JPS63318139A - Metallic thin film wiring - Google Patents

Metallic thin film wiring

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JPS63318139A
JPS63318139A JP15366287A JP15366287A JPS63318139A JP S63318139 A JPS63318139 A JP S63318139A JP 15366287 A JP15366287 A JP 15366287A JP 15366287 A JP15366287 A JP 15366287A JP S63318139 A JPS63318139 A JP S63318139A
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JP
Japan
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thin film
alloy
wiring
wirings
deposited
Prior art date
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Application number
JP15366287A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Yamamoto
浩 山本
Tsutomu Fujita
勉 藤田
Takao Kakiuchi
垣内 孝夫
Shinji Fujii
真治 藤井
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To prevent a disconnection from occurring to a slanting part by a method wherein thin films such as Al, etc., are deposited by sputtering process improving the adhesion to the slanting part by applying bias potential or thermal energy at least in one term during the depositing process. CONSTITUTION:For examples, a silicon oxide film and a silicon nitride film are used respectively for a primer insulating film 2 and a surface protecting film 7. Since Al alloy thin film wirings 4 are made of thin film deposited by sputtering process improving the adhesion to a slanting part no disconnection occurs even in a part on the surface of a substrate having a steep inclination such as a contact hole 8. Furthermore, the Al alloy thin film wirings 4 being coated with W thin film 6 in high mechanical strength, the stress imposed on the wirings 4 themselves can be alleviated, e.g. even if a fine disconnection occurs in the Al alloy thin film wirings 4, overall wirings 4 are not subjected to the disconnection at all since the conductivity thereof can be maintained by the W thin film 6.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体装置内で用いる金属薄膜配線に関するも
のであり、特に微細化された装置における使用に適し、
かつ高い信頼性を持つ配線に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to metal thin film wiring used in semiconductor devices, and is particularly suitable for use in miniaturized devices.
and related to highly reliable wiring.

従来の技術 従来半導体装置内で用いる金属膜膜配線は、アルミニウ
ム(以下Aeと記す)もしくはアルミニウムを主成分と
する合金(以下Ae金合金略記する)の薄膜を材料とし
て製造されることが通例であった。また他の金属、たと
えばタングステン(以下W2記す)、タンタル(以下T
aと記す)、チタン(以下Tiと記す)などの高融点金
属やそれらと他の物質、例えば珪素との合金の薄膜をA
1もしくはA1合金と積層した薄膜を材料とすることも
提案されていたく例えば、T、 Moriya他。
BACKGROUND OF THE INVENTION Conventional metal film wiring used in semiconductor devices is usually manufactured using a thin film of aluminum (hereinafter referred to as Ae) or an alloy whose main component is aluminum (hereinafter referred to as Ae gold alloy). there were. In addition, other metals such as tungsten (hereinafter referred to as W2) and tantalum (hereinafter referred to as T
A is a thin film of a high melting point metal such as titanium (hereinafter referred to as Ti) or an alloy of these and other substances such as silicon.
It has also been proposed to use a thin film laminated with A1 or A1 alloy as a material. For example, T. Moriya et al.

1983年固体素子材料コンファレンス予稿集。Proceedings of the 1983 Solid State Device Materials Conference.

p、233)。p. 233).

一方これらの材料を基板上に堆積する方法としてはスパ
ッタ法が使用されるのが通例であった。
On the other hand, sputtering has generally been used as a method for depositing these materials on a substrate.

しかし最近では、半導体装置の微細化の進行にともなっ
て金属薄膜の堆積を行う基板の表面に急峻な傾斜が存在
することが多くなり、その傾斜部分に被着性よく堆積す
ることが困難であるという通常のスパッタ法の欠点を解
決するために、堆積中の少なくとも一時期に、基板に対
して、バイアス電位か熱エネルギーか、もしくはその両
者を加えることによって傾斜した部分に対する被着性を
改古したスパッタ法を使用することも提案されている[
例えば、K、 Kan+osida他、1986年イン
ターナショナル エレクトロン デバイス ミーティン
グ(International  E 1ectro
n Device Meeting)テクニカルダイジ
ェスト p、70]。
However, in recent years, with the progress of miniaturization of semiconductor devices, the surfaces of substrates on which metal thin films are deposited often have steep slopes, and it is difficult to deposit metal thin films with good adhesion on the slopes. To overcome the shortcomings of conventional sputtering methods, the adhesion on sloped areas was improved by applying a bias potential or thermal energy, or both, to the substrate at least part of the time during deposition. It has also been proposed to use the sputtering method [
For example, K., Kan+osida et al., 1986 International Electron Device Meeting
n Device Meeting) Technical Digest p. 70].

