8インチ第3世代半導体工場の生産能力増強

概要

シリコン ウェーハは、多くの高度な半導体製品の製造の基礎を提供し、それが半導体産業を形成する基盤を形成します。シリコンウェーハのサイズと直径には、数年かけて徐々に変化することが見られます。これは最終的に、主に新しい半導体 FAB および OSAT の生産速度を高める手段として、先進的な半導体製品に対する需要の増加により、現在のウェーハ サイズを超える議論の新たな波につながります。現在、ほとんどの FAB および OSAT は 200 mm (7.9/8 インチ) ウェーハに焦点を当てており、少数の FAB および OSAT は 300 mm (11.8/12 インチ) ウェーハに集中しています。結局のところ、ウェーハ サイズの選択は技術的なものよりも投資と戦略に基づいて行われます。これは、ウェーハサイズのあらゆる変更が、エンドツーエンドの半導体フロー全体に影響を与えるためです。

モノのインターネット (IoT)、モバイル、および自動車アプリケーションの需要の発展により、200 mm の容量の必要性が高まっています。これらのアプリケーションは 200 mm の生産を復活させ、電源、アナログ、MEMS、センサーなどのコンポーネントの必要性を高めています。最先端の製造プロセスは必要ありません。さまざまな統合デバイス製造業者 (IDM) が、GaN や SiC を含む第 3 世代半導体向けの 8 インチ ウェーハの生産に移行しています。

ウェハサイズが半導体産業に与える影響

FAB と OSAT の構築を決定する重要な要素は、ウェーハ サイズです。主な原因は、必要なツールと機器がウェーハ サイズによって異なり、ウェーハ サイズが大きくなると、追加の FAB と OSAT の構築費用も増加することです。このため、適切なウェーハ サイズを選択することが重要です。ウェーハ サイズの選択は、最終的には技術よりも戦略と投資主導になります。これは、ウェーハ サイズの変更が半導体フローの最初から最後まで影響するためです。

以下の点は、ウェーハサイズが半導体プロセスのいくつかの側面にどのように影響するかを明確に示しています。次世代製品の作成にどのウェーハ サイズを使用するかを決定する際には、コストから歩留まりまで、考慮すべき要素が数多くあります。

図 1: ウェーハ サイズを決定する際に考慮される要素

ウェーハサイズ: ウェーハサイズが大きくなると、単位面積当たりのダイ数が増加することは間違いありません。より多くのダイを作成するためのより広い面積により、最終的に、FAB および OSAT は、特定の期間内により多くのダイを製造およびテスト/組み立てできるようになります。これにより、新製品の製造または組み立ての速度が向上し、場合によってはウェハサイズが大きくなったときにサプライチェーンにも利益をもたらす可能性があります。

ウェーハごとのダイ: 半導体設計会社はコスト削減量を見積もることができるため、ウェーハあたりのダイの数はウェーハ サイズに直接関係します。最終的には、より大きなサイズのウェーハと比較して、需要の高い製品向けにより小さなウェーハを使用することで、より多くのウェーハ注文を最大化することができます。したがって、企業は、この微妙なバランスをとるため、商業的な観点からウェーハを使用する利点と欠点を比較検討するために、より多くの時間を投資する必要があることがよくあります。

手順： ウェーハ サイズは最も重要なパラメータであると考えられているため、半導体製造施設は今後 5 ～ 10 年間にサポートするウェーハ サイズを事前に計画し、決定する必要があります。主な考慮事項は、ウェーハ サイズのアップグレードごとに必要なプロセスを設定するための費用です。ほとんどの半導体施設は、技術面とビジネス面の両方のバランスが取れることから、200 mm (7.9/8 インチ) ウェーハに重点を置いてきました。しかし、300 mm (11.8/12 インチ) の要件により、FAB と OSAT は近代化を余儀なくされています。

