PHENITEC SEMICONDUCTOR 半導体の概要主に日本での歴史ゲルマニウムトランジスタの発明は 1948 年ですが、シリコントランジスタができたのは 1954 年です。最初はトランジスタならではという製品はなかなか存在せず、日本では 1955（昭和 30）年頃トランジスタラジオが製品化されました。大きく動き始めたのは映画“Always 3 丁目の夕日”の時代（昭和 33 年）ごろからで、真空管の置き換えで既存製品に適用するという発展のしかたでした。今では半導体集積回路無しでは考えられないコンピュータも、初期のものは、集積回路（IC）はもちろんトランジスタが発明される前から存在していました。テレビ放送が日本で開始されたのは 1953 年（米国 1941 年）、カラー放送開始は 1960 年（米国では 1954 年）なので、トランジスタによってカラー放送ができるようになった訳ではありません（カラーテレビは英国で 1928 年に作られた）。これらは真空管が使われており、真空管もミニチュア管、サブミニチュア管と小型化が進み 1970 年頃まで真空管が電子機器のなかで要の位置にありました。一方エレクトロクスに携わるほとんどの人が読んでいる“トランジスタ技術”の創刊は 1964 年 10 月（東京オリンピックの年）なので、そのころまでにトランジスタが普及（置き換え）したと推測できます。品質（トランジスタを使ったアンプはノイズが多くて、音楽愛好家には不人気でした）はともかく安くて、軽く、小さくなるので 1970 年代はトランジスタ技術の進歩が急加速されました。コンパクトカセット＋AM/FM ラジオのついたトランジスタで動くいわゆるラジカセは 1968 年に製品化され、1979 年には歩きながら音楽が聞けるヘッドフォンステレオが出現し、その年（1979 年）日本では真空管の製造が打ち切られ、真空管が完全に駆逐されました。さらに 1970 年代後半は集積回路が普及し、コインゲームの急拡大、特に電卓戦争と言われた電卓の低価格化競争で集積回路の微細化、小型化が進み、1980 年代はビデオデッキおよびハンディビデオ、LD および CD の出現、パーソナルコンピュータの高性能低価格化、テレビゲームの出現、1990 年代は 64 ビット CPU をつかう高機能テレビゲームの出現、大画面液晶テレビ人気、携帯電話および PHS の普及、インターネットの普及、2000 年代はナノテクノロジーがブームになって半導体プロセスを適用した MEMS 技術の普及が始まり、HV、EV、太陽光、携帯電話、携帯端末の普及は、低消費電力半導体の開発ドライバーとなり、パワー半導体も市場が拡大されていくようになりました。そして 2010 年代は第 4 次 AI ブームとなっています。半導体の市場はこのように 60 年以上拡大し続けています。半導体とは？固体物質は 3 つのクラスに分類できます。絶縁体、半導体、と伝導体です。Fig.1 にそれぞれのクラスに対応した比抵抗範囲と半導体でよく使われる材料 Al、Cu、Silicon、石英ガラス（SiO2）の比抵抗を示します。半導体の比抵抗は絶縁体と伝導体の間の抵抗値をもつものと定義されますが、Silicon の抵抗値は Fig.1 にみられるように、絶縁体に近い高抵抗から、伝導体に近い低抵抗まで幅広く分布しています。これは不純物をわずかに加えるだけでこのような広範囲に精度よく比抵抗を制御できるのが特徴で、便利な性質をもつことがわかります。Si が有利なのはそれだけではありません。Fig.2 に示すクラーク数（地下 16 キロ以内に存在する元素の比率を表す数）では半導体の主材料である O、Si、Al が 1 位、2 位、3 位となっており、電極に Al、絶縁体に SiO2、半導体基板に Si を主原料とする Si 半導体デバイスは、環 PHENITEC SEMICONDUCTOR ~1~ PHENITEC SEMICONDUCTOR 境保護、持続可能な発展のために真に最適な材料であることがわかります。半導体導電体絶縁体 Silicon 石英ガラスアルミ Cu Figure 1 1.E-08 1.E-06 1.E-04 1.E-02 1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 1.E+14 1.E+16 1.E+18 Ω-cm クラーク数 100 10 1 0.1 0.01 0.001 O Si Al Fe Ca Na K Mg H Ti Cl Mn P C S N F Rb Ba Zr Cr Sr V Ni Cu W Li Ce Co Sn Zn Y Nd Nb La Pb Mo Th Ga Ta B Cs Ge Sm Cd Br Be Pr As Sc 0.0001 Figure 2 N 型半導体と P 型半導体ここで使われる N は negative（負）の頭文字を表すもので、電磁気学では電荷を運ぶ媒体をキャリアとよび、それが負電荷の場合電子になります。