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改良版19nmプロセス増産・次世代製品開発に向け、四日市工場増強
世界最小NANDメモリを実現!東芝の次世代プロセス開発
19nm第2世代プロセスの増産や3次元構造の次世代NANDフラッシュメモリの生産スペースを確保するべく、四日市工場を増強する東芝。次世代プロセス開発に必要な技術者人材について聞いた。
(取材・文/広重隆樹 総研スタッフ/馬場美由紀 撮影/早川俊昭)作成日:13.07.31
NANDフラッシュ需要拡大に備え、クリーンルームを増設

 三重県四日市市郊外にある東芝の半導体工場。総敷地面積43万6200平米は、東京ドーム約10個分で、半導体工場としては国内最大規模だ。従業員5200人、協力会社などを含め毎日活発な人の出入りがある。1992年に操業を開始してから今年が21年目。当初はDRAMの生産が主力だったが、現在は、NANDフラッシュメモリの国内唯一、世界でも有数の生産拠点になっている。協業する米サンディスクと合わせるとNANDフラッシュメモリの内、世界の半分弱が四日市工場で生産されていることになる。

 設備の中心は5棟あるクリーンルーム仕様の建屋。内、新しい3棟が300mmウェハによる生産だ。2011年4月に竣工した第5棟の隣に、8月末にも新しい建屋の増設工事が始まる。東芝は第5棟については建屋を2期に分けて建設し、市場動向を見極めて増設する方針を従来から決めていたが、その2期工事着工にいよいよゴーサインが出たのだ。新建屋の建設投資額は300億円弱。竣工は2014年夏の予定だ。

「NANDフラッシュメモリは、スマートフォンやタブレット端末、SDカード、あるいはデータセンターのエンタープライズサーバー向けSSDなどを中心に需要が順調に伸びています。第5棟2期工事はそれに対応し、かつ次世代メモリ技術の開発を促進するための設備増強です」
 と言うのは、メモリ事業部事業部長附の小林英行氏だ。

スピードを上げるために、開発と量産が肩を並べて仕事する

 同工場の特色は、NANDフラッシュや次世代メモリの先端開発部門と量産部門が同じ敷地内にあり、同じプロセスを共有しているということ。かつてのDRAM時代には横浜に開発拠点、四日市に量産拠点と分かれていたが、NANDフラッシュの生産では2008年以降、最先端のデザインルールを使って、四日市で全てを開発・量産することになった。後述する先端メモリ開発センターが四日市に設立されたのもこの頃で、そのための設備・人材投資が積極的に行われた。

 開発と量産の工程を近づけることで、新規開発品の量産移管がスムースに行われるだけでなく、市場が要求する微細化、大容量化、小型化、低コスト化などにいち速く対応できるようになった。

「低コストによる高効率生産を維持するためには、開発側が一方的にモノを作って流すだけではだめ。不良品の解析を通して歩留まりを高めるなど、量産技術の向上が共に進まなければなりません。開発サイドは量産しやすいプロセスを開発して欲しいという量産ライン側からの要求にも応えていかなければならないし、量産工程の一部を前倒し的に準備するなど工程の工夫をする必要もあります。開発と量産は決して二律背反ではなく、互いが協力するからこそ、優れた製品が安く作れる。ここでは、その協業が日常的なディスカッションという形で頻繁に行われているのです」(小林氏)

小林 英行氏
東芝セミコンダクター&ストレージ社
メモリ事業部 事業部長附
小林 英行氏
インテグレーション力がパワーの源泉

 現状の量産プロセスルールの主流は19nm(ナノメートル)。その構造を維持したまま、さらに微細化を進めた19nm第2世代の量産もスタートし、東芝は依然、NANDにおける微細化の世界先端を走り続けている。

 ただ、近年は微細化の限界も指摘されるようになった。微細化を進める上での設備投資はますます高まるが、それに見合ったビットあたりのコスト低減が、これまでのようには期待されないかもしれないからだ。

 こうした課題を克服するため、東芝はNANDメモリセルを3次元方向に多段積層する次世代NANDの研究開発にすでに着手。多層膜の成膜とエッチングを用いて、多段のメモリセルを一括で形成できる「BiCS」技術で、今年中にも3次元NANDのサンプル出荷を始めるそうだ。
「東芝はNANDという半導体を世界で初めて商品化した企業。パイオニアとしての自負があります。これからの3Dメモリでもその自負を失うことなく、堂々と闘っていきたい」
 と、小林氏は決意を語る。

 3Dメモリを含む次世代メモリ開発でリーダーシップを発揮するためには、単にプロセス技術の高度化だけでは十分とはいえない。
「生産工程では製品の世代が変われば、また新たな問題が出てくる。3次元メモリでも2次元メモリとは違う新しい課題が出てくることが当然予想されます。プロセス、加工技術、新材料のいずれにおいてもブレークスルーが必要。これら全ての要素技術をインテグレーションし、かつそれを継続的に続けることで初めて性能を維持した微細化や新しい3D構造のメモリが完成するのです」

