JP2881133B2 - 半導体集積回路の製造方法 - Google Patents

半導体集積回路の製造方法

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JP2881133B2
JP2881133B2 JP14885296A JP14885296A JP2881133B2 JP 2881133 B2 JP2881133 B2 JP 2881133B2 JP 14885296 A JP14885296 A JP 14885296A JP 14885296 A JP14885296 A JP 14885296A JP 2881133 B2 JP2881133 B2 JP 2881133B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路に
適用される多層配線構造体の製造方法に係り、特に、基
板表面で平坦性の良い多層配線構造を形成するに好適な
配線構造体を有する半導体集積回路の製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路に用いられている従来の
配線構造は、例えば文献1〔”強誘電体メモリセルの高
密度化”応用物理学会 応用電子物性分科会誌、第1巻
第4号 35頁から40頁、1995年〕に記載され
ているように、段差のある基板上に配線を形成すると配
線表面に凹凸が発生する。
【0003】集積回路におけるこのような配線構造の一
般的な断面模式図を図7(a)および(b)に示す。図
7(a)で、基板1上に第1層Al配線2、層間絶縁膜
3、第2層Al配線5が形成されている。ここで、第1
層Al配線2と第2層Al配線5とは、配線接続孔6を
通して第2層Al配線5の形成と共に電気的に接続され
ている。
【0004】図(b)においては、層間絶縁膜3aを
介してさらに1層積み上げた3層構造のAl配線を示し
てある。この場合にも各配線層のAl配線は配線接続用
の孔6、6aを通してそれぞれ電気的に接続されてい
る。これらの図に示すように各配線表面の接続部には段
差10、11が生じている。
【0005】上記のような集積回路における配線接続用
の孔6、6aにAl配線を選択的に形成し、多層配線に
おける電気的接続を実現する方法が、例えば文献2〔固
体物理 29巻、No.7 599頁から605頁(1
994年)〕に記載されている。
【0006】また、配線により電気信号を伝送する代わ
りに集積回路を含む基板間や、チップ間を光により連結
する方法が、例えば文献3〔電子情報通信学会誌 75
巻、No.9 951頁から961頁(1992年)〕
に記載されている。この方法は、電気信号を発光部で光
信号に変換し、それを受光部で受光して光信号を再び電
気信号に戻すものであり、発光部と受光部とを含んだメ
モリチップ間での光のやり取りにより、情報の受け渡し
を計る手法である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来の集積回路におけ
る2層、3層、あるいは更にそれ以上の多層の配線で
は、図に示したように配線接続部においてその表面に
段差10、11が生じる。このような段差は配線が多層
構造になるほど増大する。多層配線の表面の段差部斜面
では、平坦部に比べて金属膜厚が薄いために電気抵抗が
増大する。電気抵抗が増大すると集積回路の高速動作を
妨げる。
【0008】あるいは、段差部斜面では、部分的に配線
の接続が途切れている場所が発生したりする。これによ
り、集積回路素子の製造歩留まりが著しく低下すると共
に、接続の信頼性が低下する。
【0009】集積回路素子のサイズが微細化し、より高
集積化するほど配線の幅、および厚さも小さいサイズが
必要となる。これに伴い配線接続用の孔6、6aのサイ
ズも小さくなる。配線接続用の孔のサイズが小さくなる
に従って、上述の課題、すなわち、配線接続部における
段差の増大、接続不良が深刻になり、高集積微細化素子
の作成を困難とする。
【0010】また、文献3に記載された集積回路を含む
基板間やチップ間を、配線による電気信号を直接伝送す