また、A2合金薄膜を材料とする金属薄膜配線の信頼性
を向上させるために、その上面および側面を高融点金属
薄膜で被覆した構造を提案した例もあるが、その場合の
AI系合金薄膜は通常のスパッタ法によって堆積された
物であった(H。
In addition, in order to improve the reliability of metal thin film wiring made of A2 alloy thin film, there is an example of a structure in which the top and side surfaces are coated with a high melting point metal thin film, but in that case, the AI alloy thin film is It was deposited by normal sputtering method (H.

P、W、Hey  他、1986年インターナショナル
 エレクトロン デバイス ミーティング(Inter
national  Electron  Devic
e  Meeting)テクニカルダイジェスト p、
501゜第4図には従来の方法による金属薄膜配線の第
1の例を示す。本例では通常のスパッタ法によって堆積
したA2合金薄膜を材料としてAe合金薄膜配線4を作
製し、W薄膜6によって被覆を行っている。このため急
峻な傾斜の存在するコンタクトホール8の部分で断線が
生じている。
P., W., Hey et al., 1986 International Electron Device Meeting (Inter
national electron device
e Meeting) Technical Digest p.
501.degree. FIG. 4 shows a first example of metal thin film wiring by the conventional method. In this example, the Ae alloy thin film wiring 4 is fabricated using an A2 alloy thin film deposited by a normal sputtering method, and is covered with a W thin film 6. For this reason, a disconnection occurs in a portion of the contact hole 8 where there is a steep slope.

第5図には従来の方法による金属薄膜配線の第2の例を
示す。本例では傾斜部分における被着性を改善したスパ
ッタ法によって堆積したA2合金薄膜を材料としてAe
合金薄膜配線4を作製しているが、高融点金属薄膜もし
くはそれを主成分とする合金の薄膜による被覆は行って
いない。そのため、本図では示されていないが、ストレ
スマイグレーションによる断線が、通常のスパッタ法に
よって堆積したA2合金薄膜を一材料として作製された
Ae合金薄膜配線の場合に比較して1/10以下の短時
間において発生する。
FIG. 5 shows a second example of metal thin film wiring formed by the conventional method. In this example, an A2 alloy thin film deposited by a sputtering method with improved adhesion on the inclined portion is used as the material.
Although the alloy thin film wiring 4 is produced, it is not coated with a high melting point metal thin film or an alloy thin film containing it as a main component. Therefore, although not shown in this figure, wire breakage due to stress migration is reduced to less than 1/10 compared to the case of Ae alloy thin film wiring fabricated using A2 alloy thin film deposited by normal sputtering. Occurs in time.

