半導体前工程：メタライゼーションへのコバルトの適用　コバルトの利点は何か？なぜ微細化時の抵抗増加が少ないのか？

この記事で分かること

メタライゼーションへのコバルトの適用

　半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。

　今回は次世代の配線材料、ビアホール充填として注目されるコバルトについての記事となります。

半導体の前工程とは

　半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。

主な前工程は以下の通りです。

ウェハ準備

　シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。

• スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
• 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
• 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。

成膜

　ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。

• 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。

フォトリソグラフィ

　ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。

• 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
• 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。

エッチング

　フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。

• エッチングには、液体を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。

不純物導入（ドーピング）

　半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。

• イオン注入法などが用いられます。

平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）

　表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。

• 化学的な腐食と 研磨を同時に行います。

配線形成（メタライゼーション）

　形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。

• スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。

これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。

バリアメタル、配線へのコバルトの利用

　半導体前工程におけるビアホール（via hole）の充填において、バリアメタルは極めて重要な役割を担っています。特に、銅（Cu）配線が主流となっている現在の半導体プロセスでは、その重要性が増しています。

　コバルト（Co）は、半導体配線においてバリアメタル、またはバリアメタルの代替となる薄い層、あるいはメインの配線材料そのものとして、近年非常に注目され、実際に導入が進んでいる材料です。

特に、従来の銅（Cu）配線における微細化の課題を解決する次世代の材料として期待されています。

　はい、コバルト（Co）は、半導体配線においてバリアメタル、またはバリアメタルの代替となる薄い層、あるいはメインの配線材料そのものとして、近年非常に注目され、実際に導入が進んでいる材料です。

　特に、従来の銅（Cu）配線における微細化の課題を解決する次世代の材料として期待されています。

コバルトの役割とメリット

　コバルトは、ALD（原子層堆積）やCVD（化学気相成長）といったコンフォーマルな成膜技術と相性が良く、高アスペクト比のビアホールやトレンチへの優れたカバレッジ（被覆性）とボイドフリー（空隙なし）な充填が可能です。

バリア機能の代替または強化

　従来の銅配線では、Ta/TaNなどのバリアメタルが不可欠でした。しかし、配線の微細化が進むと、バリアメタル自体の厚みが配線幅に占める割合が大きくなり、実質的な銅の断面積が減少して電気抵抗が増加するという問題がありました。

　コバルトは、銅に比べて拡散しにくい特性を持つため、バリア層を大幅に薄くできる、あるいは全く不要にできる可能性があります。これにより、同じ配線幅でも導電性材料の体積を確保でき、抵抗上昇を抑えられます。

　また、コバルトが銅配線の「キャップ層」として機能することで、銅のエレクトロマイグレーション（EM）耐性を劇的に向上させるという研究結果も報告されています。

微細配線における抵抗低減

　銅はバルク状態では非常に低抵抗ですが、配線幅が数nmレベルにまで微細化すると、表面散乱などの影響により電気抵抗が急増します。

　コバルトは、微細な寸法の配線においても、銅よりも抵抗上昇が緩やかであることが示されており、最先端プロセスでの抵抗低減に貢献します。

　特に、ビアホールやコンタクトホールの充填において、従来のタングステン（W）に代わってコバルトが導入されることで、コンタクト抵抗を大幅に下げられると期待されています。コバルトはタングステンに比べて薄いバリア層で十分な上、核形成膜が不要なため、より多くの体積をコバルトで埋めることが可能になります。

優れたEM耐性

　銅の主要な課題の一つであるエレクトロマイグレーション（EM）に対して、コバルトははるかに高い耐性を示します。これは、高電流密度の環境下でデバイスの信頼性を確保する上で非常に有利です。

実際の導入状況

　主要な半導体メーカー（Intel、TSMC、Samsungなど）は、7nmおよび5nmプロセスノード以降で、コバルトを配線やビア/コンタクトホールの充填材料として採用しています。特に、ロジックLSIの高性能化・低消費電力化には、コバルトの導入が不可欠な要素となっています。

　ただし、コバルトの導入は、既存の製造プロセスや装置の変更を伴うため、コスト面や技術的な課題も存在します。そのため、全ての配線層やビアホールにコバルトが適用されているわけではなく、その特性が最大限に活かせる層や箇所に限定して導入が進められています。

表面散乱などの影響により電気抵抗が増加する理由は

　微細な半導体配線において、表面散乱などの影響により電気抵抗が増加する主な理由は、電子の「平均自由行程」という概念で説明されます。

　電子の平均自由行程（Mean Free Path, MFP）とは、電子が物質中を移動する際に、他の原子や欠陥に衝突することなく進むことができる平均的な距離のことです。

　通常のバルク（塊）の金属では、この平均自由行程は比較的長く、電子は比較的自由に移動できます。しかし、配線幅が電子の平均自由行程と同程度、あるいはそれ以下にまで微細化されると、以下のような現象が起こり、電気抵抗が増加します。

表面散乱（Surface Scattering）

• 配線が非常に細くなると、電子が配線の側壁や底面に衝突する頻度が増加します。この衝突によって電子の運動方向がランダムに変化し、実質的な電子の「流れ」が妨げられます。
• 銅の場合、室温での電子の平均自由行程は約30〜40nmと言われています。配線幅がこれより狭くなると、表面散乱の影響が顕著になり、抵抗が急増します。

