JP2008108892A - 半導体装置の配線形成方法及び配線 - Google Patents

半導体装置の配線形成方法及び配線 Download PDF

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篤 小邑
Takayoshi Naruse
孝好 成瀬
Takeshi Kuzuhara
葛原  剛
Mitsutaka Katada
満孝 堅田
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Abstract

【課題】 所定の厚さを確保したビアを形成可能で、かつ、膜厚が厚い配線を良好に形成することができる半導体装置の配線形成方法及び配線を実現する。
【解決手段】 第1層間絶縁膜形成工程により、基板面10a上に第1層間絶縁膜12を形成し、ビア溝形成工程により、異方性エッチング法により、第1層間絶縁膜12を下層配線11に到達するまでエッチングして、ビア溝13を形成し、第2層間絶縁膜形成工程により、第1層間絶縁膜11及びビア溝13上に、第2層間絶縁膜14を形成し、配線溝形成工程により、異方性エッチング法により、第2層間絶縁膜14及び第1層間絶縁膜12をエッチングして、配線溝15をビア溝12と連結して形成し、配線形成工程により、ビア溝13及び配線溝15の内部に配線材料を充填し、ビア18及び上層配線19を形成することができる。
【選択図】 図2

Description

この発明は、半導体装置の配線形成方法及び配線に関する。
多層配線が形成される半導体装置において、配線形成工程を短縮するために、例えば、特許文献1に示すように、半導体基板上に形成された絶縁膜に、上層配線が形成される配線溝と、この上層配線を下層配線に接続するビア溝とを形成し、配線材料(例えば、銅)を充填することにより、ビアと上層配線とを一度に形成するデュアルダマシン法と呼ばれる工法が用いられるようになってきた。
従来の配線形成方法を図6に示す。まず、図6(A)に示すように、下層配線111が形成された半導体基板110上に絶縁膜112を形成した後に、フォトリソグラフ法によりビア溝113のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして絶縁膜112をエッチングすることにより、ビア溝113が形成される。
次に、図6(B)に示すように、ビア溝113を覆って幅広に形成されたレジストパターンをマスクとして、絶縁膜112を下層配線111が露出するまでエッチングすることにより、配線溝115を形成し、ビア溝113と下層配線111とを連結させる。ここで、ビア溝113と下層配線111とが確実に連結するようにするために、通常、必要最小限のエッチング量を超えた量のオーバーエッチングを行う。
そして、図6(C)に示すように、ビア溝113及び配線溝115の内部に配線材料の拡散防止のためのバリア層116及びシード層117を形成した後に、配線材料を充填し、化学機械研磨法(CMP:Chemical Mechanical Polishing)などにより平坦化することにより、ビア118及び上層配線119が形成される。
これにより、例えば、厚さ1μmのビア118と厚さ1μmの上層配線119とが形成される。
特許第3403058号公報
近年、CMOS、バイポーラ、パワー素子を複合した複合ICにおいてパワー素子の大電流化やボンディング時における下地材料への衝撃吸収、また熱伝導性を利用して放熱を効果的に行うために、上層配線119を厚く形成することのニーズがある。
しかし、従来の方法では、上層配線119を厚く形成するために、絶縁膜112を厚く形成した場合には、絶縁膜112の膜厚バラツキの増大や配線溝115を形成するためのエッチング量が多くなり、エッチングされる膜厚のばらつきが増大する。
そのため、ビア溝113と下層配線111とが確実に連結するようにするために、オーバーエッチング量を大きく設定する必要があるが、過度のオーバーエッチングを行うと、ビア118が薄くなりすぎて、上層配線119と下層配線111との間の絶縁膜の膜厚が薄くなり、リーク電流増加によるショート不良が生じるという問題があった。