また P は positive の頭文字ですが、半導体では正電荷のキャリアは陽子（水素の原子核）ではなく電子の欠けた状態の hole になります、日本語では正孔と呼んだり、ホールと言ったりします。つまり N 型半導体とはキャリアが電子、P 型半導体とはキャリアが正孔であることを表します。 Si を N 型半導体にする場合は P や As のように価電子が 5 価になる原子周期表で V 族に属する原子を負不純物として導入します、P が Si と置き換わった様子を Fig. 3 に示します。この場合 P の 5 番目の電子 PHENITEC SEMICONDUCTOR ~2~ PHENITEC SEMICONDUCTOR Si Si Si Si P Si Si Si Si Figure 3 Si Si Si Si B Si Si Si Si Figure 4 電子正孔は容易に伝導帯へ電子が供給され、負電荷のキャリアができますので N 型になります。これを電子は “donated”されたといい、P をドナーと呼びます。Fig. 4 に示す III 族の原子である B は 4 番目の価電子として電子が“Accepted”されたといい、B をアクセプタ（Acceptor）と呼びます。この価電子帯の正孔が形成され正電荷のキャリアができますので P 型半導体になります。 Table 1 ドナーおよびアクセプタになる元素 III 族アクセプタ IV 族 V 族ドナー B C N Al Si P Ga Ge As In Sn Sb シリコン結晶デバイスを作りこむときは、Si 結晶をウェーハ状に薄くスライスした基板を使います。シリコンの結晶は Figure 5 に示すダイアモンド構造になっています。従ってシリコンウェーハを購入するときは面方位を指定する必要があり、面方位はたとえば、(100)、(111)等と指定します。これはミラー指数というもので、Figure 6 に示すような単位立方体を基準として指数が(𝑎𝑏𝑐)となっていたならば、a は x 軸、b は y 軸、c は z 軸の値を表し、たとえば(100)という場合は x 軸は 1 で交わり y 軸、ｚ軸とは交わらない平面を示し、この正反対の面は(1𝑐00)と表します。これをサイコロのように考えると、その 6 つの側面は(100), (010), (001), (1𝑐00), (01𝑐0), (001𝑐)になります。 (110)面はｘ軸、y 軸は 1、z 軸とは交わらない面になります。そし PHENITEC SEMICONDUCTOR Figure 5 ~3~ PHENITEC SEMICONDUCTOR て(111)面は x 軸、y 軸、z 軸すべて 1 で交わる面になります。注）ミラー指数の中身は座標ではなく軸との交点の逆数を表します。たとえば(200)だと x 軸との交点は 2 ではなく、1/2 = 0.5 となります。 z z z 1 y y 1 x 1y 1 (100)面 x 1 1 (110)面 Figure 6 x (111)面 (200)面実際に基板を購入するには面方位のほかに、基板のタイプ（N、P）、比抵抗や基板サイズ（直径）等を指定します。半導体は米国で開始されたためウェーハのサイズはインチで表現されます。そこで 6 インチはと言えば厳密に 6 インチではなく直径が 15cm（150mm）であることを表します。最先端では 12 インチが採用されています。つまり 30cm（300mm）です。ウェーハ径は 2000 年ごろまでは 5，6 年間隔で大きくなってきました。これはまったく経済的な理由でたとえば、6 インチウェーハの面積が、177cm2、 12 インチは 707cm2 なので、あるデバイスのサイズが 1cm2 だとし、同一装置、同一時間で処理できたとすると、単純計算で 6 インチでは 1 枚あたり 177 個できたのが 12 インチだと 707 個もできるので大幅なコストダウンになるからです。特に ULSI では微細化以上に集積率（機能）が進むため、チップが大きくなり、ウェーハ径を大きくしなくては、採算が合わなくなるので、450mm ウェーハの要望がでていますが、実現への道のりは 300mm のときよりもさらに長くなっています。ウェーハプロセス 1998 年頃から製造プロセスをウェーハ投入からコンタクトを含む第 1 メタルレイヤ前までを FEOL （ front-end-of-line ）プロセス、第 1 メタルレイヤからウェーハプロセス完了までを BEOL （back-end-of-line）プロセスと分けるようになりました。多層配線プロセス導入によりメタル以降のプロセス数がそれまでのプロセス数以上に多くなり、直面する課題や必要とする専門能力が全く異なってきたからです。しかしフォトマスクを中心としてプロセスが進むことに変わりありません。Fig. 7 フォトマスク各プロセス Figure 7 PHENITEC SEMICONDUCTOR ~4~