JPH08162531A - 配線形成方法 - Google Patents

配線形成方法

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Publication number
JPH08162531A
JPH08162531A JP30053794A JP30053794A JPH08162531A JP H08162531 A JPH08162531 A JP H08162531A JP 30053794 A JP30053794 A JP 30053794A JP 30053794 A JP30053794 A JP 30053794A JP H08162531 A JPH08162531 A JP H08162531A
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JP
Japan
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nitride layer
refractory metal
layer
sputtering
metal nitride
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Application number
JP30053794A
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English (en)
Inventor
Junichi Sato
淳一 佐藤
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 内部応力が低減されたTiN等の高融点金属
窒化物層を、反応性スパッタリングにより形成する配線
形成方法を提供する。 【構成】 反応性スパッタリング中に、N2 等のN系ガ
スを段階的に増加する。形成される高融点金属窒化物層
5は、メタリックモードの第1の高融点金属窒化物層5
aと、ナイトライドモードの第2の高融点金属窒化物層
5bが積層された構造を有する。N系ガスは連続的に増
加してもよい。 【効果】 圧縮応力を持つ第1の高融点金属窒化物層5
aと、引張り応力を持つ第2の高融点金属窒化物層5b
の応力が相殺しあい、高融点金属窒化物層5の実質的な
膜応力はゼロとなる。このためクラックや剥離のない、
信頼性の高い配線形成方法が実現される。

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等の製造分野
で適用される配線形成方法に関し、更に詳しくは、Ti
N等の高融点金属窒化物層を反応性スパッタリングによ
り形成する工程を有する配線形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】LSI等の半導体装置の高集積度化、高
性能化が進展するに伴い、半導体チップ上では配線部分
が占有する面積の割合が増加する傾向にある。これによ
る半導体チップ面積の増大を避けるためには、コンタク
ト電極による層間接続を用いた多層配線が必須のプロセ
スとなっている。すなわち、半導体基板や下層配線上の
層間絶縁膜に接続孔を開口し、ここに上層配線を形成し
て上下各配線層間のオーミックコンタクトを得る方法で
ある。層間接続の構造や形成方法は、半導体装置のデザ
インルールの微細化に伴い、信頼性確保の観点から複雑
なものとなりつつある。
【0003】その一例として、半導体基板や多結晶シリ
コン配線上に形成する、上層配線としてのAl系金属配
線である。とりわけSi等の半導体基板は、能動層とし
ての不純物拡散層が薄くなる傾向にあり、半導体基板へ
のAlの拡散によるアロイピットによるリークが問題と
なる。このため、Al系金属配線の下部にTiN層やT
i/TiN積層等によるバリアメタル層を形成する必要
がある。この場合、Ti層が下層、TiN層が上層であ
る。また上層配線の微細化により、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発生
した場合を補償する、冗長層としての機能を、バリアメ
タル層が担っている。
【0004】他の例として、上層配線としてブランケッ
トCVD等によるW金属を採用する場合でる。これは接
続孔の微細化、高アスペクト比化に対処するため、ステ
ップカバレッジに優れたブランケットCVDによりW等
