特許 6954775 デバイス解析装置及びデバイス解析方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6954775

(24)【登録日】2021年10月4日

(45)【発行日】2021年10月27日

(54)【発明の名称】デバイス解析装置及びデバイス解析方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/26 20200101AFI20211018BHJP

   G01R 31/00 20060101ALI20211018BHJP

【ＦＩ】

   G01R31/26 B

   G01R31/00

【請求項の数】13

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-127304(P2017-127304)

(22)【出願日】2017年6月29日

(65)【公開番号】特開2019-11968(P2019-11968A)

(43)【公開日】2019年1月24日

【審査請求日】2020年3月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(72)【発明者】

【氏名】松本 徹

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 幸一

(72)【発明者】

【氏名】中村 共則

(72)【発明者】

【氏名】越川 一成

【審査官】 島▲崎▼ 純一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−１９４４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３１８０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２３２５５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０６６２６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５１０７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−３１５４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１２００７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２３６１２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第６６０５９５１（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許第０４６８０６３５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第６３４６８２１（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 国際公開第２０１４／１２９３７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２７１３０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３１／２６

Ｇ０１Ｒ ３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パワー半導体デバイスの良否判別を実行するデバイス解析装置であって、
前記パワー半導体デバイスに電圧信号を印加する印加部と、
前記パワー半導体デバイスからの光を複数の検出位置で検出し、検出結果に基づく検出信号を出力する光検出部と、
前記検出信号の時間変化に基づいて前記パワー半導体デバイスの良否を判別する判別部と、を備え、
前記検出信号の時間変化同士を比較する比較部を更に備え、
前記判別部は、前記比較部での比較結果に基づいて前記パワー半導体デバイスの良否を判別するデバイス解析装置。

【請求項2】

前記光検出部は、前記パワー半導体デバイスの周辺部を含む複数の検出位置で前記パワー半導体デバイスからの光を検出する請求項１記載のデバイス解析装置。

【請求項3】

前記光検出部は、前記パワー半導体デバイスからの光を前記複数の検出位置で同時に検出する請求項１又は２記載のデバイス解析装置。

【請求項4】

前記光検出部は、前記パワー半導体デバイスからの光を前記複数の検出位置で個別に検出する請求項１〜３のいずれか一項記載のデバイス解析装置。

【請求項5】

前記印加部は、アバランシェ降伏を生じさせる電圧信号を前記パワー半導体デバイスに印加する請求項１〜４のいずれか一項記載のデバイス解析装置。

【請求項6】

前記光検出部は、前記アバランシェ降伏に起因して前記パワー半導体デバイスで生じた発光を検出する請求項５記載のデバイス解析装置。

【請求項7】

前記光検出部の時間分解能は、１μｓ以下である請求項１〜６のいずれか一項記載のデバイス解析装置。

【請求項8】

パワー半導体デバイスの良否判別を実行するデバイス解析方法であって、
前記パワー半導体デバイスに電圧信号を印加する印加ステップと、
前記パワー半導体デバイスからの光を複数の検出位置で検出し、検出結果に基づく検出信号を出力する光検出ステップと、
前記検出信号の時間変化に基づいて前記パワー半導体デバイスの良否を判別する判別ステップと、を備え、
前記検出信号の時間変化同士を比較する比較ステップを更に備え、
前記判別ステップにおいて、前記比較ステップでの比較結果に基づいて前記パワー半導体デバイスの良否を判別するデバイス解析方法。

【請求項9】

前記光検出ステップにおいて、前記パワー半導体デバイスの周辺部を含む複数の検出位置で前記パワー半導体デバイスからの光を検出する請求項８記載のデバイス解析方法。

【請求項10】

前記光検出ステップにおいて、前記パワー半導体デバイスからの光を前記複数の検出位置で同時に検出する請求項８又は９記載のデバイス解析方法。

【請求項11】

前記光検出ステップにおいて、前記パワー半導体デバイスからの光を前記複数の検出位置で個別に検出する請求項８〜１０のいずれか一項記載のデバイス解析方法。

【請求項12】

前記印加ステップにおいて、アバランシェ降伏を生じさせる電圧信号を前記パワー半導体デバイスに印加する請求項８〜１１のいずれか一項記載のデバイス解析方法。

【請求項13】

前記光検出ステップにおいて、前記アバランシェ降伏に起因して前記パワー半導体デバイスで生じた発光を検出する請求項１２記載のデバイス解析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、デバイス解析装置及びデバイス解析方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電力変換等に用いられるパワー半導体デバイスでは、大電流かつ高耐圧駆動下での信頼性向上が課題となっている。パワー半導体デバイスの信頼性向上には、素子が破壊に至る前の動作解析が重要となる。かかるパワー半導体デバイスの動作解析を実施するための技術として、例えば非特許文献１に記載のＩＧＢＴのアバランシェ発光解析方法がある。

