JPH0629461A - 半導体装置のキャパシタ構造およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置のキャパシタ構造およびその製造方法

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JPH0629461A
JPH0629461A JP18120392A JP18120392A JPH0629461A JP H0629461 A JPH0629461 A JP H0629461A JP 18120392 A JP18120392 A JP 18120392A JP 18120392 A JP18120392 A JP 18120392A JP H0629461 A JPH0629461 A JP H0629461A
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titanium nitride
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titanium
ferroelectric
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JP18120392A
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Keiichirou Kashiwabara
慶一朗 柏原
Junichi Tsuchimoto
淳一 土本
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐熱性に優れた構造を有する強誘電体コンデ
ンサの電極構造を提供する。 【構成】 強誘電体層10を挟んで1対のシリコン層
1、2が対向している。少なくとも一方のシリコン層
1、2と強誘電体層10との間に介在するように窒化チ
タン層9が形成されている。この窒化チタン層9は等軸
晶から構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置のキャパシタ
構造およびその製造方法に関し、特に誘電体膜に強誘電
体を用いた半導体装置のキャパシタ構造およびその製造
方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在、Siプロセスにおいて用いられて
いるコンデンサの構造は、多結晶シリコン/酸化珪素/
多結晶シリコン構造である。このコンデンサの構造は、
たとえばDRAM(Dynamic Random A
ccess Memory)のメモリセルに採用され
る。以下、DRAMのメモリセルに採用された場合の構
成について説明する。
【0003】図10は、従来のDRAMのメモリセルの
構成を概略的に示す断面図である。図10を参照して、
DRAMのメモリセルは、一般に1つのトランジスタと
1つのキャパシタから構成されている。トランジスタ
は、1対のソース・ドレイン領域122、ゲート酸化膜
123、ゲート電極124とを含んでいる。このトラン
ジスタはシリコン基板121の分離された領域に形成さ
れている。すなわち、シリコン基板121の表面には、
分離酸化膜122が形成されている。この分離酸化膜1
22によってシリコン基板121の各領域が分離されて
いる。そのシリコン基板121の分離された表面に所定
の距離を介して1対のソース・ドレイン領域122が形
成されている。このソース・ドレイン領域に挟まれる領
域の表面上にはゲート酸化膜123を介してゲート電極
124が形成されている。このように、MOS(Met
al Oxide Semiconductor)型ト
ランジスタが形成されている。
【0004】メモリセルを構成するキャパシタは、下部
電極101、誘電体膜102、上部電極103とを含ん
でいる。下部電極101は、トランジスタを覆う絶縁膜
に形成されたコンタクトホールを介してソース・ドレイ
ン領域122の一方と接するように形成されている。こ
の下部電極101は多結晶シリコンよりなっている。こ
の下部電極101の表面上を覆うように誘電体膜102
が形成されている。この誘電体膜102は酸化珪素より
なっている。この誘電体膜102の表面上を覆うように