を接続孔内に埋め込むものである。しかしブランケット
CVDによるW層は膜の内部応力が大きく、下地の層間
絶縁膜や下層配線との密着性に乏しい。このため、やは
りTi/TiN積層等による密着層を高融点金属層の下
部に形成しておく方法が採用される。
【0005】通常、Ti層やTiN層を形成するには、
Ti金属をターゲット材料としたスパッタリングや、反
応性スパッタリングが行われる。中でもスパッタリング
粒子の垂直入射成分を高めたコリメーション・スパッタ
リングが注目されている。この方法の概略を図4および
図5(a)〜(e)を参照して説明する。
【0006】図4はコリメーション・スパッタリング装
置の一構成例を示す概略断面図である。スパッタリング
チャンバ14内の基板ステージ12上に載置された被処
理基板11に対向して、Ti金属材料からなるターゲッ
ト13を配置し、ガス導入孔(図示せず)からArやN
2 等のガスを導入し、スパッタリングチャンバ14内を
所定の減圧雰囲気にした後、被処理基板11とターゲッ
ト13の間にDCやRFのスパッタリング電力を印加す
る。ターゲットからスパッタされたTiは、被処理基板
11とターゲット13の中間位置に配設されたコリメー
タ15を通過してそのままTi金属として、あるいはN
2 と反応してTiNとなり被処理基板11上に堆積す
る。ターゲット13の背面に回転磁界を発生する磁石を
配設し、マグネトロンスパッタリング装置としてもよ
い。コリメータ15は、被処理基板11の表面に対し垂
直の方向に、多数の微細貫通孔が高開口率に開口した構
造を有する多孔板であり、被処理基板への垂直入射粒子
成分を増大する、セラミクスや金属からなる部材であ
る。なお同図では、真空ポンプや基板加熱機構等の細部
は図示を省略する。
【0007】このコリメーション・スパッタリング装置
を用いて、接続孔が形成された被処理基板上にTi層お
よびTiN層を形成するプロセスを図6(a)〜(d)
を参照して説明する。まず、不純物拡散層(図示せず)
等の能動素子が形成されたSi等の半導体基板1上にS
iO2 等からなる1μmの厚さの層間絶縁膜2を形成
し、不純物拡散層に臨む0.35μm径の接続孔3を開
口する。次にこの被処理基板を150℃に加熱した基板
ステージ11上に載置し、Arを40sccm、チャン
バ内圧力0.67Pa、DCスパッタリング電力10k
wのスパッタリング条件で高融点金属層4を20nm形
成して図6(b)に示す状態とする。つぎにN2 を50
sccm追加して導入した他は同じスパッタリング条件
で、高融点金属窒化物層5を50nm形成する。この状
態を図6(c)に示す。なお同図において、破線に囲ま
れた部分を図5(d)に示す。高融点金属窒化物層5は
その膜厚方向に均一な組成を有する。高融点金属窒化物
層5は内部応力が可及的に小さい状態に形成することが
好ましいが、反応性スパッタリングにおいてこの要求を
満たすプロセスウィンドウは狭く、実際には膜応力が蓄
積された状態で成膜される。この問題は後に図3を参照
して詳しく説明する。
【0008】この後被処理基板をCVDチャンバに搬送
し、ブランケットCVDによりW層6を全面に形成して
図5(d)の状態とする。W層6、高融点金属窒化物層
5および高融点金属層を所望の形状にパターニングして
上層配線を完成する。なおW層6に替えてAl系金属層
を高温スパッタリング等により全面に形成してもよい。
【0009】ステップカバレッジに優れたコリメーショ
ン・スパッタリングにおいても、実プロセスにおいては
スパッタリングのバッチ回数を重ねると、コリメータに
スパッタリング粒子が付着し、付着層の厚さが増大して
くる。このためコリメータの開口率が低下し、成膜速度
の低下や、膜剥がれによるパーティクル汚染の問題があ
る。本願出願人は先に出願した特開平5−326426
号公報において、コリメータの開口形状やコリメータへ
のRFバイアス印加等の手段によりこれらの問題を解決
する方法を開示した。
【0010】この他にも成膜速度の低下を補うため、A
r+N2 混合ガスにより高融点金属窒化物層を反応性ス
パッタリングする際にN2 の流量または流量比を小さく
し、成膜速度を向上させる試みがある。この方法はメタ
リックモードと呼称され、高融点金属窒化物層中の金属
成分が多く、当然シート抵抗も小さい上に対酸化性にも
優れる。しかしながら、この方法により得られる膜は圧
縮応力が大きく、クラックの発生や下地層との密着性の
低下という別の問題がある。またコリメータに付着する
