JP2006261449A - 電子部品及びその製造方法。 - Google Patents

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Abstract

【課題】 強誘電体キャパシタ構造を有し、強誘電体膜の劣化の抑制が図られた電子部品及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 電子部品は、下部電極と、前記下部電極上に形成され、上面が平坦でない強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成され、上面が平坦な第1の上部電極と、前記第1の上部電極上に形成された第2の上部電極とを有する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、電子部品及びその製造方法に関し、特に、強誘電体キャパシタ構造を含む電子部品及びその製造方法に関する。
強誘電体材料は、優れた強誘電性、圧電性、焦電性等を示すことから、メモリ、アクチュエータ、センサ等に応用されている。強誘電体材料が有するヒステリシス特性を利用することにより、不揮発性のメモリを作製することができる。強誘電体材料を用いた半導体メモリにおいて、半導体基板上に、下部電極、強誘電体膜及び上部電極が積層されたキャパシタ構造が形成される。半導体基板上に強誘電体キャパシタ構造を形成する技術が、例えば、特許文献1に開示されている。強誘電体材料として、例えば、ペロブスカイト構造のPb(Zr、Ti)O(PZT)が用いられる。強誘電体膜の成膜方法として、化学気相堆積(CVD)、スパッタリング、ゾルゲル法等が用いられる。
特開2003−298015号公報
いずれかの方法を用いてPZTを成膜する際に、ペロブスカイトの結晶化温度(550℃)以上で結晶化すると、ペロブスカイト構造の結晶方位に起因するグレインの形状が観察される。特に、成長レートが速い面と遅い面とが混在すると、強誘電体膜の表面が平坦に形成されない。
強誘電体キャパシタ構造の上部電極を、上述のように表面が平坦でない強誘電体膜上に形成すると、強誘電体膜表面の凹凸を反映して、上部電極の表面も平坦に形成されず、上部電極の面内で、結晶性のばらつきや、膜厚のばらつきが大きくなる。表面上にこのような上部電極が形成された誘電体膜は、劣化しやすい。このような上部電極には、クラックが生じやすく、クラックを透過した水素や水分が、強誘電体膜を劣化させるのではないかと考えられる。
本発明の一目的は、強誘電体キャパシタ構造を有し、強誘電体膜の劣化の抑制が図られた電子部品及びその製造方法を提供することである。
本発明の一観点によれば、下部電極と、前記下部電極上に形成され、上面が平坦でない強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成され、上面が平坦な第1の上部電極と、前記第1の上部電極上に形成された第2の上部電極とを有する電子部品が提供される。
本発明の他の観点によれば、(a)下部電極上に、強誘電体膜を形成する工程と、(b)前記強誘電体膜上に、第1の上部電極を形成する工程と、(c)前記第1の上部電極上に、上面が平坦な膜を形成する工程と、(d)前記上面が平坦な膜及び前記第1の上部電極を、等しいエッチングレートでエッチングし、該第1の上部電極の上面を平坦化する工程と、(e)上面が平坦化された前記第1の上部電極上に、第2の上部電極を形成する工程とを有する電子部品の製造方法が提供される。
第2の上部電極は、表面が平坦な第1の上部電極上に形成されるので、好適な膜質で形成できる。これにより、強誘電体膜の劣化を抑制できる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例による電子部品の製造方法について説明する。図1(A)に示すように、シリコン基板10の表面に素子分離用トレンチを形成し、酸化シリコン等の絶縁物を埋め込んでシャロートレンチアイソレーション(STI)11を形成する。次いで、所望のイオン注入を行い、シリコン基板10の表面に、例えばp型のウエル領域12を形成する。
ウエル領域12の形成後、シリコン基板10の表面に、熱酸化により酸化シリコン膜13を形成し、さらに、酸化シリコン膜13上に、化学気相堆積(CVD)により多結晶シリコン膜14を堆積する。多結晶シリコン膜14をパターニングして、絶縁ゲート電極IGを形成する。次いで、所望のイオン注入を行い、シリコン基板10の表面に、例えばn型のソース/ドレイン領域15を形成する。絶縁ゲート電極IGと、ソース/ドレイン領域15とを含んで、トランジスタTが構成される。
