KR930010064B1 - 반도체 장치 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 본 발명에 따른 반도체 장치의 한 실시형태를 나타내는 평면도이고,
제 2 도는 본 발명에 따른 반도체 장치의 한 실시형태를 나타내는 단면도이고,
제 3 도는 본 발명에 따른 반도체 한 장치의 실시형태의 요부를 나타내는 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 확산층
3 : 절연막 층 4 : 금속막 층
5 : 전극부 6 : Au 와이어
7 : 보호막 층 8 : Cu 리드 프레임
본 발명은 반도체 장치, 특히 고신뢰성과 고속 응답성을 갖는 반도체 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 반도체 칩상에 배치된 논리회로를 구성하는 금속막층을 개선된 금속재료로 만든 반도체 장치에 관한 것이다.
순수한 Al 또는 Al-Si계 합금은, 이들의 가공성이 높기 때문에, 반도체 칩상에 배치된 논리회로를 구성하는 금속막층 재료로서 사용되고 있다.
근년에 이르러, 반도체 칩의 고집적화의 수반하여 금속막층의 소형화가 이루어지고 있으며, 1㎛이하의 금속화 라인을 갖는, 금속화 두께가 약 1㎛인 금속막층이 형성이 요구되게 되었다.
그러나, 반도체 칩상에 배치된 금속막층의 단면적이 감소될 경우, 동작 지연시간의 증가에 기인하여 반도체장치 회로의 응답속도의 저하, 반도체 칩의 발열량의 증가, 반도체 칩상의 전류밀도의 증가에 수반하여 전기-이동의 진행에 기인하는 금속화 수명의 저하와 같은 심각한 문제가 야기된다.
따라서, 전극부 재료를 포함한 금속막층 재료는 전기 저항이 낮고 내열성이 높아야 하며 또한 내전기-이동성이 높아야 한다. 또한 금속막층 재료는 금속막층의 막 두께의 감속에 따라 수반하게 되는 부식에 내한 내성도 우수해야 한다.
그러나, 반도체 장치의 전극부 재료를 포함한 종래의 Al계 금속막층 재료는 전기저항이 높고 또한 내열성 및 내전기-이동성면에서 문제점을 갖고 있다.
이러한 문제점들을 피하기 위해, 일본국 특허공보 제294838/1986호에서와 같이, Al계 금속막층 재료보다 더 높은 전기전도성, 높은 내열성 및 높은 내전기-이동성을 갖는 반도체 장치용 Cu계 금속막층 재료가 개발되었다.
환언하면, Cu의 전기저항은 Al의 전기저항의 약 2/3이고, Cu의 융점(1083℃)은 Al의 융점(660℃) 보다 400℃이상 높다. 더우기, 전기-이동의 진행에 기인하는 Cu 재료의 동작 수명이 Al 재료의 동작 수명보다 훨씬 높다.
따라서, 반도체 칩상에 배치된 금속막층을 Cu 재료를 사용하여 반도체 장치를 제조할 경우, 반도체 장치의 고속응답성 높은 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그러나, Cu는 산화에 대한 내성과 부식에 대한 내성면에서 문제가 있다. Cu 표면상에 형성된 CuO와 Cu2O와 같은 산화막에 의한 산화의 보호 특성이 Al보다 낮기 때문에, Cu는 고온에서 산화를 더욱 받기 쉬우며, 니트로-히드로플루오르산 혼합물과 같은 산화성 용액중에서 더욱 용이하게 부식된다.
반도체 장치에 사용되는 반도체 칩에 배치하는 금속막층 재료는 반도체 장치를 제조하는 과정중에 고온가스 대기와 니트로-히드로플루오르산 혼합물과 같은 산화성 수용액 환경에 노출되고, 또한 높은 온도와 높은 습도하에서 습기에 대한 신뢰성 테스트를 하기 때문에, 내부식성도 높아야 한다.
그러므로 반도체 장치에 사용되는 금속막층 재료의 전기전도성, 내열성 및 내전기-이동성을 만족하면서 이들 재료의 부식에 대한 내성을 향상시키는 것이 중요한 기술과제가 되고 있다.