 小林氏がインテグレーションというのは、例えばこういうことだ。現在の半導体技術でウェア上に素子・回路パターンを焼き付けるためには、主にフォトリソグラフィー技術が使われる。しかし、原理的にその光学的分解能は38nmピッチが限界。これでどうやって19nmを実現しているかといえば、それらをさらに縮小して加工するなど、複数の技術の組み合わせが不可欠になる。そうした技術のすり合わせがインテグレーション。この統合力こそが、四日市工場のパワーの源泉なのだ。

世界市場では甘えが許されない──大海に乗り出す四日市の技術者たち

 日本の半導体産業はこれまで決して順風満帆の歴史を刻んできたわけではない。国際的な技術・コスト競争は激しく、生き残るためには事業撤退や企業間の合従連衡もやむを得ない選択だった。東芝も2002年には供給過剰による市況低落などを理由に、DRAM事業からの撤退という苦渋の決断をしている。四日市工場では当時の工場長が「これから私たちは荒波に乗り出す。船酔いする人は、降りてくれ」と、幹部社員に向けてメッセージを発したという。

 DRAMに替わりNANDという新しい帆船を仕立て乗り出した先は、むろん、厳しい国際競争という大海原だった。あらためて、グローバル市場のニーズが自分たちの企業価値の基準になった。とりわけコスト競争力は重要だ。コスト競争でつばぜり合いを繰り広げる海外メーカーに対するベンチマークは、自ずと厳しいものにならざるを得ない。
「自分たちの甘えを許さない。自分たちにこそ厳しいベンチマークを徹底しています」(小林氏)

 半導体開発競争は、全てを1社で開発する“自前主義”からの脱却をも意味した。四日市工場で2003年から継続する米サンディスクとの協業経験は、「異なる視点からの発想を受け入れる、柔軟な考え方を私たちにもたらした」と小林氏は言う。
「とはいえ、もともと東芝には立場や役割を越えて自由に議論する風土がありました。だからこそ、外資とも協業できたのです」

 こうした風土をさらに強いものにするために、いま四日市工場では先端メモリ開発を中心とした半導体エンジニアの募集が積極的に進められている。

東芝セミコンダクター&ストレージ社 メモリ事業部 事業部長附 小林 英行氏

1984年入社。プロセスインテグレーションを中心に半導体開発に従事。四日市工場第5棟構築プロジェクトチームのPMなどを経験。

プロセス改善のためのアイデアを豊富に発信できる人

 四日市から全世界に向けて、最先端のNANDフラッシュメモリを開発する。荒波への航海を支えた不屈の決意は、“四日市スピリット”とも呼べるものだ。その精神を受け継ぎ、体現する何人かの技術者に話を聞いた。

 先端メモリ開発センター(AMDC)で先端プロセス開発部を率いる山本明人氏は、リソグラフィとドライエッチング以外の、成膜、平坦化、洗浄技術プロセスなどを担当している。
「私たちの仕事はまず新しいデバイスの機能確認から始まります。微細化で寸法誤差が小さくなることで、いま以上に機能を高めることはもちろん、機能検証そのものまでが難しくなっています。しかしそこをブレークスルーしなければならない。その成否は、技術者の個々のアイデアにかかっています」
 と、山本氏は一人ひとりのエンジニアの創造性を強調する。

山本 明人氏
東芝セミコンダクター&ストレージ社
メモリ事業部 先端メモリ開発センター
先端メモリプロセス開発部 部長
山本 明人氏

 例えば成膜工程の前に従来にはない前処理工程をはさんだら、デバイスの機能が向上するのではないか。誰かが提案するとする。その提案に十分な技術的裏付けがあれば、AMDCのプロセスラインではすぐにそれを実験に移す。必要とあれば装置の改造も行う。最初は、小さなユニット単位で、さらにそれをより大きなモジュール単位でテストし、最終的には製品のプロセス全体でテストする。

 一人のアイデアが新しいプロセスを生み出す。山本氏がAMDCの人材として求めるのも、このプロセス改善に向けたアイデアを豊富に発信できる人だ。一人のアイデアから生まれたプロセスの改善を、いかに新しい量産プロセスに仕立てるかも重要だ。たとえ一つの新しいチップが動いたとしても、それを高い歩留まりと信頼性、そしてリーズナブルなコストで量産できなければ意味がない。寸法と形、膜質、コンタミネーション、パーティクルなど、信頼性や歩留まりを高めるための課題は無数にある。ちょっとした揺らぎで、あっという間に歩留まりが落ちる。だからその一つひとつのボトルネックをつぶしていくのだ。

「これらの作業を決められたスケジュール通りに進めていく。この段階では、AMDCだけではなく、製造部門やデバイス技術部門との共同作業になります」  先に小林氏が触れた、開発と量産の距離が近いことが、ここで強みとして発揮される。プロセス側でのイノベーションと、量産工程側でのイノベーションが、即応するように生まれることが次世代メモリ開発においては不可欠なのだ。

