シード層とは

シード層とは、電解めっきで銅を埋める前に、溝や穴の内側へあらかじめ付けておく薄い銅の膜です。 めっきが育ちはじめる足場になりますが、同じ厚みが溝の入口を狭める側にも回ります。

定義・解説

ダマシン法では、絶縁膜に掘った溝へ銅を埋めます。埋める手段は電解めっきです。SCREENセミコンダクターソリューションズの初心者向け解説は、電解銅めっきを、硫酸銅などの液にウェーハと銅の塊を入れ、電流を流して表面へ銅を付ける方法だと述べています。電気を流す以上、ウェーハの表面には電気を通せる状態が要ります。掘ったばかりの絶縁膜のままでは、電流の通り道が溝の中で途切れます。

そこで、めっきの前に金属の膜を2枚敷きます。富士通研究所の中村友二氏は表面科学の解説で、ダマシン法の主要工程を、絶縁膜の堆積、ビア孔と配線溝の形成、バリアメタルとCuシード膜を付けたうえでの電解めっきによる埋め込み、そしてCMPでの余分な銅の除去、と工程順に挙げています。芝浦工業大学の上野和良氏も表面技術の解説で、溝や穴の表面へスパッタで積んだバリア膜とシード膜の上から、電気めっきで銅を埋める方法が使われるとし、バリア膜にはタンタルや窒化タンタルが主に用いられると記しています。1枚目のバリアメタルは銅が絶縁膜へ逃げるのを止め、2枚目のシード層は銅が育つ足場になります。

JEITAが公開するITRS 2009年版配線章の日本語版では、この膜が膜成長核形成層と呼ばれています。同資料は、細かいパターンの中で核形成層がどれだけ均一に、どこまで回り込んで付いているかが、次に埋める金属をボイドなく詰められるかどうかを左右する要因だとしています。埋まるかどうかは、めっきを始める前に決まっています。

薄すぎても厚すぎても空洞が入ります

シード層には、相反する2つの条件がかかります。1つは、溝の底まで途切れずにつながっていることです。もう1つは、溝の入口が開いたままであることです。

途切れれば、銅が育つのはそこまでです。溝の側壁は、上から飛ばして付けるPVDにとってもっとも不利な面です。日本半導体歴史館は、アルミをRIEで削っていた時代のスパッタが平坦部への成膜で面内均一性を主な課題としていたのに対し、ダマシン配線では深い穴や細く深い溝の側壁に均一な膜を作る必要が生じ、イオン化スパッタなどの大きな技術革新が進んだと記しています。

塞げば、めっき液は入口の手前で止まります。ITRS 2009年版配線章の日本語版は、PVDで付けた膜が溝の入口側を細らせるため、デュアルダマシンの形状では銅の電解めっきで埋められる範囲に限りがあると指摘しています。付けるほど届く一方で、付けるほど入口は狭まります。

同じ1枚の膜が、空洞の原因を両方引き受けます

シード層は連続していなければ銅が育たず、厚ければ入口が先に塞がります。左と中央はどちらも空洞が残る失敗で、原因は正反対です。この板挟みが、シード層まわりの装置と材料の開発を長く動かしてきました。

現場では、飛んでくる向きと濡れ方を動かします

板挟みへの答えは、膜の厚さを保ったまま側壁へ届かせることです。

まず、飛んでくる向きをそろえます。IBM Researchの野上毅氏は応用物理の解説で、側壁と底まで銅のシード層を行き渡らせる手立てとして、電界を使って飛んでくる銅イオンの向きをそろえるiPVDと、ウェーハに対して斜めに向かう銅の流れをハチの巣状の障害物で途中から抜くコリメーションスパッタを挙げています。この障害物がコリメータで、ターゲットとウェーハのあいだに入ります。届かせたい向きだけを通す、という発想です。スパッタリングそのものの改造にあたります。

次に、下地の濡れ方を変えます。中村氏の解説は、バリアメタルの役割が銅の拡散を抑えることに加え、その上へ付けるシードCu膜との濡れ性を上げるライナー機能にも及ぶとしています。同解説によれば、なかでもRuは銅との相性がよく、上に重ねるシードCu薄膜がむらなく広がるため、電解めっき銅の埋め込み性能が上がります。野上氏の解説は、PVDの銅シード層を側壁まで途切れずに付けるため、TaNなどのバリアメタルの上へCoの薄膜をCVDで載せて濡れ性を上げる濡れ層が、28nmノードあたりから必要になったとしています。