そこで、この発明は、所定の厚さを確保したビアを形成可能で、かつ、膜厚が厚い配線を良好に形成することができる半導体装置の配線形成方法及び配線を実現することを目的とする。
この発明は、上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、半導体装置の配線形成方法において、基板面に下層配線が形成された基板を用意し、前記基板面上に、第1層間絶縁膜を形成する第1層間絶縁膜形成工程と、異方性エッチング法により、前記第1層間絶縁膜を前記下層配線に到達するまでエッチングして、前記下層配線と上層配線とを連結するビアを形成するためのビア溝を形成するビア溝形成工程と、前記第1層間絶縁膜及び前記ビア溝上に、第2層間絶縁膜を成膜する第2層間絶縁膜形成工程と、異方性エッチング法により、前記第2層間絶縁膜及び第1層間絶縁膜をエッチングして、前記上層配線を形成するための配線溝を前記ビア溝と連結して形成する配線溝形成工程と、前記第2層間絶縁膜形成工程及び配線溝形成工程を所定回数実施した後に、前記ビア溝及び前記配線溝の内部に配線材料を充填し、前記ビア及び前記上層配線を形成する配線形成工程と、を備えた、という技術的手段を用いる。
請求項1に記載の発明によれば、第1層間絶縁膜形成工程により、基板面上に第1層間絶縁膜を形成し、ビア溝形成工程により、異方性エッチング法によって、第1層間絶縁膜を下層配線に到達するまでエッチングして、ビア溝を形成し、第2層間絶縁膜形成工程により、第1層間絶縁膜及びビア溝上に、第2層間絶縁膜を形成し、配線溝形成工程により、異方性エッチング法によって、第2層間絶縁膜及び第1層間絶縁膜をエッチングして、配線溝をビア溝と連結して形成し、第2層間絶縁膜形成工程及び配線溝形成工程を所定回数実施した後に、配線形成工程により、ビア溝及び配線溝の内部に配線材料を充填し、ビア及び上層配線を形成することができる。
ビア溝形成工程では、第1層間絶縁膜の膜厚分のビア溝が確実に形成されるため、第2層間絶縁膜形成工程において第2層間絶縁膜を形成した後に、配線溝形成工程において、エッチング量を第2層間絶縁膜の厚さより大きくなるように制御することにより、ビア溝を確実に下層配線に到達させることができる。
従って、所定の厚さを確保したビアを形成することができるため、過度のオーバーエッチングにより上層配線と下層配線との間の第1層間絶縁膜の膜厚が薄くなり過ぎることがないので、リーク電流増加によるショート不良が生じるおそれがない。
つまり、所定の厚さを確保したビアを形成可能で、かつ、膜厚が厚い配線を良好に形成することができる半導体装置の配線形成方法を実現することができる。
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の半導体装置の配線形成方法において、前記第2層間絶縁膜形成工程は、前記第2層間絶縁膜を、前記第1層間絶縁層と同じ厚さ、または、前記第1層間絶縁層より薄い厚さに形成する、という技術的手段を用いる。
請求項2に記載の発明によれば、第2層間絶縁膜形成工程は、第1層間絶縁層と同じ厚さ、または、第1層間絶縁層より薄い厚さに形成するため、配線溝形成工程において、配線溝をビア溝と連結して形成するために必要なエッチング量を少なくすることができるので、エッチング量のばらつきを小さくすることができるとともに、ビア厚さの制御をより正確に行うことができる。
請求項3に記載の発明では、請求項1または請求項2に記載の半導体装置の配線形成方法において、前記配線溝形成工程は、エッチング量が前記第2層間絶縁膜の厚さより大きくなるように、前記第2層間絶縁膜及び第1層間絶縁膜をエッチングする、という技術的手段を用いる。
請求項3に記載の発明によれば、配線溝形成工程は、エッチング量が第2層間絶縁膜の厚さより大きくなるように、第2層間絶縁膜及び第1層間絶縁膜をエッチングするため、上層配線を形成するための配線溝を確実に下層配線に到達させることができる。
