シリコンウェハー加工プロセスの化学品特性と問題点
Chemical Characteristics and Problems of Silicon Wafer Manufacturing Process

有限会社 トライボ

富岡弘

HIROSHI TOMIOKATRIBO Private Limited Co.,

はじめに

一般にシリコンウエハー加工は、次のプロセスからなっている。

広く日本の半導体産業は、今なお世界に冠たる地位(1) シリコン単結晶インゴットを切断してラップドウエハーを築いている。材料分野では、シリコンウエハー、化合（Lapped Wafer：ＬＷ）経由でポリッシドウエハー

物ウエハー、水晶ウエハー、封止剤、リードフレーム、配（Polished Wafer：ＰＷ）を造るＰＷ製造プロセス

線機、液晶ガラス、研削・研磨材などはその製品例とな(2) ＬＷを基板にリン、ボロンを拡散せしめて拡散ウエハー

ろうが、今なお高い市場シェアを有している。
半導体製造装置分野では、膜付装置、デファクトスタ

(3) ＰＷを基板にシリコン等を積層せしめてエピタキシャ

ンダード化されている測定検査装置などでは欧米勢にそルウエハー（Epitaxial wafer：ＥＰＷ）を造るＥＰＷの地歩を譲らねばならないが、その他装置では相当に支製造プロセス配的な地位を築いている。しかし、シリコン半導体デバ(4) ＰＷを基板に酸素、もしくは水素を打込み熱処理をしイス製造分野では伸長が見られるものもあるが、ＤＲＡＭて絶縁層を形成、或は２枚を熱処理により貼り合わせのように、景気の低迷による需要の減少と高コストによる絶縁膜を形成するＳＯＩ（Silicon on Insulator：

価格対応力の不足で事業体質が弱められ、結果としてSOI）
ウエハーを造るＳＯＩ製造プロセス

設備投資の遅れが規模の縮小を招き、市場の支配力を(2) (3) (4)はＰＷ製造プロセスを中心に据えると枝流、失いつつあるものもある。現在、色々な事業の再構築が下流に配されるプロセスとなる。

行われながら今日に至っている。経営合理化の最適化

本稿は、他のウエハー加工に共通するところも多いので、を行い産業としての地歩を冠たるものに回復せしめて欲ＰＷ製造プロセスを取上げて解説をさせて戴くことにする。

しいものである。

ＰＷ製造プロセスは設備・装置の種類や大きさの相ウエハー加工は、酸化物系（水晶、サファイヤ）、セラミ違、配置・配列の組合せ、使用消耗材、治工具の種類

ック系（窒化アルミ、アルテイック、アルミナ、チタン酸バリなどによって様々なプロセス構成が可能であり、会社やウム）、化合物系（ガリウム砒素、ガリウムリン）、金属系事業所が異なると要所は同じでも皆異なるプロセスと言（シリコン、アルミ、銅）など多岐にわたる分野で実施され、っても過言ではない程に複雑多岐となっている。

いずれも規模を拡大しつつある。シリコンウエハー加工

ｐｐｂオーダーの不純物コントロール、サブミクロンもしく

は数量的にも圧倒的に大量で口径も飛び抜けて大きく、はナノメーターオーダーの平坦度や表面粗さのコントロー

また平坦度や表面清浄に対する品質要求も一段と厳しルが製品に要求されるため、ウエハー加工事業所は、いものがあり、ウエハー加工を代表するものになっている。

それぞれに知恵と工夫を加えておりその結果として独自

このような理由から、シリコンウエハー加工プロセスを本独特の加工プロセスが出来上がったものと考えている。

稿に取り上げた次第である。

8（Diffused Wafer：ＤＷ）
を造るＤＷ製造プロセス

THE CHEMICAL TIMES 2003 No.1（通巻187号）

本稿では、図−1に示したプロセスブロック図を典型例

シリコンウェハー加工プロセスの化学品特性と問題点にプロセスの流れに従って解説を行う。また、ここで取上

2. シリコンウエハーの種類と応用デバイスの関係

げる化学品は、ウエハーに直接接触をする部材、薬剤等に限らせていただいた。品質に与える影響が相対的

シリコンウエハーは応用デバイスの付加価値（販売価に大きいためであるとご了解を戴きたい。この最後に、格）に合せた品質グレードで、更にはデバイス加工のしシリコンウエハーは色々なシリコン半導体デバイス製造易さに合せて使用され通常以下のようになっている。の母材となっており、それがどの様に造られるかを知ってシリコンウエハーの種類いただくと共にデバイス製品の動向も併せて知っていた(1) スライスドウエハー（ＳＷ）

