[スポンサーリンク]

一般的な話題

化学者のためのエレクトロニクス講座~配線技術の変遷編

[スポンサーリンク]

このシリーズでは、化学者のためのエレクトロニクス講座では半導体やその配線技術、フォトレジストやOLEDなど、エレクトロニクス産業で活躍する化学や材料のトピックスを詳しく掘り下げて紹介します。今回は半導体内部の配線技術の変遷を取り上げます。

chip

chip

半導体チップ(画像:pixabay)

アルミニウム配線の時代(~1990年代)

プロセス技術の発展に伴って半導体ウエハの微細加工が容易になりましたが、その内部配線の形成は依然として課題でした。

1958年にテキサス・インスツルメンツ社(米)のジャック・キルビーがシリコンのみからなる集積回路(モノリシックIC)を発明しました(キルビー特許)が、素子間の接続は単に金線のボンディングで結んだだけでした。これは振動などの機械的な衝撃に対して不安定な構造でした。

この問題を解決したのは、後にIntel社を設立することになるフェアチャイルド社(米)のロバート・ノイスでした。彼はキルビーの発明に遅れること半年の1959年に、モノリシックIC上のSiO2絶縁膜上にアルミニウムAl薄膜を蒸着することで素子間の導通を図りました。彼の特許(プレーナ特許)は今日の半導体製造の基礎となるものです。

初期の半導体配線の例(画像:Wikipedia

Alは比抵抗が銀、銅、金についで低いほか、コストや耐酸化性、SiO2との良好な密着性などを備えており、電極材料として最適でした。

しかし微細化が進むにつれ、シリコンとの界面での相互拡散や、自由電子が金属原子と衝突して運動エネルギーを与えることで配線の断線に至るエレクトロマイグレーション(EM)が無視できなくなります。そこで配線材料のAlにシリコンや銅などの不純物を微量添加することが試みられましたが、従来の蒸着法では添加量の制御が困難であったことから、1970年代後半にはスパッタによる成膜が主流となりました。

こうして3%ほどのシリコンを添加したAlによる配線は1970年代以降長らく使われましたが、さらなる微細化の進展によってEM耐性の向上と抵抗値の低減による信号遅延と消費電力の抑制が急務となりました。

銅ダマシンめっきの確立

そこでアルミニウムに代わる配線材料として脚光を浴びたのがでした。銅は銀に次いで電気抵抗が低く、Alの2/3程度しかありません。さらにEM耐性の指標である許容電流密度がAlより一桁近く高いこと、銀や金に比べて安価であることなど多くの利点がありました。

しかしながら、銅はAlとは異なり、プラズマエッチングによるパターニングが難しく、これが実用化の障壁となっていました。

その打開のために発展したのが、ダマシンと呼ばれるめっき技術です。

ダマシンとはまたの名を象嵌といい、溝や穴などの微細な凹部を埋めるようにめっきする手法です。シリアの首都、ダマスカスにおける工芸品の製造プロセスによく似ていることにちなんで命名されたといわれます。

しかし、この技術の開発にも並々ならぬ困難がありました。

めっきによる金属の析出は、反応種の金属イオンが拡散で到達しやすい電極の凸部ほど起こりやすいのが一般的です。極端な例としては、樹枝状に析出した金属樹が挙げられます。

銅樹(画像:Wikipedia

しかしダマシンにおいてはその逆で、凹部ほど速く析出させる必要があります。この析出の制御を可能とするのが、めっき浴に微量加えられる添加剤です。基本的には微細な空孔に入り込みやすい低分子の添加剤が析出促進を、入りにくい大きな分子が阻害を担うことによって凹凸を埋めるように析出が進行します。

現在広く用いれている銅めっき浴のうち代表的なものに硫酸銅(II)をベースとする硫酸銅浴がありますが、これに添加されているのは主に以下の3種類です。

①ノニオン系界面活性剤:Cl存在下で中間体のCu+を捕捉して電極上に単分子吸着し、析出を阻害する。

ex) PEGなど

②光沢剤:結晶核の成長点に吸着することで大きな結晶が成長するのを阻害し、新たな結晶核の発生を促進する。さらに、めっき皮膜中に取り込まれずに残存することで、表面積が漸減する凹部に集中して水素の吸着を阻害することで、結果的に凹部での析出を促進する。

ex) bis (3-sulfopropyl)disulfidedisodium(SPSなどの有機硫黄化合物

③レベラー:電極への吸着が拡散律速であるため凸部に選択的に吸着し、析出を阻害する。

ex) ヤヌスグリーンB (JGB)など

このほか、ピロリン酸銅(II)をベースとするピロリン酸銅浴には②のSPSの代わりにジメルカプトチアジアゾール(DMTDなどが供されています。

これからのダマシン技術

さらなる微細化に伴い銅濃度の低減による析出精度の向上が図られていますが、このような条件においてはめっき皮膜中にボイドが形成されやすく、これが信頼性維持の課題となっています。ボイドは皮膜に共析したPEGが原因となっていることも多く、その克服が待たれます。

