JPH02181920A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPH02181920A
JPH02181920A JP254789A JP254789A JPH02181920A JP H02181920 A JPH02181920 A JP H02181920A JP 254789 A JP254789 A JP 254789A JP 254789 A JP254789 A JP 254789A JP H02181920 A JPH02181920 A JP H02181920A
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electrode
film
prevent
region
insulating film
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JP254789A
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Masakazu Sagawa
雅一 佐川
Isamu Asano
勇 浅野
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 C産業上の利用分野〕 本発明は半導体集積回路装置さらにはその微細配線技術
に関し、例えばコンタクトホールの埋め込み電極に適用
して有効な技術に関する。
〔従来技術〕
半導体集積回路装置の集積度が向上するにつれ配線ri
xも次第に細くなるため、必然的にコンタクトホール、
スルーホール等の開口の径も小さくならざるを得ない。
例えば16Mビットの記憶容量を持つDRAM (ダイ
ナミック・ランダム・アクセス・メモリ)においては開
口の径は0.5[μ+ml程度になるものと予想されて
いる。開口の径が小さくなっても開口を形成する絶縁膜
の厚さは変わらないため、上記開口の縦横比(所謂アス
ペクト比)は1〜2になると考えられる。このように細
長く微小な開口の場合にはステップカバレージが悪いた
め、従来のように上記絶縁膜上層にアルミニウム(A1
)等の配線金属を全面堆積させる方法では段差部分で断
線が発生し易い。
この問題を解決するために、高融点金属による開口への
電極埋め込み技術が開発された。これは上記開口が形成
された絶縁膜上に、例えばタングステン(W)のような
高融点金属、またはそのシリサイドをCVD法(化学的
気相成長法)により全面堆積させた後エッチバックをお
こない、上記開口内のW、或いはタングステンシリサイ
ド(WSi2)を残し、これを上下の導電領域の接続用
電極とするものである。このような方法はブランケット
方式と呼ばれる。上記ブランケット方式の代りに選択C
VD法を用いて、例えばWを開口内に選択的に堆積させ
ることもできる。
尚、W埋め込み電極について記載された文献の例として
は、1988年春期第35回応用物理学会関係連合講演
会・講演予行集第2分冊P665〜670がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
半導体基板表面に形成された半導体領域と上層の導電膜
とを接続する為のコンタクトホールのような開口内に、
例えばWSi、にて成る電極を。
下層に形成された半導体領域と直接接触するよう埋め込
み1例えば水素アニール等の熱処理をおこなうと、上記
アニール工程の熱により上記電極材料であるWが上記半
導体領域中に拡散し、深い不純物準位を形成してしまう
、上記深い不純物準位は電子の捕獲や再放出中心として
作用するため、電子正孔対の生成率が通常よりも高くな
り、上記半導体領域と半導体基板との間のリーク電流量
が不所望に増加してしまう、 上記リーク電流量の増加
により5例えばDRAMの場合には、メモリセルデータ
を読み出すためにプリチャージしたビ”ット線の電位が
不所望に低下し、メモリセルに書き込まれた情報がハイ
レベルであってもローレベルと誤認する虞れがある。 
あるいは上記半導体領域中に拡散したWが半導体基板中
を通って他の半導体領域や蓄積容量等に拡散してそれら
の領域のリーク電流量を増加させ、例えば蓄積容量に保