【0003】

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）は、電界効果トランジスタの一つであるＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor）のドレイン（ｎ型）にｐ型層を追加した構造をなし、特にパワースイッチング用の素子として広く用いられる素子である。非特許文献１では、アバランシェ現象に起因する電流不均一及び電流集中による素子破壊に着目し、ストリークカメラを用いてアバランシェ現象に伴う発光をパワー半導体デバイスの側面で観察している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Tomoko Matsudai et.al., “Direct Photo Emission Monitoring for HighPower IGBT during Avalanche Operation” The 36th NANO Testing Symposium, 9-11Nov. 2016

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述した非特許文献１の手法では、スリットを介してパワー半導体デバイスのチップの側面からの発光をストリークカメラで観察している。このため、アバランシェ現象に伴う発光の観察が１次元的な変化に限定されるという制約がある。したがって、素子が破壊に至る前の動作解析によってパワー半導体デバイスの良否判別を精度良く実施するためには、素子の挙動を示す情報をより多く取得する必要がある。また、パワー半導体デバイスのチップ内での２次元位置を特定するには、複数のストリークカメラを用いて検出したデータより推定する必要がある。

【0006】

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、素子が破壊に至る前の動作解析によってパワー半導体デバイスの良否判別を精度良く実施できるデバイス解析装置及びデバイス解析方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一側面に係るデバイス解析装置は、パワー半導体デバイスの良否判別を実行するデバイス解析装置であって、パワー半導体デバイスに電圧信号を印加する印加部と、パワー半導体デバイスからの光を複数の検出位置で検出し、検出結果に基づく検出信号を出力する光検出部と、検出信号の時間変化に基づいてパワー半導体デバイスの良否を判別する判別部と、を備える。

【0008】

このデバイス解析装置では、パワー半導体デバイスに電圧信号を印加する。そして、パワー半導体デバイスからの光を複数の検出位置で検出し、検出信号の時間変化に基づいてパワー半導体デバイスの良否を判別する。一般に、パワー半導体デバイスでは内部構造が一様となっている。このため、正常なパワー半導体デバイスでは、複数の検出位置での検出信号の時間変化が揃うが、異常なパワー半導体デバイスでは、複数の検出信号の時間変化にばらつきが生じる。したがって、複数の検出位置での検出信号の時間変化を参照することで、素子が破壊に至る前の動作解析によってパワー半導体デバイスの良否判別を精度良く実施できる。

【0009】

また、検出信号の時間変化と予め設定された閾値とを比較する比較部を更に備え、判別部は、比較部での比較結果に基づいてパワー半導体デバイスの良否を判別してもよい。この場合、複数の検出信号の時間変化を定量的に比較できる。したがって、パワー半導体デバイスの良否の判別をより精度良く実施できる。

【0010】

また、検出信号の時間変化同士を比較する比較部を更に備え、判別部は、比較部での比較結果に基づいてパワー半導体デバイスの良否を判別してもよい。この場合、複数の検出信号の時間変化を定量的に比較できる。したがって、パワー半導体デバイスの良否の判別をより精度良く実施できる。

【0011】

また、光検出部は、パワー半導体デバイスの周辺部を含む複数の検出位置でパワー半導体デバイスからの光を検出してもよい。パワー半導体デバイスの周辺部は、グラウンド電位となるガードリングが配置され、電界が集中し易い部位である。このため、パワー半導体デバイスの周辺部で検出を行うことで、強度の高い光を検出することが可能となり、電圧信号の印可による光の検出を容易に実施できる。

【0012】

また、光検出部は、パワー半導体デバイスからの光を複数の検出位置で同時に検出してもよい。この場合、複数の検出位置での光の検出を迅速に実施できる。

【0013】

また、光検出部は、パワー半導体デバイスからの光を複数の検出位置で個別に検出してもよい。この場合、光検出部の構成を簡単化できる。

【0014】

また、印加部は、アバランシェ降伏を生じさせる電圧信号をパワー半導体デバイスに印加してもよい。この場合、パワー半導体デバイスにおいて、アバランシェ降伏に起因する発光を生じさせることができる。

