Investigation of fundamental properties of intermetallic compounds for novel interconnection materials

• Project/Area Number: 21H04605
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 小池 淳一 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 特任教授 (10261588)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥40,560,000 (Direct Cost: ¥31,200,000、Indirect Cost: ¥9,360,000); Fiscal Year 2024: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2023: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2022: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2021: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
• Keywords: 半導体デバイス / 金属間化合物 / 多層配線 / バリア層 / 信頼性 / 配線材料 / 集積回路 / 半導体

Outline of Research at the Start

金属間化合物の配線としての特性や信頼性は、過去に配線用途が無かったために、殆どが未知である。本研究は集積回路への用途を想定して、次に示す基礎物性と信頼性を解明する。（１）どのような金属間化合物が低抵抗となりうるか。（２）平均自由行程はどのくらいで、抵抗の寸法依存性はどうか。（３）基板および絶縁材料との反応挙動はどうか。（４）高温・高電界におけるMOSデバイスの絶縁層への拡散挙動と絶縁破壊機構は何か。（５）高温・高電流密度における配線のマイグレーション耐性はどうか、マイグレーション機構は何か。得られる結果より、先端電子部品の課題を解決する新材料を提案し、IoT、AI、5Gなどの発展に寄与する。

Outline of Annual Research Achievements

これまで研究対象としてきた金属間化合物は、室温におけるバルク電気抵抗率が10microOhm-cm以下のものを公開情報から探索したものであるが、数百種類以上あると言われる金属間化合物において電気抵抗率が報告されているものは極めて少なく、これまでに研究対象とした材料だけでは充分とは言えない。近年4800種の化合物の抵抗率を第一原理法で計算したデータベースが報告された。これを利用することで、真に性能に優れた低抵抗率の化合物候補を絞りこむことが可能となった。このような背景をもとに、これまでの研究内容と合わせてH5年度に実施した内容および成果は次のようである。（１）Cu2Mgにおいて、SiO2との反応を防止する界面層を見出す。（２）Cu2Mgの膜厚減少に伴う抵抗上昇が緩やかである原因を解明する。（３）抵抗率のデータベースからLSI配線に要求される項目を用いて配線候補材料をリストアップし、それらの電気抵抗率の膜厚依存性を調査する。
得られた結果を以下に説明する。（１）酸化物形成傾向がMgOより安定な酸化物を選択し、界面反応の有無を調べたところ、Y2O3が最適であることが判明した。あらゆる金属酸化物のうち、Sc酸化物に次いで安定であり、Scより安価で大気中で安定である。Y2O3を金属間化合物と純金属の銅代替候補材料として用いたところ、Y2O3と配線との界面において電子がSpecular散乱をするため、抵抗率が低減できることが判明した。（２）Cu2Mgの結晶方位分布と結晶粒界タイプを調べたところ、全粒界の30%以上が双晶界面であることが判明し、これがCu2Mgの抵抗上昇が緩やかな原因であった。（３）理論的にも実験的にもCuAl2が最適であることが確認された。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究を開始した時点の計画では、少数の公開情報から選択した金属間化合物に関して研究を実施することになっていたが、最近発表された化合物の電気抵抗率データベースを利用することが可能となり、一定の条件でスクリーニングすることで数十種類に絞り込んだ化合物を実験対象とすることができた。このことから、当初計画以上に精度を高めた材料探索が可能となった。