持している情報が消えてしまう虞れがあるという問題点
がある。
また、WSi、のようなシリサイドの抵抗値は金属原子
に対してSi含有量が増えると増大する傾向にある。上
記アニール工程の熱により、上記半導体領域に含まれる
構成材料、例えばシリコン(Si)が上記W電極内に拡
散し、両者の界面付近におけるSi濃度が不所望に上昇
し、これによって上記界面直近部の抵抗値が不所望に増
加するという問題点がある。
あるいは上記WSi、電極の上層に、例えばA1にて成
る配線が形成されている場合、上記A1配線中にはSi
基板との反応の向上の目的でSiを添加しであることが
多い、この時上記WSi2電極とAI配線を直接接触さ
せて熱処理をおこなうと、上記WSi2電極や上記配線
に含まれるSiが相互に拡散してしまう。上記電極材料
、或いは配線材料内のSi濃度の不所望な上昇がおこる
と電気の流れが妨げられ、上記電極と配線との接合直近
部の抵抗値が増加してしまうという問題点のあることが
本発明者によって見い出された。
さらに隣接するN型半導体領域とP型半導体領域との上
層に形成された2つの開口内に、上記半導体領域に直接
接触するようにW S x 2 ?!!極を埋め込み、
上記2つのWSi、電極をWSi2配線にて結合させて
熱処理をおこなうと、上記N型半導体領域中のN型不純
物と上記P型半導体領域中のP型不純物とが、上記WS
i、電極及びWSi、配線中を通って相互に拡散し合う
という問題点もある。
本発明の目的は、開口内に埋め込んだ電極と、上記電極
の上層並びに下層に形成された導電領域との間における
構成材料の相互拡散を防止できる半導体集積回路装置を
提供する事にある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
〔課題を解決するための手段〕
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち半導体領域と上層の導電膜とを接続する為の開
口に電極を埋め込んだ構造において、上記電極及び当該
電極下層に形成された半導体領域の間に、両者の構成材
料の相互拡散を防止するためのバリヤ層を形成するもの
である。
また上記電極及び当該電極上層に形成された配線の間に
上記バリヤ層を形成するものである。
さらに上記バリヤ層はAIより融点の高い金属の窒化膜
にて形成するものである。この場合上記窒化膜は上記配
線のエレクトロマイグレーションによる断線(以下単に
EMDとも称する)を防止するため、上記配線の下面全
体に延在形成することが望ましい。
〔作 用〕
上記した手段によれば、開口内に埋め込まれた電極の下
層に形成されたバリヤ層は、上記電極及び下層の導電領
域の構成材料が相互に拡散しあうことを防止し、上記電
極及び下層の導電領域の接合部直近の抵抗値の不所望な
増加や、導電領域のリーク電流の不所望な増加を防止す
ることができる。
また同様に、開口内に埋め込まれた電極の上層に形成さ
れたバリヤ層は、上記電極及びその上層に形成される導
電領域内のSiが相互に拡散しあうことを防止し、上記
ffi極及び上層導電領域の接合部直近の抵抗値の不所
望な増加を防止することができる。
上記バリヤ層は高融点金属の窒化膜にて成り、拡散定数
が小さいため、熱処理工程中に上記電極酸いは導電領域
の構成材料が上記窒化膜中に侵入して移動できる距離は
、上記電極及び導電領域を接触させた場合に両者の構成
材料が相互に移動できる距離よりも短い。このことが上
記窒化膜に上記バリヤ層としての機能を持たせている。
さらに上記窒化膜は配線の下面全体に延在形成され、配
線経路の一部を分担するため、高い電流密度において上
記配線のエレクトロマイグレーション耐性を良好に保ち
、EMDを防止することができる。
〔実施例〕
第1図には本発明の一実施例であるバリヤ層を持つ埋め
込み電極を備えたDRAMの要部の縦断面図が示される
本図に示すDRAMは、特に制限されないが、P−型半
導体基板3の上に形成され、同図にはメモリセル領域1
と、例えばアドレスデコーダのような周辺回路領−2が
代表的に示される。上記メモリセル領域1に形成される
メモリセルは、特に制限されないが、1トランジスタ型
