JP2004134613A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】微細化等を容易に達成することが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】下地膜13と、下地膜上に形成された第1の電極21と、第1の電極上に形成された第1の誘電体膜22と、第1の誘電体膜上に形成された第2の電極23と、第1の電極、第1の誘電体膜及び第2の電極の積層方向に延伸した第1の導電部を含み、第1の電極及び第2の電極の一方の電極に第1の導電部の側面が接触した第1の配線41と、を備える。
【選択図】 図1
【解決手段】下地膜13と、下地膜上に形成された第1の電極21と、第1の電極上に形成された第1の誘電体膜22と、第1の誘電体膜上に形成された第2の電極23と、第1の電極、第1の誘電体膜及び第2の電極の積層方向に延伸した第1の導電部を含み、第1の電極及び第2の電極の一方の電極に第1の導電部の側面が接触した第1の配線41と、を備える。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、特にキャパシタを有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
キャパシタの誘電体膜にPZT(Pb(Zr,Ti)O3 )等の強誘電体を用いた不揮発性のメモリ(FeRAM)について研究開発が行われている。
【0003】
図10は、従来技術に係る強誘電体メモリの構成について、その一例を示した断面図である。11はシリコン酸化膜等の層間絶縁膜、12はシリコン窒化膜、13はシリコン酸化膜であり、シリコン酸化膜13上に、下部電極21、強誘電体膜22及び上部電極23からなる強誘電体キャパシタが形成されている。キャパシタはシリコン酸化膜31で覆われ、シリコン酸化膜31上にシリコン酸化膜32が形成されている。キャパシタの下部電極21には導電部41a、41b及び41cからなる配線が、上部電極23には導電部42a、42b及び42cからなる配線が接続され、これらの配線は下層側に形成されたトランジスタや配線等に接続されている。
【0004】
上記従来の強誘電体メモリでは、下部電極21及び上部電極23に接続された各配線は、垂直方向に延伸した導電部(41a、42a)、水平方向に延伸した導電部(41c、42c)及び垂直方向に延伸した導電部(41b、42b)で構成されている。したがって、配線に必要な面積が大きく微細化が難しいといった問題や、配線を形成するための製造工程が複雑になるといった問題を有していた。
【0005】
公知技術として、非特許文献1には、強誘電体メモリの構造が記載されているが、基本的には上述した例と同様であり、配線に必要な面積が大きく微細化が難しいといった問題や、配線を形成するための製造工程が複雑になるといった問題を有している。
【0006】
【非特許文献1】
ティー・オザキ(T. Ozaki)、他10名,「ア・フリー・プレーナライズド・8Mビット・フェロエレクトリックRAM・ウィズ・‘チェイン’セル・ストラクチャー(A Fully Planalized 8M bit Ferroelectric RAM with ’Chain’Cell Structure)」,「ダイジェスト・オブ・テック.ペイパーズ・2001・シンプ.オン・VLSIテック.(Digest of Tech. papers 2001 Symp. on VLSI Tech.)」,(米国),2001年,p.113−114。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来は、配線に必要な面積が大きく、半導体装置の微細化が難しい等の問題があった。
【0008】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、微細化等を容易に達成することが可能な半導体装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、下地膜と、前記下地膜上に形成された第1の電極と、前記第1の電極上に形成された第1の誘電体膜と、前記第1の誘電体膜上に形成された第2の電極と、前記第1の電極、第1の誘電体膜及び第2の電極の積層方向に延伸した第1の導電部を含み、前記第1の電極及び第2の電極の一方の電極に前記第1の導電部の側面が接触した第1の配線と、を備えたことを特徴とする。
【0010】
本発明に係る半導体装置は、下地膜と、前記下地膜上に形成された第1の電極と、前記第1の電極上に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成された第2の電極と、前記第2の電極に接続された配線と、を備え、前記配線は、前記第1の電極、誘電体膜及び第2の電極の積層方向に延伸した第1の導電部と、前記第2の電極及び第1の導電部と異なる材料で第2の電極と第1の導電部との間に形成された第2の導電部とを含み、前記第1の導電部の側面が前記第2の導電部に接触していることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【0012】
(実施形態1)
図1(a)及び図1(b)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。
【0013】
まず、図1(a)に示すように、MISトランジスタ(図示せず)等が形成された半導体基板(図示せず)上に、シリコン酸化膜(SiO2 膜)等の層間絶縁膜11、減圧CVDによるシリコン窒化膜(SiN膜)12及びTEOSを用いた減圧CVDによるシリコン酸化膜13を形成する。続いて、シリコン酸化膜13上に、下部電極21、下部電極21上の強誘電体膜22及び強誘電体膜22上の上部電極23からなる強誘電体キャパシタを形成する。下部電極21及び上部電極23には、例えばプラチナ(Pt)膜、イリジウム(Ir)膜或いはIrO2 膜を用いる。強誘電体膜22には、例えばPZT膜(Pb(Zr,Ti)O3 膜)を用いる。さらに、TEOSを用いたプラズマCVDによって全面にシリコン酸化膜31を形成する。
【0014】
