KR100228414B1 - 알루미늄 합금 배선층과 그의 제법, 및 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟 - Google Patents

알루미늄 합금 배선층과 그의 제법, 및 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟 Download PDF

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Abstract

0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐, 또는 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐과 0.01 내지 3.0중량%의 실리콘, 티탄, 동, 붕소, 하프늄 및 희토류 원소(단, 스칸듐 제외)로된 군으로 부터 선택된 적어도 1종의 원소를 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 알루미늄 합금 배선층과 그의 제법, 및 그를 위한 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟, 차세대 대규모 집적회로용으로 적합하다.

Description

[발명의 명칭]
알루미늄 합금 배선층과 그의 제법, 및 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟
[기술분야]
본 발명은 대규모 집적회로에 사용될 수 있는 알루미늄 합금 배선층과 그의 제법, 및 알루미늄 합금 배선층을 제조하기 위해 사용될 수 있는 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟에 관한 것이다.
[배경기술]
마이크로프로세서를 비롯한 반도체 로직 소자, DRAM으로 대표되는 반도체 메모리 소자는 컴퓨터 등의 중앙연산처리부 및 내부 메모리와 외부 메모리로서 필요 불가결한 것이다. 이와 같은 대규모 집적 회로의 제조 공정에 있어서는 1칩 내의 수백만개로 부터 수천만개의 반도체 트랜지스터를 연결하는 고신뢰성 배선기술 개발이 매우 중요하다.
현재는 알루미늄(Al)에 미량의 실리콘(Si), 또는 알루미늄에 미량의 실리콘과 동(Cu)을 첨가한 알루미늄 합금재료로된 0.8 내지 0.7㎛ 폭의 배선층을 사용한 16 메가비트 DRAM이 본격적인 양산시기를 맞으려하고 있다.
이들 배선층은 실리콘 웨이퍼 위에 스퍼터링법에 의해 두께 1㎛ 정도의 박막을 형성하고, 이것을 리소그래피에 의해 미세한 배선 패턴으로 형성하는 방법에 의해 제조되고 있다. 이들 배선층의 제조에는 Si 함유량이 1중량% 정도인 Al-Si 합금 타겟, 또는 Si 함유량이 1중량% 정도, Cu 함유량이 0.5중량% 정도인 Al-Si-Cu 합금 타겟이 사용되고 있다.
또한 최근에 64 메가비트 DRAM 이후의 차세대 대규모 집적회로의 개발이 진행되고 있고, 반도체 집적회로의 고밀도화, 고성능화를 위하여 배선층 폭이 점점 좁아지는 것에 따라(예컨대 0.6 내지 0.3㎛) 보다 신뢰성이 높은 배선기술이 요구되고 있다.
그러나 현재 사용되고 있는 Al-Si 합금 배선층 또는 Al-Si-Cu 합금 배선층은 첨가물인 실리콘등이 제조공정에서 석출되어, 회로상에 남아있게 되기도 하여 단선되는 빈도가 높기 때문에 신뢰성이 나쁘다.
알루미늄 배선의 단선 파괴의 원인은 엘렉트로마이그레이숀(electromigration)과 스트레스 마이그레이숀(stress migration)이라 불리는 현상에 의한 것으로 되어있고, 엘렉트로마이그레이숀은 배선중의 전류에 의해 배선중의 금속 이온이 전계를 따라 이동하고, 그 결과 결정입계에 보이드(void)가 발생하여 단선되는 현상이고, 스트레스 마이그레이숀은, 알루미늄 배선은 그 위에 적층된 SiN 등의 절연막과의 열팽창차에 따라 인장응력을 받지만, 이 응력에 의해 결정입계에 보이드가 발생하여 단선되는 현상이다.
[발명의 개시]
본 발명자들은 상기 실정을 감안하여 단선파괴가 적고 더구나 전기저항이 낮은 배선층을 제공하는 것을 목적으로 하여 연구한 결과 다음과 같은 것을 발견하였다.
