年度研究プロジェクト自己評価報告書 (抜粋)

研究プロジェクト名

プロジェクト名 :先 端 電 子 部 品 用 配 線 材 料 お よ び 配 線 形 成 法 の 開 発 研 究

プロジェクトリーダーの職名・氏名

未来科学技術共同研究センター 教授・小池淳一

研究体制

(1 ) 開 発 研 究 目 的 、 目 標 及 び 方 法

1 .

目 的

半導体からなる竜子部品は、ナノレベノレの集積回路からミリレベルの太陽電池などにわたる マルチスケーノレの学問 ・技術を駆使した開発を必要とする。この分野における従来の研究は、

半導体材料の 特性に着目したものは多数あるが、半導体に接続される配線材料に関しては、製 品の特性と信頼性を決める重要な課題が多いにも拘らず充分な研究がなされていなし、。本プロ ジェク トでは、種々の半導体の用途に応じて、新規配線材料とその形成方法を開発し、半導体 からなる電子部品の高性能化・高信順化に貢献し、新たな材料産業、製造装置産業の創出、お よびデ、パイス製造産業の飛躍的な技術革新を実現することを目的とする。

2.目 標

先端 LSIと太陽電池の二分野においてブレークスルーとなる配線材料 ・製造技術を提供する ことを目標とする。具体的目標を以下に述べる。

([)先端LSI用配線材料:

第一期

5

年間

( 2 4

年度

" ' ‑ ' 2 8

年度)と第二期

2

年間

( 2 9

年度

" ' ‑ ' 3 0

年度)における同探を以下に 説明する。

【第一期

2 4

年度

‑ 2 8

年度】

2 2 n m

ノード以降のシリコン半導体デ パイスに利用することを想定し、原子居堆積法

( A L D )

、お よびスパッタリフロー法を用いて、①極薄拡散バリア層の形成と②配線埋め込みを実現する。

① 極薄拡散バリア層 配線幅の減少に伴って拡散バリア層の存在が不必要な抵抗増加の原 因となっている。既に我々が開発し量産にも用いられている Cu‑Mn合金から形成する Mnシリケ ートは良好な拡散バリア性を示すことが知られている。この Mnシリケートを

A L D

法で形成し、

拡散バリア層の限界厚さを特定するとともに、 Mnシリケートの限界を提示する。

‑39‑

②  配線埋込: 微細配線を形成するには CVD法や ALD法を用いれば均一な成!肢が可能でらある が、スバッタ法を用いて配線形成ができれば、成映速度が速く 、高純度の配線形成が可能となる。 Cu‑Mn合金を用いて高温でスパッタをする(ダイナミックリフロー)ことによって微細配線形成 の可能性を調査し、得られる配線特性の評価をする。

【第二期 29 年度 ~30 年度】

7nmノー ド以降のデ、パイスにおいて、 微細l化による多用配線の抵抗上昇を抑制することと、コ ンタク ト抵抗を低減するための③新鋭拡散バリア用、④配線材料、⑤コンタク ト材料を開発す る。

③  新規拡散バリア層: 現状の多周配線は、 Cuの埋込性を良くするためのライナ一層と、Cu と絶紋屈との相互拡散を防止するためのバリア屈との複層構造からなり、配線体積の一部を占 有する。このためバリア層は、より薄いw.出構造が望ましい。また、10nmノードのローカル配 線はCuからCoに転換している。よって、本プロジェク卜では、Co配線に適合する単層構造の バリア附材料を開発する。

④  配線材料 Cu配線はCu巾の

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山屯ヂの平均自由行程が長い (39nm)ため、パノレク抵抗が 低くても線111]iiの縮小に伴う抵抗上昇が顕蒋である。このため、 5nmノード以降において Cuより 低抵抗となる新規配線材料を開発する。

⑤  コンタクト材料 FinFETおよびそれに続く 3次元 トランジスタ構造において、現状の

¥V/'liN/Tiコンタク ト構造では俵触抵抗が向し、だけでなく、シリサイドの過剰成長によるゲート・ ドレインリークの懸念、もある。最近ではWをCoに転換して低低抗化を実現しようとしているが、 TiN/Tiは現状のままである。このため、 Coに適合して接触抵抗が低くバリア性に優れたコンタ

クト材料を開発する。

。1)太陽電池用配線:

