ナノポーラス/有機構造低誘電率膜と金属電極の界面制御

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11450126
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 吉川 公麿 広島大学, ナノデバイス・システム研究センター, 教授 (60304458)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 芝原 健太郎 広島大学, ナノデバイス・システム研究センター, 助教授 (50274139) ; 横山 新 広島大学, ナノデバイス・システム研究センター, 教授 (80144880)
• Keywords: 低誘電率膜 / 銅 / 多層配線 / 集積回路 / 有機膜 / ポーラス / ULSI / ドリフト

Research Abstract

低誘電率層間絶縁膜/Cu配線構造において、電界中でCuがイオン化して低誘電率層間絶縁膜中に侵入拡散するため絶縁特性が劣化するおそれがある。本研究は低誘電率層間絶縁膜としてメチルシルセスキアザン(MSZ)、メチルシルセスキオキサン(MSQ)についてCuイオンのドリフトの定量的な評価を電気的測定によって行った。まず、最初に測定法を確立するため、C-V(容量-電圧)測定法により、Cuを電極とするMIS(金属-絶縁膜-半導体)キャパシタ構造の膜中Cuイオン電荷量を測定し、その温度依存性、時間依存性、電界依存性を測定した。Cu電極は酸素が存在する雰囲気で酸化されやすいので、測定系は窒素で完全にパージできるようにシールドボックスを設計製作した。また、Cuイオンは高温で拡散しやすいので、誤差を少なくするためにウェーハ加熱チャックは高速で昇温降温できるように設計した。Cuイオンはバイアス-温度試験によって高温、高電界下で絶縁膜中に注入され、電界でドリフトし、熱酸化膜/低誘電率層間絶縁膜界面で堆積する事がわかった。低誘電率層間絶縁膜中にはCu以外にも可動イオンが存在するため、これらのイオンとCuイオンを分離する方法を検討した。イオンドリフトと蓄積により、低誘電率層間絶縁膜中の電界が低下するため、イオン電流が低下し、フラットバンド電圧シフト量が変化する過程を理論的に計算し、実測値にフィッティングすることによって、Cuのドリフトレートの活性化エネルギーを算出した。測定結果のデータを1n(X-ΔVFB(t))-1nA-Btの式に当てはめ、プロットした点の傾きのが最も直線的になる時の各パラメーターの値を求めた。この理論曲線からt=0の切片の値からNaイオンの移動分を見い出し、t=0の時の増加率からCuイオンドリフトレートのアレニウスプロットをとり、活性化エネルギーを求めた。

Research Products

• [Publications] T. Aoki,: "Porous silicon oxynitride films derived from polysilazane as a novel low-dielectric constant material"Materials Research Society Symposium Proceedings. 565. 41-46 (1999)
• [Publications] S. Mukaigawa,: "Measurement of copper drift in methylsilsesquioxane dielectric films"Extended Abstract of International Conference on Solid State Devices and Materials. 504-505 (1999)
• [Publications] 吉川公麿: "ULSIの微細化と多層配線技術への課題"応用物理. 68. 1215-1225 (1999)