半導体は「トランジスタの微細化」で性能向上してきたが、
近年は 配線（Interconnect）が性能劣化の主因となっている。

その理由は以下：

　●　金属配線（Cu）の抵抗が微細化で上昇

　●　配線間の寄生容量が増加

　●　RC delay（抵抗 × 容量）が支配的に

　●　多層配線化（10層→15層以上）による複雑化

特に AI / GPU / CPU では、トランジスタよりも
配線の遅延がチップ全体の性能を決める時代になっている。

配線遅延（RC delay）を改善するには、容量（C）を減らす必要がある。

容量は以下で決まる：

C = ε × A / d　（ε：誘電率）

つまり、

誘電率が小さい（Low-k）材料を使う → 容量が減る → 遅延が減る　という流れ。

従来 SiO₂（k≈4）
Low-k（k≈2.7）
Ultra Low-k（k≈2.2〜2.4）と進化している。

Low-kは誘電率を下げるため 多孔質（空気の入り込んだ構造）が多い。
その結果、以下の課題が発生する：

● 機械強度の低下
● ダマシンCMPでの膜崩壊
● 水分吸収による劣化
● 熱・ストレスによるクラック
● 金属との界面剥離

→ 信頼性が大幅に低下しやすい。

そのため最新プロセスでは、

　・ SiCNなどの保護膜との組み合わせ

　・ プラズマ処理による膜強化

　・ Pore Sealing（孔塞ぎ）技術

　・ ALDによるコンフォーマルコーティング

など多数の工夫が必要。

微細化に伴い、配線層は増え続けている。

Intel・TSMCの先端ロジックでは：

　●　10〜12層：従来

　●　15層：一般化

　●　20層：AIチップで検討中

配線密度と配線距離の短縮が性能向上に直結するため、
多層化は不可避になっている。

●多層配線の課題

　・ スタック構造のストレス蓄積

　・ 熱膨張差による層間剥離

　・ 層間絶縁膜の強度不足

　・ ビア抵抗の増加（コンタクト抵抗問題）

特にビアは微細化で太さが限界に近づき、
コンタクト抵抗がトランジスタ性能を支配する時代になっている。

多層配線の形成には Dual Damascene（デュアルダマシン） が使われる。

ステップ：

１．Low-kに溝とビアを加工

２．Ta/TaNバリア膜

３．Cu埋め込み

４．CMPで平坦化

課題：

　・ Low-kのダメージ・崩壊

　・ Cuのディフュージョン（拡散）

　・ バリア膜の薄膜化限界

先端ノードでは、

　・ RuやCoなどのバリアレス材料

　・ Cu再結晶化技術

　・ ALDバリア膜　など新材料研究が進む。

Low-k材料の信頼性が限界に近づき、
以下の新アプローチが検討されている。

● Air-gap構造（空気を絶縁体として使う）
● Hybrid Bondingで配線そのものを短縮
● Cu以外の新材料（金属間化合物、グラフェン）
● Backside Power Delivery（背面給電）

特に 背面給電（BS-PDN） では、電源配線を裏側に分離することで
前面配線の密度を大幅に減らすことができ、配線抵抗問題への決定打になりつつある。

　●　配線遅延（RC delay）は先端プロセスの最大ボトルネック

　●　Low-kで容量を減らし、配線速度を改善

　●　しかしLow-kは強度が低く、信頼性課題が多い

　●　多層配線（10→15→20層）はAIチップで必須

　●　ダマシン技術は材料・工程の限界に挑んでいる

　●　背面給電やHybrid Bondingなど新構造が登場

１．Low-k材料を使うと配線遅延が減る理由を説明してください。

２．Low-k材料の代表的な弱点を2つ挙げてください。

３．多層配線が増えるとどのような課題が生じるでしょうか？

 

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

 

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。