半導体のGAAナノシート、配線との最初の接点の抵抗はどう下げるの？シリサイドと包む接点

この記事の全体像（予備知識ゼロでも大丈夫）

チップの中では、トランジスタと配線のつなぎ目（接点）が、とても小さくなっています。接点が小さいほど電気が通りにくくなり、これが性能のじゃまになります。

そこで、接点の表面に金属をつけて熱を加え、シリコンと反応させて、電気を通しやすい薄い層（シリサイド）を作ります。GAAでは、さらに接点でソース・ドレインを包んで、接する長さを増やす工夫も考えられています。

まず基本：電気が、トランジスタに届くまで

チップの中には、トランジスタが何十億個も並んでいて、それぞれに、配線から電気が送られます。1つのトランジスタの中で、電気は、次の順に流れます。

1. 配線（金属）から入る
2. 接点（コンタクト）を通る
3. ソースに入る
4. 板（チャネル）を通る（ここで、流れる量が調整されます）
5. ドレインに出る
6. 接点を通って、配線へ出る

このうち、2回通る「接点」が、この記事の主役です。接点は、金属の配線と、半導体のソース・ドレインが、はじめて出会う場所です。

次に、「抵抗」です。抵抗とは、電気の流れにくさのことです。抵抗が大きいところを電気が通ると、そこで電圧（電気を押し出す力）が下がり、熱も出ます。電圧の下がり幅は、電流に抵抗をかけた値（電圧降下＝電流×抵抗）になります。そのため、途中に抵抗の大きい場所があると、トランジスタに届く電圧が下がり、本来の速さが出せなくなります。

そして、「金属」と「半導体」は、電気の通し方が違う材料です。金属は、電気をよく通します。半導体は、条件によって、通したり通さなかったりを調整できる材料です。この2つが接するところでは、電気が、通りにくくなりやすいことが知られています。この記事では、その通りにくさを、どう減らすのかを見ていきます。

なぜ今、接点の抵抗が問題なのか

トランジスタを流れる電気は、まず配線から、接点を通って、ソース・ドレインに入り、板（チャネル）を通ります。接点は、金属の配線と、半導体のソース・ドレインが、はじめて出会う場所です。

半導体の研究機関であるimecは、ソース・ドレインの接触抵抗が、14ナノメートル世代以降、「支配的な寄生抵抗」になったと説明しています。寄生抵抗とは、トランジスタが本来ほしい働きとは別に、余計についてしまう抵抗のことです。トランジスタをいくら速くしても、入り口の接点で電気が通りにくければ、せっかくの性能を、生かしきれません。

いまは、接点の抵抗を下げることが、トランジスタの性能を引き出す、大きな課題の1つです。

数字で考えてみよう：面積が小さいと、抵抗はどうなる？

接触抵抗は、接する面積に反比例します。つまり、面積が半分になれば、抵抗は2倍になります。トランジスタが小さくなるほど、接点の面積も小さくなるので、抵抗が大きくなりやすい、ということです。

実際に計算してみましょう。接触抵抗率（単位面積あたりの、抵抗の大きさ）が、将来の目標とされる 2×10⁻⁹ Ω·cm² だとします。接点が、10ナノメートル角（面積は 1×10⁻¹² cm²）なら、抵抗は、2×10⁻⁹ ÷ 1×10⁻¹² ＝ 約2,000 Ω、つまり約2 kΩです。これは、簡単な計算で、製品の値ではありません。それでも、小さな接点では、これほど大きな抵抗になりうることがわかります。

解決策の1つ目：金属を反応させて、シリサイドを作る

そこで使われるのが、シリサイドです。作り方は、次のとおりです。まず、ソース・ドレインの表面に、チタンなどの金属の薄い膜をつけます。次に、熱を加えます。すると、金属と、ソース・ドレインのシリコンが反応して、「シリサイド」という化合物ができます。特許の例では、その厚さは、1〜5ナノメートルほどです。

ウェハの表面に、金属などの薄い膜をつけて、熱で反応させる。こうした工程は、半導体の製造の中で、広く使われています。

シリサイドは、なぜ抵抗を下げるのか

特許の説明によると、シリサイドは、シート抵抗（薄い膜の電気の通しにくさ）が低く、ソース・ドレインの接点に向いた材料です。つまり、電気を通しやすい層を、金属と半導体のあいだに入れることになります。

さらに、ソース・ドレインにあらかじめ入れてあった不純物（ドーパント）が、シリサイドとシリコンの境目に集まることで、接触抵抗が下がる、と説明されています。imecは、接触抵抗率が上がる理由を、金属と半導体の「エネルギーバンドが、つながっていないため」と述べています。このため、境目の状態を整えることが、抵抗を下げるカギになります。

要するに、シリサイドは、金属と半導体のあいだに入って、電気の通り道をなめらかにする、橋渡しの層です。

材料の選び方：ニッケルからチタンへ

これまでの接点には、ニッケルのシリサイドが、よく使われてきました。しかし、imecによると、ニッケルは、シリコンやシリコンゲルマニウムの中で、速く拡散してしまうため、先端のトランジスタでは、使いにくくなっています。そこで、チタン系のシリサイドが、候補になっています。

