JP2004253470A - Semiconductor device and its fabricating process - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device in which a high gate breakdown voltage of a trench power MOSFET and an appropriate gate threshold voltage of a low breakdown voltage planar MOSFET constituting a CMOS circuit integrated on the same semiconductor substrate can be realized simultaneously, and to provide its fabricating process. <P>SOLUTION: Thick oxide films 23 and 24 of a trench MOSFET are formed by depositing a thin second oxide film on a thick first oxide film (not shown), and thin gate oxide films 25 and 26 of a planar MOSFET at a CMOS section are formed only of the second oxide film. Since the thick first oxide film covering the CMOS section is removed by wet etching and the thick first oxide film remaining on the trench MOSFET is removed by anisotropic etching in the fabrication process, the gate oxide film in the trench does not sink and a high gate breakdown voltage can be ensured. Furthermore, a low gate threshold voltage can be ensured because the gate oxide film of the planar MOSFET is thin at the CMOS section. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スイッチング電源用IC、自動車パワー系駆動用IC、フラットパネルディスプレー駆動用ICなど、高耐圧・大電流を制御する集積回路に適する低オン抵抗のパワーMOSFETとそれを制御するCMOS回路を構成するMOSFETとを集積した半導体装置およびその製造方法に関し、特に、パワーMOSFETは半導体基板表面を掘り下げたトレンチ内にゲート電極を設けたトレンチ型ラテラルパワーMOSFET(TLPM)であり、トレンチ構造のパワーMOSFETとCMOS回路を構成するプレーナ構造のMOSFETのゲート絶縁膜の膜厚とゲート絶縁膜の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯機器の急速な普及、通信技術の高度化などに伴い、パワーMOSFETを内蔵したパワーICの重要性は高まっている。従来のパワーMOSFET単体と制御駆動回路とを組み合わせに対し、横型パワーMOSFETを制御回路に集積することにより、小型化、低消費電力化、高信頼性化、低コスト化などが期待されているため、CMOSプロセスをベースにした高性能横型MOSFETの開発が精力的に進められている。従来のプレーナ構造の横型パワーMOSFETを改良したトレンチ型の横型パワーMOSFETとCMOS回路のプレーナMOSFETを集積した半導体装置およびその製造方法が出願人により特願2001−384904にて提案されている。その半導体装置およびその製造方法について以下に説明する。
【0003】
図20は、この半導体装置の、MOSFETとして電流を駆動する活性領域における要部断面図である。図20に示すように、この半導体装置は同一のp型基板150上に、トレンチ横型パワーMOSFET101とPMOS102とNMOS103がそれぞれ1個づつ製作された構成となっている。トレンチ横型パワーMOSFET101、PMOS102およびNMOS103は素子分離用の選択酸化膜193により互いに分離される。
まず、トレンチ横型パワーMOSFET101の構成について説明する。p型基板150にはp型ウェル領域110が形成されており、トレンチ横型パワーMOSFETはこのp型ウェル領域110内に形成されている。ゲート絶縁膜となるゲート酸化膜159はトレンチ151の側面に沿って均一な厚さで形成されている。このゲート酸化膜159はトレンチ151の底面のゲート酸化膜183と繋がっている。トレンチ底面のゲート酸化膜183はトレンチ側面のゲート酸化膜159より厚く形成されている。第1の導電体であるゲートポリシリコン152はトレンチ側面のゲート酸化膜159の内側に沿ってトレンチ151のほぼ上下にわたって形成されている。
【0004】
トレンチ151の下半部の外側領域は、n型のドリフト領域となるn拡散領域160である。このn拡散領域160の外側は前記p型ウェル領域110である。なお、トレンチ横型パワーMOSFETがp型ウェル領域110内ではなく、PMOS102の後述するnウェル領域120の外側のp型の部分に形成された構成となってもよい。n拡散領域160内に於いて、トレンチ151の底の中央部にはドレイン領域となるn拡散領域158が設けられている。n拡散領域158(ドレイン領域)は、ゲートポリシリコン152の内側に層間絶縁膜である層間酸化膜165を介して設けられた第2の導電体であるドレインポリシリコン163に接続されている。ドレインポリシリコン163はドレイン電極155に接続されている。層間酸化膜165は基板表面を覆っており、さらにその上には層間酸化膜166が積層されている。
【0005】
トレンチ151の上半部の外側領域はpベース領域162であり、そのpベース領域162上の基板表面領域にソース領域となるn拡散領域161が形成されている。n拡散領域161(ソース領域)は、基板表面に形成されたソース電極154に電気的に接続されている。pベース領域162は、平面的に接続されている。
つぎに、PMOS102の構成について説明する。PMOS102は、p型基板150に設けられたn型ウェル領域120内に形成されている。ゲート絶縁膜となるゲート酸化膜129は、ソース領域またはドレイン領域(以下、ソース/ドレイン領域とする)となるp拡散領域121、121およびその間のチャネル領域の上に、2つのp拡散領域121、121とオーバーラップした状態で形成されている。ゲート酸化膜129の上には第1の導電体であるゲートポリシリコン125が形成されている。ゲートポリシリコン125はゲート電極123に電気的に接続されている。
【0006】
各p拡散領域121の上にはソース電極またはドレイン電極となるソース/ドレイン電極124が形成されており、それぞれp拡散領域121と電気的に接続されている。ゲート電極123と各ソース/ドレイン電極124は前記層間酸化膜165、166によって電気的に絶縁されている。図20に示す例では、n型ウェル領域120は選択酸化膜193の下側でp型ウェル領域110に接している。ただし、p型ウェル領域110がない場合には、n型ウェル領域120は選択酸化膜193の下側で終端となっている。
つぎに、NMOS103の構成について説明する。NMOS103は、p型ウェル領域110内に形成されている。ゲート絶縁膜となるゲート酸化膜119は、ソース/ドレイン領域となるn拡散領域111、111およびその間のチャネル領域の上に、各n拡散領域111、111とオーバーラップした状態で形成されている。なお、NMOS103がp型ウェル領域110内ではなく、PMOS102のn型ウェル領域120の外側のp型の部分に形成された構成となっていてもよい。
【0007】
ゲート酸化膜119の上には第1の導電体であるゲートポリシリコン115が形成されている。ゲートポリシリコン115はゲート電極113に電気的に接続されている。ソース電極またはドレイン電極となるソース/ドレイン電極114はn拡散領域111に電気的に接続されている。ゲート電極113と各ソース/ドレイン電極114は前記層間酸化膜165、166によって電気的に絶縁されている。
前記のトレンチ横型パワーMOSFET101のゲート酸化膜183とPMOS102、NMOS103のゲート酸化膜129、119は同時に形成された酸化膜であるために、それぞれの膜厚は同じである。
【0008】
また、前記のゲート酸化膜119、129、183をゲート電極下に残し、その他の箇所のゲート酸化膜を除去する方法として、RIE(反応性イオンエッチ)法などの異方性エッチングを用いる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、トレンチ横型パワーMOSFET101のゲート酸化膜183とPMOS102、NMOS103のゲート酸化膜129、119の膜厚は同じであり、CMOS回路を構成するPMOS102、NMOS103のゲートしきい値電圧を低くするためにゲート酸化膜の膜厚は薄くする。そうすると、トレンチ横型パワーMOSFET101のゲート酸化膜の膜厚も薄くなり、このトレンチ横型パワーMOSFET101を、例えば、ハイサイドスイッチとして用いた場合には、ゲート電極とソース電極間に高いゲート電圧が印加され、ゲート酸化膜の絶縁耐量を超えてしまい、ゲート酸化膜が絶縁破壊を起こして、トレンチ横型パワーMOSFET101が破壊する場合がある。そのため、トレンチ横型パワーMOSFET101を高ゲート耐圧化することが困難である。一方、トレンチ横型パワーMOSFETの厚いゲート絶縁膜に合わせてプレーナ横型MOSFETのゲート絶縁膜を形成すると、プレーナ横型MOSFETのゲートしきい値電圧が高く成りすぎるという不具合を生じる。
【0010】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、同一半導体基板に集積したトレンチパワーMOSFETの高ゲート耐圧化とCMOS回路を構成する低耐圧プレーナMOSFETのゲートしきい値電圧の適正化を同時に図ることができる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、トレンチMOS素子とプレーナMOSFETとが同一基板上に集積された半導体装置であって、トレンチMOS素子のゲート絶縁膜の膜厚がプレーナMOSFETのゲート絶縁膜の膜厚より厚い構成とする。
