次世代ロジック半導体におけるルテニウムやグラフェン配線の熱マネジメント

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次世代ロジック半導体における配線の熱マネジメント技術の基盤構築を目的とし、現在配線材料の主役である銅だけでなく、次世代配線材料として期待されるルテニウム(Ru)に着目し、配線と層間絶縁膜の界面熱抵抗を周波数領域サーモリフレクタンス法で測定し、測定された界面熱抵抗は重要なパラメーターとして最先端ロジック半導体における配線の温度上昇に与える影響を、有限要素法シミュレーションを用いて解明した。これまでの研究では、Si基板上の自然酸化膜SiO2は層間絶縁膜として使用した。最先端ロジック半導体においては、RC遅延を抑えるために、low-k層間絶縁膜は使用されている。本研究では、Si基板上にスピンコーティングでメチルシロキサン系有機SOGを塗布し、作製したlow-k薄膜は層間絶縁膜として使用した。スパッタリングでCuやRu配線金属層を成膜した。作製した積層構造の界面熱抵抗は、真空中で周波数領域サーモリフレクタンス法により測定した。low-k材料における有機物の含有量と塗布後の熱処理温度が界面熱抵抗に及ぼす効果を調査した。その結果により、low-k材料におけるメチル基はlow-k材料の熱伝導率を低減するだけでなく、配線金属/層間絶縁膜の界面熱抵抗を増加したことがわかった。メチル基を有する層間絶縁膜と配線金属の界面結合が弱いためである。X線光電子分光(XPS)、フーリエ変換赤外分光法(FTIR)を用いて界面結合状態と官能基評価を行い、界面結合の強さは配線金属/層間絶縁膜の界面熱抵抗に大きく影響することを解明した。