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エアギャップの信頼性、TDDB寿命は10年｜狭ピッチではviaのリークが課題（imec）

imecのRu配線では、air gapの信頼性が数値で示されている。imecは配線幅10 nm、空洞の幅8〜16 nmの構造で、加速試験から見積もった100°C・0.75 V超のTDDB寿命が10年に届き、85°C/85%RH・1,000時間の湿度試験で容量・リーク・耐圧に大きな変化がなかった1と2022年に報告した。air gapそのものについては、Intelが2014年のIEDMで、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2と発表している。

しかし18 nmピッチでは、課題が残る。imecが2024年に報告した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は40%だった3。imecは2024年の解説で、18 nmピッチでair gapとの両立を示し、TDDBと機械的信頼性に十分な余裕があることを示す作業が要るとしている。

寿命の電界依存はlow-kより急だが、100°Cで0.75 V超まで10年を満たした

Section titled “寿命の電界依存はlow-kより急だが、100°Cで0.75 V超まで10年を満たした”

TDDB（経時絶縁破壊）とは、隣り合う配線の間に電圧をかけ続けたとき、絶縁が時間とともに壊れる現象だ。電圧と温度を上げた加速試験の結果から、使用条件での寿命を見積もる。

imecのLesniewskaらは、配線幅を10 nmに固定し、air gap幅8〜16 nmで配線間のTDDBを測った1。電界加速係数はRu/low-kのdual damasceneより高く、電圧を上げたときに寿命が速く縮む。それでも実際の製品に近い配線長で、100°C・0.75 V超の条件で10年寿命を満たした。同じ報告では、RuはSiNやSiCOの膜へ拡散しなかった。imecは、Ruと組み合わせれば絶縁体と導体の間に拡散バリアが要らない4と説明している。

寿命の予測にも、air gap用の方法が作られている。imecのFangらは、配線の縁の凹凸と電界の集中を織り込んだ寿命予測の方法5を2022年に発表した。モデルは空洞を囲む界面の絶縁膜の特性で較正し、Ru/air gap配線のTDDB実測で検証している。その予測では、空洞を下の層間絶縁膜まで深く掘るほど信頼性が大きく上がる。

湿気とviaの試験も、1,000時間で大きな変化がなかった

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空洞は湿気を取り込むおそれがある。imecはこの懸念に対して、85°C/85%RH・1,000時間の湿度試験を行い、容量、リーク、耐圧に大きな変化がなかった1と報告した。同じ報告で、配線へ自動的に位置を合わせる自己整合viaは、エレクトロマイグレーション試験と高温保存試験を通過している。

機械的な強さは、それより前に確かめられていた。imecは2020年、30 nmピッチの2層Ru配線で、80%超の再現性で短絡がなく、10年超の寿命と、Cu dual damasceneと同程度の機械的安定性6を示した。

上段はimecがRuとair gapの配線で基準を満たした4つの試験で、TDDB寿命、湿度試験、自己整合via、機械的安定性。下段は18 nmピッチの2層配線で目標を満たしたviaの割合を示す横棒で、via抵抗は80%、via-配線間リークは40%。
寿命、湿度、機械的安定性の試験はimecの研究ラインで基準を満たした。18 nmピッチでは、via-配線間リークの歩留まりに加え、TDDBと機械的信頼性の余裕を示すことが残る。

18 nmピッチでは、viaの周りのリークが残る

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ピッチを18 nmまで詰めると、viaと空洞の取り合いが難しくなる。imecのDelieらは2024年、18〜26 nmピッチの2層Ru配線で、自己整合viaと両立させるために空洞の上端を下の配線（Mx）の上面より4〜6 nm低い位置に作った3。この構造で配線間の容量は絶縁膜で埋めた場合より40%下がったが、18 nmピッチで目標を満たしたviaは、抵抗50 Ω未満が80%、via-配線間リーク100 pA未満が40%だった。

imec自身も、残る課題を挙げている。2024年10月の解説では、アスペクト比6のRu配線について、24 nmピッチまでは良い信頼性を示した一方、18 nmピッチへ広げ、air gapとの両立を示し、TDDBと機械的信頼性に十分な余裕があることを示す作業が要るとした7。Ru配線をエッチングで作る工程の順序と、その量産条件はRu配線の量産条件で扱っている。

量産の発表は14 nm世代にあり、最小ピッチのRu配線への適用は研究段階

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Intelは2014年のIEDMで、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2と発表した。imecも2019年に、メモリーとロジックの両方でair gapがlow-kの代わりに使われ始めた4と書いている。

いま研究が進むのは、最小ピッチの配線をRuで作り、その間を空洞にする組み合わせだ。この組み合わせで判定に残るのは、via-配線間リークの歩留まりと、TDDBと機械的信頼性の余裕だ。容量の利得と引き換えに配線の自己発熱が増える点は、low-kとair gapの基礎の記事で、imecの熱解析の数値とともに扱っている。装置会社がこの技術をどの世代に置いているかは、air gapの装置需要とTELの世代推定の記事にまとめた。

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