JPH0778789A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH0778789A
JPH0778789A JP5222960A JP22296093A JPH0778789A JP H0778789 A JPH0778789 A JP H0778789A JP 5222960 A JP5222960 A JP 5222960A JP 22296093 A JP22296093 A JP 22296093A JP H0778789 A JPH0778789 A JP H0778789A
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film
interlayer insulating
titanium
forming
insulating film
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JP5222960A
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Jun Hayashi
純 林
Junichiro Nakajima
順一郎 中島
Kazuko Ikeda
和子 池田
Kazuo Aizawa
一雄 相沢
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/02Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/04Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L24/05Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2224/02Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/0212Auxiliary members for bonding areas, e.g. spacers
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】ボンディング・パッド部が形成される上層配線
とこの上層配線の下地となる層間絶縁膜との密着性が良
く,かつこの上層配線と下層配線層とのコンタクト抵抗
が低く抑えることが可能な半導体装置の製造方法を提供
する。 【構成】N+ 型拡散層103等の下層配線層が形成され
た後、シラン系ガスとN2 Oガスとを原料にしたプラズ
マCVD法による酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜1
05が形成される。コンタクト孔106が形成された
後、チタン膜107,窒化チタン膜108が堆積され、
所定条件のRTAが施され、コンタクト孔106底部に
チタンシリサイド膜109が形成される。少なくともア
ルミ合金膜110が堆積された後、所定のパターニング
により少なくとも上記3層が積層された構造の上層配線
が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置およびその製
造方法に関し、特にボンディング・パッド部が設けられ
る上層配線とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】シリコン基板に形成された半導体装置
は、シリコン基板表面もしくはシリコン基板上に形成さ
れた下層配線層(拡散層,下層配線等)と、これらを覆
う層間絶縁膜と、層間絶縁膜に設けられた下層配線層に
達する接続孔(コンタクト孔)と、上層配線と、上層配
線および層間絶縁膜を覆う表面保護膜と、表面保護膜に
設けられた上層配線に達する開口部を含んでなるボンデ
ィング・パッド部とを有している。半導体素子は、拡散
層のみ(この場合の下層配線層は拡散層のみからな
る),もしくは拡散層と下層配線とにより(この場合の
下層配線層は拡散層と下層配線とからなる)形成されて
いる。下層配線層が拡散層と下層配線とからなる場合に
は、上層配線と下層配線層とを接続するコンタクト孔
は、少なくとも上層配線と下層配線とを接続するコンタ
クト孔を有している。上記半導体装置は、パッケージに
搭載され、さらにこのパッケージの複数の外部リード部
