[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. 英国王立化学会(RSC)が人材募集中
  2. 怒涛の編集長 壁村耐三 ~論文と漫画の共通項~
  3. シクロカサオドリン:鳥取の新しい名物が有機合成された?
  4. 【太陽ホールディングス】新卒採用情報(2025卒)
  5. 化学系人材の、より良い将来選択のために
  6. YMC「水素吸蔵合金キャニスター」:水素を安全・効率的に所有!
  7. 植物毒の現地合成による新規がん治療法の開発
  8. シグマトロピー転位によるキラルα-アリールカルボニルの合成法

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. CO2の資源利用を目指した新たなプラスチック合成法
  2. レドックス反応場の論理的設計に向けて:酸化電位ギャップ(ΔEox)で基質の反応性を見積もる
  3. 非古典的カルボカチオンを手懐ける
  4. ビニルモノマーの超精密合成法の開発:モノマー配列、分子量、立体構造の多重制御
  5. 【イベント】「化学系学生のための企業研究セミナー」「化学系女子学生のためのキャリアセミナー」
  6. グァンビン・ドン Guangbin Dong
  7. 根岸クロスカップリング Negishi Cross Coupling
  8. 不斉配位子
  9. 卓上NMR
  10. 分析化学科

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

最新記事

超塩基に匹敵する強塩基性をもつチタン酸バリウム酸窒化物の合成

第604回のスポットライトリサーチは、東京工業大学 元素戦略MDX研究センターの宮﨑 雅義(みやざぎ…

ニキビ治療薬の成分が発がん性物質に変化?検査会社が注意喚起

2024年3月7日、ブルームバーグ・ニュース及び Yahoo! ニュースに以下の…

ガラスのように透明で曲げられるエアロゲル ―高性能透明断熱材として期待―

第603回のスポットライトリサーチは、ティエムファクトリ株式会社の上岡 良太(うえおか りょうた)さ…

有機合成化学協会誌2024年3月号:遠隔位電子チューニング・含窒素芳香族化合物・ジベンゾクリセン・ロタキサン・近赤外光材料

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2024年3月号がオンライン公開されています。…

日本化学会 第104春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part3

日本化学会年会の付設展示会に出展する企業とのコラボです。第一弾・第二弾につづいて…

ペロブスカイト太陽電池の学理と技術: カーボンニュートラルを担う国産グリーンテクノロジー (CSJカレントレビュー: 48)

(さらに…)…

日本化学会 第104春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part2

前回の第一弾に続いて第二弾。日本化学会年会の付設展示会に出展する企業との…

CIPイノベーション共創プログラム「世界に躍進する創薬・バイオベンチャーの新たな戦略」

日本化学会第104春季年会(2024)で開催されるシンポジウムの一つに、CIPセッション「世界に躍進…

日本化学会 第104春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part1

今年も始まりました日本化学会春季年会。対面で復活して2年めですね。今年は…

マテリアルズ・インフォマティクスの推進成功事例 -なぜあの企業は最短でMI推進を成功させたのか?-

開催日:2024/03/21 申込みはこちら■開催概要近年、少子高齢化、働き手の不足の影…

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