📘 GAA Multi-Nanosheet FET 製造プロセスフロー

GAA Multi-Nanosheet FET Process Flow


本ドキュメントでは、先端ノード(5nm〜2nm世代)で採用されるGAA(Gate-All-Around)Multi-Nanosheet FETの製造プロセスを、日本語・英語併記形式で段階的に解説します。各ステップは目的・条件・技術要点の3点に整理され、表形式+太字メリハリで視覚的に理解しやすい構成となっています。


🔹 前提情報 / Basic Assumptions

項目 / Item 内容(日本語) Description (English)
構造 / Structure GAA Multi-Nanosheet FET(Si/SiGeスタック構造) GAA Multi-Nanosheet FET with Si/SiGe stacking
適用ノード / Target Node 5nm〜2nm CMOSロジック 5nm–2nm CMOS logic
基板 / Substrate 300 mm Si (100), p型, TTV < 1 µm 300 mm Si (100), p-type, TTV < 1 µm
チャネル / Channel Stack Si 5nm / SiGe 10nm × 3〜5層 Si 5nm / SiGe 10nm × 3–5 layers
主目的 / Main Goal ゲートによる完全包囲制御を通じたSCE抑制 Suppression of SCE via full gate control

🔸 Step 1:基板準備 / Substrate Preparation

項目 内容(日本語) Description (English)
目的 / Purpose 高品質SOIまたはエピタキシャルSi基板を準備する Prepare high-quality SOI or epitaxial Si substrate
条件 / Conditions 300mm Si (100), BOX厚 145nm(SOI)またはエピ厚 ~20nm 300mm Si (100), BOX thickness ~145nm (SOI) or epi-layer ~20nm
技術要点 / Key Points アンダーカット性と電気特性の最適バランスを取る Optimize trade-off between undercut profile and electrical performance

🔸 Step 2:STI形成 / Shallow Trench Isolation (STI)

項目 内容(日本語) Description (English)
目的 / Purpose トランジスタ間の電気絶縁を確保する Ensure electrical isolation between devices
条件 / Conditions ArF露光 + RIE + TEOS埋込 → CMP ArF lithography + RIE + TEOS fill → CMP
技術要点 / Key Points STI平坦性が後工程のチャネル構造形成に影響する STI planarity critically affects channel stack patterning

🔸 Step 3:ウェル注入 / Well Implantation

項目 内容(日本語) Description (English)
目的 / Purpose p-well / n-well を形成してチャネル領域を定義する Define p-well/n-well regions for the channel
条件 / Conditions B, As, P注入(~10¹³ cm⁻²)、RTA ~1000℃ Implant B, As, P (~10¹³ cm⁻²), RTA at ~1000°C
技術要点 / Key Points ナノシートスタックへの熱拡散を抑えることが重要 Suppressing thermal diffusion into nanosheet stack is critical

🔸 Step 4:チャネル積層堆積 / Channel Stack Deposition

項目 内容(日本語) Description (English)
目的 / Purpose Si/SiGeの多層構造を堆積し、後のナノシート構造を形成する Deposit multilayer Si/SiGe stack to form future nanosheet
条件 / Conditions RP-CVDまたはUHV-CVD、Si 5–8nm / SiGe 10nm ×3 RP-CVD or UHV-CVD, Si 5–8nm / SiGe 10nm ×3
技術要点 / Key Points 界面のシャープネスと厚さ均一性が性能に直結 Interface sharpness and thickness uniformity are essential

🔸 Step 5:初期酸化とキャップ形成 / Initial Oxidation & Capping

項目 内容(日本語) Description (English)
目的 / Purpose チャネル表面を酸化し、後のゲート絶縁膜の品質を高める Oxidize channel surface to improve gate dielectric quality
条件 / Conditions ドライ酸化またはALD酸化、SiO₂ ~1–2nm + SiNキャップ ~5nm Dry or ALD oxidation, SiO₂ ~1–2nm + SiN cap ~5nm
技術要点 / Key Points 酸化によるチャネル界面欠陥の低減がカギ Interface defect suppression is critical for reliability

🔸 Step 6:ハードマスク堆積とリソグラフィ / Hardmask Deposition & Lithography

項目 内容(日本語) Description (English)
目的 / Purpose パターン形成用のハードマスク層を形成し、ナノシートパターンを描画 Form hardmask layer and define nanosheet pattern
条件 / Conditions TiN/SiN堆積、ArFまたはEUV露光、CD ~20–30nm TiN/SiN deposition, ArF or EUV lithography, CD ~20–30nm
技術要点 / Key Points 高アスペクト比の忠実な転写と後工程耐性が要求される High aspect-ratio pattern fidelity and etch resistance required

