JP2006332130A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ゲート長のバラつきを抑え、さらに微細化したゲート長の異なるゲート電極を形成することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板10上にゲート電極材料20〜50を形成する工程と、ゲート電極材料20〜50上にダミーパターン60を形成する工程と、ダミーパターン上にマスク材90を介して絶縁膜を堆積させる工程と、ダミーパターン上側部の絶縁膜をエッチングし、ダミーパターン61側部にサイドウォール66を形成する工程と、サイドウォール66を除去する工程と、ダミーパターン62上側部の絶縁膜をエッチングし、ダミーパターン側部にサイドウォール67を形成する工程と、マスク材90をエッチングし、ダミーパターン61側面にサイドウォール91及びダミーパターン62側面にサイドウォール92を形成する工程と、サイドウォール91、92をマスクとしてゲート電極材料20〜50をエッチングする工程を備える。
【選択図】 図9

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。
従来から半導体装置の不揮発性半導体メモリとして、NOR型フラッシュメモリやNAND型フラッシュメモリが知られており、広く使用されている。
近年、NAND型フラッシュメモリとNOR型フラッシュメモリの両者の長所を兼ね備えた2トランジスタ型のフラッシュメモリが提案されている。このフラッシュメモリは、2つのトランジスタを含むメモリセルを備えている。このメモリセルは、不揮発性記憶部として機能する一方のトランジスタ(セルトランジスタ)がコントロールゲートとフローティングゲートとを備えた構造を有し、ビット線に接続されている。他方のトランジスタ(選択トランジスタ)は、ソース線に接続され、メモリセルの選択用として用いられる。
このフラッシュメモリセルの選択トランジスタのゲート電極のゲート長は、セルトランジスタより選択トランジスタの方が高電位で使用されるため、選択トランジスタのゲート長の方が長く形成される。このゲート電極の形成は、ゲート電極となるシリコン膜や絶縁膜を半導体基板上に堆積させた後、選択トランジスタ及びセルトランジスタのゲート電極を形成する箇所に、リソグラフィ技術を用いてレジストマスクを設け、異方性エッチングを行うことにより、所望のゲート電極を形成している。
しかしながら、近年の高集積化、高性能化に伴うゲート電極の微細化に伴い、ゲート電極のゲート長及びゲート電極間隔が小さくなってきている。そのため、上記したレジストマスクの形成のときの露光工程で、光学的近接効果補正(OPC:Optical Proximity Collection)を施したマスクを用いても、収差の影響は大きく、隣り合うゲート長の差が発生し、所望のゲート電極に必要なレジストマスクが形成できない。このままの状態でレジストマスクをマスクとして異方性エッチングを行うと、選択トランジスタ及びセルトランジスタのゲート電極のゲート長がばらついてしまうという問題点がある。この問題は、特にセルトランジスタのゲート電極に大きな影響を与える。つまり、セルトランジスタ同士のしきい値がばらつくことになり、セルトランジスタの書き込み(読み出し)動作が正常に行われないという問題がある。
そこで、ゲート電極材料が堆積された半導体基板上にダミーパターンを設け、このダミーパターンに例えばシリコン窒化膜などの絶縁膜を堆積させ、異方性エッチングにより、このダミーパターンの側面にのみシリコン窒化膜をサイドウォールとして残し、このシリコン窒化膜からなるサイドウォールをマスクとして、堆積させたゲート電極材料をエッチングし、ゲート電極を形成するというものがある(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、この従来技術は、同じゲート長のゲート電極をもつトランジスタを複数形成する場合に適応できるもので、セルトランジスタ及び選択トランジスタのゲート長の異なる複数のトランジスタを形成するためには、この従来技術は利用できない。
特開平8-55920号公報(第6頁、図6)
本発明は、ゲート長のバラつきを抑え、さらに微細化したゲート長の異なるゲート電極を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に半導体材料を形成する工程と、前記半導体材料上にストライプ状の第1のダミーパターン及び第2のダミーパターンを形成する工程と、前記第1のダミーパターン及び前記第2のダミーパターン上にマスク材を介して絶縁膜を堆積させる工程と、前記第1のダミーパターン上部及び側部の前記絶縁膜をエッチングし、前記第1のダミーパターンの側部に前記絶縁膜からなる第1のサイドウォールを形成する工程と、前記第1のサイドウォールが除去されるように前記絶縁膜をエッチングする工程と、前記第2のダミーパターン上部及び側部の前記絶縁膜をエッチングし、前記第2のダミーパターンの側部に前記絶縁膜からなる第2のサイドウォールを形成する工程と、前記マスク材をエッチングし、前記第1のダミーパターンの側面に前記マスク材からなる第3のサイドウォール及び前記第2のダミーパターン側面に前記マスク材及び前記絶縁膜からなる第4のサイドウォールを形成する工程と、前記第3のサイドウォール及び前記第4のサイドウォールをマスクとして前記半導体材料をエッチングする工程と、を備えることを特徴としている。
