半導体の製造工程とは？設計・前工程・後工程の流れと役割

半導体チップは、設計に基づいて膜、形、不純物分布や配線を作り込み、接続・保護・検査までつないで製造します。シリコン集積回路を主な例に、何を加え、何を除き、何の性質を変えるのかを整理します。ここで示す順番は基本的な見取り図であり、製品や材料、実装方式で採用する工程や順序は変わります。

設計と素材ウェーハを準備する

まず必要な機能、消費電力や入出力などを定め、回路とレイアウトを設計します。設計ルールやシミュレーションを確認し、製造に使うパターンデータを準備します。光リソグラフィではフォトマスクやレチクルを用いますが、原版の製作と、ウェーハへのパターン転写は別の段階です。

素材ウェーハは、単結晶インゴットから切り出し、研削・研磨、洗浄や検査を行った基板です。SUMCOの製造方法では、CZ法で溶融シリコンへ種結晶を接触させ、回転・引き上げによって結晶を育成します。材料を型へ流して固めるだけの工程とは異なります。

基板の材料、結晶方位、抵抗率、形状や表面状態は、その後の工程の前提になります。結晶育成時の不純物添加による基板抵抗率の調整と、素子を作るときの局所的な不純物導入を区別します。高純度な基板があるだけで、完成素子の性能が決まるわけではありません。

成膜・リソグラフィ・エッチングを繰り返す

前工程では、ウェーハ上にトランジスタなどの素子と配線を形成します。成膜は材料を加え、リソグラフィは像を作り、エッチングは材料を除く役割です。洗浄・計測・検査も挟みながら繰り返し、必要な立体構造を作ります。各工程を一回ずつ並べれば完成するという意味ではありません。

工程	主に変えるもの	代表的な確認項目
成膜・酸化	膜や層	膜厚、組成、均一性、界面
リソグラフィ	レジスト像と開口	寸法、位置合わせ、欠陥
エッチング	対象材料の量・形	深さ、側壁、選択比、残渣
ドーピング・熱処理	不純物分布や電気特性	濃度・深さ、活性化、熱履歴
CMP・洗浄	凹凸、余剰膜、残留物	平坦性、残膜、傷、汚染

CVDは気体原料の化学反応、PVDは物理的な材料供給を利用します。PVDには蒸発を利用する真空蒸着や、イオン衝撃でターゲットから材料を放出するスパッタリングなどがあります。キヤノンアネルバの成膜解説も両者を区別しています。Si表面を酸化してSiO2を成長させる熱酸化は、材料を外から堆積させる方法とは分けて考えます。

レジスト像と、下地へ作る構造を分ける

リソグラフィでは、レジストを塗布し、位置を合わせて露光し、現像します。一般的なポジ型は露光部が、ネガ型は未露光部が現像で除かれます。現像で得るレジスト像は、完成した回路ではありません。エッチングやイオン注入などで加工領域を指定するために使い、不要になったレジストは工程に合う方法で除去します。材料固有のベークや現像条件はMicroChemicalsの現像資料等で確認します。

エッチングには液体を使うウェットと、気体・プラズマなどを使うドライがあります。これは媒体の分類で、化学作用と物理作用の区別とは別の軸です。RIEは化学反応とイオンによる作用を組み合わせます。Michigan LNFの解説は、プラズマを使わない気相エッチングも説明しており、ドライをすべて物理的な削り取りとみなすことはできません。

加工の速さだけでなく、対象膜と比較材料のレートの比である選択比、寸法、側壁、残渣や下地の損傷を評価します。比を示すときは分子と分母、比較する材料と処理条件を明示します。材料が削れたことと、要求する形や残膜が得られたことも別の確認です。

ドーピングと熱処理で特性を調整する

ドーピングは、不純物を導入してキャリア濃度などを調整する操作です。シリコンではホウ素などのアクセプタ、リンなどのドナーを利用します。イオン注入では不純物をイオン化・加速し、注入量やエネルギーなどで分布を調整します。不純物を導入したことと、電気的に活性化したことを分ける必要があり、表面に別の膜を積む成膜とも目的が異なります。

イオン注入による結晶損傷の回復や不純物の活性化には、工程に応じたアニールを用います。一方、熱履歴は拡散、既に形成した膜や界面にも影響します。産総研の2007年の研究発表でも、当時の注入損傷・熱処理・拡散の関係が説明されています。この研究例をすべての現在工程の条件へ一般化せず、温度、時間、雰囲気と前後工程への影響を確認します。

CMP・洗浄・計測で次の加工を支える

CMPは、化学的作用と、パッドなどによる機械的作用を組み合わせ、表面の凹凸や余分な膜を減らす技術です。平坦化は、露光・現像によるパターン形成とは異なる役割を持ちます。荏原のCMP解説は、研磨と洗浄・乾燥を含む装置内の処理も説明しています。膜厚、平坦性、残膜や研磨傷を次工程の要求に合わせて評価します。

洗浄は粒子、金属、有機物、工程残渣などを対象に、除去方法と残す材料への影響を選び分けます。CMP後の研磨粒子や残留物も管理対象です。室内空気の清浄度だけでウェーハ表面の状態は決まらず、薬液、水、ガス、搬送と装置保守も確認します。

後工程で接続・保護し、製品として評価する

ウェーハ上の回路は電気検査などで状態を確認し、チップへ切り分け、基板や支持体へ固定します。ワイヤーやバンプなどで接続し、樹脂やセラミックなどで保護します。接続、放熱、保護はそれぞれ違う役割で、端子数、配線密度や製品構造に合う方式を選びます。

ウェーハ段階で実装の一部を行う方式や、複数チップを組み合わせる方式もあるため、すべてが同じ直列順序になるわけではありません。組立後の電気特性・外観検査や信頼性評価は、対象と条件を決めて行います。一回の検査であらゆる使用条件での故障ゼロや寿命を保証することはできません。

前工程と後工程の対象・装置・品質の比較や、BEOLという呼び方との違いは前工程と後工程の違いにまとめています。工程地図を読むときは、処理の履歴と検査結果が次の担当へ渡ることまで含めて考えましょう。

まとめ

半導体製造は、設計と基板の準備、膜・形・特性と配線を作る前工程、接続・保護する後工程をつなぎます。成膜、レジスト像、下地加工、ドーピング、熱処理、平坦化の対象を分け、測定と工程情報で次の処理へつなぐと、各装置の役割を理解しやすくなります。

参考資料

• 日立ハイテク：半導体製造工程
• 日立ハイテク：半導体の性質（既存参考）
• SUMCO：シリコンウェーハの製造方法
• MicroChemicals：Photoresist（材料別資料）
• MicroChemicals：Development of Photoresists
• MicroChemicals：Dry Etching with Photoresist Masks
• Michigan LNF：Etching
• キヤノンアネルバ：成膜（スパッタリング）
• 荏原：半導体を支える研磨技術
• 荏原：グループ技術元素表（既存参考）
• 産総研：イオン注入技術（2007年の研究発表）
• Beckman Coulter：空中粒子によるISO 14644評価（既存参考）