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エアギャップ（配線）とは

エアギャップとは、配線と配線の間を絶縁膜で埋めるかわりに、空洞のまま残す構造です。 空気の誘電率は約1で、どんな固体の絶縁膜よりも低くなります。

定義・解説

Section titled “定義・解説”

Low-k材料の記事で見たとおり、隣り合う配線の間には寄生容量が生じます。配線の抵抗とこの容量の積が信号の遅れを決めるため、容量を減らすことが速度に直結します。

容量は、間を埋める材料の誘電率に比例します。そのため誘電率の低い材料が探されてきました。ところがこの道は行き詰まりつつあります。ITRSの2015年版Interconnect章は、k値が2.55を下回る領域でlow-kのスケーリングが大きく減速したとし、その理由を配線の統合工程で受けるプラズマや機械的な損傷によってk値が上がってしまうことに求めています。同文書は、より低いk値の材料は機械的強度と密着性が乏しく、それが採用を阻んでいるとも述べています。

エアギャップは、その行き止まりの先にあります。材料を入れず、空洞のまま残します。誘電率はおよそ1になり、これ以上は下げられません。固体の絶縁膜で到達できる値より低くなります。

すでに製品に入っています

Section titled “すでに製品に入っています”

研究段階の話ではありません。同じITRS 2015は、エアギャップ構造がILDの主流の候補解と見なされるようになったとして、その成熟度が上がったことを認めています。

そのうえで導入例を挙げています。SiO2 ILDとのエアギャップ構造は、ワード線容量を減らすためにNAND Flashメモリへすでに導入されています。MPUでも、線間容量を減らすためにSiOC ILDとのエアギャップ構造が導入されているとしています。

最近の効果も公表されています。Intel Foundryは2024年のIEDMに合わせた公式ニュースルームで、薄膜抵抗率とエアギャップを併せて使うサブトラクティブRuという代替メタライゼーション材料により、最大25%の容量低減が得られると発表しています。同社はあわせて、実用的で費用効率がよく大量生産に適合するサブトラクティブRuの統合プロセスを研究開発の試験構造で実証した最初の企業だとしています。いずれも同社の公表値です。

材料を入れない、という選択と、その請求書
low-k で埋める構造寄生容量が残ります固体である以上、下限がありますlow-kのスケーリングは減速しましたエアギャップ誘電率 約1 ── これ以上は下がりませんNAND のワード線、MPU の線間へ導入済み容量低減は最大 25%代償その1　支える材料が減ることCMPで押され、実装で熱膨張差の力を受けます分布荷重のもとで、亀裂の進みやすさが2〜3倍ギャップ幅1.5〜2µmの場合として公開されている値代償その2　熱が逃げないこと空気は電気を通しませんが、熱も通しません12層BEOLで 温度 +20% と予測配線の密度が高いほうがジュール加熱は抑えられます
固体の絶縁膜には誘電率の下限があります。空洞のまま残せば約1まで下がりますが、支える材料が減り、熱の逃げ道も同時に失われます。得るものと失うものが同じ「何も入れない」から来ています。

代償その1 ── 支える材料が減る

Section titled “代償その1 ── 支える材料が減る”

空洞である以上、そこを支える材料はありません。

配線層は、作っている途中も使われている間も力を受けます。CMPでは膜が押しつけられます。パッケージへ実装する段階では、材料ごとの熱膨張差から力がかかります。

テキサス大学オースティン校が公開している有限要素解析は、この影響を計算しています。犠牲層の分解やCMPの押しつけによって生じる分布荷重のもとで、ギャップ幅が1.5〜2µmの場合にエネルギー解放率が2〜3倍に増えうるという結果が示されています。エネルギー解放率は、亀裂がどれだけ進みやすいかを表す量です。

同解析は、全面low-k・部分エアギャップ・全面エアギャップの3つを並べて比較しています。どこに、どれだけの幅で空洞を作るかが設計変数になっているということです。「全面をエアギャップにする」という選択は、この時点で候補から外れます。

決めるのは、どこに、どれだけの幅で空洞を作るか
同じ解析が並べた3つの作り方右へ行くほど、空洞が多くなります空洞の場所は、誘電率が約1全面low-k部分エアギャップ全面エアギャップ候補から外れます同時に、空洞を支える材料が減りますテキサス大学オースティン校の公開資料が、この3つを並べて比較しています図は関係を示す絵で、寸法の比ではありません選ぶのは、置き場所と幅どこに、どれだけの幅で空洞を作るかそれ自体が設計変数になっています全面low-kと全面エアギャップの間に、部分があります全面は、この時点で消えます空洞にした場所では、支える材料が減ります亀裂の進みやすさが増えると計算されました犠牲層の分解やCMPの押しつけによる分布荷重のもとで
同じ公開資料が、全面low-k・部分エアギャップ・全面エアギャップを並べて比較しています。空洞にした場所の誘電率は約1になりますが、そこを支える材料は失われるため、全面という選び方はこの時点で候補から外れます。

代償その2 ── 熱が逃げません

Section titled “代償その2 ── 熱が逃げません”

