スマートフォン、パソコン、自動車、家電製品、AIサーバーなど、私たちの身の回りでは多くの半導体が使われています。
しかし、
「シリコンの丸いウェーハから、どうやってCPUやメモリができるの？」
と聞かれると、製造方法をイメージするのは難しいかもしれません。
半導体は、シリコンウェーハを1台の装置へ入れれば完成するわけではありません。
ウェーハの表面に薄い膜を作り、
回路を作る場所を決め、
不要な部分を削り、
必要な場所の電気的な性質を変え、
表面を平らにし、
汚れを落とし、
加工結果を測定します。
そして、こうした工程を材料や目的を変えながら何度も繰り返すことで、非常に複雑な半導体回路を作ります。
製造工程を理解するときに最も重要なのは、何百もの工程名を暗記することではありません。
まず、
作る → 描く → 削る → 性質を変える → 平らにする → 洗う → 測る
という基本的な流れを理解することです。
この記事では、
- 半導体製造工程の全体像
- 前工程と後工程の違い
- なぜ同じ工程を何度も繰り返すのか
- 成膜・リソグラフィ・エッチングなどの役割
- 検査・計測が必要な理由
- ウェーハテストからダイシングまでの流れ
- 半導体が完成品になるまで
を初心者向けに順番に解説します。
半導体製造工程とは？
半導体製造工程とは、
シリコンウェーハなどの基板上に電子回路を形成し、最終的な半導体製品へ仕上げるまでの一連の工程
です。
大きく分けると、
前工程（Wafer Fabrication）
と
後工程（Assembly & Test）
があります。
前工程
ウェーハ上に、
- トランジスタ
- 絶縁膜
- コンタクト
- 金属配線
などを作り込んでいく工程です。
簡単にいうと、
「ウェーハ上に半導体回路を作る工程」
です。
後工程
完成したウェーハを、
- 電気的にテストする
- 1個ずつのチップへ分割する
- 基板などへ実装する
- 外部と電気的に接続する
- 保護する
- 最終検査する
工程です。
簡単にいうと、
「作った回路を、実際に使える製品へ仕上げる工程」
です。
シリコンウェーハを作る工程は前工程？
ここは資料によって分類が少し異なるため、注意が必要です。
シリコンインゴットからウェーハを作る工程まで含めて「半導体製造工程」と説明されることがあります。
一方、半導体メーカーで行うデバイス製造という意味では、
シリコンウェーハの製造
と
ウェーハ上へ回路を形成する前工程
を別々に扱う場合もあります。
この記事では、
シリコンウェーハを準備する
↓
ウェーハ上へ回路を形成する
↓
製品へ仕上げる
という半導体が完成するまでの全体像として説明します。
初心者の段階では、分類名を厳密に暗記するより、
「ウェーハを作る工程」と「ウェーハ上に回路を作る工程」は別の仕事
と理解しておけば十分です。
半導体製造の全体の流れ
全体像を簡単にすると、
シリコンウェーハを準備
↓
前工程
成膜
↓
リソグラフィ
↓
エッチング
↓
イオン注入など
↓
熱処理
↓
CMP
↓
洗浄
↓
検査・計測
↓
必要な工程を何度も繰り返す
↓
ウェーハ上に回路が完成
↓
ウェーハテスト
↓
ダイシング
↓
ダイボンディング・接続
↓
封止・パッケージング
↓
最終検査
↓
半導体製品として出荷
となります。
ただし、実際の製造ラインが必ずこの順番を1回ずつ通るわけではありません。
製品や形成する構造によって工程順序は異なり、
成膜 → リソグラフィ → エッチング
などの組み合わせを何度も繰り返します。
ここが半導体製造を理解するうえで非常に重要です。
なぜ半導体製造は同じ工程を何度も繰り返すの？
半導体の製造工程を見ると、
「成膜して、回路を描いて、削ったら完成では？」
と思うかもしれません。
しかし、半導体チップの内部には1種類の構造しかないわけではありません。
例えば、
- トランジスタ
- ゲート周辺の構造
- 絶縁膜
- コンタクト
- 金属配線
- 層と層をつなぐビア
など、多くの構造が積み重なっています。
1つの層を作るだけでも、
膜を作る