次に、図1(b)に示すように、シリコン酸化膜31、シリコン酸化膜13、シリコン窒化膜12及び層間絶縁膜11に、RIE等によって接続孔を形成する。続いて、全面に金属膜としてAl膜を形成し、さらにCMPによって余分な金属膜を除去することで、各接続孔内に選択的に金属膜を残す。これにより、下部電極21に接続された導電部(プラグ)41、上部電極に接続された導電部42a、さらに導電部(プラグ)42bが得られる。なお、Al膜を形成する前に、Al膜と電極との反応を抑制するために、バリアメタル膜としてTiN膜等を形成してもよい。
【0015】
次に、全面にシリコン酸化膜32を形成し、さらにシリコン酸化膜32に溝を形成する。続いて、全面に金属膜としてAl膜を形成し、さらにCMPによって余分な金属膜を除去することで、溝内に選択的に金属膜を残す。これにより、導電部42aと導電部42bを接続する導電部42cが得られる。
【0016】
このようにして、キャパシタの下部電極21には導電部41からなる配線が接続され、上部電極23には導電部42a、42b及び42cからなる配線が接続された構造が得られる。これらの配線は、強誘電体メモリの回路構成にもよるが、例えば下層側に形成されたトランジスタや配線等(FEOL:Front End Of Line)に接続される。
【0017】
図1(b)からわかるように、本実施形態では、導電部(配線)41は下部電極21の端部に接触している。すなわち、配線41の側面が下部電極21の側面に接触し、且つ配線41は下部電極21の上面にも接触しており、これらの接触部によって下部電極21と配線41とが電気的に接続されている。
【0018】
このように、本実施形態によれば、下部電極21と配線41との接続が、下部電極21の端部で行われているため、従来に比べて配線に必要な面積を大幅に低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。
【0019】
(実施形態2)
図2(a)及び図2(b)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。基本的な構成及び製造工程は第1の実施形態と類似しており、図1に示した構成要素と対応する構成要素には同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する(他の実施形態についても、第1の実施形態と重複する事項については説明を省略する)。
【0020】
本実施形態では、図2(b)に示すように、配線(導電部)41が下部電極21を貫通し、配線41の側面が下部電極21の側面に接触している。具体的には、RIE等により下部電極21を貫通するように接続孔を形成し、形成された接続孔内にAl膜等の金属膜を埋めることで、配線41が形成される。
【0021】
このように、本実施形態では、配線41を下部電極21に貫通させることで、下部電極21と配線41との接続をとっているため、第1の実施形態と同様、配線に必要な面積を大幅に低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。
【0022】
(実施形態3)
図3(a)及び図3(b)は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。
【0023】
まず、図3(a)に示すように、第1の実施形態と同様にして、層間絶縁膜11、シリコン窒化膜12及びシリコン酸化膜13を形成し、シリコン酸化膜13上に、下部電極21、強誘電体膜22及び上部電極23の積層構造からなる強誘電体キャパシタを形成する。ただし、本実施形態では、強誘電体膜22及び上部電極23の側面に、シリコン窒化膜からなる側壁絶縁膜33aを形成する。具体的には、強誘電体膜22及び上部電極23をパターニングした後、全面にシリコン窒化膜を形成し、さらにRIEを行うことで、強誘電体膜22及び上部電極23の側面に選択的に側壁絶縁膜33aを形成するとともに、下部電極21のパターンを形成する。その後、全面にシリコン窒化膜を形成し、さらにRIEを行うことで、下部電極21及び側壁絶縁膜33aの側面に選択的にシリコン窒化膜からなる側壁絶縁膜33bを形成する。さらにその後、全面にシリコン酸化膜31を形成する。
【0024】
次に、図3(b)に示すように、RIE等によりシリコン酸化膜31等の一部を除去して接続孔を形成する。このとき、導電部(配線)41形成用の接続孔については、レジストをマスクとして、側壁絶縁膜33a及び33bもエッチングし、下部電極の端部を露出させる。一方、導電部42b形成用の接続孔については、レジストマスクを用いずに、側壁絶縁膜33a及び33bに対して選択的にシリコン酸化膜31等をエッチングし、下部電極の端部が露出しないようにする。その後、全面に金属膜としてAl膜を形成し、さらにCMPによって余分な金属膜を除去することで、各接続孔内に選択的に金属膜を残す。これにより、下部電極21に接続された導電部41、上部電極に接続された導電部42a、さらに導電部42bが得られる。なお、第1の実施形態と同様、Al膜を形成する前にバリアメタル膜を形成してもよい。
【0025】
その後の工程は、第1の実施形態と同様であり、シリコン酸化膜32に形成した溝内にAl膜等の金属膜を埋め込むことで、導電部42aと導電部42bを接続する導電部42cが得られる。
【0026】
このようにして、キャパシタの下部電極21には導電部41からなる配線が接続され、上部電極23には導電部42a、42b及び42cからなる配線が接続された構造が得られる。
【0027】
本実施形態においても、第1の実施形態と同様、下部電極21と配線41との接続が、下部電極21の端部で行われているため、従来に比べて配線に必要な面積を大幅に低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。また、本実施形態では、キャパシタの側面に側壁絶縁膜33a及び33bを形成することで、隣接するキャパシタ間の距離を短くすることができ、より微細化をはかることが可能となる。
【0028】
(実施形態4)
