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JP3981851B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP3981851B2
JP3981851B2 JP18368798A JP18368798A JP3981851B2 JP 3981851 B2 JP3981851 B2 JP 3981851B2 JP 18368798 A JP18368798 A JP 18368798A JP 18368798 A JP18368798 A JP 18368798A JP 3981851 B2 JP3981851 B2 JP 3981851B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲート絶縁膜に高誘電体膜或いは強誘電体膜を用いるトランジスタを含む半導体装置を製造する方法に関する。
【0002】
現在、トランジスタに於けるゲート絶縁膜の薄膜化については限界となりつつある為、誘電率が高い材料を用いてゲート絶縁膜を形成し、薄膜化と同じ効果を電気的に達成したトランジスタが実現されているが、誘電率が高い材料、即ち、高誘電体或いは強誘電体を用いる場合、従来から多用されてきたセルフ・アライメント方法を採ることができないので、本発明では、その問題を解消する一手段を開示する。
【0003】
【従来の技術】
一般に、トランジスタ・メモリ・セルなどを含む集積回路装置を製造する分野に於いては、トランジスタを作成する際にセルフ・アライメント方法が多用されてきた。
【0004】
このセルフ・アライメント方法は、大変よく知られた技術であって、説明する必要はないのであるが、本発明が従来の技術と相違することを明確にする上で有意義であるから、次に図を用いて説明する。
【0005】
図18及び図19は従来例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。尚、ここで説明する半導体装置は、素子間分離をLOCOS(local oxidation of silicon)法で行なったものである。
【0006】
図18(A)参照
18−(1)
Si半導体基板101に於ける能動素子(トランジスタ)領域を耐酸化性被膜である窒化Si膜102で覆ってから熱酸化を行なってフィールド絶縁膜103を形成する。
【0007】
図18(B)参照
18−(2)
窒化Si膜102を除去してSi半導体基板101に於ける能動素子領域を表出させてから熱酸化を行なってゲート絶縁膜104を形成する。
【0008】
18−(3)
導電体材料膜を形成してからパターニングを行なってゲート電極105を形成する。
【0009】
図18(C)参照
18−(4)
ゲート電極5及びフィールド絶縁膜3をマスクとしてイオン注入を行ない、LDD(lightly doped drain)構造の低不純物濃度領域106を形成する。
【0010】
図19(A)参照
19−(1)
全面に絶縁膜を形成してから異方性エッチングを行なって、ゲート電極105の側面にサイド・ウォール107を形成する。
【0011】
19−(2)
サイド・ウォール107、ゲート電極105、フィールド絶縁膜103をマスクとしてイオン注入を行ない、LDD構造の高不純物濃度領域108を形成する。
【0012】
19−(3)
高温の熱処理を行なって、イオン注入された不純物を活性化し、低不純物濃度ソース領域106S及び高不純物濃度ソース領域108S、低不純物濃度ドレイン領域106D及び高不純物濃度ドレイン領域108Dを形成する。
【0013】
図19(B)参照
19−(4)
絶縁膜109を形成してから電極コンタクト窓を形成し、高不純物濃度ソース領域108Sにコンタクトするソース電極110S及び高不純物濃度ドレイン領域108Dにコンタクトするドレイン電極110Dなどを形成する。
【0014】
前記説明した従来例では、素子間分離をLOCOS法で形成したフィールド絶縁膜3に依って行なっているが、STI(shallow trench isolation)法を用いて形成することも行なわれている。
【0015】
図19(C)はSTI法で形成したフィールド絶縁膜111をもつ半導体装置を表す要部切断側面図であり、図18乃至図19(B)に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0016】
STI法でフィールド絶縁膜111を形成する工程は、後に、図7を参照して説明される本発明の実施の形態2と全く同じであるから、その説明を参考にされると良い。
【0017】
前記従来例に依れば、ゲート電極とソース領域或いはドレイン領域との間に位置ずれが発生することはなく、従って、トランジスタの特性ばらつきが少なく、集積回路装置の性能は向上するので、前記セルフ・アライメント方法は、現在、トランジスタを製造する場合の不可欠の技術になっいる。
【0018】
ところで、集積回路装置では、集積度の向上、従って、トランジスタ・サイズの縮小が要求されているので、ゲート絶縁膜も薄膜化されなければならないが、その薄膜化については、最早、物理的限界に近付いていて、従来の例えば酸化膜で形成されたゲート絶縁膜に代えて、誘電率が高い絶縁膜、即ち、高誘電体膜や強誘電体膜が用いられようとしている。
【0019】
現在、SiO2 を用いたゲート絶縁膜で最も薄いものの厚さは約15〔Å〕程度であって、原子層にすると約3層分にしかならず、原子の分布に僅かなばらつきを生ずると原子層が2層或いは1層の部分が局所的に生成され、このようになると、当然、リーク電流が流れ易くなる。
【0020】
この問題を解消するには、リソグラフィ技術に影響しない範囲でゲート絶縁膜を厚くすれば良いのであるが、そのようにした場合にはチャネルとゲート電極との間に充分なキャパシティが得られないから、そこで、ゲート絶縁膜の材料に高誘電体や強誘電体を用いることが必要になってくる。
【0021】
ゲート絶縁膜の材料に於ける誘電率が高ければ、厚膜であっても電気的には薄膜と同効になるので、トランジスタ・サイズの縮小則に沿ってゲート絶縁膜を薄膜化する必要はなくなり、従って、耐リーク電流などの面で信頼性を向上させることができる。
【0022】
また、現在、今まで多用されてきたDRAM(dynamic randomaccess memory)のような揮発性のメモリ素子に代わる不揮発性のメモリ素子を実用化する為の種々な研究開発が実施されている。
【0023】
特に、ゲート絶縁膜に強誘電体膜を用い、1個のトランジスタを用いるのみで1ビットの記憶機能をもつ1トランジスタ型メモリ素子についても研究開発が行なわれている。
【0024】
このようなメモリ素子が実現できれば、1トランジスタ及び1キャパシタで1メモリ素子とするDRAMに比較した場合、下記のような利点を享受することができる。
▲1▼ 集積度を2倍以上に高めることができる。
▲2▼ 不揮発性メモリであるから、記憶保持の為の電力を必要とせず、システム全体の省エネルギ化と長時間使用が可能となる。
▲3▼ バッテリが小型化できるから、システム全体の小型化が可能である。
▲4▼ 記憶を常時保持できるので、必要な時に直ちにシステムを使用することができる。因みに、現用のパーソナル・コンピュータに於いては、電源を投入した後、ハード・ディスクから情報をDRAMに書き込むことが必要であり、その立ち上げに2〔分〕〜3〔分〕もかかり、その使い勝手は良くない。
【0025】
さて、前記したように1トランジスタ型メモリ素子については、種々と優れた点がありながら、現在、実用可能なものを量産するまでに至っていない状態にあり、その最大の理由は、集積回路装置を構成するトランジスタを作成する際、セルフ・アライメント方法を適用することができないことにある。
【0026】
即ち、セルフ・アライメント方法に依って形成したソース領域及びドレイン領域について、その活性化熱処理を行なう際には、ゲート電極下には既にゲート絶縁膜が存在していることは当然であり、そのゲート絶縁膜が従来のように酸化膜であれば何も問題は起こらないのであるが、高誘電体や強誘電体では、その熱処理温度に耐えることができず、下記のような問題を生ずる。
▲1▼ リーク電流が著しく増加する。
▲2▼ 強誘電体の場合には、ヒステリシス(非可逆)特性が失われる。
【0027】
このゲート絶縁膜に関する問題を回避するには、従来のセルフ・アライメント方法を放棄し、ゲート絶縁膜をソース領域及びドレイン領域の不純物活性化熱処理後に形成すれば良いのであるが、これでは、ゲート電極に対してソース領域及びドレイン領域を位置ずれなしに形成することは困難となり、微細なトランジスタを均一に作り込んで高集積化することは不可能になってしまう。
【0028】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、高誘電体或いは強誘電体を材料とするゲート絶縁膜をもつトランジスタを製造するに際し、工程は若干増加するが、ゲート絶縁膜に何らのダメージも与えることなく、セルフ・アライメント方法を適用することができるようにする。
【0029】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ゲート絶縁膜ダミーを形成した状態でセルフ・アライメント方法を適用することに依ってソース領域及びドレイン領域を形成し、注入されたイオンの活性化熱処理を終わってから、ゲート絶縁膜ダミーを除去し、高誘電体或いは強誘電体を材料とするゲート絶縁膜に置換することが基本になっている。
【0030】
本発明で用いるゲート絶縁膜ダミーは、高温でイオンの活性化熱処理を行なった後、そのゲート絶縁膜ダミーのみを選択的に除去する必要がある為、高温に耐える材料であるのは勿論のこと、その後、選択的に容易に除去できる性質のものであることが必要である。
【0031】
また、ゲート絶縁膜ダミーは、ゲート電極の下方全面に形成するのではなく、セルフ・アライメント方法を適用してソース領域及びドレイン領域を形成するのに差し支えがない範囲で一部のみに形成しなければならない。
【0032】
そのような構成を採る理由は、ゲート絶縁膜ダミーをゲート電極の下方全面に形成した状態で選択的に除去すると、その上のゲート電極がリフト・オフされてしまうからである。
【0033】
ゲート絶縁膜ダミーは、その目的の為に特別に形成する必要はなく、例えばLOCOS法でフィールド絶縁膜を形成する際に能動素子領域を覆った耐酸化性被膜である窒化膜を利用したり、或いは、STI法でフィールド絶縁膜を形成する際に表面をCMP(chemical mechanical polishing)から保護する為に用いた窒化膜を利用するなどの手段を採れば工程増加が少なくて好都合である。
【0034】
図1及び図2は本発明の原理を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
【0035】
図1(A)参照
1−(1)
Si半導体基板1に於ける能動素子領域に選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー2を形成する。
【0036】
ゲート絶縁膜ダミー2は、後に形成されるソース領域及びドレイン領域の幅と略等しい幅をもって形成される。尚、ここで「幅」とは、チャネル長と直交する方向の幅を意味する。
【0037】
図1(B)参照
1−(2)
ゲート絶縁膜ダミー2上にゲート電極5を形成してからイオン注入を行なってLDD構造の低不純物濃度ソース領域及び低不純物濃度ドレイン領域となるべき低不純物濃度領域6を形成する。
【0038】
ゲート電極5は、その幅がゲート絶縁膜ダミー2の幅を越えて延在するように形成されるので、その両端、即ち、紙面に垂直な方向の両端は能動素子領域を越えて例えばフィールド絶縁膜上に在る。
【0039】
この場合、ゲート絶縁膜ダミー2を用いていても、ソース領域及びドレイン領域となるべき低不純物濃度領域6は、ゲート電極5に対してセルフ・アライメントで形成されている点で従来の製造プロセスと全く変わりない。
【0040】
図1(C)参照
1−(3)
ゲート電極3の側面にサイド・ウォール7を形成してからイオン注入を行なってLDD構造の高不純物濃度ソース領域及び高不純物濃度ドレイン領域となるべき高不純物濃度領域8を形成する。
【0041】
図2(A)参照
2−(1)
注入されたイオンを活性化する為の熱処理を行なって、低不純物濃度ソース領域6S及び高不純物濃度ソース領域8S、低不純物濃度ドレイン領域6D及び高不純物濃度ドレイン領域8Dを形成する。尚、この際、ゲート絶縁膜ダミー2も高温に曝される。
【0042】
2−(2)
ゲート絶縁膜ダミー2を選択的に除去し、ゲート電極5の下に空洞2Aを生成させる。
【0043】
図2(B)参照
2−(3)
高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜9を形成し、必要に応じてパターニングする。
【0044】
ゲート絶縁膜9は、現在の成膜技術を適切に選択すれば、空洞2Aを埋めるように形成することについて何らの困難もない。因みに、半導体装置の集積度が低い場合、即ち、ゲート長が長い場合には、ゲート電極5の下に高誘電体或いは強誘電体が入り込めない場合も起こるであろうが、集積度が向上すると共にゲート長は短くなるのであるから、ゲート電極5の下に高誘電体或いは強誘電体が充分に入り込むことは容易であり、実際上、0.8〔μm〕以下のゲート長に対しては何ら問題はない。
【0045】
前記のようにしてゲート絶縁膜9を形成した後、現用の半導体装置の製造プロセスでは高温の熱処理が実施されることはないから、高誘電体或いは強誘電体が劣化することはない。
【0046】
ところで、選択除去可能なゲート絶縁膜ダミーを除去する工程を実施する段階については幾つかの選択肢があり、その如何に依って実施の形態は異なってくるので、その段階について例示すると次の四つの時点を挙げることができる。
【0047】
▲1▼ ゲート電極材料膜を加工してゲート電極を形成した後に除去する。
▲2▼ ゲート電極の側面にサイド・ウォールを形成した後に除去する。
▲3▼ サイド・ウォールの除去時にゲート絶縁膜ダミーも除去する(実施の形態6を参照)。
▲4▼ 素子形成基板の裏面側から該素子形成基板やフィールド絶縁膜に形成した開口を介して除去する(実施の形態7及び8を参照)。
【0048】
また、ソース領域及びドレイン領域を形成する為にイオン注入された不純物を活性化する為の熱処理については、イオン注入してから高誘電体膜或いは強誘電体膜を形成する前までの間ならば何れの段階であっても良く、大別すると(1)ゲート絶縁膜ダミーの除去前に不純物活性化熱処理を行なう、(2)ゲート絶縁膜ダミーの除去後に不純物活性化熱処理を行なう、の二つであり、それに基づいて、次の五つの選択肢がある。
【0049】
▲1▼ 「不純物イオン注入」→「不純物活性化熱処理」→「ゲート絶縁膜ダミー除去」→「高誘電体或いは強誘電体のゲート絶縁膜形成」。
▲2▼ 「不純物イオン注入」→「ゲート絶縁膜ダミー除去」→「不純物活性化熱処理」→「高誘電体或いは強誘電体のゲート絶縁膜形成」。
▲3▼ 「ゲート絶縁膜ダミー除去」→「不純物イオン注入」→「不純物活性化熱処理」→「不純物活性化熱処理」→「高誘電体或いは強誘電体のゲート絶縁膜形成」。
▲4▼ 「ゲート絶縁膜ダミーの一部を除去」→「不純物イオン注入」→「不純物活性化熱処理」→「ゲート絶縁膜ダミーの全てを除去」→「高誘電体或いは強誘電体のゲート絶縁膜形成」。
▲5▼ 「ゲート絶縁膜ダミーの一部を除去」→「不純物イオン注入」→「ゲート絶縁膜ダミーの全てを除去」→「不純物活性化熱処理」→「高誘電体或いは強誘電体のゲート絶縁膜形成」。
【0050】
前記したところから、本発明に依る半導体装置の製造方法に於いては、
(1)
両端がフィールド絶縁膜(例えばフィールド絶縁膜24)上に在ると共に他の部分が選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー(例えば窒化Si膜23)上に在るゲート電極(例えばゲート電極25)を形成する工程と、次いで、前記ゲート電極並びに前記フィールド絶縁膜をマスクとして不純物イオン注入する工程と、注入された前記不純物の活性化熱処理を行なってソース領域(例えば低不純物濃度ソース領域26S及び高不純物濃度ソース領域28S)並びにドレイン領域(例えば低不純物濃度ドレイン領域26D及び高不純物濃度ドレイン領域28D)を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜ダミーを除去して前記ゲート電極直下に空洞(例えば空洞23A)を生成させる工程と、次いで、少なくとも前記空洞を埋める高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜(例えばゲート絶縁膜29)を形成する工程と、その後、ソース電極(例えばソース電極31S)及びドレイン電(例えばドレイン電極31D)形成する工程とが含まれてなることを特徴とするか、又は、(2)
