CMPは、多層構造を作り続けるために表面を平らへ戻す工程
成膜と加工を繰り返すと段差が積み重なるため、途中で高さをリセットします。
面内の大きな高低差を減らし、次のレジスト塗布と露光を安定させます。
下層の段差を上層へ持ち越しにくくし、多層配線や立体構造を形成します。
溝や穴の内部へ材料を残し、上面の余分な材料を除去して分離します。
Applied Materialsは、CMPがウェーハから材料を除去して平坦面を作り、後続リソグラフィの精度を高め、膜を高さのばらつきを抑えて積層できるようにすると説明しています。荏原製作所も、多層配線を支える表面平坦化としてCMPを位置づけています。
エッチングがマスクを使って必要な形を作る工程であるのに対し、CMPは表面へ接触して高い部分を優先的に除去し、面の高さをそろえる工程です。用途によっては下層材料を研磨停止の目印として使います。
CMPは、化学作用で反応しやすくし、機械作用で取り除く
Chemical Mechanical Planarizationの名前どおり、二つの作用を同時に利用します。
| 作用 | 表面で起こること |
|---|---|
| 化学作用 | 酸化、溶解、錯体化、表面改質などで、対象材料を除去しやすい状態へ変える |
| 砥粒の作用 | スラリー中の微粒子がパッドと表面の間で働き、改質された層を機械的に除去する |
| パッドの作用 | 表面へ圧力と相対運動を伝え、スラリーを保持・供給しながら高い部分へ接触する |
| 流体の作用 | 反応物を届け、除去物と熱を運び、研磨面の状態を保つ |
荏原製作所は、微細な砥粒と薬液を含む研磨液を供給し、回転する樹脂製パッドへ回転するウェーハを押し付けて研磨する仕組みを示しています。フジミインコーポレーテッドも、薬液の化学作用と砥粒の機械作用を組み合わせる複合加工と説明しています。
化学作用だけでは全面が同じように反応し、機械作用だけでは傷や大きな力が問題になりやすくなります。材料表面を選択的に改質し、その薄い範囲を穏やかに除去する循環を作ることが基本です。
CMP装置は、保持・加圧・回転・供給・洗浄を一体で制御する
ウェーハとパッドの接触状態を面内でそろえ、研磨後のスラリーを持ち出さないようにします。
- 01ウェーハを保持
キャリアヘッドで背面を支持し、外周を保持する
→ - 02スラリーを供給
対象材料に合う薬液と砥粒をパッド上へ安定供給
→ - 03加圧・相対運動
ウェーハと定盤を回転させ、領域ごとの圧力を制御
→ - 04終点を判断
時間、光学、トルク、渦電流などで残膜と材料変化を捉える
→ - 05洗浄・乾燥
スラリー、砥粒、研磨くず、薬液残留物を除去して乾燥
キャリアヘッドはウェーハを保持するだけでなく、背面側の複数領域へ異なる圧力を与え、中心から外周まで研磨量を調整します。リテーナリングはウェーハ外周の保持とパッド接触へ影響します。
荏原製作所は、モータートルク、光学、渦電流などを組み合わせる終点検出と、研磨・洗浄・乾燥を装置内で完結するDry-in/Dry-outを示しています。材料によって検出できる信号が違うため、用途に合う方法を選びます。
スラリー・パッド・コンディショナーは、CMP結果を決める主要消耗材
装置設定が同じでも、消耗材の状態と組み合わせで研磨速度と欠陥が変わります。
砥粒、反応剤、酸化剤、pH調整剤、分散剤などを目的に合わせて組み合わせます。
硬さ、弾性、気孔、溝形状で接触、スラリー輸送、平坦化特性が変わります。
使用で変化するパッド表面を整え、スラリー保持と研磨速度を安定させます。
EntegrisはCMPパッドの硬さと気孔を用途に合わせて選べること、スラリーとの材料適合性が必要であることを示しています。荏原製作所はスラリー、パッド、ドレッサーを組み合わせ、領域ごとの研磨圧力を制御すると説明しています。
