JP7468402B2

JP7468402B2 - サンプル作成方法

Info

Publication number: JP7468402B2
Application number: JP2021027657A
Authority: JP
Inventors: 崇史大月
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2041-02-24
Also published as: JP2022129094A

Description

本開示は、樹脂パッケージの微細な観察箇所の解析前に行うサンプル作成方法に関する。

近年、半導体製品では低コスト化の要求により樹脂パッケージが急速に普及している。しかし、樹脂パッケージには、不純物による腐食、形成時の応力、動作時の発熱などにより界面剥がれ等の問題が発生する。デバイスの劣化が発生した際に、界面起因の劣化なのか、半導体そのものを原因とした劣化なのかの判別がつかなければ、樹脂材を含むデバイス全体の信頼性を改善できない。界面起因の劣化は樹脂材と半導体の界面において最大数μｍ程度の範囲にある。このような微細な劣化箇所をＳＥＭ、ＴＥＭ、ＳＴＥＭ等で解析する必要がある。

一般的な樹脂パッケージ半導体装置の解析方法では、薬液による溶解又はレーザによる灰化で樹脂材を除去し、開封を行う。しかし、解析すべき樹脂材と半導体チップの界面が、開封による影響を受け、最悪の場合には消失してしまう。

また、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工装置のみで加工し、ＳＥＭ等の劣化解析を行う方法もある。しかし、樹脂材の深くに劣化箇所などの微細な観察箇所が存在するため、長時間をかけて広範囲かつデバイスの深くまでＦＩＢ加工をしなければならない。また、ＴＥＭ、ＳＴＥＭ解析を実施する場合、デバイスの深い位置から薄片試料を作成せねばならず、実質的に解析は不可能である。これらを解消する方法として、例えば半導体チップ裏面から機械研磨を行い、チップの薄板化を実施した後にＦＩＢ加工、イオンミリング等で観察箇所の断面を出し、ＳＥＭ等で観察する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９－２８８０２９号公報

しかし、機械研磨による応力が樹脂材と半導体チップの界面に影響を与える。従って、半導体が樹脂材より脱離する危険性がある。また、外部光による半導体の劣化を抑制するために樹脂材は不透明であるため、チップ厚みを測定することが出来ず、過剰に研磨してしまう危険性もある。また、最終的にデバイス中の観察箇所の樹脂界面をＴＥＭ、ＳＴＥＭ等で解析する場合、ＦＩＢ加工装置を用いて観察箇所を厚み数十～数百ｎｍの薄片にしなければならない。薄片の縦横サイズが大きすぎるとたわみによる破損が発生するため、縦横２０μｍ以下での切り出しが限界である。厚み数μｍの界面部を含む断面を縦横２０μｍ以下で切り出すには、チップ基板部分の厚みを１０μｍ程度まで薄板化しなければならないが、機械研磨では１０μｍ程度の精度で加工を行うのは非常に困難である。

また、観察箇所を光学観察又はＸ線透過観察で特定し、観察箇所を半分遮蔽板で覆った状態でＡｒイオンを照射することで観察箇所の断面を切り出す方法もある。この方法は半導体チップにかかる応力が微小なため界面観察に適している。しかし、光学観察又はＸ線透過観察ができない数μｍ程度の微小リークなどの位置特定及び加工は困難である。また、広領域のイオンミリングにより掘り進めて観察箇所を探索する方法もあるが、探索の過程で観察箇所が消失する危険性がある。

以上のように樹脂材と半導体チップの界面にある最大数μｍの微細な観察箇所の解析に従来のサンプル作成方法は適応できなかった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は樹脂材と半導体チップの界面にある微細な観察箇所の解析に適応できるサンプル作成方法を得るものである。

本開示に係るサンプル作成方法は、樹脂パッケージの樹脂材と半導体チップの上面との界面にある観察箇所を解析するためのサンプルを作成する方法において、前記樹脂材から露出した前記半導体チップの下面に密着し、平面視で前記観察箇所を覆いつつ前記観察箇所の周囲を覆わない遮蔽板を前記樹脂パッケージの下面に取り付ける工程と、前記遮蔽板を取り付けた前記樹脂パッケージの下面にイオンビームを照射して前記半導体チップの側面を前記樹脂材から露出させる工程と、前記遮蔽板を除去し、露出した前記半導体チップの側面に光学的測長機器の焦点を合わせて前記半導体チップの厚みを測定しながら前記イオンビームを照射して前記半導体チップを薄板化する工程とを備えることを特徴とする。

本開示では、遮蔽板で観察箇所を覆ってイオンミリングして半導体チップの側面を露出させ、光学的測長機器で厚みを測定しながら半導体チップを所望の厚みまで薄板化する。これにより、観察箇所が試料表面から半導体チップの薄板化を制御性良く実施することができる。また、加工応力の小さいイオンミリングで半導体チップを薄板化するため、樹脂パッケージの樹脂材と半導体チップの上面との界面にある観察箇所への応力の影響を抑えることができる。従って、本開示に係るサンプル作成方法は、樹脂材と半導体チップの界面にある微細な観察箇所の解析に適応できる。

