平坦化とは？半導体でなぜ表面を平らにするのか、段差・露光のピント・多層配線からわかりやすく解説【平坦化・配線3級・第1講】

この記事でわかること

• ① 平らでないと何が困るか
• ② 光で形を描くときのピント
• ③ 配線を重ねるときの段差
• ④ 平らにするとは何か
• ⑤ 平らにする工程が使われる場所

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① 平らでない表面：段差はどうしてできるのか

大事なポイント：ウェハの表面は、膜を付けたり削ったりするたびに、凸凹（段差）ができます。この段差を放っておくと、次の工程がうまくいきません。

ウェハは、半導体の材料（多くはシリコン）でできた薄い円盤です。膜は、その表面に付ける薄い層で、厚さは数nm〜数µmです（1µmは1000nm、1nmは10億分の1メートルです）。配線は、トランジスタなどの部品どうしをつなぐ、細い金属の線です。回路は、膜を付けて、不要な所を削り、また膜を付ける、というくり返しでつくります。

ここで、表面の様子を考えてみます。ウェハの上に、高さ0.3µmの配線を並べたとします。その上に絶縁膜（電気を通さない膜）を付けると、膜は下の形にそって付くため、配線のある所だけ盛り上がります。つまり、表面には配線の高さにあたる約0.3µmの段差が残ります（膜厚や形で変わる、目安の話です）。

1回の段差は小さく見えても、回路づくりでは、これを何十回もくり返します。そのため、段差は、そのままにすると積み重なり、あとの工程の邪魔になります。この講では、邪魔になる理由を2つ（露光のピント、配線の切れ）に分けて学びます。

② 露光のピントが合わなくなる

大事なポイント：回路の形を光で描く露光には、ピントが合う範囲があります。表面の段差がその範囲より大きいと、ぼやけた形になります。

露光は、光を当てて、回路の形をレジスト（光に反応する樹脂の膜）に焼き付ける工程です。カメラと同じように、ピントが合う範囲があり、これを焦点深度といいます。回路の線が細くなるほど、この範囲は狭くなります。参考にした資料でも、最新の微細な技術では、必要な平らさが「オングストローム（1オングストロームは0.1nm）」の単位になると書かれています。

表面に段差があるとどうなるでしょうか。高い所にピントを合わせると低い所がぼやけ、低い所に合わせると高い所がぼやけます。段差が焦点深度の範囲に収まれば問題ありませんが、範囲より大きいと、1か所にしかピントが合いません。ぼやけた所では、設計どおりの細い線が描けず、線が太ったり、つながったりします。

そこで、段差を、ピントが合う範囲に収まるまで減らすことが、平らにする大きな目的の1つです。資料でも、研磨でウェハ全体を、露光装置の焦点深度の範囲に入れられると説明されています。

③ 配線の積み重ねで、段差が増えていく

大事なポイント：配線は何層も重ねます。段差を放っておくと、層ごとに段差が引き継がれ、配線が切れやすくなります。

現在の回路は、配線を1層だけでなく、何層にも重ねて（多層配線といいます）つくります。参考にした資料では、複雑な回路では15層を超えることもあると書かれています（2018年時点の記述です）。

層を重ねるたびに、段差がそのまま引き継がれると、上へ行くほど表面の高低差が大きくなります。また、金属の配線が段差を乗り越える所では、角で膜が薄くなったり、切れたりしやすくなります（断線）。資料にも、研磨が使われる前は、表面の荒れによる断線を避けるため、上の層ほど配線の幅やすき間を大きく取る決まりがあった、と書かれています。研磨で平らにできるようになって、より細かい配線がつくれるようになりました。

つまり、平らにすることは、配線を細かく、何層にも重ねるための前提です。第3講以降で、この積み重ねの中で配線がどうつくられるかを学びます。

④ 「平らにする」とは、どういうことか

大事なポイント：目的は、鏡のようにすることではなく、次の工程が許す範囲まで、ウェハ全体の高さをそろえることです。そのために研磨が使われます。

平らにすることを、平坦化（へいたんか）といいます。表面を平らにする方法には、いくつかあります。その中で、ウェハ全体を研磨する方法が、CMP（化学機械研磨、Chemical Mechanical Polishing）です。CMPは、薬液で表面を変化させる化学の作用と、細かい粒で削る機械の作用を、組み合わせた方法です。くわしくは、次の第2講で学びます。

ここで大切なのは、ただ表面を磨くのではなく、「高い所を選んで削る」ことです。資料には、CMPは凸凹のある表面をならして、ウェハを平らにし、次の回路の要素を重ねる準備をする、と書かれています。また、全体を焦点深度に収めるだけでなく、場所によって材料を選んで除くこともできます。

平らさに終わりはありません。次の工程（たとえば露光）が必要とする平らさに入れば、目的は果たせます。必要以上に削ると、時間も材料も無駄になり、次の講以降で学ぶ不良の原因にもなります。

⑤ 平らにする工程が使われる場所

大事なポイント：CMPは、素子を分ける溝の酸化膜、層の間の絶縁膜、タングステンの栓、銅配線など、回路のいろいろな所で使われます。

参考にした資料では、CMPは、酸化膜、タングステン、銅などに対して開発された、と説明されています。代表的な使い道を、3つ挙げます。

• 素子分離（STI）：トランジスタどうしを電気的に分ける壁を、シリコンに溝を掘って、酸化膜で埋めてつくります。溝を埋めると、表面には酸化膜が余って残ります。CMPで、その余りを削り、活性領域（トランジスタをつくる部分）の高さに合わせます。
• 層間絶縁膜：配線と配線のあいだを埋める絶縁膜です。段差が残らないよう、膜を付けたあとで研磨して平らにします。第4講で学びます。
• 銅配線：銅は削って形をつくるのが難しく、溝に銅を埋めて、あふれた分をCMPで除く方法が使われます。第3講で学びます。

このように、CMPは、回路の多くの層で何度も使われる、基本の工程です。研磨で表面が平らになるおかげで、次の層の露光が正しく行えます。

この講のまとめ

次の講では、CMPの装置と、研磨パッド、研磨液（スラリー）、圧力と回転のはたらきを学びます。

ことばのおさらい

• ウェハ：半導体の材料でできた、薄い円盤です。
• 膜：ウェハの表面に付ける、薄い層です。
• 配線：部品どうしをつなぐ、細い金属の線です。
• 段差：表面の高い所と低い所の高さの違いです。
• 焦点深度：ピントが合う範囲の幅です。
• 多層配線：配線を何層にも重ねた構造です。
• 平坦化：表面を平らにすることです。
• CMP：化学機械研磨。化学の作用と機械の作用を組み合わせて、表面を研磨して平らにする工程です。

よくある誤解

Q. 平らにするのは、見た目をきれいにするためですか？

いいえ。露光のピントを合わせ、上に重ねる配線の断線を防ぐためです。必要な平らさに入れば目的は果たせます。

Q. CMPは、銅配線だけに使われるのですか？

いいえ。素子分離の酸化膜、層間絶縁膜、タングステンなど、いろいろな膜に使われます。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Chemical-mechanical polishing」（平坦化の目的、焦点深度、STI、銅・タングステン・酸化膜への使用）
• Wikipedia「Interconnect (integrated circuits)」（多層配線の層数、研磨前の配線ルールの制約）

段差0.3µm、焦点深度0.2µm、0.1µm×5層などの数値は、理解のために置いた仮の値です。膜が下の形にそって付く、配線が段差の角で細くなる、という説明は、一般的な知識にもとづく目安です。図は、記事用に描いた簡易の図です。