問題の解決手段とはならない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した諸問
題点を解決するために提案するものであり、反応性スパ
ッタリングにより高融点金属窒化物層を含む配線を形成
するにあたり、この高融点金属窒化物層の内部応力を低
減し、クラックや膜剥離がなく、低抵抗でオーミック性
に優れた配線形成方法を提供することを課題とする。
【0012】また本発明の別の課題は、成膜速度を低下
することなく上述した課題を達成し、スループットに優
れた配線形成方法を提供することである。本発明の上記
以外の課題は、本願明細書および添付図面の説明により
明らかにされる。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明の配線形成方法
は、上述の課題を解決するために発案したものであり、
N系ガスと希ガスを含む混合ガスを用い、反応性スパッ
タリングにより高融点金属窒化物層を形成する工程を含
む配線形成方法であって、この反応性スパッタリング工
程中に、N系ガスの流量を段階的に増加することを特徴
とするものである。
【0014】また本発明の配線形成方法は、N系ガスと
希ガスを含む混合ガスを用い、反応性スパッタリングに
より高融点金属窒化物層を形成する工程を含む配線形成
方法であって、この反応性スパッタリング工程中に、N
系ガスの流量を連続的に増加することを特徴とするもの
である。
【0015】これらいずれの配線形成方法においても、
反応性スパッタリング工程中に、スパッタリング投入電
力を段階的または連続的に増加することが望ましい。
【0016】さらに反応性スパッタリングにより高融点
金属窒化物層を形成する工程の前に、希ガスを用いたス
パッタリングにより高融点金属層を形成することが望ま
しい。
【0017】N系ガスとしては、N2 、NH3 、N2
4 およびCH3 NH2 のようなアルキルアミンのうちの
いずれかを用いることができる。
【0018】また高融点金属窒化物としては、TiN、
ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、CrN、Mo
NおよびWNのうちのいずれかを例示することができ
る。
【0019】
【作用】本発明の骨子は、N系ガスと希ガスの混合ガス
による反応性スパッタリングにより高融点金属窒化物層
を形成する際に、N系ガスと希ガスの流量比を増加させ
つつスパッタリングすることにより、形成される高融点
金属窒化物層の内部応力を実質的にゼロとする点にあ
る。
【0020】前述したように、反応性スパッタリングに
より高融点金属窒化物層を形成する際に、スパッタリン
グ混合ガス中のN系ガスの流量比を小さくすれば成膜速
度が向上することが知られている。この方法により得ら
れるメタリックモードの高融点金属窒化物膜は、ストイ
キオメトリ組成より金属成分が多い。このためシート抵
抗が小さく、緻密で耐酸化性に優れる反面、膜面内の圧
縮応力が大きい。これに対しN系ガスの流量比を大きく
すると、ナイトライドモードと称される窒素成分の多い
高融点金属窒化物が形成される。ナイトライドモードの
膜は、膜の緻密性は劣るものの、メタリックモードとは
逆の引張り応力を有する。この関係を定性的に説明する
のが図3である。
【0021】したがって、メタリックモードの膜上にナ
イトライドモードの膜を連続して成膜すれば、両者の膜
面内応力は打ち消しあい、高融点金属窒化物層の実質的
な膜面内応力をゼロとすることが可能である。スパッタ
リング混合ガス中のN系ガスの流量比は段階的、例えば
2段階や3段階に変化してもよく、連続的にスムーズに
変化してもよい。この場合には高融点金属窒化物層中の
窒素濃度もスムーズに変化することになる。
【0022】またN系ガスの流量比を大きくすることに
より高融点金属窒化物層の成膜速度が低下するが、N系
ガスの流量比を大きくした際のスパッタリング投入電力
を、N系ガスの流量比を大きくする前のスパッタリング
投入電力より増加すればこの問題を回避することが可能
である。スパッタリング投入電力の増加は、N系ガスの
流量比の増加に合わせ、段階的あるいは連続的に増加す
ればよい。
【0023】
【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき、図1
(a)〜(e)および図3を参照して説明する。なお図
1(a)〜(e)においては、従来例の説明に用いた図
