デュアルダマシンとは

デュアルダマシンとは、絶縁膜に掘った配線の溝と、下の層へつながるビアの穴を、まとめて1回で金属で埋める方式です。 溝とビアを別々に埋める方式と比べると、埋める工程と研磨する工程が1組で済みます。工程と界面を減らせる一方で、1回で埋める穴が深くなり、埋め込みが難しくなります。1990年代半ばから銅配線の主力だった方式ですが、配線が細くなった現在は、溝とビアを分けて埋めるシングルダマシンに戻す検討も進んでいます。まとめる利点と、まとめたことで生じる深さと断面の不利のどちらが勝つかが、世代ごとの選択を分けています。

銅は削りにくいので、掘って埋める順序になった

ダマシン法は、金属膜をエッチングして配線にする代わりに、先に絶縁膜へ溝を掘り、そこへ金属を埋め、あふれた分を研磨で除去する方式です。ダマシンは象嵌の意味で、絶縁膜の配線を作る予定の部分に溝と穴を掘り、そこへ銅を埋め込みます¹。銅配線ではこの順序が必要でした。銅とプラズマイオンの反応速度は非常に遅いため、ドライエッチングで銅配線を作ることは原理的には可能でも十分な生産性が得られず²、CMP装置で削るダマシン工程が採用されました。SCREENの解説では、SiO2などのエッチングしやすい絶縁膜に溝を作り、電解めっきで銅の膜を付け、CMP装置で上の銅を削り取ると、溝の中の銅だけが残って配線になります。

日本半導体歴史館によると、銅はRIEによるエッチングが難しく、これが実用化の妨げでした。1980年代後半から実用化が進んだCMPと組み合わせることで、一気に実用化と量産化が進みました。先行したのはIBMで、1997年暮れのIEDMで0.25μmのCMOSでの配線の試作に成功したと発表しています。日本国内では、IBMに一世代遅れた0.18μmのCMOS世代以降に製品化が進みました。imecは、1990年代半ばの導入以来、Cuのデュアルダマシンが、SiO2、SiCO:H、エアギャップといったlow-k絶縁膜と組み合わさって、ロジックとメモリの両方で線とビアの主力だったとしています³。

配線は何層も積み重ねるので、上の層と下の層をつなぐ縦の穴、つまりビアが要ります。そこで順番の選択肢が2つ生まれます。ビアの層をまず埋めて研磨し、それから溝の層を埋めて研磨するやり方と、溝とビアを掘り終えてから1回で埋めるやり方です。後者がデュアルダマシンです。主要工程は、層間絶縁膜の堆積、ビア孔と配線溝の形成、バリアメタルとCuシード膜の成膜後の電解めっきによる埋め込み、CMPによる余分なCu膜の除去とCu表面へのバリア絶縁膜の成膜⁴の順です。掘る対象が2つでも、埋め込みと研磨は1回ずつです。

まとめて埋めると、工程・界面・不良の三つが減る

シングルとデュアルの断面

別々に埋めると、ビアと溝の間に界面が1つ挟まります。まとめて埋めると、溝とビアがひと続きの銅になり、埋め込みと研磨も1回で済みます。

日本アイ・ビー・エムの高辻博史氏の1999年の解説によると、デュアルダマシンはCMPの回数を減らすほか、配線とビアを同じ材料で一体に埋めるので、界面での抵抗の増加と、ビアのエッチング不足で上下がつながらないオープン不良を大きく減らし⁵、生産ラインの歩留り向上にもつながりました。

別々に埋めると、溝の金属とビアの金属の間に界面が1つできます。同じ銅どうしでも、界面は抵抗を上げます。IBM Researchの野上毅氏の解説によると、デュアルダマシンの利点は、製造コストの低さ、溝側とビア側のパターンの重ね合わせ精度、高抵抗の界面の数が半分で済むこと、ビアのCMPが不要なことです⁶。

日本半導体歴史館によると、ダマシンによって銅のRIEが不要になったことに加え、配線形成の時点で表面が完全に平坦になるため多層化が容易になり、10層以上の多層配線も可能になりました¹。平坦な面を再び掘るところから次の層が始まるので、工程の回数が少ないほど多層化しやすくなります。この方式が広まったのは、工程が減って不良が減るからです。