料金： コスト要因はウェハ サイズによって左右されるため、半導体製品の開発において最も重要な要因の 1 つとも考えられます。ウェーハのコストに加えて、FAB および OSAT の費用も考慮する必要があります。 300 mm (11.8/12 インチ) のウェハと比較すると、200 mm (7.9/8 インチ) のウェハを使用すると、半導体チップの製造と組み立てのコストが間違いなく低くなります。最終的に重要なのは、適切なウェーハ サイズを選択してマージンを確保することです。

収率： 歴史的に、ウェーハサイズが大きくなるにつれて歩留まりは低下してきました。製品を 300 mm (11.8/12 インチ) ウェーハで製造する場合と対照的に、200 mm (7.9/8 インチ) ウェーハで製造する場合、前者の歩留まりは低くなります。最終的な歩留まりは最終的には同等になりますが、ウェハサイズが大きくなると、主に半導体プロセスを完成させるのに時間がかかるため、歩留まりは低下します。同じウェーハサイズを使用する製品が増えれば増えるほど、学んだ教訓を応用して製品の総歩留まりを高めることができるため、このプロセスは改善されます。最終的な歩留まりはウェーハの取り扱いにも大きく影響され、ウェーハサイズが大きくなるにつれて、所定の面積あたりのダイの数が膨大になるため、プロセスステップの数を減らすことがより困難になります。

電気自動車やハイブリッド自動車における半導体部品の需要の高まりにより、半導体製造装置市場は大幅な成長を遂げています。これに加えて、FAB 建設のための製造ユニットの増加が予測期間の成長を補います。 Data Bridge Market Researchの分析によると、世界の半導体製造装置市場は、2022年から2030年にかけて年間平均成長率（CAGR）9.5%で成長すると予測されています。

この研究の詳細については、以下をご覧ください。https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-semiconductor-manufacturing-equipment-market

さまざまなアプリケーションでのチップの使用に関するハイライト

SEMIによると、業界が月間770万ウェーハ（wpm）を超える高記録に近づく中、世界中の半導体メーカーは2023年から2026年にかけて200mmのファブ生産能力を14％増加させ、新たに12の200mm容積FABを追加すると予想されています（EPIを除く） ）。

200 mm 投資の主な原動力は、自動車、産業、民生部門に不可欠なパワー半導体と化合物半導体です。 EVの使用量が増加するにつれ、特にパワートレインインバーターとEV充電ステーションの開発により、世界的に200mmウェーハの生産能力が増加すると予想されます。 EVのチップ含有量の増加と充電時間の短縮への要望により、車載用チップの供給が安定しているにもかかわらず、容量拡大が推進されています。

将来の需要を満たすために、STMicroelectronics、Bosch、富士電機、Infineon、Mitsubishi、Onsemi、Rohm、Wolfspeed などのチッププロバイダーは 200mm 容量プロジェクトを加速しています。

世界のSiCパワー半導体市場は、家庭用電化製品、自動車、発展途上国の産業など、さまざまな業界におけるパワーエレクトロニクスの需要の高まりにより、近年大幅な成長を遂げています。これは主に、コンパクトな設計、簡素化された回路、高電流および高電圧に耐える能力など、いくつかの利点によるものです。 Data Bridge Market Researchの分析によると、世界のSiCパワー半導体市場は、2022年から2030年にかけて年間平均成長率（CAGR）9.5%で成長すると予測されています。

研究の詳細については、次のサイトをご覧ください。https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-sic-power-semiconductor-market

自動車に対する強い需要を考慮すると、製造業者はリードタイムを短縮する強いインセンティブを持っています。 6 インチおよび 8 インチのウェーハを生産する成熟した FAB は、主にさまざまな自動車電子制御ユニットで使用されており、これが課題となる可能性があります。これらのウェーハは多くの場合古く、効率が低くなります。生産期間は、自動化を強化し、新しい設備やツールのセットアップを通じて生産量を増やすことで短縮できますが、最新の設備であっても、これらの戦略を採用するのは難しく、時間がかかります。成熟した工場は、より迅速に生産を拡大するために、設備全体効率 (OEE) の向上、労働力のプロアクティブな管理、インフラストラクチャのリスク回避、およびパフォーマンスの動的管理という 4 つの重要なタスクに集中する、より厳密で包括的な戦略を採用できます。

