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ディッシング（CMP）とは

THEME 02 パターン形成 · CMP・平坦化Dishing
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ディッシングとは、CMPで広い配線の中央が皿状にへこむ現象です。 埋め込んだ金属が周囲の絶縁膜より削れやすい場合に、配線の幅が広いほど深くなります。深さを決めるのは、押し当てたパッドを両側の絶縁膜がどこまで支えられるかです。へこんだ分だけ配線の断面積が減って抵抗が上がるので、ディッシングはCMPの条件だけでなくレイアウト設計とも合わせて抑えます。

パッドが沈み込むので、幅の広い配線ほど中央が落ちる

Section titled “パッドが沈み込むので、幅の広い配線ほど中央が落ちる”

CMPは、研磨パッドで覆われた回転テーブルへウェーハを押し当て、その間へスラリーを供給する方式です1。押し当てる以上、パッドはウェーハ表面の形状に沿ってわずかに変形します。

変形が形状のずれへつながるのは、材料ごとに削れる速さが異なるときです。配線として埋め込んだ金属が周囲の絶縁膜より柔らかく削れやすい場合、金属が露出している領域でパッドが沈み込みます。幅が狭ければ両側の硬い絶縁膜がパッドを支えるので沈み込みは小さく収まり、幅が広いほど支えが遠くなって中央が深くへこみます。

配線幅とパッドの沈み込み
細い配線広い配線押し当てへこみ量両側の絶縁膜がパッドを支える中央でパッドが沈み込む研磨パッド金属配線絶縁膜失われる断面積
細い配線では両側の絶縁膜がパッドを支えますが、幅が広いと支えが遠くなり、柔らかい金属の中央でパッドが沈み込みます。へこんだ分の断面積が失われ、抵抗が上がります。

へこみは配線の断面積を減らし、抵抗を上げます。その量が面内でばらつけば回路の遅延にもばらつきが出て、へこんだ表面の上へ次の層を作れば平坦化のやり直しが要ります。タングステンCMPを扱った韓国精密工学会の論文は、ディッシングとエロージョンが配線の断面積を減らして金属の抵抗を上げ、最終的に半導体の寿命を縮めるとしています2。同じ論文は、チップ内のパターン密度と寸法が、過研磨によるディッシングとエロージョンに大きく影響するとも述べています。

ディッシングは10μmより内側で起きる、配線1本の落ち込み

Section titled “ディッシングは10μmより内側で起きる、配線1本の落ち込み”

平坦性の指標は段差緩和性（Step Height Reduction Ratio）で、研磨前後の段差の差を研磨前の段差で割ったSHR（Step Height Ratio）という比3で表します。基準値以上の領域における平坦性をグローバル平坦性、基準値以下をローカル平坦性と呼び、領域の一般的な基準値は10μmです。ディッシングはこの10μmより内側で起きる形状のずれで、面内の傾きや反りとは別に、1本の配線の内側で起きる落ち込みです。

理想的な研磨面を越えて研磨され膜全体が薄くなる状態はシンニング、研磨で生じたウェーハ表面の傷はスクラッチと呼んで区別します。ディッシングの規格を守るために研磨量を絞り込むと、こんどは金属の残りとしてエロージョンやスクラッチの判定条件へ跳ね返ります。3つの規格を同時に満たす窓がプロセスウィンドウです。

沈み込みの深さは、選択比とパッドの硬さで決まる

Section titled “沈み込みの深さは、選択比とパッドの硬さで決まる”

選択比は、同一スラリーで異なる材料を研磨したときのレート比で、材料AとBのレートをa、bとすればA基準で1:b/aと書きます。金属側のレートが絶縁膜側より大きいほど、金属が露出した領域だけが先に落ち込みます。タングステンのCMPでは、絶縁膜での低選択性スラリーの適用が平坦性改善の手段になります4。選択比を下げる方向が平坦性側へ働くという関係です。

もう一方の因子はパッドです。ニッタ・デュポンのIC1000™は5、50mil Type A6の規格として厚み1.17〜1.37mm、圧縮率0.5〜4.0%、硬度Shore-D 52〜62、密度0.77〜0.83g/cm³です。圧縮率が沈み込み量の素性で、硬度が支えの強さです。同社の研磨パッド製品は6、ウェーハ欠陥低減、ウェーハ端部平坦性、ウェーハ端部形状追従性、コスト低減、バッチ間安定性、低エロージョン、段差解消性、高研磨レートの8項目の機能（課題）で絞り込めます。低エロージョンと段差解消性がパッドの選択項目に並ぶのは、パッドの変形量がそのまま局所の落ち込み量になるためです。CMPパッドを硬い側へ替える判断は、ディッシング対策の第一手になります。

