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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden
einer Bauelement-Isolationsgebiets
einer Grabenstruktur.
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2. Diesbezüglicher
Stand der Technik
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Anhand
der 5(a) bis 8 wird nachfolgend
eine herkömmliche
Bauelement-Isolationstechnik unter Verwendung flacher Gräben erläutert.
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Als
erstes werden, wie in 5(a) gezeigt, ein
Zwischenlagenoxidfilm 12 von 5 bis 20 nm (50 bis 200 Å) Dicke
und ein Siliciumnitridfilm 13 von 100 bis 200 nm (1.000
bis 2.000 Å)
Dicke auf einem Siliciumsubstrat 11 gebildet. Dann wird
durch ein Lithographieverfahren ein Resistmuster gebildet, um einen aktiven
Bereich abzudecken. Unter Verwendung des Resistmusters als Maske
werden der Siliciumnitridfilm 13 und der Zwischenlagenoxidfilm 12 in
einem Bereich zum Bilden eines Bauelement-Isolationsgebiets durch
Trockenätzen
entfernt. Dann wird ein Graben im Siliciumsubstrat 11 durch
Trockenätzen, wie
in 5(b) gezeigt, gebildet.
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Dann
werden, wie in 5(c) gezeigt, der Boden und
die Seiten des Grabens, gebildet im Siliciumsubstrat 11,
auf eine Dicke von 5 bis 50 nm (50 bis 500 Å) bei einer Temperatur von
900 bis 1.100°C oxidiert.
Durch die Oxidation wird die Öffnung
des Grabens im Siliciumsubstrat 11 abgerundet, und die Seiten
und der Boden des Siliciumsubstrats 11 werden mit einem
Schutzfilm 14 eines Siliciumoxidfilms abedeckt. Dann wird,
wie in 6(a) gezeigt, ein Oxidfilm 15 durch
CVD abgeschieden, um den Graben vollständig aufzufüllen. Dann wird, wie in 6(b) gezeigt, der verdeckte Oxidfilm 15 durch chemisch-mechanisches
Polieren abgeflacht. Als nächstes
werden der Siliciumnitridfilm 13 und der Zwischenlagenoxidfilm 12,
wie in 6(c) gezeigt, entfernt. Ein
Gate-Oxidfilm 16 wird gebildet, und ein Gate-Elektrodenmaterial 17 wird
darauf abgeschieden, wie in 7(a) zu
sehen, und durch Lithographie und Trockenätzen zu einer Gate-Elektrode 17a gebildet.
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Gemäß des oben
beschriebenen Verfahrens nimmt eine Kante der Öffnung des im Siliciumsubstrat 11 gebildeten
Grabens (in 8 als "a" angegeben)
eine scharfe und fast rechtwinklige Form an. Die Kante der Grabenöffnung wird
durch Oxidieren der Kante in einer bestimmten Oxidationsatmosphäre bei einer
bestimmten Oxidationstemperatur nach dem Bilden des Grabens optimiert,
so dass die Kante „a" abgerundet wird.
Weiterhin bildet die Oxidation den Schutzfilm 14 als Siliciumoxidfilm
auf der Oberfläche des
Grabens. Nach dem späteren
chemisch-mechanischen Polieren wird die Dicke des abgeflachten verdeckten
Oxidfilms 15, der in den Graben gefüllt ist, durch Entfernen des
Siliciumnitridfilms 13 und des Zwischenlagenoxidfilms 12 verringert.
Als Folge wird der obere Abschnitt des verdeckten Oxidfilms im Bauelement-Isolationsbereich
niedriger als die Oberfläche
des Siliciumsubstrats im aktiven Bereich, wie in 6(c) gezeigt.
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Wenn
der Gate-Oxidfilm und die Gate-Elektrode hiernach gebildet werden,
erstreckt sich der Kanalbereich im Endzustand so weit, dass er die
Kante der Grabenöffnung
einschließt,
wie in 7(b) gezeigt. Demgemäß verstärkt sich
das elektrische Gatefeld an diesem Bereich, wenn ein MOS-Transistor betrieben
wird, wenn die Kante nicht ausreichend abgerundet wird, und der
Transistor zeigt scheinbar Charakteristika, als ob störende MOS-Transistoren mit
viel niedrigerem Schwellenwert parallel angeordnet wären. Weiterhin,
in einem nicht-flüchtigen
Speicher, unter Verwendung des Gate-Oxidfilms 16 als Tunneloxidfilm,
vergrößert das
elektrische F-N-Tunnelfeld den Kantenbereich. Daher nimmt der F-N-Tunnelstrom
lokal zu, und die Zuverlässigkeit, den
nicht-flüchtigen
Speicher wieder zu beschreiben, wird beeinträchtigt. Weiterhin wird die
Dicke des Gate-Oxidfilms im Bereich, wo die Kante nicht ausreichend
abgerundet ist, verringert, was weiterhin das obige Problem vergrößert.