【0015】

また、光検出部は、アバランシェ降伏に起因してパワー半導体デバイスで生じた発光を検出してもよい。アバランシェ降伏に起因する発光の検出により、パワー半導体デバイスの良否に起因する検出信号の時間変化の差が顕著なものとなり、パワー半導体デバイスの良否の判別をより精度良く実施できる。

【0016】

また、光検出部の時間分解能は、１μｓ以下であってもよい。この場合、検出信号の時間変化を精度良く把握できる。

【0017】

また、本発明の一側面に係るデバイス解析方法は、パワー半導体デバイスの良否判別を実行するデバイス解析方法であって、パワー半導体デバイスに電圧信号を印加する印加ステップと、パワー半導体デバイスからの光を複数の検出位置で検出し、検出結果に基づく検出信号を出力する光検出ステップと、検出信号の時間変化に基づいてパワー半導体デバイスの良否を判別する判別ステップと、を備える。

【0018】

このデバイス解析方法では、パワー半導体デバイスに電圧信号を印加する。そして、パワー半導体デバイスからの光を複数の検出位置で検出し、検出信号の時間変化に基づいてパワー半導体デバイスの良否を判別する。一般に、パワー半導体デバイスでは内部構造が一様となっている。このため、正常なパワー半導体デバイスでは、複数の検出位置での検出信号の時間変化が揃うが、異常なパワー半導体デバイスでは、複数の検出信号の時間変化にばらつきが生じる。したがって、複数の検出位置での検出信号の時間変化を参照することで、素子が破壊に至る前の動作解析によってパワー半導体デバイスの良否判別を精度良く実施できる。

【0019】

また、検出信号の時間変化と予め設定された閾値とを比較する比較ステップを更に備え、判別ステップにおいて、比較ステップでの比較結果に基づいてパワー半導体デバイスの良否を判別してもよい。この場合、複数の検出信号の時間変化を定量的に比較できる。したがって、パワー半導体デバイスの良否の判別をより精度良く実施できる。

【0020】

また、検出信号の時間変化同士を比較する比較ステップを更に備え、判別ステップにおいて、比較ステップでの比較結果に基づいてパワー半導体デバイスの良否を判別してもよい。この場合、複数の検出信号の時間変化を定量的に比較できる。したがって、パワー半導体デバイスの良否の判別をより精度良く実施できる。

【0021】

また、光検出ステップにおいて、パワー半導体デバイスの周辺部を含む複数の検出位置でパワー半導体デバイスからの光を検出してもよい。パワー半導体デバイスの周辺部は、グラウンド電位となるガードリングが配置され、電界が集中し易い部位である。このため、パワー半導体デバイスの周辺部で検出を行うことで、強度の高い光を検出することが可能となり、電圧信号の印可による光の検出を容易に実施できる。

【0022】

また、光検出ステップにおいて、パワー半導体デバイスからの光を複数の検出位置で同時に検出してもよい。この場合、複数の検出位置での光の検出を迅速に実施できる。

【0023】

また、光検出ステップにおいて、パワー半導体デバイスからの光を複数の検出位置で個別に検出してもよい。この場合、光検出部の構成を簡単化できる。

【0024】

また、印加ステップにおいて、アバランシェ降伏を生じさせる電圧信号をパワー半導体デバイスに印加してもよい。この場合、パワー半導体デバイスにおいて、アバランシェ降伏に起因する発光を生じさせることができる。

【0025】

また、光検出ステップにおいて、アバランシェ降伏に起因してパワー半導体デバイスで生じた発光を検出してもよい。アバランシェ降伏に起因する発光の検出により、パワー半導体デバイスの良否に起因する検出信号の時間変化の差が顕著なものとなり、パワー半導体デバイスの良否の判別をより精度良く実施できる。

【0026】

また、光検出ステップにおいて、１μｓ以下の時間分解能で光を検出してもよい。この場合、検出信号の時間変化を精度良く把握できる。

【発明の効果】

【0027】

本発明によれば、素子が破壊に至る前の動作解析によってパワー半導体デバイスの良否判別を精度良く実施できる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】デバイス解析装置の一実施形態を示すブロック図である。

