これまで評価できなかった「半導体実デバイス内部の接合強度」を直接定量化

【要旨】
株式会社東レリサーチセンター（所在地：東京都中央区日本橋本町一丁目7番2号、代表取締役社長：真壁芳樹、以下「TRC」）は、半導体のハイブリッド接合（※1）において課題であった「実デバイス内部の接合強度」を直接定量評価する分析サービスを開始しました。
半導体の高性能化・高集積化に伴い、接合界面の信頼性確保が重要な課題となっています。本技術は、横浜国立大学井上研究室により体系化されたナノインデンテーション法 （※2）による界面強度評価手法を基盤としており、TRCはこれを実デバイスに適用するため、接合界面を選択的に露出させる前処理技術（研磨・エッチング）を開発しました。これにより、従来評価が困難であった積層構造内部 の接合界面を直接評価することが可能となり、ハイブリッド接合の信頼性向上、不良原因解明と歩留まり改善の高度化に貢献します

【背景】
近年、AIや高性能計算の進展に伴い、半導体の高性能化・高密度化が進み、チップを積み重ねて接続する3次元実装技術の重要性が高まっています。その中核技術であるハイブリッド接合は、金属配線同士の接続と絶縁層同士の接合を同時に実現することで、高密度かつ低抵抗な接続を可能とする技術です。一方で、接合界面はナノ〜マイクロメートルサイズと極めて微細であり、さらにデバイス内部に埋もれているため、 実デバイス状態で接合強度を評価することが困難という課題がありました。
従来の接合強度評価法(例：DCB法 （※3）)では、単純化したモデル試料やウェハ端部での評価に限られ、実際の多層構造やバッファ層を含むデバイス構造を反映した評価が難しく、実態に即した接合界面の信頼性の把握が困難でした。このため、実デバイスに適用可能な接合強度評価技術が求められていました。

【技術と分析例 】
これに対してTRCは、ナノインデンテーション法による界面強度評価の知見を基盤として、この評価法を実デバイスに適用する独自技術を開発しました。具体的には、試料の積層構造や材料特性に応じて、評価対象となる接合界面を選択的に露出させる前処理技術（研磨・エッチングの組み合わせ）を確立しました。これにより、従来は内部に埋もれて直接評価が困難であった実デバイス内の接合界面を評価することが可能となります。
図1に示すように、露出した接合界面に対してナノインデンテーション試験を行うと、圧子の押しこみに伴って界面に剥離が生じます。この剥離領域の形状や大きさを観察・定量化する ことで、接合強度を評価します。接合強度が低い場合は界面が容易に剥離するため剥離領域が広がり、逆に強度が高い場合は剥離が抑制され剥離領域は小さくなります。この関係により、実デバイス構造における強度の違いを直感的に把握することが可能です。

【今後の展望】
本サービスにより、以下が可能となります。
・接合強度ばらつきの定量化
・接合不良発生箇所およびメカニズムの特定
・接合条件最適化への直接フィードバック
TRCは本技術を通じて、半導体メーカーおよび材料メーカーにおける先端パッケージ技術開発を支援し、界面評価技術の高度化を推進してまいります。

【用語説明】
(※1)ハイブリッド接合: 金属配線（主にCu電極）同士の電気的接続と、周囲の絶縁層（SiO₂など）の接合を同時に行う半導体接続技術。微細な電極を直接接続できるため、高密度化と低抵抗化を実現し、3次元実装における高性能化に寄与する。
(※2)ナノインデンテーション法：Nano-Indentation method: ダイヤモンド製の圧子を試料表面に押しこみ、荷重と変位の関係から弾性率（ヤング率）や硬さを算出する手法。薄膜や微小領域の機械特性評価に広く用いられる。
(※3)DCB法（Double Cantilever Beam法）: 試料をくさび状に引き開いて剥離させ、その進展挙動から接合強度を評価する手法。主に単純な積層構造やモデル試料に適用される。