半導体分野はどうつながっている？――物理・デバイス・製造・パッケージ・装置の関係
半導体物理、材料、デバイス、前工程、後工程、パッケージ、FPD、製造装置、真空・プラズマ・RFなどの基礎技術が、実際にはどのようにつながっているのかを一本の流れで整理する。
この記事の結論
- 半導体分野は、物理・材料からデバイス、製造、パッケージ、装置へ一方向に並ぶだけではなく、相互にフィードバックする
- 製造装置は工程を実現する手段であり、真空・プラズマ・RF・温度・流体などの基礎技術が複数工程を横断する
- FPDは半導体とは別の製品体系だが、成膜・露光・エッチング・真空・プラズマなど多くの共通技術を持つ
まず結論
半導体の勉強が分かりにくくなる最大の理由の一つは、分野ごとの言葉だけを覚えても、それぞれがどこでつながっているのか見えにくいことです。
たとえば、Band Gap、MOSFET、CVD、Dry Etching、CMP、Fan-Out、Plasma、RF Matchingは、一見すると別々の話に見えます。
しかし実際には、すべて一つの流れの中にあります。
大きく見ると、物理・材料から製品へ向かう縦の流れがあり、その横から製造装置、真空、ガス・流体、温度、プラズマ、RF、計測、制御といった技術が複数の工程へ横断的に関わります。
この「縦の流れ」と「横の技術」を同時に見ると、半導体技術の全体像がかなり分かりやすくなります。
まずは一本の流れで見る
半導体は、最初からCPUやメモリとして存在しているわけではありません。
出発点は材料です。
シリコンなどの材料の中で電子がどう動くかを理解し、その性質を利用してトランジスタを作り、トランジスタを多数集めてICを作ります。
さらに、その回路を実際のWafer上へ形成し、切り分け、外部と接続し、Package化して初めて製品になります。
材料の性質
↓
電子の動き
↓
pn接合・MOS構造
↓
トランジスタ
↓
IC
↓
Wafer上へ形成
↓
Dicing
↓
Package
↓
製品それぞれの専門分野は、この一本の流れのどこかを詳しく見ていると考えると整理しやすくなります。
物理・材料は「なぜ動くのか」を扱う
半導体物理では、Band Gap、電子と正孔、Carrier濃度、Mobility、Doping、pn接合、電界、絶縁体、Si / SiC / GaN / GaAsなどを扱います。
ここで知りたいのは、なぜその材料が電気を流したり、止めたり、制御できるのかです。
たとえばSiへ不純物を加えるとn型・p型を作れます。n型とp型を組み合わせればpn接合ができます。
この時点ではまだ製品ではありません。しかし、この物理現象がなければDiodeもTransistorも作れません。
つまり物理・材料は、すべてのデバイスの土台です。
デバイスは「その物理を何に使うか」を扱う
材料の性質が分かったら、次はその性質を使って何を作るかです。
代表的なのがDiode、MOSFET、BJT、Logic、Memory、Power Semiconductor、Sensorです。
たとえばMOSFETなら、Gateへ電圧を加えることでSourceとDrainの間を流れるCarrierを制御します。
この段階で重要なのは、デバイス設計と製造工程は完全に別ではないということです。
理想的なMOSFETを設計できても、実際にそのGate Length、Oxide Thickness、Doping Profileを作れなければ製品にはなりません。
Device Design
↕
Process Technologyは常に影響し合います。
製造工程は「設計した構造を現実に作る」
ここで前工程が出てきます。
Wafer上に必要な構造を作るため、Oxidation / Thermal Process、CVD / PVD / ALD、Photolithography、Etching、Ion Implantation、CMP、Cleaning、Inspection / Metrologyを繰り返します。
各工程は独立しているように見えますが、実際には強くつながっています。
成膜が不均一ならEtch時間へ影響します。LithographyのCDがずれればEtching後の寸法もずれます。EtchingでResidueが残れば次の成膜やContact抵抗へ影響します。
つまり前工程とは、一つの装置で作るのではなく、多数の工程を積み上げて一つの構造を作る技術です。
成膜とエッチングは反対の工程なのか
一見すると、成膜＝積む、エッチング＝削る、なので反対に見えます。
しかし実際には両者は一組です。
たとえば、
膜を作る
↓
ResistでPatternを作る
↓
不要部分をEtchする
↓
必要な形だけ残すというProcessがあります。
逆にDamascene Processでは、
絶縁膜をEtch
↓
溝を作る
↓
Cuを埋める
↓
CMPで余分なCuを除去という流れになります。
「積む」「削る」「平らにする」は別々の技術ですが、一つの構造を作るために連続して使われます。
Lithographyは「形を決める工程」
Photolithographyは、材料そのものを削る工程ではありません。
どこを加工するかを決めるためのPattern形成工程です。
その後のEtching、Ion Implantation、Depositionなどが、そのPatternを実際の材料へ転写します。
Lithography
↓
Pattern情報を作る
Etching / Implantation / Deposition
↓
Pattern情報を材料へ反映するここが分かると、LithographyとEtchingを別々の単語として覚える必要がなくなります。
製造装置は「工程を量産できる形にする」
CVDという原理を理解しても、それだけでは工場で何千枚も処理できません。
実際の装置にはGas供給、Vacuum Pump、Heater、RF Generator、Matcher、Electrode、Robot、Sensor、PLC / PC、Interlock、Exhaust Treatmentなどが必要です。
つまり、Process TechnologyとEquipment Engineeringは同じではありません。