【図2】解析対象であるパワー半導体デバイスの構成例を示す模式図である。

【図3】（ａ）は、解析実行時のパワー半導体デバイスの等価回路図であり、（ｂ）は、電圧信号と電流波形との関係を示す図である。

【図4】光検出部の構成の一例を示す模式図である。

【図5】パワー半導体デバイスの検出位置を示す平面図である。

【図6】正常なパワー半導体デバイスの各検出位置における検出信号の各時間波形の一例を示す図である。

【図7】異常なパワー半導体デバイスの各検出位置における検出信号の各時間波形の一例を示す図である。

【図8】デバイス解析方法の一実施形態を示すフローチャートである。

【図9】比較部による検出信号の比較手法の別例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係るデバイス解析装置及びデバイス解析方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

【0030】

図１は、デバイス解析装置の一実施形態を示すブロック図である。図１に示すデバイス解析装置１は、素子が破壊に至る前の動作解析によってパワー半導体デバイスＰの良否判別を実行する装置である。解析対象であるパワー半導体デバイスＰとしては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が挙げられる。ＩＧＢＴは、電界効果トランジスタの一つであるＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor）のドレイン（ｎ型）にｐ型層を追加した構造をなしており、特にパワースイッチング用の素子として広く用いられる素子である。パワー半導体デバイスＰは、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ等であってもよい。

【0031】

パワー半導体デバイスＰは、例えば図２に示すように、Ｐコレクタ（Ｐ^＋基板）２を備えている。Ｐコレクタ２の一面側には、コレクタ電極３が形成されている。また、Ｐコレクタ２の他面側には、Ｎベース４と、ＩＧＢＴセル５と、エミッタ電極６と、ガードリング７とが形成されている。ＩＧＢＴセル５は、ゲート構造が設けられた部分である。また、ガードリング７は、グラウンド電位となる部分であり、平面視においてエミッタ電極６を取り囲むように環状に設けられている（図５参照）。

【0032】

図１に示すように、デバイス解析装置１は、駆動ステージ１１と、印加部１２と、光検出部１３と、撮像部１４と、照明部１５と、解析部１６とを備えて構成されている。駆動ステージ１１、光検出部１３、撮像部１４、及び照明部１５は、暗箱１７内に設置されている。

【0033】

駆動ステージ１１は、解析対象であるパワー半導体デバイスＰを移動させる。駆動ステージ１１は、パワー半導体デバイスＰを載置する載置面を有している。駆動ステージ１１は、解析部１６からの制御に基づいて、パワー半導体デバイスＰの検出位置が光検出部１３のプローブ２２（図４参照）の位置に一致するように、載置面の面内方向に駆動する。

【0034】

印加部１２は、パワー半導体デバイスＰに電圧信号を印加する。印加部１２としては、例えばパルスジェネレータを用いることができる。印加部１２は、パワー半導体デバイスＰに電気的に接続され、アバランシェ降伏を生じさせる電圧信号をパワー半導体デバイスＰに印加する。印加部１２は、パワー半導体デバイスへの電圧信号の印可のタイミングを示すトリガ信号を生成し、解析部１６に出力する。

【0035】

図３（ａ）は、解析実行時のパワー半導体デバイスの等価回路図である。また、図３（ｂ）は、電圧信号と電流波形との関係を示す図である。同図において、Ｖｇはゲート電圧、Ｖｃはトランジスタの電圧、Ｉｃはインダクタ電流を示す。同図の例では、非クランプ誘導性スイッチング（UIS: UnclampedInductive Switching）条件下で、パワー半導体デバイスＰに対し、矩形のパルス状に変調された正の電圧信号がゲート電圧として繰り返し印加される。Ｖｇの立ち上がりのタイミングでトランジスタがオンとなり、Ｖｃが負の値となると共に、コイルのインダクタンスの減少とともにＩｃが徐々に増加する。

【0036】

また、Ｖｇの立ち下がりのタイミングでトランジスタがオフとなり、Ｖｃが正の値になると共に、コイルのインダクタンスの増加とともにＩｃが徐々に減少する。Ｖｇとしてアバランシェ降伏を生じさせる電圧信号をパワー半導体デバイスＰに印加する場合、Ｉｃが徐々に減少する期間ｆがアバランシェ降伏期間である。期間ｆ内において、パワー半導体デバイスＰでは、アバランシェ降伏に起因した発光が生じる。アバランシェ降伏に起因した発光は、エミッタ電極６を取り囲むように環状に設けられたガードリング７の湾曲部分（図５参照）で最初に最も高い強度で生じる。その後、ガードリング７に沿って湾曲部分から直線部分に発光が移動する。