SEMI 200mm Fab Outlook to 2026 レポートによると、パワー半導体と車載半導体の製造能力は 2023 年から 2026 年の間に 34% 増加する見込みです。MEMS、アナログ、ファウンドリは、それぞれ 8%、6%、8% で第 3 位と第 4 位となり、マイクロプロセッサ ユニット/マイクロコントローラ ユニット (MPU/MCU) の 21% に次ぐと予想されます。

地域の洞察

2021年の新型コロナウイルス感染症流行のピーク時に、米国は突然の深刻な半導体不足に見舞われた。この不足により、家庭用電化製品、家庭用電化製品、再生可能エネルギー、自動車など、多くの重要な企業が大きな影響を受けました。この不足は財政的に深刻な影響を及ぼした。米国商務省は、同年の米国の経済成長をほぼ4分の1兆ドル押し下げたと推定している。

経済的な影響を超えて、チップ不足は多くの米国企業がアジア製の半導体にどれほど依存しているかを明らかにした。疫病は不快な目覚めであり、鋭い衝撃でした。この国はアジア製の半導体に大きく依存しているため、経済は予期せぬ出来事の影響を受けやすかった。

半導体および科学の生産に役立つインセンティブの作成に関する法律 (CHIPS 法) は、経済的影響の結果として制定されました。ホワイトハウスのニュース声明にあるように、2022年8月9日に署名されたCHIPSおよび科学法は、「米国の半導体研究、開発、製造、労働力開発」の推進に約530億ドルを割り当てている。当時。

同様の戦略が2023年4月に欧州連合によって明らかにされた。欧州チップ法は特に、半導体産業に430億ユーロ（約470億米ドル）を割り当てることで、2030年までに半導体産業の世界市場シェアを10％から20％に倍増させることを目指している。加盟国は27か国。

半導体製造におけるさらなる独立性を獲得するため、欧州と米国は現在、独自の半導体製造施設を建設する大規模な建設プロジェクトを立ち上げている。

例えば、

• インテルは、2021 年 9 月にチャンドラー地域にあるオコティージョの敷地内に、ファブ 52 およびファブ 62 と呼ばれる 2 つの追加の半導体工場の建設を開始しました。これらの工場が完成すると、インテルはキャンパス内に 6 つの工場を持つことになります。 2024 年に完成する予定の 2 つの建物の製造には、合計でほぼ 200 億ドルの費用がかかることになります。
• 純粋な MEMS ファウンドリである Rogue Valley Microdevices Inc. (オレゴン州メドフォード) は、フロリダ州パームベイのコマース ドライブ 2301 にある 50,000 平方フィートの商業ビルを取得し、2 番目の微細加工工場として使用しました。 MEMS およびセンサー製品はこの工場から提供されます。 2025 年に生産を開始し、従業員数は約 75 名となる予定です。同社は資本支出のために 3,000 万ドルを確保しました。この工場は毎月 21,000 枚のウェーハを生産する能力があり、直径 200 mm および 300 mm のウェーハを操作できるようになります。
• 先進的な半導体製造サービスを提供するために、TSMC、ロバート・ボッシュGmbH、インフィニオン・テクノロジーズAGおよびNXPセミコンダクターズNVは、ドイツのドレスデンにあるEuropean Semiconductor Manufacturing Company (ESMC) GmbHに共同投資することを計画しました。 ESMCによる300mm工場の建設は、将来急速に拡大する自動車および産業分野の生産能力需要を満たすための大きな一歩となります。 TSMCは提案されている合弁事業の70％を所有し、ボッシュ、インフィニオン、NXPが10％の株式を保有するが、規制上の認可およびその他の要件が保留される。借入、株式注入、ドイツ政府や欧州連合からの多大な支援を含め、総額約100億ユーロが投資されることが見込まれている。製造は2027年末までに開始される予定で、ESMCは2024年後半に工場の建設を開始する予定だ。
• 2023年6月、インテルはドイツ政府と、同国史上最大の外国投資となる契約を締結した。この契約により、ドイツ東部中央部にある人口約23万人の中規模都市マクデブルクに、総工費300億ユーロ超でインテルのチップ製造工場が開設される。投資額の約3分の1はドイツ政府が負担する。この恩恵は、雇用の増加、経済刺激、そして重要なテクノロジー分野への影響という形で現れる。工場の建設は2027年までに完了する予定。この工場により、ドイツはサプライヤーネットワークへのアクセスが容易になり、3,000人以上の高給雇用が創出されると見込まれている。

