ニュースの「歩留まり」とは？ 1%の差がなぜ大きいのか

ニュースでよく聞く「歩留まり」とは、1枚のウェーハでつくったチップのうち、良品が何割かということです。100個つくって90個が良品なら、歩留まりは90%です。

9割と聞くと十分に思えますが、ニュースでは歩留まりが数ポイント違うだけで大きな話になります。その理由は、チップがどう「焼き上がる」かから見ていくとわかります。

1枚のウェーハに、チップは何個ある？

チップは1個ずつつくるのではありません。工場では、薄くて丸いシリコンの板、ウェーハの上に、同じチップをまとめてたくさんつくります。小さなチップなら1枚に1,000個以上、とても大きなチップなら数十個しか載りません。できあがったら切り分けて、1個ずつパッケージに収めます。

これはクッキーを焼くのに似ています。天板にまとめて並べてオーブンに入れると、何枚かは焦げたり欠けたりします。歩留まりが問うのは、その天板のうち、売れるのは何割かということです。

なぜ全部が良品にならないのか

チップのいちばん細い線は、髪の毛の1,000分の1よりも細いほどです。これほど小さいものには、よくある壊れ方が2つあります。

ひとつは、何かが落ちてくること。目に見えないほど小さなパーティクル（微粒子）が、ちょうど悪い場所に落ちると、2本の線がつながったり、1本の線が切れたりします。クリーンルームがどれだけきれいでも、ゼロにはなりません。

もうひとつは、少しずれてできること。ある膜が少し厚い、線幅が少し太い。チップは動くかもしれませんが、遅すぎたり、待機中のリーク（漏れる電流）が多すぎたりすれば、やはり良品とはいえません。

1工程99.9%なら、最後にどれだけ残る？

ウェーハは工場に投入されてから完成するまで、数百の工程を通ります。どの工程でも、少しずつチップがだめになる可能性があります。簡単な計算で見てみましょう。どの工程も1,000個のうち1個しかだめにしない、つまり1工程ごとに99.9%が良品だとします。

1工程で99.9%、2工程で99.9%×99.9%。これを掛け続けると、次のようになります。

• 100工程：約9割が残る
• 300工程：約4分の3が残る
• 500工程：約6割が残る

1工程ごとの差はわずかでも、掛け合わせると大きな差になります。逆にいえば、500工程を終えて95%を残したいなら、1工程ごとに99.99%、つまり1万個に1個しかだめにできません。

実際の工場では、工程ごとに失敗の起こりやすさは違います。ここで見たいのは掛け算の力です。どこかの工程が少しずれれば、それが最後の歩留まりに掛け合わされます。だから半導体工場は、どの工程もこれほど慎重に扱うのです。

チップが大きいほど、なぜ歩留まりが下がる？

クッキーに戻りましょう。どの天板にも焦げが10か所、でたらめな場所にできるとします。

小さなクッキーを天板に100個並べれば、焦げ10か所でだめになるのは多くて10個。9割は売れます。大きなクッキーを10個だけ並べると、同じ10か所の焦げで、平均6〜7個が当たってしまいます。

チップも同じです。欠陥の数がほぼ同じなら、チップが大きいほど当たりやすくなります。だから歩留まりを見るときは、まずどれくらいの大きさのチップかを知る必要があります。大きさの違うチップの歩留まりは、そのまま比べられません。

1%の差が、なぜ大きいのか

ウェーハ1枚にかかるお金は、良品がいくつ取れても、ほぼ同じです。材料、装置の時間、電気、水、人手は、つくっているあいだに使ってしまいます。良品が少ないほど、1個あたりが背負う分が大きくなります。

仮の数字で計算してみます。1枚のウェーハにチップが1,000個あるとします。

歩留まり	良品	良品1個が背負うコスト
90%	900個	1倍
60%	600個	1.5倍
45%	450個	2倍

量が多いと、1%の差はもっとはっきりします。さらに、このウェーハを1か月に1万枚つくるとします（これも仮の数字です）。歩留まりが90%から91%になれば、1枚あたり良品が10個増え、1か月で10万個増えます。そのウェーハはもともとつくるものなので、ウェーハ工場の側ではほとんど追加のお金がかかりません。逆に歩留まりが1%下がれば、10万個をつくったのに売れない、ということになります。

