JP2005150262A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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克己 永橋
Takumi Mikawa
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Abstract

【課題】 上端部が強誘電体キャパシタを構成する下部電極の下にある拡散防止膜と接続するコンタクトプラグ内に発生するボイドを抑制し、強誘電体キャパシタの電気特性の劣化を防止する。
【解決手段】 半導体基板11上に堆積された層間絶縁膜17と、層間絶縁膜17中に形成されたコンタクトホールと、コンタクトホールに充填剤を埋め込み形成されるコンタクトプラグ22と、コンタクトプラグ22上を被覆して層間絶縁膜17上に形成された導電性の拡散防止膜23と、拡散防止膜23上に下方より順に形成された下部電極24、絶縁性金属酸化物からなる容量絶縁膜25および上部電極26とを備えた半導体装置であって、コンタクトホールの側壁にサイドウォール19が形成され、コンタクトプラグ22がサイドウォール19の内側に形成されている。
【選択図】 図1

Description

この発明は、強誘電体膜または高誘電率膜等の絶縁性金属酸化物からなる容量絶縁膜を有する容量素子を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
近年、電子機器におけるデジタル技術の進展に伴い、大容量のデータを処理し且つ保存する傾向が促進されるなか、電子機器に対して要求される機能が一段と高度化し、電子機器に使用される半導体装置及び該半導体装置を構成する半導体素子の微細化が急速に進んでいる。これに伴い、例えばダイナミックRAM装置の高集積化を実現するために、従来の珪素酸化物または珪素窒化物の代わりに高誘電体を容量絶縁膜として用いる技術が広く研究され、また開発されている。
さらに、従来にはない低動作電圧で且つ高速な書き込み及び読み出し動作が可能な不揮発性RAM装置の実用化を目指して、自発分極特性を持つ強誘電体膜に関する研究及び開発が盛んに行なわれている。これら高誘電体または強誘電体を容量絶縁膜に用いた半導体装置において、記憶容量がメガビット級の高集積メモリ素子には、従来のプレーナー型メモリセルに代わり、スタック型のメモリセルが用いられるようになってきている。
以下、絶縁性金属酸化物からなる容量絶縁膜を有する容量素子を備えた従来の半導体装置及びその製造方法について図4(a)〜(c)を参照しながら説明する。
まず、図4(a)に示すように、半導体基板101上にゲート絶縁膜103を介してゲート電極104を形成した後、半導体基板101の表面部にソース領域105及びドレイン領域106を形成することにより、電界効果型トランジスタを形成する。102は素子分離層である。その後、半導体基板101の表面に電界効果型トランジスタを覆うように層間絶縁膜107を堆積した後、層間絶縁膜107にコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールにバリアメタル層108を形成した後に、該バリアメタル層108の上にタングステン層109を形成して、コンタクトホールをタングステンで埋め込むことにより、ドレイン領域105と接続するコンタクトプラグ110を形成する。
次に、図4(b)示すように、層間絶縁膜107の上に全面に亘って、窒化チタン膜と、下層のイリジウム膜と上層の酸化イリジウム膜との積層膜113を堆積した後、窒化チタン膜112及び積層膜113をパターンニングすることにより、窒化チタン膜からなる拡散防止膜112と積層膜からなる容量下部電極113とを形成する。
次に、図4(c)示すように、容量下部電極113を覆うように、絶縁性金属酸化物からなる容量絶縁膜114を形成し、その後、該容量絶縁膜を覆うように容量上部電極115を形成する。
このようにすると、電界効果型トランジスタと強誘電体キャパシタとからなるスタック型メモリセルが得られる。