発明が解決しようとする問題点 AeもしくはA2合金の薄膜や、それらと他の金属の薄
膜とを積層した薄膜を材料とする金属薄膜配線を微細化
した半導体装置内において使用する場合、その材料の堆
積方法として通常のスパッタ法を用いたのでは傾斜部分
における被着性が不良であるために、その部分において
断線が生じる問題があった。一方、堆積中の少なくとも
一時期に、基板に対して、バイアス電位か熱エネルギー
か、もしくはその両者を加えることによって傾斜部分に
おける被着性を改善したスパッタ法を使用した場合には
、断線の発生は防止することが可能であるが、この方法
で堆積したAe薄膜やA2合金薄膜は通常の方法で堆積
した膜に比較して大きな結晶粒からなるため、表面保護
膜の持つ応力によって金属配線の断線か生ずるストレス
マイグレーションに対する信頼性が極度に低下する問題
があった。
Problems to be Solved by the Invention When a metal thin film wiring made of a thin film of Ae or A2 alloy, or a thin film laminated with a thin film of other metals, is used in a miniaturized semiconductor device, When a normal sputtering method is used as a deposition method, adhesion is poor in the sloped portions, resulting in a problem of wire breakage in those portions. On the other hand, if a sputtering method is used in which the adhesion at the sloped portion is improved by applying a bias potential, thermal energy, or both to the substrate at least for a period of time during deposition, the occurrence of wire breaks will not occur. However, since Ae thin films and A2 alloy thin films deposited by this method have larger crystal grains than films deposited by normal methods, the stress of the surface protective film can cause disconnection of metal wiring. There was a problem in that the reliability of stress migration caused by this process was extremely reduced.

本発明者は以上のような従来の金属薄膜配線の諸欠点に
鑑みて種々考案研究した結果、本発明を完成するに至っ
たものである。
The present inventor has completed the present invention as a result of various ideas and research in view of the various drawbacks of the conventional metal thin film wiring as described above.

問題点を解決するための手段 本発明の金属薄膜配線において、金属薄膜配線の材料と
なるAeもしくはA2合金の薄膜や、それらと他の金属
の薄膜とを積層した薄膜は、堆積中の少な(とも一時期
に、基板に対して、バイアス電位か熱エネルギーかもし
くはその両者を加えることによって傾斜部分における被
着性を改善したスパッタ法によって堆積される。しかも
その上面および側面が高融点金属もしくはそれを主成分
とする合金の薄膜で被覆された構造を有するものである
Means for Solving the Problems In the metal thin film wiring of the present invention, the thin film of Ae or A2 alloy that is the material of the metal thin film wiring, or the thin film laminated with these and other metal thin films, has a small amount of ( Both are deposited on a substrate by sputtering with improved adhesion in the sloped areas by applying a bias potential, thermal energy, or both.Moreover, the top and side surfaces are made of a high melting point metal or It has a structure covered with a thin film of an alloy as a main component.

作用 AeもしくはA2合金の薄膜や、それらと他の金属の薄
膜とを積層した薄膜を、堆積中の少な(とも一時期に、
基板に対して、バイアス電位か熱エネルギーかもしくは
その両者を加えることによって傾斜部分における被着性
を改善したスパッタ法によって堆積する事により、傾斜
部分での断線の発生が防止できる。しかもその上面およ
び側面が高融点金属もしくはそれを主成分とする合金の
薄膜で被覆された構造を採ることにより、通常のスパッ
タ法によって堆積した薄膜を材料とする配線と同等以上
の高いストレスマイグレーションに対する信頼性を得る
ことができる。
Effect A thin film of Ae or A2 alloy, or a thin film stacked with a thin film of other metals, is deposited in a small amount (both at one time) during deposition.
By applying a bias potential, thermal energy, or both to the substrate to deposit by a sputtering method that improves adhesion in the sloped portions, it is possible to prevent wire breakage in the sloped portions. Moreover, by adopting a structure in which the top and side surfaces are coated with a thin film of a high-melting point metal or an alloy whose main component is a high-melting point metal, it can withstand stress migration as high as or higher than wiring made of a thin film deposited by ordinary sputtering. You can gain credibility.

実施例 以下図面に基すいて本発明について更に詳しく説明する
EXAMPLES The present invention will be explained in more detail below with reference to the drawings.