それでも足りなくなれば、めっき自体を替えます。同解説は、7nmノードあたりから電解めっきによる埋め込みが困難になり、高真空のPVDチャンバで銅を低温成膜したあと酸素にさらさずに熱処理し、表面エネルギーを下げようとする銅が溝の中で流動して埋まるCuリフローへ移ったとしています。銅の融点が1000℃を超えるのに対し、300℃以下の加熱で起きる現象だとしています。ここに並べたノードと温度は、いずれも同解説が2023年に示した区切りです。

汚れの管理も同じ列に並びます。中村氏の解説は、エッチングを終えたLow-k膜の表面に水分やフッ素系の堆積物が残っていると、その上へ付けるバリアメタルやシードCuが酸化したり変質したりしやすくなる可能性があると記しています。Low-k材料を掘った直後の面は、シード層にとって最初から不利な下地になり得ます。

側壁が足りなくなるたび、打ち手が入れ替わってきました

シード層をめぐる開発は、同じ厚さで側壁へ届かせる方向、そして最後はシード層を省く方向へ進んできました。段階が進むほど工程は増え、省く選択にはRuの拡散を抑える力の弱さがついてきます。

取引は、寿命を買って抵抗を差し出すことです

シード層には、埋め込みとは別の仕事も乗ります。配線の寿命です。

中村氏の解説は、Al配線で不純物を結晶粒界に集めて信頼性を上げたのと同じ考え方で、Cu配線でもAlやAgやMnをシードCu膜へ混ぜ、あとの工程の加熱で配線全体へ行き渡らせると、エレクトロマイグレーションとストレスマイグレーションの耐性が改善すると確かめられていると述べています。改善の幅も示されています。ITRS 2009年版配線章の日本語版は、合金元素がPVDのCu合金シード層として持ち込まれ、めっき後のアニールで配線全体へ広がるとしたうえで、Cu-Al合金と界面の絶縁体キャップを組み合わせるとEM耐性が50倍になった結果があると記しています。2009年版に載っている値です。

代償は抵抗です。中村氏の解説は、信頼性の改善効果は銅の中に分布する不純物濃度が高いほど大きいものの、配線抵抗率の増加という副作用を伴うと述べています。同資料も、純金属の配線と比べて合金を使うと抵抗率の増加がみられるとしています。シード層に何を混ぜるかは、寿命をどれだけ買い、抵抗をどれだけ差し出すかの選択になります。

混ぜた元素が別の仕事をすることもあります。中村氏の解説は、シードCu膜へ加えたMnがその後の加熱で酸化マンガンの薄膜を銅の表面に自己整合的に作るため、バリアメタルを付ける工程そのものを省ける可能性があるとしています。足場として敷いた膜が、拡散を抑える膜の役目まで引き受ける形です。

シード層を省く方向へ進んでいます

行き着く先は、シード層を無くすことです。ITRS 2009年版配線章の日本語版は、ALDのRuが銅の拡散に対して持つバリア性はわずかである一方、銅の電解めっきに対しては大変良好な核形成層であることが実証されているとし、ALDのTaNやWNCなど他のバリア膜と組み合わせて使われるとみられるとしています。同資料はまた、PVD銅では側壁の被覆が限界に来ていることへの別の答えとして、電解めっきで核形成層を繕う技術を挙げ、より賢い解決策は、めっき液やバリア膜のほうを改善して銅がひとりでに核を作れるようにし、核形成の膜そのものを省くことだとしています。

同じ悩みは、ウェーハの外にもあります。新光電気工業は、半導体パッケージ用基板の微細配線で、無電解めっきのシード層に代えてスパッタ膜を使い、電解銅めっきの前にプラズマ処理で表面を水になじませ、レジストを取り除いたあとの洗浄にプラズマアッシングを加えることで、線幅1.5μmを実現したと公表しています。同社の開発事例としての値です。寸法の桁は違っても、めっきの前に何をどう敷くかが線幅を左右する構図は、ウェーハの中と同じです。

配線として電流を運ぶのは電解めっきで埋めた銅で、シード層はその銅が育つ足場です。埋めるための下ごしらえにあたります。それでも、埋まるかどうか、どれだけ持つか、どれだけ抵抗が上がるかは、この薄い1枚でほとんど決まります。

よくある質問（FAQ）

シード層とは何ですか？

電解めっきで銅を埋める前に、溝や穴の内側へあらかじめ付けておく薄い銅の膜です。JEITAが公開するITRS 2009年版配線章の日本語版では、この膜が膜成長核形成層と呼ばれています。

バリアメタルの上へ直接めっきするには何が要りますか？

銅が育つ足場と、電気の通り道が要ります。SCREENセミコンダクターソリューションズの解説は、電解銅めっきを、硫酸銅などの液にウェーハと銅の塊を入れ、電流を流して表面へ銅を付ける方法だと述べています。電気を流す以上、ウェーハの表面には電気を通せる状態が要ります。ITRS日本語版は、めっき液やバリア膜のほうを改善して銅がひとりでに核を作れるようにし、核形成の膜そのものを省くやり方をより賢い解決策として挙げており、現状ではその足場が別に要ることを裏返しに示しています。

