半導体の工程分類は7つの段階｜前工程は作業名と部品名の2系統

半導体の工程とは、回路を設計してから、ウェーハに作り込み、チップに切り分けて包むまでの一連の作業を指す。その工程名は、3つの軸で読めば位置が決まる。どの段階か、作業の名前か部品の名前か、どの作業のどんな方式か。半導体は、成膜や加工などの要素技術を何百回も組み合わせて¹作られ、名前の付いた工程は膨大になる。SemiMapの分類では342の工程が7つの段階に並び、その半分以上の188が前工程に集まる。

迷う原因は数より呼び方にある。前工程には、成膜・エッチング・CMPのような作業の名前と、素子分離・ゲート形成・配線形成のような部品の名前が混ざっている。部品の工程は作業を並べたまとまりで、同じ作業がいくつもの部品に繰り返し出てくる。この2つを分けると、工程の一覧が表として読める。ウェーハはチップを作り込むシリコンの円板で、1枚から多数のチップを切り出す。

数字は各段階に入る工程の数。前工程が全体の半分以上を占め、テストの19工程は後工程の前と後で行う。

工程は7つの段階に並ぶ

半導体は、回路を決め、原版に焼き、ウェーハに作り込み、チップに切り分けて包む。この流れが、設計・マスク・ウェーハ・前工程・後工程の骨格になる。検査・計測は前工程の途中に何度も入り、テストは後工程の前と後に置かれる。

• 半導体設計（22工程）：論理設計、配置配線、設計検証など、チップの図面を作る。
• フォトマスク・レチクル（10工程）：設計データを、露光の原版になるマスクへ描く。
• ウェーハ・基板製造（14工程）：シリコンの単結晶を育て、薄く切り、鏡面に磨く。フジミの加工プロセスの一覧では²、引き上げ、外周研削、スライス、面取り、ラップ、研磨、洗浄、検査の順に進む。
• 前工程（188工程）：ウェーハの上にトランジスタと配線を作り込む。
• 検査・計測（31工程）：できた形を測り、材料を分析する。
• テスト（19工程）：電気を流して、チップが動くかを確かめる。
• 後工程（58工程）：ウェーハをチップに切り分け、つなぎ、包む。

テストが2回に分かれるのには理由がある。日本半導体製造装置協会（SEAJ）の工程図では、ウェーハのままチップごとに試験し、不良品に印を付ける工程³が前工程の最後に、温度と電圧をかけるバーンインと製品検査⁴が後工程の終盤にある。先に不良チップに印を付けておけば、組み立ての手間を良品だけに使える。

7つの段階は、会社の分業の境目にもなる

多くの段階で、段階の切れ目は会社の切れ目と重なる。設計だけを行い工場を持たないファブレス、他社の設計を受けて前工程を担うファウンドリ、組み立てとテストを受けるOSATが、それぞれ段階を分け持つ。設計から後工程までを自社で持つのがIDMで、大手のファウンドリやIDMはマスクを自社で作ることもある。

多くの段階で、分業する会社の境目は段階の境目と重なる。ファウンドリは検査・計測を工場の中で行い、OSATはテストと組み立てをまとめて受ける。

会社名で見ると、設計はNVIDIAのようなファブレスと、設計ツールのSynopsysや設計資産のArmが支える。マスクは大日本印刷、マスクの素材になるブランクスはHOYA、マスクの検査装置はレーザーテック、ウェーハは信越化学工業とSUMCOが作る。前工程はTSMCのようなファウンドリや、自社工場でメモリを作るキオクシアの工場で進み、装置は東京エレクトロンやASMLが、検査・計測装置はKLAが供給する。テスターはアドバンテストとテラダイン、後工程の受託はASEとAmkor、切断と研削の装置はディスコ、封止の装置はTOWAが担う。業界全体の地図は半導体業界の研究ページにまとめている。

前工程の工程名は「作業」と「部品」の2系統

前工程の直下には20の工程が並ぶ。このうち8つは作業の名前だ。リソグラフィ、エッチング、成膜、酸化・拡散、イオン注入、アニール・熱処理、CMP（化学機械研磨）、洗浄・表面処理。電子情報通信学会の知識ベースは、要素技術を薄膜を形成する工程、それを任意の形に加工する工程、洗浄工程に大きく分類しており⁵、SemiMapはこれに不純物を入れるイオン注入や熱で性質を整えるアニールなどを加えて、8つの作業に分けている。

