薄膜の表皮効果を用いた銅配線の低抵抗化と信頼性向上

本年度は、下記2項目について検討を行った。1.本研究で提案しているTi基バリア層を有するデュアルダマシンCu配線は、従来配線構造より配線抵抗やSIV耐性に優れるが、EM耐性は劣る。これは、絶縁膜中のボアから生じる酸素がCu配線/絶縁膜界面に形成されたTi基バリア層を通過し、Cu配線を酸化させるためと推測されている。これを踏まえ、Cu(Ti)合金膜/SiO_2界面にTi基バリア層を自己形成させた試料を酸素濃度を制御したAr雰囲気中で熱処理し、バリア層形状変化やCu酸化状態等を調べた。熱処理雰囲気中の酸素濃度が増大すると、Cu(Ti)合金膜/バリア層界面近傍のCuが酸化してCu_2Oが形成し、これにより界面平坦性が失われ、バリア層が不連続になった。このため界面密着力が低下し、EM耐性が劣化したと考えられる。Ti基バリア層の酸素拡散バリア性向上が必須であることが示された。2.Cu配線中の結晶粒粗大化により電気抵抗率低減が、双晶形成によりEM耐性向上がそれぞれ期待される。一方、Cu配線を取り囲む拡散バリア層の種類の差異により、Cuの結晶配向性、粒成長挙動、双晶密度が変化する。本研究では、種々のバリア層上に純Cu膜をスパッタ成膜し、Cu膜中の室温粒成長および双晶形成に及ぼすCu膜配向性とバリア層の影響を定量的に調べた。強い{111}配向のCu膜では粒成長は抑制されたが、{111}配向が弱まり{100}配向が少し加わった領域で粒成長速度は最大になった。双晶密度は粒成長速度が速いほど増大したため、粒成長時の積層順序の狂いにより双晶が形成する焼鈍双晶と考えられる。Cu膜配向性は成膜初期から見られ、バリア層との濡れ性が良いほど強い{111}配向だった。Cu膜とバリア層との濡れ性によりCu膜配向性が決まり、その配向性によりCu膜の粒成長速度と双晶密度が決まることがわかった。

本年度は、下記2項目について検討を行った。1.本研究で提案しているTi基バリア層を有するデュアルダマシンCu配線は、従来配線構造より配線抵抗やSIV耐性に優れるが、EM耐性は劣る。これは、絶縁膜中のボアから生じる酸素がCu配線/絶縁膜界面に形成されたTi基バリア層を通過し、Cu配線を酸化させるためと推測されている。これを踏まえ、Cu(Ti)合金膜/SiO_2界面にTi基バリア層を自己形成させた試料を酸素濃度を制御したAr雰囲気中で熱処理し、バリア層形状変化やCu酸化状態等を調べた。熱処理雰囲気中の酸素濃度が増大すると、Cu(Ti)合金膜/バリア層界面近傍のCuが酸化してCu_2Oが形成し、これにより界面平坦性が失われ、バリア層が不連続になった。このため界面密着力が低下し、EM耐性が劣化したと考えられる。Ti基バリア層の酸素拡散バリア性向上が必須であることが示された。2.Cu配線中の結晶粒粗大化により電気抵抗率低減が、双晶形成によりEM耐性向上がそれぞれ期待される。一方、Cu配線を取り囲む拡散バリア層の種類の差異により、Cuの結晶配向性、粒成長挙動、双晶密度が変化する。本研究では、種々のバリア層上に純Cu膜をスパッタ成膜し、Cu膜中の室温粒成長および双晶形成に及ぼすCu膜配向性とバリア層の影響を定量的に調べた。強い{111}配向のCu膜では粒成長は抑制されたが、{111}配向が弱まり{100}配向が少し加わった領域で粒成長速度は最大になった。双晶密度は粒成長速度が速いほど増大したため、粒成長時の積層順序の狂いにより双晶が形成する焼鈍双晶と考えられる。Cu膜配向性は成膜初期から見られ、バリア層との濡れ性が良いほど強い{111}配向だった。Cu膜とバリア層との濡れ性によりCu膜配向性が決まり、その配向性によりCu膜の粒成長速度と双晶密度が決まることがわかった。