JP2008060446A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】薄膜抵抗体の膜厚をさらに薄くした場合においても、薄膜抵抗体に対する配線の接続を確実に行い、安定した抵抗値の形成が可能な半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供する。
【解決手段】基板上に導電性部材を配置する工程と、前記導電性部材の上に薄膜抵抗体を設ける工程と、前記薄膜抵抗体の上に絶縁膜を設ける工程と、前記薄膜抵抗体と前記絶縁膜上に設けられる金属配線とを接続するための接続孔を、前記導電性部材の配置された上方領域の前記絶縁膜に設ける工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【選択図】図1

Description

本発明は、薄膜抵抗体を備える半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
抵抗体は重要な素子の一つとして各種の半導体装置において多用されている。従来、半導体装置中に形成された抵抗体と、その下層または上層に配された配線との電気的接続をとる方法として、以下のような方法が知られている。
(1)金属薄膜抵抗体に直接金属配線を接続する方法(例えば、特許文献1参照)。ここでは、第1層間膜上に金属薄膜抵抗体を形成し、その後、全面に配線用金属膜を形成し、ウェットエッチング技術によりパターニングして第1配線用金属パターンを形成している。
(2)金属薄膜抵抗体を形成した後、層間絶縁膜を形成し、その層間絶縁膜に接続孔を形成し、接続孔を介して金属配線を接続する方法(例えば、特許文献2、特許文献3参照)。ここでは、金属薄膜抵抗体上にCVD酸化膜を形成し、金属配線接続用の接続孔をレジストパターニングとウェットエッチング技術により形成する。その後、配線用金属膜を堆積、パターニングして第1配線用金属パターンを形成する。
(3)金属薄膜抵抗体層上にバリア膜を形成し、そのバリア膜に金属配線を接続する方法(例えば、特許文献4、特許文献5参照)。ここでは、金属薄膜抵抗体上に金属配線とのバリア膜となる高融点金属膜を形成し、その上に配線用金属膜を形成する。その後、配線用金属膜をドライエッチング技術でパターニングし、さらに、ウェットエッチング技術により高融点金属膜を選択的に除去して第1配線用金属パターン、高融点金属膜パターンを形成する。
(4)絶縁膜に形成された接続孔内に電極を形成し、上記絶縁膜上に抵抗体膜を形成した後、上記抵抗体膜を上記電極に接続するようにドライエッチングして抵抗体のパターンを形成する方法(例えば、特許文献1参照)。ここでは、第1層間膜上に第1配線用金属パターンを形成した後、層間絶縁膜および第1接続孔を形成する。その後、第1接続孔に導電性材料を埋め込み、導電性プラグを形成し、次に、層間絶縁膜上全面に金属薄膜抵抗体用の金属薄膜を堆積・パターニングして導電性プラグおよび絶縁膜上に金属薄膜抵抗体を形成する。さらに、層間絶縁膜、第2接続孔、第2配線用金属パターンを形成する。
(5)絶縁膜の下層に抵抗体と接続する配線パターンを備え、前記絶縁膜上から前記接続孔内壁および前記配線パターン上にわたって抵抗体を形成する方法(例えば、特許文献6、特許文献7、特許文献8参照)。ここでは、 第1層間絶縁膜上に金属薄膜抵抗体の両端部の形成予定領域に対応して配線パターンを形成し、この配線パターン上を含む第1層間絶縁膜上に第2層間絶縁膜を形成する。その後、前記第2層間絶縁膜に金属薄膜抵抗体の両端部の形成予定領域および配線パターンに対して接続孔を形成し、この接続孔内を含む第2層間絶縁膜上に金属膜を形成し、金属薄膜抵抗体の形成領域を画定するためのレジストパターンを形成し、前記接続孔に金属薄膜を残存させるように金属薄膜をパターニングして金属薄膜抵抗体を形成する。なお、前記第2層間絶縁膜上に金属膜を形成する前に、Arスパッタエッチすることで、接続孔の上端部をテーパー化し、内壁にはサイドウォールを形成して、金属薄膜抵抗体と配線パターンの接触抵抗を安定化している。