多結晶シリコンよりなる上部電極103が形成されてい
る。このように、キャパシタが形成されている。
【0005】このDRAMのメモリセルを覆うように層
間絶縁膜126が形成されている。この層間絶縁膜12
6には、コンタクトホール125が形成されている。こ
のコンタクトホール125からは、他方のソース・ドレ
イン領域122の一部表面が露出している。この他方の
ソース・ドレイン領域122と接するように、層間絶縁
膜126の表面上には配線層(ビット線)127が形成
されている。
【0006】上記のような半導体記憶装置においては、
高集積化に伴ってチップ面積が縮小される。このチップ
面積の縮小により、メモリセルの構成素子であるキャパ
シタの占有面積も縮小化してきた。このキャパシタ面積
の縮小に伴って、キャパシタ容量が低下してきた。キャ
パシタ容量が低下すると、記憶しておくべき情報(デー
タ)の保持力が低下する。このため、半導体記憶装置の
性能が劣化する。
【0007】これに対して、キャパシタ容量を増加させ
る手段としてこれまでに、誘電体膜厚の薄化、誘電
率の増加、などが検討されてきた。に示した誘電体膜
厚の薄化は、通常コンデンサの誘電体として用いられて
いる酸化珪素を使用する限り限界に達している。このこ
とから、最近では、特にに示した誘電率の増加に関す
る開発が盛んに進められている。なお、ここでいう誘電
率の増加とは、従来の酸化珪素の数倍から数百倍の誘電
率を有する材料の使用を意味する。また、この誘電率を
有する材料の一例として、酸化タンタル(Ta
2 5 )、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸
ジルコン酸ランタン鉛(PLZT)、チタン酸ストロン
チウム(STO)、チタン酸バリウム(BTO)などが
挙げられる。
【0008】これらの材料は、一般的には高誘電体もし
くは強誘電体と呼ばれている。これらの中でも特に、2
56MDRAMに代表される高集積記憶素子において
は、PZT、PLZTが有望視されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】このPZTならびにP
LZTは、白金(Pt)上に形成した際、最も大きい比
誘電率を示すことが報告されている。すなわち、図11
に示すように、白金(Pt)151の表面上にPZTな
らびにPLZT160の形成される例が多い。
【0010】しかしながら、最近では「Ferroer
ec.1991.p.34−41」にも示されているよ
うに、他の材料上にPZTないしPLZTを堆積した例
も見られる。上記の文献に記載されている材料のうちで
は、Siプロセスとの適合を考慮すると、窒化チタン
(TiN)が最適である。上記の文献に示されている構
造では、窒化チタンはPZTの堆積基板としてのみ用い
られている。また上記文献には、窒化チタンを用いた場
合、図12に示す構造が示されている。すなわち、酸化
マグネシウム(MgO)層161の表面上に、窒化チタ
ン165、PZT170が堆積された構造が示されてい
る。この図12に示す構造では、Siプロセスとの適合
などから、半導体記憶装置の電極構造として用いること
ができない。
【0011】上述したように、現在Siプロセスにおい
て用いられているキャパシタの構造は、多結晶シリコン
/酸化珪素/多結晶シリコン構造である。この酸化珪素
を上記の強誘電体に置き換えるには、多結晶シリコン/
窒化チタン/強誘電体/窒化チタン/多結晶シリコンの
構造が考えられる。すなわち、図13に示すように、多
結晶シリコン層171の表面上に窒化チタン層175を
介して強誘電体層180が形成されており、この強誘電
体層180の表面上に窒化チタン層176を介在して多
結晶シリコン層173が形成された構造が考えられる。
しかしながら、図13に示す構造において、窒化チタン
と多結晶シリコン間の接触抵抗が大きくなる。このこと
より、図14に示すように、窒化チタン層と多結晶シリ
コン層の間にチタン(Ti)層を形成することが配線工
程などで行なわれている。以下、多結晶シリコン層と窒
化チタンの間にチタンを形成した場合の構成について説
明する。
【0012】図14は、多結晶シリコン層と窒化チタン
層の間にチタン層を形成した場合の構成を概略的に示す
