ムーアの法則の限界を突破する：先進パッケージ技術と異種統合の重要な応用解析

ムーアの法則は、同じ面積の集積回路上のトランジスタの数が18か月ごとに倍増し、チップの性能も継続的に向上することを予測しています。この法則は半導体産業の発展を約60年間導いてきましたが、次第に限界に達しつつあります。各大手企業は、トランジスタを縮小できない状況下で、チップ全体の性能を引き続き向上させる新しい解決策を模索しています。システム統合の方法を通じて半導体回路を層状に積み重ね、性能の飛躍を達成することが目指されています。その技術の鍵は、「パッケージング」における「異種統合」ソリューションにあり、ムーアの法則を持続させるためのものです。先進的なパッケージングの最大の利点は、異なるダイ間の金属接続線の距離を大幅に短縮できることであり、これにより伝送速度が大幅に向上し、伝送過程での電力損失も減少します。

 

現在、各社のウェハ工場とパッケージング工場はそれぞれ自社の先進パッケージング技術を開発しており、技術と資本支出の観点から見ると、インテルと台積電が最も積極的に投資しており、両社の合計資本支出は業界全体の55%に達し、技術も最も先進的である。

 

図1 国際各社の先進パッケージにおける投資額と割合[1]

 

台積電の先進パッケージ技術は、2DのInFO（ファンアウト型パッケージ）、2.5DのCoWoS（チップオンウエハーオン基板）、および3DのSoICに分けられます。その中でInFO技術は最も成熟しており、最も安価で、先進パッケージの生産能力の約70〜80%（年間8〜10万枚）を占めており、AppleのAシリーズおよびMシリーズチップに大量に使用されています。近年、AIチップの需要が急増しており、先進パッケージCoWoSの生産能力の需要をさらに促進し、半導体業界ではこれまであまり注目されていなかった「テスト」産業も、先進パッケージの熱潮により新たな姿を見せています。MA-tekも業界のトレンドに合わせた戦略を維持し、先進パッケージの故障分析において非常に豊富な分析経験を持っています。以下では、その重要な応用ツールと技術について一つ一つ解明していきます。

 

表一 TSMCの3D Fabricプラットフォームは完全なレイアウトを持ち、重要な顧客に採用されています[2]

 

 

2D X-ray

高エネルギーで金属ターゲットを衝突させて発生するX線は透過特性を持ち、これを用いて先進的なパッケージ内部に空焊、HIP、またはHopなどの現象が存在するかどうかを観察し判断することができます。また、このツールを使用して、パッケージ内に断線や深刻な溶融などの欠陥があるかどうかを迅速に確認することもできます。

 

図2 2D X-rayは、パッケージの健康診断のように、パッケージ内部の構造を検査し、欠陥を確認する役割を担っています。

 

 

SAT 超音波スキャン顕微鏡

SATはCSAMとも呼ばれ、超音波による異なる密度の材料の反射速度と帰還エネルギーの違いから画像を形成し、超音波の透過率に応じて異なる周波数のプローブを選択して、先進的なパッケージ内部の各インターフェース層に剥離、空洞、または亀裂などの異常現象がないかを検出します。

 

図3 SATはパッケージの健診においてパッケージ内部の欠陥を調査する役割を果たします

 

 

3D x-ray

どのような状況で3D X-RAY装置を使用する必要がありますか？故障したサンプルが1つしかない場合、直接的な破壊的分析ができないときには、異常な領域に対して超高解像度の非破壊3D X-RAY装置を実行することをお勧めします。MA-tekは現在、ZEISS Xradia 520と620 Versaの高解像度3D X線顕微鏡（High Resolution 3D X-ray Microscope）装置を所有しています。その原理は、高エネルギーの電子が金属ターゲット（W）に衝突し、短波長で高エネルギー、強い透過性を持つX線を生成し、測定対象を透過して回折波を生成します。検出器が受信した後、蛍光体を介して可視画像に変換され、サンプルが載せられた台の上で360度回転することで、空間中のさまざまな方向の2D X-ray断層画像を取得し、コンピュータ演算を用いてこれらの画像を組み合わせて測定対象の3D X-ray断層画像を生成します。これがコンピュータ断層撮影の原理でもあります。3D X-rayの解像度はピクセルサイズ（画素サイズ）に依存し、ピクセルサイズが小さいほど解像度が良くなります。現在、装置の空間解像度の限界は0.5umであり、装置内には12種類の標準フィルター（濾鏡）が自動調整可能で、検出器には5種類のレンズ（0.4X、4X、20X、40X）が使用できます。

 

図4 3D X-rayのハードウェアアーキテクチャ

 

