JP2009188160A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】プロセスを複雑化することなく、素子分離領域の膜減りによるトランジスタ特性の悪化が生じにくい半導体装置の製造方法を実現できるようにする。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、第1の酸化膜21、第1の窒化膜31及び第2の酸化膜22を順次形成する。次に、第3の領域10C及び第4の領域10Dの上に形成された、第2の酸化膜22及び第1の窒化膜31を除去した後、第3の酸化膜23、第2の窒化膜32及び第4の酸化膜24を順次形成する。次に、第3の領域10Cを除いて、第4の酸化膜24及び第2の窒化膜32を除去した後、第5の酸化膜25を形成する。次に、第2の領域10Bの上に形成された第5の酸化膜25、第3の酸化膜23、第2の酸化膜22及び第1の窒化膜31並びに第3の領域10Cの上に形成された第5の酸化膜25、第4の酸化膜24及び第2の窒化膜32を除去する。
【選択図】図8

Description

本発明は半導体装置の製造法に関し、特にゲート絶縁膜の膜厚が異なる複数のトランジスタを備えた半導体装置の製造方法に関する。
メモリ回路とロジック回路とが混載された半導体装置においては、ゲート絶縁膜の膜厚が互いに異なる複数のトランジスタを形成する必要がある。例えば、書き換え可能な不揮発性メモリ装置の場合には、ONO膜(酸化膜−窒化膜−酸化膜)を有するメモリセルトランジスタと周辺回路及びロジック回路に含まれるMOS(金属−酸化膜−半導体)トランジスタとが必要となる。MOSトランジスタはさらに、高速動作のために比較的低電圧で駆動されるトランジスタと、信頼性を確保するために比較的高い電圧駆動されるトランジスタとが必要となる。一般的には、1.8V程度の電圧で駆動される低電圧トランジスタ、3.3V程度の電圧で駆動される中電圧トランジスタ及び5V程度の電圧で駆動される高電圧トランジスタの3種類が必要となる。従って、メモリセルトランジスタと、3種類のMOSトランジスタとにおいてゲート絶縁膜を作り別ける必要がある。
工程を複雑化することなく、互いに膜厚が異なる複数のゲート絶縁膜を同一基板上に形成する方法として、以下のような方法が検討されている(例えば、特許文献1を参照。)。
従来の半導体装置の製造方法は、まず半導体基板にメモリセルトランジスタを形成する第1の領域、低電圧トランジスタを形成する第2の領域、中電圧トランジスタを形成する第3の領域及び高電圧トランジスタを形成する第4の領域を形成する。
次に、半導体基板上の全面に第1の酸化膜、窒化膜及び犠牲酸化膜を形成した後、第1の領域を覆うレジストマスクを用いて第2の領域、第3の領域及び第4の領域の上に形成された犠牲酸化膜を除去する。続いて、第1の領域の上に残存する犠牲酸化膜をマスクとして、第2の領域、第3の領域及び第4の領域の上に形成された窒化膜を除去する。その後、第1の領域の上に残存する犠牲酸化膜並びに第2の領域、第3の領域及び第4の領域の上に残存する第1の酸化膜を除去する。
次に、半導体基板上の全面にISSG酸化(In-Situ Steam Generated Oxide)法等を用いて第2の酸化膜を形成した後、第2の領域及び第3の領域に形成された第2の酸化膜を除去する。
次に、半導体基板上の全面にISSG酸化等を用いて第3の酸化膜を形成した後、第2の領域に形成された第3の酸化膜を除去する。
次に、半導体基板上の全面にISSG酸化等を用いて第4の酸化膜を形成する。
このようにすれば、第1の領域の上には、第1の酸化膜、第1の窒化膜並びに第2の酸化膜、第3の酸化膜及び第4の酸化膜からなるONO膜が形成される。第2の領域の上には、第4の酸化膜からなるゲート絶縁膜が形成される。第3の領域の上には、第3の酸化膜及び第4の酸化膜からなるゲート絶縁膜が形成される。第4の領域の上には、第2の酸化膜、第3の酸化膜及び第4の酸化膜からなるゲート絶縁膜が形成される。従って、膜厚及び構造が異なる複数のゲート絶縁膜を容易に形成することができる。
特開2005−005516号公報
しかしながら、前記従来の半導体装置の製造方法は、第4の領域では1回、第3の領域では2回、第2の領域では3回の酸化膜除去工程が必要とする。このため、各領域を分離する素子分離領域において膜減りが顕著になり、リーク特性をはじめとしてトランジスタ特性に悪影響を与えるという問題がある。
本発明は、前記従来の問題を解決し、プロセスを複雑化することなく、素子分離領域の膜減りによるトランジスタ特性の悪化が生じにくい半導体装置の製造方法を実現できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は半導体装置の製造方法を各領域の表面に最初に形成した酸化膜を除去しない構成とする。
