2020年12月14日 公開
2025年 02月04日 更新

第１回： 半導体の微細化 ムーアの法則とは でお話ししたように、半導体産業はまず微細化を追求することでムーアの法則を実現すべく突き進みました。微細化とは、半導体デバイスをより小さく作ることですので、半導体デバイスの作り方に全く触れないわけにはいきません。そこで今回は半導体デバイスの作り方について簡単に説明しておこうと思います。

第2回　半導体の微細化と半導体プロセス

半導体の製造工程　～半導体プロセス～

半導体デバイスは、Siウェーハ（wafer）という厚さ0.5mm～1mm程度のSi単結晶の円板表面に作られます。このSiウェーハの表面にトランジスタなどの単体素子や集積回路などを作りこむ製造工程のことを、業界では一般にウェーハプロセスあるいは単にプロセスと呼んでいます。

Siウェーハの表面は鏡のように研磨されており、半導体工場内では通常はカセットに収納されて工程間を移動します

Siそれ自体が増幅作用などの特殊な性質をもっているわけではないので、Siウェーハの表面にトランジスタなどの素子を作るにはある工夫が必要です。それが不純物の添加です。半導体の持つ面白い性質のひとつが、微量の不純物を添加することで電気的性質を変えることができるということです。Siウェーハの中にB（ホウ素/ボロン）やAs（砒素（ヒ素））などの不純物を入れることでP型、N型と呼ばれる反対の電気的性質をもった領域を作り、それらをうまく組み合わせることでトランジスタなどの素子を作ります。

またデバイスに外部から電気信号を入れたり外部に取り出したりするための電極を付けたり、複数の素子を接続して電子回路すなわち集積回路）を作るためには、電気信号を流す金属（Al（アルミニウム）やCu（銅））の配線をSiウェーハの表面上に作ることも必要です。

下の図はある半導体デバイスの断面図です。半導体デバイスは、大体はSiウェーハの表面の上下数μm～10μm程度の領域に作られています。

この節で述べたことを実現するためのプロセスは、整理すると大きく分けて次の３種類になります。

　①不純物導入や熱処理、酸化などの、Siウェーハ中に各素子を作りこむための工程
　②電気信号を伝える配線を作るための金属等の導電膜と配線間を絶縁するための絶縁膜を交互に積み上げる成膜工程
　③素子や配線の二次元の回路パターンを作る工程

①と③を組み合わせて集積回路を構成する各素子をSiウェーハ中に作りこみ、②と③を組み合わせて素子間を配線でつなぎ合わせて集積回路が完成します。工程数は最新の微細プロセスでは数百工程以上に及ぶと思われます。

以下にプロセスの簡単な一例を示します。

　プロセス番号の①~③は上述の①～③です。

　まず①と③の組み合わせで、P型Si表面にN型領域を作ります。

ここで高温と言っているのは、おおむね1000℃近辺の温度です。

次に②と③の組み合わせで、N型領域に電極を取り付けます。

P型領域にも電極を付ければダイオードになります。

リソグラフィ　～微細化のキープロセス～

微細化というのは、上に述べた③のプロセスで作られる二次元のパターンを小さくすることを指します。二次元のパターンを作るキーになるプロセスが、リソグラフィです。フォトリソグラフィとも呼ばれますが、単にリソグラフィと呼ばれることが多いようです。普通の会話では、さらにフォトリソやリソと略します。

リソグラフィ工程の中でも特に微細化のキーになる工程が露光工程です。露光装置という精密な光学器械を使って、マスクと呼ばれる四角いガラス板の表面に形成された回路パターンを、ウェーハ上に塗られた感光材（レジストと呼ばれる）に転写します。ご存じの方は少ないかもしれませんが、昔のフィルムカメラのネガフィルムがマスクに相当し、印画紙がウェーハに相当します。ただこの場合は拡大しますが、半導体の露光の場合は縮小します。どれくらい細い線をどれくらい狭い間隔で書けるか（解像限界）は、主に露光装置で使う光源の波長で決まってしまいます。

マスクは、前節の簡単なプロセスの例ではプロセス③を3回行うので3枚使いますが、集積回路の場合、簡単なものでも普通は10枚以上、少し複雑になると30枚以上は使われます。

なお露光装置で露光しただけでは、感光材の光が当たった部分に何らかの化学変化が起こるだけで、パターンはまだ形成されていません。感光材に回路パターンを形成するには、露光後に現像と呼ばれる化学薬品を使った処理を行って、感光材の光が当たった部分を除去することが必要になります。

露光の概念図を以下に示しておきます。

　実際のレンズは1枚ではなく何枚ものレンズの組み合わせになっています。

露光装置の光源としては、1980年代から90年代は水銀ランプの発する特定の波長が主に使われました。g線436nmのあとi線365nmになり最小寸法0.35μm（350nm）あたりまでは使われたと思います。その後KrFエキシマレーザーの248nm、ArFエキシマレーザーの193nmが使われ、長い開発期間を経て2018年末から2019年にかけてようやく待望のEUV 13.5nm（Extreme Ultraviolet極端紫外線）が量産に使われるようになりました。

