JP2737470B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に
関し、特にバリアメタルを介してシリコン基板に電極配
線を形成する方法に関する。
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for forming an electrode wiring on a silicon substrate via a barrier metal.

【0002】[0002]

【従来の技術】シリコン(Si)基板上に不純物拡散工
程を経て形成された不純物拡散領域の各々およびシリコ
ン基板そのものにオーミック接続される電極配線を形成
する材料としては、アルミニウム(Al)やその合金が
主に用いられている。しかしながら、これら電極配線を
形する為にこれらの金属の膜をSi基板上に直接に被着
すると、この被着工程や後工程の熱履歴によりAlとS
iとが反応してアロイスパイクやシリコンノジュールを
発生させる。又Alやその合金の単層配線では、エレク
トロマイグレーションやストレスマイグレーションによ
る断線が深刻な問題となっている。コンタクト領域での
AlとSiの反応を防止する為に、通常、電極配線形成
用の金属膜とシリコン基板との間にバリアメタル膜を形
成する手法が用いられている。バリアメタル膜を用いる
積層配線構造は、エレクトロマイグレーションやストレ
スマイグレーションによる断線を防止するのにも効果が
ある。
2. Description of the Related Art Aluminum (Al) or an alloy thereof is used as a material for forming an electrode wiring which is ohmic-connected to each of impurity diffusion regions formed on a silicon (Si) substrate through an impurity diffusion step and the silicon substrate itself. Is mainly used. However, when these metal films are directly deposited on a Si substrate to form these electrode wirings, Al and S are deposited due to the thermal history of this deposition step and the subsequent steps.
i reacts to generate alloy spikes and silicon nodules. In addition, disconnection due to electromigration or stress migration is a serious problem in a single-layer wiring of Al or an alloy thereof. In order to prevent a reaction between Al and Si in the contact region, a method of forming a barrier metal film between a metal film for forming an electrode wiring and a silicon substrate is generally used. The stacked wiring structure using the barrier metal film is also effective in preventing disconnection due to electromigration or stress migration.

【0003】従来、このバリアメタル膜を、電極を形成
するコンタクト領域にのみに形成する手法と、ストレス
マイグレーション耐性向上のために上記電極形成コンタ
クト領域だけでなく、その電極と接続する配線、すなわ
ち電極配線の下にも形成する手法とが用いられている
が、後者の手法が採用されることが多くなってきてい
る。この電極配線の下に形成されるバリアメタルとして
は、主にチタン(Ti)膜と窒化チタン(TiN)膜が
用いられる。以下層間絶縁膜に設けられたコンタクト孔
内におけるSi基板と電極配線との接続について説明す
る。
Conventionally, this barrier metal film is formed only in a contact region where an electrode is formed, and not only the above-mentioned electrode formation contact region but also a wiring connected to the electrode, that is, an electrode for improving stress migration resistance. Although a method of forming the wiring under the wiring is used, the latter method is often adopted. As a barrier metal formed below the electrode wiring, a titanium (Ti) film and a titanium nitride (TiN) film are mainly used. Hereinafter, the connection between the Si substrate and the electrode wiring in the contact hole provided in the interlayer insulating film will be described.

【0004】まず、所要の不純物拡散工程を経て所要の
拡散領域が形成されたSi基板上に酸化シリコン膜等か
らなる層間絶縁膜を形成する。次でこの層間絶縁膜にコ
ンタクト孔を形成したのち、基板表面にチタン(Ti)
膜と窒化チタン(TiN)膜とをバリアメタルとして順
次形成し、次で熱処理を行なう。次にアルミニウム(A
l)膜をそのバリアメタル層上に堆積したのち、この3
層の金属膜をパターニングし、3層構造の電極配線を形
成する。
First, an interlayer insulating film made of a silicon oxide film or the like is formed on a Si substrate on which a required diffusion region has been formed through a required impurity diffusion step. Next, after a contact hole is formed in this interlayer insulating film, a titanium (Ti)
A film and a titanium nitride (TiN) film are sequentially formed as barrier metals, and then heat treatment is performed. Next, aluminum (A
1) After depositing a film on the barrier metal layer,
The metal film of the layer is patterned to form an electrode wiring having a three-layer structure.

