半導体前工程：メタライゼーションへのコバルト適用の課題　どのような課題があるのか？

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適用の課題

　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の課題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。

コバルトの配線材料への適用

　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。

　銅と比較し、拡散が少ないため、バリア層微細配線における抵抗低減が可能、EM耐性に優れるなどの利点があります。タングステンとの比較でも、薄いバリア層で済む場合が多く、また核形成層が不要なため、同じ寸法でも導電性材料の体積をより多く確保できるなどの利点を持っています。

コバルトの課題は何か

　コバルトは次世代半導体配線材料として非常に有望ですが、導入にはいくつかの課題も存在します。主な課題は以下の通りです。

バルク抵抗率の課題

• コバルトのバルク（塊）状態での電気抵抗率は、銅（Cu）よりも高いです。微細化された配線では、コバルトが銅よりも低い実効抵抗率を示す場合がありますが、これは特定の微細な寸法に限られます。
• 比較的広い配線や、微細化の度合いがそこまで進んでいない層では、コバルトを導入するとかえって抵抗が上昇する可能性があります。このため、コバルトはすべての配線層に一律に適用されるわけではなく、その特性が活かせる箇所（例：最下層の微細配線、コンタクトホール）に限定して導入されています。

熱伝導率の課題

• コバルトの熱伝導率は、銅に比べて低いです。配線抵抗が増加すると、ジュールの熱が発生し、温度が上昇します。熱伝導率が低いと、発生した熱を効率的に放熱できず、配線が高温になりやすいという問題が生じます。温度上昇は、エレクトロマイグレーション（EM）の進行を加速させる要因にもなり得ます。

製造コストの増大

• コバルトの導入は、新しい製造装置（ALD/CVD装置など）の導入や、既存装置の改修を必要とします。これらの装置は高価であり、初期投資が増大します。

• コバルト材料自体のコストも、銅に比べて高い場合があります。
• プロセス条件の最適化や歩留まり向上に向けた開発コストもかかります。これらの要因が、チップ全体の製造コストを押し上げる可能性があります。

CMP (Chemical Mechanical Polishing) プロセスの最適化

• コバルト配線を形成した後、余分なコバルトを除去するためにCMPプロセスが必須です。コバルトのCMPは、銅のCMPとは異なる特性を持つため、最適なスラリー（研磨剤）やプロセス条件の開発が必要です。特に、研磨レートの制御や、ディッシング（配線部分がへこむ）やエロージョン（絶縁膜が削れる）の抑制が課題となります。

新しい材料の界面制御

• コバルトを導入することで、これまでとは異なる材料界面（例：コバルトと絶縁膜、コバルトと隣接する他の金属など）が生じます。これらの界面における密着性、拡散防止、電気的特性などの最適化が新たな課題となります。

めっき技術の成熟度

• コバルトのビアホール充填において、ALD/CVDは成熟しつつありますが、銅のような電解めっきによるボトムアップ充填技術はまだ発展途上であり、実用化にはさらなる研究開発が必要です。電解めっきが適用できればコストメリットは大きいですが、現在のところ微細な穴の充填は困難とされています。

　これらの課題を克服するため、半導体メーカーや装置・材料メーカーは、新しいプロセス技術の開発、材料の最適化、そして製造コストの抑制に向けて、活発な研究開発を続けています。コバルトの適用は特定の層や用途に限定されつつも、その優れた特性を活かすことで、次世代半導体の性能向上に貢献しています。

熱伝導の問題を解決する方法はあるのか

　コバルトの熱伝導率が銅より低いという課題に対し、半導体業界ではいくつかの解決策が検討・導入されています。主なアプローチは以下の通りです。

配線構造の最適化

• ハイブリッド配線: コバルトを全ての配線層に使うのではなく、そのメリットが最大限に活かせる微細な下層配線（コンタクトやビア、ローカル配線）に限定してコバルトを採用し、熱伝導率の高い銅（Cu）をより太い上層配線（長距離配線）に引き続き利用するハイブリッド構造が一般的です。これにより、熱が主に上層の銅配線を介して効率的に放散されるように設計されます。
• ビアの最適化: コバルトビアの抵抗を低減することで、ビア自体での発熱を抑える工夫も重要です。

放熱経路の強化

• より優れた放熱材料の導入: デバイスパッケージや基板レベルで、より熱伝導率の高い材料（例：グラファイトシート、ダイヤモンドライクカーボン（DLC）など）を放熱経路に組み込むことで、チップから発生する熱を効率的に外部へ逃がします。
• 放熱経路の設計改善: チップ内の熱源から放熱パスまでの距離を短縮したり、熱抵抗の低い材料で構成したりすることで、全体の熱抵抗を低減します。

