層間絶縁膜｜半導体配線間を絶縁する薄膜構造

層間絶縁膜

層間絶縁膜とは、半導体集積回路の多層配線構造において、隣り合う配線層の間や素子と配線の間を電気的に分離するために形成される絶縁性の薄膜である。トランジスタなどの素子を作り込んだ後、複数層に積み重ねられる金属配線を互いに短絡させないためには、各層の間に必ず層間絶縁膜を挟み込む必要がある。集積回路の微細化が進むにつれて配線間の距離は狭まり、寄生容量による信号遅延が無視できない問題となってきたため、層間絶縁膜には従来のシリコン酸化膜に代わり、誘電率の低い材料が採用されるようになっている。国際半導体技術ロードマップにおいても、配線遅延の抑制は微細化世代ごとの重要課題として位置づけられてきた経緯があり、層間絶縁膜の設計と形成技術は、デバイスの動作速度、消費電力、信頼性のすべてに関わる要素として、半導体製造工程における中心的な技術領域の一つに数えられる。

層間絶縁膜の役割と配線間容量

現代の集積回路は、半導体製造における前工程でトランジスタなどの素子を形成した後、複数層にわたる金属配線によってそれらを電気的に接続する構造をとる。世代を追うごとに配線層数は増加しており、10層を超える多層配線を持つ製品も珍しくない。それぞれの配線層の間には絶縁性の膜を配置する必要があり、この役割を担うのが層間絶縁膜である。絶縁膜が存在しなければ隣接する配線同士が短絡し、回路として機能しなくなる。加えて、層間絶縁膜は上下の配線間や隣接配線間に生じる寄生容量の大きさを左右する要素でもあり、その厚みと誘電率は信号伝搬の遅延に直結する。配線が微細化・高密度化するほど寄生容量の影響は相対的に大きくなるため、層間絶縁膜の材料選定は回路全体の動作速度を決定づける重要な設計項目となっている。

層間絶縁膜に用いられる材料

層間絶縁膜に用いられる材料は、集積回路の世代とともに変遷してきた。初期の半導体製造では、成膜が容易で機械的強度にも優れるシリコン酸化薄膜が層間絶縁膜の主流であった。しかし配線の微細化に伴い誘電率の低減が求められるようになり、シロキサン系材料などに微細な空孔を導入した低誘電率膜が採用されるようになっている。また、配線材料である銅の拡散を防ぐバリア層として、窒化シリコンのような緻密な膜が層間絶縁膜と組み合わせて用いられることも多い。一方でトランジスタのゲート絶縁膜には、リーク電流を抑えるためにハフニウム酸化物のような高誘電率材料が使われており、配線間の層間絶縁膜とは対照的に、あえて誘電率の高い材料が選ばれる点は興味深い対比といえる。代表的な材料とおおよその比誘電率を以下に示す。

層間絶縁膜の形成プロセス

層間絶縁膜は、主にデポジションと呼ばれる成膜工程によって基板上に堆積される。代表的な手法にはCVDとPVDがあり、CVDはガス状の原料を化学反応させて緻密な絶縁膜を形成する方法として、複雑な配線構造の隙間にも均一に成膜できる点で層間絶縁膜の形成に適している。成膜後の層間絶縁膜には配線パターンを形成するための開口部が必要となるため、フォトリソグラフィによってレジストパターンを転写し、RIEなどのドライエッチングで絶縁膜を選択的に除去する工程が続く。これらの成膜と加工を繰り返すことで、多層にわたる配線構造が段階的に積み上げられていく。

層間絶縁膜の平坦化技術

配線層を積み重ねるたびに表面には凹凸が生じるため、上層の配線パターンを精度良く形成するには下地の層間絶縁膜を平坦化しておく必要がある。この平坦化にはCMPと呼ばれる化学機械研磨が広く用いられており、研磨剤を含むスラリーによって層間絶縁膜の表面を機械的かつ化学的に削り取ることで、ナノメートル単位の平坦性を実現する。平坦化が不十分であると、上層の露光工程で焦点ずれが生じたり、配線の断線を招いたりする恐れがあるため、CMP工程の管理は多層配線技術全体の歩留まりを左右する重要な要素となっている。

多層配線構造とダマシン法

銅配線を用いる先端プロセスでは、層間絶縁膜に配線用の溝をあらかじめ形成し、そこに金属を埋め込んでから余分な部分を研磨で除去するダマシン法が採用されている。銅はアルミニウムに比べてエッチングによる加工が難しいため、層間絶縁膜を先に加工しておき、後から金属を埋め込む方式が合理的とされたことがダマシン法普及の背景にある。この方式では層間絶縁膜そのものが配線の型枠としての役割を兼ねることになり、絶縁膜の機械的強度や寸法安定性が配線形状の精度に直接影響する。溝を二段階で形成し配線とビアを同時に埋め込むデュアルダマシン構造を採用すれば、工程数を抑えながら多層配線を効率よく形成することも可能である。

層間絶縁膜の信頼性評価

層間絶縁膜は長期間にわたり電界や熱応力にさらされるため、経時的な絶縁破壊に対する評価が欠かせない。代表的な評価手法としては、一定の電界を印加し続けて絶縁破壊に至るまでの時間を測定する手法があり、これにより実使用条件下での寿命を推定することができる。多孔質の低誘電率材料では、成膜時に生じる微小な空孔や吸湿性が信頼性を左右する要因となるため、成膜条件やキャップ層の設計を通じて欠陥密度を抑える取り組みが続けられている。こうした評価と改善の積み重ねによって、層間絶縁膜は微細化世代ごとに要求される性能水準を満たし続けている。

微細化に伴う課題

配線の微細化とともに層間絶縁膜には相反する要求が課されるようになっている。誘電率を下げるために膜内部に空孔を導入した多孔質材料は、機械的強度が低下しやすく、CMP工程や後工程の熱応力によって膜が損傷するリスクが高まる。また薄膜化が進むことで絶縁破壊耐性の確保も難しくなり、長期使用における信頼性評価がこれまで以上に重要となっている。こうした課題に対応するため、材料の空孔構造を制御する技術や、成膜条件を最適化して機械的強度と低誘電率を両立させる研究が続けられている。