導電体膜解決策候補

“M0（メタルゼロ）”とよばれることもあるローカル配線は、隣接するトランジスタを接続するための極めて短 い配線に限定される。MPU、ASIC、DRAM 等のコンタクトとローカル配線については、タングステン（W） が引き続き使用されるだろう。ALD 技術はCVD と組み合わせて、シームのないW埋め込みのために、

まず利用されるようになっている。また、W-CVD では通常シランによる核生成ステップが用いられるが、こ れで形成される、Si リッチな W がプラグ内に占める割合が高くなるため、将来の技術世代においては、

コンタクト抵抗が許容できないほど上昇してしまうことになるだろう。この Si リッチ層を極小化するか、この 層をなくすことが目標となる。W のコンタクトプラグとの置き換えとなる材料とプロセスとして、電気めっき

Rh[1]と電気めっき Cu[2]が検討されている。これらは“superfilling”（ボトムアップで膜が成長し、シーム形

成の懸念がない）挙動を示す。スタックキャパシタ DRAMにおける高アスペクトコンタクトの W埋め込み のためには、ALD によるW成膜の継続的な開発が必要である。最終的には、スタックキャパシタDRAM のコンタクトに対する長期的な要求に応えるために、新材料、新技術の開発が必要である。

MPU やASIC のメタル1配線および中間層の配線としては、Cu 配線を用いるのが望ましく、めっきによ

る成膜技術が近い将来の市場においてもなお支配的だろう[3-5]。シームのない埋め込みやより高いアス ペクト比に対応するために、電気めっき技術および装置の改良が継続的になされる。Cu CVD も微細化 に向けて必要な技術である[6]。通常の Cu の熱負荷においても、微小なダマシン配線中のめっき Cuを、

優れたエレクトロマイグレーション耐性に要求される大きなグレインの竹状構造に変えるのが、困難になっ てきている事が報告されている。その結果、表面拡散と同様に Cu の結晶粒界は、将来にエレクトロマイ グレーションの潜在的不良モードとして考慮されなければならない。Cu 配線のエレクトロマイグレーション 耐性を改善する潜在的解決策は Cu-Al[7]や Cu-Ti[8]などの Cu 合金を使うことである。合金元素は、

PVD Cu 合金シード層を使うことで採用され、その後、めっき後のアニールで配線全体に拡散する。

Cu-Al 合金と界面の絶縁体 Cap を共に使用することで、エレクトロマイグレーション耐性を 50 倍改善できる 結果が得られている。純金属配線と比較して、合金を使用することで、抵抗率の増加がみられる。

MPU やASIC に用いられるメタル1配線および中間層の最小幅のCu 配線には、電子散乱による抵抗

増加がすでに起こっている[9-11]。しかし、これらの配線の配線長は技術世代に応じて短くなっているた め、影響は最小限に抑えられている。グローバル配線のレベルでは、はるかに幅広い配線が用いられる ため、サイズ効果の影響は最後まで受けないだろう。最小ピッチのグローバル配線の抵抗率はこの10 年

で 40%程度上昇することが予想される。このことは、大きな問題である。なぜなら、グローバル配線は、よ

り長い距離を引き回されるため、メタル 1 配線や中間層配線よりも、もっと特性に影響を与えやすいから である。この抵抗上昇の影響を緩和するためには、Cu の界面状態、微細構造、不純物レベル等の制御 が必要である。

MPU の配線は階層構造をとっており、グローバル配線のピッチと厚さは上層ほど大きくなっていく。最上 層のグローバル配線は世代が変わってもほとんど変わらないため、電子散乱の影響は受けないだろう。

そのため、2011 年度版のロードマップ表ではグローバル配線ピッチは世代が進んでも一定としている。

金属の抵抗は温度依存性があり、それゆえに、IC チップの冷却は配線伝導率を改善するひとつの潜在 的解決策である。しかしながら、これはほとんどの消費財や携帯デバイスにとっては実用的ではない。グ ローバル配線にAl配線は使われ続けるであろうし、AlのCVDやリフロースパッタ技術[12]もダマシン用 に改善され続けるだろう。

他に設計上の手法として、リピータの使用、またはドライバーを大きくすることがあるが、両者ともチップサ イズや消費電力に影響を与えてしまう。近い将来最も有望な解決策は、3次元 IC を可能にする技術とし ての高密度 TSV を使用することである。この技術を使用することで、すべての配線長を削減でき、多様 な機能を実現できる Si 以外での解決策をも合体できる。配線幅が狭く抵抗が高くなってくるグローバル 配線の影響を最小にするため、もうひとつの近い将来での解決策は、設計と信号選択、パッケージ技術、

の適切な組み合わせである。また、これらの問題を解決するための高周波や光技術の利用について、膨 大な量の研究開発が行われている。より、急進的な解決策には、超伝導、カーボンナノチューブ等がある。

3次元IC のすべての議論、高密度TSV のロードマップ、そしてその他は、“TSV関連”の節に記述され る。

無線デバイスと通信分野の市場の増大は、配線層に作り込む受動素子のプロセスや材料への注力に拍 車をかける。特に、歩留まりと信頼性を向上させるための、MIM キャパシタの電極形成方法および材料 に注目が集まっている。Al も Cu も、標準的なスパイラルインダクタに使用されているが、様々な磁性体 材料や、異なったインダクタのデザインがこれらのデバイスの面積を低減するために出現するかもしれな い。

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Metal 0/Contact plug CVD W

ECD Cu, Rh, … Barrier less conductor

ECD Cu

PVD Cu reflow

CVD Cu

Semi-Global/Global Conductor

ECD Cu

PVD(reflow ) or CVD Al

This legend indicates the time during which research, development, and qualification/pre-production should be taking place for the solution.

Research Required Development Underway Qualification / Pre-Production Continuous Improvement

Metal 1, Intermediate wiring

Alternative materials w ith w eaker size effect (W, Mo, Ru …) Alloy additions to Cu for reliability improvements (CuAl, CuMn, CuTi)