🔸 Step 7:チャネルパターンエッチ / Stack Etch (Channel Fin Patterning)

項目 内容(日本語) Description (English)
目的 / Purpose チャネルスタックをFin状にエッチングし、ナノシート構造の外形を定義する Etch the channel stack into fin shape to define nanosheet outline
条件 / Conditions 垂直プロファイルのRIE、TiN/SiNハードマスク使用 Vertical-profile RIE with TiN/SiN hardmask
技術要点 / Key Points 側壁の粗さ・下部アンダーカットを最小化するエッチ条件が重要 Critical to minimize sidewall roughness and undercut at base

🔸 Step 8:選択的SiGe除去 / Selective SiGe Etch (Nanogap Formation)

項目 内容(日本語) Description (English)
目的 / Purpose SiGe犠牲層を除去し、ナノシート間の空間(GAAゲート用空洞)を形成する Remove SiGe sacrificial layers to form gaps for GAA gate
条件 / Conditions HClベースの選択エッチ、Si/SiGe選択比 > 100:1 HCl-based selective etch, Si/SiGe selectivity > 100:1
技術要点 / Key Points Si層(ナノシート)を損傷せずにSiGeのみを確実に除去する必要がある Must fully remove SiGe while preserving Si nanosheet integrity

🔸 Step 9:内側スペーサ堆積 / Inner Spacer Deposition

項目 内容(日本語) Description (English)
目的 / Purpose ナノシート周囲に絶縁スペーサ(SiN等)を形成して、S/D隔離とゲート包囲準備を行う Form insulating inner spacers (e.g., SiN) around nanosheets for S/D isolation and gate encapsulation
条件 / Conditions ALDまたはLPCVDによるSiN堆積、アニールで密着強化 SiN deposition via ALD or LPCVD, followed by annealing
技術要点 / Key Points ナノギャップへの均一充填と後工程でのスペーサエッチ制御性がカギ Key to achieve uniform gap fill and precise etch control in later steps

🔸 Step 10:ダミーゲート形成 / Dummy Gate Fill

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose High-k/Metalゲートプロセス前のポリシリコンによる仮ゲート形成 Form a temporary gate using poly-Si before High-k/Metal gate process
条件 / Conditions Poly-Si堆積 → CMP平坦化 Poly-Si deposition followed by CMP planarization
技術要点 / Key Points 厚み均一性と後工程(除去時)の処理性を両立 Balance thickness uniformity and removability in later steps

🔸 Step 11:S/D拡張注入 / Source/Drain Extension Implant

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 短チャネル効果(SCE)抑制のための浅い注入 Shallow implant to suppress short channel effects (SCE)
条件 / Conditions B⁺ / As⁺、10¹³–10¹⁴ cm⁻²、2–10 keV B⁺ / As⁺, 10¹³–10¹⁴ cm⁻², 2–10 keV
技術要点 / Key Points 低エネルギー制御でナノシート損傷を抑制 Use low energy to minimize nanosheet damage

🔸 Step 12:内側スペーサリセス / Inner Spacer Etch Back

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose S/Dエピ領域を露出させるためのスペーサ除去 Etch back inner spacer to expose S/D epi regions
条件 / Conditions RIEエッチ + CMP調整 RIE etch + optional CMP tuning
技術要点 / Key Points 精密なリセス制御と支持構造保持が必要 Requires precise recess control and support retention

🔸 Step 13:S/Dエピタキシャル成長 / Raised Source/Drain Epitaxy

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose ソース/ドレインの隆起構造による低抵抗化 Grow raised S/D regions for reduced resistance
条件 / Conditions Selective Si/SiGe Epi, 高さ 20–30 nm Selective Si/SiGe Epi, height 20–30 nm
技術要点 / Key Points 結晶欠陥・ファセット形成の抑制が鍵 Suppress crystal defects and facet formation

🔸 Step 14:ダミーゲート除去 / Dummy Gate Removal

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose Polyゲート除去によるHigh-kゲートの準備 Remove dummy gate to prepare for High-k/Metal gate
条件 / Conditions TMAH等の選択エッチング Selective etch using TMAH or similar
技術要点 / Key Points ナノシート損傷を防ぐ穏やかな除去プロセス Gentle etch to avoid nanosheet damage

🔸 Step 15:High-k/Metalゲート形成 / High-k / Metal Gate Stack Deposition

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose ゲート全周を包囲する高誘電体+メタル形成 Form fully surrounding High-k dielectric and metal gate
条件 / Conditions ALDによるHfO₂、TiN/TiAlN等 HfO₂ via ALD, TiN/TiAlN stack
技術要点 / Key Points 全面包囲性としきい値制御の両立 Achieve full gate wrap and threshold tuning