図4(a)及び図4(b)は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。基本的な構成及び製造工程は第3の実施形態と類似しており、図3に示した構成要素と対応する構成要素には同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【0029】
本実施形態では、図4(a)の工程において、側壁絶縁膜33a及び33bの他、上部電極23の上面にも上部絶縁膜33cを形成する。具体的には、強誘電体膜22及び上部電極23をパターニングした後、全面にシリコン窒化膜を形成し、さらにレジストをマスクとしてRIEを行うことで、強誘電体膜22及び上部電極23の側面に側壁絶縁膜33aを形成するとともに、上部電極23の上面に上部絶縁膜33cを形成する。その後、第3の実施形態と同様の方法により、側壁絶縁膜33bを形成する。
【0030】
図4(b)の工程では、各接続孔の他、シリコン酸化膜31及び上部絶縁膜33cを除去することで形成された溝内にも、同時にAl膜を埋め込む。このようにして、キャパシタの下部電極21には導電部41からなる配線が接続され、上部電極23には導電部42b及び42dからなる配線が接続された構造が得られる。
【0031】
このような構造により、本実施形態においても、第3の実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。
【0032】
(実施形態5)
図5(a)及び図5(b)は、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。基本的な構成及び製造工程は第3の実施形態と類似しており、図3に示した構成要素と対応する構成要素には同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【0033】
本実施形態では、図5(a)の工程において、第3の実施形態と同様にして、キャパシタ、側壁絶縁膜及び層間絶縁膜を形成した後、層間絶縁膜31にキャパシタの上部電極23に達する接続孔を形成する。続いて全面に導電膜を形成し、さらに導電膜をパターニングして上部電極23に接続された導電部43を形成する。この導電部43には、上部電極23及び図5(b)の工程で形成されるAl膜との間で合金化反応を生じない材料、例えばTiN等の材料を用いる。その後、全面にシリコン酸化膜34を形成し、さらにCMPによって平坦化処理を行い、凹部をシリコン酸化膜34で埋める。
【0034】
図5(b)の工程では、第3の実施形態と同様の方法を用いて、Al膜等の金属膜からなる導電部41及び42を形成する。ただし、本実施形態では、接続孔を形成する際に導電部43の一部もエッチングする。したがって、TiN膜等の導電膜を接続孔に埋め込むことで、導電部42の側面が導電部43の側面に接触し、両者が電気的に接続される。
【0035】
このようにして、キャパシタの下部電極21には導電部41からなる配線が接続され、上部電極23には導電部42及び43からなる配線が接続された構造が得られる。
【0036】
本実施形態においても、第1及び第3の実施形態と同様の作用効果を得ることができる他、導電部43の側面と導電部42の側面が接触しているため、上部電極23に接続された配線の占有面積を低減することができる。また、TiN膜等の材料(バリアメタル材料)からなる導電部43を介して上部電極23と導電部42とを接続しているため、上部電極23と導電部42との反応を確実に防止することができる。
【0037】
(実施形態6)
図6(a)及び図6(b)は、本発明の第6の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。
【0038】
まず、図6(a)に示すように、第1の実施形態と同様にして、MISトランジスタ(図示せず)等が形成された半導体基板(図示せず)上に、層間絶縁膜11、シリコン窒化膜12及びシリコン酸化膜13を形成する。次に、シリコン酸化膜13上に電極膜を形成し、この電極膜をパターニングして強誘電体キャパシタの下部電極21を形成する。続いて、全面に強誘電体膜22を形成する。さらに、全面に電極膜を形成し、この電極膜をパターニングしてキャパシタの上部電極23を形成する。その後、TEOSを用いたプラズマCVDによって全面にシリコン酸化膜31を形成する。
【0039】
次に、図6(b)に示すように、層間絶縁膜11、シリコン窒化膜12、シリコン酸化膜13、強誘電体膜22及びシリコン酸化膜31を貫通する接続孔を、RIE等によって形成する。続いて、全面に金属膜としてAl膜を形成し、さらにCMPによって余分な金属膜を除去することで、各接続孔内に選択的に金属膜を残す。これにより、下部電極21に接続された導電部(配線)41及び、上部電極に接続された導電部(配線)42が得られる。
【0040】
図6(b)からわかるように、本実施形態においても第1の実施形態で説明したのと同様に導電部(配線)41は下部電極21の端部に接触しており、導電部(配線)42も同様に上部電極23の端部に接触している。したがって、第1の実施形態と同様、配線に必要な面積を大幅に低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。
【0041】
また、本実施形態では、互いに隣接するペアの下部電極21間の間隙を跨ぐように配線41が形成されており、上記ペアの下部電極21どうしが共通の配線41に接続されている。同様に、互いに隣接するペアの上部電極23間の間隙を跨ぐように配線42が形成されており、上記ペアの上部電極23どうしが共通の配線42に接続されている。そして、配線41は互いに隣接するがペアではない上部電極23間の間隙を通るように配置され、同様に、配線42は互いに隣接するがペアではない下部電極21間の間隙を通るように配置されている。したがって、隣接するキャパシタ間の距離を効果的に短くすることができ、より半導体装置の微細化をはかることが可能となる。
【0042】
(実施形態7)
図7(a)及び図7(b)は、本発明の第7の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。基本的な構成及び製造工程は第6の実施形態と類似しており、図6に示した構成要素と対応する構成要素には同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【0043】