粒界散乱（Grain Boundary Scattering）

• 金属配線は通常、多数の微細な結晶粒（グレイン）の集合体で構成されています。これらの粒と粒の境目を「粒界」と呼びます。
• 微細化された配線では、単位長さあたりの粒界の数が増加したり、粒のサイズが小さくなったりします。電子が粒界を横切る際に散乱されやすくなり、これも抵抗増加の原因となります。

欠陥や不純物による散乱

• 製造プロセス中に配線内に形成される原子レベルの欠陥や不純物も、電子を散乱させ、抵抗を増加させます。微細化された配線では、これらの影響が相対的に大きくなる可能性があります。

これらの散乱現象が総じて、電子の自由な移動を妨げ、結果として電気抵抗が増加するのです。

　特に銅は、バルク状態では非常に電気伝導性が高いですが、微細化されると、上記の散乱効果により実効的な抵抗率が急激に上昇するという特性があります。

　これが、コバルトのような新しい材料が微細配線で注目される理由の一つです。コバルトは、微細な配線でも銅に比べて抵抗上昇が緩やかであることが分かっています。

コバルトが微細化しても抵抗が上がりにくい理由は

　コバルトが微細化しても銅ほど抵抗が上がりにくい理由は、主にその電子の平均自由行程が銅よりも短いことに関連しています。

　配線の電気抵抗は、電子が配線の表面や粒界に衝突（散乱）することによって増加します。この効果が顕著になるのは、配線の幅が電子の平均自由行程と同程度かそれ以下になったときです。

• 銅の場合: 銅の電子の平均自由行程は室温で約30〜40nmと比較的長いです。そのため、配線幅がこの30〜40nm以下になると、表面散乱や粒界散乱の影響が非常に大きくなり、抵抗が急激に増加します。
• コバルトの場合: コバルトの電子の平均自由行程は、銅よりも短いとされています（具体的な数値は文献により多少異なりますが、銅より一桁程度短いとされることもあります）。
  • 平均自由行程が短いことの利点: 元々電子が短い距離で散乱されやすい性質を持つため、配線が微細化されても、表面や粒界での散乱による抵抗増加の「追加効果」が銅ほど劇的ではありません。つまり、バルク状態の抵抗率と、微細化した際の抵抗率の差が銅ほど大きくならないのです。

　コバルトは銅に比べて、ナノスケールでの寸法効果（サイズ効果）による抵抗上昇が小さいという特性を持っています。これは、微細な配線（特に数nm〜数十nmの領域）において、バルク抵抗率では銅に劣るコバルトが、実効的な抵抗率では銅を上回る、あるいは同等になるという逆転現象を引き起こします。

　この特性が、コバルトが次世代の微細配線材料として注目される大きな理由の一つです。

コバルトのEM耐性が高い理由は何か

　コバルトのエレクトロマイグレーション（EM）耐性が高い理由は、主に以下のメカニズムによって説明されます。

　エレクトロマイグレーションは、金属配線に電流が流れる際に、電子が金属原子に衝突し、その運動量交換によって原子が徐々に移動する現象です。

　これにより、原子が抜けた部分に「ボイド（空隙）」が形成されたり、原子が集積した部分に「ヒルロック（突起）」が形成されたりし、最終的に配線の断線やショートを引き起こします。

　コバルトが銅よりもEM耐性に優れるのは、以下の要因が複合的に作用するためと考えられています。

1. 原子拡散係数が小さい（原子の動きにくさ）:
   • エレクトロマイグレーションは、基本的に金属原子の拡散（移動）現象です。コバルトは銅と比較して、原子拡散係数が小さいため、電子の衝突を受けても原子が動きにくい性質を持っています。
   • 特に、粒界拡散（結晶粒の境界を原子が移動する現象）はEMにおいて重要ですが、コバルトは銅に比べて粒界拡散が抑制されやすいと考えられています。
2. 電子風の力が小さい（電子からの影響を受けにくい）:
   • EMは、電子が金属原子に与える「電子風の力」によって引き起こされます。コバルトは、その電子構造や結合様式により、銅よりもこの電子風の力に対して原子が動きにくい、つまり電子からの運動量転移効率が低い可能性があります。
3. 結晶粒構造の安定性:
   • 微細な配線では、結晶粒のサイズや形状、配線との境界（粒界）の安定性がEM耐性に大きく影響します。コバルトは、銅よりもより安定した結晶粒構造を形成しやすい、あるいはEM劣化に強い特定の結晶方位や粒界特性を持ちやすいとされています。これにより、粒界を通じた原子の移動が抑制されます。
4. 界面における原子移動の抑制:
   • コバルトを銅配線の「キャップ層」として用いる場合、コバルトが銅表面を覆うことで、銅原子が表面を介して移動する表面拡散パスを効果的に抑制します。これにより、銅のEM耐性が大幅に向上することが報告されています。これは、コバルトと銅の界面が、銅原子の移動に対する障壁として機能するためです。
5. 自己拡散係数と活性化エネルギー:
   • 一般的に、自己拡散係数が小さく、活性化エネルギーが高い金属ほどEM耐性が高い傾向にあります。コバルトは銅よりも高い活性化エネルギーを持つため、原子が移動するために必要なエネルギーが大きく、結果としてEMが発生しにくいと考えられます。

　これらの理由から、コバルトは高電流密度環境下での配線信頼性を大幅に向上させることができ、特に微細化が進む現代の半導体デバイスにおいて、その優れたEM耐性が大きな利点となっています。