JP2008218565A - 半導体装置、ならびに外観検査方法および外観検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な外観検査を安価に行うのに適した構造の半導体装置等を提供する。
【解決手段】半導体装置１は、回路形成領域９０を有する半導体装置であって、配線層３中に設けられ、回路形成領域９０を包囲するシールリング１６と、配線層３中に設けられ、シールリング１６の外側に位置するダミーメタルビア１５と、を備えている。シールリング１６の延在方向に垂直な断面において、ダミーメタルビア１５の幅は、シールリング１６の幅よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置、ならびにその外観を検査する方法および装置に関する。

近年、半導体装置の高性能化・多様化に伴い、半導体ウエハ拡散プロセスにおいて、様々な材料が用いられている。新規材料の中には、密着性や機械強度が弱い膜もあり、ウエハをダイシングした時の衝撃で、配線層間でクラックが生じ、チップ側に向かって剥離が進行する事が問題視されている。かかる問題は、比誘電率がＳｉＯ_２膜より低い、いわゆる「low-K膜」と呼ばれる絶縁膜を採用している半導体ウエハのダイシングで、特に顕著となる。

チップにクラックが残ったまま組立を行なうと、組立時の熱ストレスによりクラックが進行し、剥離不良が起きるので、ダイシング後にクラックを正確に検出できる事が、信頼性に大きく関係してくる。

なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１，２が挙げられる。
特開２００５−２６００５９号公報 特開２００５−２７７３３８号公報

実際の生産では、金属顕微鏡または実体顕微鏡を用いて、真上から人間による目視外観または装置による自動外観検査を実施している。その時、焦点はウエハ表面に合わせられる。

クラックがZ方向（基板面に垂直な方向）に進むと、クラック片が大きく上を向く。またはクラックが進みきればチッピングとなる。図８に示すように、ポリイミド膜２０３が上にある場合でもZ方向に進みきるクラック１１０があれば、図９の平面図に示すようにポリイミド膜２０３が突き上げられ曲がる。それにより外観上は変色１１１となって現れるので、クラックを容易に検出できる事もある。なお、図８においては、シリコン基板２０１上に、配線層２０２およびポリイミド膜２０３が順に積層されている。

しかし、クラックが主にｘｙ方向（基板の面内方向）にだけ進行する場合は段差が数ミクロン未満の場合があり、表面に焦点を合わせて眺めても識別が難しくなる。また、図１０に示すように、剥離箇所にメタルビア１１２（ガードリング）が通っていると、断面観察すると変形１１３が起こるので識別できる。ところが、外観は上から表面に焦点を合わせて見るだけなので、メタルの位置が変わって見えないか、内側のメタルの曲がり具合がわずかにしか見えない外観結果１１４（図１１）となる為、剥離の有無を知る事は非常に難しい。

人間による外観は、作業者の視力に依存して精度が上がらないので、基板の面内方向にだけ進行する剥離は、検出漏れや不良流出が起こりやすい。

一般に、半導体チップの配線面のクラックを直接見るには、金属顕微鏡や実体顕微鏡では倍率不足で検出するのが難しく、高倍率の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）が必要になる。しかし、超高真空チャンバーが必要なＳＥＭを用いて、大量生産が必要な半導体チップの外観検査装置を自動化させるのは困難で、かつ製造コストが非常に高くなる。

本発明による半導体装置は、回路形成領域を有する半導体装置であって、配線層中に設けられ、上記回路形成領域を包囲するガードリングと、上記配線層中に設けられ、上記ガードリングの外側に位置するダミーメタルビアと、を備え、上記ガードリングの延在方向に垂直な断面において、上記ダミーメタルビアの幅は、上記ガードリングの幅よりも小さいことを特徴とする。

この半導体装置においては、ガードリングの外側に、当該ガードリングよりも小さな幅を有するダミーメタルビアが設けられている。クラックが進行すると、当該ダミーメタルビアが折れ曲がり、基板の面内方向に変位する。したがって、その変位を確認することで、クラックを間接的に検出することができる。ここで、上記変位の確認は、クラックを直接的に確認する場合に比して、安価な装置で行うことが可能である。このため、かかる構造の半導体装置であれば、高精度な外観検査を安価に行うことができる。