↓
必要な場所を決める
↓
不要部分を取り除く
↓
加工結果を確認する
という工程が必要になります。
そして次の層を作るときには、再び同じような加工を行います。
つまり半導体は、
1回の加工で立体的な回路を作るのではなく、非常に薄い構造を少しずつ積み重ねて作る
製品なのです。
製造工程は「作る・描く・削る」で考えると分かりやすい
何十種類もの工程名を見ると難しく感じます。
そこで、初心者の方には工程を役割で整理することをおすすめします。
作る
成膜によって新しい膜を形成します。
描く
リソグラフィによって、次に加工する場所を決めます。
削る
エッチングによって不要な材料を取り除きます。
性質を変える
イオン注入などによって、シリコンの電気的な性質を変えます。
平らにする
CMPで表面の段差を小さくします。
洗う
洗浄によって汚染や残渣を取り除きます。
測る
検査・計測によって狙った通り加工できたか確認します。
この基本動作を、
材料・形状・目的を変えながら繰り返す
のが前工程です。
前工程では何を作っている？
前工程の目的をさらに大きく分けると、
トランジスタを作る
ことと、
トランジスタ同士を配線でつなぐ
ことです。
CPUやGPUには大量のトランジスタがあります。
しかし、トランジスタを作っただけでは計算できません。
それぞれを金属配線で適切につないで回路にする必要があります。
そのため前工程では、
トランジスタ形成
↓
配線形成
へと進みます。
専門的にはFEOL、MOL、BEOLなどに分けて説明されることもありますが、初心者の段階では、
「スイッチを作る」→「スイッチ同士をつなぐ」
と理解すると全体像をつかみやすくなります。
① シリコンウェーハを準備する
半導体回路を作るための土台となるのが、
シリコンウェーハ
です。
高純度のシリコンから単結晶のインゴットを作り、それを薄くスライスして表面を高精度に研磨します。
半導体回路はこのウェーハ表面へ作り込まれます。
そのためウェーハには、
- 高い平坦性
- 結晶品質
- 清浄な表面
- 欠陥の少なさ
などが求められます。
初心者の方は、
ウェーハ＝半導体回路を作る土台
と考えるとよいでしょう。
② 成膜｜新しい材料の層を作る
成膜とは、
ウェーハ表面へ薄い膜を形成する工程
です。
半導体チップはシリコンだけで作られているわけではありません。
内部には、
- 絶縁する膜
- 電気を流す膜
- 半導体として働く膜
- 加工を助ける膜
など、目的の異なるさまざまな薄膜があります。
代表的な成膜方法には、
CVD
PVD
ALD
などがあります。
初心者の段階では、
成膜＝次に加工する材料をウェーハ上へ作る工程
と覚えると理解しやすいです。
CVD・PVD・ALDはどれが一番優れている？
一つの方式がすべての用途で最も優れているわけではありません。
例えば、
- どの材料を形成するか
- どれくらい薄くしたいか
- 深い穴の側面にも膜を付けたいか
- 成膜速度を重視するか
- 膜質をどこまで制御したいか
によって適した方法が変わります。
半導体製造では、
「どの装置が一番高性能か」ではなく、「作りたい構造にどの方法が適しているか」
という視点が重要です。
③ フォトレジスト塗布｜加工する場所を決める準備
成膜した材料を必要な形へ加工するために、
フォトレジスト
を塗布します。
フォトレジストは、光によって化学的な性質が変化する材料です。
ウェーハ上へ均一に塗布し、その後の露光・現像によってパターンを作ります。
ここで重要なのは、
フォトレジストそのものが最終的な回路になるわけではない
ことです。
フォトレジストは、
下にある膜をどこまで加工するか決めるための一時的なマスク
として使われます。
④ リソグラフィ｜加工する場所を決める
リソグラフィでは、光などを利用してフォトレジストへ微細なパターンを形成します。
大まかには、
レジスト塗布
↓
露光
↓
現像
という流れです。
露光によってレジストの化学的な性質を変化させ、現像によって必要なレジストパターンを残します。
初心者が特に注意したいのは、
