エアギャップ配線は7A世代、TEL推定｜Ruのエッチング配線と最小ピッチで併用

東京エレクトロン（TEL）の推定では、air gapが最先端ロジックの最小ピッチ配線に入るのは、量産が2031〜32年の7A世代だ。TELはIR Day 2025のロジック技術ロードマップで¹、最小金属ピッチ17 nmの7A世代に「Ruのエッチング配線（アスペクト比3超）とair gap」を置いた。同じ日の質疑では、新しいPECVD装置の用途として、コンタクトスペーサーや配線の金属gapfillとともにair gapを挙げ、このPECVD事業が売上に寄与するまでには時間がかかり、中期の視点で種をまく²と答えている。

air gapとは、配線の間を絶縁膜で埋めずに空洞を残し、配線間の容量を下げる構造で、それ自体はすでに量産に使われている。Intelは2014年、性能上重要な層にair gapを入れた14 nmロジック技術が量産中³と発表した。一方、TELが7A世代に置いたのは、air gapとRuのエッチング配線を最小ピッチで組み合わせる構造で、これが成膜とエッチの工程の組み方を変える。

TELのロードマップでは、air gapは7A世代でRuのエッチング配線と組み合わさる

TELのロードマップを配線の行だけ抜き出すと、次のようになる。量産時期は月産2万枚に達する時期で、いずれもTELの推定だ。

量産時期	ノード	最小金属ピッチ	配線の技術
2022〜26年	3nm、2nm/18A/16A	23 nm	Cuのバリア・シード改良、HPC向けの裏面電源
2027〜28年	14A	20 nm	Cuのバリア・シード改良、HPC向けの裏面電源
2029〜30年	10A	18 nm	Cuの改良、またはRuのエッチング配線
2031〜32年	7A	17 nm	Ruのエッチング配線（アスペクト比3超）、air gap
2033〜38年	5A〜2A	16〜12 nm	新しい合金（アスペクト比5超）、air gap、BEOLトランジスタ

同じ資料の成長機会のページでも、TELはロジックについてRuのような新材料と、air gapのような構造の変化が新しい機会を生む¹と書いた。

imecの配線ロードマップも、近い世代にair gapを置いている。imecは、Ruをエッチングで加工する配線の第1世代を、最も細い配線のピッチが18 nmになるimecのA10かA7世代に入れ、アスペクト比を3に上げる第2世代ではlow-kの埋め込みの代わりにair gapが要るとしている⁴。同じ記事で、業界は第1世代を量産前の開発段階へ移すことを検討している⁴と書いた。

TELはair gapを新しいPECVDの用途に挙げた

TELが質疑でair gapに触れたのは、新しいプラズマCVD（PECVD）装置についての質問への答えだ。TELは、PECVDとPVDの市場はどちらも大きく、自社の参入可能市場を広げる計画²だと述べた。PECVDは低温で処理できるので、トランジスタ側のコンタクトスペーサーに加え、次世代配線の金属gapfillと、寄生容量を下げるair gapを、発表したプラットフォームのチャンバーで実現できるという。

TELは同じ回答で、このPECVD事業が売上に寄与するまでには時間がかかるとも述べた。

Ruのエッチング配線では配線金属のCMPが外れ、air gapは成膜の工程を増やす

TELの表で7A世代のair gapと組み合わさるRuのエッチング配線は、imecがsemi-damasceneと呼ぶ工程だ。imecの工程では、Ruをエッチングして下の配線を作り、配線の間を絶縁膜で埋めるか空洞にし、viaを開けて埋め、上の配線を作る⁴。imecは、Ruをエッチングで加工するこの方式では、配線の間を膜で埋めても空洞にしても配線金属のCMPを使わずに済み、配線の高さを制御しやすい⁴と説明する。

