半導体製造技術：Si精製からIC製造まで

以下の概要は、現代ICの主要材料であるSiベースの半導体製造に特化しています。Siが安定した酸化膜を形成する独自の能力は、トランジスタや他の微細部品の精密パターニングに理想的です。

シリコン

Siは地殻で第2位に豊富な元素で、主に二酸化ケイ素（SiO₂）——いわゆるシリカ砂——として存在します。工業的には、電気アーク炉でSiO₂を炭素で還元してSiを抽出します：

SiO₂ + C → CO₂ + Si

得られる冶金級Siは、変圧器積層板などの用途には適していますが、半導体デバイスに必要な純度には程遠いです。半導体級純度を得るには、Siを塩化物——SiCl₄またはSiHCl₃——に変換し、分留で精製します。その後、超高純度ZnやMgで還元して「スポンジ」状Siを得て、さらに精製します。水素ガスを用いた加熱多結晶Siロッド上でのSiHCl₃熱分解も、超高純度Siを得る別ルートです。

Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂
SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl₂

精製後、多結晶Siを溶融石英坩堝で溶かし、誘導加熱グラファイトサセプタまたは大電流直流ヒーターで加熱します。チョクラルスキー法で溶融物から単結晶「ブール」を引き上げ、結晶格子方位と制御された直径を維持します。リンやボロンなどのドーパントを溶融物に導入し、P型またはN型伝導度を設計します。成長チャンバー全体は不活性雰囲気下で運転され、汚染を防ぎます。

ブールは精密な直径に研削され、両端がトリミングされます。その後、ダイヤモンドチップソーでウェハーにスライスされます。さらなる研削と研磨で、サブミクロン表面粗さのウェハーが得られます。オプションで、ウェハー表面にエピタキシャルN型層を熱的に堆積させ、デバイス性能をさらに向上させることができます。これらのウェハーは半導体ファブへ出荷され、デバイス製造が行われます。

半導体プロセッシング

フォトリソグラフィは半導体パターニングの要です。プロセスは銅プリント基板（PCB）製造で用いられるものと類似していますが、より高温と厳しい公差が要求されます。手順は以下の通り：

• ウェハー表面にポジ型フォトレジストを塗布。
• ウェハーをスピンしてレジストを均一に広げる。
• クロムオンガラスマスクを通じて紫外光で露光。
• アルカリ溶液で現像し、軟化した領域を除去。
• ウェハーをエッチング——通常フッ化水素酸（HF）で保護酸化膜に窓を開ける。
• 残留レジストを剥離し、高温拡散工程へ。

フッ化水素酸はSiO₂を選択的に除去し、Siを傷つけず、ドーパント拡散用の精密な窓を形成します。ドーパントは気相（例：N型用POCl₃、P型用B₂O₃）で、1000°C以上で動作する拡散炉内で導入されます。拡散は窓を通じてのみ起こり、明確に定義されたPN接合が形成されます。

ドーパント拡散後、メタリゼーション工程で電気コンタクトを形成します。フォトリソグラフィを繰り返し、金属層（多くはAlやCu）をパターニングして複数トランジスタをICとして相互接続します。最後にウェハーをダイシングし、個々のダイをワイヤーボンディングでリードフレームに接続し、パッケージに封止します。

重要なポイント

• 超高純度Siは、フォトリソグラフィレジストとして機能するガラス状SiO₂層の形成に不可欠。
• チョクラルスキー法で単結晶Siブールを製造し、ダイヤモンドソーでウェハーにスライス。
• Si上のフォトリソグラフィはPCB製造を模倣：フォトレジスト、UV露光、現像、HFエッチング、ドーパント拡散。
• 高温での気相ドーパント制御拡散がダイオード・トランジスタの活性領域を形成。
• 繰り返しリソグラフィとメタリゼーションで、数千デバイスを単一ウェハー上に集積。

関連リソース

• プリント基板レイアウトと製造ワークシート