【0037】

光検出部１３は、パワー半導体デバイスＰからの光を複数の位置で検出し、検出結果に基づく検出信号を出力する。パワー半導体デバイスＰからの光には、パワー半導体デバイスＰ内で生じた発光以外に、パワー半導体デバイスＰで反射或いは散乱した光などが含まれ得る。光検出部１３は、例えば時間分解能が１μｓ以下の時間分解光検出器によって構成されている。アバランシェ降伏に起因した発光を検出する場合には、光検出部１３の時間分解能が１００ｎｓ〜１μｓ、波長域が２００ｎｍ〜２０００ｎｍであることが好適である。このような時間分解光検出器としては、例えばマイクロチャンネルプレート（MCP）、単一光子アバランシェダイオード（SPAD）、マルチチャンネル光電子増倍管（MCH-PMT）などの二次元検出器が挙げられる。

【0038】

また、光検出部１３は、パワー半導体デバイスＰからの光を複数の検出位置で同時に検出するため、図４に示すように、プローブ２２が接続されたポイント光検出器２１によって構成されていてもよい。ポイント光検出器２１としては、例えば光電子増倍管、超伝導単一光子検出器（SSPD）を用いることができる。プローブ２２は、ポイント検出器２１に対して光学的に接続された光ファイバ２３の先端にレンズ等の光学系２４を設けることによって構成されている。

【0039】

本実施形態では、図５に示すように、パワー半導体デバイスＰの他面側（エミッタ電極６の形成側）において、パワー半導体デバイスＰの周辺部を含む複数の検出位置が設定されている。より具体的には、パワー半導体デバイスＰの一面側において、各角部に対応する４つの検出位置Ａ〜Ｄが設定されている。検出位置Ａ〜Ｄのそれぞれは、エミッタ電極６を取り囲むように環状に形成されたガードリング７の湾曲部分を含む。また、４つの検出位置Ａ〜Ｄに対応して４体のポイント光検出器２１Ａ〜２１Ｄが配置されている。

【0040】

図４に示すように、４体のポイント光検出器２１の各プローブ２２の先端は、駆動ステージ１１の駆動により検出位置Ａ〜Ｄの直上に配置される。各プローブ２２は、各検出位置Ａ〜Ｄにおいてパワー半導体デバイスＰからのアバランシェ降伏に起因した発光をそれぞれ受光し、ポイント光検出器２１Ａ〜２１Ｄに導光する。ポイント光検出器２１Ａ〜２１Ｄは、プローブ２２から導光された光を検出し、検出結果に基づく検出信号を解析部１６に出力する。

【0041】

撮像部１４及び照明部１５は、パワー半導体デバイスＰの検出位置Ａ〜Ｄと光検出部１３のプローブ２２との位置合わせを行うための画像の取得に用いられる。撮像部１４としては、例えばＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラなどの二次元光検出器を用いることができる。また、照明部１５としては、例えばハロゲンランプを用いたファイバ照明、ＬＥＤなどを用いることができる。撮像部１４は、例えば一対のハーフミラー１８，１９を介し、プローブ２２の光軸と同軸でパワー半導体デバイスＰの一面側をモニタする。パワー半導体デバイスＰは、暗箱１７内において駆動ステージ１１上に載置されるため、撮像部１４によるモニタの際には照明光が必要となる。このため、照明部１５は、一対のハーフミラー１８，１９を介し、撮像部１４の観察軸と同軸でパワー半導体デバイスＰの他面側を照明光で照らすようになっている。

【0042】

解析部１６は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部、ディスプレイ等の表示部を備えたコンピュータによって構成されている。かかる解析部１６としては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。解析部１６は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより、印加部１２、駆動ステージ１１、撮像部１４、及び照明部１５の動作を制御する制御部３１として機能する。また、解析部１６は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより、比較部３２及び判別部３３として機能する。なお、解析部１６はマイコンやＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等によって構成されていてもよい。

【0043】

比較部３２は、光検出部１３によって取得された検出信号の時間変化を比較する。より具体的には、比較部３２は、ポイント光検出器２１Ａ〜２１Ｄからの検出信号と、印加部１２から出力されるトリガ信号とをそれぞれ受信する。比較部３２は、トリガ信号のタイミングを基準としてポイント光検出器２１Ａ〜２１Ｄからの検出信号の時間軸を一致させる。そして、比較部３２は、トリガ信号の受信時刻から検出信号の強度がピークとなる時刻までの時間（以下、ピーク出現時間と称す）を検出位置Ａ〜Ｄのそれぞれについて算出する。比較部３２は、各検出位置Ａ〜Ｄにおけるピーク出現時間の平均値を算出し、算出結果を示す情報を判別部３３に出力する。