特開2002−124639号公報 特開2002−261237号公報 特許第2699559号公報 特許第2932940号公報 特許第3185677号公報 特開2005−294788号公報 特開2005−268746号公報 特開2005−268749号公報
しかし、上記(1)〜(5)に示す方法には以下のような問題がある。つまり、上記(1)〜(3)に示す方法では、ウェットエッチング技術を用いるため、パターニング精度に限界があり、今後の更なる微細化には対応できない。
また、上記(4)に示す方法において、導電性プラグをエッチバック技術により形成する場合、前記プラグ表面には150nm前後のリセスが生じる。また、プラグ形成にメタルCMP技術を使用した場合でも、後洗浄等で層間絶縁膜が50nm程度エッチングされ、さらに、層間絶縁膜表面にはスクラッチ傷が生じる。そのため、5〜20nmという薄い膜厚の抵抗体のプラグへのステップカバレッジや膜厚を均一に保つことが困難であり、抵抗体の抵抗値が安定しない。
また、上記(5)に示す方法では、上記(4)のケース以上に接続孔でのステップカバレッジの確保が難しくなる。通常、層間絶縁膜は配線間の埋め込み性確保や配線間容量を抑えるため数百nm程度の厚さとしている。したがって、接続孔の上部を多少スパッタエッチした程度では大部分の壁面が垂直のままであり、カバレッジの確保は困難である。仮に、接続孔全体を45°の角度にスパッタエッチをしたとすると、長時間にわたるスパッタリングが必要となり、基板への電気的ダメージが発生したり、接続孔の上部径が広がることで上層のメタル配線の幅を広げなければならず、微細化への対応が難しくなる。
なお、上記カバレッジの問題は、抵抗体が今後ますます薄膜化していくと、さらに大きな問題となる。
そこで本発明は、今後の微細化の進展に伴い、薄膜抵抗体の膜厚をさらに薄くした場合においても、薄膜抵抗体に対する配線の接続を確実に行い、安定した抵抗値の形成が可能な半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体集積回路は以下のような特徴を有する。
[1]基板上に導電性部材を配置する工程と、前記導電性部材の上に薄膜抵抗体を設ける工程と、前記薄膜抵抗体の上に絶縁膜を設ける工程と、前記薄膜抵抗体と前記絶縁膜上に設けられる金属配線とを接続するための接続孔を、前記導電性部材の配置された上方領域の前記絶縁膜に設ける工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
[2]上記[1]において、導電性部材の少なくとも薄膜抵抗体と接触する部分の側面に順テーパーを設ける工程、または、前記薄膜抵抗体と接触する部分の側面にサイドウォールを形成する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
[3]上記[2]において、導電性部材の側面に順テーパーを設ける工程が、イオンスパッタ、及び/または、反応性イオンエッチングによりテーパーを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
[4]上記[2]において、導電性部材の側面にサイドウォールを形成する工程が、犠牲膜の堆積とそのエッチバックによりサイドウォールを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
[5]薄膜抵抗体と、該薄膜抵抗体の上に設けられる絶縁膜層を介して配される金属配線とを接続するための接続孔が形成される領域における前記薄膜抵抗体の下部に、薄膜抵抗体と電気的に導通された導電性部材が配置され、前記接続孔の底部が前記薄膜抵抗体に到達、または、これを貫通して前記導電性部材に到達して設けられていることを特徴とする半導体装置。
[6]上記[5]において、導電性部材の少なくとも薄膜抵抗体と接触する部分の側面に順テーパーが形成、または、前記薄膜抵抗体と接触する部分の側面にサイドウォールが形成されていることを特徴とする半導体装置。
本発明によれば、今後の微細化の進展に伴い、薄膜抵抗体の膜厚をさらに薄くした場合においても、薄膜抵抗体に対する配線の接続を確実に行い、安定した抵抗値の形成が可能な半導体装置の製造方法及び半導体装置が提供される。