残る12のうち6つは、作る部品の名前だ。素子分離、ゲート形成、ソース・ドレイン形成、サイドウォールスペーサ形成、コンタクト形成、配線形成。知識ベースは、こうした単位をプロセスモジュールと呼び、製造フロー上では数十工程からなる単位¹と定義する。ほかの6つは、3D集積、層転写、リフトオフ、応力ライナー形成のように、特定の構造や手法の名前だ。

素子分離のSTIは、6種類の作業を9回つないでできる。同じ色の作業は、ゲートや配線を作るときにも繰り返し出てくる。

素子分離のSTIは、窒化膜と酸化膜を付け、溝を掘り、内壁を酸化し、CVDで酸化膜を埋め、CMPで平らにし、窒化膜を取り除く¹。銅配線のダマシンも、溝のエッチング、スパッタ、めっき、熱処理、CMPと、同じ作業の組み合わせでできている。SEAJの工程図が³、フォトレジスト塗布から平坦化までを繰り返して素子を作り込むと書くのはこのためだ。

作業を行、部品を列にした表を思い浮かべると、仕事の分かれ方も読める。エッチングや成膜のプロセスエンジニアは、どの部品にも出てくる一つの作業、つまり行を深く担う。複数の作業をつないで部品を仕上げるプロセスインテグレーションは、列を担う。装置エンジニアは行の中の方式ごとの装置を、計測や歩留まり解析の担当は、作業の結果を測って直す側を受け持つ。

部品は、ウェーハの下から順に積み上がる。トランジスタそのものを作る素子分離・ゲート・ソース・ドレインまでをFEOL（Front End of Line）、トランジスタと配線をつなぐコンタクトをMOL（Middle of Line）、その上に何層も重ねる配線をBEOL（Back End of Line）と呼ぶ。名前に「Back End」と入っていても、BEOLはウェーハの上で行う前工程の一部だ。

作業の下に、手順と方式が並ぶ

作業の名前の下には、細かな手順と、やり方の違う方式が並ぶ。

• 成膜 → CVD（化学気相成長）→ PECVD（プラズマCVD）、LPCVD（減圧CVD）
• リソグラフィ →露光→ DUV露光 → ArF露光 → ArF液浸露光
• エッチング → ドライエッチング → RIE（反応性イオンエッチング）→ DRIE（深掘りRIE） →ボッシュプロセス

方式の名前には、略語の一部に意味が入っていることが多い。よく出るものを知っておくと、名前から違いの見当がつく。

名前の一部	意味	例
PE	プラズマで反応を進める	PECVD
LP / AP	減圧で / 常圧で	LPCVD、APCVD
MO	有機金属の原料を使う	MOCVD
AL	表面の反応を1サイクルずつ繰り返し、原子の層の単位で少しずつ進める	ALD、ALE
SA	すでにある形に合わせて自動で位置が決まる（自己整合）	SADP、SAC
D2W / W2W	チップをウェーハへ / ウェーハをウェーハへ	D2W接合、W2W接合
液浸	レンズとウェーハのあいだを液体で満たす	ArF液浸露光

工程は「何の一種か」で並び、どこで使うかはFEOL・BEOL・パッケージの区分で読む。たとえばENIGは無電解めっきの一種なので成膜の下に並ぶが、使う場所はパッケージ基板やバンプだ。

検査・計測は形を、テストは電気を見る

検査・計測の31工程の中心は、前工程の途中に何度も入る測定だ。線の幅を測るCD-SEM、上下の層のずれを測るオーバーレイ計測、膜厚計測、欠陥を探す欠陥検査など。測った結果は、直前の作業の条件を直すのに使う。断面観察やSIMSのような材料分析、歩留まりの解析もここに入る。

テストの19工程は、電気を流してチップが仕様どおり動くかを確かめる。ウェーハテスト、ファイナルテスト、バーンインのほか、スキャンテストのような試験の方式、不良のメモリ部分を予備に置き換える救済も入る。SEAJが「ウェーハ検査」と呼ぶ電気試験は、ここではウェーハテストにあたる。設計の段階にあるDFT（テスト容易化設計）は、このテストをしやすくする回路をあらかじめ組み込む工程だ。