劣化解析対象である樹脂パッケージを示す断面図である。実施の形態に係るサンプル作成方法のフローチャートである。実施の形態に係るサンプル作成方法を示す断面図である。実施の形態に係るサンプル作成方法を示す断面図である。実施の形態に係るサンプル作成方法を示す断面図である。実施の形態に係るサンプル作成方法を示す断面図である。実施の形態に係るサンプル作成方法を示す断面図である。半導体チップを薄板化した樹脂パッケージを示す斜視図である。半導体チップを薄板化した樹脂パッケージを示す側面図である。半導体チップを薄板化した樹脂パッケージを示す下面図である。作成したサンプルをＳＴＥＭで観察した結果を示す図である。

図１は、劣化解析対象である樹脂パッケージを示す断面図である。半導体チップ１が樹脂材２で覆われて樹脂パッケージ３が構成されている。半導体チップ１は、例えばＧａＮ－ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）チップである。半導体チップ１の下面に金属板４が設けられている。金属板４は金属フレーム又は裏面メタル等である。樹脂パッケージ３の下面において金属板４は樹脂材２から露出している。

半導体チップ１は上面に配線及び電極５と絶縁膜６を有する。樹脂パッケージ３の樹脂材２と半導体チップ１の上面との界面に、劣化箇所などの微細な観察箇所７が存在する。観察箇所７は最大数μｍ程度の範囲に存在する。

本実施の形態では、上記の樹脂パッケージを加工して、樹脂パッケージ３の樹脂材２と半導体チップ１の上面との界面にある観察箇所７をＳＥＭ、ＴＥＭ又はＳＴＥＭを用いて解析するためのサンプルを作成する。図２は、実施の形態に係るサンプル作成方法のフローチャートである。図３から図７は、実施の形態に係るサンプル作成方法を示す断面図である。

まず、図３に示すように、機械研磨等により金属板４を除去して半導体チップ１の下面を露出させる。なお、金属板４が存在せず半導体チップ１の下面が露出した樹脂パッケージを用いてもよく、その場合には金属板４を除去する工程は省略できる。

次に、図４に示すように、遮蔽板８を樹脂パッケージ３の下面に取り付け、樹脂材２から露出した半導体チップ１の下面に密着させる（ステップＳ１）。ここで、遮蔽板８は、半導体チップ１の下面に対して垂直方向から見た平面視で、観察箇所７を覆いつつ観察箇所７の周囲を覆わないように配置する。遮蔽板８の端部は、樹脂材２と半導体チップ１の側面の１つの境界に配置されているが、当該境界よりも半導体チップ１の内側に配置されていてもよい。例えば、矩形の半導体チップ１の最低１辺の側面が露出するように遮蔽板８を取り付ける場合は、遮蔽板８は矩形のものが望ましい。なお、観察箇所７の特定が必要な場合は、光学観察、ＯＢＩＲＣＨ（Optical Beam Induced Resistance CHange）、発光解析、又は発熱解析等の公知の特定方法を用いる。

次に、樹脂パッケージ３をイオンミリング装置に入れる。イオンミリング装置は、半導体チップ１の厚みを測定する光学的測長機器９と、イオンミリングによる飛散物から光学的測長機器９を保護するために透明体１０とを有する。遮蔽板８を取り付けた樹脂パッケージ３の下面にイオンビーム１１を照射して樹脂材２をイオンミリングして、半導体チップ１の側面を樹脂材２から露出させる（ステップＳ２）。これにより、半導体チップ１の側面からチップ厚みが測定可能となる。図５に示すように、半導体チップ１の側面を観察し（ステップＳ３）、チップ側面からチップ厚みが測定可能な状態になっていれば本工程を完了する（ステップＳ４）。チップ側面の観察には、イオンミリング装置からチップを取り出して光学観察又はＳＥＭ観察などを用いるか、又は、光学的測長機器９を用いる。

なお、必ずしも半導体チップ１の側面全体が露出する必要はなく、チップ側面からチップ厚みが測定可能な状態になっていればよい。また、遮蔽板８で遮蔽されていない領域がイオンビーム１１により完全に除去される必要はない。イオンビーム１１の加速電圧、加工時間は加工する材質に応じて適宜調整する。観察箇所７は遮蔽板８で覆われているためイオンミリングされない。

次に、図６に示すように、遮蔽板８を除去し、樹脂パッケージ３の下面にイオンビーム１１を照射して半導体チップ１を薄板化する（ステップＳ５）。この際に、露出した半導体チップ１の側面に光学的測長機器９の焦点を合わせて半導体チップ１の厚みを測定しながらイオンミリングを実施する。イオンビーム１１の加速電圧、照射ビーム中心位置は観察対象の半導体チップ１の形状、材質に応じて適宜調整する。