본 발명의 목적은 반도체 칩상에 배치된 금속막층의 전기전도성에 있어서 고속응답성을 얻을 수 있는 반도체 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 칩상에 배치된 금속막층의 내열성, 내전기-이동성 및 내부식성 면에서 높은 신뢰성을 얻을 수 있는 반도체 장치를 제공하는데 있다.
광의로 말하자면, 본 발명은 반도체 칩 내부의 금속막층 재료로서 Cu 보다 덜 귀한 금속원소를 함유하고 잔부는 Cu와 불가피한 불순물로 된 Cu 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치에 관한 것이다.
환언하면, 본 발명은 Cu 보다 덜 귀한 금속원소 미량을 전기전도성을 그다지 감소하지 않는 범위내에서 Cu에 첨가함으로써 Cu의 높은 전기전도성, 높은 내열성 및 높은 내전기-이동성을 저하하지 않고 내부식성을 향상시킨 Cu 합금을 금속막층 재료로서 사용하는 것을 특징으로 한다.
높은 고속 응답성과 높은 신뢰성을 갖는 반도체 장치는 반도체 칩상에 배치된 금속막층 재료를 사용함으로써 제공될 수 있다.
또한, 반도체 장치의 고속 응답성과 고신뢰성은 후술하는 바와 같은 금속막층에 사용되는 Cu 보다 덜 귀한 금속원소 미량을 함유하는 Cu 합금을 사용함으로써 향상시킬 수 있다.
반도체 칩 내부의 금속막층을 통해 흐르는 신호의 동작 지연시간은 반도체 장치의 고속 응답성을 결정하는 중요한 요인이 되며, 이 값은 금속막층의 전기 저항에 비례한다. 따라서, 이 동작 지연시간은 금속막층의 길이 그것의 비저항에 비례하고 금속막층의 금속화 라인에 반비례한다.
반도체 칩의 고집적화에 수반하여 금속화 라인의 감소에 기인하는 동작 지연시간의 저하를 감소시키기 위해서는 비저항이 낮은 금속막층 재료를 사용해야 한다.
Cu는 비저항이 1.7μΩcm이며, Al의 2.7μΩcm 보다 훨씬 낮기 때문에, 유리한 재료이다. Cu의 융점은 Al의 융점보다 약 400℃ 높아서 내열성면에서 더욱 유리하다.
또한, 내전기-이동성을 결정하는 요인이 되는 적층결함 에너지에 있어서도 Cu는 Al의 200erg/㎠보다 낮은 40erg/㎠이다. Cu는 상술한 바와 같이, 금속막층 재료로서 Al보다 더욱 우수한 특성을 갖고 있으나, 내부식성 면에서 문제가 있다.
Cu는 금속막층 형성후 어닐링 조건하에 400 내지 500℃ 온도의 대기중 시간당 수 ㎛가 산화되는데 비해, Al은 단지 수백 Å만이 산화된다. 수용액 환경에서도, Cu와 Al은 중성용액에서와 거의 동등한 내부식성을 갖고 있으나, 니트로-히드로플루오르산 혼합물과 같은 산화성 용액중에서 Cu는 Al보다 더 부식되기 쉽다.
금속의 내부식성은 금속 표면상에 형성된 산화막의 보호특성에 좌우되며, 그리고 Al 표면상에 형성되는 Al2O3로 주로 이루어진 산화막은 매우 안전한데 비해, Cu 표면상에 형성되는 CuO 또는 Cu2O는 산화성 환경하에서는 보호 특성이 낮다.
Cu의 내부식성을 향상시키기 위해, 각종의 내부식성 Cu 합금이 개발되어 있으나, 합금원소(들)을 합금 또는 이들 모든 합금들에 수퍼센트와 같은 고농도로 첨가하기 때문에, Cu의 높은 전기 전도성이 현저하게 저하되고 Cu의 비저항도 Al 보다 더 높아지게 된다.
상기한 내용으로부터 Cu의 우수한 특성을 저하시킴이 없이 Cu 내부식성을 향상시키기 위해 내부식성을 향상시키는 금속원소를 미량 첨가하는 것이 효과적이라는 것을 알수 있을 것이다.
