2017 Fiscal Year Research-status Report
歪エネルギー駆動による超微細Cu配線の結晶粒粗大化プロセス開発
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16K06793
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
篠嶋 妥 茨城大学, 工学部, 教授 (80187137)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 超微細Cu配線 / 粒径増大 / 不純物低減 / 外部応力印加 / フェーズフィールド法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
線幅30nm以下の超微細Cu配線の信頼性を向上させることは、ULSIの性能向上に必須の課題となっている。そのためにはCu配線の抵抗率を下げ、かつエレクトロマイグレーション耐性を上げることが必要であり、それはCu配線を構成するCu多結晶粒を一様に粗大化することで実現できる。ところが、LSI中の極微細配線という制限のために、そのプロセス開発は未だに成功していない。本研究グループでは、Cu配線のめっきプロセスにおける電解液・アノード純度を上げ、かつ添加剤の量を極小化することにより、大幅な粒径向上を実現した。これは銅極細配線における粒成長を阻害する不純物のピン止め効果がきわめて重要であることを示している。
昨年度の研究では、フェーズフィールド法による計算機実験を行い、この不純物効果を再現することに成功した。本年度は、これらの研究成果を国際会議において発表するとともに学術雑誌に掲載した。さらに、昨年度の計算モデルを改良して一様に応力を加えた影響の解析を可能とし、外部から一様応力を印加することによって、さらなる粒径増大が実現できるのかをシミュレートして検討した。
計算の結果、ピン止め不純物が粒界領域に占める割合が0, 1, 5, 25, 50, 75, 100%のすべての場合に対して、一様応力を印加したことによって、最終粒径が応力を印加しなかった場合よりも増大することを確認した。特に不純物濃度が50%以上と高い場合、増大の度合いは20～30%に達した。以上の結果は、配線を電気めっきで作成後にアニールする際に一様応力を印加することで、さらなる粒径増大を可能とすることを示している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
フェーズフィールド法によるシミュレーションを用いて、銅極細配線における粒成長を阻害する不純物のピン止め効果を再現できた昨年度の成果にさらに加えて、一様応力を印加したことによって、最終粒径が応力を印加しなかった場合よりも増大することを確認した。この成果は、Cu配線のめっきプロセスにおいて高純度電解液およびアノードを用い、かつ添加剤の量を最適化することにさらに加えて、配線を作成後にアニールする際に一様応力を印加することで、さらなる粒径増大を実現できることを示している。また、初期粒径の微細化のアニール後の最終粒径に及ぼす効果や、アニールプロセスの最適化などについて、詳細な計算機実験を遂行できるようになり、Cu粒径のさらなる粗大化に道を開いた。
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| Strategy for Future Research Activity |
開発したシミュレーションプログラムを用いて、初期粒径の微細化のアニール後の最終粒径に及ぼす効果や、アニールプロセスの最適化などについて、詳細な計算機実験を行い、Cu粒径のさらなる粗大化のためのプロセス開発を目指す。特に、前年度に構築した一様な外部応力の寄与をモデル化したプログラムを用いて、より詳細な粒成長の計算機実験を行う。特に外部応力の印加は、配線側壁近傍の粒成長を促進し、配線内での一様な結晶粒粗大化が達成できる可能性がある。例えば、配線幅60 nm中の銅の結晶粒をみると、側壁から約20nmの範囲では、側壁との強い相互作用のために、結晶粒が非常に細かくなっており、これが電気抵抗率の上昇とEM耐性の低下をもたらす。ところがこの側壁近傍の領域は微細結晶からなる、歪エネルギーの高い領域でもある。そこで外部応力印加とRTA法や周期アニール法などの新しい熱処理法を活用すれば、この高い歪エネルギーを解放して結晶成長の駆動力に変えることができる。この新熱処理法を開発すれば、側壁のごく近傍2 nm程度を除いた18 nmの範囲において、通常の熱処理法では微細のままとどまる結晶粒を粗大化することが可能となる。
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