5(a)〜(e)と同じ構成部分には同様の参照符号を
付すものとする。また実施例で用いたスパッタリング装
置は、従来例の説明で用いた装置と基本的構成は同じで
あるが、スパッタリングガス導入系にはN系ガスおよび
希ガスの流量をそれぞれ独立して制御するためのマスフ
ローコントローラ(図示せず)を設けてある。ガス流量
制御はマニュアルでも可能であるが、ガスフロープログ
ラムを予めインプットしたコンピュータによるプログラ
ム制御を採用すれば精度の高い制御が可能である。
【0024】実施例1 本実施例は、ブランケットCVDによるWプラグの密着
層として本発明を適用し、反応性スパッタリングにおけ
るN系ガスの流量を段階的に変化した例である。本実施
例で採用した図1(a)に示す被処理基板は、従来例の
説明で用いた図5(a)と同じである。この被処理基板
11を図3に示すコリメーション・スパッタリング装置
の基板ステージ12上に載置し、下記条件によりTiか
らなる高融点金属層4を20nmの厚さにスパッタリン
グする。 Ar 40 sccm ガス圧力 0.67 Pa 基板温度 150 ℃ DCスパッタリング電力 10 kW このスパッタリング条件は従来例の条件と同じである。
【0025】つぎに本実施例の特徴部分である高融点金
属窒化物層の反応性スパッタリング工程に入る。まず一
例として下記反応性スパッタリング条件により、第1の
高融点金属窒化物層5aを25nm形成する。 Ar 40 sccm N2 20 sccm ガス圧力 0.67 Pa 基板温度 150 ℃ DCスパッタリング電力 10 kW スパッタリング時間 25 秒 第1の高融点金属窒化物層5aはTiNの当量組成より
Tiリッチの膜であり、圧縮応力を有する。
【0026】続けてN2 流量を増加し、下記反応性スパ
ッタリング条件により、第2の高融点金属窒化物層5b
を25nm形成する。 Ar 40 sccm N2 70 sccm ガス圧力 0.67 Pa 基板温度 150 ℃ DCスパッタリング電力 10 kW スパッタリング時間 65 秒 第2の高融点金属窒化物層5bはTiNの当量組成より
Nリッチの膜であり、引張り応力を有する。第1の高融
点金属窒化物層5aおよび第2の高融点金属窒化物層5
bは合わせて高融点金属窒化物層5を構成する。この状
態を図1(c)に示す。なお図1(c)に示す高融点金
属窒化物層5の一部拡大図を図1(d)に示す。
【0027】さらに被処理基板をブランケットWのCV
D装置に搬送し、ブランケットW層を一例として下記条
件により堆積する。まず、 WF6 25 sccm SiH4 10 sccm ガス圧力 1.1×104 Pa 基板温度 475 ℃ の条件で20秒間、Wの核形成を行った後、 WF6 60 sccm H2 360 sccm ガス圧力 1.1×104 Pa 基板温度 475 ℃ の条件に切り替えて堆積する。なお、高融点金属窒化物
層5上のブランケットW層6の厚さは、例えば平坦部で
0.3μmである。この状態を図1(e)に示す。この
後は常法によりブランケットW層6、高融点金属窒化物
層5および高融点金属層4を順次エッチバックしてWの
コンタクトプラグ(図示せず)を形成する。
【0028】本実施例によればN系ガスの流量を2段階
に切り替えた反応性スパッタリングにより、膜の面内応
力が実質的に打ち消された高融点金属窒化物層5が形成
される。
【0029】実施例2 本実施例もブランケットCVDによるWプラグの密着層
として本発明を適用し、反応性スパッタリングにおける
N系ガスの流量を連続的に変化した例であり、これを図
1(a)〜(e)を参照して説明する。本実施例で採用
した図2(a)に示す被処理基板および図2(b)に示
す高融点金属層4の形成工程までは、前実施例と同じで
あるので重複する説明を省略する。
【0030】つぎに本実施例の特徴部分である高融点金
属窒化物層の反応性スパッタリング工程に入る。まず一
例として下記反応性スパッタリング条件により、高融点
金属窒化物層の反応性スパッタリングを開始する。 Ar 40 sccm N2 20 sccm ガス圧力 0.67 Pa 基板温度 150 ℃ DCスパッタリング電力 10 kW 本実施例では、反応性スパッタリング開始直後からN系
ガスの流量比を連続的に増加し、高融点金属窒化物層5
の膜厚が50nmとなる約90秒後には下記反応性スパ
