SEMI - 材料市場
半導体材料市場
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多結晶シリコンは、ポリまたはポリシリコンとも呼ばれる人類が作った最も純度が高い材料のひとつです。今なお、金属不純物レベルを下げ、均一性を改善する努力が続けられています。シリコンインゴットの引き上げプロセスにおいて投入される材料ですから、できあがるウェーハの純度を左右します。多結晶シリコンは、CZ単結晶シリコンウェーハの原材料であり、このウェーハを基板として実質的にすべての半導体は生産されます。 |
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単結晶シリコンウェーハには大きく2つの仕様があります。内因性特性と外因性あるいは表面特性です。内因性特性は単結晶シリコンの引き上げ中に決定し、結晶構造の欠陥を表します。もっとも問題になるのがCOP （crystal originated particles）です。ゲート酸化膜を劣化させ絶縁破壊を起こすからです。表面特性はウェーハの作業、取り扱い、梱包などで主に決定されます。 |
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フォトマスクは、レチクルとも呼ばれ、透明なガラスまたは石英の基板に、多数のパターン像が配列されたものです。その複雑で精密なパターン部分だけを光が透過するようにできています。半導体製造では、フォトリソグラフィプロセスを使用してフォトマスク基板上に透明な領域と不透明な領域をつくることで、パターン像を形成します。パターン像を構成する不透明部と透明部は、光の透過を厳密に制御して、半導体回路の微小形状の像をシリコンウェーハ上に正確に投影します。フォトリソグラフィプロセスにおけるパターン像の描画が、フォトマスクの製造コストの一番大きな部分を占めます。 |
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半導体の性能は向上を続けていますが、これを牽引する大きな力となっているのが、光リソグラフィー装置、フォトマスク、フォトレジスト材料の進歩です。特に、短波長の露光によって感光するフォトレジストの開発が、より微細なプロセスルールへの移行を可能にしてきたと言えるでしょう。フォトレジストはフォトマスクと呼ばれる原版を通して照射される光線に露光して精密なパターンを形成します。次にレジストの不用部分をエッチングして、ウェーハ基板上に転写されたパターンが固定されます。フォトレジスト材料のさらなる進歩が、0.10ミクロン以下のプロセスルールに進むために求められています。 |
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デバイスのシュリンクに伴ってリソグラフィとフォトレジストの性能拡張が求められますが、そこで技術課題となったのがポリシリコン、アルミニウム、銅などが下地となった場合の膜特性です。露光によるパターン転写は、こうした反射率の高い膜では難しくなり、またその特性はフォトレジストの厚さ、デバイスの三次元形状よって変化します。こうした影響を抑えるために、反射防止膜（ARC）と呼ばれる材料が、フォトレジスト塗布の直前または直後に使用されています。ARCは1980年代にIBMで先駆的な開発が行なわれ、いくつかの材料が商品化されました。フォトレジスト膜の上に置かれるARCをTARC、下に置かれるものをBARCと呼んでいます。ARCが最初に成果をあげたのは、デザインルール0.50ミクロン未満、i線および遠紫外（DUV）リソグラフィでの64MB DRAMの量産でした。 |
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リソグラフィプロセスでは、露光した後に水溶性または水性の現像液を使用して、フォトレジスト膜にパターンを形成します。ポジティブフォトレジストの場合は、露光したウェーハ領域の膜が現像液によって除去されパターンが形成されます。ネガティブフォトレジストの場合は、露光しなかったウェーハ領域の膜が除去されます。 |
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剥離液はプロセス後のウェーハに残っているフォトレジストを除去するために使用する溶液です。アルミ、タングステン、チタン、窒化チタン、酸化膜、ポリシリコンの表面をエッチングした後の洗浄にも使用されます。0.50ミクロンより大きいパターンのフォトレジスト除去では、フォトレジスト膜とフォトレジスト残渣の両方を剥離液で除去します(ウェット・ウェット・プロセス)。0.50ミクロン以下の新しいプロセスでは、フォトレジスト膜は酸素プラズマで灰化除去(アッシング)し、フォトレジスト残渣は剥離液を使って除去します(ドライ･ウェット・プロセス)。 |
