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異種統合|半導体後工程 技術解説

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TECHNOLOGY EXPLAINER

異種統合とは何か
― 「分ける」技術ではなく、「違うものを一緒にする」技術

チップレットと混同されがちな言葉ですが、指している範囲は一段広く、 そして材料の観点からはずっと難しい領域です。 シリコンに、化合物半導体を、光を、同じパッケージへ収めるということの意味を解説します。

構成:IEEE EPS(HIR)・imec・TSMC・SEMI の公表資料を一次情報として使用/最終更新 2026年9月

1つのパッケージの上に、色も質感も異なる複数のダイが並んで搭載されている異種統合の概念イメージ
概念図(AI生成イメージ)。素性の異なる部品を1つのパッケージに統合する構成を表現したものです。実際の製品の構成・材料・配置を示すものではありません。
この記事の構成
  1. 異種統合とは何か(3行でつかむ)
  2. チップレットとの違い ― 混同しやすい2語の整理
  3. 「異なる」には4つの段階がある
  4. 実例1:化合物半導体をシリコンに載せる(imec)
  5. 実例2:光と電気を1つにする(TSMC COUPE)
  6. 素材技術者の視点:3つの不一致
  7. 接合精度は、この8年で何が変わったか
  8. 課題
  9. 用語集/参考資料/出典対応表
本記事の表記ルール

事実=研究機関・団体・メーカーの公表資料に記載のある値(出典リンクあり)
本稿の計算=明示した仮定をもとに本記事が算出した値
未確定/将来=計画・目標であり、量産実績が確認できていない事項

1. 異種統合とは何か(3行でつかむ)

異種統合(Heterogeneous Integration/ヘテロジニアスインテグレーション)には、 業界で参照される定義があります。IEEE電子実装学会(EPS)が主導する Heterogeneous Integration Roadmap(HIR)は、次のように定めています事実。

HIRによる定義

「異種統合とは、別々に製造された部品を、より上位の組立体へ統合することであり、 全体として機能の向上と動作特性の改善をもたらすものを指す」 (IEEE EPS, Heterogeneous Integration Roadmap)

定義のポイントは3つです。

  • 別々に製造された:同じ工場・同じ工程で一度に作ったものではない
  • 上位の組立体へ統合:パッケージという場所で1つにまとめる
  • 全体として向上:個々を足し合わせた以上の性能を狙う

HIRは、IEEE EPS、SEMI、IEEE電子デバイス学会(EDS)、IEEEフォトニクス学会、 ASME EPPD部門が共同で支援しており、 実装・テスト・相互接続の技術要求を今後15年(新興研究領域については25年)にわたって示すものです事実。 その使命は「技術的な課題を、それが進歩の障害になる前に、十分な猶予をもって特定するための指針を示すこと」とされています事実。

2. チップレットとの違い ― 混同しやすい2語の整理

この2つは、しばしば同じ意味で使われます。しかし視点の向きが逆です。

チップレット異種統合
発想の向き分ける(分割)一緒にする(統合)
出発点1枚で作れなくなった大きなチップ1枚では作れない異なる機能・材料
主な動機歩留まり、レチクル限界、コスト単一チップでは不可能、または不経済な機能の実現
典型例演算ダイを複数に分割するシリコンに化合物半導体や光素子を載せる
関係チップレットは、異種統合という広い概念の中の一形態です

imecの3Dシステム統合プログラムのプログラムマネージャーは、SEMIの取材に対して 「異種統合は、機能分割のためのスケーリングブースターであり、 単一チップでは不可能、あるいは経済的に成り立たないようなシステムを作り出す方法だと考えている」と述べています事実 (SEMI, 2018年10月2日)。

「単一チップでは不可能」——ここが、チップレットとの決定的な違いです。 チップレットは、原理的には1枚で作れるものを分けています。 異種統合は、そもそも1枚では作れないものを扱います。