また、トレンチMOS素子とプレーナMOSFETとが同一基板上に集積された半導体装置であって、半導体基板の前記トレンチMOS素子形成領域に形成されるトレンチと、前記トレンチMOS素子と前記プレーナMOSFETを分離する分離領域と、該トレンチの底面に形成される第1導電形の第1拡散領域と、前記半導体基板の表面層に前記トレンチと接して形成される第1導電形の第2拡散領域と、前記プレーナMOSFET形成領域に第1のゲート絶縁膜を介して形成される第1のゲート電極と、前記第1拡散領域と前記第2拡散領域とに挟まれた前記トレンチ側壁に前記第1のゲート絶縁膜より厚い第2のゲート絶縁膜を介して形成される第2のゲート電極と、前記第2のゲート電極をマスクとして形成される前記第2のゲート電極を挟んで対向する第1導電形の第3拡散領域および第1導電形の第4拡散領域とを具備する構成とする。
【0012】
また、トレンチMOS素子とプレーナMOSFETとが同一基板上に集積された半導体装置であって、半導体基板の前記トレンチMOS素子形成領域に形成されるトレンチと、前記トレンチMOS素子と前記プレーナMOSFETを分離する分離領域と、 該トレンチの底面に形成される第1導電形の第1拡散領域と、前記半導体基板の表面層に前記トレンチと接して形成される第1導電形の第2拡散領域と、前記プレーナMOSFET形成領域に第1のゲート絶縁膜を介して形成される第1のゲート電極と、前記第1拡散領域と前記第2拡散領域とに挟まれた前記トレンチ内壁に前記第1のゲート絶縁膜より厚い第2のゲート絶縁膜を介して形成される第2のゲート電極と、前記第2のゲート電極をマスクとして形成される前記第2のゲート電極を挟んで対向する第2導電形の第3拡散領域および第2導電形の第4拡散領域とを具備する構成とする。
【0013】
また、トレンチMOS素子とプレーナMOSFETとが同一基板上に集積された半導体装置の製造方法において、半導体基板に前記トレンチMOS素子形成領域にトレンチを形成する工程と、前記トレンチの底面に第1導電形の第1拡散領域を形成する工程と、前記トレンチMOS素子とプレーナMOSFETを分離する分離領域を前記半導体基板に形成する工程と、前記トレンチMOS素子形成領域上と前記プレーナMOSFET形成領域上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記トレンチ上の前記第1の絶縁膜をマスクしてウエットエッチングにより前記第1の絶縁膜をエッチングする工程と、前記トレンチMOS素子形成領域上と前記プレーナMOSFET形成領域上に第2の絶縁膜を形成する工程と、該第2の絶縁膜上に第1の導電体を形成し、前記プレーナMOSFETのゲート電極となる前記第1の導電体をマスクして異方性エッチングにより前記第1の導電体をエッチングし前記トレンチ側壁に第1のゲート電極と前記プレーナMOSFETの第2のゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板の表面層に前記トレンチ側壁と接して第1導電形の第2の拡散層を形成する工程と、前記第2のゲート電極をマスクとして前記第2のゲート電極を挟んで対向する第1導電形の第3拡散領域および第1導電形の第4拡散領域を形成する工程とを含む製造方法とする。
【0014】
また、トレンチMOS素子とプレーナMOSFETとが同一基板上に集積された半導体装置の製造方法において、半導体基板に前記トレンチMOS素子形成領域にトレンチを形成する工程と、前記トレンチの底面に第1導電形の第1拡散領域を形成する工程と、前記トレンチMOS素子とプレーナMOSFETを分離する分離領域を前記半導体基板に形成する工程と、前記トレンチMOS素子形成領域上と前記プレーナMOSFET形成領域上に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記トレンチ上の前記第1の絶縁膜をマスクしてウエットエッチングにより前記第1の絶縁膜をエッチングする工程と、前記トレンチMOS素子形成領域上と前記プレーナMOSFET形成領域上に第2の絶縁膜を形成する工程と、該第2の絶縁膜上に第1の導電体を形成し、前記プレーナMOSFETのゲート電極となる前記第1の導電体をマスクして異方性エッチングにより前記第1の導電体をエッチングし前記トレンチ側壁に第1のゲート電極と前記プレーナMOSFETの第2のゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板の表面層に前記トレンチ側壁と接して第1導電形の第2の拡散層を形成する工程と、前記第2のゲート電極をマスクとして前記第2のゲート電極を挟んで対向する第2導電形の第3拡散領域および第2導電形の第4拡散領域を形成する工程とを含む製造方法とする。
【0015】
また、前記第1の絶縁膜をエッチングする工程は、前記トレンチMOS素子形成領域上の前記第1の絶縁膜をマスクしてウエットエッチングにより前記第1の絶縁膜をエッチングするとよい。
また、前記分離領域は、選択酸化もしくは分離溝に絶縁膜を充填した絶縁分離領域で形成するとよい。
また、前記トレンチMOS素子の第2の拡散領域は、前記第2のゲート電極と前記第1、第2の絶縁膜とをマスクとして形成されるとよい。
また、前記第2のゲート電極の側壁にスペーサを形成し、該スペーサと前記第2のゲート電極をマスクとして、LDD構造を形成するとよい。
【0016】
【発明の実施の形態】
〔実施例1〕
図1は、この発明の第1実施例の半導体装置の要部断面図である。この図は、CMOSを構成するプレーナ横型MOSFETとトレンチ横型パワーMOSFETを集積したデバイスの断面模式図を示す。以下の説明ではトレンチ横型パワーMOSFETとを単にトレンチMOSFETと呼び、プレーナ横型MOSFETを単にプレーナMOSFETと呼ぶこととする。尚、CMOS部はnチャネルのプレーナMOSFETとpチャネルのプレーナMOSFETで構成される。
【0017】
p半導体基板1に、CMOSを構成するプレーナMOSFETとトレンチMOSFETを形成するpウェル領域2、4とnウェル領域3、5をそれぞれ形成し、プレーナMOSFETを形成するpウェル領域4上とnウェル領域4上に17μm程度の薄いゲート酸化膜25、26を介してポリシリコンなどでゲート電極20、21を形成し、このゲート電極20、21の側壁にスペーサ22を形成してLDD構造のnソース領域またはnドレイン領域になるnソース/ドレイン領域29とpソース領域またはpドレイン領域になるpソース/ドレイン領域30をそれぞれ形成する。
【0018】
トレンチMOSFETを形成するpウェル領域2とnウェル領域3に、トレンチ7、8をそれぞれ形成し、トレンチ7、8内にnドレイン領域10(またはnソース領域)とpドレイン領域11(またはpソース領域)をそれぞれ形成し、トレンチ7の側壁に62μm程度の厚いゲート酸化膜23、24を介してポリシリコンなどでゲート電極18、19を形成し、トレンチ7、8の外側表面にトレンチ7と接するnソース領域27(またはnドレイン領域)、pソース領域28(pドレイン領域)を形成し、ゲート電極18、19の内側を層間絶縁膜31の酸化膜で充填し、この酸化膜を開口してnドレイン領域10(またはnソース領域)、pドレイン領域11(pソース領域)にポリシリコンなどでプラグ導体32、33を充填し、プラグ導体32、33上にドレイン電極34、35、ソース領域27、28上にソース電極36、37をアルミニウムなどで形成し、プレーナMOSFETのnソース/ドレイン領域29上およびpソース/ドレイン領域30上にそれぞれソース/ドレイン電極38、39をアルミニウムなどで形成する。
【0019】
プレーナMOSFETの薄いゲート酸化膜25、26を17nm程度とすることで0.8V±0.1V程度の低ゲートしきい値電圧とすることができ、トレンチMOSFETの厚いゲート酸化膜23、24を62nm程度とすることで所定のゲートしきい値電圧と60V以上の高いゲート耐圧を得ることができる。
〔実施例2〕
図2から図10は、この発明の第2実施例の半導体装置の製造方法であり、工程順に示した要部製造工程断面図である。この製造方法は図1の半導体装置で、CMOS部(プレーナMOSFETでnチャネルMOSFETとpチャネルMOSFETを含む)とトレンチMOSFETの製造方法である。
【0020】
まず、p半導体基板1の表面層に選択的にpウェル領域2、4、nウェル領域3、5を形成する。p半導体基板1の不純物濃度を適正に選定した場合はpウェル領域2、4は必ずしも形成する必要はない(図2)。
つぎに、トレンチMOSFETを形成する部分に、例えば400nmの酸化膜6(熱酸化膜、または、堆積酸化膜)をマスクにトレンチ7、8を形成し、この酸化膜6をマスクとしてトレンチ7、8を形成する(図3)。
つぎに、トレンチの底部7a、8a底面に、選択的にnおよびpドレイン領域(nまたはpソース領域)を形成し、素子分離するためのLOCOS9(選択酸化膜)を形成する。この際、必要に応じて、図示しないフィールドイオン注入や、CMOS部にパンチスルー防止用イオン注入を行う場合もある(図4)。
【0021】
つぎに、犠牲酸化膜12を形成し、13イオン注入などによりチャネル領域14を形成する。このチャネル領域14の形成はゲートしきい値を調整するためであり、nウェル領域4やpウェル領域5の表面濃度が適正である場合は犠牲酸化膜12の形成とチャネルイオン注入13は必ずしも必要としない。イオン注入する場合はイオン注入13の打ち込み角度を例えば45°にしてトレンチ7、8側壁にも打ち込むことによりトレンチMOSFETのしきい値調整を行うことができる(図5)。
つぎに、犠牲酸化膜12を除去した後、第1の酸化膜15を例えば50nm形成し、フォトリソグラフィー工程で、トレンチMOSFETのトレンチ7、8部を例えばレジスト16でマスクして、CMOS形成領域上とトレンチ7、8の外側領域上の第1の酸化膜15を弗酸緩衝溶液によりウェットエッチングして除去する。このウェットエッチングでは、異方性エッチングと異なり、CMOS形成領域の表面およびトレンチMOSFETのソース形成領域表面を荒らしたりダメージを与えたりすることはない(図6)。
【0022】
つぎに、第2の酸化膜17を例えば17nm形成する。つまり、CMOS形成領域上には第2の酸化膜17のみの薄い酸化膜、トレンチMOSFET形成領域には第1と第2の酸化膜15、17を積層した62nmの厚い酸化膜が形成される。厚い酸化膜の膜厚が67nmでなく62nmになるのは、厚の酸化膜上に形成される酸化膜の成長速度はシリコン上に形成する酸化膜より遅いためである(図7)。
つぎに、ゲート電極18、19、20、21となるポリシリコンを全面に形成する。CMOSのゲート電極形成領域のポリシリコンをレジストなどでマスクして、ポリシリコンを異方性エッチングによりエッチバックして、トレンチMOSFET部のゲート電極18、19とCMOS部のゲート電極20、21を同時に形成する。このとき、CMOS部のゲート電極20、21とトレンチMOSFET部のゲート電極18、19を、それぞれ専用のフォトマスクを用いて、別々に形成してもよい(図8)。
【0023】
