JPH06196439A - コンタクトホール及びその形成方法 - Google Patents

コンタクトホール及びその形成方法

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JPH06196439A
JPH06196439A JP35732392A JP35732392A JPH06196439A JP H06196439 A JPH06196439 A JP H06196439A JP 35732392 A JP35732392 A JP 35732392A JP 35732392 A JP35732392 A JP 35732392A JP H06196439 A JPH06196439 A JP H06196439A
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JP
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opening
layer
contact hole
forming
interlayer insulating
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JP35732392A
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Kazuhide Koyama
一英 小山
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Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】シリコンから成る下地とコンタクトホールとの
間に充分な厚さのバリア層を形成でき、しかも、バリア
層による拡散層のリーク電流の増加を招くことがなく、
更に、半導体素子の微細化の要求に対応し得るコンタク
トホールの形成方法を提供する。 【構成】コンタクトホールの形成方法は、(イ)シリコ
ンから成る下地10上に層間絶縁層18を堆積させる工
程と、(ロ)層間絶縁層18に所望の大きさよりも大き
な開口部20を形成する工程と、(ハ)開口部18の底
部に露出した下地10に、スパッタ法にてバリア層22
を形成する工程と、(ニ)絶縁材料にて開口部側壁にサ
イドウオール28Aを形成し、開口部の大きさを所望の
大きさとする工程と、(ホ)少なくとも開口部の内部に
配線材料を堆積させる工程、から成る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、半導体装置におけるコンタクト
ホール及びその形成方法に関する。
【産業上の利用分野】
【0002】半導体装置内の半導体素子の微細化に伴
い、微細なコンタクトホールの形成技術が重要な課題に
なっている。コンタクトホールは、通常、拡散層が形成
された半導体基板上に層間絶縁層を形成し、次いで、層
間絶縁層に開口部を形成し、その後、開口部へ金属配線
材料を堆積させることによって形成される。
【0003】微細コンタクトホールの形成技術の1つ
に、アルミニウム又はアルミニウム合金(以下、単に、
Al等ともいう)の高温スパッタ法が検討されている。
この高温スパッタ法は、半導体基板を数百度に加熱した
状態でAl等をスパッタ法にて開口部を含む層間絶縁層
上に堆積させ、Al等をリフローさせて、Al等で開口
部を埋め込み且つ平坦化する技術である。
【0004】一方、半導体装置内の半導体素子の微細化
に伴い、半導体基板に形成された拡散層が浅くなり、開
口部をAl等にて埋め込む際、Al等が拡散層を突き抜
けてしまい、接合を破壊するという問題がある。従っ
て、開口部をAl等によって埋め込む前に、拡散層の表
面にバリア層を形成する必要がある。
【0005】微細コンタクトホールを形成するための別
の技術にタングステンCVD法がある。タングステンC
VD法では、例えばWF6ガス/SiH4ガス及びH2
スが使用され、SiH4及びH2によってWF6が還元さ
れ、タングステンが開口部内に堆積する。
【0006】タングステンCVD法には、ブランケット
タングステンCVD法と、選択タングステンCVD法が
ある。ブランケットタングステンCVD法においては、
半導体基板表面に層間絶縁層を形成し、かかる層間絶縁
