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最先端システムLSIの高速化、低消費電力化、および高信頼性を実現する先端Low-k配線技術を検証
ＮＥＣエレクトロニクスはこのたびＮＥＣと共同で、最先端システムＬＳＩの高速化および低消費電力化を目的として開発した誘電率（ｋ）が２．５の分子細孔Ｌｏｗ－ｋ膜 （以下Molecular Pore Stacking:ＭＰＳ膜）を、最先端システムＬＳＩの配線層間絶縁膜に適用し、ギガヘルツという高速処理における配線寄生容量の測定と実際の微細加工によるプロセスダメージの影響評価を行いました。その結果両社は、このＭＰＳ膜が最先端のシステムＬＳＩの高速化、低消費電力化および高信頼性の実現に大きく寄与することを実証いたしました。
両社の実証内容および実証結果は、以下の通りです。
- ＜試作したシステムLSI＞
プロセスダメージ耐性の高い誘電率２．５のＭＰＳ膜を１１層の銅配線の配線間絶縁膜として使用した、６５ｎｍＣＭＯＳ超高速システムＬＳIチップ - ＜比較対象のシステムLSI＞
一般的に使用されている誘電率3以上のＬｏｗ―ｋ材を利用した膜を11層の同配線の配線間絶縁膜として使用した６５ｎｍCMOS超高速システムLSIチップ - ＜実証方法およびその結果＞
- 配線寄生容量が１２％低減していることを検証した。
- そのＮＡＮＤ回路から構成される配線負荷型リングオシレーターを発振動作させ、ギガヘルツ領域の動作周波数においてＬＳＩの処理性能の１２％高速化を確認。
- 同じ処理速度において１０％の低消費電力化を実現。
- ２ギガヘルツ仕様の高速ＳＲＡＭにおいて、寄生容量の低減により動作電圧の変動マージン（Vdd.min)を６％拡大する高い信頼性の実現。
- 極めて優れた吸湿性やプロセスダメージ耐性を有するＭＰＳ膜が、ギガヘルツ領域となる高速動作環境下においても安定した高い信頼性を実現できることを確認。
- 配線寄生容量が１２％低減していることを検証した。
ＮＥＣエレクトロニクスは、今回検証したMPS膜が最先端ＬＳＩのより一層の高速化、低消費電力化、および高信頼性の実現に寄与できるため、今後設計する最先端LSIにおいてMPS膜の採用を検討していくことにしております。
多機能・高性能化を図るためシステムLSI製品は高集積化が進展しておりますが、高集積化を図るためにプロセスを微細化すると、配線寄生容量成分が増加することにより製品の性能が劣化してしまうという問題があります。そのため、特に高集積化が進んだ最先端のデバイスでは、寄生容量を低減することが重要な技術課題となっております。配線寄生容量を低減するために、層間の絶縁膜として誘電率が４．１のシリカ膜材（ＳｉＯ２）を誘電率がさらに低いＬｏｗ－ｋ膜で置き換える手法が検討されております。一例として、分極率の大きい酸素をより分極率の小さい炭化水素（－ＣＨｘ）で置き換えた高密度Ｌｏｗ－ｋ材が導入されてきました。現在、さらなる寄生容量低減のため、膜中に空孔を導入して低密度化した多孔質Ｌｏｗ－ｋ材の研究とそのデバイス開発が活発に行われています。
両社は多孔質Ｌｏｗ－ｋ膜として分子サイズの空孔を導入したＭＰＳ膜を、2006年６月にIEEE IITC(国際配線技術会議)にて発表したもので、数十メガヘルツでの性能検証を行なっておりますが、このたび、ギガヘルツ領域における容量測定と実際の微細加工によるプロセスダメージの影響評価を行なったものです。
今回、実際の６５ｎｍ世代の超高速・大規模ＬＳＩを試作したことで、ギガヘルツ領域においてもＭＰＳ膜導入により、理論値に近い配線寄生容量の低減を確認することができました。さらには、配線（ビット線）容量の低減で、メモリ部（ＳＲＡＭ）の動作電圧の変動マージンを拡大できるといった効果も確認したものであります。
両社ではこれらの研究成果は、分子細孔という特殊な多孔質構造のプロセス安定性と広い周波数領域でのデバイス適用性を実証できたものと考えており、特に３２ｎｍ世代以降のＬＳＩや混載ＤＲＡＭやマルチコアを採用した各種電子機器の高性能化の実現に寄与すると考えております。両社は今後も、早期の実用化を目指して、積極的な研究開発活動を展開してまいります。
なお、ＮＥＣエレクトロニクスでは今回の成果を、９月２３日から２５日まで茨城県つくば市で開催される「国際固体素子・材料学会（2008 International conference on Solid-state Devices and Materials (SSDM)、会期：９月２３日～２５日）」において、９月２４日に発表します。
ニュースリリースに掲載されている情報は、発表日現在の情報です。 その後予告なしに変更されることがございますので、あらかじめご承知ください。