上記従来の半導体装置は以下のような特徴を有している。まず、コンタクトプラグ110と容量下部電極113との間に、窒化チタンからなる導電性水素バリア層として働く拡散防止膜112が介在しているため、製造時に発生する水素がコンタクトプラグ110から拡散し、容量絶縁膜114を構成する絶縁性金属酸化物を還元し、容量素子としての電気特性を劣化させるという問題を回避することができる。
また、容量下部電極113を下層のイリジウム膜と上層の酸化イリジウム膜との積層膜113により形成しているため、容量絶縁膜114を構成する絶縁性金属酸化物の結晶性を向上させるために行なわれる酸素雰囲気中の熱処理工程において、酸素雰囲気中の酸素が容量下部電極113中を拡散して拡散防止膜112に到達したり、または容量絶縁膜114を構成する絶縁性金属酸化物中の酸素が容量下部電極113中を拡散して拡散防止膜112に到達したりする事態を防止し、拡散防止膜112を構成する窒化チタンが酸化されて高抵抗層が形成されてしまうという問題を回避できる。
しかしながら、CVD法により、ドレイン領域105と接続するコンタクトホール内のバリアメタル層112の上にタングステン層109を形成し、コンタクトホール内にタングステンを埋め込む際、タングステン層109にボイド111が形成される。このようなボイド111の存在は、以下に挙げるように2つの問題がある。
第1に、層間絶縁膜107とコンタクトプラグ110の上に形成される窒化チタンからなる拡散防止膜112において、コンタクトプラグ110のボイド111直上にある拡散防止膜112の部分では窒化チタンの結晶性が低下し、水素に対するバリア性が劣化するという問題を有している。
第2に、コンタクトプラグ110の上端部の表面は、ボイド111の影響で凹所が形成され、非平坦を発生する。該非平坦の表面に形成する強誘電体キャパシタにおいて、強誘電体キャパシタを構成してい容量絶縁膜114の結晶性、粒子サイズ、膜の厚さ及び組成の均一さを低下させ、容量素子としての電気特性のばらつきを大きくさせるという問題を有している。
そこで、上記2つの問題を解決する従来例の半導体装置及びその製造方法(例えば、特許文献1)について、図3(a)及び(d)を参照しながら説明する。
図3(a)において、コンタクトホール内のタングステン層109におけるボイド111、及びコンタクトプラグ110の表面にある凹所を埋め込むため、CVD法により導電材料としてTiN層を堆積させ、図3(b)に示すように、該ボイド111、及び該凹所にTiN層116を充填させる。次に、図3(c)に示すように、CMPにより、層間絶縁膜107上のTiN層116、及びコンタクトホールの上端部のTiN層116を研磨し、平坦化することでコンタクトプラグ110を形成し、次いで、図3(d)導電性の拡散バリア層117が形成される。
特開2001−217400号公報
しかしながら、従来の半導体装置において、コンタクトホール内のタングステン層109にあるボイドの大きさ及び形状は、均一ではなく、それぞれ異なっている。従って、CVD法によるTiNでボイド111を埋め込む際、タングステン層109に存在する全てのボイド111に対して、TiNを完全に充填できないという問題が発生する。
また、TiN層116を厚く堆積させることで、ボイド111を完全に充填させる手段もあるが、この場合、TiN層116を厚く堆積させるほど堆積時間が長時間化し、量産性を低下させるという問題が発生する。
したがって、この発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、上端部が強誘電体キャパシタを構成する下部電極の下にある拡散防止膜と接続するコンタクトプラグ内に発生するボイドを抑制し、強誘電体キャパシタの電気特性の劣化を防止するもので、具体的にはコンタクトホール内にタングステンを充填し、コンタクトプラグを形成する工程において、タングステン層に発生するボイドを防止することができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の請求項1記載の半導体装置は、半導体基板上に堆積された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜中に形成されたコンタクトホールと、前記コンタクトホールに充填剤を埋め込み形成されるコンタクトプラグと、前記コンタクトプラグ上を被覆して前記層間絶縁膜上に形成された導電性の拡散防止膜と、前記拡散防止膜上に下方より順に形成された下部電極、絶縁性金属酸化物からなる容量絶縁膜および上部電極とを備えた半導体装置であって、前記コンタクトホールの側壁にサイドウォールが形成され、前記コンタクトプラグが前記サイドウォールの内側に形成されている。
