JPH06140357A - 金属バリヤを形成させる方法 - Google Patents

金属バリヤを形成させる方法

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JPH06140357A
JPH06140357A JP35037891A JP35037891A JPH06140357A JP H06140357 A JPH06140357 A JP H06140357A JP 35037891 A JP35037891 A JP 35037891A JP 35037891 A JP35037891 A JP 35037891A JP H06140357 A JPH06140357 A JP H06140357A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低および一定な接触抵抗値を備えたVLSI
装置の相互接続システムを提供すること。 【構成】 本発明の相互接続システムは、シリコン表面
に付着させたTiW金属バリヤおよびTi金属バリヤに
よって構成されている。Ti/TiW/Al金属サンド
イッチの異方性エッチングプロセスが腐食や金属残留物
を生じないように行われる。TiW層とシリコン表面と
の間に挿入されたTi層が金属とP+ シリコンとの間の
接点抵抗を低下させる。このTi層はさらにTiW粒界
を通してシリコン表面にアルミニウムが移動するのをブ
ロックする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はVLSI装置の製造のバ
リヤ金属技術の分野に関する。
【0002】
【従来の技術】積層回路装置は、単結晶シリコン基板の
ような基板表面に導電体や絶縁体のパターン化された層
を形成する半導体処理技術で形成される。半導体基板に
形成された装置は金属層によって互いにリンクされる。
金属層は、相互接続、抵抗接続および金属/半導体間整
流接点に用いるための金属又は他の導電薄層のパターン
である。この金属層にはアルミニウムを用いるのが一般
的であるが、金、白金その他の金属を用いることもでき
る。さらに導電路を形成するために多結晶シリコンをも
用いることができる。
【0003】相互接続金属層又は接点層としてアルミニ
ウムを用いるのはいくつかの欠点がある。例えば、シリ
コン基板に形成された能動装置の電極領域への電気的接
触材としてアルミニウムを用いると、アルミニウムとシ
リコンとに相互拡散が生じる。これによって、ドープさ
れた領域と基板との間に形成される領域の下、すなわち
ソース又はドレイン領域の下のシリコン基板にアルミニ
ウムが移動する。その結果装置を短絡させる。そのう
え、アルミニウムに対してシリコンは相対的に固体溶解
度が高いので、装置製造過程のその後の高温によってア
ルミニウムの中にシリコンがとけ込んでゆく。また、シ
リコン基板の中にアルミニウムが増加し、シリコン基板
にアルミニウムのスパイクが生じる。このアルミニウム
のスパイクがシリコン基板のP−N接合を通過し、P−
N接合を破壊する。
【0004】装置の幾何学的大きさがサブミクロンのレ
ベルまで低下すると接点、相互接続の問題はより敏感に
なる。そのような好ましくない現象には高接触抵抗、浅
い接合による品位低下およびアルミニウムの移動を含
む。これらの問題を解決するために従来はバリヤ金属を
用いた相互接続システムが用いられていた。
【0005】アルミニウムの移動を減少させるための従
来の一つの方法は、アルミニウム層とシリコン基板との
間にチタニウム・タングステン(TiW)のようなバリ
ヤ層を形成させることであった。このチタニウム・タン
グステン合金はP−N接合を短絡するアルミニウムのス
パイクの形成を妨げる。
【0006】従来は、TiWは金属接点とシリコン層と
の間のバリヤ層として用いられていた。TiWは金属の
N+-ウエルへの良(低)接触抵抗を与えるには効果的で
あるが、金属のP+-ウエルへの接触抵抗を高く保つので
矛盾する。そのうえアルミニウムはTiW粒界を通って
移動することができるので、TiW層は接合スパイクを
完全に除去することはできず、装置の動作を低下させ
る。
【0007】低抵抗のアルミニウム接点を与える従来の