両端がフィールド絶縁膜(例えばフィールド絶縁膜24)上に在ると共に他の部分が選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー(例えば窒化Si膜23)上に在るゲート電極(例えばゲート電極25)を形成する工程と、次いで、前記ゲート絶縁膜ダミーのゲート電極と接する部分以外を除去してから前記ゲート電極並びに前記フィールド絶縁膜をマスクとして不純物をイオン注入する工程と、前記不純物の活性化熱処理を行なってソース領域(例えば低不純物濃度ソース領域26S及び高不純物濃度ソース領域28S)並びにドレイン領域(例えば低不純物濃度ドレイン領域26D及び高不純物濃度ドレイン領域28D)を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜ダミーを除去して前記ゲート電極直下に空洞(例えば空洞23A)を生成させる工程と、次いで、少なくとも前記空洞を埋める高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜(例えばゲート絶縁膜29)を形成する工程と、その後、ソース電極(例えばソース電極31S)及びドレイン電極(例えばドレイン電極31D)を形成する工程とが含まれてなることを特徴とするか、又は、
(3)
両端がフィールド絶縁膜上に在ると共に他の部分が選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー上に在るゲート電極を形成する工程と、次いで、前記ゲート絶縁膜ダミーを全部除去して前記ゲート電極直下に空洞を生成させてから前記ゲート電極及び前記フィールド絶縁膜をマスクとして不純物をイオン注入する工程と、次いで、注入された前記不純物の活性化熱処理を行なってソース領域並びにドレイン領域を形成する工程と、次いで、少なくとも前記空洞を埋める高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、その後、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程とが含まれてなることを特徴とするか、又は、
(4)
前記(1)乃至(3)の何れか1に於いて、ゲート電極の側面にサイド・ウォールを形成する工程が含まれてなることを特徴とするか、又は、
(5)
前記(4)に於いて、前記サイド・ウォール形成の前に少なくとも1回及び後に少なくとも1回のソース領域用とドレイン領域用のイオン注入を行なう工程が含まれてなることを特徴とするか、又は、
(6)
両端がフィールド絶縁膜(例えばフィールド絶縁膜44)上に在ると共に他の部分が選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー(例えば窒化Si膜43)上に在るゲート電極(例えばゲート電極46)を形成する工程と、次いで、前記ゲート電極の側面にサイド・ウォール(例えばサイド・ウォール47)を形成する工程と、前記サイド・ウォールの頂面を露出させて絶縁膜(例えば絶縁膜49)を形成する工程と、前記サイド・ウォール及びゲート絶縁膜ダミーを除去して空洞(例えば空洞43A及び47A)を生成させる工程と、前記 ゲート電極及び前記フィールド絶縁膜をマスクとして不純物イオンを注入する工程と、注入された前記不純物の活性化熱処理を行なってソース領域(例えばソース領域48S)並びにドレイン領域(例えばドレイン領域48D)を形成する工程と、次いで、少なくとも前記空洞を埋める高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜(例えば高誘電体膜50)を形成する工程とが含まれてなることを特徴とするか、又は、
(7)
両端がフィールド絶縁膜(例えばフィールド絶縁膜64)上に在ると共に他の部分が選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー(例えば窒化Si膜63)上に在るゲート電極(例えばゲート電極65)を形成する工程と、次いで、不純物をイオン注入してから前記不純物の活性化熱処理してソース領域(例えば低不純物濃度ソース領域66S及び高不純物濃度ソース領域68S)並びにドレイン領域(例えば低不純物濃度ドレイン領域66D及び高不純物濃度ドレイン領域68D)を形成する工程と、次いで、前記表面側にゲート電極が十分に埋まる程度に厚い絶縁膜(例えば絶縁膜69)を形成して平坦化する工程と、次いで、前記平坦化された絶縁膜の表面と支持基板(例えば支持側Si半導体基板70)とを貼り合わせてからソース領域並びにドレイン領域が存在する側を研磨して前記フィールド絶縁膜が露出するまで薄膜化する工程と、次いで、前記薄膜化された側から前記ゲート絶縁膜ダミーに達する開口(例えば開口71A、開口64A、開口61Aなど)を形成する工程と、次いで、前記開口を介して前記ゲート絶縁膜ダミーを除去して前記ゲート電極直下に空洞(例えば空洞63A)を生成させる工程と、次いで、少なくとも前記空洞を埋める高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜(例えば高誘電体膜72)を形成する工程と、その後、ソース電極(例えばソース電極73S)及びドレイン電極(例えばドレイン電極73D)を形成する工程とが含まれてなることを特徴とする。
【0060】
前記手段を採ることに依って、ゲート電極に対してソース領域及びドレイン領域の位置合わせを自動的に行なうセルフ・アライメント方法の利点を維持しながら、ゲート絶縁膜に熱処理の高温が加わらないようにすることができるので、材料に高誘電体或いは強誘電体を用いた場合、それ等が劣化するおそれは皆無である。
【0061】
従って、トランジスタ・サイズの縮小則に沿うように縮小を行なった場合であっても、ゲート絶縁膜のみは、高い誘電率を維持しながら、所要の耐圧が得られる程度に厚く形成することができ、従って、トランジスタの微細化、半導体装置の高集積化に寄与することができる。
【0062】
また、強誘電体のゲート絶縁膜をもつトランジスタは、ヒステリシス特性をもつので、1トランジスタ型のメモリ素子を含むFeRAM(ferroelectrics random access memory)をセルフ・アライメント方法を適用して製造することができる。
【0063】
【発明の実施の形態】
図3乃至図6は本発明に於ける実施の形態1を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図及び要部切断説明図(図4)である。以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
【0064】
図3(A)参照
3−(1)
熱酸化法を適用することに依り、Si半導体基板21上に厚さが約10〔nm〕程度の酸化Si膜22を形成する。
【0065】
酸化Si膜22は、いわゆるパッド酸化膜と呼ばれ、Si半導体基板21の表面に窒化Si膜が直接接触して悪影響を及ぼすことを防ぐ役割を果たしている。
【0066】
3−(2)
CVD法を適用することに依り、パッド酸化膜22上に耐酸化性被膜として作用する厚さが約100〔nm〕程度の窒化Si膜23を形成する。尚、窒化Si膜23の厚さは30〔nm〕〜100〔nm〕の範囲で選択することができる。
【0067】
図3(B)参照
3−(3)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチング・ガスをCF4 +CHF3 +Arとするドライ・エッチング法を適用することに依り、窒化Si膜23のパターニングを行なって、能動素子領域を覆う部分を残して他を除去する。
【0068】
図3(C)参照
3−(4)
熱酸化法を適用することに依り、窒化Si膜23で覆われた能動素子領域以外のSi半導体基板21上に厚さ約100〔nm〕〜600〔nm〕程度のフィールド絶縁膜24を形成する。
【0069】
この後、通常であれば、窒化Si膜23は除去するのであるが、本実施の形態では、これを「選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー」として残留させる。
【0070】
図4(A)及び図4(B)参照
4−(1)
CVD法を適用することに依り、厚さが150〔nm〕である不純物含有多結晶Si膜を形成する。
【0071】
この不純物含有多結晶Si膜は、他のゲート電極材料、例えば下層が不純物含有多結晶Si膜、上層がタングステン・シリサイド膜である複合膜などを用いても良い。
【0072】
4−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチング・ガスをHBr+O2 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、不純物含有多結晶Si膜をパターニングしてゲート電極25を形成する。
【0073】
図4(C)参照
4−(3)
イオン注入法を適用することに依り、窒化Si膜の厚さが50〔nm〕の場合でイオン加速エネルギを70〔keV〕、ドーズ量を1×1014〔cm-2〕とし、ゲート電極25及び300〔nm〕厚さのフィールド絶縁膜24をマスクにPイオンの打ち込みを行なってLDD構造の低不純物濃度ソース領域及び低不純物濃度ドレイン領域となる低不純物濃度領域26を形成する。
【0074】
図5(A)参照
5−(1)
CVD法を適用することに依り、厚さ約30〔nm〕〜300〔nm〕程度のSiO2 膜を全面に形成する。尚、この膜厚はゲート幅に依存し、通常、ゲート幅の1/4程度に選択される。
【0075】
5−(2)
エッチング・ガスをCF4 +Ar+CHF3 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、SiO2 膜を異方性エッチングしてサイド・ウォール27を形成する。
【0076】
図5(B)参照
5−(3)
窒化Si膜23はゲート絶縁膜ダミーとしての役割を終わったので、全体を熱リン酸中に浸漬することに依り、ゲート電極25の直下に在る部分を含めて全て除去して空洞23Aを生成させる。
【0077】
窒化Si膜23の下地になっているパッド酸化膜22は残留させることが望ましいが、全て除去してから改めて酸化或いは窒化するなどして、再度薄い酸化膜或いは窒化膜を形成すると良い。
【0078】
これは、後に形成する高誘電体膜や強誘電体膜がSi半導体基板21の表面に直接接触して界面準位を増加させたり、高誘電体膜或いは強誘電体膜のリーク電流が増加するのを防ぐ為である。
【0079】
前記の結果、ゲート電極25の直下には空洞が生成され、また、ゲート電極25の両端はフィールド絶縁膜24上に在るから、ゲート電極25は、空洞上に掛かったブリッジをなしている。
【0080】
図5(C)参照
5−(4)
イオン注入法を適用することに依り、イオン加速エネルギを20〔keV〕、ドーズ量を5×1015〔cm-2〕とし、サイド・ウォール27、ゲート電極25、フィールド絶縁膜24をマスクにPイオンの打ち込みを行なってLDD構造の高不純物濃度ソース領域及び高不純物濃度ドレイン領域となる高不純物濃度領域28を形成する。
【0081】
図6(A)参照
6−(1)
温度1000〔℃〕、時間10〔秒〕の熱処理を行なって、前記イオン注入された不純物Pの活性化を行なって、低不純物濃度ソース領域26S及び高不純物濃度ソース領域28S、低不純物濃度ドレイン領域26D及び高不純物濃度ドレイン領域28Dを形成する。
【0082】
図6(B)参照
6−(2)
CVD法を適用することに依り、高誘電体材料であるTa2 5 からなるゲート絶縁膜29を形成する。尚、高誘電体膜を成膜する他の技術としてスピン・コート法を適用することもでき、また、高誘電体材料もTa2 5 の他に例えばBST((Ba,Sr)TiO3 )を用いても良い。
【0083】
ゲート絶縁膜29は全面に形成され、勿論、ゲート電極25直下の空洞にも埋め込まれ、その厚さは、ゲート絶縁膜ダミーであった窒化Si膜23の厚さである約5〔nm〕程度を形成して埋め込みが終了した後は、それ以上に厚く成膜する必要はない。
【0084】
6−(3)
リーク電流を少なくする為、酸素雰囲気中に於いて、温度を700〔℃〕、時間3〔分〕の熱処理を行ない、高誘電体であるゲート絶縁膜29をある程度結晶化する。
【0085】
この熱処理は、ソース領域26S及び28S、ドレイン領域26D及び28Dを形成する為にイオン注入された不純物を活性化する為の熱処理の際の温度と比較すると充分に低温であり、高誘電体が破壊されてリーク電流が増加するなどのおそれは皆無であり、むしろ、ゲート絶縁膜29の結晶化を助長し、リーク電流の低減に有効である。
【0086】
図6(C)参照
6−(4)
CVD法を適用することに依り、厚さが200〔nm〕であるSiO2 からなる層間絶縁膜30を形成する。
【0087】
6−(5)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチング・ガスをCF4 +Ar+CHF3 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、層間絶縁膜30をエッチングして開口を形成する。
【0088】
6−(6)
スパッタリング法を適用することに依ってAl膜を形成してから、リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチング・ガスをCl+BCl3 とするドライ・エッチング法を適用することに依ってAl膜のパターニングを行ない、ソース電極31S、ドレイン電極31D、その他の配線などを形成する。
【0089】
前記説明した実施の形態1に於いては、素子間分離を行なうフィールド絶縁膜24を形成するのにLOCOS法を適用したが、これはSTI法に代替しても良いことは云うまでもなく、次に、STI法を適用した製造工程を実施の形態2として説明する。
【0090】
図7は本発明に於ける実施の形態2を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であり、図3乃至図6に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとし、以下、図7を参照しつつ説明するが、Si半導体基板21上に耐酸化性被膜として作用する窒化Si膜23を形成してパターニングする迄の工程は実施の形態1と同じであるから省略し、その次の工程から説明する。
【0091】
図7(A)参照
7−(1)
窒化Si膜23をパターニングしてから、引き続き、エッチング・ガスをCF4 +Ar+CH3 (SiO2 用)及びHBr+O2 (Si用)とするドライ・エッチング法を適用することに依り、パッド酸化膜22及びSi半導体基板21をエッチングし、フィールド絶縁膜形成予定部分に凹所を形成する。
【0092】
この場合、Si半導体基板21のエッチング深さは、例えば500〔nm〕とする。
【0093】
図7(B)参照
7−(2)
熱酸化法を適用することに依り、Si半導体基板21の露出されている表面を酸化して厚さが約10〔nm〕程度の酸化Si膜22Aを形成する。
【0094】
7−(3)
高密度プラズマCVD法を適用することに依り、厚さが1000〔nm〕のSiO2 膜を形成する。
【0095】
図7(C)参照
7−(4)
CMP法を適用し、また、窒化Si膜23を研磨ストッパとして、工程7−(3)で形成したSiO2 膜の研磨を行ない、Si半導体基板21の凹所内のみにSiO2 膜を残してフィールド絶縁膜24Aとする。
【0096】
尚、この場合も窒化Si膜23は除去せず、「選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー」として残留させる。
【0097】
この後、実施の形態1と同様の工程を経て半導体装置を完成させる。
【0098】
実施の形態1及び実施の形態2に於いて、高誘電体のゲート絶縁膜に代えて強誘電体、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PbTiO3 −PbZrO3 :PZT)やY1(商品名:米国シンメトリックス社)などを用いることができるので、これを実施の形態3として説明する。
【0099】
強誘電体は、高誘電体と同様、CVD法やスピン・コート法を適用して成膜することができ、強誘電体膜の表裏間に所定電圧以上の電圧を印加した場合、内部に生じた分極状態は電圧印加を停止した後でも維持され続ける、いわゆるヒステリシス特性をもっている。
【0100】
そこで、トランジスタのゲート絶縁膜を強誘電体で構成した場合、しきい値以上のゲート電圧を印加することでオンとなる点では通常のトランジスタと変わりないが、その後、ゲート電圧をしきい値以下に低下させてもオフにはならない。
【0101】
従って、前記トランジスタは記憶保持能力をもち、メモリとして用いることが可能である。尚、オフにする為には、ゲート電極に所定値以上の逆バイアス電圧を印加する必要がある。