だくのが良いのではないかと考え、これら製品の市場動(2) ラップドウエハー（ＬＷ）

向等をプロローグとしてご紹介することにした。データ−(3) エッチドウエハー（ＥＷ）

ベースは経済産業省の鉱工業指数により、数値を加工し(4) 拡散ウエハー（ＤＷ）てご理解を増すようにした。

＊応用デバイスの種類
・ＦＺ結晶品が主流でＣＺ品は少なくダイオード、トランジ

1. シリコン単結晶の種類

スター、サイリスターなどのデイスクリート素子
・高耐圧品はＤＷを基板にする

シリコン単結晶は、ＦＺ（Floating Zone）法とＣＺ(5) ポリッシドウエハー（ＰＷ）（Czochralski）法によって製造され、ＣＺ法品が全生産•ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどのメモリー素子、バイポーラ量の95％を、残りがＦＺ法品というところである。

素子、ＭＰＵ、ＣＰＵ素子などのロジック素子

ＦＺ法は、棒状の多結晶シリコンをアルゴン雰囲気で高周波コイルによる加熱溶融し、種結晶に接触せしめて棒状のまま引き下げて製造する。高抵抗率ウエハー基板(6) エピタキシャルウエハー（ＥＰＷ）•メモリー素子、ＣＣＤ、高周波高耐圧のデイクリート品(7) ＳＯＩウエハー（ＳＯＩ）に向いた結晶で、中性子照射によって抵抗率を軸方向、•高速のＭＰＵなどのロジック素子、高耐圧のデイス面内方向に一様にすることができる特徴がある。製法はクリート素子

コンパクトであるが、大口径の棒状多結晶を入手しにくいこと、ＰＷには、アルゴン、水素、窒素、酸窒素などの雰囲中性子照射ができる場所が限られるなどの制約もある。

気ガス中で熱処理を施して表層の結晶欠陥をなくしたウ一方ＣＺ法は、塊状の多結晶を石英ルツボに入れアルエハーやＣＶＤ膜を施してゲッタリング効果を上げたウエゴン雰囲気で抵抗加熱によって溶融し、種結晶に接触ハーがある。生産性、歩留りの向上に寄与するところがせしめて徐々に引き上げて製造する。抵抗率は、ドーパ大きいのでこうした附加価値を持つウエハーが好まれる

ント濃度でコントロールするが、軸方向、面内方向の抵傾向にあるが、コストの回収が難しく悩ましいものがある

抗率を一様にすることがＦＺ法に比べて難しくまた、ルツと聞いている。

ボや炉材からの不純物の混入もあるので、このコントロールは難しいという問題点がある。

3. シリコン半導体デバイスの市場動向

塊状の多結晶があれば引上げ機の大きさ次第で大口径（直径400m/m）の単結晶も造ることができ、機械的我が国の半導体生産は、世界シェアの50％に至るま強度のある単結晶ができるというメリットがあり、大口径での規模となり隆盛をきわめたのは10年前の1992年頃

ウエハーはすべてＣＺ法によっている。

までのことである。

ドーパントの種類は、砒素、りん、アンチモン、ボロン、この頃にはじまったバブルの崩壊による景気の低迷にゲルマニウムなどからなる。ボロンはＰ型の基板に、他はより、わが国の半導体生産も落込みを余儀なくされ、再Ｎ型品に使用されている。単結晶の年間生産量は、年び米国勢にシェアを奪われることになった。これは、情間4500トン前後である。単結晶のドーパント別の生産比

報伝達の共有化、迅速化などを通じて、生産性の向上

率はおよそ75％がボロン品、りん品が12％、アンチモンやコスト削減を果すために、いわゆる経営の合理化策と品が8％、砒素品が5％といったところである。

して米国企業ではパソコンが盛んに用いられるようにな

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り、この結果を生んだものと考えている。
その 後パソコンの 普 及は世 界 的な広がりを見せ 、うにしたことが、日米の差を生んだように思う。