즉, 스칸듐(Sc)은 Al과 미세한 금속간 화합물(ScAl3)을 형성하고, Al중에 분산되어 배선의 단선방지효과를 발휘한다. 더구나 ScAl3는 Cu의 경우에 형성되는 금속간 화합물(CuAl2)과 다르고, 박막형성후의 불가피한 열처리(400 내지 450℃)에서도 조대화되지 않는다.
상기한 열처리는 무정형 박막의 금속 박막화, 밀착성의 향상등을 목적으로 행해지는 어닐링 처리를 지칭한다.
본 발명은 상기한 발견을 기초로 하여 완성된 것으로, 본 발명의 제1요지는 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로 된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 배선층에 존재한다.
본 발명의 제2요지는 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐과 0.01 내지 3.0중량%의 실리콘, 티탄, 동, 붕소, 하프늄 및 희토류 원소(단, 스칸듐 제외)로된 군으로 부터 선택된 적어도 1종의 원소를 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로 된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 배선층에 존재한다.
본 발명의 제3요지는 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟에 존재한다.
본 발명의 제4요지는 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐과 0.01 내지 3.0중량%의 실리콘, 티탄, 동, 붕소, 하프늄 및 희토류 원소(단, 스칸듐 제외)로된 군으로 부터 선택된 적어도 1종의 원소를 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟에 존재한다.
본 발명의 제5요지는 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로 된 알루미늄 합금 타겟 또는 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐과 0.01 내지 3.0중량%의 실리콘, 티탄, 동, 붕소, 하프늄 및 희토류 원소(단, 스칸듐 제외)로된 군으로 부터 선택된 적어도 1종의 원소를 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 알루미늄 합금 타겟을 사용하여 스퍼터링법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 배선층의 제법에 존재한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟은 순도 99.99% 이상의 고순도 알루미늄이 베이스 금속으로서 사용된다. 이와 같은 고순도 알루미늄은 예컨대 전해정제, 분별결정, 분류, 결정화등의 방법에 의해 수득될 수 있다.
본 발명에 있어서, 고순도 알루미늄에 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐, 또는 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐과 0.01 내지 3.0중량%의 실리콘, 티탄, 동, 붕소, 하프늄 및 희토류 원소(단, 스칸듐 제외)로된 군으로 부터 선택된 적어도 1종의 원소를 함유시킨다.
희토류 원소로서 이트륨, 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄 및 테르븀등을 들 수 있다. 스칸듐의 함유량 및 이것과 병용될 수 있는 상기의 특정 원소의 함유량이 전기한 범위외에서는 어떤것이든 본 발명의 목적은 달성되지 않는다. 스칸듐의 함유량의 특히 바람직한 범위는 0.05 내지 0.6중량% 이다.
본 발명에 있어서, 상기한 알루미늄 합금은 고순도 알루미늄에 소정량의 스칸듐, 또는 스칸듐과 상기한 특정 원소를 배합용해시킨 후 주조하고, 불가피한 불순물 함유량이 10ppm 이하인 주괴로 만들고, 이것에 열처리, 압연처리, 재열처리를 순차적으로 실시하고, 균일 미세한 결정을 갖는 소재로 가공하는 것에 의해 수득될 수 있다.
상기한 각 처리 조건은 특히 제한되지 않지만, 통상 열처리는 500 내지 550℃에서 10 내지 15시간, 압연처리는 압연율 50 내지 90%, 재열처리는 400 내지 450℃에서 30 내지 60분의 각 조건이 채용된다.
본 발명에 있어서, 상기와 같이 하여 수득한 알루미늄 합금 소재를 사용하는 스퍼터링 장치에 맞는 형상(예컨대 원형, 장방형, 이들의 중앙부를 구멍낸 도나스형등)으로 잘라 스퍼터링용 타겟으로 한다.