つぎに、CMOS部にゲート電極22、21をマスクとして、不純物濃度が低い領域を形成し、その後、例えばCVD法で150nmの酸化膜を堆積させ、通常のCMOSプロセスにしたがって、RIE(Reactive Ion Etching)によりこの酸化膜をエッチングしてCMOS部のゲート電極側面にスペーサ22を形成する。このスペーサを形成するときに、第2の酸化膜を除去する。このスペーサ22とゲート電極20、21をマスクに不純物濃度の高い領域を拡散して、CMOS部にLDD(Light Doped Drain)構造のnまたはpソース/ドレイン領域29、30を形成し、同時にトレンチMOSFET部のnまたはpソース領域27、28(nまたはpドレイン領域)を形成する(図9)。
【0024】
つぎに、層間絶縁膜31となる酸化膜を、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などで形成し、その後、層間絶縁膜31をエッチバックしてトレンチ8、9の底面8a、9aを露出する。つぎに、nドレイン領域10、pドレイン領域11と接続するトレンチMOSFETのプラグ導体32、33となるポリシリコンをCVD法などで形成し、エッチバックする。ここで、ポリシリコンの下に図示しないバリアメタル(TiN/Ti)を堆積させてもよい。つぎに、トレンチMOSFETのnソース領域27上、pソース領域28上にソース電極36、37、nドレイン領域10上、pドレイン領域11上にドレイン電極34、35とプレーナMOSFETのnソース/ドレイン領域27上、pソース/ドレイン領域28上にソース/ドレイン電極38、39をアルミニウムなどでそれぞれ形成する(図10)。
【0025】
このように、異なる膜厚のゲート酸化膜を持つツインゲート構造とすることで、CMOS部を構成するプレーナMOSFETのゲートしきい値電圧の低電圧化とトレンチMOSFETのゲート耐圧の高耐圧化を図ることができる。
また、CMOS形成領域とトレンチの外側の領域から第1の酸化膜15を弗酸緩衝溶液による等方性エッチングであるウェットエッチングすることで、異方性エッチングと異なり、CMOS形成領域の表面を荒らしたり、表面にダメージを与えたりすることがなく、良好な電気的特性が得られる。
しかし、前記のように、第1の酸化膜15をウェットエッチングで除去した場合、エッチング量が多いと、図11(a)に示すようにトレンチ内部まで第1の酸化膜15が落ち込んでしまい、この落ち込んだ箇所は第2の酸化膜17のみとなり、図11(b)に示すゲート酸化膜23が薄くなるD部でゲート耐圧が低下する。また、エッチングが不足すると、図12(a)に示すようにトレンチ肩部に第1の酸化膜15が残り、図12(b)に示すように、この厚い第1の酸化膜15が残った箇所にはイオン注入によるnソース領域27が形成されず、ソース領域27はトレンチ側壁から離れて形成される。そうすると、トレンチ側壁に形成されたチャネルがnソース領域27と接続させるためには高いゲート電圧を印加する必要があり、ゲートしきい値電圧が高くなる。尚、図11(a)、図12(a)のLは第1の酸化膜15の落ち込み量を示し、図11(a)に示す+符号はトレンチ上部から第1の酸化膜15が下方に落ち込んだ量を示し、図12(a)に示す−符号はトレンチの外側領域上に第1の酸化膜15が残る量を示す。
【0026】
つぎに、このように第1の酸化膜15の落ち込みを防止できる製造方法を説明する。
〔実施例3〕
図13から図16は、この発明の第3実施例の半導体装置の製造方法であり、工程順に示した要部製造工程断面図である。図13から図16の工程は図6から図9にそれぞれ相当する工程である。
前記の第2実施例と異なるのは、図6に相当する図13のフォトリソグラフィー工程で、トレンチMOSFETのトレンチ7、8およびトレンチ7、8の外側領域(ソース形成領域)上を広くレジスト16aでマスクしてCMOS部から第1の酸化膜15を弗酸緩衝溶液で除去し、トレンチ7、8の外側領域上に第1の酸化膜15を残した点である。このように、第1の酸化膜15をトレンチ7、8の外側領域上に残すことで、図11のようにこの第1の酸化膜15がトレンチ7、6の上部から落ち込むことを防止できる。つぎの工程からは第1実施例と同じである。
【0027】
図14の工程で第2の酸化膜17を形成し、図15の工程でゲート電極18、19、20、21を形成する。図16の工程で、図示しない酸化膜を全面に被覆し、異方性エッチングでトレンチ7、8の外側領域が露出するまで、図示しない酸化膜と第1の酸化膜15および第2の酸化膜17を除去する。この異方性エッチングでゲート電極18、19、20、21の側面には酸化膜が残り、ゲート電極18、19の側面に残った酸化膜がスペーサ22となる。図ではゲート電極20、21の側面に残った酸化膜は描かれていない。
このようにすることで、図16のC部の拡大図で、図11(b)や図12(b)に相当する図17に示すように、トレンチMOSFETのトレンチ側壁に形成された第1の酸化膜15のE部での落ち込みを防止できる。具体的には落ち込み量を±10nm以内(±の意味は+は落ち込み量、−は残渣量)に抑えることができる。
【0028】
このように、異なるゲート酸化膜厚を持つツインゲート構造とし、CMOSを構成するプレーナMOSFETの薄いゲート酸化膜25、26の膜厚を17nm程度にすることで、CMOSを構成するプレーナMOSFETのゲートしきい値電圧を0.8V±0.1V程度の低いゲートしきい値電圧することができる。また、トレンチMOSFETの厚いゲート酸化膜23、24の膜厚を62μm程度とし、この第1の酸化膜15の落ち込み量を±10nm程度に抑制することで、トレンチMOSFETのゲート耐圧を60V程度の高いゲート耐圧(後述の図18)にし、ゲートしきい値電圧を所定の値(後述の図19)にすることができる。
【0029】
図18、図19は、第1の酸化膜15の落ち込み量とゲート耐圧とゲートしきい値電圧の関係を示す図である。図の横軸の第1の酸化膜の落ち込み量(図11、図12のL)で、−符号(L(−))は第1の酸化膜15がトレンチの外側領域上に残った状態(残渣がある状態)の量を示し、+符号(L(+)は側壁の第1の酸化膜15がトレンチ上部から除去される量を示す。
図18から、第1の酸化膜15の落ち込み量が+符号になると、トレンチ上部から第1の酸化膜が落ち込んだ箇所のトレンチ側壁は、薄い第2の酸化膜17のみの被覆となり、ゲート耐圧が低下する。また、図19から、第1の酸化膜15の落ち込み量が−符号になると、ソース領域がトレンチ側壁から離れて形成されるために、チャネルがソース領域と接するゲート電圧が高くなり、ゲートしきい値は大きくなる。これらの結果から、トレンチMOSFETにおいて、所定のゲートしきい値電圧と60V程度の高いゲート耐圧を得るためには、落ち込み量を±15nmに抑制する必要がある。前記したように、第3実施例の場合はこの落ち込み量を±10nm程度にすることができる。
【0030】
【発明の効果】
この発明において、CMOS部のゲート酸化膜を薄く、トレンチMOSFET部のゲート酸化膜を厚くすることで、CMOS部は低しきい値電圧、トレンチMOSFET部は高ゲート耐圧を得ることができる。
また、トレンチMOSFET形成領域上の酸化膜をマスクして、CMOS部上に形成された酸化膜をウェットエッチで除去し、つぎに、トレンチMOSFET形成領域上に形成された厚い酸化膜を、異方性エッチングでエッチバックすることで、落ち込み量が小さい厚いゲート酸化膜をトレンチ内壁に形成できる。その結果、高いゲート耐圧と所定のゲートしきい値電圧を確保できるトレンチMOSFETを製作できる。
【0031】
また、ウェットエッチングでCMOS部上の厚い酸化膜を除去することで、CMOS部の表面にダメージや荒れが導入されることが防止され、CMOS部で良好な電気的特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例の半導体装置の要部断面図
【図2】この発明の第2実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図3】図2に続く、この発明の第2実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図4】図3に続く、この発明の第2実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図5】図4に続く、この発明の第2実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図6】図5に続く、この発明の第2実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図7】図6に続く、この発明の第2実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図8】図7に続く、この発明の第2実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図9】図8に続く、この発明の第2実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図10】図9に続く、この発明の第2実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図11】第1の酸化膜がトレンチ上部から落ち込んだ場合の図
【図12】第1の酸化膜がトレンチの外側領域上に残った場合の図
【図13】この発明の第3実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図14】図13に続く、この発明の第3実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図15】図14に続く、この発明の第3実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図16】図15に続く、この発明の第3実施例の半導体装置の要部製造工程断面図
【図17】図15のC部拡大図
【図18】第1の酸化膜15の落ち込み量とゲート耐圧の関係を示す図
【図19】第1の酸化膜15の落ち込み量とゲートしきい値電圧の関係を示す図
【図20】従来の半導体装置で、CMOS部とトレンチMOSFETを同一半導体基板に形成した要部断面図
【符号の説明】
1 p半導体基板
2、3 pウェル領域
4、5 nウェル領域
6 酸化膜
7、8 トレンチ
7a、8a 底面
9 LOCOS
10 nドレイン領域
11 pドレイン領域
12 犠牲酸化膜
13 イオン注入
14 チャネル領域
15 第1の酸化膜
16、16a レジスト
17 第2の酸化膜
18、19、20、21 ゲート電極
22 スペーサ
23、24 厚いゲート酸化膜
25、26 薄いゲート酸化膜
27 nソース領域
28 pソース領域
29 nソース/ドレイン領域
30 pソース/ドレイン領域
31 層間絶縁膜
32、33 プラグ導体
34、35 ドレイン電極
36、37 ソース電極
38、39 ソース/ドレイン電極
