JP2000315727A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2000315727A
JP2000315727A JP11197180A JP19718099A JP2000315727A JP 2000315727 A JP2000315727 A JP 2000315727A JP 11197180 A JP11197180 A JP 11197180A JP 19718099 A JP19718099 A JP 19718099A JP 2000315727 A JP2000315727 A JP 2000315727A
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metal layer
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Naoki Izumi
直希 泉
Masao Matsuoka
政夫 松岡
Makoto Kotani
誠 小谷
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Rohm Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高集積化により低抵抗な配線が要求される半導
体装置において、パターン通りの銅配線を簡単に形成す
る半導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】基板1上の絶縁膜2の表面をフッ酸に対し
て耐性のある保護膜3で覆う。その保護膜3および絶縁
膜2にコンタクト孔4を設ける。そのコンタクト孔4に
より露出する部分および保護膜3上にTiNなどのバリ
ア材料膜5aを形成して配線パターンにパターニングす
ることによりバリアメタル層5を形成する。そのバリア
メタル層が形成された半導体基板を、銅を析出可能な触
媒材料とフッ酸との混合溶液に浸漬することにより、バ
リアメタル層5上に触媒材料(Pd層6)を付着させ、
その後、半導体基板を銅の電解溶液に浸漬することによ
りバリアメタル層5上に銅配線7を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路
(IC)やLSIのように微細配線が形成される半導体
装置の製造方法に関する。さらに詳しくは、微細化に伴
って要求される配線抵抗を小さく抑えられる銅配線を、
CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械
的研磨)法を用いたダマシン技術によらずに形成するこ
とができる半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の高集積化に伴い、配線のさ
らなる微細化が要求されてきており、この配線の微細化
による配線抵抗の増大を抑えるため、配線材料として、
従来から適用されてきたアルミニウムに代えて、より導
電性の高い銅を適用することが検討されている。
【0003】銅配線は、銅がドライエッチングなどによ
る微細なパターニングが困難であることから、いわゆる
ダマシン技術によって形成される。このダマシン技術に
よる銅配線の形成工程は図2に示されている。まず、図
2(a)に示すように、半導体基板21の上の絶縁膜22
にコンタクト孔24が設けられるとともに、絶縁膜22
の銅配線を埋設すべき部分がエッチングされることによ
り溝23が形成される。次に、図2(b)に示すように、
コンタクト孔24および溝23内に銅の拡散を防止する
バリアメタル層25が形成され、その後、たとえばスパ
ッタリング法などにより全面に銅膜27aが成膜され
る。次いで、CMP法による銅膜27aを研磨処理を行
い、溝23やコンタクト孔24などの凹んだ部分のみに
銅膜27aが残存する状態で研磨処理を終了して、溝2
3およびコンタクト孔24内にのみ銅膜27aを残存さ
せることにより、図2(c)に示すように、銅配線27が
形成される
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、高集積
化した半導体装置に銅配線を用いようとすると、CMP
処理を行わなければならず、ディッシング(さら型にな
って中央部が凹む)や、エロージョン(erosion)などと
いった加工性の問題が生じると共に、非常に工数がかか
り、プロセスコストが高いという問題がある。
【0005】また、このような銅膜の成膜法として、電
解めっき法により成膜することが考えられる。電解めっ
き法では、給電層として考えられるバリアメタル層の比
抵抗が大きいため、析出するCu粒子数が少ない。その
ため、バリアメタル層上にCuからなるシード層を形成
しておく必要があり、余分な工程が増えてしまう。ま
た、シード層の形成法であるスパッタ法では、微細デバ
イスになるにつれ、コンタクト部分などに十分なカバレ
ッジを得にくく、CVD(chemical vapor depositio
n:化学蒸着)法ではプロセスコストが高いという問題
