チップの中の配線は総延長約50kmあった——“彫れない銅”を溝に流し込むダマシン法という逆転の発想

多層配線とは何か——チップの中の“立体道路網”

多層配線とは、トランジスタ同士を結ぶ金属配線を、絶縁膜（電気を通さない膜）を挟みながら何層にも積み上げた構造のことです（半導体そのものの基礎は「「半導体とは何か」」を参照）。「前回のイオン注入」までで、ウェハーの表面にはトランジスタが敷き詰められました。ここからは「前工程」の後半戦、その膨大なスイッチを配線で結ぶ「配線工程（BEOL）」に入ります。

イメージは都市の道路網です。トランジスタに近い最下層は、幅がナノメートル単位の細い「路地」で、隣り合う素子を最短距離で結びます。上の層へ行くほど配線は太くなり、電源やクロック（チップ全体のテンポを刻む信号）を運ぶ「幹線道路」になります。

そして層と層の間は「ビア」と呼ばれる縦の接続穴がつなぎます。ビルの各階をエレベーターが結ぶ構造とまったく同じです。

規模感は想像を超えています。爪の先ほどのチップに収まる配線の総延長は、Lam Researchの解説によると約30マイル——およそ50km。東京駅から横浜を越えるほどの長さの電線が、数ミリ角の中に折りたたまれている計算です。しかも最下層の配線間隔は、90nm世代の220nmから最先端の3nm世代では23〜28nmまで縮んでおり、これは髪の毛の太さの約3,000分の1にあたります。

なぜ銅は「彫って」配線できないのか

かつての配線はアルミでした。アルミの場合は素直な作り方ができます。まずウェハー全面にアルミの膜を張り、配線として残したい部分だけをマスクで守り、不要な部分をガスで削り取る——彫刻のように「彫る」方式です。アルミはエッチング（薬品や気体で不要な部分を削り取る工程）用のガスと反応してできる物質が蒸発しやすく、きれいに削れるためです。

ところが1990年代、チップの速度が配線のせいで頭打ちになり始めます。配線が細く長くなるほど電気抵抗が増え、信号が遅れるためです。そこで白羽の矢が立ったのが、アルミより電気抵抗が約40%低い銅でした。

しかし銅は、エッチングの反応でできる物質が蒸発しにくく、ドライエッチングで精密に彫れません。おまけにシリコンの中に染み込んでトランジスタを壊す性質まであります。

この難題を解いたのが、1997年9月にIBMが発表した世界初の銅配線量産技術です。核心はまさに逆転の発想でした。配線を「彫り出す」のではなく、先に絶縁膜へ配線の形の溝を彫り、そこに電解めっきで銅を埋め込み、染み込みを防ぐバリア膜で銅を包む。金属を彫った溝にはめ込む象嵌細工（英語でダマシン、damascene）から名前を取った製法です（現場では単に「ダマシン」と略されることも多い）。

この製法により、IBMのPowerPCチップは動作周波数が300MHzから400MHzへ33%跳ね上がりました。以来二十数年、銅ダマシン配線は微細化を支え続けています。

ダマシン法はどう進むのか——「彫る・埋める・削る」の繰り返し

まず、1層分の配線ができるまでの流れを3Dモデルで見てください。

手順を言葉で追うと、大きく4段階です。

めっきには職人技が隠れています。ただ電気を流すだけでは、溝の入口が先にふさがって中に空洞（ボイド）ができてしまいます。そこでめっき液に3種類の有機添加剤を配合し、溝の底から順に銅を成長させる「ボトムアップフィル」という制御を行い、空洞ゼロの埋め込みを実現しています。

そして、この「彫る・埋める・削る」のサイクルを、絶縁膜を挟みながら層の数だけ——つまり10回以上——繰り返します。1層でも空洞や段差があれば、その上の層はすべて崩れます。多層配線が「チップの中にビルを建てる工程」と呼ばれるのは、この積み上げの緊張感ゆえです。

CMPとは何か——なぜ「化学と研磨の合わせ技」なのか

CMP（化学機械研磨）とは、薬品の化学反応と微粒子の機械的な研磨を組み合わせて、ウェハー表面を平らに磨き上げる工程です。スラリーと呼ばれる研磨液——薬品と超微細な砥粒の混合液——を流しながら、回転する研磨パッドにウェハーを押し当てます。薬品が表面をわずかに柔らかく変質させ、そこを砥粒がなでるように削る。力任せに削るのではなく、化学で「ほぐして」機械で「はらう」二段構えです。

ダマシン法におけるCMPの役割は、はみ出した銅の除去だけではありません。次の層の回路は露光（光で回路を焼き付ける工程）で描かれますが、土台が波打っているとピントが合わず、パターンがゆがみます。つまりCMPは「各階の床を水平にならす仕上げ職人」であり、この平坦化なしに10層以上の積み上げは成立しません。

「ウェハー製造の鏡面研磨」で登場した技術が、配線工程では層ごとに何度も呼び出されるわけです。装置の勢力図は「「デコボコを鏡のように平らに磨く。CMP装置のAMATと荏原」」で詳しく解説しています。

この工程を握る企業はどこか

多層配線は「装置は日米2強、消耗材は日本勢」という構図がはっきりした領域です。

銅めっき装置は「Lam Research」が事実上の業界標準です。同社のSABREシリーズは銅ダマシン向け電解めっき（ECD）装置で、前身のNovellusは「世界の銅配線ウェハーの10枚に9枚は自社装置で製造されている」と公表していたほどの独占ぶりでした。バリア膜などの成膜では、装置の“何でも屋”「アプライドマテリアルズ」がLamと並ぶ主役です。

CMP装置はアプライドマテリアルズが52.6%、荏原製作所が37.0%（経産省資料・2025年）で、2社がほぼ市場を分け合います。荏原はロジック向け・銅などのメタルCMPに強く、2030年の首位奪取を掲げています。

消耗材は日本勢の独壇場です。研磨液のCMPスラリーでは、「レゾナック」がSTI用スラリーでグローバル販売金額1位（2024年実績）、フジミインコーポレーテッドがFEOL（トランジスタ形成工程）向けで約6割のシェアを握ります。

そして銅配線の“原料”であるスパッタリングターゲット（成膜の材料になる高純度金属の板）は、JX金属が世界シェア約6割。同社は茨城の新工場に約230億円を投じて生産能力を1.6倍に増強中です。詳しくは「「名前は地味でも、最先端チップの“金属”はこの会社が握っていた」」をどうぞ。

なお、この配線構造はいま大きな転換点にあります。電源用の配線をウェハーの裏側へ移す「裏面給電（BSPDN）」が実用化目前で、配線工程の主戦場はさらに広がろうとしています。

次回は、回路が完成したウェハーを1個1個のチップに切り分ける「ダイシング」（ウェハーを個々のチップへ切り出す工程）——ここからいよいよ後工程（チップの検査・組み立て・パッケージ工程）に入ります。