歩留まりが予定より低いと、もうひとつ困ることがあります。お客さんに約束した数が足りなくなるのです。補うにはウェーハを多めに投入するしかありませんが、ウェーハは投入から完成まで数週間から数か月かかるので、補う分は遅れて届きます。

新しいチップは、なぜ最初は歩留まりが低い？

新しい世代のプロセス（ニュースで聞く「2ナノ」など）や、新しく設計したチップをつくりはじめたときは、まだ見つかっていない問題がたくさんあります。ある工程の条件がまだ合っていない、ある装置がウェーハの端だけ違う仕上がりになる、フォトマスクに汚れがついている。新しい製品を初めてつくる数ロットを試作といい、このころの歩留まりは低いことが多いのです。

エンジニアは、原因をひとつずつ探します。どの壊れ方がいちばん多いか、ウェーハのどこで起きているかを見て、いちばん大きな原因から片づけ、次に取りかかります。ひとつ片づくたびに、歩留まりが一段上がります。

終わりに近づくほど、上がり方はゆるやかになります。残った原因が小さく、見つけにくくなるからです。歩留まりが十分に高くなり、採算が合うようになって、はじめて本格的な量産が始まります。この、上がりながらだんだん平らになっていく線が、ニュースでいう歩留まりの立ち上げ（ランプアップ）で、学習曲線とも呼ばれます。

どのチップが良品か、どうやって見分ける？

できあがったウェーハは、切り分ける前に、たいていウェーハテストを受けます。プローブカードのとても細い針をチップの接点に当て、電気を流してひととおり測ります。抜き取りではなく、1個残らず測ります。

測り終えたら、結果ごとに分類します。良品はひとつのグループ、不良は壊れ方ごとに別のグループです。この分類をビンといいます。結果を位置どおりに描いたものがウェーハマップで、良品と不良が色分けされます。ウェーハを切り分けたあと、パッケージに進むのは良品だけです。

ウェーハマップは、原因を探す手がかりにもなります。不良がばらばらに散らばっていれば、でたらめに落ちたパーティクルのようです。外周のリング、露光装置が一度に焼き付けるマス目のどれにも同じ位置、1本の弧のように並んでいれば、たいていはある工程、ある装置、あるいはフォトマスクに問題があります。

次にニュースで見たら、こう読める

• 「歩留まりが悪い」「歩留まりが上がらない」：つくったチップのうち、不良が予定より多い。良品1個が高くなり、約束した数も間に合わないかもしれない。
• 「歩留まりが向上」：同じウェーハから取れる良品が増えた。コストが下がり、納められる数も増える。
• 「歩留まりの立ち上げ」：新しいプロセスやチップをつくりはじめたところで、エンジニアが不良の原因をひとつずつ片づけ、歩留まりが一段ずつ上がっている途中。
• 「量産レベルの歩留まりに達した」：良品の割合が十分に高く、採算が合うようになった。本格的な量産を始められる。

fab24hrでは

メインストーリー「チップの一生」の第3章では、開発ラインの開発インテグレーションエンジニアになります。補聴器のチップ「Glowmere」の最初のロットがウェーハテストを終え、3枚のウェーハマップにそれぞれおかしな形があります（外周のリング、格子状、1本の弧）。それぞれが何を指しているのかを読み解きます。第10章では、後工程工場のテストエンジニアです。ビンの中でいちばん多い不良を見つけ、それがウェーハのどこにあるかを見て、待機電流の上限をどこに引くかを決めます。厳しくすると歩留まりは5ポイント近く下がり、初回分の数が足りなくなります。ゲームに出てくる会社・チップ・人物・歩留まりの数字は架空です。歩留まりとは何か、なぜ100%にならないのかは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。