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系統欠陥とは

THEME 05 検査・計測・歩留まり · 歩留まり管理Systematic Defect
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系統欠陥とは、同じ原因が同じ場所や同じ形のパターンで繰り返し検出される欠陥です。 ウェーハマップに規則が出るため、原因を1つ突き止めれば、その先に流れるウェーハからまとめて消えます。

難しいのは、歩留まりの数字が2種類の欠陥をひとまとめに丸めてしまう点です。同じ85.93%でも、ランダム欠陥に食われている場合と系統欠陥に食われている場合があり、打つ手は別になります。人を清浄度の側へ割くのか、設計の直しの側へ割くのかが、日々の選択になります。

欠陥は、設計から期待される形と実物との差として捉える

Section titled “欠陥は、設計から期待される形と実物との差として捉える”

JEITAの歩留向上の報告は、プロセスやレイアウトの設計から期待されるチップ上の形状やプロファイルと、実際に作られた実物との差のうち、通常の製造ばらつきを超えるもの1を欠陥として捉えます。系統欠陥は、このうち拡散プロセス条件や製造装置、さらには設計や検査といった構造的な問題から生じるものです。

比重は系統欠陥へ移っています。微細化が進むにつれて、システム欠陥が欠陥全体に占める割合が増えており2、欠陥検査でシステム欠陥を検出する要求も増えています。Mentor Graphicsの技術者はSPIEの論文で、この10年は設計や設計と工程の相互作用に結び付いた系統欠陥がランダム欠陥の発生源を上回ってきたとしています3。

良品の数が同じでも、ダイを束ねると落ち方で見分けられる

Section titled “良品の数が同じでも、ダイを束ねると落ち方で見分けられる”

32×16で512個のダイを載せたウェーハで、良品440個・歩留まり85.93%という同じ数字になる3通りの不良分布4を考えます。1枚目は不良がランダムに一様に散った分布、2枚目はその中間、3枚目は局所に集まった分布です。

差は、地図の縮尺を変えたときに出ます。隣り合うダイを統合し、どちらかが不良ならその大きなダイも不良と数える手順を繰り返して16ダイぶんまで大きくすると、一様分布は12.50%、中間は15.63%、局所分布は31.25%になります。同じ85.93%から出発しても、局所に集まっているほど、面積を増やしても粘ります。

同じ85.93%から束ねる
1ダイ16ダイぶん歩留まり（%）05010031.25 局所に集まる15.63 中間12.50 一様に散る85.933枚とも良品440個
出発点が同じ85.93%でも、ダイを16個ぶんに束ねると、不良が局所に集まったウェーハは31.25%を保ち、一様に散ったウェーハは12.50%まで落ちます。

実際の歩留まりは、システマティック歩留まりとランダムな欠陥による歩留まりの積です。面積を増やしたときの線を延長し、面積がゼロの側の切片の値を取ると、システマティック歩留まりが取り出せます。先の3枚から求めた値は、一様が97.72%、中間が92.64%、局所が91.43%です。

システマティック歩留まりが90%以下なら、解析に回す

Section titled “システマティック歩留まりが90%以下なら、解析に回す”

系統欠陥が居座ると、清浄度を上げてもパーティクルの数を減らしても、歩留まりの下限が同じ位置に張り付きます。原因が個数の多さより仕組みの側にあるためです。推奨管理の区切りは、システマティック歩留まりが95%以上なら正常、90〜95%なら要注意、90%以下なら要解析です。解説の著者は経験からの数値として、拡散プロセスが正常なら95%以上で、90%以下なら拡散プロセスのどこかに問題があり、解析すれば原因を究明できるとしています。この区切りに先の3枚を当てはめると、一様の97.72%は正常、中間の92.64%と局所の91.43%は要注意に入ります。

切片を管理の区切りに置く
要解析要注意正常9095100システマティック歩留まり（%）一様97.72中間92.64局所91.43
面積ゼロへの切片で取り出したシステマティック歩留まりは、一様に散ったウェーハだけが95%以上の正常に入り、中間と局所に集まったウェーハは90〜95%の要注意に入ります。

区切りを越えたら、数を追う仕事から形を読み解く仕事へ切り替えます。形は、ばらつきを地図に載せ直すと浮かびます。日立ハイテクは反射電子を使った非破壊の深さ計測でウェーハ全面102チップのトレンチ深さを測り、深い領域がウェーハ中央に集中した同心円状の分布になったとしています5。同社の計測例では、深さのウェーハ内ばらつきは8%です。1点ずつなら寸法のばらつきでも、地図に載せると中央と外周という区別が浮かびます。

区画と不良モードを組み合わせても規則が出ます。歩留管理システムによるゾーン解析と、大規模な故障診断による故障モードの分類を組み合わせて、通常の統計解析ではランダム欠陥に埋もれてしまう水準のシステマティック不良を見つけた例では1、ウェーハ外周部分で特定のブリッジ不良の発生頻度が明らかに高いことが示されました。ブリッジ欠陥は、独立して形成されたパターンどうしがつながってしまう不良で、多くはエッチング不足によって生じます。同じ報告は、故障診断の結果をレイアウト設計データとつなぎ、誤動作した素子のレイアウト上の位置を表示できるシステムとしてCalibreRVEを挙げています。

設計パターンの地図を先に作り、欠陥の座標と重ねる

Section titled “設計パターンの地図を先に作り、欠陥の座標と重ねる”