る代わりに光により連結する方法では、メモリチップ内
に発光部と受光部とを含んだ集積回路素子の構成をとる
が、これら発光部及び受光部それぞれのサイズを、使用
する光の波長程度まで小さくすることが原理的に可能で
ある。しかし、この種の光素子では、従来の半導体加工
技術で特性の良好な微細素子を再現性良く作製すること
は極めて困難である。この点がメモリチップ高集積化へ
の大きな課題である。したがって本発明の目的は、上記
従来の高集積化微細化の問題点を解消することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解消するた
めに、本発明者等は種々実験検討を重ねたところ、集積
回路素子の微細化加工技術に対して、多層配線構造体の
配線接続部となる配線層間の接続導体にホイスカー結晶
を用いれば、配線接続部における段差や配線の接続不良
をなくすことができると云う有効な知見を得た。
【0012】層間絶縁膜を介して配線層を多層化するに
際しては、配線接続部となる層間絶縁膜にドライエッチ
ング等の周知のパターン形成技術で配線接続孔を形成
し、この配線接続孔内を接続導体となるホイスカー結晶
で埋め込んでから、その上に新たな配線層を積層する。
【0013】この配線層間の接続導体を構成するホイス
カー結晶としては、例えばタングステン、アルミニウ
ム、シリコン、銅、チタン、白金、パラジウム、鉄、ニ
ッケル、クロム、カーボン、ランタン、ボロン、モリブ
デン、タンタル、ないしはこれらの合金材料でもよいこ
とがわかった。
【0014】そしてホイスカー結晶を成長させるために
は、配線接続孔内に露出させた配線層上に予め金をスパ
ッタもしくは蒸着により付着させておき、これを熱処理
して配線層と反応させて合金化しておくことが重要とな
る。この金合金の役割は、ホイスカー結晶成長の成長核
材となり結晶成長を容易に促すと共に、下地の配線層と
ホイスカー結晶との電気的な接続を良好にする。
【0015】また、ホイスカー結晶の成長に際しては、
上記のように下地として金合金(結晶成長核材となる)
を形成しておくこと共に、基板の加熱温度条件も配慮す
る必要がある。基板には予めLSI等の素子が形成され
ているので、素子の特性を劣化させないようになるべく
低温で成長させることが望ましい。例えば、タングステ
ンであれば500℃、アルミであれば450℃、シリコ
ンであれば450℃と接続導体を構成する金属を適宜選
択することによって、およそ400〜500℃の範囲内
で成長することができる。
【0016】この接続導体となるホイスカー結晶は、所
望の接続導体金属を含む化合物をCVD法で分解析出さ
せることにより容易に形成することができる。接続導体
金属をタングステンホイスカー結晶とする場合を例にと
れば、タングステン化合物としては、例えばWF6があ
げられ、水素ガス(H2)をキャリアガスとして例えば
500℃に加熱した基板上に送給することにより容易に
Wのホイスカー結晶を成長することができる。
【0017】また、配線接続孔内へのこのホイスカー結
晶の形成に際しては、この後に積層する配線層との接続
を配慮して、層間絶縁膜の開口部の表面から少し突出さ
せることが望ましい。
【0018】一方、メモリチップ内に光電変換部として
発光部と受光部とを含んだ光集積回路素子で、メモリチ
ップを高集積化する場合には、発光部および受光部それ
ぞれを半導体ホイスカー結晶で構成することによって解
決できる。
【0019】上記半導体ホイスカー結晶は、シリコン、
ゲルマニウム、ガリウム、ヒ素、アルミニウム、インジ
ウム、リン、窒素、およびカーボンの少なくとも二つの
元素の組合せによる化合物半導体で構成することができ
る。
【0020】例えば基板をGaAsで構成し、この基板
上に所定間隔を置いて対向して設けたGaAs導波路間
を、発光部を構成するホイスカー結晶からなるn型Ga
Asとp型GaAsとのp−n接合で連結する。また、
例えばGaAs導波路間の受光部を、ホイスカー結晶か
らなるn型GaAsと高抵抗GaAsとp型GaAsと
で連結する。
【0021】これらホイスカー結晶は、例えば有機金属
の気相成長法(MOCVD)により容易に形成でき、例