상기와 같이 하여 수득한 0.01 내지 1.0중량%, 바람직하게는 0.05 내지 0.6중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 알루미늄 합금 스퍼터링용 타겟, 또는 0.01 내지 1.0중량%, 바람직하게는 0.05 내지 0.6중량%의 스칸듐과 0.01 내지 3.0중량%의 실리콘, 티탄, 동, 붕소, 하프늄 및 희토류 원소(단, 스칸듐 제외)로된 군으로 부터 선택된 적어도 1종의 원소를 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 알루미늄 합금 스퍼터링용 타겟을 사용하고, 스퍼터링법에 의해 형성하는 것에 의해 본 발명의 알루미늄 합금 배선층을 제조할 수 있다. 스퍼터링법으로서는 공지의 스퍼터링 장치, 스퍼터링 조건을 채용할 수 있다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 수득한 박막의 비저항의 측정결과를 나타내는 그래프이고, 종축은 비저항(μΩm), 횡축은 웨이퍼 온도(℃)를 나타낸다. 도면중에서, (1) 내지 (4)는 본 발명의 실시예(시료 1 내지 4), (11) 내지 (12)는 비교예(시료 11 내지 12)를 나타낸다(이하의 제2도 및 제3도에 있어서도 동일).
제2도는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 수득한 박막의 엘렉게트로마이그레이숀 시험의 결과를 나타내는 그래프이고, 종축은 단선시간(시간), 횡축은 웨이퍼 온도(℃)를 나타낸다.
제3도는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 수득한 박막의 스트레스 마이그레이숀 시험의 각 결과를 나타내는 그래프이고, 종축은 보이드 수(개), 횡축은 웨이퍼 온도(℃)를 나타낸다.
제4도는 엘렉트로마이그레이숀 시험용 배선 패턴의 전체적 설명도이다.
제5도는 제4도에 나타낸 엘렉트로마이그레이숀 시험용 배선 패턴의 요부의 확대 설명도이다.
제6도는 스트레스 마이그레이숀 시험용 배선 패턴의 설명도이다.
제7도는 스트레스 마이그레이숀 시험용 배선 패턴의 설명도이다.
제8도는 스트레스 마이그레이숀 시험용 가열판의 설명도이다.
제7도 및 제8도중의 각 부호의 의미는 다음과 같다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
B : 쇄기형 보이드 1 : 가열기판
2 : 압축판 3 : 압축판
3 : 가열기 4 : 웨이퍼
[발명의 상세한 설명]
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 그의 요지를 벗어나지 않는 한, 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
이하의 예에서, 전기저항의 측정, 엘렉트로마이그레이숀 시험 및 스트레스 마이그레이숀 시험은 다음의 방법으로 실행하였다.
[전기저항의 측정]
전기저항계에 의해 면적 저항을 측정하고, 이어 박막의 일부를 에칭에 의해 용해제거한 후, 단차계(段差計)에 의해 박막의 두께를 측정하였다. 다음식에 의해 비저항을 구하고, 이것을 전기저항으로 하였다.
비저항=면적저항×박막의 두께
[엘렉트로마이그레이숀 시험]
배선 패턴을 형성한 웨이퍼를 가열판상에 밀착시키고 200℃로 가열시킨 후, 제4도 및 제5도에 나타낸 배선 패턴의 ① 및 ② 사이에 전극을 설치하고, ③ 및 ④ 사이에 전기저항계를 접속시키며, 상기 전극간에 전류 밀도 2×10-7A/㎠의 직류전류를 흘리면서 단선을 검출하고, 단선할 때까지의 시간을 측정하였다.
제4도는 엘렉트로마이그레이숀 시험용 배선 패턴의 전체 설명도, 제5도는 그의 요부의 확대 설명도이다.