【0005】バリアメタルとしてのTiN膜は、一般に
Tiをターゲット電極としAr+N2 混合ガスをスパッ
タリング雰囲気とする反応性スパッタリングで形成され
る。その後の熱処理は、N2 またはNH3 中でのランプ
アニールにより行なわれる。この熱処理により上記コン
タクト孔部においては、Si基板側からTi膜がシリサ
イド化し、一方スパッタリング雰囲気側からTiN膜中
の未反応のTi及びTi膜が窒化される。従ってこれら
Ti膜及びTiN膜のバリア性が向上すると共に、コン
タクト抵抗が低くなる。この熱処理については、H.ジ
ョースイッヒ(Joswing),W.パムラ(Pam
ler)によりJune12−13,1990 VMI
Cカンファレンス(Conference)に報告され
ている。
The TiN film as a barrier metal is generally formed by reactive sputtering using Ti as a target electrode and an Ar + N 2 mixed gas as a sputtering atmosphere. Subsequent heat treatment is performed by lamp annealing in N 2 or NH 3 . By this heat treatment, in the contact hole, the Ti film is silicided from the Si substrate side, and unreacted Ti and the Ti film in the TiN film are nitrided from the sputtering atmosphere side. Accordingly, the barrier properties of the Ti film and the TiN film are improved, and the contact resistance is reduced. This heat treatment is described in Joswing, W.C. Pamla (Pam
ler) June 12-13, 1990 VMI
Reported to the C Conference.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た半導体装置の製造方法では、TiN膜形成後のランプ
アニールによるTiNの完全化の際、急速な加熱による
結晶化によりTiN膜の急激な収縮が起こり、TiN膜
に無数の微細なクラックが入る場合がある。このため、
TiN膜のバリア性が劣化してリーク電流が多くなり、
半導体装置の信頼性が低下するという欠点がある。
However, in the above-described method of manufacturing a semiconductor device, when the TiN is completed by lamp annealing after the formation of the TiN film, the TiN film rapidly shrinks due to crystallization due to rapid heating. In some cases, countless fine cracks may be formed in the TiN film. For this reason,
The barrier property of the TiN film is deteriorated and the leakage current increases,
There is a disadvantage that the reliability of the semiconductor device is reduced.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、シリコン基板
上に層間絶縁膜を形成したのちコンタクト孔を形成し、
次でチタン(Ti)膜と窒化チタン(TiN)膜とを堆
積し、ランプアニールによる熱処理を加え、さらにアル
ミニウム(Al)膜を堆積したのちパターニングして3
層構造の電極配線を形成する半導体装置の製造方法にお
いて、前記窒化チタン膜を、(001)面の配向率を7
0%以下にしたチタンターゲットを用いた反応性スパッ
タリング法により形成するものである。
According to the present invention, a contact hole is formed after forming an interlayer insulating film on a silicon substrate,
Next, a titanium (Ti) film and a titanium nitride (TiN) film are deposited, heat treatment is performed by lamp annealing, and an aluminum (Al) film is further deposited and then patterned.
In the method for manufacturing a semiconductor device for forming an electrode wiring having a layered structure, the titanium nitride film is formed so that the orientation ratio of the (001) plane is 7
It is formed by a reactive sputtering method using a titanium target of 0% or less.

【0008】[0008]

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0009】本発明の第1の実施例を説明するための半
導体チップの断面図を示す図1を参照すると、まずシリ
コン基板1上にSiO2 やPSG等からなる層間絶縁膜
2を堆積したのちパターニングし、コンタクト孔7を形
成する。次に、このコンタクト孔7部のシリコン基板1
上に不純物を導入し、不純物拡散層3を形成する。次で
スパッタリング法によりTi膜4を20乃至80nmの
厚さに堆積する。これまでは従来の製造方法と同じであ
る。
Referring to FIG. 1 showing a cross-sectional view of a semiconductor chip for explaining a first embodiment of the present invention, first, an interlayer insulating film 2 made of SiO 2 , PSG or the like is deposited on a silicon substrate 1. By patterning, a contact hole 7 is formed. Next, the silicon substrate 1 in the contact hole 7 is formed.
Impurities are introduced thereon to form impurity diffusion layers 3. Next, a Ti film 4 is deposited to a thickness of 20 to 80 nm by a sputtering method. Until now, it is the same as the conventional manufacturing method.

