JP2011159911A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】素子分離領域上に窪みのない酸化膜を形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】支持基板11、埋め込み酸化層12を有する半導体層13上に、積層からなるマスク層を形成し、前記マスク層に開口部を形成する開口部形成工程と、前記マスク層をマスクとして、前記半導体層13にトレンチ19を形成するトレンチ形成工程と、前記トレンチ壁面を含む前記半導体層13の露出部にトレンチ酸化膜21を形成するトレンチ熱酸化工程と、前記トレンチ内に不純物元素が含まれるポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜形成工程と、前記ポリシリコン膜の露出している領域を熱酸化することにより、前記ポリシリコン膜の表面にキャップ酸化膜を形成するポリシリコン熱酸化工程と、を有し、前記素子分離領域において、前記ポリシリコン膜が形成されるものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【選択図】図4

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置における半導体素子の高集積化に伴い、各々の半導体素子間の素子分離が行われている。このような素子分離は、一般的に、半導体基板にトレンチを形成し、形成されたトレンチに絶縁膜を埋め込むことにより形成されている。
具体的には、半導体基板において、半導体素子の形成される領域間に素子分離領域を形成するためのトレンチを形成し、形成されたトレンチ内に酸化物材料からなる埋め込み酸化膜を形成することによりSTI(Shallow Trench Isolation)構造を形成し、このように形成された素子分離領域により、半導体装置における素子分離を行っている。
特開平11−163119号公報 特開2000−21967号公報 特開2003−45957号公報
ところで、引用文献1から3に記載されている素子分離は、半導体基板に形成されたトレンチに埋め込み酸化膜を形成することにより形成した構造のものであるが、より素子分離の性能を向上させ、信頼性の高い半導体装置を得るために、トレンチにポリシリコン等を埋め込み、素子分離領域を形成する方法が挙げられる。
トレンチにポリシリコン等を埋め込んだ素子分離領域の形成方法について、図1及び図2に基づき説明する。
最初に、図1(a)に示すように、シリコン基板(半導体基板)である支持基板101上において、埋込酸化層102、半導体層103、酸化シリコン(SiO)層104が形成されたものの上に、後述するトレンチを形成するための開口部107を有する窒化シリコン(SiN)層105及び酸化シリコン(SiO)層106を形成する。ここで、埋込酸化層102はSiOにより形成されている。
次に、図1(b)に示すように、窒化シリコン層105及び酸化シリコン層106をマスクとして、開口部107において露出している酸化シリコン層104及び半導体層103をRIE(Reactive Ion Etching)等によるドライエッチングにより除去し、トレンチ108を形成する。この際、埋込酸化層102の表面が露出するまでドライエッチングを行う。
次に、図1(c)に示すように、マスクとして用いられていた酸化シリコン層106をウエットエッチングにより除去する。この際、用いられるエッチング液は、酸化シリコンを除去するためのものであり、窒化シリコン層105及び半導体層103は、殆どエッチングされることはない。このため、酸化シリコン層106が除去されるとともに、酸化シリコンの露出している領域、即ち、酸化シリコン層104の側壁部、トレンチ108の底面部において埋込酸化層102が露出している領域の酸化シリコンの一部が除去される。
次に、図1(d)に示すように、半導体層103におけるトレンチ108の側壁である壁面の表面をケミカルドライエッチングにより除去する。具体的には、RIE等によるドライエッチングによりダメージが与えられた領域の半導体層103の壁面の表面をケミカルドライエッチングにより除去する。
次に、図2(e)に示すように、トレンチ108の壁面となる半導体層103の表面を熱酸化することにより、酸化シリコン膜109を形成する。シリコンは熱酸化により体積が膨張するため、膨張した酸化シリコン膜109により、窒化シリコン層105はトレンチ108側が持ち上げられる。
次に、図2(f)に示すように、トレンチ108内にポリシリコン層110を埋め込む。具体的には、トレンチ108内にポリシリコンを埋め込む成膜を行った後、窒化シリコン層105上のポリシリコンをドライエッチングにより除去することによりポリシリコン層110を形成する。このようにして形成されたポリシリコン層110の表面は、中央部分が凹んだ形状となる。
次に、図2(g)に示すように、ポリシリコン層110の表面を熱酸化することにより酸化シリコン膜111を形成する。酸化シリコン膜111は、ポリシリコン層110の表面が露出している領域を熱酸化することにより形成されるものである。よって、形成される酸化シリコン膜111は、体積が膨張するため、破線A内に示されるように、酸化シリコン膜111の周辺部分、即ち、酸化シリコン膜111と酸化シリコン層104との境界部分に窪み112が形成される。