層に開口部を設ける。そして、層間絶縁層の表面及び開
口部内にCVD法にてタングステンを堆積させた後、エ
ッチバックによって開口部内にのみタングステンを残
す。こうして、開口部内にタングステンから成るメタル
プラグが形成され、コンタクトホールが完成する。選択
タングステンCVD法においては、タングステンが層間
絶縁層表面では成長し難いことを応用し、CVD法にて
選択的に開口部内にのみタングステンを成長させる。こ
うして、開口部内にタングステンから成るメタルプラグ
を形成し、コンタクトホールを完成させる。
【0007】ところが、タングステンとシリコンとは6
00゜C程度で容易に反応するために、半導体装置が熱
処理された場合、例えば開口部底部に露出した半導体基
板中のシリコンとタングステンとの境界領域において、
タングステンが半導体基板中に拡散してシリコンと反応
し、タングステンシリサイドが形成される。このタング
ステンの半導体基板への拡散に起因して、タングステン
プラグにボイドが形成されるという問題がある。また、
半導体基板にタングステンが拡散するために、接合リー
クが劣化し、リーク電流が増加するという問題もある。
【0008】従って、開口部の底部に半導体基板のシリ
コンが露出しないように、半導体基板の表面にバリア層
として、例えばチタンシリサイド層を形成する必要があ
る。尚、チタンシリサイド層を形成することによってコ
ンタクト抵抗の低減も図れる。
【0009】このバリア層の形成方法として従来から各
種の方法が提案されているが、その1つにバリアメタル
層形成法がある。このバリアメタル層形成法は、図4に
半導体素子の模式的な一部断面図を示すように、ゲート
電極14及び拡散層16の形成された半導体基板10上
に層間絶縁層18を形成した後、かかる層間絶縁層18
に開口部20を設ける。そして、スパッタ法あるいは反
応性スパッタ法(以下、単にスパッタ法ともいう)に
て、少なくともこの開口部20内にTiN、TiON、
TiW等の所謂バリアメタル材料を堆積させてバリア層
40を形成する。その後、バリア層40が内壁及び底部
に形成された開口部20内に、例えば高温スパッタ法に
てAl等を埋め込み、コンタクトホールを完成させる。
【0010】あるいは又、バリア層の別の形成方法とし
てチタンサリサイド法を挙げることができる。このチタ
ンサリサイド法は、図5に半導体素子の模式的な一部断
面図を示すように、半導体基板10にゲート電極14及
び拡散層16を形成した後、かかる拡散層16の全面に
バリア層として機能するチタンシリサイド層42を形成
する。次いで、チタンシリサイド層の上に層間絶縁層を
形成し、かかる層間絶縁層に開口部を設ける。その後、
チタンシリサイド層が底部に形成されている開口部内
に、例えば高温スパッタ法にてAl等を埋め込み、コン
タクトホールを完成させる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】チタンサリサイド法に
よりチタンシリサイドから成るバリア層を形成する方法
は、Al等の拡散層突き抜け防止、あるいはタングステ
ンの半導体基板への拡散防止として有効な方法である。
ところが、従来の技術においては、拡散層の全面にチタ
ンシリサイド層を形成するので、半導体基板に形成され
たLOCOS構造から成る素子分離領域の縁部分にまで
チタンシリサイド層が形成される。その結果、素子分離
領域の縁部分に発生した歪みによる結晶欠陥の影響等に
よって、素子分離領域の縁部分近傍における接合リーク
電流が増加するという問題がある。
【0012】バリアメタル層形成法におけるバリア層
は、通常、スパッタ法によって形成される。開口部のア
スペクト比が大きくなるに従い、所謂シャドウイング効
果によってスパッタ粒子が開口部側壁や底部に堆積し難
くなる。その結果、開口部底部のバリア層膜厚が薄くな
り、Al等が拡散層を突き抜ける現象、あるいはタング
ステンの半導体基板への拡散を効果的に防止できないと
いう問題が生じる。開口部の大きさを大きくしてアスペ
クト比を下げれば、シャドウイング効果が生じ難くな
り、開口部の底部におけるバリア層の膜厚を厚くするこ
とができる。然るに、開口部を大きくすることは、半導
体素子の微細化という要求に反する。
【0013】開口部の底部におけるバリア層をバリアメ
タル層形成法によって形成することが困難な大きさの開