【0102】
前記実施の形態1乃至3では、ソース領域及びドレイン領域の構造としてLDD構造を採り入れているが、低不純物濃度ソース領域及び低不純物濃度ドレイン領域、又は、高不純物濃度ソース領域及び高不純物濃度ドレイン領域のどちらかを省略しても良く、唯、低不純物濃度ソース領域及び低不純物濃度ドレイン領域を省略した場合には、高不純物濃度ソース領域及び高不純物濃度ドレイン領域の不純物を拡散してサイド・ウォールとゲート電極との界面直下に達するように広げることが必要である。尚、この改変を実施の形態4とする。
【0103】
図8は本発明に於ける実施の形態5を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であり、図3乃至図6に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとし、以下、図8を参照しつつ説明するが、Si半導体基板21にゲート電極25を形成する迄の工程は実施の形態1と同じであるから省略し、その次の工程から説明する。
【0104】
図8(A)参照
8−(1)
全体を熱リン酸中に浸漬することに依り、ゲート電極25の直下に在る部分を含めて窒化Si膜23(図3乃至図5参照)を全て除去する。
【0105】
前記工程を経ると、ゲート電極25の直下に空洞23Aが生成され、また、ゲート電極25の両端はフィールド絶縁膜24上に在るから、ゲート電極25は空洞23A上に掛かったブリッジをなしている。
【0106】
図8(B)参照
8−(2)
イオン注入法を適用することに依り、イオン加速エネルギを20〔keV〕、ドーズ量を3×1013〔cm-2〕とし、ゲート電極25及びフィールド絶縁膜24をマスクにPイオンの打ち込みを行なって低不純物濃度ソース領域及び低不純物濃度ドレイン領域となる低不純物濃度領域26を形成する。
【0107】
図8(C)参照
8−(3)
温度1000〔℃〕、時間10〔秒〕の熱処理を行なって、イオン注入されたPの活性化を行なって、低不純物濃度ソース領域26S及び低不純物濃度ドレイン領域26Dを形成する。
【0108】
8−(4)
CVD法を適用することに依り、高誘電体材料或いは強誘電体材料からなるゲート絶縁膜29を形成する。尚、ゲート絶縁膜29Aを成膜する他の技術としてスピン・コート法を適用することもできる。
【0109】
8−(5)
リーク電流を少なくする為、酸素雰囲気中に於いて、温度を700〔℃〕、時間3〔分〕の熱処理を行ない、高誘電体或いは強誘電体であるゲート絶縁膜29を結晶化する。
【0110】
8−(6)
この後、実施の形態1と同様、層間絶縁膜の形成、開口の形成、電極及び配線の形成などを行なって完成する。
【0111】
尚、実施の形態5に依って得られる半導体装置に於いては、高不純物濃度ソース領域及び高不純物濃度ドレイン領域を設けないので、電極コンタクト抵抗が高くなることを懸念する向きもあろうが、高速動作性を余り必要としないメモリなどに於いては製造が容易であって且つ性能上の問題が無い点で有用である。
【0112】
図9乃至図11は本発明に於ける実施の形態6を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であり、以下、図を参照しつつ説明するが、Si半導体基板41にフィールド絶縁膜44を形成する迄の工程は実施の形態1と同じであるから簡単に説明してある。
【0113】
図9(A)参照
9−(1)
Si半導体基板41にパッド酸化膜である酸化Si膜42、耐酸化性被膜兼選択除去可能なゲート絶縁膜ダミーである窒化Si膜43、SiO2 からなるフィールド絶縁膜44を形成する。
【0114】
9−(2)
CVD法を適用することに依り、厚さが150〔nm〕である不純物含有多結晶Si膜を形成する。
【0115】
9−(3)
CVD法を適用することに依り、厚さが50〔nm〕〜100〔nm〕であるSiO2 からなる絶縁膜を形成する。尚、この絶縁膜は省略しても良い。
【0116】
9−(4)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチング・ガスをCF4 +Ar+CH3 (SiO2 用)及びHBr+O2 (Si用)とするドライ・エッチング法を適用することに依り、SiO2 からなる絶縁膜及び不純物含有多結晶Si膜を異方性エッチングして絶縁膜キャップ45及びゲート電極46を形成する。
【0117】
図9(B)参照
9−(5)
エッチング・ガスをCF4 +Ar+CH3 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、表出されている窒化Si膜43を異方性エッチングして絶縁膜キャップ45或いはゲート電極46と同パターンにする。尚、このエッチングでは、絶縁膜キャップ45やフィールド絶縁膜44などSiO2 が損傷を
うけないようなエッチング条件を選択することが好ましい。
【0118】
若し、LDD構造にするのであれば、この段階で低不純物濃度不純物ソース領域及び低不純物濃度不純物ドレイン領域を形成しなければならない。
【0119】
図9(C)参照
9−(6)
CVD法を適用することに依り、厚さが100〔nm〕である窒化Si膜を全面に形成する。
【0120】
9−(7)
エッチング・ガスをCF4 +Ar+CH3 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、工程9−(6)で形成した窒化Si膜の異方性エッチングを行なって絶縁膜キャップ45、ゲート電極46、窒化Si膜43の側面にサイド・ウォール47を形成する。
【0121】
尚、窒化Si膜43は工程9−(5)で異方性エッチングして絶縁膜キャップ45などと同パターンにしたが、サイド・ウォール47を形成した後に異方性エッチングしても良く、そのようにした場合、サイド・ウォール47の底は窒化Si膜43上に在る構造となる。何れにせよ、要は、窒化Si膜43と窒化Siからなるサイド・ウォール47が接続された状態にあれば良い。また、サイド・ウォール47と窒化Si膜43であるゲート絶縁膜ダミーとは、必ずしも同材料である必要はなく、エッチング除去する際の工程が増加することを厭わなければ別々の材料を用いることもできる。
【0122】
9−(8)
イオン注入法を適用することに依り、イオン加速エネルギを20〔keV〕、ドーズ量を5×1015〔cm-2〕とし、サイド・ウォール47、ゲート電極46、絶縁膜キャップ45、フィールド絶縁膜44をマスクにPイオンの打ち込みを行なって高不純物濃度ソース領域及び高不純物濃度ドレイン領域となる高不純物濃度領域48を形成する。
【0123】
尚、この後、サイド・ウォール47と窒化Si膜43とを選択的に除去して図8(A)に見られるような構造にしても良く、その場合、高不純物濃度のソース領域及びドレイン領域を形成する為のイオン注入は既に施されている為、図8(B)に見られるように、LDD構造の低不純物濃度のソース領域及びドレイン領域を形成すれば、通常のLDD構造にすることができる。
【0124】
図10(A)参照
10−(1)
温度を1000〔℃〕、時間を10〔秒〕としてイオン注入されたPの活性化熱処理を行なってソース領域48S並びにドレイン領域48Dを形成する。尚、この熱処理は、ソース領域48S並びにドレイン領域48Dのチャネル対向側がサイド・ウォール47とゲート電極46との界面の直下に達する程度に拡散されるようにすることが好ましい。
【0125】
10−(2)
CVD法を適用することに依り、厚さが200〔nm〕のSiO2 からなる絶縁膜49を形成する。
【0126】
10−(3)
CMP法を適用することに依り、絶縁膜49の研磨を行なってサイド・ウォール47の頂面、従って、絶縁膜キャップ45の頂面が露出した時点で停止する。尚、絶縁膜49の厚さを低減するにはエッチング法を適用しても良い。
【0127】
図10(B)参照
10−(4)
熱リン酸中に浸漬して、窒化Siからなるサイド・ウォール47を除去すると共にゲート電極46の下に在るゲート絶縁膜ダミーであった窒化Si膜43を除去して空洞43A及び47Aを生成させる。
【0128】
図10(C)参照
10−(5)
CVD法を適用することに依り、サイド・ウォール47を除去して生成された空洞47A、及び、窒化Si膜43を除去して生成された空洞43Aを埋めるBST或いはTa2 5 からなる高誘電体膜50を形成する。尚、高誘電体膜50は強誘電体膜に代替しても良い。
【0129】
この高誘電体膜50のうち、ゲート電極46の直下に在る部分は、ゲート絶縁膜として作用することは云うまでもない。
【0130】
図11参照
11−(1)
リーク電流を少なくする為、酸素雰囲気中に於いて、温度を700〔℃〕、時間3〔分〕の熱処理を行ない、一部がゲート絶縁膜をなす高誘電体膜50を結晶化する。
【0131】
11−(2)
この後、絶縁膜49及び高誘電体膜50に対する電極コンタクト用開口の形成、電極及び配線51の形成などを行なって完成する。
【0132】
前記説明した各実施の形態に於いては、Si半導体基板を用いた半導体装置について説明したが、本発明を実施してSOI構造の半導体装置を作成することもできる。
【0133】
SOI構造といっても、種々な構成のものがあり、例えば素子側基板にデバイスをある程度まで形成した後、途中から、その全体を支持側基板を貼付してSOI構造にする手段が知られ(要すれば「特許第9603827号」を参照)、この手段は本発明に於いても有効に利用することができる。
【0134】
図12乃至図14は本発明に於ける実施の形態7を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断説明図であり、何れの図に於いても、(A)は要部切断側面、(B)は要部切断平面である。
【0135】
以下、図を参照しながら説明するが、素子形成側Si半導体基板61に高不純物濃度ソース領域68S及び高不純物濃度ドレイン領域68Dを形成する迄の工程は実施の形態1と同じであるから簡単に説明してある。
【0136】
図12参照
12−(1)
素子形成側Si半導体基板61にパッド酸化膜である酸化Si膜62、耐酸化性被膜兼選択除去可能なゲート絶縁膜ダミーである窒化Si膜63、フィールド絶縁膜64、不純物含有多結晶Siゲート電極65、LDD構造の低不純物濃度ソース領域及び低不純物濃度ドレイン領域となる低不純物濃度領域、SiO2 からなるサイド・ウォール67、LDD構造の高不純物濃度ソース領域及び高不純物濃度ドレイン領域となる高不純物濃度領域を形成する。
【0137】
12−(2)
温度を1000〔℃〕、時間を10〔秒〕として、イオン注入された不純物の活性化熱処理を行ない、低不純物濃度ソース領域66S及び低不純物濃度ドレイン領域66D、高不純物濃度領域68S及び高不純物濃度領域68Dを生成させる。
【0138】
12−(3)
CVD法を適用することに依り、全表面に厚さが1〔μm〕であるSiO2 からなる絶縁膜69を形成する。
【0139】
12−(4)
CMP法を適用することに依り、絶縁膜69の研磨を行なって表面を平坦にする共に絶縁膜69の厚さを0.5〔μm〕とする。
【0140】
12−(5)
加熱圧着法等の手段を適用することに依り、絶縁膜69の表面に支持側Si半導体基板70を貼付する。
【0141】
12−(6)
CMP法を適用することに依り、素子形成側Si半導体基板61の裏面を研磨し、フィールド絶縁膜64が表出するまで薄膜化を継続することで、フィールド絶縁膜64に囲まれたSiの島が生成される。
【0142】
図13参照
13−(1)
CVD法を適用することに依り、素子形成側Si半導体基板61の表出面に厚さが200〔nm〕のSiO2 からなる層間絶縁膜71を形成する。
【0143】
13−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチング・ガスをCF4 +Ar+CH3 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、層間絶縁膜71に開口71Aを形成する。
【0144】
13−(3)
エッチング・ガスをHBr+O2 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、開口71Aを介して素子形成側Si半導体基板61のエッチングを行なって開口61Aを形成する。
【0145】
13−(4)
希釈フッ酸からなるエッチング液中に浸漬してパッド酸化膜である酸化Si膜62を除去する。
【0146】
13−(5)
熱リン酸中に浸漬し、窒化Siからなるゲート絶縁膜ダミーである窒化Si膜63を全て除去し、空洞63Aを生成する。
【0147】
図14参照
14−(1)
CVD法を適用することに依り、開口61A、空洞63Aまで充分に回り込むようにTa2 5 或いはBSTからなる高誘電体膜72を形成する。尚、高誘電体膜72は強誘電体膜に代替しても良い。
【0148】
必要に応じ、高誘電体膜72を結晶化させる為のアニールを行なう。尚、この結晶化アニール工程は、温度を700〔℃〕、時間を3〔分〕程度として実施する。
【0149】
高誘電体膜72のうち、ゲート電極65の直下に在る部分は、ゲート絶縁膜として作用することは云うまでもない。
【0150】
14−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、ドライ・エッチング法を適用することに依り、高誘電体膜72及び層間絶縁膜71のエッチングを行なってソース電極コンタクト用開口及びドレイン電極コンタクト用開口を形成する。
【0151】
尚、高誘電体のドライ・エッチングに用いるエッチング・ガスは高誘電体の種類に依って選択し、また、SiO2 用のエッチング・ガスとしてはCF4 +Ar+CH3 を選択して良い。
【0152】
14−(3)
真空蒸着法或いはスパッタリング法、リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、ドライ・エッチング法を適用することに依り、Al膜及びTiN或いはWNからなるバリヤ膜の積層体からなるソース電極73S及びドレイン電極73Dを形成する。
【0153】
実施の形態7に依って作成された半導体装置が、本発明の利点の他にSOI構造の利点を併せもつこと、即0000間の寄生容量低減、従って、高速動作化及び低消費電力化に効果あることは云うまでもない。
【0154】
前記説明した何れの実施の形態に於いても、選択除去可能なゲート絶縁膜ダミーとして、LOCOS法を適用してフィールド絶縁膜を形成する際の耐酸化性被膜である窒化Si膜を流用している。
【0155】
然しながら、選択除去可能なゲート絶縁膜ダミーには、窒化Si膜の他に種々な材料を使用することができ、また、半導体装置に用いる材料との関連で、窒化Si以外を用いた方が好ましい場合もある。
【0156】
選択除去可能なゲート絶縁膜ダミーとして専用のものを別設する場合には、できる限り工程数の増加を抑える為、半導体装置自体の構造に若干の改変を必要とする。
【0157】
図15乃至図17は本発明に於ける実施の形態8を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断説明図であり、何れの図に於いても、(A)は要部切断側面、(B)は要部切断平面である。
【0158】
以下、図を参照しながら説明するが、素子形成側Si半導体基板61にフィールド絶縁膜64を形成する迄の工程は実施の形態1と同じであるから簡単に説明してある。
【0159】
図15参照
15−(1)
LOCOS法でフィールド絶縁膜64を形成した後、パッド酸化膜である酸化Si膜、耐酸化性被膜である窒化Si膜を除去してから改めて例えばアルミナ(Al2 3 )などからなる選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー81を形成する。尚、ゲート絶縁膜ダミー81の材料としては、Al2 3 の他にTiN或いはWNなども使用することもできる。
【0160】
15−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチング・ガスをCF4 +Ar+CH3 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、ゲート絶縁膜ダミー81のパターニングを行なって能動素子領域を覆う部分並びにフィールド絶縁膜64上に掛かった一部を残して他を除去する。
【0161】
15−(3)
CVD法を適用することに依り、厚さが150〔nm〕である多結晶Si膜を形成する。
【0162】
15−(4)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチング・ガスをHBr+O2 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、多結晶Si膜をパターニングしてゲート電極65を形成する。
【0163】
15−(5)