本発明によれば、高精度な外観検査を安価に行うのに適した構造の半導体装置、ならびにその外観を検査する方法および装置が実現される。
が実現される。

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１および図２は、それぞれ本発明による半導体装置の一実施形態を示す断面図および平面図である。図２のI−I線に沿った断面が、図１に相当する。半導体装置１は、回路形成領域９０を有する半導体装置であって、配線層３中に設けられ、回路形成領域９０を包囲するシールリング１６（ガードリング）と、配線層３中に設けられ、シールリング１６の外側に位置するダミーメタルビア１５と、を備えている。なお、本明細書においてダミーメタルビアとは、その有無が半導体装置１の回路構成に影響を与えないメタルビアをいう。

ダミーメタルビア１５は、シールリング１６とスクライブラインとの間に配置されている。図２には、スクライブラインの交差する位置に十字マーク１７が記されている。スクライブライン上には、ポリイミド膜７が設けられていない。

配線層３は、low-K膜を含んでいる。この配線層３は、半導体基板２上に形成されている。本実施形態において半導体基板２は、シリコン基板である。また、配線層３上には、ポリイミド膜７が設けられている。ここでは、ポリイミド膜７がダミーメタルビア１５上にも設けられた例を示しているが、ポリイミド膜７はダミーメタルビア１５上に無くてもよい。

シールリング１６の延在方向（図１において紙面に垂直な方向）に垂直な断面（図１が示す断面に等しい）において、ダミーメタルビア１５の幅は、シールリング１６の幅よりも小さい。すなわち、図１中の左右方向についてのダミーメタルビア１５の長さが、シールリング１６のそれよりも小さい。ダミーメタルビア１５の上記幅が小さくなる程、クラックの検出精度が上がる。ダミーメタルビア１５の幅としては、上限はシールリングよりも明らかに小さい、例えば５μｍとすることができる。また、下限はリソグラフィー工程等の製造プロセスで制限される最小の幅とすることができる。さらに、幅は全ての配線層で同一でなくてもよく、例えば、上層に向かうに従って、大きくなる構成としてもよい。また、ダミーメタルビア１５は必ずしも全ての配線層に設ける必要はなく、例えばlow-K膜が適用される下層配線層のみであってもよい。

ダミーメタルビア１５は、図２に示すように、回路形成領域９０の周囲の全体に渡って設けられている。また、複数（本実施形態においては３つ）のダミーメタルビア１５が設けられている。このようにダミーメタルビア１５を複数配置すると、クラックの進行状況をより視覚的に把握できる。ただし、ダミーメタルビア１５は、１つでもよく、その場合でも充分な効果が得られる。

ダミーメタルビア１５のアスペクト比は、できるだけ高いことが好ましい。当該アスペクト比が高い程、クラックの検出精度が上がる。ここで、ダミーメタルビア１５のアスペクト比とは、当該ダミーメタルビア１５の高さ（図１中の上下方向についてのダミーメタルビア１５の長さ）の上記幅に対する比として定義される。

本実施形態においてダミーメタルビア１５は、ダマシン構造を有している。つまり、ダミーメタルビア１５は、ダマシン法によって形成されている。このダマシン法は、シングルダマシン法でもデュアルダマシン法でも良い。なお、ダミーメタルビア１５の断面形状は、長方形型でも良いが、プロセス上困難な場合は、台形でも良い。また、ダミーメタルビア１５の材料としては、Ａｌ、ＣｕまたはＷ等を用いることができる。

図３は、本発明による外観検査装置の一実施形態を示す断面図である。外観検査装置１８は、半導体装置１の外観を検査する装置であって、ダミーメタルビア１５の変位を確認する確認手段を備えている。この確認手段は、半導体装置１の上方からの全焦点撮影方式により、ダミーメタルビア１５の変位を確認する。