がある。
【0006】そこで、この発明の目的は、上述の技術的
課題を解決し、プロセスコストを低減させることができ
る半導体装置の製造方法を提供することである。また、
この発明の他の目的は、高集積化により微細かつ低抵抗
な配線が要求される半導体装置において、パターン通り
の銅配線を簡単に形成できる半導体装置の製造方法を提
供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの請求項1記載の発明は、半導体基板上の下地層の表
面に無電解めっきにより銅配線を形成して半導体装置を
製造するための方法であって、上記下地層の表面に配線
パターンに対応したバリアメタル層を形成する工程と、
上記バリアメタル層を溶かすことができ、かつ、上記下
地層を溶かすことができない溶媒に、無電解めっきにお
ける銅析出反応の触媒となる材料を溶かしてなる溶液と
上記バリアメタル膜とを反応させて、上記触媒となる材
料を上記バリアメタル層上に核づけする核づけ工程と、
この核づけ工程の後に無電解めっきを行うことにより、
上記触媒となる材料が核づけされたバリアメタル層上に
銅配線を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体
装置の製造方法である。
【0008】この方法によれば、下地層の表面に配線パ
ターンに対応したバリアメタル層を選択的に形成した
後、バリアメタル層を溶かすことができ、かつ、上記下
地層を溶かすことができない溶媒に触媒材料を溶かして
なる溶液とバリアメタル膜とを反応させることにより、
触媒材料をバリアメタル層上に析出させて核づけするこ
とができる。ゆえに、この触媒材料の核づけ処理の後、
その触媒核を反応開始層とする銅の無電解めっきを行う
ことにより、バリアメタル層上に銅配線を形成すること
ができる。
【0009】しかも、めっき液中の銅イオンは触媒材料
が核づけされた部分、すなわちバリアメタル層上にしか
析出しないため、この部分のみに銅配線が形成され、触
媒材料が核づけされていない下地層上に銅配線は形成さ
れない。そのため、予めバリアメタル層を所望の配線パ
ターンに対応するパターンに形成しておけば、エッチン
グやCMPなどの処理を行うことなく、所望する銅配線
のパターンを得ることができる。
【0010】また、CuCMP処理を行う必要がないか
ら、ディッシングやエロージョンといったCMP特有の
加工上の問題を生じることなく、非常に少ない工程数で
比較的抵抗の小さい銅配線を所望のパターンに形成する
ことができる。ゆえに、LSIなどの半導体装置に要求
される微細かつ低抵抗な配線を良好に形成することがで
き、半導体装置のさらなる高集積化に寄与することがで
きる。
【0011】なお、請求項2のように、上記下地層には
コンタクト孔が形成されており、上記銅配線は、上記コ
ンタクト孔により露出する部分に接続されていてもよ
い。また、請求項3のように、上記溶媒は、HF、HN
3、NH4F、H2SO4またはHClを含む酸であるこ
とが好ましい。さらに、上記溶媒がHF(フッ酸)であ
る場合には、上記下地層をHFに対して耐性のある材料
で構成することが好ましい。一方、上記溶媒がHN
3、NH4F、H2SO4またはHClを含む酸である場
合には、上記下地層はシリコン系絶縁材料からなること
が好ましく、このシリコン系絶縁材料としては、Si
N、SiON、SiO2、SiOF、BPSG(bron-pho
sho-silicate-grass)、USG(Undoped-silicate-gras
s)またはPSG(phosho-silicate-grass)であることが
好ましい。
【0012】また、請求項4のように、上記バリアメタ
ル層は、Ta、Hf、TiSiN、TaSiN、WSi
N、またはTi、Ta、Zr、W、V、Nb、Hfもし
くはMoの窒化物を含む材料からなることが好ましい。
さらに、請求項5のように、上記触媒となる材料は、P
d、Ag、Pt、CuまたはAuを含む金属であること
が好ましい。
【0013】さらにまた、半導体基板上の絶縁膜にコン
タクト孔を設け、このコンタクト孔により露出する部分
に接続するとともに上記絶縁膜上に配線を形成する半導
体装置の製造方法において、上記絶縁膜がフッ酸に対す
る耐性を有していない材料(たとえばSiO2)で構成
されている場合には、上記絶縁膜の表面をフッ酸に対し
て耐性のある材料からなる保護膜により覆い、その保護
膜上にバリアメタル用材料を成膜して配線パターンにパ
ターニングすることによりバリアメタル層を形成した
後、バリアメタル層が形成された半導体基板を、銅を析
出可能な触媒材料とフッ酸との混合溶液に浸漬すること
により、上記バリアメタル層上に触媒材料を付着させ、
さらに、その半導体基板を銅の電解溶液に浸漬すること
により上記バリアメタル層上に銅配線を形成することが
好ましい。
【0014】この場合、バリアメタル層として、Ti、
Ta、Zr、W、V、Nb、HfおよびMoよりなる群
から選ばれる少なくとも1種の金属の窒化物からなるこ
とが好ましく、上記触媒材料が、Pd、Ag、Pt、C