請求項4に記載の発明では、請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の半導体装置の配線形成方法により形成される配線であって、前記ビアは、前記下層配線に向かって幅が狭くなるように形成されたスロープ部を有する前記ビア溝により形成された、という技術的手段を用いる。
請求項4に記載の発明によれば、ビアは、下層配線に向かって幅が狭くなるように形成されたスロープ部を有するビア溝により形成されているので、配線形成工程においてビア溝の内部に配線材料を充填するときに、配線材料を充填しやすく、欠陥のないビアを形成することができる。また、配線材料を充填する前に、ビア溝の内面にバリア層やシード層を形成する場合には、ビア溝の底部までバリア層やシード層を良好な状態で形成することができるので、配線材料をビア溝の内部に確実に充填することができ、ビア溝の形状を正確に転写したビアを得ることができる。
この発明に係る半導体装置の配線形成方法について、図を参照して説明する。
図1ないし図3は、配線形成方法を示す断面説明図である。図1(A)は、第1層間絶縁膜形成工程、図1(B)は、ビア溝形成工程を示す断面説明図である。図2(A)は、第2層間絶縁膜形成工程、図2(B)及び(C)は、配線溝形成工程を示す断面説明図である。図3は、配線形成工程を示す断面説明図である。図4は、本実施形態の配線形成方法による配線の変更例である。
なお、いずれの図においても、説明のために一部を拡大して誇張して示している。また、以下の説明において、ある層が他の層の上に存在すると記述される場合には、ある層が他の層の真上に存在する場合と、ある層と他の層との間に第3の層が介在される場合とを示す。
(第1層間絶縁膜形成工程)
まず、図1(A)に示すように、基板面10a上に所定の下層配線11が形成された基板10を用意する。基板10としては、各種素子が形成されたシリコン基板、SOI(Silicon On Insulator)基板などを用いることができる。本実施形態では、下層配線11は、Cuにより形成されているが、Al、Moなど他の金属で形成してもよい。また、拡散防止のために、図示しないバリア層により覆ってもよい。
次に、基板10の基板面10a上に、第1層間絶縁膜12を形成する。第1層間絶縁膜12は、内部に後述するビア溝13及び配線溝15を形成するために必要な厚さt1を有している。また、クロストークを低減するために低誘電率なLow−k膜であることが好ましい。本実施形態では、第1層間絶縁膜12は、CVD法により形成された厚さt1が3.5μmのSiO膜である。その他、SiO膜に多量の炭素を含有させたSiOC、フッ素ドープケイ酸塩ガラス(FSG)、リン含有ケイ酸塩ガラス(PSG)、ホウ素リン含有ケイ酸ガラス(BPSG)、SOG(Spin On Glass)など、低誘電率を有する材料で形成することができる。
(ビア溝形成工程)
続いて、第1層間絶縁膜12の表面に公知のフォトリソグラフィ技術によりフォトレジスト塗布後、下層配線11と上層配線19を連結するビア溝13を形成する領域に相当するパターンで第1層間絶縁膜12の表面を一部露出させた所定形状のレジストパターンを形成する。
続いて、図1(B)に示すように、レジストパターンをマスクとして、第1層間絶縁膜12を深さ方向に異方性エッチングを行い、例えば、幅W1が1μmのビア溝13を形成する。異方性エッチングは、例えば、ドライエッチングにて、ガス組成、圧力、出力などの条件を適宜調整することにより行う。エッチングは、下層配線11に到達するまで、つまり、第1層間絶縁膜12の厚さ分だけ行う。この場合、下層配線11をエッチングストッパ層として作用させてもよい。これにより、底部がフラットで、エッチング量にばらつきのない第1層間絶縁膜12の膜厚t1のビア溝13が形成される。
ビア溝13を形成後に、公知の方法によりレジストパターンを除去する。
本実施形態では、層間絶縁膜をビア溝形成工程と後述する配線溝形成工程との2回に分けて形成するため、一度に厚い層間絶縁膜を形成する場合に比べて、ビア溝13のアスペクト比を小さくすることができ、幅が狭いビア溝13も容易に下層配線11に到達するように形成することができる。