(実施例1) 第1図は本発明にかかる金属薄膜配線の第1の実施例を
示す断面図である。ただしここでは、金属配線の材料と
して1合金薄膜を、高融点金属もしくはそれを主成分と
する合金としてWを使用した例を示している。また本図
では省略されているが、シリコンウェハl中には半導体
早葡Uとして必要な構造の膜配線を除く部分が既に形成
されている。下地絶縁膜には例えばシリコン酸化膜が、
表面保護膜には例えばシリコン窒化膜が使用される。A
2合金薄膜配線4は傾斜部分における被着性を改善した
スパッタ法によって堆積した薄膜を材料として作製され
るため、たとえばコンタクトホール8の様な急峻な傾斜
が基板表面に存在する部分においても断線は発生してい
ない。しかもA2合金薄膜配線4は機械的強度の高いW
薄膜6によって被覆されているため、(1)Ae合金薄
膜配線4自体に加わる応力がW薄膜6がない場合に比較
して弱まる、(2)たとえA2合金薄膜配線4に微細な
断線が生じてもW薄膜6によって導通が保たれるため配
線としての断線には至らない。と言う二つの効果によっ
て、Ae合金薄膜の結晶粒径が太き(なるにもかかわら
ず、高いストレスマイグレーションに対する信頼性が得
られる。
(Example 1) FIG. 1 is a sectional view showing a first example of a metal thin film wiring according to the present invention. However, here, an example is shown in which a 1-alloy thin film is used as the material for the metal wiring, and W is used as the high-melting point metal or an alloy containing it as the main component. Further, although not shown in this figure, a portion of the silicon wafer l has already been formed except for the film wiring of a structure necessary for the semiconductor wafer U. For example, the underlying insulating film is a silicon oxide film,
For example, a silicon nitride film is used as the surface protection film. A
Since the 2-alloy thin film wiring 4 is fabricated using a thin film deposited by a sputtering method that improves adhesion in sloped areas, disconnection will not occur even in areas where there is a steep slope on the substrate surface, such as the contact hole 8. It has not occurred. Moreover, the A2 alloy thin film wiring 4 has high mechanical strength.
Because it is covered with the thin film 6, (1) the stress applied to the Ae alloy thin film wiring 4 itself is weakened compared to the case without the W thin film 6, and (2) even if a minute breakage occurs in the A2 alloy thin film wiring 4. Since conduction is maintained by the W thin film 6, the wiring does not become disconnected. Due to these two effects, high reliability against stress migration can be obtained despite the large crystal grain size of the Ae alloy thin film.

このような金属薄膜配線は例えば第2図に示した工程に
よって作製される。すなわち先ず、配線以外の半導体装
置として必要な構造の作製を終えたシリコンウェハ上に
下地絶縁膜を堆積し、必要な部分にコンタクトホールを
開孔した基板く第2図(a))上にAe合金薄膜3をス
パッタ法によって約1μmの厚さに堆積する(第2図(
b))。このとき例えば基板側に一1000V程度のバ
イアス電位が加わる条件を用いることにより、傾斜部分
への被着性を改善する。なおこの条件において基板はバ
イアス電位によって加速されたアルゴンイオンのエネル
ギーを得ることのみによって400℃程度に加熱される
が、他の方法によって熱エネルギーを加えより低いバイ
アス電位において同様の被着性改善効果を得ることも、
さらに大量の熱エネルギーを加え、それのみによって5
00℃程度までの加熱を行い、バイアスを加えることな
く同様の被着性改善効果を得ることも可能である。また
、バイアスの効果を利用する場合には、基板との界面付
近の1100−300n程度の部分はバイアスをかけず
に堆積を行い、それ以後のみバイアスを印加する堆積方
法を採ることにより、加速されたアルゴンイオンの照射
によって基板中に形成された半導体素子に悪影響がおよ
ぶことを防止しながら被着性改善効果を得ることも可能
である。
Such metal thin film wiring is manufactured, for example, by the steps shown in FIG. That is, first, a base insulating film is deposited on a silicon wafer on which the structures necessary for a semiconductor device other than wiring have been fabricated, and then Ae An alloy thin film 3 is deposited to a thickness of approximately 1 μm by sputtering (see Fig. 2).
b)). At this time, for example, by applying a condition where a bias potential of about 11000 V is applied to the substrate side, adhesion to the inclined portion is improved. Note that under these conditions, the substrate is heated to about 400°C only by obtaining the energy of argon ions accelerated by the bias potential, but the same adhesion improvement effect can be obtained at a lower bias potential by adding thermal energy by other methods. You can also get
Furthermore, by adding a large amount of thermal energy, 5
It is also possible to obtain the same adhesion improvement effect by heating to about 00° C. without applying a bias. In addition, when using the effect of bias, deposition is performed without applying a bias in a region of about 1100 to 300 nm near the interface with the substrate, and then the deposition method is applied in which a bias is applied only after that. It is also possible to obtain the effect of improving adhesion while preventing the semiconductor elements formed in the substrate from being adversely affected by the irradiation with argon ions.