【第一期 24年度 ~28 年度】

別状のシリコン太陽電池の配線はAgペーストを印刷・焼成して形成されている。Agが高価な ため、配線11日を減少するなどしてAgの使間祉を削減している。しかし、細線化による抵抗上昇 がよ以電池セルの直列抵抗を￨

W

/JJ

n

させ、変換効率の劣化につながる。一方でド配線を Cuメッキで 形成する方法も提案されているが、メッキ仁程がコスト削減には寄与せず、環境負仰の観点から も採川には至っていない。よって Agと同等の変換効率を得ることができる Cuペーストと、そ の焼成工程を開発する。

【第二期 29 年度 ~30 年度】

シリコン基板表面は光反射防止JJ莫として Si~ が形成されている。この屈が絶縁性であるため、

第一期￨はフォトリソグラフィ一法によって SiN胞を配線形状に除去して配線を形成する。しか し、太陽電池の量産には適していない。このためレーザーによる SiN除去を実胞し、s:産に適す る方法でAgと同等の変換効率を目指す

‑40‑

3 .

方法

(1)先端LSI用配線材料:

i l l

^{阿部拡散バリア層 : 原子炉}

i T

佐伯法 (ALD)によって、Si02絶縁照表面に斥さが 1nm前後の MnSixOyの組成を有する薄l肢を形成し、さらにCu薄膜を形成する。フォトリソグラフィーに よってMOS構造のサンプ。ルを作製し、熱処理前後の C‑v曲線を測定してフラットバンド電圧 のシフ トから拡散バリア性を評価する。

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e 盤且 i 込 .

線幅が 15nm"'250nmの卜レンチ柿造を有する基板にCu‑Mn合金をスパッタ法で 成脱する。スパッタ速度、成I1英

j i l t

度などを変化して、トレンチへのCu‑Mnの刈込性を評価す るとともに、配線抵抗を測定して現状のCu/Ta/TaNの積層構造を有する配線との優劣を比較 する。

@ 拡 散 バ リ ア 屑 Co配線に迎合する材料としてCo合金とすることでライナーの機能を付与 し、非品質構造とすることでバリア照の機能を付与する。非晶質楠造を有する Co合金の候 補として、 Co‑Xニ居状態図において共品反応を示す合金を選択する。その中でも共品楓度が 低い合金を優先的に選択することで非品質構造の安定性を高める。

これらの合金候補において熱力学:計算を行って非品質形成濃度範

I J I I

を予測するとともに、

合金膜を作製して実験的に確認する。Co/Co‑XI院をSi02/Si基板上に形成し、Co映の密お性、

Coと現状の多層配線は、 Cuの四込性を良くするためのライナ一層と、Cuと絶紋!門との相互 拡散を防止するためのバリア問との線用構造からなり、配線体積の‑存11を占有する。このた めバリア屈は、より薄い単層構造が望ましい。また、lOnmノードのローカノレ配線はCuから Coに転換している。よって、本プロジェクトでは、 Co配線に適合する単府構造のバリア用 材料を開発する。

@ 型 盤 必;魁 Cu配線はCu中の自由電子の平均自由行程が長い (39nm)ため、バルク低抗が 低くても線幅の縮小に伴う抵抗ヒ叫が顕著である。このため、 5nmノード以降において Cuよ

り低低抗となる新規配線材料を開発する。

@ コンタクト材料 FinFETおよびそれに続く 3次元トランジスタ構造において、現状の W/TiN/Tiコンタクト構造では接触抵抗が布いだけでなく、シリサイドの過剰成長によるゲ ート ・ドレインリークの懸念もある。irk近で、はWをCoに転換して低抵抗化を実現しようと

しているが、TiN/Tiは現状のままである。このため、 Coに迎合して接触ほ抗が低くバリア 性に優れたコンタクト材料を開発する。

(11)太陽電池用配線材料

銅ペーストをシリコン太陽電池の屯極に用いることの困難さは、銅がシリコンに拡散するた めに拡散バリア屈が必要であり、かつ、その拡散バリア層がシリコン基板巾で光誘起により発生 したキャリアの導電性を有し、銅とシリコンとの良好な密着性を得ることが必要である。本フ。ロ ジェク トでは、半導体配線用に開発した Cu‑Mn合金の知見をもとに MnSixOyを界而j凶として形 成し、成膜条件の制御によってバリア性、導電性、密着性を併せ持つようにすることである。そ のうえでさらに条件最適化を行い、市販の銀ベーストを用いたセノレと同等の特性と信煩性を得 る。