イオン注入法を適用することに依り、イオン加速エネルギを70〔keV〕、ドーズ量を1×1014〔cm-2〕とし、ゲート電極65及びフィールド絶縁膜64をマスクにPイオンの打ち込みを行なってLDD構造の低不純物濃度ソース領域及び低不純物濃度ドレイン領域となる低不純物濃度領域を形成する。
【0164】
15−(6)
CVD法を適用することに依り、厚さ約100〔nm〕程度のSiO2 膜を全面に形成する。
【0165】
15−(7)
エッチング・ガスをCF4 +Ar+CH3 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、工程15−(6)で形成したSiO2 膜を異方性エッチングしてサイド・ウォール67を形成する。
【0166】
15−(8)
イオン注入法を適用することに依り、イオン加速エネルギを70〔keV〕、ドーズ量を5×1015〔cm-2〕とし、サイド・ウォール67、ゲート電極65、フィールド絶縁膜64をマスクにPイオンの打ち込みを行なってLDD構造の高不純物濃度ソース領域並びに高不純物濃度ドレイン領域となる高不純物濃度領域を形成する。
【0167】
15−(9)
温度を1000〔℃〕、時間を10〔秒〕とし、さきにイオン注入された不純物Pの活性化熱処理を行なって、低不純物濃度ソース領域66S並びに低不純物濃度ドレイン領域66D、高不純物濃度ソース領域68S並びに高不純物濃度ドレイン領域68Dを形成する。
【0168】
15−(10)
CVD法を適用することに依り、全表面に厚さが1〔μm〕であるSiO2 からなる絶縁膜69を形成する。
【0169】
15−(11)
CMP法を適用することに依り、絶縁膜69の研磨を行なって表面を平坦にする共に絶縁膜69の厚さを0.5〔μm〕とする。
【0170】
15−(12)
加熱圧着法などを適用することに依り、絶縁膜69の表面に支持側Si半導体基板70を貼付する。
【0171】
15−(13)
CMP法を適用することに依り、素子形成側Si半導体基板61の裏面を研磨し、フィールド絶縁膜64が表出するまで薄膜化を継続することで、フィールド絶縁膜64に囲まれたSiの島が生成される。
【0172】
図16参照
16−(1)
CVD法を適用することに依り、素子形成側Si半導体基板61の表出面に厚さが200〔nm〕のSiO2 からなる層間絶縁膜71を形成する。
【0173】
16−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチング・ガスをCF4 +Ar+CH3 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、層間絶縁膜71に開口71Aを形成する。
【0174】
16−(3)
エッチング・ガスをCF4 +Ar+CH3 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、開口71Aを介してフィールド絶縁膜64ののエッチングを行なって開口64Aを形成する。
【0175】
16−(4)
熱硫酸液中に浸漬し、Al2 3 などからなるゲート絶縁膜ダミー81を全て除去し、空洞81Aを生成する。
【0176】
図17参照
17−(1)
CVD法を適用することに依り、開口64A、空洞81Aまで充分に回り込むようにTa2 5 或いはBSTからなる高誘電体膜72を形成する。尚、高誘電体膜72は強誘電体膜に代替しても良い。
【0177】
必要に応じ、高誘電体膜72を結晶化させる為のアニールを行なうが、その場合の条件の一例としては、温度を700〔℃〕、時間を3〔分〕に選択して良い。
【0178】
高誘電体膜72のうち、ゲート電極65の直下に在る部分は、ゲート絶縁膜として作用するものであることは勿論である。
【0179】
17−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、ドライ・エッチング法を適用することに依り、高誘電体膜72及び層間絶縁膜71のエッチングを行なってソース電極コンタクト用開口及びドレイン電極コンタクト用開口を形成する。尚、ドライ・エッチング法を実施する場合、高誘電体のエッチング・ガスには、高誘電体の種類に依って変える必要がある。
【0180】
17−(3)
真空蒸着法、リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、ドライ・エッチング法を適用することに依り、Al膜及びTiNやWNからなるバリヤ膜の積層体からなるソース電極73S及びドレイン電極73Dを形成する。
【0181】
実施の形態8に依って作成された半導体装置は、実施の形態7と同様、本発明の利点の他にSOI構造の利点を併せもっている。
【0182】
前記説明した実施の形態1乃至実施の形態8に於いては、選択除去可能なゲート絶縁膜ダミーとして主として窒化Siを用いたが、この他にAl2 3 (アルミナ)、TiN、WNなどの被膜を用いることができ、このような材料変更を実施の形態9とする。
【0183】
本発明に於いては、前記説明した実施の形態に限られることなく、他に種々な改変を実現することが可能である。
【0184】
例えば、ソース領域並びにドレイン領域を形成する為にイオン注入された不純物の活性化熱処理を行なってから、ゲート絶縁膜ダミーの除去を行なって高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜を形成する工程に代えて、ゲート絶縁膜ダミーの除去をイオン注入された不純物の活性化熱処理に先立って実施しても良い。
【0185】
また、ゲート電極に接するゲート絶縁膜ダミー以外のゲート絶縁膜ダミーを除去してからソース領域並びにドレイン領域を形成する為の不純物のイオン注入を行ない、次いで、ゲート絶縁膜ダミーの残り全て除去してから前記イオン注入された不純物の活性化熱処理を行なった後、高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜を形成するなどは任意に実施することができる。
【0186】
前記何れの改変例も、イオン注入されたされた不純物の活性化熱処理を実施する前にゲート絶縁膜ダミーを除去する点が共通しているところであり、この場合には、ゲート絶縁膜ダミーが高い耐熱性を必要としないから、材料選択が容易になる。
【0187】
また、本発明は、前記記述したnチャネル・トランジスタを製造する場合の適用に限られることなく、pチャネル・トランジスタの製造する場合に適用できることは云うまでもない。
【0188】
また、前記各実施の形態では、ゲート絶縁膜ダミーとして、LOCOS法やSTI法で素子間分離を行なった際に用いた耐酸化性マスク膜やCMP停止膜を利用したが、これは、一旦、除去してから、改めて成膜及び加工するなどしてゲート電極直下に残すような構成を採って良い。
【0189】
【発明の効果】
本発明に依る半導体装置の製造方法に於いては、両端がフィールド絶縁膜上に在ると共に他の部分が選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー上に在るゲート電極を形成し、ゲート電極並びにフィールド絶縁膜をマスクに不純物イオン注入し、そのイオン注入した不純物は活性化熱処理してソース領域並びにドレイン領域とするが、その為の活性化熱処理は、ゲート絶縁膜ダミーを除去してゲート電極直下などに生成された空洞を埋める高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜を形成する以前であって且つ高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜に熱が加わることがない段階の何れかの時点で実施され、その後、ソース電極及びドレイン電極などを形成する。
【0190】
前記構成を採ることに依って、ゲート電極に対してソース領域及びドレイン領域の位置合わせを自動的に行なうセルフ・アライメント方法の利点を維持しながら、ゲート絶縁膜に熱処理の高温が加わらないようにすることができるので、材料に高誘電体或いは強誘電体を用いた場合、それ等が劣化するおそれは皆無である。
【0191】
従って、トランジスタ・サイズの縮小則に沿うように縮小を行なった場合であっても、ゲート絶縁膜のみは、高い誘電率を維持しながら、所要の耐圧が得られる程度に厚く形成することができ、従って、トランジスタの微細化、半導体装置の高集積化に寄与することができる。
【0192】
また、強誘電体のゲート絶縁膜をもつトランジスタは、ヒステリシス特性をもつので、1トランジスタ型のメモリ素子を含むFeRAM(ferroelectrics random access memory)をセルフ・アライメント方法を適用して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図2】本発明の原理を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図3】本発明に於ける実施の形態1を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図4】本発明に於ける実施の形態1を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断説明図である。
【図5】本発明に於ける実施の形態1を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図6】本発明に於ける実施の形態1を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図7】本発明に於ける実施の形態2を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図8】本発明に於ける実施の形態5を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図9】本発明に於ける実施の形態6を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図10】本発明に於ける実施の形態6を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図11】本発明に於ける実施の形態6を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図12】本発明に於ける実施の形態7を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断説明図である。
【図13】本発明に於ける実施の形態7を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断説明図である。
【図14】本発明に於ける実施の形態7を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断説明図である。
【図15】本発明に於ける実施の形態8を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断説明図である。
【図16】本発明に於ける実施の形態8を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断説明図である。
【図17】本発明に於ける実施の形態8を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断説明図である。
【図18】従来例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図19】従来例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【符号の説明】
21 Si半導体基板
22 酸化Si膜
23 窒化Si膜(選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー)
24 フィールド絶縁膜
25 ゲート電極
26S 低不純物濃度ソース領域
26D 低不純物濃度ドレイン領域
27 サイド・ウォール
28S 高不純物濃度ソース領域
28D 高不純物濃度ドレイン領域
29 ゲート絶縁膜(高誘電体)
30 層間絶縁膜
31S ソース電極
31D ドレイン電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device including a transistor using a high dielectric film or a ferroelectric film as a gate insulating film.
[0002]
At present, the thinning of the gate insulating film in a transistor is becoming a limit, so a transistor that achieves the same effect as the thinning is realized by forming the gate insulating film using a material with high dielectric constant. However, in the case of using a material having a high dielectric constant, that is, a high dielectric material or a ferroelectric material, since the self-alignment method that has been widely used in the past cannot be adopted, the present invention solves this problem. Means are disclosed.
[0003]
[Prior art]
In general, in the field of manufacturing an integrated circuit device including a transistor, a memory cell, and the like, a self-alignment method has been frequently used when forming a transistor.
[0004]
This self-alignment method is a very well-known technique and does not need to be explained. However, it is meaningful to clarify that the present invention is different from the conventional technique. Will be described.
[0005]
FIG. 18 and FIG. 19 are side sectional views showing a principal part of a semiconductor device in a process point for explaining a conventional example. In the semiconductor device described here, element isolation is performed by a LOCOS (local oxidation of silicon) method.
[0006]
Refer to FIG.
18- (1)
An active element (transistor) region in the Si semiconductor substrate 101 is covered with a silicon nitride film 102 which is an oxidation resistant film, and then thermal oxidation is performed to form a field insulating film 103.
[0007]
Refer to FIG.
18- (2)
The gate insulating film 104 is formed by removing the silicon nitride film 102 to expose the active element region in the Si semiconductor substrate 101 and then performing thermal oxidation.
[0008]
18- (3)
After forming the conductor material film, patterning is performed to form the gate electrode 105.
[0009]
Refer to FIG.