本実施形態において、上記確認手段は、ダミーメタルビア１５を撮像するカメラ１９と、カメラ１９と半導体装置１との間の距離を変更する変更手段２１と、変更手段２１により変更された複数の相異なる上記距離で、カメラ１９により撮像されたダミーメタルビア１５の画像から、ダミーメタルビア１５の全焦点画像を生成する画像処理手段２２と、を含んでいる。変更手段２１は、カメラ１９をＺ方向（図３中の上下方向）に変位させることにより、上記距離を変更する。

カメラ１９および変更手段２１の組合せは、マイクロスコープカメラおよびＺ軸可動ユニットの組合せであってもよいし、顕微鏡およびＺ軸制御装置の組合せであってもよい。カメラ１９の倍率は、５０倍〜２００倍程度である事が好ましい。

本発明による外観検査方法の一実施形態として、外観検査装置１８の動作の一例を説明する。この方法は、概括すると、半導体装置１の外観を検査する方法であって、ダミーメタルビア１５の変位を確認するステップを含むものである。ダミーメタルビア１５の変位の確認は、半導体装置１の上方からの全焦点撮影方式により実行される。

より詳細には、まず、ダイシング後の半導体装置１を所定の位置にセットする。次に、半導体装置１のスクライブライン付近に焦点を合わせ、変更手段２１によってカメラ１９をＺ方向に微小に変位させながら、全焦点撮影していく。図４に示すように半導体装置１の配線層３にクラックが入っていない場合は、図５に示すようにダミーメタルビア１５の全焦点画像２０は真っ直ぐに見える。

一方、図６に示すように、半導体基板２の面内方向に進行したクラック１２が配線層３に入っている場合を考える。この場合、折れ曲がったダミーメタルビア１５を含む箇所を上から全焦点撮影すると、図７に示すようにダミーメタルビア１５の全焦点画像２０の一部が曲がって見える。これにより、クラックの有無およびその進行の程度を知ることができる。

本実施形態の効果を説明する。半導体装置１においては、シールリング１６の外側に、シールリング１６よりも小さな幅を有するダミーメタルビア１５が設けられている。クラックが進行すると、当該ダミーメタルビア１５が折れ曲がり、半導体基板２の面内方向に変位する。したがって、その変位を確認することで、クラックを間接的に検出することができる。ここで、上記変位の確認は、クラックを直接的に確認する場合に比して、安価な装置で行うことが可能である。実際、本実施形態においては、ＳＥＭ等に比べて安価な装置（外観検査装置１８）を用いて、クラック発生状況を検査している。このため、かかる構造の半導体装置１であれば、高精度な外観検査を安価に行うことができる。

本実施形態によれば、従来の外観検査では発見が困難な段差・クラックをダイシング直後に検出することができる。このため、不良流出を即座に防止でき、信頼性が向上する。特に、脆弱なlow-K膜を有する半導体装置の製造では、信頼性向上に非常に効果が大きい。

また、ダミーメタルビア１５の変位の確認を、半導体装置１の上方からの全焦点撮影方式により実行している。この方式においては、カメラ１９をＺ方向に動かして焦点をずらしながらダミーメタルビア１５の撮像を行う。カメラ１９の焦点の合う位置は、ダミーメタルビア１５が変位した分ずれるので、連続的に観察すると、クラックの進行具合を基板面内で視覚的に把握する事ができる。

また、ダミーメタルビア１５が、回路形成領域９０の周囲の全体に渡って設けられている。これにより、回路形成領域９０の周囲の何れの位置でクラックが発生しても、ダミーメタルビア１５によって検出することができる。

図１２は、特許文献１に記載された半導体装置を示す断面図である。半導体装置１０１においては、シリコン基板１０２上の配線層１０３におけるスクライブライン１０４の近傍に、溝１０５が形成されている。この溝１０５には、非金属材料１０６が充填されている。スクライブライン１０４上には、ポリイミド膜１０７が設けられていない。同文献によれば、スクライブライン１０４近傍の溝１０５に非金属材料１０６を充填する事で、衝撃やクラックを防止できるとのことである。しかしながら、かかる構造の半導体装置１０１は、本実施形態の半導体装置１とは異なり、試作および評価時においてクラック発生状況を把握する目的にはそぐわない。

