Ru配線の抵抗、細線でCuを下回り始める｜根拠の大半はブランケット膜の測定

配線の断面が数百nm²まで細ると、Ruの配線はCuより抵抗が低くなり始め、Moも膜ではCuに並ぶ。Cuの電子は散乱せずに約40 nm進むため細線で抵抗率が急に上がり、しかもCuだけは拡散を止めるバリアとライナーに断面の一部を譲る。RuとMoは抵抗率の上がり方が緩い。Moはバリアも密着ライナーもなしで溝を埋められ、Ruは主に金属を削って配線にし、拡散バリアの代わりに薄い密着層だけを付ける。細い層ほど、この2つの差が積み重なる。

しかし、この結論を支えるデータの大半は、ブランケット膜（白膜）の測定と、それを配線へ延ばしたモデルだ。ブランケット膜とは、配線のパターンを切る前にウェーハ全面へ付けた平らな膜を指す。配線に加工してから測った比較はRuで出始めたところで、相手のCuは計算値であることが多い。Moの配線は溝やビアでの実測が出始めた段階にある。

細線の抵抗は、抵抗率と平均自由行程の積で比べる

金属の抵抗率は、線幅や膜厚が電子の平均自由行程（$\lambda$）に近づくと上がる。表面と粒界で電子が散乱される回数が増えるからだ。imecの代替金属の解説は¹、Cuのバルク抵抗率を1.7 µΩcm、室温の$\lambda$を39 nmとし、候補材料はバルク抵抗率と$\lambda$の積（$\rho_0\lambda$）がCuより小さくなければならないとする。Co、Ru、Rh、Ir、Moは太い寸法ではCuより抵抗率が高いが、寸法を縮めたときの上がり方が緩いため、小さな寸法で逆転する。

この指標を金属ごとに計算で求めたのが、Rensselaer工科大学のDaniel Gallだ。Gallは2016年、最も導電性の高い20の単体金属について、第一原理計算のフェルミ面から$\lambda$を求め、細線の極限ではRh、Ir、NiがCuの2.1倍、1.8倍、1.6倍よく電気を通し、Mo、Co、RuはCuとほぼ同じになる²と示した。したがってCuとの比較では、MoとRuの強みは「Cuよりずっと良い」ことではなく、「Cuと同等の導電性を$\lambda$の短さで保てる」ことにある。

実測では順位が動く。Gallは2020年の展望論文で、エピタキシャル膜で測った$\rho_0\lambda$が多くの金属で計算値よりかなり大きく、10 nm未満で古典的な輸送モデルが崩れることを指摘し、細い高導電配線の単体金属ではIrが最有望で、RuとRhが続く³と結論した。Moについては、同じグループがMo(011)のエピタキシャル膜で$\rho_0\lambda=6.2\times10^{-16}$ Ωm²を測り⁴、計算値5.99×10⁻¹⁶ Ωm²とよく一致し、Cuの測定値より10%、Wより40%小さいと報告した。面方位を変えたMo(001)では7.7×10⁻¹⁶ Ωm²で、同じMoの比較でも結晶の向きだけで抵抗率の上がり方が変わる。

Cuが負ける主因は、バリアとライナーに断面を取られること

$\rho_0\lambda$で比べると、MoとRuはCuとほぼ互角だ。差を広げるのは、電流が流れる断面の取り合いだ。Cuは絶縁膜へ拡散するため、溝とビアの内側をTa/TaNのバリアとRuCoなどのライナーで覆ってからめっきで埋める。IBMはIEDM 2024の解説で⁵、配線が細るとCuが占める体積の割合が減ってCu配線の抵抗が上がると述べている。バリアの厚さはほぼ一定のまま線幅だけが縮むので、細い配線ほど高抵抗の層の割合が増える。

