今回のテーマは、
「歩留まりを下げる不良は、どんな原因から生まれるのか」
答え：大きく3つあります。ランダムに落ちるパーティクル、毎回同じ場所に出るパターン欠陥、規格を外れる工程のばらつきです。不良の多さは、1cm²あたりの欠陥の数（欠陥密度）で表します。
この記事でわかること
- ① 致命的な欠陥
- ② パーティクル
- ③ パターン欠陥
- ④ 工程のばらつき
- ⑤ 欠陥密度
※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。
① 致命的な欠陥：回路の働きをこわす欠陥
大事なポイント：欠陥のすべてが不良になるわけではありません。チップの働きをこわすものを、致命的な欠陥といいます。
ウェハの表面や中には、つくる途中で、ほこりのような異物や傷、形のゆがみが入ることがあります。こうした、理想の状態と違う部分を欠陥といいます。ただし、欠陥があっても、回路の働きに影響しないことは多くあります。たとえば、使われていない余白に小さな粒がのっても、チップは正しく動きます。
これに対して、チップが動かなくなる欠陥を致命的な欠陥といいます。参考にした大学の講義資料でも、欠陥を「回路の機能をこわしうるもの」と定義し、異物は欠陥の一種としています。機能をこわす例は、配線が切れる（断線）、本来つながらない配線がつながる（短絡）、トランジスタの動作が変わる、などです。
致命的になるかどうかは、欠陥の大きさと、回路の細かさで決まります。参考にしたインドの大学の講義資料(NPTEL)にも、回路の最小の線幅や間隔より十分小さい異物は問題にならない、と書かれています。どのくらいの大きさから致命的になるかは、回路や資料によって幅があります。一例として、最小の線幅の約5分の1(20%)以上の粒を致命的な異物と呼ぶ文書もあります。たとえば、100nm（ナノメートル、1mmの10万分の1）の線なら、20nmの粒が目安になります（あくまで一例です）。回路が細かくなるほど、小さな異物も致命的になります。そのため、半導体の工場は、とても清潔な部屋（クリーンルーム）で、空気をろ過して粒を減らしています。
確認クイズ：欠陥があれば、そのチップは必ず不良になりますか。
答え：いいえ。回路の働きに影響しない欠陥もあります。働きをこわす欠陥が致命的な欠陥です。
② パーティクル：小さな異物がつくる不良
大事なポイント：パーティクルは、ウェハにのった小さな粒です。粒の位置によって、断線や短絡の原因になります。
ウェハ表面にのった粒をパーティクルといいます。大きさは、髪の毛の太さよりはるかに小さく、光学の顕微鏡でも見分けにくいほどです。発生源は、装置の可動部のこすれ、薬液やガスに混ざる粒、作業する人、ウェハどうしの接触など、いろいろです（一般的な説明です）。
図は、配線の断面です。①では、本来は離れている2本の配線のあいだに粒がのり、配線がつながっています（短絡）。②では、金属をつける前に粒がのっていたため、その陰で金属が付かず、配線が途中で切れています（断線）。同じパーティクルでも、どの工程で、どこにのったかで、結果が変わります。
パーティクルは、場所を選ばずに落ちてくるのが特徴です。ウェハの上のどこにも落ちる可能性があるので、不良のチップはウェハ全体にばらばらに散らばります。ランダムな不良の代表が、パーティクルです。ほかの対策もありますが、まず、粒を出さない、持ち込まない、付いたものを見つけて取り除く、の3つが基本です。見つける方法は、検査・計測3級の第3講（欠陥検査）で学べます。
確認クイズ：ウェハの上のどこにでも落ちて、不良がばらばらに散らばるのは、どの種類の不良ですか。
答え：パーティクルなどの、ランダムな不良です。
③ パターン欠陥：回路の形が設計どおりにならない
大事なポイント：パターン欠陥は、回路の形そのものが設計どおりにできない不良です。同じ場所に、繰り返し現れます。
半導体の回路は、光で形を写し、不要な部分を削る、という手順を何度も繰り返してつくります。この途中で、線が細すぎる、隣と近づきすぎる、角が丸まる、といった形の問題が起きることがあります。これがパターン欠陥です。
パーティクルとの違いは、再現するかどうかです。粒は偶然落ちますが、形の問題は、その形が苦手な条件が決まっているので、同じ回路のパターンを持つチップでは、同じ場所に出やすくなります。業界団体の技術ロードマップにも、不良を「ランダムな要因」と「系統的な要因」に分けて考え、全体の歩留まりをその2つの積で表す考え方が載っています（第3講で数式にします）。形の問題は、後者の系統的な要因です。
図の下段のように、どのチップでも同じ場所に不良が出れば、原因は偶然の粒ではなく、回路の形や、つくり方の条件にあると推理できます。場所が同じなら、系統的。場所がばらばらなら、ランダム。隣のチップと見比べて形の違いを見つける検査は、検査・計測3級で学べます。
確認クイズ：すべてのチップの同じ場所に不良が出ているとき、まず疑うのは粒ですか、回路の形ですか。
答え：回路の形やつくり方の条件です。粒なら、場所がばらばらになるはずです。
④ 工程のばらつき：形は同じでも、値が規格を外れる
大事なポイント：欠陥がなくても、膜の厚さや線の幅が規格の範囲を外れると、チップは性能が足りず、不良になります。
これまでの欠陥は、目に見える（見えなくても、物理的な）異常でした。もう1つの原因は、異常はないのに値がずれることです。同じ条件でつくっても、膜の厚さや線の幅は、ウェハの中、ウェハどうし、日によって、少しずつ違います。これがばらつきです。