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Im
obigen Verfahren muss weiterhin die Optimierung der Kante der Grabenöffnung in
einer Oxidation durchgeführt
werden, nachdem der Graben gebildet wurde. Daher muss die Kante
auf einmal in größerem Ausmaß oxidiert
werden, um die Kante für bessere
Rundheit zu oxidieren. Im Falle, wo die Oxidation jedoch durchgeführt wird,
nachdem eine bestimmte Menge des Oxidfilms gebildet wurde, nimmt der
durch Oxidieren des Siliciums gebildete Siliciumoxidfilm im Volumen
zu, was verursacht, dass sich interne Spannungen im Kantenbereich
der Grabenöffnung
aufbauen. Das ist deshalb problematisch, weil die Bauelement-Charakteristika
nachteilig beeinflusst werden, das Kantenprofil sich durch eine
bemerkenswerte Zunahme der Spannung unmittelbar nach der Oxidation
verändert,
oder die Veränderungen
im Profil erhöht
werden.
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Die
JP 10012716 offenbart ein
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, das dazu dient,
Ecken (z.B. des Substrats) abzurunden.
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Die
US 5 863 827 offenbart ein
Verfahren zum Abrunden der Ecken eines Grabens unter Verwendung
einer Oxidglasur.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung soll die Flexibilität der Kontrolle der Krümmung bzw.
Rundung des Kantenbereichs der Grabenöffnung, die im Siliciumsubstrat
vorgesehen ist, die ebenfalls als Kantenabschnitt eines aktiven
Bereichs dient, verbessern, die auf diesem Bereich konzentrierte
Belastung verringern, und die zum Erhalt eines gewünschten
Profils des Kantenbereichs notwendige Wärmehysterese reduzieren.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zum Bilden eines Bauelement-Isolationsgebiets
bereitgestellt, umfassend die Schritte: Bilden eines Zwischenlagenoxidfilms
und eines Siliciumnitridfilms auf einem Halbleitersubstrat; Entfernen
des Zwischenlagenoxidfilms und des Siliciumnitridfilms in einem
Gebiet für
eine Bauelement-Isolation und Bilden eines Grabens im Halbleitersubstrat
durch Ätzen
des Grabens mit einem Boden und Seitenwänden, derart, dass die Seitenwände durch
Endabschnitte des Substrats und Endabschnitte des Siliciumnitridfilms
und des Zwischenlagenoxidfilms definiert werden; Bilden eines ersten
Oxidfilms durch thermisches Oxidieren mindestens des Bodens und
der Seitenwände
des Grabens und der Endabschnitte des Substrats unter den Endabschnitten
des Siliciumnitridfilms unter Verwendung des Siliciumnitridfilms
als Maske, die gegenüber
Oxidation resistent ist; Bilden eines Zwischenraums zwischen den
Endabschnitten des Siliciumnitridfilms und dem Halbleitersubstrat
durch Entfernen des ersten Oxidfilms auf dem Boden und den Seitenwänden des
Grabens und des ersten Oxidfilms und des Zwischenlagenoxidfilms
unter den Endabschnitten des Siliciumnitridfilms durch Ätzen unter
Verwendung des Siliciumnitridfilms als Ätzmaske; Bilden eines zweiten
Oxidfilms durch thermisches Oxidieren mindestens des Bodens und
der Seitenwände
des Grabens und des Zwischenraums unter Verwendung des Siliciumnitridfilms
als Maske, die gegenüber
Oxidation resistent ist, und Bilden eines dritten Oxidfilms, um
den Graben aufzufüllen,
wodurch ein Bauelement-Isolationsgebiet gebildet wird.