この後、酸化シリコン104及び酸化シリコン膜111の表面上に、ゲート配線のためのポリシリコン等を形成した場合、窪み112にポリシリコン等が残渣として残ってしまい、形成される半導体装置の特性に悪影響を与えてしまう。即ち、窪み112に入り込んで成膜されたポリシリコン等は、除去することが極めて困難であり、ゲート配線等としてポリシリコン等の電極パターンを形成した場合、不要なポリシリコン等が窪み112に入り込み残渣となり、形成される半導体装置の特性に悪影響を与えてしまう。
従って、素子分離領域にポリシリコンが形成される半導体装置において、ポリシリコンの上部における酸化膜上に窪み等が生じることがなく、信頼性の高い半導体装置の製造方法が望まれている。
よって、本発明は、素子分離領域にポリシリコンが形成される半導体装置において、ポリシリコンの上部の酸化膜上に窪み等の生じることがなく、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供するものである。
本発明は、素子分離領域を有する半導体装置の製造方法において、支持基板に形成された半導体層上に、第1の酸化シリコン層、マスク層、第2の酸化シリコン層を順次積層形成し、前記マスク層に開口部を形成する開口部形成工程と、ウエットエッチングにより前記第2の酸化シリコン層を除去するとともに、前記開口部よりも広い領域において、前記第1の酸化シリコン層に覆われていた前記半導体層の表面の一部を露出させる第1の酸化シリコン層除去工程と、前記マスク層をマスクとしてドライエッチングを行うことにより、前記半導体層にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、前記トレンチ壁面を含む前記半導体層の露出している領域を熱酸化することにより、トレンチ酸化膜を形成するトレンチ熱酸化工程と、前記トレンチ内に不純物元素が含まれるポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜形成工程と、前記ポリシリコン膜の露出している領域を熱酸化することにより、前記ポリシリコン膜の表面にキャップ酸化膜を形成するポリシリコン熱酸化工程と、を有し、前記素子分離領域において、前記ポリシリコン膜が形成されるものであることを特徴とする。
また、本発明は、前記支持基板と前記半導体層との間には、埋込酸化層が形成されており、前記トレンチ形成工程において、前記トレンチは前記埋込酸化層が露出するまでドライエッチングを行うことにより形成されるものであることを特徴とする。
また、本発明は、前記第1の酸化シリコン層除去工程において、前記ウエットエッチングはバッファードフッ酸により行うものであることを特徴とする。
また、本発明は、前記トレンチ熱酸化工程において、前記トレンチの壁面における前記マスク層と、前記トレンチ酸化膜との間に隙間が形成されることを特徴とする。
また、本発明は、前記ポリシリコン膜形成工程において、前記隙間にもポリシリコン膜が形成されることを特徴とする。
また、本発明は、前記ポリシリコン膜形成工程において、前記ポリシリコン膜の成膜はCVDにより行われるものであることを特徴とする。
また、本発明は、前記ポリシリコン膜形成工程は、前記ポリシリコン膜が前記トレンチ内部を覆うとともに、前記マスク層を覆い形成するポリシリコン成膜工程と、前記マスク層の表面が露出するまでエッチングを行うことにより、ポリシリコン膜の一部を除去するポリシリコンエッチング工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記ポリシリコン熱酸化工程において、前記隙間に形成されている前記ポリシリコン膜は熱酸化されることにより、前記キャップ酸化膜の一部となるものであることを特徴とする。
また、本発明は、前記トレンチ形成工程は、RIEにより行われるものであって、前記トレンチ形成工程の後、前記トレンチの壁面となる前記半導体層の側面をケミカルドライエッチングにより除去するケミカルドライエッチング工程を有し、前記ケミカルドライエッチング工程の後、前記トレンチ熱酸化工程を行うことを特徴とする。
また、本発明は、前記ポリシリコン熱酸化工程の後、前記キャップ酸化膜を貫通し前記ポリシリコン膜の表面が露出する開口領域を形成するキャップ酸化膜開口工程と、前記開口領域に金属膜を形成する金属膜形成工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記金属膜は接地されるものであることを特徴とする。
本発明によれば、素子分離領域にポリシリコンを形成する半導体装置において、ポリシリコンの上部の酸化膜上に窪み等の生じることがなく、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
ポリシリコンの素子分離領域を有する半導体装置の製造方法の工程図(1) ポリシリコンの素子分離領域を有する半導体装置の製造方法の工程図(2) 本実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(1) 本実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(2) 本実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(3) 本実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(4)
