超高信頼・低抵抗Cu配線を実現する新ルテニウムバリア構造を開発

ＮＥＣエレクトロニクスはこのたび、ＮＥＣの中央研究所と共同で、３２ｎｍ世代以降の最先端ＬＳＩや車載用途などの高い信頼性が必要とされるＬＳＩに向けて、銅（Ｃｕ）膜との結晶整合性と密着性に優れた新ルテニウム（Ｒｕ）バリア構造を開発し、多層配線の低抵抗化と高信頼化の両立に成功いたしました。この技術の適用により、従来から用いられてきたタンタル／窒化タンタル積層（Ｔａ／ＴａＮ）バリア構造と比較して、ビア抵抗の７０％低減と信頼性の大幅な改善を確認しました。

最先端ＬＳＩデバイスの微細化にともない、Ｃｕ配線抵抗やコンタクト抵抗が急増するとともに、信頼性が劣化するという技術課題を克服するため、その本質的な要因であるＣｕとの結晶整合性に優れる低抵抗バリア膜の開発を行いました。
従来、バリアとして採用されていたＴａ／ＴａＮ膜は優れたＣｕ拡散バリア性を有する一方、高抵抗でありＣｕ膜との結晶構造整合性が低いため、配線内のＣｕ膜には高欠陥密度の結晶粒界が混在しておりました。そのため当社はＣｕ膜との結晶整合性に優れかつ低抵抗なＲｕ膜をバリアに採用する手法を研究してまいりましたが、Ｒｕ膜はＣｕ拡散バリア性がないため、高抵抗のＴａＮバリア膜の上へ積層成長させることでＣｕ拡散を防ぐという手法での検討を進めてまいりました。この構造では、ＴａＮだけがバリア膜としての機能を有するため、高抵抗層であるＴａＮの薄膜化が難しく、実用性に乏しいという問題がありました。
このたび開発した新ルテニウムバリア構造は、ＴａＮ膜を採用することなく、Ｃｕ結晶性の制御とビア底のＣｕ原子のＥＭを選択的に抑制することにより、Ｃｕ配線の低抵抗・高信頼性を実現させるものです。すなわち、Ｔｉライナー膜上にＲｕ膜を成長させたＲｕ／Ｔｉ積層バリアでは、ＴｉがＲｕ膜中の粒界に拡散させることで、Ｒｕ層そのものがバリア性を有するように構造を制御しました。これにより、不要な高抵抗層を削減することができ、ビア抵抗を大幅に低減できました。また、本Ｔｉ膜はビア部分のＣｕに直接成膜されるため、下層配線Ｃｕの粒界に微量に拡散し、ビア付近のＣｕ原子の拡散を抑制する効果を引き出します。これにより、ＥＭ耐性も向上することを確認しました。

当社は今後、３２ｎｍ世代以降の最先端ＬＳＩのみならず、車載用途などの高い信頼性が必要とされるＬＳＩに向け、早期の実用化を目指して積極的な研究開発活動を展開してまいります。

なお当社は、今回の成果を、米国サンフランシスコで開催される「国際配線技術会議（ＩＩＴＣ ２００８：International Interconnect Technology Conference、会期：６月２日〜６月４日）」において、６月４日に発表します。

注：ＥＭ（エレクトロマイグレーション）
銅原子と電子の衝突で銅原子が電子の流れる方向に拡散し、その結果ボイドが形成され断線不良にいたる現象。ビア径が小さくなるに従って、ビアに流れる電子流の密度が大きくなり、ビア底の銅原子の拡散によるビア底断線不良が顕著となる。ＥＭ寿命の改善には、ビア底の銅原子拡散を抑制することが重要となる。