本実施形態では、図7(b)に示すように、配線41が下部電極21を貫通し、配線41の側面が下部電極21の側面に接触している。同様に、配線42が上部電極23を貫通し、配線42の側面が上部電極23の側面に接触している。そして、配線41は互いに隣接する上部電極23間の間隙を通るように配置され、同様に、配線42は互いに隣接する下部電極21間の間隙を通るように配置されている。
【0044】
このような構成により、本実施形態においても、第6の実施形態と同様、隣接するキャパシタ間の距離を効果的に短くすることができ、半導体装置の微細化をはかることが可能となる。
【0045】
(実施形態8)
図8(a)及び図8(b)は、本発明の第8の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。基本的な構成及び製造工程は第6の実施形態と類似しており、図6に示した構成要素と対応する構成要素には同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【0046】
本実施形態は、いわゆるCOP構造を有する強誘電体メモリに関するものである。すなわち、図8(a)の工程において、キャパシタを形成する前にプラグ(例えばWプラグ)45を予め形成しておき、このプラグが下部電極21に接続された配線となる。図8(b)の工程では、第6の実施形態と同様にして、導電部(配線)42が上部電極23の端部に接触するように形成される。なお、第7の実施形態と同様に、配線42が上部電極23を貫通するような構成であってもよい。
【0047】
本実施形態では、下部電極に対してはCOP構造を適用し、上部電極に対しては第6或いは第7の実施形態のような構造を適用することにより、配線に必要な面積を大幅に低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。
【0048】
(実施形態9)
図9は、本発明の第9の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の構成を模式的に示した断面図である。
【0049】
図9からわかるように、本実施形態は、第7の実施形態で示したような複数のキャパシタ構造を垂直方向に積層したものである。すなわち、同一形状の複数の下部電極21が同一の領域に積層され、それらが配線41によって共通接続されている。同様に、同一形状の複数の上部電極23が同一の領域に積層され、それらが配線42によって共通接続されている。下部電極21と上部電極23とは交互に積層され、隣接する電極間には強誘電体膜22が形成されている。したがって、積層方向で隣接する電極間の部分が全てキャパシタとして機能する。
【0050】
なお、ここでは便宜上、下部電極及び上部電極としているが、上述した構成から明らかなように、あるキャパシタにおける下部電極はその上のキャパシタにおいては上部電極となり、同様に、あるキャパシタにおける上部電極はその上のキャパシタにおいては下部電極となる。また、ここでは第7の実施形態で示したような構造を基本構造に用いた場合について説明したが、第6の実施形態で示したような構造を基本構造に用いることも可能である。
【0051】
本実施形態では、第6及び第7の実施形態と同様の作用効果が得られる他、積層された複数の下部電極21及び積層された複数の上部電極23が、それぞれ共通の配線41及び配線42で接続されているため、簡単な製造工程で配線の占有面積を効率的に低減することができる。
【0052】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【0053】
【発明の効果】
本発明によれば、キャパシタの電極に接続される配線の占有面積を低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図3】本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図4】本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図5】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図6】本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図7】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図8】本発明の第8の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図9】本発明の第9の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図10】従来技術に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
11…層間絶縁膜
12…シリコン窒化膜
13…シリコン酸化膜
21…下部電極
22…強誘電体膜
23…上部電極
31、32、34…シリコン酸化膜
33a、33b、33c…シリコン窒化膜
41、41a、41b、41c…配線の導電部(Al膜)
42、42a、42b、42c、42d…配線の導電部(Al膜)
43…配線の導電部(TiN膜)
45…プラグ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、特にキャパシタを有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
キャパシタの誘電体膜にPZT(Pb(Zr,Ti)O3 )等の強誘電体を用いた不揮発性のメモリ(FeRAM)について研究開発が行われている。
【0003】
図10は、従来技術に係る強誘電体メモリの構成について、その一例を示した断面図である。11はシリコン酸化膜等の層間絶縁膜、12はシリコン窒化膜、13はシリコン酸化膜であり、シリコン酸化膜13上に、下部電極21、強誘電体膜22及び上部電極23からなる強誘電体キャパシタが形成されている。キャパシタはシリコン酸化膜31で覆われ、シリコン酸化膜31上にシリコン酸化膜32が形成されている。キャパシタの下部電極21には導電部41a、41b及び41cからなる配線が、上部電極23には導電部42a、42b及び42cからなる配線が接続され、これらの配線は下層側に形成されたトランジスタや配線等に接続されている。
