系統欠陥とは

系統欠陥とは、同じ原因が同じ場所や同じ形のパターンで繰り返し検出される欠陥です。 ウェーハの地図に規則が出るため、原因を1つ突き止めれば、その先に流れるウェーハからまとめて消えます。

現場で詰まるのは、歩留まりの数字が2種類の欠陥をひとまとめに丸めてしまうためです。同じ85.93%でも、ランダム欠陥に食われている場合と系統欠陥に食われている場合があり、打つ手は別になります。人を清浄度の側へ割くのか、設計の直しの側へ割くのかが日々の選択になります。その切り分けの物差しを、公開資料の計算例からたどります。

定義・解説

歩留まりを下げている相手が系統欠陥なのかランダム欠陥なのかは、良品の個数を数えた段階では同じ数字に丸まります。日本信頼性学会誌に載った公開解説は、32×16で512個のダイを載せたウェーハについて、良品440個・歩留まり85.93%という同じ数字になる3通りの不良分布を挙げています。1枚目は不良がランダムに一様に散った分布、2枚目はその中間、3枚目は局所に集まった分布です。同解説での計算例です。

切れ目は、地図の縮尺を変えたときに出ます。隣り合うダイを統合し、どちらかが不良ならその大きなダイも不良と数えます。この手順を繰り返して16ダイぶんまで大きくすると、一様分布は12.50%、中間は15.63%、局所分布は31.25%になります。同じ85.93%から出発しても、面積を増やしたときの落ち方に差が出ます。局所に集まっているほど、面積を増やしても粘ります。

同解説は、拡散プロセス条件や製造装置、さらには設計や検査といった構造的な問題によって生じる歩留まりをシステマティック歩留まりと呼び、実際の歩留まりを、システマティック歩留まりとランダムな欠陥による歩留まりの積として書いています。面積を増やしたときの線を延長して、面積がゼロの側の切片の値を取ると、この数字が取り出せます。先の3枚から求めた値は、一様が97.72%、中間が92.64%、局所が91.43%です。

良品の数が同じでも、並び方には差が出ます

不良ダイの数が同じでも、隣り合うダイを統合して面積を増やしていくと、一様に散った分布は急に落ち、局所に集まった分布は粘ります。この落ち方の差が、ランダム欠陥と系統欠陥を切り分ける物差しになります。数値は日本信頼性学会誌の公開解説による計算例です。

現場では、歩留まりの床が同じ位置に張り付きます

系統欠陥が居座ると、清浄度を上げてもパーティクルの数を減らしても、歩留まりの下限が同じ位置に張り付きます。原因が個数の多さよりも仕組みの側にあるためです。同じ解説は推奨管理として、システマティック歩留まりが95%以上なら正常、90〜95%なら要注意、90%以下なら要解析という区切りを挙げ、著者の経験からの数値であるとしています。数を追う仕事から、形を読み解く仕事へ切り替える合図がここにあります。

形は、ばらつきを地図に載せ直すと浮かびます。日立評論の2022年の報告で、日立ハイテクは反射電子を使った非破壊の深さ計測を紹介し、ウェーハ全面102チップのトレンチ深さを測ると、深い領域がウェーハ中央に集中した同心円状の分布になったとしています。深さのウェーハ内ばらつきは8%です。同社の計測例での値です。1点ずつなら寸法のばらつきでも、地図に載せると中央と外周という区別が浮かびます。

JEITAの平成21年度報告も同じ読み解き方を挙げています。歩留管理システムによるゾーン解析と、大規模な故障診断による故障モードの分類を組み合わせることで、通常の統計解析ではランダム欠陥に埋もれてしまう水準のシステマティック不良を見つけた例を示し、ウェーハ外周部分で特定のブリッジ不良の発生頻度が明らかに高いことが示されたとしています。SEAJの用語集はブリッジ欠陥を、独立して形成されたパターンどうしがつながってしまう不良とし、エッチング不足によって生じることが多いとしています。区画と不良モードの両方で切って初めて、外周という規則が浮かびます。