첨가 금속원소로는 Cu 보다 덜 귀한 금속원소가 효과적이다. 덜 귀한 금속원소가 첨가된 Cu를 부식성 환경에 노출시킬 경우, Cu는 산화되지 않으나 첨가된 덜 귀한 금속원소는 선택적으로 산화되고 금속막층의 표면상에 그의 산화막을 형성하게 된다. 이 산화막은 보호성 박막으로 작용을 하며 기판 또는 기본층으로서 Cu의 부식을 억제한다.
첨가 금속원소의 예를 들면 Al, Be, Cr, Fe, Mg, Ni, Si, Sn 및 Zn이 포함되며, 상기한 그룹으로부터 선택된 금속원소 1종 이상을 첨가하는 것이 바람직하다.
Al을 Cu에 첨가할 경우, Al은 부식성 환경하에 선택적으로 산화되며, 표면상에 형성된 Al2O3는 Cu의 부식을 제한하는 작용을 한다. Al의 첨가량은 0.01 내지 0.5중량%가 바람직하다. Al의 첨가량이 이 범위 이하이면, 첨가효과는 나타나지 않으며, 그 첨가량이 이 범위 이상이면, 전기전도성이 Al 보다 낮아지게 된다. Al을 Cu에 첨가한 경우, Al은 고용액을 야기하고 강화성을 발휘하므로 기계적 강도가 증가하고 내전기-이동성이 향상할 수 있게 된다.
Be, Cr, Fe, Mg, Ni, Si, Sn 및 Zn의 각 금속원소는 Al과 마찬가지로, Cu에 첨가할 경우 선택적으로 산화되어, 각기 BeO, Cr2O3, Fe2O3+FE3O4, MgO, Ni2O3+Ni3O4, SiO2, SnO2및 ZnO를 주성분으로 하는 보호성 산화막을 형성하여 내부식성을 향상시킨다. 상기한 각 금속원소의 적합한 첨가량은 전기 전도성이 현저하게 저하되지 않는 범위내가 된다.
각 금속원소의 바람직한 범위는 Be의 경우 0.01 내지 0.2중량%, Cr의 경우 0.01 내지 0.3중량%, Fe의 경우 0.01 내지 0.2중량%, Mg의 경우 0.01 내지 0.3중량%, Ni의 경우 0.01 내지 0.5중량%, Si의 경우 0.01 내지 0.5중량%, Sn의 경우 0.1 내지 0.5중량%, Zn의 경우 0.01 내지 2중량%이다.
금속원소의 첨가량의 하한치는 내부식성 및 내전기-이동성을 향상시키는 최저농도에 해당하며, 금속원소의 첨가량의 상한치는 Cu 합금의 비저항이 Al의 비저항을 초과하지 않는 최대 허용량에 해당한다. Cu 합금의 비저항과 그의 첨가량간의 관계는 첨가되는 각 금속원소에 의해 달라진다.
첨가 금속원소중, Be, Cr 및 Fe는 Cu에 첨가한 경우 침전을 강화시키는 반면, Si, Sn 및 Zn은 고용액의 강화를 유발한다. 어느 경우에 있어서나, 기계적 강도는 증가하고 내전기-이동성은 향상된다.
첨가 금속원소중, Zn 및 Ni는 내부식성을 향상시키는데 있어서, 현저한 효과를 부여하며, 특히 Zn은 최대허용 첨가량이 높기 때문에 유리하다. 또한 Al은 금속막층 형성후, 어닐링 조건하에 400℃이상과 같은 고온환경에서 내부식성을 향상시킬 수 있는 효과를 부여한다.
상술한 금속원소 1종 이상이 첨가된 Cu 합금은 내열성, 내전기-이동성 및 내부식성이 우수하고 순수한 Cu와 거의 동등한 전기전도성을 갖는다. 이러한 Cu합금은 본 발명에 따라 반도체 칩 내부에 금속막층 재료로서 사용함으로써, 고속응답성과 고신뢰성을 갖는 반도체 장치를 얻을 수 있으며, 이 장치는 1㎛ 이하의 금속화 라인을 갖는 소형 금속막층을 형성시킨 경우에도 전기전도성, 내열성, 내전기-이동성 및 내부식성이 우수하게 된다.