もう1つの代償は、空気の性質そのものから来ます。空気は電気を通しませんが、熱も通しません。

配線には電流が流れ、電流が流れれば熱が出ます。従来はその熱が、周りの絶縁膜を通って逃げていました。空洞にすれば、その通り道が消えます。

imecは公式プレスリリースで、この影響を定量しています。局所的な2層の配線レベルでジュール加熱の校正測定を行い、その結果をモデルによって12層のBEOL構造へ外挿したところ、エアギャップによって温度が20%上昇すると予測されました。容量を下げるために作った空洞が、そのまま素子の温度を押し上げます。

同社はあわせて、金属配線の密度が重要な役割を果たし、密度が高いほうがジュール加熱の低減に役立つことを見いだしたとしています。空洞を減らせば熱は逃げますが、容量は下がりません。両者は綱引きの関係にあります。

温度が上がれば、エレクトロマイグレーションの条件も厳しくなります。容量を下げるために作った空洞が、導体の寿命を縮める側へ回るという関係です。

それでも進む理由

Section titled “それでも進む理由”

代償が2つあってなお、この構造が進むのは、材料の側に残された余地が小さいからです。

imecはプレスリリースで、エアギャップを組み込んだセミダマシンの流れについて、その信頼性がデュアルダマシンlow-kと比べて競争力があり、10年を超える寿命を示したと発表しています。この寿命は同社の公表値です。代償があることと、使えないことは別です。

誘電率を下げる方向の終点にありながら、どこまで使えるかを決めるのは電気ではなく力学と熱です。エアギャップはそういう性格の構造です。

関連するデータ・ツール

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よくある質問（FAQ）

Section titled “よくある質問（FAQ）”
エアギャップとは何ですか？

配線と配線の間を、絶縁膜で埋めるかわりに空洞のまま残す構造です。空気の誘電率は約1で、どんな固体の絶縁膜よりも低くなります。

なぜ誘電率を下げたいのですか？

隣り合う配線の間の寄生容量を減らすためです。容量は誘電率に比例するので、間を埋める材料の誘電率が下がれば容量も下がり、信号の遅れが減ります。

研究段階の技術ですか？

すでに製品に入っています。ITRSの2015年版は、エアギャップ構造がILDの主流の候補解と見なされるようになったとしたうえで、SiO2 ILDとのエアギャップ構造がNAND Flashメモリのワード線容量低減のために導入され、MPUでもSiOC ILDとのエアギャップ構造が線間容量低減のために導入されたと記しています。

どのくらい効きますか？

Intel Foundryは2024年のIEDMに合わせた公式ニュースルームで、サブトラクティブRuを使うことで最大25%の容量低減が得られると発表しています。

弱点はありますか？

2つあります。構造として弱くなることと、熱がこもることです。中身が空洞である以上、支える材料が減り、また熱も逃げにくくなります。

構造の弱さはどのくらいですか？

テキサス大学オースティン校の公開資料は、犠牲層の分解やCMPの押しつけによる分布荷重のもとで、ギャップ幅1.5〜2µmの場合にエネルギー解放率が2〜3倍に増えうるとしています。同資料は全面low-k・部分エアギャップ・全面エアギャップを比較しています。

熱はどう効きますか？

imecは局所2層での測定を12層のBEOL構造へモデルで外挿し、エアギャップによって温度が20%上昇すると予測しています。同社は、金属配線の密度が高いほうがジュール加熱の低減に役立つことも見いだしたとしています。

比較・違いを学ぶ

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関連用語

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出典

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  • ITRS 2.0（2015）「Interconnect」公開PDF（2026年8月29日にリンク生存を実測、200）── low-kスケーリング（k < 2.55）の大きな減速とその理由、低k材料の機械的強度と密着性が採用を阻んでいること、エアギャップ構造がILDの主流の候補解と見なされるようになったこと、SiO2 ILDとのエアギャップがNAND Flashのワード線容量低減へ、SiOC ILDとのエアギャップがMPUの線間容量低減へ導入済みであること
  • Intel Foundry「technology advancements at IEDM 2024」公式ニュースルーム（2026年8月29日にリンク生存を実測、200）── サブトラクティブRuが薄膜抵抗率とエアギャップを併せて使うこと、最大25%の容量低減、大量生産に適合するサブトラクティブRu統合プロセスの実証
  • imec「intermetallics and airgaps for advanced interconnect metallization schemes」公式プレスリリース（2026年8月29日にリンク生存を実測、200）── 局所2層のジュール加熱校正測定を12層BEOLへモデル外挿し、エアギャップで温度が20%上昇すると予測されたこと、金属配線の密度が高いほうがジュール加熱の低減に役立つこと
  • テキサス大学オースティン校「Mechanical Stability of Air-gap Interconnects」公開PDF（2026年8月29日にリンク生存を実測、200）── 犠牲層の分解やCMPの押しつけによる分布荷重のもとで、ギャップ幅1.5〜2µmの場合にエネルギー解放率が2〜3倍に増えうること、全面low-k・部分エアギャップ・全面エアギャップの比較
  • imec「path to line resistance halving using semi-damascene high aspect ratio processing」公式プレスリリース（2026年8月29日にリンク生存を実測、200）── エアギャップ入りセミダマシンの信頼性がデュアルダマシンlow-kと比べて競争力があり10年超の寿命を示したこと
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