半導体製造の根本原因解析（RCA）と8Dレポート・ロット絞り込み手法

根本原因とは、いちばん根っこの原因のこと

米国品質協会（ASQ）の用語集では、根本原因を「決めた基準を満たさない状態を引き起こした要因で、工程の改善によって、恒久的に取り除くべきもの」と説明しています。原因と結果の連鎖を動かし始めた、いちばん上の原因、というわけです。

この根本原因を探す方法や道具をまとめて、「根本原因解析（RCA）」と呼びます。ただ、原因が分かっただけでは成果になりません。取り除いて、はじめて意味があります。

なぜ、そこまで根っこにこだわるのでしょうか。表面の原因だけを直しても、別の形で、同じ不良が戻ってくることがあるからです。モグラたたきのように、出てきた不良を一つずつ直すだけでは、いつまでも終わりません。

段階1・2：見つけて、囲い込む

半導体の製造では、決まった結果から外れることを「エクスカーション」と呼びます。特許の記述によれば、その大半は装置が関係しています。しかも、ウェハは何百もの工程を通り、一つの工程に複数の装置があるのが普通です。だから、どの装置が原因かを見つけるのは、思った以上に大変です。

では、異常に気づいたら、まず何をするのか。答えは「囲い込む」ことです。検査装置メーカーKLAの解説によると、影響を受けたウェハを隔離（クォランティン）して、全数を高感度で検査し、出荷、廃棄、格下げのどれにするかを決めます。検査の回数が多いほど異常が早く見つかるので、巻き込まれるロットも、原因の候補も、少なくなります。

身近なものにたとえると、スーパーで「この日に入荷した商品に問題がありそうだ」と分かったとき、まずその日の商品を棚から外すのに似ています。原因を調べるのは、そのあとです。先に囲い込んでおけば、調べているあいだに、被害が広がらずにすみます。

段階3：不良ウェハの共通点から、装置を絞り込む

ここから、原因探しの本番です。代表的な方法が「共通性分析」で、不良のウェハが共通して通った装置を探します。工場は「どの装置が、どのウェハを、いつ処理したか」をすべて記録しているので、この分析ができるのです。ウェハは約25枚ずつ「ロット」という入れ物にまとめて運ばれるため、記録もロット単位で残ります。

見分け方のポイントは、大きく二つあります。

• 不良のロットが、すべて一台の装置から出ているか。複数の装置が同時にずれる可能性は低いので、一台にそろっているほど怪しくなります。
• 不良が、短い期間にまとまっているか。ずれた装置の影響は、その装置の工程のあたりに集まるからです。

この二つを確かめるだけで、調べる装置の数は、ぐっと減らせます。何百もの工程と装置の中から、数台まで絞り込めれば、あとは、その装置の記録を、じっくり調べられるわけです。

図は、不良ウェハが通った割合を、装置ごとに比べたイメージです。装置Aだけ、不良ウェハがほとんど通っています。この場合、装置Aから調べ始めるのが自然でしょう。

ところが、話はそう単純ではありません。一台ずつ見ると問題がないのに、二つの装置の組み合わせで、つまり続けて通ったウェハだけ、不良が増える場合があるのです。特許にも、この例が出てきます。だから共通点は、答えではなく手がかりとして扱います。

組み合わせまで見るために、調べる範囲は、一台ずつから、二台ずつへ広がります。手間は増えますが、「一台ずつは正常なのに不良が出る」という、つかみにくい原因にも手が届きます。

不良の「形」からも、原因をたどれる

ウェハの上で、不良が集まる形にも注目します。査読つきの論文によれば、異常が起きると、不良のチップは決まった形に集まります。そのため、形から原因をたどれるのです。たとえば、中心に集まれば研磨のムラや液の圧力の異常、輪の形なら焼きなましの温度管理の異常が疑われます。

ここで使うのが「ウェハマップ」です。電気を流して調べる検査（プローブ検査）で、動かなかったチップを、ウェハの図の上に印にしたものを指します。表の数字を目で追うより、図で見たほうが、偏りに気づきやすくなります。傷のような線状の形なら、ウェハを運んだり切ったりする工程の異常が疑われる、と論文は紹介しています。

