Ru配線の量産条件

一言でいうと、Ru local interconnect は Cu を別金属へ置き換える話 ではなく、first local interconnect metal layer を direct metal etch、air gap、fully self-aligned via まで含めて再設計する話 です。

2026-04-23時点。
imec の 2025 年発表では、semi-damascene integration により 16nm pitch の Ru lines を平均 656 Ω/µm で形成し、A7 以降の first local interconnect metal layer 候補として示しています。
imec の semi-damascene 解説は、Cu dual-damascene が 20nm 未満の metal pitch で苦しくなる主因として barrier / liner / cap の体積損失と RC 増大を挙げ、Ru のような patternable metal を使う semi-damascene を代替候補に置いています。
一方で Applied Materials の 2024 年発表は、RuCo liner で Cu wiring を 2nm node and beyond へ延命する道も示しています。
local interconnect の評価では、Cu dual-damascene を延命するか と Ru semi-damascene へ切り替えるか を同じ棚で比較する必要があります。

先に切り分ける比較表

方式	何を比較するか
Cu dual-damascene	既存 flow を維持できる一方で、barrier / liner 体積損失、void-free fill、Cu reliability が先に制約になりやすい
Cu延命 + RuCo liner	Cu flow は維持しつつ liner を極薄化する方式で、ultrathin liner 均一性、Cu reflow、yield を先に確認する
Ru semi-damascene	first local metal を direct etch し、gap fill / air gap と via fill を組み合わせる方式で、Ru direct etch、FSAV、gap fill / air gap、via landing を先に確認する

この表の通り、Ru が低抵抗だから採用が決まる ではありません。
量産判断は、direct metal etch と air gap を含む module を再現できるか、Cu を延命した方が fab 変更が小さいか、どの層で RC が先に制約になるか の 3 点で分かれます。

Ru local interconnect が対象にする層

このページの対象は、トランジスタ直上の first local interconnect metal layer です。
imec の 2025 年発表は、この Ru semi-damascene flow を A7 and beyond logic nodes の first local interconnect metal layer に向くと説明しています。
Mo contact と selective deposition の量産条件が扱う MOL contact の一段上で、BEOLメタライゼーション：Cu・Wの限界とMo/Ruの位置づけが扱う 多層配線全体 よりは狭い範囲です。

その下の CFET 側で、stacked MOL、shared MRW、direct backside contact がどこで分かれるかは CFETのMOL接続とMRW に切り出しています。

この層では、line resistance と intra-level capacitance の両方が急に重くなります。
そのため 金属そのもの と 絶縁構造 と via landing を別々に最適化すると、セルレベルの遅延と面積で辻褄が合わなくなります。

20nm 未満で Cu dual-damascene が苦しくなる理由

imec の semi-damascene 解説は、tight metal pitch では Cu が電子平均自由行程に近づくことに加えて、barrier / liner / cap が導電断面を圧迫し、RC delay が大きくなると整理しています。
さらに同じ解説は、Cu dual-damascene が長年の主力であっても、20nm and below では better figures of merit を持つ integration scheme と metal が必要になると説明しています。

ここでの本質は次の 2 点です。

Cu 自体の抵抗増加
線幅が狭くなるほど scattering が増え、line resistance が上がる。
Cu を成立させる付帯層の体積損失
barrier / liner / cap が増えるほど、導電断面がさらに減る。

このため Cu の材料特性だけ を比較しても不十分です。
実際には、Cu を埋めるための module 全体 が tight pitch で苦しくなります。

semi-damascene で何が物理的に変わるか

imec の 2022 年 article と semi-damascene 解説が示すように、semi-damascene では first local metal line を subtractive metallization で直接形成し、その後に via を single-damascene で形成して top metal を重ねます。
この構成では、Cu dual-damascene と比べて次の点が変わります。

first local line を direct etch するため、高 aspect ratio line を作りやすい
patternable metal を使うことで、barrierless integration の余地が生まれる
line 間を dielectric gap fill だけでなく partial / full air gap にもできる
metal CMP を省けるため、line height control と cost の面で利点が出る

imec の 2022 年 article は、gap fill の後に partial airgaps を local layers へ入れられると説明しています。
そのため semi-damascene は R を下げる金属フロー であると同時に、C を下げる絶縁構造フロー でもあります。

