半導体の製造工程を徹底解説！シリコンから集積回路になるまでの流れ

1.半導体の製造工程。大まかな流れ

冒頭でも述べているように、半導体製造もまた他の製造業同様、設計・製造・組立・テストの行程を踏んでいます。

とは言え半導体デバイスは、高純度の単結晶シリコンが棒状(インゴット)となったものをきわめて微細にスライスした「ウェハー」基板上に、さらに微細な加工・回路の書き込みを繰り返し行うことで形成されていきます。

近年ではディスクリート半導体(単一機能を持った半導体のこと)のみならず、ICやLSIといった高度な集積化が求められていることもあり、ウェハー上にトランジスタ，抵抗器，を配置し配線配置しなくてはならず、ますます製造難易度が上がっています。

なお、精密・精緻な設計・加工が求められることは言うまでもないでしょう。

このウェハーや製造デバイスにちょっとでもゴミやホコリが付着してしまうだけで支障をきたしてしまいます。

そのため製造には専用クリーンルームで、作業員もクリーンスーツと呼ばれる専用防護服を着用したうえで製造に取り掛かることが求められます。

ちなみにこのクリーンルームに入る前にはエアシャワーを浴びるなど、きわめて厳格な環境下での作業が必須です。

それでは次項より、それぞれの細かな製造工程を見ていきましょう。

2.半導体製造工程①設計

ウェハー上に、どのような電子回路を焼き付けるか。そしてどのような配線配置を行うか。

「これからどのような半導体を作るのか」最初の工程となるのが設計です。どの製造業でも共通していますね。

しかしながら半導体はきわめて小さいウェハー上に設計します。

ちなみに、よく用いられるウェハーのサイズは8インチ(200mm)。

シリコン加工技術が進歩したため、近年では大型化が図られていますが、さらに回路や配線配置は細かになるため、紙面や実物大のウェハーで設計を行うことはありません。

そこでハードウェア記述言語(HDL：Hardware Description Language)などといったコンピュータ言語を用いて設計を行います。

これはソフトウェアのプログラミングと同じ要領です。ここで記述されたプログラムはシミュレーションにかけられ、OKが出た後論理合成ソフト・レジスタ転送レベル(RTL：Register Transfer Level)によってネットリストに展開されます。

ネットリストとは回路パーツの接続情報を示したデータを指します。

なお、RTLでもプログラムに問題がないか、シミュレーションを重ねることとなります。

ネットリストに展開されたら、ようやく物理的に回路を実現できることとなります。

そうしてCADを用いて回路の配置レイアウトと配線を行いますが、やはりここでも高精度な設計が求められます。

もっとも現在では自動レイアウトツールが用いられ、同時にシミュレーションも行ってくれることがほとんどです。

設計された回路は、フォトマスク(レチクル)に描かれます。

後述しますがこのフォトマスクを高性能レンズで縮小し、ウェハー上に転写することで半導体は製造されていきます。

「どんな半導体になるか」が決定する重要な部門ですが、半導体の重要性が高まり続ける中で分業化や自動化が進んでおり、専用ベンダーや部門に依頼することで仕上がってきます。