Strategy for Future Research Activity

Cu2Mgは双晶形成傾向が強い立方晶Laves相であり、このように双晶が形成される場合とされない場合において抵抗率の膜厚依存性がどのように変化するかを調べ、双晶界面による電子散乱の効果を明らかにする。データベース中から新規化合物を探索する過程で、Cu5RE（REは希土類元素）の金属間化合物が従来のCu-Mn合金より安定な自己形成バリア層となる可能性があることが判明した。当初計画に加えてCu5REによる自己形成バリア層の特徴を新たに調査する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Indian Institute of Science(インド)
• [Journal Article] A Comprehensive Evaluation of Time-Dependent Dielectric Breakdown of CuAl2 on SiO2 for Advanced Interconnect Application (2024)
  • Author(s): Toshihiro Kuge, Masataka Yahagi, Junichi Koike
  • Journal Title: IEEE Transactions of Device and Materials Relability Volume: 24 Issue: 1 Pages: 17-20
  • DOI: 10.1109/tdmr.2023.3340231
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Shape Change of Cu Thin Films on Nonreacting Metal Substrates and the Effects of Oxidation during Vacuum Annealing (2023)
  • Author(s): Yuki Yamada, Junichi Koike
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C Volume: 127 Issue: 49 Pages: 23862-23869
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c05626
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CuAl intermetallic compound for Cu alternative (2023)
  • Author(s): Toshihiro Kuge, Masataka Yahagi, Junichi Koike
  • Journal Title: IEEE International Interconnect Technology Conference 2023 Volume: 0 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1109/iitc/mam57687.2023.10154850
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Schottky barrier height and contact resistivity reduction of metal/GaOx/n-GaN structure (2023)
  • Author(s): J. Koba and J. Koike
  • Journal Title: IEEE International Interconnect Technology Conference 2023 Volume: 0 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1109/iitc/mam57687.2023.10154793
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electromigration characteristics of CuAl2 (2022)
  • Author(s): T. Kuge, M. Yahagi, and J. Koike
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 918 Pages: 163615-163615
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.165615
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of composition deviation of CuAl2 on electromigration (2022)
  • Author(s): T. Kuge, M. Yahagi, and J. Koike
  • Journal Title: IEEE International Interconnect Technology Conference Volume: 0 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1109/iitc52079.2022.9881287
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Low contact resistivity of metal/n-GaN by the reduction of gap states with an epitaxially grown GaOx insulating layer (2022)
  • Author(s): J. Koba and J. Koike
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 12 Issue: 8 Pages: 085302-085302
  • DOI: 10.1063/5.0100250
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Schottky barrier height reduction by oxide layer insertion in Al/n-GaN structure (2022)
  • Author(s): J. Koba and J. Koike
  • Journal Title: IEEE International Interconnect Technology Conference Volume: 0 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1109/iitc52079.2022.9881284
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative thermodynamic investigation of thermal stability and diffusion barrier property of an amorphous cobalt alloy interlayer (2022)
  • Author(s): Y. Yamada, M.Yahagi, and J.Koike
  • Journal Title: Journal of vacuum science and technology B Volume: 40 Issue: 1 Pages: 013204-013204
  • DOI: 10.1116/6.0001536
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermodynamic evaluation of the liner and barrier properties of a single-phase interlayer for advanced Cu interconnections (2021)
  • Author(s): Y. Yamada, M.Yahagi, and J.Koike
  • Journal Title: IEEE International Interconnect Technology Conference Volume: 0 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1109/iitc51362.2021.9537369
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of composition deviation of CuAl2 on BTS and TDDB reliability (2021)
  • Author(s): T. Kuge, M. Yahagi, and J. Koike
  • Journal Title: IEEE International Interconnect Technology Conference Volume: 0 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1109/iitc51362.2021.9537528
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Schottky barrier height and contact resistivity reduction of metal/GaOx/n-GaN structure (2023)
  • Author(s): Jiro Koba and Junichi Koike
  • Organizer: IEEE International Interconnect Technology Conference 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of oxide species on the reduction of contact resistivity of Al/oxide/n-GaN MIS devices (2023)
  • Author(s): Jiro Koba and Junichi Koike
  • Organizer: IEEE Electron Devices and Technology Conference 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CuAl intermetallic compound for Cu alternative (2023)
  • Author(s): Toshihiro Kuge, Masataka Yahagi, Junichi Koike
  • Organizer: IEEE International Interconnect Technology Conference 2023
• [Presentation] 先端ロジックデバイスにおいて 銅の次に来る新しい配線材料とは？ (2023)
  • Author(s): 小池淳一、久家俊洋、Chen Linghan
  • Organizer: 応用物理学会秋季講演大会
  • Invited
• [Presentation] Effects of composition deviation of CuAl2 on electromigration (2022)
  • Author(s): T. Kuge, M. Yahagi, and J. Koike
  • Organizer: IEEE International Interconnect Technology Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Schottky barrier height reduction by oxide layer insertion in Al/n-GaN structure (2022)
  • Author(s): J. Koba and J. Koike
  • Organizer: IEEE International Interconnect Technology Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] n-GaN/Oxide/Alの接触抵抗率に及ぼす酸化物種の影響 (2022)
  • Author(s): 古塲治朗、小池淳一
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] n-GaN/Oxide/Al構造の接触抵抗率に及ぼす酸化物種の影響 (2022)
  • Author(s): 古塲治郎、小池淳一
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] LSI 多層配線単層バリア材料としてのCo-63at%Nb合金の可能性 (2022)
  • Author(s): 山田裕貴、矢作政隆、小池淳一
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 次世代配線材料CuAl2のTDDB信頼性に及ぼす組成の影響 (2022)
  • Author(s): 久家俊洋、矢作政隆、小池淳一
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Effects of composition deviation of CuAl2 on BTS and TDDB reliability (2021)
  • Author(s): T. Kuge, M. Yahagi, and J. Koike
  • Organizer: IEEE International Interconnect Technology Conference 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermodynamic Evaluation of the Liner and Barrier Properties of a single-Phase Interlayer for Advanced Cu Interconnections (2021)
  • Author(s): Y. Yamada, M. Yahagi, and J. Koike
  • Organizer: IEEE International Interconnect Technology Conference 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Intermetallic compounds for interconnect metal beyond 3 nm node (2021)
  • Author(s): J. Koike, T. Kuge, L. Chen, and M. Yahagi
  • Organizer: IEEE International Interconnect Technology Conference 2021
  • Int'l Joint Research / Invited