えばGaAsの原料ガスに周知のドーピングガスを混入
させ、その種類を成長の途中で変えればホイスカー結晶
成長方向に例えばn−p接合を意図的に形成できる。
【0022】ドーピングガスとしては、n型であれば例
えば、SiH4、SeH6等が挙げられ、これによりSi
もしくはSeをドーピングすることができる。p型であ
れば例えば、メタンガス(CH4)、もしくはジメチル
亜鉛(ZnMe2)が挙げられ、これによりカーボン
(C)、もしくはZnをドーピングすることができる。
また、高抵抗GaAsの場合には、これらのドーピング
ガスの導入を中止すればよい。
【0023】このMOCVD法によるホイスカー結晶の
成長に際しては、Ga原料に例えばトリメチルガリウム
(GaMe3)、As原料に例えばアルシン(AsH3
を用い、水素ガス(H2)をキャリアガスとして例えば
420℃に加熱した基板上に送給すれば容易にGaAs
ホイスカー結晶を成長することができる。そして、この
場合もホイスカー結晶を成長させるに際しては、GaA
s領域に予め金をスパッタもしくは蒸着により付着させ
ておき、これを熱処理してGaAsと反応させて合金化
し、結晶成長核を形成しておくことが重要となる。
【0024】
【発明の実施の形態】図1を用いて本発明の代表的な実
施の形態を詳細に説明する。図1は、2層配線構造体を
有する本発明の集積回路の断面構造を模式的に示したも
のである。
【0025】図1に示したように、2層配線構造体とし
ては、半導体集積回路の基板1上に第1層配線2、層間
絶縁膜3、配線層間の接続導体を構成するホイスカー結
晶4、第2層配線5の順に形成されている。ここで、ホ
イスカー結晶4は例えばタングステンからなり、配線接
続部において配線接続用孔6内に形成され、第1層配線
2と第2層配線5とを電気的に接続している。
【0026】第1および第2の配線層2、5としては、
通常の集積回路に使用されている配線材と同様の例えば
アルミ(Al)等の薄膜導体が、層間絶縁膜3としては
酸化珪素(SiO2)、窒化珪素(SiN)、アルミナ
(Al23)、もしくは流動性シリカ(PSG)のごと
き無機系の耐熱性絶縁膜が用いられる。
【0027】また、配線層間の接続導体を構成するホイ
スカー結晶4としては、上記のように例えばタングステ
ンのごとき導体金属が使用されるが、ホイスカー結晶4
を成長し易くするため、配線接続用孔6内の第1層配線
2の露出面に下地としてAuを蒸着、もしくはスパッタ
リングで被着し、熱処理して第1層配線2を構成する金
属と合金化しておく。
【0028】また、接続導体を構成するホイスカー結晶
4の成長に際しては、CVDの原料ガスとしてWF6
水素ガス(H2)と共に供給し、約500℃に加熱した
基板上に送給することにより容易にWのホイスカー結晶
を成長することができる。
【0029】
【実施例】以下、図1〜図7を用いて本発明の一実施例
を説明する。 〈実施例1〉図1の断面構造において、半導体集積回路
の基板1をSi基板とし、その上に形成された第1層配
線2および第2層配線5をそれぞれAl配線とし、層間
絶縁膜3をSiO2、ホイスカー結晶4をタングステン
結晶とした2層配線構造体を有する半導体集積回路を構
成した。
【0030】以下、図2に示した製造工程図を用いて、
上記半導体集積回路の製造方法を具体的に説明する。図
2(a)、(b)、(c)、(d)は、製造工程の主要
部を断面図で模式的に示したものである。以下、工程に
したがって順次説明する。
【0031】図2(a);集積回路基板1上に、Alを
蒸着し、周知のリソグラフィ技術により配線パターンを
形成し、第1層Al配線2を形成する。次いで、層間絶
縁膜3としてSiO2を形成し、さらにその上にホトレ
ジストパターン7を形成する。この後、ホトレジストパ
ターン7の開口部6aを通して絶縁膜3に配線接続孔と
なる開口部6を形成する。次に、蒸着により金8を被着
し、熱処理により配線接続孔内の金を下地の第1層Al
配線2と反応させて合金化し、金合金8aを形成する。
【0032】図2(b);ホトレジストパターン7を除
去することにより、合金膜8をリフトオフする。絶縁膜