18- (4)
Ions are implanted using the gate electrode 5 and the field insulating film 3 as a mask to form a low impurity concentration region 106 having an LDD (lightly doped drain) structure.
[0010]
Refer to FIG.
19- (1)
An insulating film is formed on the entire surface and then anisotropic etching is performed to form side walls 107 on the side surfaces of the gate electrode 105.
[0011]
19- (2)
Ions are implanted using the side wall 107, the gate electrode 105, and the field insulating film 103 as a mask to form a high impurity concentration region 108 having an LDD structure.
[0012]
19- (3)
High-temperature heat treatment is performed to activate the ion-implanted impurities, and a low impurity concentration source region 106S, a high impurity concentration source region 108S, a low impurity concentration drain region 106D, and a high impurity concentration drain region 108D are formed.
[0013]
See FIG. 19 (B)
19- (4)
After the insulating film 109 is formed, an electrode contact window is formed, and a source electrode 110S that contacts the high impurity concentration source region 108S, a drain electrode 110D that contacts the high impurity concentration drain region 108D, and the like are formed.
[0014]
In the above-described conventional example, the element isolation is performed by the field insulating film 3 formed by the LOCOS method, but it is also performed by using the STI (shallow trench isolation) method.
[0015]
FIG. 19C is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device having a field insulating film 111 formed by the STI method. The same symbols as those used in FIG. 18 to FIG. Express or have the same meaning.
[0016]
Since the step of forming the field insulating film 111 by the STI method is exactly the same as that of the second embodiment of the present invention described later with reference to FIG. 7, the description should be referred to.
[0017]
According to the conventional example, there is no positional deviation between the gate electrode and the source region or the drain region. Therefore, the transistor characteristic variation is small, and the performance of the integrated circuit device is improved. The alignment method is now an indispensable technique for manufacturing transistors.
[0018]
By the way, in the integrated circuit device, since the degree of integration is improved, and accordingly, the transistor size is required to be reduced, the gate insulating film must also be thinned. However, the thinning is no longer the physical limit. In place of the conventional gate insulating film formed of, for example, an oxide film, an insulating film having a high dielectric constant, that is, a high dielectric film or a ferroelectric film is being used.
[0019]
Currently, SiO2The thickness of the thinnest gate insulating film using silicon is about 15 [Å], which is only about 3 layers in the atomic layer, and if there is a slight variation in the distribution of atoms, there are two atomic layers or A portion of one layer is generated locally, and if this is the case, naturally a leakage current easily flows.
[0020]
In order to solve this problem, the gate insulating film should be thickened within a range that does not affect the lithography technique, but in such a case, sufficient capacity cannot be obtained between the channel and the gate electrode. Therefore, it is necessary to use a high dielectric material or a ferroelectric material as the material of the gate insulating film.
[0021]
If the dielectric constant in the material of the gate insulating film is high, even a thick film is electrically equivalent to a thin film, so it is necessary to reduce the thickness of the gate insulating film according to the transistor size reduction rule. Therefore, reliability can be improved in terms of leakage current resistance.
[0022]
At present, various research and development are being conducted to put a nonvolatile memory element into practical use in place of a volatile memory element such as a DRAM (dynamic random access memory) that has been widely used.
[0023]
In particular, research and development have been conducted on a one-transistor type memory device having a 1-bit storage function using a ferroelectric film as a gate insulating film and using only one transistor.
[0024]
If such a memory element can be realized, the following advantages can be obtained when compared with a DRAM having one transistor and one capacitor as one memory element.
(1) The degree of integration can be increased more than twice.
{Circle around (2)} Since it is a non-volatile memory, it does not require power for storage and can save energy and use it for a long time.
(3) Since the battery can be reduced in size, the entire system can be reduced in size.
(4) Since the memory can be always kept, the system can be used immediately when necessary. By the way, in the current personal computer, it is necessary to write information from the hard disk to the DRAM after turning on the power, and it takes 2 [minutes] to [3 minutes] to start up. Convenience is not good.
[0025]
As described above, the one-transistor type memory element has various excellent points, but is not yet in a state of mass production of practical ones. It is that the self-alignment method cannot be applied when forming the transistors to be formed.
[0026]
That is, when the activation heat treatment is performed on the source region and the drain region formed by the self-alignment method, it is natural that the gate insulating film already exists under the gate electrode. If the insulating film is an oxide film as in the prior art, no problem occurs. However, a high dielectric material or a ferroelectric material cannot withstand the heat treatment temperature, resulting in the following problems.
(1) Leakage current increases remarkably.
(2) Hysteresis (irreversible) characteristics are lost in the case of a ferroelectric.
[0027]
In order to avoid this problem related to the gate insulating film, the conventional self-alignment method may be abandoned and the gate insulating film may be formed after the impurity activation heat treatment of the source region and the drain region. On the other hand, it is difficult to form the source region and the drain region without misalignment, and it becomes impossible to make a fine transistor uniformly and achieve high integration.
[0028]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, when a transistor having a gate insulating film made of a high dielectric material or a ferroelectric material is manufactured, the number of steps is slightly increased, but the self-alignment method is performed without causing any damage to the gate insulating film. To be able to apply.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
The present invention forms a source region and a drain region by applying a self-alignment method in a state where a gate insulating film dummy is formed, and after completing the activation heat treatment of implanted ions, the gate insulating film dummy Is basically replaced with a gate insulating film made of a high dielectric material or a ferroelectric material.
[0030]
The gate insulating film dummy used in the present invention is a material that can withstand high temperatures because only the gate insulating film dummy needs to be selectively removed after ion activation heat treatment at high temperature. Then, it is necessary to have a property that can be easily and selectively removed thereafter.
[0031]
In addition, the gate insulating film dummy is not formed on the entire lower surface of the gate electrode, but only on a part of the gate insulating film dummy as long as the source region and the drain region can be formed by applying the self-alignment method. I must.
[0032]
The reason for adopting such a configuration is that if the gate insulating film dummy is selectively removed in a state where it is formed on the entire lower surface of the gate electrode, the gate electrode thereon is lifted off.
[0033]
The gate insulating film dummy does not need to be formed specifically for the purpose. For example, when forming a field insulating film by the LOCOS method, a nitride film which is an oxidation-resistant film covering the active element region is used. Alternatively, when a field insulating film is formed by the STI method, it is convenient to use a nitride film used for protecting the surface from CMP (Chemical Mechanical Polishing) and the like.
[0034]
FIG. 1 and FIG. 2 are side sectional views of a principal part showing a semiconductor device at a process point for explaining the principle of the present invention, which will be described below with reference to these drawings.
[0035]
Refer to FIG.
1- (1)
A gate insulating film dummy 2 that can be selectively removed is formed in the active element region of the Si semiconductor substrate 1.
[0036]
The gate insulating film dummy 2 is formed with a width substantially equal to the width of the source region and drain region to be formed later. Here, “width” means a width in a direction orthogonal to the channel length.
[0037]
Refer to FIG.
1- (2)
After the gate electrode 5 is formed on the gate insulating film dummy 2, ion implantation is performed to form a low impurity concentration region 6 to be a low impurity concentration source region and a low impurity concentration drain region of the LDD structure.
[0038]
Since the gate electrode 5 is formed so that its width extends beyond the width of the gate insulating film dummy 2, both ends thereof, that is, both ends in the direction perpendicular to the paper surface exceed the active element region, for example, field insulation. Located on the membrane.
[0039]
In this case, even if the gate insulating film dummy 2 is used, the low impurity concentration region 6 to be the source region and the drain region is formed by self-alignment with respect to the gate electrode 5, which is a conventional manufacturing process. No change at all.
[0040]
See Fig. 1 (C)
1- (3)
After the side wall 7 is formed on the side surface of the gate electrode 3, ion implantation is performed to form a high impurity concentration region 8 to be a high impurity concentration source region and a high impurity concentration drain region of the LDD structure.
[0041]
Refer to FIG.
2- (1)
A heat treatment for activating the implanted ions is performed to form a low impurity concentration source region 6S, a high impurity concentration source region 8S, a low impurity concentration drain region 6D, and a high impurity concentration drain region 8D. At this time, the gate insulating film dummy 2 is also exposed to a high temperature.
[0042]
2- (2)
The gate insulating film dummy 2 is selectively removed to form a cavity 2A under the gate electrode 5.
[0043]
Refer to FIG.
2- (3)
A gate insulating film 9 made of a high dielectric material or a ferroelectric material is formed and patterned as necessary.
[0044]
There is no difficulty in forming the gate insulating film 9 so as to fill the cavity 2A if the current film forming technique is appropriately selected. Incidentally, when the integration degree of the semiconductor device is low, that is, when the gate length is long, a case where a high dielectric material or a ferroelectric material cannot enter under the gate electrode 5 may occur, but the integration degree is improved. At the same time, since the gate length is shortened, it is easy for a high dielectric material or a ferroelectric material to enter the gate electrode 5 sufficiently. In practice, for a gate length of 0.8 [μm] or less. There is no problem.
[0045]
After the gate insulating film 9 is formed as described above, high-temperature heat treatment is not performed in the manufacturing process of the current semiconductor device, so that the high dielectric or ferroelectric does not deteriorate.
[0046]
By the way, there are several options for performing the step of removing the gate insulating film dummy that can be selectively removed, and the embodiment differs depending on how the step is performed. Can point in time.
[0047]
{Circle around (1)} After removing the gate electrode material film to form a gate electrode, it is removed.
{Circle around (2)} A side wall is formed on the side surface of the gate electrode and then removed.
(3) The gate insulating film dummy is also removed when the side walls are removed (see Embodiment 6).
{Circle around (4)} Remove from the back side of the element formation substrate through openings formed in the element formation substrate and the field insulating film (see Embodiments 7 and 8).
[0048]
In addition, the heat treatment for activating the impurities implanted to form the source region and the drain region is between the time of ion implantation and before the formation of the high dielectric film or the ferroelectric film. At any stage, there are two types: (1) performing an impurity activation heat treatment before removing the gate insulating film dummy, and (2) performing an impurity activation heat treatment after removing the gate insulating film dummy. Based on this, there are the following five options.
[0049]
(1) “Impurity ion implantation” → “impurity activation heat treatment” → “gate insulation film dummy removal” → “high dielectric or ferroelectric gate insulation film formation”.
(2) "Impurity ion implantation"-> "Gate insulation film dummy removal"-> "Impurity activation heat treatment"-> "High dielectric or ferroelectric gate insulation film formation".
(3) “Dummy removal of gate insulating film” → “impurity ion implantation” → “impurity activation heat treatment” → “impurity activation heat treatment” → “high dielectric or ferroelectric gate insulation film formation”.
(4) "Partial removal of gate insulating film dummy"-> "Impurity ion implantation"-> "Impurity heat treatment"-> "Remove all gate insulating film dummy"-> "High dielectric or ferroelectric gate insulation Film formation ".
(5) "Partial removal of gate insulating film dummy"-> "Impurity ion implantation"-> "Removal of all gate insulating film dummy"-> "Impurity activation heat treatment"-> "High dielectric or ferroelectric gate insulation Film formation ".
[0050]
  From the foregoing, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention,
(1)
  A gate electrode (for example, gate electrode 25) is formed having both ends on a field insulating film (for example, field insulating film 24) and other portions on a gate insulating film dummy (for example, Si nitride film 23) that can be selectively removed. And thenSaidGate electrode andSaidImpurities using field insulating film as maskTheIon implantationDoProcessAnd noteEnteredSaidA source region (for example, a low impurity concentration source region 26S and a high impurity concentration source region 28S) and a drain region (for example, a low impurity concentration drain region 26D and a high impurity concentration drain region 28D) are formed by performing an impurity activation heat treatment.ProcessWhen,SaidRemove the gate insulating film dummySaidDirectly on the gate electrodeUnderCreating a cavity (eg, cavity 23A) and then at leastSaidA step of forming a gate insulating film (for example, gate insulating film 29) made of a high dielectric material or a ferroelectric material filling the cavity, and then a source electrode (for example, source electrode 31S) and a drain electrodevery(Eg drain electrode 31D)TheOr forming a process, or(2)
  A gate electrode (for example, gate electrode 25) is formed having both ends on a field insulating film (for example, field insulating film 24) and other portions on a gate insulating film dummy (for example, Si nitride film 23) that can be selectively removed. A step of removing impurities other than the portion in contact with the gate electrode of the gate insulating film dummy, and then ion-implanting impurities using the gate electrode and the field insulating film as a mask, and an activation heat treatment of the impurities Forming a source region (for example, a low impurity concentration source region 26S and a high impurity concentration source region 28S) and a drain region (for example, a low impurity concentration drain region 26D and a high impurity concentration drain region 28D), and forming the gate insulating film dummy Removing and generating a cavity (for example, cavity 23A) immediately below the gate electrode; Next, a step of forming a gate insulating film (for example, the gate insulating film 29) made of a high dielectric material or a ferroelectric material filling at least the cavity, and then a source electrode (for example, the source electrode 31S) and a drain electrode (for example, the drain electrode 31D). Or the step of forming
(3)
  Forming a gate electrode having both ends on the field insulating film and other portions on the gate insulating film dummy that can be selectively removed; and then removing all the gate insulating film dummy and immediately below the gate electrode Forming a cavity, and then implanting impurities with the gate electrode and the field insulating film as a mask, and then performing activation heat treatment of the implanted impurities to form a source region and a drain region, Then, the method includes a step of forming a gate insulating film made of a high dielectric material or a ferroelectric material that fills at least the cavity, and then a step of forming a source electrode and a drain electrode. Or
(4)
  In any one of the above (1) to (3), a step of forming a side wall on the side surface of the gate electrode is included, or
(5)
  In the above (4), the method includes the step of performing ion implantation for the source region and the drain region at least once before and after the side wall formation. Or
(6)
  Both ends are field insulating films(For example, field insulating film 44)Gate dielectric dummy that is on top and can be selectively removed from other parts(For example, Si nitride film 43)Upper gate electrode(Eg, gate electrode 46)Forming a side wall on the side surface of the gate electrode(Eg side wall 47)And forming an insulating film by exposing a top surface of the side wall.(Eg, insulating film 49)And forming the cavity by removing the side wall and gate insulating film dummy(For example, cavities 43A and 47A)Generating A step of implanting impurity ions using the gate electrode and the field insulating film as a mask, and an activation heat treatment of the implanted impurity are performed to form a source region (for example, source region 48S) and a drain region (for example, drain region 48D). Or a step of forming a gate insulating film (for example, the high dielectric film 50) made of a high dielectric material or a ferroelectric material filling at least the cavity, or
(7)
  A gate electrode (for example, gate electrode 65) having both ends on a field insulating film (for example, field insulating film 64) and another portion on a gate insulating film dummy (for example, Si nitride film 63) that can be selectively removed is formed. Next, an impurity is ion-implanted, and then the impurity activation heat treatment is performed to perform a source region (for example, a low impurity concentration source region 66S and a high impurity concentration source region 68S) and a drain region (for example, a low impurity concentration drain region 66D). And a step of forming a high impurity concentration drain region 68D), a step of flattening by forming an insulating film (for example, an insulating film 69) thick enough to fill the gate electrode sufficiently on the surface side, After the planarized insulating film surface and the supporting substrate (for example, the supporting-side Si semiconductor substrate 70) are bonded together, the source regions are aligned. Polishing the side where the drain region is present and thinning the field insulating film until the field insulating film is exposed, and then opening from the thinned side to the gate insulating film dummy (for example, opening 71A, opening 64A, opening 61A and the like, then removing the gate insulating film dummy through the opening to form a cavity (for example, cavity 63A) immediately below the gate electrode, and then at least filling the cavity A step of forming a gate insulating film (for example, a high dielectric film 72) made of a dielectric or a ferroelectric, and a step of forming a source electrode (for example, a source electrode 73S) and a drain electrode (for example, a drain electrode 73D) thereafter. It is characterized by comprising.
