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JP3322031B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Publication number
JP3322031B2
JP3322031B2 JP24561694A JP24561694A JP3322031B2 JP 3322031 B2 JP3322031 B2 JP 3322031B2 JP 24561694 A JP24561694 A JP 24561694A JP 24561694 A JP24561694 A JP 24561694A JP 3322031 B2 JP3322031 B2 JP 3322031B2
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JP
Japan
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electrode
capacitor
upper electrode
dielectric film
lower electrode
Prior art date
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Application number
JP24561694A
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JPH08111510A (ja
Inventor
吉和 大野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP24561694A priority Critical patent/JP3322031B2/ja
Priority to US08/467,650 priority patent/US5923062A/en
Priority to KR1019950034521A priority patent/KR0175988B1/ko
Publication of JPH08111510A publication Critical patent/JPH08111510A/ja
Application granted granted Critical
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D88/00Three-dimensional [3D] integrated devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D1/00Resistors, capacitors or inductors
    • H10D1/60Capacitors
    • H10D1/68Capacitors having no potential barriers
    • H10D1/692Electrodes
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices
    • H10B12/01Manufacture or treatment
    • H10B12/02Manufacture or treatment for one transistor one-capacitor [1T-1C] memory cells
    • H10B12/03Making the capacitor or connections thereto
    • H10B12/033Making the capacitor or connections thereto the capacitor extending over the transistor
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices
    • H10B12/30DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells
    • H10B12/31DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells having a storage electrode stacked over the transistor
    • H10B12/315DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells having a storage electrode stacked over the transistor with the capacitor higher than a bit line

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  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は半導体装置に係り、特
に高誘電率の誘電膜を有するキャパシタを備える半導体
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、ワークステーションやパーソナル
