オーバーポリッシュとは

オーバーポリッシュとは、CMPでストッパ膜や下地が顔を出したあとも研磨を続けて、面内に残った削り残しを消す操作です。 削り残しを消した代わりに何を渡すのかが、CMPのレシピを左右します。

定義・解説

日立評論2008年2月号のProfessional Report「半導体平坦化用CMP研磨材」は、STI形成CMPの研磨特性を測るにあたり、研磨の終点をすべてのストッパ膜が露出した時点としたと書いています。この終点の取り方が、オーバーポリッシュの発生源です。「すべて」を満たすには、面内でいちばん遅い場所が露出するまで待つ必要があり、その待ち時間のあいだ、いちばん速い場所はストッパ膜を削られ続けます。

面内のレート差はどこから来るのでしょうか。フジミインコーポレーテッドの森永均氏による解説は、研磨における摩擦が摩擦熱を引き起こし、加工面が数十度加温される場合も多いとしたうえで、大型基板では熱が中心に溜まりやすく、そのぶん中心の研磨速度が上がって平坦性を崩すと述べています。同氏は、柔らかいパッドでは戻ろうとする力が働くぶん加工面の縁へ圧力が集まりやすく、そこへリテーナリングやテンプレートを充てるとも書いています。中心は熱で速くなり、端は圧力で速くなります。同氏の解説は研磨全般を対象とした記述です。つまり均一性の悪化は、そのまま必要なオーバーポリッシュ時間の増加として跳ね返ります。

面内でいちばん遅い場所が露出するまで、いちばん速い場所は削られ続けます

面内でレートに差があるため、終点は場所ごとに別の時刻へ散らばります。日立評論のProfessional Reportは、研磨の終点をすべてのストッパ膜が露出した時点としています。この終点の取り方では、速い場所の削り込みが代金として必ず発生します。

削りすぎが取る2つの形

荏原製作所の辻村学氏による精密工学会誌の解説は、皿状に窪む側をディッシング、配線と配線のあいだの酸化膜が削れる側をエロージョンと呼び分けています。同氏はCMPの適用箇所を2つに大別し、ストッパ膜を敷くものを埋込みCMPプロセス、均質膜をそのまま削るものをブラインドCMPプロセスとしています。同氏によれば、Si₃N₄などのストッパ膜を敷くSTIは前者で、ストッパ膜内の均一性とディッシングの低減が問われ、層間絶縁膜は後者で段差低減性能が問われます。均質膜を削る後者では、追い研磨の終点を時間だけが支配します。

日立評論の図に付された記述はもう一段細かく、エロージョンが微細パターンで発生してストッパ膜とSTI部がともにえぐられるように除去され、ディッシングが幅広パターンの中央が皿状にへこんだ欠陥であると述べています。同報告は、シリカまたは酸化セリウムの研磨材を添加剤なしでSTIへ充てた場合、SiO₂とSiNの研磨速度比が1対3から1対5どまりで、SiNが削れすぎるとしています。行き着く先として挙げているのは、ストッパ膜を失って素子部までえぐられ、動作不良に至る状態です。同報告によれば、陰イオン性の有機化合物を入れたCMPスラリーがSiN面へ回ると、砥粒の機械的な作用を抑え込むだけの保護膜になり、SiNの研磨速度は10 nm/min以下まで落ちました。これによって微細パターン上のエロージョン、つまりストッパの過剰研磨を抑えられるという筋です。同社の研磨材についての記述です。

Sematec 864のSTI用テストパターンでの数値も同じ報告に載っています。初期段差600 nm、研磨時間140秒、100 µmのLine/Spaceでの残留段差10 nm、トレンチ酸化膜のばらつき25 nm、ストッパ膜のばらつき5 nmという値です。同報告は、この2つのばらつきの出どころを分けて書いています。トレンチ酸化膜側はおもに幅広パターンの皿から、ストッパ膜側はSiN膜の研磨速度と皿の両方から出るという内訳です。ばらつきの内訳が、そのままオーバーポリッシュの副作用の内訳になっています。

選択比が働く範囲

日立化成テクニカルレポート No.55は、セリア粒子用の添加剤について、被研磨膜側へ吸着する性質から2つの働きが同時に出るとしています。凹凸のあるSiO₂膜を平らに削り切る働きと、STI工程の研磨停止膜であるSiN膜が顔を出したところで研磨速度を落とす働きです。日立評論は同じ仕組みを圧力の話として書いています。有機高分子を多く入れるほど、それを剥がすのに要る圧力が上がります。同報告によれば、この量を選ぶことで、段差が残るうちは突起側だけ削れ、平らになった時点で研磨速度が落ちる側へ振る、という調整になります。いずれも同社の研磨材と添加剤についての記述です。

同報告は、この釣り合いが崩れる条件も挙げています。SiNを抑える研磨材へ替えたあとでも、幅が100 µmを超えるパターンでは皿ができ、その脇のSiN膜が削られた例があった、という報告です。幅広パターンにいちど皿ができると、その脇だけ圧力が集まり、SiNの研磨を抑えきれなくなる、というのが機構です。段差を消すために働いていた保護膜が、段差が生じたあとは剥がされる側へ回ります。選択比を頼りに追い研磨を伸ばす運用は、この折り返しの手前までが範囲です。

