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湯之上隆「電機・半導体業界こぼれ話」

世界の車載半導体不足に拍車…ルネサス工場火災、3万人リストラとファブライト化の代償

文=湯之上隆/微細加工研究所所長
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 3月21日にオンラインで開催されたルネサスの記者会見を報じた3月21日付「Car Watch」記事『ルネサス、半導体工場火災で1か月後に自動車メーカー向け出荷に影響 影響を受ける製品の2/3が自動車向け』(笠原一輝氏)には、火災の原因について以下のQ&Aが記載されている。

「──メッキ装置、過電流が流れるので、過電流の保護回路は入れていなかったのか? また、スプリンクラーなどは作動したのか?

小澤氏:過電流へのブレーカー、設備に搭載されている。消防署の見解だと電流が流れているときに切れて発火している。それが使っている樹脂に燃え移り広がってしまった」(原文ママ)

 なお、小澤英彦氏は火災を起こした300mm工場を運営しているルネサス セミコンダクタマニュファクチュアリング代表取締役社長である。小澤氏は、ルネサス エレクトロニクス代表取締役社長兼CEOの柴田英利氏、同社執行役員常務兼生産本部長の野崎雅彦氏とともに、記者会見に出席しており、上記の回答を行った。

 しかし筆者は、このやり取りでは、なぜ火災が起きたのかが理解できないのである。そこで本稿では、まず、メッキ装置がどのようなプロセスで使われるかを説明する。次に、メッキ装置の構造や動作原理を述べる。その上で、なぜメッキ装置による過電流により発火したのかについて、筆者の推測を論じたい。

ルネサス那珂工場のどこで火災が発生したのか

 図2に示すように、半導体は設計→前工程→後工程の3段階でつくられる。設計だけを行うファブレス、生産だけを行うファンドリーに対して、ルネサスのように設計から後工程まですべてを自社で行う半導体メーカーを垂直統合型(Integrated Device Manufacturer、IDM)という。

世界の車載半導体不足に拍車…ルネサス工場火災、3万人リストラとファブライト化の代償の画像3

 ただし、ルネサスは40nm以降の先端プロセスはすべてを、また40nmよりレガシーでも増産分はTSMCに生産委託しているため、ファブライト型と呼んでいる。ルネサス那珂工場の前工程には、200mm(N2棟)と300mm(N3棟)の2つの工場があり、今回の火災は300mmのN3棟の1階で発生した(図3)。

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 再び図2に戻ると、前工程ではウエハ上に500~1000工程ほどのステップを経て、約1000チップの半導体を同時につくりこむ。その半導体の断面写真を見てみると、10層以上の銅(Cu)配線層があり、下に行くほど配線幅が微細になっていることがわかる。そして最も下層には、白いぽつぽつしたゴマ粒のようなものが見える。これを拡大した電子顕微鏡写真を左側に示す。これがトランジスタという素子である。そして、今回、火災が発生したのは、Cu配線をつくるためのメッキ工程においてであった。次節でCu配線を製造する工程について説明する。

Cu配線形成方法

 2000年頃までは、半導体のメタル配線の材料には、アルミニウム(Al)を使っていた。図4Aに示すように、Alを成膜した後に、リソグラフィ技術でレジストパタンを形成し、ドライエッチングでAlを直接加工し、レジストをアッシングで除去した後に絶縁膜(SiO2)で埋め込んで配線を形成していた。

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 ところが、半導体の微細化が進むとAlの配線抵抗が問題となってきたため、130nm以降は、Alよりも抵抗値の小さなCuを配線材料に使うことになった。また、配線と配線の容量結合を下げるために、SiO2より誘電率の低いLow-k膜を層間絶縁膜に使うことになった。

 しかし、ドライエッチングによるCuの直接加工が困難だったため、図4Bに示すように、Low-k膜に溝を加工し、その溝をCuメッキで埋め込み、不要なCuをCMP(Chemical Mechanical Planarization、化学機械平坦化)で除去する、いわゆる「ダマシン法」により配線を形成することになった。

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 このCuメッキ付近の工程をもう少し詳細に見てみよう(図5)。ドライエッチングでLow-k膜に溝を形成した後、TaまたはTaNの薄膜を成膜する。これは、バリアメタルと呼ばれる。Cuは絶縁膜中を拡散してしまうために、TaまたはTaNでバリアして、その拡散を防止するのである。

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