KR19990002476A - 금속배선 구조 - Google Patents

Abstract

알루미늄의 부식을 억제할 수 있는 금속배선 구조에 대해 개시된다. 이 구조는, Al-Cu 합금의 제1 배선층위에 ARC층을 구비한 금속배선 구조에 있어서, Al-Cu 합금의 제1 배선층과 ARC층 사이에 Cu가 함유되지 않은 Al 합금이 형성된 것을 특징으로 한다. 이에 따라, Al-Cu 합금층이 공기중에 노출되지 않게 되어 구리에 의한 알루미늄의 부식이 억제되기 때문에 반도체소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

금속배선 구조

본 발명은 금속배선 구조에 관한 것으로, 특히 부식을 억제할 수 있는 금속배선 구조에 관한 것이다.

알루미늄(Al) 소재는 반도체소자의 제작을 위한 여러 가지의 단위공정중 금속공정(metallization)에 널리 사용된다. 순수 알루미늄 뿐만 아니라 알루미늄 합금으로, 예컨대 Al-실리콘(Si), Al-구리(Cu), Al-Si-Cu, Al-티타늄(Ti), 그리고 Al-갈륨(Ga) 등이 콘택홀(contact hole) 매몰 및 배선 형성을 위하여 쓰이는데, 이렇게 알루미늄 합금을 사용하는 것은 소자의 전기적 특성을 향상시키고 신뢰성을 개선시키는 목적을 위해서이다. 이중에서, 실리콘(Si)을 첨가한 알루미늄 합금은 접합 스파이크(junction spike)를 억제하여 전기적 특성을 개선시키며, 구리(Cu)를 첨가한 알루미늄 합금은 Al₂Cu 형태로 그레인 바운더리(grain boundary)에 석출되어 알루미늄 원자의 마이그레이션(migration)을 방해함으로써 일렉트로마이그레이션(Electro- Migration:EM) 신뢰성 특성을 향상시키는 것으로 널리 알려져 있다.

이와 같은 알루미늄이나 알루미늄 합금을 배선의 재료로 사용하는 경우에서는 알루미늄의 부식(corrosion)이 문제가 되는데, 이 부식은 알루미늄층이 공기중에 노출됨으로써 발생되고 그 유형은 여러 가지로 다양하다. 예를들어, 금속배선의 패터닝 공정에서 주로 사용되는 소스 가스(source gas)인 BCl₃에 의해 염소(Cl)가 완전히 제거되지 않아 부식이 발생하기도 하고, 물기나 습한 분위기에서 알루미늄의 전위(potential) 차이에 의한 전기적인 부식(galvanic corrosion)이 발생하기도 한다.

특히, 전기적인 부식은 패키징(packaging)에서 와이어 본딩(wire bonding)을 위하여 패드를 오픈하게 되는데, 이때 알루미늄층(Cu를 첨가한 알루미늄 합금)이 드러나게 되고 Al₂Cu 석출물이 그레인 바운더리에 존재할 경우 그 주위 부분과 석출이 일어난 부분에서의 전위차로 인해 전기적인 부식이 발생한다. 다시말하면, 반도체소자의 패키징 단계에서 와이어 본딩을 하기 위하여 패드를 오픈하면 알루미늄층이 드러나게 되고, 이 드러난 알루미늄 패드에 접합물(solder)로 사용되는 금속 예컨대 Au 또는 Ag 등을 본딩하는데, 이때 공기중에 알루미늄층이 노출되기 때문에 수분을 흡수하게 되면 알루미늄의 용해(dissolution)가 일어남과 동시에 수소(H₂)가 방출(evolution) 된다. 알루미늄의 용해에 의해 생성된 AlO₂물질이 녹기 쉽기 때문에 알루미늄 부식이 발생하고, 접합물 금속으로 Au나 Ag를 사용할 때 알루미늄과의 전위 차이로 인해 알루미늄의 용해를 가속시키게 되어 부식이 증가한다. 이렇게 두 물질간의 전위 차이로 인해 생긴 부식을 전기적인 부식이라고 한다.

순수 알루미늄 보다 Al-Cu 합금의 경우가 콘택 홀 뿐만 아니라 배선의 일렉트로마이그레이션 신뢰성 특성을 개선시키기 때문에 대개의 경우 Al-Cu 합금을 사용하는데, 이를 도 1 및 도 2를 참조하면서 설명하기로 한다.