不純物プロファイルの異常や膜中のボイドのように光学で検出が難しい欠陥がある一方で、OPCの精度不足などによるパターン不良、いわゆるホットスポットには、欠陥検査装置で検出できるものも多くあります。インライン検査は電子ビームや光学の装置で複数の工程のウェーハを抜き取り6、後の工程で費用が積み上がる前に歩留まりの逸脱を捕まえます。

手順は、設計図の側から先に地図を作る4段です。まず設計パターンからホットスポットの特徴を認識してグループ分けし、チップ内の座標を抜き出してパターンライブラリーを作ります。次に欠陥検査を行い、欠陥の座標と画像を取ります。そして検出した欠陥の座標とライブラリーの座標を重ね、欠陥をその背景のパターンごとに分類します。最後に、特定のライブラリーに属する欠陥だけを取り出せば、現実的な工数でレシピ作成や欠陥レビューや管理ができます。パターン比率の調整のために入れるダミーパターンを登録しておけば、その領域の欠陥は分離できます。

設計の座標と欠陥の座標
設計パターン検査の欠陥座標重ねて分類ライブラリーの形形に属する欠陥それ以外の欠陥配線
設計パターンから作ったライブラリーの座標と、検査で得た欠陥の座標を重ねると、登録した形の上に乗った欠陥だけが系統欠陥の候補として取り出せます。

分類した情報は、原因の追求と工程への処置に使います。自動欠陥分類（ADC）は欠陥画像をあらかじめ定めたルールで発生原因ごとにクラス分けする仕組みで、分類された情報は歩留り管理システム（YMS）や工場ホストに上げて、欠陥の発生原因追求や解析に使います。YMSは、歩留まりモニタと欠陥検査から解析までを行い、その結果にもとづく欠陥発生工程へのフィードバックや、APCによる装置レシピへのフィードフォワードなどの処置を行う統合システムです。

テストの側からも座標を引けます。Siemensは自社のTessentについて、レイアウトとセルの構造を踏まえた診断で、量産テストで不良になった原因の欠陥を分類し、位置を特定する7と説明しています。同社は診断データからノイズを除いて根本原因を絞り、系統的な歩留まりの制約要因を特定し、故障解析に回す最適なデバイスを選ぶとしています。

直す相手が設計側にあることが、系統欠陥の代償になる

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系統欠陥の割の良さは、1つ直せば全数に届く点にあります。同じ性質の裏が、直す相手の遠さです。設計やマスクを触るとなれば、作り直しと再露光の時間がかかります。DFMはデバイス製造における欠陥低減など歩留まり向上を考慮した設計で、DFMルールは、線端の後退や角の丸まりのように、露光やエッチングで系統的に崩れやすい形を避けるようにレイアウトを導きます6。作りやすさを買うかわりに、設計の自由度を渡す取り引きです。

検査の側にも同じ形の取り引きがあります。設計情報で絞り込むほど、レビューの工数は現実的な水準に収まります。そのかわり、ライブラリーに登録していない形の欠陥は候補の一覧から漏れます。ホットスポットは、マージナルな要因のため発生する場所が一定しないことがあり、発生頻度も低い欠陥です。規則性を頼りに探す道具は、規則性が薄いときに取りこぼしが増えます。

そのため現場では、ランダム欠陥の管理を走らせたまま、系統欠陥の探索を別の線として重ねます。SPCで日々のばらつきを見張りながら、ウェーハの地図と設計の地図を定期的に重ねます。この二本立てが、歩留まりの床と天井の両方を動かします。

よくある質問（FAQ）

Section titled “よくある質問（FAQ）”
系統欠陥とは何ですか？

同じ原因が、同じ場所や同じ形のパターンで繰り返し検出される欠陥です。拡散プロセス条件や製造装置、さらには設計や検査といった構造的な問題によって生じる歩留まりを、システマティック歩留まりと呼びます。

ランダム欠陥とどう見分けますか？

隣り合うダイを統合して面積を増やし、落ち方を比べます。良品440個・歩留まり85.93%という同じ数字になる3通りの不良分布を16ダイぶんまで大きくすると、一様分布が12.50%、中間が15.63%、局所分布が31.25%になり、局所に集まっているほど粘ります。

系統欠陥ぶんの数字はどう取り出しますか？

面積を増やしたときの歩留まりの線を延長し、面積がゼロの側の切片の値を取ります。先の計算例では、システマティック歩留まりが一様分布で97.72%、中間で92.64%、局所分布で91.43%です。

どのくらいなら直しにかかるべきですか？

推奨管理の区切りは、システマティック歩留まりが95%以上なら正常、90〜95%なら要注意、90%以下なら要解析です。解説の著者は経験からの数値として、拡散プロセスが正常なら95%以上で、90%以下なら拡散プロセスのどこかに問題があり、解析すれば原因を究明できるとしています。

光学の検査で見つかる系統欠陥ばかりですか？

不純物プロファイルの異常や膜中のボイドのように、光学で検出が難しい系統欠陥もあります。OPCの精度不足などによるパターン不良、いわゆるホットスポットには、欠陥検査装置で検出できるものも多くあります。

設計データは検査にどう使うのですか？

座標の突き合わせに使います。設計パターンからパターンライブラリーを作って欠陥検査の欠陥座標と重ね、欠陥を背景のパターンごとに分類すれば、特定のライブラリーに属する欠陥だけを現実的な工数でレビューや管理に回せます。

系統欠陥を潰すと何を差し出すことになりますか？

直す相手が設計やマスクの側にあるため、作り直しの時間を差し出します。DFMはデバイス製造における欠陥低減など歩留まり向上を考慮した設計で、設計の自由度を渡して作りやすさを買う取り引きになります。

比較・違いを学ぶ

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出典

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