本発明によれば、ゲート長のバラつきを抑え、さらに微細化したゲート長の異なるゲート電極を形成することができる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
本実施例の半導体装置の製造方法を図1乃至図11を用いて、セルトランジスタ同士、選択トランジスタ同士が、平行に配列した2つのトランジスタを有するフラッシュメモリを例にとって説明する。
一般に、2つのトランジスタを有するフラッシュメモリは、データの書き込み、読み出しを行うセルトランジスタと所望のセルトランジスタを選択する選択トランジスタを備えている。セルトランジスタは、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたフローティングゲートと、フローティングゲート上に絶縁膜を介して形成されたコントロールゲートを有する積層構造をもったゲート電極を備えている。また、フローティングゲートは、セルトランジスタ毎に分離され、コントロールゲートによってカラム方向にセルトランジスタ同士を電気的に接続している。選択トランジスタもセルトランジスタと同様、フローティングゲートと、フローティングゲート上に絶縁膜を介して形成されたコントロールゲートを有する積層構造をもったゲート電極を備えている。しかし、セルトランジスタと異なり、同一カラム方向の選択トランジスタのフローティングゲートは共通接続され、電気的に接続されている。ロウ方向には、2つの選択トランジスタ及び2つのセルトランジスタが交互に配列した構造を取る。以上より構成される2つのトランジスタを有するフラッシュメモリの選択トランジスタ及びセルトランジスタのゲート長は、選択トランジスタのゲート長の方が長く形成される。
以下にそのフラッシュメモリの製造方法について、図1乃至図13を用いて説明する。ここで、図1(a)から図13(a)は、2つのトランジスタを有するフラッシュメモリの平面図を表し、図1(b)から図13(b)は、そのフラッシュメモリの断面図を表している。
まず、図1に示すように、半導体基板となるシリコン基板10上の図外にトレンチ分離法(STI:Shallow Trench Isolation)や選択酸化法(LOCOS:Local Oxidation of Silicon)などの素子分離法を用いて溝を形成し、この溝内に絶縁物を埋め込んで、絶縁膜からなる素子分離領域を形成した後、各トランジスタが所望のしきい値になるように、シリコン基板10上に不純物イオンの注入を行う。次に、図1に示すように、シリコン基板10上に、熱酸化法によりゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜20と、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いてゲート電極となる多結晶シリコン膜30を順次堆積させる。次に、堆積させた多結晶シリコン膜30に例えば、リンなどの不純物イオンをドープすることにより、多結晶シリコン膜30のシート抵抗を100〜200Ω/□へ下げることができる。
次に、セルトランジスタの1層目のゲート電極をそれぞれのセルトランジスタで分離するために、レジストを塗布し、リソグラフィ技術によりパターニングを行い、パターニングしたレジストをマスクとして、多結晶シリコン膜30をRIE(Reactive Ion Etching)法により異方性エッチングする。それにより、多結晶シリコン膜30にスリット31が設けられ、多結晶シリコン膜30からなるセルトランジスタのフローティングゲートが形成される。
次に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の積層構造からなる絶縁膜40(ONO膜)をCVD法を用いて、多結晶シリコン膜30上に堆積させ、さらにONO膜40上にCVD法を用いて多結晶シリコン膜50を堆積させる。
次に、多結晶シリコン膜50上に本実施例のゲート電極形成のダミーパターンとなるシリコン酸化膜60(TEOS(Tetraethylorthosilicate)膜)をCVD法を用いて形成する。