コンピュータなどでメインメモリとしてDRAM(Dynamic
Random Access Memory)が使用されている。このDRAMは
1つのMOSトランジスタと1つのキャパシタからな
り、1ビットの0か1かのデータ記憶するメモリセルを
複数個(例えば64M 個)備えている。このメモリセルは
キャパシタに電荷を蓄えるか否かで1ビットのデータを
記憶しており、記憶されたデータの読み出しは、MOS
トランジスタを介してキャパシタとプリチャージ電位に
プリチャージした後にフローティングにされたビット線
との間で電荷の授受を行ってこのビット線の電位を変化
させ、ビット線に接続されたセンスアンプによってこの
ビット線の電位とプリチャージ電位との間の電位差を検
知増幅することで行われる。
【0003】メモリセルからのデータの読み出しの際の
ビット線に生じる電位差はビット線のノイズの大きさや
センスアンプの感度などからある程度の大きさが要求さ
れる。これを言い換えればメモリセルを構成するキャパ
シタはある程度の容量が要求されるということになる。
しかし、DRAMの高集積化および大容量化にともなってキ
ャパシタ電極の面積は小さくなる傾向にあり、これを補
うためにスタック型やトレンチ型などの半導体基板に対
して高さ方向にキャパシタの面積を確保したメモリセル
を備えたDRAMが量産されている。一方、小さい面積でも
キャパシタの容量を確保するためにキャパシタの誘電膜
を高誘電率の誘電膜にするための研究・開発がおこなわ
れている。
【0004】図7は従来の高誘電率の誘電膜を有するキ
ャパシタを備えるDRAMを示しており、図において1はp
型の半導体基板、2はこの半導体基板1の一主面に形成
されたn型のMOSトランジスタで、一方のソース/ド
レイン2aと、他方のソース/ドレイン2bと、一方の
ソース/ドレイン2aと他方のソース/ドレイン2bと
で挟まれたチャネル領域2cにゲート絶縁膜2dを介し
て対向したゲート電極2eを有している。このゲート電
極2eは並行して配置されるワード線の一部からなって
いる。3は酸化膜からなる素子分離領域、4は一部がゲ
ート電極2eのように他の図示されていないMOSトラ
ンジスタのゲート電極となるワード線、5は隣接したゲ
ート電極2eおよびワード線4を覆って形成され、他方
のソース/ドレイン2b上にコンタクトホール6が開口
された酸化膜である。
【0005】7は酸化膜5上に形成され、コンタクトホ
ール6を介して他方のソース/ドレイン2bに接続さ
れ、ポリシリコンからなる埋め込みビット線、8はこの
埋め込みビット線7を覆って形成された絶縁層、9は半
導体基板1上に全面に形成され、上面が平坦化され、一
方のソース/ドレイン2a上にコンタクトホール10が
開口されたBPSG(Boro-Phospho Silicate Glass) 膜から
なる層間絶縁膜、11はコンタクトホール10内に形成
され、一方のソース/ドレイン2aに接続されるポリシ
リコン(Poly-Si)からなるプラグ、12は層間絶縁膜9
上に形成され、コンタクトホール10内のプラグ11を
介して一方のソース/ドレイン2aに接続され、白金
(Pt)からなる一方のキャパシタ用電極、13はこの一
方のキャパシタ用電極12の上面および側面に接して形
成され、高誘電体材料のSrTiO3からなるキャパシタ用誘
電膜、14はキャパシタ用誘電膜13を介して一方のキ
ャパシタ用電極12と対向して形成され、白金(Pt)か
らなる他方のキャパシタ用電極で、一方のキャパシタ用
電極12とキャパシタ用誘電膜13とでキャパシタを構
成している。そして一方のキャパシタ用電極12は、キ
ャパシタ用誘電膜13が正常に高誘電体材料のSrTiO3
結晶構造を組成するように白金からなっている。
【0006】15は他方のキャパシタ用電極14上に全
面に形成され、上面が平坦化された層間絶縁膜、16は
層間絶縁膜15上に形成され、アルミニウム(Al)から
なる配線、17はこの配線16を覆って全面に形成され
た層間絶縁膜、18は層間絶縁膜17上に配線16と交
差する方向に延びて形成され、アルミニウムからなる配
線である。
【0007】以上のように構成された従来の高誘電体膜
を有するキャパシタを備えたDRAMでは、白金からなる一
方のキャパシタ用電極12が直接BPSGからなる層間絶縁
膜9および一方のソース/ドレイン2aに接続させるた
めのプラグ11に接触しているため、層間絶縁膜9やプ
ラグ11から白金以外の原子(例えばプラグ11のシリ
コン原子)が白金からなる一方のキャパシタ用電極12
に拡散してしまい、キャパシタ用誘電膜13が正常な結
晶構造を組成できないという問題点があった。
【0008】そこで、この問題点を解決するために図8
に示すようなDRAMが提案された。この図8に示されたDR
AMが図7に示されたDRAMと異なる点は、一方のキャパシ
タ用電極12が白金からなる上層電極12aと、この上
層電極12aと層間絶縁膜9およびプラグ11との間に
形成され、バリヤとして機能する下層電極12bとから
構成されている点である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この図
8に示された改良されたDRAMでは、キャパシタ用誘電膜
13における下層電極12bの側面に接した部分での結
晶構造の組成が変化してこの部分の絶縁特性が劣化し、