2.半導体製造工程②ウェハープロセス(前工程)～ウェハーに回路を形成する～

ウェハーがなくては半導体製造は行えません。

半導体製造の中心と言ってもいいのが、このウェハープロセスです。

まず、ウェハーは高純度の単結晶シリコンを用います。

前述の通りインゴット状であるため、スライスマシン等を用いてスライスし、しかる後に面取したり研磨したりすることで平坦化します。

また、このままだと汚れやホコリがついたままですので、専用薬液を用いて洗浄を行います。

その後、回路を形成する酸化膜・窒化膜をウェハー表面上に成膜します。

これは、熱処理装置の中にウェハーを入れ、酸素ガスとシリコンガスを吹き込んだ後に高温下で焼くことで酸化膜が成長します。

さらにシランとアンモニアガスを流入することでシリコン窒化膜を堆積させます。成膜後もまた、丁寧な洗浄を行います。

こうしてウェハー基板の基本ができたら、いよいよ回路を焼き付ける準備に入ります。

ウェハーにフォトレジストと呼ばれる感光材を塗布するのですが、薄く均一であることが求められます。

そこでウェハーを高速回転させることで塗布していきフォトレジスト膜を形成させることとなります。

ちなみにこのフォトレジストはUV光によって性質が変化します。

これは後々重要になってくるので、覚えておきましょう。

前項の「設計」でご紹介したように、フォトマスクに描かれた回路をこのフォトレジスト膜を形成したウェハーに焼き付けます。

半導体露光装置を用いますが、高性能レンズによってフォトマスク上の回路を1/4または1/5に縮小し、ウェハーにUV光で転写します。

フォトレジスト膜はUV光によって性質が変わる、と述べました。

そのため光が当たった部分だけ変質することで、回路パターンが写し込まれることとなります。

もっとも一度に全ての回路を転写するわけではなく、フォトマスクを取り替えたり、スリットを移動させたりしながら形成していきます。

露光によって転写しただけではまだウェハー上に描けている状態ではないので、現像する必要があります。

そのため現像液を均一に塗布することでフォトレジストを溶かし、回路を浮き彫りにします。

この時、ポジ式レジストでは光があった部分、ネガ式レジストでは光のあたらなかった部分のフォトレジストが溶けることとなり、回路パターンが作られます。

この時、フォトレジストが溶けた部分の酸化膜はむき出しになった状態です。

そこでエッチングと呼ばれる工程を経ます。

プラズマエッチング装置を用いて酸化膜を除去しますが、フォトレジストが残っている部分はそのままとなるため、回路パターンがキレイに残る、というわけです。

なお、この時フォトレジストもまたキレイに除去されることとなります。

3.半導体製造工程③ウェハープロセス(前工程)～ウェハーに半導体の特性を持たせる～

単結晶シリコンだけは半導体として機能しません。

半導体は、シリコンに不純物を注入し、p型半導体またはn型半導体とする必要があります。

この不純物はp型の場合はホウ素やガリウムといった3価元素、n型の場合はリンやヒ素といった5価元素が選択されますが、これをウェハーにしみこませるようにして注入します。この工程をドーピングと呼びます。

なお、この不純物を活性化させるために、熱処理が行われています。

ドーピングによってシリコンが出ている部分が半導体となり、酸化膜が残る部分はそのままです。

ちなみに見出しを分けましたが、フォトレジスト塗布～ドーピング作業は繰り返し行われて、必要な回路が形成されていきます。

ドーピングによって膜が堆積されたウェハーは、表面を研磨して平坦にされます。

こうしてウェハー状に半導体素子が作られましたが、それぞれ単独では動きません。

そこでアルミニウムを蒸着させることでアルミ金属膜を形成します。

このアルミニウムは電極配線の役割を果たします。

その後余分なアルミニウムは除去されます。

こうして回路が形成されたウェハーはプローバーによって接続やバグが電気的にテストされます。

これをプローブテストと呼ぶことがあります。

ここまでが、半導体製造の前工程と呼ばれる一連の作業です。

4.半導体製造工程④後行程

後工程は、組立と出荷前の最終試験工程となります。

プローブテストを経たウェハー状にはたくさんの回路パターンが搭載されているので、チップごとにダイヤモンドプレートを用いて一つひとつ切り分けます。

これをダイシングと呼びます。

このチップはこのままだと外部パーツと繋げないため、多くの場合リードフレーム実装され、半導体パッケージとなります。

そのためリードフレームに銀ペーストなどの接着剤で固定し(マウンティング)、ゴールドのワイヤー等でしっかりと繋ぎます(ボンディング)。

さらにチップを守るため、樹脂やセラミック製でパッケージング(モールド)します。

これで半導体は完成です。

もっとも出荷前に厳格なテストが必要となります。

バーンインと呼ばれる温度・電圧試験装置にかけられ、想定通りの環境下での使用ができるかどうかチェックします。

また、電気的特性や信頼性がテストされて不良品が排除された結果、晴れて製品化に至るわけです。

5.まとめ

半導体製造工程について解説いたしました。

半導体製造は通常の製造業同様に、設計・製造・組立・テストを経て製品化に至っていること。

しかしながら半導体はディスクリート品のみならず、集積化が進んだことでますます微細となった結果、精密精緻な設計・加工が求められていること。

一方でハードウェア記述言語や専用の論理合成ソフトを用いた設計が行われ、専用クリーンルームで作業員らによって厳しく管理された製品が作られており、これが私たちの身の回りのデバイスで活躍してくれていることなどをお伝えできたでしょうか。

身近でありながらも、実はその製造に関して触れることが少ない半導体製造工程。ぜひこの機会にマスターしてみて下さいね。