銅配線とダマシン法とは？アルミから銅へ変わった理由とバリア膜をわかりやすく解説【平坦化・配線3級・第3講】

この記事でわかること

• ① アルミ配線のつくり方
• ② 銅に変わった理由
• ③ ダマシン法の手順
• ④ バリア膜とシード層
• ⑤ ビアも同時に埋める方法

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① アルミ配線：金属を付けて、削って形にする

大事なポイント：最初の配線材料はアルミでした。アルミは、金属の膜を全面に付けてから、不要な所をエッチングで削って形にします。

配線とは、部品どうしをつなぐ細い金属の線です。参考にした資料では、アルミは最初に使われた配線材料で、膜を付けやすく、シリコンや酸化ケイ素とよく密着するため、使いやすかったと説明されています。

アルミ配線のつくり方は、次の手順です。エッチングは、膜を削って形をつくる工程です（エッチングコースで学びます）。

1. ウェハの上に、アルミの膜を全面に付けます。
2. レジストで、残したい配線の形をつくります。
3. エッチングで、レジストのない所のアルミを削ります。
4. 配線のすき間を、絶縁膜で埋めます。

このように、金属を全面に付けてから、削って形にする方法です。資料には、最初はウェットエッチング、のちにドライエッチングで形にした、と書かれています。1970年代には、純粋なアルミではなく、シリコンや銅を混ぜた合金が使われるようになりました。

ここで、絶縁膜で埋めたあとの表面には、配線の高さの分だけ段差が残ります。第1講で学んだとおり、そのままでは次の層の邪魔になるため、研磨で平らにする工程が必要になります（第4講で学びます）。

② アルミから銅へ：変わった理由と、困りごと

大事なポイント：回路が細かくなると、アルミでは抵抗が高すぎるようになり、1990年代後半に銅が使われはじめました。ただし銅は、アルミと同じ方法では形にできません。

回路が細かくなると、配線も細くなります。細い線ほど、電気の通りにくさ（抵抗）が大きくなります。資料には、1990年代後半に、アルミの抵抗が細い配線では高くなりすぎ、銅に変わった、と書かれています。銅は、価格が低めの金属の中で、室温の電気抵抗がいちばん低い部類の材料だからです。

もう1つの理由は、電気の流れによる断線への強さです。配線に電気が流れ続けると、金属の原子が少しずつ動いて、配線が切れることがあります（エレクトロマイグレーション。第5講で学びます）。資料には、銅は、アルミより、この現象が起きにくいと書かれています。

ところが、銅には困りごとがあります。ドライエッチングは、膜を気体の物質に変えて、真空ポンプで排気することで削ります。しかし、資料によれば、銅は、産業で使える気体の化合物がなく、アルミのようにはエッチングで削れません。そのため、銅の配線は、「削って形にする」のではなく、「溝に埋めて形にする」方法でつくります。これが次の節のダマシン法です。

③ ダマシン法：溝に埋めて、研磨で余りを除く

大事なポイント：ダマシン法は、絶縁膜に溝をほり、銅を埋め、溝の外の余った銅を研磨で除いて、配線をつくる方法です。

ダマシン法の手順は、次のとおりです。

1. 絶縁膜に、配線の形の溝をほります（露光とエッチングで形をつくります。それぞれ別のコースで学びます）。
2. 溝の内側に、薄い膜（バリア膜とシード層。次の節で説明します）を付けます。
3. 溝からあふれるまで、銅を付けます。電気めっき（銅イオンを含む液にウェハを浸し、電気を流して、表面に銅を付ける方法）が使われます。
4. CMPで、溝の外の余った銅（資料では「オーバーバーデン」といいます）を除きます。

CMPは、銅と絶縁膜の境目で、くり返し止められることが重要だと、資料に書かれています。銅配線は、CMPがあって、はじめて実用になった技術です。研磨で、表面も平らになるので、次の層をそのまま重ねられます。

名前の由来は、金属の表面に溝をほって別の金属を埋める、ダマスカスの装飾の技法といわれています（一般的な説明です）。

④ バリア膜とシード層：銅を守り、めっきの土台をつくる

大事なポイント：銅は絶縁膜やシリコンへ広がると、トランジスタの性能を悪くします。そのため、バリア膜で銅を包みます。

銅の原子は、シリコンの中へ入りこむと、電気の流れを乱す欠陥（資料では「深い準位のトラップ」）をつくります。そのため、銅の配線は、バリア膜で、完全に包む必要があります。資料には、バリアには、タンタル（Ta）、窒化タンタル（TaN）、窒化シリコン（SiN）、炭化シリコン（SiC）などが挙げられています。

