セミダマシンの仕組み、Ruを削って配線｜第1世代はM0、imecが提案

Ruのsemi-damasceneとは、最下層の配線を、溝にCuを埋めて磨く代わりに、Ruの膜をエッチングして線を残して作る方式だ。imecの計画では、第1世代はトランジスタのすぐ上にある最初の配線層（M0）に入る。imecはその時期を、最も細い配線のピッチが18 nmになるA10かA7の世代とし¹、第3世代でM2へ広げると提案している。

量産時期の見通しは、TELの推定が手がかりになる。TELは、最小金属ピッチ18 nmの10A世代（2029〜30年量産）の配線技術として、「Cu CIP」と「Ru subtractive」を並べた²。一方、Applied Materials（AMAT）は2024年、RuCoライナーでCu配線を2 nmノード以降まで延ばす³と発表した。semi-damasceneの性能を比べる量は、金属ピッチ、配線の高さと幅の比（アスペクト比、AR）、配線抵抗（Ω/µm）、via（上下の配線をつなぐ穴）の抵抗とリーク、配線の間を埋める絶縁膜かair gapの容量だ。

Cuのdual-damasceneは、最も細い層のピッチが20 nmを切ると行き詰まる

imecは、最も重要な配線層の金属ピッチが20 nmを下回るとCuのdual-damasceneは限界になるとみる¹。理由は2つある。線幅がCuの電子の平均自由行程に近づき、抵抗が急に上がる。さらに、バリア、ライナー、キャップが線幅の大きな割合を占め、Cuが流れる断面が減る。細い配線ではRuがCuの抵抗を下回り始める。Cuの側では、バリアとライナーを薄くしてCuの断面を増やす延命策が進んでいる。

imecの計画では、第1世代はMOLのすぐ上のM0に入る

imecが2024年に示したsemi-damasceneの導入計画は5世代からなる。第1世代では、MOL（トランジスタと配線をつなぐ層）の直後にある最初の配線層M0に、AR 2のエッチングRu配線¹を入れる。いまのCu配線のARはおよそ1.6だ。第2世代ではM0のARを3に上げ、容量の増加を抑えるためにlow-kの埋め込みの代わりにair gapを使う。第3世代でM0とM2の両方をsemi-damasceneで作り、第4世代でさらに層を増やす。第5世代では、Ruより有利な合金を想定している。

図1対象は最下層の local 配線

imecの計画でRuのsemi-damasceneが最初に入るのは、MOLのすぐ上にある最初の配線層M0だ。

対象の書き方は、imecの発表の中でも年によって違う。2022年のimecは、semi-damasceneを1 nmノード以降の最初の3つのlocal配線層⁴の候補としていた。2025年の発表では、A7以降のM0⁵を作る方法とし、複数の層へ広げられる可能性があると書いた。

TELが10A世代に並べた最小金属ピッチ18 nmは、imecが第1世代を入れるとした18 nmと同じ値だ。TELの表は、その次の7A世代（2031〜32年量産）をRu subtractive（AR 3超）とair gapの世代と推定している。Intelも2024年12月のIEDMで、エッチングで作るRu配線を狭いピッチの層でCuのダマシンを置き換える方法とし⁶、同社の将来のノード向けに位置づけた。

semi-damasceneは、Ruの膜を削って線を残し、viaと上の配線を一度に作る

imecの工程は4段からなる。まず全面に付けたRuをエッチングで線の形に削り⁴、下の配線（Mx）を作る。次に線の間を絶縁膜で埋めるか、空洞（air gap）にする。その上の絶縁膜にviaの穴を開け、Ruで穴を埋めたうえで表面にRuの層ができるまで付け続け、この層をエッチングして下の線と直交する上の配線（Mx+1）を作る。viaと上の配線を一度に作るので、Cuのdual-damasceneと同じく2層を1回の流れで作れる。imecは18 nmピッチでの比較から、この方式はdual-damasceneとコストで競えるとしている⁴。

図2同じ層をつくる二つの断面

Cuのdual-damasceneは溝に埋めたCuをCMPで整え、Ruのsemi-damasceneはRuの膜を削って線を残し、線の間を埋めるかair gapにする。