請求項2記載の半導体装置は、請求項1記載の半導体装置において、前記サイドウォールは、窒化珪素または酸化珪素からなる。
請求項3記載の半導体装置は、請求項1記載の半導体装置において、前記容量絶縁膜は、ビスマス層状ペロブスカイト構造を有する強誘電体、チタン酸ジルコン鉛、チタン酸バリウムストロンチウムまたは五酸化タンタルのうちいずれか1つからなる。
請求項4記載の半導体装置は、請求項1記載の半導体装置において、前記拡散防止膜は、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム若しくはこれらの合金、またはチタン、タンタル、タングステン、アルミニウム若しくはこれらの合金の窒化物からなる膜を有する単層膜または積層膜からなる。
請求項5記載の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を堆積する工程と、前記層間絶縁膜中にコンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホール内と前記層間絶縁膜の上に全面に亘って窒化珪素膜または酸化珪素膜を堆積した後、前記窒化珪素膜または前記酸化珪素膜をエッチバックすることにより、前記コンタクトホールの側面に窒化珪素または酸化珪素からなるサイドウォールを形成する工程と、前記サイドウォールが形成された前記コンタクトホール内面にバリアメタル層を形成する工程と、前記バリアメタル層の上にCVD法によって導電材料を前記サイドウォールが形成された前記コンタクトホール内に埋め込んで、コンタクトプラグを形成する工程と、前記層間絶縁膜の上に、前記コンタクトプラグを被覆するように導電性の拡散防止膜を形成する工程と、前記拡散防止膜の上に容量素子の下部電極を形成する工程と、前記下部電極の上に絶縁性金属酸化物からなる容量素子の容量絶縁膜を形成する工程と、前記容量絶縁膜の上に容量素子の上部電極を形成する工程とを含む。
この発明の請求項1記載の半導体装置によれば、コンタクトホールの側壁にサイドウォールが形成され、コンタクトプラグがサイドウォールの内側に形成されているので、サイドウォールによりコンタクトホールの上端部の開口が下端部に対して大きくなっていることで、コンタクトホールに充填剤を埋め込んでもボイドは発生しない。
このため、層間絶縁膜とコンタクトプラグを被覆して形成される拡散防止膜において、コンタクトプラグ直上の拡散防止膜の部分で生じる結晶性低下による水素バリア性の劣化という問題を防止できる。
また、コンタクトプラグの上端部の表面は、ボイドが発生しないため、凹所が形成されず、非平坦になることを防止できる。このため、コンタクトプラグと層間絶縁膜の上に形成される強誘電体キャパシタにおいて、強誘電体キャパシタを構成する容量絶縁膜の結晶性、粒子サイズ、膜の厚さ及び組成はより均一になり、容量素子としての電気特性の劣化を低減できる。
請求項2では、サイドウォールは、窒化珪素または酸化珪素からなるので、コンタクトホールおよび層間絶縁膜上に窒化珪素または酸化珪素を堆積した後、エッチバックを行うことでコンタクトホールの側壁にサイドウォールを形成することができる。
請求項3では、容量絶縁膜は、ビスマス層状ペロブスカイト構造を有する強誘電体、チタン酸ジルコン鉛、チタン酸バリウムストロンチウムまたは五酸化タンタルのうちいずれか1つからなるので、データ記憶用の容量素子を構成することができる。
請求項4では、拡散防止膜は、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム若しくはこれらの合金、またはチタン、タンタル、タングステン、アルミニウム若しくはこれらの合金の窒化物からなる膜を有する単層膜または積層膜からなるので、膜質が緻密であって拡散が防止する機能が高いとともに層間絶縁膜との密着性に優れている。