본 발명에 따른 반도체 장치의 한 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.
제 1 도 및 제 2 도는 본 발명에 따른 반도체 장치의 한 실시형태를 나타낸 것이다. 제 1 도 및 제 2 도에서, 반도체 장치는 주로 Si 반도체 칩으로 구성된 기판(1)과, Si 반도체 칩(1)에 연결된 Au 와이어(6), Au 와이어(6)에 연결된 Cu 리드 프레임(8) 및 Si 반도체 칩(1), Au 와이어(6) 및 Cu 리드 프레임(8)에 캅셀충전하는 수지 또는 세라믹 패키징 재료(9)로 이루어진다.
제 3 도는 본 발명에 따른 반도체 장치의 요부를 나타낸 단면도이다.
제 3 도에서, 본 발명의 반도체 장치는 추가로 Si 반도체 칩(1)에 배치되고, P, As등과 같은 불순물이 도우프된 확산층(2)과, Si 반도체 칩(1)의 표면상에 배치되고, 윈도우가 뚫린, SiO2로 만들어진 절연막층(3), 절연막층(3)의 표면상에 배치되고, 미량의 금속원소를 함유한 Cu 합금을 스퍼터링하여 형성시킨 금속막층(4), 미량의 금속원소를 함유한 Cu 합금을 스퍼터링하여 형성시킨, 금속막층(4)의 전극부(5), 전극부(5)에서 결합된 Au 와이어(6) 및 PSG(포스포-실리케이트 유리)로 구성된 보호막층(패시베이션(passivation)막) (7)으로 이루어진다.
이하, 본 발명을 실시예로서 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
표 1은 Si 반도체 칩상에 4메가 D램의 0.8㎛ 마스크 패턴을 사용하여 스퍼터링에 의해 각종 조성을 갖는 금속막층을 형성시킨 반도체장치의 반도체 칩에 대한 특성시험을 행한 결과를 나타낸 것이다.
반도체 칩의 고속응답성은 시그날 펄스의 입출력간의 시간, 즉 동작지연시간을 측정하여 평가하였다.
고온 통전 단선율은 180℃에서 배선을 통해 106A/cm2의 전류가 흐르게 하는 고온전류 시험에 있어서의 500시간 경과후 내전기-이동성으로 측정하였다.
한편, 반도체 칩의 내습 신뢰성은 120℃의 온도와 95%RH(상대습도)에 각 시료를 방치하는 PCT(Pressure Cooker Test) 시험에 의해 250시간 경과후, 단선율로 평가하였다.
[표 1]
상기 표 1로부터 알수 있는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따라 금속막층 재료를 사용한 반도체 칩은 Cu 금속막층 재료를 사용한 반도체 칩과 거의 동등한 고속 응답성과 내전기-이동성을 갖고, Al계 금속막층 재료를 사용한 반도체 칩보다 훨씬 우수하였다.
한편으로, 반도체 칩의 내습 신뢰성을 Cu 금속막 재료를 사용한 비교예와 비교하였을때, 크게 향상하였으며, Al계 금속막층 재료를 사용한 반도체 칩과는 거의 동일하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 조성을 갖는 Cu 합금 금속막층을 사용함으로써 고속 응답성 및 고신뢰성을 갖는 반도체장치를 제공할 수 있다.
Cu 합금을 상술한 바와 같은 반도체 칩상에 배치된 금속막층에 사용할 경우, Al계 금속막층 재료를 사용한 경우보다 더 높은 내부식성, 내전기-이동성 및 고속 응답성을 갖는 반도체 장치를 얻을 수 있다.