uおよびAuよりなる群から選ばれる少なくとも1種の
金属であることが好ましい。
【0015】
【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を、添付図面を参照して詳細に説明する。この発明の一
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、通常の製造工
程でトランジスタなどの半導体素子を種々形成するとと
もに、素子間を接続したり、素子と電極パッドなどとを
接続したりするため、下地層としての保護膜上に配線を
形成する場合の配線の形成方法に特徴がある。したがっ
て、以下では、この配線を形成する工程について詳しく
説明をするが、それ以外の半導体素子の製造方法などに
ついては通常の製造方法を種々採用することができる。
【0016】図1は、この発明の一実施形態に係る半導
体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。まず、
図1(a)に示すように、たとえば半導体基板1の上に設
けられたSiO2などからなる層間絶縁膜2の表面に、
たとえばCVD法などにより、たとえばSi34などの
フッ酸(HF)に対して耐性のある材料からなる保護膜
3を成膜する。この保護膜3は、後述する銅析出反応の
触媒核を付着させるための処理において、たとえばSi
2などからなる層間絶縁膜2がHFによって腐食され
るのを防止するためのもので、層間絶縁膜2の腐食を防
止できる範囲で薄い程好ましい。たとえばその厚さは5
0nm程度に設けられる。その趣旨から、保護膜3の材
料としては、上記したSi34の他にも、たとえばSi
ON、アモルファスカーボン、TaO2、TiO2、Al
23、AlNなどを使用することができる。
【0017】次いで、保護膜3の表面にフォトレジスト
膜(図示せず)を形成し、そのフォトレジスト膜のコン
タクト孔4を形成すべき領域を目抜いた後、このフォト
レジスト膜をマスクとする層間絶縁膜2および保護膜3
をエッチングを行うことにより、半導体基板1に接続さ
れたコンタクト孔4を形成する。次に、図1(b)に示す
ように、コンタクト孔4内を含む表面全域にバリアメタ
ル層用のバリア材料膜5aを成膜する。このバリア材料
膜5aは、たとえばスパッタリング法やCVD法などに
より、表面全域に数nm〜数十nm程度の厚さに成膜さ
れる。
【0018】バリア材料膜5aは、銅配線の銅および半
導体基板1のSiが層間絶縁膜2などを介して相互に拡
散するのを防止すると共に、後述する銅の無電解めっき
をする下地とするものであり、銅およびSiの相互拡散
を防止するため、たとえばTiNやTaNなど、Ti、
Ta、Zr、W、V、Nb、HfまたはMoなどの金属
の窒化物を用いて形成することができる。また、バリア
材料膜5aは、TaまたはHfの単体を用いて形成する
こともできるし、TiSiN、TaSiN、WSiNな
どを用いて形成することもできる。
【0019】こうしてバリア材料膜5aを成膜した後、
バリア材料膜5aの表面にレジスト膜11を成膜し、写
真食刻技術により配線パターンの形状にレジスト膜11
をパターニングをする。なお、コンタクト孔4が、図1
に示すように、半導体基板1に直接配線を接続するため
のコンタクト孔である場合は、バリア材料膜5aを形成
した後に、急速加熱(RTA)により600〜800℃
程度で、1分程度の熱処理を施すことにより、半導体基
板1のSiと合金化させ、シリサイドを形成することが
コンタクト抵抗低減の点から好ましい。
【0020】次に、フォトレジスト膜11をマスクとし
て、ドライエッチングまたはウエットエッチングなどの
エッチングプロセスを行うことにより、図1(c)に示す
ように、バリア材料膜5aを所望の配線パターンにエッ
チングしてバリアメタル層5を形成する。その後、バリ
アメタル層5上に残存するフォトレジスト膜11を除去
する。そして、バリアメタル層5が形成された半導体基
板1を触媒材料であるPd(パラジウム)をフッ酸に溶
かしてなる溶液中に浸漬することにより、バリアメタル
層5の表面にPdを析出させてPd層6を形成する。こ
のPd層6の形成(Pdの析出)は、次式(1)、(2)のよ
うな反応により達成される。
【0021】 Ti+6HF→H2[TiF6]aq+2H2↑+4e- ・・・・・・(1) Pd2++2e-→Pd↓ ・・・・・・(2) すなわち、上記溶液中に存在するPd2+イオンは、バリ
アメタル層5から電子e-の提供を受け、このバリアメ
タル層5上に析出する。溶解反応が生じない保護膜3の
露出部においては、このようなPdの析出が生じず、結
果として、バリアメタル層5の表面にのみPdの選択的
核づけがなされることになる。
【0022】次いで、Pd層6が形成された半導体基板
1を、銅イオンを含むめっき液に浸漬させて、Pd層6
を反応開始層とする銅の無電解めっきを行うことによ
り、図1(d)に示すように、バリアメタル層5上に銅配
線7を所望の配線膜厚なるように成膜する。この銅配線
7の成膜は、次式(3)のような還元反応により達成され