形と材料を見るのが検査・計測、電気で動作を見るのがテストになる。名前に「検査」が入っていても、電気で良否を決める工程はテストに入る。

後工程は「削る・切る・つなぐ・包む」が骨格

後工程の58工程の骨格は、ウェーハを薄く削る、チップに切る、チップを基板や他のチップへつなぐ、樹脂で包む、の4つの作業だ。そこにパッケージ基板と先端パッケージの工程が加わる。SEAJの工程図では、ダイシング、チップのマウンティング、ワイヤーボンディング、モールド⁴の順に並ぶ。

順番は入れ替わることがある。ディスコのDBGは、従来の「裏面研削のあとに切断」を逆にして、先にウェーハを途中まで切り（ハーフカット）、裏面研削でチップに分ける⁶。順番が変わっても、切ってチップに分ける作業なのでダイシングの一種に入る。

先端パッケージ（2.5D・3D・チップレット）では、前工程の作業が後工程の分類の中に戻ってくる。チップを縦に貫く電極のTSVは、Fraunhofer IZMの工程ではドライエッチング、絶縁膜の成膜、PVDでのバリアとシードの形成、銅の電解めっき、最大400℃のアニール⁷で作る。チップ上に配線を引き回すRDL（再配線層）も、塗布・露光・現像・スパッタ・めっき・エッチングの組み合わせだ。分類は後工程でも、作り方は前工程の作業でできている。

7段階を支える仕事は、工程とは別に数える

工場には、全体を支える仕事もある。クリーンルームや超純水、特殊ガスを供給するファシリティ、信頼性評価と故障解析を担う品質保証、自動搬送や製造実行システムを扱う生産技術などだ。これらは7つの段階とは別の分類として、342工程とは別に数える。求人の「生産技術」や「品質保証」は、工程を横断する職能の名前として読む。

3つの問いで、知らない工程の位置が分かる

工程名に迷ったら、3つの問いで位置が決まる。7つの段階のどこにあるか。作業の名前か、部品の名前か。どの作業の、どんな方式か。

• SADP：前工程の工程で、作業はリソグラフィ。その中のマルチパターニングの一方式で、頭のSAは自己整合を表す。芯の両側に付けた膜を型にして、芯1本から2本の線を作る。
• TSV露出：後工程の工程で、作業はウェーハの薄化。裏面を薄くしてTSVの先端を露出させる工程で、中身は前工程と同じ加工の作業になる。

工程ごとの装置・企業・求人は半導体製造の工程マップ、工程を通る順番は半導体製造工程の流れにまとめている。

342工程の一覧

342の工程は、段階、作業、手順と方式の順に入れ子になっている。

半導体設計（22）

• 半導体設計の概要
• 製品企画・システムアーキテクチャ
  • システムアーキテクチャ設計
• デジタル・論理設計（RTL：レジスタ転送レベル）
  • 論理合成
• アナログ・ミックスドシグナル設計
• 物理設計・レイアウト
  • CTS（クロックツリー合成）
  • フロアプランニング
  • P&R（配置配線）
• 設計検証
  • 物理検証（DRC・LVS）
  • 形式検証
    • LEC（論理等価性検証）
  • 機能検証
  • サインオフタイミング検証
• DFT（テスト容易化設計）
  • ATPG（自動テストパターン生成）
  • BIST（組込み自己テスト）
    • LBIST（ロジック組込み自己テスト）
    • MBIST（メモリ組込み自己テスト）
• EDA（電子設計自動化）・PDK（プロセス設計キット）・IP（設計資産）開発
  • TCAD（テクノロジーCAD）

フォトマスク・レチクル（10）

• フォトマスク・レチクルの概要
• マスクデータ準備・OPC（光近接効果補正）
• フォトマスク製造
  • ペリクル装着
• マスク描画
  • 電子ビームマスク描画
• マスク欠陥検査
  • アクティニック検査
• マスク修正
• ペリクル
• フォトマスク洗浄