図７に示すように半導体チップ１の厚みを測定し（ステップＳ６）、所望の厚みに達した時点でイオンビーム１１を停止する（ステップＳ７）。なお、ＴＥＭ又はＳＴＥＭの解析を実施する場合には薄片試料を作成する必要があるため、半導体チップ１を概ね１０μｍ程度の厚みまで薄板化する必要がある。

光学的測長機器９は、例えば対物レンズ、接眼レンズ、ＣＣＤセンサのような電子的な撮像素子を用いる機器である。この場合、レンズ倍率だけではなく撮像素子の画素数、画素サイズにも光学的測長機器９の分解能が依存する。チップを薄板化する工程で所望の厚みに達したか否かを判定する必要があるため、光学的測長機器９は半導体チップ１の側面に焦点を合わせた際に十分な分解能を有する必要がある。そして、加工したサンプルをＴＥＭ観察する場合、縦横～１０μｍの薄片試料を作成する必要がある。最終的なチップ厚さが厚すぎるとＴＥＭ観察を実施する薄片試料が自重でたわむ、ハンドリングで破損するなどの問題がある。従って、チップ側面部を観察した時に数μｍの段差を認識する必要がある。このため、光学的測長機器９は数μｍの分解能を有することが必要である。

図８は、半導体チップを薄板化した樹脂パッケージを示す斜視図である。図９は、半導体チップを薄板化した樹脂パッケージを示す側面図である。図１０は、半導体チップを薄板化した樹脂パッケージを示す下面図である。薄板化した半導体チップ１の下面からＦＩＢ加工等を行って観察箇所７を図８のＩ－ＩＩに沿って断面加工する。さらに薄片加工を行うことで観察箇所を解析するためのサンプルを作成することができる。

図１１は、作成したサンプルをＳＴＥＭで観察した結果を示す図である。観察箇所７の特定はＯＢＩＲＣＨによって実施した。樹脂材２と半導体チップ１の界面がＳＥＭとＳＴＥＭの両方法で観察可能であることがわかる。

ここで、樹脂材２と半導体チップ１の界面にある最大数μｍの微細な観察箇所を解析するためのサンプル作成方法は以下の３つの要件を満たす必要がある。
（１）樹脂材と半導体チップの界面への応力等の影響を最小限に抑えること。
（２）劣化箇所などの微細な観察箇所が試料表面から最大１０μｍ程度の位置になるよう制御された厚み方向への加工が可能なこと。
（３）空間分解能数μｍ程度で断面解析及びＴＥＭ、ＳＴＥＭ解析するための薄片試料の作成が可能であること。

これに対して、本実施の形態では、遮蔽板８で観察箇所７を覆ってイオンミリングして半導体チップ１の側面を露出させ、光学的測長機器９で厚みを測定しながら半導体チップ１を所望の厚みまで薄板化する。これにより、観察箇所７が試料表面から最大１０μｍ程度の位置になるように半導体チップ１の薄板化を制御性良く実施することができる。また、加工応力の小さいイオンミリングで半導体チップ１を薄板化するため、樹脂パッケージ３の樹脂材２と半導体チップ１の上面との界面にある観察箇所７への応力の影響を抑えることができる。そして、薄板化した半導体チップ１の下面からＦＩＢ加工等を行って観察箇所７を断面加工する。これより、空間分解能数μｍ程度で断面解析及びＴＥＭ、ＳＴＥＭ解析するための薄片試料の作成が可能である。

よって、本実施の形態に係るサンプル作成方法は、樹脂材と半導体チップの界面にある微細な観察箇所の解析に適応できる。

１半導体チップ、２樹脂材、３樹脂パッケージ、７観察箇所、８遮蔽板、９光学的測長機器、１１イオンビーム

Claims

樹脂パッケージの樹脂材と半導体チップの上面との界面にある観察箇所を解析するためのサンプルを作成する方法において、
前記樹脂材から露出した前記半導体チップの下面に密着し、平面視で前記観察箇所を覆いつつ前記観察箇所の周囲を覆わない遮蔽板を前記樹脂パッケージの下面に取り付ける工程と、
前記遮蔽板を取り付けた前記樹脂パッケージの下面にイオンビームを照射して前記半導体チップの側面を前記樹脂材から露出させる工程と、
前記遮蔽板を除去し、露出した前記半導体チップの側面に光学的測長機器の焦点を合わせて前記半導体チップの厚みを測定しながら前記イオンビームを照射して前記半導体チップを薄板化する工程とを備えることを特徴とするサンプル作成方法。
薄板化した前記半導体チップの前記観察箇所を断面加工する工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のサンプル作成方法。