6.3 不良解析：物理解析による原因究明

6.3 Failure Analysis: Root Cause Investigation via Physical Methods

量産中や信頼性試験で不良が発生した場合、物理的解析によって根本原因（Root Cause）を特定することが不可欠です。

Physical failure analysis (FA) is essential for identifying the root cause of defects found in mass production or reliability testing.

これは単なる確認ではなく、「工程に戻すか？」「設計に戻すか？」を判断する最後の砦です。

FA determines whether the issue lies in the process or design, making it the final decision gate.

🔬 主な解析ステップ｜Main FA Techniques

ステップ / Step 手法・内容 / Method 目的 / Purpose
ホトエミッション
Photo Emission		 通電中に発生する微弱発光を観察 ショート・リーク位置特定
OBIRCH 赤外線で局所発熱を検出 微小リーク・ショートの座標同定
剥離解析
Layer-by-Layer Etching		 HF等で層を順に剥がして観察 異常層の特定
SEM観察 表面構造を高倍率で観察 断線・膜剥離・クラック検出
FIB加工 集束イオンビームで断面加工 局所的構造の精密観察
EDX / STEM 元素分析／透過型電子顕微鏡 異物同定・構造欠陥詳細観察
FTIR分析 有機物（接着剤・封止材）の赤外吸収スペクトル解析 樹脂劣化・異物の有機成分分析
X線CT
X-ray CT		 X線による非破壊三次元観察 半田ボールのボイド・剥離検出

🌡 発光・発熱による不良箇所特定技術の変遷

Evolution of Emission/Heating-Based Failure Localization Techniques

技術名
Method		 原理・方式
Principle / Mechanism		 特長 / 利点
Features / Advantages		 限界 / 注意点
Limitations		 導入時期
Adoption Era
液晶法
Liquid Crystal Method		 温度変化で液晶が可視的に色変化
Thermal-induced phase change		 - 安価・装置不要
- 粗視的だが初期探索に有効		 - 解像度が低い（>10μm）
- 感度が低い		 ～1990年代中頃
ホトエミッション
Photo Emission		 微弱発光をPMTで検出
Photon emission from device defects		 - ゲート破壊や微小リークの検出に有効 - 暗室必要・定量困難 1990年代後半
OBIRCH（主流）
(Current Mainstream)		 赤外線照射による局所発熱検出
IR-induced resistance change + Joule heating map		 - 高感度・高分解能
- マッピング可能
- バイアス対応可		 - 絶縁層の厚みに影響
- 装置高価		 2000年代以降、現在も主流
TIVA / XIVA 熱・発光の時系列複合観察
Time-resolved heat/emission		 - FinFET・高速SW異常に有効 - 高速測定・高度解析必須 2010年代以降

✅ OBIRCHは、現代の不良解析における 最も実用的で高精度な可視化手法である。

🧪 不良解析の実例：スタンバイ電流異常

Case Study: Elevated Standby Current (Ioff)

● 現象｜Phenomenon：

ウエハテストで複数チップにスタンバイ電流異常が検出された。

Several chips showed abnormal Ioff during wafer testing.

● 解析フロー｜Analysis Procedure：

  1. OBIRCH解析
    → リークによる局所発熱を赤外線で可視化し、不良位置を特定

    Pinpoints failure coordinates via local heating during bias.

  2. 剥離解析（HFエッチング）
    → 層ごとに剥離しながら、異常のある層を絞り込む

    Identifies the defective layer using sequential etching.

  3. SEM観察
    → アクティブ領域や配線上に異常構造を確認

    Checks for voids, cracks, or foreign material on surface.

  4. FIB加工＋STEM断面観察
    → 局所断面を加工して詳細な構造観察を実施

    Enables high-resolution cross-sectional observation.

  5. EDX元素分析
    → 金属異物の組成（元素）を特定

    Determines elemental composition of detected particles.

● 結果と対応｜Findings & Actions：

🌿 有機材料の解析とFTIRの活用

Analysis of Organic Materials using FTIR

半導体は基本的に無機材料（Si, Al, Cu, SiO₂, etc.）で構成されますが、実装やパッケージ工程では多くの有機材料（接着剤・封止材・フィルムなど）が使用されます。これらが劣化、分解、異物混入を起こすと、実装起因の不良となる可能性があります。

そこで活躍するのが FTIR（Fourier Transform Infrared Spectroscopy） です。

FTIR enables identification of organic compounds by their characteristic IR absorption spectra.

✅ 用途例

✅ 半導体の物理解析は、「無機だけでなく有機も見る目」が必要である。

🩻 X線CTによる非破壊解析

Non-Destructive Evaluation via X-ray CT

X線CTは、パッケージ内部や実装構造を破壊せずに観察できる解析手法です。特にCSPやBGAなどの半田ボール接続部のボイド・剥離・未接続を検出するために広く用いられます。

✅ 主な用途：

X-ray CT enables non-destructive 3D visualization of internal structures without damaging the sample.

✅ 教材ポイント：

📜 技術回想コラム｜Column: OBIRCH導入前夜

かつて、不良解析の初期手段として使われていたのが、液晶を塗布して発熱箇所を視認する手法でした。通電中に熱を持った箇所が黒く反転し、ショートやリークの位置を目視で探索できるものでした。

その後、微弱な発光を観察するホトエミッションが導入され、ゲート酸化膜破壊やリークトランジスタの検出に有効でしたが、感度・暗室環境・露光時間などの制約もありました。

🔧 0.25µm SRAMでの限界と転機

1990年代末、社内の0.25µm世代SRAMにおいて、スタンバイ電流が1µAレベルにまで低下。
しかし、このリーク異常はホトエミッションでは全く検出できず、FAが行き詰まる事態となりました。

「ホトエレでは何も出ない。リークしてるのに、見えない。」

このとき注目されたのが、新興技術であった OBIRCH（Optical Beam Induced Resistance Change）。
1999年、Semicon Japanの展示会にて装置を実見し、1µAクラスのリークにも反応することを確認。
その場で「これは使える」と判断し、導入が決断されました。

✅ 技術選定の本質：

「現象に対して、何が“見える”か」
── これが不良解析における技術判断の核心である。

🧠 教材上のポイント｜Educational Takeaways

💡 ChatGPT活用プロンプト｜Prompt for Learners

「Ioff異常が複数ロットで散発。装置起因か材料起因か、FIBやEDXから原因を特定せよ」

「パッケージ部にクラックがあり、茶色の樹脂片が混入。FTIRで原因を絞り込め」

「1990年代後半のリーク解析で液晶・ホトエミッション・OBIRCHをどう使い分けていたか、用途と限界を比較せよ」

「CSPで信号異常が検出された。X線CTで何を観察すべきか、想定される不良モードを挙げよ」

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