この発明の請求項5記載の半導体装置の製造方法によれば、コンタクトホール内と層間絶縁膜の上に全面に亘って窒化珪素膜または酸化珪素膜を堆積した後、窒化珪素膜または酸化珪素膜をエッチバックすることにより、コンタクトホールの側面に窒化珪素または酸化珪素からなるサイドウォールを形成する工程と、サイドウォールが形成されたコンタクトホール内面にバリアメタル層を形成する工程と、バリアメタル層の上にCVD法によって導電材料をサイドウォールが形成されたコンタクトホール内に埋め込んで、コンタクトプラグを形成する工程とを行うので、コンタクトホールの側壁に、サイドウォールが設けられ、該コンタクトホールの上端部の開口が下端部に対して大きくなり、該コンタクトホールにタングステン層を埋め込んでもボイドは発生しない。このため、層間絶縁膜とコンタクトプラグを被覆して形成される拡散防止膜において、コンタクトプラグ直上の拡散防止膜の部分で生じる結晶性低下による水素バリア性の劣化という問題を防止できる。
また、コンタクトプラグの上端部の表面は、ボイドが発生しないため、凹所が形成されず、非平坦になることを防止できる。このため、コンタクトプラグと層間絶縁膜の上に形成される強誘電体キャパシタにおいて、強誘電体キャパシタを構成する容量絶縁膜の結晶性、粒子サイズ、膜の厚さ及び組成はより均一になり、容量素子としての電気特性の劣化を低減できる。
この発明の実施形態を図1および図2に基づいて説明する。図1は本発明の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
図1に示すように、半導体基板11の上にはドレイン領域15及びソース領域16が形成され、半導体基板11におけるドレイン領域15とソース領域16との間にはゲート絶縁膜13を介してゲート電極14が形成されており、これらソース領域15、ドレイン領域16及びゲート電極14によって電界効果型トランジスタが構成されている。12は素子分離層である。半導体基板11の上には電界効果型トランジスタを覆うように層間絶縁膜17が形成され、該層間絶縁膜17には、ドレイン領域15と接続するコンタクトホールが形成され、該コンタクトホール内には充填剤としてバリアメタル層20、次いで、タングステン膜21が形成され、コンタクトプラグ22が形成されている。本実施形態の特徴として、該コンタクトホールの側壁には、窒化珪素からなるサイドウォール19が設けられ、コンタクトプラグ22がサイドウォール19の内側に形成されている
また、コンタクトプラグ22上を被覆して層間絶縁膜17の上には、窒化チタン膜からなる拡散防止膜23が設けられており、該拡散防止膜23はコンタクトプラグ22を被覆して形成されている。また、拡散防止膜23の上には、下層のイリジウム膜と上層の酸化イリジウム膜との積層膜からなる容量下部電極24が設けられている。該容量下部電極24の上には、該容量下部電極24を覆うように絶縁性金属酸化物としてビスマス層状ペロブスカイト構造を有するSrBi2(Ta1-XNbX)O9等の強誘電体からなる容量絶縁膜25が設けられており、該容量絶縁膜25の上には容量上部電極26が設けられている。
以上説明した容量下部電極24、容量絶縁膜25及び容量上部電極26によってデータ記憶用の容量素子が構成されていると共に、該容量素子と前述の電界効果型トランジスタによってメモリセルが構成されている。
以下に上記のように構成した半導体装置の製造方法について説明する。図2(a)〜(e)は本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
まず、図2(a)に示すように、半導体基板11の上にゲート絶縁膜13を介してゲート電極14を形成した後、半導体基板11の上部にドレイン領域15及びソース領域16を形成して、これらドレイン領域15、ソース領域16及びゲート電極14からなる電界効果型トランジスタを形成する。次に、半導体基板11の上に全面に亘って酸化珪素からなる層間絶縁膜17を形成した後、該層間絶縁膜17にコンタクトホール18を形成する。
次に、図2(b)に示すように、コンタクトホール18及び層間絶縁膜17の上に全面に亘ってCVD法により、窒化珪素を堆積した後、該窒化珪素に対して、エッチバックを行なって、図2(c)に示すように、該コンタクトホール18の側壁にサイドウォール19を形成し、コンタクトホール18の下端部の開口を上端部に対して大きくする。そして、図2(d)に示すように、コンタクトホール18にバリアメタル層20を形成した後、CVD法により、コンタクトホール18にタングステン膜21を埋め込むことにより、下端部がドレイン領域15と接続するコンタクトプラグ22を形成する。
