シリコンウェハとは

THEME 01 基板・材料 · ウェハ製造・基板加工Silicon Wafer

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シリコンウェハとは、高純度のシリコンから切り出した非常に薄い円盤です。 この上に半導体デバイスが作り込まれます。加工費はウェハ1枚あたりでおおむね定まるので、口径を上げるほど1チップあたりの費用が下がります。そのうえでウェハの品質を分けるのは、平らさ、清浄さ、そして深さ方向にどこへ欠陥を置くかの設計です。

シリコンが選ばれたのは、製造しやすさのため

半導体製造は、土台となる材料の上へ膜を積み、削り、不純物を打ち込んでいく仕事で、その土台がシリコンウェハです。シリコンが選ばれた理由は、電気的な性質だけではありません。大きな単結晶を高い純度で安定して作れること、酸化させると良質な絶縁膜が得られること、地殻に豊富にあることが揃っており、製造しやすさが材料の選択を定めています。

地球上に最も多い元素は約50%の酸素で、2番目が約26%のケイ素です¹。ケイ石を炭素とともに電気炉で融かして得る金属シリコンの純度は約98%にとどまり、そこから蒸留と還元を重ねた多結晶シリコンは99.999999999%（イレブン・ナイン）に達します。SUMCOも、シリコンウェーハの原料は、採掘した珪石を精錬・精製した超高純度（99.999999999%）の多結晶シリコン²だとしています。原料の豊富さと高純度材料（イレブンナイン）の到達点が、同じ材料の上で両立しています。

ウェハ全体が1つの結晶であることも前提です。結晶の向きが揃っていなければ、電気的な性質が場所ごとに変わります。結晶の粒界は電子の動きを妨げ、欠陥の発生源にもなります。したがってシリコンインゴットの段階で、径いっぱいの単結晶を育てる必要があります。

約1mmに切った円盤を、面取り・ラッピング・エッチング・研磨で鏡面に仕上げる

ウェーハ端部の断面

約1mmに切った円盤の端面を円弧状に削り、両面を平行に整え、機械加工の破砕層をエッチングで除いてから、鏡面に研磨します。

SUMCOは、円柱状のシリコンインゴットをおよそ1mmの厚さへスライスし、得られた円盤の表面を丁寧に研磨し、洗浄して完成させます³。工程の並びは各社でほぼ一致しています。外周研削とノッチ加工を終えたインゴットをワイヤーソー方式もしくは内周刃方式で切断し、ダイヤモンド砥石でウェーハ端面を円弧状に研削するベベル加工、上下のラップ盤のあいだでキャリアを回して砥粒を供給する両面機械研磨、酸やアルカリで機械加工の破砕層を除くエッチング、研磨布を貼った定盤で機械と化学の複合作用により鏡面へ仕上げるポリッシング⁴と続きます。

各工程には狙いがあります。ベベル加工は製造工程での欠けやクラックを防ぐため⁴に行います。ラッピングは両面を平行に整えながら所定の厚さに仕上げるため、アルミナ研磨材で粗研磨します⁵。エッチングは機械加工で表面に入ったダメージを化学的に除き、鏡面研磨は表面の凹凸をなくして平坦度の高い鏡面に仕上げるため、コロイダルシリカ液を用いたメカノケミカル研磨です⁵。削る側はラッピングで厚みを作り、研磨で面を作ります。

切り出したままの厚さと、出荷される厚さは別の数字です。SUMCOは、シリコン単結晶のブロックを厚さ1mm以下へスライシングしたのち、研削・鏡面研磨を経て仕上げます²。出荷仕様は用途で変わり、グローバルウェーハズ・ジャパンのφ5インチとφ6インチの拡散ウェーハ一般仕様は⁶、ウェーハ厚さ200〜350μm・公差±15μm、拡散層の深さ50〜250μm・公差±10μm、非拡散層の幅20〜300μm・公差±5μm、反りがφ5インチで250μm以下、φ6インチで300μm以下です。結晶製法はMCZ・CZ・FZ、結晶方位は(100)と(111)から選べます。1mmで切って数百μmへ仕上げる差が、そのまま研削と研磨の取り代です。

口径を上げるほど1チップあたりの費用が下がり、目印と研磨面も世代で変わる

口径の世代

口径が200mmから300mmへ上がると、向きの目印はオリフラからノッチへ、研磨は片面から両面へ移ります。

口径を大きくする動機は費用にあります。加工にかかる費用はウェハ1枚あたりでおおむね定まり、口径が大きいほど1枚から取れるチップの数が増えるため、1チップあたりの費用が下がります。直径が200mmから300mmへ1.5倍になると、面積は計算上2.25倍です。現在の量産の主流は300mmです。