【0004】
上記従来の強誘電体メモリでは、下部電極21及び上部電極23に接続された各配線は、垂直方向に延伸した導電部(41a、42a)、水平方向に延伸した導電部(41c、42c)及び垂直方向に延伸した導電部(41b、42b)で構成されている。したがって、配線に必要な面積が大きく微細化が難しいといった問題や、配線を形成するための製造工程が複雑になるといった問題を有していた。
【0005】
公知技術として、非特許文献1には、強誘電体メモリの構造が記載されているが、基本的には上述した例と同様であり、配線に必要な面積が大きく微細化が難しいといった問題や、配線を形成するための製造工程が複雑になるといった問題を有している。
【0006】
【非特許文献1】
ティー・オザキ(T. Ozaki)、他10名,「ア・フリー・プレーナライズド・8Mビット・フェロエレクトリックRAM・ウィズ・‘チェイン’セル・ストラクチャー(A Fully Planalized 8M bit Ferroelectric RAM with ’Chain’Cell Structure)」,「ダイジェスト・オブ・テック.ペイパーズ・2001・シンプ.オン・VLSIテック.(Digest of Tech. papers 2001 Symp. on VLSI Tech.)」,(米国),2001年,p.113−114。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来は、配線に必要な面積が大きく、半導体装置の微細化が難しい等の問題があった。
【0008】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、微細化等を容易に達成することが可能な半導体装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、下地膜と、前記下地膜上に形成された第1の電極と、前記第1の電極上に形成された第1の誘電体膜と、前記第1の誘電体膜上に形成された第2の電極と、前記第1の電極、第1の誘電体膜及び第2の電極の積層方向に延伸した第1の導電部を含み、前記第1の電極及び第2の電極の一方の電極に前記第1の導電部の側面が接触した第1の配線と、を備えたことを特徴とする。
【0010】
本発明に係る半導体装置は、下地膜と、前記下地膜上に形成された第1の電極と、前記第1の電極上に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成された第2の電極と、前記第2の電極に接続された配線と、を備え、前記配線は、前記第1の電極、誘電体膜及び第2の電極の積層方向に延伸した第1の導電部と、前記第2の電極及び第1の導電部と異なる材料で第2の電極と第1の導電部との間に形成された第2の導電部とを含み、前記第1の導電部の側面が前記第2の導電部に接触していることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【0012】
(実施形態1)
図1(a)及び図1(b)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。
【0013】
まず、図1(a)に示すように、MISトランジスタ(図示せず)等が形成された半導体基板(図示せず)上に、シリコン酸化膜(SiO2 膜)等の層間絶縁膜11、減圧CVDによるシリコン窒化膜(SiN膜)12及びTEOSを用いた減圧CVDによるシリコン酸化膜13を形成する。続いて、シリコン酸化膜13上に、下部電極21、下部電極21上の強誘電体膜22及び強誘電体膜22上の上部電極23からなる強誘電体キャパシタを形成する。下部電極21及び上部電極23には、例えばプラチナ(Pt)膜、イリジウム(Ir)膜或いはIrO2 膜を用いる。強誘電体膜22には、例えばPZT膜(Pb(Zr,Ti)O3 膜)を用いる。さらに、TEOSを用いたプラズマCVDによって全面にシリコン酸化膜31を形成する。
【0014】
次に、図1(b)に示すように、シリコン酸化膜31、シリコン酸化膜13、シリコン窒化膜12及び層間絶縁膜11に、RIE等によって接続孔を形成する。続いて、全面に金属膜としてAl膜を形成し、さらにCMPによって余分な金属膜を除去することで、各接続孔内に選択的に金属膜を残す。これにより、下部電極21に接続された導電部(プラグ)41、上部電極に接続された導電部42a、さらに導電部(プラグ)42bが得られる。なお、Al膜を形成する前に、Al膜と電極との反応を抑制するために、バリアメタル膜としてTiN膜等を形成してもよい。
【0015】
次に、全面にシリコン酸化膜32を形成し、さらにシリコン酸化膜32に溝を形成する。続いて、全面に金属膜としてAl膜を形成し、さらにCMPによって余分な金属膜を除去することで、溝内に選択的に金属膜を残す。これにより、導電部42aと導電部42bを接続する導電部42cが得られる。
【0016】
このようにして、キャパシタの下部電極21には導電部41からなる配線が接続され、上部電極23には導電部42a、42b及び42cからなる配線が接続された構造が得られる。これらの配線は、強誘電体メモリの回路構成にもよるが、例えば下層側に形成されたトランジスタや配線等(FEOL:Front End Of Line)に接続される。
【0017】
図1(b)からわかるように、本実施形態では、導電部(配線)41は下部電極21の端部に接触している。すなわち、配線41の側面が下部電極21の側面に接触し、且つ配線41は下部電極21の上面にも接触しており、これらの接触部によって下部電極21と配線41とが電気的に接続されている。
【0018】
このように、本実施形態によれば、下部電極21と配線41との接続が、下部電極21の端部で行われているため、従来に比べて配線に必要な面積を大幅に低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。