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国際半導体技術ロードマップ(ITRS)は、半導体産業が要求するケミカルの純度レベルが高まってゆくことを示しています。現在、ケミカルのグレードには数種類ありますが、最高純度への移行は比較的ゆっくりとしています。これは、高純度ケミカルの生産が高コストであり、その結果として高価格となることが一因でしょう。また、より高純度のケミカルを使用すればデバイスの歩留まりが実際に向上するという関係が、確定的には立証されていません。その結果、高純度のケミカルへの移行は今後も緩やかであり、またさらなる最高純度の要求は鈍化すると予想されます。その一方で、ケミカルの様々な容器と、製造装置のユースポイントまでの供給において、純度をいかに保つかが重要な問題として残っています。プロセスケミカル生産への統計的プロセス管理（SPC）導入が増加していますが、これは供給するケミカルの不純物濃度の統計的偏差を低く抑えるものであり、プロセスの繰り返し性や信頼性にとって重要となります。 |
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半導体デバイスは、基本的にシリコンウェーハ上に様々な金属膜と絶縁膜を交互に重ねて製造されます。1990年代以前は、CMPは高精度な加工プロセスで使用するには汚すぎると見なされていました。研磨するとパーティクルが発生しがちな上、研磨剤そのものも不純物ゼロではないことがその理由です。しかし、現在の微細で複雑な最新半導体デバイスの製造では、薄膜が極めて平坦になっていないとフォトリソグラフィプロセスができなくなり、この平坦度を達成するためにCMPが使用されています。CMPは研磨砥粒とケミカルを含むスラリーと研磨パッドを使って、微細な凹凸面を平らに磨きます。 |
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スパッタリングはPVDの一種で、CVDとは異なり物理的方法でシリコンウェーハ上に薄膜を形成するために使用されます。PVDはターゲットにアルゴンイオンを衝突させてターゲット原子をはじき出し、均一な金属膜をウェーハ上に形成します。スパッタリングはウェーハに様々な金属膜を形成するために広く利用されています。膜の種類には、アルミ、アルミ合金、プラチナ、金、チタン-タングステン合金、タングステン、タンタル、銅などがあります。 |
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リードフレームはチップを載せるダイパッドとリードで構成されます。ダイパッドの主な役割は、パッケージ製造中にチップを機械的に支持することです。リードはチップをパッケージ外部の回路に接続します。 |
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ワイヤボンディングは半導体産業全体で、チップと基板または出力ピンを相互接続する方法として利用されています。チップ上のボンディングパッドは、ワイヤによってリードフレームのリード、あるいはラミネート基板やセラミック基板の電極に接続します。ワイヤの材質と基板の種類によって様々なボンディング方式があります。 |
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ダイ接着材料は半導体チップとパッケージを機械的かつ熱的に接続する役割を果たします。接着材料にはペースト、テープ、はんだの形態があります。この概要説明では、そのうちのペーストとテープを取り上げます。 |
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封止材料は、半導体デバイスを機械的また環境的に保護するために使用されるポリマーです。モールド樹脂 (モールディングコンパウンド)、アンダーフィル、液状封止材料がこの分類にはいります。もっとも基礎のレベルでいうと、こうした材料は、有機樹脂、フィラー、硬化剤、顔料/着色料を組み合わせてつくられます。これに難燃剤、粘着付与剤、離型剤、イオン捕捉剤、応力緩和剤などが添加されます。原材料を変更することで封止材料の性能は変化するので、特定のデバイスやパッケージ用に封止材料を開発するたびに配合バランスによる特性のトレードオフが検討されます。 |
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過去10年間に、量産ICパッケージはセラミックパッケージの時代から、PBGAに代表される有機基板ベースのパッケージへとシフトしてきました。マイクロプロセッサのパッケージがセラミックからラミネート基板にシフトしたことで、技術の成熟に必要な量産アプリケーションが得られ、これを契機として有機基板への移行が促進しました。フレックス回路またはテープ基板は、ダイサイズの大きなパッケージ向けのニッチ市場ですが、チップスケールパッケージ(CSP)でも大量に使用されています。これには積層パッケージも多少含まれます。新しく設計されるCSPは、フレックス回路よりもリジッド基板の採用が増加しています。 |
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