とし、Nチャンネル型選択MISFETQiと、例えば
スタック型蓄積容量素子Ciとによって構成される。
上記Nチャンネル型選択MISFETQiはP−型半導
体基板3に形成されたPウェル領域4内に形成されたチ
ャンネルストッパを兼ねるP型ポテンシャルバリヤ領域
6上に形成されている。上記Nチャンネル型選択M I
 S F E T Q iのN型半導体領域にて成るソ
ース領域またはドレイン領域8.9は所定の間隔を持っ
てP型ポテンシャルバリヤ領域6内に形成され、その間
には酸化シリコン(S i O2)より成るゲート絶縁
膜12を介して多結晶Siより成るゲート電極1oが形
成されている。上記ソース領域またはドレイン領域8ま
たは9は、不純物濃度の高いN1型半導体領域8A、9
Aとチャンネル領域の間に不純物濃度の低いN−型半導
体領域8B、9Bが配置されている。
上記ソース領域またはドレイン領域8または9の表面に
はチタニウムシリサイド(TiSi、)膜22が形成さ
れている。
上記ゲート電極10上には5in2にて成る層間絶縁膜
11が形成され、上記ゲート電極10及び上記層間絶縁
膜11の側面にはSin、にて成るサイドウオールスペ
ーサ40が形成されている。
上記蓄積容量Ciは、上記Nチャンネル型選択MI 5
FETQIのソース領域またはドレイン領域9に接触す
る多結晶Siより成る第1電極M13と、その上に堆積
されたナイトライドにて成る誘電体膜14、さらにその
上に形成された多結晶シリコンより成る第2電極層15
にて構成され。
上記層間絶縁膜11を介して上記ゲート電極10上及び
ワード線32上に延在形成されている。
尚、7はSiの熱酸化膜より成る素子間分離用絶縁膜で
ある。
周辺回路領域2には、Nチャンネル型MISFETQn
、及びPチャンネル型MISFETQpが形成されてお
り、両者はドレイン領域同志が結合されてCMISFE
T (相補型メタル・インシュレート・セミコンダクタ
形式の電界効果型トランジスタ)を形成している。上記
Nチャンネル型MISFETQnはPウェル領域4内に
形成されており、上記Pチャンネル型MISFETQP
はP−型半導体基板3に形成されたNウェル領域5内に
形成される。
上記Nチャンネル型MISFETQnはN型半導体領域
にて成るソース領域26、ドレイン領域27、及びS 
i O,にて成るゲート絶縁膜12を介して形成された
多結晶Siより成るゲート電極28より構成される。上
記ソース領域26、及びドレイン領域27は不純物濃度
の高いN+型半導体領域26A、27Aのチャンネル側
端に不純物濃度の低いN−型半導体領域26B、27B
が配置された所謂LDD構造となっており、その表面に
はTiSi、膜22が形成されている。また上記ソース
領域26、及びドレイン領域27の中央部には第1層目
配線36A、36Bとの接触抵抗を低減するために不純
物濃度をさらに高めたN+型半導体領域26C,27G
が形成されている。
上記Pチャンネル型MI 5FETQpはP型半導体領
域にて成るソース領域29、ドレイン領域30、及びS
 i O,にて成るゲート絶縁膜12を介して形成され
た多結晶Siより成るゲート電極31より構成される。
上記ゲート電極28.31上にはS i O,にて成る
層間絶縁膜11が、また上記ゲート電極28.31及び
上記層間絶縁膜11側面にはSiO□にて成るサイドウ
オールスペーサ40が形成されている。上記ソース領域
29及びドレイン領域3oは、不純物濃度の高いP+型
半導体領域、29A、30Aのチャンネル側端に不純物
濃度の低いP−型半導体領域、29B。
30Bが配置された所謂LDD構造となっており。
その表面にはTi5iz膜22が形成されている。
また上記ソース領域29及びドレイン領域30の中央部
には第1層目配線36B、36C:どの接触抵抗を低減
するために不純物濃度をさらに高めたP+型半導体領域
29C,30Cが形成されている。
上記メモリセル及び周辺回路は、Sin、にて成る保護
膜16にて覆われ、さらにその上層にはボロンを含むリ
ンガラス(B P S G)膜より成る絶縁膜17が平
坦に形成されている。上記ソース領域またはドレイン領
域8、ソース領域26.29、及びドレイン領域27.