断面図である。図14を参照して、図13に示す多結晶
シリコン層171と窒化チタン層175の間に介在する
ようにチタン層177が形成されている。なお、強誘電
体層180の上層については、簡略化のため省略する。
また強誘電体層180の上層であって、窒化チタン層1
76と多結晶シリコン層173の間には、同様にチタン
層(図示せず)が形成されている。
【0013】次に、図14に示す構成の製造方法につい
て説明する。図14を参照して、多結晶シリコン層17
1の表面上に通常のスパッタリング法によりチタン層1
77が堆積される。このチタン層177の表面上にスパ
ッタリング法などにより窒化チタン層175が形成され
る。この窒化チタン層175の表面上に強誘電体層18
0が形成される。この強誘電体層180には、一般に熱
処理による結晶化が施される。この熱処理温度は、通常
600〜700℃である。この後に、窒化チタン層、チ
タン層および多結晶シリコン層の順で堆積されることに
よりキャパシタの電極構造が形成される。
【0014】しかしながら、図14に示すキャパシタの
電極構造においては、以下の弊害が生じる。
【0015】図15は、図14に示す電極構造を有する
キャパシタに弊害が生じる様子を説明するための図であ
る。図15を参照して、図14に示す電極構造を有する
キャパシタを形成する場合、一般に窒化チタン層175
はスパッタリング法などにより形成される。このように
形成された窒化チタン層175においては、その結晶構
造が、下層であるチタン層177から上層の強誘電体層
180へ延びる柱状晶より構成されている。窒化チタン
層175がこのような結晶構造を有しているため、熱を
加えることによって拡散が進行しやすい。すなわち、上
層の強誘電体層180に含まれる原子は窒化チタン層1
75の結晶に沿って下層側へ拡散しやすく、またチタン
層177の原子も窒化チタン層175の結晶に沿って上
層へ拡散しやすい。このような上層と下層の構成元素の
相互拡散が生じることにより、各層を構成する元素が入
り乱れた状態となってしまう。以上のように、窒化チタ
ン層175が柱状晶よりなっている場合は、各層の相互
拡散が生じやすく、約500℃程度の熱を加えることに
よりキャパシタの電極構造が破壊される。このため、強
誘電体の結晶化の熱処理等、500℃を越える温度が加
えられた場合にキャパシタの電極構造が破壊されるとい
う問題点があった。
【0016】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、耐熱性に優れた構造を有する強
誘電体コンデンサの電極構造を提供することを目的とす
る。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置のキ
ャパシタ構造は、強誘電体層を挟んで対向する1対の電
極層を備え、少なくとも一方の電極層がシリコンを含む
半導体装置のキャパシタ構造において、少なくとも一方
の電極層と強誘電体層との間に介在するように形成され
た窒化チタンを含み、その窒化チタンが等軸晶から構成
されている。
【0018】本発明の半導体装置のキャパシタ構造の製
造方法は、強誘電体層を挟んで対向する1対の電極層を
備え、少なくとも一方の電極層がシリコンを含む半導体
装置のキャパシタ構造の製造方法において、少なくとも
一方の電極層の上に等軸晶から構成される窒化チタン層
を形成し、その窒化チタン層の上に強誘電体層を形成し
た後、熱処理を施す。
【0019】
【作用】本発明の半導体装置のキャパシタ構造において
は、窒化チタン層が等軸晶から構成されている。このた
め、窒化チタン層内では、上層から下層へ沿う方向に対
して交差する方向に、いくつもの結晶粒界が分布してい
る。この結晶粒界により、上層から下層への構成元素の
拡散は抑制される。よって、強誘電体層を結晶化させる
ための熱処理などで加えられる熱によって、窒化チタン
層を挟む上層と下層の構成元素は相互に拡散しがたくな
る。相互拡散が抑制されるため、各層の構成元素が互い
に入混じった状態となりがたい。したがって、電極構造
は破壊されがたくなり、耐熱性が向上する。
【0020】また、窒化チタン層は、低抵抗で、かつ密
着性に優れており、電極材料としての各種特性値を満た
している。