技術がデキスト( Dixit)の米国特許第 4,884,123号に開
示されている。ここにはチタニウム層、そのチタニウム
層の上に形成させたバリヤ層およびバリヤ層の上に形成
させた導電層を有する低抵抗接点が記載されている。こ
のデキスト特許ではTi層とTiW層とがシリコン基板
の上に形成されている。タングステンやモリブデンの他
の付加的な層はTiW層とアルミニウム層との間に形成
される。デキストの技法はTi/TiW/W/Alアー
キテクチャである。
【0008】接点アーキテクチャに関する他の従来技術
は米国特許第 4,927,505号のシャーマ(Sharma)の特許に
開示されている。シャーマはチタニウム−タングステン
−窒化物/チタニウム−タングステン/金(TiWN/
TiW/Au)パッケージング相互接続金属化技法を提
示している。
【0009】米国特許第 4,702,967号のブラック( Blac
k)の特許はTi/TiW/Au接触技法について述べて
おり、米国特許第 4,782,380号のシャンカー( Shanker)
特許にはバリヤ金属/導電体/バリヤ金属/Al技法で
ある多層導電体相互接触が記載されている。これらの従
来の接触アーキテクチャ技法の欠点はこれらの技法を実
施する上での処理の複雑さである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は低および一定な接触抵抗値を備えたVLSI装置の
相互接続システムを提供することである。本発明の他の
目的はアルミニウムの移動を効果的に防ぐことができる
VLSI装置の相互接続システムを提供することであ
る。本発明のさらに他の目的は金属のステップ状の被着
(metal-step coverage) をさらに改善したVLSI装置
の相互接続システムを提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の相互接続システ
ムはシリコンの表面にTiW金属バリヤだけでなくTi
金属バリヤ層を付着させることで形成されている。Ti
/TiW/Al金属サンドイッチ構造の異方性エッチン
グプロセスが腐食や金属残留物がない状態で行われる。
Tiw層とシリコン表面との間へのTi層の挿入は金属
とP+ シリコン接点との間の接点抵抗を減少させる。こ
のTi層によってTiWの粒界を通してシリコン表面へ
移動するアルミニウムをブロックすることが効果的に行
うことができる。金属とP+ 接点の良い接点抵抗を実現
するために本発明はシリコンの表面凝集を改善するプラ
ズマ・モード・エッチを採用している。このプラズマ・
モード・エッチは前のエッチングによってできたシリコ
ンの損傷を取り除く。本発明においては詳細なエッチン
グ処理が腐食や金属残留物を避けるようになされた。
【0012】
【実施例】アルミニウムの侵入を防止し、低電気接点抵
抗を与える相互接続システムについて説明する。以下の
説明においてアルミニウム層の厚み値やバリヤの厚み値
などの詳細を述べるが、当業者には分かるように、それ
らは本発明のよりよい理解のためのものであり、そのよ
うな詳細がなくても本発明は実施可能である。また、本
発明の説明を不必要に複雑にすることのないように、周
知の事項については記述を省略してある。
【0013】本発明の相互接続システムは、サブミクロ
ンのレベルの集積回路の技術分野において特に有用であ
る。相互接続の製造性および機能性に関する問題点は、
集積回路のデバイス密度の増大とともに多くなる。問題
点には、電気移動(electromigration、金属における電
流の影響下での質量移動)および金属のステップ状の被
着が含まれる。
【0014】半導体装置の寸法が小さくなるにつれて、
アルミニウム中の電流密度が高くなる。高電流密度によ
り、電気移動に起因したデバイス故障が発生し得る。電
気移動は、電子から正の金属イオンへのモーメントの移
動(transfer)により生じる。集積回路において薄い金属
導体中を高電流が通ると、ある領域には金属イオンが集
中し、他の領域には金属イオンの欠けた部分が形成され
る。金属イオンの集中は隣接する導体相互間でショート
を生じさせ、金属イオンの欠けは回路切断を生じさせ
る。考慮すべき他の問題は、アニール処理中に生じるこ
とがある、シリコン基板中へのアルミニウムのスパイク
である。