る。
【0023】Cu2++2e-→Cu ・・・・・・(3) この還元反応は、Pdのような触媒材料が核づけされた
部分のみで反応が促進される。したがって、銅配線7
は、Pdの核づけがなされていない部分、すなわち、バ
リアメタル層5が形成されていなくて保護膜3の露出し
ている部分には形成されず、パターニングされたバリア
メタル層5上のみに形成される。したがって、エッチン
グなどの処理を行うことなく、銅配線7を所望の配線パ
ターンに形成することができる。
【0024】なお、銅配線7を形成するための無電解め
っきは、Pd層6が形成された半導体基板1にめっき液
をスプレーすることにより達成されてもよい。以上のよ
うにこの実施形態によれば、配線パターンに対応したバ
リアメタル層5が形成された半導体基板1を、触媒材料
としてのPdをフッ酸に溶かしてなる溶液中に浸漬させ
て、バリアメタル層5上にPd層6を形成した後、その
Pd層6を反応開始層とする銅の無電解めっきを行うこ
とにより、バリアメタル層5上に銅配線7を形成するこ
とができる。
【0025】しかも、めっき液中の銅イオンはPdなど
の触媒材料が核づけされた部分、すなわちバリアメタル
層5上にしか析出しないため、この部分のみに銅配線7
が形成され、触媒材料が核づけされていない保護膜3上
には銅配線7は形成されない。そのため、予めバリアメ
タル層5を所望の配線パターンに対応するパターンに形
成しておけば、エッチングやCMPなどの処理を行うこ
となく、所望する銅配線7のパターンを得ることができ
る。
【0026】また、CMP処理を行う必要がないから、
ディッシングやエロージョンといったCMP特有の加工
上の問題を生じることなく、非常に少ない工程数で比較
的抵抗の小さい銅配線7を所望のパターンに形成するこ
とができる。ゆえに、LSIなどの半導体装置に要求さ
れる微細かつ低抵抗な配線を良好に形成することがで
き、半導体装置のさらなる高集積化に寄与することがで
きる。
【0027】さらに、層間絶縁膜2上に形成された下地
層としての保護膜3は、窒化膜などのフッ酸に耐性のあ
る材料を用いて形成されているので、バリアメタル層5
への触媒材料の核づけ処理の際に、フッ酸により層間絶
縁膜2が腐食を受けるおそれがない。なお、この実施形
態では、フッ酸による層間絶縁膜2の腐食を防止するた
めに、フッ酸に対する耐性を有する材料からなる保護膜
3を設けている。しかしながら、層間絶縁膜2が、たと
えばSiNのようなフッ酸に対して耐食性を有する材料
で構成されている場合には、保護膜3を設ける必要はな
く、保護膜3を形成するための工程を省略することがで
きる。
【0028】また、異なる観点から見ると、バリアメタ
ル層5を溶かすことができ、かつ、下地層としての層間
絶縁膜2または保護膜3を溶かすことができない液を溶
媒とし、この溶媒に無電解めっきにおける銅析出反応の
触媒となる材料を溶かしてなる溶液を用いて、バリアメ
タル層5への触媒材料の核づけを行えば、層間絶縁膜2
または保護膜を、上記したSi34のような窒化物、S
iON、アモルファスカーボン、TaO2、TiO2、A
23またはAlN以外の材料で形成することができ
る。たとえば、バリアメタル層5がTiNからなる場合
には、上記触媒となる材料を溶かすための溶媒として、
たとえばHNO3、NH4F、H2SO4またはHClを用
いることができ、このとき、下地層としての層間絶縁膜
2または保護膜3の材料として、上記の物質以外に、た
とえばSiN、SiON、SiO2、SiOF、BPS
G、USGまたはPSGなどのシリコン系絶縁材料を用
いることができる。
【0029】また、バリアメタル層5の材料としてTi
Nを用いたが、上記したTaNなどの他の種類の金属の
窒化物やTaまたはHfの単体、TiSiN、TaSi
N、WSiNなどを用いた場合でも、上記式(1)、(2)に
示す置換反応と同様な反応が生じて触媒材料の核づけを
行うことができ、また、銅およびSiの相互拡散を防止
するというバリア機能を果たすことができる。
【0030】さらに、この実施形態では、触媒材料とし
てPdを用いたが、Pd以外にもAg、Pt、Cu、A
uなどを用いることができる。また、半導体基板1上に
コンタクト孔4を形成し、このコンタクト孔4を介して
半導体基板1に接続された配線を形成する場合を取り上
げているが、第1層配線上にコンタクト孔を設け、この
コンタクト孔を介して第1層配線に接続された第2層配
線を形成する場合にも、この実施形態に係る製造方法を
同様に適用することができる。この場合、バリアメタル
層5を形成するためのバリア材料膜5aを設けた後、半
導体基板1のSiとバリア材料膜5aとを合金化させる
ためのRTA処理を行う必要はない。
【0031】さらに、コンタクト孔4は必ずしも形成さ
れる必要はなく、コンタクト孔4を有しない半導体装置
を製造するために、この実施形態に係る製造方法が適用
されてもよい。その他、特許請求の範囲に記載された技
術的事項の範囲内で、種々の変更を施すことが可能であ
る。
【0032】
