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このスマートフォンの中には62個のマイクロチップが搭載されており、合計で900億個のトランジスタが含まれています。これらのマイクロチップは非常に強力で、あらゆるテクノロジーの基礎となっているものですが、小さなアリほどの大きさのマイクロチップの中に、数十億個のナノスコピックなトランジスタをどのように製造しているのでしょうか?
これらのマイクロチップは、このような半導体製造工場で製造されています。工場内には、8つのサッカー場ほどの広さのクリーンルームがあり、バンサイズから市バスサイズまでの数百台の機械が並んでいます。それぞれの機械の価格は数百万ドルから1億7000万ドルにもなります。このマイクロチップ工場では、シリコンウェハーが機械から機械へと移動し、3ヶ月かけて約1000の工程を経ています。
製造工程の最後には、各シリコンウェハーの上に260億個のトランジスタを含むCPUチップが数百個形成されます。拡大してみると、底にはナノスコピックなトランジスタがあり、その上には十数層の配線が重なっているのが分かります。この集積回路はウェハーから切り出され、テストされ、パッケージングされて、デスクトップコンピューターに搭載できる状態になります。
このビデオでは、世界で最も技術的に進んだマイクロチップ工場の一つで、数十億個のナノスコピックなトランジスタと、想像を絶する複雑な3次元の配線迷路がどのように製造されているのか、製造工程全体を探っていきます。非常に複雑な工程ですが、最後までご覧ください! このビデオの一部はBrilliant.orgがスポンサーとなっています。
マイクロチップの製造の仕組みを理解するには2つの側面があります。1つ目は、ナノスコピックなトランジスタと配線の迷路を構築するために必要な工程とプロセスの順序です。2つ目は、半導体製造工場とクリーンルームにある数百万ドルの装置がどのように機能するかということで、完全な全体像を把握するために、この2つの側面を行き来しながら説明していきます。
まずは、このデスクトップコンピューターを開いて、CPUに注目し、その中身を見てみましょう。ここには集積回路、つまりダイがあり、これをチップと呼びます。このチップには24個のコア、メモリコントローラー、グラフィックスプロセッサ、その他多くのセクションがあります。コアの1つの中を見ると、ブロック図と様々な要素が見えます。
この乗算ブロックを拡大すると、32ビットの乗算を物理的に実行する44,000個のトランジスタのレイアウトが見えます。これはCPU全体の260億個のトランジスタのわずか0.00017%を占めています。さらに拡大すると、金属配線、つまりインターコネクトの層が見え、一番下には基本的な論理ゲートを形成するトランジスタがあります。
これらの金属インターコネクト層は浮いているわけではなく、見える空間は絶縁材料で埋められており、構造を提供し、金属配線層が接触するのを防いでいます。さらに、ここでは底のトランジスタと5層の金属インターコネクト、そして層間を垂直に移動するビアのみを示しています。
実際にはCPUには合計17の金属配線層があり、各層のレベルが上がるにつれてインターコネクトは大きくなっていきます。底には、この32ビット乗算回路内でデータを移動させるローカルインターコネクトがあります。中間には、コア内でデータを移動させる中間インターコネクトがあり、上部にはCPU全体でデータを移動させるグローバルインターコネクトがあります。
これらのトランジスタはどれくらい小さいのか疑問に思うかもしれません。インターコネクト層を通り過ぎてさらに拡大すると、FinFetと呼ばれるトランジスタが見えます。そのチャネルの寸法は36×6×52ナノメートルで、トランジスタ間のピッチは57ナノメートルです。明らかにトランジスタは非常に小さいものです。サイズ比較として、ミトコンドリア、塵の粒子、人間の髪の毛を示します。
トランジスタと金属インターコネクトの迷路がどのように見えるかがわかったところで、これらがどのように製造されているのか見ていきましょう。まずは例え話から始めましょう。80層の高さのケーキを想像してください。各層がユニークな形にカットされています。このケーキを作るには940段階のレシピがあり、完成までに3ヶ月かかり、数百種類の特殊な材料が必要です。
そして、測定値、焼成時間、温度のいずれかが1%以上ずれると、ケーキは完全に台無しになってしまいます。マイクロチップを作るのはそんな感じですが、マイクロチップはさらに複雑です。この集積回路の1つの層を見て、それを構築するための簡略化された工程を見ていきましょう。まず、ウェハーの上に絶縁体である二酸化シリコンの層を堆積させ、その上に感光性のフォトレジストの層を広げます。