【0015】本発明の説明に入る前に従来の技術につい
て記述する。これらの好ましくない事項を解決する従来
の1つの方法は、アルミニウムとシリコン基板との間に
バリヤ層を加えることであった。しかし、そのバリヤ層
は、次の要求を満たしていなければならない。(1)バ
リヤ層がシリコンと低接点抵抗を形成すること。(2)
バリヤ層がアルミニウムと反応しないこと。(3)バリ
ヤ層の付着と形成が製造の全プロセスとともに成立する
ものであること。窒化チタニウム(TiN)やチタニウ
ムタングステン(TiW)のようなバリヤ金属が評価さ
れ、接触アニール温度に対して安定であることが判明し
ている。
【0016】図1Aないし図1Dに、従来技術における
接点の構成およびプロセス手法が例示されている。第1
A図には、トランジスタ,ダイオードのようなデバイス
12が形成されたシリコン基板を含む半導体10の断面
が示されている。ソースまたはドレイン(S/D)のウ
エル11がウエル12内に形成されている。ウエル11
は第1のドーパントタイプであり、ウエル12は第2の
ドーパントタイプである。第1の絶縁層14が半導体1
0上に形成される。絶縁層14は、好ましくは、2酸化
シリコンのフィールドオキサイド(Fox)から成る。
そのフィールドオキサイドの厚みは通常5000オング
ストロームである。フィールドオキサイドは、所望の接
点領域にわたっている窒化マスクを用いて付着される。
それから、そのような絶縁層は、通常900゜Cで20分
間アニールされる。
【0017】次に図1Bを参照して、ホウリン酸ケイ酸
塩ガラス(borophosphosilicate glass, BPSG )の第2の
絶縁層16が、第1の絶縁層14および半導体10上に
付着される。このBPSG層16は、通常6000〜1
0000オングストロームの厚みであり、熱的に稠密に
される。BPSG層16は、第1の絶縁層14を完全に
覆うが領域12上の接点孔を開口するように、パターン
化される。接点孔を開けるために、ウエットまたはドラ
イの接点エッチング法を用いてBPSG層がエッチング
される。部分的に貫通させるために、先ず、ウエット緩
衝オキサイドエッチング(wet buffered oxide etch) が
用いられる。それから、エッチングはリアクティブ・イ
オン・エッチャーで完了させられる。かかるエッチング
法を用いる理由は、BPSG層の表面層に十分な丸みを
持たせ、(S/D)ウエル11へと下がる垂直で十分な
側壁を得るためである。この方法により、改良されたス
テップ状の被着が得られる。ここで用いられるBPSG
の組成は典型的にはボロン2−5%およびリン酸2−5
%である。
【0018】BPSGは3成分オキサイド系B2O3-P2
O5-SiO2であり、分離とパシベーションおよび表面平
滑化に有用である。接点リフロー(contact reflow)のプ
ロセスにより、プロセスでの使用において、リンケイ酸
ガラス(phosphosilicate glass) のような他の材料より
も、BPSGはより魅力的な材料となる。異方性エッチ
ングの後では、接点孔は鋭い上部角部を有するので、充
填され難くなる。第2の熱的フローのサイクルでその鋭
い角部に、有効に丸みを持たせることにより、それに続
く金属箔による接点の付着域(contact cov
erage)が大幅に改善される。接点領域において使
用されるBPSGにより、より滑らかな表面の形状が生
成され、それにより、その後で付着される金属箔のステ
ップの被着が可能とされる。フローはBPSGの組成に
依存するので、基板の全域にわたるドーパントの均一性
を正確に制御することが、均一なフローとその結果とし
て得られる接点の寸法の制御を確実にするために必要で
ある。BPSGは、種々の異なるCVD(chemical vapo
r deposition) プロセスにより付着させることができ
る。
【0019】図1Cにおいて、接点開口にチタニウムタ
ングステン(TiW)層20が形成される。TiW層2
0は、P+ 領域11およびBPSG層16の上に付着さ
れる。 次に、アルミニウム層22がTiW層20上に
形成され、P+ 領域11に対する相互接続層として働
く。前述した如く、TiW層20により、金属と接点と
の抵抗が減少されるが、アルミニウムはなおTiWの粒
