半導体前工程：メタライゼーションへのルテニウムの適用　ルテニウムの利点は何か？なぜ微細化しても抵抗が増加しにくいのか？

この記事で分かること

メタライゼーションへのルテニウムの適用

　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。

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。

メタライゼーションにおけるルテニウムの使用

　半導体前工程におけるメタライゼーション（配線形成）において、ルテニウム（Ru）は近年非常に注目されている材料です。従来の銅（Cu）配線が微細化の限界に近づく中で、ルテニウムはその課題を克服し、さらなる高性能化を実現する可能性を秘めています。

ルテニウムが注目される背景と利点

半導体の微細化が進むにつれて、配線はますます細くなり、以下の問題が顕在化しています。

1. 抵抗率の上昇（RC遅延の増大）： 配線が細くなると、銅の抵抗率が相対的に上昇し、信号伝達の遅延（RC遅延）が増大します。
2. エレクトロマイグレーション（EM）耐性の低下： 微細な配線では、電子の流れによって原子が移動し、断線やショートを引き起こすエレクトロマイグレーションが発生しやすくなります。
3. バリア層の課題： 銅は隣接する材料に拡散しやすいため、バリア層で囲む必要がありますが、このバリア層自体が配線の微細化を妨げる要因となります。

　ルテニウムはこれらの課題に対して、以下の優れた特性を持っています。

• 低抵抗率： 微細な配線領域において、銅よりも低い実効抵抗率を示す可能性があります。これは、銅の場合に必要なバリア層がルテニウムでは不要、または非常に薄くできるため、配線として利用できる断面積を大きくできることに起因します。
• 高いエレクトロマイグレーション耐性： 銅に比べてエレクトロマイグレーションに対して非常に強い耐性を示します。これにより、デバイスの信頼性と寿命が向上します。
• バリアレス相互接続の可能性： 銅のように拡散しにくいため、タングステン（W）やタンタル（Ta）などの従来のバリア層が不要になる可能性があります。これにより、配線構造の小型化やプロセス工程数の削減が期待できます。
• 高融点： 熱に強く、高温での安定性に優れています。
• 優れた成膜性： ALD（原子層堆積）やCVD（化学気相成長）といった精密な薄膜形成技術に適した前駆体材料が開発されており、ナノメートルオーダーの極めて薄い膜を均一に形成できます。
• 選択性成膜の可能性： 絶縁層のlow-k材料に反応せず、銅配線上のみに析出する選択性成膜技術も開発が進んでいます。

ルテニウムの具体的な用途

　ルテニウムは、主に以下の用途で適用が検討・実用化が進められています。

1. コンタクト配線層（MEOL：Middle-of-Line）： トランジスタ（FEOL：Front-End-of-Line）とバックエンド配線（BEOL：Back-End-of-Line）を接続する中間層のコンタクトにおいて、従来のタングステン（W）やコバルト（Co）の代替として注目されています。特に、バックサイドパワーデリバリー（BSPD）のような新しいアーキテクチャでは、ルテニウムが低抵抗で電力供給できるため、電力損失の低減に貢献するとされています。
2. DRAMのキャパシター電極： DRAMのキャパシター電極材料として、窒化チタン（TiN）の代替として研究が進んでいます。ルテニウムに置き換えることで誘電体特性の向上が報告されています。
3. 最下層配線（BEOLの最下層）： 微細化が進む配線の最下層において、銅の代替として検討されています。特に、超微細なビア（via）やトレンチ（trench）の埋め込みにおいて、優れた埋め込み特性と低抵抗を実現できる可能性があります。
4. バリア層/ライナー層： 銅配線のバリア層やライナー層として、タングステンやチタンベースの材料の代替として有望視されています。ルテニウムはこれらの材料に比べて薄く形成でき、銅との密着性も良好であるため、バリア層を介した直接的な銅電着も可能になるとされています。

今後の展望

　ルテニウムは、最先端の半導体において、低抵抗化、信頼性向上、そしてさらなる微細化の実現に不可欠な材料として期待されています。材料メーカー各社がルテニウムの前駆体材料や成膜技術の開発を進めており、今後、より広範な用途での導入が進んでいくと考えられます。ただし、ルテニウム自体のコストや、既存の製造プロセスへの適合性など、まだ解決すべき課題も存在します。

なぜ、微細になった際に抵抗が増加しにくいのか

　半導体配線が微細になった際に抵抗が増加しにくいのは、主に以下の理由によります。

1. 電子の平均自由行程と散乱

• 銅の場合: 銅の電子は比較的長い平均自由行程（電子が他の粒子に衝突せずに移動できる距離）を持っています。配線が微細化し、その幅が電子の平均自由行程に近づくと、電子が配線の表面や結晶粒界に衝突する頻度が増加します。これにより、電子の散乱が増え、実効的な抵抗率が上昇します。これが、銅配線が微細化すると抵抗が増加する主な原因です。
• ルテニウムの場合: ルテニウムは、銅と比較して電子の平均自由行程が短いとされています。この特性により、微細化された配線においても、表面や結晶粒界での電子散乱の影響を受けにくく、実効的な抵抗率の上昇が抑制されます。

2. バリア層の影響

• 銅の場合: 銅は周囲の材料に拡散しやすいため、配線の周囲にタングステン（W）やタンタル（Ta）などの「バリア層」を形成する必要があります。このバリア層自体が抵抗を持つため、微細な配線では、配線全体の断面積に占めるバリア層の割合が相対的に増加します。これにより、実質的に電流が流れる銅の断面積が減少し、抵抗が増加します。
• ルテニウムの場合: ルテニウムは銅に比べて拡散しにくく、バリア層が不要、または非常に薄くできる可能性があります。これにより、同じ配線幅でも、より多くの部分を導電性のルテニウムで占めることができ、実効的な抵抗率の増加を抑えることができます。