【0044】

判別部３３は、比較部３２における比較結果に基づいてパワー半導体デバイスＰの良否を判別する。判別部３３は、正常なパワー半導体デバイスについて、各検出位置Ａ〜Ｄにおけるピーク出現時間の平均値が取り得る範囲を閾値として予め保有している。判別部３３は、比較部３２から各検出位置Ａ〜Ｄでのピーク出現時間の平均値の算出結果を示す情報を受け取ると、当該平均値と閾値とを比較し、比較結果に基づいてパワー半導体デバイスＰの良否を判別する。

【0045】

図６は、正常なパワー半導体デバイスの各検出位置における検出信号の各時間波形の一例を示す図である。解析対象であるパワー半導体デバイスＰでは、内部構造が一様となっている（図２参照）。このため、正常なパワー半導体デバイスでは、各検出位置Ａ〜Ｄでの検出信号の各時間変化が揃い、各検出信号のピーク出現時間ｔａ〜ｔｄがほぼ一致する。したがって、検出位置Ａ〜Ｄのピーク出現時間の平均値が閾値の範囲内となる。

【0046】

一方、図７は、異常なパワー半導体デバイスの各検出位置における検出信号の各時間波形の一例を示す図である。同図の例では、正常なパワー半導体デバイスとの対比のため、パワー半導体デバイスの一部を集束イオンビーム（ＦＩＢ）で切削して異常なパワー半導体デバイスを作成し、解析対象としている。この異常なパワー半導体デバイスでは、各検出位置Ａ〜Ｄでの検出信号の各時間変化にばらつきが生じ、各検出信号のピーク出現時間ｔａ〜ｔｄが広範となっている。したがって、検出位置Ａ〜Ｄのピーク出現時間の平均値が閾値の範囲外となる。

【0047】

次に、上述したデバイス解析装置１を用いたデバイス解析方法について説明する。図８は、デバイス解析方法の一実施形態を示すフローチャートである。

【0048】

同図に示すように、デバイス解析方法は、準備ステップ（ステップＳ０１）と、印加ステップ（ステップＳ０２）と、光検出ステップ（ステップＳ０３）と、比較ステップ（ステップＳ０４）と、判別ステップ（ステップＳ０５）とを備えている。

【0049】

準備ステップは、解析対象であるパワー半導体デバイスＰをデバイス解析装置１にセットするステップである。準備ステップでは、パワー半導体デバイスＰを暗箱１７内の駆動ステージ１１上に載置する。そして、照明部１５によってパワー半導体デバイスＰに照明光を照射しながら駆動ステージ１１を載置面の面内方向に駆動し、パワー半導体デバイスＰの検出位置Ａ〜Ｄを光検出部１３のプローブ２２の先端に対して位置合わせする。

【0050】

印加ステップは、パワー半導体デバイスＰに電圧信号を印加するステップである。印加ステップでは、アバランシェ降伏を生じさせる電圧信号がパワー半導体デバイスＰに印加される。また、パワー半導体デバイスＰへの電圧信号の印可のタイミングを示すトリガ信号が印加部１２で生成され、解析部１６に出力される。

【0051】

光検出ステップは、パワー半導体デバイスＰからの光を複数の検出位置で検出し、検出結果に基づく検出信号を出力するステップである。光検出ステップでは、各検出位置Ａ〜Ｄにおいてパワー半導体デバイスＰからのアバランシェ降伏に起因した発光がプローブ２２でそれぞれ受光され、ポイント光検出器２１Ａ〜２１Ｄに導光される。ポイント光検出器２１Ａ〜２１Ｄでは、プローブ２２から導光された光が検出され、検出結果に基づく検出信号が解析部１６に出力される。

【0052】

比較ステップは、検出信号の時間変化を予め設定された閾値と比較するステップである。比較ステップでは、ポイント光検出器２１Ａ〜２１Ｄからの検出信号と、印加部１２から出力されるトリガ信号とに基づいて、各検出位置Ａ〜Ｄにおける検出信号の各時間波形のピーク出現時間ｔａ〜ｔｄがそれぞれ算出される。また、比較ステップでは、検出信号の時間変化として、例えば各検出位置Ａ〜Ｄでのピーク出現時間ｔａ〜ｔｄの平均値が算出される。