Cu配線での2段研磨

1段目で作った皿を、2段目は選択比で浅くします

2段目は絶縁膜も一緒に削るため面全体が下がり、1段目の皿が浅くなります。日立化成テクニカルレポート No.55は、1段目で付いた段差を次の段の選択比で取り戻せるとし、CuとTaとSiO₂の比を1対3対3程度に合わせたときに仕上がりが最も平らになるとしています。

Cu-CMPは、この2段構えを数値で追える工程です。日立化成テクニカルレポート No.55は、Cu用スラリーとバリアメタル用スラリーの2段階研磨について、Cu研磨側が圧力14.0 kPaでCu 850 nm/min、TaNは1 nm/min未満、100/100 µmのディッシングは50 nm未満、9/1 µmのエロージョンは10 nm未満、Cu残りゼロという値を、バリア研磨側が圧力10.5 kPaでCu 27、TaN 95、SiO₂ 90、SiOC 31 nm/min、ディッシング10 nm未満、エロージョン5 nm未満という値を示しています。同報告が最終の到達点として挙げるのは、太幅配線側で10 nm以下、細密配線側で数nm以下という2つの上限です。前者は100 µm幅でのディッシング、後者はエロージョンを指します。同社が開発したスラリーの公表値です。

ここに出ている構造では、1段目のオーバーポリッシュがCu残りを消すための出費になり、その出費を2段目の選択比で回収します。バリアメタル研磨がCuよりTaとSiO₂を速く削るため、面全体が下がって皿が浅くなります。同報告は、ロジックとメモリー、イメージセンサーではパターンの粗密が別物になるため、この選択比は顧客ごとに合わせ込む前提だとも書いています。

現場のつまみと、その裏側

オーバーポリッシュ時間 を伸ばすと、面内のCu残りやストッパ膜の未露出は消えます。伸ばした分はそのままディッシングとエロージョンに変わり、日立評論が挙げるストッパ膜を失う側へ近づきます。短くすると段差は浅く済みますが、リワークか次工程での取り残しに化けます。

選択比 を上げると、同じ追い研磨時間でもストッパの削れが減ります。日立評論はSiNを10 nm/min以下まで落とした例を挙げています。同社の研磨材での値です。上げすぎた場合の代償は保護膜の残りで、レゾナックの解説は、ゲート形成工程を例に、絶縁膜側を速く削りながらポリシリコンなどのストッパ材料は削らずに残す選択研磨性を、ナノセリアスラリーの特長として挙げています。凹部に強く残る保護膜ほど、研磨後の面に持ち越されます。

圧力とパッド剛性 は、追い研磨の単価を左右します。辻村氏は平坦化性能の向きとして、荷重は低いほど、相対速度は速いほど、パッドは剛性が高いほど良くなることが分かっていると述べています。日立評論も、皿とそれに続くストッパの削られすぎへの手を3つ挙げています。凹部を守る作用を研磨材へ持たせること、パッドを硬くして沈み込みを減らすこと、設計側で幅広パターンをなくすことです。圧力を下げれば削りすぎは減りますが、レートが落ちて研磨時間が伸び、プレストン式のプレストン係数側のふらつきを受ける時間も伸びます。

面内分布 を詰めると、必要な追い研磨時間そのものが短くなります。森永氏は、温度均一化策として研磨定盤のチラー機能活用、スラリー流量最適化、パッドへの溝構造形成によるスラリーの排出促進を挙げ、端部の圧力集中にはリテーナリングやテンプレートを挙げています。ここを詰める代わりに払うのは、CMPパッドの溝設計とパッドコンディショニングの運用です。旭ダイヤモンド工業は、パッドのコンディショニングをCMPの研磨特性を安定させる要の工程に位置づけ、25年以上コンディショナを供給してきたと述べています。

レイアウト も追い研磨時間のつまみです。日立評論は、段差解消の弱い研磨材では、大面積パターンを素のまま削って段差10 nmまで持っていくのは難しいとしています。そこで足すのが、ダミーパターンの挿入や、逆パターンで大面積側をエッチングで落とす工程です。同報告によれば、リバースマスクは費用が増え、ダミーパターンを入れられる箇所も限られるため、こうした追加工程を省いて段差解消性能の高い酸化セリウム研磨材へ移る流れが広がっています。マスク1枚とスラリーの選定が、同じ問題への2つの答えになっています。

なお、追い研磨を伸ばすとスクラッチに晒される時間も伸びます。研磨時間が長いほど、スラリー中の粗大粒子や研磨副生物がウェーハと接触する機会は増えます。オーバーポリッシュ時間の上限を設定するときは、膜厚測定で残膜を測るのと同時に、欠陥検査の数も並べて追う運用になります。