将来の地政学的危機に対して経済をより強靭にするため、米国と欧州諸国はサプライチェーンを強化し、国内で製造されるチップの量を増やしている。

図 2: 地域別の 200 mm 相当の新規生産能力 (2022 ～ 2025 年)

出典: DBMR分析

Data Bridge Market Research の分析によると、他の地域、つまりヨーロッパと中東、およびアメリカと比較して、アジア太平洋地域は 200mm および 300mm のファブ生産能力で大きなシェアを占めています。これは主に、高度なインフラストラクチャ、市場プレーヤーの重要な存在、研究開発への旺盛な投資、および導入に向けた政府の厳格な取り組みによるものです。さらに、アジア太平洋地域は、中国、台湾、日本などの国々からなる最大の半導体市場であると考えられています。

図 3: 地域別の 200 mm 新規生産能力の推定市場シェア (2022 ～ 2025 年)

出典: DBMR分析

製造に関しては、300mm、200、150mm の生産拡大への投資においては、中国が引き続きトップランナーです。主要な電力 IDM は、新しい 300mm ラインを構築するか、既存のラインを拡張しています。このエコシステムには、Bosch、東芝、Infineon Technologies、Nexperia などの企業が含まれています。世界中でいくつかの 200mm ラインが建設されており、150mm ラインが 200mm に変換されています。それとは別に、200mm SiC 容量を争うパワー IDM には、Wolfspeed、Infineon Technologies、CRCC などが含まれます。