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a low on-resistance power MOSFET suitable for an integrated circuit for controlling a high withstand voltage and a large current, such as an IC for driving a switching power supply, an IC for driving a vehicle power system, and an IC for driving a flat panel display, and a CMOS circuit for controlling the same. More particularly, the power MOSFET is a trench-type lateral power MOSFET (TLPM) in which a gate electrode is provided in a trench formed by digging a surface of a semiconductor substrate, and a power MOSFET having a trench structure. The present invention relates to a method of forming a gate insulating film and a thickness of a gate insulating film of a MOSFET having a planar structure which forms a CMOS circuit.
[0002]
[Prior art]
With the rapid spread of portable devices and the advancement of communication technology, the importance of power ICs with built-in power MOSFETs is increasing. In contrast to the combination of a conventional power MOSFET and a control drive circuit, integration of a horizontal power MOSFET in the control circuit is expected to reduce size, reduce power consumption, increase reliability, reduce costs, etc. The development of high performance lateral MOSFETs based on the CMOS process has been energetically advanced. A semiconductor device in which a trench-type lateral power MOSFET in which a conventional planar-structure lateral power MOSFET is improved and a planar MOSFET of a CMOS circuit and a method of manufacturing the same have been proposed by the applicant in Japanese Patent Application No. 2001-384904. The semiconductor device and its manufacturing method will be described below.
[0003]
FIG. 20 is a cross-sectional view of main parts of an active region of the semiconductor device that drives a current as a MOSFET. As shown in FIG. 20, this semiconductor device has a configuration in which one trench lateral power MOSFET 101, one PMOS 102, and one NMOS 103 are manufactured on the same p-type substrate 150, respectively. The trench lateral power MOSFET 101, PMOS 102 and NMOS 103 are separated from each other by a selective oxide film 193 for element isolation.
First, the configuration of the trench lateral power MOSFET 101 will be described. A p-type well region 110 is formed in a p-type substrate 150, and a trench lateral power MOSFET is formed in the p-type well region 110. Gate oxide film 159 serving as a gate insulating film is formed with a uniform thickness along the side surface of trench 151. The gate oxide film 159 is connected to the gate oxide film 183 on the bottom of the trench 151. The gate oxide film 183 on the bottom of the trench is formed thicker than the gate oxide film 159 on the side of the trench. The gate polysilicon 152, which is the first conductor, is formed substantially over and under the trench 151 along the inside of the gate oxide film 159 on the side surface of the trench.
[0004]
The outer region in the lower half of the trench 151 is an n-diffusion region 160 serving as an n-type drift region. Outside the n-diffusion region 160 is the p-type well region 110. Note that the configuration may be such that the trench lateral power MOSFET is formed not in the p-type well region 110 but in the p-type portion of the PMOS 102 outside the n-well region 120 described later. In n diffusion region 160, n serving as a drain region is formed at the center of the bottom of trench 151. + A diffusion region 158 is provided. n + Diffusion region 158 (drain region) is connected to drain polysilicon 163 as a second conductor provided inside gate polysilicon 152 via an interlayer oxide film 165 as an interlayer insulating film. The drain polysilicon 163 is connected to the drain electrode 155. The interlayer oxide film 165 covers the surface of the substrate, and an interlayer oxide film 166 is further laminated thereon.
[0005]
The outer region in the upper half of the trench 151 is a p base region 162, and an n region serving as a source region is formed on the substrate surface region on the p base region 162. + A diffusion region 161 is formed. n + The diffusion region 161 (source region) is electrically connected to a source electrode 154 formed on the surface of the substrate. P base region 162 is planarly connected.
Next, the configuration of the PMOS 102 will be described. The PMOS 102 is formed in an n-type well region 120 provided on a p-type substrate 150. A gate oxide film 129 serving as a gate insulating film has a p-type serving as a source region or a drain region (hereinafter, referred to as a source / drain region). + On the diffusion regions 121, 121 and the channel region therebetween, two p + The diffusion regions 121 and 121 are formed so as to overlap with each other. On the gate oxide film 129, a gate polysilicon 125 as a first conductor is formed. Gate polysilicon 125 is electrically connected to gate electrode 123.
