器23 (步驟52 )。 由於施加正向偏壓或逆向偏壓有效增加異常部偵測靈 敏度，故電壓從電壓供應器22施於雷射二極體晶片1 (步驟53)。再者，爲增加異常部偵測靈敏度，溫度控 制器24控制雷射二極體晶片1的溫度（步驟54 )。由於 熱電動勢電流取決於樣本溫度，故溫度控制器24控制雷 射二極體晶片1的溫度，使得熱電動勢電流的產生效率到 達最大，能以較高可靠度檢測。 然後，以雷射光1 3掃瞄並照射雷射二極體晶片1 (步驟5 5 )。爲將光激勵電流之〇 B I C電流的產生抑制到 最小’照射之雷射光1 3的能量低於要觀察之雷射二極體 晶片1的帶隙（較長波長），同時能量足以穿過雷射二極 體晶片1 (短波長）。 在雷射一極體晶片1有諸如缺陷的異常部時，熱電動 勢電流因雷射光13之照射所造成的Seebeck效應而產 生。Seebeck效應的現象是在二種金屬等組成之閉路的二 接點間有溫差時，產生電動勢使電流流動。在物性和成分 因諸如晶體缺陷的異常而部分不同的區域，熱導和熱電功 -10- (8) 1247905 率異於周邊，因此其電阻比周邊增加或減少，差異產生於 · 熱電動勢。結果，電流異於正常部的周邊。產生的電流從 - 上電極6a和下電極7經由陽極9c和陰極9b送到電流改 · 變偵測器/放大器23並放大（步驟5 6 )。放大的電流在各 - 種掃瞄點於雷射光1 3的駐留時間中平均，轉換成電壓 (步驟5 7 )，再a/d轉換並記錄在對應於掃瞄位置之控 制器3 1內的記憶體（步驟5 8 )。確認預設掃瞄範圍的掃 目田兀成後（步驟5 9 )，完成雷射光1 3的照射。 不測量陽極9c與陰極9b間的電流，也可直接測量陽 極9c與陰極9b間的電壓。 控制器3 1進一步將對應於記億體之各掃瞄點的電壓 値轉換成亮度信號，與掃瞄點資料一起送到CRT 3 2。CRT 32在螢幕上二維顯示資料（步驟60)。藉由要觀察之雷 射光的掃瞄，根據照射位置（異常部存在與否），容許對 應於電流改變的對比改變。除了亮度，也可使用假色（例 如2 5 6階顯示）。 籲 已解釋偵測化合物半導體雷射二極體晶片結晶結構缺 陷的應用例，但本發明不限於此實施例，也可用於其他半 導體裝置。除了雷射光，使用諸如電子束或離子束的量子 束來檢測時，本發明也有效。 如上述，本發明可準確偵測電應力所造成的晶體破裂 - 和諸如化合物半導體雷射二極體晶片之半導體裝置內的晶 / 體缺陷。本發明也可偵測市面上之裝置晶片內的晶體缺 ’ 陷，藉以找出原因並採取有效措施。 ^ -11 - (9) 1247905 【圖式簡單說明】 圖1是本發明實施例之半導體裝置分析設備的整體方 塊圖； 圖2是本發明實施例之半導體裝置檢測法的整體流程 圖；

圖3 A和3 B顯示圖2之檢測法之雷射二極體裝置的 預處理法； 圖4是化合物半導體雷射二極體裝置的外視圖； 圖5顯示化合物半導體雷射二極體的傳統檢測法。 【主要元件符號說明】 1 雷射二極體晶片 2 次載具 3 底座 4 光二極體 5 帽蓋 1 9 a陽極 19b陰極 8 振盪器 6 上電極 122電壓供應器 9a 陽極 9b 陰極 -12- (10) ^ 1247905 7 下電極 I 0 1紅外線相機 _ 21 樣本支架 ~ 6 a 上電極 - 23 電流改變偵測器/放大器 13 雷射光 22 電壓供應器 24溫度控制器 籲 25 熱介質管 II 雷射光產生器/掃瞄器 12 顯微鏡 3 1控制器 * 3 2 CRT 9 c 陽極 -13-

Claims (1)

1247905 拾、申請專利範圍 第93 1 1 83 69號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國94年8月1 1日修正 1 . 一種檢測半導體裝置的方法，包括下列步驟： 以穿透晶片之晶體內部且波長不因激勵而產生電動勢 的量子束掃瞄並照射半導體裝置的晶片； 從出現在該晶片陽極與陰極間的電壓或電流改變，偵 測並顯示該晶片之晶體異常部由該照射所產生"的熱電動 勢。 2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中在螢幕上顯 示該量子束照射位置與對應於照射位置之該電壓或電流改 變的關係，來進行該顯示。 3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中偵測該電壓 或電流改變時，正向偏壓或逆向偏壓施於晶片陽極與陰極 間。 4 ·如申請專利範圍第1項的方法，其中偵測該電壓 或電流改變時，該晶片溫度會被控制在所產生之該電流實 質上最大化的溫度。 5 .如申請專利範圍第1項的方法，其中該半導體裝 置是半導體雷射二極體裝置。 6 . —種檢測半導體裝置的設備，包括： 照射機構，以穿透晶片之晶體內部且波長不因激勵而 產生電動勢的量子束掃瞄並照射半導體裝置的晶片， 1247905 顯示機構，從出現在該晶片陽極與陰極間的電壓或電 流改變，偵測並顯示該晶片之晶體異常部由該照射所產生 的熱電動勢。 7. 如申請專利範圍第6項的設備’其中該顯不機構 在螢幕上顯示該量子束照射位置與對應於該照射位置之該 電壓或電流改變的關係。 8. 如申請專利範圍第6項的設備，另包括偵測該電 壓或電流改變時在該晶片的該陽極與該陰極間施加正向偏 壓或逆向偏壓的機構。 9 ·如申請專利範圍第6項的設備，另包括偵測該電 ^ Bt/ >=13. β電流改變時將該晶片溫度會被控制在所產生之該電流 g上最大化之溫度的機構。 1〇·如申請專利範圍第6項的設備，其中該半導體裝 %半導體雷射二極體裝置。

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