2020-2025 で実証されたこと

年月	一次情報	実証内容	量産判断への意味
2020-10-09	imec IITC 2020	`30nm metal pitch` の 2-metal-level Ru semi-damascene + air gap で `>10 years lifetime` と good mechanical strength	air gap を含む semi-damascene が reliability 比較の対象まで進んだ
2022-06-23	imec VLSI 2022 article	`18nm metal pitch` の 2-metal-level module、FSAV、via resistance `40-60Ω`、via-to-line breakdown field `>9MV/cm`	overlay と via landing を電気的に成立させる building block が出た
2022-06-30	imec IITC 2022	`AR=6` の Ru lines で conventional `AR=3` 比 `約40%` の resistance reduction、air gap と組み合わせた circuit-level benefit	footprint を増やさず line resistance を下げる方向が示された
2025-06-03	imec IITC 2025	`16nm pitch` で平均 `656 Ω/µm`、`18-22nm` で `90%+` full-wafer yield、SID-SADP + direct Ru etch	A7 以降の first local interconnect metal layer として、量産寄りの歩留まり議論に入った

この表は、Cu dual-damascene の限界 と Ru semi-damascene の進捗 を時系列で比較するために置いています。
図を増やすより、どの世代で抵抗、容量、量産再現性の論点が移るかを同じ列で確認できる方が、関連ページとの役割分担を切り分けられます。

量産で支配的になりやすい工程

工程	最初に確認する工程条件	主要な不良モード	主に悪化する指標
Ru direct etch	line width、sidewall profile、hard mask 酸化の抑制	line bridge、line break、roughness	line resistance、wafer yield
spacer / gap fill	cheap oxide / nitride 材料、gap fill 完全性	seam、mechanical weak point	capacitance、mechanical margin
FSAV	bottom / top alignment、selective nitride removal	via-line leakage、landing miss	via resistance、breakdown field
via fill と top metal	overfill 均一性、orthogonal top line 形成	open、short、topography 不良	via resistance、RC delay
air gap / reliability	humidity、TDDB、self-heating、mechanical stability	leakage 増加、寿命低下、局所発熱	lifetime、power、IR drop

imec の 2025 年発表は、low resistance を出す鍵として SID-SADP、pattern inversion、optimized SiO2 gap fill、hard mask oxidation を抑えた improved Ru etch を挙げています。
また imec の 2022 年 article は、FSAV が overlay error up to 5nm を吸収する building block だと説明しています。
検査・計測・オーバーレイ装置の役割分担では、Ru direct etch、gap fill、FSAV、air gap / reliability の測定値を etch / CMP / alignment / reliability 評価 のどこへ戻すかを systems 側から整理しています。
Ru local interconnect のボトルネックは、Ru を成膜できるか ではなく etch、gap fill、via self-alignment、reliability を連結して成立させられるか にあります。

Cu延命、Ru semi-damascene、air gap の役割分担

Applied Materials の 2024 年発表は、RuCo liner により Cu wiring の liner を 2nm まで薄くし、line resistance を最大 25% 下げて 2nm node and beyond まで Cu を延命する方向を示しました。
一方で TEL の IR Day 2025 資料は、logic interconnect booster の roadmap に Cu CIP or Ru subtractive、その先に Ru subtractive と AR>3, Airgap を並べています。
この 2 社の公開整理を合わせると、industry の選択肢は次の 2 本です。

Cu flow を保ちつつ liner / barrier を極薄化する
first local interconnect layer では Ru semi-damascene と air gap まで含めて module を切り替える

Ru semi-damascene が Cu をすぐ全面置換する ではなく、tightest local layer から切り替え候補になる という理解が適切です。

Mo contact、Low-k / Air Gap、BEOL全体との役割分担

Mo contact と selective deposition の量産条件は、MOL contact の抵抗をどう下げるかを扱います。
このページは、その一段上の first local interconnect metal layer を扱っています。

Low-kとAir Gapの基礎と量産論点は、絶縁構造側から capacitance、self-heating、TDDB を整理するページです。
このページでは、Ru semi-damascene が air gap をどの integration flow で使うか まで含めて説明しています。

BEOLメタライゼーション：Cu・Wの限界とMo/Ruの位置づけは、local / intermediate / global wiring をまとめた材料・装置の俯瞰です。
そのため、Ru の話でも scope は異なります。
このページは local interconnect module、BEOLページは 配線階層全体 です。