Ruをエッチングで加工するsemi-damasceneでは、Cu配線の最後にある配線金属のCMPが外れる。air gapは、その工程に空洞を作る成膜を加える。

空洞を作る工程は、成膜の新しい仕事になる。Changらは2023年、熱で取り除ける空洞形成用の材料を使い、空洞の高さを制御した⁵と報告した。imecは2024年、18 nmピッチの配線で空洞の上端を下の配線（Mx）の上面より4〜6 nm低い位置に狙って作った⁶。エッチ側では、imecが、比較した3つの自己整合viaの方式はいずれも装置メーカーから入手できる既存の金属エッチング装置に適合する⁴と書いている。工程順と各段の採否条件はRu配線の量産条件にまとめている。

Cu配線が続く世代では、low-k膜とそれを削るCMPの改良が続く

TELの表では、14A世代まではCuの改良が配線の主な技術で、10A世代はCuの改良かRuのエッチング配線になる。Cu配線の絶縁膜では、Applied Materialsが2024年7月、最小のk値を下げ、機械的強度を上げたBlack Diamondの新版を発表し、先端のロジックとDRAMの大手すべてが採用を進めている⁷と説明した。同社は、2 nm以降では絶縁膜が薄くなってチップの機械的強度が下がると書いている。同社は、7 nmから3 nmまでに配線の工程数がおよそ3倍になり、月産10万枚の新設工場あたりの自社の配線向け参入可能市場が約60億ドルに増えた⁷と試算している。Cu配線のライナー側の改良はCuライナーの薄膜化とlow-kの記事で扱っている。

low-k膜の上のCuを削るCMPでは、Applied MaterialsはReflexion LKの機能として終点検出と研磨プロファイルのその場制御⁸を挙げる。終点検出がCMPの歩留まりをどう左右するかはCMPの記事にある。本記事は、TELの表とApplied Materialsの発表から、7A世代より前の最小ピッチ配線では、絶縁膜の成膜とCMPの改良がlow-k膜を軸に続くと読む。

最小ピッチのair gapには、リークと熱の課題が残る

imecの18 nmピッチの2層Ru配線では、via-配線間リークの目標を満たしたviaが40%だった⁶。この歩留まりと、寿命・湿度試験の結果はair gapの信頼性試験の記事で比べている。熱の面では、imecがA14世代を例に行ったシミュレーションで⁹、air gapを入れると配線の自己発熱が30%増えた。この熱の問題はlow-kとair gapの基礎の記事で扱っている。

関連ページ

• 前工程imecのA14シミュレーションでは、air gapで配線の自己発熱が3割増える（low-kとair gapの基礎）
• 前工程imecのRu配線のair gapは10年寿命と湿度1,000時間を通過（信頼性試験）
• 前工程Ru配線の量産条件
• 前工程Cuライナーの薄膜化と新しいlow-k
• 前工程CMP：ディッシングと終点検出
• 装置・品質TEL、AMAT、Lamの最新装置と注目技術
• 企業研究企業研究：東京エレクトロン
• 企業研究企業研究：Applied Materials

出典

9件を表示

1. 1
   東京エレクトロン：IR Day 2025、ロジック技術ロードマップと成長機会（2025年2月）tel.com ↩ab
2. 2
   東京エレクトロン：IR Day 2025の質疑、PECVDとair gap（2025年2月）tel.com ↩ab
3. 3
   Intel：air gap配線を含む14 nmロジック技術、IEDM 2014（2014年12月）doi.org ↩
4. 4
   imec：semi-damasceneはBEOLの転換点か、研究の現状（2024年10月）imec-int.com ↩abcde
5. 5
   IITC 2023：パターニングした金属配線へのair gap統合（2023年）doi.org ↩
6. 6
   imec：MP18の2層semi-damascene配線へのair gap統合、IITC 2024（2024年）doi.org ↩ab
7. 7
   Applied Materials：Black Diamondの新版とRuCoライナー（2024年7月）ir.appliedmaterials.com ↩ab
8. 8
   Applied Materials：Reflexion LK CMPの製品紹介appliedmaterials.com ↩
9. 9
   imec：先端配線の熱ボトルネック、14層BEOLの熱解析（2023年9月）imec-int.com ↩