本発明を実施するための形態として、以下、本実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。本実施の形態における半導体装置の製造方法は、素子分離領域にポリシリコンを形成した半導体装置の製造方法である。
図3から図6に基づき、本実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。
最初に、図3(a)に示すように、シリコン基板(半導体基板)である支持基板11上に、酸化シリコンにより形成される埋込酸化層12、半導体層である活性層13が形成されたものの上に、第1の酸化シリコン(SiO)層14、マスク層となる窒化シリコン(SiN)層15及び第2の酸化シリコン(SiO)層16を積層形成する。尚、支持基板11には、不純物元素としてB(ボロン)がドープされておりP型となっている。また、活性層13には、不純物元素としてP(リン)がドープされておりN型となっている。また、本実施の形態における説明では、マスク層として窒化シリコン層15を用いた場合について説明しているが、マスク層として用いられる材料は窒化シリコン以外にも、酸化量を調整したSiO、SiON等を用いることも可能である。マスク層は、後述するポリシリコン膜が所望の領域のみ酸化されるように酸化を抑制するためのものであるため、これらの材料であってもよい。
次に、図3(b)に示すように、窒化シリコン層15及び第2の酸化シリコン層16に開口部17を形成する(開口部形成工程)。この開口部17は後述するトレンチを形成するためのものであり、窒化シリコン層15はトレンチを形成する際にマスクとして機能するものである。具体的には、第2の酸化シリコン層16上に、フォトレジストを塗布し、プリベーク、露光装置による露光、現像を行うことによりトレンチが形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成し、この後、RIE等のドライエッチングを行うことにより、レジストパターンの形成されていない領域における第2の酸化シリコン層16を除去し、更に窒化シリコン層15を除去することにより形成する。この後、有機溶剤又はアッシング等によりレジストパターンを除去する。
次に、図3(c)に示すように、第2の酸化シリコン層16をウエットエッチングにより除去する。このウエットエッチングは、エッチング液としてバッファードフッ酸を用いて行うものであり、酸化シリコンはエッチングにより除去されるが、窒化シリコン、シリコンは殆どエッチングされることはない。尚、バッファードフッ酸(BHF:Buffered Hydrogen Fluoride)とは、フッ化水素酸(HF)とフッ化アンモニウム(NHF)とを混合したものである。また、ウエットエッチングでは、等方的にエッチングが行われるため、第2の酸化シリコン層16がウエットエッチングにより除去されると同時に、開口部17の側面に表面が露出している第1の酸化シリコン層14も徐々にウエットエッチングにより除去される。即ち、活性層13と窒化シリコン層15との間の領域の第1の酸化シリコン層14も開口部17から侵入したエッチング液により徐々に除去される。これにより開口部17よりも広い領域となる所定の除去領域18において第1の酸化シリコン層14が除去され、除去領域18においては、活性層13の表面が露出している(第1の酸化シリコン層除去工程)。
次に、図4(d)に示すように、RIE等のドライエッチングを行うことにより、活性層13にトレンチ19を形成する(トレンチ形成工程)。具体的には、窒化シリコン層15をマスクとし、埋込酸化層12の表面が露出するまでドライエッチングを行うことにより、トレンチ19を形成する。RIE等のドライエッチングでは、ウエットエッチングと異なり、異方性エッチングであるため、活性層13となるシリコンは一方向においてエッチングされ、トレンチ19が形成される。これにより、破線Bで囲まれた領域に示されるように、第1の酸化シリコン層14に覆われていない活性層13の肩部20が露出する。
次に、図4(e)に示すように、トレンチ19の壁面となる活性層13の表面をケミカルドライエッチング(CDE)により除去する(ケミカルドライエッチング工程)。具体的には、トレンチ19は、RIE等のドライエッチングにより形成されるが、トレンチ19の壁面となる活性層13の側面は、エッチングガスの衝撃等によりダメージを受けており、このようなダメージを受けた領域が残ったままの状態で半導体装置が形成されると、形成される半導体装置の特性に悪影響を与えてしまう。このため、ダメージを与えることなくエッチングを行うことが可能なエッチング方法により、活性層13においてRIE等によりダメージを受けた領域、即ち、活性層12のトレンチ19の壁面の表面を除去する。尚、RIEは、イオンが衝突して膜のエッチングを行う異方性エッチングであるのに対し、ケミカルドライエッチング(CDE)は、化学反応で膜のエッチングを行う等方性エッチングであり、両者は異なるエッチング方法である。また、ケミカルドライエッチングは、エッチングを行う部分と、プラズマ発生部とが完全に分離した構造のエッチング方法であり、ケミカルにエッチングが行われるため、エッチングが行われた領域の活性層13にダメージを与えることはない。また、本実施の形態では、ダメージを与えることなくエッチングを行うことが可能なエッチング方法として、ケミカルドライエッチングを用いたが、活性層13にダメージを与えることなく同様にエッチングすることができる方法であれば、他のエッチング方法によりエッチングを行ってもよい。