露光の側でも工程を減らす工夫があります。IBMの研究者は、ビア用と溝用の2層のレジストを専用のエッチング転写用多層膜の上に重ねるMLME方式で、露光・露光・エッチングの順に溝とビアのパターンを絶縁膜へ転写しました⁷。同研究は、この方式がデュアルダマシンBEOL全体の工程数を減らし、従来の露光・エッチング・露光・エッチングの流れで生じる装置間のウェーハの受け渡しもいくつか省けるとしています。

1回で埋める穴が深くなり、埋め方が電解めっきに変わった

まとめて埋める分、穴は深くなります。トレンチやビアのアスペクト比は微細化に伴って増える傾向にあり、芝浦工業大学の上野和良氏の解説によると、配線幅が50nm程度だった2012年の時点で、それぞれ2程度、合わせて4程度です⁸。溝だけ、ビアだけなら埋められる形状でも、合わせると埋め込みが難しくなります。

深い穴を底から埋める

2012年の時点で、溝とビアを合わせた深さはアスペクト比4程度で、PVDの膜が入口を細らせます。電解めっきでは、大きな抑制剤が外側の析出を抑え、小さな促進剤が穴の中の析出を速めて、銅を底から埋めます。

この深さが、埋め込み方法を変えました。高辻氏の解説によると、ターゲットとウェーハの距離を伸ばして垂直成分を高めたロングスロースパッタでもアスペクト比1.5程度が限界で、アスペクト比2以上が必要なデュアルダマシンには対応できませんでした。CVDは埋め込み性能では対応できたものの、異物混入による膜質低下や、結晶粒が小さくEM耐性が落ちる問題があり、装置コストも高く成膜速度も遅いという課題がありました。そこで電解めっきが採用されました。

上野氏の解説によると、電解めっきでは、めっき液の添加剤の働きで、微細で高アスペクト比のパターンに底から銅を成長させるボトムアップフィリングを使います。抑制剤は分子が大きくパターンの中に入りにくいため主に外側で析出を抑え、促進剤は分子が小さくパターンの中まで入るため内側で析出を速めます。

JEITAが公開するITRS 2009年版配線章の日本語版は、PVDで付けた膜が溝の入口側を細らせるため、デュアルダマシンの形状では銅の電解めっきで埋められる範囲に限りがある⁹と指摘しています。バリアメタルとシード層を側壁へ届かせるほど、入口は狭まります。

測るのは断面と待ち時間、動かすのはめっき液と洗浄

埋め込みの結果はボイドやシームとして断面に出て、研磨の結果はディッシングとして出ます。動かせるのは、その手前にある条件です。

上野氏の解説によると、めっき液では、安定した埋め込み特性を保つために添加剤の濃度を一定に保つことが重要で、CVSなどを用いて濃度を管理します。めっき膜中に残る炭素や塩素の量は添加剤の量で変わり、その不純物が結晶粒の成長を止め、抵抗や信頼性を悪化させます。埋まったかどうかだけでなく、膜に何が取り込まれたかも管理の対象です。

工程間の時間も管理の対象です。ITRS 2009年版配線章の日本語版によると、側壁に残るポリマーや金属の汚れを落とすウェット洗浄が必要で、その位置はエッチングから金属成膜までの間です。エッチングと洗浄の間に空く時間も課題の一つに挙げられています。エッチング後の穴は待たせるだけで状態が変わります。

細いピッチへ延ばす鍵は、最も密な層をEUVの単一露光で作ること

imecは、デュアルダマシンをより細いメタルピッチへ延ばす鍵を、最も密な線（M1とM2）とビア（V1）のパターニングにEUVの単一露光を入れることだとし³、これで工程の複雑さが減るとしています。imecは2019年のIITCで、3nmロジック世代の製造に関わるデュアルダマシンの試作構造を示しました。21nmピッチのM2層は、線と溝を193nm液浸の自己整合4重パターニング（SAQP）で、ブロックとビアをEUVの単一露光で描くハイブリッドの露光を提案しています。この試作構造は、バリアのないRuの配線と比誘電率k=3.0の絶縁膜を使い、imecは前の世代に比べて信頼性を損なわずにRCを30%改善したとしています。