図のように、ばらつきは、山の形に分布します。山の裾が、規格の上限や下限を越えた部分は、速度や消費電力などが基準を満たさず、不良になります。ロードマップには、これを「パラメトリックな不良」と呼び、ウェハの中やウェハどうしのばらつきが大きな原因だと書かれています。見た目では分からないので、電気テストで見つけます。
対策は、ばらつきそのものを小さくすることです。山が細くなれば、裾が規格にかかりません。欠陥がなくても、ばらつきが大きいと、不良は出ます。ばらつきを見守る方法は、第4講の品質管理の道具で学びます。
確認クイズ：膜の厚さの分布の山が、規格の上限と下限の外にはみ出すと、はみ出した分はどうなりますか。
答え：不良になります。山を細くする（ばらつきを小さくする）か、中心を規格の真ん中に合わせると減ります。
くわしく見る：規格の外に出る割合の計算
仮の値で、膜の厚さの平均が100nm、標準偏差（ばらつきの大きさを表す数字）が4nmの正規分布とします。規格が92〜108nmなら、上下とも平均から 8nm ＝ 2×標準偏差 の位置です。正規分布では、平均から2×標準偏差より外にあるものは、両側合わせて約4.6%です（一般的な正規分布の値です）。
標準偏差を 2nm に小さくすると、規格は ±4×標準偏差 になり、外れる割合は両側合わせて約0.006%（10万個に6個ほど）になります。標準偏差を半分にするだけで、外れが700分の1ほどに減る計算です。
⑤ 欠陥密度：不良の多さを、数で表す
大事なポイント：欠陥密度は、一定の面積あたり、致命的な欠陥が何個あるかを表す数字です。
ここまでの原因を、数字で比べるために使うのが欠陥密度です。「1平方センチメートル（cm²）あたり、致命的な欠陥が平均で何個あるか」を表します。単位は、個/cm²です。記号では、Dと書かれることが多いので、この講座でもDと書きます。
求め方は簡単です。欠陥検査で数えた致命的な欠陥の数を、調べた面積で割ります。たとえば、直径300mm（30cm）のウェハの面積は、π×15²≒707cm²です。このウェハに、致命的な欠陥が70個あったとします。70 ÷ 707 ≒ 0.099、つまりおよそ0.1個/cm²です。
この数字には、2つの便利な点があります。1つ目は、ウェハの大きさやチップの大きさが違っても、同じ物差しで比べられることです。2つ目は、チップの面積を掛ければ、1個のチップに入る欠陥の平均個数が分かることです。面積1cm²のチップなら、平均0.1個、面積2cm²なら、平均0.2個です。欠陥密度が同じなら、大きいチップほど欠陥に当たりやすくなります。これが、第3講の歩留まりモデルの出発点です。
確認クイズ：欠陥密度が0.2個/cm²のとき、面積0.5cm²のチップに入る欠陥は、平均して何個ですか。
答え：0.2 × 0.5 ＝ 0.1個です。
くわしく見る：ウェハの面積の計算の確かめ
直径300mmは30cmで、半径は15cmです。面積は π × 15² ＝ 3.1416 × 225 ＝ 706.9cm² です。70 ÷ 706.9 ＝ 0.099 なので、約0.1個/cm² です。単位は、直径をmmからcmに直してそろえました。
注意点が2つあります。ウェハの縁の部分は、チップをつくらないことが多く、実際には縁を除いた面積で割ります。また、調べた欠陥のすべてが致命的とは限らないので、致命的なものだけを数えます。
この講のまとめ
致命的な欠陥だけが不良につながり、回路が細かいほど、小さな異物も致命的です。
ランダムな異物（パーティクル）、毎回同じ場所に出るパターン欠陥、規格を外れるばらつきの3つが、主な原因です。
不良の多さは、欠陥密度（個/cm²）で表し、チップの面積を掛けると1個あたりの欠陥数が分かります。
ことばのおさらい
- 欠陥：理想の状態と違う部分のことです。
- 致命的な欠陥：チップの働きをこわす欠陥です。
- パーティクル：ウェハにのった小さな粒です。
- パターン欠陥：回路の形が設計どおりにできない不良です。
- ばらつき：同じようにつくっても、値が少しずつ違うことです。
- 欠陥密度：1cm²あたりの致命的な欠陥の数です。
よくある誤解
Q. パーティクルがあれば、必ず不良になりますか。
いいえ。働きに影響しない場所なら、不良になりません。大きさと位置で決まります。
Q. 欠陥がなければ、すべて良品ですか。
いいえ。ばらつきで値が規格を外れると、欠陥がなくても不良になります。
参考にした公式情報
- MIT OpenCourseWare「Control of Manufacturing Processes」 Lecture 10: Yield Modeling（異物と欠陥の定義、欠陥による断線・短絡、欠陥密度D0と臨界面積）
- 国際半導体技術ロードマップ（ITRS）2005年版「Yield Enhancement」（系統的な要因とランダムな要因、パラメトリックな不良、ばらつき）
- Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（クリーンルームの説明。致命的な異物の大きさの目安は、この資料ではなく、下の2つの資料を参考にしました）
- NPTEL(インド工科大学など)「Module 11: Yield」（小さすぎる欠陥は問題にならないこと、臨界面積の考え方）
- 米国特許 US7410814 の説明部分（致命的な異物を「最小の線幅の約20%以上」と定義している一例。特許文書の定義で、業界で共通の基準ではありません）
平均100nm・標準偏差4nm、規格92〜108nm、欠陥70個、欠陥密度0.1個/cm²などの数値は、理解のために置いた仮の値です。致命的になる異物の大きさ(線幅の約5分の1)は、特許文書の定義の一例で、資料によって違う目安です。異物の発生源、場所による不良の見分け方は一般的な知識にもとづく目安です。図は、記事用に描いた簡易の図です。
