表面を平らにする：平坦化と研磨

ウェーハの表面を平らにする平坦化の必要性と、化学機械研磨（CMP）の仕組みを説明する。薬液と研磨剤、研磨のパッド、余分な銅の除去、削る量の管理、研磨後の洗浄を扱う。

なぜ、平らにするのか

チップは、膜を何層も重ねて作る。層を重ねるたびに、表面には、下の回路による凹凸が生じる。凹凸が積み重なると、次の工程に支障が出る。

たとえば、回路の形を写す露光では、光の焦点が合う範囲が、ごく狭い。表面に凹凸があると、高い所と低い所で、焦点が合わず、形が正しく写らない。また、凹凸の上に配線を作ると、切れたりつながったりしやすい。そこで、層を重ねる合間に、表面を平らにする工程が入る。

化学機械研磨

表面を平らにする代表的な方法が、化学機械研磨（CMP）である。名前のとおり、化学の働きと、機械の働きを合わせて削る。

ウェーハを、下向きに、回転する研磨のパッドに押し当てる。パッドの上には、研磨剤を含んだ液体（スラリー）を流す。スラリーの薬液が表面を化学的に変え、研磨剤の粒が機械的に削る。この二つが合わさって、高い所から先に、なめらかに削れる。

化学と機械を合わせる理由

機械の力だけで削ると、表面に深い傷が付きやすい。化学の力だけでは、削るのに時間がかかり、平らにもなりにくい。両方を合わせることで、傷を抑えながら、平らに削れる。

スラリーの成分は、削る膜の種類ごとに選ばれる。絶縁の膜を削るもの、金属を削るものなど、目的に合わせて使い分ける。

配線を作るための研磨

CMPは、銅の配線を作る工程でも使われる。あらかじめ絶縁の膜に溝を掘り、その上から銅を全面に付ける。すると、溝の中にも、溝の外にも銅が付く。溝の外の余分な銅を、CMPで削り取ると、溝の中にだけ銅が残り、配線になる。この方法を、ダマシンと呼ぶ。

このとき、銅は削るが、下の絶縁の膜は削りすぎない、という選び分けが大切である。スラリーと条件を工夫して、止めたい所で、研磨が止まるようにする。

削る量の管理

CMPで難しいのは、削る量を、ちょうどよく管理することである。削りすぎると、必要な膜が薄くなったり、配線が細くなったりする。削り足りないと、余分な膜が残る。

そこで、研磨の途中で、削る量や膜の厚さを測り、狙いの所で止める。また、表面の回路の形によって、削れやすさが変わるので、広い配線の中央が凹むなど、研磨のむらが生じることがある。設計と工程の両方で、むらを抑える工夫をする。

研磨の後は、洗う

CMPの後のウェーハには、研磨剤の粒や、削りくずが残っている。これらは、不良の原因になるので、研磨の後には、洗浄の工程が続く。洗浄は、ウェーハを傷めないように、慎重に行う。

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