光源波長の限界を超える技術　～液浸露光とマルチパターニング～

EUVの量産導入までの間ArFエキシマレーザーの193nmを使い続けてきたわけですが、そのためには光源の波長を大幅に下回る微細なパターンを形成する必要がありました。それを実現したのが、液浸露光とマルチパターニングです。

液浸というのは読んで字の如くで、レンズとウェーハの間を液体で満たします。液体中の光の波長は、空気中での波長÷液体の屈折率になります。液体として水を使うと、水の屈折率は1.44なので193nmの波長が0.69倍の134nmになり、その分小さな寸法のパターンが形成できます。以下に液浸露光の模式図を示します。

マルチパターニングも読んで字の如くで、何回かに分けてパターニングをする技術です。マルチパターニングにはいくつかの方法がありますが、ここではもっとも簡単な方法を説明しておきます。例えばダブルパターニングの場合は、以下の図のように2回に分けて露光をすることで、各回でのパターンの間隔を広くすることができ、1回では不可能な高密度なパターンを形成することができます。ただし、分割する回数分だけマスクも工程も増えるので、コストは増えて工期も長くなります。解像限界以下のパターンが形成できると考えれば最先端の技術とも言えますが、従来1回でやっていた事を何回も繰り返さなければならないと考えると苦肉の策とも言えます。

二次元回路パターン形成プロセス全体の流れ

今回説明したリソグラフィは感光材にパターンを形成するだけなので、パターン形成プロセスとしては完結していません。よって、ここで二次元の回路パターン形成プロセス全体の流れを簡単に図で説明しておきます。

まずリソグラフィ工程で感光材のパターンを形成し、次にエッチングというプロセスで絶縁膜や導電膜等の感光材で覆われていない部分を除去し、最後に感光材も除去して二次元の回路パターンの形成が完了します。

エッチング　～微細化のもう一つのキープロセス～

エッチングは、当初は酸などの薬液を使って行われていましたが（ウエットエッチング）、このやり方では微細パターンの形成ができないので、現在はガスに高電圧を印加する等の方法で生成されたプラズマを使ってエッチングする方法（ドライエッチング）が使われています。プラズマとドライエッチングについては文末の補足説明で詳しく説明していますのでご参照ください。

ウエットエッチングの場合は、下図の左側のように、エッチングで形成された絶縁膜や導電膜等の回路パターンの寸法が感光材の寸法より細ってしまい、微細パターンの形成には適しません。これはエッチングが（図中の破線矢印のように）縦、横、斜めのすべての方向に同じように進むためです。微細パターンを形成するためには、下図の右側のように感光材のパターン通りにまっすぐ垂直にエッチングされる必要がありますが、この技術はドライエッチングを使って実現され1980年代に本格的に普及しました。露光技術がいくら進歩してもこのドライエッチング技術がなければ、３μmから2μm程度以降の微細パターンは実現できませんでした。

以上、今回は半導体デバイスの作り方について簡単に説明しました。次回は微細化がどのように進んだかについて説明します。

補足説明
プラズマとドライエッチングについて：プラズマとは「自由に運動する正負の荷電粒子（電子やイオン）が共存して電気的中性になっている物質の状態」のことをいいます。物質を構成する原子は、原子核とその周りを回る電子で構成されますが、非常に高温になるとこれらがばらばらになり、電子と正イオンが自由に動き回る状態（すなわちプラズマ）になります。プラズマは、個体、液体、気体に次ぐ第4の状態ともいわれます。宇宙を構成している太陽等の恒星の内部はプラズマで、宇宙の物質の99％以上はプラズマだそうです。地球上で見られるプラズマに関係した自然現象としては、オーロラや稲妻が挙げられます。身近なところでは、炎はプラズマですし、蛍光灯は人工的なプラズマを利用して光っています。上述のように物質は高温にすることでプラズマになりますが、高電圧をかけて放電させることでもプラズマにすることができます。ここで放電とは、高電圧をかけることで気体中に電子とイオンが発生して大きな電流が流れるようになることです。蛍光灯で使われるプラズマや稲妻は、放電で形成されたプラズマです。ドライエッチングで使われるプラズマも高電圧により放電させてできるプラズマです。なお広義には薬品（液体）を使わないエッチングはドライエッチングということになりますが、現実的には、半導体業界においてはドライエッチングとはプラズマを使ったエッチングであると捉えられています。

2025年02月04日　以下の内容を追記しました。

１．「半導体の製造工程　～半導体プロセス～」のセクションに、半導体に不純物を添加した場合の振る舞いを補足説明として追加しました。またP型半導体とN型半導体の補足説明の中に、Bを添加するとP型になりAsを添加するとN型になることを追記しました。カセットに収納されたSiウェーハの写真も追加しました。

2．「エッチング　～微細化のもう一つのキープロセス～」のセクションを追加しました。またそれに関連する補足説明を文末に追加しました。

※他の記事はこちら：
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　　第１回： 半導体の微細化 ムーアの法則とは
　　第２回： 半導体の微細化と半導体プロセス
　　第３回： 半導体の微細化と国際半導体技術ロードマップ
　　第４回： 半導体の微細化と半導体ビジネス
　　第５回： 半導体の微細化と半導体ビジネス その２
　　第６回： 半導体の微細化と半導体デバイス
　　第７回： 半導体の微細化　スケーリング則とは
　　第８回： 半導体の微細化　スケーリング則の限界
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