ッタリング条件とする。 Ar 40 sccm N2 70 sccm ガス圧力 0.67 Pa 基板温度 150 ℃ DCスパッタリング電力 10 kW 反応性スパッタリング終了後の状態を図2(c)に示
す。
【0031】図2(c)に示す高融点金属窒化物層5の
一部拡大図を図2(d)に示す。高融点金属窒化物層5
は、高融点金属層4側はTiNの当量組成よりTiリッ
チの膜で圧縮応力を有し、高融点金属窒化物層5の表面
側はTiNの当量組成よりNリッチの膜で引張り応力を
有する。また高融点金属窒化物層5中のNの含有量比率
は、その膜厚方向に連続的に傾斜している。
【0032】この後のブランケットW層6の堆積工程は
実施例1と同じであるので重複する説明を省略する。本
実施例によればN系ガスの流量を連続的に増加してゆく
反応性スパッタリングにより、膜の面内応力が実質的に
打ち消された高融点金属窒化物層5が形成される。また
高融点金属窒化物層5は組成的に連続であるので、面内
応力の低減効果は実施例1よりさらに優れていた。
【0033】実施例3 本実施例もブランケットCVDによるWプラグの密着層
として本発明を適用し、反応性スパッタリングにおける
N系ガスの流量を段階的に変化するとともに、スパッタ
リング投入電力も段階的に変化させた例である。これを
再び図1(a)〜(e)を参照して説明する。ただし図
1(b)に示す高融点金属層4のスパッタリング工程ま
では実施例1と同じであるので重複する説明を省略す
る。
【0034】つぎに一例として下記反応性スパッタリン
グ条件により、第1の高融点金属窒化物層5aを25n
m形成する。 Ar 40 sccm N2 20 sccm ガス圧力 0.67 Pa 基板温度 150 ℃ DCスパッタリング電力 10 kW スパッタリング時間 25 秒 第1の高融点金属窒化物層5aはTiNの当量組成より
Tiリッチの膜であり、圧縮応力を有する。
【0035】続けてN2 流量とスパッタリング電力をと
もに増加し、下記反応性スパッタリング条件により、第
2の高融点金属窒化物層5bを25nm形成する。 Ar 40 sccm N2 70 sccm ガス圧力 0.67 Pa 基板温度 150 ℃ DCスパッタリング電力 15 kW スパッタリング時間 35 秒 第2の高融点金属窒化物層5bはTiNの当量組成より
Nリッチの膜であり、引張り応力を有する。第1の高融
点金属窒化物層5aおよび第2の高融点金属窒化物層5
bは合わせて高融点金属窒化物層5を構成する。この状
態を図1(c)に示す。なお図1(d)は高融点金属窒
化物層5の一部拡大図である。
【0036】この後のブランケットW層6の堆積工程は
実施例1と同じであるので重複する説明を省略する。本
実施例によればN系ガスの流量を段階的に増加するとと
もにスパッタリング電力も段階的に増速してゆく反応性
スパッタリングにより、膜の面内応力が実質的に打ち消
された高融点金属窒化物層5が形成される。また2段階
目の反応性スパッタリング工程は、N系ガス流量を増加
することにより堆積速度が低下するものであるが、これ
をスパッタリング電力の増加により抑制したので実施例
1より成膜所要時間が短縮され、スループットの高い配
線形成プロセスが可能である。
【0037】以上、本発明を3例の実施例により説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ない。
【0038】例えば、実施例中ではブランケットCVD
による接続孔内へのWの埋め込みによるコンタクトプラ
グの形成プロセスを例にとって説明したが、下層配線上
の層間絶縁膜に形成したヴァイアホール内への埋め込み
プロセスに応用してもよい。またWの形成は選択CVD
でも可能であるがこの場合には層間絶縁膜上の高融点金
属層や高融点金属窒化物層は予め除去ないしは絶縁膜で
カバーしておく必要がある。
【0039】接続孔内への埋め込み材料は、Wの他にM
oやTaであってもよい。Al系金属を用いる場合には
公知の高温スパッタリング等により堆積すればよい。
【0040】密着層あるいはバリアメタル層としTi/
TiNを例示したが、TiSi2 /Ti/TiNやTi
/TiN/Ti、あるいはTiON層を挿入する構造
等、各種の層構成における高融点金属窒化物層に適用で
きる。
【0041】さらに、使用するスパッタリング装置、被
処理基板の構成等は適宜変更可能であることは言うまで
もない。
【0042】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば応性スパッタリングにより高融点金属窒化物層