プロセス・材料の改善

• コバルト膜質の最適化: コバルト膜の結晶粒構造や不純物含有量を制御し、できるだけ熱伝導率を向上させる研究開発が行われています。
• 絶縁膜の熱伝導率改善: 配線間を埋める層間絶縁膜（ILD）の熱伝導率を向上させることで、配線から周囲への放熱を促すアプローチも考えられます。ただし、ILDは低誘電率（Low-k）が求められるため、熱伝導率とのトレードオフが課題となります。

冷却技術の進化

• 高度な冷却ソリューション: チップパッケージング技術の進化（例：3D積層チップにおけるマイクロ流路冷却、液体冷却など）により、チップ全体から効率的に熱を除去する技術が開発されています。これはコバルト配線に限らず、高性能半導体全体の熱問題に対するアプローチです。

　コバルトの熱伝導率の低さは無視できない課題ですが、上記の複合的なアプローチにより、その影響を最小限に抑えつつ、コバルトの優れた電気特性（微細配線での低抵抗、高EM耐性）を最大限に引き出すことが可能になっています。

コバルトと銅の電解めっきで充填に必要な添加剤が異なる理由は

　コバルトと銅の電気めっきにおいて、充填（特にビアホールやトレンチのボトムアップ充填）に必要な添加剤が異なるのは、主にそれぞれの金属のめっき析出メカニズム、表面エネルギー、およびめっき液中の化学的挙動が異なるためです。

電気めっきにおける添加剤の役割は、単に金属を析出させるだけでなく、析出速度の制御、膜質の均一化、表面の平滑化、そして特にビアホール充填におけるボトムアップ成長の促進といった、非常に精密な制御を行うことです。

銅めっきの添加剤システム

銅の電解めっきは非常に成熟した技術であり、特にビアホール充填においては、一般的に以下の3つの主要な有機添加剤が協調して機能します。

1. 抑制剤 (Suppressor):
   • 役割: めっき表面全体、特に開口部（ビアホールの入り口）や平坦部で銅の析出速度を抑制します。これは、高分子（例: ポリエチレングリコール (PEG)）が塩素イオンと共にめっき表面に吸着することで起こります。
   • メカニズム: PEG/Cl-複合体が表面に吸着し、銅イオンの還元を阻害します。
2. 促進剤 (Accelerator/Brightener):
   • 役割: 抑制剤が存在する中で、特にビアホールの底のような凹部で銅の析出速度を促進します。
   • メカニズム: 主に硫黄を含む有機化合物（例: SPS: Bis(3-sulfopropyl) disulfide、またはMPS: 3-Mercapto-1-propanesulfonic acid, sodium salt）が使われます。これらの促進剤は抑制剤よりも早く消費され、特に凹部で濃度が高まることで、その部分での析出を促進します。これにより、底から上に埋まっていく「ボトムアップ成長」が実現されます。
3. レベラー (Leveler):
   • 役割: めっき膜表面の微細な凹凸を平坦化し、光沢を与えます。また、ビアホールからのオーバーフィル（めっきがビアホールを超えて盛り上がってしまう現象）を抑制します。
   • メカニズム: 主に窒素含有化合物や他のポリマーが使われ、特にめっき膜の凸部に優先的に吸着することで、その部分の析出を抑制します。

　これらの添加剤が、めっき液中の濃度勾配や吸着・脱着の速度の違いを利用して、ビアホールの形状依存的な析出速度制御を可能にしています。

コバルトめっきの添加剤

コバルトの電解めっきにおける添加剤は、銅とは異なるメカニズムに基づいて設計される必要があります。

• 異なる化学的特性: コバルトイオンの還元電位、錯形成挙動、表面エネルギー、そしてめっき時に発生しやすい副反応（例: 水素発生）などが銅とは異なります。そのため、銅に有効な添加剤がコバルトにもそのまま適用できるわけではありません。
• 吸着特性の違い: 添加剤分子がコバルト表面に吸着するメカニズムや、その吸着強度が銅表面とは異なります。この吸着メカニズムの違いが、析出速度の制御に大きく影響します。
• ボトムアップ成長の課題: コバルトでもボトムアップ成長を実現するための研究が進められていますが、銅ほど単純な添加剤システムでは達成が難しいとされています。例えば、銅のように明確な促進剤・抑制剤の協調作用が期待できない場合もあります。
  • コバルトのボトムアップめっきでは、特定の有機酸やアミン化合物、界面活性剤などが試されています。これらは、特定の結晶面への吸着や、コバルトイオンの輸送を制御することで、ボイドフリー充填を目指します。
  • また、合金めっき（例：Co-P、Co-Wなど）にすることで、膜質を改善し、充填性を高めるアプローチも研究されています。