JP2022124290A - Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置、及び半導体装置の製造方法、特に、トレンチゲート構造を有する半導体装置、及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a trench gate structure and a method of manufacturing the semiconductor device.
特許文献1には、小トレンチ分離抵抗の周囲を囲むトレンチと、当該小トレンチ分離抵抗に隣接する他の小トレンチ分離抵抗の周囲を囲むトレンチとの間にトレンチを形成しない領域を設けることで、層間絶縁膜の厚さを薄くする半導体装置が開示されている。
In
このようにトレンチゲート構造を有する半導体装置では、半導体の用途に応じてトレンチ内部に絶縁物や導電物を充填し、絶縁層や導電層を形成することがある。 In such a semiconductor device having a trench gate structure, the trench may be filled with an insulating material or a conductive material to form an insulating layer or a conductive layer depending on the application of the semiconductor.
図5は、トレンチゲート構造を有する従来の半導体装置20の概略例を示す図である。このうち、図5(A)は半導体装置20の断面図を示し、図5(B)は図5(A)に示した半導体装置20を上から眺めた平面図を示している。
FIG. 5 is a diagram showing a schematic example of a
半導体装置20は例えば、基板1、ゲート酸化膜2、ゲート電極層3、中間絶縁膜4、ゲート電極層3と電気的に接続するコンタクト5Aを有するゲート電極5、ソース電極6、及び図示しないドレイン電極を含み、基板1にはトレンチ7が形成されている。
The
ゲート電極層3は例えばリンをドープしたポリシリコンによって構成される。図5(A)に示すように、トレンチ7の内部にゲート電極層3を形成するためには、基板1の表面からの厚さが、図5(B)に示すトレンチ7における短辺の幅Lの1/2(以降、「基準厚さ」という)以上となるように、ポリシリコンを基板1上に積層する必要がある。これは、ポリシリコンを基板1の表面から基準厚さ未満の厚さしか積層しなかった場合、基板1の表面から基板1の内部に向かって形成された凹型のトレンチ7内の一部にポリシリコンが形成されない箇所が発生してしまうことがある。このような場合、ポリシリコンが形成されなかった場所に意図せず薬液等が入り込み、半導体装置20の品質が劣化することがある。
The
こうした理由により、トレンチゲート構造を有する従来の半導体装置20では、基板1の表面上に位置するゲート電極層3の厚さが基準厚さ以上となっている。
For these reasons, in the
一方、基板1の表面上におけるゲート電極層3の厚さを基準厚さ未満にすることができないため、半導体装置20に対する微細化の要求に応えるために、例えば中間絶縁膜4の厚さをできるだけ薄くする手法がとられることがある。
On the other hand, since the thickness of the
しかしながら、中間絶縁膜4を薄くし過ぎると、例えばソース電極6と基板1の表面上におけるゲート電極層3とが電気的に接続してしまい、絶縁破壊を起こしてしまうことがある。
However, if the intermediate
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、トレンチゲート構造を有する半導体装置を微細化した場合であっても、従来よりも絶縁破壊を起こしにくい半導体装置、及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been proposed in order to solve the above-described problems, and is a semiconductor device that is less prone to dielectric breakdown than conventional ones even when a semiconductor device having a trench gate structure is miniaturized, and a semiconductor device. It aims at providing the manufacturing method of.
本発明に係る半導体装置は、トレンチ領域を有する基板と、前記トレンチ領域の内部に充填された第1領域と、前記第1領域の周辺に延在する第2領域と、を有するゲート電極層と、を備える半導体装置であって、前記第2領域の厚さは、予め設定した下限値よりも厚く、前記トレンチ領域における短辺の幅の1/2未満となる範囲に含まれることを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention includes a substrate having a trench region, a gate electrode layer having a first region filled in the trench region, and a second region extending around the first region. wherein the thickness of the second region is thicker than a preset lower limit value and falls within a range of less than half the width of the short side of the trench region. do.
一方、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の表面からトレンチ領域を形成するトレンチ形成工程と、少なくとも前記トレンチ領域の周辺における厚さが、前記トレンチ領域における短辺の幅の1/2以上の厚さとなるようなポリシリコンで構成されたゲート電極層を形成するゲート電極層形成工程と、少なくとも前記トレンチ領域の周辺における前記ゲート電極層の厚さが、予め設定した下限値よりも厚く、かつ、前記トレンチ領域における短辺の幅の1/2未満となる範囲内に含まれるように前記ゲート電極層のエッチングを行う第1エッチング工程と、前記ゲート電極層のうち、ゲート電極の下に位置することになる前記基板の表面上の第1ゲート電極層と前記トレンチ領域内に位置する第2ゲート電極層との電気的な接続を維持した上で、前記基板の表面より上にある前記第1ゲート電極層以外の前記ゲート電極層をエッチングして取り除く第2エッチング工程と、を含む。 On the other hand, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a trench forming step of forming a trench region from the surface of a substrate, and a thickness of at least the periphery of the trench region being 1/2 of the width of the short side of the trench region. a gate electrode layer forming step of forming a gate electrode layer made of polysilicon having a thickness greater than or equal to the above; and a first etching step of etching the gate electrode layer so as to be included in a range less than 1/2 of the width of the short side of the trench region; and above the surface of the substrate while maintaining an electrical connection between a first gate electrode layer on the surface of the substrate to be located in the trench region and a second gate electrode layer located in the trench region. and a second etching step of etching and removing the gate electrode layer other than the first gate electrode layer.