先端パッケージ構造は比較的複雑であり、故障した試料は電気解析によって異常範囲を絞り込むことができれば、3D X-Ray はより良好なスキャン分解能で明らかな欠陥を見つけ出すことができます。以下は主に CoWoS 試料のスキャン例です。図五(a) では TSV の異常な変位が明らかに確認でき、図五(b) では介在層(Interposer)に剥離現象があり、図五(c) では u-bump 接合部に明らかな異常が見られます。

 

図5 CoWoSパッケージ構造の示意図[3]と一般的な欠陥タイプ

 

 

TDR 時域反射計

時間領域反射計（Time Domain Reflectometry, TDR）は、信号が伝送線または伝送媒体内で反射および減衰する状況を測定するために主に使用される一般的なネットワーク分析技術です。先端プロセスにおいて、TDR技術は故障解析において重要な役割を果たし、特に先端パッケージの故障切り分けにおいて、異常がチップに起因するのかパッケージ側に起因するのかを迅速かつ簡便に区別することができます。主に半導体製造およびテストプロセス、ならびに電子デバイスの修理および故障切り分けに応用されています。

 

TDR技術は、回路の断線を迅速かつ正確に検出することができ、その原理は発射された短パルス信号が測定対象の回路、例えばパッケージやチップ内部の接続配線に沿って伝送され、信号反射の時間と強度を測定することにあります。伝送路が正常な場合、TDR測定によって得られる反射信号は典型的な波形を示しますが、伝送路に断線が発生した場合、反射信号に異常が現れます。例えば、反射信号の強度が突然弱くなったり消失したり、反射信号の時間遅延が予想と一致しないなどです。良品、不良品、空基板の分析結果を通じて、断線の位置を正確に特定することができ、パッケージ内のチップか、パッケージ自体の断線かを判断できます。さらに、パッケージ内のどの構造に異常があるかを推測することも可能で、特に先端パッケージで最も一般的な u-bump、TSV、または C4 bump 構造やインターフェースの問題などです。

 

図6 良品、不良品と空板のTDR波形を比較し、可能な断点はu-bumpにあると判断する。

 

 

Lock-in Thermography(LIT)

LITはサーマルエミッション顕微鏡とも呼ばれ、2.5Dおよび3Dの先進パッケージの失敗ホットスポットを非常に効果的かつ迅速に特定することができます。さらに、欠陥のある半導体デバイスは通常、局所的な消費電力の変化を示し、局所的な温度の上昇を引き起こします。LITは赤外線熱画像技術を使用して物体表面の温度分布を検出し、潜在的な故障や問題を特定することができます。また、ロックイン赤外線熱画像を利用して位置特定の精度を向上させ、後続の非破壊（3D X線）および破壊的スライスのパッケージ欠陥観察結果を提供します。

 

LITは高感度のInSb（インジウムアンチモン）検出器を利用して、試験対象が通電状態の際に欠陥位置で発生する熱放射を検出し、故障の位置を特定することができ、さらには熱源の深さに対する相対距離を推定することも可能です。その特徴と応用の概要は以下の通りです：

 

1. 高分解能赤外線サーモグラフィ：高分解能の赤外線サーモグラフィ技術を搭載し、物体表面の微小な温度変化の詳細を捉えることができます。
2. 故障検出と分析：物体表面の異常な温度を検出することで、電子部品の過熱やデバイスの熱的故障など、潜在的な問題を迅速に特定できます。
3. 検出可能な故障メカニズム：製品の短絡、ESD欠陥、酸化物の破損、デバイスのロック、欠陥のあるトランジスタおよびダイオードに適用されます。

全体的に見て、thermal emission microscopyは強力な熱画像分析装置であり、迅速かつ正確に故障分析の位置を特定するのに役立ちます。

 

図7熱放射顕微鏡カバーを開けずに平面上の失敗点の位置を検出でき、縦方向で失敗点がどの層のチップまたは基板に存在するかを判断することもできます。

 

 

Plasma FIB (P-FIB)

パッケージングとチップの故障解析において、最初は研磨スライスが主要な分析手法として使用されていましたが、パッケージの種類が進化し多様化するにつれて、チップ内のI/O密度も急速に増加しました。その中で、チップ相互接続の接点密度を向上させることが2.5D/3D立体パッケージングの発展トレンドです。接点間の隙間が10マイクロメートル以下に縮小すると、手作業の研磨では正確に定点サンプルスライスを準備することができなくなり、P-FIBは先進パッケージングの故障解析において徐々に主要な手法の一つとなっています。

 

図8 各種パッケージ技術が1x1cm²のチップ内で達成できる接点数[4]

 

P-FIBの応用は構造の基本観察に加えて、ホットスポットや非破壊分析後の検査確認にも使用できる。たとえば、サーマルエミッション顕微鏡、OM、3D X線、またはSATで異常が観察された後、P-FIBを利用して異常箇所で断面確認を行うことができる。