図1金属ごとの配線断面

Cuだけは溝の内側をバリア・ライナー・シードで覆うため、細い配線ほど電流の流れる断面が減る。MoとRuはこの層なしで配線にできる。

図2ダマシン配線の工程順

Cu配線は、めっきで埋める前にバリア・ライナーとシードを付ける。この2工程で付く層の厚さが、細線での抵抗の差になる。

MoとRuは、Cuほど厚い層に断面を取られない。KU Leuvenとimecは3–50 nmのPVD Mo薄膜で⁶、Moの$\lambda$を11 nm、Cuを40 nmとし、Moの抵抗率はWより全膜厚で低く、TaN/Cu/TaN積層には総金属厚およそ8 nm以下で優ると報告した。同じ論文は、MoがSiO₂とlow-k膜のどちらにも密着ライナーなしで5 J/m²を超える密着エネルギーを示した一方、RuやIrなどの白金族金属は密着ライナーが要るとしている。Lam ResearchもIITC 2025で、大粒径Moの抵抗率は膜厚への依存が小さく、膜厚約7 nm以下でW、Ru、Cuを下回った⁷と発表した。

Cu側の散乱の内訳も測られている。NISTが25–45 nm幅のCu細線を調べた研究では⁸、結晶粒の構造と抵抗の温度依存を解析した結果、その試料群では表面での拡散散乱が抵抗率を支配していた。

Cu側も層を薄くして断面を取り戻している。Applied Materialsは2024年7月、RuとCoの二元系ライナーを33%薄い2 nmにし、配線抵抗を最大25%下げたとして、3 nmノードから顧客への出荷を始めた⁹。

Gallの研究を含め、比較の大半はブランケット膜で行われている

Gallのグループの最近の研究は、ほぼすべてエピタキシャルの平らな膜を使う。W(001)–Mo(001)多層膜の研究は¹⁰、界面を横切る抵抗を直接測るには10 nm未満のパターニングが要るため、界面に平行な方向の抵抗率から界面抵抗を求める方法を示した。W–Mo界面の接触抵抗は2.6×10⁻¹⁶ Ωm²だった。Ru(0001)/Co(0001)多層膜では¹¹、界面で混ざった合金層が接触抵抗を決め、その値は成膜温度で大きく変わった。

表面の状態も膜で調べている。厚さ7 nmのRu(0001)膜では、0.1–0.5 nmのTiキャップの堆積でシート抵抗が1.0–2.6%、酸素への暴露で1.0%上がった¹²。散乱の変化は、Tiキャップで1.5分の1から6分の1、酸素暴露で6分の1から10分の1と、Cu、Co、Rhより小さい。2026年の研究では、厚さ6.5 nmのRu(0001)膜に0.5〜2原子層分のRuを積み、原子1個分の高さの段差を付けると、シート抵抗が4–6%上がった¹³。

散乱の原因を1つずつ切り分けるには、結晶の向きと界面が揃った単結晶の膜が要る。一方、実際の配線は多結晶で、粒の大きさは溝の幅に縛られ、側壁はエッチングや酸化の跡を持つ。Gallも2020年の展望で、粒界の寄与を無視できるのは粒が200 nmより大きいか線幅の10倍あるときとしている³。線幅12 nmの配線なら、粒の長さが120 nmを超える必要がある。

白膜から配線へ移すと、粒界と側壁の寄与が増える

膜の測定から配線の抵抗をどこまで予測できるかは、imecがRuで確かめた。Duttaらの2018年の研究は¹⁴、ALD Ru膜の膜厚依存から求めた散乱パラメータを配線用のモデルへ入れ、断面積30–130 nm²のRu配線の抵抗率を約10%の誤差で予測した。Ru配線の抵抗率は主に粒界散乱で決まり、50 nm²未満では表面散乱の寄与が大きくなる。最小の断面ではモデルが実測を系統的に下回った。同じモデルでCu配線を計算すると、Ruとの抵抗率の逆転は断面積45 nm²付近になる。この比較のCuは膜のパラメータから計算した値で、バリアを含まず、粒径とアスペクト比はRu配線と同じとおいている。

膜の結晶の質は、配線にも持ち越される。imecはIITC 2025で、イオンビーム成膜した(0001)配向の大粒径Ru¹⁵を公称CD 9 nm、ピッチ18–26 nmの配線に加工し、同じ断面積の従来のRuより配線の抵抗率が12%下がったと報告した。

加工で新しく生じる損失もある。配線ピッチ32 nm以下のRuとMoのダイレクトエッチの研究によると¹⁶、RuではO₂系のエッチングに由来する酸化層がハードマスクの側壁に育ち、最小寸法ではエッチングが止まることがある。Moでは側壁の保護不足と、加工した配線の酸化が主な課題だ。前出のMo薄膜の研究も、Moが大気中で酸化して絶縁性の表面酸化物をつくり、エッチングで削り出した配線では電流の流れる断面を削ること、N₂を含む雰囲気でのアニールで窒化して抵抗率が上がることを挙げている。この断面の損失は、白膜の比較には現れない。アニール条件の決め方は熱処理とサーマルバジェットにまとめている。