[스트레스 마이그레이숀 시험]
배선 패턴을 형성시킨 웨이퍼를 중심부가 주변부 보다 0.2㎜ 볼록하게 만곡시킨 제8도에 나타낸 가열판(1)상에 밀착시키는 것에 웨이퍼(4)를 만곡시켜 배선에 인장응력을 가한 후, 400℃에서 5분간 가열하였다. 이어서, 제6도에 나타낸 배선 패턴 E로 표시되는 부분에 발생시킨 보이드의 수를 측정하였다. 보이드(B)는 제7도에 나타낸바와 같이 배선측면으로 부터 쇄기형으로 발생하고, 그 길이가 1㎛ 이상인 것을 측정하였다.
제8도는 스트레스 마이그레이숀 시험용 가열판의 설명도이고, 도면중, (1)은 가열기판, (2)는 압축판, (3)은 가열기, (4)는 웨이퍼를 나타낸다. 또한 제6도 및 제7도는 스트레스 마이그레이숀 시험용 배선 패턴의 설명도이고, 제7(b)도는 쇄기형 보이드를 나타낸다.
[실시예 및 비교예]
정제시킨 순도 99.99% 이상의 고순도 알루미늄에 표 1에 나타낸 소정량의 금속 원소를 배합 용해시킨 후 주조시켰다.
수득한 주괴에 525℃에서 12시간의 열처리, 압연율 70%의 압연, 425℃에서 45분간의 열처리를 순차 실시하여 균일미세한 결정을 갖는 소재로 가공하였다.
수득한 소재에 기계가공을 실시하여 직경 250㎜, 두께 15㎜의 원반상의 스퍼터링 타겟으로 처리하였다.
이어 각 스퍼터링 타겟을 마그네토스퍼터링 장치 MLX-3000(울바zm 코포레이숀 제품)에 장착하고, 약 0.2㎛의 SiO2박막이 형성된 직경 6인치의 실리콘 웨이퍼의 표면에 1㎛의 박막을 형성시킨 후, 램프 가열에 의해 450℃에서 15분간 열처리를 행하였다. 마그네트론스퍼터 장치의 조작 조건은 이하와 같고, 웨이퍼 가열 온도는 가속 시험을 실행하기 위해 채용된 조건이다.
도달 진공도 : 6×10-8토르
Ar 압력 : 4×10-3토르
스퍼터 전력 : 5㎾
웨이퍼 가열온도 : 150℃, 200℃, 250℃
수득한 각 박막에 관하여 전기 저항의 측정, 엘렉트로마이그레이숀 시험 및 스트레스 마이그레이숀 시험을 실행하였다.
전기저항의 측정 결과, 엘렉트로마이그레이숀 시험 및 스트레스 마이그레이숀 시험의 결과를 각각 제1도 내지 제3도에 나타낸다. 제1도는 전기저항의 측정 결과를 나타내는 그래프, 제2도는 엘렉트로마이그레이숀 시험의 결과를 나타내는 그래프, 제3도는 스트레스 마이그레이숀 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 이들 도면중, (1) 내지 (4) 및 (11) 내지 (12)는 표 1의 시료 번호에 대응하는 것이다.
또한 웨이퍼 가열온도가 200℃인 경우의 전기저항의 측정결과, 엘렉트로마이그레이숀 시험 및 스트레스 마이그레이숀 시험의 결과를 각각 표 1에 나타낸다.
[표 1]
[산업상의 이용가능성]
본 발명의 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟은 비저항이 낮고, 단선까지의 시간이 길며, 보이드의 발생수가 적어 배선재료로서 우수하다. 또한 본 발명의 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟을 사용하여 제조한 배선층은 엘렉트로마이그레이숀 및 스트레스 마이그레이숀이 강하고, 신뢰성이 높기 때문에, 차세대의 대규모 집적회로 배선층으로서 적합하다.

Claims (12)

  1. 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 합금을 500 내지 550℃에서 10 내지 15시간 동안 열처리하고, 50 내지 90%의 압연율로 압연하며, 400 내지 450℃에서 30 내지 60분간 열처리하고 또 스퍼터링 장치에 사용하기에 적합한 형상으로 절단하는 단계에 의해 제조된 알루미늄 합금 타겟을 스퍼터링하는 것에 의해 수득한, 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 알루미늄 합금 배선층.
