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» 2021年09月22日 11時30分 公開

2層上下の配線層をダイレクトに接続する「スーパービア」の課題(前編)福田昭のデバイス通信(323) imecが語る3nm以降のCMOS技術(26)(1/2 ページ)

今回から、スーパービアが抱える本質的な課題と、その解決策を前後編の2回に分けて解説する。

[福田昭,EE Times Japan]

中間の配線層をスーパービアがブロックする

 半導体のデバイス技術とプロセス技術に関する世界最大の国際学会「IEDM(International Electron Devices Meeting)」は、「チュートリアル(Tutorials)」と呼ぶ技術講座を本会議(技術講演会)とは別に、プレイベントとして開催してきた。2020年12月に開催されたIEDM(Covid-19の世界的な流行によってバーチャルイベントとして開催)、通称「IEDM2020」では、合計で6本のチュートリアル講演が実施された。その中で「Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials(CMOSを3nm以下に微細化する要素技術-デバイスアーキテクチャと寄生素子、材料)」が非常に興味深かった。講演者は研究開発機関のimecでTechnology Solutions and Enablement担当バイスプレジデントをつとめるMyung‐Hee Na氏である。

 そこで本講座の概要を本コラムの第298回から、シリーズでお届けしている。なお講演の内容だけでは説明が不十分なところがあるので、本シリーズでは読者の理解を助けるために、講演の内容を適宜、補足している。あらかじめご了承されたい。

チュートリアル講演「Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials(CMOSを3nm以下に微細化する要素技術-デバイスアーキテクチャと寄生素子、材料)」のアウトライン。講演スライド全体から筆者が作成したもの。本シリーズの第21回から、「次世代の多層配線(BEOL)技術」の講演パートを紹介している

 本シリーズの第21回から、5番目のパートである「次世代の多層配線(BEOL)技術」の講演内容を紹介している。3nm以降の技術世代(技術ノード)を担う多層配線技術を主題とする。前々回(第24回)は、3nm以降の技術世代ではビア電極の金属に高融点金属を使う必要があること、奇数番号(あるいは偶数番号)の配線層同士を垂直に接続するビアの重要性が高まっていること、などを説明した。高融点金属ではルテニウム(Ru)が最有力候補だとする。

 前回(第25回)は、奇数番号(あるいは偶数番号)の配線層(2層上あるいは2層下の配線層)を接続するビア電極の電気抵抗を大幅に下げる技術「スーパービア(supervia)」の概要を解説した。今回は、スーパービアが抱える本質的な課題と、その解決策を前後編で述べる。

 スーパービアが有効だとimecが想定する配線構造は、第1層金属配線(M1)と第3層金属配線(M3)の接続である。論理回路のスタンダードセルでは、垂直(縦)方向に平行直線状のM1とM3がレイアウトされ、水平(横)方向に平行直線状の第2層金属配線(M2)をレイアウトする。このスタンダードセルでM3とM1をスーパービアによってダイレクトに接続しようとすると、当然ながらM2が邪魔になる。言い換えると、スーパービアによってM2がブロックされる。

3nm世代を想定した第1層(M1)から第3層(M3)までの多層配線構造とリソグラフィ技術。配線層とビア電極の金属はルテニウム(Ru)。左図は第2層(M2)を横切る方向の断面構造。右図はM1およびM3を横切る方向の断面構造。出典:imec(IEDM 2020の発表論文「Supervia Process Integration and Reliability Compared to Stacked Vias Using Barrierless Ruthenium」(論文番号20.5)) (クリックで拡大)
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