(第2層間絶縁膜形成工程)
続いて、図2(A)に示すように、ビア溝13を形成された第1層間絶縁膜12上に第2層間絶縁膜14を成膜する。第2層間絶縁膜14は、第1層間絶縁膜12と同じ厚さ、または、第1層間絶縁膜12より薄い厚さに形成されており、例えば、SiO膜により厚さt2が2.5μmとなるように形成されている。ここで、第2層間絶縁膜14は、第1層間絶縁膜形成工程で例示した材料などにより第1層間絶縁膜12と異なる材料で形成してもよい。
第2層間絶縁膜14は、ビア溝13の底面にも形成され、ビア溝13の底部から深さ方向に膜厚t2分だけ堆積される。これにより、ビア溝13は、下層配線11から厚さt2分だけ上方に移動する。更に、第2層間絶縁膜14は内側面にも形成され、ビア溝13の内部に深さ方向に向かって内側に傾斜するスロープ部13aが形成される。
(配線溝形成工程)
続いて、ビア溝形成工程と同様の手順で、第2層間絶縁膜14の表面にフォトレジスト塗布後、上層配線19を形成するための配線溝15を形成する領域に相当するパターンで第2層間絶縁膜14の表面を一部露出させた所定形状のレジストパターンを形成する。配線溝15のレジストパターンは、ビア溝13の形成領域を含み、ビア溝13より幅が広い溝状に形成される。
続いて、レジストパターンをマスクとして、第2層間絶縁膜14を深さ方向に異方性エッチングを行い、例えば、幅W2が1.5μmの配線溝15を形成する。異方性エッチングは、例えば、ドライエッチングにて、ガス組成、圧力、出力などの条件を適宜調整することにより行う。
ここで、異方性エッチングのエッチング量t3が、第2層間絶縁膜14の厚さt2より大きくなるように、例えば、5μmに制御する。
エッチングの過程を図2(B)及び(C)に示す。エッチング初期は、レジストパターンの形状に従って、配線溝15が形成され、ビア溝13は形状を保ったまま、深さ方向下方に移動する。図2(B)に示すように、エッチングが進んでビア溝13の底部が下層配線11に到達すると、下層配線11はエッチストッパとして作用するため、エッチングの進行につれて配線溝15の深さが増大し、配線溝15の深さが増大した分だけ、ビア溝13の深さが減少する。
そして、図2(C)に示すように、ビア溝13は所定の厚さt4、ここでは、1μmの厚さを残し、エッチングが終了する。
これにより、第1及び第2層間絶縁膜12,14に、幅1.5μm、厚さ5μmの配線溝15が形成され、配線溝15の中央下部に連通して、第1層間絶縁膜12に、上端部の幅が1μm、下端部の幅が0.5〜0.8μmのスロープ部15aを有するビア溝13が形成される。
従って、エッチング量を、第2層間絶縁膜14の厚さt2より大きくなるように制御することにより、ビア溝13の底部を確実に下層配線11に到達させることができるとともに、所定の厚さt4のビア溝13を形成することができる。
配線溝15を形成後に、ビア溝13形成工程と同様にレジストパターンを除去する。
(配線形成工程)
続いて、配線溝15及びビア溝13に、導電性の配線材料、例えば、Cuを埋め込んで、配線を形成する。
まず、配線溝15及びビア溝13の内壁に、配線材料(Cu)の第1及び第2層間絶縁膜12,14への拡散を防止するためのバリア層16を形成する。バリア層16として、PVD法、CVD法により形成されたTaN、TiNなどが用いられる。
次に、バリア層16の表面に、Cu埋込時に電極の役割をするシード層17を形成する。シード層17は、Cuのスパッタ等により形成する。
続いて、電解めっきにより配線溝15及びビア溝13に配線材料であるCuを充填し、第2層間絶縁膜14表面に残った余分なCuを化学機械的研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)により除去し、平坦化する。