先端化で複雑化するプロセス。それをいかに簡略化するか

 プロセス微細化の鍵を握るのは、リソグラフィとドライエッチングの2つといわれた時代がある。製造装置の高度化がデザインルールの世代更新を促すという、ある意味“幸福な”時代だ。もちろんいまでも短波長でより微細なパターンを作るX線リソグラフィ技術などが研究されているし、3次元メモリに向けたドライエッチング技術も日々進化している。

「リソグラフィだけで、あるいはドライエッチングだけで微細化を追求する時代は終わりました。言い替えれば、新しい装置ができればそれでOKということにはならないのです。これからは両者の組み合わせ、さらにこの両者とモジュール・プロセスを高度に組み合わせることが重要です。また、こうした先端メモリ開発が量産技術との連携をより強めていかないと、次世代半導体の競争には勝ち残っていけない」
 と語るのは、AMDCで微細加工開発部を担当する橋本耕治部長だ。ここでも強調されるのは、要素技術力の進化だけに頼らない、インテグレーション力の向上だ。

 しかし一方では、こうした先端メモリ開発が、プロセスの複雑化を生み出すことは避けられない。そして、プロセスの複雑化はそのまま開発・量産コストを押し上げることも事実。複雑化すればコストが高くなる。コストが高まれば競合に敗れる。半導体市場における無常の掟がここにはある。
「複雑化するプロセスをいかに簡略化して、コストを削減するか。まるで相反する課題ですが、その矛盾を突破していかなければならない。新規のアイデアや情報力を総動員して、私たちはその困難な道を進もうとしています」

 こうしたイノベーションのジレンマに突破口を開けるためにも、他分野の技術者の経験が欠かせないと、橋本氏はいう。
「NANDフラッシュ以外のデバイスにおけるプロセス開発、あるいは半導体材料や装置の開発経験を持つエンジニアたち。彼らは単に技術的に必要というだけでなく、我々の技術者組織のあり方を見直すためにも貴重な視点を提供してくれると期待しています」

橋本 耕治氏
東芝セミコンダクター&ストレージ社
メモリ事業部 先端メモリ開発センター
先端メモリ微細加工開発部 部長
橋本 耕治氏
最適解を目指す技術者視点が、自由闊達なコミュニケーションを生む

 東芝という日本を代表する技術者集団。外からは役割分担の明確な、かたい大組織に見えるが、実際は垣根のないフランクなコミュニケーションを身上としている。

「技術者だからこそ、課題があればそれをいい加減に放置せずに、徹底的に解を見つけだす。いい加減に問題を放置するから、次の段階でミスが起こる。それを許さないしつこさが私たちにはあります。ただ、上下関係や部門間の垣根を意識していたのでは、正しい解なんて得られない。常に最適解を求める技術者特有の行動が、全社的に自由闊達なコミュニケーションを生んでいる素地になっている」
 と、冒頭に登場いただいた小林氏は語っていた。

神垣 哲也氏
東芝セミコンダクター&ストレージ社
メモリ事業部 先端メモリ開発センター
先端モジュール技術開発部 部長
神垣 哲也氏

 そうしたコミュニケーションのスタイルを現場で“実証”するのは、AMDC先端モジュール技術開発部の神垣哲也部長だ。同部は今年から新設された部署。AMDC内の先行技術と工場の量産技術をより効率的につなぐためにはモジュール技術を専門的に担う部署が必要だと、神垣氏が自ら提案し認められた。言い出しっぺがまず責任をもって実践するという、きわめて実際的な人のアレンジも、ここでは珍しいことではないという。

「最近転職してきたエンジニアが、技師長クラスと対面でディスカッションする風景もよく見かけます。トップと現場の距離は決して遠くないし、開発と量産はまさにデスクを隣り合わせているといえるぐらい近い関係。“対話会”と呼ばれるテーマごとの合同会議もしょっちゅう催されています。私自身、サンディスクの技術者たちとはよく話しますし、米国への海外出張もよくあります。技術者が世界の顧客の元に出向いて、マーケットニーズを把握する機会も豊富にあります」(神垣氏)

 こうした全方位的なコミュニケーションを通して、エンジニアたちは自らの感性を磨き、その感性と技術力を融合させながら、世界を変える次世代メモリの開発に邁進している。四日市から世界一を目指す、そのスピリットが工場全体から立ちのぼるようだった。

東芝セミコンダクター&ストレージ社 メモリ事業部 先端メモリ開発センター 先端メモリ微細加工開発部 部長 橋本 耕治氏

1988年入社。リソグラフィ技術開発など経て、2013年より現職。

東芝セミコンダクター&ストレージ社 メモリ事業部 先端メモリ開発センター 先端メモリプロセス開発部 部長 山本 明人氏

1985年入社。先端メモリ開発センター先端メモリインテグレーション開発部長を経て、2011年より現職。

東芝セミコンダクター&ストレージ社 メモリ事業部 先端メモリ開発センター 先端モジュール技術開発部 部長 神垣 哲也氏

1988年入社。メモリ事業改革推進部などを経て、2013年より現職。

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