次に、紫外線とステンシルを使用して、フォトレジストにパターンを適用します。溶剤を使用して紫外線が当たった部分を除去し、パターン化されたマスク層を作ります。マスクを使用して、露出した二酸化シリコンを前の層までエッチングで除去します。次にマスク層を除去し、銅の層を追加してウェハーを覆い、エッチングで除去された部分を埋めます。
最後に、表面を研削して平坦化し、銅と絶縁体のパターンを露出させます。これで1層が完成です。次の層、つまり垂直な金属ビアの集合を構築するために、同じ工程を繰り返しますが、フォトマスクには異なるパターンを使用します。これらの層はすべて同じ工程で構築されるため、時計のように円を描いて工程を視覚化する方が効果的です。
ダイの80層すべてを構築するために、このシーケンスを何度も繰り返し、940工程となります。重要な点は、底のFinFetトランジスタは金属配線よりもさらに複雑で、製造にはさらなる工程が必要だということです。さらに、ウェハーに付着した可能性のある塵を洗い流すためのクリーニングや、すべてが適切に構築されているかを確認するためのウェハーの検査が頻繁に行われ、これらの工程も円に追加する必要があります。
これらの工程の各ステップを完了するために、異なる装置が使用されます。工程について理解できたところで、この半導体製造工場を見ていきましょう。このCPUは300ミリメートルのシリコンウェハー上に製造され、230個のCPUチップを収めることができます。対照的に、DRAMチップはかなり小さいため、ウェハー1枚に952個収めることができます。
これらのシリコンウェハーは、フロントオープニングユニバーサルポッド、略してフープと呼ばれるコンテナを使用して25枚ずつ運ばれます。この密閉されたプラスチック製のウェハーキャリアは、オーバーヘッド搬送システムでクリーンルーム内を運ばれ、装置の着地パッドに降ろされます。装置内では、ロボットアームがウェハーを真空ロードロックを通して運び、異なるプロセスチャンバーへと移動させ、そこで材料の追加、除去、または後で説明する方法での処理が行われます。
ウェハーはフープに戻され、その中に密閉され、オーバーヘッド搬送システムに持ち上げられ、次の装置まで運ばれて降ろされ、そこで次の工程が完了します。80の異なる層で構成されるチップ全体を構築するには、装置から装置へと移動しながら、940の工程の1つが完了するまでに3ヶ月かかります。
半導体製造工場、つまりファブのマイクロチップ量産能力を向上させるため、通常は同じプロセスを実行する同じ半導体装置が列をなして数十台配置されています。クリーンルームには合計435台の半導体装置があり、その結果、ファブの生産能力は月間50,000枚のウェハー、つまり1,150万個のCPUとなります。
これらの装置はかなり複雑な名前を持っているので、まずは機能別に分類していきましょう。6つのグループがあります：マスク層の作成、材料の追加、材料の除去、材料の修正、ウェハーのクリーニング、そしてウェハーの検査です。迷子にならないよう、異なる機能グループと様々な装置およびプロセス工程を色分けして示しています。
次に、これらの半導体装置それぞれを見て、様々な方法でウェハーがどのように処理されるか見ていきましょう。まずは、マスク層、つまりウェハー上のナノスコピックなステンシルを作成するために使用される装置から始めます。これらの装置には、フォトレジストスピンコーター、フォトリソグラフィー装置、現像装置、フォトレジストストリッパーが含まれます。
まずフォトレジストスピンコーターがウェハーの表面に感光層を塗布し、ソフトベークに送ります。そこでウェハーを加熱し、フォトレジストから溶剤を蒸発させます。次にウェハーはリソグラフィー装置に移動し、そこでステンシル、つまり技術的にはフォトマスクと呼ばれるものを通して紫外線が照射されます。光はステンシルを通過し、縮小されてウェハー上にナノスコピックなパターンを生成します。
ステンシルからの光がウェハーに当たった部分では、フォトレジストが弱くなります。次にウェハーは現像装置に移動し、リソグラフィー装置からの光が当たった部分が洗い流され、ウェハー上にパターン化されたナノスコピックなステンシルのみが残ります。その後、ウェハーはハードベークを通過し、残ったフォトレジストを硬化させます。マスク層が形成されたら、ウェハーは他の装置に移動して処理が行われ、これらのプロセスが完了すると、ウェハーはフォトレジストストリッパーに送られ、そこで溶剤を使用してフォトレジストマスク層を溶解して除去します。
これがマスク層の形成と除去の方法です。フォトリソグラフィー装置は最も重要な装置の1つなので、詳しく見ていきましょう。内部には紫外線光源、光を集中させるレンズ群、パターンを形成する層のデザインを含むフォトマスク、そしてウェハーキャリアがあります。