【0019】
(実施形態2)
図2(a)及び図2(b)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。基本的な構成及び製造工程は第1の実施形態と類似しており、図1に示した構成要素と対応する構成要素には同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する(他の実施形態についても、第1の実施形態と重複する事項については説明を省略する)。
【0020】
本実施形態では、図2(b)に示すように、配線(導電部)41が下部電極21を貫通し、配線41の側面が下部電極21の側面に接触している。具体的には、RIE等により下部電極21を貫通するように接続孔を形成し、形成された接続孔内にAl膜等の金属膜を埋めることで、配線41が形成される。
【0021】
このように、本実施形態では、配線41を下部電極21に貫通させることで、下部電極21と配線41との接続をとっているため、第1の実施形態と同様、配線に必要な面積を大幅に低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。
【0022】
(実施形態3)
図3(a)及び図3(b)は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。
【0023】
まず、図3(a)に示すように、第1の実施形態と同様にして、層間絶縁膜11、シリコン窒化膜12及びシリコン酸化膜13を形成し、シリコン酸化膜13上に、下部電極21、強誘電体膜22及び上部電極23の積層構造からなる強誘電体キャパシタを形成する。ただし、本実施形態では、強誘電体膜22及び上部電極23の側面に、シリコン窒化膜からなる側壁絶縁膜33aを形成する。具体的には、強誘電体膜22及び上部電極23をパターニングした後、全面にシリコン窒化膜を形成し、さらにRIEを行うことで、強誘電体膜22及び上部電極23の側面に選択的に側壁絶縁膜33aを形成するとともに、下部電極21のパターンを形成する。その後、全面にシリコン窒化膜を形成し、さらにRIEを行うことで、下部電極21及び側壁絶縁膜33aの側面に選択的にシリコン窒化膜からなる側壁絶縁膜33bを形成する。さらにその後、全面にシリコン酸化膜31を形成する。
【0024】
次に、図3(b)に示すように、RIE等によりシリコン酸化膜31等の一部を除去して接続孔を形成する。このとき、導電部(配線)41形成用の接続孔については、レジストをマスクとして、側壁絶縁膜33a及び33bもエッチングし、下部電極の端部を露出させる。一方、導電部42b形成用の接続孔については、レジストマスクを用いずに、側壁絶縁膜33a及び33bに対して選択的にシリコン酸化膜31等をエッチングし、下部電極の端部が露出しないようにする。その後、全面に金属膜としてAl膜を形成し、さらにCMPによって余分な金属膜を除去することで、各接続孔内に選択的に金属膜を残す。これにより、下部電極21に接続された導電部41、上部電極に接続された導電部42a、さらに導電部42bが得られる。なお、第1の実施形態と同様、Al膜を形成する前にバリアメタル膜を形成してもよい。
【0025】
その後の工程は、第1の実施形態と同様であり、シリコン酸化膜32に形成した溝内にAl膜等の金属膜を埋め込むことで、導電部42aと導電部42bを接続する導電部42cが得られる。
【0026】
このようにして、キャパシタの下部電極21には導電部41からなる配線が接続され、上部電極23には導電部42a、42b及び42cからなる配線が接続された構造が得られる。
【0027】
本実施形態においても、第1の実施形態と同様、下部電極21と配線41との接続が、下部電極21の端部で行われているため、従来に比べて配線に必要な面積を大幅に低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。また、本実施形態では、キャパシタの側面に側壁絶縁膜33a及び33bを形成することで、隣接するキャパシタ間の距離を短くすることができ、より微細化をはかることが可能となる。
【0028】
(実施形態4)
図4(a)及び図4(b)は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。基本的な構成及び製造工程は第3の実施形態と類似しており、図3に示した構成要素と対応する構成要素には同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【0029】
本実施形態では、図4(a)の工程において、側壁絶縁膜33a及び33bの他、上部電極23の上面にも上部絶縁膜33cを形成する。具体的には、強誘電体膜22及び上部電極23をパターニングした後、全面にシリコン窒化膜を形成し、さらにレジストをマスクとしてRIEを行うことで、強誘電体膜22及び上部電極23の側面に側壁絶縁膜33aを形成するとともに、上部電極23の上面に上部絶縁膜33cを形成する。その後、第3の実施形態と同様の方法により、側壁絶縁膜33bを形成する。
【0030】
図4(b)の工程では、各接続孔の他、シリコン酸化膜31及び上部絶縁膜33cを除去することで形成された溝内にも、同時にAl膜を埋め込む。このようにして、キャパシタの下部電極21には導電部41からなる配線が接続され、上部電極23には導電部42b及び42dからなる配線が接続された構造が得られる。
【0031】
このような構造により、本実施形態においても、第3の実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。
【0032】
(実施形態5)
図5(a)及び図5(b)は、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。基本的な構成及び製造工程は第3の実施形態と類似しており、図3に示した構成要素と対応する構成要素には同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【0033】
