サブトラクティブ配線とは

THEME 03 トランジスタ形成 · 集積の作り込みSubtractive Metal Patterning

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サブトラクティブ配線とは、金属を先に全面へ付けてから、余分なところをエッチングで削り落として線を残す作り方です。 溝を掘って金属を埋めるダマシン法とは、工程の順序が逆になります。

配線が細くなるにつれて、溝に金属を埋めるダマシン法では抵抗が上がりやすくなりました。一方で金属を削る方式では、削れる金属が限られ、削りすぎても削り不足でも不良が出ます。

削れるかどうかは、反応生成物が揮発するかで決まる

配線の作り方は、削って残すか、掘って埋めるかの2通りです。どちらを選べるかは金属の性質しだいで、決めているのは反応生成物の揮発性です。エッチングは、金属をガスと反応させて揮発する化合物に変え、排気で持ち去る操作です。飛ぶ化合物ができる金属だけが、削って形を作れます。

Al配線のエッチングガスはCl2、側壁保護用の添加ガスはBCl3やCCl4で、フッ化物のAlF3は揮発しません¹。同じアルミでも、削れるのは塩素系のガスを使うときだけです。ガスは、反応生成物の蒸気圧で選びます。

方向性はRIEで作ります。平行平板の電極でウェーハ側を負に帯電させる自己バイアスは数百ボルトになり、これがイオンを加速して方向性を与えることで異方性のエッチングができます。削る方式の配線では、エッチングガスが化学反応を、イオンが方向を担当します。

削る方式と埋める方式

削る方式は成膜が先で、線の高さをエッチングが決めます。埋める方式は溝が先で、高さをCMPが決めます。どちらを選ぶかで、ラインに必要な装置も、崩れ方も変わります。

銅はRIEで削りにくく、CMPとダマシンの組み合わせで量産に入った

Al系の材料は、LSI開発の初期から配線材料として使われてきました。微細化とともに配線抵抗が上がり、RC（配線抵抗と浮遊容量の積）の増加が、信号線での遅延や電源線での電力損失としてLSIの性能に影響し始めました²。

Cuに移る理由は揃っていました。Cuは比抵抗がAlの3分の2以下で、マイグレーション耐性も高く、許容電流密度はAl配線より一桁近く高くなります。しかしCuはRIEで加工しにくい金属で、それが実用化の妨げになっていました。そこへ80年代後半に実用化が進んだCMPが登場し、ダマシン法と組み合わせることで一気に量産化が進みました。

作り方を変えると、製造ラインの装置も変わります。成膜はAlスパッタからCuスパッタやCuめっきへ、加工はAlのRIEから酸化膜のRIEへ、平坦化はエッチバックからCMPへ移りました。スパッタへの要求も変わり、削る方式では平坦な面への成膜なので面内均一性が主な課題でしたが、埋める方式では深い穴や細く深い溝の側壁に均一に付けることが課題になり、イオン化スパッタなどの技術が発展しました。

IBMは1997年暮れのIEDMで0.25µm CMOSでの配線試作の成功を発表し、日本国内ではそれより一世代遅れた0.18µm CMOS世代以降にCuダマシン配線の製品化が進みました。配線ができた時点で表面が平坦になるので積み増しがしやすく、10層以上の多層配線も可能になりました。

側壁が1度傾くだけで、足元が太って隣との間隔が狭まる

削る方式の寸法は、エッチングの側壁角度がそのまま左右します。ゲート加工では、側壁の角度が89°になると物理的なゲート長が7%増えます¹。この7%はゲート加工の厚さでの値ですが、幾何は配線でも同じで、垂直から1度傾くだけで、線の高さに応じて足元が太くなります。足元が太れば隣との間隔が狭まり、層内の容量が上がります。アスペクト比を上げるほど、この影響は大きくなります。

側壁に保護膜を堆積しながら削る方法は異方性の実現に有効ですが、孔径によってエッチング速度が大きく変わるマイクロローディング効果が起きるので注意が必要です。側壁パッシベーションとローディング効果は、削る方式では表裏の関係にあります。

ピッチ20nm未満で、削る方式がセミダマシンとして戻ってきた

imecは、1997年のCuデュアルダマシンの導入がBEOLの転換点になり、チップメーカーはAlを削る方法からCuの電解めっきとCMPという湿式の工程に移ったとしています。重要なBEOL層の金属ピッチが20nmを下回ると、同社はデュアルダマシンが限界に近づくとしています³。Cuの平均自由行程に線の寸法が近づいてRC遅延が急に増え、さらにCuにはバリアメタル、ライナー、キャップが必要で、それらが線幅の大きな割合を占めるためです。

そこでimecが2020年に提示した方式がセミダマシンです。Alのときと同じく、最初の局所配線層を直接パターニングすることから始めます。したがって削れる金属が要り、W、Mo、Ruなどが候補になります。ビアはシングルダマシンで作り、穴を金属で埋めたあと絶縁膜の上まで盛り、そのまま2層目の線としてマスクして削ります。2層目の線は1層目と直交します。