次に、図4(f)に示すように、活性層13が露出している面、即ち、トレンチ19の壁面及び、第1の酸化シリコン層14がウエットエッチングにより除去され活性層13の表面が露出している面を熱酸化することによりトレンチ酸化膜となる酸化シリコン膜21を形成する(トレンチ熱酸化工程)。これにより、トレンチ19の壁面及び、第1の酸化シリコン層14の形成されていない活性層13の表面である上面に酸化シリコン膜21が形成される。前述のとおり活性層13はシリコンにより形成されているため熱酸化により形成される酸化シリコン膜21は体積が膨張し、トレンチ19の開口近傍の窒化シリコン層15を押し上げる。しかしながら、第1の酸化シリコン層14は、トレンチ19の開口部分及び窒化シリコン層15の開口部17よりも広い領域において除去されているため、活性層13を熱酸化することにより形成される酸化シリコン膜21は、体積が膨張して形成された場合においても、第1の酸化シリコン層14及び酸化シリコン膜21による酸化シリコン膜の上面部分は凹凸等のない、なだらかな形状となる。尚、熱酸化により酸化シリコン膜21が形成されることにより体積が膨張するため、トレンチ19の近傍における第1の酸化シリコン層14及び酸化シリコン膜21と窒化シリコン層15との間には空隙22が形成される。
次に、図5(g)に示すように、ポリシリコン膜23を成膜する(ポリシリコン膜形成工程)。具体的には、CVD(Chemical Vapor Deposition)により、トレンチ19の内部にポリシリコン膜23を埋め込み形成する。この際、ポリシリコン膜23は、CVDにより形成されるため、トレンチ19の内部のみならず、窒化シリコン膜15の上部、第1の酸化シリコン層14及び酸化シリコン膜21と窒化シリコン層15との間の空隙22にも入り込み形成される。尚、本実施の形態において形成されるポリシリコン膜23は、不純物元素としてP(リン)がドープされている膜と不純物がドープされていない膜とを積層することにより形成されており、不純物元素としてPがドープされているポリシリコン膜は、導電性を有している。
次に、図5(h)に示すように、窒化シリコン層15の表面上に形成されたポリシリコン膜23をRIE等のドライエッチングにより除去する。これにより、窒化シリコン層15が形成されていない開口部17においてもポリシリコン膜23が除去されるため、ポリシリコン膜23の表面は凹状に形成される。尚、RIE等のドライエッチングは異方性エッチングであるため、第1の酸化シリコン層14及び酸化シリコン膜21と窒化シリコン層15との間の領域に入り込み形成されたポリシリコン膜23aは、窒化シリコン層15に覆われているため、ほとんど除去されることなく残存する。
次に、図5(i)に示すように、ポリシリコン膜23の露出している面を熱酸化することによりキャップ酸化膜となる酸化シリコン膜24を形成する(ポリシリコン熱酸化工程)。前述のとおり、シリコンは熱酸化により体積が膨張するため、窒化シリコン層15の開口部17において、表面が凹状だったポリシリコン膜23の表面は、酸化シリコン膜24となることにより表面が若干盛り上がった形状となる。この際、第1の酸化シリコン層14及び酸化シリコン膜21と窒化シリコン層15との間の領域に入り込み形成されたポリシリコン膜23も熱酸化により酸化され酸化シリコン膜24となる。これにより、第1の酸化シリコン層14、酸化シリコン膜21及び酸化シリコン膜24により形成される酸化シリコンの膜の表面は、窪み等が形成されることなく、略平坦な形状で形成される。
次に、図6(j)に示すように、窒化シリコン層15を除去し、キャップ酸化膜である酸化シリコン膜24に開口領域25を形成する(キャップ酸化膜開口工程)。具体的には、第1の酸化シリコン層14、酸化シリコン膜21及び酸化シリコン膜24上に、フォトレジストを塗布し、プレベーク、露光装置による露光、現像を行うことにより、開口領域25の形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域の酸化シリコン膜24をポリシリコン膜23の表面が露出するまで除去することにより、開口領域25を形成する。
次に、図6(k)に示すように、開口領域25内に電極となる金属膜26を形成する(金属膜形成工程)。この電極となる金属膜26は、後に接地(GND)されるものであるため、半導体素子間において生じるノイズ等の影響の遮断性を高めることができ、よって、素子分離性能を高めることができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
以上より、本実施の形態における半導体装置の製造方法では、トレンチ19を形成する前に、前記第2の酸化シリコン層16と前記第1の酸化シリコン層14の一部の除去を行っている。このため、図5(i)に示されるように、ポリシリコン膜23の上部に形成される第1の酸化シリコン層14、酸化シリコン膜21及び酸化シリコン膜24からなる酸化シリコンの膜は、窪み等を有することなく平坦に形成されるため、この上にゲート配線等としてポリシリコン等を形成した場合においても、ポリシリコンの残渣等が生じることなく所定の領域にのみ電極等を形成することができ、特性のよい半導体装置を得ることができる。
