極微細金属配線における高密度電子流に誘起される方向性原子移動現象の解明及び制御

1993 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 03555061
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 新宮原 正三 広島大学, 工学部, 助教授 (10231367)
• 研究分担者: 金子 尚史 東芝研究開発センター, 研究主務 ; 進藤 春雄 福山大学, 工学部, 助教授 (20034407) ; 坂上 弘之 広島大学, 工学部, 助手 (50221263) ; 堀池 靖浩 広島大学, 工学部, 教授 (20209274)
• キーワード: エレクトロマイグレーション / 自己維持スパッタ / ECRスパッタ / 抵抗振動 / ボイド / 結晶粒界 / マグネトロンスパッタ / 分子動力学計算

研究概要

エレクトロマイグレーション機構解明においては、まず高精度抵抗変化測定により抵抗振動現象の詳細な解析を行い、振動には異なる3つのタイプ(振動、上向きスパイク、下向きスパイク)があることを明らかにした。いずれも振動の発生頻度は著しく電流密度に依存すること、また下向きスパイクは局所的だが上向きスパイクは非局所的であることなどが明らかになった。これらの振動の起源はエレクトロマイグレーションに誘起されたボイドの生成消滅、もしくは転位の生成消滅と考えられるが、直接観察は困難でありまだ成功してはいない。また分子動力学シミュレーションにおいては結晶粒界とボイドの三次元解析を行い、電流がない場合ではボイドは臨界距離以下では結晶粒界に取り込まれて安定化すること、また高電流密度下においてはボイドは結晶粒界を通り過ぎることなどが示された。また通り過ぎる際に、結晶粒界に近づくと一旦ボイドが壊れて原子空孔クラスターとなって高速拡散し、そして粒界に再形成され、その後粒界から離れていくことが示された。この結果はボイド消滅の走査電子顕微鏡観察結果を裏付けるものである。
エレクトロマイグレーション耐性向上のための金属薄膜形成法としては、マグネトロンスパッタ法によりArを必要としない自己維持スパッタリングの検討を行い、臨界ターゲット電流以上にて銅イオンによる自己維持スパッタリングを得た。またシリコン(100)基板上への単結晶銅薄膜の形成に成功した。また以前より検討しているECRスパッタ法においては、窒素のイオンサイクロトロン共鳴によるTiの窒化を行い、良質のTiN膜を形成することに成功した。これらの新成膜法によりULSIのエレクトロマイグレーション耐性の飛躍的向上が期待される。

研究成果

• [文献書誌] N.Morimoto: "Vertical and Lateral Hole Aluminum Filling Characteristics Employing ECR Al Sputtering with High Magnetic Field" Appl.Phys.Lett.63. 737-739 (1993)
• [文献書誌] N.Morimoto: "Submicron SiO2 Hole Filling Characteristics Employing ECR Al Sputtering with High Magnetic Field" Mat.Res.Soc.Conf.Proc.ULSI-VIII. ULSI-VIII. 257-266 (1993)
• [文献書誌] S.Shingubara: "Three Dimensional Molecular Dynamics Study of Void Electromigration in a Strained Bicrystal with a Grain Boundary" Extended Abstracts of the 1993 International Conference on Solid State Devices and Materials. 186-188 (1993)
• [文献書誌] S.Shingubara: "Molecular Dynamics Study of Void Movement due to Electromigration" Proc.of the 3rd Int.Symp.on Process Physics and Modelling in Semiconductor Technology,ECS. 93-6. 263-270 (1993)
• [文献書誌] S.Shingubara: "Sputtering of TiN/Ti Films into Submicron Contact Holes Employing ECR Sputtering with High Magnetic Field" Proc.ECS Symp.,Reliability for Semiconductor Devices,Interconnects,and Thin Insulator Materials. 93-25. 246-255 (1993)
• [文献書誌] S.Shingubara: "Sustained Self-Sputtering of Copper Film Employing DC Magnetron Source" Proc.MRS,Advanced Metallization for ULSI Applications 1993. 87-94 (1993)