【0010】次にTiターゲットを用いた反応性スパッ
タリング法によりTiN膜5を80乃至150nmの厚
さに堆積するが、この時使用するTiターゲットは、表
面にみられる配向のうち(001)面が存在する割合、
すなわち、配向率を約50%に制御してある。スパッタ
リング条件は、Ar+N2 混合ガス,全ガス圧4mmT
orr,パワー6kW,基板温度200℃である。次で
ランプアニールにより500乃至900℃,20乃至6
0秒の熱処理を、N2 あるいはNH3 などの窒化雰囲気
中で行なう。以下Al膜6を形成したのち、Al膜6,
TiN膜5及びTi膜4をパターニングし、3層構造の
電極配線を形成する。
Next, a TiN film 5 is deposited to a thickness of 80 to 150 nm by a reactive sputtering method using a Ti target. The Ti target used at this time has a (001) plane in the orientation observed on the surface. Proportion present,
That is, the orientation ratio is controlled to about 50%. Sputtering conditions: Ar + N 2 mixed gas, total gas pressure 4 mmT
orr, power 6 kW, substrate temperature 200 ° C. Next, lamp annealing is performed at 500 to 900 ° C and 20 to 6
The heat treatment for 0 second is performed in a nitriding atmosphere such as N 2 or NH 3 . After forming the Al film 6, the Al film 6,
The TiN film 5 and the Ti film 4 are patterned to form a three-layer electrode wiring.

【0011】次にTiターゲットの製造方法について、
図2及び図3を用いて説明する。
Next, a method of manufacturing a Ti target will be described.
This will be described with reference to FIGS.

【0012】まず、図2に示すように、通常のTiター
ゲット用バルク材8表面におけるTi(001)面の配
向性をX線回析法等により調査する。そして、例えば、
配向率の最も少い面を有するTiターゲット用板材9A
としてx−y軸に平行な面で、また配向率の最も多い面
を有するTiターゲット用板材9Bとしてy−z軸に平
行な面でそれぞれ切り出す。次で図3に示すように、こ
れらの板材9A,9Bを三角形状に加工し、(001)
面の配向率が約50%になるような割合で規則的に並
べ、正多角形のTiターゲット10を構成する。
First, as shown in FIG. 2, the orientation of the Ti (001) plane on the surface of a normal bulk material 8 for a Ti target is examined by an X-ray diffraction method or the like. And, for example,
Plate material 9A for Ti target having the least oriented surface
, And a plate parallel to the yz axis as the Ti target plate 9B having the surface with the highest orientation ratio. Next, as shown in FIG. 3, these plate materials 9A and 9B are processed into a triangular shape, and (001)
A regular polygonal Ti target 10 is formed by regularly arranging the faces so that the orientation ratio of the plane becomes about 50%.

【0013】同様にして、(001)面の配向率が20
乃至90%となるTiターゲットを数種類製造し、これ
らのTiターゲットを使用してTiN膜を形成し、半導
体装置を製造した。この製品について(001)面配向
率と接合リーク不良率との関係を調べた結果を図4に示
す。
Similarly, if the orientation ratio of the (001) plane is 20
Several types of Ti targets of up to 90% were manufactured, and a TiN film was formed using these Ti targets to manufacture a semiconductor device. FIG. 4 shows the result of examining the relationship between the (001) plane orientation ratio and the junction leak defect ratio for this product.

【0014】図4から分るように、(001)面の配向
率が70%以上のTiターゲットを用いると、TiN膜
4に生じる微細なクラックに起因する接合リーク不良が
増大する。従って、Tiターゲットにおける(001)
面の配向率は、70%以下にする必要がある。
As can be seen from FIG. 4, when a Ti target having a (001) plane orientation ratio of 70% or more is used, a junction leak defect due to a fine crack generated in the TiN film 4 increases. Therefore, (001) in the Ti target
The orientation ratio of the plane must be 70% or less.