口部であっても、高温スパッタ法によってAl等を開口
部に埋め込み、あるいはタングステンCVD法にて開口
部内にタングステンを堆積させることは可能である。
【0014】従って、本発明の目的は、シリコンから成
る下地とコンタクトホールとの間に充分な厚さのバリア
層を形成でき、しかも、バリア層による拡散層のリーク
電流の増加を招くことがなく、更に、半導体素子の微細
化の要求に対応し得るコンタクトホール及びその形成方
法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明のコンタクトホールの形成方法は、(イ)シ
リコンから成る下地上に層間絶縁層を堆積させる工程
と、(ロ)該層間絶縁層に所望の大きさよりも大きな開
口部を形成する工程と、(ハ)該開口部の底部に露出し
た下地に、スパッタ法にてバリア層を形成する工程と、
(ニ)絶縁材料にて開口部側壁にサイドウオールを形成
し、開口部の大きさを所望の大きさとする工程と、
(ホ)少なくとも開口部の内部に配線材料を堆積させる
工程、から成ることを特徴とする。
【0016】上記の目的を達成するための本発明のコン
タクトホールは、拡散層が形成されたシリコンから成る
下地上に形成された層間絶縁層に開口部を設け、かかる
開口部に配線材料を堆積させることによって形成され
る。そして、(イ)開口部の底部に形成されたバリア
層、及び(ロ)開口部内壁と配線材料との間に形成され
た、絶縁材料から成るサイドウオール、を備えたことを
特徴とする。
【0017】本発明のコンタクトホールあるいはその形
成方法においては、バリア層はチタンシリサイドあるい
はコバルトシリサイドから成ることが望ましい。また、
絶縁材料はCVD法にて形成された窒化シリコンあるい
は酸化シリコンから成ることが望ましい。
【0018】配線材料の堆積方法には特に制限はなく、
例えば、アルミニウムあるいはアルミニウム合金の高温
スパッタ法や、選択CVD法、ブランケットCVD法等
を例示することができる。
【0019】
【作用】本発明においては、所望の大きさよりも大きな
開口部の底部にスパッタ法にてバリア層を形成するの
で、開口部の底部に膜厚の厚いバリア層を形成すること
ができる。しかも、バリア層は素子分離領域の縁部に形
成されないので、バリア層による拡散層のリーク電流の
増加を招くことがない。また、絶縁材料にて開口部側壁
にサイドウオールを形成し、開口部の大きさを所望の大
きさにするので、微細なコンタクトホールを形成方法す
ることができる。
【0020】
【実施例】以下、図面を参照して本発明を実施例に基づ
き説明する。
【0021】(実施例1)実施例1においては、バリア
層はチタンシリサイドから成り、サイドウオールは窒化
シリコンから成る。また、配線材料の堆積方法は、アル
ミニウム合金の高温スパッタ法による。
【0022】[工程−100]先ず、従来の方法によ
り、シリコン半導体基板10にLOCOS構造を有する
素子分離領域12を形成し、次いで、半導体基板にゲー
ト電極14、ソース・ドレイン領域16を形成する(図
1の(A)参照)。ソース・ドレイン領域16が形成さ
れたシリコン半導体基板10が、シリコンから成る下地
に相当する。次に、CVD法によって全面にSiO2
ら成り厚さ800nmの層間絶縁層18を形成する。層
間絶縁層18の形成条件を、例えば、以下のとおりとす
ることができる。 使用ガス : SiH4/O2/N2=250/250/
100 sccm 温 度 : 420゜C 圧 力 : 13.3Pa
【0023】[工程−110]次に、層間絶縁層18に
所望の大きさよりも大きな開口部20を形成する(図1
の(B)参照)。開口部20の大きさは、次の工程でス
パッタ法にてバリア層を形成したとき、開口部の底部に
十分な膜厚のバリア層が形成でき、しかも、開口部が素
子分離領域12にかからない大きさとする。具体的に
は、開口部の底部に30nm以上の厚さのバリア層を形
成することが望ましい。スパッタ法でこのような厚さの
バリア層を形成するためには、開口部のアスペクト比を
約1.6以下にすることが望ましい。層間絶縁層18の
厚さを800nmとした場合、開口部の径は0.5μm
以上となる。一例として、所望の大きさ(直径)を例え
ば0.4μmとした場合、開口部20の直径は、例えば
0.6μm程度である。開口部20は、従来のフォトリ