【0053】

判別ステップは、検出信号の時間変化に基づいてパワー半導体デバイスＰの良否を判別するステップである。判別ステップでは、例えば各検出位置Ａ〜Ｄでのピーク出現時間ｔａ〜ｔｄの平均値と予め設定された閾値とが比較され、比較結果に基づいてパワー半導体デバイスＰの良否が判別される。ここでは、ピーク出現時間ｔａ〜ｔｄの平均値が閾値の範囲内である場合には、正常なパワー半導体デバイスＰであると判断され、ピーク出現時間ｔａ〜ｔｄの平均値が閾値の範囲外である場合には、異常なパワー半導体デバイスＰであると判断される。

【0054】

以上説明したように、デバイス解析装置１では、パワー半導体デバイスＰに電圧信号を印加する。そして、パワー半導体デバイスＰからの光を複数の検出位置Ａ〜Ｄでそれぞれ検出し、検出信号の時間変化に基づいてパワー半導体デバイスＰの良否を判別する。解析対象であるパワー半導体デバイスＰでは内部構造が一様となっている。このため、正常なパワー半導体デバイスでは、複数の検出位置Ａ〜Ｄでの検出信号の時間変化が揃うが、異常なパワー半導体デバイスでは、複数の検出信号の時間変化にばらつきが生じる。したがって、複数の検出位置Ａ〜Ｄでの検出信号の時間変化を参照することで、素子が破壊に至る前の動作解析によってパワー半導体デバイスＰの良否判別を精度良く実施できる。

【0055】

また、デバイス解析装置１は、検出信号の時間変化を予め設定された閾値と比較する比較部３２を更に備えており、判別部３３では、比較部３２での比較結果に基づいてパワー半導体デバイスＰの良否を判別する。これにより、複数の検出信号の時間変化を定量的に比較できる。したがって、パワー半導体デバイスＰの良否の判別をより精度良く実施できる。

【0056】

また、デバイス解析装置１では、パワー半導体デバイスＰの周辺部を含む複数の検出位置Ａ〜Ｄで光検出部１３がパワー半導体デバイスＰからの光を検出する。パワー半導体デバイスＰの周辺部（特に角部）は、グラウンド電位となるガードリング７が配置され、電界が集中し易い部位である。このため、パワー半導体デバイスＰの周辺部で検出を行うことで、強度の高い光を検出することが可能となり、電圧信号の印可による光の検出を容易に実施できる。

【0057】

また、デバイス解析装置１では、プローブ２２付きのポイント光検出器２１Ａ〜２１Ｄによって光検出部１３が構成され、パワー半導体デバイスＰからの光を複数の検出位置Ａ〜Ｄで同時に検出可能となっている。これにより、複数の検出位置Ａ〜Ｄでの光の検出を迅速に実施できる。

【0058】

また、デバイス解析装置１では、印加部１２がアバランシェ降伏を生じさせる電圧信号をパワー半導体デバイスに印加し、アバランシェ降伏に起因してパワー半導体デバイスＰで生じた発光を光検出部１３で検出する。アバランシェ降伏に起因する発光の検出により、パワー半導体デバイスＰの良否に起因する検出信号の時間変化の差が顕著なものとなり、パワー半導体デバイスＰの良否の判別をより精度良く実施できる。

【0059】

また、デバイス解析装置１では、光検出部１３が１μｓ以下の時間分解能を有している。これにより、検出信号の時間変化を精度良く把握できる。特に、光検出部１３の時間分解能が１００ｎｓ〜１μｓ、波長域が２００ｎｍ〜２０００ｎｍである場合には、アバランシェ降伏に起因する発光の検出に好適である。

【0060】

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、駆動ステージ１１によってパワー半導体デバイスＰを移動させることによって検出位置Ａ〜Ｄとポイント光検出器２１のプローブ２２の先端との位置合わせを行っているが、ポイント光検出器２１を駆動ステージ１１で移動させることによって検出位置Ａ〜Ｄとポイント光検出器２１のプローブ２２の先端との位置合わせを行ってもよい。また、パワー半導体デバイスＰ内の発光は、金属面を通って外部に漏れ出る場合もあるため、検出位置をパワー半導体デバイスＰの一面側（コレクタ電極３側）に設定してもよい。