ウェーハ・基板製造（14）

• ウェーハ・基板製造の概要
• 単結晶育成
  • CZ法（チョクラルスキー法）
  • FZ法（浮遊帯域溶融法）
• ウェーハスライス
• ラッピング・鏡面研磨
  • 鏡面研磨
    • 両面研磨
  • ラッピング（遊離砥粒研磨）
  • ウェーハエッジ研磨
• SOI（シリコン・オン・インシュレータ）・化合物・エンジニアド基板
  • トラップリッチ層形成
• ウェーハ加工損傷エッチング
• インゴット外周研削
• ベベリング（ウェーハ外周面取り）

前工程（188）

• 前工程の概要
• リソグラフィ
  • 塗布・現像
    • レジスト塗布・ベーク
      • 脱水ベーク
      • ポストベーク（ハードベーク）
      • PEB（露光後ベーク）
      • レジストリフロー
      • PAB（塗布後ベーク）
      • レジストフリーズ（レジストパターン固定）
    • 現像
      • ドライ現像
    • EBR（エッジビード除去）
  • 露光
    • DUV露光（深紫外線露光）
      • ArF露光（フッ化アルゴンエキシマ露光）
        • ArF液浸露光（フッ化アルゴンエキシマ液浸露光）
      • KrF露光（フッ化クリプトンエキシマ露光）
    • i線露光
    • EUV露光（極端紫外線露光）
      • High-NA EUV露光（高開口数EUV露光）
        • ハーフフィールドスティッチング
    • マスクレス露光（直接描画露光）
    • EBL（電子線直接描画）
    • NIL（ナノインプリントリソグラフィ）
      • 熱ナノインプリント
    • 干渉露光
    • WEE（ウェーハ周辺露光）
  • 計算機リソグラフィ
    • OPC（光近接効果補正）
    • SMO（光源マスク最適化）
    • SRAF（解像限界以下補助パターン）配置
  • DSA（誘導自己組織化）
  • マルチパターニング（多重パターニング）
    • LFLE（リソ・フリーズ・リソ・エッチ）
    • SADP（自己整合ダブルパターニング）
  • リソグラフィリワーク（レジスト剥離・再処理）
• エッチング
  • ドライエッチング
    • RIE（反応性イオンエッチング）
      • DRIE（深掘り反応性イオンエッチング）
        • ボッシュプロセス
      • 極低温エッチング（クライオエッチング）
    • 高アスペクト比エッチング
  • ウェットエッチング
    • 結晶異方性Siウェットエッチ
    • 熱リン酸SiNエッチ
    • シード層フラッシュエッチング
    • UBMエッチング
  • アッシング・レジスト剥離
    • アッシング（プラズマレジスト除去）
    • デスカム（残渣除去）
  • ALE（原子層エッチング）
  • チャネルリリース
  • MEMS犠牲層リリース
  • メサ形成・メサエッチ
• 成膜
  • CVD（化学気相成長）
    • APCVD（常圧CVD）
    • FCVD（流動性CVD）
    • LPCVD（減圧CVD）
    • MOCVD（有機金属気相成長）
    • PECVD（プラズマCVD）
  • PVD（物理気相成長）・スパッタ
    • スパッタ
      • LTS（ロングスロースパッタ）
    • 真空蒸着
    • イオンビーム成膜（IBD）
  • ALD（原子層堆積）
  • エピタキシャル成長
    • LPE（液相エピタキシャル成長）
    • SEG（選択エピタキシャル成長）
  • めっき
    • 無電解めっき
      • ENIG（無電解ニッケル・置換金めっき）
      • ENEPIG（無電解ニッケル・パラジウム・置換金めっき）
      • 置換スズめっき