パッドに砥粒を固定する方式もあります。韓国精密工学会の論文は、固定砥粒パッド（FAP）の砥粒濃度を下げるとパターン選択性が上がり、チップ内を均一に削って過研磨を減らせるとしています。提案したFAPと薬液でタングステンのパターンウェーハを研磨し、ディッシングとエロージョンの減少を確認した2と報告しています。

表面保護剤は、凹部を守って凸部だけを削らせる

Section titled “表面保護剤は、凹部を守って凸部だけを削らせる”

研磨における化学作用は、時に凹部の過研磨を引き起こします7。凸部を研磨している間に、凹部も溶けてしまうためです。対策には、水溶性ポリマー、界面活性剤、防食剤といった表面保護剤の添加が有効です。これらの添加剤は界面へ吸着して凹部を薬液の攻撃から守り、凸部では砥粒やパッドの摩擦で剥離するため、砥粒の機械作用と薬液の化学作用が釣り合って進みます。銅配線と層間絶縁膜の同時研磨のように、耐薬品性の異なる複数の材料を削る場面で要る機能です。

東亞合成は、この選り分けを圧力の側から数字にしています。CMP後の膜平坦性を上げるには、研磨量に対して圧力が1乗より大きく影響する非プレストニアン性を示す添加剤が有効で、同社は圧力応答性を、高圧条件6kgと低圧条件1kgの研磨速度比8として示しています。研磨条件はEngis製EJ-380CH-Y、研磨盤回転数60rpm、研磨時間2min、パッドIC1000／SUBA400、対象はSiO2膜とSiN膜、ウェハサイズ30mm×30mm、スラリーは高純度コロイダルシリカの一次粒径80nm、シリカ10wt%、ポリマー0.05wt%、pH 11です。同社の実測では、分子量分布の狭いリビング重合品が圧力応答性で有利になりました。

高圧で速く削り、低圧へ切り替えてへこみを抑える

Section titled “高圧で速く削り、低圧へ切り替えてへこみを抑える”

圧力の使い方そのものを分ける手もあります。日本機械学会で報告された渦電流式の終点モニタの研究は、2段研磨を1段目を研磨時間を短くする高圧プロセス、2段目をディッシングとエロージョンを減らす低圧プロセス9と説明しています。同じ研究は、金属膜厚の変化を監視してCMPの終点を検出する渦電流式のモニタを報告しています。

2段研磨と終点検出
残る金属膜厚1段目 高圧研磨時間を短くする2段目 低圧ディッシングを減らす渦電流で終点を検出研磨時間
1段目は高圧で速く削って時間を縮め、2段目は低圧へ切り替えてディッシングとエロージョンを減らします。金属膜厚の変化を渦電流で追い、終点で止めます。

4つのつまみは、どれも平坦さとレートを引き換える

Section titled “4つのつまみは、どれも平坦さとレートを引き換える”

選択比を、金属側のレートを絶縁膜側より下げる方向、つまり1へ近づける方向へ動かすと、金属の落ち込みが浅くなります。差し出すのは金属除去のレートと、金属の残りに対するマージンです。上げる側では金属を速く落とせますが、ディッシングとリセスを差し出します。リセスとエロージョンが同時に進んで膜厚の制御を失う状態は、多層の配線を使うロジックとメモリでいっそう重い課題になりました。

研磨圧力を下げると凸部と凹部の圧力差が小さくなり、パッドの沈み込みも減ります。差し出すのはレートとスループットです。上げるとレートは上がりますが、パッドの変形量が増えて広い配線の中央がさらに落ちます。研磨中の加工面は摩擦熱で数十度加温されることが珍しくなく、活性化エネルギーが51kJ/molの反応であれば10℃の加温で化学作用が2倍程度促進されます。圧力を上げた分の熱が化学側を強め、凹部の溶解も進めます。

表面保護剤の量を増やすと凹部が守られ、段差緩和性と選択性が上がります。差し出すのはレートと、洗浄で落としにくい残留です。保護剤は、膜へ吸着しやすいことと、洗浄で落としやすいことの両方を満たす必要があります。減らすとレートと洗浄性は楽になりますが、凹部の過研磨を差し出します。

レイアウト側のダミーパターンは設計側の手です。広い配線の中へダミーの絶縁パターンを入れて実効的な幅を下げると、パッドの支えが近づいて中央の沈み込みが浅くなります。差し出すのは配線の実効断面積と、レイアウト設計の自由度です。ダマシン法で埋め込む幅そのものが、CMPの規格に合わせて決まります。