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Damit
die vorliegende Erfindung noch besser verstanden wird, werden nun
spezifische Ausführungsformen
hiervon anhand der beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1(a) bis 1(d) sind
Teilquerschnittsansichten, die ein Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements
gemäß der Erfindung
veranschaulichen;
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2(a) bis 2(c) sind
Teilquerschnittsansichten, die das Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelements
gemäß der Erfindung
veranschaulichen;
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3(a) bis 3(c) sind
Teilquerschnittsansichten, die das Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelements
gemäß der Erfindung
veranschaulichen;
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4 ist
eine teilweise vergrößerte Ansicht von 1(d);
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5(a) bis 5(c) sind
Teilquerschnittsansichten, die das Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements
mit einem herkömmlichen
Bauelement-Isolationsgebiet einer Grabenstruktur veranschaulichen;
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6(a) bis 6(c) sind
Teilquerschnittsansichten, die das Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelements
mit dem herkömmlichen
Bauelement-Isolationsgebiet der Grabenstruktur veranschaulichen;
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7(a) bis 7(b) sind
Teilquerschnittsansichten, die das Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelements
mit dem herkömmlichen
Bauelement-Isolationsgebiet der Grabenstruktur veranschaulichen;
und
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8 ist
eine teilweise vergrößerte Ansicht von 7(b).
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend
wird ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren
eines Halbleiterbauelements im Detail anhand eines Beispiels hiervon
mit Bezug auf die 1(a) bis 3(c),
die das Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung
veranschaulichen, erläutert.
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Zuerst
werden, wie in 1(a) gezeigt, ein Zwischenlagenoxidfilm 2 von
5 bis 20 nm (50 bis 200 Å)
Dicke und ein Siliciumnitridfilm 3 von 100 bis 200 nm (1.000
bis 2.000 Å)
Dicke auf einem Siliciumsubstrat 1 gebildet. Der Zwischenlagenoxidfilm
kann durch eine bekannte Technik, wie thermisches Oxidieren, gebildet
werden. Der Siliciumnitridfilm kann durch eine bekannte Technik,
wie CVD oder Zerstäuben,
gebildet werden. In der vorliegenden Erfindung wird das Siliciumsubstrat
als Halbleitersubstrat verwendet, aber das Substrat ist hierauf
nicht begrenzt. Dann wird ein Resistmuster (nicht gezeigt) mit einer Öffnung in
einem Bereich für
eine Bauelement-Isolation auf der gesamten Oberfläche des
Siliciumsubstrats 1 durch Lithographie gebildet.
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Als
nächstes
wird, wie in 1(b) gezeigt, ein Graben im Siliciumsubstrat 1,
beispielsweise durch Trockenätzen
unter Verwendung des Resistmusters als Maske, gebildet. Die Tiefe
des Grabens beträgt
bevorzugt 200 bis 500 nm (2.000 bis 5.000 Å).
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Dann
wird, wie in 1(c) gezeigt, eine erste Oxidation
durchgeführt,
um einen ersten Siliciumoxidfilm (einen ersten Oxidfilm) 4a auf
den Seiten und dem Boden des im Siliciumsubstrat 1 gebildeten
Grabens zu bilden. Bei der ersten Oxidation verursacht der erhaltene
Siliciumoxidfilm größere Belastungen gegenüber seiner
Umgebung, als in einer zweiten Oxidation, die später durchzuführen ist.
Dies ist der Fall, weil das Siliciumsubstrat 1 und der
Zwischenlagenoxidfilm 2 unter dem Siliciumfilm 3 in
einem Kantenbereich des Grabens bei der ersten Oxidation kaum einen
Zwischenraum haben. Je größer die
Dicke des Oxidfilms ist, und je höher die Oxidationstemperatur
ist, desto größer ist
die Belastung aufgrund einer Volumenexpansion des Oxidfilms während oxidiert
wird. Der Grund für
Letzteres ist, dass je höher
die Oxidationstemperatur ist, die Oxidationsgeschwindigkeit desto
größer wird,
wodurch das Volumen des Oxidfilms in einer kurzen Zeitspanne zunimmt.
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Die
erste Oxidation wird wünschenswerterweise
bei einer niedrigen Temperatur, wie 950°C oder niedriger (z.B. 400 bis
950°C),
durchgeführt,
so dass die Spannung auf ein niedriges Niveau gedrückt wird. Die
Dicke des resultierenden ersten Siliciumoxidfilms ist wünschenswerterweise
dünn, wie
35 nm (350 Å) (beispielsweise
2 bis 50 nm (20 bis 500 Å)),
so dass die Spannung auf ein niedrigeres Niveau gedrückt wird.
Es ist überflüssig, zu
erwähnen,
dass ein durch den oberen Teil der Oberfläche des Halbleitersubstrats
definierter Bereich und eine Seite des Grabens (nachfolgend bezeichnet
als "ein Eckabschnitt") durch die erste
Oxidation abgerundet werden, aber der Eckabschnitt wird zu diesem
Zeitpunkt nicht notwendigerweise auf ein ausreichendes Ausmaß abgerundet.