      • 無電解ニッケルめっき
      • 無電解パラジウムめっき
      • 置換金めっき
    • 貴金属めっき
    • 電解めっき
      • Cu電解めっき
        • ハンプフリーめっき
      • ビアフィリングめっき
      • 錫・錫銀めっき
        • Sn-Ag（錫銀）めっき
  • 選択成膜（領域選択成膜）
  • スピンコート
  • ベベル成膜
  • IAP（インクジェット適応平坦化）
• 酸化・拡散
  • 熱酸化
    • ドライ酸化
    • ISSG（その場水蒸気生成酸化）
    • ウェット酸化
  • 拡散
    • PGILD（投影型ガス浸漬レーザードーピング）
    • 気相ドーピング（RTVD/RVD）
    • SPD（固相拡散）
  • 窒化処理
  • ラジカル酸化（プラズマ酸化）
• イオン注入
  • ハロー注入
  • イオンシャワー（広域イオン照射）
  • PLAD（プラズマドーピング）
    • 固相プラズマドーピング
  • PIII（プラズマ浸漬イオン注入）
  • 単一イオン注入
  • SDE注入（ソース・ドレインエクステンション注入）
• アニール・熱処理
  • 活性化アニール
  • FGA（フォーミングガスアニール）
  • 炉アニール（バッチ式熱処理）
  • レーザアニール
  • ミリ秒アニール
  • 接合後アニール
  • PDA（成膜後アニール）
  • RTP（急速熱処理）
    • RTA（急速熱アニール）
      • スパイクアニール
  • SPE（固相エピタキシャル成長）
  • マイクロ波アニール
• CMP（化学機械研磨）
  • Cu-CMP（銅CMP）
• 洗浄・表面処理
  • 枚葉洗浄
    • 枚葉スピン洗浄
  • ベベル洗浄・エッチング
  • 低温エアロゾル洗浄
  • CVC洗浄（化学気相洗浄）
  • DDC（オゾン水・フッ酸交互洗浄）
  • DHF（希フッ酸）洗浄
  • 表面改質（表面修飾）
    • HMDS（ヘキサメチルジシラザン）プライム
    • プラズマ表面活性化
  • IMECクリーン
  • IPA乾燥（イソプロピルアルコール乾燥）
  • メガソニック洗浄
  • オゾン水洗浄
  • CMP後洗浄
  • PERR（エッチング後残渣除去）
  • 成膜前プリクリーン
  • RCA洗浄
  • 室温四工程洗浄
  • スピン乾燥
  • SPM（硫酸過水洗浄）
  • 超臨界CO₂乾燥
  • 二流体洗浄
  • UVオゾン洗浄
  • リンス（純水による薬液置換）
    • ダウンフローリンス
    • QDR（急速排水リンス）
    • スプレーリンス
• 配線形成
  • BSPDN（裏面電源供給）
  • ボトムライナーレスビア形成
  • コバルト配線形成
  • Cuリフロー
  • ダマシン法
    • デュアルダマシン
      • MHM（メタルハードマスク方式）
  • SAV（自己整合ビア形成）
  • セミダマシン配線形成
  • サブトラクティブ配線（金属直接エッチ）
  • エアギャップ形成
• 素子分離
  • DTI（深いトレンチ分離）
  • MDI（中間誘電体分離）
  • STI（シャロートレンチ分離）
  • 電荷トラップ層分断（CTカット）
  • ディフュージョンブレーク（SDB・DDB）形成
• ゲート形成
  • RMG（置換メタルゲート）
  • リモート界面層スカベンジング
  • ダイポール層形成
• コンタクト形成（MOL）
  • コンタクトプラグ形成
  • サリサイド（自己整合シリサイド形成）
  • SAC（自己整合コンタクト形成）
• リフトオフ
• モノリシック3D集積
• 逐次3D集積
• サイドウォールスペーサ形成
  • インナースペーサ形成
• 応力ライナー形成
• SMT（応力記憶技術）
• 層転写
• ソース・ドレイン形成

