2011年7月1日付で東芝 セミコンダクター社とストレージプロダクツ社は統合し、株式会社東芝 セミコンダクター＆ストレージ社になりました。このページは、半導体製品の信頼性情報について説明しています。
故障解析に用いられる装置
[2011年4月現在]
半導体デバイスにおける故障解析では、電気的特性測定による解析以外に、故障部位の発見、メカニズム解析のため、場合によってはnmオーダから数 µmオーダの領域が観察でき、かつ、高精度･高感度で分析できる装置が必要になります。表 1に故障解析に用いられる実用性の高い装置をまとめました。
| 装置 | 解析用途 | |
|---|---|---|
| 電気的特性 | カーブトレーサ | 耐圧、リーク |
| オシロスコープ | ファンクション、AC特性 | |
| テスタ | DC特性、AC特性、 | |
| ナノプローブ装置 | ファンクション単体素子特性評価 | |
| 故障箇所特定 | 液晶解析 (偏光顕微鏡) | ホットスポット検出 |
| エミッション顕微鏡 (PEM) | 発光箇所の検出 | |
| 走査型レーザ顕微鏡 | 動作解析 (OBIC法/OBIRCH法) | |
| EBテスタ | 動作解析 (Voltage Contrast) | |
| 観察用 | 実体顕微鏡 | 外観 |
| 金属顕微鏡 | チップ観察 | |
| 赤外顕微鏡 | チップ裏面からの観察 | |
| 走査型プローブ顕微鏡 (SPM) | 表面形状・特性等の観察 | |
| 走査型容量顕微鏡 (SCM) | 表面キャリア濃度の観察 | |
| 走査型原子間力顕微鏡 (AFM) | 表面形状の観察 | |
| 走査型電子顕微鏡 (SEM) | 形状観察 | |
| 透過型電子顕微鏡 (TEM) | 微小構造解析 | |
| X線透視 | 内部観察 | |
| 超音波探傷装置 | 剥離、ボイドの検査 | |
| 分析用 | X線マイクロアナライザ (EPMA) | 元素分析、組成分析 |
| オージェ電子分光 (AES) | 表面元素分析、状態分析 | |
| 2次イオン質量分析装置 (SIMS) | 元素同定、表面元素分析 | |
| 飛行時間型2次イオン質量分析装置 (TOF-SIMS) | 元素･分子同定、最表面分析 | |
| X線光電子分光 (XPS) | 表面元素分析、状態分析 | |
| 蛍光X線分析 | 不純物分析、組成分析 | |
| 蛍光顕微鏡 | 蛍光体分析 | |
| フーリエ変換赤外分光 (FT-IR) | 状態分析 | |
| 電子スピン共鳴 (ESR) | 電子状態分析 | |
| 電子線回折 | 結晶性分析 | |
| X線回折 | 結晶性分析、応力測定 | |
| 走査型赤外線検出装置 | チップ内温度分布 | |
| 熱分析 | 材料分析 | |
| 放出ガス分析 | 材料分析 | |
| その他 試料加工 |
集束イオンビーム装置 (FIB) | 試料加工 |
| 精密研磨装置 | 試料加工 | |
| イオンミリング装置 | 試料加工 |
電気的特性測定
一般にオープン、ショート、耐圧劣化などを調べるには、カーブトレーサや、I-V特性の測定できる装置が用いられます。また、AC特性の簡単なチェックはオシロスコープが手軽です。
テスタは、LSI用の大型汎用テスタ、メモリテスタ、リニアICテスタなどデバイスによって使い分けられます。テスタによる測定は、規格値との比較により、故障を診断したり、回路上の故障部位の推定に用いられます。
故障箇所の特定
故障解析を行う上では、まず故障箇所を特定することが重要です。故障箇所特定法としては以下に示すような方法が実用化されています。
チップ内温度分布異常の発見には赤外線検出装置、微小リークの検出にはホットスポットを検出する液晶解析や微弱発光を検出するエミッション顕微鏡が利用されています。
また、動作状態の解析では、PN接合部の電位状態の解析法として、電子顕微鏡を用いたEBIC法、走査型レーザ顕微鏡を用いたOBIC法もしくはOBIRCH法、配線の電位状態を解析するEBテスタを用いたVoltage Contrast法が利用されています。
観察