得るものは3つです。金属CMPが消えて工程が簡単になり、線の高さの制御が良くなります。アスペクト比を上げられます。そしてエアギャップを使えるので、狭い溝へ絶縁膜を均一に埋める問題そのものを避けられます。

imecの実験では、18nmピッチのRu線でアスペクト比を3から6に上げると、面積を変えずに線抵抗が約40%下がりました⁴。imecは2025年のIITCで、16nmピッチの直接エッチRu線で平均抵抗656Ω/µmを示し、16nmピッチ構造の40%が薄膜抵抗率から予測される抵抗目標を満たした⁵と発表しています。これは線幅8nmの局所配線に相当します。18〜22nmピッチでは、ウェーハ全面の歩留まりが90%以上でした。パターニングには、EUVを使うSADPを改変したspacer-is-dielectric方式と、Ruの直接エッチングを組み合わせています。

削りすぎは線切れ、削り不足は線どうしのつながりになる

削りすぎと削り不足

削る方式では、削りすぎると側壁を失って線が切れ、削り不足だと下で隣どうしがつながります。前者はスタックの構成で、後者はエッチング条件で対策します。

1つ目の不良は線切れです。imecによると、金属の直接エッチングはRu線の側壁を攻撃して線切れ欠陥を生み、アスペクト比を上げるほど悪化します。対策はスタックの構成です。imecの実験では、密着性のために1nmのTiNを付け、その上にPVDでRuを付ける構成が、線の高さ全体で最も低い抵抗を示しました。欠陥はRuの粒構造と結晶方位にも左右され、これらは成膜方法に強く依存するため、PVDが有利です。さらに、2枚のRuのあいだにサブnmのTiNまたはWを挟む欠陥抑制層を入れると、直接エッチングでの横方向の攻撃と線切れが起きにくくなりました。ピッチ24nmまでは良好な信頼性を示していますが、18nmピッチへの拡張、エアギャップとの整合、TDDBと機械的信頼性の余裕は今後の課題です。

2つ目の不良は線どうしのつながりです。imecは16nmピッチの工程で、Ruエッチングを改良してSiNハードマスクの酸化を抑え、線どうしがつながる欠陥を防ぎました。削り不足なら隣とつながり、削りすぎれば側壁を失って切れるので、許容範囲は狭くなります。

アスペクト比を上げると抵抗は下がり、容量が上がる

アスペクト比を上げれば線抵抗は下がりますが、層内の容量が上がります。第2世代で絶縁膜の埋め込みをlow-kからエアギャップに変えるのはこのためです。imecは、エアギャップを使ったセミダマシンの工程で10年を超える寿命を示しています。

削る方式では、金属CMPという難しい工程がなくなる代わりに、金属を直接削るという別の難しい工程が加わります。

配線モジュールの中で工程を比較する

サブトラクティブは金属を直接削り、ダマシンは絶縁膜へ作った溝を金属で埋めます。セミダマシンはビア形成と金属の直接パターニングを組み合わせます。プロセスインテグレーションでは、各方式の材料、洗浄、下地、熱履歴と絶縁の形成を一つのモジュールとして比較します。

よくある質問（FAQ）

サブトラクティブ配線とは何ですか？

金属を先に全面へ付けてから、余分なところをエッチングで削り落として線を残す作り方です。溝を掘って金属を埋めるダマシン法とは、工程の順序が逆になります。

削れるかどうかは何で決まりますか？

反応生成物が揮発するかどうかです。Al配線のエッチングガスはCl2、側壁保護用の添加ガスはBCl3やCCl4で、フッ化物のAlF3は揮発しません。同じ金属でも、ガスによって加工できるかどうかが変わります。

なぜ銅では使えなかったのですか？

CuはRIEでの加工が難しく、それが実用化を妨げていました。そこへCMPが実用化され、ダマシンと組み合わせることで量産化が一気に進みました。

削る方式に戻る動きがあるのはなぜですか？

imecは、重要なBEOL層の金属ピッチが20nmを下回るとCuデュアルダマシンは限界に近づくとしています。Cuの平均自由行程に寸法が近づいてRC遅延が急に増え、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るためです。

削る方式で得られるものは何ですか？

金属CMPが要らなくなって工程が簡単になり線高さの制御が良くなること、アスペクト比を上げられること、狭い溝へ絶縁膜を埋める問題を避けてエアギャップを使えることです。

どこまで作れていますか？

imecは2025年のIITCで、16nmピッチの直接エッチRu線について平均抵抗656Ω/µmを示し、16nmピッチ構造の40%が抵抗目標を満たしたと発表しています。これは線幅8nmの局所配線に相当し、18〜22nmピッチではウェーハ全面の歩留まりが90%以上でした。

失敗はどんな形で出ますか？

削りすぎでも削り不足でも不良が出ます。削りすぎると、金属の直接エッチングがRu線の側壁を攻撃して線切れ欠陥ができ、アスペクト比を上げるほど悪化します。削り残ると、SiNハードマスクの酸化に伴って線どうしがつながる欠陥が出ます。

比較・違いを学ぶ

ダマシン法とは── 溝を掘って金属を埋め、高さをCMPで決める作り方

出典

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