本実施形態では、図5(a)の工程において、第3の実施形態と同様にして、キャパシタ、側壁絶縁膜及び層間絶縁膜を形成した後、層間絶縁膜31にキャパシタの上部電極23に達する接続孔を形成する。続いて全面に導電膜を形成し、さらに導電膜をパターニングして上部電極23に接続された導電部43を形成する。この導電部43には、上部電極23及び図5(b)の工程で形成されるAl膜との間で合金化反応を生じない材料、例えばTiN等の材料を用いる。その後、全面にシリコン酸化膜34を形成し、さらにCMPによって平坦化処理を行い、凹部をシリコン酸化膜34で埋める。
【0034】
図5(b)の工程では、第3の実施形態と同様の方法を用いて、Al膜等の金属膜からなる導電部41及び42を形成する。ただし、本実施形態では、接続孔を形成する際に導電部43の一部もエッチングする。したがって、TiN膜等の導電膜を接続孔に埋め込むことで、導電部42の側面が導電部43の側面に接触し、両者が電気的に接続される。
【0035】
このようにして、キャパシタの下部電極21には導電部41からなる配線が接続され、上部電極23には導電部42及び43からなる配線が接続された構造が得られる。
【0036】
本実施形態においても、第1及び第3の実施形態と同様の作用効果を得ることができる他、導電部43の側面と導電部42の側面が接触しているため、上部電極23に接続された配線の占有面積を低減することができる。また、TiN膜等の材料(バリアメタル材料)からなる導電部43を介して上部電極23と導電部42とを接続しているため、上部電極23と導電部42との反応を確実に防止することができる。
【0037】
(実施形態6)
図6(a)及び図6(b)は、本発明の第6の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。
【0038】
まず、図6(a)に示すように、第1の実施形態と同様にして、MISトランジスタ(図示せず)等が形成された半導体基板(図示せず)上に、層間絶縁膜11、シリコン窒化膜12及びシリコン酸化膜13を形成する。次に、シリコン酸化膜13上に電極膜を形成し、この電極膜をパターニングして強誘電体キャパシタの下部電極21を形成する。続いて、全面に強誘電体膜22を形成する。さらに、全面に電極膜を形成し、この電極膜をパターニングしてキャパシタの上部電極23を形成する。その後、TEOSを用いたプラズマCVDによって全面にシリコン酸化膜31を形成する。
【0039】
次に、図6(b)に示すように、層間絶縁膜11、シリコン窒化膜12、シリコン酸化膜13、強誘電体膜22及びシリコン酸化膜31を貫通する接続孔を、RIE等によって形成する。続いて、全面に金属膜としてAl膜を形成し、さらにCMPによって余分な金属膜を除去することで、各接続孔内に選択的に金属膜を残す。これにより、下部電極21に接続された導電部(配線)41及び、上部電極に接続された導電部(配線)42が得られる。
【0040】
図6(b)からわかるように、本実施形態においても第1の実施形態で説明したのと同様に導電部(配線)41は下部電極21の端部に接触しており、導電部(配線)42も同様に上部電極23の端部に接触している。したがって、第1の実施形態と同様、配線に必要な面積を大幅に低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。
【0041】
また、本実施形態では、互いに隣接するペアの下部電極21間の間隙を跨ぐように配線41が形成されており、上記ペアの下部電極21どうしが共通の配線41に接続されている。同様に、互いに隣接するペアの上部電極23間の間隙を跨ぐように配線42が形成されており、上記ペアの上部電極23どうしが共通の配線42に接続されている。そして、配線41は互いに隣接するがペアではない上部電極23間の間隙を通るように配置され、同様に、配線42は互いに隣接するがペアではない下部電極21間の間隙を通るように配置されている。したがって、隣接するキャパシタ間の距離を効果的に短くすることができ、より半導体装置の微細化をはかることが可能となる。
【0042】
(実施形態7)
図7(a)及び図7(b)は、本発明の第7の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。基本的な構成及び製造工程は第6の実施形態と類似しており、図6に示した構成要素と対応する構成要素には同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【0043】
本実施形態では、図7(b)に示すように、配線41が下部電極21を貫通し、配線41の側面が下部電極21の側面に接触している。同様に、配線42が上部電極23を貫通し、配線42の側面が上部電極23の側面に接触している。そして、配線41は互いに隣接する上部電極23間の間隙を通るように配置され、同様に、配線42は互いに隣接する下部電極21間の間隙を通るように配置されている。
【0044】
このような構成により、本実施形態においても、第6の実施形態と同様、隣接するキャパシタ間の距離を効果的に短くすることができ、半導体装置の微細化をはかることが可能となる。
【0045】
(実施形態8)
図8(a)及び図8(b)は、本発明の第8の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の製造工程を模式的に示した断面図である。基本的な構成及び製造工程は第6の実施形態と類似しており、図6に示した構成要素と対応する構成要素には同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【0046】
本実施形態は、いわゆるCOP構造を有する強誘電体メモリに関するものである。すなわち、図8(a)の工程において、キャパシタを形成する前にプラグ(例えばWプラグ)45を予め形成しておき、このプラグが下部電極21に接続された配線となる。図8(b)の工程では、第6の実施形態と同様にして、導電部(配線)42が上部電極23の端部に接触するように形成される。なお、第7の実施形態と同様に、配線42が上部電極23を貫通するような構成であってもよい。
【0047】
本実施形態では、下部電極に対してはCOP構造を適用し、上部電極に対しては第6或いは第7の実施形態のような構造を適用することにより、配線に必要な面積を大幅に低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。
