故障解析とは

THEME 05 検査・計測・歩留まり · 不良解析Failure Analysis

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故障解析とは、壊れた半導体を調べて、故障の原因と仕組みを突き止め、その結果を設計と製造工程の条件へ反映させる作業です。 目的は、次に出荷するロットを同じ壊れ方から守ることです。現場で重いのは、1個壊れたという事実より、その1個が偶然の1個か、同じロット全体に潜む問題の先触れかを判別できるまでの空白です。判別がつくまでは、全数回収と現状維持という両極しか選べません。手元の故障品はたいてい少数で、開封も断面加工も1回限りです。故障解析の腕は、その1回をどこに使うかで決まります。

偶発か波及かの切り分けが、対策の規模を選ぶ判断になる

故障解析は、故障を発生させている製造ロットを特定し、問題の広がりを最低限に抑え、製造または使用上の改善を導く作業です¹。故障品が偶発によるものか波及性によるものかの切り分けが重要で、その切り分けが対策の規模と範囲を選ぶ判断につながります。

JIS Z 8115:2000は、故障メカニズム・故障原因・故障が引き起こす結果を識別して解析するために行う、故障したアイテムの論理的で体系的な調査検討と規定し、備考で是正処置を決定する活動も含めています。手を打つところまでが、この語の範囲です。

信頼性管理に万全を期しても、故障発生を完全になくすことは現状では不可能です。キオクシアは故障解析の目的を3つ²挙げています。開発段階の試作や検証で出た故障を設計とプロセスの条件へ反映させること、量産工程で出た不良を工程管理へ反映させること、市場不良の原因が製品側にあるのか、過電圧・ノイズ・熱応力といったシステムとのかみ合わせ側にあるのかを明確にすることです。そのためには、物理・化学などの幅広い視野に立った解析技術と経験、半導体そのものの物理的な理解が求められるとしています²。

結論の出し方にも型があります。OKIエンジニアリングは、非破壊・破壊の各手法で得た情報に、故障を検証するシミュレーションや過去の解析事例のデータベースを合わせて、故障メカニズムを客観的に推定するとしています¹。

故障を再現して確かめ、やり直せる検査を先に済ませる

故障品を受け取ると同時に、そのサンプルの履歴を調べ、製造ロット、故障の内容、使用条件、環境条件を洗い出します。テキサス・インスツルメンツは、返却品に添える資料に、デバイスの履歴、使用状況、故障の特性、返却前に分かった解析結果を明確かつ詳しく書く³よう求めています。このとき良品サンプルも用意して故障品と対応させると、原因究明の有効な手段になります。

テキサス・インスツルメンツは、追加の解析手順に進む前に故障モードを確認（再現）する必要があり、報告された故障モードと正しく結び付けることで、その後の所見の信頼性が保証されるとしています³。

外観検査では、パッケージのクラック、端子間のマイグレーション、リードのさびなどを観察します。続いてカーブトレーサ、オシロスコープ、テスタで電気的特性を測り、故障モードをオープン・ショート・劣化に大別します。故障サンプルは二次的な破壊を誘発するおそれがあるので、通常はカーブトレーシングで故障モードを判定します¹。ここで以後の試験と分解の方針が決まります。

ワイヤやリードのオープンとショートを調べるX線透視は、分解の前に行います。非破壊の検査には外観検査・電気的特性検査・X線検査・超音波探査があり、剥離やクラックには超音波顕微鏡を用います¹。テキサス・インスツルメンツは、パッケージ内部の組立やモールド工程の異常を見分けるのに超音波顕微鏡法とX線検査を最も一般的に使っているとしています³。ボンディングワイヤの状態やモールド樹脂の中のボイドは、開けた行為そのものが状態を変えるため、透かして調べる手が先に来ます。ダイを出すには少なくとも一部はパッケージを壊すことになるので、パッケージや組立に関わる故障は最初に非破壊で見ます³。

そのうえでデキャップ（開封）へ進みます。開封法が不適当だと、後で必要になる情報が失われ、原因不明に陥る可能性があります。ここが一方通行の境目です。パッケージを除いたあとも電気的特性を確かめることが多いため、組立構造を維持したまま開封する半破壊解析が定石です⁴。

