【半導体】CMPとは？平坦化の原理

CMPとは？

薬品による化学的(Chemical)研磨作用と、砥石による機械的(Mechanical)研磨作用を用いることから、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)と呼ばれています。

ウェーハをキャリアと呼ばれる部材で保持し、化学物質・砥粒を含んだスラリーを流しながらウェーハと研磨パッドを接触・回転させることで、ウェーハを平坦に磨き上げます。
⇒CMPの様子(動画)

近年の半導体デバイスは3次元化が進み形状が複雑化しています。3次元構造は「成膜とCMP」を繰り返すことで形成されるため、半導体製造においてCMPは非常に重要な工程です。

CMPの原理

CMPでは化学薬品と砥粒を含むスラリーで、化学的作用と機械的作用を用いながら研磨します。

• 化学的作用(ケミカル)

化学薬品で研磨表面を変質・溶解させることで、砥粒による機械研磨をアシスト。

• 機械的作用(メカニカル)

スラリーに含まれる砥粒による物理的作用で表面を研磨。

化学的作用によってウェーハ表面を変質させることで、研磨剤単体で研磨する場合に比べ、加工速度や品質を向上させることが出来ます。

CMPの例：CeO₂によるSiO₂研磨

CMPの原理をもう少し詳しく見ていきましょう。ここではCeO₂砥粒によるSiO₂の研磨を例にします。

SiO₂の研磨はCeO₂砥粒による化学研磨作用により、研磨レートが大きく向上することが知られています。研磨レート増大のメカニズムは以下の通りです。

1. CeO₂中のCe₃₊生成

CeO₂は通常酸素空孔を含むため、Ceの一部がCe₃₊として存在(電荷中性のため)。

2. Ce₃₊による電子供与

Ce₃₊からSi-O結合の反結合性軌道に電子が供与

3. Si-O結合の弱まり

電子供与によりSi-O結合が伸長し、結合が弱まる

4. 機械研磨による除去

CeO₂砥粒による機械研磨でSiO₂が除去

このように、CMPではスラリー中に含まれる化学成分が基板表面と化学反応を起こすことで、機械研磨レートが向上します。

CMPを利用する工程

半導体製造工程の中で、CMPを利用するものを以下の表にまとめました。