 

図9 (a) 3D X-ray による TSV 変形位置の観察 (b) P-FIB 粗掘り + FIB 精密加工を実行

 

DB P-FIBの切断面積は500umの幅と500umの深さに達し、C4バンプ/インターポーザー/u-bump/TSV/ファインピッチRDLなどの先進的なパッケージ構造の観察に使用できます。切断断面の過程で、同時にSEM方式で切断の状況を観察し、欠陥の変化をリアルタイムで判断できます。

 

図10 FIBによるTSVの連続プロセス

 

 

サンプル調製P-Lapping

サンプル準備（sample preparation）は、故障解析において非常に重要な役割を果たし、分析の成功率を決定する最大の要因であり、特に先進的なパッケージングの故障解析プロセスにおいてさらに重要です。手作業/自動研磨、化学エッチングなどのプロセスを通じて、各詳細はオペレーターの経験と注意深さを試されます。MA-tekチームは、高度な先進パッケージング分野で豊富な経験を持ち、成熟したサンプル準備能力を活用して、パッケージ内部のさまざまな欠陥を成功裏に発見しました。

 

 

SEMサンプル前処理

サンプルの前処理と電子顕微鏡観察は、先進的なパッケージングの故障解析で一般的に使用される方法であり、その処理手段は最終的な観察および分析結果に直接影響を与えます。以下に、SEMサンプル準備の重要な特性をいくつか挙げます。

1. 汚染物と不純物の除去: SEMは非常に高い解像度で試料表面を観察できるため、観察を行う前に試料は適切に清掃され、結果に影響を与える可能性のある不純物や機械を汚染する可能性のある液体、揮発物、粉塵を除去する必要があります。
2. 導電性を向上させる: SEMサンプルは良好な導電性を要求され、分析プロセス中の静電放電を避けるため、これはサンプルを損傷させ、画像撮影に干渉する可能性があります。そのため、一部の非導電性物質は、SEM撮影を行う前に表面に金または炭素をコーティングして、画像品質を向上させます。
3. 適切な固定と切断: SEMステージのサイズが限られているため、サンプルはステージに固定できるように切断する必要があります。現在、MA-tekが使用している機種は6インチウェハー以内のサイズのサンプルを置くことができ、高さの制限は1.5センチです。現在一般的に使用されている材料は、ウェハー、基板、セラミック材料、金属、ガラス、高分子材料など、切断が可能です。
4. 特定の領域の情報を取得する: 特定の垂直構造を観察する必要がある場合、その時点で定点サンプルの準備（切片）が必要です。研磨やポリッシング、さらにはイオンビーム切片を通じて、約1umサイズの構造を正確に切り出し、SEM撮影を行うことができます。さらに小さなターゲットもFIBやTEMを利用してサンプルの準備と撮影を行うことができます。
5. 解像度とコントラストの向上：正しいサンプルの準備はSEMの解像度とコントラストを向上させるのに役立ちます。私たちは、いくつかの表面処理を通じて、より多くのサンプル情報を得ることができます。一般的に使用される方法には、化学薬品による表面微エッチング、イオンビームによる表面研磨または深切り、プラズマクリーニングなどがあります。

 

上述の手法を通じて、研磨の前にサンプルをエポキシ樹脂で埋め込む必要があります。これは、研磨プロセス中にサンプルの構造を保護し、層に損傷を与えないようにするためです。また、使用するサンドペーパーの番号や材料にも注意し、サンドペーパーの粒子が大きすぎてサンプルに不必要な損傷を与えないようにする必要があります。最後に、ポリッシング液とフランネルを使用して最終加工を行うことで、SEM撮影や異常観察に適した滑らかで平坦な断面を得ることができます。

 

図13 BGAパッケージは研磨後、SEMを使用して異常箇所を拡大して観察する。

 

AIの波に乗って、高性能チップと先進パッケージの生産価値は半導体産業でますます成長しており、その設計と構造の複雑さは故障分析に前例のない挑戦をもたらしています。そして、先進パッケージの失敗解析においては、本記事で述べられている各要素とエッセンスを遵守することで、欠陥の特定と観察に大いに役立つことができます。

 

Reference: 

[1] Yole

[2] Fugle

[3] EETimes

[4] King-Ning Tu, Chih Chen, Hung-Ming Chen, 『電子パッケージング科学と工学』, Wiley, 2021

[5]https://www.matek.com/zh-TW/Tech_Article/detail/specialist-column/all/202207-IAR (3D ICパッケージ：超高密度銅-銅異質接合)

[6] https://www.matek.com/zh-TW/services/index/P-FIB

[7] https://3dfabric.tsmc.com/chinese/dedicatedFoundry/technology/InFO.htm