続いて、例えばレジストパターンを形成した後に乾式エ
ツチングを行う′ことによって、Ae合金薄膜3をAe
合合金薄膜配在4形状に加工する(第2図(C))。
Next, for example, by dry etching after forming a resist pattern, the Ae alloy thin film 3 is etched with Ae.
The composite alloy thin film is processed into four shapes (Fig. 2(C)).

次に、例えば六フッ化タングステンと水素とを原料とす
るCVD法によってAe合金配線の上面および側面に2
20−1O0n程度の膜厚のW薄膜を堆積し、さらに表
面保護膜7として例えばプラズマCVDシリコン窒化膜
を堆積する(第2図(d))。もちろんW薄膜の堆積は
他の方法によって行うことも可能であるが、上記の方法
を用いれば、Ae合金配線の上面および側面にのみ選択
的にW薄膜の堆積を行い、新たな工程を追加することな
(第2図(d)の構造を得ることが可能である。
Next, by CVD using tungsten hexafluoride and hydrogen as raw materials, the top and side surfaces of the Ae alloy wiring are deposited.
A thin W film having a thickness of about 20-1 O0n is deposited, and a plasma CVD silicon nitride film, for example, is further deposited as the surface protection film 7 (FIG. 2(d)). Of course, the W thin film can be deposited by other methods, but if the above method is used, the W thin film is selectively deposited only on the top and side surfaces of the Ae alloy wiring, and a new process is added. It is possible to obtain the structure shown in FIG. 2(d).

なお第1図および第2図ではただ一層のみの金属配線層
を持つ半導体装置において本発明の金属薄膜配線を使用
した例を示したが、2層以上の金属配線層を持つ装置に
おいて使用することももちろん可能である。その場合に
は、全ての配線層に本発明の金属薄膜配線を使用するこ
とも、その内の一層以上の、必要性の高い層にのみ使用
することも可能である。
Although FIGS. 1 and 2 show an example in which the metal thin film wiring of the present invention is used in a semiconductor device having only one metal wiring layer, it can also be used in a device having two or more metal wiring layers. Of course it is also possible. In that case, it is possible to use the metal thin film wiring of the present invention in all wiring layers, or to use it only in one or more of the layers where the necessity is high.

また第1図および第2図ではAe合金薄膜を材料として
作製した金属薄膜配線をW薄膜で被覆した例のみを示し
たが、Ae合金薄膜のかわりにAe薄膜を使用すること
も、それらと他の金属薄膜とを積層した薄膜を使用する
ことも可能である。
In addition, although FIGS. 1 and 2 show only an example in which a metal thin film wiring made of an Ae alloy thin film is covered with a W thin film, it is also possible to use an Ae thin film instead of an Ae alloy thin film. It is also possible to use a thin film formed by laminating a metal thin film.

さらにW薄膜の代わりにTa、Tiもしくはその他の高
融点金属薄膜や、それらを主成分とする合金の薄膜を使
用することも可能である。
Further, instead of the W thin film, it is also possible to use a thin film of Ta, Ti, or other high-melting point metal, or a thin film of an alloy containing these as main components.