次に、ダミーパターンとなるTEOS膜60をエッチングするために、TEOS膜60上にリソグラフィのときの露光の反射を防ぐARC(Anti Reflection Coat)膜70を堆積させ、そのARC膜70上にレジスト80を堆積させ、リソグラフィ技術により所望のレジストパターンをストライプ状の等間隔に形成する。このとき、レジスト80の間隔Xが2トランジスタ型のフラッシュメモリの間隔、レジスト80の幅Yが隣接するセルトランジスタの間隔及び選択トランジスタの間隔となるようにレジストパターンを形成する。これは、従来の選択トランジスタ及びセルトランジスタのゲート電極上に形成していたレジスト及びマスク材の間隔に比べ、レジストの間隔が大きいので、従来のリソグラフィ技術で近接効果の影響を受けず、所望のパターニングを行うことができる。
次に、図2に示すように、レジスト80をマスクとして、RIE法などを用いてARC膜70、TEOS膜60の異方性エッチングを行う。次に、レジスト80及びレジスト80下部に残ったARC膜70を除去することにより、TEOS膜60からなるストライプ状に配列されたダミーパターンを形成することができる。このときのダミーパターン60の高さ、つまりTEOS膜60を成膜するときの膜厚が、選択トランジスタのゲート長を決定することになるので、所望のゲート長の選択トランジスタを形成するための、TEOS膜60の膜厚を決めておく必要がある。
次に、図3に示すように、多結晶シリコン膜50及びダミーパターン60上に、セルトランジスタ及び選択トランジスタのゲート電極を形成するためのマスク材となるシリコン窒化膜90をCVD法を用いて堆積させ、さらにそのシリコン窒化膜90上にシリコン酸化膜65(TEOS膜)をCVD法を用いて形成する。このときのシリコン窒化膜90の膜厚が、セルトランジスタのゲート長を決定することになるので、所望のゲート長のセルトランジスタを形成するためのTEOS膜90の膜厚を決めておく必要がある。
次に、図4に示すように、TEOS膜65上にリソグラフィのときの露光によるTEOS膜からの反射を防ぐARC膜71を堆積させ、そのARC膜71上にレジスト81を堆積させ、リソグラフィ技術により所望のレジストパターンを形成する。このときのレジストパターンは、選択トランジスタを形成するダミーパターン62上に形成し、セルトランジスタを形成するダミーパターン61上には形成しない。つまり、本実施例では、ストライプ状のレジスト81をダミーパターンのストライプの間隔の2倍の間隔で形成することになる。また、このレジストパターンの幅は、ダミーパターン62の配線幅よりも幅が広く、隣接するダミーパターン61上に達しない程度、広く形成することができる。
ここでのレジストパターン形成は、ストライプの間隔をダミーパターン形成よりもさらに広くしているので、近接効果の影響を受けず所望のパターニングを行うことができる。
次に、図5に示すように、レジスト81をマスクとして、RIE法により、ARC膜71、TEOS膜65の異方性エッチングを行う。このとき、レジストによりマスクされていないTEOS膜がエッチングされ、ダミーパターン61上のシリコン窒化膜が露出し、先に形成したダミーパターン61の側面にTEOS膜からなるサイドウォールスペーサ66が形成される。
次に、図6に示すように、フッ化アンモニウム溶液などで等方性エッチングを行い、ダミーパターン61側面に形成されたサイドウォールスペーサ66を除去する。このとき、レジスト81下部のTEOS膜65の一部もエッチングされる。
次に、図7に示すように、選択トランジスタを形成するダミーパターン62上のARC膜71及びレジスト81を除去する。
次に、図8に示すように、RIE法によりTEOS膜65の異方性エッチングを行う。このとき、先に形成したダミーパターン62の側面にTEOS膜からなるサイドウォールスペーサ67が残り、それ以外のシリコン窒化膜上のTEOS膜はすべてエッチングされる。
次に、図9に示すように、TEOS膜のサイドウォールスペーサ67を残したまま、シリコン窒化膜90をRIE法を用いて異方性エッチングする。このとき、ダミーパターン61の側面には、シリコン窒化膜からなるサイドウォールスペーサ91が形成され、ダミーパターン62の側面には、TEOS膜のサイドウォールスペーサ67が残ったまま、シリコン窒化膜90の異方性エッチングを行うので、サイドウォールスペーサ91よりも幅の太い、TEOS膜のサイドウォールスペーサ67を積層したサイドウォールスペーサ92が形成される。
次に、図10に示すように、フッ化アンモニウム溶液などを用いて等方性エッチングを行い、TEOS膜からなるダミーパターン61、62及びサイドウォールスペーサ67を除去し、以上より、ゲート電極形成のマスク材となる幅の異なるシリコン窒化膜91、92を形成することができる。
ここで、ゲート電極形成のマスク材となるシリコン窒化膜91,92の幅は、セルトランジスタのマスク材となるシリコン窒化膜91の場合は、堆積させるシリコン窒化膜90の膜厚によって、所望の値を決定することができる。また、選択トラジスタのマスク材となるシリコン窒化膜92の場合は、堆積させるシリコン窒化膜90の膜厚と、ダミーパターンの高さで決定される。つまり、ダミーパターンの高さが高いとダミーパターン側壁に形成されるサイドウォールスペーサ67の厚さも増えるので、このサイドウォールスペーサと堆積させるシリコン窒化膜90の膜厚によって、選択トランジスタのゲート長を決定することができる。