次に、層間絶縁膜17の上に全面に亘って、窒化チタン膜、イリジウム膜及び酸化イリジウム膜を順次堆積した後、これらの膜をパターンニングすることにより、図2(e)に示すように、窒化チタン膜からなるコンタクトプラグ22の上端部と接続する拡散防止膜23を形成すると共に、該拡散防止膜23の上にイリジウム膜及び酸化イリジウム膜からなる容量下部電極24を形成する。次いで、例えばスパッタリング法または有機CVD法により、該容量下部電極24の上に全面に亘って、ビスマス層状ペロブスカイト構造を有するSrBi2(Ta1-XNbX)O9等の強誘電体からなる容量絶縁膜25を形成する。次に、スパッタ法により、該容量絶縁膜25の上に、白金膜からなる容量上部電極26を堆積すると、本実施形態に係る半導体装置が得られる。
本実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、下端部が電界効果型トランジスタのドレイン領域15と接続し、上端部が拡散防止膜23と接続するコンタクトホール18の側壁にサイドウォール19が設けられ、該コンタクトホール18の上端部の開口が下端部に対して大きくなり、該コンタクトホール18にタングステン層21を埋め込んでもボイドは発生しない。このため、層間絶縁膜17とコンタクトプラグ22の上に形成される窒化チタンからなる拡散防止膜23において、コンタクトプラグ22直上の拡散防止膜23の部分で生じる結晶性の低下による水素バリア性の劣化という問題を防止できる。また、コンタクトプラグ22の上端部の表面は、ボイドがないために、凹所が形成されず、非平坦になることを防止でき、コンタクトプラグ22と層間絶縁膜17の上に形成される強誘電体キャパシタにおいて、強誘電体キャパシタを構成する容量絶縁膜25の結晶性、粒子サイズ、膜の厚さ及び組成はより均一なり、容量素子としての電気特性の劣化を低減できる。
また、本実施形態においては、コンタクトホール18の下端部を電界効果型トランジスタのドレイン領域に接続するように形成したが、これに代えて、下層配線層に接続するように形成してもよい。
また、本実施形態においては、コンタクトホール18の側壁に形成するサイドウォール19を窒化珪素により形成したが、これに代えて、酸化珪素を用いても同様の効果が得られる。
また、本実施形態においては、コンタクトホール18の側壁にサイドウォール19およびバリアメタル層20を形成した後、タングステン層21を埋め込んで、コンタクトプラグ22を形成したが、これに代えて、酸化珪素を用いても同様の効果が得られる。
また、本実施形態において、拡散防止膜23を窒化チタンにより形成したが、これの代えて、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム若しくはこれらの合金、または、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム若しくはこれらの合金の窒化物からなる膜を有する単層膜又は積層膜により形成してもよい。ここで挙げた膜は、いずれも、膜質が緻密であって拡散が防止する機能が高いと共に層間絶縁膜17との密着性に優れている。
また、本実施形態においては、容量上部電極26を白金膜により形成したが、これに代えて、イリジウム、ルテニウム、ロジウム若しくはこれらの酸化物からなる膜の単層膜または積層膜により形成してもよい。
また、本実施形態においては、容量絶縁膜25をSrBi2(Ta1-XNbX)O9等の強誘電体により形成したが、これに代えて、他のビスマス層状プロベスカイト構造を有する強誘電体、チタン酸バリウムストロンチウムまたは五酸化タンタル等の絶縁性金属酸化物により形成してもよい。
さらに、半導体基板11としては、GaAs等の半導体基板、導電性領域が形成された半導体基板、またはドレイン領域若しくはソース領域およびゲート電極からなるトランジスタが形成されている半導体基板を用いてよい。
