金属系電子配線のEM過程の基礎的理解を目指して

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12875115
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 水林 博 筑波大学, 物質工学系, 教授 (40114136)
• 研究分担者: 谷本 久典 筑波大学, 物質工学系, 講師 (70222122)
• キーワード: 電子材料 / 金属配線 / 薄膜 / EM効果 / 界面 / 粒界 / 結晶粒成長

研究概要

Si振動リード基板上に成膜した試料に通電し、通電中における電気抵抗、内部摩擦、弾性率の経時変化、通電前後のX線回折、SEM、STM観察を行った。また、ナノ組織材料の物性を調べ以下の結果を得た。(1)Al-Si(Cu)配線(スパッタ成膜、膜厚50nm、線幅1mm):Si基板に直接成膜した試料に10^<11>A/m^2の高電流密度通電すると、基板温度が室温でボイド、ヒロック、あるいはデンドライトが発生し、nm域の薄膜では原子の移動度が極めて大きいことを示唆する。熱酸化によりSiO_2膜を形成したSi振動リード基板上に成膜した試料に室温で10^9〜10^<10>A/m^2の通電直流電流を通じると、電気抵抗低下、内部摩擦増大、弾性率上昇が起きる。電気抵抗低下現象から求めた活性化エネルギーは0.35eVであり、結晶成長が起きる。金ナノ結晶で観測される結晶粒界層における集団的原子運動と推定される現象の活性化エネルギーに近い。結晶成長から期待できるのは電気抵抗低下、内部摩擦低下、弾性率上昇であり、内部摩擦増大の原因は不明である。(2)Cu/Ta/Si配線(スパッタ成膜、Cu膜厚50nmあるいは120nm、線幅1mm):Taバリア膜を形成したSi振動リード基板上に成膜した試料に室温で10^9〜10^<10>A/m^2の通電直流電流を通じると、電気抵抗低下、内部摩擦低下、弾性率上昇、結晶粒成長が起きる。この現象は120nm Cu膜で明瞭に観測されるが、50nm Cu膜では変化の程度がかなり小さい。弾性率の膜厚依存性からは、結晶粒界層での擬弾性過程は50nm Cu膜の方が大きいことを示唆しており、EM効果と逆である。EM耐性は120nm Cu膜より50nm Cu膜が高い可能性があり、興味深い現象が見いだされた。

研究成果

• [文献書誌] 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). (2003)
• [文献書誌] H.Tanimoto, S.Sakai, E.Kita, H.Mizubayashi: "Characterization and Determination of Elastic Property of High-Density Nanocrystalline Gold Prepared by Gas-Deposition Method"Materials Transaction (Journal of Japan Institute of Metals). 44. 94-103 (2003)
• [文献書誌] H.Tanimoto, S.Sakai, H.Mizubayashi: "Anelasticity Study on Motions of Atoms in the Grain Boundary Region in Nanocrystalline Gold"Materials Transaction (Journal of Japan Institute of Metals). 44. 53-58 (2003)
• [文献書誌] S.Saksi, H.Tanimoto, E.Kita, H.Mizubayashi: "Characteristic Creep Behavior of Nanocrystalline Metals Found for High Density Gold"Physical Review B. 66. 214106-214115 (2002)
• [文献書誌] H.Mizubayashi, T.Hao, H.Tanimoto: "Low temperature crystallization of amorphous alloys under electropulsing"J. Non-Crystalline Solids. 312-314. 581-584 (2002)
• [文献書誌] H.Mizubayashi, T.Usui, H.Tanimoto: "Anomalous Elastic Properties of Amorphous Alloys Suggesting a Collective Motion of Many atoms"J. Non-Crystalline Solids. 312-314. 542-546 (2002)