以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。
図1は本発明に係る半導体装置の製造方法の一実施形態を示す工程順の断面フロー図である。以下、図1の(a)〜(i)に基づいて、本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する。
(a)まず、Si基板1上に各種半導体素子(図示せず)を形成後、層間膜2を堆積する。その後、この層間膜2上に導電性部材3を堆積し、パターニングを行う。ここで、前記層間膜2としては、絶縁膜であれば膜の種類や堆積方法には特に制限されないが、例えば、CVD(chemical vapor deposition)法によるBPSG(Boronic Phosphoric Silicate Glass)膜等のステップカバレッジや膜の平坦性が良好なものを用いることが好ましい。また、前記導電性部材3としては、例えば、Al、Ti、TiN、TiW、W、WSi、polySi等の導電性材料を用いることができる。そして、これらをスパッタリング法やCVD法等で10〜100nm程度、より好ましくは、30〜70nm程度堆積させ、フォト工程及びドライエッチング工程を経てパターニングすることで、導電性部材3を配置する。なお、前記導電性部材3を堆積させる膜厚は、その上に堆積させる薄膜抵抗体のステップカバレッジを確保するという観点からは薄い方が好ましい。しかし、薄膜抵抗体と、さらにその上層に配置する金属配線との接続を行うための接続孔を設ける際のエッチングで突き抜けることがないように、材質、エッチングの際の選択比等を考慮して導電性部材3の膜厚を決定する。
ここで、前記導電性部材3は、前記層間膜2上の複数箇所にそれぞれが独立に配置される。ここで、前記独立に配置されるとは、それぞれが分離した島状に配置されることを意味する。
本工程(a)の具体的な実施形態の一例を以下に記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。まず、Si基板上に各種半導体素子を形成後、層間膜(第1層間膜)としてBPSG膜をCVD法で堆積、リフロー処理、CMP処理を経て、厚さ約900nmの層間膜(第1層間膜)を形成した。次に、前記層間膜(第1層間膜)上に導電性部材としてTiをスパッタリング法で30nm堆積し、フォト工程により約0.8μm×0.8μmのレジストマスクを形成した後、BCl−Clガスを用いたプラズマエッチングでマスクに忠実に加工し、さらにレジストを除去して、約0.8μm×0.8μm角の導電性部材を層間膜(第1層間膜)上に配置した。
(b)次に、上記工程(a)でパターニングした導電性部材3の上端のエッジ部分(肩の部分)に順テーパーを設ける。ここで、前記順テーパーを設けるとは、導電性部材3に対し、下端部から上端部に向かってその断面の幅が小さくなるようにテーパーを設けることを意味する。テーパーの形状は、直線形状、段差形状、曲線形状、その他どのような形状であってもかまわない。なお、前記テーパーを設ける導電性部材3の側面としては、少なくとも後述する薄膜抵抗体と接触する部分の側面とすることが好ましい。
前記導電性部材3の側面に順テーパーを設ける方法としては、例えば、イオンスパッタによる方法、及び/または、反応性イオンエッチングによる方法を用いることができる。前記イオンスパッタによる方法としては、例えば、Ar、He、Ne、Kr、Xeイオン等を用いたスパッタリング方法を用いることができる。また、前記反応性イオンエッチング方法としては、BClx、CFx、SFxイオン等を用いた反応性イオンエッチング方法を用いることができる。
また、上述した導電性部材3の側面に順テーパーを設ける方法とは別に、上記(a)でパターニングした導電性部材3の側面に、サイドウォールを形成する方法を用いることもできる。このサイドウォールを形成する方法としては、例えば、導電性部材3の上にCVD法で酸化膜を堆積後、ほぼ堆積膜厚分をエッチバックするという通常のサイドウォール形成方法を用いることができる。
上述のように、導電性部材3の側面に順テーパーを設ける、または、導電性部材3の側面にサイドウォールを形成することで、次の工程で薄膜抵抗体5を堆積させる際の導電性部材3へのステップカバレッジが良好となり、ステップカバレッジの悪化による接触抵抗値の急上昇や、そのバラツキを抑えることが可能となる。
