5nmのBEOLプロセスでもデュアルダマシン構造は適用可能 - imec

独立系半導体ナノテクノロジー研究機関であるベルギーimecは、米国サンフランシスコで7月11～13日に開催された半導体製造装置の展示会「Semicon West 2017」にて併催された「imec Technology Forum 2017 USA」において、5nmのBEOL(多層配線工程)プロセスでも、マルチパターニングやマルチブロッキングを採用することで、従来から用いられてきたデュアルダマシン構造が使えることを実証したと報告したほか、Cuに代わりRuが有力候補になること、ならびに5nmよりも先のプロセス世代のBEOL技術として、スピン波伝搬によるBEOL信号処理などを研究していることを明らかにした。

半導体のプロセス微細化に向けた研究が、5nmテクノロジ・ノードに向かって進むにつれ、BEOL工程ではチップ上のCu配線構造がますます複雑化し、かつコンパクトになっていく。配線寸法が縮小することは、配線断面積を減少させ、抵抗-キャパシタンス積(RC)を上昇させることから、信号遅延を増加させる要因となる。こうしたRC遅延の課題を克服し、将来世代における性能のさらなる向上に向け、imecでは、新たな材料の探索やプロセス、設計による解決策の模索を進めているという。

デュアルダマシンは5nmまで延命可能

こうした研究を進めてきた結果、実現可能な選択肢の1つとして、現在主流となっているCuベースのデュアルダマシン法を将来のテクノロジノードに向けて拡張することが浮上してきたという。実際に研究グループでは、5nm BEOLがマルチパターニング(多重露光)やマルチブロッキングを使用することで、フルデュアルダマシンモジュールを実現できることを実証したとする。具体的には、電気的に機能する配線を作り出すためにトレンチに垂直な金属カット(またはブロック)を施した後にトレンチを金属で充填するといったもので、面積のスケーリング(比例縮小)は、完全自己整合ビアの導入によってさらに進めることが可能になるとしている。

imecは、5nm未満のプロセスでも使える、従来のCuを置き換える可能性のある代替金属を模索しており、これまで調べた候補の中では、低抵抗ルテニウム(Ru)が期待できるものだという。研究グループは実際に、58nm²の断面積を有するRuナノワイヤの抵抗率はCuより低く、ウェハレベルでの信頼性も高く、耐酸化性もあり、拡散障壁が不要であることを実証しており、imecのナノ相互接続プログラムのディレクターであるZsolt Tokei氏も、そうした結果を受けて、「RCの遅延問題は、数世代前のテクノロジノードから発生し始めており、世代が進むごとにますます顕在化している。材料とプロセスの革新、新しいBEOLアーキテクチャとシステム/技術の同時最適化を通じて、5nmノードまでのBEOL課題を克服できることを示すことができた」と述べている。

なおimecは、長期的視点から、代替金属の探査や自己組織化単分子膜の導入、果ては磁気導波管内の低エネルギースピン波伝搬によりスピンを用いて信号を伝搬させる技術などの研究も行っているとしているが、これらの技術に限らず、さまざまなオプションを検討しているとする。例えば、研究者らは、すでにスピン波が等価スピントロニクス回路における短距離および中距離の相互接続で必要とされる数μmの伝搬が可能であることを実験的に示すことに成功している。