🔸 Step 16:S/D本注入 / S/D Implantation

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose ソース・ドレイン領域の本注入による低抵抗化 Main implant to reduce S/D resistance
条件 / Conditions B⁺ / As⁺、~10¹⁵ cm⁻²、30–80 keV B⁺ / As⁺, ~10¹⁵ cm⁻², 30–80 keV
技術要点 / Key Points 拡散抑制とアングル注入による損傷防止 Use angled implantation and diffusion suppression

🔸 Step 17:活性化アニール / Dopant Activation Anneal

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 注入不純物の活性化と結晶修復 Activate dopants and repair crystal defects
条件 / Conditions Spike RTA ~1050°C, 数秒 Spike RTA at ~1050°C, several seconds
技術要点 / Key Points 活性化とチャネル保持のトレードオフ Balance between activation and channel preservation

🔸 Step 18:シリサイド形成 / Silicide Formation

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose S/Dとゲートに低抵抗シリサイドを形成 Form low-resistance silicide on S/D and gate
条件 / Conditions Ni/Coスパッタ+アニール Ni or Co sputtering + annealing
技術要点 / Key Points 過剰拡散やナノシート損傷の回避 Prevent over-diffusion and nanosheet damage

🔸 Step 19:層間絶縁膜形成 / ILD Deposition

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 配線層との絶縁形成 Electrically isolate from interconnect layers
条件 / Conditions SiO₂またはSiCOH膜、PECVD、~400 nm SiO₂ or SiCOH by PECVD, ~400 nm thick
技術要点 / Key Points ストレスと充填性のバランス Balance stress and fill capability

🔸 Step 20:CMP平坦化 / ILD CMP

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose ILD表面の平坦化処理 Planarize the ILD surface
条件 / Conditions CMPスラリー + SiNストップ層 CMP slurry with SiN stop layer
技術要点 / Key Points 過研磨と欠陥抑制 Avoid over-polishing and defects

🔸 Step 21:コンタクトホールリソグラフィ / Contact Hole Lithography

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose S/D・ゲートとの接続孔を定義 Define vias for connection to S/D and gate
条件 / Conditions ArFまたはEUV露光、CD ~30–50 nm ArF or EUV lithography, CD ~30–50 nm
技術要点 / Key Points 選択性とCD精度の高いプロセスが必要 Requires high selectivity and CD precision

🔸 Step 22:コンタクトエッチ / Contact Etch

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 定義されたコンタクトホールをエッチングしS/Dやゲートを露出 Etch defined contact holes to expose S/D or gate
条件 / Conditions フルオロカーボン系RIE、エッチストップ層活用 Fluorocarbon-based RIE with etch-stop layer
技術要点 / Key Points オーバーエッチによるリーク経路生成を回避 Avoid leakage path formation due to over-etching

🔸 Step 23:バリア・シード層形成(コンタクト)

Barrier and Seed Deposition (Contact)

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose コンフォーマルなバリア/シード層を形成し銅埋込に備える Form conformal barrier/seed layers for Cu plating
条件 / Conditions TiN/TaN(ALD)+ Cuシード(PVD)、膜厚 ~5–50 nm TiN/TaN by ALD + Cu seed via PVD, thickness ~5–50 nm
技術要点 / Key Points 高アスペクト比での被覆性と界面密着が重要 Crucial for high aspect-ratio step coverage and adhesion

🔸 Step 24:銅電解メッキ(ECP) / Copper Electrochemical Plating

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose コンタクトホール内を銅でボイドなく充填 Void-free fill of contact holes with copper
条件 / Conditions 酸性Cu硫酸浴、電流密度制御、オーバーフィル ~200–400 nm Acidic Cu sulfate bath, controlled current density, overfill ~200–400 nm
技術要点 / Key Points 添加剤(レベラー、サプレッサー)の選定が充填品質を左右 Additive tuning (leveler/suppressor) critical for void control

🔸 Step 25:CMP(コンタクト銅) / CMP of Contact Copper

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 銅オーバーフィルの除去とILDの平坦化 Remove Cu overfill and planarize ILD
条件 / Conditions Cu用CMPスラリー、エンドポイント制御 Cu-selective CMP slurry, endpoint control
技術要点 / Key Points 過研磨によるILD凹みやCu残膜を防止 Prevent ILD erosion and residual Cu after polishing