を含む配線を形成するにあたり、この高融点金属窒化物
層の実質的な内部応力を低減し、クラックや膜剥離がな
く、低抵抗でオーミック性に優れた配線を形成すること
が可能となる。
【0043】また本発明によれば、成膜速度を低下する
ことなく上述した課題を達成し、スループットに優れた
配線形成方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の配線形成方法を適用した実施例1およ
び3を、その工程順に説明する概略断面図であり、
(a)は半導体基板上の層間絶縁膜に接続孔を形成した
状態であり、(b)は高融点金属層を形成した状態、
(c)は反応性スパッタリングにより高融点金属窒化物
層を形成した状態、(d)は高融点金属窒化物層の一部
を拡大して示した状態、(d)はブランケットCVDに
よりW層を形成した状態である。
【図2】本発明の配線形成方法をを適用した実施例2
を、その工程順に説明する概略断面図であり、(a)は
半導体基板上の層間絶縁膜に接続孔を形成した状態であ
り、(b)は高融点金属層を形成した状態、(c)は反
応性スパッタリングにより高融点金属窒化物層を形成し
た状態、(d)は高融点金属窒化物層の一部を拡大して
示した状態、(d)はブランケットCVDによりW層を
形成した状態である。
【図3】反応性スパッタリングにおけるN系ガスの流量
比と、高融点金属窒化物層の膜応力の関係を定性的に示
す図である。
【図4】コリメーション・スパッタリング装置の一構成
例を示す概略断面図である。
【図5】従来の配線形成方法を、その工程順に説明する
概略断面図であり、(a)は半導体基板上の層間絶縁膜
に接続孔を形成した状態であり、(b)は高融点金属層
を形成した状態、(c)は反応性スパッタリングにより
高融点金属窒化物層を形成した状態、(d)は高融点金
属窒化物層の一部を拡大して示した状態、(d)はブラ
ンケットCVDによりW層を形成した状態である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 拡散層 3 層間絶縁膜 4 高融点金属層 5 高融点金属窒化物層 6 W層 11 被処理基板 12 基板ステージ 13 ターゲット 14 スパッタリングチャンバ 15 コリメータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/285 S 301 R

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 N系ガスと希ガスを含む混合ガスを用
    い、反応性スパッタリングにより高融点金属窒化物層を
    形成する工程を含む配線形成方法であって、 前記反応性スパッタリング工程中に、該N系ガスの流量
    を段階的に増加することを特徴とする、配線形成方法。
  2. 【請求項2】 N系ガスと希ガスを含む混合ガスを用
    い、反応性スパッタリングにより高融点金属窒化物層を
    形成する工程を含む配線形成方法であって、 前記反応性スパッタリング工程中に、該N系ガスの流量
    を連続的に増加することを特徴とする、配線形成方法。
  3. 【請求項3】 反応性スパッタリング工程中に、スパッ
    タリング投入電力を段階的に増加することを特徴とす
    る、請求項1または2記載の配線形成方法。
  4. 【請求項4】 反応性スパッタリング工程中に、スパッ
    タリング投入電力を連続的に増加することを特徴とす
    る、請求項1または2記載の配線形成方法。
  5. 【請求項5】 反応性スパッタリングにより高融点金属
    窒化物層を形成する工程の前に、希ガスを用いたスパッ
    タリングにより高融点金属層を形成する工程を有するこ
    とを特徴とする、請求項1または2記載の配線形成方
    法。
  6. 【請求項6】 N系ガスは、N2 、NH3 、N2 4
    よびアルキルアミンのうちのいずれかであることを特徴
    とする、請求項1または2記載の配線形成方法。
  7. 【請求項7】 高融点金属窒化物は、TiN、ZrN、
    HfN、VN、NbN、TaN、CrN、MoNおよび
    WNのうちのいずれかであることを特徴とする、請求項
    1または2記載の配線形成方法。
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