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解析(故障/良品)・観察・分析

LSIプロセス診断

半導体デバイスは微細加工の進歩、高性能・高品質の要求に最適化された製造プロセスが構築され、故障の減少と信頼性の向上から従来の信頼性試験やDPA(destructive physical analysis)だけではチップ内部の不具合要素検出は困難でした。そこで、半導体デバイスの微細な内在欠陥や不具合構造を最適な手法で観察(検出)し、ウェーハプロセスで起こりうる不具合とその影響度合いを考慮した判定基準で対象を評価する技術として、LSIプロセス診断法を開発しました。

LSIプロセス診断システムとは

LSIプロセス診断システムとは電気的に良品であるデバイスの内部構造を詳細に観察し、将来、故障の要因となりうる不具合要素の有無や構造のばらつき等から故障にいたる危険性や品質を推測・評価・選別を行う手法です。5つの検査項目(開封処理検査表面検査界層解析検査断面SEM検査断面TEM検査)とその検査技術、手順、仕様、それにより得られたデータを40項目の評価・診断基準に照らして診断、採点を行い、ランク付けすることによりデバイスの選別を行うためのシステムであり、取得した大量のデータを効率的に診断、管理、運用可能とするためのデータベースシステムから成り立ち、高信頼性システムのため、部品を効果的に選定することが可能です。

LSIプロセス診断システムの流れ図
LSIプロセス診断システム

LSIプロセス診断システムの検査項目

LSIプロセス診断の検査は5項目(開封処理検査表面検査界層解析検査断面SEM検査断面TEM検査)あります。各検査項目とも一般的な良品解析メニューですが、LSIプロセスを評価するにあたり、各検査項目での検査条件、検査ポイント等が定義されています。LSIプロセス診断の検査手順は積層構造、設計ルールの不明なデバイスについても適正に検査可能となるように、指定された解析手順で進められます。検査手順の特徴として、事前に解析に必要な予備情報を取得する断面予備調査と界層解析予備調査が盛り込まれています。これによりチップ内の回路ブロックや積層情報等を事前に取得します。多くのデバイスは多数の回路ブロックにより構成され、ブロックごとに、ゲート長、最小配線幅などが異なっていますが、通常は、設計ルール値で構成された最小構造部の回路がウェーハプロセス上のウイークポイントと考えられるので、事前に予備調査を行い回路ブロック情報を取得すれば確実に最小構造部の回路断面を検査することが可能となります。検査は少なくとも5つのサンプルを必要です。大きなボリューム検査は不可能で少量の抜き取り検査となります。また、LSIプロセス診断はチップ単体化処理後スタートとなります。

開封処理検査

表面検査、OMより撮影

表面検査

PV膜除去検査

  • 検査項目 表面検査:OM(光学顕微鏡)によりチップ表面の検査を行います。
  • 観察装置: OM(光学顕微鏡)
  • 検査対象: パッシベーション、 メタライゼーション
  • 検出される欠陥要因:変色,クラック,ボイド,異物の存在など

界層解析検査

界層解析検査OM/SEM

  • 検査項目 界層解析検査:PV膜除去検査、界層解析検査ではOM(光学顕微鏡)SEMにより各メタライゼーションや基板部の検査を行います。
  • 観察装置:OM(光学顕微鏡)SEM
  • 検査対象:PV膜、層間絶縁膜、メタライゼー-ション,基板
  • 検出される欠陥要因 : 変色,クラック,ボイド,異物の存在など

断面SEM検査

断面SEM検査

  • 検査項目 断面SEM検査:断面SEM検査では各配線の積層構造、コンタクト接続状態などを検査します。PV膜除去検査、界層解析検査ではOM(光学顕微鏡)SEMにより各メタライゼーションや基板部の検査を行います。
  • 観察装置:SEM
  • 検査対象:積層構造 配線,ゲート電極,コンタクトなど
  • 検検出される欠陥要因 : ボイド,異物,カバレージ構造要因(膜厚,ゲート長,コンタクト径他)

断面TEM検査

断面TEM検査

  • 検査項目 断面TEM検査:各種マイクロサンプリング/TEM観察手法により、微小領域の各積層膜の微細構造観察、接続界面情報、素子情報、組成分析情報の高分解能観察を行います。
  • 観察装置:TEM
  • 検査対象:積層構造,組成 ゲート酸化膜,コンタクトなど
  • 検検出される欠陥要因:ボイド,異物,転位,構造要因 (ゲート酸化膜厚他)

LSIプロセス診断検査手順

LSIプロセス診断検査手順
LSIプロセス診断審査手順フロー

  • 外観検査は外部要因による内部破壊が発生していた場合、正常な評価が不可能であるためプロセス診断前受け入れ検査として実施します。
  • X線検査もデバイスパッケージの複雑化によりパッケージの開封処理には内部透視検査が不可欠となり開封時予備情報取得として実施します。
  • パッケージ開封しチップ単体化は処理時やその後の取り扱いでチップの破損が発生しやすく、この時点ではパッケージ開封をチップ露呈のみとしパッケージ内部検査やプロセス診断のチップ表面検査を行います。
  • チップ単体化した、残りのプロセス診断は開封後、チップに欠陥が検出された場合、そのダメージがプロセスに起因するものか、開封によるものかの切り分けます。処理過程において詳細に情報取得を行います。 この部分の情報取得はアセンブリプロセスの検査項目の一部となるがLSIプロセス診断と切り離して考えることはできず、開封に伴う各検査を開封処理検査という項目に位置付け、最新のLSIプロセス診断の検査項目になっています。
  • 外観、X線、内部検査を開封処理検査から、さらに拡張したアセンブリプロセス評価(MIL-STD-833による判定元素分析RoHSなど)を含む診断手順も用意しています。
  • 開封後、チップに欠陥が検出された場合で、そのダメージがプロセスに起因するものか、開封によるものか、切り分けが開封処理検査では困難な場合も各種検査により確実な判断が行えるようにプログラムされています。

LSIプロセス診断システムの評価項目

各種仕様や手順が規定された5つの検査項目(開封処理検査表面検査界層解析検査断面SEM検査断面TEM検査)により得られたデータは40以上のLSIプロセス診断評価項目と各項目ごとに設けられた詳細な解説書による診断基準に従い診断と採点を行います。評価項目には各工程別に具体的な欠陥が記述され、検査により検出された不具合構造と照合することにより定量的な評価、採点が可能です。診断基準は、OKIエンジニアリングが過去に行ったデバイスの故障解析事例、良品解析事例等約5000件および各種文献例等から導いてます。LSIプロセス診断と信頼性試験との相互検証も行い、短期の信頼性試験や電気的特性検査では検出不可能な故障にいたる潜在的欠陥を検出し、LSIプロセス診断法の有効性が確認されています。(この評価項目の診断基準はプロセスの変遷や未知欠陥の検出等に合わせ随時検討を加えています。)

LSIプロセス診断システムのデータベース化

LSIプロセス診断は40項目の評価を行うため、大量の診断データが発生します。この診断データを効率的に処理し、有効に活用するために 専用のデータベースシステムを構築しています。大量のプロセス診断データをデータベースシステムに入力し、比較、解析可能な利用価値の高いデータを蓄積し、LSIプロセス診断システムの質を高めてます。 また、デバイスの構造値として重要なゲート長、各配線幅、パッシベーション膜厚等、詳細な測定値も入力され、任意の切り口で抽出、表示可能となっています。LSIプロセス診断システムのデータベース化により各メーカー、各プロセスルールの実力傾向を推定・評価する事ができます。

解析(故障/良品)・観察・分析のお問い合わせ先
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