【0048】
(実施形態9)
図9は、本発明の第9の実施形態に係る半導体装置(強誘電体メモリ)の構成を模式的に示した断面図である。
【0049】
図9からわかるように、本実施形態は、第7の実施形態で示したような複数のキャパシタ構造を垂直方向に積層したものである。すなわち、同一形状の複数の下部電極21が同一の領域に積層され、それらが配線41によって共通接続されている。同様に、同一形状の複数の上部電極23が同一の領域に積層され、それらが配線42によって共通接続されている。下部電極21と上部電極23とは交互に積層され、隣接する電極間には強誘電体膜22が形成されている。したがって、積層方向で隣接する電極間の部分が全てキャパシタとして機能する。
【0050】
なお、ここでは便宜上、下部電極及び上部電極としているが、上述した構成から明らかなように、あるキャパシタにおける下部電極はその上のキャパシタにおいては上部電極となり、同様に、あるキャパシタにおける上部電極はその上のキャパシタにおいては下部電極となる。また、ここでは第7の実施形態で示したような構造を基本構造に用いた場合について説明したが、第6の実施形態で示したような構造を基本構造に用いることも可能である。
【0051】
本実施形態では、第6及び第7の実施形態と同様の作用効果が得られる他、積層された複数の下部電極21及び積層された複数の上部電極23が、それぞれ共通の配線41及び配線42で接続されているため、簡単な製造工程で配線の占有面積を効率的に低減することができる。
【0052】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【0053】
【発明の効果】
本発明によれば、キャパシタの電極に接続される配線の占有面積を低減することができ、半導体装置の微細化を達成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図3】本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図4】本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図5】本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図6】本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図7】本発明の第7の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図8】本発明の第8の実施形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した断面図である。
【図9】本発明の第9の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図10】従来技術に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
11…層間絶縁膜
12…シリコン窒化膜
13…シリコン酸化膜
21…下部電極
22…強誘電体膜
23…上部電極
31、32、34…シリコン酸化膜
33a、33b、33c…シリコン窒化膜
41、41a、41b、41c…配線の導電部(Al膜)
42、42a、42b、42c、42d…配線の導電部(Al膜)
43…配線の導電部(TiN膜)
45…プラグ
Claims (7)
- 下地膜と、
前記下地膜上に形成された第1の電極と、
前記第1の電極上に形成された第1の誘電体膜と、
前記第1の誘電体膜上に形成された第2の電極と、
前記第1の電極、第1の誘電体膜及び第2の電極の積層方向に延伸した第1の導電部を含み、前記第1の電極及び第2の電極の一方の電極に前記第1の導電部の側面が接触した第1の配線と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 - 前記第1の導電部は、前記一方の電極の側面及び上面に接触している
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1の導電部は、前記一方の電極を貫通している
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記積層方向に延伸した第2の導電部を含み、前記第1の電極及び第2の電極の他方の電極に前記第2の導電部の側面が接触した第2の配線をさらに備えた
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記下地膜上に形成された第3の電極と、
前記第3の電極上に形成された第2の誘電体膜と、
前記第2の誘電体膜上に形成された第4の電極と、
をさらに備え、
前記第1の導電部は、前記第3の電極及び第4の電極の一方の電極に側面が接触している
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第2の電極上に形成された第2の誘電体膜と、
前記第2の誘電体膜上に形成された第3の電極と、
前記第3の電極上に形成された第3の誘電体膜と、
前記第3の誘電体膜上に形成された第4の電極と、
をさらに備え、
前記第1の導電部は、前記第3の電極及び第4の電極の一方の電極に側面が接触している
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 下地膜と、
前記下地膜上に形成された第1の電極と、
前記第1の電極上に形成された誘電体膜と、
前記誘電体膜上に形成された第2の電極と、
前記第2の電極に接続された配線と、
を備え、
前記配線は、前記第1の電極、誘電体膜及び第2の電極の積層方向に延伸した第1の導電部と、前記第2の電極及び第1の導電部と異なる材料で第2の電極と第1の導電部との間に形成された第2の導電部とを含み、前記第1の導電部の側面が前記第2の導電部に接触している
ことを特徴とする半導体装置。
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