【BEOL】半導体の配線工程とは？工程フローと原理

配線工程とは？

フォトリソグラフィなどで形成した回路や素子が作動するには、外から電気を与える必要があります。この信号や電気のやり取りを行うため、素子同士は金属配線で接続する必要があります。

配線材料：AlとCu

配線に使用される金属は大きくアルミニウム(Al)と銅(Cu)があります。

1. アルミニウム(Al)

従来(180nmノード)までの主流。微細化の進行に伴い、配線遅延(RC)の影響が無視できず、Cu配線に置き換わった。

2. 銅(Cu)

現在の主流。低抵抗材料であり、Alよりも配線遅延の小さな材料として使用される。

Al配線の工程フロー

(出典:Lam Research 資料を基に作成)

実際の工程フローは以下の通りです。

1. アルミニウム成膜・レジスト塗布

配線材料であるAlをPVD等で成膜した後、フォトレジストを塗布します。

2. 露光

露光によりレジストにパターンを刻みます。残ったレジストは続くエッチング工程のマスクとなります。

3. Al膜エッチング・レジスト除去

RIEで不要なアルミニウム膜を除去します。RIE後はレジストを除去します。

4. 酸化膜成膜

Al配線を保護する役割で酸化膜を成膜します。

5. 酸化層除去

CMPにより表面の不要な酸化層を除去します。

このように、配線材料であるAl成膜・レジスト塗布後の露光と、レジストをマスクとしたエッチング、続く配線保護の酸化膜形成を繰り返すことで、層状にAlが配線されていきます。

Cu配線のメリット

現代の先端デバイスにおいてはAlではなく「Cu配線」が主流となっています。Cu配線はAl配線と比較し以下の長所があります。

1. 抵抗率が低い

CuはAlと比較し抵抗率が30%低いです。微細化に伴う配線断面積の縮小は、単位長さ当たりの抵抗値を増大させるめ、配線材料の抵抗率も小さい方が有利です。

2. 熱伝導率が高い

Cuの熱伝導率はAlよりも高いです。配線に大電流を印加した場合のジュール発熱の局所集中を抑え、配線抵抗の増加やエレクトロマイグレーションの加速を抑えることが出来ます。

3. エレクトロマイグレーション耐性が高い

拡散係数や有効電荷などの物性値の観点から、Cuの方がエレクトロマイグレーション耐性が高く、長時間使用時の信頼性が高いです。

(出典:電気通信大学 博士論文)

以上の理由から、現在の配線材料はCuが主流です。

Cu配線工程：ダマシン法

Al配線工程ではあらかじめ成膜したAl膜をRIEでパターニングすることで配線を形成します。

一方、Cuはエッチング生成物の蒸気圧が低く、RIEによるエッチングが困難という問題があります。そこで開発されたのがダマシン法です。

(出典:Lam Research 資料を基に作成)

1. Cu成膜

メッキ法でCuを成膜します。

2. CMP

CMPで不要なCuを研磨除去します。

3. 酸化膜成膜

溝や穴を形成するための酸化膜を成膜します。

4. 露光・エッチング

マスクを用いて露光・エッチングを行い、酸化膜にパターンを刻みます。

5. Cu成膜

露光で刻まれたパターンにCuを成膜し、2層目のCu配線を行います。

ダマシン法では、酸化膜成膜・露光でのパターン形成・Cu成膜・CMPを幾度も繰り返すことで、3次元配線を形成します。

参考文献 参考図書

1. 電気抵抗率(Wikipedia)
2. 熱伝導率(Wikipedia)
3. コバルト金属が引き起こす20年ぶりの配線大改革(PC Watch)

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