具体的に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、素子分離領域により互いに分離された、第1の領域、第2の領域、第3の領域及び第4の領域を有する半導体基板の上に、第1の酸化膜、第1の窒化膜及び第2の酸化膜を順次形成する工程(a)と、第3の領域及び第4の領域の上に形成された第2の酸化膜及び第1の窒化膜を除去する工程(b)と、工程(b)よりも後に、半導体基板の上に第3の酸化膜、第2の窒化膜及び第4の酸化膜を順次形成する工程(c)と、第1の領域、第2の領域及び第4の領域の上に形成された、第4の酸化膜及び第2の窒化膜を除去する工程(d)と、工程(d)よりも後に、半導体基板の上に第5の酸化膜を形成する工程(e)と、第2の領域の上に形成された第5の酸化膜、第3の酸化膜、第2の酸化膜及び第1の窒化膜並びに第3の領域の上に形成された第5の酸化膜、第4の酸化膜及び第2の窒化膜を除去する工程(f)とを備えていることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法においては、各領域の表面に形成された第1の酸化膜を除去する必要がない。また、不要な酸化膜を除去する際には、素子分離領域が窒化膜又はマスクに覆われている。このため、素子分離領域がエッチングされることがない。また、素子分離領域を保護するために別途マスクを形成する必要がないため、工程も簡素化できる。従って、プロセスを複雑化することなく、素子分離領域の膜減りによるトランジスタ特性の悪化が生じにくい半導体装置を製造することが可能となる。
本発明の半導体装置の製造方法において、工程(b)は、第1の領域及び第2の領域を覆い且つ第3の領域及び第4の領域を露出する第1のレジストマスクを用いて、第3の領域及び第4の領域の上に形成された第2の酸化膜を除去する工程(b1)と、第1の領域及び第2の領域の上に残存する第2の酸化膜をマスクとして、第3の領域及び第4の領域の上に形成された第1の窒化膜を除去する工程(b2)とを含んでいてもよい。
本発明の半導体装置の製造方法において、工程(d)は、第3の領域を覆い且つ第1の領域、第2の領域及び第4の領域を露出する第2のレジストマスクを用いて、第1の領域、第2の領域及び第4の領域の上に形成された第4の酸化膜を除去する工程(d1)と、第3の領域の上に残存する第4の酸化膜をマスクとして、第1の領域、第2の領域及び第4の領域の上に形成された第2の窒化膜を除去する工程(d2)とを含んでいてもよい。
本発明の半導体装置の製造方法において、工程(f)は、第1の領域及び第4の領域を覆い且つ第2の領域及び第3の領域を露出する第3のレジストマスクを用いて、第2の領域の上に形成された第5の酸化膜、第3の酸化膜及び第2の酸化膜並びに第3の領域の上に形成された第5の酸化膜及び第4の酸化膜を除去する工程(f1)と、第1の領域及び第4の領域の上に残存する第5の酸化膜をマスクとして、第2の領域の上に形成された第1の窒化膜及び第3の領域の上に形成された第2の窒化膜を除去する工程(f2)とを含んでいてもよい。
本発明の半導体装置の製造方法において、半導体基板はシリコン基板であり、第1の酸化膜から第5の酸化膜のうちの少なくとも一つは、ISSG酸化により形成してもよい。また、半導体基板はシリコン基板であり、第1の酸化膜から第5の酸化膜の全ては、ISSG酸化により形成してもよい。
本発明の半導体装置の製造方法において、第1の領域にはメモリ回路を形成し、第2の領域、第3の領域及び第4の領域にはロジック回路を形成してもよい。
この場合において、第1の酸化膜及び第2の酸化膜はシリコン酸化膜であり、第1の窒化膜は、シリコン窒化膜であってもよい。
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、プロセスを複雑化することなく、素子分離領域の膜減りによるトランジスタ特性の悪化が生じにくい半導体装置の製造方法を実現できる。
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図1〜8は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示している。
まず、図1に示すようにシリコン基板10に素子分離領域11により互いに分離された第1の領域10A、第2の領域10B、第3の領域10C及び第4の領域10Dを形成する。続いて、各領域の上に注入保護膜16を形成した後、イオン注入を行い、第1の領域10Aに第1のウェル17Aを形成し、第2の領域10Bに第2のウェル17Bを形成し、第3の領域10Cに第3のウェル17Cを形成し、第4の領域10Dに第4のウェル17Dを形成する。