ソグラフィ技術及びドライエッチング技術によって形成
することができる。ドライエッチングの条件を以下に例
示する。 使用ガス : C48=50 sccm RFパワー: 1200W 圧 力 : 2Pa
【0024】[工程−120]次いで、開口部20の底
部にチタンシリサイド層22を形成する。チタンシリサ
イド層22は、開口部20を含む層間絶縁層18の全面
にスパッタ法によりチタン層を堆積させた後、熱処理に
よってチタン層中のTiと下地中のSiとを固相反応さ
せ、チタン層をシリサイド化し、未反応のチタンを選択
的に除去することによって、チタンシリサイド(TiS
2)層を形成する通常の方法とすることができる。
【0025】このような通常のチタンシリサイド層の形
成方法におけるTiと下地中のSiとの固相反応は、下
地表面に存在するSiO2から成る自然酸化膜によって
大きく影響される。自然酸化膜の厚さが厚い場合あるい
はチタン層が薄い場合には、Tiが自然酸化膜を還元す
ることができない。その結果、チタンシリサイド層が均
一に形成されず、コンタクト抵抗が増加するという問題
がある。このため、自然酸化膜を除去した後、SiO2
から成る5nm以下の薄い酸化膜を下地表面に形成し、
この酸化膜の上にチタン層を堆積させ、この酸化膜を通
して、チタン層中のTiと下地中のSiとを固相反応さ
せて、チタンシリサイド層を形成する技術が本出願人に
よって提案されている(特開平3−38823号公報参
照。尚、この技術を、以下、SITOX法とも呼ぶ)。
この方法によれば、自然酸化膜の影響を受けず、且つ1
100°Cまでの高温に対して安定性を有する優れたチ
タンシリサイド層を形成することができる。
【0026】このSITOX法によるチタンシリサイド
層22の形成条件を以下に示す。先ず、開口部の底部に
ある自然酸化膜を除去した後、開口部20の底部に厚さ
5nmのSiO2層24を熱酸化法にて形成する。熱酸
化の条件を、例えば、 使用ガス : O2=10リットル/分 温 度 : 850゜C 時 間 : 10分 とすることができる。次に、スパッタ法にて開口部20
を含む層間絶縁層18の全面にチタン層26を堆積させ
る(図1の(C)参照)。チタン層26の厚さを層間絶
縁層の上で100nmとした。このような条件でチタン
層を堆積させると、開口部の底部には約30nm厚さの
チタン層26が堆積する。チタン層26のスパッタ法に
よる堆積条件を、例えば、 使用ガス : Ar=100 sccm 圧 力 : 0.4Pa DCパワー : 5 kW 基板加熱温度: 150゜C とすることができる。その後、650゜C、30秒間の
RTA(Rapid ThermalAnnealing)処理をアルゴン雰囲
気下で行い、Tiと下地中のSiとを固相反応させて、
開口部20の底部にTiSiXを形成する。開口部20
の側壁及び表面に堆積したTiは未反応状態にある。次
いで、アンモニア過水(NH4OH:H22:H2O=
1:2:2)に10分間浸漬して、この未反応のTiを
除去する。その後、900゜C、30秒間のRTA処理
を窒素雰囲気下で行い、TiSiX層をより安定なTi
Si2層22とする(図2の(A)参照)。
【0027】[工程−130]次に、絶縁材料にて開口
部20の側壁にサイドウオール28Aを形成し、開口部
の大きさを所望の大きさとする。そのために、例えばプ
ラズマCVD法にて開口部20を含む層間絶縁層18の
全面に窒化シリコン層28を堆積させる(図2の(B)
参照)。窒化シリコン層28の堆積条件を、例えば以下
のとおりとすることができる。 使用ガス : SiH4/NH3/N2=180/500
/720 sccm 圧 力 : 700Pa RFパワー: 350W 温 度 : 250゜C その後、窒化シリコン層28を全面エッチバックして、
開口部20の側壁にサイドウオール28Aを形成する
(図2の(C)参照)。これによって、開口部20の大
きさを所望の大きさとする。サイドウオール28Aによ
り狭められた開口部20の径がコンタクトホールの所望
する径となる。例えばコンタクトホールの所望する径を
0.4μmとした場合、かかる径を有する開口部20と
するためには、層間絶縁層18上の窒化シリコン層の厚
さは120〜150nmが適当である。窒化シリコン層
28のエッチバック条件を、例えば、 使用ガス : CHF3/O2=75/35 sccm 圧 力 : 5Pa パワー : 600W とすることができる。
