ウエハの研磨　なぜ研磨が必要なのか？CMPとは何か？

この記事で分かること

ウエハの研磨

　半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。

　今回はウエハの研磨とCMPの概略についての解説となります。

半導体の前工程とは

　半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。

　主な前工程は以下の通りです。

ウェハ準備

　シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。

• スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
• 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
• 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。

成膜

ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。

• 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。

フォトリソグラフィ

ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。

• 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
• 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。

エッチング

　フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。

• エッチングには、液体を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。

不純物導入（ドーピング）

　半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。

• イオン注入法などが用いられます。

平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）

表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。

• 化学的な腐食と механическая研磨を同時に行います。

配線形成（メタライゼーション）

形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。

• スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。

これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。

ウエハの研磨とは何か

　半導体前工程におけるウエハの研磨は、半導体デバイス製造の基盤となるシリコンウエハの表面を平坦かつ滑らかに仕上げるための重要なプロセスです。

目的

• 平坦性の向上: ウエハ表面の微細な凹凸を取り除き、均一な平坦性を実現します。これにより、後のフォトリソグラフィー工程での露光精度を高め、微細な回路パターンを正確に形成することが可能になります。
• 表面粗さの低減: ウエハ表面の微細な傷やざらつきをなくし、極めて滑らかな鏡面のような状態にします。これにより、薄膜の成膜やエッチングなどの後続工程での均一性を確保し、デバイスの性能と信頼性を向上させます。
• 不純物や欠陥の除去: ウエハ表面に付着した微細なパーティクルや、結晶内部の微小な欠陥などを除去し、ウエハの清浄度を高めます。これにより、デバイスの不良発生を抑制し、歩留まりを向上させます。

主な研磨方法

　半導体ウエハの研磨には、主に以下の方法が用いられます。

• ラッピング (Lapping): 比較的粗い研磨材と研磨液を用いて、ウエハ表面の不要なシリコン層を механически (機械的に) 除去し、大まかな平坦性を得るための предварительный (予備的な) 研磨です。
• ポリッシング (Polishing): より微細な研磨材と химически активные (化学的に活性な) 研磨液を用いて、ラッピング後のウエハ表面をさらに滑らかに、鏡面状に仕上げる основной (主要な) 研磨です。近年では、化学的機械研磨 (CMP: Chemical Mechanical Polishing) が主流となっています。CMPは、 механическое (機械的な) 研磨と химическое (化学的な) エッチングを одновременно (同時に) 行うことで、 високую (高い) 平坦性と низкую (低い) 表面粗さを実現します。
• 両面研磨 (Double-Side Polishing): ウエハの обе стороны (両面) を同時に研磨する方法で、ウエハの厚さの均一性を高め、反りを抑制する効果があります。

CMPとは何か

　CMP（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）は、半導体ウェーハの表面を原子レベルで平坦化するための非常に重要な技術です。

　微細化が進む現代の半導体デバイス製造において、多層構造を形成し、 високую (高い) 集積度と性能を実現するために不可欠な工程となっています。

CMPの基本的な原理

　CMPは、機械的な 研磨と化学的な エッチングという 二つの作用を組み合わせることで、ウェーハ表面の不要なCMP（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）は、半導体ウェーハの表面を原子レベルで平坦化するための非常に重要な技術です。

　微細化が進む現代の半導体デバイス製造において、多層構造を形成し、高い集積度と性能を実現するために不可欠な工程となっています。

CMPの基本的な原理

CMPは、機械的な研磨と化学的なエッチングという二つの作用を組み合わせることで、ウェーハ表面の不要な材料を高い精度で除去し、平坦な表面を作り出します。

• 機械的研磨: ウェーハは、通常ポリウレタンなどの多層構造の研磨パッドの上に固定され、回転します。研磨パッドには、微細な砥粒 (abrasive particles) を含むスラリー (slurry) と呼ばれる液体が供給されます。この砥粒が、ウェーハ表面を機械的に削り取ります。
• 化学的エッチング: スラリーには、化学的な添加剤 (chemical additives) も含まれており、これらがウェーハ表面の材料と化学的に反応し、表面を柔らかくしたり、溶解性の化合物に変えたりします。これにより、機械的な研磨がより効率的に進行します。

CMPの主な目的

1. グローバルな平坦化：ウェーハ全体のマクロな凹凸を低いレベルに抑えます。
2. ローカルな平坦化： ウェーハ表面の微細なパターンによる段差を低いレベルに抑えます。これにより、後続の薄膜形成やリソグラフィー工程での精度が向上します。
3. 表面欠陥の除去: ウェーハ表面の微細な傷やパーティクルを除去し、デバイスの信頼性を高めます。
4. 特定の材料の選択的除去: 化学的な作用を調整することで、複数の薄膜が存在する場合に、特定の層だけを選択的に研磨することができます。

CMPで研磨される主な材料

• 酸化シリコン (SiO₂)
• 窒化シリコン (Si₃N₄)
• 金属 (タングステン (W)、銅 (Cu)、アルミニウム (Al) など)
• ポリシリコン (poly-Si)
• 低誘電率 (Low-k) 絶縁膜