【0015】窒化雰囲気中のTiターゲットの表面は、
プラズマ中で雰囲気中のNと反応してTiNとなり、ス
パッタリング現象により飛散する。この時、Tiターゲ
ット表面の(001)配向率が高いと、ターゲット表面
からの飛散が多くなり、シリコン基板上でのTiN膜の
堆積速度が速くなる。Tiターゲット表面の配向率を下
げると、TiN膜の堆積速度が遅くなり、TiN膜中に
雰囲気中の残留酸素が多く取り込まれる。酸素を多く含
んだTiN膜は、ランプアニールによる急激な熱処理を
受けても、膜の急激な収縮が緩和され微細クラックの発
生が抑制される。このためバリア性の劣化も少くなり、
接合リーク不良も少くなると考えられる。
The surface of the Ti target in a nitriding atmosphere is
It reacts with N in the atmosphere in plasma to form TiN, which is scattered by a sputtering phenomenon. At this time, if the (001) orientation ratio of the Ti target surface is high, scattering from the target surface increases, and the deposition rate of the TiN film on the silicon substrate increases. When the orientation ratio of the surface of the Ti target is reduced, the deposition rate of the TiN film is reduced, and a large amount of residual oxygen in the atmosphere is taken into the TiN film. Even if the TiN film containing a large amount of oxygen is subjected to a rapid heat treatment by lamp annealing, the rapid shrinkage of the film is alleviated and the generation of fine cracks is suppressed. For this reason, the deterioration of the barrier property is reduced,
It is considered that the junction leak failure is reduced.

【0016】尚、第1の実施例では、(001)面の配
向率を調べてからTiターゲット用板材の切り出しを行
ったが、Tiターゲット用バルク材を3方向以上の面よ
り切り出して規則的に並べることにより、(001)面
の配向率が70%以下のTiターゲットを作ることがで
きる。またTiターゲットの形状は、図3に示した8角
形に限定されるものではなく、他の多角形または円形で
あってもよい。
In the first embodiment, the plate material for the Ti target was cut out after examining the orientation ratio of the (001) plane. However, the bulk material for the Ti target was cut out from the surface in three or more directions and regularly cut. In this case, a Ti target having a (001) plane orientation ratio of 70% or less can be produced. The shape of the Ti target is not limited to the octagon shown in FIG. 3, but may be another polygon or a circle.

【0017】次に第2の実施例について説明する。(0
01)面の配向率が70%以下のTiターゲットを用い
てTiN膜を形成する工程は第1の実施例と同じである
が、この第2の実施例では、焼鈍処理によりTiターゲ
ットの配向率を70%以下にするものである。
Next, a second embodiment will be described. (0
The process of forming a TiN film using a Ti target having an orientation ratio of 70% or less on the (01) plane is the same as that of the first embodiment. However, in the second embodiment, the orientation ratio of the Ti target is reduced by annealing. Is set to 70% or less.

【0018】Tiターゲットは、バルク状態のTi材を
切削し、所望の形状に加工して作られる。この時、加工
硬化による加工性の悪化を改善するために、600乃至
1600℃の温度で焼鈍される。この焼鈍処理によりT
i材中のTiは再結晶するが、温度が高く処理時間が長
い程グレインが成長し、Tiターゲット表面は(00
1)面の配向率が高くなる。従って、焼鈍処理されたバ
ルク材の表面をそのままTiターゲットの表面として用
いると、(001)面の配向率が70%を越えるものが
生じ、半導体装置の接合リーク不良率を高めることにな
る。
The Ti target is produced by cutting a bulk Ti material and processing it into a desired shape. At this time, annealing is performed at a temperature of 600 to 1600 ° C. in order to improve deterioration of workability due to work hardening. By this annealing treatment, T
The Ti in the i-material recrystallizes, but the grains grow as the temperature is higher and the processing time is longer, and the Ti target surface is (00
1) The orientation ratio of the plane increases. Therefore, if the surface of the annealed bulk material is used as it is as the surface of the Ti target, a (001) plane orientation ratio exceeding 70% occurs, and the junction leak failure rate of the semiconductor device is increased.

【0019】本第2の実施例におけるTiターゲット
は、加工硬化による加工性を損うことなく、かつ(00
1)面の配向率を70%以下にするために、バルク材を
1000乃至1600℃,5乃至30分間の条件で焼鈍
処理して作成した。例えば、1100℃10分間で焼鈍
したTiバルク材の表面の(001)面の配向率は、3
0乃至40%であった。
The Ti target in the second embodiment can be used without impairing workability due to work hardening and (00
1) In order to reduce the orientation ratio of the surface to 70% or less, the bulk material was prepared by annealing at 1000 to 1600 ° C. for 5 to 30 minutes. For example, the orientation ratio of the (001) plane of the surface of the Ti bulk material annealed at 1100 ° C. for 10 minutes is 3
It was 0 to 40%.

