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

利用薄膜集肤效应降低铜布线的电阻并提高可靠性

• 批准号: 09J00258
• 负责人: 小濱 和之
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2009
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2009 至 2011
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09J00258/
• 关键词: Cu配線; 拡散バリア; 自己形成; Cu(Ti); エレクトロマイグレーション; 配向性; 粒成長; 双晶; LSI; 4点曲げ; 密着; 薄膜

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。

今年，我们考虑了以下两项。 1.本研究提出的带有钛基阻挡层的双镶嵌铜互连线与传统互连结构相比，具有优异的互连电阻和SIV电阻，但具有较差的EM电阻。推测这是因为从绝缘膜中的孔产生的氧穿过在Cu布线/绝缘膜界面处形成的Ti基阻挡层并且氧化Cu布线。在此基础上,对Cu(Ti)合金膜/SiO_2界面上自形成Ti基势垒层的样品在控制氧浓度的Ar气氛中进行热处理,研究了势垒层形状和Cu的变化。氧化态进行了研究。当热处理气氛中氧浓度增加时，Cu(Ti)合金膜/势垒层界面附近的Cu被氧化形成Cu_2O，从而失去界面平坦性并使势垒层不连续。这被认为导致界面粘附性降低和耐电磁波性劣化。结果表明，提高钛基阻挡层的氧扩散阻挡性能至关重要。 2.预计Cu互连中晶粒的粗化将降低电阻率，并且孪晶将改善EM电阻。另一方面，Cu 的晶体取向、晶粒生长行为和孪晶密度根据 Cu 互连周围的扩散阻挡层的类型而变化。在本研究中，我们通过溅射在各种阻挡层上沉积纯铜薄膜，并定量研究了铜薄膜取向和阻挡层对铜薄膜中室温晶粒生长和孪晶形成的影响。在{111}取向较强的Cu薄膜中，晶粒生长受到抑制，但在{111}取向减弱和{100}取向略有增加的区域，晶粒生长速率达到最大。由于孪晶密度随着晶粒生长速率的增加而增加，因此认为该孪晶是由于晶粒生长过程中堆叠顺序的扰乱而形成的退火孪晶。从成膜初期就可以观察到Cu膜的取向，与势垒层的润湿性越好，{111}取向越强。研究发现，Cu膜与势垒层之间的润湿性决定了Cu膜的取向，而取向决定了Cu膜的晶粒生长速率和孪晶密度。

项目成果

Growth of Ti-Based Interface Layer on Glass Substrate Using Cu(Ti) Alloy Films

使用铜（钛）合金薄膜在玻璃基板上生长钛基界面层

• 发表时间: 2011
• 期刊: Mat.Trans.
• 作者: Shuji Uehara;Kazuhiro Ito;Kazuyuki Kohama;Takashi Ohnishi;Yasuharu Shirai;Masanori Murakami
• 通讯作者: Masanori Murakami

Rutherford Backscattering Spectrometry Analysis of Growth of Ti-Rich Layer Formed at Cu(Ti)/Low-k Interfaces

Cu(Ti)/低 k 界面处形成的富钛层生长的卢瑟福背散射光谱分析

• 发表时间: 2009
• 作者: 小濱和之;伊藤和博;森健壹;前川和義;白井泰治;村上正紀
• 通讯作者: 村上正紀

Ti基自己形成バリア構造の誘電体層組成依存性

钛基自形成势垒结构的介电层成分依赖性

• 发表时间: 2011
• 期刊: 信学技法
• 作者: 小濱和之;伊藤和博;薗林豊;大森和幸;森健壹;前川和義;白井泰治;村上正紀
• 通讯作者: 村上正紀

Resistivity Reduction and Adhesion Increase Induced by Surface and Interface Segregation of Ti Atoms in Cu(Ti) Alloy Films on Glass Substrates

玻璃基板上铜（钛）合金薄膜中钛原子表面和界面偏析引起的电阻率降低和附着力增加

• 发表时间: 2010
• 期刊: Mat.Trans.
• 作者: Shuji Uehara;Kazuhiro Ito;Kazuyuki Kohama;Takashi Ohnishi;Yasuharu Shirai;Masanori Murakami
• 通讯作者: Masanori Murakami

Role of Cu film texture in grain growth correlated with twin boundary formation

• DOI: 10.1016/j.actamat.2011.10.028
• 发表时间: 2012
• 期刊: Acta Materialia
• 影响因子: 9.4
• 作者: K. Kohama;Kazuhiro Ito;T. Matsumoto;Y. Shirai;M. Murakami