スラリー中の砥粒が凝集するとスクラッチや粒子欠陥の原因になり、パッド表面が目詰まり・摩耗すると研磨速度と均一性が変わります。流量だけでなく、粒径分布、濃度、温度、使用時間、ろ過、パッド寿命を管理します。
CMPは、酸化膜・金属・半導体など対象材料ごとに設計する
異なる材料を同時に研磨するため、必要な研磨速度の比と停止性が重要です。
溝へ埋めた絶縁膜や層間絶縁膜の余分な部分を除去し、平坦化します。
穴へ埋めたタングステンの上部膜を除去し、絶縁膜内へ導体を残します。
溝へ埋めた銅とバリア膜の上部を除去し、分離した配線パターンを作ります。
ポリシリコンや各種金属を、隣接材料との選択性を保って平坦化します。
多層・立体構造の途中で高さを整え、次の成膜とパターニングへつなぎます。
ウェーハ表面や接合前の面を、必要な平坦度と粗さへ仕上げる用途があります。
フジミインコーポレーテッドは、酸化膜、タングステン、ポリシリコン、銅、バリア膜など用途別のCMP研磨材を示しています。異なる材料が同じ面へ現れるため、どれを速く研磨し、どれで止めるかをスラリーと条件で設計します。
金属CMPでは、表面を反応させて除去しやすくする一方、研磨後の腐食を防ぐ必要があります。絶縁膜CMPでは、膜種間の選択性とパターン密度による高さ差を管理します。
ディッシング・エロージョンは、材料とパターンで研磨量が変わる不良
全面が同じ高さになるとは限らず、幅と密度に依存した局所形状が残ります。
| 代表的な形状・欠陥 | 何が起こるか |
|---|---|
| ディッシング | 幅の広い金属部などが皿状に低くなり、周囲の絶縁膜より沈む |
| エロージョン | 密集パターン領域で金属と周囲の絶縁膜がまとまって低くなる |
| リセス | 特定材料が隣接材料より低く削られ、段差として残る |
| スクラッチ | 凝集粒子、異物、パッド・装置状態などで線状の傷が生じる |
| 残膜・過研磨 | 研磨不足で上部膜が残る、または終点後に必要材料まで除去する |
KLAは銅CMPの三次元形状測定で、ディッシングを周囲の絶縁膜と金属面の高さ差、エロージョンを基準面と密集領域の絶縁膜面の高さ差として扱っています。リセスも隣接材料との高さ差で評価します。
同じ研磨条件でも、広い配線と細い配線、密集部と疎な領域ではパッド接触と材料除去が変わります。デバイス設計側のダミーパターン、スラリー選択性、パッド、圧力分布、終点後の追加研磨を合わせて調整します。
CMP後洗浄は、砥粒・研磨くず・薬液残留物を除去する
CMPは粒子と薬液を使うため、平坦化直後の表面はそのまま次工程へ渡せません。
- 01粗リンス
表面のスラリーと大きな研磨くずを速やかに流す
→ - 02化学・物理洗浄
付着粒子、金属、有機残留物を薬液やスポンジなどで除去
→ - 03純水リンス
薬液と離れた汚染を高純度水で置換・排出
→ - 04乾燥・検査
乾燥跡と再付着を抑え、粒子・傷・膜厚を確認
荏原製作所はCMP後洗浄について、ウェーハへ付着したスラリー、研磨された基板・膜の残留物を除去し、薬液やスポンジによる洗浄と回転・IPAなどによる乾燥で欠陥を減らすと説明しています。
銅など腐食しやすい材料では、洗浄中と乾燥までの時間、pH、溶存成分、酸素との接触も表面状態へ影響します。粒子除去だけでなく、材料表面を次工程に適した状態で止めることが重要です。
CMPでは、研磨速度・均一性・平坦度・欠陥を同時に管理する
速く削るだけでは、薄膜の高さとデバイス特性をそろえられません。
時間あたりの除去量、残膜、終点信号、終点後の追加研磨量を管理します。