次に、絶縁ゲート電極IGを覆って、シリコン基板10表面に、CVDにより酸化シリコン膜を堆積した後、この酸化シリコン膜を、反応性イオンエッチング(RIE)でエッチングして、絶縁ゲート電極IGの側壁上に、サイドウォールスペーサ16を形成する。
サイドウォールスペーサ16を形成した後、絶縁ゲート電極IG及びソース/ドレイン領域15を覆うように、シリコン基板10表面に、例えばCo膜を堆積する。1次熱処理により、絶縁ゲート電極IGの表層及びソース/ドレイン領域15の表層をそれぞれシリサイド化して、シリサイド電極17及び18を形成する。次いで、未反応のCo膜を除去した後、2次熱処理を行い、シリサイドを低抵抗な組成に変化させる。
次に、シリコン基板10全面に、窒化シリコン膜19を、CVDにより堆積する。窒化シリコン膜19は、後の強誘電体キャパシタ形成プロセスにおける酸化性雰囲気等に対し、その下方を保護する。窒化シリコン膜19の上に、CVDにより酸化シリコン膜20を堆積し、酸化シリコン膜20の表面を、化学機械研磨(CMP)により平坦化する。次に、酸化シリコン膜20及び窒化シリコン膜19をエッチングして、シリサイド電極18が底面に露出するコンタクトホールを開口する。
Ti層及びTiN層からなるバリアメタル層30aをスパッタリングにより堆積した後、コンタクトホールを埋め込むように、W層30bをCVDにより堆積する。酸化シリコン膜20表面上の不要な導電層をCMPにより除去して、バリアメタル層30a及びW層30bからなる導電性プラグ30を形成する。
次に、図1(B)に示すように、導電性プラグ30を覆って、酸化シリコン膜20の上に、Irからなる下部電極40を、スパッタリングにより堆積する。下部電極40の厚さは、例えば200nmである。
次に、下部電極40の上に、Pb(Zr、Ti)O(PZT)からなる強誘電体膜50を、有機金属化学気相堆積(MOCVD)により成膜する。強誘電体膜50の成膜時の基板温度は、ペロブスカイト構造の結晶化温度である550℃以上であり、例えば620℃である。圧力は、例えば5Torrである。MOCVDの原料として、例えば、鉛ビスジピバロイルメタネート(Lead bis(dipivaloylmethanato),Pb(DPM))、ジルコニウムテトラキスジイソブチリルメタネート(Zirconiumtetrakis(diisobutyrylmethanato),Zr(DIBM))、及びチタンジiプロポキシビスジピバロイルメタネート(Titaniumdi(i-propoxy)bis(dipivaloylmethanato),Ti(OiPr)(DPM))が用いられる。
強誘電体膜50を成膜するMOCVDは、2回に分けて連続的に行う。1回目の成膜は、2回目の成膜よりも酸素濃度の低い条件で行う。全ガスに対する酸素のモル濃度を、例えば、1回目の成膜では80%以下とし、2回目の成膜では80%より高くする。1回目で成膜する膜厚は、例えば10nm以下とし、2回目で成膜する膜厚は、例えば100〜150nmとする。このように2回に分割した成膜を行うことにより、結晶性が向上し、大きな分極を持つ誘電体膜50が得られる。なお、強誘電体膜のこのような成膜技術は、例えば、特開2003−324101号公報の「課題を解決するための手段」の欄及び「発明の実施の形態」の欄に開示されている。
PZTを、ペロブスカイトの結晶化温度である550℃以上で成膜するとき、ペロブスカイト構造の結晶方位に起因するグレインの形状が観察される。強誘電体膜50の成膜において、成長レートが速い面と遅い面とが混在することに起因して、膜の表面が平坦には形成されない。
次いで、強誘電体膜50の上に、IrOからなる上部電極第1層60aを、スパッタリングにより堆積する。上部電極第1層60aの厚さは、例えば200nmである。強誘電体膜50の表面が平坦でないことに起因して、その上に形成される上部電極第1層60aの表面は平坦にならない。
次に、図2(C)及び図2(D)を参照して、上部電極第1層60aの表面の平坦化処理方法について説明する。なお、図2(C)及び図2(D)は、特に、下部電極40より上方の部分を示す。
図2(C)に示すように、上部電極第1層60aの上に、スピンコートによりスピンオングラス(SOG)膜70を形成し、例えば、450℃で30分間のアニールを行う。SOG膜70形成により、平坦な表面が得られる。