【0028】[工程−140]次いで、少なくとも開口
部20の内部に配線材料を堆積させる。配線材料として
Al−1%Siを用い、このAl合金を高温スパッタ法
で厚さ500nm堆積させる。尚、Al合金の堆積の前
に、Al合金の開口部側壁における濡れ性を改善するた
めに、厚さ100nmのチタン層を下地層30としてス
パッタ法で開口部の内部を含む全面に形成する(図3参
照)。下地層30及び配線材料32の堆積条件を以下に
例示する。 下地層(Ti) 使用ガス : Ar=100 sccm 圧 力 : 0.4Pa DCパワー : 5 kW 基板加熱温度: 150゜C 配線材料(Al合金) 使用ガス : Ar=100 sccm 圧 力 : 0.4Pa DCパワー : 10 kW 基板加熱温度: 500゜C 成膜速度 : 600nm/分 その後、層間絶縁層上の配線材料及びチタン層を選択的
に除去し、配線層を形成する。尚、下地層30としてチ
タンの代わりに、TiN、Ti/TiN、TiSi2
TiN、Ti/TiON、Ti/TiN/Ti、Ti/
TiON/Ti、TiSi2/TiON,TiW等を用
いることができる。
【0029】(実施例2)実施例2のコンタクトホール
の形成方法は、絶縁材料にて開口部側壁にサイドウオー
ルを形成する際の絶縁材料が酸化シリコンから成る点
が、実施例1と相違する。即ち、実施例2においては、
実施例1の[工程−130](サイドウオール形成工
程)が相違する。実施例2における他の工程は、実施例
1と同様とすることができる。以下、この相違する工程
のみを説明する。
【0030】実施例1の[工程−100]〜[工程−1
20]と同様の方法でシリコンから成る下地上に層間絶
縁層を堆積させ、層間絶縁層に所望の大きさよりも大き
な開口部を形成する。次に、酸化シリコンから成る絶縁
材料にて開口部側壁にサイドウオールを形成し、開口部
の大きさを所望の大きさとする。そのために、例えばT
EOS法にて開口部を含む層間絶縁層の全面に酸化シリ
コン層を堆積させる。酸化シリコン層の堆積条件を、例
えば以下のとおりとすることができる。 (熱CVD法の場合) 使用ガス : TEOS=50 sccm 圧 力 : 40Pa 成長温度 : 720゜C 成長速度 : 11nm/分 (プラズマCVD法の場合) 使用ガス : TEOS=50 sccm 圧 力 : 1300Pa RFパワー: 350W 成長温度 : 250゜C その後、酸化シリコン層を全面エッチバックして、開口
部の側壁にサイドウオールを形成する。これによって、
開口部の大きさを所望の大きさとする。TEOS法によ
り形成される酸化シリコン層はカバレッジがよい。それ
故、例えばコンタクトホールの所望する径を0.4μm
とした場合、かかる径を有する開口部を形成するために
は、窒化シリコン層の厚さは100〜130nmが適当
である。酸化シリコン層のエッチバック条件を、例え
ば、 使用ガス : CHF3/O2=75/8 sccm 圧 力 : 5Pa パワー : 850W とすることができる。
【0031】その後、実施例1の[工程−140]と同
様の方法で、少なくとも開口部の内部に配線材料を堆積
させる。
【0032】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。実施例にて用いた各種材料や条件は例示であ
り、適宜変更することができる。
【0033】例えばシリコンから成る下地として、拡散
層の形成されたシリコン半導体基板の他にも、薄膜トラ
ンジスタを作製するための各種基板上に形成されたシリ
コン層を挙げることができる。層間絶縁層として、Si
2以外にも、従来のCVD法で形成された、PSG、
BSG、BPSG、AsSG、PbSG、SbSG、シ
リコン窒化膜、SOG、SiON等、あるいはこれらの
層間絶縁層を積層したものを挙げることができる。
【0034】開口部の内部に堆積させる配線材料とし
て、実施例ではAl−1%Siを用いたが、純Al、あ
るいはAl−Si−Cu、Al−Cu、Al−Ge等の
Al合金を用いてもよい。また、Al等の高温スパッタ
法の代わりに、ブランケットCVD法あるいは選択CV
D法を用いることができる。この場合、タングステンだ
けなく、ニッケル、モリブデン、コバルト等の各種金属
を用いることができる。ブランケットタングステンCV