3. 成膜特性とボイド（空隙）の抑制

• 微細な配線構造では、材料を均一に埋め込むことが困難になり、内部に空隙（ボイド）が発生しやすくなります。ボイドは電流経路を阻害し、抵抗を増加させる原因となります。
• ルテニウムは、ALD（原子層堆積）などの優れた成膜技術に適しており、ボイドの発生を抑制しつつ、均一で欠陥の少ない膜を形成しやすいという利点があります。これにより、微細な配線でも安定した低抵抗を維持できます。

　これらの要因により、ルテニウムは銅に代わる次世代の配線材料として、半導体のさらなる微細化と高性能化に貢献すると期待されています。

なぜ、拡散しないのか

　ルテニウムが半導体配線において拡散しにくい主な理由は、その原子構造と化学的安定性にあります。

• 密な原子構造: ルテニウムは最密六方格子という密な結晶構造を持っています。この構造は原子間の結合が強く、原子が移動しにくい性質を持っています。
• 高い融点と化学的安定性: ルテニウムは非常に高い融点を持つ貴金属であり、化学的に安定しています。これにより、半導体製造プロセス中の高温環境下でも原子の移動（拡散）が起こりにくく、周囲の材料（特に絶縁膜）への拡散が抑制されます。
• バリア特性: ルテニウム自体が銅などの他の金属の拡散に対するバリアとしての機能を持つことが報告されています。これは、ルテニウムと他の材料との界面での反応性が低く、原子の混じり合いが起こりにくいためと考えられます。

　これらの特性により、ルテニウムは従来の銅配線で必要とされた厚いバリア層を不要にしたり、非常に薄くしたりすることが可能となり、配線の微細化に貢献します。

　半導体配線の微細化が進む中で、銅（Cu）に代わる材料としてコバルト（Co）とルテニウム（Ru）の両方が注目されています。それぞれに利点と課題があり、世代や用途によって使い分けられています。

コバルト（Co）

　コバルトは、主に銅配線の「ビア（ビアホール：層間接続用の穴）」や「最下層の狭い配線」における代替材料として導入が進められています。

利点：

• 埋め込み特性の良さ: 微細なビアホールやトレンチへの埋め込み性に優れており、高いアスペクト比（深さ/幅）の構造でもボイド（空隙）なく充填できます。これは、主にPVD (物理気相成長) や CVD (化学気相成長) での成膜プロセスの優位性によります。
• エレクトロマイグレーション耐性: 銅よりもエレクトロマイグレーション（EM）耐性が高いため、信頼性向上に寄与します。
• 抵抗率の改善（微細領域で）: バルクの抵抗率は銅よりも高いものの、微細な配線領域では、銅で必要となるバリア層を薄くできるため、実効的な抵抗率を銅よりも低くできる場合があります。

課題：

• バルク抵抗率の高さ: バルク（厚い膜）での抵抗率は銅よりも高いため、配線全体の長さが長くなると抵抗増加が顕著になる可能性があります。
• 接着性の課題: 特定の絶縁膜との接着性に課題がある場合があります。
• 拡散バリアの必要性: 銅ほどではないものの、やはり拡散を防ぐためのバリア層が必要となる場合があります。

ルテニウム（Ru）

　ルテニウムは、コバルトよりもさらに微細な配線や、新しい構造（例：バックサイドパワーデリバリー）で期待される材料です。

利点：

• バリアレス相互接続の可能性: 銅やコバルトと比較して、拡散バリア層が不要、または極めて薄くできる可能性が高いです。これにより、配線として使用できる断面積が増え、実効抵抗率を低く保てます。
• 優れたエレクトロマイグレーション耐性: コバルトよりもさらに高いEM耐性を持つとされており、デバイスの信頼性向上に大きく貢献します。
• 低抵抗率（極微細領域で）: 極めて微細な配線において、電子の平均自由行程が短いため、表面散乱の影響を受けにくく、実効的な抵抗率の上昇を抑えられます。
• 優れたALD/CVD成膜性: ナノスケールの極めて薄い膜を、高い均一性で成膜できるALDCVDプロセスに適した前駆体が存在します。
• 選択性成膜の可能性: 特定の材料表面にのみ成膜する「選択性成膜」の技術開発が進められており、プロセスの簡略化や配線の高精度化に貢献する可能性があります。

課題：

• バルク抵抗率の高さ: やはりバルクの抵抗率は銅より高いです。
• 材料コストと供給安定性: 貴金属であるため、材料コストが比較的高く、供給安定性も考慮する必要があります。
• プロセス技術の成熟度: コバルトに比べて、ルテニウムの導入はまだ新しい段階にあり、プロセス技術のさらなる最適化と確立が必要です。

コバルトとルテニウムの使い分け

　現状では、コバルトは10nm台後半～7nm世代の主要な代替材料として、特にビアやコンタクト、下層の狭い配線に導入されてきました。一方で、ルテニウムは5nm世代以降のさらに微細なノードや、バックサイドパワーデリバリーのような新しいアーキテクチャ、あるいはDRAMのキャパシタ電極など、より高度な要求がある分野での導入が期待されています。

　将来的には、これらの材料が共存し、配線の階層や機能によって最適な材料が使い分けられることが予想されます。例えば、下層の極微細な配線にはルテニウム、その上の少し太い配線にはコバルト、そしてそれより上の層には引き続き銅が使われる、といった形です。