次に、図2(D)に示すように、SOG膜70の全体及び上部電極第1層60aの上層部分をエッチングする。例えば、塩素とアルゴンをエッチャントとし、その濃度はCl/(Ar+Cl)=20%とする。このエッチングにおけるエッチングレートが、上部電極第1層60aとSOG膜70とで等しくなるように、図2(C)を参照して説明したSOG膜70のアニールの条件が選ばれている。このエッチングにより、上部電極第1層60aの表面が平坦化される。なお、このエッチングは、強誘電体膜50が露出しない時点で停止させる。
次に、図3(E)に示すように、上部電極第1層60aの上に、IrOからなる上部電極第2層60bを、スパッタリングにより堆積する。上部電極第1層60aの表面が平坦化されているので、上部電極第2層60bの表面を、平坦に形成できる。上部電極第1層60a及び上部電極第2層60bの積層構造を含んで、上部電極60が構成される。次に、上部電極60の形成に起因する強誘電体膜50へのダメージを回復するために、回復アニールとして、550℃のO雰囲気中において、60分間のファーネスアニールを行う。
次に、図3(F)に示すように、上部電極60、強誘電体膜50、及び下部電極40をパターニングして、強誘電体メモリのキャパシタを接続すべき導電性プラグ30の上に、スタック構造の強誘電体キャパシタCを形成する。
次に、図3(G)に示すように、強誘電体キャパシタCを覆って、酸化シリコン膜20の上に、アルミナからなる保護膜80を、例えばスパッタリングで堆積する。保護膜80の上に、SiONからなり、ビット線を接続すべき導電性プラグ30のWの酸化を防止する酸化防止膜81を、CVDにより堆積する。保護膜80及び酸化防止膜81を形成した後に、550℃のO雰囲気中において、60分間のファーネスアニールを行う。
次に、図4(H)に示すように、高密度プラズマ(HDP)CVDにより酸化シリコンからなる層間絶縁膜90を堆積し、層間絶縁膜90の表面を、CMPにより平坦化する。平坦化後において、強誘電体キャパシタCの上部電極60上の、層間絶縁膜90の膜厚は、例えば300nmである。
次に、図4(I)に示すように、層間絶縁膜90、酸化防止膜81、及び保護膜80をエッチングして、ビット線を接続すべき導電性プラグ30が底面に露出するコンタクトホールを開口する。Ti層及びTiN層からなるバリアメタル層100aをスパッタリングにより堆積した後、コンタクトホールを埋め込むように、W層100bをCVDにより堆積する。層間絶縁膜90表面上の不要な導電層をCMPにより除去して、バリアメタル層100a及びW層100bからなる導電性プラグ100を形成する。
導電性プラグ100を形成した後、350℃で120秒間のNプラズマ処理を施す。次いで、導電性プラグ100を覆って、層間絶縁膜90上に、SiONからなり、導電性プラグ100のWの酸化を防止する酸化防止膜を、CVDにより堆積する。この酸化防止膜の厚さは、例えば100nmである。
次に、図5(J)に示すように、層間絶縁膜90、酸化防止膜81、及び保護膜80をエッチングして、強誘電体キャパシタCの上部電極60が底面に露出するコンタクトホールを開口する。次に、コンタクトホールの形成に起因して、強誘電体膜50に生じたダメージ等を回復させるために、550℃のO雰囲気中において、60分間のファーネスアニールを行う。このアニールの後、層間絶縁膜90上の酸化防止膜をエッチングして除去する。
次に、層間絶縁膜90上に、スパッタリングにより、下側から順に、厚さ70nmのTiN層、厚さ5nmのTi層、厚さ400nmのAl−Cu層110b、厚さ30nmのTiN層、及び厚さ60nmのTi層を堆積する。Al−Cu層110bの下側のTiN層及びTi層が、バリアメタル層110aを構成し、Al−Cu層110bの上側のTiN層及びTi層が、バリアメタル層110cを構成する。バリアメタル層110c上に、厚さ30nmのSiON膜からなる反射防止膜、及びレジストマスクを形成した後、バリアメタル層110c、Al−Cu層110b、及びバリアメタル層110aをパターニングして、第1の配線層110が形成される。
この後の工程は、図示を省略するが、2層目以降の配線層、配線間のコンタクトプラグ、及び層間絶縁膜を上方に形成していき、最後に、テトラエチルオルソシリケート(TEOS)酸化膜及び窒化シリコンからなるカバー膜を形成する。このようにして、強誘電体キャパシタ構造を含む電子部品が形成される。
図6(A)及び図6(B)に、強誘電体キャパシタの上部電極を、上方から見た走査型顕微鏡写真を示す。図6(A)は、上述したような平坦化処理を行い、積層構造で形成した上部電極の写真であり、図6(B)は、平坦化処理を行わない従来の方法で形成した上部電極の写真である。従来の方法で形成した上部電極の上面は、強誘電体膜の上面の凹凸を反映して、凹凸を有する。平坦化処理を行い、積層構造で形成した上部電極の上面は、従来の上部電極の上面より平坦であることがわかる。