【0020】このように焼鈍処理によって(001)面
の配向率を70%以下としたTiターゲットを用いてT
iN膜を形成し、半導体装置を製造した場合でも、接合
リーク不良率は第1の実施例の場合と同様に小さい値と
なり、半導体装置の信頼性を向上させることができた。
As described above, by using a Ti target whose orientation ratio of the (001) plane is reduced to 70% or less by annealing, T
Even when the semiconductor device was manufactured by forming the iN film, the junction leak failure rate was a small value as in the case of the first embodiment, and the reliability of the semiconductor device could be improved.

【0021】[0021]

【発明の効果】以上説明したように本発明は、TiN膜
の形成をTi(001)面の配向率を70%以下とした
Tiターゲットを用いた反応性スパッタリング法により
行なっている。反応性スパッタリング法により形成した
TiN膜は、使用されるTiターゲットのTi(00
1)面の配向率が低いと、次工程のランプアニールによ
る熱処理でTiN膜に微細クラックが入りにくく、バリ
ア性が劣化しにくい。この結果、接合リーク不良の発生
が低く、信頼性の向上した半導体装置が得られる。
As described above, in the present invention, a TiN film is formed by a reactive sputtering method using a Ti target having a Ti (001) plane orientation ratio of 70% or less. The TiN film formed by the reactive sputtering method has a Ti (00
1) If the orientation ratio of the plane is low, fine cracks are less likely to be formed in the TiN film by heat treatment by lamp annealing in the next step, and barrier properties are not easily deteriorated. As a result, a semiconductor device in which the occurrence of junction leak failure is low and reliability is improved can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を説明するための半導体
チップの断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor chip for explaining a first embodiment of the present invention.

【図2】第1の実施例に使用するTiターゲット用板材
の切り出し方法を説明するためのバルク材の斜視図であ
る。
FIG. 2 is a perspective view of a bulk material for explaining a method of cutting out a plate material for a Ti target used in the first embodiment.

【図3】第1の実施例に使用するTiターゲットの構成
を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a Ti target used in the first embodiment.

【図4】Tiターゲットの(001)面の配向率と接合
リーク不良発生率との関係を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the orientation ratio of the (001) plane of a Ti target and the incidence of junction leak failure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 層間絶縁膜 3 不純物拡散層 4 Ti膜 5 TiN膜 6 Al膜 7 コンタクト孔 8 Tiターゲット用バルク材 9A,9B Tiターゲット用板材 10 Tiターゲット Reference Signs List 1 silicon substrate 2 interlayer insulating film 3 impurity diffusion layer 4 Ti film 5 TiN film 6 Al film 7 contact hole 8 bulk material for Ti target 9A, 9B plate material for Ti target 10 Ti target

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/768 H01L 21/88 R ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 21/768 H01L 21/88 R

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 シリコン基板上に層間絶縁膜を形成した
のちコンタクト孔を形成し、次でチタン(Ti)膜と窒
化チタン(TiN)膜とを堆積し、ランプアニールによ
る熱処理を加え、さらにアルミニウム(Al)膜を堆積
したのちパターニングして3層構造の電極配線を形成す
る半導体装置の製造方法において、前記窒化チタン膜
を、(001)面の配向率を70%以下にしたチタンタ
ーゲットを用いた反応性スパッタリング法により形成す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
After forming an interlayer insulating film on a silicon substrate, a contact hole is formed, then a titanium (Ti) film and a titanium nitride (TiN) film are deposited, heat treatment by lamp annealing is performed, and aluminum is further formed. In the method of manufacturing a semiconductor device in which an (Al) film is deposited and then patterned to form an electrode wiring having a three-layer structure, the titanium nitride film is formed by using a titanium target having a (001) plane orientation ratio of 70% or less. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor device is formed by a reactive sputtering method.
【請求項2】 前記チタンターゲットは、(001)面
の配向率の高いチタン板と配向率の低いチタン板との組
合せにより構成されている請求項1記載の半導体装置の
製造方法。
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the titanium target is constituted by a combination of a titanium plate having a high (001) orientation and a titanium plate having a low orientation.
【請求項3】 前記チタンターゲットを構成するチタン
板は、三角形状に形成されている請求項2記載の半導体
装置の製造方法。
3. The method according to claim 2, wherein the titanium plate constituting the titanium target is formed in a triangular shape.
【請求項4】 前記チタンターゲットは、多角形状に形
成されている請求項1記載の半導体装置の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein the titanium target is formed in a polygonal shape.
【請求項5】 前記チタンターゲットは、焼鈍処理され
たものである請求項1記載の半導体装置の製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein the titanium target has been subjected to an annealing treatment.
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