🔸 Step 26:ILD堆積(配線層直前) / ILD Deposition over Contact

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 第1層配線(M1)に向けた絶縁膜の形成 Form interlayer dielectric above contacts before M1
条件 / Conditions SiCOHやSiOCなどの低k膜、PECVD、~300–500 nm Low-k film (e.g., SiCOH), PECVD, thickness ~300–500 nm
技術要点 / Key Points 低寄生容量と良好なキャッピング特性が求められる Requires low parasitic capacitance and good capping properties

🔸 Step 27:M1リソグラフィ・エッチ / M1 Lithography and Etch

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 第1層メタル配線の形状定義 Define metal-1 wiring patterns
条件 / Conditions ArFまたはEUV露光、CD ~20–30 nm、RIE加工 ArF/EUV lithography, CD ~20–30 nm, RIE
技術要点 / Key Points 微細ラインの形状保持とCD制御が重要 Critical for line profile integrity and CD control

🔸 Step 28:M1バリア/シード形成 / Barrier and Seed Deposition for M1

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose Cu電解めっきに先立つバリアとCuシード層形成 Prepare for Cu ECP by depositing barrier and seed layers
条件 / Conditions Ta/TaN(ALD)、Cuシード(PVD)、バリア5–10 nm、シード ~50 nm Ta/TaN (ALD), Cu seed (PVD), barrier 5–10 nm, seed ~50 nm
技術要点 / Key Points トレンチ/ビア内部への均一堆積が不可欠 Uniform deposition into trenches and vias is essential

🔸 Step 29:銅ECP(M1) / Copper ECP for M1

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose ビア・トレンチ内を銅で埋める Fill vias/trenches with copper
条件 / Conditions 酸性Cu浴、添加剤制御、オーバーフィル Acidic Cu bath, additive control, overfill
技術要点 / Key Points ボイドフリーと後工程CMPへの整合が必要 Void-free fill and CMP compatibility are critical

🔸 Step 30:CMP(M1銅) / CMP of M1 Copper

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 銅のオーバーフィル除去と平坦化 Remove Cu overfill and planarize the surface
条件 / Conditions CMPスラリー、Cu選択性高、エンドポイント制御 CMP slurry with Cu selectivity, endpoint detection
技術要点 / Key Points 面内均一性とディッシュ/エロージョン抑制 Intra-wafer uniformity, suppression of dishing/erosion

🔸 Step 31:層間絶縁膜堆積(M1–M2)

ILD Deposition Between M1 and M2

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose M1とM2間の絶縁層形成(低k) Form low-k ILD between M1 and M2
条件 / Conditions PECVDによりSiCOH系低k膜、厚さ ~400 nm SiCOH low-k film by PECVD, ~400 nm
技術要点 / Key Points RC遅延低減のためのk値最適化 Optimize dielectric constant to reduce RC delay

🔸 Step 32:上位メタルリソ・エッチ(M2〜Mx)

Higher Metal Lithography and Etch (M2–Mx)

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose M2〜最上層メタルのビア/ラインパターン定義 Define vias/lines for M2 to top metal layers
条件 / Conditions EUV/ArF露光、RIEエッチ、CD ~20–30 nm EUV/ArF lithography, RIE etch, CD ~20–30 nm
技術要点 / Key Points 多層配線でのアライメント誤差最小化 Minimize alignment error across multiple layers

🔸 Step 33:バリア・シード/銅ECP(M2〜Mx)

Barrier, Seed & Cu Plating for M2–Mx

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 各配線層の銅埋込準備と充填 Prepare and fill each metal layer with Cu
条件 / Conditions TaNバリア(ALD)、Cuシード(PVD)、ECP TaN (ALD), Cu seed (PVD), electroplating
技術要点 / Key Points 多層積層による残留応力とボイド制御 Stress and void control in multilayer stacks

🔸 Step 34:上位配線CMP / CMP of Higher Metal Layers

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 各メタル層の表面平坦化と構造確立 Planarize and define each upper metal layer
条件 / Conditions CMPスラリー、ターゲットエンドポイント制御 CMP slurry with endpoint monitoring
技術要点 / Key Points RC特性・リソ精度維持のためのCMPプロセス最適化 Optimize CMP to maintain RC integrity and litho accuracy

🔸 Step 35:キャップ層堆積 / Cap Layer Deposition

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose Cu配線の酸化・拡散防止 Prevent oxidation and diffusion of Cu
条件 / Conditions SiN/SiCN、PECVD、20–50 nm SiN/SiCN by PECVD, 20–50 nm thick
技術要点 / Key Points バリア性能と機械応力の両立 Balance between barrier and stress characteristics