と所望の電気的接続が行なわれている。上記上層配線に
設けられたその面積が100μm□程度の大きさの複数
のボンディング・パッド部は、アルミ線あるいは金線か
らなるボンディング線によりそれぞれの外部リード部と
結線されている。
【0003】半導体装置の高集積化を実現するために、
例えば上層配線等の線幅が縮小されている。これに伴な
い、コンタクト孔の底部においては、上層配線と下層配
線層との間にバリア層が設けられている。これは、上層
配線を構成する導電体膜と下層配線層を構成する導電体
物質との相互拡散を抑制するためである。また、例えば
アルミ系金属を主体とする上層配線は、ストレス・マイ
グレーション耐性(およびエレクトロ・マイグレーショ
ン耐性)を向上させるため、高融点金属膜もしくは高融
点金属合金膜とアルミ系金属膜との積層膜により構成さ
れている。この場合、高融点金属膜もしくは高融点金属
合金膜が層間絶縁膜の上面と直接に接触している。この
ような積層構造からなる上層配線では、ボンディング・
パッド部に外部リードと接続するための(アルミ線ある
いは金線からなる)ボンディング線の結線を行なう際の
配慮が必要である。これは層間絶縁膜と上層配線を構成
する上記高融点金属膜もしくは高融点金属合金膜との密
着性に関する点であり、上記ボンディング・パッド部に
超音波振動を加えながら上記ボンディング線の結線を行
なうときにこの部分の上層配線が層間絶縁膜から剥れる
ことがある。この問題に対する解決策の1つが、例え
ば、特開平3−127843号公報に開示されている。
【0004】半導体装置の断面図である図6を参照する
と、上記公開公報記載の半導体装置の構造は、以下のよ
うになっている。半導体基板201表面には、フィール
ド酸化膜202が設けられている。このフィールド酸化
膜202を覆う層間絶縁膜は、フィールド酸化膜を直接
に覆うBPSG膜231とTEOS酸化膜232との積
層膜からなる。層間絶縁膜上には上層配線が設けられて
いる。この上層配線は、TEOS酸化膜232上面に直
接に接触する窒化チタン膜208とアルミ膜233との
積層膜からなる。この上層配線は表面保護膜211に覆
われ、表面保護膜211に設けられたアルミ膜233に
達する開口部を含んでなるボンディング・パッド部21
2が設けられている。このような構造により、上述のボ
ンディング線の結線時のボンディング・パッド部212
での上層配線の層間絶縁膜からの剥れが防止される。ま
た、層間絶縁膜の上層部分をTEOS酸化膜232にす
ることにより、窒化チタン膜208と層間絶縁膜との密
着性は高くなると記述している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記公開公報記載の半
導体装置は、上層配線のボンディング・パッド部にボン
ディング線を結線する際に、上層配線が層間絶縁膜から
剥れるという問題は解決する。このような構造の上層配
線では、層間絶縁膜に設けられた下層配線層に達するコ
ンタクト孔の底部において、上層配線を構成する窒化チ
タン膜が下層配線層と直接に接触する構造になってい
る。しかしながらこの場合、窒化チタン膜の無い場合に
比べて、コンタクト孔を介して接続されるこの上層配線
と下層配線層とのコンタクト抵抗が2桁前後高くなる。
【0006】コンタクト抵抗の上昇を抑える方法とし
て、層間絶縁膜の上面に直接に接触するチタン膜,窒化
チタン膜およびアルミ系金属膜からなる3層の積層膜を
少なくとも含んだ構造で上層配線を構成する方法がとら
れている。この3層積層構造を含んだ上層配線では、層
間絶縁膜に設けられた下層配線層に達するコンタクト孔
の底部において、上層配線を構成するチタン膜もしくは
(チタンと下層配線層を構成する導電体物質との)チタ
ン合金膜が下層配線層と直接に接触する構造になってお
り、窒化チタン膜は下層配線層と直接に接触しない構造
になっている。このため、コンタクト抵抗の上昇は抑制
される。ところがこのような3層積層構造を含んだ上層
配線では、先に述べた上層配線のボンディング・パッド
部へボンディング線を結線する際に上層配線が層間絶縁
膜から剥れるという問題が、極めて顕著になる。
【0007】本発明の目的は、ボンディング・パッド部
が形成される上層配線とこの上層配線の下地となる層間
絶縁膜との密着性が良く,かつこの上層配線と下層配線