へこみは配線抵抗とRC遅延の抽出値に入り込む

Section titled “へこみは配線抵抗とRC遅延の抽出値に入り込む”

45nm 世代を境に、配線系は回路全体の性能を左右する主要な要素になりました。ローカル配線やインターミディエート配線では幅が数十ナノメートルの領域へ入り、寸法のわずかな変動が抵抗と容量の大きなばらつきへ拡大します。リソグラフィ、エッチング、CMPの製造ばらつきが合わさると、配線の幅、間隔、高さ、断面形状、バリアメタルと銅の比率がそれぞれ振れます。

ITRS 2013の和訳は、配線モデルに理想的な直角の断面の代わりに、配線表面のCMPディッシングとエロージョンの効果を含む現実的なテーパー形状4を含める必要があるとしています。ディッシングはCMPの工程内で完結する形状のずれを超えて、配線抵抗とRC遅延の抽出値へ入り込む量です。

配線モデルの断面
理想の直角断面実形状テーパーディッシング配線絶縁膜理想形の輪郭
実際の配線は、理想の直角断面と違って側壁のテーパーと上面のディッシングを持ちます。配線モデルには、この実形状を含める必要があります。

平坦さを買うために選択比とレートを差し出し、レートを買うためにディッシングを差し出す、という2方向の取引がCu-CMPの設計点を決めます。CMPスラリーの配合とパッドコンディショニングの頻度も、この設計点の一部です。

関連するデータ・ツール

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よくある質問（FAQ）

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ディッシングとは何ですか？

CMPで広い配線の中央がへこむ現象です。埋め込んだ金属が周囲の絶縁膜より柔らかく削れやすい場合、配線の幅が広いほど中央でパッドが沈み込み、皿状にへこみます。

なぜ広い配線で起きるのですか？

CMPは研磨パッドで覆われた回転テーブルへウェーハを押し当てるので、パッドがわずかに変形するためです。柔らかい材料が広く露出している領域ではパッドが沈み込み、幅が狭ければ両側の硬い絶縁膜がパッドを支えます。

ディッシングとエロージョンの違いは何ですか？

へこむ範囲が異なります。ディッシングは1本の広い配線の内側がへこみ、エロージョンは細い配線が密集した領域が絶縁膜ごと全体的に低くなります。前者は配線幅、後者はパターン密度で決まります。

ディッシングが起きると何が困りますか？

配線の断面積が減って抵抗が上がります。設計値からのずれが面内でばらつくため回路の遅延にもばらつきが出て、その上へ次の層を作るときの平坦さも損なわれます。韓国精密工学会の論文は、半導体の寿命も縮めるとしています。

どうやって抑えますか？

削る材料と下地の選択比を上げる方向でスラリーを選び、機械的な削りを抑えます。設計側では、広い配線の中へダミーの絶縁パターンを入れて実効的な幅を下げます。高圧で速く削った後に低圧へ切り替える2段研磨も、ディッシングを減らす手段です。

ディッシングはどうやって測りますか？

断面観察や表面形状の計測で、周囲の絶縁膜面に対する配線中央のへこみ量を実測します。工程の管理では、この量を規格値として面内で監視します。

ローカル平坦性とグローバル平坦性の区切りはどこですか？

平坦性は段差緩和性（SHR：Step Height Ratio）で表し、基準値以上の領域をグローバル平坦性、基準値以下をローカル平坦性と呼びます。一般的な基準値は10μmで、ディッシングはこの10μmより内側で起きる形状のずれです。

表面保護剤はディッシングをどう抑えますか？

水溶性ポリマー、界面活性剤、防食剤といった表面保護剤が界面へ吸着して凹部を薬液の攻撃から守り、凸部では砥粒とパッドの摩擦で剥離するため、機械作用と化学作用が釣り合って進みます。銅配線と層間絶縁膜の同時研磨のように、耐薬品性の異なる材料を1つのスラリーで削る場面で要る機能です。

圧力応答性とディッシングはどう関係しますか？

CMP後の膜平坦性を上げるには、研磨量に対して圧力が1乗より大きく影響する非プレストニアン性の添加剤が有効です。東亞合成は高圧条件6kgと低圧条件1kgの研磨速度比を圧力応答性として示しており、低圧の凹部で保護し高圧の凸部で削る形が平坦性を押し上げます。

設計側ではディッシングをどう織り込みますか？

配線寄生素子のモデリングで、断面を理想的な直角と仮定する代わりに、CMPのディッシングとエロージョンで付いたテーパーのある実形状を使います。45nm 世代を境に、配線系は回路全体の性能を左右する主要な要素になりました。

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