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5. 半導体デバイスの故障解析 5.1 故障解析の必要性 故障解析は、故障品の調査を通じて故障に至ったメカニズムを明らかにし、設計・プロセスに対して迅速かつ 正確なフィードバックを与えるために必要です。市場において、デバイスに要求される信頼性はますます高くな り、しかもデバイスの高集積化・大規模化も急速に進められているため、故障解析においても高度な技術が要求 されます。 デバイスの信頼性を確保するためには、設計・プロセスの開発段階から信頼性を作り込むことが常識になって いますが、製造工程や市場での故障発生は避けられないため、迅速な故障解析を実施し、対策を施して、故障の 発生が繰り返されることを防止しなければなりません。 半導体デバイスは、ウェハ・アセンブリプロセス数 100 を越える加工工程を有し、使用される材料部品も多種 にわたります。さらにデバイスが使用される環境も多岐にわたるため、故障解析には設計・プロセスを始めとす る幅広い知識が要求されます。 5.2 故障解析とは 故障判定基準に基いて、対象となるデバイスが機能を失ったと判断したときから故障解析が始まります。故障 は、完全劣化から機能の減少に至るものまで非常に幅広いです。最近の電子機器システムは非常に複雑になり、 単なる部品のみの故障ばかりではなく、システム全体のマッチング不良による故障も多いです。故障解析では、 これらの点に十分な配慮を払わなければ誤った結論を出して改善活動の方向を見誤ることになります。 故障解析とは、故障内容をよく吟味し故障メカニズムを明らかにするため、適切な電気的・物理的・化学的解 析技術を駆使し故障原因を解明することです。実際の故障解析では、解析作業に着手する前に故障発生当時の状 況をできるだけ調べて故障内容を的確に把握することが必要です。特性値の変化内容、故障発生までの経過・使 用された環境・ストレス条件・実装置上の問題点・人的ミスなどの分析が必要です。これらの調査を十分に行う ことで、故障モード・故障メカニズムをある程度推定することが重要であり、これに基づいて最適な解析方法・ 手順を決定します。この分析が不十分であると、解析方法の選択を誤り貴重な解析試料を破壊するのみで原因不 明に至ってしまう可能性があります。また、解析にあたっては故障品と良品を比較することも、問題の解決を早 く見つける糸口になります。 故障解析の方法・手順は、前述したように故障の発生状況から決定されるが、一般的には図 5.1 に示すような 手順で実施されます。故障した製品に対しては、まずパッケージの外観検査を行い、続いて電気特性を評価し故 障モードを分類します。つぎに、故障モードに応じてパッケージ内部やチップ内部を解析した後、光学顕微鏡ま たは電子顕微鏡 (SEM:Scanning Electron Microscope) を用いて故障した箇所を観察します (物理解析)。最後に、総 合的な判断から故障メカニズムを確定し、対策を樹立します。 Rev.1.00 2006.06.12 5-1 RJJ27L0001-0100 5. 半導体デバイスの故障解析 5.3 故障解析の実際 一般的な故障解析手順 ( 図 5.1) に基づいて、その詳細を説明します。 5.3.1 故障発生状況の調査 故障の発生状況に関して、次の項目を調査します。 （1） ロットの確認 (生産時期・在庫期間 〈保管環境〉) （2） 故障の発生場所および時期 (発生工程・市場・使用場所など、発生日付) （3） 故障品の履歴 ( ウェハ・アセンブリプロセスでの処理条件、納入時期、受入検査の成績および条件、部品実 装または組み立て工程での条件、これまでの故障内容の調査) （4） 使用条件 (動作条件、熱的・機械的ストレス、使用条件 〈屋内外・温度・湿度・雰囲気〉、故障発生に至 るまでの時間) （5） 不具合内容 (特性劣化・完全故障・間欠故障・故障率・ロット的特長)