[0006]
Each p + On the diffusion region 121, a source / drain electrode 124 serving as a source electrode or a drain electrode is formed. + It is electrically connected to the diffusion region 121. The gate electrode 123 and each source / drain electrode 124 are electrically insulated by the interlayer oxide films 165 and 166. In the example shown in FIG. 20, the n-type well region 120 is in contact with the p-type well region 110 below the selective oxide film 193. However, when there is no p-type well region 110, the n-type well region 120 is terminated below the selective oxide film 193.
Next, the configuration of the NMOS 103 will be described. The NMOS 103 is formed in the p-type well region 110. A gate oxide film 119 serving as a gate insulating film has n + On each of the diffusion regions 111, 111 and the channel region therebetween, each n + It is formed so as to overlap with the diffusion regions 111, 111. Note that the NMOS 103 may be formed not in the p-type well region 110 but in a p-type portion outside the n-type well region 120 of the PMOS 102.
[0007]
On the gate oxide film 119, a gate polysilicon 115 as a first conductor is formed. Gate polysilicon 115 is electrically connected to gate electrode 113. A source / drain electrode 114 serving as a source electrode or a drain electrode has n + It is electrically connected to the diffusion region 111. The gate electrode 113 and each source / drain electrode 114 are electrically insulated by the interlayer oxide films 165 and 166.
Since the gate oxide film 183 of the trench lateral power MOSFET 101 and the gate oxide films 129 and 119 of the PMOS 102 and the NMOS 103 are formed simultaneously, they have the same film thickness.
[0008]
Anisotropic etching such as RIE (Reactive Ion Etch) is used as a method of leaving the gate oxide films 119, 129, and 183 below the gate electrode and removing the gate oxide film at other locations.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the thicknesses of the gate oxide film 183 of the trench lateral power MOSFET 101 and the gate oxide films 129 and 119 of the PMOS 102 and the NMOS 103 are the same, and the gate threshold voltage of the PMOS 102 and the NMOS 103 constituting the CMOS circuit is reduced. Therefore, the thickness of the gate oxide film is reduced. Then, the thickness of the gate oxide film of the trench lateral power MOSFET 101 is also reduced. When this trench lateral power MOSFET 101 is used, for example, as a high-side switch, a high gate voltage is applied between the gate electrode and the source electrode. In some cases, the dielectric strength of the gate oxide film is exceeded, and the gate oxide film causes dielectric breakdown, and the trench lateral power MOSFET 101 is broken. Therefore, it is difficult to increase the gate breakdown voltage of the trench lateral power MOSFET 101. On the other hand, if the gate insulating film of the planar lateral MOSFET is formed in conformity with the thick gate insulating film of the trench lateral power MOSFET, a problem occurs that the gate threshold voltage of the planar lateral MOSFET becomes too high.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and simultaneously increase the gate breakdown voltage of a trench power MOSFET integrated on the same semiconductor substrate and optimize the gate threshold voltage of a low breakdown voltage planar MOSFET constituting a CMOS circuit. And a method of manufacturing the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device in which a trench MOS element and a planar MOSFET are integrated on the same substrate, wherein the thickness of the gate insulating film of the trench MOS element is equal to the thickness of the gate insulating film of the planar MOSFET A thicker configuration.
A semiconductor device in which a trench MOS element and a planar MOSFET are integrated on the same substrate, wherein a trench formed in the trench MOS element formation region of the semiconductor substrate is separated from the trench MOS element and the planar MOSFET. An isolation region, a first diffusion region of a first conductivity type formed on a bottom surface of the trench, a second diffusion region of a first conductivity type formed on a surface layer of the semiconductor substrate in contact with the trench, A first gate electrode formed in a planar MOSFET formation region via a first gate insulating film; and a first gate insulating film formed on a trench sidewall sandwiched between the first diffusion region and the second diffusion region. A second gate electrode formed through a second gate insulating film thicker than a film, and the second gate formed using the second gate electrode as a mask A structure having a third diffusion region and the fourth diffusion region of the first conductivity type of a first conductivity type opposite to each other with respect to the pole.
[0012]
A semiconductor device in which a trench MOS element and a planar MOSFET are integrated on the same substrate, wherein a trench formed in the trench MOS element formation region of the semiconductor substrate is separated from the trench MOS element and the planar MOSFET. An isolation region, a first diffusion region of a first conductivity type formed on a bottom surface of the trench, a second diffusion region of a first conductivity type formed on a surface layer of the semiconductor substrate in contact with the trench, A first gate electrode formed in a planar MOSFET formation region via a first gate insulating film; and a first gate insulating film formed on an inner wall of the trench interposed between the first diffusion region and the second diffusion region. A second gate electrode formed through a second gate insulating film thicker than a film, and the second gate formed using the second gate electrode as a mask A third diffusion region of the second conductivity type and a fourth diffusion region of the second conductivity type opposed to each other with the electrode interposed therebetween are provided.
[0013]
In a method of manufacturing a semiconductor device in which a trench MOS element and a planar MOSFET are integrated on the same substrate, a step of forming a trench in the trench MOS element formation region in a semiconductor substrate; Forming a first diffusion region, forming an isolation region for separating the trench MOS device and the planar MOSFET in the semiconductor substrate, and forming a first region on the trench MOS device formation region and the planar MOSFET formation region. Forming the insulating film, etching the first insulating film by wet etching using the first insulating film on the trench as a mask, forming the trench MOS element formation region and the planar MOSFET. Forming a second insulating film on the region; and forming a first conductive film on the second insulating film. And etching the first conductor by anisotropic etching using the first conductor serving as a gate electrode of the planar MOSFET as a mask, and forming a first gate electrode and the planar MOSFET on the side walls of the trench. Forming a second gate electrode, forming a second diffusion layer of a first conductivity type in contact with the trench sidewall on a surface layer of the semiconductor substrate, and using the second gate electrode as a mask. Forming a third diffusion region of the first conductivity type and a fourth diffusion region of the first conductivity type opposed to each other with the second gate electrode interposed therebetween.
[0014]
In a method of manufacturing a semiconductor device in which a trench MOS element and a planar MOSFET are integrated on the same substrate, a step of forming a trench in the trench MOS element formation region in a semiconductor substrate; Forming a first diffusion region, forming an isolation region for separating the trench MOS device and the planar MOSFET in the semiconductor substrate, and forming a first region on the trench MOS device formation region and the planar MOSFET formation region. Forming the insulating film, etching the first insulating film by wet etching using the first insulating film on the trench as a mask, forming the trench MOS element formation region and the planar MOSFET. Forming a second insulating film on the region; and forming a first conductive film on the second insulating film. And etching the first conductor by anisotropic etching using the first conductor serving as a gate electrode of the planar MOSFET as a mask, and forming a first gate electrode and the planar MOSFET on the side walls of the trench. Forming a second gate electrode, forming a second diffusion layer of a first conductivity type in contact with the trench sidewall on a surface layer of the semiconductor substrate, and using the second gate electrode as a mask. Forming a third diffusion region of the second conductivity type and a fourth diffusion region of the second conductivity type opposed to each other with the second gate electrode interposed therebetween.
[0015]
In the step of etching the first insulating film, the first insulating film may be etched by wet etching using the first insulating film on the trench MOS element formation region as a mask.
The isolation region may be formed by selective oxidation or an isolation region in which an isolation film is filled in an isolation groove.
The second diffusion region of the trench MOS device may be formed using the second gate electrode and the first and second insulating films as a mask.
Preferably, a spacer is formed on a side wall of the second gate electrode, and an LDD structure is formed using the spacer and the second gate electrode as a mask.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[Example 1]
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a device in which a planar lateral MOSFET and a trench lateral power MOSFET constituting a CMOS are integrated. In the following description, a lateral trench power MOSFET is simply referred to as a trench MOSFET, and a lateral planar MOSFET is simply referred to as a planar MOSFET. The CMOS section is composed of an n-channel planar MOSFET and a p-channel planar MOSFET.
[0017]
On a p-semiconductor substrate 1, p-well regions 2, 4 and n-well regions 3, 5 for forming a planar MOSFET and a trench MOSFET forming a CMOS are respectively formed, and a p-well region 4 for forming a planar MOSFET and an n-well region are formed. The gate electrodes 20 and 21 are formed of polysilicon or the like through thin gate oxide films 25 and 26 of about 17 μm on the gate electrode 4, and spacers 22 are formed on side walls of the gate electrodes 20 and 21 to form an n-source region having an LDD structure. Alternatively, an n source / drain region 29 serving as an n drain region and a p source / drain region 30 serving as a p source region or a p drain region are formed.