手順と一方通行の境目

非破壊の段は何度でもやり直せますが、開封を越えると元の状態には戻れません。だからX線透視と超音波探査は分解の前に済ませます。

数億個から1か所へは、論理で絞ってから光と熱で探す

製品内のトランジスタ数が数億に達しようという状況では、1個ずつ調べて故障箇所を特定する進め方は非現実的です。解析装置はどちらかというと丹念に調べることを得意とするため、観測する領域をあらかじめ精度よく絞り込むことが解析時間の短縮に重要です²。

絞り込みは、まず論理で行います。回路のどの信号に故障を仮定するとどの時刻に出力が期待値とずれるかを論理シミュレーションで調べた表が故障辞書です。診断ツールは設計情報とテストパターンとテスト結果を使い、故障辞書と実際のテスト結果を突き合わせて候補を挙げます。CADナビゲーションシステムは設計情報と解析装置上の物理座標を結び付け、観測している場所が回路のどこにあたるかを即座に特定できるようにします。システムレベルテスト（SLT）で落ちた不良は、スキャンテストと違ってどの入力でどの応答が出たかが分からず、故障したゲートまでたどるのはほぼ不可能とされます。

故障辞書との突き合わせ

故障辞書は、どの信号に故障を仮定するとどの時刻に出力がずれるかを並べた表です。実際のテスト結果と同じずれ方をする行が、観測へ回す候補になります。

物理的な観測では、微小リークの検出に微弱発光を検出するエミッション顕微鏡、チップ内の温度分布の異常に赤外線の検出装置、動作状態の解析にOBIC法やIR-OBIRCH法を使います。故障モードが電流リークやショートの場合、電源バイアスを与えると故障部位に異常電流が流れ、ジュール熱による発熱が起こります¹。熱で探す手は、この発熱を捉えます。IR-OBIRCHは赤外線レーザーを試料表面で走査して抵抗値の変化を検知する手法で、ショートや電流リークに加えて高抵抗による不良箇所の特定にも有効です。配線ビアのボイドを突き止めた事例もあります。

浜松ホトニクスは、同社のエミッション顕微鏡でレーザー走査の高解像度パターン像に検出した信号像を重ね合わせ、検出箇所をミクロのレベルで特定できるとしています⁵。半導体メーカーはその位置をもとに不良因子を特定し、物理的な解析を経て故障原因を解明し、設計へ反映させます。

東芝デバイスソリューションが受託するナノプローブ解析は⁶、LSI中の単体トランジスタの電極へ直接コンタクトして電気特性を測る手法です。同社の条件は最大8電極でのプロービング、測定温度−40℃から150℃、試料サイズ10mm・厚さ1mm以下で、16nmまでのプロセスで測定実績があります。同社のEBAC解析は、配線のオープン箇所を特定する吸収電流EBAC、高抵抗箇所を特定する差動EBAC、リーク箇所を特定するDI-EBACの3つを使い分けます。

絞り込んだあとは、壊し方を選んで1か所を開く

内部状態は金属顕微鏡や走査型電子顕微鏡で観察し、故障箇所を絞ったらエッチングや断面カット、FIB加工で狙った1か所の断面を切り出して観察します。キオクシアは、故障部位の発見とメカニズムの解析には、場合によってnmオーダから数μmオーダの領域を観察でき、高精度・高感度で分析できる装置が必要としています²。

断面構造解析は、劈開、機械研磨、集束イオンビーム装置で対象の断面を露出させ、積層構造の不具合や異物が混入した工程、コンタクトホールの異常などを観察します¹。もう一方の剥離処理（deprocessing）は、ダイを1層ずつ取り除いて下の層の構造を露出させる工程で、化学薬品溶液、ドライプラズマエッチング、機械研磨を使う³ことがあります。破壊作業で重要な情報を失うおそれがあるため、テキサス・インスツルメンツは正しい手法の選択が不可欠としています。OBIC法で特定した箇所を透過型電子顕微鏡で断面解析した事例もあります。

2つの開き方

剥離処理は上の層を1層ずつ取り除いて狙った部位の層を上から露出させ、断面加工は積層を縦に切って横から露出させます。どちらも一度削った層は戻りません。

差し出すのは試料と費用と設計情報、得られるのは問題の範囲

この作業が差し出すものは3つあります。1つ目は試料そのものです。手元にある故障品は多くの場合ごく少数で、開封も断面加工も1回限りです。どの情報をどの順で取るかを決めた時点で、あきらめる情報も決まります。

