半導体製造の過去・現在・未来

半導体製造の過去・現在・未来：業界コンサルタントのカール・ホワイト氏に聞く

2020年6月23日

ムーアの法則 とは、 インテル社 の共同創立者ゴードン・E・ムーアが1965年に最初に発表した概念です。集積回路（またはマイクロデバイス）上のトランジスタの数が2年ごとに倍増する一方、コンピューティング・コストは半減するため、コンピューティング能力が指数関数的に増大するとされています。半導体業界はこのパラダイムに追いつこうと努力を重ねてきましたが、より少ないスペースでより高い処理能力を提供し続けることは容易ではありません。特に、競合他社が同じ目標に向かってしのぎを削っている場合や、技術の進歩を求める消費者の要求が変わらない場合はなおさらです。

ムーアの法則のせいで、映画『トップ・ガン』の有名なセリフ「俺には必要なんだ…スピードが！」は、半導体業界での日常会話かと錯覚しそうになります。業界のベテランで、C・L・ホワイト・エンジニアリング・サービス社の首席エンジニアリング・コンサルタントを務める カール・ホワイト 氏との最近のインタビューにおいても、スピードは重要なポイントのひとつです。40年近く半導体業界のサプライ・チェーンに身を置いてきたホワイト氏の観点によれば、開発と処理能力の両面で、絶え間なくスピードが求められています。これまでムーアの法則に追いつくのに必要なスピードを達成するには何が必要だったのか、現在の半導体業界が直面している課題とは何か、そして近い将来に期待されるものは何かについて、ホワイト氏に話を伺いました。

スウェージロック・リファレンス・センター担当者（以下SRP）： 本日はお越しいただきありがとうございます。まずは、ご自身の経歴についてお聞かせいただけますか？

カール・ホワイト（以下CW）： 私はアリゾナ州出身で、アリゾナ州立大学で工業技術管理と機械工学を学んだ後、1982年に半導体プロセス装置メーカーのASM社でキャリアをスタートしました。そこから、当時モトローラ社が所有していたスペクトラムCVD社、後にソニーの傘下に入ったマテリアルズ・リサーチ社、東京エレクトロン社（TEL）を経て、アプライド・マテリアルズに入社しました。私は、半導体業界での38年間のうち28年間は装置メーカーで、残りの10年間は半導体メーカーであるモトローラ・セミコンダクター・プロダクト・グループで働いてきました。直近の15年間でALD（原子層蒸着）技術に携わった後、昨年ASM社を退職しました。今は半導体業界の会社のコンサルタントを務めています。

SRP： 業界の装置メーカーや半導体メーカー側で幅広く仕事をしてきたからこその興味深い視点をお持ちではないかと思います。何がきっかけで今の仕事を始めたのですか？

CW： 半導体業界は、非常にテンポが速いのです。技術は常に変化しており、この業界で働くには創造性と継続的な学習が欠かせません。退屈することはありませんね！また、半導体技術は他のあらゆる産業にとっても重要であるため、自分が手掛けた設計がどのような変化を遂げたのかを見るのも刺激的でしたね。

SRP： 半導体業界を進化させる原動力となったメタトレンドは何ですか?

CW： 初期の頃は宇宙関連のプログラムでした。その後、消費者向けの技術に変わりました。計算に使用するツールは、計算尺から電卓、パソコン、スマートフォンと移り変わっていきましたが、これは半導体技術の進化があったからこそ可能になったのです。今は、AIや自動運転車の登場によって変化が起きています。ひとつだけ不変なのは、製品を作り、情報をより早く伝えること。より高いコンピューティング能力に対する要求に応えるため、常に新しい半導体技術が求められています。

また、半導体の革新におけるリーダーシップを競うことで生まれる原動力もあります。それは企業間の競争ではなく、世界規模で行われています。時を経て、数か国が半導体技術の発展をリードしてきましたが、そのダイナミックな変化は、時には業界レベルでの連携を強めることにもつながります。例えば、米国の半導体企業14社は1987年に米国政府と共同で SEMATECH と呼ばれる半導体製造コンソーシアムを設立し、半導体の品質を向上させて世界市場での競争力を高めようとしています。これが米国の半導体産業の発展を加速させたのです。当時、多くの企業が半導体技術の設計、製造、販売のすべてをやろうとしていました。やがて企業は特定分野を専門とすることを学び、他社向けのチップを作るファウンドリを作り、産業の発展にも貢献しています。

SRP： 半導体密度と半導体技術の進化、そしてそれが動力源となった電子機器との関係を説明していただけますか？半導体を製造するのに必要な設備やコンポーネントに対し、どのような影響を与えているのでしょうか？