[0018]
Trenches 7 and 8 are respectively formed in the p-well region 2 and the n-well region 3 for forming the trench MOSFET, and the n-drain region 10 (or n-source region) and the p-drain region 11 (or p-source Regions) are formed, and gate electrodes 18 and 19 are formed of polysilicon or the like on the side walls of the trench 7 through thick gate oxide films 23 and 24 of about 62 μm and contact the trench 7 on the outer surfaces of the trenches 7 and 8. An n source region 27 (or n drain region) and a p source region 28 (p drain region) are formed, and the insides of the gate electrodes 18 and 19 are filled with an oxide film of an interlayer insulating film 31. The n-drain region 10 (or n-source region) and the p-drain region 11 (p-source region) are filled with plug conductors 32 and 33 with polysilicon or the like. The drain electrodes 34 and 35 are formed on the conductors 32 and 33, and the source electrodes 36 and 37 are formed on the source regions 27 and 28 using aluminum or the like. The n-source / drain regions 29 and the p-source / drain regions 30 of the planar MOSFET are formed. Then, source / drain electrodes 38 and 39 are respectively formed of aluminum or the like.
[0019]
By setting the thin gate oxide films 25 and 26 of the planar MOSFET to about 17 nm, a low gate threshold voltage of about 0.8 V ± 0.1 V can be obtained, and the thick gate oxide films 23 and 24 of the trench MOSFET can be reduced to 62 nm. With such a value, a predetermined gate threshold voltage and a high gate breakdown voltage of 60 V or more can be obtained.
[Example 2]
2 to 10 show a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, and are cross-sectional views of the main part manufacturing steps shown in the order of steps. This manufacturing method is a method for manufacturing a CMOS portion (planar MOSFET including n-channel MOSFET and p-channel MOSFET) and a trench MOSFET in the semiconductor device of FIG.
[0020]
First, p-well regions 2 and 4 and n-well regions 3 and 5 are selectively formed in the surface layer of p semiconductor substrate 1. If the impurity concentration of the p semiconductor substrate 1 is properly selected, the p well regions 2 and 4 need not always be formed (FIG. 2).
Next, trenches 7 and 8 are formed in a portion where a trench MOSFET is to be formed using, for example, a 400 nm oxide film 6 (thermal oxide film or deposited oxide film) as a mask, and the trenches 7 and 8 are formed using the oxide film 6 as a mask. Is formed (FIG. 3).
Next, n and p drain regions (n or p source regions) are selectively formed on the bottoms 7a and 8a of the trenches, and LOCOS 9 (selective oxide film) for element isolation is formed. At this time, if necessary, field ion implantation (not shown) or ion implantation for preventing punch-through into the CMOS portion may be performed (FIG. 4).
[0021]
Next, a sacrificial oxide film 12 is formed, and a channel region 14 is formed by 13 ion implantation or the like. The formation of the channel region 14 is for adjusting the gate threshold value. If the surface concentrations of the n-well region 4 and the p-well region 5 are appropriate, the formation of the sacrificial oxide film 12 and the channel ion implantation 13 are not necessarily required. And not. In the case of ion implantation, the threshold angle of the trench MOSFET can be adjusted by setting the implantation angle of the ion implantation 13 to, for example, 45 ° and implanting the sidewalls of the trenches 7 and 8 (FIG. 5).
Next, after the sacrificial oxide film 12 is removed, a first oxide film 15 is formed, for example, to a thickness of 50 nm, and the trenches 7 and 8 of the trench MOSFET are masked with, for example, a resist 16 in a photolithography process to form a first oxide film 15 on the CMOS formation region. And the first oxide film 15 on the outer regions of the trenches 7 and 8 is removed by wet etching using a hydrofluoric acid buffer solution. In this wet etching, unlike the anisotropic etching, the surface of the CMOS formation region and the surface of the source formation region of the trench MOSFET are not roughened or damaged (FIG. 6).
[0022]
Next, a second oxide film 17 is formed to a thickness of, for example, 17 nm. That is, a thin oxide film of only the second oxide film 17 is formed on the CMOS formation region, and a thick oxide film of 62 nm in which the first and second oxide films 15 and 17 are stacked is formed on the trench MOSFET formation region. The reason why the thickness of the thick oxide film is 62 nm instead of 67 nm is that the growth rate of the oxide film formed on the thick oxide film is lower than that of the oxide film formed on silicon (FIG. 7).
Next, polysilicon to be the gate electrodes 18, 19, 20, 21 is formed on the entire surface. The polysilicon in the CMOS gate electrode formation region is masked with a resist or the like, and the polysilicon is etched back by anisotropic etching, so that the gate electrodes 18 and 19 in the trench MOSFET portion and the gate electrodes 20 and 21 in the CMOS portion are simultaneously formed. Form. At this time, the gate electrodes 20 and 21 of the CMOS section and the gate electrodes 18 and 19 of the trench MOSFET section may be formed separately using a dedicated photomask (FIG. 8).
[0023]
Next, a region having a low impurity concentration is formed in the CMOS part using the gate electrodes 22 and 21 as a mask. Thereafter, an oxide film of 150 nm is deposited by, for example, a CVD method, and RIE (Reactive Ion Etching) is performed in accordance with a normal CMOS process. This oxide film is etched to form spacers 22 on the side surfaces of the gate electrode in the CMOS portion. When forming this spacer, the second oxide film is removed. Using the spacer 22 and the gate electrodes 20 and 21 as a mask, a region having a high impurity concentration is diffused to form n or p source / drain regions 29 and 30 having an LDD (Light Doped Drain) structure in the CMOS portion. Then, n or p source regions 27 and 28 (n or p drain regions) are formed (FIG. 9).
[0024]
Next, an oxide film to be the interlayer insulating film 31 is formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like, and then the interlayer insulating film 31 is etched back to expose the bottom surfaces 8a and 9a of the trenches 8 and 9. Next, polysilicon to be the plug conductors 32 and 33 of the trench MOSFET connected to the n drain region 10 and the p drain region 11 is formed by a CVD method or the like, and is etched back. Here, a barrier metal (not shown) (TiN / Ti) may be deposited under the polysilicon. Next, the source electrodes 36 and 37 on the trench MOSFET n source region 27, the source electrodes 36 and 37 on the p source region 28, the drain electrodes 34 and 35 on the p drain region 11, and the n source / drain region of the planar MOSFET. Source / drain electrodes 38 and 39 are formed of aluminum or the like on p and source / drain regions 28 (FIG. 10).
[0025]
As described above, by adopting the twin gate structure having the gate oxide films having different thicknesses, the gate threshold voltage of the planar MOSFET constituting the CMOS portion is reduced, and the gate breakdown voltage of the trench MOSFET is increased. be able to.
Also, unlike the anisotropic etching, the surface of the CMOS formation region is roughened by performing the isotropic etching using a hydrofluoric acid buffer solution on the first oxide film 15 from the CMOS formation region and the region outside the trench. And good electrical characteristics can be obtained without damaging or damaging the surface.
However, as described above, when the first oxide film 15 is removed by wet etching, if the etching amount is large, the first oxide film 15 falls into the trench as shown in FIG. The depressed portion is only the second oxide film 17, and the gate breakdown voltage is reduced in the portion D where the gate oxide film 23 shown in FIG. 11B is thin. When the etching is insufficient, the first oxide film 15 remains on the shoulder of the trench as shown in FIG. 12A, and the thick first oxide film 15 remains as shown in FIG. 12B. The n source region 27 is not formed at the location by ion implantation, and the source region 27 is formed apart from the trench side wall. Then, a high gate voltage needs to be applied in order for the channel formed on the trench side wall to be connected to n source region 27, and the gate threshold voltage increases. Note that L in FIGS. 11A and 12A indicates the amount of depression of the first oxide film 15, and the + sign shown in FIG. 11A indicates that the first oxide film 15 The minus sign shown in FIG. 12A indicates the amount by which the first oxide film 15 remains on the outer region of the trench.
[0026]
Next, a description will be given of a manufacturing method capable of preventing the first oxide film 15 from falling as described above.
[Example 3]
FIGS. 13 to 16 show a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view of a main part manufacturing step shown in the order of steps. 13 to 16 correspond to FIGS. 6 to 9, respectively.