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Dann
wird, wie in 1(d) gezeigt, der erste Siliciumoxidfilm 4a im
Graben entfernt, beispielsweise durch Ätzen mit Fluorwasserstoffsäure-Lösung, unter
Verwendung des Siliciumnitridfilms 3 als Ätzmaske.
Durch das Ätzen
wird zwischen dem Siliciumsubstrat und dem Endabschnitt des Siliciumnitridfilms
im Eckabschnitt eine Öffnung
(bezeichnet durch "b" in 4)
gebildet. Das Vorsehen der Öffnung
ist effektiv für
das vorausgehende Eliminieren des Oxidfilms, der im späteren zweiten
Oxidationsschritt Spannung verursachen wird. Es ist ebenfalls effektiv, Defekte
und Kontaminationen an den Seiten und dem Boden des Grabens zu entfernen,
die durch das Ätzen
zum Bilden des Grabens hervorgerufen werden.
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Das
oben beschriebene Ätzen
muss in einem derartigen Ausmaß durchgeführt werden,
dass das Siliciumsubstrat am Boden und den Seiten des Grabens freigelegt
wird, und der Oxidfilm auf dem Eckabschnitt (insbesondere dem abgerundeten
Abschnitt) vollständig
entfernt wird. Als Folge hiervon bewegt sich ein Endabschnitt des
Zwischenlagenoxidfilms von einem Endabschnitt des Siliciumnitridfilms,
der hierauf liegt, nach innen. Die Dicke des Zwischenlagenoxidfilms
ist dieselbe am Endabschnitt und in Nachbarschaft des Zentrums des
aktiven Bereichs. Das Ätzen
wird wünschenswerterweise durchgeführt, um
25% oder mehr (beispielsweise 120 bis 200% oder mehr) der Dicke
des durch die erste Oxidation gebildeten Oxidfilms zu reduzieren.
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Demgemäß wird die
Größe "c" der Öffnung "b" größer als
die Dicke des Zwischenlagenoxidfilms. Je größer die Größe "c" ist,
desto mehr kann verhindert werden, dass sich die Spannung während der später durchgeführten zweiten
Oxidation aufbaut. Beispielsweise ist die Größe "c" bevorzugt
größer als die
Dicke des Zwischenlagenoxidfilms mit 110 bis 200% der letzteren.
Jedoch wird die Größe "c" gemäß der Dicke
des ersten Oxidfilms 4a bestimmt und die Oxidationsbedingungen
für den
ersten Oxidfilm 4a.
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Als
nächstes,
wie in 2(a) gezeigt, wird der Eckabschnitt
durch die zweite Oxidation unter Verwendung des Siliciumnitridfilms
als einer gegenüber
Oxidation resistenten Maske abgerundet, und mindestens die Seiten
und der Boden des Grabens werden mit einem zweiten Siliciumoxidfilm
(ein zweiter Oxidfilm) 4b abgedeckt. Da der Zwischenraum zwischen
dem Siliciumsubstrat 1 und dem Siliciumnitridfilm 3 am
Eckabschnitt in einem vorhergehenden Schritt vorgesehen wurde, erlaubt
der Zwischenraum die Volumenexpansion des am Eckabschnitt gebildeten
Siliciumoxidfilms, die sich von der ersten Oxidation unterscheidet.
Daher wird in der zweiten Oxidation die Spannung aufgrund der Volumenexpansion
des Oxidfilms zwischen dem Siliciumsubstrat und dem Siliciumnitridfilm
beim Eckabschnitt, verglichen mit der ersten Oxidation, verringert.
Da weiterhin die Öffnung zuvor
vorgesehen wurde, wird ohne weiteres am Eckabschnitt eine Oxidationssaat
bereitgestellt, so dass der Eckabschnitt effektiv abgerundet werden kann.
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In
der zweiten erfindungsgemäßen Oxidation,
selbst wenn diese bei einer höheren
Temperatur und/oder zum Bilden eines dickeren Oxidfilms durchgeführt wird,
was im allgemeinen größere Spannung als
die herkömmliche
Oxidation hervorruft, wird die sich am Eckabschnitt aufbauende Spannung
auf ein Maß ähnlich zu
derjenigen bei der herkömmlichen Oxidation
beschränkt.
Wo die Oxidation ähnlich
zur herkömmlichen
bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, wird die Spannung
mehr reduziert.