下層電極12bの側面と他方のキャパシタ用電極14と
の間でリーク電流が生じ、その結果メモリセルのデータ
保持特性が悪くなるという問題が生じる。
【0010】この発明は上記した点に鑑みてなされたも
のであり、キャパシタ用誘電膜の一方のキャパシタ用電
極における下層電極の側面に対向した部分の結晶構造が
変化しても、この部分で生じるリーク電流が抑制される
キャパシタを備える半導体装置を得ることを目的とす
る。
【0011】
【課題を解決するための手段】この発明の第1の発明に
かかる半導体装置は、上面および下面を有する高融点貴
金属層からなる上層電極およびこの上層電極の下面側に
上層電極と電気的に接続されて形成され、端部が上層電
極の端部よりも内側に形成される下層電極を有する一方
のキャパシタ用電極と、上層電極の下面に接し、下層電
極の側面に隣接して形成された絶縁体と、上層電極の上
面および側面に接し、下層電極の側面と絶縁体を介して
対向して形成された高誘電体膜からなるキャパシタ用誘
電膜と、キャパシタ用誘電膜を介して一方のキャパシタ
用電極に対向して形成される他方のキャパシタ用電極と
を有するキャパシタを備えるものである。
【0012】この発明の第2の発明に係る半導体装置
は、第1の発明に係る半導体装置におけるキャパシタ用
誘電膜を、SrTiO3、BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3 、PZT または
PLZTからなるものとしたものである。
【0013】この発明の第3の発明に係る半導体装置
は、第1または第2の発明に係る半導体装置における上
層電極を、Pt、Ta、Ruまたはこれらの金属の化合物から
なるものとしたものである。
【0014】この発明の第4の発明に係る半導体装置
は、上面およびか下面を有し、Pt、Ta、Ruまたはこれら
の金属の化合物からなる上層電極およびこの上層電極の
下面側に上層電極と電気的に接続されて形成され、端部
が上層電極の端部よりも内側に形成され、TiN、Ta、Ti
またはRuO2からなる下層電極を有する一方のキャパシタ
用電極と、上層電極の下面に接し、下層電極の側面に隣
接して形成された絶縁体と、上層電極の上面および側面
に接し、下層電極の側面と絶縁体を介して対向して形成
され、SrTiO3、BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、PZTまたはPLZT
からなるキャパシタ用誘電膜と、キャパシタ用誘電膜を
介して一方のキャパシタ用電極に対向して形成される他
方のキャパシタ用電極とを有するキャパシタを備えるも
のである。
【0015】
【0016】
【作用】この発明の第1の発明においては、一方のキャ
パシタ用電極における下層電極の端部を、同じ一方のキ
ャパシタ用電極を構成している上層電極の端部よりも内
側に形成し、さらに上層電極の下面に接し下層電極の側
面に隣接して絶縁体を形成して、キャパシタ用誘電膜の
下層電極の側面に対向する部分を絶縁体を介して形成し
ているので、キャパシタ用誘電膜の下層電極の側面に対
向する部分の結晶構造が変化して絶縁特性が劣化して
も、下層電極の側面とこれに対向する他方のキャパシタ
用電極との間でキャパシタ用誘電膜の下層電極の側面に
対向する部分を介してリーク電流が生じるのを抑制でき
る。
【0017】この発明の第2の発明においても、第1の
発明と同様に作用する。
【0018】この発明の第3の発明においても、第1ま
たは第2の発明と同様に作用する。
【0019】この発明の第4の発明においては、一方の
キャパシタ用電極における下層電極の端部を、同じ一方
のキャパシタ用電極を構成している上層電極の端部より
も内側に形成し、さらに上層電極の下面に接し下層電極
の側面に隣接して絶縁体を形成して、キャパシタ用誘電
膜の下層電極の側面に対向する部分を絶縁体を介して形
成しているので、キャパシタ用誘電膜の下層電極の側面
に対向する部分の結晶構造が変化して絶縁特性が劣化し
ても、下層電極の側面とこれに対向する他方のキャパシ
タ用電極との間でキャパシタ用誘電膜の下層電極の側面
に対向する部分を介してリーク電流が生じるのを抑制で
きる。
【0020】
【0021】
【実施例】
実施例1.以下にこの発明の実施例1であるDRAMについ
て、図1から図3に基づいて説明する。図1はこの実施
例のDRAMの全体を示すブロック図で、図1において100
は電源電位VCC(例えば3.3V)を受けてこの電源電位V
CCよりも高い昇圧電位VPPを出力する昇圧電位発生回
路、110 は外部からのロウアドレスストローブ信号ext/
RAS を受けて内部ロウアドレスストローブ信号/RASを出
力する/RASバッファ、120 はこの/RASバッファからの内
部ロウアドレスストローブ信号/RASおよび外部からのア
ドレス信号 Ai を受け、/RASがLレベルに立ち下がると
アドレス信号 Ai をロウアドレスとして取り込みRAi ,/
RAi を出力する行アドレスバッファ、130 は行アドレス
バッファ120 からのロウアドレスRAi ,/RAi を受け、こ
のロウアドレスRAi ,/RAi に応じた行プリデコード信号
Xi を出力する行プリデコーダ、140 は昇圧電位発生回
路100 からの昇圧電位VPPを受けて動作し、行アドレス
バッファ120 からのロウアドレスRAi ,/RAi の一部を受