本実施例の電子部品の製造方法では、表面が平坦化された上部電極第1層の上に、上部電極第2層を形成するので、積層構造を有する上部電極の表面をほぼ平坦に形成できる。第2層の上部電極は、平坦な表面上に形成されるので、凹凸のある表面上に形成されるよりも結晶性等が向上する。これにより、上部電極にクラックが生じるような不具合が抑制され、上部電極を透過した水素や水分が、強誘電体膜を劣化させるような不具合が抑制される。
強誘電体膜の表面を平坦化しなくとも、その上に形成される第1層の上部電極の表面を平坦化することにより、ほぼ平坦な表面が得られる。
上部電極の表面がほぼ平坦であるので、凹凸を有する場合に比べて、上部電極形成後に行われるフォトリソグラフィ工程やエッチング工程の精度向上が図られる。
なお、上記実施例では、強誘電体膜に、ペロブスカイト構造を有するPZTを用いた。結晶構造を有する他の強誘電体材料で、強誘電体膜を形成する場合にも、グレインに起因して、強誘電体膜の表面が平坦に形成されない可能性がある。そのような場合にも、上記実施例の方法を応用して、積層構造を有し、上面が平坦な上部電極を形成することが可能であろう。
上記実施例では、PZTからなる強誘電体膜を、MOCVDで形成したが、スパッタリング、ゾルゲル法、及びパルスレーザデポジション法等の方法を用いることも可能である。スパッタリング、ゾルゲル法、及びパルスレーザデポジション法で成膜した後に、ペロブスカイト構造の結晶化温度以上でアニールすることにより、PZTを結晶化することができる。
なお、強誘電体膜に用いられるPZTに、La、Sr、Ca、Nb、Ta、W、及びBiの少なくとも1つ以上をドーピングして、分極特性の経時的劣化の抑制を図ってもよい。La、Sr、及びCaが、ペロブスカイト構造のAサイトに配置される。Nb、Ta、W及びBiが、ペロブスカイト構造のBサイトに配置される。
上記実施例では、上部電極の第1層及び第2層に、IrOを用いたが、他の電極材料を用いることもできる。例えば、Pt、Ir、RuO、SrRuO、La2−xSrCuO(LSCO)等を用いることができる。上記実施例では、上部電極の第1層及び第2層に同一の材料を用いたが、上部電極の第1層及び第2層を、互いに異なる材料で形成することも可能である
上記実施例では、下部電極にIrを用いたが、他の電極材料を用いてもよい。また、下部電極を、Pt/Ti積層構造等、他の公知の構成で形成してもよい。
なお、半導体素子、引出電極、配線層、層間絶縁膜の形成は、上述の方法に限らず、公知の方法のいずれを用いてもよい。
なお、強誘電体キャパシタは、半導体基板以外の基板上に形成してもよい。例えば石英基板上に強誘電体キャパシタを形成した電子部品を製造してもよい。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
以下、本発明の特徴を付記する。
付記1(1) 下部電極と、
前記下部電極上に形成され、上面が平坦でない強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成され、上面が平坦な第1の上部電極と、
前記第1の上部電極上に形成された第2の上部電極と
を有する電子部品。
付記2(2) 前記強誘電体膜に、ペロブスカイト構造を有するPZTが用いられている付記1に記載の電子部品。
付記3(3) 前記第1及び第2の上部電極に、Pt、Ir、IrO、RuO、SrRuO、及びLa2−xSrCuO(LSCO)の少なくとも1つが用いられている付記1または2に記載の電子部品。
付記4(4) 前記第1及び第2の上部電極に用いられている材料が、互いに異なる付記1〜3のいずれかに記載の電子部品。
付記5(5) さらに、半導体素子が形成された半導体基板を有し、該半導体基板の上方に、前記下部電極、強誘電体膜、第1の上部電極、及び第2の上部電極が形成されている付記1〜4のいずれかに記載の電子部品。
付記6(6) 前記強誘電体膜に用いられるPZTに、La、Sr、Ca、Nb、Ta、W及びBiの少なくとも1つ以上がドーピングされている付記2に記載の電子部品。
付記7(7) (a)下部電極上に、強誘電体膜を形成する工程と、
(b)前記強誘電体膜上に、第1の上部電極を形成する工程と、
(c)前記第1の上部電極上に、上面が平坦な膜を形成する工程と、
(d)前記上面が平坦な膜及び前記第1の上部電極を、等しいエッチングレートでエッチングし、該第1の上部電極の上面を平坦化する工程と、