フォトマスクは6×6インチで、CPUの寸法に基づいて、CPU設計の1つの層のコピーを2つ収めることができます。このような特殊な光学系を使用するフォトマスクの目的は、数十億個のナノスコピックなトランジスタと配線のデザインを1枚のウェハー上の230個の同一のCPUに数分で確実にコピーアンドペーストできる方法だからです。
光がフォトマスクを通過した後、紫外線はさらにレンズを通過して、パターンを4分の1に縮小し、フォトレジスト上にデザインの1層を印刷します。ウェハーキャリアは位置から位置へと移動し、各停止位置でフォトマスクの画像を印刷し、230個のチップすべてにパターンが形成されるまで続けます。1つ詳細を明確にしましょう。これまでの例で、このCPUには80層あると多く言及してきました。
具体的に言及していたのは、ウェハー上の異なるパターン層を作成するために使用されるフォトマスクとマスク層の数です。したがって、1つの完全なCPUチップには80種類の異なるフォトマスクが使用され、それぞれ30万ドルのコストがかかります。CPUチップはそれぞれ80回リソグラフィー装置を訪れることになります。フォトリソグラフィーについてはさらに1時間話し続けることもできますが、次のカテゴリーの装置に移りましょう。
堆積装置はウェハーに材料を追加・堆積させるために使用されます。多くの場合、フォトリソグラフィー工程のマスク層を使用して、マスク層で覆われていない部分に材料を追加します。ステンシルを通してスプレー塗装するようなものです。
層を作成するために使用される元素や化合物の種類が広範囲にわたるため、堆積装置にも多くのバリエーションがあり、各変種には複雑な名前や頭字語が付けられています。しかし基本的に、ウェハーに追加・堆積される材料には3つの主要なグループがあります：銅やタンタルなどの金属、通常酸化物と呼ばれる絶縁体、そして結晶性のシリコン層です。
それぞれの材料グループは、ウェハーに材料を堆積させるために異なる物理学的・化学的原理を使用するため、材料を堆積させる装置にも異なる技術名が付けられています。堆積装置は通常、中央にウェハー処理チャンバーがあり、その端に様々なチャンバーが取り付けられており、各チャンバーは単一の元素または化合物の追加のみを担当します。
次のカテゴリーの機械は逆の働きをします。つまり、材料を除去するのです。主な方法は2つあります。1つ目はエッチングです。エッチャーは腐食性の化学物質または高エネルギープラズマを使用して、ウェハー表面の材料と反応させて除去します。通常、マスク層のステンシルと共に使用され、マスクで露出した材料を除去して穴を作り、後で堆積装置によって埋められます。
材料を除去する2つ目の方法はCMP、つまり化学機械研磨です。CMPはスラリーを塗布し、研磨パッドを使用してウェハーの表面を研削・研磨し、完全に平坦にします。CMPはウェハーの上層を平坦化し、通常は一連のプロセスの最後の工程として使用され、別の層を追加するためにウェハーを準備します。
4番目のカテゴリーはシリコンを改質する装置で、イオン注入装置と呼ばれます。これらの装置はフォトマスクのステンシルを使用して、マスクされていない領域にリン、ホウ素、または他の元素を衝突させ、トランジスタ自体を形成するために必要なPおよびN領域を作ります。
したがって、イオン注入装置はフロントエンドオブラインでのみ使用されます。これは材料を追加していると思われるかもしれません。しかし、イオン注入装置はシリコン10,000原子につき、リンまたはホウ素原子を1個程度しか追加しません。さらに、他の機械がウェハーの上に層をスプレー塗装するのに対し、イオン注入装置は原子をシリコン格子の深部に投げ込みます。コンクリートの壁に野球ボールを6フィートの深さまで打ち込むような感じです。
このプロセスは通常シリコン格子を損傷させるため、次の工程ではアニーラーと呼ばれる別の装置を使用してウェハーを加熱し、シリコンを修復します。5番目のカテゴリーの装置は、ウェハーをクリーニングし、汚染物質や粒子を除去するために使用されます。これらのウェハー洗浄装置は超純水を使用してウェハーをクリーニングし、窒素または高温のイソプロピルアルコールで乾燥させます。
ウェハーのクリーニングは、ウェハーに落ちた可能性のある迷子の粒子を除去するために、かなり頻繁に行われます。そして最後の6番目は、トランジスタと金属層の欠陥を検査する装置で、計測装置と呼ばれます。一般的な計測装置は、ナノメートルレベルの分解能を持つ走査型電子顕微鏡を使用して、ウェハーの表面の画像を撮影し、不適切にパターン化された層や表面の粒子などの欠陥があるかどうかを判定します。
完成までに3ヶ月かかる集積回路を製造する場合、進捗を繰り返し監視し、各プロセスがナノメートルレベルの精度で実行されていることを確認することが重要です。