1995年には我国のＤＲＡＭを中核とする半導体生産も対1998年頃には、ＤＲＡＭの製造技術にも米国発のシュ前年度比42％増の空前の成長を見せたが、長続きはせリンク技術、銅配線技術などが実際に応用されるなどデずに線香花火の最後の状態にも似た輝きの結果となっバイスの性能と価格に於いても日本勢は大きな遅れをとた。パソコン需要の一巡によりＤＲＡＭは需給のバランスらされるようになった。1999年には携帯電話などの爆発を失い価格破壊を生じ、1996年には日本の半導体産業的な需要増もあって生産は一時的に活況を呈したが、長も1985年以来のマイナス成長となった。

続きせずであった。デバイス需要もＤＲＡＭとは異なるフ

日本のＤＲＡＭ中心の半導体生産に対し、米国ではラッシュメモリー、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）
といＣＰＵ、ＭＰＵといったロジックデバイスが中心で価格破ったものの需要が旺盛になり、日本もロジック系デバイス①②

図-1 シリコンウェーハ製造プロセスシート

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壊が起きにくい事業体質にし、過当競争に加わらないよ

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シリコンウェハー加工プロセスの化学品特性と問題点へ重心を移すきっかけになった。

前後、日本が21〜23％位となっている。50％のシェアー

2000年に入ってからは、ＤＲＡＭにコスト競争力のあを持っていた往時に比べれば凋落の状態にはなっている韓国、台湾、シンガポールの成長が著しく日本のメーカるが、まだまだ充分に巻き直しができる地位にはある。シーの凋落が決定的となり、事業の合従連衡、縮小、撤リコンウエハーのような素材産業にあっては、その最終退、外注生産委託（ＯＥＭ）などがマスコミを賑わせるよ

製品の市場動向を知ることが、そして自己の寄与率がいうになり今日に至っている。今後も生き残りが激しくなってかほどのものであるのかを知ることは大事なことである。

いるのは事実のようである。

シリコンウエハー産業の半導体デバイス産業に対する寄ＷＳＴＳ（World Semiconductor Trade Statistics）

与率（依存率）は5％程度のものと言われ、ほぼこのレベのデータによると、シリコン半導体の市場規模は米国がルを保って来たが、最近では価格破壊の影響もあってこ30〜32％、アジア太平洋地域が24〜26％、欧州が20％の維持が相互に難しくなっている。経常収支が両産業と①へ→②へ→

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もマイナス方向にに陥いっているのはこの現れであろう。
半導体産業分野の統計方法が1999年に改められそ(2) 図-2 半導体集積回路の生産、在庫動向・数量変動が大きいので3ヶ月移動平均で表示。

れ以前のデータ紹介は出来ないが、1999年以降の国内半導体デバイス製品、半導体部品としてのシリコンウエハー製品、そして最終出荷製品であるコンピューター、携（在庫積上り局面）（サイクルの山）帯電話の生産、出荷、在庫の推移状況を紹介する。感触を知っていただければ幸いである。統計データは、経（在庫調整局面）（在庫積増し局面）

済産業省の鉱工業指数に基づいてまとめられている。
金額データも存在するが変動が激しいので本稿では数量のみの扱いとさせていただくことにした。

（サイクルの谷）

また、統計の確報値を得るには2〜3ヶ月の時間遅れが生じると云うことをご理解願いたい。
(1) 表-1 生産出荷在庫の指数（確報値）（意図せざる在庫減少局面）

縦軸：在庫前年同月比 横軸：生産前年同月比

図-2の読み方デバイスの分類、数量規模に注目して欲しい。
表-1 生産・出荷・在庫指数確報（＝機械統計） 平成14年8月分

図-2 半導体集積回路生産・在庫数量（個数）動向

1999年初頭より約１年間は活況、その後生産調整を行うも在庫増の局面が続き、01年初頭より生産増に移行し02年3月頃より繁忙の生産が行われるものの8月頃より在庫増の懸念あり生産調整が必要の模様。
(3) 図-3 論理素子の生産・在庫動向(4) 図-4 記憶素子の生産・在庫動向(5) 図-5 ＤＲＡＭの生産・販売・在庫推移(6) 図-6 フラッシュメモリーの生産・販売・在庫推移(7) 図-7 ＤＲＡＭの生産・在庫動向(8) 図-8 シリコンウエハー合計の生産・販売・在庫推移