半導体の側では、nチャネルには、不純物を多く入れたシリコン（n+）、pチャネルには、同じく不純物を多く入れたシリコンゲルマニウム（p+）が組み合わされます。チタン系の接点を、ALDという、薄い膜を原子の層ごとにつける方法で作り、接触抵抗率 2×10⁻⁹ Ω·cm² を達成した、という報告もあります。

GAAならではの難題：いちばん下の板

ところが、GAAのナノシートでは、新しい問題が出てきます。板が何枚も積み重なっているため、いちばん下の板の電気は、ソース・ドレインの結晶を、全部通り抜けないと、上の接点に届きません。このため、いちばん下の板は、アクセス抵抗（接点までの道のりの抵抗）が、高くなります。

上の接点だけでは、下の板の電気が、遠回りになってしまうのです。

工夫：ソース・ドレインを、まわりから包む

特許では、ソース・ドレインの、上だけでなく、まわり全体を包む接点が、提案されています。この「包む接点」にすると、シリサイドが接する長さが、増えます。接する長さが増えれば、接触抵抗も、下げられます。下の板の電気も、近くの面から、出入りできるようになります。

「包む接点」の作り方の例は、次のとおりです。まず、ソース・ドレインの下に、あらかじめゲルマニウムの層を作っておきます。次に、接点を作る溝をほり、そのゲルマニウムの層を、薬液で取り除きます。すると、ソース・ドレインが、宙に浮いた状態になります。そこに、全面から、金属の膜をつけ、熱でシリサイドにします。最後に、反応しなかった金属を取り除き、バリアの膜（窒化チタン）と、接点の金属（タングステン、コバルト、ルテニウムなど）を埋めます。

この例では、ドープしたチタンの膜は、3〜8ナノメートル（30〜80Å）、窒化チタンのバリアは、1〜4ナノメートル（10〜40Å）で、板の厚さは、4〜10ナノメートルとされています。ただし、これは特許に書かれた一つの例で、すべての製品が、同じ方法とは限りません。

ここまでの流れ：接点をつくる手順

ここまでの内容を、手順にまとめます。特許に書かれた一つの例にもとづくもので、すべての製品が、同じ方法とは限りません。

1. ソース・ドレインの下の、ゲルマニウムの層を、薬液で取り除き、ソース・ドレインを宙に浮かせる
2. 全面に、チタンなどの金属の薄い膜をつける
3. 熱を加えて、シリコンと反応させ、シリサイドを作る
4. 反応しなかった金属を、薬液で取り除く
5. バリアの膜（窒化チタン）をつける
6. 接点の金属（タングステン、コバルト、ルテニウムなど）を埋める

つまり、「浮かせる」「金属をつける」「反応させる」「余分を取る」「埋める」という、5つの動作の組み合わせです。

現場の視点：薄い膜と熱の管理

この工程には、薄い膜をつける装置、熱をかける装置、不要な金属を取り除く薬液の工程など、いくつもの工程がつながっています。膜が数ナノメートルしかないため、厚さのばらつきや、反応の進み具合が、そのまま接触抵抗の違いにつながります。そのため、膜厚や抵抗の測定と、工程の管理が、とても重要です。こうした仕事は、半導体の「成膜」「熱処理」「検査・計測」の仕事につながります。

接点の抵抗は、チップ全体で見ると、小さな差に見えるかもしれません。しかし、チップには、何十億個ものトランジスタが並ぶため、1つ1つの接点の差が、全体の速さと、消費電力に響きます。だからこそ、数ナノメートルの層の工夫が、先端の工程で、重要になっています。

ことばのおさらい

• 接点（コンタクト）：金属の配線と、半導体のソース・ドレインが、はじめて出会う場所です。
• 寄生抵抗：トランジスタが本来ほしい働きとは別に、余計についてしまう抵抗です。
• シリサイド：金属とシリコンが反応してできる、電気を通しやすい化合物です。
• 接触抵抗率：接点の、単位面積あたりの抵抗の大きさです。
• アクセス抵抗：板の電気が、接点にたどり着くまでの道のりの抵抗です。

よくある誤解

Q. シリサイドは、配線の一部ですか？

いいえ。シリサイドは、配線そのものではなく、ソース・ドレインの表面にできる、数ナノメートルの薄い層です。金属の配線と、半導体のあいだの抵抗を、下げる役目をします。

Q. 前の記事のソース・ドレインの結晶と、シリサイドは同じものですか？

いいえ。ソース・ドレインの結晶は、板の端から「育てて」作ります。一方、シリサイドは、その結晶の表面に、金属の膜をつけて、熱で「反応させて」作ります。作り方も、役目も違います。

Q. 接点の抵抗は、材料を変えれば、解決しますか？

材料だけでは、解決しません。接点の面積に反比例するため、接する面積や、接点の形（包む接点など）も、同じくらい重要です。

まとめ

最後に、全体の流れを、専門用語つきの一枚にまとめます。数字や用語は、この記事の出典にある例で、すべての製品で同じとは限りません。

付記：この記事の根拠

参考にした公式情報

• IBM特許 US11302813B2「Wrap around contact for nanosheet source drain epitaxy」
• IBM特許 US10361277B2「Low resistivity wrap-around contacts」
• imec Magazine「Solving the contact resistance challenge for 7nm and beyond CMOS」（2019年4月）