量子分子動力学法に基づく化学機械研磨プロセスシミュレータの開発と応用

摘要

現在，我々の身の回りにある家電製品には低消費電力化，高性能化，小型化が強く求められている．そのため，微細な半導体素子の製造において，ダマシンプロセスにおける過剰に堆積したCu 配線の除去が不可欠であり，化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing; CMP)が適用されている．また，高品質なGaN 薄膜が電力消費の削減や環境負荷の低減に大きく寄与するパワー半導体素子やLED 素子には必要とされており，それらの結晶成長基板には高い平坦性を有するGaN 基板及びサファイア(α-Al_2O_3)基板がそれぞれ用いられている．しかし，GaN，α-Al_2O_3 は高硬度かつ高い化学的安定性を有する難加工材料であることから，CMP における加工効率の向上および表面品位の向上が急務の課題となっている．これらのCMP 技術は，素子の微細化とともに今後更なる高精度化が要求されるため，CMP メカニズムを詳細に解明することで，高い平坦性を実現する研磨プロセスを理論的に設計することが強く求められている．しかし，CMP プロセスは「摩擦，応力，流体，拡散」といった様々な物理現象に加えて「化学反応」が複雑に絡み合ったマルチフィジックス現象であるため，これまでに，そのメカニズムは全く解明されてこなかった．これに対し，我々は化学反応を伴う摩擦現象を解明可能な，量子分子動力学法に基づくCMP シミュレータ開発することで，化学機械研磨プロセスの電子·原子レベルでのメカニズムを解明してきた．本講演では我々が開発したCMP シミュレータを活用することで，Cu 表面，GaN 表面，α-Al_2O_3 表面におけるCMP プロセスのメカニズムを解明した成果を報告する．