3次元回路中の上下の集積回路をつなぐ貫通電極を非破壊/非接触に分析する技術を開発 大阪大学

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大阪大学は2021年3月25日、大阪大学レーザー科学研究所の研究者とベルギーのIMECの研究者が協力し、3次元集積回路において上下の集積回路を接続するシリコン貫通電極(TSV)を、非破壊/非接触に分析する技術を開発したと発表した。

TSVは、シリコンウェハーを貫通する金属電極で、円柱状の空間を形成した後、その表面に絶縁層を形成し、金属電極を埋め込むものだ。電極とシリコンの絶縁特性や導電特性の不良など、TSVの集積回路動作への影響は大きい。しかし、TSVを非破壊/非接触で分析、評価できる技術は存在していなかった。

研究者らは今回、フェムト秒レーザーをTSV近くに照射することで発生するテラヘルツ波とその伝搬の観測から、TSVを非破壊/非接触で分析、評価できることを実証した。

TSVは縦型柱状の構造で、シリコン、絶縁層、金属で構成されている。シリコンの表面近くには電界が存在し、光で励起された電子は内側に、正孔は絶縁層に向かって走る。この時に発生する電流によってテラヘルツ波が励起され、空間中に放射される。また一部のテラヘルツ波は、シリコン内部へと伝搬し、シリコンウェハーの背面で反射され、帰ってきたテラヘルツ波も空間に放射される。

研究者らによると、内部に侵入した方のテラヘルツ波は、時間が遅れて放射されるので、その時間遅れを観測することで、テラヘルツ波の伝搬の様子を観測できるという。

レーザー光がTSVに斜めから入射すると、TSVの一部で電荷が励起され、逆の影の部分では光電流が発生しない。そこで実験では、TSVに45度傾けた方向からレーザーを入射した。光の当たった部分では、電子がTSVから離れる方向に移動。そのため、一方の角度から入射したときと、反対側から照射したときでは、電子の動く方向も逆になり、波形が反転した。このことから、TSVの片側のシリコン内部で光電流が流れてテラヘルツ波が発生していることが見て取れた。

そして、約10ピコ秒遅れで、シリコンウェハーの背面の金属層で反射されたテラヘルツ波が観測された。この波形は最初の波形と反転していた。この波形から伝搬の様子を知ることができ、シリコンウェハーの厚さなども分かるという。

今後は、テラヘルツ波放射顕微鏡の高分解能化や、非常にパルス幅の短いフェムト秒レーザーを用いることで、局所的かつ高速に伝搬するテラヘルツ波を観測でき、一つ一つのTSV内部の分析も可能になる。今回の成果は、TSVの評価にとどまらず、半導体製造プロセスに非接触試験を可能にする統合計測ソリューションの提供につながるという。

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