口径の世代は、目印と研磨面の仕様も連れてきます。ウェーハには、処理工程で位置決めをするための目印が付いています⁷。サイズはφ200mmとφ300mmが一般的で、200mmウェーハまではオリフラが一般的、300mmウェーハにはより小さなノッチと呼ばれる切れ目が付いています⁷。高平坦化には両面研磨ウェハが片面研磨より優位で、直径300mmのウェハでは両面研磨が標準です⁸。200mm以下の口径では片面研磨が主流で、コストとの見合いで採用を検討します。ノッチと結晶方位と両面研磨（DSP）は、口径世代とセットで動く仕様です。

直径300mmウェハは、LPレコードと同じサイズです。日本では300mmに先んじて、直径400mmウェハの開発が1996年3月設立のスーパーシリコン研究所で2001年1月まで行われました。同研究所は、基盤技術研究促進センター（当時の通商産業省と郵政省の共管組織）と国内ウェハメーカ7社の共同出資です。開発の主要テーマには大重量の結晶引き上げ・保持機構と大型石英坩堝の設計⁸が入っていました。ITRSは、300mmの次の口径を450mmとしました。

平坦度は東京ドームで0.1mm、清浄度は300mmに20nmの微粒子が数個

SUMCOは、300mmウェーハを東京ドームの広さとしたときに表面の高低差が0.1mmあるかどうかというレベルで、平坦度を制御しています²。ウェハ平坦度の要求は露光の焦点深度から降りてくるため、口径が上がるほど厳しくなります。反りの許容は250μmから300μmという桁で、東京ドームのたとえを300mmに当てはめると、面内の高低差はその数千分の1の桁になる計算です。同じウェーハに対して、反りは搬送と保持の話、平坦度は露光の話で、要求の出どころが違います。

300mmウェーハに対して要求される清浄度は、20nmの微粒子が数個というレベルで²、九州を直径300kmとしたときの1円玉の大きさに相当します。SUMCOは高清浄度を、パーティクル（微小なゴミ）がなく、汚染（特に金属汚染）がないこと²と定め、それを保つ徹底した工程品質管理が重要だとしています。

仕上げでは、化学薬品と超純水でウェーハを洗浄して化学的・物理的に清浄化し⁴、高輝度スポットライトをウェーハ表面へ当てる外観検査と、装置による平坦度・比抵抗・表面に付着した極微小粒子の数の検査を行います。出荷は清浄な出荷用ケースへ納め、湿気を通しにくい特殊な袋へ封入します。パーティクルと金属汚染の管理は超純水と洗浄の性能に直結し、比抵抗の検査は四探針法（シート抵抗）が担います。

鏡面ウェーハの上に何を作るかで、エピ・アニール・SOIに分かれる

鏡面ウェーハから作る3種類

鏡面ウェーハの上に単結晶膜を育てればエピ、熱処理で表層を無欠陥層にして内部にBMDを作ればアニール、酸化膜を挟んで貼り合わせればSOIになります。

鏡面ウェーハは出発点で、その上の作り込みで品種が分かれます。エピタキシャルウェハでは、SUMCOはポリッシュト・ウェーハをエピタキシャル炉の中で約1200℃まで加熱し、気化した四塩化珪素（SiCl4）や三塩化シラン（SiHCl3）を流して、表面に単結晶シリコンの膜を気相成長させます⁵。SOI基板では、支持基板と活性基板のどちらか一方か両方に酸化膜を作り、2枚を貼り合わせて熱処理で結合したあと、活性基板を所定の厚さまで研削・研磨します⁵。

深さ方向の設計もウェハの仕様に含まれます。結晶には、単結晶の格子点にシリコン原子がない「空孔」が集まった微細な欠陥COPがあり、ゲート酸化膜の耐圧に悪影響を及ぼします⁸。グローバルウェーハズ・ジャパンは、縦型炉で高温熱処理を行い、結晶育成中に生成したボイド欠陥を消滅させると同時に、ウェーハ内部に酸素析出物を形成させます⁴。同社のウェーハでは、熱処理技術でゲッタリングサイトのサイズと密度を調整できます⁶。同社は、ウェーハ表面からBMD（Bulk Micro Defect）までの深さを調整して無欠陥層とゲッタリング層を作ることで、歩留まりが向上するとしています。表層（表面から数μm〜数10μm）の酸素濃度は熱処理技術で、内部（バルク）の酸素濃度は結晶成長技術で制御しており、表層の酸素濃度を高くするとウェーハの強度が向上します。表層に無欠陥層を残し、内部のBMDに金属不純物を捕らえさせる配置です。酸素析出物（BMD）とアニールウェーハは、この深さ設計の別名です。