なお、本工程(b)は必須の工程ではない。導電性部材3の側面に順テーパーを設けたり、或いは、導電性部材3の側面にサイドウォールを形成したりしない場合であっても、次の工程で薄膜抵抗体材料を堆積させる際の導電性部材3へのステップカバレッジが良好に確保できる場合には、本工程(b)を行う必要はない。
本工程(b)の具体的な実施形態の一例を以下に記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。まず、ウェハ表面を平行平板型エッチャーにより、Ar=1000sccm、圧力=133.3Pa、RFパワー=800Wの条件でArスパッタエッチを行い、導電性部材であるTiのエッジ断面をほぼ45°にテーパー化する。その後、酸化膜表面に付着したわずかなTiを塩素系プラズマで除去し、さらに純水で洗浄した。
(c)上記工程(b)で、側面に順テーパーを設けた、または、側面にサイドウォールを形成した導電性部材3上、及び、層間膜2上の全面に薄膜抵抗体材料を堆積させ、その上に、薄膜抵抗体の形状に合わせたレジストマスク4を形成する。ここで、前記薄膜抵抗体材料としては、CrSi、NiCr、TaN、CrSiN、CrSiOなどの抵抗体材料を用いることができ、これらは、例えばスパッタリング法等で2〜50nm程度堆積される。
本工程(c)の具体的な実施形態の一例を以下に記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。まず、エッジをテーパー加工した導電性部材であるTi上及び層間膜(第1層間膜)上の全面に、薄膜抵抗体としてCrSiを10nmスパッタリング法で堆積した。その後、フォト工程により所望の薄膜抵抗体のパターンにレジストマスクを形成した。
(d)上記工程(c)で、レジストマスク4が形成された薄膜抵抗体材料に対して、ドライエッチング工程によりパターニングすることで薄膜抵抗体5を設ける。なお、前記薄膜抵抗体材料のドライエッチングの際には、薄膜抵抗体材料の下地が酸化膜(層間膜2)であるためそれほど選択比を気にする必要はない。前記パターニングにより、島状に配置された導電性部材3の上に、この導電性部材3の少なくとも2つ以上と電気的に導通された薄膜抵抗体5が設けられる。
本工程(d)の具体的な実施形態の一例を以下に記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。ここでは、レジストマスクが形成された薄膜抵抗体材料に対して、Cl−O系のプラズマエッチングによりパターニングを行い、その後、レジストの除去を行った。
(e)上記工程(d)で、パターニングした薄膜抵抗体5上に、絶縁膜である層間膜6を堆積する。ここで、前記層間膜6としては、絶縁膜であれば膜の種類や堆積方法には特に制限されないが、例えば、プラズマCVD法による酸化膜(TEOS酸化膜)等を用いることができる。なお、前記層間膜6は、必要に応じてCMP(chemical mechanical polishing)技術で平坦化することが好ましい。
本工程(e)の具体的な実施形態の一例を以下に記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。ここでは、層間膜(第2層間膜)としてプラズマCVD法によりTEOS酸化膜を堆積し、その後、CMP技術により、TEOS酸化膜の厚さが約300nmになるまで研磨し、平坦化を行った。
(f)上記工程(e)で堆積させた層間膜6に、その上層に設けられる金属配線と、前記薄膜抵抗体5とを接続するための接続孔7を設ける。ここで、前記接続孔7は、前記導電性部材3の配置された上方領域、つまり、下地に導電性部材3が配置されている薄膜抵抗体5の上部の層間膜6に設ける。