露光装置がシリコンを直接削って回路を作っているわけではない
ことです。
リソグラフィの大きな役割は、
「次にどこを加工するのかを決める」
ことです。
⑤ エッチング｜不要な材料を取り除く
リソグラフィでレジストパターンを作った後、その形を下の膜へ転写します。
そこで使われる代表的な工程が、
エッチング
です。
基本的には、
レジストなどで保護された部分
→ 残す
開口している部分
→ 加工する
という考え方です。
エッチングには、
- ウェットエッチング
- ドライエッチング
などがあります。
微細なパターンでは、プラズマを利用したドライエッチングが重要になります。
リソグラフィとエッチングは何が違う？
ここは初心者が特に混同しやすい部分です。
リソグラフィ
どこを加工するのか決める
エッチング
その場所の材料を実際に取り除く
という違いがあります。
つまり、
成膜
→ 材料を作る
リソグラフィ
→ 加工場所を決める
エッチング
→ 材料を加工する
という3つをセットで考えると、前工程がかなり理解しやすくなります。
⑥ イオン注入｜シリコンの電気的な性質を変える
半導体では、形を加工するだけではなく、
電気的な性質
も作り込む必要があります。
そこで利用される代表的な技術が、
イオン注入
です。
ボロンやリンなどの不純物元素をイオン化し、加速してシリコンへ注入します。
これによって、必要な場所にn型・p型などの領域を形成できます。
イオン注入では、
どの元素を
どの場所へ
どれくらいの量
どれくらいの深さへ
入れるのかを制御することが重要です。
イオン注入しただけでは終わらない
イオン注入によって高速のイオンを結晶へ入れると、シリコンの結晶構造へダメージが発生します。
また、注入した不純物を電気的に働かせる必要もあります。
そのため、イオン注入後には目的に応じて、
アニール（熱処理）
を行います。
熱を加えることで、
- 結晶ダメージを回復する
- 注入した不純物を電気的に活性化する
といった働きがあります。
そのため、
イオン注入＝イオンを打ち込んだら完成
ではありません。
イオン注入と熱処理を組み合わせて、狙った電気特性を作ります。
⑦ CMP｜表面を平らにする
半導体では、成膜やパターン形成を何度も繰り返します。
そのまま積み重ねていくと、ウェーハ表面には段差ができます。
表面の凹凸が大きくなると、その後のリソグラフィなどを高精度に行うことが難しくなります。
そこで使われるのが、
CMP（Chemical Mechanical Planarization）
です。
CMPでは、
化学的な作用
と
機械的な研磨
を組み合わせて表面を平坦化します。
CMPはウェーハを薄くする工程？
CMPは材料を削るため、
「ウェーハを薄くする工程」
と思うかもしれません。
しかし前工程のCMPで重要なのは、
表面の段差をなくし、次の層を作りやすい平らな面を作ること
です。
ウェーハそのものを薄くするバックグラインドとは目的が異なります。
CMP＝表面を平坦化する
と覚えると分かりやすいでしょう。
⑧ 洗浄｜次工程に適した表面を作る
洗浄は、
ウェーハ表面に不要な物質を残さないための工程
です。
半導体では非常に微細な構造を作るため、小さな異物や残渣でも不良につながる可能性があります。
除去する対象には、
- パーティクル
- 金属汚染
- 有機物
- レジスト残渣
- 薬液残り
などがあります。
ただし、
強く洗えば洗うほどよい
わけではありません。
必要な膜や微細構造まで傷つけてしまっては意味がありません。
そのため洗浄では、
汚れを落とすこと
と
必要な構造を守ること
の両立が重要です。
洗浄は最後に1回だけ行う工程ではない
製造工程の図では、
CMP
↓
洗浄
のように一つの工程として表示されることがあります。
しかし実際には洗浄は、
多くの加工工程の前後に登場する工程
です。
例えば、
成膜前に表面を清浄化する
エッチング後の残渣を除去する
CMP後のスラリーやパーティクルを除去する
など、目的に応じてさまざまな洗浄が行われます。
したがって、