The difference from the second embodiment is that in the photolithography process of FIG. 13 corresponding to FIG. 6, the resists 16a are widely formed over the trenches 7, 8 of the trench MOSFET and the outer regions (source forming regions) of the trenches 7, 8. The point is that the first oxide film 15 is removed from the CMOS portion by masking using a hydrofluoric acid buffer solution, and the first oxide film 15 is left on the outer regions of the trenches 7 and 8. By leaving the first oxide film 15 on the regions outside the trenches 7 and 8 in this manner, it is possible to prevent the first oxide film 15 from dropping from above the trenches 7 and 6 as shown in FIG. The subsequent steps are the same as in the first embodiment.
[0027]
The second oxide film 17 is formed in the step of FIG. 14, and the gate electrodes 18, 19, 20, 21 are formed in the step of FIG. In the step of FIG. 16, an oxide film (not shown) is entirely covered, and an oxide film (not shown), a first oxide film 15 and a second oxide film until the outer regions of the trenches 7 and 8 are exposed by anisotropic etching. 17 is removed. With this anisotropic etching, an oxide film remains on the side surfaces of the gate electrodes 18, 19, 20, and 21, and the oxide film remaining on the side surfaces of the gate electrodes 18, 19 becomes the spacer 22. In the figure, the oxide film remaining on the side surfaces of the gate electrodes 20 and 21 is not drawn.
By doing so, as shown in FIG. 17 corresponding to FIGS. 11B and 12B in an enlarged view of a portion C in FIG. 16, the first MOSFET formed on the trench sidewall of the trench MOSFET is formed. The drop in the portion E of the oxide film 15 can be prevented. Specifically, the amount of depression can be suppressed within ± 10 nm (+ means the amount of depression, and-represents the amount of residue).
[0028]
As described above, the twin gate structure having different gate oxide thicknesses is used, and the thicknesses of the thin gate oxide films 25 and 26 of the planar MOSFETs constituting the CMOS are set to about 17 nm, so that the gates of the planar MOSFETs constituting the CMOS are formed. The threshold voltage can be a gate threshold voltage as low as about 0.8V ± 0.1V. Further, the thickness of the thick gate oxide films 23 and 24 of the trench MOSFET is set to about 62 μm, and the amount of depression of the first oxide film 15 is suppressed to about ± 10 nm, so that the gate breakdown voltage of the trench MOSFET is increased to about 60V. The gate withstand voltage (FIG. 18 described later) can be set, and the gate threshold voltage can be set to a predetermined value (FIG. 19 described later).
[0029]
18 and 19 are diagrams showing the relationship between the amount of depression of the first oxide film 15, the gate breakdown voltage, and the gate threshold voltage. In the drop amount of the first oxide film (L in FIGS. 11 and 12) on the horizontal axis of the drawing, a minus sign (L (-)) indicates a state in which the first oxide film 15 remains on the outer region of the trench ( The sign + (L (+)) indicates the amount by which the first oxide film 15 on the side wall is removed from the upper part of the trench.
As shown in FIG. 18, when the amount of depression of the first oxide film 15 becomes a plus sign, the trench sidewall where the first oxide film falls from the upper portion of the trench is covered with only the thin second oxide film 17, and the gate breakdown voltage is reduced. Decreases. Also, from FIG. 19, when the amount of depression of the first oxide film 15 becomes negative, the source region is formed apart from the trench side wall, so that the gate voltage at which the channel contacts the source region increases and the gate threshold voltage increases. The value increases. From these results, in order to obtain a predetermined gate threshold voltage and a high gate withstand voltage of about 60 V in the trench MOSFET, it is necessary to suppress the fall amount to ± 15 nm. As described above, in the case of the third embodiment, the amount of drop can be set to about ± 10 nm.
[0030]
【The invention's effect】
In the present invention, the CMOS section can have a low threshold voltage and the trench MOSFET section can have a high gate breakdown voltage by making the gate oxide film of the CMOS section thin and the gate oxide film of the trench MOSFET section thick.
Further, the oxide film on the trench MOSFET formation region is masked, the oxide film formed on the CMOS portion is removed by wet etching, and then the thick oxide film formed on the trench MOSFET formation region is anisotropically removed. By etching back with the reactive etching, a thick gate oxide film having a small amount of depression can be formed on the inner wall of the trench. As a result, a trench MOSFET that can ensure a high gate breakdown voltage and a predetermined gate threshold voltage can be manufactured.
[0031]
Further, by removing the thick oxide film on the CMOS portion by wet etching, damage and roughening are prevented from being introduced into the surface of the CMOS portion, and good electrical characteristics can be obtained in the CMOS portion.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a sectional view of a main part manufacturing process of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a sectional view of a main part manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, following FIG. 2;
FIG. 4 is a sectional view of a main part manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, following FIG. 3;
FIG. 5 is a sectional view of a main part manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, following FIG. 4;
FIG. 6 is a sectional view of a main part manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, following FIG. 5;
FIG. 7 is a sectional view of a main part manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, following FIG. 6;
FIG. 8 is a sectional view of a main part manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, following FIG. 7;
FIG. 9 is a sectional view of a main part manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, following FIG. 8;
FIG. 10 is a sectional view of a main part manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, following FIG. 9;
FIG. 11 is a view showing a case where a first oxide film is dropped from above a trench.
FIG. 12 is a view showing a case where a first oxide film remains on a region outside a trench.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a main part manufacturing step of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention
FIG. 14 is a sectional view of a main part manufacturing step of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, following FIG. 13;
FIG. 15 is a sectional view of a main part manufacturing step of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, following FIG. 14;
FIG. 16 is a sectional view of a main part manufacturing step of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, following FIG. 15;
17 is an enlarged view of a portion C in FIG.
FIG. 18 is a diagram showing a relationship between a fall amount of a first oxide film 15 and a gate breakdown voltage;
FIG. 19 is a diagram showing a relationship between a fall amount of a first oxide film 15 and a gate threshold voltage.
FIG. 20 is a cross-sectional view of a main part of a conventional semiconductor device in which a CMOS portion and a trench MOSFET are formed on the same semiconductor substrate.
[Explanation of symbols]
1p semiconductor substrate
2, 3 p-well region
4, 5 n-well area
6 oxide film
7, 8 trench
7a, 8a bottom
9 LOCOS
10 n drain region
11p drain region
12 Sacrificial oxide film
13 Ion implantation
14 Channel area
15 First oxide film
16, 16a resist
17 Second oxide film
18, 19, 20, 21 Gate electrode
22 Spacer
23, 24 Thick gate oxide
25, 26 Thin gate oxide
27 n source region
28p source region
29 n source / drain regions
30p source / drain region
31 Interlayer insulating film
32, 33 Plug conductor
34, 35 Drain electrode
36, 37 Source electrode
38, 39 source / drain electrodes

Claims (9)

トレンチMOS素子とプレーナMOSFETとが同一基板上に集積された半導体装置であって、
トレンチMOS素子のゲート絶縁膜の膜厚がプレーナMOSFETのゲート絶縁膜の膜厚より厚いことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device in which a trench MOS element and a planar MOSFET are integrated on the same substrate,
A semiconductor device, wherein the thickness of a gate insulating film of a trench MOS element is larger than the thickness of a gate insulating film of a planar MOSFET.
トレンチMOS素子とプレーナMOSFETとが同一基板上に集積された半導体装置であって、
半導体基板の前記トレンチMOS素子形成領域に形成されるトレンチと、
前記トレンチMOS素子と前記プレーナMOSFETを分離する分離領域と、
該トレンチの底面に形成される第1導電形の第1拡散領域と、
前記半導体基板の表面層に前記トレンチと接して形成される第1導電形の第2拡散領域と、
前記プレーナMOSFET形成領域に第1のゲート絶縁膜を介して形成される第1のゲート電極と、
前記第1拡散領域と前記第2拡散領域とに挟まれた前記トレンチ側壁に前記第1のゲート絶縁膜より厚い第2のゲート絶縁膜を介して形成される第2のゲート電極と、
前記第2のゲート電極をマスクとして形成される前記第2のゲート電極を挟んで対向する第1導電形の第3拡散領域および第1導電形の第4拡散領域と、を具備することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device in which a trench MOS element and a planar MOSFET are integrated on the same substrate,
A trench formed in the trench MOS element formation region of the semiconductor substrate;
An isolation region for isolating the trench MOS element and the planar MOSFET,
A first diffusion region of a first conductivity type formed on a bottom surface of the trench;
A second diffusion region of a first conductivity type formed in contact with the trench in a surface layer of the semiconductor substrate;
A first gate electrode formed in the planar MOSFET formation region via a first gate insulating film;
A second gate electrode formed on the trench side wall sandwiched between the first diffusion region and the second diffusion region via a second gate insulating film thicker than the first gate insulating film;
A third diffusion region of the first conductivity type and a fourth diffusion region of the first conductivity type opposed to each other across the second gate electrode formed using the second gate electrode as a mask. Semiconductor device.
