バリアメタルとは

バリアメタルとは、銅の配線と周りの絶縁膜との間に挟む薄い金属膜です。 銅が絶縁膜のほうへ拡散していくのを抑える役目を持ちます。問題は、従来のTaN/TaやCoの二層が約2.5nmより薄くできないまま、配線だけが細っていくことです。守る膜が導電断面を奪う割合は世代ごとに増え、線抵抗を押し上げます。打ち手は2つで、膜をさらに薄くするか、膜を省ける金属に替えるかです。

銅は絶縁膜へ入り込み、配線の間を短絡させる

銅は配線材料として優れていますが、周りの絶縁膜へ入り込んでいく困った性質があります。入り込まれた絶縁膜は絶縁としての働きを失い、TDDBの寿命が落ち、やがて隣り合う配線の間で短絡が起きます。配線材料が、自分の周りの絶縁を壊していくわけです。

銅の拡散と配線間の短絡

バリアで覆えば銅は配線の中にとどまります。覆わなければ銅が絶縁膜へ入り込み、寿命を落として、やがて隣の配線との間を短絡させます。

そこでダマシン法で溝を掘ったあと、銅を埋める前に必ず内壁を別の金属で覆います。これがバリアメタルです。銅のメタライゼーションは、信頼性を保ち、銅の絶縁膜への拡散を防ぐために、バリア・ライナー・キャップ層を必要とします¹。

従来の二層は約2.5nmから縮まず、細い配線ほど断面を奪う

内壁を覆った分だけ、銅の入る場所が減ります。これらの追加層は使える線幅の大きな割合を食いはじめ、貴重な導電断面を配線金属自身が使い切れなくなっています¹。

配線ピッチの最小寸法は20nmを下回るところまで進む一方で、最先端のバリア／ライナー二層（TaN/Ta もしくは Co）は、配線幅と同じ比率では薄くできず、十分な拡散阻止性能を保つために約2.5nmのままにとどまります²。溝の側だけが細り、バリアはその厚みを保つため、細くするほど配線の中でバリアが占める割合は増えていきます。Nature Communicationsの論文のモデルでは、3nmノードから15Åノードへ進むと、線の有効導電体積が75.6%から61.6%へ減り、線抵抗が6倍になると試算しています。

導電断面に占める銅の割合

論文のモデルでは、同じ2.5nmのバリアでも配線が細るほど銅の取り分は75.6%から61.6%へ減り、線抵抗は6倍になると試算されています。バリアを1.2nmにすれば、取り分は80.8%まで増えます。

1.2nmまで削れれば、線抵抗は4割下がる

逆にバリア層の厚みを1.2nmまで減らせれば、有効導電体積は61.6%から80.8%へ増え、線抵抗を41.3%下げられると試算されています²。わずか1nm強を削れるかどうかが抵抗を4割動かすので、バリアメタルの厚みは配線の性能の上限を大きく左右します。

同じ論文の研究チームは、この1.2nmを実際の膜で示しました。Ta2S3の膜は、2次元の層状構造であるTaS2の層どうしを、余分なTa原子が橋渡しした構造とみなせます。チームはアミノイミノ系のTa前駆体とH2Sプラズマを使うエネルギー増強型のALDを考案して成膜し、厚さ1.2nmの膜が2.5nmのTaNの標準品を上回る銅の拡散阻止性能を示したとしています。膜は銅の濡れ性と密着性にも優れ、アスペクト比の高い溝の側壁全体を均一な1.2nmで覆っていました。

バリアを省くなら、絶縁側と導体側の寿命を両方示す

薄くする道と並んで、バリアを省ける金属を使う方向があります。imecは、セミダマシンの利点を引き出すには、CuでもCoでもなく、拡散バリアなしで成膜でき、サブトラクティブエッチングなどでパターニングできる金属が要るとしています³。ただしバリアを外すには2つの証明が要ります。バリアは銅の拡散を防ぐ役目に加えて、エレクトロマイグレーションを抑える役目も担っているためです。絶縁側の寿命と導体側の寿命は、別々に示す必要があります。

imecはその両方を並べた結果を公開しています⁴。バリアレスのRuメタライゼーションと誘電率3.0の絶縁膜を使った金属ピッチ21nmのデュアルダマシン試験構造で、RCが30%改善し、330℃・530時間でEM故障は観測されず、100℃でのTDDB故障時間は10年超でした。