【0061】

光検出部１３として二次元光検出器を用いる場合には、駆動ステージ１１によってパワー半導体デバイスＰのチップ全体が検出視野に含まれるように移動させ、検出された画像から検出位置Ａ〜Ｄを指定して各時間変化を求めてもよい。検出位置Ａ〜Ｄの指定は、ユーザーが手動入力で個別に指定してもよい。また、検出位置Ａ〜Ｄの指定は、撮像部１４で撮像した画像に基づいて解析部１６が自動で指定してもよく、例えばパワー半導体デバイスＰの四隅を画像認識し、それらの位置を解析部１６が検出位置に指定してもよい。

【0062】

また、上記実施形態では、印加部１２が矩形のパルス状に変調された正の電圧信号をパワー半導体デバイスＰに繰り返し印加しているが、パワー半導体デバイスＰに印可される電圧信号は、１パルスであってもよい。さらに、上記実施形態では、印加部１２から出力されるトリガ信号のタイミングを基準としてポイント光検出器２１Ａ〜２１Ｄからの各検出信号の時間軸を一致させているが、トリガ信号を必ずしも用いる必要はなく、Ｖｇの立ち下がりのタイミング（図３（ｂ）参照）を基準としてポイント光検出器２１Ａ〜２１Ｄからの検出信号の時間軸を一致させてもよい。

【0063】

また、光検出部１３は、パワー半導体デバイスＰからの光を複数の検出位置Ａ〜Ｄで個別に検出してもよい。この場合、例えば１体のプローブ２２付きのポイント光検出器２１によって光検出部１３を構成し、駆動ステージ１１によってパワー半導体デバイスＰを移動させることで、検出位置Ａ〜Ｄにおいて電圧信号の印加と光の検出とを順番に実施する。このような手法によれば、光検出部１３の構成を簡単化できる。また、１体のポイント光検出器２１と、光スキャナ（ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラーなど）とによって光検出部１３を構成し、前述の検出手順を実施してもよい。この場合、光スキャナによってパワー半導体デバイスＰにおける任意の検出位置からの光を個別に検出することができる。

【0064】

また、上記実施形態では、比較部３２が検出信号の時間変化を予め設定された閾値と比較しているが、比較部３２が検出信号の時間変化同士を比較してもよい。この場合、比較部３２は、例えば各検出位置Ａ〜Ｄでのピーク出現時間ｔａ〜ｔｄの分散を算出し、判別部３３は、分散の値に基づいてパワー半導体デバイスＰの良否を判別する。この場合、判別部３３は、例えば予め設定された閾値に基づき、分散が当該閾値以下の範囲内である場合には、正常なパワー半導体デバイスＰであると判断し、分散が当該閾値よりも大きい値である場合には、異常なパワー半導体デバイスＰであると判断する。この場合においても、複数の検出信号の時間変化を定量的に比較できる。したがって、パワー半導体デバイスＰの良否の判別をより精度良く実施できる。

【0065】

図９に示すように、検出信号の時間波形に第２ピークが出現する場合には、第１ピークのピーク出現時間と第２ピークのピーク出現時間との差に基づいてパワー半導体デバイスＰの良否を判別してもよい。この場合、比較部３２は、検出位置Ａ〜Ｄのそれぞれにおいて、第１ピークのピーク出現時間と第２ピークのピーク出現時間との差ｖａ−ｔａ、ｖｂ−ｔｂ、ｖｃ−ｔｃ、ｖｄ−ｔｄをそれぞれ算出する。判別部３３は、これらの値の平均値若しくは分散を用いてパワー半導体デバイスＰの良否を判別することができる。

【0066】

また、駆動ステージ１１は、光検出部１３と、撮像部１４と、照明部１５と、一対のハーフミラー１８，１９とを含む光学系を移動させるように構成されていてもよい。このような構成においても、相対的にパワー半導体デバイスＰを移動させることができる。さらに、撮像部１４としてフォトダイオード等のポイント光検出器を用いると共に、照明部１５としてＳＬＤやレーザ光源を用い、ハーフミラー１８とパワー半導体デバイスＰとの光路上に光スキャナ（ガルバノミラーやＭＥＭＳミラー等）を配置してＬＳＭ光学系を構成してもよい。このような構成においても、パワー半導体デバイスＰの検出位置Ａ〜Ｄと光検出部１３のプローブ２２との位置合わせを行なうための画像の取得を好適に実施できる。

【符号の説明】

【0067】

１…デバイス解析装置、１２…印加部、１３…光検出部、３２…比較部、３３…判別部、Ａ〜Ｄ…検出位置、Ｐ…パワー半導体デバイス。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】