以下の説明においては、第1の領域10Aはメモリセルトランジスタを形成し、第2の領域10Bには1.8V程度の電圧で駆動される低電圧トランジスタを形成し、第3の領域10Cには3.3V程度の電圧で駆動される中電圧トランジスタを形成し、第4の領域10Dには5V程度の電圧で駆動される高電圧トランジスタを形成するものとする。
次に、図2に示すように熱処理を行い第1のウェル17A〜第4のウェル17Dを活性化した後、注入保護膜16をウエットエッチングにより除去する。ウエットエッチングはシリコン基板10の全面に対して行うため、各領域間に形成された素子分離領域11は、均一に膜減りする。なお、活性化のための熱処理は、例えばRTA(Rapid Thermal Anneal)を用いて、窒素雰囲気にて850℃で30分間行えばよい。
次に、図3に示すように、パイロジェニック酸化の一種であるISSG酸化(In-Situ Steam Generated Oxide)を用いてシリコン基板10を酸化する。これにより、各領域の上に膜厚が3.8nmの第1のシリコン酸化膜21を形成する。ISSG酸化は、例えば水素濃度が5%で、温度が850℃の条件で行えばよい。続いて、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、シリコン基板上の全面に、膜厚が13nmの第1のシリコン窒化膜31を形成する。続いて、ISSG酸化により、第1のシリコン窒化膜31の上に第2のシリコン酸化膜22を形成する。第2のシリコン酸化膜22を形成する際には、処理時間をシリコン基板上において3.2nmの膜厚のシリコン酸化膜が得られる条件とすればよい。このようにすれば第1のシリコン窒化膜31の上に膜厚が2nm〜2.5nm程度の第2のシリコン酸化膜22を形成できる。この後、フォトリソグラフィを用いて、第1の領域10A及び第2の領域10Bを覆い、第3の領域10C及び第4の領域10Dを露出する第1のレジストマスク41を形成する。
次に、図4に示すように、第1のレジストマスク41をマスクとして、第2のシリコン酸化膜22をエッチング除去した後、灰化処理等により第1のレジストマスク41を除去する。続いて、第1の領域10A及び第2の領域10Bの上に残存する第2のシリコン酸化膜22をマスクとして、第1のシリコン窒化膜31における第3の領域10C及び第4の領域10Dの上に形成された部分を選択的に除去する。
次に、図5に示すように、各領域の上にISSG酸化により、第3のシリコン酸化膜23を形成した後、シリコン基板10上の全面に犠牲窒化膜である第2のシリコン窒化膜32及び犠牲酸化膜である第4のシリコン酸化膜24を順次形成する。続いて、第3の領域10Cを覆う第2のレジストマスク42を形成する。
第3のシリコン酸化膜23を形成する際には、処理時間をシリコン基板上において5.0nmの膜厚のシリコン酸化膜が得られる条件とすればよい。第2のシリコン窒化膜32はCVD法により形成すればよく、第4のシリコン酸化膜24はHTO(High Temperature Oxide)とすることが好ましい。
なお、図5において第1のシリコン酸化膜21と第3のシリコン酸化膜23とを区別して表示しているが、実際には第1のシリコン酸化膜21越しにシリコン基板10が酸化されるため、第1のシリコン酸化膜21と第3のシリコン酸化膜23とは一体化する。また、第2のシリコン酸化膜22と第3のシリコン酸化膜23とについても同様に一体化する。また、第1のシリコン窒化膜31の上に形成された第3のシリコン酸化膜23は、第2のシリコン酸化膜22越しに第1のシリコン窒化膜31を酸化することにより成長する。従って、第1のシリコン窒化膜31の上に形成された第3のシリコン酸化膜23の膜厚は、3nm〜5nmとなる。
次に、図6に示すように第2のレジストマスク42をマスクとして第4のシリコン酸化膜24を選択的にエッチング除去した後、第2のレジストマスク42を灰化処理等により除去する。その後、第3の領域10Cの上に残存する第4のシリコン酸化膜24をマスクとして、第2のシリコン窒化膜32における第1の領域10A、第2の領域10B及び第4の領域10Dの上に形成された部分を選択的に除去する。
次に、図7を示すように、ISSG酸化により各領域の上に第5のシリコン酸化膜25を形成する。続いて、第1の領域10A及び第4の領域10Dを覆い第2の領域10B及び第3の領域10Cを露出する第3のレジストマスク43を形成する。
第5のシリコン酸化膜25を形成する際には、処理時間をシリコン基板上において15.0nmの膜厚のシリコン酸化膜が得られる条件とすればよい。第1の領域10A及び第2の領域10Bにおいては、第2のシリコン酸化膜22及び第3のシリコン酸化膜23越しに第1のシリコン窒化膜31を酸化することにより第5のシリコン酸化膜25が形成される。このため、第1の領域10A及び第2の領域10Bにおいては、第5のシリコン酸化膜25は8nmから9nm成長する。