Cuと比べて変わる点は3つある。1つ目は、配線金属のCMPが要らないことだ。imecは、これで工程が単純になり、配線の高さを制御しやすくなる¹と説明する。2つ目は、バリアを付けずに使えるRu、Mo、Wのような金属を使うことだ。Cuは絶縁膜へ拡散しないようにバリアとライナーで囲む必要があり、その分だけ導電断面が減る。3つ目は、エッチングで線を作るので、ARを上げやすいことだ。ARを上げると抵抗は下がるが、隣の線との容量が増えるので、線の間にair gapを組み合わせる。

量産はまだ始まっておらず、研究ラインでは16 nmピッチまで進んだ

imecは2024年10月、業界は第1世代を開発段階へ移すかどうかを検討している¹と書き、第1世代もまだ量産に入っていないとした。2025年6月には、imecの配線プログラムの責任者が業界がRuの直接エッチングを取り上げ始めた⁵と述べている。

imecの実証は、air gapとの組み合わせ、via、抵抗の順に積み上がってきた。

発表	構造	示された値
2020年10月、IITC7	30 nmピッチ、2層のRu semi-damasceneとair gap	10年超の寿命、良好な機械的強度
2022年6月、VLSI4	18〜26 nmピッチ、2層、完全自己整合via（FSAV）	via抵抗40〜60 Ω、via-配線間の絶縁破壊電界9 MV/cm超
2022年6月、IITC8	18 nmピッチ、AR 6のRu配線	AR 3に比べ抵抗が約40%低い
2025年6月、IITC5	16〜22 nmピッチのRu配線	16 nmで平均656 Ω/µm、18〜22 nmで全面歩留まり90%以上

imecの研究ラインで報告された不良は、エッチの線切れ・ブリッジとviaの合わせずれに集まる。方式を替えると、Cuのめっきと配線CMPの工程が、Ruのエッチと埋め込みの工程に入れ替わる。

関連ページ

• 前工程BEOL配線材料とは｜Cu・W・Mo・Ruを材料形態と工程位置で分ける
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• 前工程Mo contact と selective deposition の量産条件
• 前工程CFETのMOL接続とMRW
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• 前工程エッチング
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• 装置・品質検査・計測・オーバーレイ装置の役割分担
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• 装置・品質TEL、AMAT、Lamの最新装置と注目技術
• 前工程Ru semi-damasceneでimecが報告した不良
• 前工程Cu延命とRu配線で各社が挙げる製品
• 前工程Cuライナーの薄膜化とRuCo
• 前工程air gapの装置ロードマップ
• 企業研究企業研究：東京エレクトロン

出典

10件を表示

1. 1
   imec：semi-damasceneは配線工程の転換点か、5世代の導入計画（2024年10月）imec-int.com ↩abcde
2. 2
   東京エレクトロン：IR Day 2025、ロジック技術ロードマップ（2025年2月）tel.com ↩
3. 3
   Applied Materials：RuCoライナーとVolta Ru CVDでCu配線を2 nm以降へ（2024年7月）globenewswire.com ↩
4. 4
   imec：18 nmピッチの2層semi-damasceneとFSAV、VLSI 2022（2022年6月）imec-int.com ↩abcd
5. 5
   imec：16 nmピッチのRu配線で平均656 Ω/µm、IITC 2025（2025年6月）imec-int.com ↩abc
6. 6
   Intel：IEDM 2024、サブトラクティブRuとair gap（2024年12月）intel.com ↩
7. 7
   imec：30 nmピッチのRu semi-damasceneとair gap、IITC 2020（2020年10月）imec-int.com ↩
8. 8
   imec：AR 6のRu配線で抵抗約40%減、IITC 2022（2022年6月）imec-int.com ↩
9. 9
   imec：BEOLナノ配線の研究プログラム（研究紹介ページ）imec-int.com
10. 10
    Applied Materials：Endura CuBS Volta Ruthenium CVD（製品ページ）appliedmaterials.com