【0021】本発明の半導体装置のキャパシタ装置の製
造方法においては、上記の効果を有する半導体装置のキ
ャパシタ構造を得ることが可能である。
【0022】
【実施例】以下、本発明の第1の実施例を図を用いて説
明する。
【0023】図1は、本発明の第1の実施例における半
導体装置のキャパシタ構造を概略的に示す断面図であ
る。図1を参照して、この図は図10のP部に対応して
いる。不純物がドープされたシリコン(Si)層1の表
面上にはチタンシリサイド層8が形成されている。この
チタンシリサイド層8の表面上には窒化チタン(Ti
N)層9が形成されている。この窒化チタン層9の表面
上には強誘電体層10が形成されている。この強誘電体
層10の表面上には膜11を介在して不純物がドープさ
れたシリコン(Si)層2が形成されている。このよう
に半導体装置のキャパシタ構造が形成されている。
【0024】なお、膜11は、シリコン層2との接触部
において低抵抗化および密着性の向上を図ることがで
き、かつ強誘電体層10の高い比誘電率を実現できる材
料であればよい。膜11は、窒化チタン層とチタンシリ
サイド層からなっていてもよい。すなわち、強誘電体層
10の表面上に窒化チタン層とチタンシリサイド層の順
で形成され、このチタンシリサイド層の表面上にシリコ
ン層2が形成されていてもよい。この場合、窒化チタン
層は強誘電体層10の下層にある窒化チタン層9と同様
等軸晶であってもよい。また、この構造に限られるもの
ではない。
【0025】次に、本発明の第1の実施例における半導
体装置のキャパシタ構造の製造方法について説明する。
【0026】図2〜図4は本発明の第1の実施例におけ
る半導体装置のキャパシタ構造の製造方法を工程順に示
す概略断面図である。まず図2を参照して、不純物をド
ープしたシリコン層1の上に通常のスパッタリング法に
よりチタン(Ti)層5を約100nmの厚みで堆積さ
せる。この成膜法としては、スパッタリング法に限られ
ず、CVD法などの他の成膜方法でもかまわない。
【0027】図3を参照して、シリコン層1の表面上に
チタン層5を堆積させた試料には、熱処理が施される。
この熱処理は、アンモニア雰囲気中において約800℃
〜900℃の温度にて約10秒〜120秒の条件で行な
われる。この熱処理中には、チタン層5の上部が窒化さ
れ窒化チタン層9が形成される。またこれとともにチタ
ン層5の下部、すなわちシリコン層1との接触面におい
て、シリサイド化が進行する。このシリサイド化によ
り、チタン層5の下部はチタンシリサイド(TiS
X )層8が形成される。この熱処理により、形成され
た窒化チタン層9の結晶構造は等軸晶となっている。ま
たシリコン層1との接触面においてはチタンシリサイド
層8が形成されたため電極の低抵抗化、および密着性の
向上が同時に達成される。
【0028】この窒化処理は、窒素(N2 )などチタン
(Ti)を窒化し得る雰囲気ならばどのような雰囲気も
しくは材料を用いてもかまわない。
【0029】図4を参照して、窒化チタン層9の表面上
にPZTよりなる強誘電体層10が150nmの厚みで
堆積される。このPZTよりなる強誘電体層の成膜方法
としては、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、チタン
(Ti)のそれぞれの有機物を原材料としたCVD法お
よびPZT自身をターゲット材としたスパッタリング法
が用いられる。しかし、この成膜方法以外に、鉛、ジル
コニウム、チタンをターゲットとしたco−sputt
er法でもよいし、ゾル−ゲル法により成膜してもかま
わない。また強誘電体としては、上述したようにPZT
に限らず、PLZTのような添加物を付与した材料でも
かまわない。さらに強誘電体としてはSTO、BTO、
Ta2 5 でもかまわない。上記の強誘電体となる材料
は、堆積時もしくは結晶化時に熱処理が必要である。こ
のため、たとえばスパッタリング法によるPZTでは、
700℃のアニールが施される。このアニールを施して
も、本発明の窒化処理により形成された窒化チタン層1
0はその電極構造を保っていることが判明した。
【0030】この後、強誘電体層10の表面上に膜11
と不純物をドープしたシリコン層2が形成される。これ
により、図1に示すキャパシタ構造が形成される。