次に図8に示すように、第3のレジストマスク43をマスクとして第2の領域10Bの上に形成された第5のシリコン酸化膜25、第3のシリコン酸化膜23及び第2のシリコン酸化膜22及び第3の領域の上に形成された第5のシリコン酸化膜25、第3のシリコン酸化膜23をエッチング除去する。続いて、第3のレジストマスク43を灰化処理等により除去した後、第2の領域10B上に形成された第1のシリコン窒化膜31及び第3の領域10C上に形成された第2のシリコン窒化膜32を連続して除去する。第1の領域10Aにおいては、第5のシリコン酸化膜25、第3のシリコン酸化膜23及び第2のシリコン酸化膜22がマスクとなり、第1のシリコン窒化膜31はエッチングされない。
このような工程により、第1の領域には第1のシリコン酸化膜21、第1のシリコン窒化膜31並びに第2のシリコン酸化膜22、第3のシリコン酸化膜23及び第5のシリコン酸化膜25からなるONO膜である第1のゲート絶縁膜26Aが形成される。第2の領域10Bには第1のシリコン酸化膜21からなる膜厚が3.8nm程度の第2のゲート絶縁膜26Bが形成される。第3の領域10Cには第1のシリコン酸化膜21及び第3のシリコン酸化膜23からなる膜厚が7nm〜8.5程度の第3のゲート絶縁膜26Cが形成される。第4の領域10Dには第1のシリコン酸化膜21、第3のシリコン酸化膜23及び第5のシリコン酸化膜25からなる膜厚が17nm〜18.5nm程度の第4のゲート絶縁膜26Dが形成される。
この後、ゲート電極形成工程、サリサイド形成工程、金属配線形成工程、保護膜形成工程及びボンディングパッド形成工程が行われるが、これらの工程の説明は省略する。
なお、図8において第3のゲート絶縁膜26Cにおいて第1のシリコン酸化膜21と第3のシリコン酸化膜23との境界線を図示しているが、実際には第1のシリコン酸化膜21と第3のシリコン酸化膜23とは一体化している。また、第4のゲート絶縁膜26Dにおける第1のシリコン酸化膜21、第3のシリコン酸化膜23及び第5のシリコン酸化膜25と、第1のゲート絶縁膜26Aにおける第2のシリコン酸化膜22、第3のシリコン酸化膜23及び第5のシリコン酸化膜25とは同様に一体化している。
本実施形態の半導体装置の製造方法においては、注入保護膜16を除去する際に素子分離領域11が膜減りする。しかし、その他の工程においては素子分離領域11が膜減りすることはほとんどない。また、注入保護膜16を除去する際には、シリコン基板10の全面をエッチングするため、素子分離領域11の膜減りは均一であり、局所的に偏った膜減りが生じるおそれもない。このため、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、素子分離膜の膜減りによる半導体装置の特性劣化が生じるおそれがほとんどない。また、従来の方法と比べて工程数が増加することもない。
ISSG酸化においては、シリコン基板、窒化膜及び酸化膜越しの窒化膜の酸化レートが異なる。この酸化レートの差を利用することにより、各領域に形成するゲート絶縁膜の膜厚を容易に制御することができる。従って、犠牲酸化膜を除く各シリコン酸化膜をISSG酸化を用いて形成することにより工程を簡素化することができる。しかし、必ずしも全てのシリコン酸化膜形成工程をISSG酸化により行う必要はなく、必要とする膜厚のシリコン酸化膜が形成できればどのような方法を用いてもよい。また、本実施形態において示したシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の膜厚等は一例であり、形成するトランジスタの駆動電圧等に応じて適宜変更すればよい。
また、半導体基板がシリコン基板であり、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを形成する例を示したがこれに限らず、例えば半導体基板がSOI(Silicon On Insulator)基板等の場合においても、ゲート絶縁膜のシリコン窒化膜に代えてシリコン酸窒化膜等の場合においても同様の効果が得られる。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、プロセスを複雑化することなく、素子分離領域の膜減りによるトランジスタ特性の悪化が生じにくい半導体装置の製造方法を実現でき、特にゲート絶縁膜の膜厚が異なる複数のトランジスタを備えた半導体装置の製造方法等として有用である。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
符号の説明
10 シリコン基板