もちろん、形だけで原因が決まるわけではありません。同じ形でも、原因が複数ある場合があるからです。形は、調べる順番を決めるための手がかりと考えると、使いやすくなります。

さらに、層ごとの測定データの分布と、最終的な不良の分布を比べる方法もあります。似ている層が見つかれば、その手前の工程が怪しいことになります。層iは似ていなくて、次の層i+1が似ているなら、問題は、その間で始まった可能性が高い、というわけです。

段階4：直して、確かめる

原因が見えたら、取り除きます。異常を検知し、集めたデータと故障の症状を突き合わせて、最もありそうな原因を決めて直す。この流れは、ある特許にも示されています。PDF Solutionsの事例では、装置の記録と電気試験の結果を組み合わせて、メンテナンスの直後に指標がずれていたことを突き止めました。対策は、保全の手順の見直し、慣らし運転の追加、そして、装置を生産に戻す前に信号の安定を確かめること。直して終わりではなく、確かめるところまでが一続きです。

この事例のように、「最近、何が変わったか」に注目する方法もあります。ASQの解説では「変更分析」と呼ばれ、性能が大きく変わったときに、人、設備、情報などに起きた変更を調べます。メンテナンスは、装置にとって大きな変更です。そのため、メンテナンスの前後で記録を比べると、ずれの始まりが見えてきます。

もう一つ、「障壁分析」という方法もあります。問題を防いだり、見つけたりするための管理が、なぜ働かなかったのかを調べる方法です。「どうして異常に気づけなかったのか」まで掘り下げれば、再発防止の手が増えます。

原因探しは、チームで行う

ASQによれば、道具の多くは一人でも使えますが、複数人で取り組むほうが、結果は一般に良くなります。しかも、根本原因を取り除く責任のある人を、中心メンバーに入れることが勧められています。

数字の変化に気づく方法は、SPC（統計的工程管理）とは何かで紹介しています。なお、設備の調整や復旧は、所属する工場やメーカーの正式な手順と、権限のある人の判断のもとで行います。この記事は考え方の紹介で、設備の操作を指示するものではありません。

ことばのおさらい

• ウェハ：半導体を作る、丸い板です。
• 根本原因：問題を引き起こした、いちばん根っこの原因です。
• エクスカーション：工程の結果が、期待から外れることです。
• ロット：ウェハをまとめて運ぶ、約25枚入りの入れ物です。
• 隔離（クォランティン）：影響を受けたロットを、先へ進めないことです。
• 共通性分析：不良ウェハが共通して通った装置を探す方法です。
• 分布：どこに、どれくらい多いかの、広がりです。

よくある誤解

Q. 不良が見つかった場所を直せば、それで解決ですか？

いいえ。見つかった場所は、結果にすぎないことがあります。根っこが残っていれば、同じ不良がまた起きます。

Q. 不良ウェハが通った装置が分かれば、その装置が原因ですか？

決めつけは禁物です。一台ずつは正常でも、二つの装置の組み合わせで不良が増える場合があります。

まとめ

参考にした公式情報

• ASQ「What is Root Cause Analysis (RCA)?」
• ASML特許 US 11,803,127 B2「Method for determining root cause affecting yield in a semiconductor manufacturing process」
• 特許 US 7,363,098 B2「Method to identify machines causing excursion in semiconductor manufacturing」
• 特許 US 6,580,960 B1「System and method for finding an operation/tool combination that causes integrated failure in a semiconductor fabrication facility」
• PDF Solutions「Analysis‑Ready FDC in the Age of AI and Big‑Data Semiconductor Manufacturing」
• PDF Solutions特許 US 11,029,359 B2「Failure detection and classification using sensor data and/or measurement data」
• KLA「Monitoring for excursions in automotive fabs」（Semiconductor Digest、2020年）
• 「Improved Wafer Map Inspection Using Attention Mechanism and Cosine Normalization」（Machines、2022年）