け、これに応じたワード線駆動信号RXm を出力する行サ
ブデコーダ、150 は行アドレスバッファ120 からのロウ
アドレスRAi ,/RAi の一部を受け、これに応じたブロッ
ク選択信号BSn を出力するブロック選択回路である。
【0022】160 は行プリデコーダ130 からの行プリデ
コード信号 Xi 、行サブデコーダからのワード線駆動信
号RXm およびブロック選択回路150 からのブロック選択
信号BSn を受け、複数のワード線のうちこれらの信号に
応じたワード線の電位WLを選択的に昇圧電位VPPに立ち
上げる行デコーダである。170 は外部からのコラムアド
レスストローブ信号ext/CAS を受けて内部コラムアドレ
スストローブ信号/CASを出力する/CASバッファ、180 は
この/CASバッファ170 からの内部コラムアドレスストロ
ーブ信号/CASおよび外部からのアドレス信号 Ai を受
け、/CASがLレベルに立ち下がるとアドレス信号 Ai
コラムアドレスとして取り込みCAi ,/CAiを出力する列
アドレスバッファ、190 は列アドレスバッファ180 から
のコラムアドレスCAi ,/CAi を受け、このコラムアドレ
スCAi ,/CAi に応じた列プリデコード信号 Yi を出力す
る列プリデコーダ、200 はこの列プリデコーダ190 から
の列プリデコード信号 Yi を受け、複数のコラム選択線
のうちこの列プリデコード信号 Yi に応じたコラム選択
線の電位CSL を選択的にHレベル(VCC)に立ち上げる
列デコーダである。
【0023】210 は複数行および複数列に設けられた複
数のメモリセルと、各行に対応して設けられ、対応した
行に設けられたメモリセルに接続される複数のワード線
と、各列に対応して設けられ、対応した列に設けられた
メモリセルに接続される複数のビット線対とを有するメ
モリセルアレイ、220 は各ビット線対に接続され、接続
されたビット線対におけるビット線間の読み出し電位差
を検知増幅するセンスアンプおよび列デコーダ200 によ
り選択されたコラム選択線に対応した列のビット線対を
I/O線対に接続するためのI/Oゲート回路、230 は
ライトイネーブル信号/WE を受け、このライトイネーブ
ル信号/WE がLレベルであると、外部から入力されたデ
ータ DinをI/O線対を介してアドレス信号に応じたア
ドレスに位置するメモリセルに書き込み、ライトイネー
ブル信号/WE がHレベルであるとI/O線に読み出され
たデータを外部へ Dout として出力する入出力バッファ
である。
【0024】図2は図1に示されたメモリセルアレイ21
0 およびその周辺回路の一部を示すブロック図であり、
メモリセルアレイ210 の4つのメモリマットのうちの1
つのメモリマットを構成する16個のブロックのうち1
ブロックを示している。図2においてMCxyはそれぞれが
nチャネルMOSトランジスタ211 とキャパシタ212を
有するメモリセルで、各メモリセルMCxyはワード線213
とビット線214aおよび214bからなるビット線対214 との
交点に対応して設けられ、このメモリセルMCxyにおける
nチャネルMOSトランジスタ211 はワード線213 の一
部をゲートとし、キャパシタ212 の一方の電極とビット
線214aまたは214bとの間に接続され、キャパシタ212 の
他方の電極は電源電位VCCの中間の電位 (1/2)VCCであ
るセルプレート電位VCPが与えられる。
【0025】161 はそれぞれが各ブロックに対応する16
個のブロック選択信号BS0 〜BS15のうち1つのブロック
選択信号BS0 を受け、このブロック選択信号BS0 がHレ
ベル(活性)となるとロウアドレス信号RAi に基づいて
4つのうち1つがHレベル(活性)にされる3 組のロウ
プリデコード信号X0〜X3, X4〜X7, X8〜X11 およびロウ
アドレス信号RAi に基づいて4つのうち1つが昇圧電位
PP(活性)となるワード線駆動信号RX0 〜RX3 に応じ
た1 本のワード線213 を256 本のワード線213の中から
選択的に昇圧電位VPPに立ち上げる各ブロック対応の行
デコーダである。
【0026】200 はコラムプリデコード信号Y0〜Y3, Y4
〜Y7, Y8〜Y11, Y12〜Y15, Y16〜Y1 9 に応じて1024本の
コラム選択線201 のうち1本をHレベル(活性)にする
列デコーダで、16個のブロックで共有されている。221
はビット線対214 におけるビット線214aと214bとの間に
接続され、このビット線214a、214b間の電位差を検知増
幅するセンスアンプ、222 はそれぞれがビット線対214
とI/O線対223 との間に接続され、対応する列のコラ
ム選択線201 からのコラム選択信号 CSLi を受け、この
コラム選択信号 CSLi がHレベルであると対応するビッ
ト線対214 とI/O線223 とを導通させるI/Oゲート
で、それぞれがビット線214aとI/O線223aとの間に接
続され、ゲートがコラム選択線201 に接続されるnチャ
ネルMOSトランジスタ222aと、ビット線214bとI/O
線223bとの間に接続され、ゲートがコラム選択線201 に
接続されるnチャネルMOSトランジスタ222bとを有し
ている。
【0027】図3は、図2に示されたメモリセルMCxy