(実施例2) 第3図には本発明にかかる金属薄膜配線の第2の例を示
す。本例ではAe合金薄膜上に220−1O0n程度の
膜厚のTa薄膜を積層した薄膜を材料として金属薄膜配
線を作製し、その上面および側面をW薄膜で被覆してい
る。本例の構造を採用することによりさらに金属薄膜配
線の信頼性を高めることが可能である。なお、Ta薄膜
の代わりにその他の高融点金属薄膜や、それらを主成分
とする合金、例えばTaシリザイドなどを使用すること
によっても同様な効果を得ることが可能である。また本
例では一層のAe合金薄膜上に一層の高融点金属薄膜を
積層した例のみを示したが、その積層の順序を逆にする
ことも、さらに多層のfIt層を行うことも可能である
(Example 2) FIG. 3 shows a second example of metal thin film wiring according to the present invention. In this example, a metal thin film wiring is fabricated using a thin film obtained by laminating a Ta thin film with a thickness of about 220-1 O0n on an Ae alloy thin film, and its top and side surfaces are covered with a W thin film. By employing the structure of this example, it is possible to further improve the reliability of the metal thin film wiring. Note that similar effects can be obtained by using other refractory metal thin films or alloys containing these as main components, such as Ta silicide, instead of the Ta thin film. In addition, although this example shows only an example in which one layer of high melting point metal thin film is laminated on one layer of Ae alloy thin film, it is also possible to reverse the lamination order or to form multiple fIt layers. .

発明の効果 本発明による金属薄膜配線は以上のような構成によりな
るものであり、微細化された半導体装置内の急峻な傾斜
の存在する部分においても断線の問題が発生せず、かつ
、ストレスマイグレーションに対する高い信頼性が得ら
れる。従って本発明にかかる金属薄膜配線は極めて産業
上価値の高いものである。
Effects of the Invention The metal thin film wiring according to the present invention has the above-mentioned structure, and does not cause the problem of disconnection even in a part with a steep slope in a miniaturized semiconductor device, and can prevent stress migration. High reliability can be obtained. Therefore, the metal thin film wiring according to the present invention is of extremely high industrial value.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明にかかる金属薄膜配線の第1の実施例の
断面図、第2図は第1図の金属薄膜配線を作製するため
の工程の1例の断面図、第3図は本発明にかかる金属薄
膜配線の第2の実施例の断面図、第4図および第5図は
従来の金属薄膜配線の第1および第2の例をそれぞれ示
す断面図である。 1・・・Siウェハ、2・・・下地絶縁膜、3・・・A
e合金薄膜、4・・・Ae合金配線、5・・・Ta薄膜
、6・・・W薄膜、7・・・表面保護膜、8・・・コン
タクトホール。 代理人の氏名 弁理士 中尾敏男 ほか1名第1図 AR合金X唐配線 l siクエ7、d コンタクトホール第2図 第3図 第4図 第5図
FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment of the metal thin film wiring according to the present invention, FIG. 2 is a sectional view of an example of the process for manufacturing the metal thin film wiring of FIG. 1, and FIG. A sectional view of a second embodiment of the metal thin film wiring according to the invention, and FIGS. 4 and 5 are sectional views showing first and second examples of conventional metal thin film wiring, respectively. 1...Si wafer, 2...base insulating film, 3...A
e alloy thin film, 4... Ae alloy wiring, 5... Ta thin film, 6... W thin film, 7... surface protective film, 8... contact hole. Name of agent: Patent attorney Toshio Nakao and one other person Fig. 1 AR alloy

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 基板に対して、バイアス電位か熱エネルギーかもしくは
その両者を加えることによって、基板表面の傾斜した部
分にスパッタ法によって堆積したアルミニウムもしくは
アルミニウムを主成分とする合金の薄膜かもしくはそれ
らと他の金属薄膜とを積層した薄膜を形成し、前記薄膜
の上面および側面を高融点金属もしくはそれを主成分と
する合金の薄膜で被覆した構造を持つことを特徴とする
金属薄膜配線。
Thin films of aluminum or aluminum-based alloys or other metals deposited by sputtering on sloped portions of the substrate surface by applying a bias potential and/or thermal energy to the substrate. 1. A metal thin film wiring, characterized in that it has a structure in which a thin film is formed by laminating the above thin film, and the top and side surfaces of the thin film are coated with a thin film of a high melting point metal or an alloy containing the metal as a main component.
JP15366287A 1987-06-19 1987-06-19 Metallic thin film wiring Pending JPS63318139A (en)

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