[0060]
By adopting the above means, the high temperature of the heat treatment is not applied to the gate insulating film while maintaining the advantage of the self-alignment method that automatically aligns the source region and the drain region with respect to the gate electrode. Therefore, when a high dielectric material or a ferroelectric material is used as the material, there is no possibility that they will deteriorate.
[0061]
Therefore, even when the transistor size is reduced in accordance with the reduction rule of the transistor size, only the gate insulating film can be formed thick enough to obtain a required breakdown voltage while maintaining a high dielectric constant. Therefore, it can contribute to miniaturization of transistors and high integration of semiconductor devices.
[0062]
In addition, since a transistor having a ferroelectric gate insulating film has hysteresis characteristics, a FeRAM (ferroelectric random access memory) including a one-transistor type memory element can be manufactured by applying a self-alignment method.
[0063]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIGS. 3 to 6 are a fragmentary cut-away side view and a fragmentary cut-away explanatory view (FIG. 4) showing a semiconductor device in a process essential point for explaining the first embodiment of the present invention. Hereinafter, description will be given with reference to these drawings.
[0064]
Refer to FIG.
3- (1)
By applying the thermal oxidation method, an oxidized Si film 22 having a thickness of about 10 nm is formed on the Si semiconductor substrate 21.
[0065]
The Si oxide film 22 is called a so-called pad oxide film, and plays a role in preventing the Si nitride film from coming into direct contact with the surface of the Si semiconductor substrate 21 to adversely affect it.
[0066]
3- (2)
By applying the CVD method, a Si nitride film 23 having a thickness of about 100 nm is formed on the pad oxide film 22 to act as an oxidation resistant film. The thickness of the Si nitride film 23 can be selected in the range of 30 [nm] to 100 [nm].
[0067]
Refer to FIG.
3- (3)
Resist process and etching gas in lithography technology CFFour+ CHFThreeBy applying a dry etching method of + Ar, patterning of the Si nitride film 23 is performed, and other portions are removed while leaving a portion covering the active element region.
[0068]
Refer to FIG.
3- (4)
By applying the thermal oxidation method, a field insulating film 24 having a thickness of about 100 nm to 600 nm is formed on the Si semiconductor substrate 21 other than the active element region covered with the Si nitride film 23. .
[0069]
Thereafter, the Si nitride film 23 is usually removed, but in this embodiment, this is left as a “selectable and removable gate insulating film dummy”.
[0070]
See FIG. 4 (A) and FIG. 4 (B).
4- (1)
By applying the CVD method, an impurity-containing polycrystalline Si film having a thickness of 150 [nm] is formed.
[0071]
For this impurity-containing polycrystalline Si film, other gate electrode materials, for example, a composite film in which the lower layer is an impurity-containing polycrystalline Si film and the upper layer is a tungsten silicide film may be used.
[0072]
4- (2)
Resist process in lithography technology and etching gas is HBr + O2The gate electrode 25 is formed by patterning the impurity-containing polycrystalline Si film by applying the dry etching method.
[0073]
Refer to FIG.
4- (3)
By applying the ion implantation method, when the thickness of the Si nitride film is 50 [nm], the ion acceleration energy is 70 [keV] and the dose is 1 × 10.14〔cm-2Then, P ions are implanted using the gate electrode 25 and the field insulating film 24 having a thickness of 300 nm as a mask to form a low impurity concentration region 26 to be a low impurity concentration source region and a low impurity concentration drain region of the LDD structure. Form.
[0074]
Refer to FIG.
5- (1)
By applying the CVD method, SiO having a thickness of about 30 nm to 300 nm.2A film is formed on the entire surface. This film thickness depends on the gate width and is usually selected to be about 1/4 of the gate width.
[0075]
5- (2)
Etching gas CFFour+ Ar + CHFThreeBy applying the dry etching method2Sidewalls 27 are formed by anisotropic etching of the film.
[0076]
Refer to FIG.
5- (3)
Since the Si nitride film 23 has finished its role as a gate insulating film dummy, it is entirely removed in the hot phosphoric acid to remove the entire portion including the portion directly under the gate electrode 25 to form a cavity 23A. Let
[0077]
It is desirable to leave the pad oxide film 22 underlying the Si nitride film 23, but it is preferable to form a thin oxide film or nitride film again by removing all of the pad oxide film 22 and then oxidizing or nitriding again.
[0078]
This is because a high dielectric film or a ferroelectric film formed later directly contacts the surface of the Si semiconductor substrate 21 to increase the interface state, or the leakage current of the high dielectric film or the ferroelectric film increases. This is to prevent this.
[0079]
As a result, a cavity is formed immediately below the gate electrode 25, and both ends of the gate electrode 25 are on the field insulating film 24. Therefore, the gate electrode 25 forms a bridge hung on the cavity.
[0080]
Refer to FIG.
5- (4)
By applying the ion implantation method, the ion acceleration energy is 20 [keV], and the dose is 5 × 10.15〔cm-2Then, P ions are implanted using the side wall 27, the gate electrode 25, and the field insulating film 24 as a mask to form a high impurity concentration region 28 to be a high impurity concentration source region and a high impurity concentration drain region of the LDD structure. .
[0081]
Refer to FIG.
6- (1)
A heat treatment at a temperature of 1000 ° C. and a time of 10 seconds is performed to activate the ion-implanted impurity P, and a low impurity concentration source region 26S, a high impurity concentration source region 28S, and a low impurity concentration drain region. 26D and high impurity concentration drain region 28D are formed.
[0082]
Refer to FIG.
6- (2)
By applying the CVD method, Ta is a high dielectric material.2OFiveA gate insulating film 29 made of is formed. As another technique for forming a high dielectric film, a spin coating method can be applied, and the high dielectric material is Ta.2OFiveBesides, for example, BST ((Ba, Sr) TiOThree) May be used.
[0083]
The gate insulating film 29 is formed on the entire surface and, of course, is buried in the cavity immediately below the gate electrode 25, and the thickness thereof is about 5 nm which is the thickness of the Si nitride film 23 which is the gate insulating film dummy. After the formation and filling is completed, it is not necessary to form a film thicker than that.
[0084]
6- (3)
In order to reduce the leakage current, a heat treatment is performed at a temperature of 700 ° C. for a time of 3 minutes in an oxygen atmosphere, and the gate insulating film 29 which is a high dielectric material is crystallized to some extent.
[0085]
This heat treatment is sufficiently lower than the temperature at the time of the heat treatment for activating the ion-implanted impurities for forming the source regions 26S and 28S and the drain regions 26D and 28D, and the high dielectric is destroyed. Thus, there is no fear that the leakage current increases, but rather, the crystallization of the gate insulating film 29 is promoted, which is effective in reducing the leakage current.
[0086]
Refer to FIG.
6- (4)
SiO having a thickness of 200 nm by applying the CVD method2An interlayer insulating film 30 made of is formed.
[0087]
6- (5)
Resist process and etching gas in lithography technology CFFour+ Ar + CHFThreeBy applying the dry etching method, the interlayer insulating film 30 is etched to form an opening.
[0088]
6- (6)
After forming the Al film by applying the sputtering method, the resist process and the etching gas in the lithography technology are changed to Cl + BCl.ThreeThe Al film is patterned by applying the dry etching method as described above to form the source electrode 31S, the drain electrode 31D, and other wirings.
[0089]
In the first embodiment described above, the LOCOS method is applied to form the field insulating film 24 for element isolation. Needless to say, this may be replaced with the STI method. Next, a manufacturing process to which the STI method is applied will be described as a second embodiment.
[0090]
FIG. 7 is a sectional side view showing a principal part of a semiconductor device at a process point for explaining the second embodiment of the present invention. The same symbols as those used in FIGS. The same part or the same meaning will be described below and will be described with reference to FIG. 7 until the formation and patterning of the Si nitride film 23 acting as an oxidation resistant film on the Si semiconductor substrate 21. Since the steps are the same as those in the first embodiment, they will be omitted, and the following steps will be described.
[0091]
Refer to FIG.
7- (1)
After patterning the Si nitride film 23, the etching gas is subsequently changed to CF.Four+ Ar + CHThree(SiO2For use) and HBr + O2By applying a dry etching method (for Si), the pad oxide film 22 and the Si semiconductor substrate 21 are etched to form a recess in a field insulating film formation scheduled portion.
[0092]
In this case, the etching depth of the Si semiconductor substrate 21 is, for example, 500 [nm].
[0093]
Refer to FIG.
7- (2)
By applying the thermal oxidation method, the exposed surface of the Si semiconductor substrate 21 is oxidized to form an oxidized Si film 22A having a thickness of about 10 nm.
[0094]
7- (3)
By applying the high-density plasma CVD method, the thickness is 1000 nm.2A film is formed.
[0095]
Refer to FIG.
7- (4)
Applying the CMP method, and using the Si nitride film 23 as a polishing stopper, the SiO formed in step 7- (3)2The film is polished, and only in the recess of the Si semiconductor substrate 21 is SiO.2The film is left as a field insulating film 24A.
[0096]
In this case as well, the Si nitride film 23 is not removed, but remains as a “selectable and removable gate insulating film dummy”.
[0097]
Thereafter, the semiconductor device is completed through steps similar to those of the first embodiment.
[0098]
In the first and second embodiments, a ferroelectric material such as lead zirconate titanate (PbTiO 2) is used instead of the high dielectric gate insulating film.Three-PbZrOThree: PZT), Y1 (trade name: US Symmetrics), etc. can be used, and this will be described as Embodiment 3.
[0099]
Ferroelectrics can be formed by applying CVD and spin coating methods, as with high dielectrics. When a voltage higher than a predetermined voltage is applied between the front and back of a ferroelectric film, it is generated internally. The polarization state has a so-called hysteresis characteristic that is maintained even after the voltage application is stopped.
[0100]
Therefore, when the gate insulating film of the transistor is made of a ferroelectric material, it is not different from a normal transistor in that it is turned on by applying a gate voltage higher than the threshold value. It will not turn off even if it is lowered.
[0101]
Therefore, the transistor has a memory holding capability and can be used as a memory. In order to turn it off, it is necessary to apply a reverse bias voltage of a predetermined value or more to the gate electrode.
[0102]
In the first to third embodiments, the LDD structure is adopted as the structure of the source region and the drain region. However, the low impurity concentration source region and the low impurity concentration drain region, or the high impurity concentration source region and the high impurity concentration drain region. Either of the above may be omitted. If the low impurity concentration source region and the low impurity concentration drain region are omitted, the side wall is diffused by diffusing impurities in the high impurity concentration source region and the high impurity concentration drain region. It is necessary to widen to reach just below the interface between the gate electrode and the gate electrode. This modification is referred to as a fourth embodiment.
[0103]
FIG. 8 is a cutaway side view of a principal part showing a semiconductor device at a process point for explaining the fifth embodiment of the present invention. The same symbols as those used in FIGS. The same parts are assumed to have the same meaning or have the same meaning, and will be described below with reference to FIG. 8. However, the steps until the gate electrode 25 is formed on the Si semiconductor substrate 21 are the same as those in the first embodiment, and thus omitted. The following process will be described.
[0104]
Refer to FIG.
8- (1)
By immersing the whole in hot phosphoric acid, the entire Si nitride film 23 (see FIGS. 3 to 5) including the portion immediately below the gate electrode 25 is removed.
[0105]
After the above steps, a cavity 23A is generated immediately below the gate electrode 25, and both ends of the gate electrode 25 are on the field insulating film 24. Therefore, the gate electrode 25 forms a bridge over the cavity 23A. Yes.
[0106]
Refer to FIG.
8- (2)
By applying the ion implantation method, the ion acceleration energy is 20 [keV], and the dose is 3 × 10.13〔cm-2Then, P ions are implanted using the gate electrode 25 and the field insulating film 24 as a mask to form a low impurity concentration region 26 to be a low impurity concentration source region and a low impurity concentration drain region.
[0107]
Refer to FIG.
8- (3)
A heat treatment is performed at a temperature of 1000 ° C. for a time of 10 seconds to activate the ion-implanted P, thereby forming a low impurity concentration source region 26S and a low impurity concentration drain region 26D.
[0108]
8- (4)
A gate insulating film 29 made of a high dielectric material or a ferroelectric material is formed by applying the CVD method. As another technique for forming the gate insulating film 29A, a spin coating method can be applied.