含む回路を半導体基板に形成したときのIII −III 面に
おける断面図で、図において301 はp型のシリコンから
なる半導体基板、302 はこの半導体基板301 の一主面に
形成され、半導体基板301 よりも不純物濃度の高いp型
のウェル、303 はこのウェル302 に形成されたnチャネ
ルMOSトランジスタで、図の左側がメモリセルMC00
おけるnチャネルMOSトランジスタ211 に相当し、右
側がメモリセルMC10におけるnチャネルMOSトランジ
スタ211 に相当する。そして、このnチャネルMOSト
ランジスタ303はウェル302 に形成されたn+ 型の一方
のソース/ドレイン303aと、ウェル302に一方のソース
/ドレイン303aと離隔して形成されたn+ 型の他方のソ
ース/ドレイン303bと、一方および他方のソース/ドレ
イン303aおよび303bによって挟まれたチャネル領域303c
にゲート絶縁膜303dを介して対向して形成されたゲート
電極303eとを有する。このゲート電極303eは並行して配
置されたワード線電位WL0,WL1 に対応するワード線213
の一部からなっている。
【0028】304 はシリコン酸化膜からなる素子分離領
域、305 は一部がゲート電極303eのようにこの図3には
示されていないメモリセルMC20, MC30におけるnチャネ
ルMOSトランジスタ211 のゲート電極となり、ワード
線電位WL2, WL3に対応するワード線213 に相当するワー
ド線である。306 はゲート電極303eおよびワード線305
を覆って形成された酸化膜である。307 は半導体基板30
1 上に全面に形成され、上面が平坦化され、他方のソー
ス/ドレイン303b上にコンタクトホール308 が開口され
たBPSG(Boro-Phospho Silicate Glass) 膜からなる層間
絶縁膜、309 はこの層間絶縁膜307 上に形成され、コン
タクトホール308 を介してnチャネルMOSトランジス
タ303 の他方のソース/ドレイン303bに接続されたビッ
ト線で、他方のソース/ドレイン303bに接続されたn型
のポリシリコン(Poly-Si)からなる接続部分309aと、こ
のビット線309 の抵抗を下げるためのアルミニウム(A
l)からなる低抵抗部分309bとを有している。
【0029】310 はビット線309 が形成された層間絶縁
膜307 上に全面に形成され、BPSG膜からなる層間絶縁
膜、311 は層間絶縁膜307 の上面から層間絶縁膜310 の
下面にわたってnチャネルMOSトランジスタ303 にお
ける一方のソース/ドレイン303a上に開口されたコンタ
クトホール、312 はこのコンタクトホール311 内に形成
され、一方のソース/ドレイン303aに接続されたn型の
ポリシリコンからなるプラグ、313 は層間絶縁膜310 上
に形成され、プラグ312 を介してnチャネルMOSトラ
ンジスタ303 における一方のソース/ドレイン303aに接
続された一方のキャパシタ用電極で、白金(Pt)、タン
タル(Ta)、ルビジウム(Ru)またはこれらの金属酸化
物からなる上層電極313aと、この上層電極313aの下面に
接して形成され、端部が上層電極313aの端部よりも内側
に形成され、バリヤとしての機能をもつTiN 、Ta、Ti、
RuO2または3層のTi/TiN/Ti からなる下層電極313bとを
有している。
【0030】314 は上層電極313aの下に下層電極313bの
側面に接して形成され、シリコン酸化物またはシリコン
窒化物からなる絶縁体、315 は上層電極313aの上面およ
び側面に接し、下層電極313bの側面と絶縁体314 を介し
て対向して形成され、SrTiO3(チタン酸ストロンチウ
ム)、BaTiO3(チタン酸バリウム)、(Ba,Sr)TiO3 (チ
タン酸バリウムストロンチウム)、PZT (チタン酸ジル
コン酸鉛)またはPLZT(チタン酸ジルコン酸ランタン
鉛)からなるキャパシタ用誘電膜、316 はこのキャパシ
タ用誘電膜315 を介して一方のキャパシタ用電極313 に
対向して形成され、Pt、Ta、Ruまたはこれらの金属酸化
物からなる他方のキャパシタ用電極で、一方のキャパシ
タ用電極313 とキャパシタ用誘電膜315 とでキャパシタ
を構成している。そして一方のキャパシタ用電極313
は、キャパシタ用誘電膜315 が正常に高誘電体材料の結
晶構造を組成するようにPt、Ta、Ruまたはこれらの金属
酸化物からなっている。
【0031】317 は他方のキャパシタ用電極316 上に全
面に形成され、上面が平坦化され、BPSGからなる層間絶
縁膜、318 は層間絶縁膜317 上に形成され、一部がゲー
ト電極303eとなるワード線と並行して配置され、128 対
のビット線対ごとに下層のワード線とシャント領域で接
続されるアルミニウム(Al)からなる配線、319 はこの
配線318 を覆って全面に形成され、シリコン酸化物から
なる層間絶縁膜、320は層間絶縁膜319 上に配線318 と
交差する方向に延びて形成され、アルミニウムからなる
配線で、例えば電源電位VCCや接地電位を伝達する電源
線などである。
【0032】次に、以上のように構成されたこの実施例
のDRAMの動作について説明する。まず、アドレス信号 A
i を与えて外部ロウアドレスストローブ信号ext/RAS が