シード層が薄すぎると何が起きますか？

溝の中に空洞が入ります。ITRS日本語版は、細かいパターンの中で核形成層がどれだけ均一に、どこまで回り込んで付いているかが、次に埋める金属をボイドなく詰められるかどうかを左右する要因だとしています。

シード層を厚くするとどうなりますか？

溝の入口が塞がります。同資料は、PVDで付けた膜が溝の入口側を細らせるため、デュアルダマシンの形状では銅の電解めっきで埋められる範囲に限りがあると指摘しています。厚くするほど入口が狭まります。

側壁まで届かせるために何をしていますか？

飛んでくる向きをそろえます。応用物理に載った野上毅氏の解説は、側壁と底部をくまなく被覆するため、銅イオンの方向性を電界で制御するiPVDと、ウェーハに対して垂直からずれた銅の流れをハチの巣状の障害物で途中から取り除くコリメーションスパッタが用いられると述べています。

シード層に別の金属を混ぜるのはなぜですか？

寿命を延ばすためです。表面科学に載った中村友二氏の解説は、AlやAgやMnをシードCu膜に添加し、その後の加熱処理で配線全体に拡散させることでエレクトロマイグレーションとストレスマイグレーションの耐性改善が確かめられていると述べています。同解説は、改善効果は不純物濃度が高いほど大きいものの、配線抵抗率の増加という副作用を伴うとも記しています。

シード層を無くす方向はありますか？

あります。ITRS日本語版は、ALDのRuが銅の拡散に対して持つバリア性はわずかである一方、銅の電解めっきに対しては大変良好な核形成層であることが実証されているとしています。野上氏の解説は、7nmノードあたりから電解めっきによる埋め込みが困難になり、PVDで付けた銅を300℃以下で流し込むCuリフローへ替わったと述べています。

比較・違いを学ぶ

バリアメタルとは ── 銅を閉じ込める側の膜で、シード層はその上に載ります
PVD（物理気相成長）とは ── シード層を付ける手段そのもの
ステップカバレッジとは ── 側壁と底にどれだけ回り込めたかを表す指標

出典

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電子情報技術産業協会（JEITA）半導体技術ロードマップ専門委員会「ITRS 2009年版配線」日本語版（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── この膜を膜成長核形成層と呼んでいること、核形成層の均一性と回り込みがボイドなし埋め込みを左右する要因であること、PVDで付けた膜が溝の入口側を細らせ電解めっきで埋められる範囲に限りが出ること、ALD-Ruが良好な核形成層であること、核形成層を繕う技術と自己核形成による不要化、Cu合金シード層とCu-Al合金でのEM耐性50倍改善および抵抗率の増加
応用物理第92巻第6号「2 nm 以降のロジックの配線技術と材料」野上毅（IBM Research）（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── PVDで銅のシード層を側壁と底部と平坦部に被覆すること、iPVDとコリメーションスパッタ、28nmノードあたりからのCVD-Co濡れ層、7nmノードあたりからのCuリフローと300℃以下という加熱温度
表面科学第35巻第5号「LSIの配線技術と表面科学」中村友二（富士通研究所）（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── ダマシン法の主要工程の並び、バリアメタルのライナー機能とRuの濡れ性、シードCu膜へのAl・Ag・Mn添加によるEM／SM耐性改善と抵抗率増加の副作用、Mnによる自己整合的な酸化マンガン形成、Low-k膜に残る堆積物がシードCuの酸化・変質を促す可能性
表面技術第63巻第4号「半導体集積回路の配線に用いる銅めっき膜の不純物」上野和良（芝浦工業大学）（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── トレンチやビアの表面にスパッタで堆積したバリア膜とシード膜の上へ電気めっきで銅を埋めること、バリア膜にTaやTaNが主に用いられること
日本半導体歴史館（半導体産業人協会）「1990年代後半ダマシン法によるCu配線技術の採用」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── ダマシン配線では深く細い溝や穴の側壁までむらなく膜を付ける必要が生じ、イオン化スパッタなどの技術革新が進んだこと
SCREENセミコンダクターソリューションズ「初心者のための半導体入門 Cu配線」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 電解銅めっきが、硫酸銅などの液にウェーハと銅の塊を入れ、電流を流して表面へ銅を付ける方法であること
新光電気工業「ドライプロセスを用いた銅配線形成技術」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 無電解めっきのシード層に代えてスパッタ膜を使うこと、電解銅めっき前のプラズマ処理で表面を水になじませること、レジスト除去後のプラズマアッシングによる線幅1.5μmの実現