ここで、ビア溝13にはスロープ部13aが形成されているため、スロープ部13aが形成されていないビア溝13に比べて、バリア層16及びシード層17を形成しやすい。これにより、シード層17が良好に形成されているため、電気めっきによりビア溝13内部に確実にCuが充填されるので、所定の形状のビア18を得ることができる。
これにより、第1及び第2層間絶縁膜12,14に、幅1.5μm、厚さ5μmの上層配線19が形成され、上層配線19の中央下部に連通して、第1層間絶縁膜12に、上端部の幅が1μm、下端部の幅が0.5〜0.8μmのスロープ部を有するビアが形成される。
上層配線19を形成する配線材料として、Cu以外にも、例えば、Alを用いて、リフローなどにより配線溝15及びビア溝13に埋め込んで配線を形成することもできる。
ここで、上述した構造を有するビア18及び上層配線19は、上述した工程により形成されたものと推定できる。
上層配線19は、CMP以外の方法、例えば、エッチバック等により平坦化して形成してもよい。
[最良の形態の効果]
(1)第1層間絶縁膜形成工程により、基板面10a上に第1層間絶縁膜12を形成し、ビア溝形成工程により、異方性エッチング法により、第1層間絶縁膜12を下層配線11に到達するまでエッチングして、ビア溝13を形成し、第2層間絶縁膜形成工程により、第1層間絶縁膜12及びビア溝13上に、第2層間絶縁膜14を形成し、配線溝形成工程により、異方性エッチング法により、第2層間絶縁膜14及び第1層間絶縁膜12をエッチングして、配線溝15をビア溝13と連結して形成し、第2層間絶縁膜形成工程及び配線溝形成工程を所定回数実施した後に、配線形成工程により、ビア溝13及び配線溝15の内部に配線材料を充填し、ビア18及び上層配線19を形成することができる。
ビア溝形成工程では、第1層間絶縁膜12の膜厚分のビア溝13が確実に形成されるため、第2層間絶縁膜形成工程において第2層間絶縁膜14を形成した後に、配線溝形成工程において、エッチング量を第2層間絶縁膜14の厚さより大きくなるように制御することにより、ビア溝13を確実に下層配線11に到達させることができる。
従って、所定の厚さを確保したビア18を形成することができるため、過度のオーバーエッチングにより上層配線19と下層配線11との間の第1層間絶縁膜12の膜厚が薄くなり過ぎることがないので、リーク電流増加によるショート不良が生じるおそれがない。
つまり、所定の厚さを確保したビア18を形成可能で、かつ、膜厚が厚い上層配線19を良好に形成することができる半導体装置の配線形成方法を実現することができる。
(2)第2層間絶縁膜形成工程は、第2層間絶縁膜14を、第1層間絶縁膜12と同じ厚さ、または、第1層間絶縁層12より薄い厚さに形成するため、配線溝形成工程において、配線溝15をビア溝13と連結するために必要なエッチング量を少なくすることができるので、エッチング量のばらつきを小さくすることができるとともに、ビア18の厚さの制御をより正確に行うことができる。
(3)配線溝形成工程は、エッチング量が第2層間絶縁膜の厚さより大きくなるように、第2層間絶縁膜14及び第1層間絶縁膜12をエッチングするため、ビア溝13の底部を確実に下層配線11に到達させることができる。
(4)ビア溝13は、下層配線11に向かって、幅が狭くなるように形成されたスロープ部13aを有するため、ビア溝13の底部までバリア層16やシード層17を良好な状態で形成することができるので、配線材料をビア溝13の内部に確実に充填することができ、ビア溝13の形状を正確に転写したビア18を得ることができる。
〈その他の実施形態〉
(1)ビア溝形成工程において、下層配線11をエッチングストッパ層として作用させたが、あらかじめ下層配線11の表面に、第1層間絶縁膜12に対するエッチング選択比が大きい物質、例えば窒化ケイ素(Si34)、または、炭化ケイ素(SiC)等によりエッチングストッパ層を形成しておいてもよい。この構成を用いた場合、配線形成工程前に、エッチングストッパ層をエッチングにより除去すればよい。
(2)第2層間絶縁膜形成工程及び配線溝形成工程を複数回実施した後に、配線形成工程を行うことにより、上層配線19の厚さを増大させることができる。