何を測り、どう動かすのですか

JEITAの平成20年度報告は、微細化が進むにつれてシステム欠陥が欠陥全体に占める割合が増えており、欠陥検査でシステム欠陥を検出する要求も増えているとしています。同報告は、不純物プロファイルの異常や膜中のボイドのように光学で検出が難しい欠陥を挙げる一方で、OPCの精度不足などによるパターン不良、いわゆるホットスポットには欠陥検査装置で検出できるものも多いと述べています。同報告での書き方です。

そこで手順は、設計図の側から先に地図を作る順になります。同報告が挙げる流れは4段です。設計パターンからホットスポットの特徴を認識してグループ分けし、チップ内の座標を抜き出してパターンライブラリーを作ります。次に欠陥検査を行い、欠陥の座標と画像を取ります。そして検出した欠陥の座標とライブラリーの座標を重ね、欠陥をその背景のパターンごとに分類します。最後に、特定のライブラリーに属する欠陥だけを取り出せば、現実的な工数でレシピ作成や欠陥レビューや管理ができるとしています。パターン比率の調整のために入れるダミーパターンを登録しておけば、その領域の欠陥は分離できるとも述べています。

分類したあとの動かし先は、SEAJの用語集が書いています。同用語集は自動欠陥分類（ADC）を、欠陥画像をあらかじめ定めたルールで発生原因ごとにクラス分けする仕組みとし、分類された情報は歩留り管理システム（YMS）や工場ホストに上げて、欠陥の発生原因追求や解析に用いられるとしています。YMSについては、歩留まりモニタと欠陥検査から解析までを行い、その結果にもとづく欠陥発生工程へのフィードバックや、APCによる装置レシピへのフィードフォワードなどの処置を行う統合システムとしています。

地図に設計図を重ねたとき、欠陥に名前が付きます

系統欠陥を潰す道筋は、ウェーハの区画で当たりを付け、不良の中身で切り、設計の座標と重ねて名前を付け、直す相手が決まるところまで進みます。届く範囲が広い一方で、直す相手が設計側にあることと、あらかじめ登録した形だけが候補になることが代償になります。

潰す相手が設計側にあることが、この欠陥の代償です

系統欠陥の割の良さは、1つ直せば全数に届く点にあります。同じ割の悪さが、直す相手の遠さです。設計やマスクを触るとなれば、作り直しと再露光の時間がかかります。SEAJの用語集はDFMを、デバイス製造における欠陥低減など歩留まり向上を考慮した設計としています。作りやすさを買うかわりに、設計の自由度を渡す取り引きになります。

検査の側にも同じ形の取り引きがあります。設計情報で絞り込むほど、レビューの工数は現実的な水準に収まります。そのかわり、ライブラリーに登録した形の外にある欠陥は、候補の一覧から漏れます。JEITAの平成20年度報告は、ホットスポットについて、マージナルな要因のため発生する場所が一定とは限らず、発生頻度も低いとしています。規則性を頼りに探す道具は、規則性が薄いときに取りこぼしが増えます。

そのため現場では、ランダム欠陥の管理を走らせたまま、系統欠陥の探索を別の線として重ねます。SPCで日々のばらつきを見張りながら、ウェーハの地図と設計の地図を定期的に重ねます。この二本立てが、歩留まりの床と天井の両方を動かす道筋になります。

よくある質問（FAQ）

系統欠陥とは何ですか？

同じ原因が、同じ場所や同じ形のパターンで繰り返し検出される欠陥です。日本信頼性学会誌の公開解説は、拡散プロセス条件や製造装置、さらには設計や検査といった構造的な問題によって生じる歩留まりを、システマティック歩留まりと呼んでいます。

ランダム欠陥とどう見分けますか？

地図の縮尺を変えて、落ち方の差を比べます。同解説は、良品440個・歩留まり85.93%という同じ数字になる3通りの不良分布について、隣り合うダイを統合して16ダイぶんまで大きくすると、一様分布が12.50%、中間が15.63%、局所分布が31.25%になるという計算例を示しています。局所に集まっているほど、面積を増やしても粘ります。