3の開口部6内には金合金8aが残る。 図2(c);この金合金8aを種にしてホイスカー結晶
4をCVD法により結晶成長させる。ここで、ホイスカ
ー結晶4は絶縁膜3の開口部6の上端よりも少し突出し
た形状にする。
【0033】図2(d);第1層Al配線2の形成と同
様の工程で第2層Al配線5を形成する。この時、ホイ
スカー結晶4によって第2層Al配線5と第1層Al配
線2とは電気的に接続される。このようにして形成され
た2層配線構造では、図7(a)、(b)に従来例とし
て示したような接続部の段差10、11は発生しない。
【0034】〈実施例2〉図3は、Alの3層配線構造
を用いた集積回路の一部分を模式的に示した断面図であ
る。この図に示した構造においても、Al配線の層間接
続にそれぞれホイスカー結晶4、4aを用いている。す
なわち、第1層配線2と第2層配線5との接続は実施例
1と同様にホイスカー結晶4であり、第2層配線5と第
3層配線5aとの接続はホイスカー結晶4aによってい
る。この第3層配線5aの形成は、実施例1に示した図
2の第2の配線層5の形成工程を繰り返したものであ
る。
【0035】配線層数を更に4層以上の多層構造にする
場合にも、層間接続の方法はこれらの実施例と同様に積
層する配線層の層数分だけ、図2の第2の配線層5の形
成工程を繰り返すことにより容易に行うことができる。
【0036】〈実施例3〉本実施例では、光集積回路基
板内にホイスカー結晶を用いた発光素子、受光素子を配
置した構造について説明する。図4はホイスカー結晶を
用いた光素子の断面模式図である。図4(a)はホイス
カー結晶を発光素子とした場合の構造であり、図4
(b)はホイスカー結晶を受光素子とした場合の構造を
示す。
【0037】図5は、電気回路素子と光回路素子を含む
光集積回路の構造を模式的に示した平面図である。ま
た、図6は、ホイスカー結晶を用いた素子の製造工程を
模式的に示した断面斜視図である。
【0038】図4(a)でGaAs基板20上にGaA
s導波路21a、21bがあり、これら2つの導波路間
をホイスカー結晶からなり発光素子を構成するp型Ga
As24aとn型GaAs24bとで連結している。
【0039】図4(b)では、GaAs基板20上にG
aAs導波路21a、21bがあり、これら2つの導波
路間をホイスカー結晶からなり受光素子を構成するp型
GaAs24a、高抵抗GaAs24c、n型GaAs
24bとで連結している。
【0040】図5は、演算器110、信号の入出力を行
う複数のゲート回路および演算器とゲート回路との信号
伝達線路に導波路101、102、112を用いた光集
積回路の構造である。
【0041】ここで、入力ゲート回路は入力端ゲート1
05、増幅器104、入力端発光部103、導波路11
2から構成される。入力端発光部103では、増幅器1
04から出た電気信号を光の信号に変換し、導波路11
2へ伝送する。導波路112を伝搬する光の一部は導波
路101に乗り移り、光電変換部107に到達する。光
電変換部107に到達した光は、電気に変わり増幅器1
08を通って演算器110に到達する。演算器110か
らの電気信号は、増幅器109を通り、光電変換部10
7で電気から光に変換され導波路101に入る。
【0042】導波路101を伝搬する光信号はその後、
例えば、導波路102から出力端受光部111に至り、
光から電気に信号変換されて出力端ゲート106から出
る。ここで、入力端発光部103には例えば、図4
(a)に示すホイスカー結晶素子が、また、出力端受光
部111には例えば、図4(b)に示すホイスカー結晶
素子が用いられる。
【0043】図6は、ホイスカー結晶を用いた光素子の
製造工程の主要部を示している。以下、この図にしたが
い工程順に製造方法を説明する。 図6(a);予めGaAs基板20上に導波路となるG
aAsリッジ21a、21bを形成しておき、次いで基
板表面を絶縁膜(例えばSiO2)22、レジスト膜2
3で被覆する。
【0044】図6(b);GaAsリッジ部21bの側
面が含まれるようリソグラフィ技術によりレジスト開口
部26aを設ける。レジスト開口部26aを通して更に
エッチングにより絶縁膜22にも開口部6(図面には表