洗浄＝製造フローの最後に一度だけウェーハを洗う
という理解ではありません。
⑨ 検査・計測｜狙い通り作れたか確認する
半導体製造では、
加工したら次へ進む
というだけではありません。
加工結果を測定し、
本当に狙った通りになっているか
を確認します。
例えば、
- 回路寸法
- ホール径
- 膜厚
- パターンの位置ずれ
- パーティクル
- パターン欠陥
などを確認します。
代表的な装置には、
- CD-SEM
- 膜厚計測装置
- Overlay計測装置
- 欠陥検査装置
- レビューSEM
などがあります。
検査・計測は「不良品を捨てるため」だけではない
ここは非常に重要です。
例えばCDを測定したところ、
狙いよりパターンが太くなっていたとします。
すると、
測定結果
↓
原因を調査
↓
露光・現像・エッチングなどの条件を確認
↓
製造条件を修正
↓
次のウェーハで改善
ということができます。
つまり検査・計測には、
今作ったものを判定する
だけではなく、
次に作るものを良くする
という役割があります。
半導体製造は、
加工 → 測定 → 条件修正
を繰り返しながら安定させていくのです。
前工程は「一本道」ではない
ここまで①〜⑨として説明してきましたが、
実際の半導体工場では、
①から⑨までを毎回順番通りに行うわけではありません。
例えば、ある層では、
成膜 → リソグラフィ → エッチング → 洗浄
を行うかもしれません。
別の場所では、
リソグラフィ → イオン注入 → レジスト除去 → 熱処理
という流れになることもあります。
配線形成では、
成膜 → リソグラフィ → エッチング
だけでなく、別の加工方法が使われる場合もあります。
したがって製造工程図は、
代表的な工程を理解するための地図
として見るのがおすすめです。
なぜ半導体製造には長い時間がかかる？
半導体は、一つ一つの加工が非常に高精度です。
さらに、
- 成膜
- リソグラフィ
- エッチング
- 洗浄
- 計測
などを何度も繰り返します。
加工だけでなく、
測定結果を確認してから次工程へ進む
こともあります。
そのため、ウェーハ投入から完成までには長いリードタイムが必要です。
重要なのは、
1工程が数か月かかっているわけではない
ことです。
非常に多くの工程を順番に通過することで、全体として長い製造期間になります。
前工程が終わったらウェーハテストへ
前工程によって回路が完成すると、ウェーハ上には多数の半導体チップが並んでいます。
しかし、
すべてのチップが正常に動作するとは限りません。
そこでウェーハ状態のまま各チップへ電気信号を与え、
正常に動作するか
を確認します。
これが、
ウェーハテスト
です。
検査・計測との違いを簡単にすると、
検査・計測
→ 狙った形・膜厚などに作れているか確認
ウェーハテスト
→ 回路が電気的に正常に動くか確認
となります。
ウェーハテストでは何を使う？
代表的には、
プローバ
プローブカード
テスタ
を組み合わせます。
簡単に役割を分けると、
プローバ
→ ウェーハを動かして正確に位置合わせする
プローブカード
→ チップとテスタを電気的につなぐ
テスタ
→ 電気信号を送り、動作を判定する
という関係です。
テスト結果は、どのチップが良品・不良品だったかという情報として管理され、その後の工程にも利用されます。
後工程とは？
ウェーハ上に回路が完成しても、そのままスマートフォンやパソコンへ取り付けることはできません。
そこで、
1個ずつのチップへ分割し、外部と接続できる製品へ仕上げる
後工程を行います。
代表的な流れは、
ウェーハテスト
↓
ダイシング
↓
ダイボンディング
↓
ワイヤーボンディングやフリップチップなどによる接続
↓
封止・パッケージング
↓
最終検査
です。
製品やパッケージ方式によって、実際の工程は異なります。
① ダイシング｜ウェーハを1個ずつのチップへ分ける
ダイシングとは、
ウェーハを個々の半導体チップへ分割する工程
です。
ウェーハ上には多数のチップが並んでいるため、チップとチップの間に設けられた領域に沿って分割します。