中心・外周、チップ間、装置ヘッド間で膜厚と高さをそろえます。
段差、ディッシング、エロージョン、リセスを測定します。
対象膜、停止膜、バリア、金属、絶縁膜の研磨速度比を管理します。
スクラッチ、砥粒残り、金属汚染、乾燥跡、腐食を抑えます。
パッド摩耗、コンディショニング、スラリー流量・粒径・濃度・温度を監視します。
測定には膜厚マッピング、シート抵抗、光学・渦電流の終点信号、段差計・光学プロファイラー、欠陥検査、表面分析などを使います。研磨前後のデータを装置条件と消耗材履歴へ結び付けます。
KLAはCMPのディッシング、エロージョン、リセスを二次元・三次元の表面形状から測定する手法を示しています。局所形状とウェーハ全面の膜厚分布を別々に確認することが重要です。
CMPには、表面化学・トライボロジー・流体・機械・計測が集まる
接触する研磨工程だからこそ、材料と装置の小さな変化が欠陥へつながります。
| 技術・職種 | 主な役割 |
|---|---|
| プロセス | スラリー、パッド、圧力、回転、時間、終点、洗浄を設計する |
| 材料・化学 | 表面反応、砥粒分散、選択性、腐食防止、残留物を解析する |
| 機械・トライボロジー | キャリア、定盤、パッド接触、摩擦、振動、圧力分布を制御する |
| 流体・設備 | スラリー供給、ろ過、純水、薬液、排液、温度と気流を管理する |
| 計測・解析 | 膜厚、平坦度、段差、終点、傷、粒子、電気特性を測る |
| 装置保全 | パッド・リング・ブラシ交換、定盤状態、ヘッド校正、洗浄性能を維持する |
荏原製作所、Applied MaterialsなどがCMP装置、フジミインコーポレーテッドなどがスラリー、Entegrisなどがパッドや流体制御材料、KLAなどが表面形状・膜厚・欠陥計測を提供しています。デバイスメーカーでは各技術を一つの平坦化工程へ統合します。
半導体のCMPでよくある質問
研磨、平坦化、洗浄の役割を整理します。
- 半導体のCMPとは何ですか？
- スラリーの化学作用と、砥粒・研磨パッドの機械作用を組み合わせ、ウェーハ表面の高い部分を除去して平坦化する工程です。多層構造の途中で繰り返し使います。
- CMPとウェーハ研磨は同じですか？
- どちらも研磨を使いますが、CMP記事では主にデバイス形成途中の薄膜や異種材料を選択的に平坦化する工程を扱います。シリコンウェーハ製造時の鏡面研磨とは対象と目的が異なります。
- なぜ化学作用と機械作用を組み合わせますか？
- 化学反応で対象材料の表面を除去しやすくし、パッドと砥粒でその層を取り除くことで、材料選択性、研磨速度、平坦化、欠陥を調整しやすくするためです。
- スラリーとは何ですか？
- 微細な砥粒を液体へ分散し、対象材料に応じた反応剤などを加えた研磨液です。砥粒、薬液、pH、分散状態によって研磨速度と欠陥が変わります。
- ディッシングとエロージョンの違いは？
- ディッシングは主に幅の広い金属部などが皿状に沈む現象です。エロージョンは密集パターン領域で金属と周囲の絶縁膜がまとまって低くなる現象です。
- CMP後になぜ洗浄が必要ですか？
- ウェーハ表面へ残るスラリー砥粒、研磨くず、薬液残留物を除去し、傷、腐食、再付着、乾燥跡を抑えて次工程へ渡すためです。
まとめ｜高い部分を除去し、異種材料の高さをそろえる
CMPは、多層化を続けるために表面を平坦へ戻す工程です。
スラリーの化学作用で対象材料を除去しやすい状態へ変える
パッド、砥粒、圧力、相対運動で改質層を機械的に除去する
終点、均一性、選択性、ディッシング、傷、研磨後洗浄を見る
次の個別記事では、成膜・エッチング・CMPなどの結果を測る検査・計測を取り上げ、膜厚、寸法、重ね合わせ、欠陥を工程へ戻す仕組みを図解します。