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2005年7月号
Yield Management
配線技術のエキスパートがCu/Low-kの未来を予言
Laura Peters
＊　＊　＊　＊
　特にUltra Low-k膜によるBEOLの限界が指摘されているにもかかわらず、「配線層の微細化が進んでも最低でもあと数世代は拡張できる」と聞いたのは新鮮だった。米IBM社のDaniel Edelstein氏、独Infineon Technologies社のManfred Engelhardt氏、および米LSI Logic社のDilip Vijay氏は、Semiconductor International誌がElectronic News誌とElectronic Business誌との共催で開催した配線技術に関するウェブセミナーで、Cu配線の明るい未来について語った。
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　Engelhardt氏は、サイズ効果が今後Cu配線の性能を制限するかどうかについて議論した（Cover Story 7月号「Cu配線の「サイズ効果」その隠された秘密をあばく」参照）。「ロードマップ上の配線の導体抵抗値の要求値は2.2μΩ-cmで、現状でさえも満たしていない」という。「しかし、サイズ効果は必ずしも性能を制限するものではない」。 Engelhardtのモデリングと実証研究で界面散乱と結晶粒界散乱効果の両方を調べた結果、設計者がローカル配線を700nm以下に保つことができる限り、45nmのノードまでは、配線遅延が性能を劣化させることはないという。
　Engelhardt氏に、散乱効果を抑制することができるかと尋ねたところ、「1つは、リソグラフィとエッチングの間の複雑な問題であるラインエッジラフネスを減らすこと、これは側壁の散乱減少に貢献する。結晶粒界の散乱に関しては、私たちはレーザアニーリングを試みたが、これは残念ながらだめだった。この問題に関しては製造プロセスで解決策を見つける見込みはない」。 粒径を増加させるのに一般的に使用されるアニーリングは、CDを緩和するために機能するが、粒径が100nm未満の抵抗を調整できない。
　Dilip Vijay氏は、Cu/Low-kの問題が製造プロセスだけではなく、設計の最適化も必要としていると強調した。 例えば、バリア膜のカバレッジとCu埋め込み、形状の改善の見地からビアのストレスマイグレーションを解決することができる。 「しかしながら、問題がパターン関連の不良で発生するため、設計からのアプローチは重要だ。制限するべき設計ルールを、いくつかの設計シナリオの統計分析と3次元モデリングを通して生成する必要がある」とVijay氏は述べている。 彼は、不良の範囲を特定するためシミュレーションに基づいて、スクリーニングを行うことを推奨している。
　熱ストレスにLow-k材料が敏感なため、LSI Logicではダイを積層するパッケージング工程をやり直さなければならなかったとVijay氏はいう。 「製造のための設計（Design for Manufacturing）はここではカギを握る概念となった。実装プロセスを最適化したが、ダイのアスペクト比と厚さを調整することが必要になった」。
図　Cu/Low-kデバイスの積層パッケージングは熱および機械的なストレスに敏感であり、実装プロセスの最適化とチップのアスペクト比と厚さの調整が必要となる（出典：LSI Logic社）
　Vijay氏は、チップ内のシート抵抗のばらつきが信頼性の問題を解くカギだと言及する。 同氏はRC遅延の影響は密度の向上で相殺できるが、問題はそれを超えて広がるという。 「この問題は電力消費量に影響する。プロセスのばらつきと信頼性への心配のために配線層を設計するのは難しい」。 1つの解決策は設計フローをモデリングし、予測されるシート抵抗の類型を事前に攻略しておくことだ。
　Edelstein氏は、Cu/Low-kのインテグレーションがいかに配線容量、ストレスマイグレーション、エレクトロマイグレーション（EM）、絶縁膜経時破壊（TDDB）、そして歩留まりに影響するかを示した。 例えば、Polish StopでCuの腐食は制御されるが、TDDBとキャパシタンスに悪い影響があるため、止めた方がいいことになる。
　Cuライン上のより厚い絶縁キャップ膜は、EMを抑え歩留まりを上げられるが、静電容量を増加させてしまう。
　同氏は、Ta/TaNのCuバリア膜は65nm以降、45nmプロセスまでの拡張性があるという。ストレスマイグレーションには、層間絶縁膜のSiCOH膜にダメージを与えずに配線と密着させることが必須だ。
　「SiCOH膜は、親水性のため貯水池のようになり、腐食の根源となる」（Edelstein氏）という。絶縁キャップ膜では、SiCNが静電容量と実行誘電率を維持するために標準となっている。Cu/SiCOHのTDDB信頼性は良好で、UltraLow-k材料との互換性もあるだろうと述べた。また、将来的にはエアギャップが、信頼性の観点から多孔質Low-kより優位になると見ているという。

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