口径、厚さ、研磨面、表層の酸素濃度は、どれも代償を伴う

口径を上げると1枚から取れるチップが増え、1チップあたりの加工費が下がります。代わりに、400mm開発の主要テーマが引き上げ・保持機構と石英坩堝だったとおり、育成側と搬送側の設備要求が上がります。仕上げ厚さを厚くすると反りと割れに強くなり、搬送での破損が減りますが、材料の使用量が増え、1本のインゴットから取れる枚数が減ります。薄くすると取れ枚数と材料効率が上がりますが、反りの許容値へ近づき、搬送破損の側が厳しくなります。

研磨面は、両面研磨が平坦度で片面研磨より優位で、300mmでは標準です。代わりに定盤とキャリアの管理が増え、加工費が上がります。片面研磨は費用が下がりますが、平坦度の余裕が減ります。無欠陥層を深く取ればデバイス領域は清くなりますが、ゲッタリング層が表面から遠のきます。浅く取れば捕獲は近くなりますが、無欠陥層の余裕が減ります。どちらを選ぶかはデバイス側の要求で変わります。

ウェハが売っているのは、平らさ、清浄さ、抵抗率の一様さ、そして深さ方向の欠陥配置です。買い手が払うのは、材料と加工の費用、そして口径世代を上げるたびに増える設備投資です。ここで妥協した平坦度は露光の焦点深度を食い、清浄度はキラー欠陥として歩留まりに出ます。

よくある質問（FAQ）

シリコンウェハとは何ですか？

高純度のシリコンから切り出した非常に薄い円盤です。円柱状のシリコンインゴットを、およそ1mmの厚さへスライスして作ります。

どうやって作りますか？

スライスした円盤の端面を円弧状に削り、アルミナ研磨材のラッピングで両面を平行に整え、エッチングで破砕層を除き、コロイダルシリカ液で鏡面に研磨して洗浄します。この上に半導体デバイスが作られます。

なぜシリコンを使うのですか？

大きな単結晶を高い純度で安定して作れること、酸化させると良質な絶縁膜が得られること、地殻に豊富にあることが理由です。地球上に最も多い元素は約50%の酸素で、2番目が約26%のケイ素です。

なぜ口径を大きくするのですか？

加工にかかる費用は枚数でおおむね定まるため、1枚から取れるチップが増えるほど1チップあたりの費用が下がります。現在の量産の主流は300mmです。

単結晶であることは何を左右しますか？

結晶の向きが揃っていなければ、電気的な性質が場所ごとにばらつきます。結晶の粒界は電子の動きを妨げ、欠陥の発生源にもなるため、ウェハ全体が1つの結晶であることが前提です。

シリコンウェハのメーカーはどこですか？

信越化学工業とSUMCOが世界の主要な供給者です。当サイトの装置カタログDBは装置familyを収録しており、ウェハそのものではなく、ウェハを加工する装置が対象です。

平坦度はどのくらいの桁ですか？

SUMCOは、300mmウェーハを東京ドームの広さとしたときに表面の高低差が0.1mmあるかどうかというレベルで、平坦度を制御しています。

清浄度はどのくらいの桁ですか？

300mmウェーハに対して20nmの微粒子が数個というレベルが要求されています。九州を直径300kmとしたときの1円玉の大きさに相当します。

出荷される厚さはどのくらいですか？

用途で変わります。グローバルウェーハズ・ジャパンのφ5インチとφ6インチの拡散ウェーハ一般仕様では、ウェーハ厚さ200〜350μm・公差±15μm、反りはφ5インチで250μm以下、φ6インチで300μm以下です。

比較・違いを学ぶ

ウェーハと基板── 工程としてのウェーハ製造

出典

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1
信越半導体白河工場：製品案内shinetsu.co.jp ↩
2
SUMCO：事業内容（採用サイト）sumcosi.com a b c d e
3
SUMCO：Productssumcosi.com ↩
4
グローバルウェーハズ・ジャパン：製造プロセスsas-globalwafers.co.jp a b c d
5
SUMCO：シリコンウェーハの製造方法sumcosi.com a b c d
6
グローバルウェーハズ・ジャパン：製品一覧sas-globalwafers.co.jp a b
7
SCREENセミコンダクターソリューションズ：ウェーハの調達screen.co.jp a b
8
JEITA半導体部会：大口径化の進むシリコンウェハsemicon.jeita.or.jp a b c