多層配線|半導体集積化を支える配線技術

多層配線

半導体デバイスの集積度が向上し続けるなかで、回路の高密度化や優れた伝送特性を実現するうえで欠かせない技術が多層配線である。多層配線とは、2 層以上の複数配線を縦方向に積み重ねたIC の配線構造のことで、微細化が進むほど配線抵抗や配線間容量の問題が深刻化するため、材料選択やプロセス技術が高度に組み合わされることによって、素子の性能や信頼性を維持しながらさらなる集積化を達成している。

多層配線の重要性

集積回路においてトランジスタのスケーリングが進むにつれて、より多くの回路素子を限られた面積に収める必要が生じる。これを支えるために配線を縦方向に重ねてレイヤーを増やす技術が検討されてきた。多層構造を採用すれば、基板上に敷き詰める配線の長さを短縮し、信号遅延を抑制するとともに部品配置の自由度を高めることができるのである。結果として高性能化と高密度化の両立が可能になり、大規模集積回路では標準的な構造として広く浸透している。

絶縁膜の材料選定

多層構造を成り立たせるためには、各配線層の間に敷かれる絶縁膜の材料やプロセスが重要な意味を持つ。シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの従来材料は良好な絶縁特性と機械的強度を備えているが、配線間容量低減が大きな課題になるため、低誘電率材料(Low-k materials)の導入が行われてきた。近年では超低誘電率材料(ULK materials)の適用も検討され、さらに空孔を混入させるポーラス構造によって誘電率を一層引き下げる試みも進んでいる。

配線メタルの要件

多層配線では使用される配線メタルの電気抵抗や熱安定性、さらにはエレクトロマイグレーションへの耐性などが問題となる。アルミニウムは長年にわたり標準的な材料とされてきたが、配線パターンの微細化が進むにつれて銅(Cu)の採用が拡大してきた。銅はアルミニウムに比べて電気抵抗が低いだけでなく、信頼性を高水準に保つことが期待される。しかし銅配線の場合、バリアメタルの導入や埋め込み工程の最適化など追加のプロセス管理が必要となる。

製造プロセスの工程

多層配線を形成する工程はフォトリソグラフィ、エッチング、メタル成膜、CMP(Chemical Mechanical Polishing)など多岐にわたる。銅配線では従来のエッチング工程ではなく、配線溝を先に形成してからメタルを埋め込むダマシンプロセスが活用されている。絶縁膜を堆積して配線パターンを描き出し、導体を埋め込むことで表面を平坦化しながら多層化していく。このように各層ごとにリソグラフィと成膜、そして平坦化を繰り返すことで複雑なパターンが上下に積み上げられている。

配線密度向上の課題

多層配線で高い配線密度を実現するには、線幅を細くすると同時に層間の干渉を抑制する技術が不可欠となる。線幅を縮めればRC遅延が深刻化するリスクがあるが、低誘電率材料や銅配線による抵抗低減で部分的に緩和している。一方、微細化によるエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションの増大、配線間ショートのリスクなども考慮しなければならない。すべての材料とプロセスを最適化したうえで歩留まりを確保するために、設備の高度化や計測技術の進化が引き続き求められている。

実装例と応用分野

近年の高性能CPUやGPU、メモリなどの先端デバイスでは10層以上の多層構造が一般化している。さらに3D積層技術が導入されることで、複数のダイを垂直方向につなぐTSV(Through Silicon Via)と組み合わせた立体的な構造も開発されている。これらの多層技術は通信機器や自動車のECUなど広範な分野に応用され、IoT時代における高速かつ省電力な電子システムの基盤となっている。

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