層とのコンタクト抵抗が低く抑えることが可能な半導体
装置(特に、上層配線の組成構造と層間絶縁膜の組成構
造との組合せ)の製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、シリコン基板の表面に選択的にフィールド酸
化膜を形成する工程と、少なくとも上記シリコン基板表
面に下層配線層を形成する工程と、少なくともその上面
がシラン系ガスおよび1酸化2窒素ガスを原料にしたプ
ラズマCVD法により形成される酸化シリコン膜からな
る層間絶縁膜を全面に形成する工程と、所定の個所の上
記層間絶縁膜のエッチングを行ない、上記下層配線層に
達する接続孔を形成する工程と、全面にチタン膜と窒化
チタン膜とを順次形成し、熱処理を行なう工程と、全面
に少なくともアルミ系金属膜を形成する工程と、所定の
個所の少なくとも上記アルミ系金属膜,上記窒化チタン
膜および上記チタン膜を順次エッチングして上層配線を
形成する工程と、全面に表面保護膜を形成し、所定の個
所のこの表面保護膜をエッチングして上記上層配線に達
する開口部を形成する工程とを有する。
【0009】
【実施例】本発明の実施例の説明に先だって、本発明に
到る技術的な検討の過程を説明する。
【0010】本発明者らは、層間絶縁膜の上面に直接に
接触するチタン膜,窒化チタン膜およびアルミ系金属膜
からなる3層の積層膜を少なくとも含んだ構造からなる
上層配線でのボンディング・パッド部へボンディング線
を結線する際に、上層配線が層間絶縁膜から剥れるやす
くなる原因を究明した。さらに、層間絶縁膜の構成材料
および製造方法の選択と、チタン膜および窒化チタン膜
を堆積してからの熱処理とにより、上記構造の上層配線
でも実用に耐えるものが得られるに至り、その結果を1
993年春季,第40回応用物理学関係連合講演会,講
演予稿集,第671頁(講演番号29p−ZY−3)に
おいて報告した。その内容の概要を、図1,図2および
図3を参照して説明する。
【0011】まず、第1の段階として、剥れの測定を行
なった。直接的な剥れの測定には、MILスペクック,
方法2011.4ボンドの強さ(破壊的ボンド引張り試
験)に依る剥れ発生率の測定を採用した。
【0012】この測定用の試料の一部は、次のように形
成される。シリコン基板表面にフィールド酸化膜が形成
され、このフィールド酸化膜を覆う層間絶縁膜が堆積さ
れる。層間絶縁膜としては通常多用されている2種類
(A;TEOSを原料の1つとした減圧CVD法(LP
CVD法)によるBPSG膜,B;TEOSを原料の1
つとしたプラズマCVD法による酸化シリコン膜)を採
用する。全面にチタン膜と窒化チタン膜とが堆積され
る。その後、650℃の窒素雰囲気での30秒の急速熱
処理(Rapid Thermal Annealin
g;RTA)が行なわれる試料と行なわれない試料とが
形成される。アルミ−シリコン−銅からなるアルミ合金
膜が全面に堆積された後、これらアルミ合金膜,窒化チ
タン膜およびチタン膜が順次エッチングされ、所定の上
層配線が形成される。表面保護膜が形成された後、上層
配線に達する開口部がこの表面保護膜に形成され、この
開口部とこれにより露出された上層配線とからなるボン
ディング・パッド部が形成される。その後、このボンデ
ィング・パッド部にボンディング線が結線される。ボン
ディング線としてアルミ線が用いられ,ボンディング方
法としては超音波ボンディングが用いられる。上記試料
に対して、上記測定方法に依る剥れ発生率を比較する
と、A(RTA有り):B(RTA有り):B(RTA
無し)=7.1%:4.9%:0.7%という結果を得
た。層間絶縁膜がBからなる場合、RTAを行なうと剥
れやすくなる。層間絶縁膜がAからなる場合も、同様の
傾向がある。この第1段階の残りの試料としては、層間
絶縁膜に別の層間絶縁膜(C;シラン系ガスおよび1酸
化2窒素(N2 O)ガスを原料にしたプラズマCVD法
による酸化シリコン膜)を採用した。RTA有りのこの
試料では、上記方法による剥れ発生率が0.0%であっ
た。
【0013】その結果、層間絶縁膜の上面に直接に接触
するチタン膜,窒化チタン膜およびアルミ系金属膜から
なる3層の積層膜を少なくとも含んだ構造からなる上層
配線を採用しても、層間絶縁膜としてはシラン系ガスお
よびN2 Oガスを原料にしたプラズマCVD法による酸