[0109]
8- (5)
In order to reduce the leakage current, a heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at a temperature of 700 [° C.] and a time of 3 [min] to crystallize the gate insulating film 29 which is a high dielectric or a ferroelectric.
[0110]
8- (6)
Thereafter, in the same manner as in the first embodiment, the interlayer insulating film is formed, the openings are formed, the electrodes and the wiring are formed, and the like is completed.
[0111]
In the semiconductor device obtained according to the fifth embodiment, the high impurity concentration source region and the high impurity concentration drain region are not provided. A memory or the like that does not require much high speed operation is useful in that it is easy to manufacture and has no performance problems.
[0112]
FIGS. 9 to 11 are cutaway side views showing the principal part of the semiconductor device at the main points of the process for explaining the sixth embodiment of the present invention. Since the process until the field insulating film 44 is formed on the semiconductor substrate 41 is the same as that of the first embodiment, it will be briefly described.
[0113]
Refer to FIG.
9- (1)
A Si semiconductor substrate 41 is provided with a Si oxide film 42 as a pad oxide film, a Si nitride film 43 as a gate insulating film dummy that can be selectively removed as an oxidation resistant film, and SiO2A field insulating film 44 made of is formed.
[0114]
9- (2)
By applying the CVD method, an impurity-containing polycrystalline Si film having a thickness of 150 [nm] is formed.
[0115]
9- (3)
SiO having a thickness of 50 [nm] to 100 [nm] by applying the CVD method2An insulating film made of is formed. This insulating film may be omitted.
[0116]
9- (4)
Resist process and etching gas in lithography technology CFFour+ Ar + CHThree(SiO2For use) and HBr + O2By applying the dry etching method (for Si), SiO2The insulating film and the impurity-containing polycrystalline Si film are anisotropically etched to form the insulating film cap 45 and the gate electrode 46.
[0117]
Refer to FIG.
9- (5)
Etching gas CFFour+ Ar + CHThreeThe exposed Si nitride film 43 is anisotropically etched to have the same pattern as the insulating film cap 45 or the gate electrode 46 by applying the dry etching method. In this etching, SiO such as the insulating film cap 45 and the field insulating film 44 is used.2Will damage
It is preferable to select etching conditions that will not be affected.
[0118]
If an LDD structure is used, a low impurity concentration impurity source region and a low impurity concentration impurity drain region must be formed at this stage.
[0119]
Refer to FIG.
9- (6)
By applying the CVD method, a Si nitride film having a thickness of 100 nm is formed on the entire surface.
[0120]
9- (7)
Etching gas CFFour+ Ar + CHThreeIs applied to the side surfaces of the insulating film cap 45, the gate electrode 46, and the Si nitride film 43 by anisotropic etching of the Si nitride film formed in Step 9- (6). -Wall 47 is formed.
[0121]
The Si nitride film 43 is anisotropically etched in Step 9- (5) to have the same pattern as the insulating film cap 45 and the like, but may be anisotropically etched after the side wall 47 is formed. In such a case, the bottom of the side wall 47 is on the Si nitride film 43. In any case, it suffices if the Si nitride film 43 and the side wall 47 made of Si nitride are connected. Further, the side wall 47 and the gate insulating film dummy which is the Si nitride film 43 are not necessarily made of the same material, and different materials may be used unless it is necessary to increase the number of steps for removing the etching. it can.
[0122]
9- (8)
By applying the ion implantation method, the ion acceleration energy is 20 [keV], and the dose is 5 × 10.15〔cm-2The high impurity concentration region 48 to be the high impurity concentration source region and the high impurity concentration drain region is formed by implanting P ions using the side wall 47, the gate electrode 46, the insulating film cap 45, and the field insulating film 44 as a mask. Form.
[0123]
After that, the side wall 47 and the Si nitride film 43 may be selectively removed to form a structure as shown in FIG. 8A. In that case, the source region and the drain region with high impurity concentration are used. As shown in FIG. 8B, if a low impurity concentration source region and drain region of the LDD structure are formed, a normal LDD structure can be obtained. Can do.
[0124]
Refer to FIG.
10- (1)
The source region 48S and the drain region 48D are formed by performing the activation heat treatment of the ion-implanted P at a temperature of 1000 ° C. and a time of 10 seconds. This heat treatment is preferably performed so that the channel facing side of the source region 48S and the drain region 48D is diffused so as to reach directly below the interface between the side wall 47 and the gate electrode 46.
[0125]
10- (2)
By applying the CVD method, SiO with a thickness of 200 [nm]2An insulating film 49 made of is formed.
[0126]
10- (3)
By applying the CMP method, the insulating film 49 is polished and stopped when the top surface of the side wall 47, and hence the top surface of the insulating film cap 45, is exposed. Note that an etching method may be applied to reduce the thickness of the insulating film 49.
[0127]
Refer to FIG.
10- (4)
Immersion in hot phosphoric acid removes the side walls 47 made of Si nitride, and also removes the Si nitride film 43 that was a gate insulating film dummy under the gate electrode 46 to generate cavities 43A and 47A. Let
[0128]
Refer to FIG.
10- (5)
By applying the CVD method, BST or Ta fills the cavity 47A generated by removing the side wall 47 and the cavity 43A generated by removing the Si nitride film 43.2OFiveA high dielectric film 50 made of is formed. The high dielectric film 50 may be replaced with a ferroelectric film.
[0129]
It goes without saying that the portion of the high dielectric film 50 that is directly under the gate electrode 46 functions as a gate insulating film.
[0130]
See FIG.
11- (1)
In order to reduce the leakage current, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at a temperature of 700 ° C. for a time of 3 minutes, and the high dielectric film 50, part of which forms a gate insulating film, is crystallized.
[0131]
11- (2)
Thereafter, the electrode contact openings are formed in the insulating film 49 and the high dielectric film 50, and the electrodes and wirings 51 are formed.
[0132]
In each of the embodiments described above, the semiconductor device using the Si semiconductor substrate has been described. However, an SOI structure semiconductor device can be formed by implementing the present invention.
[0133]
There are various types of SOI structures. For example, after a device is formed to some extent on an element side substrate, a method is known in which an entire structure is attached to a support side substrate to form an SOI structure. If necessary, refer to “Patent No. 9603828”), and this means can be used effectively in the present invention.
[0134]
FIG. 12 to FIG. 14 are main part cutting explanatory views showing the semiconductor device in the main points of the process for explaining the seventh embodiment in the present invention. A main part cutting side surface, (B) is a main part cutting plane.
[0135]
Hereinafter, a description will be given with reference to the drawings. Since the steps until the high impurity concentration source region 68S and the high impurity concentration drain region 68D are formed in the element formation side Si semiconductor substrate 61 are the same as those in the first embodiment, the description will be simplified. Explained.
[0136]
See FIG.
12- (1)
On the element forming side Si semiconductor substrate 61, a Si oxide film 62 as a pad oxide film, a Si nitride film 63 as a gate insulating film dummy that can be selectively removed as an oxidation resistant film, a field insulating film 64, an impurity-containing polycrystalline Si gate electrode 65, a low impurity concentration region which becomes a low impurity concentration source region and a low impurity concentration drain region of an LDD structure, SiO2A high impurity concentration region that becomes a high impurity concentration source region and a high impurity concentration drain region of an LDD structure is formed.
[0137]
12- (2)
The heat treatment for activating the ion-implanted impurities is performed at a temperature of 1000 ° C. and a time of 10 seconds, and the low impurity concentration source region 66S, the low impurity concentration drain region 66D, the high impurity concentration region 68S, and the high impurity concentration. A region 68D is generated.
[0138]
12- (3)
By applying the CVD method, SiO whose thickness is 1 [μm] on the entire surface2An insulating film 69 made of is formed.
[0139]
12- (4)
By applying the CMP method, the insulating film 69 is polished to flatten the surface and the thickness of the insulating film 69 is set to 0.5 [μm].
[0140]
12- (5)
By applying means such as a thermocompression bonding method, the support side Si semiconductor substrate 70 is attached to the surface of the insulating film 69.
[0141]
12- (6)
By applying the CMP method, the back surface of the element forming side Si semiconductor substrate 61 is polished, and the thinning is continued until the field insulating film 64 is exposed, whereby the Si island surrounded by the field insulating film 64 is obtained. Is generated.
[0142]
See FIG.
13- (1)
By applying the CVD method, the SiO 2 having a thickness of 200 nm is formed on the exposed surface of the element forming side Si semiconductor substrate 61.2An interlayer insulating film 71 made of is formed.
[0143]
13- (2)
Resist process and etching gas in lithography technology CFFour+ Ar + CHThreeThe opening 71A is formed in the interlayer insulating film 71 by applying the dry etching method.
[0144]
13- (3)
Etching gas as HBr + O2By applying the dry etching method, the element formation side Si semiconductor substrate 61 is etched through the opening 71A to form the opening 61A.
[0145]
13- (4)
The silicon oxide film 62, which is a pad oxide film, is removed by dipping in an etching solution made of diluted hydrofluoric acid.
[0146]
13- (5)
Immersion in hot phosphoric acid removes all of the Si nitride film 63, which is a gate insulating film dummy made of Si nitride, to generate a cavity 63A.
[0147]
See FIG.
14- (1)
By applying the CVD method, Ta can be sufficiently passed to the opening 61A and the cavity 63A.2OFiveAlternatively, a high dielectric film 72 made of BST is formed. The high dielectric film 72 may be replaced with a ferroelectric film.
[0148]
If necessary, annealing for crystallizing the high dielectric film 72 is performed. This crystallization annealing step is performed at a temperature of 700 [° C.] and a time of about 3 [minutes].
[0149]
It goes without saying that a portion of the high dielectric film 72 that is directly under the gate electrode 65 functions as a gate insulating film.
[0150]
14- (2)
By applying a resist process and a dry etching method in the lithography technique, the high dielectric film 72 and the interlayer insulating film 71 are etched to form the source electrode contact opening and the drain electrode contact opening. To do.
[0151]
The etching gas used for high dielectric dry etching is selected according to the type of high dielectric, and SiO2CF as an etching gasFour+ Ar + CHThreeYou can choose.
[0152]
14- (3)
By applying a vacuum deposition method or a sputtering method, a resist process in a lithography technique, and a dry etching method, a source electrode 73S and a drain electrode 73D made of a laminate of an Al film and a barrier film made of TiN or WN are formed. Form.
[0153]
The semiconductor device fabricated according to the seventh embodiment has the advantages of the SOI structure in addition to the advantages of the present invention, and immediately reduces the parasitic capacitance between 00000, and thus is effective for high speed operation and low power consumption. It goes without saying that there is.
[0154]
In any of the above-described embodiments, as a gate insulating film dummy that can be selectively removed, a Si nitride film that is an oxidation resistant film when a field insulating film is formed by applying the LOCOS method is used. Yes.
[0155]
However, various materials other than the Si nitride film can be used for the gate insulating film dummy that can be selectively removed, and it is preferable to use materials other than Si nitride in relation to the material used for the semiconductor device. In some cases.
[0156]
When a dedicated gate insulating film dummy that can be selectively removed is provided separately, the structure of the semiconductor device itself needs to be slightly modified in order to suppress an increase in the number of processes as much as possible.
[0157]
FIGS. 15 to 17 are sectional views for explaining a main part of the semiconductor device at the process steps for explaining the eighth embodiment of the present invention. In any of the drawings, FIG. A main part cutting side surface, (B) is a main part cutting plane.
[0158]
In the following, a description will be given with reference to the drawings. However, the steps until the field insulating film 64 is formed on the element formation side Si semiconductor substrate 61 are the same as those in the first embodiment, and thus are described briefly.
[0159]
See FIG.
15- (1)
After the field insulating film 64 is formed by the LOCOS method, after removing the Si oxide film as the pad oxide film and the Si nitride film as the oxidation resistant film, for example, alumina (Al2OThreeThe gate insulating film dummy 81 that can be selectively removed is formed. The material of the gate insulating film dummy 81 is Al.2OThreeBesides, TiN or WN can also be used.
[0160]
15- (2)
Resist process and etching gas in lithography technology CFFour+ Ar + CHThreeBy applying the dry etching method, the gate insulating film dummy 81 is patterned to remove the remaining part of the area covering the active element region and the part of the field insulating film 64.
[0161]
15- (3)
By applying the CVD method, a polycrystalline Si film having a thickness of 150 nm is formed.
[0162]
15- (4)
Resist process in lithography technology and etching gas is HBr + O2The gate electrode 65 is formed by patterning the polycrystalline Si film by applying the dry etching method.
[0163]
15- (5)
By applying the ion implantation method, the ion acceleration energy is 70 [keV] and the dose is 1 × 10.14〔cm-2Then, P ions are implanted using the gate electrode 65 and the field insulating film 64 as a mask to form a low impurity concentration region which becomes a low impurity concentration source region and a low impurity concentration drain region of the LDD structure.
[0164]
15- (6)
By applying the CVD method, SiO having a thickness of about 100 [nm]2A film is formed on the entire surface.
[0165]
15- (7)
Etching gas CFFour+ Ar + CHThreeThe SiO formed in step 15- (6) by applying the dry etching method2Sidewalls 67 are formed by anisotropic etching of the film.
[0166]
15- (8)
By applying the ion implantation method, the ion acceleration energy is 70 [keV], and the dose is 5 × 10.15〔cm-2Then, P ions are implanted using the side wall 67, the gate electrode 65, and the field insulating film 64 as a mask to form a high impurity concentration region to be a high impurity concentration source region and a high impurity concentration drain region of the LDD structure.
[0167]
15- (9)
The temperature is set to 1000 [° C.] and the time is set to 10 [seconds]. An activation heat treatment is performed on the impurity P ion-implanted earlier, so that the low impurity concentration source region 66S, the low impurity concentration drain region 66D, and the high impurity concentration source region. 68S and a high impurity concentration drain region 68D are formed.
[0168]
15- (10)
By applying the CVD method, SiO whose thickness is 1 [μm] on the entire surface2An insulating film 69 made of is formed.