HレベルからLレベルに立ち下げられると(活性化され
ると)、/RASバッファ110 から出力される内部ロウアド
レスストローブ信号/RASもLレベルとなり、これを受け
て行アドレスバッファ120 が与えられたアドレス信号 A
i をロウアドレスとして取り込み、アドレス信号 Ai
同論理および逆論理のロウアドレス信号RAi ,/RAi を出
力する。そして、行プリデコーダ130 がロウアドレス信
号RAi ,/RAi の2つづつに応じて3組のプリデコード信
号X0〜X3, X4〜X7, X8〜X11 のそれぞれの組で4つのう
ち1つをHレベルとする。
【0033】また、行サブデコーダ140 が2つのロウア
ドレス信号RA0,/RA0,RA1,/RA1 に応じてワード線駆動信
号RX0 〜RX3 のうち1つを昇圧電位VPPとし、ブロック
選択回路150 が4つのロウアドレス信号RAi ,/RAi に応
じて16個のブロック選択信号BS0 〜BS15のうち1つをH
レベルにする。そして、行デコーダ160 の中のHレベル
となったブロック選択信号BSj に対応したブロック対応
の行デコーダ161 が1本のワード線213 の電位WLk を昇
圧電位VPPに立ち上げる。この昇圧されたワード線213
に接続されたメモリセルMCkyにおけるnチャネルMOS
トランジスタ211 が導通し、キャパシタ212 の一方の電
極とあらかじめ中間電位 (1/2)VCCにプリチャージされ
ていたビット線214aまたは214bとの間で電荷の授受が行
われる。
【0034】このとき、キャパシタ212 の一方電極に電
源電位VCCが保持されていれば、キャパシタ212 の一方
電極からビット線214aまたは214bへ電荷が流れてビット
線214aまたは214bの電位BLy または /BLy が中間電位
(1/2)VCCからわずかに下がる。また、キャパシタ212
の一方電極に接地電位が保持されていれば、ビット線21
4aまたは214bからキャパシタ212 の一方電極へ電荷が流
れてビット線214aまたは214bの電位BLy または /BLy
中間電位 (1/2)VCCからわずかに上がる。そして、この
ようにして生じたビット線間のわずかな電位差をセンス
アンプ221 が検知増幅し、電位の高いほうのビット線の
電位を電源電位VCCへ、低いほうのビット線の電位を接
地電位とする。
【0035】その後、列アドレスに相当するアドレス信
号 Ai が与えられて外部コラムアドレスストローブ信号
ext/CAS がHレベルからLレベルに立ち下げられると
(活性化されると)、/CASバッファ170 から出力される
内部コラムアドレスストローブ信号/CASもLレベルとな
り、これを受けて列アドレスバッファ180 が与えられた
アドレス信号 Ai をコラムアドレスとして取り込み、ア
ドレス信号 Ai と同論理および逆論理のコラムアドレス
信号CAi ,/CAi を出力する。そして、列プリデコーダ19
0 がコラムアドレス信号CAi ,/CAi の2つづつに応じて
5組の列プリデコード信号Y0〜Y3, Y4〜Y7, Y8〜Y11, Y
12〜Y15, Y16〜Y19 のそれぞれの組で4つのうち1つを
Hレベルとする。
【0036】そして、列デコーダ200 が列プリデコード
信号Y0〜Y3, Y4〜Y7, Y8〜Y11, Y12〜Y15, Y16〜Y19
応じて1本のコラム選択線201 の電位 CSLp をHレベル
に立ち上げる。このHレベルに立ち上げられたコラム選
択線201 に接続されたI/Oゲート222 におけるnチャ
ネルMOSトランジスタ222aおよび222bが導通し、この
コラム選択線201 に対応したビット線対214 とI/O線
対223 とを導通させる。これにより選択されたメモリセ
ルMCkpに記憶されていたデータに対応した相補のデータ
IOn ,/IOn が入出力バッファ230 に出力され、入出力バ
ッファはこのデータに応じた出力データ Dout を出力
し、読み出し動作が完了する。
【0037】書き込み時は外部コラムアドレスストロー
ブ信号ext/CAS をLレベルに立ち下げる前にライトイネ
ーブル信号/WE をLレベルに立ち下げ、入力データ Din
を与えておく。これによりI/O線223aおよび223bのう
ち一方がLレベル、他方がHレベルとされ、このI/O
線対223 と読み出し動作と同様に列デコーダ200 により
列アドレス信号CAi ,/CAi に応じてI/O線対223 に接
続されたビット線対214 を介して選択されたメモリセル
MCkpにおけるキャパシタの一方電極にLレベルまたはH
レベルの電位が伝達される。そして、外部コラムアドレ
スストローブ信号ext/CAS および外部ロウアドレススト
ローブ信号ext/RAS をHレベルに立ち上げることで全I
/Oゲート222 が非導通となり、全ワード線213 がLレ
ベルとなり、読み出しまたは書き込み動作が終了する。
【0038】次に図3のように構成されたこの実施例の
DRAMの製造方法について図4から図6に基づき説明す
る。図4の(a)に示すようにp型の半導体基板301 の
一主面にLOCOS(Local Oxidation of Silicon) 法により
選択的に素子分離領域304 を形成し、ボロンイオンなど
のp型のイオンを注入することによって半導体基板301
よりも不純物濃度の高いp型ウェル302 を形成する。次