1枚のダイ、似たダイの分割統合、素性の違う複数部品の統合を左から順に示すAI生成概念図
モノリシック1枚のシリコンに機能を作り込む。
チップレット似たシリコンダイに分け、つなぎ直す。
異種統合材料や物理現象の違う部品まで1つにする。
図1 AI生成概念図。3つの用語を「何を1つにするか」で対比した表現です。実際の製品構造や寸法比を示しません。

3. 「異なる」には4つの段階がある

ひとくちに「異種」と言っても、何がどれだけ違うかで難易度はまったく変わります。 本シリーズで扱ってきた技術を、この軸で並べ直すと見通しがよくなります。

製造ノード、機能、材料系、物理現象の違いが左から順に大きくなるAI生成概念図
1 製造ノード先端ノード+成熟ノード。
2 機能ロジック+積層メモリ。
3 材料系シリコン+III-V族化合物半導体。
4 物理現象電気回路+光回路。
図2 AI生成概念図。右へ行くほど、部品間の材料・物理特性の差が大きくなることを表現します。この4段階は本記事による整理で、標準化された分類ではありません。

①と②は、いずれもシリコンどうしです。熱膨張も、洗浄の薬品も、扱いの勘所も共通しています。 ところが③と④では、材料そのものが違います。ここから先が、本来の意味での「異種」です。

4. 実例1:化合物半導体をシリコンに載せる(imec)

2026年6月11日、imecは、InP、GaAs、GaNといったIII-V族材料を、 Si-CMOS技術のスケーラビリティとコスト効率と組み合わせる 300 mm RFシリコンインターポーザのプラットフォームを発表しました事実 (imec)。

なぜ化合物半導体を載せたいのか

シリコンは万能ではありません。高周波(ミリ波・サブTHz帯)での増幅や、 光を出すといった動作は、InPやGaAsなどのIII-V族半導体が得意とする領域です。 一方、大量生産・低コスト・大規模な集積はシリコンの独壇場。 それぞれの得意分野を1つのパッケージで組み合わせようというのが、この取り組みです。

公表されている3つの要素技術

要素公表されている内容
高密度な埋め込みキャパシタ新しいMIMCAP構造により、III-V技術における一般的なオンチップキャパシタと比べて容量密度を10〜100倍に。high-kのアルミニウム・ハフニウム酸化物を、BEOLの3D酸化物スタッド構造と組み合わせる
受動部品のモデリング約300 GHz(サブTHz領域)まで検証済みのフレームワーク。形状が変わったときの回路性能を正確に予測できる
レーザーアシストボンディングアライメント精度600 nm未満、43デバイスにわたって回転ずれ0.05°未満。110〜170 GHz帯で反射−15 dB未満の性能を維持

すべて事実(imec 2026年6月11日発表)。研究プラットフォームの成果であり、量産水準を示すものではありません。

素材技術者が注目すべき点

「43デバイスにわたって回転ずれ0.05°未満」という指標の出し方に注目してください。 平行移動のずれ(600 nm)だけでなく、回転を別指標として管理しています。

これは高周波回路ならではの事情です。ミリ波・サブTHz帯では、 配線の長さや相対角度のわずかな違いが、そのまま特性のばらつきになります。 「つながっているかどうか」ではなく「どれだけ正確な位置と向きで置かれたか」が性能を決める—— 接合が機械的な工程から、電気特性を作り込む工程へ変わっていることを示しています。

色味の異なる小さな化合物半導体のチップが、大きなシリコンインターポーザの上に精密に配置されている概念イメージ
図3 概念図(AI生成イメージ)。異なる材料系のチップをシリコン上に配置する構成を表現したものです。実際の材料の色・寸法・配置を示すものではありません。

5. 実例2:光と電気を1つにする(TSMC COUPE)

もう一段難しいのが、電気と光という異なる物理現象を同じパッケージに収めることです。

TSMCのCOUPE(COmpact Universal Photonic Engine)は、 SoIC-Xのチップ積層技術を用いて、電気ダイを光ダイの上に積層する技術です事実。 TSMCは、この構成がダイ間インタフェースで最も低いインピーダンスを実現し、 従来の積層方式より高いエネルギー効率をもたらすと説明しています事実 (TSMC, 2024年4月24日)。

