直接量化半導體實際元件內部接合強度，過去無法評估的領域

[摘要]
株式會社東麗研究中心（總公司：東京都中央區日本橋本町一丁目7番2號，代表取締役社長：真壁芳樹，以下簡稱「TRC」）已開始提供一項分析服務，可直接量化評估半導體混合鍵結（※1）中一直以來的課題——「實際元件內部的接合強度」。
隨著半導體的高性能化與高集成化，確保接合界面的可靠性已成為重要課題。這項技術基於橫濱國立大學井上研究室系統化的奈米壓痕法（※2）界面強度評估方法，TRC為將其應用於實際元件，開發了選擇性露出接合界面的前處理技術（研磨與蝕刻）。這使得直接評估過去難以評估的積層結構內部的接合界面成為可能，有助於提升混合鍵結的可靠性、釐清不良原因並提高良率。

[背景]
近年來，隨著AI與高效能運算的發展，半導體趨向高性能化與高密度化，堆疊晶片進行連接的3D封裝技術重要性日益增加。作為核心技術的混合鍵結，透過同時實現金屬佈線間的連接與絕緣層間的接合，實現高密度且低電阻的連接。然而，接合界面極其微小（奈米至微米等級），且埋藏在元件內部，因此在實際元件狀態下評估接合強度是一項挑戰。
傳統的接合強度評估方法（例如DCB法（※3））僅限於簡化模型樣品或晶圓邊緣的評估，難以反映包含多層結構與緩衝層的實際元件結構，因此難以掌握符合實際情況的接合界面可靠性。為此，業界一直需要一種可應用於實際元件的接合強度評估技術。

[技術與分析案例]
為此，TRC基於奈米壓痕法進行界面強度評估的知識，開發了將此評估方法應用於實際元件的獨特技術。具體而言，他們根據樣品的積層結構與材料特性，建立了選擇性露出待評估接合界面的前處理技術（研磨與蝕刻的組合）。這使得過去因埋藏在內部而難以直接評估的實際元件內接合界面成為可評估的對象。
如圖1所示，對露出的接合界面進行奈米壓痕測試時，隨著壓頭的壓入，界面會產生剝離。透過觀察並量化此剝離區域的形狀與大小，即可評估接合強度。若接合強度較低，界面容易剝離，剝離區域會擴大；反之，若強度較高，剝離受到抑制，剝離區域會較小。透過此關係，可以直觀地掌握實際元件結構中的強度差異。

[未來展望]
此服務將實現以下目標：
- 量化接合強度變異
- 識別接合不良發生的位置與機制
- 為接合條件最佳化提供直接回饋
TRC將透過此技術，支援半導體製造商與材料製造商的先進封裝技術開發，並推動界面評估技術的進步。

[用語說明]
(※1) 混合鍵結：一種半導體連接技術，同時實現金屬佈線（主要是Cu電極）間的電氣連接與周圍絕緣層（如SiO₂）的接合。由於可直接連接微細電極，可實現高密度化與低電阻化，有助於提升3D封裝的性能。
(※2) 奈米壓痕法：將鑽石壓頭壓入樣品表面，根據負載與位移的關係計算彈性模數（楊氏模數）與硬度的技術。廣泛應用於薄膜與微小區域的機械特性評估。
(※3) DCB法（雙懸臂梁法）：將樣品以楔形方式拉開使其剝離，根據其擴展行為評估接合強度的技術。主要應用於簡單的積層結構或模型樣品。