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
11 支持基板
12 埋込酸化層
13 活性層(シリコン層)
14 第1の酸化シリコン層
15 窒化シリコン層(マスク層)
16 第2の酸化シリコン層
17 開口部
18 除去領域
19 トレンチ
20 肩部
21 酸化シリコン膜(トレンチ酸化膜)
22 空隙
23 ポリシリコン膜
23a ポリシリコン膜
24 酸化シリコン膜(キャップ酸化膜)
25 開口領域
26 金属膜

Claims (11)

  1. 素子分離領域を有する半導体装置の製造方法において、
    支持基板に形成された半導体層上に、第1の酸化シリコン層、マスク層、第2の酸化シリコン層を順次積層形成し、前記マスク層に開口部を形成する開口部形成工程と、
    ウエットエッチングにより前記第2の酸化シリコン層を除去するとともに、前記開口部よりも広い領域において、前記第1の酸化シリコン層に覆われていた前記半導体層の表面の一部を露出させる第1の酸化シリコン層除去工程と、
    前記マスク層をマスクとしてドライエッチングを行うことにより、前記半導体層にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
    前記トレンチ壁面を含む前記半導体層の露出している領域を熱酸化することにより、トレンチ酸化膜を形成するトレンチ熱酸化工程と、
    前記トレンチ内に不純物元素が含まれるポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜形成工程と、
    前記ポリシリコン膜の露出している領域を熱酸化することにより、前記ポリシリコン膜の表面にキャップ酸化膜を形成するポリシリコン熱酸化工程と、
    を有し、前記素子分離領域において、前記ポリシリコン膜が形成されるものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記支持基板と前記半導体層との間には、埋込酸化層が形成されており、
    前記トレンチ形成工程において、前記トレンチは前記埋込酸化層が露出するまでドライエッチングを行うことにより形成されるものである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. 前記第1の酸化シリコン層除去工程において、前記ウエットエッチングはバッファードフッ酸により行うものであることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記トレンチ熱酸化工程において、前記トレンチの壁面における前記マスク層と、前記トレンチ酸化膜との間に隙間が形成されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記ポリシリコン膜形成工程において、前記隙間にもポリシリコン膜が形成されることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記ポリシリコン膜形成工程において、前記ポリシリコン膜の成膜はCVDにより行われるものであることを特徴とする請求項4または5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記ポリシリコン膜形成工程は、
    前記ポリシリコン膜が前記トレンチ内部を覆うとともに、前記マスク層を覆い形成するポリシリコン成膜工程と、
    前記マスク層の表面が露出するまでエッチングを行うことにより、ポリシリコン膜の一部を除去するポリシリコンエッチング工程と、
    を有することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記ポリシリコン熱酸化工程において、前記隙間に形成されている前記ポリシリコン膜は熱酸化されることにより、前記キャップ酸化膜の一部となるものであることを特徴とする請求項5から7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記トレンチ形成工程は、RIEにより行われるものであって、
    前記トレンチ形成工程の後、前記トレンチの壁面となる前記半導体層の側面をケミカルドライエッチングにより除去するケミカルドライエッチング工程を有し、
    前記ケミカルドライエッチング工程の後、前記トレンチ熱酸化工程を行うことを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記ポリシリコン熱酸化工程の後、前記キャップ酸化膜を貫通し前記ポリシリコン膜の表面が露出する開口領域を形成するキャップ酸化膜開口工程と、
    前記開口領域に金属膜を形成する金属膜形成工程と、
    を有することを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記金属膜は接地されるものであることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。
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