化シリコン膜を用い、チタン膜と窒化チタン膜とを堆積
した後にRTAを行なうことにより、実用に耐えられる
半導体装置が得られることが明らかになった。なお、こ
の試料では、上記2種類の層間絶縁膜の試料とは逆に、
RTA無しのものの方が剥れ発生率は高かった。
【0014】上述のように、ボンディング・パッド部を
形成し,ボンディング線を結線した試料に対して剥れを
測定するのでは、試作時間等も長くなり,不経済であ
る。そのため、別の簡便な試料を作成し、別の方法での
測定を行なうことにした。本発明者らは、この剥れ発生
率は、スクラッチテストにおける剥れ発生時加重との相
関が強く,スクラッチテストにおける剥れ発生時加重が
53g以上の値であれば実用上問題無いという結果を得
たため、剥れの測定をこの方法で代用することにした。
【0015】半導体装置の断面図である図1を参照する
と、スクラッチテストに用いた試料の構造は、以下のよ
うになっている。P型シリコン基板101表面にはフィ
ールド酸化膜102が設けられ、このフィールド酸化膜
102は膜厚約600nmの層間絶縁膜125により覆
われている。この層間絶縁膜125は、上述の剥れ発生
率に使用した試料と同様に、A,B,Cの3種類であ
る。この層間絶縁膜125は、スパッタリングおよび反
応性スパッタリングにより連続して堆積された膜厚30
nm程度のチタン膜107および膜厚100nm程度の
窒化チタン膜108により覆われている。これらの試料
は、窒化チタン膜108が成膜された後、上記条件のR
TAを行なうものと行なわないものとが形成される。上
記試料に対するスクラッチテストによる剥れ発生加重の
結果の一例は、A(RTA有り):B(RTA有り):
B(RTA有り)=40.0g:50.2g:63.8
gとなった。
【0016】次に、第2の段階として、本発明者等は、
剥れの原因の追求を行なった。上記構造の試料のチタン
膜107と層間絶縁膜125との界面に、この界面が剥
れやすくなるなんらかの脆弱物質が生成されるのではな
いかと考えた。本発明者等は、チタン燐(TiP)を形
成する結合エネルギーを持った燐,酸化チタン(TiO
X (X=2−α))を形成する結合エネルギーを持った
酸素,およびチタンシリサイド(TiSiY )を形成す
る結合エネルギーを持ったシリコンについて、X線光電
子分光法(X−ray Electron Spect
roscopy;XPS)による測定を行なった。その
結果、TiPは検出されなかったが、TiOX およびT
iSiY の存在は確認された。例えば、XPSによる酸
素のエネルギー・スペクトル分布のグラフである図2を
参照すると、層間絶縁膜125がA(TEOSを原料の
1つとした減圧CVD法(LPCVD法)によるBPS
G膜)であり、RTAを行なった場合、チタン膜107
中には結合エネルギーが約531eVの酸素(すなわち
TiOX となる酸素)が存在する。なお、BPSG膜中
の結合エネルギーが約536eVの酸素はSiO2 とな
る酸素であり、このエネルギーの酸素は、メタルである
チタン膜107の存在による影響を受けて、チャージシ
フトを起している。
【0017】TiOX となる酸素のXPS強度(1秒間
当りのカウント数(CPS))とスクラッチテストの剥
れ発生加重との関係を示すグラフである図3を参照する
と、チタン膜107と層間絶縁膜125との界面に形成
されたTiOX の量が少ないほどスクラッチテストの剥
れ発生加重が大きいということが、明らかになった。ま
た、MILスペクック,方法2011.4ボンドの強さ
(破壊的ボンド引張り試験)に依るRTA前後での剥れ
発生率の測定結果(層間絶縁膜がA,Bの場合にはRT
Aを行なうと剥れ発生率が高くなり、層間絶縁膜がCの
場合にはRTAを行なうと剥れ発生率が低くなる)とも
良く一致した。すなわち、層間絶縁膜がA,Bの場合に
はRTAを行なうと層間絶縁膜125とチタン膜107
との界面でのTiOX が増加するが、層間絶縁膜がCの
場合にはRTAを行なうと(その原因は現段階では明ら
かではないが)層間絶縁膜125とチタン膜107との
界面でのTiOX が減少する。なお、上記界面に形成さ
れるチタンシリサイドとスクラッチテストの剥れ発生加
重とには、相関が無いことも明らかになった。
【0018】次に、本発明について図面を参照して説明