Claims (8)
- 반도체 칩, 상기 반도체 칩상에 형성된 확산층, 상기 반도체 칩상에 형성된 절연막층, 상기 반도체 칩상에 형성된 금속막층, 상기 금속막층 상에 형성된 전극부, 상기 금속막층 상에 형성된 패시베이션(passivation)막, 상기 전극부에 연결된 와이어, 상기 와이어에 연결된 리드 프레임과, 상기 반도체 칩, 상기 패시베이션막 및 상기 와이어를 피복하는 패키지로 이루어진 반도체 장치에 있어서, 상기 금속막 층은 Si, 또는 Cu 보다 덜 귀한 금속원소를 함유하고, 잔부는 Cu와 불가피한 불순물로된 Cu 합금으로 만들어지고, 상기 Si, 또는 Cu 보다 덜 귀한 금속원소는 부식성 환경에 노출될 경우 상기 금속막층의 표면상에 보호산화막을 형성하며 ; 상기 Cu 합금중의 상기 Si, 또는 Cu 보다 덜 귀한 금속원소 함량의 상한선은 상기 Cu 합금의 비저항이 Al의 비저항 보다 낮아지도록 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기한 Cu 보다 덜 귀한 금속원소는 Al, Be, Cr, Fe, Mg, Ni, Si, Sn 및 Zn으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기한 Si, 또는 Cu 보다 덜 귀한 금속원소의 양은, 그의 함량이 Al 0.01 내지 0.5중량%, Be 0.01 내지 0.3중량%, Cr 0.01 내지 0.3중량%, Fe 0.01 내지 0.2중량%, Mg 0.01 내지 0.3중량%, Ni 0.01 내지 0.5 중량%, Si 0.01 내지 0.5중량%, Sn 0.1 내지 0.5중량% 및 Zn 0.01 내지 2중량 %가 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기한 Al, Be, Cr, Fe, Mg, Ni, Si, Sn, 및 Zn은 각기 Cu에 첨가될 경우 선택적으로 산화되어, 각기 Al2O3, BeO, Cr2O3, Fe2O3+Fe3O4, MgO, Ni2O3+Ni3O4, SiO2, SnO2및 ZnO를 주성분으로 하는 보호 산화막을 형성하여 내부식성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- Si 반도체 칩, 상기 Si 반도체 칩상에 형성된 확산층, 상기 Si 반도체 칩 상에 형성된 절연막층, 상기 Si 반도체 칩상에 형성된 금속막층, 상기 금속막층 상에 형성된 전극부, 상기 금속막 층상에 형성된 패시베이션 막, 상기 전극부에 연결된 Au 와이어, 상기 Au 와이어에 연결된 Cu 리드 프레임과 상기 Si 반도체 칩, 상기 패시베이션 막 및 상기 Au 와이어를 피복하는 수지 또는 세라믹 패키지로 이루어진 반도체 장치에 있어서, 상기 금속막층은 Si, 또는 Cu 보다 덜 귀한 금속원자를 함유하고 잔부는 Cu와 불가피한 불순물로 된 Cu 합금으로 만들어지고, 상기 Si, 또는 Cu 보다 덜 귀한 금속원소는 부식성 환경에 노출될 경우 상기 금속막층의 표면상에 보호산화막을 형성하며, 상기 Cu 합금중의 상기 Si, 또는 Cu 보다 덜 귀한 금속원소 함량의 상한선은 상기 Cu 합금의 비저항이 Al의 비저항 보다 낮아지도록 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 Cu 보다 덜 귀한 금속원소는 Al, Be, Cr, Fe, Mg, Ni, Si, Sn 및 Zn으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기한 Si, 또는 Cu 보다 덜 귀한 금속원소의 양은, 그의 함량이 Al 0.01 내지 0.5중량%, Be 0.01 내지 0.3중량%, Cr 0.01 내지 0.3중량%, Fe 0.01 내지 0.2중량%, Mg 0.01 내지 0.3중량%, Ni 0.01 내지 0.5중량%, Si 0.01 내지 0.2중량%, Sn 0.1 내지 0.5중량% 및 Zn 0.01 내지 2중량%가 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기한 Al, Be, Fe, Mg, Ni, Si, Sn 및 Zn은 각기 Cu에 첨가될 경우 선택적으로 산화되어 각기 Al2O3, BeO, Cr2O3, Fe2O3+Fe3O4, MgO, Ni2O3+Ni3O4, SiO2, SnO2및 ZnO를 주성분으로 하는 보호 산화막을 형성하여 내부식성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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