代表的な方法には、
- ブレードダイシング
- レーザーアブレーション
- ステルスダイシング
などがあります。
ここを境に、
1枚のウェーハ
として扱われていた半導体が、
1個ずつのチップ
として扱われるようになります。
② ダイボンディング｜チップを固定する
ダイシングで切り離した良品チップを取り出し、基板やパッケージなどへ固定します。
これを、
ダイボンディング
と呼びます。
つまり、
切り離す
だけではなく、その後に、
正しい位置へチップを載せて固定する
必要があります。
③ チップを外部と電気的につなぐ
半導体チップ内部には回路がありますが、そのままでは外部の基板と信号をやり取りできません。
そこでチップの電極と外部端子を接続します。
代表的な方法として、
ワイヤーボンディング
があります。
細い金属線などを利用して、チップと外部電極を電気的につなぎます。
また、高性能な半導体では、
- フリップチップ
- マイクロバンプ
- TSV
- ハイブリッドボンディング
など、さまざまな接続技術も利用されています。
④ パッケージング｜保護するだけではない
チップを外部と接続した後、製品として使える構造へ仕上げます。
半導体パッケージには、
チップを守る
だけでなく、
外部と電気的につなぐ
発生した熱を逃がす
という重要な役割があります。
先端半導体では、さらに複数のチップを高速に接続することもパッケージの重要な役割になっています。
⑤ 最終検査｜完成した製品を確認する
パッケージング後には、完成した半導体製品が規定の性能を満たしているか確認します。
ウェーハテストで良品だったとしても、その後のダイシングや実装、接続、封止などの工程で問題が発生する可能性があります。
そのため最終的な製品状態でも、
電気特性や機能などを確認
します。
品質基準を満たした製品が出荷されます。
検査・計測とウェーハテストと最終検査は何が違う？
「検査」が何度も登場するため、ここで整理します。
| 種類 | 主に確認するもの |
|---|---|
| 検査・計測 | 寸法・膜厚・位置ずれ・欠陥など |
| ウェーハテスト | ウェーハ上のチップが電気的に動くか |
| 最終検査 | パッケージ後の製品が仕様を満たすか |
簡単にすると、
検査・計測
→ 正しく作れている？
ウェーハテスト
→ チップは動く？
最終検査
→ 完成品として問題ない？
という違いです。
半導体製造では「歩留まり」が重要
半導体製造で非常によく使われる言葉が、
歩留まり（Yield）
です。
例えば100個のチップを作り、90個が良品だった場合、
歩留まりは90％です。
半導体では1枚のウェーハに多数のチップを作るため、歩留まりが変わると製造できる良品数が大きく変わります。
そのため、
欠陥を見つける
↓
原因を調べる
↓
製造条件を修正する
↓
不良を減らす
という活動が非常に重要です。
製造工程は、
単に形を作る技術
だけでなく、
同じ品質の製品を安定して大量に作る技術
でもあります。
「最先端装置があれば良い半導体を作れる」は正しい？
最先端の露光装置やエッチング装置は非常に重要です。
しかし、
高性能な装置を導入するだけで高品質な半導体を量産できるわけではありません。
実際の製造では、
- 装置
- 材料
- レシピ・プロセス条件
- ウェーハ搬送
- 汚染管理
- 検査・計測
- データ解析
- 装置保全
など、多くの要素を安定させる必要があります。
例えば同じ装置を使っていても、温度、圧力、ガス流量、処理時間などが変化すれば、加工結果も変化します。
そのため量産では、
狙った結果を毎回同じように再現すること
が非常に重要です。
半導体メーカーだけでは半導体を作れない
半導体製造を支えているのは、半導体メーカーだけではありません。
大きく見ると、
半導体メーカー
回路を設計したり、ウェーハを加工したり、製品を販売したりします。
製造装置メーカー
- 成膜装置
- 露光装置
- エッチング装置
- 洗浄装置
- CMP装置
- 検査・計測装置