示されていない)を設けて、GaAsリッジ21b側面
が開口部26から露出するようにする。
【0045】図6(c);基板斜め上からAlを真空蒸
着した状態を示している。このAl蒸着は一般に斜め蒸
着法と呼ばれるもので、GaAsリッジ部21bの斜面
にはAl膜27が付着しないようにAl蒸着の入射角度
を基板表面に垂直な方向に対して20°から50°程度
傾いた角度に選ぶ。
【0046】次に、Auを蒸着する。Auの蒸着では、
GaAsリッジ21bの斜面にAuが付着するようにA
u蒸着の入射角度を基板表面に垂直な方向に対して20
°から50°程度の角度に選ぶ(Alの蒸着とは逆方向
から蒸着する)。このAu蒸着で、絶縁膜22の開口部
6内に入射したAu28(図面には表示されていない)
はGaAsリッジ21bの側面に付着する。
【0047】図6(d);不要部分に蒸着されたAu2
8をリフトオフするためAl膜27、レジスト膜23を
それぞれ除去した後、基板を加熱して絶縁膜22の開口
部6内に付着したAu28と下地のGaAs21bとを
合金化する。その後、絶縁膜22を除去するとGaAs
21bの側面に金合金8aが形成される。この金合金8
aは、この後のホイスカー結晶形成工程で重要な結晶成
長核となる。
【0048】図6(e);有機金属の気相成長法(MO
CVD)によりGaAsのホイスカー結晶24を形成す
る。GaAsホイスカー結晶24の成長方法は、GaA
sの原料ガスはトリメチルガリウム(GaMe3)とア
ルシン(AsH3)とであり、これらのガスを水素をキ
ャリアガスとして420℃に加熱した基板表面に供給す
ると、Au付着部(金合金8a)からGaAsのホイス
カー結晶24が選択的に成長する。
【0049】ホイスカーの成長方向は(111)B方向
であるから、GaAs基板表面に平行な方向に(11
1)B方向が含まれ、かつ、GaAsリッジ21bのA
uが付着(正確には金合金8a)する側面に(111)
B結晶面が含まれるようにすると、ホイスカー結晶24
は基板表面に平行に成長する。ホイスカー結晶24を成
長させる際に、供給する原料ガスにドーピングガスを混
入させ、その種類を成長の途中で適宜変えるとホイスカ
ー成長方向に例えばp−n接合を意図的に形成できる。
【0050】図4(a)に示した構造のホイスカー結晶
24で発光素子を形成する場合には、MOCVDにおい
てGaAs原料ガス中にn形ドーピングガスとしてモノ
シランガス(CH4)を混入しシリコンをドープしたn
−GaAsホイスカー結晶24bを形成し、次いでモノ
シランガスの代わりにp形ドーピングガスとしてメタン
ガスを混入しカーボンをドープしたp−GaAsホイス
カー結晶24aを成長した。こうしてGaAsリッジ2
1aと21bとの間を、p−n接合を有するGaAsホ
イスカー結晶24で連結した。
【0051】また、図4(b)に示した構造のホイスカ
ー結晶24で受光素子を形成する場合には、上記MOC
VDにおいてGaAsホイスカー結晶によりp−n接合
を形成する中間工程に、高抵抗GaAsホイスカー結晶
の成長工程を付加する。
【0052】すなわち、GaAs原料ガス中にn形ドー
ピングガスを混入してn−GaAsホイスカー結晶24
bを成長させた後、このn形ドーピングガスの混入を停
止し、GaAs原料ガスだけで高抵抗のGaAsホイス
カー結晶24cを成長させる。次いで、p形ドーピング
ガスを混入してp−GaAsホイスカー結晶24aを成
長させる。
【0053】このようにしてGaAsリッジ21aと2
1bとの間を、p形GaAsホイスカー結晶24a・高
抵抗GaAsホイスカー結晶24c・n形GaAsホイ
スカー結晶24bから構成されるGaAsホイスカー結
晶24で連結した。
【0054】上記実施例では半導体ホイスカーとしてG
aAsの例を挙げたが、その他例えば二種元素の組み合
わせであればInP,InAs,GaN,SiC,Si
Ge,AlNなど、三種元素の組み合わせであればAl
GaAs,AlInP,GaAlN,InAlAsな
ど、四種元素の組み合わせであればAlGaInP,I
nAlGaP,InGaAlAsなどの化合物半導体で