に、図4の(b)に示すようにMOSトランジスタ303
が形成される領域にゲート絶縁膜となる酸化膜を熱酸化
により形成し、この酸化膜上にMOSトランジスタ303
のゲート電極となるn型不純物イオンがドープされたポ
リシリコンなどの導電材質からなる電極層をCVD(Chemic
al Vapor Deposition)法により堆積し、この電極層から
写真製版およびエッチングによりゲート電極303eおよび
ワード線305 を形成する。そして、このゲート電極303e
をマスクにしてこの下の酸化膜のエッチングをおこな
い、ゲート絶縁膜303dを形成する。
【0039】そして、この上からヒ素イオンなどのn型
のイオンを注入・拡散することで一方および他方のソー
ス/ドレイン303aおよび303bを形成し、CVD 法などを使
ってゲート電極303eおよびワード線305 を覆うシリコン
酸化膜306 を形成する。次に、図5の(a)に示すよう
にCVD 法により全面にBPSGからなる層間絶縁膜307 を形
成し、写真製版およびエッチングにより他方のソース/
ドレイン303b上にコンタクトホール308 を開口する。そ
して、n型のポリシリコン層をCVD 法により層間絶縁膜
307 上およびコンタクトホール308 内に形成し、その上
にアルミニウム層をCVD 法またはスパッタリング法によ
り形成して写真製版およびエッチングによりビット線30
9 における低抵抗部309bおよび接続部309aを形成する。
【0040】そして、図5の(b)に示すようにCVD 法
によりBPSGからなる層間絶縁膜310を全面に形成して上
面に平坦化処理をほどこし、この層間絶縁膜310 および
コンタクトホール311 内にn型のポリシリコン層331 を
CVD 法により形成する。そして、図5の(c)に示すよ
うにこのポリシリコン層331 を層間絶縁膜310 の上面ま
でエッチバックしてプラグ312 を形成し、層間絶縁膜31
0 上の全面に下層電極313bとなるTiN 、Ta、Ti、RuO2
2層のTi/TiO2 または3層のTi/TiN/Ti からなるバリヤ
層332 をCVD 法またはスパッタリング法により形成し、
このバリヤ層上の全面に上層電極313aとなるPt、Ta、Ru
またはこれらの金属酸化物からなる高融点貴金属層333
をスパッタリング法などにより形成し、写真製版により
選択的にレジスト334 を形成する。
【0041】さらに、図6の(a)に示すようにレジス
ト334 をマスクにして高融点貴金属層333 およびバリヤ
層332 をエッチングし、上層電極313aおよび下層電極31
3bを形成し、レジスト334 を除去する。その後選択性エ
ッチングにより下層電極313bの端部を上層電極313aの端
部よりも内側へ後退させ、CVD 法によりシリコン酸化膜
またはシリコン窒化膜を全面に形成し、エッチバックす
ることで絶縁体314 を形成する。そして、図6の(b)
に示すようにCVD 法により全面にSrTiO3、BaTiO3、(Ba,
Sr)TiO3 、PZT またはPLZTからなるキャパシタ用誘電膜
315 を形成し、その上にスパッタリング法などによりP
t、Ta、Ruまたはこれらの金属酸化物からなり他方のキ
ャパシタ用電極316 となる高融点貴金属層を形成し、写
真製版およびエッチングによりパターニングをおこなう
ことで他方のキャパシタ用電極316を形成する。
【0042】そして、CVD 法によりBPSGを全面に形成
し、上面に平坦化をほどこして層間絶縁膜317 を形成
し、この層間絶縁膜317 上にスパッタリング法などによ
りアルミニウムからなる層を形成し、写真製版およびエ
ッチングによりパターニングをおこなうことで配線318
を形成する。その後、図3に示すようにCVD 法によりシ
リコン酸化物からなる層間絶縁膜319 を全面に形成し、
この層間絶縁膜319 上にスパッタリング法などによりア
ルミニウムからなる層を形成し、写真製版およびエッチ
ングによりパターニングをおこなうことで配線320 を形
成する。
【0043】以上のようにこの実施例1におけるDRAM
は、キャパシタ用誘電膜315 に多結晶構造の高誘電体膜
を使用しているので小さい面積でも大きな容量を得るこ
とができる。その結果、メモリセルのデータ保持時間が
長くなる。また、キャパシタ用誘電膜315 が正常に結晶
構造を組成できるように設けられている上層電極313aと
層間絶縁膜310 およびプラグ312 との間にバリヤとして
機能する下層電極313bを設けているので、層間絶縁膜31
0 またはプラグ312 からシリコン原子などが上層電極31
3aに拡散したためにキャパシタ用誘電膜315 が正常に結
晶構造を組成できなくなって誘電率の低下や絶縁性の劣
化などが発生してしまうことを抑制できる。
【0044】さらに、下層電極313bの端部を上層電極31
3aの端部よりも内側に後退させ、この下層電極313bの側
面を絶縁体314 を介してキャパシタ用誘電膜315 と離隔
させているので、キャパシタ用誘電膜315 における下層
電極313bの側面に対向した部分の結晶構造が変化して絶
縁特性が劣化しても、この部分を介して下層電極313bの
側面と他方のキャパシタ用電極316 との間で生じるリー
ク電流を抑制できる。
【0045】
【発明の効果】上記したように、この発明の第1の発明