ビア単体の抵抗でも差が出ています。imecは、0.3nmのTiNライナー上にRuを充填したビア（バリアなし）が、1.5nmのTaNバリアを持つCo充填の構成より良い抵抗性能を示したと発表しています³。厚いバリアを持つ構成に、バリアを省いた構成が勝った例です。守る膜を薄くするか、その膜を省ける材料に替えるかの選択は、配線材料そのものの選択と一体になっています。

バリアとライナーは役割で区別し、ビアの底だけ省く構成もある

バリアはCuなどが絶縁膜や他の材料へ拡散することを抑えます。ライナーは次の金属の密着、濡れ、核生成と成長を助け、シードは電解めっきに電流を供給します。Applied MaterialsのRu/CoライナーはRuの密着とCoの濡れを組み合わせる製品例です⁵。1つの材料が複数の役割を担う構成もあり、材料名だけでは役割は決まりません。

ボトムライナーレスビアでは底面の高抵抗膜を省き、側壁の膜は保つ構成を使います。全面でバリアを省く方式とは区別し、Cu拡散、界面抵抗と長期信頼性を一緒に評価します。前述のTa2S3でビアの底をバリアレスにするには、膜をビアの側壁だけに選択的に付け、底の金属には付けない必要がある²とされています。

底をバリアレスにしたビア

バリアを側壁だけに付ければ、絶縁膜への拡散は側壁で止めたまま、ビアの底では金属どうしが直接つながります。

よくある質問（FAQ）

バリアメタルとは何ですか？

銅の配線と周りの絶縁膜との間に挟む薄い金属膜です。銅が絶縁膜のほうへ拡散していくのを抑える役目を持ちます。

拡散すると何が起きますか？

絶縁が壊れます。銅が絶縁膜の中へ入り込むと絶縁膜の寿命が落ち、やがて隣り合う配線の間で短絡が起きるので、配線を作るときは必ず先に内壁をこの膜で覆います。

なぜ問題になるのですか？

配線の断面を奪うためです。銅にはバリア・ライナー・キャップが要り、これらの層が使える線幅の大きな割合を食いはじめ、貴重な導電断面を配線金属自身が使い切れなくなっています。

厚みはどこまで薄くできるのですか？

最先端のTaN/TaやCoのバリア／ライナー二層は、十分な拡散阻止性能を保つために約2.5nmにとどまるとされています。配線ピッチは20nmを下回っていくので、バリアの取り分だけが相対的に増えます。研究段階では、1.2nmのTa2S3膜で2.5nmのTaNを上回る拡散阻止性能が報告されています。

どのくらい抵抗が増えるのですか？

Nature Communicationsの論文のモデルでは、3nmノードから15Åノードへの微細化で有効導電体積が75.6%から61.6%へ減り、線抵抗が6倍になると試算しています。同じモデルでバリアを1.2nmにすると、有効導電体積は80.8%へ増え、線抵抗は41.3%下がります。

バリアを省く道はありますか？

材料を替えれば可能性があります。imecはバリアレスのRuメタライゼーションを使った金属ピッチ21nmの試験構造で、RCの30%改善、330℃・530時間でEM故障なし、100℃でのTDDB故障時間10年超という結果を出しています。

ビアでも差は出ますか？

出ます。imecは、0.3nmのTiNライナー上にRuを充填したビア（バリアなし）が、1.5nmのTaNバリアを持つCo充填の構成より良い抵抗性能を示したと発表しています。

比較・違いを学ぶ

ダマシン法とは── バリアが必要になる工程順序

出典

5件を表示

1
imec：Semi-damascene metallization, an inflection point in back-end-of-line processingimec-int.com a b
2
Nature Communications：Ultrathin diffusion barriers for advanced interconnectsnature.com a b c
3
imec：Alternative metals for advanced interconnect and contact schemesimec-int.com a b
4
imec：2 metal layer back-end-of-line for the 3nm technology nodeimec-int.com ↩
5
Applied Materials：Endura Volta Ruthenium（Ru/Coライナー）製品ページappliedmaterials.com ↩