2つ目は時間と費用です。浜松ホトニクスは、大量生産の半導体は低い割合で不良品が出ることを前提に製造し⁵、検査とスクリーニングで信頼性を保っているとしています。自動車向けはスクリーニングの負荷を強くして故障の可能性を減らしており、その検査とスクリーニングに多くのコストをかけています。

3つ目は設計情報の持ち出しです。診断ツールもCADナビゲーションも、回路情報とレイアウト情報を必要とします。外部へ解析を委託するときは、この情報をどこまで渡すかが交渉の対象になります。東芝デバイスソリューションは、顧客から提供を受けたテストパターン情報を、自社の解析用テスターに合わせたテストプログラムへ変換します。

得られるものは、原因そのものより範囲です。歩留まりの数字が下がったときも、信頼性試験で1個落ちたときも、次に決めたいのは「どこまでが同じ問題か」です。故障解析は、その線を引くための材料をつくります。テキサス・インスツルメンツは、解析を終えたら物理的な異常が故障モードに及ぼした影響を報告書にまとめ、根本原因解析を行えるだけの記述を含めるとしています³。

よくある質問（FAQ）

故障解析とは何ですか？

壊れた半導体を調べて故障の原因と仕組みを突き止め、その結果を設計と製造工程の条件へ反映させる作業です。JIS Z 8115:2000は、故障メカニズム・故障原因・故障が引き起こす結果を識別して解析するために行う、故障したアイテムの論理的で体系的な調査検討と規定し、備考で是正処置を決定する活動も含めています。

何のために行うのですか？

次に出荷するロットを同じ壊れ方から守るためです。目的は3つあり、開発段階で見つかった故障を設計とプロセスの条件へ、量産工程の不良を工程管理へ反映させること、市場不良の原因が製品側かシステムとのかみ合わせ側かを明確にすることです。

どんな順番で進めるのですか？

故障品の履歴調査から始め、外観検査、電気的特性の測定と続き、X線透視と超音波探査は分解前に済ませます。そのうえでパッケージを開封し、内部観察、故障箇所の特定、断面加工と元素分析へ進みます。やり直せる検査から順に並び、解析を進める前に、報告された故障モードの再現も確かめます。

なぜ順番が決まっているのですか？

破壊をともなう操作が1回きりだからです。開封法が不適当だと後で必要になる情報が失われ、原因不明に陥る可能性があります。パッケージを開けるとダイを出すために少なくとも一部を壊すので、パッケージや組立に関わる故障は、その前に非破壊で見ておきます。

故障箇所はどうやって特定するのですか？

論理で候補を絞ってから、光と熱で観測します。トランジスタ数が数億に達する製品では、観測する領域をあらかじめ精度よく絞り込むことが解析時間の短縮に重要で、設計情報とテストパターンとテスト結果を使う診断ツールで候補を挙げます。そのうえでエミッション顕微鏡やIR-OBIRCHなどの装置で発光や抵抗の変化を検出します。

どこまで細かく測れるのですか？

東芝デバイスソリューションのナノプローブ解析は、最大8電極でのプロービング、測定温度−40℃から150℃、試料サイズ10mm・厚さ1mm以下が条件で、16nmまでのプロセスで測定実績があります。キオクシアは、故障部位の発見には、場合によってnmオーダから数μmオーダの領域を観察し、高精度・高感度で分析できる装置が必要になるとしています。

解析を尽くせば不良はゼロになりますか？

なりません。浜松ホトニクスは、大量生産の半導体は低い割合で不良品が出ることを前提に製造し、検査とスクリーニングで信頼性を保っているとしています。自動車向けはスクリーニングの負荷を強くして故障の可能性を減らし、その検査とスクリーニングに多くのコストをかけています。故障解析が担うのは、影響の範囲を見極め、再発を抑えるところまでです。

比較・違いを学ぶ

欠陥検査とは── 作っている途中のウェーハで欠陥を探す側
デキャップ（開封）とは── 故障解析の途中にある、一度きりの一手

出典

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