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シリコンウェハー加工プロセスの化学品特性と問題点

図-3 論理素子（マイコン・ロジック）生産・在庫数量（個数）動向

図-6 フラッシュメモリー生産・販売・在庫推移

図-4 記憶素子（メモリ）生産・在庫数量（個数）動向

図-7 DRAM生産・在庫数量（個数）動向

図-5 DRAM 生産・販売・在庫推移

図-8 シリコンウェーハ合計 生産・販売・在庫推移

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• 数量表示が平方メートル［m2］単位となっている。
6インチウエハー面積＝1.766×10−2［m2］8インチウエハー面積＝3.140×10−2［m2］12インチウエハー面積＝7.065×10−2［m2］
従って、1㎡のシリコンウエハーの枚数は以下の通りとなる。
6インチウエハーは56.6枚分
8インチウエハーは31.8枚分
12インチウエハーは14.2枚分となる。

14図-9 シリコンウェーハ合計 生産・在庫数量動向

図-11 8インチウェハ生産・在庫数量動向

図-10 6インチウェーハ生産・在庫数量動向

図-12 12インチウェーハ生産・在庫数量動向

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シリコンウェハー加工プロセスの化学品特性と問題点(9) 図-9 シリコンウエハー合計の生産・在庫動向

4. シリコンウエハーの要求品質(10) 図-10 6インチ（150mm）ウエハーの生産・在庫動向(11) 図-11 8インチ（200mm）
ウエハーの生産・在庫動向

シリコンウエハーに求められる要求品質は、デバイス(12) 図-12 12インチ（300mm）ウエハーの生産・在庫動向。のニーズによって様々である。このために重金属不純• 300ミリウエハーは、200ミリウエハーに比べ 少なくともやパーティクルの要求仕様に応じて、或は口径による物30％のコストダウンが図れるとされ、ＤＲＡＭや量産形の理的、機械的な制約で専用プロセスラインが構築されロジック素子への応用が期待されているが、設備投資額ているが、形状が似ているのでプロセスは「大は小を兼が膨大であるため、顧客は日本のトレセンティーテクノロねる」の併用方式を採ることもできるのである。万能のジー、韓国のサムスン、台湾のＴＳＭＣなどに限られ需要プロセスラインが構築できれば、3インチの小口径品かが少ない割にウエハーメーカーのキャパシティが大きく在ら300ミリの大口径品まで一つのラインで造り込みをす庫増を招き易い傾向がある。需要が本格化するのはる混流併産生産方式を採ることができるのである。ウエ2004年以降ではないかと思われる。

ハーの搬送系が混流方式では機械的に調整が難しか(13) 図-13 パソコンの生産・販売・在庫推移

ったり、エッチング槽や洗浄槽の薬液量を調節すること(14) 図-14 携帯電話の生産・販売・在庫推移が難しかったり、無駄が多いなどで実際にはこの様なラインは何処にも設備されていないが造ることは可能なのである。
その時代の最先端仕様、平たく言えば 最も厳しい仕様品が造れるプロセスが出来あがれば 、その様な厳しい 仕 様 品でなくてもすべ てのウエ ハーがそのレベルの製品に自然にもしくは自動的になってしまうということでもある。従って、ウエ ハーに求められる品質は、品種毎に一つであるともいえる訳である。ＰＷに対する現時点での要求品質は次の品質仕様のものとなろう。
(1) ウエハー表面に対する仕様
・平坦度はサイトサイズ（25m/m×25m/m以上で）

図-13 パソコン生産・販売・在庫推移（'98.1〜'02.8）

0.1μm以下
・微少欠陥はOSF、COPなどのなきこと・パーティクルは0.1μm以上のもののなきこと。
・重金属の汚染レベルは10 9 atoms／cm2以下のこと。
(2) 端面及び裏面に対する仕様
・端面及び裏面は鏡面でパーティクルは表面と同じレベルであること。
・重金属汚染レベルも表面と同じであること。

図-14 携帯電話生産・販売・在庫推移（'98.1〜'02.8）

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