トレンチMOS素子とプレーナMOSFETとが同一基板上に集積された半導体装置であって、
半導体基板の前記トレンチMOS素子形成領域に形成されるトレンチと、
前記トレンチMOS素子と前記プレーナMOSFETを分離する分離領域と、
該トレンチの底面に形成される第1導電形の第1拡散領域と、
前記半導体基板の表面層に前記トレンチと接して形成される第1導電形の第2拡散領域と、
前記プレーナMOSFET形成領域に第1のゲート絶縁膜を介して形成される第1のゲート電極と、
前記第1拡散領域と前記第2拡散領域とに挟まれた前記トレンチ内壁に前記第1のゲート絶縁膜より厚い第2のゲート絶縁膜を介して形成される第2のゲート電極と、
前記第2のゲート電極をマスクとして形成される前記第2のゲート電極を挟んで対向する第2導電形の第3拡散領域および第2導電形の第4拡散領域と、を具備することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device in which a trench MOS element and a planar MOSFET are integrated on the same substrate,
A trench formed in the trench MOS element formation region of the semiconductor substrate;
An isolation region for isolating the trench MOS element and the planar MOSFET,
A first diffusion region of a first conductivity type formed on a bottom surface of the trench;
A second diffusion region of a first conductivity type formed in contact with the trench in a surface layer of the semiconductor substrate;
A first gate electrode formed in the planar MOSFET formation region via a first gate insulating film;
A second gate electrode formed on the inner wall of the trench between the first diffusion region and the second diffusion region via a second gate insulating film thicker than the first gate insulating film;
A third diffusion region of a second conductivity type and a fourth diffusion region of the second conductivity type, which are opposed to each other with the second gate electrode formed therebetween using the second gate electrode as a mask. Semiconductor device.
トレンチMOS素子とプレーナMOSFETとが同一基板上に集積された半導体装置の製造方法において、
半導体基板に前記トレンチMOS素子形成領域にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの底面に第1導電形の第1拡散領域を形成する工程と、
前記トレンチMOS素子とプレーナMOSFETを分離する分離領域を前記半導体基板に形成する工程と、
前記トレンチMOS素子形成領域上と前記プレーナMOSFET形成領域上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチ上の前記第1の絶縁膜をマスクしてウエットエッチングにより前
記第1の絶縁膜をエッチングする工程と、
前記トレンチMOS素子形成領域上と前記プレーナMOSFET形成領域上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
該第2の絶縁膜上に第1の導電体を形成し、前記プレーナMOSFETのゲート電極となる前記第1の導電体をマスクして異方性エッチングにより前記第1の導電体をエッチングし前記トレンチ側壁に第1のゲート電極と前記プレーナMOSFETの第2のゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板の表面層に前記トレンチ側壁と接して第1導電形の第2の拡散層を形成する工程と、
前記第2のゲート電極をマスクとして前記第2のゲート電極を挟んで対向する第1導電形の第3拡散領域および第1導電形の第4拡散領域を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method of manufacturing a semiconductor device in which a trench MOS element and a planar MOSFET are integrated on the same substrate,
Forming a trench in the trench MOS element formation region in a semiconductor substrate;
Forming a first diffusion region of a first conductivity type on a bottom surface of the trench;
Forming an isolation region on the semiconductor substrate for isolating the trench MOS element and the planar MOSFET;
Forming a first insulating film on the trench MOS element formation region and the planar MOSFET formation region;
Etching the first insulating film by wet etching using the first insulating film on the trench as a mask;
Forming a second insulating film on the trench MOS element formation region and the planar MOSFET formation region;
A first conductor is formed on the second insulating film, and the first conductor serving as a gate electrode of the planar MOSFET is masked to etch the first conductor by anisotropic etching. Forming a first gate electrode and a second gate electrode of the planar MOSFET on a trench sidewall;
Forming a second diffusion layer of a first conductivity type in contact with the trench sidewall on a surface layer of the semiconductor substrate;
Forming a third diffusion region of the first conductivity type and a fourth diffusion region of the first conductivity type facing each other with the second gate electrode as a mask with the second gate electrode interposed therebetween. Semiconductor device manufacturing method.
トレンチMOS素子とプレーナMOSFETとが同一基板上に集積された半導体装置の製造方法において、
半導体基板に前記トレンチMOS素子形成領域にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの底面に第1導電形の第1拡散領域を形成する工程と、
前記トレンチMOS素子とプレーナMOSFETを分離する分離領域を前記半導体基板に形成する工程と、
前記トレンチMOS素子形成領域上と前記プレーナMOSFET形成領域上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチ上の前記第1の絶縁膜をマスクしてウエットエッチングにより前記第1の絶縁膜をエッチングする工程と、
前記トレンチMOS素子形成領域上と前記プレーナMOSFET形成領域上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
該第2の絶縁膜上に第1の導電体を形成し、前記プレーナMOSFETのゲート電極となる前記第1の導電体をマスクして異方性エッチングにより前記第1の導電体をエッチングし前記トレンチ側壁に第1のゲート電極と前記プレーナMOSFETの第2のゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板の表面層に前記トレンチ側壁と接して第1導電形の第2の拡散層を形成する工程と、
前記第2のゲート電極をマスクとして前記第2のゲート電極を挟んで対向する第2導電形の第3拡散領域および第2導電形の第4拡散領域を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method of manufacturing a semiconductor device in which a trench MOS element and a planar MOSFET are integrated on the same substrate,
Forming a trench in the trench MOS element formation region in a semiconductor substrate;
Forming a first diffusion region of a first conductivity type on a bottom surface of the trench;
Forming an isolation region on the semiconductor substrate for isolating the trench MOS element and the planar MOSFET;
Forming a first insulating film on the trench MOS element formation region and the planar MOSFET formation region;
Etching the first insulating film by wet etching using the first insulating film on the trench as a mask;
Forming a second insulating film on the trench MOS element formation region and the planar MOSFET formation region;
A first conductor is formed on the second insulating film, and the first conductor serving as a gate electrode of the planar MOSFET is masked to etch the first conductor by anisotropic etching. Forming a first gate electrode and a second gate electrode of the planar MOSFET on a trench sidewall;
Forming a second diffusion layer of a first conductivity type in contact with the trench sidewall on a surface layer of the semiconductor substrate;
Forming a third diffusion region of the second conductivity type and a fourth diffusion region of the second conductivity type facing each other with the second gate electrode interposed therebetween with the second gate electrode as a mask. Semiconductor device manufacturing method.
前記第1の絶縁膜をエッチングする工程は、
前記トレンチMOS素子形成領域上の前記第1の絶縁膜をマスクしてウエットエッチングにより前記第1の絶縁膜をエッチングすることを特徴とする請求項4または5のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
The step of etching the first insulating film includes:
6. The semiconductor device according to claim 4, wherein the first insulating film on the trench MOS element formation region is masked and the first insulating film is etched by wet etching. Manufacturing method.
前記分離領域は、選択酸化もしくは分離溝に絶縁膜を充填した絶縁分離領域で形成することを特徴とする請求項4〜6のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。7. The method according to claim 4, wherein the isolation region is formed by selective oxidation or an insulation isolation region in which an isolation film is filled in an isolation trench. 前記トレンチMOS素子の第2の拡散領域は、前記第2のゲート電極と前記第1、第2の絶縁膜とをマスクとして形成されることを特徴とする請求項4〜6のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。The second diffusion region of the trench MOS device is formed using the second gate electrode and the first and second insulating films as a mask. 13. The method for manufacturing a semiconductor device according to item 5. 前記第2のゲート電極の側壁にスペーサを形成し、該スペーサと前記第2のゲート電極をマスクとして、LDD構造を形成することを特徴とする請求項4〜6のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。The spacer according to any one of claims 4 to 6, wherein a spacer is formed on a side wall of the second gate electrode, and an LDD structure is formed using the spacer and the second gate electrode as a mask. A method for manufacturing a semiconductor device.
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