高融点金属の多層配線技術が2nm以降のCMOSを実現：福田昭のデバイス通信（319） imecが語る3nm以降のCMOS技術（22）

前回から「次世代の多層配線（BEOL）技術」の講演内容を紹介している。今回は、銅（Cu）以外の配線技術を導入する際の候補となる高融点金属について解説する。

[福田昭，EE Times Japan]

21nmピッチが銅配線の限界点と予測

　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。前回から、「次世代の多層配線（BEOL）技術」の講演パートを紹介している（クリックで拡大）

　前回から、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。主題は、3nm以降の技術世代（技術ノード）を担う多層配線技術である。

　前回で述べたように、3nm以降のCMOSロジックでは銅（Cu）のデュアルダマシン技術による多層配線が限界に近づく。imecは限界となる配線ピッチを21nmと予測しており、21nm以降は銅（Cu）以外の配線技術を導入しなければならない。このように考える。

配線層間のビアを高融点金属で埋める

　多層配線の導体部分は、平行な直線配線群の層（配線層）と層間を結ぶビア電極で構成される。始めに微細化の限界が来るのは、ビア電極である。そこでビア電極を銅（Cu）ではなく、高融点金属のタングステン（W）やモリブデン（Mo）、コバルト（Co）、ルテニウム（Ru）などに変更する。

配線層を銅（Cu）、ビア電極を高融点金属で形成する多層配線の断面構造図。出典：imec（IEDM 2020の発表論文「Inflection points in interconnect research and trends for 2nm and beyond in order to solve the RC bottleneck」（論文番号32.2）） （クリックで拡大）

ビア電極の微細化による抵抗値の変化を銅と高融点金属で比較（計算値）。大きさ14nmのビアをアスペクト比（AR）2の銅（Cu）（バリア層の厚みは2nm）で埋めたときの抵抗値を基準（1）とした相対値である。出典：imec（IEDM 2020の発表論文「Inflection points in interconnect research and trends for 2nm and beyond in order to solve the RC bottleneck」（論文番号32.2）） （クリックで拡大）

　大きさが14nmのビア（配線ピッチ21nm〜24nmの多層配線構造に相当）を厚み2nmのバリア層と銅（Cu）で埋めた場合のビア抵抗（アスペクト比（AR）は2）を基準（1.00）とする。ビアの大きさが10nmに細くなると、抵抗値（相対値）は2.16と基準の2倍を超える。

　一方で基準と同じ14nmのビア（ARは2）でバリア層のないタングステン（W）は0.84、バリア層のないモリブデン（Mo）は0.94、バリア層のないルテニウム（Ru）は0.59にビア抵抗（相対値）が下がる。

　また銅（Cu）配線の抵抗値（単位長当たり）は、配線幅が14nmでアスペクト比（AR）が3のときに234Ω/μm、ARが2のときに389Ω/μmとなる。配線幅を10nmに細くすると、ARが3のときに672Ω/μm、ARが2のときに1135Ω/μmと抵抗値は約2.9倍に増加する。

ルテニウム（Ru）が将来の多層配線では有望

　これらの推定から、imecは将来有望な金属をルテニウム（Ru）と考えている。抵抗率が低いことと、バリア層が不要であること、エッチングによって加工できること、などが有望視する理由だ。

　そこで「セミダマシン（Semi-Damascene）」と呼ぶ技術によってルテニウム（Ru）の多層配線構造を開発中である。セミダマシン技術では、下層の配線層の上に絶縁層を成膜し、ビアをエッチングで形成する。それから上層の配線層（Ru層）とビアをまとめて成膜する。それからビアの周囲をエッチングし、絶縁膜で埋めるか、あるいはエアギャップとして残す。

セミダマシン（Semi-Damascene）の配線形成プロセス。成膜とエッチングによって配線とビア電極を形成する。ビアの周囲は絶縁膜あるいはエアギャップとなる。出典：imec（IEDM2020の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」の配布資料） （クリックで拡大）

（次回に続く）

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