【発明の効果】この発明によれば、CMP処理などの高
価な処理を行う必要がなく、下地層の表面全域にAl
(アルミニウム)層を形成し、このAl層を配線パター
ンにエッチングしてAl配線を形成する場合とほぼ同じ
工程数で銅配線の形成を行うことができるから、Al配
線を有する半導体装置とほぼ同じプロセスコストで銅配
線を有する半導体装置を製造することができる。その結
果、さらなる半導体素子の高集積化に寄与し、多層配線
化にも寄与することができる。
【0033】また、ディッシングやエロージョンといっ
たCMP特有の加工上の問題を生じることなく、非常に
少ない工程数で比較的抵抗の小さい銅配線を所望のパタ
ーンに形成することができる。ゆえに、LSIなどの半
導体装置に要求される微細かつ低抵抗な配線を良好に形
成することができ、半導体装置のさらなる高集積化に寄
与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造
方法を工程順に示す断面図である。
【図2】従来のダマシン技術による銅配線の形成方法の
説明図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 層間絶縁膜 3 保護膜(下地層) 4 コンタクト孔 5 バリアメタル層 6 Pd層 7 銅配線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4K022 AA02 AA41 BA08 BA35 CA06 CA08 CA15 CA19 CA20 CA21 4M104 AA01 BB13 BB17 BB24 BB25 BB26 BB27 BB28 BB29 BB30 BB31 BB32 BB33 CC01 DD15 DD16 DD17 DD18 DD20 DD53 DD78 DD84 EE16 HH16 HH20 5F033 HH17 HH21 HH27 HH28 HH30 HH32 HH33 HH34 JJ17 JJ21 JJ27 JJ28 JJ30 JJ32 JJ33 JJ34 KK01 KK26 KK27 KK28 KK29 KK30 PP06 PP15 PP28 QQ00 QQ08 QQ09 QQ11 QQ19 QQ37 QQ70 QQ73 RR03 RR04 RR06 RR08 RR11 RR14 RR15 RR21 SS11 TT02 TT04 XX03 XX10 XX33 XX34

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上の下地層の表面に無電解めっ
    きにより銅配線を形成して半導体装置を製造するための
    方法であって、 上記下地層の表面に配線パターンに対応したバリアメタ
    ル層を形成する工程と、 上記バリアメタル層を溶かすことができ、かつ、上記下
    地層を溶かすことができない溶媒に、無電解めっきにお
    ける銅析出反応の触媒となる材料を溶かしてなる溶液と
    上記バリアメタル膜とを反応させて、上記触媒となる材
    料を上記バリアメタル層上に核づけする核づけ工程と、 この核づけ工程の後に無電解めっきを行うことにより、
    上記触媒となる材料が核づけされたバリアメタル層上に
    銅配線を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体
    装置の製造方法。
  2. 【請求項2】上記下地層にはコンタクト孔が形成されて
    おり、 上記銅配線は、上記コンタクト孔により露出する部分に
    接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体
    装置の製造方法。
  3. 【請求項3】上記溶媒は、HF、HNO3、NH4F、H
    2SO4またはHClを含む酸であることを特徴とする請
    求項1または2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】上記バリアメタル層は、Ta、Hf、Ti
    SiN、TaSiN、WSiN、またはTi、Ta、Z
    r、W、V、Nb、HfもしくはMoの窒化物を含む材
    料からなることを特徴とする請求項1ないし3のいずれ
    かに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】上記触媒となる材料は、Pd、Ag、P
    t、CuまたはAuを含む金属であることを特徴とする
    請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体装置の製造
    方法。
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KR20020089982A (ko) * 2001-05-25 2002-11-30 주식회사 현대 디스플레이 테크놀로지 액정표시소자 패널의 제조방법
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