同じ解説でimecは、高いアスペクト比での容量の増加が、従来のデュアルダマシンでRCを改善するうえでの大きな障害だとしています。デュアルダマシンとセミダマシンの本質的な違いは、デュアルダマシンの最後の工程である金属のCMPを省くことにあります。

配線が細くなり、シングルダマシンへ戻す検討が進む

デュアルダマシンの年表

1990年代半ばから主力だったデュアルダマシンについて、2023年の解説は、分けて埋めるシングルダマシンに戻すと抵抗が30%下がるとしています。

1回でまとめる利点は、配線が細くなるほど小さくなります。野上氏の解説によると、溝とビアを一度にパターニングして一度に埋めるというデュアルダマシンの難しい部分を切り離し、その分配線を高くして抵抗を下げるシングルダマシンが、Cu配線を延命させる方法の一つとして期待されています。

野上氏の2023年の解説によると、シングルダマシンでは、細い溝を埋めるのに必要だったCoの濡れ層を使わなくても埋め込めるため、銅の断面積を大きく取れ、配線の高さをデュアルダマシンと同じにしたままCu配線抵抗を30%下げられます。デュアルダマシンの抵抗を100とすれば、70に当たります。配線の形状を変えずに、埋め方を分けるだけで抵抗が下がります。

一方で、野上氏の解説によると、製造コストの低さ、溝側とビア側のパターンの重ね合わせ精度、高抵抗の界面が半分で済むこと、ビアのCMPが不要なことといったデュアルダマシンの利点が失われ、工程の難易度は上がります。同解説は、新たな最大の課題をシングルダマシンのビアをCMPするときに起きるガルバニック腐食で、ビアの中の金属が失われることだとしています。

削るのが難しい銅に合わせて、掘って埋める順序が生まれました。工程を減らすために、溝とビアをまとめました。そして今度は、抵抗のために、まとめたものをもう一度ほどく検討が進んでいます。

よくある質問（FAQ）

デュアルダマシンとは何ですか？

絶縁膜に掘った配線の溝と、下の層へつながるビアの穴を、まとめて1回で金属で埋める方式です。埋める工程と、あふれた分を研磨で落とす工程が1組で済みます。

シングルダマシンとの差は、どこにありますか？

埋める回数が違います。シングルダマシンはビアの穴を埋めて研磨し、その上に溝を掘ってまた埋めて研磨します。デュアルダマシンは溝とビアを掘り終えてから1回で埋め、1回だけ研磨します。

なぜまとめて埋めるのですか？

減るものが多いためです。高辻博史氏の解説によると、CMPの回数が減り、配線とビアを同じ材料で一体に埋めるので、界面での抵抗の増加とビアのエッチング不足によるオープン不良が大きく減り、歩留り向上にもつながりました。

1回で埋める難しさはどこにありますか？

1回で埋める深さが増える点です。トレンチとビアのアスペクト比は微細化に伴って増える傾向にあり、2012年の時点でそれぞれ2程度、合わせて4程度です。

どうやって埋めるのですか？

電解めっきで底から埋めます。めっき液の添加剤のうち、大きな抑制剤が外側の析出を抑え、小さな促進剤が穴の中の析出を速めるボトムアップフィリングを使います。

現場では何を管理しますか？

めっき液と、工程間の待ち時間です。添加剤の濃度をCVSなどで一定に保ち、エッチングから金属成膜までの間に入れるウェット洗浄と、エッチングと洗浄の間に空く時間を管理します。

デュアルダマシンをやめる動きはありますか？

あります。野上毅氏の解説によると、シングルダマシンに戻せば配線の高さを同じにしたままCu配線抵抗を30%下げられます。代わりに、低い製造コスト、溝とビアの重ね合わせ精度、半分で済む高抵抗の界面、ビアのCMPが不要なことという利点を失います。

比較・違いを学ぶ

ダマシン法とは── 掘って埋める方式そのもの
CMP（化学機械研磨）とは── あふれた金属を除去する工程
バリアメタルとは── 埋め込みの前に溝の内壁に付ける膜

出典

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