生産能力増強に向けた各メーカーの取り組み

以下は、生産能力を高めるためにさまざまなメーカーが行っている戦略的取り組みの一部です。

• 2023年10月、中国本土に本拠を置くJ2セミコンダクターと香港科技園区公司（HKSTP）は、香港サイエンスパークに研究開発センターと香港初のSiC 8インチウェハーファブを設立する契約を締結した。 。 J2 Semiconductor は、このプロジェクトに推定 9 億米ドル (69 億香港ドル) を投資し、今後数年以内に商業生産を開始する予定です。 J2 Semiconductor の研究開発センターをサイエンスパークに設立する計画により、香港の第 3 世代半導体デバイスの研究開発と高度な製造能力が促進されます。香港で700以上の雇用を創出し、2028年までに年間SiCウェーハ生産能力24万枚に達することを目指している。J2セミコンダクターは、製造プロセス、高度なチップ設計、半導体製品開発の中核技術を提供している。専門知識とともに香港へ。
• インフィニオンは、2023年8月にマレーシアのクリムに最大の200ミリメートルSiCパワーファブを建設する予定です。 10 年代の終わりまでに、この施設はほぼ 70 億ユーロの収益を生み出すでしょう。この予想される拡大は、顧客による約 10 億ユーロの前払いと、産業および自動車用途における新規設計獲得による 50 億ユーロのコミットメントによって支えられています。
• トッパンは2023年4月にパワー半導体の受託製造ハンドリングサービスを導入した。トッパンは、パワー半導体用ウェーハの製造能力を確保するため、デバイスメーカーのウェーハプロセスの移植・製造を実施する。これには、産業用デバイス、ファクトリーオートメーション、車載アプリケーションが含まれます。生産工程そのものは、提携契約に基づき、ジェイ・エス・ファウンドリー株式会社（JS Foundry）の新潟工場内に構築されます。トッパンは、6インチウェーハプロセスのポーティング・製造から、エピタキシャル工程や裏面工程を含むウェーハ製造の部分加工を担当します。トッパンは、2025年3月までにサービスを8インチウェーハプロセスまで拡大し、半導体設計子会社であるトッパンテクニカルデザインセンターがパワー半導体の設計から製造までを提供するターンキーサービスを導入する予定だ。
• 三菱電機は2023年3月、2026年3月までの5年間で従来計画の2倍となる約2,600億円を投資する。今回の投資の主な目的は新しいウェーハの製造である。炭化ケイ素（SiC）パワー半導体の生産を拡大する工場。三菱電機は、電気自動車用のSiCパワー半導体市場、さらには高温動作、低エネルギー損失、高速スイッチングなどの機能を必要とする新しいアプリケーションの急成長市場の需要を満たすことを期待しています。三菱電機はこの計画を通じて、脱炭と省エネルギーに向けた世界的なグリーントランスフォーメーションのトレンドもサポートできるようになる。約1,000億円を投じて8インチSiCウェーハ設備の新設と関連生産設備の改善を図る。新工場は熊本県酒々井地区に自社設備を併設し、大口径8インチSiCウエハーを生産する。また、最先端のエネルギー効率と高度に自動化された生産効率を備えたクリーンルームも備えます。
• 2022 年 4 月、Wolfspeed, Inc. はニューヨーク州マーシーに最先端のモホークバレー炭化ケイ素製造施設を立ち上げました。シリコンから炭化ケイ素ベースの半導体への業界全体の切り替えは、200mm ウェーハ製造工場が先頭に立つことになります。

世界の電気自動車市場は、電気自動車（EV）に対する政府の取り組みの強化、EVバッテリー価格の引き下げ、公共および民間の電気自動車充電の開発、EV充電技術の進歩などのいくつかの要因により、近年大幅な成長を遂げています。ワイヤレス手段など、その他にもさまざまな手段があります。 Data Bridge Market Researchの分析によると、世界の電気自動車市場は2023年から2030年にかけて年間複合成長率（CAGR）20.35%で成長すると予測されています。

研究の詳細については、次のサイトをご覧ください。https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-electric-vehicle-market

今後の半導体産業への提言 新たなウエハサイズに向けて

半導体不足の進行中の危機も、設備の拡大と、現在生産されている最大のウェーハサイズである 300 mm (11.8/12 インチ) の追求に関する議論を促しています。

これにより、将来のすべての FAB および OSAT 設計では、まだ本格的な製造には採用されていない 300 mm または 450 mm (17.7/18 インチ) を選択する必要があります。主な争点は、FAB と OSAT に単位面積あたりより多くのダイを生産する手段を与えることで、生産能力を向上できる可能性があるという点です。これには間違いなく多額の支出が必要であり、200 mm (7.9/8 インチ) を超えるウェーハを選択する FAB/OSAT はほとんどありません。

半導体デバイスへの依存度が高まっていることを考慮すると、ウェハサイズも半導体業界が考慮すべきもう1つの要素です。より多くの FAB と OSAT を構築し、将来の要件に合わせて装備することは、不足の原因となる将来の需要を排除する最も効果的な戦略です。 FAB/OSAT は、最初に 200 mm または 300 mm のウェーハを構築して装備する場合でも、今から 450 mm の計画を開始する必要があります。このような計画を採用することで、FAB と OSAT は将来の需要に備えることになり、間違いなく近い将来にアクセス可能な総容量を超える可能性があります。