時期についても公表されています。2025年に小型プラガブル向けの認定、 2026年にCoWoSへ統合してコパッケージドオプティクス(CPO)として提供し、 光接続をパッケージの中まで持ち込む計画です事実。

構造が「機械的に弱くない」ことの価値

TSMCの技術論文は、COUPEについて 「グレーティングカプラでもエッジカプラでも、空洞や機械的に弱い部分のない中実(solid)な構造であり、 それゆえ汚染や機械的な懸念なしに低い挿入損失を実現できる」と述べています事実 (TSMC Research, 2021)。

光学部品では、光を通すために空洞を設ける構造が採られることがあります。 しかし空洞は、機械的な弱点であり、汚染物の溜まり場でもあります。 光学性能のための構造が、実装の信頼性を損なう—— この対立を「中実で作る」ことで回避した、というのがこの一文の意味です。 異種統合では、性能の理屈と実装の理屈がしばしば衝突します。

光導波路を持つダイの上に電気回路のダイが積層され、光ファイバーが側面から接続されている概念イメージ
図4 概念図(AI生成イメージ)。光ダイと電気ダイを積層する構成を表現したものです。実際の光学構造・結合方式・寸法を正確に示すものではありません。

6. 素材技術者の視点:3つの不一致

異種統合が難しい理由を、材料の側から整理すると3つの不一致に集約できます。

熱膨張、プロセス温度、清浄度の3つの不一致を並べたAI生成概念図
熱膨張の不一致同じ温度変化でも伸びる量が違い、接合部に応力が集中する。
プロセス温度の不一致完成済みの素子を壊さない、局所的で低温の接合が必要になる。
清浄度の不一致混ぜたくない材料は別工程で作り、完成後にパッケージで会合させる。
図5 AI生成概念図。材料工学・プロセス上の一般的な関係を定性的に整理したものです。特定材料の物性値や工程条件、解析結果は示しません。

SEMIとimecが挙げる材料への要求

先に引用したSEMIの取材記事では、imecのプログラムマネージャーが、 異種統合の進展によって材料が限界まで押し上げられていると述べ、 具体的に次の材料群を挙げています事実。

  • TBM(一時接着材料)——薄いダイを扱うために、一時的に貼って後で剥がす材料
  • WLUF(ウェハレベルアンダーフィル)
  • 微細なライン/スペースのための感光性ポリマー(→「RDL(再配線層)」編で詳述)

さらに、ダイ・ツー・ウェハの組立技術については 「アライメントと清浄度の面で、10 µmを大きく下回るピッチへの到達がまだ課題である」と述べられていました事実。 ——これは2018年時点の発言です。次章で、その後何が起きたかを見ます。

7. 接合精度は、この8年で何が変わったか

異種統合が「概念」から「製品」へ移るかどうかは、 違うものをどれだけ正確に置けるかにかかっています。 公表されている数値を時系列で並べると、その進み方が見えます。

公表値で見る、接合精度の進展 2018年10月(SEMI/imec) ダイ・ツー・ウェハは「10 µmを大きく下回るピッチ」に アライメントと清浄度の面で未到達 2024年5月(imec) D2Wハイブリッドボンディングで2 µmピッチを実証 オーバーレイ誤差 350 nm未満/プラズマダイシングを採用 2026年6月(imec) III-Vチップレットをレーザーアシストボンディングで接合 アライメント 600 nm未満/回転ずれ 0.05°未満 「まだ届かない」と語られていた領域が、8年で実証段階に入りました
図6 公表値にもとづく作図。いずれも各時点の公表内容であり、量産水準を示すものではありません。3件は目的も測定条件も異なるため、単純な連続した進歩として比較できるものではありません。
この図の読み方について

3つの数値はそれぞれ別の技術・別の測定条件のものです(D2Wハイブリッドボンディングとレーザーアシストボンディングは異なる接合方式です)。 同じ物差しで並べた比較ではなく、「かつて課題とされた領域に、実証が届きつつある」という流れを示すための図として扱ってください。