検査・計測（31）

• 検査・計測の概要
• 計測
  • CD-SEM（測長SEM）
  • オーバーレイ計測（重ね合わせ計測）
  • 膜厚計測
    • エリプソメトリ
  • OCD（光学式寸法計測）
  • AFM（原子間力顕微鏡）計測
  • 材料・表面分析
    • 断面観察（断面解析）
    • EDX（エネルギー分散型X線分光法）
    • EPMA（電子プローブマイクロ分析）
    • ナノインデンテーション（ナノ硬さ試験）
    • ラマン分光
    • SIMS（二次イオン質量分析）
    • XRD（X線回折）
    • XPS（X線光電子分光）
  • 四探針法（シート抵抗測定）
  • インライン電気試験
  • in-situ計測
    • プラズマ診断・終点検出
  • TLM（伝送線路モデル法）
• 欠陥検査
  • ウェーハ表面検査
  • ウェーハ外装検査
  • 電子ビーム検査
  • ウェーハ外観検査（光学式全面検査）
• 欠陥レビュー
  • ADR（自動欠陥レビュー）
• 歩留まり・欠陥解析
  • ADC（自動欠陥分類）
• 汚染管理

テスト（19）

• テストの概要
• ウェーハテスト
  • プローブカード・プロービング
  • ウェーハバーンイン
  • 再プロービング
• ファイナルテスト
• バーンイン
• SLT（システムレベルテスト）
• デバイス評価
  • I-V・C-V特性評価
• ビン分け（ビニング）
• コンカレントテスト（同時並列テスト）
• 外部ループバックテスト
• ファンクションテスト
• IDDQテスト（静止時電流試験）
• メモリ冗長救済（リペア）
• OTA試験（無線空間伝搬試験）
• パラメトリックテスト
• PAT（パートアベレージテスト）
• スキャンテスト

後工程（58）

• 後工程の概要
• バックグラインド・ウェーハ薄化
  • 薄化後ストレスリリーフ（研削後損傷層除去）
  • TSV露出（バックサイドリビール）
• ダイシング
  • ブレードダイシング
  • レーザーダイシング
    • ステルスダイシング
  • プラズマダイシング
  • DBG（ダイシング・ビフォア・グラインディング）
    • SDBG（ステルスダイシング・ビフォア・グラインディング）
  • ウェーハマウント（ダイシングテープ貼付）
  • レーザーグルービング（レーザー溝加工）
• ボンディング
  • ダイアタッチ
  • ワイヤボンディング
  • フリップチップ
    • TCB（熱圧着）
    • レーザーアシストボンディング（LAB）
  • ハイブリッドボンディング
    • W2W（ウェーハ・ツー・ウェーハ）ハイブリッド接合
  • ウェーハ接合
    • 陽極接合
    • 直接接合（フュージョンボンディング）
    • ガラスフリット接合
    • TBDB（一時接合と剥離）
  • D2W（ダイ・ツー・ウェーハ接合）
  • 共晶接合
  • リフローはんだ付け
  • TAB（テープ自動接合）
  • Cuクリップ接合
• モールド・封止
• アンダーフィル
• パッケージ基板・インターポーザ
  • SAP（セミアディティブ法）
  • mSAP（改良型セミアディティブ法）
  • ガラスコア基板
  • ビルドアップ基板
  • ビア形成（レーザー穴あけ）
  • デスミア（ビア内残渣除去）
  • 絶縁フィルムラミネート（ビルドアップ層の積層）
• 先端パッケージ（2.5D・3D・チップレット）
  • バンプ・RDL（再配線層）形成
    • Cuピラーバンプ形成
    • UBM（アンダーバンプメタル）形成
    • RDL（再配線層）形成
      • ファンアウトRDL形成
    • マイクロバンプ形成
  • TSV（シリコン貫通電極）
  • PLP（パネルレベルパッケージ）
  • WLP（ウェーハレベルパッケージ）
    • ウェーハレベル気密封止
  • CoW（チップオンウェーハ）
  • ファンアウトパッケージング
    • FOWLP（ファンアウトウェーハレベルパッケージ）
• リッドアタッチ（蓋接合）
• パッケージマーキング
• トリム＆フォーム（リード切断・成形）
• 表面保護テープ貼付（BGテープ貼付）

出典

7件を表示

1. 1
   電子情報通信学会 知識ベース：10群2編4章 プロセスモジュール技術（2010年）ieice-hbkb.org ↩abc
2. 2
   フジミインコーポレーテッド：シリコンウェハーの加工プロセスと製品fujimiinc.co.jp ↩
3. 3
   日本半導体製造装置協会：半導体製造工程 前工程seaj.or.jp ↩ab
4. 4
   日本半導体製造装置協会：半導体製造工程 後工程seaj.or.jp ↩ab
5. 5
   電子情報通信学会 知識ベース：10群2編3章 プロセス要素技術（2010年）ieice-hbkb.org ↩
6. 6
   ディスコ：DBG/SDBGdisco.co.jp ↩
7. 7
   Fraunhofer IZM：TSV Integrationizm.fraunhofer.de ↩