する。本発明は、上記報告の結果,結論に基ずくもので
ある。
【0019】半導体装置の製造工程の断面図である図4
を参照すると、本発明の一実施例は、以下のように製造
される。
【0020】まず、P型シリコン基板101表面には選
択的に素子分離用のフィールド酸化膜102が形成さ
れ、ゲート電極(図示せず)が形成された後、N+ 型拡
散層103が形成される。本実施例における下層配線層
は、このN+ 型拡散層103とゲート電極とからなる。
熱酸化等により、このN+ 型拡散層103等の表面を覆
うシリコン酸化膜104が形成される。シラン系ガスと
2 Oガスとを原料にしたプラズマCVD法により、膜
厚約600nmの酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜1
05が堆積される〔図4(a)〕。
【0021】次に、所定の個所の層間絶縁膜105がエ
ッチングされ、N+ 型拡散層103等に達する接続孔で
あるコンタクト孔106が形成される。次に、スパッタ
リング,および反応性スパッタリングにより、全面に3
0nm程度の膜厚のチタン膜107と、100nm程度
の膜厚の窒化チタン膜107とが連続的に堆積される
〔図4(b)〕。
【0022】次に、窒素雰囲気,650℃,30秒のR
TAが行なれる。これにより、例えばN+ 型拡散層10
3に達するコンタクト孔106底部では、このN+ 型拡
散層103とチタン膜107との界面に、チタンシリサ
イド膜109が形成される〔図4(c)〕。このとき、
コンタクト孔106底部において、と窒化チタン膜10
8との間にチタン膜107が残存するか否かわ、成膜時
のチタン膜107の膜厚とRTAの条件とに依存する。
【0023】続いて、全面にアルミ系金属膜である所定
膜厚のアルミ合金膜110が堆積される。さらに目的に
応じて、このアルミ合金膜110を覆う高融点金属膜も
しくは高融点金属合金膜を全面に堆積してもよい。次
に、上記アルミ合金膜110,窒化チタン膜108,チ
タン膜107が順次エッチングされ、これらの積層膜か
らなる所望の形状を有する上層配線が形成される。次
に、全面に表面保護膜111が堆積される。水素雰囲気
でのアルミ・アロイ処理は、この表面保護膜111の成
膜の前もしくは後に行なわれる。続いて、この表面保護
膜111の所定の部分には上層配線に達する100μm
□程度の大きさの開口部が形成され、この開口部とこれ
により露出した上層配線とからなるボンディング・パッ
ド部112が形成され、本実施例の半導体装置が得られ
る〔図4(d)〕。
【0024】上記一実施例では、上層配線を構成するチ
タン膜107が層間絶縁膜105の上面に直接に接触し
ている。図4(c)の段階でのスクラッチテストにおけ
る剥れ発生時加重の値は、63.8gである。この値は
実用化に耐える値であり、この上層配線のボンディング
・パッド部112へ超音波振動等を用いてボンディング
線を結線しても、上層配線が層間絶縁膜105から剥れ
ることはない。また、コンタクト孔106において、下
層配線層であるN+ 型拡散層103と直接に接続される
上層配線の部分は、チタンシリサイド膜109である。
このため、コンタクト抵抗も低くできる。またこのコン
タクト孔106の底部において、上層配線を構成する窒
化チタン膜108が存在するため、上層配線を構成する
アルミ等と下層配線層を構成するシリコン等との相互拡
散が阻止される。
【0025】上記一実施例は、多層配線を有する半導体
装置に適用することが可能である。半導体装置の断面図
である図5を参照すると、上記一実施例の多層配線への
適用例は、以下のように構成されている。
【0026】フィールド酸化膜102,N+ 型拡散層1
03等が設けらてたP型シリコン基板101は、BPS
G膜からなる第1の層間絶縁膜105aにより覆われて
いる。この層間絶縁膜105a上には、下層配線113
が形成されている。この下層配線113は、多結晶シリ
コン膜,高融点金属膜,高融点金属シリサイド膜あるい
は高融点金属ポリサイド膜等からなる。この下層配線1
13を含めた層間絶縁膜105aの上面は、シラン系ガ
スとN2 Oガスとを原料にしたプラズマCVD法に成膜
されら所定膜厚の酸化シリコン膜からなる第2の層間絶
縁膜105bにより覆われている。
【0027】この適用例には、上層配線と下層配線層と