本発明に係る半導体装置およびその製造方法は、コンタクトホールにタングステン層を埋め込んでもボイドが発生せず、コンタクトプラグ直上の拡散防止膜の部分で生じる結晶性低下による水素バリア性の劣化を防止し、コンタクトプラグと層間絶縁膜の上に形成される強誘電体キャパシタの容量絶縁膜の結晶性、粒子サイズ、膜の厚さ及び組成の均一性が向上し、容量素子としての電気特性の劣化を低減できるものであり、強誘電体膜または高誘電率膜等の絶縁性金属酸化物からなる容量絶縁膜を有する容量素子を備えた半導体装置およびその製造方法に有効である。
本発明の実施形態に係る半導体装置の断面構造図である。 (a)〜(e)は本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。 (a)〜(d)は従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。 (a)〜(c)は従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
符号の説明
11,101 シリコン基板
12,102 素子分離層
13,103 ゲート酸化膜
14,104 ゲート電極
15,105 ドレイン領域
16,106 ソース領域
17,107 層間絶縁膜
18 コンタクトホール
19 サイドウォール
20,108 バリアメタル層
21,109 タングステン層
22,110 コンタクトプラグ
23,112 拡散防止膜
24,113 容量下部電極
25,114 容量絶縁膜
26,115 容量上部電極
111 ボイド
116 TiN層
117 拡散バリア層

Claims (5)

  1. 半導体基板上に堆積された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜中に形成されたコンタクトホールと、前記コンタクトホールに充填剤を埋め込み形成されるコンタクトプラグと、前記コンタクトプラグ上を被覆して前記層間絶縁膜上に形成された導電性の拡散防止膜と、前記拡散防止膜上に下方より順に形成された下部電極、絶縁性金属酸化物からなる容量絶縁膜および上部電極とを備えた半導体装置であって、前記コンタクトホールの側壁にサイドウォールが形成され、前記コンタクトプラグが前記サイドウォールの内側に形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記サイドウォールは、窒化珪素または酸化珪素からなる請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記容量絶縁膜は、ビスマス層状ペロブスカイト構造を有する強誘電体、チタン酸ジルコン鉛、チタン酸バリウムストロンチウムまたは五酸化タンタルのうちいずれか1つからなる請求項1記載の半導体装置。
  4. 前記拡散防止膜は、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム若しくはこれらの合金、またはチタン、タンタル、タングステン、アルミニウム若しくはこれらの合金の窒化物からなる膜を有する単層膜または積層膜からなる請求項1記載の半導体装置。
  5. 半導体基板上に層間絶縁膜を堆積する工程と、
    前記層間絶縁膜中にコンタクトホールを形成する工程と、
    前記コンタクトホール内と前記層間絶縁膜の上に全面に亘って窒化珪素膜または酸化珪素膜を堆積した後、前記窒化珪素膜または前記酸化珪素膜をエッチバックすることにより、前記コンタクトホールの側面に窒化珪素または酸化珪素からなるサイドウォールを形成する工程と、
    前記サイドウォールが形成された前記コンタクトホール内面にバリアメタル層を形成する工程と、
    前記バリアメタル層の上にCVD法によって導電材料を前記サイドウォールが形成された前記コンタクトホール内に埋め込んで、コンタクトプラグを形成する工程と、
    前記層間絶縁膜の上に、前記コンタクトプラグを被覆するように導電性の拡散防止膜を形成する工程と、
    前記拡散防止膜の上に容量素子の下部電極を形成する工程と、
    前記下部電極の上に絶縁性金属酸化物からなる容量素子の容量絶縁膜を形成する工程と、
    前記容量絶縁膜の上に容量素子の上部電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法。
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