また、 SiN屑の除去には第一月

l

はフォトリソグラフィ一法を用いて銅ベース卜とシリコン基板

‑ 41‑

の界面層の特性を最適化することに注力する。第二期はレーザーによる SiN除去を実施し、量産 に適する方法でAgと同等の変換効率を目指す。

(2) 研究組織・研究分担

【第一期 24年度""'28年度】

1 .研究組織

東 北 大 学 小 池 研 究 室

集積回路用配線

太陽電池用 Cuペースト配線

2.研 究 分 担

東京エレクトロン ASM International 

字部興産

IBM 

光洋サーモシステム 三星ダイヤモンド工業 タクボエンジニアリング エアリキード

LAM Research 

TSMC 

三菱電気、MotechIndustries 

島津製作所、

東芝三菱電気産業システム ムラカミ

東北 大学 小池淳一(全体の統倍、計画立案、予算獲得);須藤祐司(特性評価) 安藤大輔(組織観察、分析);ホアン・チ・ハイ(材料探索 、 工 程 最 適 化) 東京エレク トロン 永井弘之(進捗管理、社内調整) ;松本賢治

(量産装置・て程開発;柏木勇作(進捗管理、社内調整) 小 宮 隆行 ( 量 産 工 程開発)

マテリアル・コンセプ ト l峰岸一典(熱処理条件最適化);栗本祐司、福田哲也、村田直一 (太陽電池セノレ作製 ・評価)・横山尚樹(モ、ジュール作製、信 頼 性 評価)、安藤 祐 輔 ( 銅

ベースト印刷・焼成)、和田真、粛藤治、佐)11哲 也 ( 電子部品電極形成) エア リキー ド Christian Dussarrat  (SiN成JI莫)

島津製作所 石田進一郎 、 山 蔭 康 弘 、 東 候 公 資 (SiN層の開口技術の開発)

産総研ー福島再生可能エネノレギー研究所 白 樺 勝 彦 ( 太 陽 電 池 基 礎 物 性 評 価 、 モ ジ ュ ー ル 作 製)

TSMC  M.  H.  John Lee (パターンウエハ一 作 製)

Motech lndustries  Kirin Wang， Chi一ChunLi  (半完成品太陽電池セルの作製、評価) Lam Research  Reza Arghavani， Yezdi  Dordi， Larry Zhao  (新規バリア層の分析)

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【第二期 29年度‑30年度】

研究組織と分担

(先端 LSI 用配線材料)

プロジェク トリーダー 小 池 淳一

￨NICHe内組 織￨

園

μl家 特任教 授 ~J工業化渉外担当 Air Liquide 

Ch^l'istian Dussarrat， Manage^l'  原料前Jl'..IH本開発・提供

回

Lam Research 

工学研究科須 藤J也教J受 ソフロー配線形成 I Yezdi Dordi， Technical director  工学研究科 安 藤助教 組 織・組成分析 ￨  スケールアツア。フ。ロセス開発

TSMC 

John Lee， Technical manager  ノξターンウェノ、作製・t，'(;j共

U 

5nmノードの来rr^材料と

それを用いた量産工程をrm¥立する。

( 太陽電池用配線)

プロジェクトリーダー

4az﹃

仙也︑ノ

￨NICHe内組織￨

医司 図

111家 特 任 教 絞 事 業 化 渉 外Hi当 産総研福島再生可能エネノレギー研究所 Motech lndustries  白滞特任教授 太陽'r():1也技術指導 Chi'Chun Li， Director 

高速秀尚チーム長 セ ル物性 ;ド倍、 i ^{半完成セル作製・供 給}

回

^{モジュー/レ作製 シミュレーション支援}

工学研究科須藤准教授 よh作製作所

ペースト配線形成、 石田進一自il研 究部長

工 学研究科 安 藤助教 SiNのレーザー関口

組織・組 成 分析

工学研究 科 ハイ助 教 マテリアル・コンセプト

銅 ぺースト開発 福岡留也

フルサイズセルの作製・評価i

U 

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ドキュメント内 研究プロジェクト評価報告書 平成30年度 (ページ 45-91)