系統欠陥ぶんの数字はどう取り出しますか？

面積を増やしたときの歩留まりの線を延長し、面積がゼロの側の切片の値を取ります。同解説は、この手つきで求めたシステマティック歩留まりが、一様分布で97.72%、中間で92.64%、局所分布で91.43%になったとしています。

どのくらいなら直しにかかるべきですか？

同解説は推奨管理として、システマティック歩留まりが95%以上なら正常、90〜95%なら要注意、90%以下なら要解析という区切りを挙げています。著者の経験からの数値であるとして、拡散プロセスが正常ならば95%以上であり、90%以下ならば拡散プロセスのどこかに問題があり、解析を行えば原因が究明できるとも述べています。

光学の検査で見つかる系統欠陥ばかりですか？

光学で検出が難しい系統欠陥もあります。JEITAの平成20年度報告は、不純物プロファイルの異常や膜中のボイドを挙げる一方で、OPCの精度不足などによるパターン不良、いわゆるホットスポットには欠陥検査装置で検出できるものも多いとしています。

設計データは検査にどう使うのですか？

座標の突き合わせに使います。同報告は、設計パターンからパターンライブラリーを作り、欠陥検査で得た欠陥座標と重ねることで、欠陥をその背景のパターンごとに分類する手順を挙げています。特定のライブラリーに属する欠陥だけを取り出せば、現実的な工数でレシピ作成や欠陥レビューや管理ができるとしています。

系統欠陥を潰すと何を差し出すことになりますか？

直す相手が設計やマスクの側にあるため、作り直しの時間を差し出します。SEAJの用語集はDFMを、デバイス製造における欠陥低減など歩留まり向上を考慮した設計としています。設計の自由度を渡して、作りやすさを買う取り引きになります。

比較・違いを学ぶ

ランダム欠陥とは ── 数で管理する側で、こちらは形を読み解いて原因を1つに絞る側です
歩留まり（イールド）とは ── 系統とランダムの積として分解される、上位の指標です
確率的欠陥とは ── EUV露光で顕在化した、光子数のゆらぎに由来する別系統の欠陥です

出典

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日本信頼性学会誌「大規模集積回路半導体の歩留まりと検査起因品質に関する考察」Vol.34 No.1（2012）（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 512個のダイと良品440個で歩留まり85.93%になる3通りの不良分布、統合したときの12.50%・15.63%・31.25%という値、システマティック歩留まりが指す中身と積の形、97.72%・92.64%・91.43%という算出値、95%以上と90〜95%と90%以下の推奨管理
JEITA「半導体技術ロードマップ専門委員会平成21年度報告第13章 WG11 歩留向上」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 歩留管理システムのゾーン解析と故障診断の組み合わせで、ランダム欠陥に埋もれる水準のシステマティック不良を発見した例、ウェーハ外周でのブリッジ不良の頻度
JEITA「半導体技術ロードマップ専門委員会平成20年度報告第13章 WG11 歩留向上」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── システム欠陥が欠陥全体に占める割合の増加、光学で検出が難しい欠陥とホットスポットの区別、パターンライブラリーを使った検出と分類の4段の手順、ダミーパターンの分離、マージナルな要因ゆえの発生場所と頻度
日立評論「デジタル社会の進化を支える半導体製造歩留まり向上ソリューション」2022年2月（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 反射電子を使った非破壊の深さ計測、ウェーハ全面102チップでの測定、中央に深い領域が集中する同心円状の分布、面内ばらつき8%
SEAJ「半導体製造装置用語集（計測）」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 自動欠陥分類（ADC）の中身と分類情報の行き先、歩留まり管理システム（YMS）の役割、DFMが指す設計
SEAJ「半導体製造装置用語集（リソグラフィ）」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── ブリッジ欠陥が指す不良と、その生じ方