の接続孔が2種類ある。その1つはコンタクト孔106
aであり、これは層間絶縁膜105b,105aを貫通
してN+ 型拡散層103等に達している。別の1つはコ
ンタクト孔106bであり、これは層間絶縁膜105b
を貫通して下層配線113に達している。これらコンタ
クト孔106a,106bには、所定の高さの選択成長
導電体膜114が設けられている。この選択成長導電体
膜114は、例えばタングステン,多結晶シリコン等か
らなる。この選択成長導電体膜114の代りに、ブラン
ケット法等による導電体膜をこれらコンタクト孔106
a,106b内に形成してもよい。層間絶縁膜105b
上面におけるこの上層配線の構造は、上記一実施例と同
様に、チタン膜107,窒化チタン膜108およびアル
ミ合金膜110等が積層された構造である。選択成長導
電体膜114上面におけるこの上層配線の構造は、チタ
ン合金膜115,チタン膜107,窒化チタン膜108
およびアルミ合金膜110等が積層された構造である。
【0028】上記一実施例の適用例は、多層配線の採用
に際しての接続孔の占有面積の増大は回避され、半導体
装置の微細化,高集積化に対して極めて有効である。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように本発明の採用によ
り、ボンディング・パッド部が形成される上層配線とこ
の上層配線の下地となる層間絶縁膜との密着性が強くな
り、かつ、この上層配線と下層配線層とのコンタクト抵
抗を低く抑えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に到る技術的背景を説明するための図で
あり、半導体装置の断面図である。
【図2】本発明に到る技術的背景を説明するための図で
あり、XPSによる酸素のエネルギー・スペクトル分布
のグラフである。
【図3】本発明に到る技術的背景を説明するための図で
あり、TiOX となる酸素のXPS強度とスクラッチテ
ストの剥れ発生加重との関係を示すグラフである。
【図4】本発明の一実施例の製造工程の断面図である。
【図5】上記一実施例の適用例の断面図である。
【図6】従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
101 P型シリコン基板 102,202 フィールド酸化膜 103 N+ 型拡散層 104 酸化シリコン膜 105,105a,105b,125 層間絶縁膜 106,106a,106b コンタクト孔 107,207 チタン膜 108,208 窒化チタン膜 109 チタンシリサイド膜 110 アルミ合金膜 111,211 表面保護膜 112,212 ボンディング・パッド部 113 下層配線 114 選択成長導電体膜 115 チタン合金膜 201 半導体基板 231 BPSG膜 232 TEOS酸化膜 233 アルミ膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相沢 一雄 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン基板の表面に選択的にフィール
    ド酸化膜を形成する工程と、 少なくとも前記シリコン基板表面に下層配線層を形成す
    る工程と、 少なくともその上面がシラン系ガスおよび1酸化2窒素
    ガスを原料にしたプラズマCVD法により形成される酸
    化シリコン膜からなる層間絶縁膜を、全面に形成する工
    程と、 所定の個所の前記層間絶縁膜のエッチングを行ない、前
    記下層配線層に達する接続孔を形成する工程と、 全面にチタン膜と窒化チタン膜とを順次形成し、熱処理
    を行なう工程と、 全面に少なくともアルミ系金属膜を形成する工程と、 所定の個所の少なくとも前記アルミ系金属膜,前記窒化
    チタン膜および前記チタン膜を順次エッチングして上層
    配線を形成する工程と、 全面に表面保護膜を形成し、所定の個所の該表面保護膜
    をエッチングして前記上層配線に達する開口部を形成す
    る工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方
    法。
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