また、半導体配線は絶縁体のSiO2膜などの上に形成することから、全工程を無電解めっきのみで完結させることができれば最も合理的です。現在ULSI配線向けにCo2+を還元剤として用いる無電解銅めっきの開発が急がれています。

ということで、アルミニウムから銅へと代替された半導体配線の歴史をご覧いただきました。次回は次世代の配線材料について特集しますのでお楽しみに!

関連リンク

日本半導体歴史館

PC Watch

関連書籍

gaming voltammetry

berg

投稿者の記事一覧

化学メーカー勤務。学生時代は有機をかじってました⌬
電気化学、表面処理、エレクトロニクスなど、勉強しながら執筆していく予定です

関連記事

  1. ビニグロールの全合成
  2. 生物に打ち勝つ人工合成?アルカロイド骨格多様化合成法の開発
  3. 日本に居ながら、ナマの英語に触れる工夫
  4. 日本入国プロトコル(2022年6月末現在)
  5. 電子実験ノートSignals Notebookを紹介します ②
  6. メカノケミストリーを用いた固体クロスカップリング反応
  7. 位置多様性・脱水素型クロスカップリング
  8. 2つ輪っかで何作ろう?

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 吉田潤一 Jun-ichi Yoshida
  2. 酵母菌に小さなソーラーパネル
  3. テトラサイクリン類の全合成
  4. 根岸試薬(Cp2Zr) Negishi Reagent
  5. 英会話イメージリンク習得法―英会話教室に行く前に身につけておきたいネイティブ発想
  6. 中山商事のWebサイトがリニューアル ~キャラクターが光る科学の総合専門商社~
  7. パオロ・メルキオーレ Paolo Melchiorre
  8. クラレ 新たに水溶性「ミントバール」
  9. クリック反応の反応機構が覆される
  10. 武田薬、米国販売不振で11年ぶり減益 3月期連結決算

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2020年10月
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031  

注目情報

注目情報

最新記事

無機物のハロゲンと有機物を組み合わせて触媒を創り出すことに成功

第449回のスポットライトリサーチは、分子科学研究所 生命・錯体分子科学研究領域(椴山グループ)5年…

熱化学電池の蘊奥を開く-熱を電気に変える電解液の予測設計に道-

第448回のスポットライトリサーチは、東京工業大学 工学院 機械系 機械コース 村上陽一研究室の長 …

毎年恒例のマニアックなスケジュール帳:元素手帳2023

hodaです。去年もケムステで紹介されていた元素手帳2022ですが、2023年バージョンも発…

二刀流センサーで細胞を光らせろ!― 合成分子でタンパク質の蛍光を制御する化学遺伝学センサーの開発 ―

第447回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院 理学系研究科化学専攻 生体分子化学研究室(キャ…

【12月開催】第4回 マツモトファインケミカル技術セミナー有機金属化合物「オルガチックス」の触媒としての利用-ウレタン化触媒としての利用-

■セミナー概要当社ではチタン、ジルコニウム、アルミニウム、ケイ素等の有機金属化合…

化学ゆるキャラ大集合

企業PRの手段の一つとして、キャラクターを作りホームページやSNSで登場させることがよく行われていま…

最先端バイオエコノミー社会を実現する合成生物学【対面講座】

開講期間2022年12月12日(月)13:00~16:202022年12月13日(火)1…

複雑なモノマー配列を持ったポリエステル系ブロックポリマーをワンステップで合成

第446回のスポットライトリサーチは、北海道大学 大学院工学研究院 応用化学部門 高分子化学研究室(…

河崎 悠也 Yuuya Kawasaki

河崎 悠也 (かわさき ゆうや) は、日本の有機化学者。九州大学先導物質化学研究所 …

研究者1名からでも始められるMIの検討-スモールスタートに取り組む前の3つのステップ-

開催日:2022/12/07  申込みはこちら■開催概要近年、少子高齢化、働き手の不足の…

Chem-Station Twitter

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP