KR0131287B1 - 반도체 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 A1 합금으로 이루어진 전극 배선의 Cu농도를 배선 폭에 대응해서 선택하여 규정하고, 가장 적합한 일렉트로 마이그레이션 내성을 얻어 신뢰성이 높은 반도체 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명인, Cu를 함유하는 A1 합금을 전극 재료로 하는 전극 배선층으로부터 형성된 배선을 구비한 반도체 장치에서, 결정 입자 지름보다 가는 배선은 Cu 농도가 0.05 wt%에서 0.3wt%의 범위이고, 결정 입자 지름보다 두꺼운 배선은 Cu 농도가 0.5 wt%에서 10wt%의 범위이다.

Description

반도체 장치

제1도는 본 발명의 반도체 장치의 한 제조 공정을 도시한 일부 단면도.

제2도는 본 발명의 반도체 장치의 제1도에 따른 한 제조 공정을 도시한 일부 단면도.

제3도는 본 발명의 반도체 장치의 제2도에 따른 한 제조 공정을 도시한 일부 단면도.

제4도는 본 발명의 반도체 장치의 제3도에 따른 한 제조 공정을 도시한 일부 단면도.

제5도는 본 발명의 반도체 장치의 제4도에 따른 한 제조 공정을 도시한 일부 단면도.

제6도는 A1-Cu 합금의 배선 폭이 15㎛에서의 일렉트로 마이그레이션(electormigration) 내성의 Cu 농도 의존성을 도시한 그래프.

제7도는 A1-Cu 합금의 배선 폭이 0.8㎛ 에서의 일렉트로 마이그레이션 내성의 Cu농도 의존성을 도시한 그래프,

제8도는 Al 합금 배선 중 입자 경계 형상의 한 예를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 반도체 기판 2 : 절연막

3 : Al-Cu 합금

3-1 : Al-Cu 합금의 결정입자 지름보다 얇은 배선부

3-2 : Al-Cu합금의 결정 입자 지름보다 두꺼운 배선부

본 발명은 결정 입자 지름과 비교하는 배선의 굵기에 대응해서 전극 배선층의 Cu농도를 선택하여 규정하는 반도체 장치에 관한 것이다.

반도체 장치의 전극 배선에는 저항이나 가공성 등의 관점에서 알루미늄 Al을 사용하는 것이 일반적이다. 이 Al 배선은 배선의 불량 모드인 일렉트로 마이그레이션이나 스트레스 마이그레이션 등의 발생을 억제하기 위해 일반적으로 Cu를 첨가한 Al 합금을 사용하여 신뢰성 향상을 도모하고 있다.

일반적으로, Al 결정 입자 지름보다 두꺼운 수 ㎛폭의 Al 배선에서는 배선중에 Al 입자간에 존재하는 3개의 입자 경계가 겹치는 점, 즉 입자 경계의 3중점(重點)을 갖는다.

이 배선에 큰전류, 예를 들어 전류 밀도 10⁴A/㎠ 이상이 흐른 경우 Al원자가 입자 경계를 따라 확산하기 시작해서 상기 입자 경계의 3중점에서 원자의 과부족이 생겨 단선에 이르게 된다.

이런 현상을 일렉트로 마이그레이션이라고 하는데 이것은 Al-Cu 합금의 결정 입자 경계의 활성화 에너지가 약 1.4 eV인데 비해 입자 경계의 활성화 에너지가 약0.6eV이고, 입자 경계가 고속 확산로가 되기 때문에 생기는 현상이다.

Al 합금에 대한 Cu의 첨가는 입장 경계에 Cu를 한쪽으로 나눠(偏析), Al 원자가 입자 경계를 따라 확산하는 것을 억제하기 위한 것이고, 제6도에 도시한 바와 같이, Cu 농도가 약 8 wt% 까지는 첨가량에 의존해서 일렉트로 마이그레이션 수명 MTF[arb. unit]가 향상한다.

한편, Al 결정 입자 지름보다 좁은, 배선 폭이 1㎛ 이하의 서브미크론 영역에서는 예를 들어 제8도에 도시한 바와 같이 배선은 입자 경계를 가로 질러 대나무 마디 모양의 입자 경계가 남고, 상기한 3중점을 없어진다. 즉, 배선 폭이 두꺼워짐에 따라 곡선 L2로 도시한 바와 같이 입자 경계 3중점의 단위 길이당 수는 증가해서 일렉트로 마이그레이션 현상이 생기기 쉽지만, 곡선 L1로 도시한 바와 같이 배선 폭이 좁아짐에 따라 대나무 마디 모양 입자 경계의 수는 증가하고 이 때 일렉트로 마이그레이션 수명은 결정 입자 내의 확산 속도에 의존해서, 전체으로 MTF는 향상하고, 배선의 수명은 연장되는 경향을 나타낸다.

여기서 곡선 L1은 대나무 마디 모양 입자 경계의 라인폭에 대한 단위 길이당 수를 나타내는 곡선을 도시하고, 곡선 L2는 입자 경계 3중점의 라인폭에 대한 단위 길이당 수를 나타내는 곡선을 도시한다.

결정 입자 지름보다 좁은 배선 폭의 배선은 제7도에 도시한 바와 같이 Cu 농도, 약0.1wt%까지는 MTF가 향상하지만 그 이상으로 Cu농도를 높이면 MTF는 떨어지는 것이 분명해졌다.

이것은 Cu를 Al결정에 용해하는 것이 가능한 한계 이상으로 첨가했을 경우, 입자 경계에 Cu가 한쪽으로 치우쳐, 배선의 긴 방향의 확산 속도가 Cu를 분석 추출한 입자 경계에서 불균일해져서 단선되기 때문이다.

그런데 현재 상태의 배선의 Cu 농도는 스패터링 타겟 또는 증착원의 Cu농도로 결정되기 때문에 동일한 공정에서 형성된 전극 배선은 모두 같은 Cu농도 b가 된다. 이 때문에 전극 배선에는 신호선으로 사용하는 서브미크론 영역의 배선폭에서부터 전원선으로 사용하는 10㎛ 이상의 두꺼운 배선 폭까지 각각의 배선 폭에 있어서 가장 적합한 Cu 농도가 있음에도 불구하고 동일한 Cu 농도에서만 사용되었다. 이 때문에 배선 폭이 다른 각각의 배선에 있어서 가장 적합한 일렉트로 마이그레이션 내성은 얻을 수 없었다.

본 발명은 상기한 결점을 제거한 것으로 Al합금으로 이루어진 전극 배선의 Cu 농도를 배선 폭에 대응해서 선택하여 규정하고, 가장 적합한 일렉트로 마이그레이션 내성을 얻어서 신뢰성이 높은 반도체 장치를 제공하는 것이 목적이다.

본 발명의 반도체 장치는 Cu를 함유하는 Al 합금을 전극 재료로 하는 전극 배선층에서 형성된 배선을 구비한 반도체 장치에 있어서, 결정 입자 지름보다 가는 배선은 Cu 농도가 0.05 wt%에서 0.3 wt%이고, 결정 입자 지름보다 두꺼운 배선은 Cu농도가 0.5wt% 내지 10wt%이다.

본 발명은 상기와 같은 구성에서 Cu가 배선 중에 입자 경계에 한쪽으로 치우쳐 나눠지지 않는 것이 요구되는 결정 입자 지름보다 좁은 배선은 Cu 농도가 0.05 wt%부터 0.3wt%의 범위이고, Cu가 입자 경계에 한쪽으로 치우쳐 나눠지는 것이 요구되는 결정 입자 지름보다 두꺼운 배선은 0.5 wt%부터 10wt%의 범위일 때, 각각 가장 적합한 일렉트로 마이그레이션 내성을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 한 실시예에 대해 도면을 참조해서 설명하겠다.

제1도 내지 제5도는 본 발명의 반도체 장치를 얻기 위한 제조 공정을 도시한 실시예이다.

제1도에 도시한 바와 같이 반도체 기판(1)의 표면에 형성된 절연막(2)를 통해 전극 배선이 되는 Al-Cu 합금(3)을 피복한다. 이 Al-Cu 합금(3) 위에 다시 Cu계 재료(4), 예를 들어 순 Cu를 피복한다. 상기의 피복은 스패터링법으로 하지만 중착법으로 할 수도 있다.

이어서, 제2도에 도시한 바와 같이 Al-Cu 합금(3)과 Cu계 재료(4)를 적층 구조로 하여 전극 배선(3-1, 3-2)로 가공 형성한다. 즉, Al-Cu 합금(3)의 결정 입자 지름보다 가는 배선부(3-1) 및 Al-Cu 합금(3)의 결정 입자 지름보다 두꺼운 배선부(3-2)로 가공해서 선택적으로 절연막(2)를 노출시킨다.

다음으로 절연막(2)를 가진 Cu계 재료(4) 위에 레지스트(5)를 피복한다. 또 제3도에 도시한 바와 같이 노광(露光)현상에 의해 Al-Cu 합금(3)의 결정 입자 지름보다 가는 배선부(3-1)의 레지스트(5)를 선택적으로 제거하고, 가는 배선부(3-1)을 노출시킨다.

한편, 두꺼운 배선부(3-2) 위에는 레지스트(5)가 피복되어 있다.

다음으로 상기 노출한 가는 배선부(3-1) 위의 Cu(4)를 제4도에 도시한 바와 같이 예를 들어 습식 에칭 처리로 제거하여 Al-Cu합금(3)을 노출시킨다.

또, 두꺼운 배선부(3-2)에 피복된 레지스트를 벗겨낸 후 예를 들어 환원성 분위기 속에서 열처리한다. 그 결과 두꺼운 배선부(3-2)의 Cu(4)는 Cu(4)의 아래쪽 Al-Cu 합금(3) 중의 입자 경계를 주요한 확산로로서 확산하고, 두꺼운 배선부(3-2)의 Al-Cu 합금(3) 중의 Cu농도를 증가시킨다. 이와 같이 해서 제5도에 도시한 두꺼운 배선부(3-2)는 가는 배선부(3-1)에 비교해서 Cu를 확산시킨 만큼 고농도의 Cu를 갖게 된다.

본 실시예에 있어서 Al-Cu 합금(3)을 최종적으로 형성된 결정 입자 지름보다 가는 배선부(3-1)의 Cu 농도와 같은 Cu농도로 미리 설정해 두면 제7도에서 설명한 것 처럼 결정 입자 지름보다 가는 배선부(3-1)에서, 일렉트로 마이그레이션 내성을 최대가 되도록 할 수 있다.

이 경우, 가는 배선부(3-1)은 Al-Cu 합금(3) 중에 Cu가 한쪽으로 치우쳐 나눠지지 않는 것이 요구되므로 Cu의 치우쳐 나눈 상태를 조사한 뒤, 열 처리법에 의한 처리로 Cu 농도가 0-3 wt%까지는 Cu가 한쪽으로 치우쳐 나눠지지 않는 것을 확인할 수 있다.

그래서, 최종적으로 얻은 제품의 결정 입자 지름보다는 가는 Al합금 배선 중의 Cu 농도는 실험에서 0.05 wt%에서 0.3wt%의 범위라고 확인해두고, 본 실시예에 있어서 Al-Cu 합금(3)에서도 마찬가지로 Cu농도가 0.05 wt%에서 0.3 wt%의 범위에서 가장 적합한 마이그레이션 내성을 얻을 수 있다.

또한 상기의 실시예는 Al-Cu합금(3) 위에 Cu계 재료(4)를 피착시킨후 전극 배선으로 가공 형성했지만 Al-Cu 합금(3)을 우선 원하는 전극 배선 형상으로 가공하고 나서 Cu계 재료(4)를 피착하고 확산해도 된다.

제4도 및 제5도에서 설명한 바와 같이 Cu계 재료는 환원 분위기에서 열처리 되는 것이 가장 적합하지만 N₂, Ar등의 불활성 가스 분위기 속에서 열처리해도 된다.

또한, 환원 분위기에서의 열처리인 경우 Cu계 재료로 Cu 산화막을 사용해도 된다는 것이 확인되었다.

상기 실시예에서, 결정 입자 지름보다 두꺼운 배선부(3-2)는 제6도에 도시한 바와 같이 약 8wt%가 가장 적합한 일렉트로 마이그레이션 내성 MTF를 얻을 수 있다.

한편, Al-Cu합금(3)중의 입자 경계가 겹쳐지는 3중점에서 Cu가 한쪽으로 치우쳐 나눠지도록 요구되고, 열처리법에 의해 0.5 wt%부터 한쪽으로 치우쳐 나눠지는 현상이 생기는 것을 확인할 수 있다.

Cu를 8 wt% 이상 첨가해도 반대로 일렉트로 마이그레이션 내성이 떨어지는 경향을 나타내기 때문에 결정 입자 지름보다 두꺼운 배선부(3-2)의 Cu농도는 0.5 wt%에서 10wt%의 범위1를 가장 적합한 범위로 규정했다.

상기한 두꺼운 배선부(3-2)의 최종 Cu 농도는 Al-Cu 합금(3)의 Cu 농도와 막두께로부터 원하는 농도가 되도록 Cu계 재료(4)의 막 두께를 규정해서 배합할 수 있다.

예를 들어 Al-Cu wt% Cu 합금 1 ㎛ 두께 위에 800 옹스크롬의 순 Cu를 피복해서 제1도 내지 제5도에 도시한 제조 공정을 거치면 가는 배선부(3-1)의 Cu, 농도가 0.1 wt%, 두꺼운 배선부 (3-2)의 Cu 농도가 8 wt%가 될 수 있고 가장 적합한 일렉트로 마이그레이션 내성을 얻을 수 있다.

전극 배선의 한 예로 든 Al-Cu 합금은 다른 첨가 원소, 예를 들어 Si를 함유해도 같은 효과를 얻을 수 있다.

그러나 본원 청구 범위의 각 구성 요건에 병기한 도면 참조 부호는 본원 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이고, 본원 발명의 기술적 범위를 도면에 도시한 실시예에 한정된 의도에서 병기한 것은 아니다.

이상 상기한 바와 같이, 본 발명의 반도체 장치에 의하면 Al 합금 배선 중의 Cu 농도를 배선 폭에 따라 선택해서 규정함에 따라 가장 적합한 일렉트로 마이그레이션 내성을 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. Cu를 함유하는 Al 합금을 전극 재료로 하는 전극 배선층으로부터 형성된 배선을 구비한 반도체 장치에 있어서, 결정입자 지름보다 가는 배선(3-1)은 Cu 농도가 0.05 wt%에서 0.3 wt%의 범위이고, 결정 입자 지름보다 두꺼운 배선(3-2)는 Cu 농도가 0.5 wt%에서 10 wt%의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 Cu 농도가 다른 가는 배선 및 두꺼운 배선은 동일한 피착 공정에서 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.