8. 課題

(1) 熱 ― 発熱密度の違うものが同居する

異種統合では、消費電力も放熱特性も異なる部品が1つの筐体に入ります。 演算ダイは高温になり、光素子は温度変化に敏感で、化合物半導体は別の温度特性を持つ。 1つの冷却設計で全員を満足させることが難しくなります。

(2) 設計 ― どの機能をどの層に置くか

SEMIの取材でも、まず設計が課題として挙げられていました。 「大きなチップを分解するなら、どう再構成するか、どの機能をどの階層に置くかを決めなければならない。 それを手作業ではなく、設計者を支援するツール群で行いたい」事実。

(3) テスト

異なる工場で作られた部品を集めて組み立てる以上、 組立前に各部品が良品であることを確かめられなければ、統合の利点が消えます。 しかも、光素子や高周波素子の良否判定は、ロジックのそれとは別の設備を要します。

同じパッケージ上で、高温になるダイと低温のままのダイが隣り合い、温度分布が不均一になっている概念イメージ
図7 概念図(AI生成イメージ)。発熱特性の異なる部品が同居することで温度分布が不均一になるという定性的な関係を表現したものです。温度分布の解析結果や具体的な温度を示すものではありません。

9. 用語集

異種統合
Heterogeneous Integration。別々に製造された部品を上位の組立体へ統合し、全体として機能と動作特性を高めること。
HIR
Heterogeneous Integration Roadmap。IEEE EPSらが主導する業界ロードマップ。
モノリシック
1枚のシリコンに全機能を作り込む方式。異種統合の対極。
III-V族半導体
InP、GaAs、GaNなど。高周波動作や発光に優れ、シリコンが不得意な領域を担う。
InP
リン化インジウム。光通信用の発光・受光素子に使われる。
GaN
窒化ガリウム。高周波・高出力の電力素子に使われる。
MIMCAP
金属-絶縁体-金属キャパシタ。配線層に作り込むコンデンサ。
high-k
誘電率の高い絶縁材料。小さな面積で大きな容量を得るために使う。
BEOL
Back End Of Line。トランジスタ形成後の配線形成工程。
レーザーアシストボンディング
レーザーで局所的に加熱して接合する方式。周囲への熱負荷を抑えられる。
シリコンフォトニクス
シリコン上に光回路を形成する技術。
CPO
Co-Packaged Optics。光部品をプロセッサと同一パッケージに収める実装。
EIC/PIC
電気集積回路/光集積回路。COUPEはこの2つを積層する。
グレーティングカプラ/エッジカプラ
光ファイバーとチップ上の導波路をつなぐ2つの方式。
挿入損失
部品を通ることで失われる信号の量。小さいほどよい。
TBM
Temporary Bond Material。薄いダイを扱うため一時的に貼り付ける材料。
WLUF
Wafer Level UnderFill。ウェハの段階で施すアンダーフィル。

10. 参考資料(一次情報)

  1. IEEE EPS「Heterogeneous Integration Roadmap」 — eps.ieee.org
  2. imec「imec unlocks system-level III-V chiplet integration on Si-CMOS, advancing its 300mm RF silicon interposer」2026年6月11日 — imec-int.com
  3. imec「imec demonstrates die-to-wafer hybrid bonding with Cu interconnect pad pitch of 2µm」2024年5月29日 — imec-int.com
  4. SEMI「3D Heterogeneous Integration Drives Demand for New Materials and Integration Solutions」2018年10月2日(imec Gerald Beyer氏への取材) — semi.org
  5. TSMC「TSMC Celebrates 30th North America Technology Symposium…」2024年4月24日(COUPEの説明を含む) — pr.tsmc.com
  6. TSMC Research「Heterogeneous Integration of a Compact Universal Photonic Engine for Silicon Photonics Applications in HPC」2021 — research.tsmc.com
  7. TSMC「CoWoS®」技術ページ — 3dfabric.tsmc.com