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Die
sich durch die erste Oxidation am Eckabschnitt aufbauende Spannung
wird durch Entfernen des ersten Siliciumoxidfilms verringert. Selbst
wenn daher die zweite Oxidation im selben Ausmaß wie die herkömmliche
Oxidation durchgeführt
wird, wird ebenfalls die Spannungszunahme durch die zweite Oxidation
verhindert. Demgemäß, wie oben
beschrieben, beträgt
die Oxidations temperatur der ersten Oxidation bevorzugt 950°C oder weniger,
und die Dicke des resultierenden ersten Siliciumoxidfilms beträgt bevorzugt
35 nm (350 Å)
oder weniger.
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Die
zweite Oxidation wird bevorzugt bei einer Temperatur ähnlich zu
oder höher
als derjenigen der ersten Oxidation in einem Bereich von 900 bis 1.100°C durchgeführt. Die
Dicke des zweiten Siliciumoxidfilms ist bevorzugt ähnlich oder
größer als
diejenige des ersten Siliciumoxidfilms in einem Bereich von 5 bis
50 nm (50 bis 500 Å).
Insbesondere soll die zweite Oxidation den Eckabschnitt abrunden.
Daher wird die zweite Oxidation bevorzugt bei etwa 1.100°C durchgeführt, wobei
die Viskosität
von Silicium bei einer hohen Temperatur verwendet werden kann.
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Es
ist ebenfalls möglich,
den Schwerpunkt auf die Verbesserung der Qualität des Unterdrückens der
beim Eckabschnitt auftretenden Spannungen anstelle der Abrundung
des Eckabschnitts zu legen. In diesem Fall wird die zweite Oxidation
bevorzugt bei 950°C
oder niedriger durchgeführt.
Noch spezieller, wo die erste Oxidation bei 920°C durchgeführt wird, um den ersten Siliciumoxidfilm
von 25 nm (250 Å)
Dicke zu bilden, kann die zweite Oxidation bei 1.100°C durchgeführt werden,
um den zweiten Siliciumoxidfilm von 35 nm (350 Å) Dicke zu bilden. Wo weiterhin die
erste Oxidation bei 920°C
durchgeführt
wird, um den ersten Siliciumoxidfilm von 25 nm (250 Å) Dicke zu
bilden, kann die zweite Oxidation bei 920°C durchgeführt werden, um den zweiten
Siliciumoxidfilm von 35 nm (350 Å) Dicke zu bilden.
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Danach,
wie in 2(b) gezeigt, wird ein Siliciumoxidfilm
(ein dritter Oxidfilm) 5 beispielsweise durch CVD abgeschieden,
um den Graben aufzufüllen,
so dass ein Bauelement-Isolationsgebiet gebildet wird.
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Weiterhin
wird, wie in 2(c) gezeigt, der Siliciumoxidfilm 5 durch
Unterziehen dieses einem chemisch-mechanischen Polieren abgeflacht.
Als nächstes
werden, wie in 3(a) gezeigt, der Zwischenlagenoxidfilm 2 und
der Siliciumnitridfilm 3 entfernt, um die Bildung des aktiven
Gebiets und des Bauelement-Isolationsgebiets zu vervollständigen. Dann,
wie in den 3(b) und 3(c) gezeigt,
werden ein Gate-Oxidfilm 6 und ein Elektrodenmaterial 7 aus
Polysilicium oder dergleichen abgeschieden und durch eine bekannte
Technik geformt, um eine Gate-Elektrode 7a zu bilden.
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Wie
oben detailliert dargestellt, kann erfindungsgemäß ein Eckabschnitt einer gewünschten runden
Form erhalten werden, während
sowohl sich am Eckabschnitt aufbauende Spannung als auch eine Wärmehysterese
auf ein kleineres Maß unterdrückt werden.
Mit anderen Worten, die Unterdrückung
der Spannung und der Wärmehysterese
erlaubt die Erzeugung von Defekten im Silicium zu verhindern, die
Form des Eckabschnitts zu stabilisieren, wodurch hohe Zuverlässigkeit
von Halbleiterbauelementen und nicht-flüchtigen Speichern genauso wie hohe
Genauigkeit von Schwellenwertverteilung verwirklicht werden. Wo
weiterhin die Spannung und die Wärmehysterese
denselben Wert wie im herkömmlichen
aufweisen, kann ein abgerundeter Eckabschnitt mit größerer Krümmung erhalten
werden. Darüber
hinaus wird ein Kontaminationen und Defekte enthaltender Oxidfilm
gänzlich
aus dem im Substrat gebildeten Graben entfernt, wodurch ein Siliciumsubstrat mit
hoher Qualität
hergestellt werden kann.