各カテゴリーについて説明したところで、ここに色分けされたプロセス工程と半導体製造工場での装置のレイアウトを示します。1つの金属インターコネクト層を製造するために使用される完全な工程を見ていきましょう。
まず、絶縁体である二酸化シリコンの層をウェハーに堆積させます。次にフォトレジストを表面全体に広げ、ウェハーをソフトベークに通して溶剤を除去します。その後、ウェハーはフォトリソグラフィー装置に移動し、そこでフォトマスクのデザインが光によってフォトレジストを弱めることで、ウェハー上の各チップに転写されます。
次にウェハーは現像装置に移動し、リソグラフィー装置からの光が当たった部分を洗い流し、その後ハードベークを通過して残ったフォトレジストを硬化させます。マスク層が形成されたら、ウェハーはエッチング装置に移動し、そこでプラズマエッチャーが露出した二酸化シリコンを通って垂直な柱を除去し、前の層の金属ビアに到達するまで進みます。
次にウェハーはフォトレジストストリッパーに送られ、マスク層が除去されます。その後、ウェハーは物理蒸着装置に移動し、そこで一連の金属が露出したパターンを埋め、ウェハーを金属でコーティングします。最後にウェハーは化学機械研磨装置に送られ、金属が研削され、フォトマスクのパターンに一致する絶縁二酸化シリコンと導電性銅インターコネクトの平坦な層のみが残ります。
これで1つの金属層が完成し、ウェハーは次のサイクルを開始する準備が整いました。この次のサイクルでは、絶縁二酸化シリコンとビアが追加されます。多くのこれらの工程の間に、クリーニングとウェハー計測、つまり検査工程が行われることに注意してください。さらに、トランジスタを作るためのプロセス工程はより複雑で、イオン注入装置を使用するため、トランジスタの物理学と設計に関する別のビデオで説明します。
これらの工程はウェハー上に集積回路を構築するためのものですが、マイクロチップの製造にはさらに追加の工程があり、それについては後ほど説明します。しかし、その前に注意すべき重要な点があります。半導体業界は、正確な装置のレイアウトやトランジスタを作るためのプロセス工程とレシピについて、非常に機密性が高いのです。
私たちはマイクロチップの製造方法について最高のビデオを作りたいと考え、インターネットや教科書から情報や参考画像を探すのに180時間かかりました。そして、見つけた情報を使用して、これらの装置、集積回路の多くの層、半導体工場のモデリングに205時間費やしました。さらに、脚本の執筆に約100時間、これらのビジュアルのアニメーション作成に825時間以上かかりました。
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では、マイクロチップ製造の追加工程とは何でしょうか? ファブでのチップ製造の前に、まず石英をシリコンに精製し、単結晶インゴットを成長させ、それをウェハーに切断することで、シリコンウェハーを製造する必要があります。
参考までに、これらの300ミリメートルのウェハーの厚さは約0.75ミリメートルで、側面にバーコードがあり、結晶格子の方向を示す小さな切り欠きがあります。さらに、これらのウェハーは非常に繊細で、割れると数百の破片に砕けてしまいます。
ウェハー1枚のコストは約100ドルですが、CPUを搭載した後の価値は約10万ドルになり、文字通り重量あたりの金の10倍の価値があります。
チップ製造後の工程に移りましょう。完成したウェハーは別の建物に送られ、各CPUは意図通りに機能するかどうかを厳密にテストされます。CPUが機能すれば素晴らしいことです。しかし、しばしば粒子やフォトマスクの欠陥が集積回路の一部を損傷し、その部分が欠陥となってしまいます。これらの半機能の回路は、まだ機能する部分に基づいて分類、つまりビニングされます。
これらのIntel第13世代プロセッサーは、機能するコアの数に応じてi9、i7、i5、またはi3として販売され、オンボードの統合グラフィックスセクションが欠陥のある異なる製品ラインのCPUとなります。
これらのウェハーは別の建物に運ばれ、そこでチップはレーザーで切り出され、裏返されて、プリント基板への接続点を分配するインターポーザーに置かれ、背面には保護用の熱伝導カバーが取り付けられます。プリント基板には、マザーボードとインターフェースするランディンググリッドアレイと、様々な電気部品が搭載されています。
次に、統合ヒートスプレッダーが上部に取り付けられ、アセンブリ全体が最後にもう一度テストされてから、販売用にパッケージングされます。最後に、CPUはマザーボードに取り付けられ、デスクトップコンピューターに搭載される準備が整います。
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