11. 主張と出典の対応表(監査)

本文の主張根拠区分
異種統合の定義:別々に製造された部品をより上位の組立体へ統合し、全体として機能と動作特性を向上させることIEEE EPS / HIR[参考資料 1]https://eps.ieee.org/technology/heterogeneous-integration-roadmap/事実
HIRはIEEE EPS、SEMI、IEEE EDS、IEEEフォトニクス学会、ASME EPPDが支援。実装・テスト・相互接続の技術要求を15年(新興領域は25年)にわたり示す。使命は課題を障害になる前に特定する指針を示すことIEEE EPS / HIR[参考資料 1]https://eps.ieee.org/technology/heterogeneous-integration-roadmap/事実
imec:異種統合は機能分割のためのスケーリングブースターであり、単一チップでは不可能または不経済なシステムを作る方法SEMI 取材記事(2018/10/2)[参考資料 4]https://www.semi.org/en/blogs/technology-trends/materials-and-processes-for-3d-heterogeneous-integration事実
imec:III-V(InP、GaAs、GaN)とSi-CMOSを組み合わせる300 mm RFシリコンインターポーザ。MIMCAPで容量密度10〜100倍(high-k アルミニウム・ハフニウム酸化物+3D酸化物スタッド)。モデリングは約300 GHzまで検証。レーザーアシストボンディングでアライメント600 nm未満、43デバイスで回転ずれ0.05°未満、110〜170 GHzで反射−15 dB未満imec プレスリリース(2026/6/11)[参考資料 2]https://www.imec-int.com/en/press/imec-unlocks-system-level-iii-v-chiplet-integration-si-cmos-advancing-its-300mm-rf-silicon事実
TSMC COUPE:SoIC-Xで電気ダイを光ダイの上に積層。ダイ間インタフェースで最低インピーダンス、従来方式より高いエネルギー効率。2025年にプラガブル認定、2026年にCoWoSへCPOとして統合TSMC プレスリリース(2024/4/24)[参考資料 5]https://pr.tsmc.com/english/news/3136事実
COUPEはグレーティングカプラ・エッジカプラいずれでも空洞や機械的に弱い部分のない中実構造であり、汚染や機械的懸念なしに低挿入損失を実現TSMC Research 論文(2021)[参考資料 6]https://research.tsmc.com/page/on-chip-interconnect/14.html事実
材料への要求としてTBM、WLUF、微細L/S向け感光性ポリマーが限界まで押し上げられている。D2Wは10 µmを大きく下回るピッチへアライメントと清浄度の面で未到達(2018年時点)。設計をツールで支援したいという課題SEMI 取材記事(2018/10/2)[参考資料 4]https://www.semi.org/en/blogs/technology-trends/materials-and-processes-for-3d-heterogeneous-integration事実
imec D2Wハイブリッドボンディング 2 µmピッチ、オーバーレイ350 nm未満、プラズマダイシングimec プレスリリース(2024/5/29)[参考資料 3]https://www.imec-int.com/en/press/imec-demonstrates-die-wafer-hybrid-bonding-cu-interconnect-pad-pitch-2mm事実
「異なる」の4段階という分類本記事による整理。業界で標準化された分類ではない解説
3つの不一致(熱膨張・プロセス温度・清浄度)、回転精度が高周波特性に効くこと、発熱特性の違いが冷却設計を難しくすること材料工学・プロセス上の一般的な関係にもとづく解説。特定製品の数値主張は行っていない解説
図6の3つの数値が同一条件の比較ではないこと各出典の測定条件・技術が異なるため、本文および図注で明示解説

最終更新:2026年9月20日/出典は一次情報(標準化団体・研究機関・メーカーの公式発表および技術資料)に限定しています。 図はすべて説明用の概念図です。図6は公表値と注意書きを正確に保つためのベクター作図、それ以外はAI生成イメージです。AI生成図は実際の製品写真・断面写真・寸法比・解析結果を示すものではありません。