などを提供します。
材料メーカー
- シリコンウェーハ
- フォトレジスト
- 高純度ガス
- 薬液
- スラリー
- フォトマスク関連材料
などを供給します。
つまり半導体は、
設計・材料・装置・製造・検査・実装
という巨大なサプライチェーンによって作られています。
初心者が特に間違えやすいポイント
① 製造工程は一度ずつ順番に行うわけではない
成膜→露光→エッチング→CMPを1回行えば完成、という意味ではありません。
必要な構造に応じて、同じ種類の工程を何度も繰り返します。
② 露光装置がシリコンへ直接回路を掘るわけではない
露光では主にフォトレジストの状態を変えます。
その後のエッチングなどによって下の膜へ形を転写します。
③ エッチングでは何でも削るわけではない
マスクで守る部分と加工する部分を分けます。
選択的に材料を加工することが重要です。
④ イオン注入はウェーハ全面へ無条件に入れるわけではない
必要な領域だけへ注入するため、マスクを利用します。
さらに注入後には熱処理が必要になる場合があります。
⑤ 洗浄は最後に1回行うだけではない
さまざまな工程の前後で、目的に応じた洗浄が行われます。
⑥ 検査は完成品を良品・不良品に分けるだけではない
前工程の検査・計測では、加工状態を確認して製造条件へフィードバックすることも重要です。
半導体製造工程を理解するときのおすすめの覚え方
工程名をすべて暗記する必要はありません。
まず次の7つで整理してください。
作る
→ 成膜
描く
→ リソグラフィ
削る
→ エッチング
性質を変える
→ イオン注入・熱処理
平らにする
→ CMP
きれいにする
→ 洗浄
確認する
→ 検査・計測
そして、
これらを何度も繰り返す
↓
回路が完成
↓
動くかテスト
↓
チップへ分割
↓
接続・保護
↓
完成品をテスト
と考えれば、半導体製造の全体像をかなり整理できます。
この記事で一番覚えてほしいこと
半導体製造というと、
「非常に多くの難しい工程が並んでいる」
ように見えます。
しかし、本質は比較的シンプルです。
必要な材料を作る
↓
加工する場所を決める
↓
不要な部分を加工する
↓
電気的な性質を作る
↓
次の加工ができる状態へ整える
↓
狙い通りか測る
このサイクルを何度も繰り返すことで、複雑な半導体回路を少しずつ作っていきます。
そして完成したウェーハを、
テスト → 分割 → 実装 → 接続 → 保護 → 最終検査
することで、私たちが使用する半導体製品になります。
まとめ
半導体製造工程とは、
シリコンウェーハ上へ電子回路を形成し、最終的な半導体製品へ仕上げるまでの一連の工程
です。
大きく、
前工程
→ ウェーハ上へ回路を作る
後工程
→ チップへ分割し、製品として仕上げる
に分けて考えると分かりやすくなります。
前工程では、
成膜
→ 材料を作る
リソグラフィ
→ 加工場所を決める
エッチング
→ 不要な材料を取り除く
イオン注入・熱処理
→ 電気的な性質を作る
CMP
→ 表面を平らにする
洗浄
→ 不要な汚れを除去する
検査・計測
→ 狙い通り加工できたか確認する
といった工程を組み合わせます。
そして最も重要なのは、
これらを一度だけ行うのではなく、目的を変えながら何度も繰り返す
ことです。
前工程が終わると、
ウェーハテスト
→ 正常に動くか確認
ダイシング
→ チップへ分割
実装・接続
→ 外部とつなぐ
パッケージング
→ 保護・接続・放熱
最終検査
→ 完成品として確認
へ進みます。
半導体製造は、単に微細なものを作る技術ではありません。
加工し、測り、結果を製造条件へ戻しながら、同じ品質の回路を大量に作り続ける技術
でもあります。
半導体製造工程を学ぶときは、何百もの工程名を暗記するのではなく、
作る → 描く → 削る → 性質を変える → 平らにする → 洗う → 測る
という基本サイクルから理解すると、その後に学ぶ各工程や製造装置の役割もつながって見えるようになります。
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