🔸 Step 36:パッシベーション層形成 / Passivation Layer Deposition

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 外部環境からの保護層形成 Protect device from external contamination
条件 / Conditions SiN or SiO₂、PECVD、0.5–1.0 µm SiN/SiO₂ by PECVD, 0.5–1.0 µm thick
技術要点 / Key Points クラック防止と密着性確保 Crack prevention and adhesion reliability

🔸 Step 37:パッド開口 / Pad Opening Lithography & Etch

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose UBMメタル接続部の開口形成 Form openings to access UBM pads
条件 / Conditions ArF露光、RIEでパッシベーション開口 ArF lithography + RIE
技術要点 / Key Points Cuダメージ最小化 Minimize Cu damage during etch

🔸 Step 38:UBM形成 / Under Bump Metallization (UBM)

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose バンプ形成のための多層金属形成 Form multilayer metals for bump attachment
条件 / Conditions NiV/Cu/Au等、PVD+電解メッキ、~10 µm NiV/Cu/Au via PVD + electroplating, ~10 µm
技術要点 / Key Points はんだ濡れ性・密着性の最適化 Optimize solder wettability and adhesion

🔸 Step 39:ウエハ薄化 / Wafer Thinning

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose チップの薄型化・3D実装対応 Enable thin package and 3D integration
条件 / Conditions バックグラインド + CMP、厚さ ~100 µm以下 Back grinding + CMP to ~100 µm or less
技術要点 / Key Points チップ割れ・歪み防止 Prevent cracking and warping

🔸 Step 40:TSV & マイクロバンプ形成 / TSV and Microbump Formation

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 3D IC接続のための垂直配線形成 Create vertical interconnects for 3D IC
条件 / Conditions DRIE + Cu埋込、SnAgバンプ形成 DRIE, Cu fill, SnAg bump plating
技術要点 / Key Points TSV内のボイド・亀裂防止 Prevent voids and cracks in TSVs

🔸 Step 41:最終パッシベーション / Final Passivation

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose パッケージ信頼性の最終保護 Final environmental protection
条件 / Conditions SiN/SiO₂、PECVD、~1.0 µm SiN/SiO₂ by PECVD, ~1.0 µm thick
技術要点 / Key Points 応力緩和とチップ保護の両立 Balance between stress relief and protection

🔸 Step 42:ウエハテスト(最終)/ Final Wafer Test

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose チップ電気特性の最終検査 Final electrical test of chips
条件 / Conditions ATE、Iₗₑₐₖ, Vₜₕ, 遅延など評価 ATE, leakage, threshold, delay test
技術要点 / Key Points GAA構造のばらつき把握が重要 Must monitor Vt variation due to GAA

🔸 Step 43:ダイシング / Wafer Dicing

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 個別チップへ分割 Separate dies for packaging
条件 / Conditions レーザーまたはソーイング Laser scribing or mechanical saw
技術要点 / Key Points ウエハ破損・バリ最小化 Minimize cracks and chipping

🔸 Step 44:ダイアタッチ / Die Attach

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose チップをパッケージ基板へ実装 Attach chip to substrate
条件 / Conditions 接着剤、熱圧着など Adhesive or thermal compression
技術要点 / Key Points 熱伝導と平坦性の確保 Ensure good thermal path and flatness

🔸 Step 45:フリップチップ or ワイヤボンディング

Flip-Chip Bonding or Wire Bonding

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 基板とチップを電気的に接続 Electrically connect chip and substrate
条件 / Conditions SnAgリフロー or Au/Cuワイヤ SnAg reflow or Au/Cu wire
技術要点 / Key Points 接合信頼性と熱歪み制御 Joint reliability and stress control

🔸 Step 46:アンダーフィル / Underfill Application

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 接合部の機械的保護 Protect joints against mechanical stress
条件 / Conditions エポキシ系材料、加熱硬化 Epoxy material, thermal cure
技術要点 / Key Points ボイドレス充填、C.T.E整合 Void-free fill, CTE matching

🔸 Step 47:最終試験とマーキング / Final Test and Marking

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 最終品質検査と製品マーキング Final quality check and device marking
条件 / Conditions 自動試験機(ATE)、レーザー印字 ATE testing and laser marking
技術要点 / Key Points トレーサビリティと統計管理 Maintain traceability and statistical control

🔸 Step 48:パッケージング / Final Packaging

項目 日本語 / Japanese 英語 / English
目的 / Purpose 顧客向け最終パッケージ封止 Final sealing and delivery-ready package
条件 / Conditions WLP / FC-CSP / FOWLP / SiPなど WLP, FC-CSP, FOWLP, SiP, etc.
技術要点 / Key Points 熱設計・歩留まり・コストの最適化 Balance between thermal design, yield, and cost

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