Cu/metal/SiO_2/Si構造における界面での拡散•反応挙動(Ⅰ): Va遷移金属の拡散挙動

摘要

LSIにおいて、Cu配線と層間絶縁膜との間には、優れたバリヤ特性を有するバリヤが必要不可欠である。しかしながら、これまで様々な金属がバリヤ材料として検討され、その金属固有のバリヤ性については議論してきたものの、たとえば周期律表の同族元素の化学的•物理的な特性なども加味した系統立てたバリヤ材料の検討といったものはあまり行われていない。Cu/metal/SiO_2/Si構造を配線のモデル構造と考え、それをーつの熱力学系としてとらえ、そこに生起する拡散•反応の挙動とバリヤに用いた金属の周期律表の同族元素の特性とを関連づけて検討することで、今以上に新たな、かつ有用なバリヤ材料の検討が行えると思われる。そこで本研究では、周期律表の中で、Va族金属であるV,Nb,Taにまず着目した。これらの金属の個々のバリヤ特性のみならず、同族元素としての固有の特性等も含めたバリヤ特性の検討を行った。Va族金属は、Cuと化合物を作らず、かつ固溶もしないことから、主に拡散現象が主体となるというVa族金属に固有の特性を持っている。その中で、Nbはもうーつ3構造的に有用な特性を示すことが明らかとなった。Nbバリヤは、エレクトロマイグレーシヨン耐性に有効なCu(111)面を比較的容易に優先配向させることができ、かつNb/SiO_2界面では、適度な酸化還元反応が生じることが確認され、Va族金属の中でもひときわ有用なバリヤ特性を示した。以上のことから、Va族金属は、優れたバリヤ特性を有するバリヤとなり得ることを実証した。%Cu multi-level interconnects in Si-LSIs require an effective barrier metal between Cu and a field insulating layer as a prerequisite for Cu interconnects of high performance. There is now a considerable amount of literature concerning the barrier properties of individual metals. However, it seems that few studies are known for the systematic investigation between barrier properties and the characteristics of barrier metals based on the consideration of chemical/physical properties originated from the classification of elements in the periodic table. Therefore, the diffusion/reaction behavior of the barrier metal in the Cu/metal/SiO_2/Si model configuration, as a thermochemical system, is examined in the correlation with the characteristics of group metals in the periodic table. In this study, we examined V, Nb and Ta metals in the Va group in the periodic table, in which we clarify the barrier properties and characteristic behavior peculiar to this group, especially the diffusion behavior at the interfaces in the system. Among the metals examined, Nb is the most interesting in barrier property, on which the preferential orientation of Cu(111) is easily obtained and good adhesion to SiO_2 is also favorable due to oxidation/reduction reaction with SiO_2 underneath. In general, metals in the Va group are candidates for a good diffusion barrier.