故障部位の発見、観察には、金属顕微鏡、実体顕微鏡のほかに、走査型電子顕微鏡 (SEM)、透過型電子顕微鏡 (TEM) が不可欠です。その他に赤外顕微鏡、X線透視装置なども重要な情報を与えてくれます。また、原子レベルの情報まで得られる走査型トンネル顕微鏡 (STM) や、原子間力顕微鏡 (AFM) なども活用されています。
元素分析 (参考文献1)
半導体の故障解析では、特に固体表面分析が有力な手段となります。固体表面分析の原理は一般的には、図 1に示すように、励起源として電子ビーム、イオンビームおよび電磁波 (X線など) を固体表面に照射し、そこから出てくるX線、2次イオン、オージェ電子などを信号源にして、その部分の表面 (あるいはバルク) の元素分析、状態分析を行う方法です。
表 2は固体表面分析法 (装置) の特徴をまとめたものです。表の中で特に頻繁に用いられる装置としては、X線マイクロアナライザ (EPMA)、オージェ電子分光装置 (AES)、2次イオン質量分析計 (SIMS)、X線光電子分光 (XPSまたはESCA)、蛍光X線分析装置などの装置でその分析領域、感度を考慮して、用途に応じて使い分けます。
図 1 イオン、電子、光子 (X線) と固体表面の相互作用の模式図 (参考文献1)
| 励起源 | 信号源 | 分析技術 | 得られる情報 | 特徴その他 |
|---|---|---|---|---|
| 電子 | 反射1次電子 | 低速電子エネルギー損失スペクトル (LEELS) | 吸着状態 | 数eVの低エネルギー電子を使う 吸着分子の振動状態がわかる |
| オージェ電子 | オージェ電子分光 (AES) | 元素分析、結合エネルギー、化学効果による状態分析 | 3∼20 keV程度の電子線を使う。 数10 nm以下のビームによる表面分析も可能 |
|
| イオン | 電子衝撃離脱法 | 吸着物の元素分析 | 微小電流で表面衝撃し吸着イオンを脱離させ質量分離 | |
| 特性X線 | X線マイクロアナライザ (EPMA) | 微量元素分析 | 微小部分析では常用されている。検知深さは1 µm程度 | |
| 光 | カソードルミネセンス | 電子線励起電子-正孔再結合の発光 | 欠陥、析出物、不純物析出、キャリア拡散層の測定 | |
| イオン | 反射イオン | イオン散乱エネルギースペクトル (ISS) | 表面最外層の原子構造、元素分 | 低速イオン (100 eV∼数keV) を用い、散乱してくる1次イオンのエネルギー分離を行う |
| 後方散乱イオン | ラザフォ－ド後方散乱 (RBS) | 組成、元素分析、 深さ方向分布 |
数百eV∼数MeVのH+, He+を用い、後方散乱されたイオンのエネルギーを測定する | |
| 2次イオン | 2次イオン質量分析 (SIMS) | 微量分析、深さ方向分布 | 薄膜、表面分析、バルクの微量分析、深さ方向の濃度分布 | |
| 特性X線 | 粒子線励起X線分析 (Particle Induced X-Ray Emission) | 元素分析 | 高感度で多元素同時分析 | |
| X線 紫外線 |
光電子 | 光電子分光 (XPS) 真空紫外電子分光 (UPS) |
元素分析、 電子結合エネルギー |
光電子のエネルギー測定により、電子の結合エネルギー、元素分析を行う |
| X線 軟X線 |
2次X線 | 蛍光X線分析 | 元素分析 | 迅速な分析が可能 |
| 軟X線分析 | 電子状態 | 軟X線を照射して原子の電子状態を測定する |
試料作製
故障解析では、LSI内の特定箇所 (故障箇所) の表面、断面からの観察、分析が必要となります。したがって、精密な試料作成法が必要とされ、チップ状態でも研磨できる精密研磨装置や集束イオンビーム装置 (FIB) が利用されています。
(参考文献1): 大西、堀池、吉原: 「固体表面分析I, II」講談社: 電子情報通信学会技術研究報告R91-33 (1991)
2011年7月1日付で東芝 セミコンダクター社とストレージプロダクツ社は統合し、株式会社東芝 セミコンダクター＆ストレージ社になりました。このページは、半導体製品の信頼性情報について説明しています。
