CMP は Chemical Mechanical Polishing の略で、化学反応と機械研磨を組み合わせてウェーハ表面を平坦化する工程である。半導体チップは何層もの膜と配線を積み上げて作るため、各層の表面が平坦でないと次のリソグラフィで焦点が合わなくなる。
単に表面をきれいに磨く工程ではない。残したい場所を残し、削りたい場所だけを狙った厚さまで削り、ウェーハ全面で均一に止める必要がある。
なぜ平坦化が必要か
成膜とエッチングを繰り返すと、表面には段差ができる。段差が大きいまま次の層を作ると、次のような問題が起きる。
- 露光時に焦点が合わず、線幅がばらつく
- 薄膜が段差で切れ、断線する
- エッチング深さが場所によって変わる
- 配線を多層に積み上げにくくなる
- 後工程で応力や剥離が起きやすくなる
微細化が進むほど焦点深度は浅くなるため、平坦性はリソグラフィ性能を引き出す前提条件になる。
仕組み
CMP では、ウェーハを研磨パッドに押し当て、スラリーを流しながら回転させる。スラリーには、化学反応を進める成分と、機械的に削る微粒子が含まれる。
- 表面で化学反応により削れやすい層を作る
- 研磨粒子とパッドでその層を機械的に取り除く
- 新しい表面が露出し、再び反応が進む
この繰り返しで、硬い材料や金属を制御しながら削る。純粋な機械研磨だけでは傷が増え、純粋な化学エッチングだけでは平坦化しにくい。両方を組み合わせる点が CMP の特徴である。
代表的な用途
CMP は多くの場所で使われる。
| 用途 | 何をするか |
|---|---|
| STI | 溝に埋めた酸化膜を平坦化し素子分離を作る |
| 層間絶縁膜 | 配線層の前に表面段差を減らす |
| タングステンプラグ | コンタクト穴に埋めた W の余分を削る |
| 銅配線 | ダマシン配線で溝外の Cu を除去する |
| 先端構造 | GAA や 3D 構造の高さを揃える |
特に銅配線では、銅をドライエッチングで加工しにくいため、絶縁膜に溝を作って銅を埋め、CMP で余分な銅を取り除くダマシンプロセスが重要になる。
欠陥とばらつき
CMP では削り方のわずかな差が配線抵抗や段差として残る。
- ディッシング: 広い金属配線の中央が皿状に削れすぎる
- エロージョン: 配線密度が高い領域で絶縁膜ごと削れすぎる
- スクラッチ: 研磨粒子や異物で表面に傷が入る
- パーティクル残り: 研磨後の粒子が欠陥になる
- 腐食: 金属表面が化学的に荒れる
- ウェーハ端ばらつき: 端部で圧力や流れが変わる
パターン密度によって削れ方が変わるため、回路設計側ではダミーパターンを入れて密度を均一化することがある。CMP は製造工程でありながら、レイアウト設計にも制約を与える。
終点検出と洗浄
CMP では、目的の層まで削れたところで止める必要がある。時間だけで管理すると、膜厚ばらつきやパッド状態の変化で削りすぎることがある。そのため、摩擦、光学信号、モータ電流、膜厚測定などを使って終点を検出する。
研磨後にはスラリー粒子や金属汚染を除去する洗浄が必要である。CMP 後の洗浄が不十分だと、せっかく平坦化した表面に欠陥が残り、次工程でショートや断線につながる。
CMP は「削る工程」だが、目的は形状をリセットして次の層を作れる状態に戻すことである。多層配線と立体トランジスタの時代には、平坦化は微細加工そのものと同じくらい重要である。