(e)上面が平坦化された前記第1の上部電極上に、第2の上部電極を形成する工程と
を有する電子部品の製造方法。
付記8(8) 前記工程(a)において、ペロブスカイト構造を有するPZTを含む強誘電体膜を形成する付記7に記載の電子部品の製造方法。
付記9(9) 前記工程(a)において、前記強誘電体膜が、550℃以上の温度で、MOCVDにより形成される付記8に記載の電子部品の製造方法。
付記10(10) 前記工程(c)において、上面が平坦なSOG膜を、スピンコートにより形成する付記7〜9のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
付記11 前記工程(a)において、PZTを含む強誘電体膜を、MOCVD法、スパッタリング法、ゾルゲル法、及びパルスレーザデポジション法のいずれかの方法により形成する付記7に記載の電子部品の製造方法。
図1(A)及び図1(B)は、実施例による電子部品の形成工程を説明するための電子部品の概略断面図である。 図2(C)及び図2(D)は、実施例による電子部品の形成工程のうち、上部電極第1層表面の平坦化処理工程について説明するための電子部品の概略断面図である。 図3(E)〜図3(G)は、実施例による電子部品の製造方法を説明するための電子部品の概略断面図である。 図4(H)及び図4(I)は、実施例による電子部品の製造方法を説明するための電子部品の概略断面図である。 図5(J)は、実施例による電子部品の製造方法を説明するための電子部品の概略断面図である。 図6(A)は、実施例の方法を用いて形成した上部電極の走査型顕微鏡写真であり、図6(B)は、従来の方法により形成した上部電極の走査型顕微鏡写真である。
符号の説明
10 シリコン基板
13 ゲート絶縁膜
14 多結晶シリコンゲート電極
15 ソース/ドレイン領域
IG 絶縁ゲート電極
16 サイドウォールスペーサ
17、18 シリサイド電極
T トランジスタ
30 導電性プラグ
40 下部電極
50 強誘電体膜
60a 上部電極第1層
60b 上部電極第2層
60 上部電極
70 スピンオングラス(SOG)膜
C 強誘電体キャパシタ

Claims (10)

  1. 下部電極と、
    前記下部電極上に形成され、上面が平坦でない強誘電体膜と、
    前記強誘電体膜上に形成され、上面が平坦な第1の上部電極と、
    前記第1の上部電極上に形成された第2の上部電極と
    を有する電子部品。
  2. 前記強誘電体膜に、ペロブスカイト構造を有するPZTが用いられている請求項1に記載の電子部品。
  3. 前記第1及び第2の上部電極に、Pt、Ir、IrO、RuO、SrRuO、及びLa2−xSrCuO(LSCO)の少なくとも1つが用いられている請求項1または2に記載の電子部品。
  4. 前記第1及び第2の上部電極に用いられている材料が、互いに異なる請求項1〜3のいずれかに記載の電子部品。
  5. さらに、半導体素子が形成された半導体基板を有し、該半導体基板の上方に、前記下部電極、強誘電体膜、第1の上部電極、及び第2の上部電極が形成されている請求項1〜4のいずれかに記載の電子部品。
  6. 前記強誘電体膜に用いられるPZTに、La、Sr、Ca、Nb、Ta、W及びBiの少なくとも1つ以上がドーピングされている請求項2に記載の電子部品。
  7. (a)下部電極上に、強誘電体膜を形成する工程と、
    (b)前記強誘電体膜上に、第1の上部電極を形成する工程と、
    (c)前記第1の上部電極上に、上面が平坦な膜を形成する工程と、
    (d)前記上面が平坦な膜及び前記第1の上部電極を、等しいエッチングレートでエッチングし、該第1の上部電極の上面を平坦化する工程と、
    (e)上面が平坦化された前記第1の上部電極上に、第2の上部電極を形成する工程と
    を有する電子部品の製造方法。
  8. 前記工程(a)において、ペロブスカイト構造を有するPZTを含む強誘電体膜を形成する請求項7に記載の電子部品の製造方法。
  9. 前記工程(a)において、前記強誘電体膜が、550℃以上の温度で、MOCVDにより形成される請求項8に記載の電子部品の製造方法。
  10. 前記工程(c)において、上面が平坦なSOG膜を、スピンコートにより形成する請求項7〜9のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
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