CW： ムーアの法則に追いつくためには、小型化が常に求められます。より多くのトランジスタを半導体に搭載するためには、小型化を進める必要があります。また、製造工程の進歩に合わせて、設備を調整することも必要です。1990年代後半から2000年代初頭にかけて、半導体の基盤となるシリコン・ウェハが200 mmから300 mmに移行したことが大きな転換点となり、製造やツールの大幅な変更が余儀なくされました。また、45 nm（ナノメートル）のトランジスタでは、電子リークの少ない高誘電率（High-K）ゲートが開発されたことも、小型化を追求する上での大きな一歩となりました。幸運にもインテルがこれらを製造するための機器開発に携わることができたため、その変化を目の当たりにしたときは興奮しました。企業は現在5 nmの半導体製造に取り組んでいます。

一般的に、企業はより小さなプロセス・ノードへの移行を試みています。つまり、より小さく、より高速で、より電力効率の高いトランジスタを1年半ごとに迅速に作り出すべく、より小さな半導体テクノロジー・フィーチャー・サイズを製造しようとしているのです。これは2年ごとに小さなプロセス・ノードに移行するというムーアの法則の予想を上回っています。これは競合他社がしのぎを削っているからです。

半導体メーカーは、半導体に求める性能、そして必要になりそうな製造プロセスを装置メーカーに伝えます。装置メーカーは、その性能を実現することが可能な製造装置の開発に取り組み、その際にスウェージロックのような企業と協力して既存のコンポーネントを探したり、装置開発を可能にするための新しいコンポーネントの技術開発を共同で行ったりしています。このような連携が重要なのは、半導体企業が革新のスピードに追いつこうとしている場合、装置メーカーが今必要なコンポーネントを入手するのにも、コンポーネント・メーカーが業界の将来のニーズを予測するのにも役立つためです。

SRP： 特定の電子機器アプリケーションに対する市場の需要が半導体の革新を促進するのでしょうか、それとも半導体技術の進歩が市場の需要を先取りするのでしょうか？

CW： いずれもありえます。時には、半導体技術を常に進化させなければならないという一般的なプレッシャーがブレークスルーとなった後で、市場が技術をどうするのかを知ることもあります。例えば、1990年代には、コンピューティング能力は急速に向上していましたが、半導体技術をフル活用するのに必要なソフトウェアの知識やスキルが不足していたため、アプリケーションは処理能力に遅れをとっていました。しかし、その他のケースでは、既存のアプリケーションの能力を向上させないといけないというプレッシャーがあるかもしれません。より多くのデータ処理とAIアプリケーションが可能になる必要性が高まっていますから。

基本的には、これまでに3つの需要の時代がありました。1960年代から1980年代にかけては、コンピューターや計算機を動かすことばかりでした。当時は数千個のトランジスタが半導体に搭載されていました。1980年代に入り、ノート・パソコンや携帯電話といったモバイル技術の実用化に重点が移ってきました。この時点では、数百万個のトランジスタが半導体に搭載されていました。過去10年間で、データ転送とストレージが需要を牽引してきました。それは、より接続性の高い技術（モノのインターネットやスマート・デバイスの台頭により、社会的相互作用が24時間可能になる）とデータ中心の技術（ビッグ・データや機械学習などのトレンドが需要を生む）を作り出しているからです。

SRP： より小さくて強力な半導体が引き続き求められていますが、これは半導体製造に使用される流体システム・コンポーネントの性能要件にどのような影響を与えているのでしょうか？

CW： 半導体の形状が時間と共に変化したことで、半導体製造プロセスで使用されるさまざまな流体システム製品の必要性が高まっています。中でもトランジスタの小型化に伴い、プロセス・コンタミネーションを防ぐことが重要です。これは、歩留まりや半導体の信頼性に影響を与える可能性があるためです。制御されていないプロセスやコンポーネントのコンタミネーションは、絶対に避けなければいけません。その結果、業界はベローズ・シール・バルブ（サイクル・ライフが長い）から、「デッド・スペース」やガスの内容積が少なく、そして可動部も少ないダイヤフラム・バルブ（昔からクリーンとされている）へと移行しました。

Swagelok^® ALD20バルブ が最近リリースされたことで、私たちは現代の半導体製造に必要な超高純度性能を提供するベローズ・シール・バルブから得られる大流量の利点を目の当たりにしています。これが可能になったのは、製造技術が時代と共に向上してきたことや、高品質のVIM-VARステンレス鋼や耐食性に優れた合金といった 強化材料 が入手できるようになったためです。また、電解研磨や不動態化といった優れた仕上げ技術も採用されており、以前よりも優れたテストを経て製品が発売されています。過去には、技術を先に確立させようと急ピッチで進める企業を見かけたことがありますが、コンポーネントの検証が不十分だったことから問題が生じたこともありました。半導体業界では、製品が仕様通りに機能することが重要であり、一貫して再現性のあるパフォーマンスが可能な信頼性の高いコンポーネントが欠かせません。