30上の上記絶縁膜17の所要部分にはコンタクトホー
ル17A−Fが開口されている。上記コンタクトホール
底面にはチタニウムナイトライド(T i N)膜23
が形成され、さらにその上のコンタクトホール内部には
WSi、にて成る電極24が上記絶縁膜17とほぼ而−
に埋め込まれている。上記TiN膜23は下層に形成さ
れた上記T i S i、膜22を窒化させて形成する
ものである。上記T i N膜23は拡散定数が小さく
、上記T i N膜23に隣接する上記WSi2電極2
4または上記半導体領域8゜26.27,29.30の
構成材料が、熱処理工程中に上記TiN膜2膜内3内動
できる距離も短いため、上記TiN膜23は上記WSi
、電極24とその下層に形成された半導体領域との間で
の構成材料の相互拡散を防止するバリヤ層として働く。
このため上記WSi、電極24とその下層に形成された
半導体領域との接合部直近の抵抗値が増大することを防
止できるとともに、上記WSit電極24中のWが上記
半導体領域内に拡散し、上記半導体領域のリーク電流量
が不所望に増加することを防止できる。
上記コンタクトホール17A−F内に埋め込まれたWS
i2電極24を介して上記ソース領域またはドレイン領
域8.ソース領域26、ドレイン領域27.30、及び
ソース領域29に接触するようA1配線25A−B、3
6A−Cが形成されている。上記WSi2電極24上層
にはTiN膜23が形成されており、上記TiN123
は上記A1配線25A−B、36A−Cの下面全体に延
在形成されている。上記TiN膜23は拡散定数が小さ
く、上記TiN膜23に隣接する電極またはA1配線の
Siが、熱処理工程中に上記TiN膜2膜内3内動でき
る距離も短いため、上記Al配線25A−B、36A−
Cと上記WSi、電極24との間でのSiの相互拡散を
防止するバリヤ層として働き、両者の接合部直近の抵抗
値が増大することを防止できる。また上記Al配線25
A〜B、36A−Cの下層に形成した上記TiN膜23
が電流経路の一部を担うため、比較的高い電流密度にお
いても当該A1配線のエレクトロマイグレーション耐性
を良好に保ち、EMDの発生を抑止できる。上記第1層
目AI配a25Aは上記メモリセルの蓄積容量Ciにデ
ータの書き込み/読み出しをおこなうビット線として働
く、また。
上記第1層目のAl配線36Bは周辺MI S FET
 Q n e Q pのドレイン領域27.30を結合
する接続電極として働く。
次に、第1図に示されるコンタクトホールの製造工程を
第2図(a)〜(f)に基づいて説明する。
第2図(a)に示すように、所定の工程を経てP−型半
導体基板3内に形成されたP型ポテンシャルバリヤ領域
6表面にN+型半導体領域5oが形成されている。上記
N+型半導体領域50は上記P型ポテンシャルバリヤ領
域6表面に形成されたSiO□にて成る素子間分離用絶
縁膜7をマスクとしてN型不純物を高濃度に導入して形
成する。
上記不純物にはP(またはA s )を用い、イオン打
ち込み法にて導入する。
次に第2図(b)に示すように、上記N+型半導体領域
50表面にTiSi、膜22を堆積させる。TiSi、
膜を堆積させるにはまずスパンタ法にてチタニウム(T
i)を堆積させ、アルゴン(Ar)と窒素(N2)の混
合気体中にて約600 [”C]の温度にてアニールす
ることにより上記Tiと下層の半導体領域のSiとを反
応させる方法が用いられる。この時Sin、にて成る上
記素子間分離用絶縁膜7上に堆積されたTiはチタニウ
ムナイトライド(TiN)となるが、過酸化水素水(H
,O,)中水酸化アンモニウム(NH40H)の希釈液
にて除去する。
次に第21W (c)に示すように、上記基板3上にB
PSG絶縁膜17を堆積した後、上記N中型半導体領域
50上の上記BPSG絶縁膜17の所要部分にコンタク
トホール17Gを開口する。さらに熱窒化をおこない、
上記コンタクトホール17G底面に露出しているTiS
i、膜22表面にTiN膜2膜製3成する。上記熱窒化
工程は900 [’C]以上の温度のN2雰囲気中にて
おこなうものである。上記TiN膜23は拡散定数が小
さいため、下層に形成されたN1型半導体領域50と、
上層に形成される埋め込み電極との間の構成材料の相互
拡散を防止するバリヤ層として働き、両者の接合部直近
の抵抗値が不所望に増大することを防止するとともに、