10A 第1の領域
10B 第2の領域
10C 第3の領域
10D 第4の領域
11 素子分離領域
16 注入保護膜
17A 第1のウェル
17B 第2のウェル
17C 第3のウェル
17D 第4のウェル
21 第1のシリコン酸化膜
22 第2のシリコン酸化膜
23 第3のシリコン酸化膜
24 第4のシリコン酸化膜
25 第5のシリコン酸化膜
26A 第1のゲート絶縁膜
26B 第2のゲート絶縁膜
26C 第3のゲート絶縁膜
26D 第4のゲート絶縁膜
31 第1のシリコン窒化膜
32 第2のシリコン窒化膜
41 第1のレジストマスク
42 第2のレジストマスク
43 第3のレジストマスク

Claims (8)

  1. 素子分離領域により互いに分離された、第1の領域、第2の領域、第3の領域及び第4の領域を有する半導体基板の上に、第1の酸化膜、第1の窒化膜及び第2の酸化膜を順次形成する工程(a)と、
    前記第3の領域及び第4の領域の上に形成された前記第2の酸化膜及び第1の窒化膜を除去する工程(b)と、
    前記工程(b)よりも後に、前記半導体基板の上に第3の酸化膜、第2の窒化膜及び第4の酸化膜を順次形成する工程(c)と、
    前記第1の領域、第2の領域及び第4の領域の上に形成された、前記第4の酸化膜及び第2の窒化膜を除去する工程(d)と、
    前記工程(d)よりも後に、前記半導体基板の上に第5の酸化膜を形成する工程(e)と、
    前記第2の領域の上に形成された前記第5の酸化膜、第3の酸化膜、第2の酸化膜及び第1の窒化膜並びに前記第3の領域の上に形成された前記第5の酸化膜、第4の酸化膜及び第2の窒化膜を除去する工程(f)とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記工程(b)は、
    前記前記第1の領域及び第2の領域を覆い且つ前記第3の領域及び第4の領域を露出する第1のレジストマスクを用いて、前記第3の領域及び第4の領域の上に形成された前記第2の酸化膜を除去する工程(b1)と、
    前記第1の領域及び第2の領域の上に残存する前記第2の酸化膜をマスクとして、前記第3の領域及び第4の領域の上に形成された前記第1の窒化膜を除去する工程(b2)とを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記工程(d)は、
    前記第3の領域を覆い且つ前記第1の領域、第2の領域及び第4の領域を露出する第2のレジストマスクを用いて、前記第1の領域、第2の領域及び第4の領域の上に形成された前記第4の酸化膜を除去する工程(d1)と、
    前記第3の領域の上に残存する前記第4の酸化膜をマスクとして、前記第1の領域、第2の領域及び第4の領域の上に形成された前記第2の窒化膜を除去する工程(d2)とを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記工程(f)は、
    前記第1の領域及び第4の領域を覆い且つ前記第2の領域及び第3の領域を露出する第3のレジストマスクを用いて、前記第2の領域の上に形成された前記第5の酸化膜、第3の酸化膜及び第2の酸化膜並びに前記第3の領域の上に形成された前記第5の酸化膜及び第4の酸化膜を除去する工程(f1)と、
    前記第1の領域及び第4の領域の上に残存する前記第5の酸化膜をマスクとして、前記第2の領域の上に形成された前記第1の窒化膜及び前記第3の領域の上に形成された前記第2の窒化膜を除去する工程(f2)とを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記半導体基板はシリコン基板であり、
    前記第1の酸化膜から第5の酸化膜のうちの少なくとも一つは、ISSG酸化により形成することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記半導体基板はシリコン基板であり、
    前記第1の酸化膜から第5の酸化膜の全ては、ISSG酸化により形成することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第1の領域にはメモリ回路を形成し、前記第2の領域、第3の領域及び第4の領域にはロジック回路を形成することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記第1の酸化膜及び第2の酸化膜はシリコン酸化膜であり、
    前記第1の窒化膜は、シリコン窒化膜であ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。
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