銅・コバルト・ルテニウム配線の違い：抵抗率・サイズ効果・バリア層・信頼性を比較
太い配線では、バルクの抵抗率が最も低い銅が最もよい材料で、現在も配線の大部分は銅です。ところが、線幅が数十nm以下になると、電子が配線の表面や結晶粒界で散乱されて抵抗率が上がり(サイズ効果)、銅に必要なバリア層も断面の多くを占めるようになります。コバルトやルテニウムは、バルクの抵抗率は銅の数倍ですが、電子の平均自由行程が短いので細くしても抵抗率が上がりにくく、バリア層を薄くできます。そのため、最も細い配線やコンタクト、ビアへの適用が進められています。
| 項目 | 銅(Cu) | コバルト(Co) | ルテニウム(Ru) |
|---|---|---|---|
| バルクの抵抗率(室温、代表値) | 約1.7 µΩ·cm | 約6 µΩ·cm | 約7 µΩ·cm |
| 電子の平均自由行程(代表値) | 約40 nmと長い | 10 nm前後かそれ以下と短い | 10 nm前後かそれ以下と短い |
| 細い配線での抵抗率の上昇 | 大きい。数十nm以下で表面・粒界散乱が増え、バルクの数倍になることもある | 銅より小さい | 銅より小さい |
| バリア層 | 必要。TaN/Taなど数nmで側面と底を囲む | 薄いライナー(TiNなど)を使うが、銅より薄くできる | 絶縁膜に拡散しにくく、バリアを非常に薄くするか省ける可能性がある |
| 融点(目安) | 約1085 ℃ | 約1495 ℃ | 約2334 ℃ |
| エレクトロマイグレーション耐性 | 対策が必要。上面のキャップ層やライナーで強化する | 銅より高い | 高い |
| 加工・埋め込み | ダマシン法。シード層の上に電解めっきで埋める。ドライエッチングは難しい | CVDやめっきで、細い穴や溝も埋めやすい | CVDやALDで成膜できる。膜をつくってからエッチングで加工する方式も検討されている |
| 使われる層 | 中間層から上層までの、配線の大部分 | コンタクトやビアの埋め込み、最下層の一部の細い配線、銅配線のキャップやライナー | 最も細い配線やビアへの導入が研究・開発されている。ライナーにも使われる |
| 材料の入手性 | 豊富で安価 | 銅より高価 | 白金族の貴金属で、資源が少なく高価 |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。