[0169]
15- (11)
By applying the CMP method, the insulating film 69 is polished to flatten the surface and the thickness of the insulating film 69 is set to 0.5 [μm].
[0170]
15- (12)
The supporting side Si semiconductor substrate 70 is attached to the surface of the insulating film 69 by applying a thermocompression bonding method or the like.
[0171]
15- (13)
By applying the CMP method, the back surface of the element forming side Si semiconductor substrate 61 is polished, and the thinning is continued until the field insulating film 64 is exposed, whereby the Si island surrounded by the field insulating film 64 is obtained. Is generated.
[0172]
See FIG.
16- (1)
By applying the CVD method, the SiO 2 having a thickness of 200 nm is formed on the exposed surface of the element forming side Si semiconductor substrate 61.2An interlayer insulating film 71 made of is formed.
[0173]
16- (2)
Resist process and etching gas in lithography technology CFFour+ Ar + CHThreeThe opening 71A is formed in the interlayer insulating film 71 by applying the dry etching method.
[0174]
16- (3)
Etching gas CFFour+ Ar + CHThreeThe field insulating film 64 is etched through the opening 71A to form the opening 64A.
[0175]
16- (4)
Immerse in hot sulfuric acid solution and add Al2OThreeAll of the gate insulating film dummy 81 made of the above is removed to generate a cavity 81A.
[0176]
See FIG.
17- (1)
By applying the CVD method, Ta can be sufficiently passed to the opening 64A and the cavity 81A.2OFiveAlternatively, a high dielectric film 72 made of BST is formed. The high dielectric film 72 may be replaced with a ferroelectric film.
[0177]
Annealing for crystallizing the high dielectric film 72 is performed as necessary. As an example of the conditions in this case, the temperature may be selected as 700 [° C.] and the time as 3 minutes.
[0178]
Of course, the portion of the high dielectric film 72 directly below the gate electrode 65 functions as a gate insulating film.
[0179]
17- (2)
By applying a resist process and a dry etching method in the lithography technique, the high dielectric film 72 and the interlayer insulating film 71 are etched to form the source electrode contact opening and the drain electrode contact opening. To do. When the dry etching method is performed, it is necessary to change the etching gas for the high dielectric depending on the type of the high dielectric.
[0180]
17- (3)
By applying a vacuum deposition method, a resist process in a lithography technique, or a dry etching method, a source electrode 73S and a drain electrode 73D made of a laminate of an Al film and a barrier film made of TiN or WN are formed.
[0181]
Similar to the seventh embodiment, the semiconductor device fabricated according to the eighth embodiment has the advantages of the SOI structure in addition to the advantages of the present invention.
[0182]
In the first to eighth embodiments described above, Si nitride is mainly used as the gate insulating film dummy that can be selectively removed.2OThreeA coating such as (alumina), TiN, WN, or the like can be used.
[0183]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications can be realized.
[0184]
For example, after performing activation heat treatment of the ion-implanted impurity to form the source region and the drain region, the gate insulating film dummy is removed to form a gate insulating film made of a high dielectric material or a ferroelectric material. Instead of the process, the gate insulating film dummy may be removed prior to the activation heat treatment of the ion-implanted impurity.
[0185]
Also, after removing the gate insulating film dummy other than the gate insulating film dummy that is in contact with the gate electrode, impurity ion implantation is performed to form the source region and the drain region, and then all the remaining gate insulating film dummy is removed. From the above, after the activation heat treatment of the ion-implanted impurities, a gate insulating film made of a high dielectric material or a ferroelectric material can be arbitrarily formed.
[0186]
Both of the above modifications have the common point that the gate insulating film dummy is removed before the activation heat treatment of the ion-implanted impurities. In this case, the gate insulating film dummy is high. Since heat resistance is not required, material selection becomes easy.
[0187]
Needless to say, the present invention is not limited to the application in the case of manufacturing the n-channel transistor described above, but can be applied to the manufacture of a p-channel transistor.
[0188]
In each of the above embodiments, as the gate insulating film dummy, the oxidation-resistant mask film or the CMP stop film used when the elements are separated by the LOCOS method or the STI method is used. After removal, a configuration may be adopted in which a film is formed and processed again and left directly under the gate electrode.
[0189]
【The invention's effect】
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a gate electrode having both ends on a field insulating film and another portion on a gate insulating film dummy that can be selectively removed is formed. Impurity ions are implanted using the insulating film as a mask, and the implanted impurities are subjected to an activation heat treatment to form a source region and a drain region. The activation heat treatment is performed by removing the gate insulating film dummy and directly under the gate electrode. Any of the stages before the formation of a high dielectric or ferroelectric gate insulating film that fills the generated cavity and where no heat is applied to the high dielectric or ferroelectric gate insulating film After that, the source electrode and the drain electrode are formed.
[0190]
By adopting the above-mentioned configuration, the high temperature of the heat treatment is not applied to the gate insulating film while maintaining the advantage of the self-alignment method that automatically aligns the source region and the drain region with respect to the gate electrode. Therefore, when a high dielectric material or a ferroelectric material is used as the material, there is no possibility that they will deteriorate.
[0191]
Therefore, even when the transistor size is reduced in accordance with the reduction rule of the transistor size, only the gate insulating film can be formed thick enough to obtain a required breakdown voltage while maintaining a high dielectric constant. Therefore, it can contribute to miniaturization of transistors and high integration of semiconductor devices.
[0192]
In addition, since a transistor having a ferroelectric gate insulating film has hysteresis characteristics, a FeRAM (ferroelectric random access memory) including a one-transistor type memory element can be manufactured by applying a self-alignment method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cut-away side view of a principal part showing a semiconductor device at a process point for explaining the principle of the present invention;
FIG. 2 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device at a process point for explaining the principle of the present invention.
FIG. 3 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device at a process point for explaining the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a cutaway explanatory view of a main part showing a semiconductor device at a process key point for explaining the first embodiment in the present invention;
FIG. 5 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device in a process key point for explaining the first embodiment in the present invention;
FIG. 6 is a cutaway side view showing a main part of the semiconductor device at the main points of the process for explaining the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device in a process key point for explaining a second embodiment in the present invention;
FIG. 8 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device at a process point for explaining a fifth embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device at a process point for explaining a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cutaway side view showing a principal part of a semiconductor device at a process point for explaining a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device at a process point for explaining a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cutaway explanatory view showing a main part of a semiconductor device at a process point for explaining a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a fragmentary cutaway explanatory view showing a semiconductor device in a process essential point for explaining a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a fragmentary cutaway explanatory view showing a semiconductor device at a process essential point for explaining a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a fragmentary cutaway explanatory view showing a semiconductor device at a process essential point for explaining an eighth embodiment in the present invention;
FIG. 16 is a fragmentary cutaway explanatory view showing a semiconductor device in a process essential point for explaining an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a fragmentary cutaway explanatory view showing a semiconductor device at a process essential point for explaining an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a cutaway side view of a main part showing a semiconductor device in a process key point for explaining a conventional example.
FIG. 19 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device at a process point for explaining a conventional example;
[Explanation of symbols]
21 Si semiconductor substrate
22 Oxide Si film
23 Si nitride film (gate insulating film dummy that can be selectively removed)
24 Field insulating film
25 Gate electrode
26S low impurity concentration source region
26D Low impurity concentration drain region
27 Side wall
28S high impurity concentration source region
28D drain region with high impurity concentration
29 Gate insulation film (high dielectric)
30 Interlayer insulation film
31S source electrode
31D Drain electrode

Claims (7)

両端がフィールド絶縁膜上に在ると共に他の部分が選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー上に在るゲート電極を形成する工程と、
次いで、前記ゲート電極並びに前記フィールド絶縁膜をマスクとして不純物イオン注入する工程と、
入された前記不純物の活性化熱処理を行なってソース領域並びにドレイン領域を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜ダミーを除去して前記ゲート電極直下に空洞を生成させる工程と、
次いで、少なくとも前記空洞を埋める高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
その後、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming both gate electrodes on the field insulating film and forming a gate electrode on the gate insulating film dummy that can be selectively removed at other portions;
Then, a step of impurity ions are implanted using the gate electrode and the field insulating film as a mask,
Forming a source region and a drain region by performing heat treatment for activating Note input by said impurities,
A step of generating a cavity under direct said gate electrode by removing the gate insulating film a dummy,
Then, a step of forming a high dielectric or strongly gate insulating film made of a dielectric fills at least the cavity,
Then, a method of manufacturing a semiconductor device characterized by comprising contains a step of forming a source electrode and a drain electrodes.
両端がフィールド絶縁膜上に在ると共に他の部分が選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー上に在るゲート電極を形成する工程と、
次いで、前記ゲート絶縁膜ダミーのゲート電極と接する部分以外を除去してから前記ゲート電極並びに前記フィールド絶縁膜をマスクとして不純物をイオン注入する工程と、
前記不純物の活性化熱処理を行なってソース領域並びにドレイン領域を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜ダミーを除去して前記ゲート電極直下に空洞を生成させる工程と、
次いで、少なくとも前記空洞を埋める高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
その後、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming both gate electrodes on the field insulating film and forming a gate electrode on the gate insulating film dummy that can be selectively removed at other portions;
Next, after removing portions other than the portion in contact with the gate electrode of the gate insulating film dummy, a step of ion-implanting impurities using the gate electrode and the field insulating film as a mask,
Performing a heat treatment for activating the impurities to form a source region and a drain region;
Removing the gate insulating film dummy to generate a cavity directly under the gate electrode;
Next, a step of forming a gate insulating film made of a high dielectric material or a ferroelectric material filling at least the cavity;
And forming a source electrode and a drain electrode . A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
両端がフィールド絶縁膜上に在ると共に他の部分が選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー上に在るゲート電極を形成する工程と、
次いで、前記ゲート絶縁膜ダミーを全部除去して前記ゲート電極直下に空洞を生成させてから前記ゲート電極及び前記フィールド絶縁膜をマスクとして不純物をイオン注入する工程と、
次いで、注入された前記不純物の活性化熱処理を行なってソース領域並びにドレイン領域を形成する工程と、
次いで、少なくとも前記空洞を埋める高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
その後、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming both gate electrodes on the field insulating film and forming a gate electrode on the gate insulating film dummy that can be selectively removed at other portions;
Next, removing all of the gate insulating film dummy and generating a cavity immediately below the gate electrode, and then implanting impurities with the gate electrode and the field insulating film as a mask,
Next, a step of performing activation heat treatment of the implanted impurities to form a source region and a drain region;
Next, a step of forming a gate insulating film made of a high dielectric material or a ferroelectric material filling at least the cavity;
And forming a source electrode and a drain electrode . A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
ゲート電極の側面にサイド・ウォールを形成する工程
が含まれてなることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1記載の半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a step of forming a side wall on a side surface of the gate electrode .
前記サイド・ウォール形成の前に少なくとも1回及び後に少なくとも1回のソース領域用とドレイン領域用のイオン注入を行なう工程
が含まれてなることを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
The semiconductor according to claim 4, comprising the step of performing ion implantation for the source region and the drain region at least once before and after the side wall formation. Device manufacturing method.
両端がフィールド絶縁膜上に在ると共に他の部分が選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー上に在るゲート電極を形成する工程と、
次いで、前記ゲート電極の側面にサイド・ウォールを形成する工程と、
前記サイド・ウォールの頂面を露出させて絶縁膜を形成する工程と、
前記サイド・ウォール及びゲート絶縁膜ダミーを除去して空洞を生成させる工程と、
前記ゲート電極及び前記フィールド絶縁膜をマスクとして不純物イオンを注入する工程と、
注入された前記不純物の活性化熱処理を行なってソース領域並びにドレイン領域を形成する工程と、
次いで、少なくとも前記空洞を埋める高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜を形成する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming both gate electrodes on the field insulating film and forming a gate electrode on the gate insulating film dummy that can be selectively removed at other portions;
Next, forming a side wall on the side surface of the gate electrode;
Exposing the top surface of the side wall to form an insulating film;
Removing the side wall and gate insulating film dummy to generate a cavity;
Implanting impurity ions using the gate electrode and the field insulating film as a mask;
Performing activation heat treatment of the implanted impurities to form a source region and a drain region;
Then, the high dielectric or strong manufacturing method of a semi-conductor device shall be the step of forming a gate insulating film made of a dielectric material, characterized in that <br/> made it contains fill at least the cavity.
両端がフィールド絶縁膜上に在ると共に他の部分が選択除去可能なゲート絶縁膜ダミー上に在るゲート電極を形成する工程と、
次いで、不純物をイオン注入してから前記不純物の活性化熱処理してソース領域並びにドレイン領域を形成する工程と、
次いで、前記表面側にゲート電極が十分に埋まる程度に厚い絶縁膜を形成して平坦化する工程と、
次いで、前記平坦化された絶縁膜の表面と支持基板とを貼り合わせてからソース領域並びにドレイン領域が存在する側を研磨して前記フィールド絶縁膜が露出するまで薄膜化する工程と、
次いで、前記薄膜化された側から前記ゲート絶縁膜ダミーに達する開口を形成する工程と、
次いで、前記開口を介して前記ゲート絶縁膜ダミーを除去して前記ゲート電極直下に空洞を生成させる工程と、
次いで、少なくとも前記空洞を埋める高誘電体或いは強誘電体からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
その後、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming both gate electrodes on the field insulating film and forming a gate electrode on the gate insulating film dummy that can be selectively removed at other portions;
Next, a process of forming a source region and a drain region by ion-implanting impurities and then activating heat treatment of the impurities;
Next, a step of flattening by forming an insulating film thick enough to fill the gate electrode on the surface side;
Next, after the surface of the planarized insulating film and the support substrate are bonded together, the side where the source region and the drain region are present is polished and thinned until the field insulating film is exposed;
Next, forming an opening reaching the gate insulating film dummy from the thinned side;
Next, removing the gate insulating film dummy through the opening to generate a cavity directly below the gate electrode;
Next, a step of forming a gate insulating film made of a high dielectric material or a ferroelectric material filling at least the cavity;
Then, a manufacturing method of a semi-conductor device you characterized by comprising contains <br/> and forming source and drain electrodes.
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