パターン化した配線の実測は、Ruが先行し、Moはこれから

Ruは配線での実測が積み上がっている。imecは16 nmピッチのRuセミダマシン配線¹⁷で平均656 Ω/µmを得た。IEDM 2023の2層Ru配線では¹⁸、CD 10 nm・アスペクト比6のRu配線が235 Ω/µmで、アスペクト比2のCuのシミュレーション値より75%低いと報告された。比べたのは実測のRuと計算のCuで、配線の高さも3倍違う。背を高くする効果は、IITC 2022でアスペクト比6のRu配線がアスペクト比3より約40%低い抵抗を示した¹⁹実測で確かめられている。Cuとの逆転点について、SemiEngineeringはVLSI 2022で示されたデータとして、断面積300 nm²（約17×17 nm）を少し下回るところでRuの抵抗率がCuを下回る²⁰と伝えている。バリアを入れずに計算したDuttaらの45 nm²とは6倍以上開いており、逆転点は比べ方で大きく動く。

IBMとIntelの研究も、細いピッチではRuを配線に使う道を示している。IBM ResearchはIEDM 2024で、Ruトップビア配線のEM試験で1,800時間まで故障がなく、同程度の寸法の最良のCuより大幅に良かった⁵と報告した。Intelは同じIEDM 2024で、Ruを削って作る配線にエアギャップを組み合わせ、ピッチ25 nm以下で配線間の容量を最大25%減らした²¹。セミダマシンとダイレクトエッチの工程はRu配線の量産条件、エアギャップによる容量の下げ方はLow-kとエアギャップで扱う。

Moの配線データは、溝とビアを埋めた構造での測定が中心だ。IITC 2024のMo ALDの発表は²²、幅20 nmの高アスペクト比のSiO₂溝をボイドなく埋め、抵抗の温度係数から求めた実効抵抗率がアニール前で約11 µΩcmだったと報告した。アニールを加えると粒が育って抵抗率はさらに下がり、シームも消え、剥離は起きなかった。CD 10.5 nmのビアを領域選択的に埋めた結果も示している。IITC 2022のバリアレスALD Moは²³、埋め込み電源配線（BPR）とそこへのビア、M0AにMoを組み込み、800°Cのアニール後と、5 MA/cm²・330°Cで150時間を超えるストレス後の構造を報告した。一方、Lam Researchが示したMoのハイブリッド配線で総抵抗がCuデュアルダマシンより約55%下がるという結果は²⁴、同社のSEMulator3Dによる仮想加工の計算だ。imecのZsolt TokeiはMoは酸化が懸念でダマシン型に向き、ミドルオブラインに有望だと述べ、imecの進捗はRuのほうが進んでいる²⁰と話している。

Moが先に入るのは、配線よりコンタクトだ。Applied Materialsは2026年2月、単結晶Moを選択成膜するALD装置が、同社の選択W装置よりクリティカルなコンタクト抵抗を最大15%下げる²⁵と発表した。コンタクトでのMoの選択成膜はMoコンタクトと選択成膜の量産条件で詳しく扱う。

残る問いは、パターン化した配線で実際どうなるか

Ruでは、実測の配線がCuの計算値を75%下回る結果がIEDM 2023で出ており、逆転する断面積は45 nm²から300 nm²まで幅がある。IBMとIntelは細いピッチのRu配線を試作で示した。Cuは引き続き伸びている。IBMはIEDM 2024で、ピッチ24 nm（線幅12 nm）のCu配線を2 nmノード向けに検証済みとした⁵。IRDS 2024も²⁶、Cuが少なくとも2029年まで配線金属の主流にとどまり、Cu以外の金属はローカル配線（M0）と、EM寿命の限界からMOL・M1・Mxのビアに入ると見ている。Moは$\rho_0\lambda$でCuとほぼ互角で、Cuを10%下回るのは(011)配向の膜だけだ。膜厚約7 nm以下の膜では、Lamの測定でCuより低い抵抗率が出ている。配線での実測は溝の埋め込みでアニール前に約11 µΩcmが出たところで、量産の入口はコンタクトだ。