도 1은 알루미늄 부식이 발생하는 종래 배선구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 종래 배선구조에서의 알루미늄 표면을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 반도체기판위에 형성된 소정의 반도체소자(도시하지 않음)의 Al-Cu 합금의 제1배선층(10)위에 ARC층(Anti- Reflective Coating layer:12)이 형성되어 있고, 상기 ARC층(12)을 덮는 소정의 절연층(14)에 상기 제1배선층(10)을 노출시키는 콘택홀(16)이 형성되어 있다.

이와 같이 Al-Cu 합금을 사용할 경우 Cu 원자의 마이그레이션이 알루미늄 원자보다 빠르기 때문에, 도 2에 도시한 바와 같이 알루미늄 그레인 바운더리(20)로 구리가 마이그레이션되어 Al₂Cu(22)가 석출된다. 이 경우 위에서 설명한 것처럼 와이어 본딩시에 Al-Cu가 공기중에 노출되면 구리와 알루미늄의 전위 차이에 의해 순수 알루미늄의 경우보다 알루미늄의 용해가 가속되어 부식이 증가하는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, Al-Cu 합금을 제1배선층으로 사용하고자 할 때 상기 Al-Cu 합금의 배선위에 Cu가 함유되지 않은 Al 합금을 제2배선층으로 형성함으로써 패키징 동안 발생하는 알루미늄의 부식을 억제함과 동시에 신뢰성 있는 금속배선을 얻을 수 있는 금속배선 구조를 제공하는 것이다.

도 1은 부식이 발생하는 종래 배선구조를 나타낸 단면도이다.

도 2는 종래 배선구조에서의 알루미늄 표면을 나타낸 도면이다.

도 3은 알루미늄 부식의 발생을 억제한 본 발명에 따른 배선구조를 나타낸 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 배선구조에서의 알루미늄 표면을 나타낸 도면이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10...제1 배선층 11...제2 배선층

12...ARC층 14...절연층

16,17...콘택홀 20,30...알루미늄 그레인 바운더리

22...Al₂Cu 석출물

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명은, Al-Cu 합금의 제1배선층위에 ARC층을 구비한 금속배선 구조에 있어서, 상기 Al-Cu 합금의 제1배선층과 상기 ARC층 사이에 Cu가 함유되지 않은 Al 합금이 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.

도 3은 알루미늄 부식의 발생을 억제한 본 발명에 따른 배선구조를 나타내기 위한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 배선구조에서의 알루미늄 표면을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 반도체기판위에 형성된 소정의 반도체소자(도시하지 않음)의 Al-Cu 합금의 제1 배선층(10)위에 Al-Si 합금의 제2 배선층(11) 및 ARC층(12)이 차례로 형성되어 있고, 상기 ARC층(12)을 덮는 소정의 절연층(14)에 상기 제2 배선층(11)을 노출시키는 콘택홀(17)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 Al-Si 합금의 제2 배선층(11)은 패키징시에 패드가 오픈되어 Al-Cu 층이 공기중에 노출됨으로써 발생하는 알루미늄의 부식을 억제하기 위해 형성된 것으로, 패드 오픈시의 오버에치(over etch)를 감안하여 그 증착두께를 결정한다. 또한, 상기 Al-Si 합금인 제2 배선층만 노출되도록 콘택홀을 형성함으로써, Al-Cu 합금의 제1 배선층이 보호되어 도 4에 도시된 바와 같이 알루미늄 그레인 바운더리(30)에 석출물이 없다.

이상 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 금속배선 구조에 의하면, Cu가 함유된 알루미늄 합금을 배선층으로 사용하고자 할 때 ARC층 형성전에 Cu가 함유되지 않은 알루미늄 합금층을 상기 Al-Cu 합금층위에 형성한 후 패키징시 상기 Cu가 함유되지 않은 알루미늄 합금층만이 노출되도록 콘택홀을 형성함으로써, Al-Cu 합금층이 공기중에 노출되지 않게 되어 구리에 의한 알루미늄의 부식이 억제된다. 따라서, 반도체소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (2)

1. Al-Cu 합금의 제1 배선층위에 ARC층을 구비한 금속배선 구조에 있어서,

   상기 Al-Cu 합금의 제1 배선층과 상기 ARC층 사이에 Cu가 함유되지 않은 Al 합금이 형성된 것을 특징으로 하는 금속배선 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 Cu가 함유되지 않은 Al 합금은,

   Al-Si 합금인 것을 특징으로 하는 금속배선 구조.