【0031】本発明の第1の実施例における半導体装置
のキャパシタ構造において、強電体層の堆積時もしくは
結晶化時の熱処理において、窒化チタン層が電極構造を
保っている理由について以下に説明する。
【0032】図5は、本発明の第1の実施例における半
導体装置のキャパシタ構造を概略的に示す部分断面図で
ある。図5を参照して、一般にスパッタ法などにより形
成された窒化チタン層の結晶構造は柱状晶となってい
る。これに対して、第1の実施例のようにチタン層をア
ンモニア雰囲気などで窒化させた窒化チタン層29はそ
の結晶構造が等軸晶となっていることが判明した。この
ため、従来の柱状晶よりなる窒化チタン層では、下層か
ら上層へ沿う方向に結晶粒が伸びていたのに対し、第1
の実施例では窒化チタン層内において上層から下層へ沿
う方向に対して交差する方向にいくつもの結晶粒界が分
布することとなる。よって、強誘電体に結晶化等の熱処
理が施されても、この結晶粒界により上層から下層への
構成元素の拡散は抑制される。構成元素が相互に拡散し
がたくなるため、各層の構成元素が互いに入混じった状
態となりがたい。したがって、電極構造は破壊されがた
くなり、耐熱性が向上するものと考えられる。
【0033】次に、本発明の第2の実施例における半導
体装置のキャパシタ構造について説明する。
【0034】図6を参照して、この図は図10のP部に
対応している。不純物がドープされたシリコン(Si)
層21の表面上にはチタンシリサイド層28が形成され
ている。このチタンシリサイド層28の表面上には窒化
チタン(TiN)層26と29が形成されている。この
窒化チタン層29の表面上には強誘電体層30が形成さ
れている。この強誘電体層30の表面上には、膜31を
介在して不純物がドープされたシリコン(Si)層22
が形成されている。このように本発明の第2の実施例に
おける半導体装置のキャパシタ構造は形成されている。
【0035】なお、膜31は、第1の実施例と同様シリ
コン層22との接触部において低抵抗化、および密着性
の向上を図ることができ、かつ強誘電体層が高い比誘電
率を示すことのできる材料であればよい。またこの膜3
1は強誘電体層の下層にある積層構造、すなわち窒化チ
タン層29、26、チタンシリサイド層28の三層構造
よりなっていてもよい。すなわち、強誘電体層30の表
面上には窒化チタン層とチタンシリサイド層の三層構造
よりなる膜31を介在してシリコン層22が形成されて
いてもよい。なお、膜31の構造はこれに限定されるも
のではない。
【0036】次に、本発明の第2の実施例における半導
体装置のキャパシタ構造の製造方法について説明する。
【0037】図7〜図9は本発明の第2の実施例におけ
る半導体装置のキャパシタ構造の製造方法を工程順に示
す概略断面図である。まず図7を参照して、パターン形
成が施され、かつ不純物がドープされたシリコン層21
の表面上に、通常のスパッタリング法によってチタン層
(Ti)25、窒化チタン層(TiN)26、チタン層
(Ti)27がこの順で形成される。このとき各層の厚
みはチタン層25が5nm〜30nm、窒化チタン層2
6が10nm〜100nm、チタン層27が10nm〜
100nmの範囲である。
【0038】図8を参照して、この積層構造に熱処理が
施される。この熱処理は、アンモニア雰囲気に700℃
〜1000℃の温度範囲にて10秒〜30分の条件で行
なわれる。この熱処理により、最上層のチタン層27は
窒化され窒化チタン層29となる。また下層のチタン層
25は、シリサイド化されチタンシリサイド層28とな
る。なおこの熱処理はアンモニア雰囲気に限られず、第
1の実施例で述べた条件で行なわれてもよい。
【0039】図9を参照して、窒化チタン層29の表面
上にPZTよりなる強誘電体層30が形成される。なお
この強誘電体層30は、PZTに限られず、第1の実施
例で述べた他の強誘電体を用いてもよい。またその製造
方法についても、CVD法に限られず、スパッタリング
法、co−sputter法、ゾル−ゲル法などでもか
まわない。この強誘電体は、堆積時もしくは結晶化時に
熱処理が必要である。このため、強誘電体層30にアニ
ールを施したが、窒化処理により形成された窒化チタン
層29はその電極構造を保っていることが判明した。