界を通して移動できるから、接続部スパイクを防止する
ことにはならない。
【0020】図2に本発明による接点の構成を示す。本
発明のプロセスにおける最初のステップは、従来の方法
の図1のAおよびBと同様である。図1AおよびBと相
違する点は、図1Aのステップの後に、接点領域に対し
て200〜300オングストロームのシリコンエッチン
グが採用されることである。これは、接点表面からおお
よそ400オングストローム下においてボロンの密度の
ピークが通常は見られるので、金属とP+ の接点抵抗の
抵抗値を下げるために行われる。$図2Aを参照する
と、チタニウム(Ti)18の薄いバリヤ層が、BPS
G層16および領域12上の接点開口に付着されてい
る。好ましい実施例においては、Ti層はおおよそ25
0オングストローム厚であり、ヴァリアン(varian)32
90のようなスパッタリング・システムにより接点領域
に付着される。実施に際して、Ti層は、連続層の形成
に充分な厚みを持つべきであるが、シリコン中に応力に
よる破面および転移(stress fracture and dislocatio
n)を生じさせる程に厚くすべきではない。200〜50
0オングストロームの範囲のTi層が使用される。Ti
層は、シリコン基板の表面に接着する点で極めて優れて
いる。これは、続いて行われる、薄いケイ珪素化合物層
の形成のための熱処理中に、Ti層がシリコンと反応す
るからである。250オングストロームのTi層を接点
に付加することにより、金属とP+ の接点抵抗の抵抗値
の確実な低下の達成も促進される。Ti層は、P+ の接
点抵抗の効果的な減少に加えて、N+ 接点の低抵抗も維
持される。TiWのバリヤは、Ti層に結合されると、
その特性が著しく改善される。なぜなら、TiWの粒界
を通してのシリコン表面へのアルミニウムの移動をTi
層により阻止することが、効果的に改善されるからであ
る。
【0021】図2Bに示されるように、薄いTi層上に
チタニウムタングステン(TiW)20が付着される。
この実施例ではチタニウムタングステンが使用されてい
るが、窒化チタニウムを含む他のバリヤ層も利用でき
る。10%のTiを含むTiW層が、この実施例の最も
典型的なバリヤの組成である。TiW層の厚みは約10
00オングストロームであり、このバリヤ金属は、金属
とN+ の接点および金属とポリシリコンの接点に対し
て、極めて優れた接点抵抗を呈する。TiWの薄層は、
Ti層と異なって大変に等方性(conformal) であり、ス
テップ状の被着の実現を確保する。図2Cは、約650
0オングストロームのアルミニウム22がTiW層に付
着されて、完成した相互接続システムを示す。アルミニ
ウムとTiW層はTi層とともに、ヴァリアン3290
スパッタリング・システムによって1サイクルの一連の
ステップで付着される。
【0022】バリヤ金属のサンドイッチ(Ti/TiW
/Al)の付着が終わると、そのTi/TiW/Alの
サンドイッチに対して十分に異方性のエッチングプロセ
スが適用される。所望の接点領域上のフォトレジストを
パターン化した後において、エッチングプロセスの第1
のステップとして自然酸化物のエッチングが、アルミニ
ウムの自然酸化物を突き破るために行われる。この自然
酸化物のエッチングでは、BCl3 およびCl2 が、高
直流バイアス(220V)下、25mtorrで、約
2.5分間使用される。
【0023】第2のステップはアルミニウム本来のエッ
チングで、アルミニウム薄層の主たるエッチャントとし
ては塩素が用いられる。BCl3 も、優れたスカベンジ
ャーであるから、塩化物の揮発の促進に使用される。小
量のフレオン23が、エッチング操作中にアルミニウム
の側壁にポリマーを形成させるために使用され、それが
腐食の制御に著しく役立つ。より高い直流バイアスと低
い気圧という条件が異方性の達成のために用いられる。
エッチングプロセスのこの第2のステップが(検出器に
よりアルミニウムのエッチングの終りが合図されること
により)終了点に自動的に至る時点では、ウエハのTi
W薄層上のアルミニウムは殆ど除去されている。エッチ
ングされる不均一性と形状とに起因する残留金属ストリ
ンガーの全てを除去するために、アルミニウムをオーバ