次に、図11に示すように、上記までの工程で形成された厚さの異なるシリコン窒化膜91、92をマスクとして、RIE法により多結晶シリコン膜、ONO膜、多結晶シリコン膜、ゲート絶縁膜を順次異方性エッチングする。
次に、図12に示すように、ゲート電極端の酸化膜信頼性を確保するために、ゲート絶縁膜の膜厚相当の酸化を行う。その後、シリコン基板上に形成したゲート電極を覆うように、TEOS膜をCVD法で堆積させ、全面に異方性エッチングを施すことによりゲート電極側壁にサイドウォールスペーサ100を形成する。
次に、図13に示すように、熱燐酸を用いて、マスクとして使用したシリコン窒化膜91、92の除去を行い、さらにフッ化アンモニウム溶液などを用いて等方性エッチングを行い、サイドウォールスペーサ100のTEOS膜の一部を除去する。以上より、ゲート長の異なるセルトランジスタと選択トランジスタのゲート電極を形成することができる。
その後は、ゲート長の異なるゲート電極の両側にソース・ドレイン拡散層を形成するため、不純物イオンを選択的に導入、サイドウォールスペーサの形成、シリサイドの形成、ビット線の形成、コンタクトホールの形成などを行うことにより、異なるゲート長のセルトランジスタ101及び選択トランジスタ102からなる2トランジスタ型のフラッシュメモリを形成することができる。
以上のように説明した2トランジスタ型のフラッシュメモリの製造方法により、従来のリソグラフィ技術よりもレジストパターンの間隔を緩くして、ゲート長の異なる選択トランジスタ及びセルトランジスタを形成することができるので、微細化に起因したリソグラフィ技術の露光工程での近接効果の影響を緩和することができ、セルトランジスタ及び選択トランジスタのゲート長のバラつきを抑えることができる。また、従来のリソグラフィ技術を用いて、さらにレジスト間隔を狭めることでき、ダミーパターン側壁に形成されるサイドウォールスペーサをマスクとして用いるので、レジストをマスクとしてゲート電極のエッチングを行うよりも、さらにゲート長の細いセルトランジスタ及び選択トランジスタを形成することもでき、高機能、高集積化の2トランジスタ型のフラッシュメモリを形成することができる。
ここで、本実施例では、マスク材にシリコン窒化膜を、絶縁膜及びダミーパターンにシリコン酸化膜を用いていたが、マスク材にシリコン酸化膜を、絶縁膜及びダミーパターンにシリコン窒化膜を用いてもかまわない。
なお、本発明は、上述したような実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。例えば、本実施例では、2トランジスタ型のフラッシュメモリの積層構造のゲート電極の製造方法を例に説明してきたが、それに限定されるわけではなく、それ以外のMOSトランジスタなどで異なるゲート長が必要なときに用いることができる。また、配線の形成で異なる配線幅が必要なときにも適応することができる。
また、本実施例では、異なるゲート電極をもつトランジスタのゲート電極を形成するために、ゲート長の長い方のゲート電極に形成されるダミーパターン上部にダミーパターンの幅よりも広いレジストを周期的に形成させていたが、必ずしも周期的である必要はなく、ゲート長の長いゲート電極が必要な部分、つまり、必要なダミーパターン側壁上にレジストを形成することにより、部分的にゲート長の長いゲート電極を形成することができる。さらに、ダミーパターンを覆い隠すようにレジストを形成してダミーパターン両側壁にゲート長の長いゲート電極を形成していたが、ダミーパターン片側の上部だけをレジストでマスクすることにより、一方の片側にはゲート長の長いゲート電極、他方の片側には、ゲート長の細いゲート電極を形成することができる。つまり、ダミーパターン上部に形成する周期的なレジストを半周期ずらして、ダミーパターンの片側の上部だけレジストマスクしても、上記実施例と同様のゲート長の異なるセルトランジスタ及び選択トランジスタを形成することができる。
本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。 本発明の実施例1に係る半導体装置の製造方法における工程平面図及び断面図。
符号の説明
10 シリコン基板
20 シリコン酸化膜(ゲート絶縁膜)
30 多結晶シリコン(フローティングゲート)
31 スリット
40 ONO膜
50 多結晶シリコン膜(コントロールゲート)
60、61、62 TEOS膜(ダミーパターン)
65 TEOS膜
66、67 サイドウォールスペーサ(TEOS膜)
70、71 ARC膜
80、81 レジスト
90 シリコン窒化膜