上記埋め込み電極中の構成材料が上記N+型半導体領域
50内に拡散して上記N“型半導体領域50のリーク電
流量が不所望に増大することを防止する。
次に第2図(d)に示すように、CVD法を用いて上記
BPSG絶縁膜17上面にWSi、膜53を全面堆積さ
せる。この時上記コンタクトホール17Gは上記WSi
2膜53により埋められる。
上記WSi、を堆積させるには、六フッ化タングステン
(wFa)と水素シリコン(SiH,)を用いて約40
0[’C]の温度下で約200[mT。
rrlの圧力の条件のもとでおこなう。
次に第2図(e)に示すようにエッチバックをおこない
、上記BPSGM縁膜17上面のWSi2膜53を除去
する。この時上記コンタクトホール17G内に残ったW
Si、により電極24が形成される。このような方法を
ブランケット方式と呼ぶ。
次に第2図(f)に示すように上記WSi2t!i極2
4上に配線36Gを形成する。まず上記BPSG絶縁膜
17上面にTiN膜及びA1膜を全面堆積させる。上記
TiN膜は反応性スパッタリング法を用いて、温度20
0[℃コ、圧力9[mT。
rrlのArとN2の混合気中にて、ターゲットパワー
2 [Kwコをかけることによって堆積させる。
次にフォトリングラフィ技術を用いて、上記TiN膜2
3及びA1膜を重ね切りし、所要の形状を持つ配線36
Gを形成する。上記TiN膜23は拡散定数が小さいた
め、上記A1配線36Gと上記WSi2電極24との間
のSiの相互拡散を防止するバリヤ層として働き、両者
の接合部直近の抵抗値が不所望に増加することを防止す
る。また上記TiN膜23と上記A1配線36Gとは重
ね切りされているため、A1に較べて融点の高い上記T
iN膜23が電流経路の一部を分担することになり、比
較的高い電流密度においても上記A1配線36Gは良好
なエレクトロマイグレーション耐性を保ち、EMDの発
生も防止できる。
本願において「導電領域」とは、半導体基板上に形成さ
れたN型、或いはP型の半導体領域、及び開口上層また
は下層に形成された配線を示すものとする。また本願に
おいて「開口」とは、コンタクトホールまたはスルーホ
ールを示すものとする。
上記実施例によれば、以下の作用効果を得るものである
(1)コンタクトホール17A−F底面に形成されたT
iN膜23は拡散定数が小さいため、隣接する電極24
の構成材料と、ソース領域またはドレイン領域8,26
,27,29.30の構成材料とが熱処理工程中にTi
N膜2膜内3内入して移動できる距離は、上記電極24
.及び上記ソース領域またはドレイン領域を接触さ′せ
た場合にそれぞれの構成材料が相互に移動できる距離よ
りも短い。このため、上記TiN膜23は、上記半導体
領域8,26,27,29.30と上記WSi2電極2
4との間での構成材料の相互拡散を防止するバリヤ層と
して働き、上記WSi、電極24への上記半導体領域か
らのSiの流入による接合部直近の抵抗値の不所望な増
加を防止するとともに、上記半導体領域への上記WSi
2電極24からのWの流入による上記半導体領域8,2
6.27.29.30のリーク電流の不所望な増加を防
止できる。
(2)上記WSi2電極24の上層に形成されたT i
 N膜23は、(1)に記したと同じ理由により、上記
WSi2電極24とその上層に形成されたA1配線25
A、B、36A−Cとの間のSiの相互拡散を防止する
バリヤ層として働き5両者の接合部直近の抵抗値の不所
望な増加を防止できる。
(3)上記コンタクトホール17A−Fの上部に形成さ
れたTiN膜23は、上記Al配線25A〜B、36A
−Cの下面全体に延在形成されて電流経路の一部を分担
するため、比較的高い電流密度においても上記配線のエ
レクトロマイグレーション耐性を良好に保ち、当該配線
におけるEMDの発生を防止できる。
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づいて
具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可
能である事は言うまでもない。
例えば1本実施例では上記埋め込み電極材料にはWSi
、を採用したが、必ずしもこれに限定されるものではな
く、Wなどの高融点金属を採用してもよい。
また本実施例ではコンタクトホールに電極を埋め込む方
法としてブランケット方式を採用したが、必ずしもこれ