ー・エッチングする第3のステップが行われる。ウエハ
上に残されたアルミニウム薄層の量は最小にされている
から、塩素反応種(chlorine reative species)の正味必
要量も減少している。それ故、小量の塩素が使用され
る。これにより、過剰な塩素反応種に起因する腐食を避
けることができる。BCl3 および小量のフレオン23
もこのオーバー・エッチングにおいて用いられる。
【0024】エッチングプロセスの第4のステップは、
チタニウムタングステンおよびチタニウム層のエッチン
グである。タングステン塩化物に比べてタングステンフ
ッ化物がより揮発性であるので、TiWのエッチングに
はフレオン14が使用される。より高い直流バイアスと
低い気圧という条件が、アルミニウムに関連する異方性
の達成のために用いられる。強いイオン照射が薄いチタ
ニウム層のスパッタ・エッチングに役立つ。
【0025】エッチングプロセスの第5のステップは、
チタニウムのオーバー・エッチングである。チタニウム
・ストリンガーの除去のためにCl2 が使用される。チ
タニウム塩化物はより揮発性だからである。このオーバ
ー・エッチングではBCl3およびフレオン14も使用
される。チタニウムのオーバー・エッチングの後で、湿
分に関連した腐食の回避のための、側壁のポリマー形成
をさらにするのに、パシベーション・エッチングが必要
とされる。フレオン23がこのパシベーション・エッチ
ングに用いられる。
【0026】TiW上のAlおよび酸化層上のTiWに
対して終了点が自動的に得られる。さらに、TiWはア
ルミニウムに対して極めて優れたエッチング・バリヤで
あり、必要なだけのオーバー・エッチングをすることが
できる。
【0027】図3Aおよび図3Bは、金属とN+ の接点
抵抗、および、金属とP+ の接点抵抗を、3つの相異な
る相互接続構造について示すグラフである。これらの図
には、それぞれ2つの別のケース(ケルビン(Kelvin)・
ケースと接点ストリング((Contact String)・ケース)
が示されている。接点ストリング・ケースは、接点の直
列配列の総計の接点抵抗を示す。グラフの結果は相互接
続された接点の組合せの総計の抵抗を表す。接点抵抗の
決定に好ましいやり方であるケルビン・ケースは、単一
の接点の抵抗を示す。2つのグラフから、Ti/TiW
/Alバリヤのものだけが、N+ シリコン領域およびP
+ シリコン領域の双方に対して低い(100オーム未
満)の接点抵抗を呈することが分かる。チタニウム層
は、TiW/Alの相互接続のものに付加されてもN+
接点抵抗には何の効果も与えないから、TiW/Alの
相互接続のものに付加されるとP+ 領域に対する接点抵
抗を著しく安定化し減少させる。
【0028】図4は、3つの異なる相互接続構造(A
l、 TiW/Al、 Ti/TiW/Al)における
ジャンクション・リーケイジの大きさを示す。Ti/T
iW/Alの相互接続システムのジャンクション・リー
ケイジが、ピコアンペア(picoamps)のオーダーであっ
て、他の相互接続システムに比べてより低くより一致し
た値であることが示されている。TiW/Alが450
゜Cに30分以上置かれると不安定になることは、当業者
には知られている。TiWは、450゜CでAlと反応し
始め、金属シート抵抗値の25%増大から確認できるよ
うに、TiAl3 およびWAl12なる化合物を形成す
る。450゜Cにおいて、アルミニウムもまた、TiWの
粒界を通して移動を開始する。本発明により付加される
薄いチタニウム層は、アルミニウムがシリコンへ移動す
ることを効果的に阻止するのである。以上、金属接点に
ついて説明した。
【0029】
【発明の効果】以上のように本発明方法によればチタニ
ウム層を形成させたその上にバリヤ層および金属層を形
成させたので、チタニウム層によってアルミニウムがシ
リコンに侵入するのを防ぐことができ、そのうえシリコ
ンと金属との接点抵抗を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の金属バリヤ処理技法を図示した断面図で
ある。
【図2】本発明の金属バリヤ処理方法を図示した断面
図。
【図3】従来技術と本発明とで得られる装置の接点抵抗
値を示すグラフである。
【図4】従来技術と本発明とで得られた装置の接合リー