においては、一方のキャパシタ用電極における下層電極
の端部を、同じ一方のキャパシタ用電極を構成している
上層電極の端部よりも内側に形成し、さらに上層電極の
下面に接し下層電極の側面に隣接して絶縁体を形成し
て、キャパシタ用誘電膜の下層電極の側面に対向する部
分を絶縁体を介して形成しているので、下層電極の側面
とこれに対向する他方のキャパシタ用電極との間でキャ
パシタ用誘電膜の下層電極の側面に対向する部分を介し
てリーク電流が生じるのを抑制できるという効果があ
る。
【0046】また、この発明の第2の発明においても、
第1の発明と同様の効果を奏する。
【0047】また、この発明の第3の発明においても、
第1または第2の発明と同様の効果を奏する。
【0048】また、この発明の第4の発明においては、
一方のキャパシタ用電極における下層電極の端部を、同
じ一方のキャパシタ用電極を構成している上層電極の端
部よりも内側に形成し、さらに上層電極の下面に接し下
層電極の側面に隣接して絶縁体を形成して、キャパシタ
用誘電膜の下層電極の側面に対向する部分を絶縁体を介
して形成しているので、下層電極の側面とこれに対向す
る他方のキャパシタ用電極との間でキャパシタ用誘電膜
の下層電極の側面に対向する部分を介してリーク電流が
生じるのを抑制できるという効果がある。
【0049】
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施例1のDRAMを示すブロック図
である。
【図2】 この発明の実施例1のDRAMのメモリセルアレ
イの一部を示す回路図である。
【図3】 この発明の実施例1のDRAMのメモリセルが形
成された半導体基板の断面図である。
【図4】 この発明の実施例1のDRAMの製造工程を示す
断面図である。
【図5】 この発明の実施例1のDRAMの製造工程を示す
断面図である。
【図6】 この発明の実施例1のDRAMの製造工程を示す
断面図である。
【図7】 従来のDRAMのメモリセルが形成された半導体
基板の断面図である。
【図8】 従来のものから改良されたDRAMのメモリセル
が形成された半導体基板の断面図である。
【符号の説明】
303 nチャネルMOSトランジスタ 303a 一方
のソース/ドレイン 303b 他方のソース/ドレイン 303d ゲート絶縁膜
303e ゲート電極 307 層間絶縁膜 310 層間絶縁膜 311
コンタクトホール 313 一方のキャパシタ用電極 313a 上層電極
313b 下層電極 315 キャパシタ用誘電膜 316 他方のキャパシ
タ用電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/822 H01L 27/04 H01L 27/108 H01L 21/8242

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上面および下面を有する高融点貴金属層
    からなる上層電極およびこの上層電極の下面側に上記上
    層電極と電気的に接続されて形成され、端部が上記上層
    電極の端部よりも内側に形成される下層電極を有する一
    方のキャパシタ用電極と、上記上層電極の下面に接し、上記下層電極の側面に隣接
    して形成された絶縁体と、 上記上層電極の上面および側面に接し、上記下層電極の
    側面と上記絶縁体を介して対向して形成された高誘電体
    膜からなるキャパシタ用誘電膜と、 上記キャパシタ用誘電膜を介して上記一方のキャパシタ
    用電極に対向して形成される他方のキャパシタ用電極と
    を有するキャパシタを備える半導体装置。
  2. 【請求項2】 キャパシタ用誘電膜は、SrTiO3、BaTiO
    3、(Ba,Sr)TiO3 、PZTまたはPLZTからなることを特徴と
    する請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 上層電極は、Pt、Ta、Ruまたはこれらの
    金属の化合物からなることを特徴とする請求項1または
    請求項2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 上面および下面を有し、Pt、Ta、Ruまた
    はこれらの金属の化合物からなる上層電極およびこの上
    層電極の下面側に上記上層電極と電気的に接続されて形
    成され、端部が上記上層電極の端部よりも内側に形成さ
    れ、TiN 、Ta、TiまたはRuO2からなる下層電極を有する
    一方のキャパシタ用電極と、上記上層電極の下面に接し、上記下層電極の側面に隣接
    して形成された絶縁体と、 上記上層電極の上面および側面に接し、上記下層電極の
    側面と上記絶縁体を介して対向して形成され、SrTiO3、
    BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3 、PZT またはPLZTからなるキャパ
    シタ用誘電膜と、 上記キャパシタ用誘電膜を介して上記一方のキャパシタ
    用電極に対向して形成される他方のキャパシタ用電極と
    を有するキャパシタを備える半導体装置。
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