【0040】この強誘電体層30の表面上に膜31とシ
リコン層22が形成されることにより、図6に示す半導
体装置のキャパシタ構造が形成される。
【0041】上記のように、本発明の第2の実施例にお
ける半導体装置のキャパシタ構造は構成され、かつ製造
される。
【0042】本発明の第2の実施例における半導体装置
のキャパシタ構造が、強誘電体の熱処理に対して構造破
壊を生じなかった理由は、第1の実施例と同様窒化処理
の施された窒化チタン層29が等軸晶よりなっているた
めであると考えられる。
【0043】本発明の第1、第2の実施例においてはD
RAMのメモリセルのキャパシタについて説明したが、
これに限定されるものではない。
【0044】
【発明の効果】本発明の半導体装置のキャパシタ構造に
おいては、窒化チタン層が等軸晶から構成されている。
このため、キャパシタを構成する各層の構成元素は相互
に拡散しがたくなる。したがって、電極構造は破壊され
がたくなり、耐熱性の優れたキャパシタ構造を得ること
が可能となる。
【0045】また、窒化チタン層は、低抵抗で、かつ密
着性に優れており、電極材料としての各種特性値を満た
している。
【0046】本発明の半導体装置のキャパシタ構造の製
造方法においては、熱が加えられても電極構造が破壊さ
れがたい半導体装置のキャパシタ構造を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例における半導体装置の構
成を概略的に示す部分断面図である。
【図2】本発明の第1の実施例における半導体装置のキ
ャパシタ構造の製造方法の第1工程を概略的に示す部分
断面図である。
【図3】本発明の第1の実施例における半導体装置のキ
ャパシタ構造の製造方法の第2工程を概略的に示す部分
断面図である。
【図4】本発明の第1の実施例における半導体装置のキ
ャパシタ構造の製造方法の第3工程を概略的に示す部分
断面図である。
【図5】本発明の第1の実施例における半導体装置のキ
ャパシタ構造を概略的に示す部分断面図である。
【図6】本発明の第2の実施例における半導体装置のキ
ャパシタ構造を概略的に示す部分断面図である。
【図7】本発明の第2の実施例における半導体装置のキ
ャパシタ構造の製造方法の第1工程を概略的に示す部分
断面図である。
【図8】本発明の第2の実施例における半導体装置のキ
ャパシタ構造の製造方法の第2工程を概略的に示す部分
断面図である。
【図9】本発明の第2の実施例における半導体装置のキ
ャパシタ構造の製造方法の第3工程を概略的に示す部分
断面図である。
【図10】従来のDRAMの構成を示す概略断面図であ
る。
【図11】従来の半導体装置のキャパシタ構造を概略的
に示す部分断面図である。
【図12】従来の半導体装置のキャパシタ構造を概略的
に示す部分断面図である。
【図13】従来の半導体装置のキャパシタ構造を概略的
に示す部分断面図である。
【図14】従来の半導体装置のキャパシタ構造を概略的
に示す部分断面図である。
【図15】従来の半導体装置のキャパシタ構造に生じる
弊害を説明するための図である。
【符号の説明】
1、2、21、22 シリコン層 9、29 窒化チタン層 10、30 強誘電体層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 強誘電体層を挟んで対向する1対の電極
    層を備え、少なくとも一方の電極層がシリコンを含む半
    導体装置のキャパシタ構造において、 前記少なくとも一方の電極層と前記強誘電体層との間に
    介在するように形成された窒化チタン層を含み、その窒
    化チタン層が等軸晶から構成されることを特徴とする、
    半導体装置のキャパシタ構造。
  2. 【請求項2】 強誘電体層を挟んで対向する1対の電極
    層を備え、少なくとも一方の電極層がシリコンを含む半
    導体装置のキャパシタ構造の製造方法において、 前記少なくとも一方の電極層の上に等軸晶から構成され
    る窒化チタン層を形成し、その窒化チタン層の上に前記
    強誘電体層を形成した後、熱処理を施すことを特徴とす
    る、半導体装置のキャパシタ構造の製造方法。
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