91、92 サイドウォールスペーサ(シリコン窒化膜)
100 サイドウォールスペーサ
101 セルトランジスタ
102 選択トランジスタ

Claims (10)

  1. 半導体基板上に導電体材料を形成する工程と、
    前記導電体材料上にストライプ状の第1のダミーパターン及び第2のダミーパターンを形成する工程と、
    前記第1のダミーパターン及び前記第2のダミーパターン上にマスク材を介して絶縁膜を堆積させる工程と、
    前記第1のダミーパターン上部及び側部の前記絶縁膜を開口するようなレジストパターンをマスクにしてエッチングし、前記第1のダミーパターンの側部に前記絶縁膜からなる第1のサイドウォールを形成する工程と、
    前記絶縁膜をエッチングし、前記第1のサイドウォールを除去する工程と、
    前記第2のダミーパターン上部及び側部の前記絶縁膜をエッチングし、前記第2のダミーパターンの側部に前記絶縁膜からなる第2のサイドウォールを形成する工程と、
    前記マスク材をエッチングし、前記第1のダミーパターンの側面に前記マスク材からなる第3のサイドウォール及び前記第2のダミーパターン側面に前記マスク材及び前記絶縁膜からなる第4のサイドウォールを形成する工程と、
    前記第3のサイドウォール及び前記第4のサイドウォールをマスクとして前記導電体材料をエッチングする工程と、
    を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第4のサイドウォールの幅は、前記第3のサイドウォールの幅よりも広いことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第1のダミーパターンと前記第2のダミーパターンの間隔は、前記第3のサイドウォール及び前記第4のサイドウォールの間隔よりも広いことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記レジストの間隔は、前記第1のダミーパターンと前記第2のダミーパターンの間隔よりも広いことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第1のサイドウォールを形成する工程、前記第2のサイドウォールを形成する工程、前記第3のサイドウォール及び前記第4のサイドウォールを形成する工程に異方性エッチングを用いることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第1のサイドウォールを除去する工程は、等方性エッチングであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記マスク材、前記絶縁膜及び前記ダミーパターンに選択比の異なる材料を用いることを特徴とする請求項1乃至請求項6記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記マスク材としてシリコン窒化膜を用い、前記絶縁膜及び前記ダミーパターンとしてシリコン酸化膜を用いることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記マスク材としてシリコン酸化膜を用い、前記絶縁膜及び前記ダミーパターンとしてシリコン窒化膜を用いることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 半導体基板上にゲート電極材料を形成する工程と、
    前記ゲート電極材料上にストライプ状の第1のダミーパターン及び第2のダミーパターンを形成する工程と、
    前記第1のダミーパターン及び前記第2のダミーパターン上にマスク材を介して絶縁膜を堆積させる工程と、
    前記第1のダミーパターン上部及び側部の前記絶縁膜を開口するようなレジストパターンをマスクにしてエッチングし、前記第1のダミーパターンの側部に前記絶縁膜からなる第1のサイドウォールを形成する工程と、
    前記絶縁膜をエッチングし、前記第1のサイドウォールを除去する工程と、
    前記第2のダミーパターン上部及び側部の前記絶縁膜をエッチングし、前記第2のダミーパターンの側部に前記絶縁膜からなる第2のサイドウォールを形成する工程と、
    前記マスク材をエッチングし、前記第1のダミーパターンの側面に前記マスク材からなる第3のサイドウォール及び前記第2のダミーパターン側面に前記マスク材及び前記絶縁膜からなる第4のサイドウォールを形成する工程と、
    前記第3のサイドウォール及び前記第4のサイドウォールをマスクとして前記ゲート電極材料をエッチングし、ゲート長の異なるゲート電極を形成する工程と、
    を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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