たとえばDry Etchingなら、
表面反応
↓
Plasma
↓
RF
↓
Vacuum
↓
Gas Flow
↓
Temperature
↓
Chamber
↓
Controlまでつながります。
そのため製造装置を理解しようとすると、自然に真空・プラズマ・RF・熱・流体・制御へ入っていきます。
プラズマはエッチングだけの技術ではない
PlasmaはDry Etchingだけでなく、PECVD、Plasma Cleaning、Surface Treatment、Ashingなど複数工程で使われます。
さらにPlasmaを作るにはRF、Electrode / Antenna、Matching、Vacuum、Gasが必要です。
つまりPlasmaはEtcherだけの技術ではなく、複数の製造工程を横断する基礎技術です。
RFも一つの工程に属しているわけではない
13.56 MHzなどの高周波電力は、ICP、CCP、PECVD、RIE、Bias、Plasma Cleaningなどで使われます。
RF Generatorから見れば、
Generator
↓
Matcher
↓
Cable
↓
Electrode / Antenna
↓
Plasmaが一つの電気回路です。
Process側から見れば、
RF
↓
Plasma Density
Ion Energy
Uniformity
Etch Rate
Film Propertyへつながります。
同じRFでも、電気回路の視点とProcessの視点で見え方が変わります。
前工程の先に後工程がある
前工程でWafer上に多数のICを作っても、まだ製品ではありません。
次にWafer Test、Back Grinding、Dicing、Die Bonding、Wire Bonding、Flip Chip、Molding、Final Testなどを行います。
後工程は単なる箱詰めではありません。電気接続、Mechanical Strength、Heat Dissipation、Signal Integrity、Power Deliveryを担います。
そのため高性能化が進むほど、Packageそのものが性能を決める割合も大きくなっています。
Advanced Packagingで前工程と後工程の境界が近づいている
Chiplet、2.5D、3D、FOWLP、FOPLP、Hybrid Bondingなどでは、Fine RDL、Lithography、Etching、Plating、CMP、Bonding、Inspectionなど、前工程に近い高精度ProcessがPackage側へ入ってきます。
そのためAdvanced Packagingは、後工程の高度化であると同時に、前工程技術がPackage側へ広がっている領域とも言えます。
FOPLPはなぜ複数分野の交差点になるのか
FOPLPではDie Placement、Molding、RDL、DFR、Exposure、Plating、Wet Etching、Dry Etching、Laser Via、Inspection、Singulationなどを使います。
つまり、
半導体前工程
＋
Package
＋
PCB
＋
FPD
＋
Large Panel Equipmentの技術が交差します。
RDLからLithographyへ進み、Seed EtchからWet/Dryへ進み、Panel UniformityからFPD装置へ進む、といった横断的な読み方が必要になります。
FPDは半導体の一部なのか
FPDは半導体ICそのものとは別の製品体系です。
LCD、OLED、TFTなどがあり、製品構造や製造Flowも異なります。
一方で、CVD、PVD、Photolithography、Dry Etching、Wet Process、Plasma、Vacuum、RF、Inspection、Robot Handlingなど、多くの製造技術を共有します。
したがってFPDは、独立した製品分野だが、製造基盤技術で強く接続している隣接分野として考えると分かりやすくなります。
「縦」と「横」で見ると整理しやすい
半導体技術は、次の二方向で見ると理解しやすくなります。
縦方向――製品ができるまで
Material
↓
Device
↓
Front-End
↓
Back-End
↓
Package
↓
Product横方向――複数工程を支える技術
Vacuum
Gas / Fluid
Temperature
Plasma
RF
Power Supply
Sensor
Metrology
Control
Robot
Safetyこの二つが交差する場所に、実際の製造装置があります。
一つの不良も分野をまたいで起きる
Dry Etchingの面内Uniformityが悪化した場合でも、原因候補はGas Distribution、Plasma Density、RF Distribution、Electrode Temperature、Chamber Wall、Pressure Control、Matchingなどにまたがります。
つまり、Etch不良だからEtch Chemistryだけ調べればよいとは限りません。
半導体装置のトラブル解析で複数分野の知識が必要になる理由です。
どこから読めばいい？
「そもそも半導体とは何？」から知りたい
→ 半導体とは何か？
「どうやって作っている？」を知りたい
「装置は何をしている？」を知りたい
「全体のどこにいるのか迷った」
最後に
半導体技術は、専門分野を一つずつ切り離して覚えるより、なぜその技術が必要になり、その前後に何があるのかを見た方が理解しやすくなります。
Band GapはMOSFETへつながり、MOSFETはWafer Processへつながります。
Wafer ProcessはLithography、Etching、Depositionへ分かれ、その装置はVacuum、Plasma、RF、Temperature、Controlによって支えられます。
完成したWaferはDicingされ、Packageとなり、さらにFOWLP、FOPLP、Chiplet、3D Integrationへ発展します。
半導体は一つの技術ではありません。
物理・材料・デバイス・製造・装置・パッケージが互いに接続した巨大な技術体系です。