図１３は、特許文献２に記載された半導体装置を示す平面図である。この半導体装置においては、スクライブラインに沿って、導電配線１０８およびパッド１０９が設けられている。同文献によれば、クラックにより導電配線１０８にダメージが入ると抵抗測定値が変化するので、不良チップを選別により分類できるとのことである。しかしながら、この半導体装置では、組立完了し、最後の選別工程までいかないと不良有無の判定ができない。したがって、無駄に多く組立してしまいコストが増加する恐れがある。また、ダイシング後から選別までは日時を要する。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。上記実施形態においてはダミーメタルビア１５が回路形成領域９０の周囲全体に渡って設けられた例を示した。しかし、ダミーメタルビア１５は、回路形成領域９０の周囲の一部にのみ設けられていてもよい。例えば、ダミーメタルビア１５は、回路形成領域９０の角部を除いて形成されてもよい。

また、本発明による半導体装置は、ウエハの状態（ダイシング前の状態）にあってもよいし、チップの状態（ダイシング後の状態）にあってもよい。

本発明による半導体装置の一実施形態を示す断面図である。 本発明による半導体装置の一実施形態を示す平面図である。 本発明による外観検査装置の一実施形態を示す断面図である。 本発明による外観検査方法の一実施形態を説明するための断面図である。 本発明による外観検査方法の一実施形態を説明するための平面図である。 本発明による外観検査方法の一実施形態を説明するための断面図である。 本発明による外観検査方法の一実施形態を説明するための平面図である。 従来技術の課題を説明するための断面図である。 従来技術の課題を説明するための平面図である。 従来技術の課題を説明するための断面図である。 従来技術の課題を説明するための平面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。 従来の半導体装置を示す平面図である。

符号の説明

１ 半導体装置
２ 半導体基板
３ 配線層
７ ポリイミド膜
１２ クラック
１５ ダミーメタルビア
１６ シールリング
１７ 十字マーク
１８ 外観検査装置
１９ カメラ
２０ 全焦点画像
２１ 変更手段
２２ 画像処理手段
９０ 回路形成領域

Claims (9)

1. 回路形成領域を有する半導体装置であって、
   配線層中に設けられ、前記回路形成領域を包囲するガードリングと、
   前記配線層中に設けられ、前記ガードリングの外側に位置するダミーメタルビアと、を備え、
   前記ガードリングの延在方向に垂直な断面において、前記ダミーメタルビアの幅は、前記ガードリングの幅よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記ダミーメタルビアは、前記回路形成領域の周囲の全体に渡って設けられている半導体装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置において、
   前記ダミーメタルビアは、Ａｌ、ＣｕまたはＷによって構成されている半導体装置。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の半導体装置において、
   前記ダミーメタルビアは、ダマシン構造を有している半導体装置。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の半導体装置の外観を検査する方法であって、
   前記ダミーメタルビアの変位を確認するステップを含むことを特徴とする外観検査方法。
6. 請求項５に記載の外観検査方法において、
   前記ダミーメタルビアの変位の確認は、前記半導体装置の上方からの全焦点撮影方式により実行される外観検査方法。
7. 請求項１乃至４いずれかに記載の半導体装置の外観を検査する装置であって、
   前記ダミーメタルビアの変位を確認する確認手段を備えることを特徴とする外観検査装置。
8. 請求項７に記載の外観検査装置において、
   前記確認手段は、前記半導体装置の上方からの全焦点撮影方式により、前記ダミーメタルビアの変位を確認する外観検査装置。
9. 請求項８に記載の外観検査装置において、
   前記確認手段は、
   前記ダミーメタルビアを撮像するカメラと、
   前記カメラと前記半導体装置との間の距離を変更する変更手段と、
   前記変更手段により変更された複数の相異なる前記距離で、前記カメラにより撮像された前記ダミーメタルビアの画像から、前記ダミーメタルビアの全焦点画像を生成する画像処理手段と、を含む外観検査装置。

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