も同様の結果が得られる。
【0055】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明により所期
の目的を達成することができた。すなわち、半導体集積
回路の多層配線構造体における配線層間の接続を、導体
ホイスカー結晶で構成することにより、接続部の段差が
解消できるので、配線接続部における電気抵抗の増大、
接続部の断線等の不具合を解消でき、信頼性の高い多層
配線構造体を有する集積回路が実現できると共に、製造
歩留まりが著しく向上する。
【0056】また、本発明の光導波路配線素子を用いる
ことにより、集積回路内信号伝達速度の高速化、大容量
化が計れ従来の電気配線回路で限界となっていた信号速
度の遅延を解決することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の2層配線構造体の要部構造を模式的に
示した断面図。
【図2】同じく2層配線構造体の主要な製造工程を模式
的に示した断面図。
【図3】同じく3層配線構造体の要部構造を模式的に示
した断面図。
【図4】ホイスカー光素子を光導波路配線素子として用
いた光集積回路の要部構造を模式的に示した断面図。
【図5】光導波路配線素子を含む光集積回路の要部構成
を模式的に示した平面図。
【図6】ホイスカー結晶を光導波路配線素子として用い
た素子の製造工程を模式的に示した断面斜視図。
【図7】従来の配線構造体の要部構造を模式的に示した
断面図。
【符号の説明】
1…基板、 2…第1層配線(Al)、 3、3a…層間絶縁膜(SiO2)、 4…ホイスカー結晶、 5、5a…第2層配線(Al)、 6、6a…配線接続用孔、 7…ホトレジストパターン、 8…金蒸着膜、 8a…金合金、 10、11…接続部の段差、 20…基板、 21…GaAs導波路(GaAsリッジ)、 22…絶縁膜、 23…レジスト膜、 24…ホイスカー結晶、 24a…p型GaAsホイスカー結晶、 24b…n型GaAsホイスカー結晶、 24c…高抵抗GaAsホイスカー結晶、 26a…レジスト開口部、 28…Au付着部(金合金)、 30電極、 101、102…導波路、 103…入力端発光部、 104…増幅器、 105…入力端ゲート、 106…出力端ゲート、 107…光電変換部、 108、109…増幅器、 110…演算器、 111…出力端受光部、 112…導波路、 113、114…電極。
フロントページの続き (72)発明者 細見 和彦 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 白井 正敬 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−248471(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/3205 H01L 21/3213 H01L 21/768

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1層配線が形成された半導体集積回路基
    板上に層間絶縁膜を形成する工程と、 前記層間絶縁膜
    に配線接続用開孔を形成し前記第1層配線の接続部を露
    出させる工程と、 前記配線接続用開孔内に接続導体を埋込み、かつ、前記
    接続導体を前記配線接続用開孔部の表面から突出させて
    接続導体を形成する工程と、 前記接続導体の突出部を含む前記基板上に第2層配線を
    形成する工程とを有する半導体集積回路の製造方法であ
    って、 前記接続導体を形成する工程は、配線接続用開孔を形成
    した後にCVD法によりタングステン、アルミニウム、
    シリコン、銅、チタン、白金、パラジウム、鉄、ニッケ
    ル、クロム、カーボン、ランタン、ボロン、モリブデン
    およびタンタルの金属元素群から選ばれる少なくとも2
    種の金属元素を含むホイスカー結晶を形成する工程で構
    成して成る半導体集積回路の製造方法。
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