ク値を示すグラフである。
【符号の説明】
10 装置 11、12 ウエル 14 第1絶縁層 16 ケイ酸ガラス 18 Ti層 20 TiW層 22 アルミニウム層
【手続補正書】
【提出日】平成4年9月24日
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【図2】
【図4】
【図3】

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 以下の各過程を有する積層装置を作成す
    る際の相互接続システムのための金属バリヤを形成させ
    る方法。第1導電タイプの基板に第2導電タイプの第1
    の埋込層を形成する過程。前記第1の埋込層にインプラ
    ントして前記第1導電タイプの接点領域のウエルを形成
    させる過程。前記接点領域の部分をエッチングで除去す
    る過程。前記基板上に第1酸化物層を形成させ、前記埋
    込層の部分からその第1酸化物層をエッチングで除去す
    る過程。前記第1酸化物層の上にケイ酸ガラス層を形成
    させ、前記接点領域からそのケイ酸ガラスをエッチング
    で除去する過程。前記ケイ酸ガラス層および前記接点領
    域の上にチタニウム層を形成させる過程。前記チタニウ
    ム層の上に金属バリヤを形成させる過程。前記金属バリ
    ヤの上にアルミニウム層を形成させる過程。前記アルミ
    ニウム、金属バリヤおよびチタニウムの各層を前記接点
    領域にのみ残すように整形する過程。
  2. 【請求項2】 以下の各過程を有する積層装置を作成す
    る際の相互接続システムのための金属バリヤを形成させ
    る方法。第1導電タイプの基板に第2導電タイプの第1
    の埋込層を形成する過程。前記第1の埋込層にインプラ
    ントして前記第1導電タイプの接点領域のウエルを形成
    させる過程。前記接点領域の部分をエッチングで除去す
    る過程。前記基板上に第1酸化物層を形成させ、前記バ
    リヤ層の部分からその第1酸化物層をエッチングで除去
    する過程。前記第1酸化物層の上にケイ酸ガラス層を形
    成させ、前記接点領域からそのケイ酸ガラスをエッチン
    グで除去する過程。前記ケイ酸ガラス層および前記接点
    領域の上にチタニウム層を形成させる過程。前記チタニ
    ウム層の上に金属バリヤを形成させる過程。前記金属バ
    リヤの上にアルミニウム層を形成させる過程。前記アル
    ミニウム、金属バリヤおよびチタニウムの各層を前記接
    点領域にのみ残すように下記の工程で整形する過程。ア
    ルミニウムの天然酸化物を除去する天然酸化物エッチン
    グ工程。塩素、BCl3およびフレオン-23を用いてアル
    ミニウムをエッチングする工程。アルミニウムのオーバ
    ー・エッチング工程。フレオン-14を用いてTi/金属
    バリヤをエッチングする工程。フレオン-14、BCl3お
    よびCl2 を用いてTiストリンガーを除去するためT
    iをオーバーエッチングする工程。腐食を防ぐためフレ
    オン-23 を用いてパシベーションをエッチングする工
    程。
JP3350378A 1990-12-11 1991-12-11 半導体集積装置の接続用回路パターンの形成方法 Expired - Lifetime JP2818804B2 (ja)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60227469A (ja) * 1984-04-26 1985-11-12 Nec Corp 半導体装置
JPH01304727A (ja) * 1988-06-02 1989-12-08 Sony Corp 半導体装置の製造方法
JPH0243726A (ja) * 1988-08-03 1990-02-14 Fujitsu Ltd 接続配線形成法
JPH02186626A (ja) * 1989-01-13 1990-07-20 Nec Corp 半導体集積回路の製造方法

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