IRDS 2024の計測の章も²⁷、配線構造の計測の多くは単純化した構造やモニターウェーハで行われており、電気特性・歩留まり・信頼性と相関する物理計測と、パターン付きウェーハでの測定が要るとしている。次に確認すべきは、同じウェーハ、同じ断面積で、Cuのバリアとライナーまで含めた実測のR/µmを並べるデータだ。そこで比べるべきは、Ruの粒界、Moの側壁の酸化、Cuのバリア厚という、白膜の測定には現れない3つの損失になる。配線とビアの作り方の違いはBEOLインテグレーションフローの3D比較にある。

関連ページ

• 前工程Cuライナーの薄膜化
• 前工程Mo配線の採用と前駆体
• 企業研究企業研究：Lam Research
• 企業研究企業研究：Intel

出典

27件を表示

1. 1
   imec：二元・三元化合物はCuに勝てるか、代替配線金属の指標（2022年10月）imec-int.com ↩
2. 2
   Daniel Gall（J. Appl. Phys.）：Electron mean free path in elemental metals、20金属のλとρ₀λ（2016年2月）doi.org ↩
3. 3
   Daniel Gall（J. Appl. Phys.）：The search for the most conductive metal for narrow interconnect lines（2020年2月）doi.org ↩ab
4. 4
   Jog, Gallほか（Nanomaterials）：エピタキシャルMo(001)・Mo(011)膜の抵抗率サイズ効果（2023年3月）doi.org ↩
5. 5
   IBM Research：IEDM 2024のCu配線とRuトップビア（2024年12月）research.ibm.com ↩abc
6. 6
   KU Leuven・imec（Materialia）：配線用の極薄Mo膜の特性（2022年8月）doi.org ↩
7. 7
   SemiEngineering：Moによるメモリーの微細化、Lam ResearchのIITC 2025発表（2025年9月）semiengineering.com ↩
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   NIST：50 nm未満のCu細線の抵抗率は表面散乱が支配（2010年1月）nist.gov ↩
9. 9
   Applied Materials：RuCo二元系ライナーで配線抵抗を最大25%低減（2024年7月）globenewswire.com ↩
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    Shen, Gall（J. Appl. Phys.）：W(001)–Mo(001)多層膜の界面散乱（2024年8月）doi.org ↩
11. 11
    Shen, Lavoie, Gall（J. Appl. Phys.）：Ru(0001)/Co(0001)多層膜の界面散乱（2025年1月）doi.org ↩
12. 12
    Nishat, Gall（Appl. Phys. Lett.）：Ru(0001)表面の散乱とTiキャップ・酸素暴露（2025年11月）doi.org ↩
13. 13
    Nishat, Gallほか（J. Appl. Phys.）：原子スケールの表面粗さとRu(0001)膜の抵抗率（2026年7月）doi.org ↩
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    imec（IITC 2025）：イオンビーム成膜Ruの配向と配線抵抗率（2025年6月）imec-publications.be ↩
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    imec（JVST A）：RuとMoのダイレクトメタルエッチ（2022年）imec-publications.be ↩
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    imec（IEDM 2023）：2層Ru配線、AR6のRuとAR2のCu計算値の比較（2023年12月）imec-publications.be ↩
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    imec：高アスペクト比のセミダマシンで配線抵抗を半減する道筋（2022年6月）imec-int.com ↩
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    SemiEngineering：Cu配線はどこまで微細化できるか、RuとCuの逆転点（2022年12月）semiengineering.com ↩ab
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    Intel：IEDM 2024のサブトラクティブRuとエアギャップ（2024年12月）intel.com ↩
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    IITC：2024年会議プログラム、Mo ALDの発表（2024年6月）iitc-conference.org ↩
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    IITC：2022年会議プログラム、バリアレスALD MoのBPR（2022年6月）iitc-conference.org ↩
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    Lam Research（SemiEngineering寄稿）：Moハイブリッド配線のSEMulator3D評価（2025年9月）semiengineering.com ↩
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    IRDS：2024年版More Moore、配線金属の見通し（2024年）irds.ieee.org ↩
27. 27
    IRDS：2024年版Metrology、配線構造の計測課題（2024年）irds.ieee.org ↩