現在製造されているものよりも大幅に大きいウェハサイズ、主に 450 mm の使用を促進するには、強力な対策が必要です。以下のロードマップでは、より大きなウェハサイズに向けて明確な対策を講じる必要がある理由を包括的に説明しています。

容量： 半導体の不足を考慮すると、さまざまなウェーハサイズに基づいた今日の生産能力では、間違いなく不十分です。 FAB と OSAT の数を増やすと、間違いなく生産能力が向上しますが、ウェーハ サイズを増やすほどではありません。半導体を製造する企業は、より大きなウェーハサイズへのアップグレードを延期することによる長期的なコストを考慮する必要があります。 300 mm 範囲のウェーハ FAB/OSAT が開始点となり、450 mm まで到達する可能性があります。

ファブライト: 将来の巨大なウェーハサイズに独占的に対応する、いくつかの特殊な半導体 FAB および OSAT を開発することも、ウェーハ サイズを管理するための戦略の 1 つです。これらは、寸法が 450 または 675 mm (26.6/27 インチ) のウェーハ FAB/OSAT 専用の施設である可能性があります。この計画によれば、新しい建物は将来的にはより大きなウェーハサイズの研究開発拠点として機能する予定です。技術が進歩するにつれて、これらのより大きなウェーハサイズの使用によるコストの削減により、大量生産が可能になるでしょう。

協力： より大きなウェーハサイズを処理できる FAB や OSAT をセットアップするには費用がかかります。この経費を削減するには、さまざまなメーカーを結集し、さまざまな顧客にサービスを提供するクラスターベースの施設に投資することが唯一の選択肢です。これにより、知的財産やその他の機密問題が生じることは間違いありませんが、より大きなウェーハサイズに焦点を当てた生産能力は、協力なしには増やすことができません。

ターゲットノード: 特定のテクノロジーノードでは、より大きなウェーハサイズも採用される場合があります。このアプローチでは、必要な投資と製造コストの両方のバランスを取ることができます。今後の新しいテクノロジーを搭載したノードよりも信頼性の高いプロセスを搭載した古いノードが、最も適切なノードとなる可能性があります。これにより、間違いなく、より大きなウェーハサイズの使用も促進される可能性があります。

効率： 最終的に、同じ時間内により多くの部品を出荷することで、ウェーハサイズが大きくなり、効率が向上します。生産技術が経済的である限り、総コストと投資は等しくなります。これは、半導体業界においてより大きなウェーハサイズを支持するもう 1 つの議論にすぎません。

結論

8 インチ ウェーハの生産能力不足の主な原因は、これらのミックスド シグナル プロセッサとパワー デバイスに対する需要が継続的に増加していることです。 8インチウェーハの供給が過去最高を記録しているため、ファウンドリは生産能力を拡大すると思われる。さらに、ファウンドリは、IDM から 8 インチの生産ラインと関連機械を購入することに興味を持っています。現在、8 インチ半導体装置を生産しているサプライヤーはほとんどないことが確認されています。これは、そのような装置の価格が突然上昇したことを意味します。2019 年以降、深刻な不足が生じています。その結果、一部のファウンドリは 8 インチの半導体装置の価格を値上げしました。インチウェーハを顧客に提供します。

一部の IC メーカーが、現在の設計を 180 nm および 350 nm の 8 インチ ラインから 12 インチ ウェーハの新しいラインに移行していることが目撃されています。さらに、多数のファウンドリが 12 インチ ウェーハ上で製造される適切な 130 nm プロセスを提供しており、将来の生産能力要件を満たし、サプライ チェーンを地理的に多様化するためのバックアップまたはプライマリ ソースとして使用できます。

現在 8 インチウェーハ上のシリコンを使用している組織は、現在の不足は警告として解釈されるべきであるため、将来のニーズの評価を優先する必要があります。かなりの容量が必要な場合は、12 インチ ノードへの移行を検討し、一次または二次ソースの生産プラントでプロセスを完了する時間を確保する必要があります。