金属系電子配線のEM過程の基礎的理解を目指して

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12875115
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 水林 博 筑波大学, 物質工学系, 教授 (40114136)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 谷本 久典 筑波大学, 物質工学系, 講師 (70222122)
• Keywords: 電子材料 / 金属配線 / 薄膜 / EM効果 / 界面 / 粒界 / 結晶粒成長

Research Abstract

熱酸化により数nm厚のSiO_2膜を形成したシリコン振動リード基板上にスパッタ法により膜厚約50nmのAl-Si(Cu)合金薄膜回路を成膜した。この回路に10^9〜10^<10>A/m^2の直流電流を通じ、通電中における電気抵抗、内部摩擦、弾性率の経時変化ならびに通電前後でのX線回折スペクトルの変化を調べた。前年度の研究で、通電により電気抵抗低下、内部摩擦増大、弾性率上昇が起き、電気抵抗低下現象の温度依存性から求めた活性化エネルギーは〜0.4eVであることなどの予備的結果が得られており、本年度はその再現性実験とX線回折の高精度測定を進めた。初期EM過程の活性化エネルギーは試料間でやや異なるが、0.4eV前後である。一方、X線回折Al<111>反射ピークは成膜直後はバルクAlより低角側にあり、通電後はバルクAl値を越して高角側へ移動し、ピークはシャープになる。SEM観察では結晶粒成長が観測され、電気抵抗低下、弾性率上昇、Al<111>反射ピークのシャープ化は説明できる。一方、スパッタ成膜法で作成したナノ結晶Alの焼鈍による結晶粒成長を調べたところ、無通電の場合は、450K焼鈍後の結晶粒成長は観測されるが、その程度は小さい。また、μm級Al-Si(Cu)合金配線でのEM効果では0.7〜1eVの活性化エネルギーが報告されており、本研究のnm級Al-Si(Cu)合金配線での0.4eVはこれよりかなり低い。以上のことは、nm級Al-Si(Cu)合金配線ではEM効果が著しく大きくなることを示唆する。また、EM効果により内部応力が発生し、内部摩擦が大きくなっている可能性がある。詳細な機構はまだ不明であるが、これらは重大な現象であり、次年度は現在多用されているCu薄膜回路についても研究を開始する。

Research Products

• [Publications] H.Mizubayashi, D.Kashimura, K.Yokota, H.Tanimoto: "Elasticity and Resistivity Study on the Electromigration Effect Observed in Aluminum-Silicon Copper Alloy Thin Films"Materials Science and Engineering A. (in press). (2002)
• [Publications] H.Tanimoto, Y.Koda, S.Sakai, H.Mizubayashi, E.Kita: "Nanostructure and Thermal Stability of Au Film Prepared by Spattering Technique"Scripta Materialia. 44. 2231-2235 (2001)
• [Publications] H.Mizubayashi, N.Kameyama, T.Hao, H.Tanimoto: "Crystallization under electropulsing suggesting a resonant collective motion of many atoms and modification of thermodynamic parameters in amorphous alloys"Physical Review B. 64. 054201-1to10 (2001)
• [Publications] H.Tanimoto, Y.Koda, S.Sakai, E.Kita, H.Mizubayashi: "Thermal Stability of Nanocrystalline FCC Metals"Proc. of the 22^<nd> Riso International Symposium on Materials Science : Ed. A. R. Dinesen et al., Riso National Laboratory, Roskilde, Denmark 2001. 401-406 (2001)
• [Publications] S.Sakai, H.Tanimoto, K.Otsuka, T.Yamada, Y.Koda, E.Kita, H.Mizubayashi: "Elastic Behaviors of High Density Nanocrystalline Gold Prepared by Gas Deposition Method"Scripta Materialia. 45. 1313-1319 (2001)
• [Publications] H.Mizubayashi, S.Murayama, H.Tanimoto: "Feasibility of High-Strength and High-Damping Materials by means of Hydrogen Internal Friction in Amorphous Alloys"J. Alloys and Compounds. 330-332. 389-392 (2002)