よくある質問（FAQ）

オーバーポリッシュとは何ですか？

ストッパ膜や下地が顔を出したあとも研磨を続けて、面内に残った削り残しを消す操作です。日立評論のProfessional Reportは、STI形成CMPの研磨特性を測るにあたり、研磨の終点をすべてのストッパ膜が露出した時点としたと述べています。「すべて」を満たす時刻は、面内でいちばん遅い場所が支配します。

なぜオーバーポリッシュが必要になるのですか？

面内で研磨レートに差が出るためです。フジミインコーポレーテッドの森永均氏による解説は、研磨時の摩擦熱で中心部に熱がこもると中心部の研磨速度が増大し、平坦性へ悪影響を及ぼすと述べています。中心と外周で終点の時刻がずれるので、遅い側が露出するあいだ、速い側は削られ続けます。

オーバーポリッシュを長くすると何が悪化しますか？

ディッシングとエロージョンです。荏原製作所の辻村学氏による精密工学会誌の解説は、ディッシングを配線部分が皿のように過研磨される現象、エロージョンを配線間の酸化膜が過研磨される現象としています。日立評論は、エロージョンが微細パターンで発生してストッパ膜とSTI部がともにえぐられるように除去されると述べています。

ストッパ膜があれば、どこまで削りすぎを抑えられますか？

選択比の作り方で決まります。日立評論は、シリカまたは酸化セリウムの研磨材を添加剤なしでSTIへ充てると、SiO₂とSiNの研磨速度比が1対3から1対5どまりだとしています。行き着く先として同報告が挙げるのは、ストッパ膜を失って素子部までえぐられ、動作不良に至る状態です。同報告は、陰イオン性の有機化合物を加えてSiNの研磨速度を10 nm/min以下へ落としたとしています。

選択比を上げれば、追い研磨をどこまでも伸ばせますか？

段差が消えたあとは崩れます。日立評論は、幅広パターンに皿ができると、その脇へ圧力が集まってSiNの研磨を抑えきれなくなると述べています。段差が残るあいだ働いていた保護作用が、段差が生じたあとは剥がされる側へ回ります。

できてしまった段差はどう回復させますか？

Cu配線では次の段で回復させる設計があります。日立化成テクニカルレポート No.55は、Cu-CMPで付いた段差を次の段のバリアCMPの選択比で取り戻せるとしています。同報告によれば、CuとTaとSiO₂の比を1対3対3程度に合わせたときに仕上がりが最も平らになります。差し出すものは、2種類のスラリーと2段分の時間です。

オーバーポリッシュ量は何を測ると分かりますか？

残留段差とストッパ膜の残り厚です。日立評論は、Sematec 864のSTI用テストパターンで初期段差600 nm、研磨時間140秒、100 µmのLine/Spaceでの残留段差10 nm、トレンチ酸化膜のばらつき25 nm、ストッパ膜のばらつき5 nmという値を挙げ、ストッパ膜側のばらつきはSiN膜の研磨速度と皿の両方から出るとしています。

比較・違いを学ぶ

ディッシング（CMP）とは ── オーバーポリッシュの代金が、幅広パターンの中央に出た形
エロージョン（CMP）とは ── 同じ代金が、細密パターンの領域全体の沈み込みとして出た形
スクラッチとは ── 研磨時間より、混入した1粒が支配する欠陥

出典

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日立評論 2008年2月号 Professional Report「半導体平坦化用CMP研磨材」日立化成工業芦澤寅之助・天野倉仁（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 研磨の終点をすべてのストッパ膜が露出した時点とした取り方、SiO₂とSiNの研磨速度比1対3から1対5、ストッパ膜消失による素子部のえぐれ、SiN 10 nm/min以下、Sematec 864での初期段差600 nm・研磨時間140秒・残留段差10 nm・トレンチ酸化膜のばらつき25 nm・ストッパ膜のばらつき5 nm、ディッシング近傍での局所圧力上昇、ダミーパターンとリバースマスク
日立化成テクニカルレポート No.55 総説④「半導体ウエハープロセス材料」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── SiN膜が露出した時点で研磨停止できる添加剤、Cu研磨とバリア研磨の圧力とレート、ディッシングとエロージョンの値、CuとTaとSiO₂の選択比1対3対3
精密工学会誌「半導体プロセスのCMP技術」荏原製作所辻村学（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── ディッシングとエロージョンの意味、ブラインドCMPプロセスと埋込みCMPプロセスの区別、平坦化性能に対する荷重・相対速度・パッド剛性の向き
フジミインコーポレーテッド森永均「化学機械研磨(CMP)の原理と進化」トライボロジスト第70巻第5号（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 摩擦熱による中心部の研磨速度増大、軟質パッドでの端部の圧力集中とリテーナリング、温度均一化の具体策
レゾナック「微細化が進む前工程で高速研磨と低スクラッチを両立するナノセリアCMPスラリー」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── ストッパー材料の研磨を抑制する選択研磨性
旭ダイヤモンド工業「CMPコンディショナ」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── パッドコンディショニングが研磨特性を安定化する役割と、25年以上の供給実績