に限定されるものではなく、例えばWのように選択CV
D法にて選択的に堆積させ得る導電領域をコンタクトホ
ール内にのみ堆積させる方法を採用することもできる。
さらに本実施例ではバリヤ層としてTiNを採用したが
、必ずしもこれに限定されるものではなく、W、モリブ
デン(MO)等の高融点金属の窒化膜を適宜採用するこ
とができる。
本実施例においては、バリヤ層はコンタクトホール部に
のみ形成したが、同様の工程にてスルーホール部に形成
することもできる。その場合は下層の配線の材質を高融
点金属または多結晶Si等の耐熱性のものにする必要が
ある。
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
を、その背景となった利用分野であるDRAMに適用す
る場合について説明したが、本発明はそれに限定される
ものではなく、SRAMや論理LSI等の半導体集積回
路装置に広く利用することができる。本発明は少なくと
もコンタクトホール、或いはスルーホールに電極を埋め
込む条件のものに適用することができる。
〔発明の効果〕
本願において開示される発明のうち、代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである
すなわち電極を埋め込んだ開口において、上記電極及び
上記電極下層に形成された導電領域の間には、上記電極
及び導電領域の間での構成材料の相互拡散を防止するた
めのバリヤ層が形成されているため、上記電極及び上記
導電領域の接合部直近の抵抗値の不所望な増加を防止で
きるとともに上記導電領域のリーク電流量の不所望な増
加を防止できるという効果がある。
また上記電極と当該電極上層に形成された導電領域との
間にも上記バリヤ層が形成されているため、上記電極及
び上記導電領域の接合部直近の抵抗値の不所望な増加を
防止できるという効果がある。
上記バリヤ層として、形成材料拡散に対する防止力が特
に強い高融点金属の窒化膜を利用することにより、上記
効果を一層高めることができる。
しかも上記埋め込み電極上層に形成された上記窒化膜は
、上記導電領域の下面全体に延在形成されて電流経路の
一部を分担しているため、当該導電領域におけるEMD
の発生を抑止できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例であるコンタクトホールを備
えたDRAMの要部を示す縦断面図、第2図(a)〜(
f)は第1図に示すコンタクトホールの製造工程の一例
を順次示す縦断面図である。 3・・・P型半導体基板、8,9・・・ソース領域また
はドレイン領域、17・・・BPSG絶縁膜、17G・
・・コンタクトホール、22・・・TiSi、膜、23
・・・TiN膜、24・・・WSi2電極、26.29
・・・ソース領域、27.30・・・ドレイン領域、5
0・・・N“型半導体領域。 第  2  図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、層間絶縁膜の上層及び下層には導電領域が形成され
    、上記層間絶縁膜には上記上層及び下層の導電領域を電
    気的に接続するための電極を埋め込んだ開口が形成され
    ており、上記電極及び上記下層の導電領域の間には両者
    の構成材料の相互拡散を防止するためのバリヤ層が形成
    されている半導体集積回路装置。 2、層間絶縁膜の上層及び下層には導電領域が形成され
    、上記層間絶縁膜には上記上層及び下層の導電領域を電
    気的に接続するための電極を埋め込んだ開口が形成され
    ており、上記電極及び上記上層の導電領域との間には両
    者の構成材料の相互拡散を防止するためのバリヤ層が形
    成されている半導体集積回路装置。 3、上記バリヤ層はアルミニウムより融点の高い金属の
    窒化膜にて形成されている請求項1または2記載の半導
    体集積回路装置。 4、上記窒化膜は上記上層の導電領域下面の所要部分に
    延在形成されている請求項3記載の半導体集積回路装置
JP254789A 1989-01-09 1989-01-09 半導体集積回路装置 Pending JPH02181920A (ja)

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