多層配線技術の基礎知識 最先端ロジックの性能を引き出す多層配線では、電気的特性と熱的特性、そして長期信頼性を実用的な水準に維持しなければならない。電気的特性とはおもに、配線抵抗と配線容量(静電容量)を意味する。いずれも低い、あるいは小さいことが望ましい。 配線抵抗が上昇すると、配線によって信号電圧が低下するほか、信号パルスの立ち上がり時間が伸び、抵抗損によって消費電力が増加するとともに温度が上昇する。配線容量が増加すると、信号パルスの立ち上がり時間が伸びるとともに、隣接配線間のクロストークが増大し、配線による消費電力が増加する。悪いことだらけである。 熱的特性とはおもに、配線の熱コンダクタンス(熱抵抗の逆数)を意味する。配線によって消費する電力と温度上昇の関係を示す特性だ。熱コンダクタンスは高いことが望ましい(言い換えると、熱抵抗は低いことが望ましい)。熱コンダクタンスが低い(熱抵抗が高い)と、同じ消費電力でも温度の上昇幅が大きくなる。するとエレクトロマイグレーション寿命が短くなり、配線不良を引き起こす恐れが出てくる。 長期信頼性とは、配線の寿命のことだ。配線の寿命を決めるのはおもに3つの不良、エレクトロマイグレーション(EM)とストレスマイグレーション(SM)、TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)である。電流密度が高くなる最先端ロジックでは、エレクトロマイグレーション(EM)が配線の寿命を決める要因となりやすい。エレクトロマイグレーションは電流によって配線金属のイオンが動き、配線やビアなどが変形する現象を指す。変形によって抵抗増大や断線、短絡などの不良が発生する。エレクトロマイグレーションは温度が上昇すると活発になる。したがって熱伝導率の低い配線は、あまり好ましくない。

微細化の進行で銅配線にもアルミ配線と同様の危機が訪れる 銅(Cu)配線の採用によって最先端ロジックの多層配線技術が直面する大きな壁はいったん、消え去った。違う。実際には、先送りされた。微細化がさらに進行したことで2010年代前半には、銅(Cu)配線でも、かつてのアルミ配線と同様の問題が無視できなくなってきた。配線抵抗値の上昇と、電流密度の増大(エレクトロマイグレーション寿命の低下)である。 とくに問題となったのが、エレクトロマイグレーション寿命の低下だ。解決策はおもに2通りある。1つは、Cu配線の壁に薄いキャップ層を設けることで、エレクトロマイグレーションに対する耐性を高めるというもの。もう1つは、配線金属そのものを、エレクトロマイグレーション耐性の高い材料に変更するというものである。 前者でキャップ層の候補となる金属元素と、後者で配線の候補となる金属元素は、いずれも同じで、コバルト(Co)とルテニウム(Ru)が有力視されてきた。いずれも銅(Cu)に比べ、電流密度の許容値が高いとされる。 ただし、これらの対策には、トレードオフが存在する。コバルト(Co)とルテニウム(Ru)のいずれも、抵抗率が銅(Cu)よりも高いことだ。じつは、金属元素のなかでもっとも抵抗率が低い材料は銀(Ag)であり、次が銅(Cu)なのだ。なお銀はマイグレーションがきわめて起こりやすいことから、配線材料の候補とはならない。したがってコバルト(Co)とルテニウム(Ru)のいずれかを導入すると、銅配線に比べて配線の抵抗が上昇する恐れが高い。 また熱伝導率でも、銀がもっとも高く、次が銅であるという事実が存在する。コバルトとルテニウムの熱伝導率はあまり高くない。

コバルトのキャップ層とコバルトの配線が当面の解決策 現在のところ、近未来の微細配線ではキャップ層と配線材料のいずれも、コバルト(Co)を採用する可能性が高い。すでに一部の最先端ロジック半導体メーカーは、配線プロセスにコバルトを採用しはじめている。 IBMとGLOBALFOUNDRIES、Samsung Electronicsの共同開発グループは、製造装置大手のApplied Materialsとともに、銅(Cu)配線にコバルト(Co)のキャップ層を組み合わせることで、抵抗上昇を抑制しながらエレクトロマイグレーション寿命を伸ばした多層配線技術を開発している。配線の上層をキャップ層とする構造や、配線の周囲をキャップ層で包んだ構造などで良好な実験結果を得た。2017年のVLSIシンポジウムやIEDMなどで結果を発表済みである。 Intelは、このほど開発した10nm世代の最先端ロジック半導体プロセスで、12層の多層配線技術(バンプ層を除く)のなかで、下層側の第0(ゼロ)層(M0)と第1層(M1)にコバルト(Co)を主材料とする配線を採用した。さらに、第2層(M2)から第5層(M5)の銅(Cu)配線には、コバルト(Co)のキャップ層(Intelは「クラッド層(cladding layer)」と表現)を導入している。2017年12月に開催されたIEDMで公表した(講演番号29.1)。 コバルト配線を採用した第0層の配線ピッチは40nm、第1層の配線ピッチは36nmときわめて狭い。ここまで微細化すると、銅配線でも材料本来の抵抗率ではなく、結晶粒界や界面状態などによる抵抗増大が著しくなる。さらに、窒化チタン(TiN)あるいは窒化タンタル(TaN)といったバリア層(銅イオンの絶縁膜への拡散を防ぐ層)による抵抗増加が厳しい。配線抵抗の増加を抑えるためにはバリア層を薄くしたいが、薄くすると銅イオンの拡散が防げなくなる。 一方、コバルト配線はCVDで成膜できる、エッチングでパターンを加工できる、バリア層を不要にできる(バリア層による抵抗増大がない)といった利点がある。総合的に考えると、同じ寸法のコバルト配線の抵抗値は銅配線に比べ、高いとはかぎらず、むしろ下がっている可能性が少なくない。