バリア膜は、薄すぎると、銅が広がって、近くの部品がだめになります。厚すぎると、バリア膜が配線の断面の一部を占めて、全体の抵抗が高くなり、銅にした良さが消えます。そこで、バリア膜は、銅を止められる範囲で、できるだけ薄くします。

もう1つ、シード層があります。電気めっきは、電気を流して銅を付けるため、表面に電気を通す膜が必要です。そこで、バリア膜の上に、薄い銅の膜を金属を飛ばして付ける方法（PVD。成膜コースで学びます）で付けます。これがシード層で、めっきの土台になります。配線の上の面は、窒化シリコンなどの「ふた」の膜で覆われます（図の紫の膜。一般的な説明です）。シード層に切れ目があると、その部分には銅が付かず、不良になります（一般的な説明です）。

⑤ ビアも一緒に埋めるデュアルダマシンと、めっきの工夫

大事なポイント：上下の配線をつなぐ縦の穴（ビア）と配線の溝を、1回の銅めっきで同時に埋める方法が、デュアルダマシンです。

多層配線では、上の層と下の層の配線を、縦につなぐ必要があります。この縦の穴をビアといいます。ビアも、銅で埋めます。資料によれば、デュアルダマシンは、溝とその下のビアを、1回の銅の付け方で一度に埋める方法です。工程が少なく済みます。

ここに、難しさがあります。細くて深いビアの奥では、銅イオンがゆっくり届くため、めっきが遅くなります。入口が先にふさがると、中に空洞（ボイド）が残ります。資料にも、このような埋め込みで、内部にボイドができることが書かれています。

これを避けるため、めっき液に添加剤を加えて、底から先に銅を付ける（ボトムアップ、資料では「超コンフォーマル」な埋め込み）工夫が使われます。細い溝やビアを、すき間なく埋めることが、銅配線の大きな課題です。ボイドの不良は、第5講で学びます。

▶ 2級でくわしく：めっきの添加剤が、底から先に銅を付けるしくみ。

安全のひとこと：めっき液や研磨液などの薬品は、種類によって危険なものがあります。取り扱いは、必ず職場の決まりとSDS（安全データシート）に従います。

この講のまとめ

次の講では、配線と配線のあいだの絶縁膜と、多層配線で電気信号が遅くなる理由（RC遅延）、low-k材料を学びます。

ことばのおさらい

• 抵抗：電気の通りにくさです。
• ダマシン法：絶縁膜に溝をほり、銅を埋めて、余りを研磨で除く方法です。
• バリア膜：銅が周りへ広がるのを防ぐ膜です。
• シード層：電気めっきの土台になる、薄い銅の膜です。
• 電気めっき：液に浸して電気を流し、表面に金属を付ける方法です。
• ビア：上下の配線をつなぐ、縦の穴（と、そこに埋めた金属）です。
• デュアルダマシン：溝とビアを、1回の銅の付け方で同時に埋める方法です。
• ボイド：埋め込みのときにできる空洞です。

よくある誤解

Q. 銅は、アルミよりずっと抵抗が低いので、配線の抵抗は大きく下がりますか？

いいえ。バリア膜が断面を占めるため、実際の改善は「控えめ」と資料に書かれています。

Q. バリア膜は、厚いほど安全ですか？

いいえ。厚いと、配線全体の抵抗が高くなります。銅を止められる範囲で薄くします。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Copper interconnect」（銅への移行、ダマシン法、バリア膜、デュアルダマシン、ボイド、めっきの工夫、導入の時期）
• Wikipedia「Interconnect (integrated circuits)」（アルミ配線の特徴とつくり方、合金、銅への移行の時期）
• Wikipedia「Chemical-mechanical polishing」（銅配線とCMPの関係）

銅とアルミの抵抗率（約1.7、約2.7µΩ·cm）、抵抗の式、バリア膜5nmなどの数値、シード層の説明、ダマシンの名前の由来は、一般的な知識にもとづく目安です（仮の値を含みます）。図は、記事用に描いた簡易の図です。