  2. 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 합금을 500 내지 550℃에서 10 내지 15시간 동안 열처리하고, 50 내지 90%의 압연율로 압연하며, 400 내지 450℃에서 30 내지 60분간 열처리하고 또 스퍼터링 장치에 사용하기에 적합한 형상으로 절단하는 단계에 의해 제조된 알루미늄 합금 타겟을 스퍼터링 하는 것에 의해 수득한, 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐, 0.01 내지 3.0중량%의 실리콘, 티탄, 동, 붕소, 하프늄 및 스칸듐 이외의 희토류 원소로된 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 알루미늄 합금 배선층.
  3. 제1항에 있어서, 스칸듐 함유량이 0.05 내지 0.6중량%인 알루미늄 합금 배선층.
  4. 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 합금을 500 내지 550℃에서 10 내지 15시간 동안 열처리하고, 50 내지 90%의 압연율로 압연하며, 400 내지 450℃에서 30 내지 60분간 열처리하고 또 스퍼터링 장치에 사용하기에 적합한 형상으로 절단하는 단계에 의해 제조된 알루미늄 합금 타겟을 스퍼터링하는 것을 포함하는, 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 알루미늄 합금 배선층의 제법.
  5. 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 합금을 500 내지 550℃에서 10 내지 15시간 동안 열처리하고, 50 내지 90%의 압연율로 압연하며, 400 내지 450℃에서 30 내지 60분간 열처리하고 또 스퍼터링 장치에 사용하기에 적합한 형상으로 절단하는 단계에 의해 제조된 알루미늄 합금 타겟을 스퍼터링하는 것을 포함하는, 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐, 0.01 내지 3.0 중량%의 실리콘, 티탄, 동, 붕소, 하프늄 및 스칸듐 이외의 희토류 원소로된 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 알루미늄 합금 배선층의 제법.
  6. 제4항에 있어서, 알루미늄 합금 타겟의 스칸듐 함유량이 0.05 내지 0.6중량%인 알루미늄 합금 배선층의 제법.
  7. 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 합금을 500 내지 550℃에서 10 내지 15시간 동안 열처리하고, 50 내지 90%의 압연율로 압연하며, 400 내지 450℃에서 30 내지 60분간 열처리하고 또 스퍼터링 장치에 사용하기에 적합한 형상으로 절단하는 단계에 의해 제조된 알루미늄 합금 타겟을 스퍼터링하는 것에 의해 수득한, 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟.
  8. 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐을 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 합금을 500 내지 550℃에서 10 내지 15시간 동안 열처리하고, 50 내지 90%의 압연율로 압연하며, 400 내지 450℃에서 30 내지 60분간 열처리하고 또 스퍼터링 장치에 사용하기에 적합한 형상으로 절단하는 단계에 의해 제조된 알루미늄 합금 타겟을 스퍼터링하는 것에 의해 수득한, 0.01 내지 1.0중량%의 스칸듐, 0.01 내지 3.0중량%의 실리콘, 티탄, 동, 붕소, 하프늄 및 스칸듐 이외의 희토류 원소로된 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 함유하고, 잔부가 순도 99.99% 이상의 알루미늄으로된 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟.
  9. 제7항에 있어서, 스칸듐 함유량이 0.05 내지 0.6중량%인 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟.
  10. 제2항에 있어서, 스칸듐 함유량이 0.05 내지 0.6중량%인 알루미늄 합금 배선층.
  11. 제5항에 있어서, 알루미늄 합금 타겟의 스칸듐 함유량이 0.05 내지 0.6중량%인 알루미늄 합금 배선층의 제법.
  12. 제8항에 있어서, 스칸듐 함유량이 0.05 내지 0.6중량%인 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟.
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