SRP： 前と同じような質問になりますが、新しい半導体製造プロセスを可能にするために常にバルブ技術が変化してきたのでしょうか、それとも半導体製造の進歩が流体システムの革新を後押ししてきたのでしょうか？

CW： 半導体製造プロセスの変化によって、超高純度用バルブやその他の流体システム・コンポーネントに求められるものが決まってきたのは間違いありません。 マイクロデバイスを製造する場合は、一般的には、プリカーサー・ガスを蒸着チャンバー内に正確に投与して結晶性ウェハ（シリコンなど）コーティングしてから固化します。液体や固体のプリカーサー物質を採用し高温かつ慎重に制御されたプロセスで昇華させ、超高純度用バルブを使用してウェハに投与することが増えてきています。これらの化学物質は不安定で、反応性が高く腐食性が高い性質を持つことも多く、効率的に作業を行うのは容易ではありません。

原子層蒸着（ALD）や原子層エッチング（ALE）プロセスに頼ることが多いのは、化学気相成長（CVD）およびそのプロセスで使用したプリカーサーを効果的に制御し、今日のような小さなトランジスタ・サイズでの半導体製造を行うのは容易ではないからです。 例えば、1990年代にアルミニウムから銅を使用したインターコネクトに移行したのは、導電性が高かったためです。これでコンポーネントの変更が余儀なくされました。

装置メーカーは、半導体の歩留まりが期待外れに終わるのは、装置の欠陥ではなく、プロセスの問題が原因であることが多いことに、早くから気付いていました。湿度、反応性のある化学物質の大気への曝露、バルブ内でパーティクルが残留したことで生じたシールの不具合など、この業界が直面していた課題は多岐にわたっていました。私たちは、プロセスの課題を制御するために進化してきましたが、高度な流体システム・コンポーネントやシステム設計を通じて学びを得てきました。これは、結果にプラスの影響を与えていますが、半導体製造プロセスやそれを実現するコンポーネントの性能要件にも影響を与えています。

SRP： それが半導体製造の進化の歴史だとしたら、今日の業界はどのような課題に直面し、その課題が流体システム・コンポーネントの要件にどのような影響を与えているのでしょうか？

CW： 半導体製造の次なるステージに到達するには、信頼性の高い製品管理、再現性、バルブ製造の一貫性が欠かせません。半導体ツールには多数の超高純度用バルブが必要で、バルブ一つひとつの性能を完全に均一にすることは難しいものの、その製造上の一貫性が必要です。高品質な製品というだけではなく、バルブ一つひとつが同じ品質であることが求められます。

また、温度変化も重要です。高温や大流量でも性能が変わらないことが必要なのです。現在、3D NAND半導体の製造に重点が置かれていますが、これは、トランジスタを積み重ねることで半導体の深いすき間に多くの材料を重ねることを意味しています。これらの場所を効果的にコーティングするには、より多くのプリカーサー媒体を投与して3D構造に必要なレイヤーを作成する必要があります。公差は常に厳しくなっており、ばらつきの許容範囲が狭くなっています。

「半導体製造の次なるステージに到達するには、信頼性の高い製品管理、再現性、バルブ製造の一貫性が欠かせません」

SRP：正確な投与、温度の安定性、流量のほかに、ムーアの法則に後れを取らないために、業界が超高純度用バルブに求めているのは何でしょうか？

CW： クレンリネス（清浄性）と耐食性にもこだわり続ける必要があります。ここで重要なのは、 材料科学 です。例えば、 ALD20バルブ では、ベローズに合金22（ハステロイ^® C22）が使用されています。合金22は耐食性に優れているためです。しかし合金22でさえも、すべてのプロセスにおいて理想的な材料であるとは言えません。デバイスの構造が小さくなり、プリカーサー物質の反応性がより高くなると、異なる化学物質に対応するためには、特別なコーティングが必要になることも考えられます。このようなコーティングの開発は、困難かつ多額の費用かかかるものですが、私たちのプロセスでは腐食に対する許容度合いがますます少なくなっています。

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このため、流体システムのソリューション・プロバイダーは、新製品を開発する際に、装置メーカーおよび半導体メーカーの両方と密接に連携することが重要です。数十年前にスウェージロックが最初のALDバルブを発表した際にも連携が重要でしたが、今ではその重要性はさらに増しています。これは装置メーカーとの連携を意味することもありますが、装置に対する要求を喚起するのは半導体メーカーであるため、時にはメーカーと直接協業することも必要です。問題を一緒に解決し、関係企業の開発サイクルに基づいて何が重要かを把握することです。しかし、この連携こそが、明日の技術を可能にするのです。