前記接続孔7は、フォト工程及びドライエッチング工程を経てパターニングすることで形成されるが、前記接続孔7の底部は、前記薄膜抵抗体5に到達、または、これを貫通して前記導電性部材3に到達して設けられている。前記薄膜抵抗体5は、所定の抵抗値を確保する必要から、一般的に膜厚が薄く形成される。このような薄膜抵抗体に対して上層の金属配線と接続をとるための接続孔をドライエッチングにより開孔する場合、オーバーエッチングが少しでも進むと、接続孔の底部が薄膜抵抗体を突き抜けてしまう場合が多い。この場合に、薄膜抵抗体の下地が絶縁膜であると、上層の金属配線との接続が正常に行われず、接触不良を起こす場合が多かった。
しかし、本発明においては、上述のように、下地に導電性部材3が配置されている薄膜抵抗体5の上部の層間膜6に接続孔7が設けられる構成としている。そのため、仮にオーバーエッチングが進み、薄膜抵抗体5を突き抜けて接続孔7が形成されても、接続孔7の底部は薄膜抵抗体5の下地の導電性部材3に到達して止まる。このように、仮にオーバーエッチングが進んだ場合でも、接続孔7の底部が薄膜抵抗体5と電気的に導通された導電性部材3で止まる構成としているため、上層の金属配線との接続を確実に、しかも安定して接続することが可能となる。
ここで、前記薄膜抵抗体5の材質は、必要とする抵抗値等との関係で、ある程度限定される場合があり、接続孔を設ける層間膜6とのエッチングの選択比を大きく取れない場合もありうる。しかし、前記導電性部材3は、前記薄膜抵抗体5と電気的な接続が確保できさえすれば良いため、接続孔を設ける層間膜6とのエッチングの選択比を大きくとれる材料の選択が可能となり、接続孔7の底部を確実に導電性部材3で止めることが容易にできる。そのため、接続孔7のエッチングプロセスの条件を、厳しくすることなく、容易に行うことが可能となる。
本工程(f)の具体的な実施形態の一例を以下に記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。ここでは、金属配線と薄膜抵抗体とを接続するための接続孔を開孔するため、層間膜(第2層間膜)にフォト工程により約0.5μm×0.5μmのレジストマスクを形成した後、CF−CHF−CO−N−Ar系のプラズマエッチングによりパターニングを行った。この際、厚さ10nmの薄膜抵抗体であるCrSiは貫通(エッチオフ)しつつ、その下地の導電性部材であるTiを10〜20nm残すようにオーバーエッチング時間を設定した。エッチング後のレジストはアッシングとウェット処理により剥離した。
(g)上記工程(f)により、上層の金属配線と薄膜抵抗体5とを接続するための接続孔7を設けた後、さらに、上層に設ける金属配線とSi基板上に形成された各素子とを接続するための接続孔8を設ける。ここで、前記接続孔8は、フォト工程及びドライエッチング工程を経てパターニングすることで形成される。
なお、上記工程(f)の接続孔7と工程(g)の接続孔8の2種類の接続孔は、同時に開孔してもかまわない。この場合は、前記導電性部材3の厚さがオーバーエッチング中に失われない厚さにしておけばよいが、その厚さが厚いほど側面のテーパー化に要するArスパッタエッチのエッチング時間も長くなるので、トータルで最適化することが望まれる。
本工程(g)の具体的な実施形態の一例を以下に記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。ここでは、金属配線とSi基板上に形成された素子とを接続するための接続孔を開孔するため、層間膜(第2層間膜)にフォト工程により約0.5μm×0.5μmのレジストマスクを形成した後、CF−CHF−CO−Ar系のプラズマエッチングによりパターニングを行った。エッチング後のレジストはアッシングとウェット処理により剥離した。
(h)上記工程(f)、(g)による接続孔7、8の開孔後は、通常の半導体製造プロセスと同様に、バリアメタルのTiやTiNをスパッタリングにより堆積し、続いてWをCVD法で堆積後、層間膜6上のWをエッチバックあるいはCMP技術で除去することで、接続孔7、8の中にプラグ9、10を形成する。その後、Al合金等の金属配線材料を、例えばスパッタリング等で堆積し、フォト工程及びドライエッチング工程を経てパターニングすることで金属配線11を形成する。