例えば、図4に示すように、最下層の第2層間絶縁膜14aを形成し、配線溝15を形成した後に、厚さ2μmの第2層間絶縁膜14b〜14eを1層ずつ積層し、1層積層する度に、第2層間絶縁膜形成工程と配線溝形成工程とを繰り返すことにより、配線溝15を積層形成する。このとき、上方に向かうにつれて、配線幅を広くすることができる。そして、4層を追加で積層した後に、配線形成工程に移行し、Cuを充填して、ビア18と厚さ13μmの厚い上層配線19とを形成することができる。
(3)また、上層配線19を形成した後に、第1層間絶縁膜形成工程から配線形成工程に至る一連の工程を行い、上層配線19の上に、ビア18及び上層配線19を形成することにより、配線の厚さを増大させることができる。
例えば、図5に示すように、上層配線19a及びビア18aを形成した後に、第1層間絶縁膜形成工程から配線形成工程に至る一連の工程を1回追加して行うことにより、上層配線19aの上にビア18b及び上層配線19bがこの順で積層された厚い配線を形成することができる。ここで、上層配線19aは、下層電極11よりも幅が広いので、ビア18bはビア18aより幅広に形成することができる。また、上層配線19bも上層配線19aより幅広に形成することができる。
配線形成方法を示す断面説明図である。図1(A)は、第1層間絶縁膜形成工程、図1(B)は、ビア溝形成工程を示す断面説明図である。 配線形成方法を示す断面説明図である。図2(A)は、第2層間絶縁膜形成工程、図2(B)及び(C)は、配線溝形成工程を示す断面説明図である。 配線形成工程を示す断面説明図である。 本実施形態の配線形成方法による配線の変更例である。 本実施形態の配線形成方法による配線の変更例である。 従来の配線形成工程を示す断面説明図である。
符号の説明
10 半導体基板
10a 基板面
11 下層配線
12 第1層間絶縁膜
13 ビア溝
13a スロープ部
14 第2層間絶縁膜
15 配線溝
18 ビア
19 上層配線

Claims (4)

  1. 基板面に下層配線が形成された基板を用意し、前記基板面上に、第1層間絶縁膜を形成する第1層間絶縁膜形成工程と、
    異方性エッチング法により、前記第1層間絶縁膜を前記下層配線に到達するまでエッチングして、前記下層配線と上層配線とを連結するビアを形成するためのビア溝を形成するビア溝形成工程と、
    前記第1層間絶縁膜及び前記ビア溝上に、第2層間絶縁膜を形成する第2層間絶縁膜形成工程と、
    異方性エッチング法により、前記第2層間絶縁膜及び第1層間絶縁膜をエッチングして、前記上層配線を形成するための配線溝を前記ビア溝と連結して形成する配線溝形成工程と、
    前記第2層間絶縁膜形成工程及び配線溝形成工程を所定回数実施した後に、前記ビア溝及び前記配線溝の内部に配線材料を充填し、前記ビア及び前記上層配線を形成する配線形成工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の配線形成方法。
  2. 前記第2層間絶縁膜形成工程は、前記第2層間絶縁膜を、前記第1層間絶縁層と同じ厚さ、または、前記第1層間絶縁層より薄い厚さに形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の配線形成方法。
  3. 前記配線溝形成工程は、エッチング量が前記第2層間絶縁膜の厚さより大きくなるように、前記第2層間絶縁膜及び第1層間絶縁膜をエッチングすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置の配線形成方法。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の半導体装置の配線形成方法により形成される配線であって、
    前記ビアは、前記下層配線に向かって幅が狭くなるように形成されたスロープ部を有する前記ビア溝により形成されたことを特徴とする半導体装置の配線。
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