SRP： これまでのキャリアの中で、どのようにサプライヤーと連携してきましたか？ 個人レベルでは、どのような経験をしましたか？

CW： 社会人になってすぐ、ASM社に在籍していた頃、 Swagelok^® DHシリーズ  超高純度用ダイヤフラム・バルブの開発で、スウェージロックと協業したことがあります。私たちは、真空かつ220º Cでも動作するバルブを必要としていました。DHシリーズ・バルブは、当時市場に出回っていた製品よりも小型だったため、狭いスペースにより多くのバルブを取り付けてALDツールの性能を向上させることができました。私はスウェージロック・サウスウエストやスウェージロックのコーポレート・エンジニアリング部門と協力してオプションをテストし、最終的には素晴らしいソリューションにたどり着くことができました。その結果、デュアル・ピストン設計のダイヤフラム・バルブ、真空チャンバー内のコンタミネーションを発生させない新しい潤滑剤、1000万回以上のサイクルでも使用可能な超耐熱性を実現したのです。

また、スウェージロックのチームが常にオープンで、試験プロトコルやデータをプロセス全体で共有してくれたことも助かりました。これは他のメーカーにはあまり無いことです。また、共同作業の場合は、人によって変わります。誰でも自分が働きやすい人たちと一緒に仕事をしたいと思うでしょう。このプロジェクトで一緒に仕事をしたチームは、一流でした。私は半導体業界でのキャリアにおいて、顧客と取引する際に「we win」（我々が勝つ）ではなく、「win-win」（ウィンウィン）の関係を望んでいるビジネス・パートナーを常に探し求めてきました。どちらの会社も存在するので、そこはいつも慎重に選ぶことにしています。

SRP： 半導体業界の将来についてお聞かせください。克服すべき課題には何がありますか、そして近い将来に期待できることは何でしょうか？

CW： 業界の課題のひとつは、スケーリングのニーズに追いつくことです。プロセス・ノードが7 nmや5 nmになった今、これから先はどうすればいいのでしょうか。技術をさらに小型化するための材料や製造能力は存在するのでしょうか。3D NANDスタッキングは、解決策のひとつといえます。半導体を重ねることで、ひとつのエリアに従来の3倍の数のトランジスタを詰め込むことができます。これを実現する新技術の開発が進行しています。例えば、表面全体をコーティングするのではなく、ウェハ上で必要な部分だけを成膜することができる選択成膜対応技術がそれにあたります。

材料も変わりつつあります。業界では、シリコンの代わりに炭化ケイ素をウェハのベースとして見ています。シリコンは入手が容易で安価なことから広く採用されていましたが、小型のトランジスタに電力を供給するには別の材料が必要になるため、ゲルマニウムのような材料が再び使用されるようになることも考えられます。その他の高速かつ有望な材料が長年にわたって研究されてきましたが、製造プロセスや半導体の要件によっては、このような高価な特殊材料が費用面で実用的ではなかった可能性があります。今ではそういった材料が必要になるかもしれません。

変更が必要なのは、ウェハ材料だけではなく、蒸着やエッチングする方法などのプロセスも同じです。極端紫外リソグラフィー（EUV）のような新しい手法が採用されていますが、5–3nm以下のトランジスタを目指すとなると、それも長くは続かないかもしれません。サイズが小さくなるほどコストは指数関数的に高くなるため、全体的（に足並みをそろえて）というより専門業者がムーアの法則に遅れずについていくことに専念する傾向が高まる可能性があります。

SRP： 貴重なお話をありがとうございました。これまで果たしてきたのと同じような役割を担う半導体の専門家に向けて、最後に何かメッセージがあればお願いします。

CW： ひとつ確かなのは、私たちは進歩を見続けるだろうということです。たとえそれがどのように行われるかを常に見ることができなくてもです。頼りになるのは、目標に到達するための強い関係と協業の必要性です。

専門的なニーズがある場合、既製品を購入して対応するといった単純な話ではすまないかもしれません。パートナーと協力して、次世代のソリューションを開発しなければならないこともあります。その際は、エンジニアリング能力と協調性を持ち、ゴールの達成を手助けしてくれる企業を探しましょう。あなたのニーズに耳を傾け、できないことは約束しない、あなたを喜ばせるために品質を犠牲にすることがない協力者が必要です。高速で歩みを進める際に多くの会社と並走するのはリスクがあるため、誰が信頼できるかを調べておきましょう。人間関係を構築することが、結果を出すための一番の近道です。

「エンジニアリング能力と協調性を持ち、ゴールの達成を手助けしてくれる企業を探しましょう。あなたのニーズに耳を傾けてくれる協力者が必要です...」

SRP: 本日は、長い時間お付き合いいただきありがとうございました。

CW： こちらこそ。お役に立てれば何よりです。

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