化学機械研磨

化学機械研磨（CMP）（化学機械平坦化とも呼ばれる）は、化学的力と機械的力を組み合わせて表面を滑らかにするプロセスです。化学エッチングと自由研磨研磨のハイブリッドと考えることができます。^[1]半導体業界では、集積回路製造プロセスの一環として半導体ウェハを研磨するために使用されます。 ^[2]

このプロセスでは、研磨性および腐食性の化学スラリー（通常はコロイド）を、通常はウェーハよりも直径が大きい研磨パッドおよび保持リングと組み合わせて使用​​します。パッドとウェーハは、動的研磨ヘッドによって押し付けられ、プラスチック製の保持リングで所定の位置に保持されます。動的研磨ヘッドは、異なる回転軸（つまり、同心ではない）で回転します。これにより材料が除去され、不規則な地形が均一になり、ウェーハが平らになります。これは、追加の回路要素の形成のためにウェーハをセットアップするために必要な場合があります。たとえば、CMP では、表面全体をフォトリソグラフィーシステムの被写界深度内に収めることも、位置に基づいて選択的に材料を除去することもできます。最新の 22 nm テクノロジでは、 一般的な被写界深度要件はオングストロームレベルまで下がります。

右図のような典型的な CMP ツールは、パッドで覆われた非常に平坦なプレートを回転させることによって構成されます。研磨されるウェーハは、バッキングフィルム上のキャリア/スピンドルに上下逆さまに取り付けられます。保持リング (図 1) は、ウェーハを正しい水平位置に維持します。ツールへのウェーハのロードおよびアンロードのプロセス中、ウェーハはキャリアによって真空で保持され、不要な粒子がウェーハ表面に蓄積するのを防ぎます。スラリー導入機構は、図 1 のスラリー供給部で示されるパッドにスラリーを堆積します。次に、プレートとキャリアの両方が回転し、キャリアは振動し続けます。これは、図 2 の上面図でよりよくわかります。下向きの圧力/下向きの力がキャリアに適用され、キャリアをパッドに押し付けます。通常、下向きの力は平均力ですが、除去機構には局所的な圧力が必要です。下向きの力は接触面積に依存し、接触面積はウェーハとパッドの両方の構造に依存します。通常、パッドの粗さは 50 μm です。接触は凹凸 (通常はウェーハの高所) によって行われるため、接触面積はウェーハ面積のほんの一部にすぎません。CMP では、ウェーハ自体の機械的特性も考慮する必要があります。ウェーハがわずかに湾曲した構造になっている場合、圧力は中央よりもエッジに大きくなり、研磨が不均一になります。ウェーハの湾曲を補正するには、ウェーハの裏側に圧力をかけると、中央とエッジの差が均等になります。CMP ツールで使用するパッドは、ウェーハ表面を均一に研磨するために剛性が必要です。ただし、これらの剛性パッドは常にウェーハと一直線に保たれている必要があります。そのため、実際のパッドは、ウェーハの地形にある程度適合する、柔らかい材料と硬い材料のスタックであることが多いです。通常、これらのパッドは、孔径が 30 ～ 50 μm の多孔質ポリマー材料で作られており、プロセス中に消費されるため、定期的に再調整する必要があります。ほとんどの場合、パッドは独自のものであり、化学的特性やその他の特性ではなく、商標名で呼ばれるのが一般的です。

化学機械研磨または平坦化は、化学的力と機械的力を組み合わせて表面を滑らかにするプロセスです。化学エッチングと自由研磨研磨のハイブリッドと考えることができます。

1990 年頃までは、CMP は「汚い」ため高精度の製造プロセスには使えないと考えられていました。研磨によって粒子が生成される傾向があり、研磨材自体にも不純物が混じっているからです。それ以降、集積回路業界ではアルミニウムから銅の導体に移行しました。このため、CMP のユニークな機能である平面かつ均一な方法で材料を除去し、銅と酸化物絶縁層の界面で繰り返し停止するという機能を利用した付加的なパターン形成プロセスの開発が必要でした (詳細については銅の相互接続を参照してください)。このプロセスの採用により、CMP 処理はより広く普及しました。アルミニウムと銅に加えて、タングステン、二酸化ケイ素、(最近では) カーボンナノチューブを研磨するための CMP プロセスが開発されました。^[3]

現在、CMP には研磨プロセス中に現れるいくつかの制限があり、新しい技術の最適化が必要です。特に、ウェーハ計測の改善が必要です。さらに、CMP プロセスには、応力亀裂、弱い界面での剥離、スラリー化学物質による腐食攻撃など、いくつかの潜在的な欠陥があることがわかっています。今日の業界で最も古く、最も使用されている酸化物研磨プロセスには、エンドポイントがないためブラインド研磨が必要になり、必要な量の材料が除去されたか、必要な程度の平坦化が達成されたかを判断するのが難しくなるという問題があります。このプロセス中に酸化物層が十分に薄くならなかった場合、および/または必要な程度の平坦化が達成されなかった場合、（理論的には）ウェーハを再研磨できますが、実際には、これは製造上魅力的ではなく、可能な限り避ける必要があります。酸化物の厚さが薄すぎたり、不均一すぎたりすると、ウェーハを再加工する必要がありますが、これはさらに魅力のないプロセスであり、失敗する可能性があります。当然ながら、この方法は、技術者がこのプロセスを実行する際により注意を払う必要があるため、時間とコストがかかります。

シャロー トレンチ アイソレーション(STI) は、半導体デバイスの製造に使用されるプロセスで、デバイスとアクティブ領域間の分離を強化するために使用される技術です。さらに、STI は平面度が高いため、フォトリソグラフィアプリケーションでは不可欠であり、最小線幅を狭めて焦点深度を制限できます。シャロー トレンチを平坦化するには、レジスト エッチバック (REB) と化学機械研磨 (CMP) を組み合わせた一般的な方法を使用する必要があります。このプロセスは、次のようなシーケンス パターンで実行されます。まず、アイソレーション トレンチ パターンがシリコン ウェーハに転写されます。ウェーハ上にトレンチの形状で酸化物が堆積されます。この犠牲酸化物の上に、シリコン窒化物でできたフォト マスクがパターン化されます。2 番目の層がウェーハに追加され、平面が作成されます。その後、シリコンが熱酸化されるため、Si ₃ N ₄がない領域に酸化物が成長し、成長の厚さは 0.5 ～ 1.0 μm になります。水や酸素などの酸化種はマスクを透過できないため、窒化物が酸化を防止します。次に、エッチング プロセスを使用してウェハをエッチングし、アクティブ領域に少量の酸化物を残します。最後に、CMP を使用して、アクティブ領域上の酸化物で 覆われた SiO _{2オーバーバーデンを研磨します。}

• エッチング（微細加工）
• RCAクリーン

• VLSI 時代のシリコン処理 — 第 4 巻ディープ サブミクロン プロセス技術— S Wolf、2002 年、ISBN 978-0-9616721-7-1、第 8 章「化学機械研磨」、313 ～ 432 ページ 

• 「CMP、化学機械平坦化、研磨装置」、Crystec Technology Trading GmbH より、http://www.crystec.com/alpovere.htm より取得
• 「Chemical Mechanical Planarization」、Wang Zengfeng 博士、ying Ling 博士、Ng Sum Huan、および Teo Phaik Luan 著、以下から入手： http://maltiel-consulting.com/CMP-Chemical-mechanical_planarization_maltiel_semiconductor.pdf