D法によりタングステンを開口部内に堆積させるための
条件を、例えば以下のとおりとすることができる。 使用ガス : WF6/H2/Ar/N2=65/300
/2500/300 sccm 温 度 : 450゜C 圧 力 : 1.06×104Pa タングステン選択CVD法によりタングステンを開口部
内に堆積させるための条件を、例えば以下のとおりとす
ることができる。 使用ガス : WF6/SiH4/H2/Ar=10/7
/1000/10 sccm 温 度 : 260゜C 圧 力 : 26Pa
【0035】
【発明の効果】本発明においては、所望の大きさよりも
大きな開口部の底部にスパッタ法にてバリア層を形成す
るので、開口部の底部に膜厚の厚いバリア層を形成する
ことができる。従って、配線材料の下地への突き抜け、
あるいは配線材料と下地との反応を効果的に防止するこ
とができる。しかも、バリア層が素子分離領域の縁部に
形成されないので、バリア層による拡散層のリーク電流
の増加を招くことがない。また、絶縁材料にて開口部側
壁にサイドウオールを形成し、開口部の大きさを所望の
大きさにするので、微細なコンタクトホールを形成する
ことができ、半導体装置の高密度化に対処することが可
能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のコンタクトホールの形成方法を説明す
るための半導体素子の模式的な一部断面図である。
【図2】図1に引き続き、本発明のコンタクトホールの
形成方法を説明するための半導体素子の模式的な一部断
面図である。
【図3】本発明のコンタクトホールが形成された半導体
素子の模式的な一部断面図である。
【図4】従来のバリアメタル層形成法を説明するための
半導体素子の模式的な一部断面図である。
【図5】従来のチタンサリサイド法を説明するための半
導体素子の模式的な一部断面図である。
【符号の説明】
10 半導体基板 12 素子分離領域 14 ゲート電極 16 ソース・ドレイン領域 18 層間絶縁層 20 開口部 22 チタンシリサイド層 24 SiO2層 26 チタン層 28 窒化シリコン層 28A サイドウオール 30 下地層 32 配線材料

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(イ)シリコンから成る下地上に層間絶縁
    層を堆積させる工程と、 (ロ)該層間絶縁層に所望の大きさよりも大きな開口部
    を形成する工程と、 (ハ)該開口部の底部に露出した下地に、スパッタ法に
    てバリア層を形成する工程と、 (ニ)絶縁材料にて開口部側壁にサイドウオールを形成
    し、開口部の大きさを所望の大きさとする工程と、 (ホ)少なくとも開口部の内部に配線材料を堆積させる
    工程、 から成ることを特徴とするコンタクトホールの形成方
    法。
  2. 【請求項2】前記バリア層はチタンシリサイドから成る
    ことを特徴とする請求項1に記載のコンタクトホールの
    形成方法。
  3. 【請求項3】前記絶縁材料はCVD法にて形成された窒
    化シリコン又は酸化シリコンから成ることを特徴とする
    請求項1又は請求項2に記載のコンタクトホールの形成
    方法。
  4. 【請求項4】拡散層が形成されたシリコンから成る下地
    上に形成された層間絶縁層に開口部を設け、かかる開口
    部に配線材料を堆積させることによって形成されたコン
    タクトホールであって、 (イ)開口部の底部に形成されたバリア層、及び (ロ)開口部内壁と配線材料との間に形成された、絶縁
    材料から成るサイドウオール、 を備えたことを特徴とするコンタクトホール。
  5. 【請求項5】前記バリア層はチタンシリサイドから成る
    ことを特徴とする請求項4に記載のコンタクトホール。
  6. 【請求項6】前記絶縁材料はCVD法にて形成された窒
    化シリコン又は酸化シリコンから成ることを特徴とする
    請求項4又は請求項5に記載のコンタクトホール。
JP35732392A 1992-12-24 1992-12-24 コンタクトホール及びその形成方法 Pending JPH06196439A (ja)

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