本工程(h)の具体的な実施形態の一例を以下に記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。ここでは、バリアメタルとしてTiN(上層)/Ti(下層)をそれぞれスパッタリング法で100nm/30nm堆積し、続いてWをCVD法で350nm堆積した。その後、層間膜(第2層間膜)上のWおよびバリアメタルのTiN/Tiを、CMP技術により除去した。さらに、Al−Cu合金膜500nmと反射防止膜としてTiN30nmを、それぞれスパッタリング法で連続して堆積し、第1の金属配線パターンを形成した。
(i)さらに、第2の金属配線パターンを形成する場合には、上記プロセスと同様に絶縁膜である層間膜の堆積、平坦化、接続孔の形成、プラグの埋め込み、金属配線材料のスパッタリング等を繰り返せばよいので、説明は省略する。
なお、最上層の金属配線パターン形成後(ここでは、上記工程(h)による金属配線11の形成後)は、パッシベーション膜としてプラズマ窒化膜13(上層)/プラズマTEOS膜12(下層)の積層膜あるいはそれらの単独膜等がCVD法で堆積される。その後、外部から電源を接続するパッド部が、フォト工程及びドライエッチング工程を経てパターニングすることで形成される。
本工程(i)の具体的な実施形態の一例を以下に記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。ここでは、最上層の金属配線である第1の金属配線パターン形成後のパッシベーション膜として、プラズマ窒化膜13(上層)/プラズマTEOS膜12(下層)を、それぞれプラズマCVD法で500nm/100nm堆積した。その後、外部から電源を接続するためのパッド部のレジストマスクを、フォト工程により形成した後、上層のプラズマ窒化膜はSF−Ar系プラズマにより、また、TEOS膜および反射防止膜であるTiNは CF−CHF−Ar系プラズマにより、エッチングし、パターニングを行った。
本発明に係る半導体装置の製造方法の一実施形態を示す工程順の断面フロー図である。
符号の説明
1 Si基板
2、6 層間膜
3 導電性部材
4 レジストマスク
5 薄膜抵抗体
7、8 接続孔
9、10 プラグ
11 金属配線
12 プラズマTEOS膜
13 プラズマ窒化膜

Claims (6)

  1. 基板上に導電性部材を配置する工程と、
    前記導電性部材の上に薄膜抵抗体を設ける工程と、
    前記薄膜抵抗体の上に絶縁膜を設ける工程と、
    前記薄膜抵抗体と前記絶縁膜上に設けられる金属配線とを接続するための接続孔を、前記導電性部材の配置された上方領域の前記絶縁膜に設ける工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 導電性部材の少なくとも薄膜抵抗体と接触する部分の側面に順テーパーを設ける工程、または、前記薄膜抵抗体と接触する部分の側面にサイドウォールを形成する工程
    を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 導電性部材の側面に順テーパーを設ける工程が、イオンスパッタ、及び/または、反応性イオンエッチングによりテーパーを形成することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 導電性部材の側面にサイドウォールを形成する工程が、犠牲膜の堆積とそのエッチバックによりサイドウォールを形成することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 薄膜抵抗体と、該薄膜抵抗体の上に設けられる絶縁膜層を介して配される金属配線とを接続するための接続孔が形成される領域における前記薄膜抵抗体の下部に、薄膜抵抗体と電気的に導通された導電性部材が配置され、
    前記接続孔の底部が前記薄膜抵抗体に到達、または、これを貫通して前記導電性部材に到達して設けられていることを特徴とする半導体装置。
  6. 導電性部材の少なくとも薄膜抵抗体と接触する部分の側面に順テーパーが形成、または、前記薄膜抵抗体と接触する部分の側面にサイドウォールが形成されていることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
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