多層配線のビア抵抗を大幅に低減する「スーパービア」：福田昭のデバイス通信（322） imecが語る3nm以降のCMOS技術（25）（2/2 ページ）

今回は、奇数番号（あるいは偶数番号）で隣接する配線層（2層上あるいは2層下の配線層）を接続するビア電極の抵抗を大幅に下げる技術、「スーパービア（supervia）」について解説する。

[福田昭，EE Times Japan]

2層分の配線間を一気に貫通する「スーパービア」

　そこで考案されたのが、M3からM1を一気に貫通するビア「スーパービア（supervia）」である。製造工程は、例えば以下のようになる。M1とM2（あるいはダミーのM2）を形成し、M2の上に層間絶縁膜を成膜する。その上に窒化チタン（TiN）のハードマスクを堆積し、M1の表面まで貫通する垂直な孔（スーパービア）を掘る。それからスーパービアに高融点金属（例えばルテニウム（Ru））を埋め込むとともに、M3を成膜する。

第3層金属配線（M3）と第1層金属配線（M1）を接続するスーパービアの製造工程。左端は構造図。M2はダミー層である。右端はM3を形成後の断面を、エネルギー分散型X線分光分析装置（EDS装置）と電子顕微鏡で観察した画像。中央の写真2点はハードマスク（TiN）層の厚みによるビアパターンの違い。TiN層を30nmと厚くすることで、良好なパターンを得られる。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）

　imecは、銅（Cu）とコバルト（Co）、ルテニウム（Ru）でそれぞれ、M1とM3を接続するスーパービアを試作してみた。銅（Cu）はビア底部内壁への埋め込みが不十分であり、コバルト（Co）はビア電極内部にボイド（空孔）が生じた。良好にビア電極とM3を形成できたのは、ルテニウム（Ru）だけだった。

銅（Cu）とコバルト（Co）、ルテニウム（Ru）でそれぞれ、M1とM3を接続するスーパービアを試作した結果。上の表はバリアとライナー、配線の金属と成膜方法。下の写真はEDS装置と電子顕微鏡を併用して観察した断面画像。出典：imec（IEDM 2019の発表論文「Three-Layer BEOL Process Integration with Supervia and Self-Aligned-Block Options for the 3nm node」（論文番号19.3）） （クリックで拡大）

従来技術の42％にビア抵抗を大きく削減

　そこでルテニウム（Ru）の多層配線で、M1とM3を接続するビアの電気抵抗を従来技術（スタックビア）とスーパービアで比べてみた。M1とM3は互いに平行な直線群で配線ピッチは36nm、M2はM1（およびM3）と直交する平行直線群で配線ピッチは21nmである。

　試作したビアの抵抗値（中央値）は従来技術が66.4Ω、スーパービアが27.7Ωだった。スーパービアの抵抗値は、従来技術の2.4分の1（42％）と大幅に減少した。

スーパービア（左）と従来技術（スタックビア）（右）の抵抗値（測定値）。写真は断面の電子顕微鏡観察像。配線ピッチはM2が21nm、M1とM3が36nm。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）

⇒「福田昭のデバイス通信」連載バックナンバー一覧