本発明によれば、トレンチゲート構造を有する半導体装置を微細化した場合であっても、従来よりも絶縁破壊を起こしにくい半導体装置、及び半導体装置の製造方法を提供することができる、という効果を有する。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device in which dielectric breakdown is less likely to occur than in the prior art even when a semiconductor device having a trench gate structure is miniaturized, and a method for manufacturing the semiconductor device. have.
以下、本実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、同じ構成要素及び同じ処理には全図面を通して同じ符号を付与し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, this embodiment will be described with reference to the drawings. The same constituent elements and the same processing are given the same reference numerals throughout the drawings, and overlapping descriptions are omitted.
<半導体装置の構造>
図1は、本実施形態に係るトレンチゲート構造を有する半導体装置10の概略例を示す図である。このうち、図1(A)は半導体装置10の断面図を示し、図1(B)は図1(A)に示した半導体装置10を上から眺めた平面図を示している。
<Structure of semiconductor device>
FIG. 1 is a diagram showing a schematic example of a
半導体装置10は、図5に示した従来の半導体装置20と同じく、基板1、ゲート酸化膜2、ゲート電極層3、中間絶縁膜4、ゲート電極層3と電気的に接続するコンタクト5Aを有するゲート電極5、ソース電極6、及び図示しないドレイン電極を含む。また、基板1は例えばシリコン(Si)基板で構成され、基板1には開口部が矩形状のトレンチ7が形成されている。なお、基板1はシリコン基板に限られるものではなく、炭化珪素(SiC)基板や、サファイア基板の上にシリコンをエピタキシャル成長させたSOS(Silicon-on-Sapphire)基板を用いてもよい。
The
図1に示した半導体装置10が図5に示した従来の半導体装置20と異なる点は、ゲート電極層3のうち、ゲート電極5の下に位置する基板1の表面より上にある領域、すなわち第1ゲート電極層3Aの厚さが、図1(B)に示すトレンチ7における短辺の幅Lの1/2、すなわち基準厚さ未満に形成されている点である。
The
既に説明したように、基板1の表面上に位置するゲート電極層3Aの厚さは、ゲート電極層3のうちトレンチ7内部にポリシリコンが充填されている領域、すなわち第2ゲート電極層3Bを形成するため、基準厚さ以上にする必要がある。
As already explained, the thickness of the
したがって、半導体装置10では、基板1の表面上に位置するゲート電極層3の厚さが一旦基準厚さ以上となるように、基板1全体にポリシリコンを積層してゲート電極層3を形成する。その後、基板1全体に形成されたゲート電極層3の厚さが基準厚さの1/2未満となるようにゲート電極層3をエッチングした後、基板1の表面より上にあるゲート電極層3のうち、不要となる部分を取り除き、図1(A)に示したような階段状の断面を有するゲート電極層3を形成する。
Therefore, in the
ゲート電極層3はゲート電極5と接続されるため、基板1の表面より上にあるエッチング前のゲート電極層3のうち、トレンチ7からみてゲート電極5が存在する方向に位置する第1ゲート電極層3Aが基板1の表面上に残ることになる。
Since the
すなわち、半導体装置10におけるトレンチ7の短辺の幅Lが1μmであれば、第1ゲート電極層3Aの厚さは0.5μm未満となる。実際には、第1ゲート電極層3Aと第2ゲート電極層3Bは一体化しているが、説明の便宜上、図1に示すように、ゲート電極層3を第1ゲート電極層3Aと第2ゲート電極層3Bに分離する仮想の境界線を示して、ゲート電極層3における第1ゲート電極層3Aと第2ゲート電極層3Bの領域を明示することにする。
That is, if the short side width L of the
なお、第2ゲート電極層3Bは、ゲート電極層3のうちトレンチ7の内部に充填されたゲート電極層3の第1領域の一例であり、第1ゲート電極層3Aは、ゲート電極層3のうち第2ゲート電極層3Bの周辺に延在するゲート電極層3の第2領域の一例である。「第2ゲート電極層3Bの周辺に延在するゲート電極層3」とは、第2ゲート電極層3Bと電気的に接続された状態でトレンチ7の外部まで延びて存在するゲート電極層3のことをいう。
The second
半導体装置10の第1ゲート電極層3Aの上または下に積層される基板1、ゲート酸化膜2、中間絶縁膜4、及びゲート電極5の各々の厚さが従来の半導体装置20に各々の厚さと同じであったとしても、従来の半導体装置20に比べて第1ゲート電極層3Aの厚さが薄くなり、第1ゲート電極層3Aと第2ゲート電極層3B間の段差の大きさが小さくなるため、後述する半導体装置10の製造工程においてゲート電極層3上に形成されるレジストの厚さを薄くすることができる。したがって、レジストパターンの微細化が可能となるため、半導体装置10に形成される素子パターン、例えばコンタクトの寸法の微細化や精度の向上が可能となる。
The
また、半導体装置10全体の厚さを従来の半導体装置20と同じ厚さにする場合、従来の半導体装置20よりも第1ゲート電極層3Aの厚さを薄くできることから、その分だけ第1ゲート電極層3A上にある中間絶縁膜4の厚さを厚くすることができる。したがって、従来の半導体装置20よりも信頼性を向上させることができる。
Further, when the thickness of the
なお、第1ゲート電極層3Aの厚さは薄ければ薄いほどよいが、第1ゲート電極層3Aの厚さは、少なくともこれ以上薄くするとゲート電極層3として機能することができない可能性がある厚さとして予め設定した下限値よりも厚くする必要がある。すなわち、第1ゲート電極層3Aの厚さは、下限値よりも厚く、かつ、基準厚さ未満となる範囲内に含まれる。
The thinner the thickness of the first
<半導体装置の製造工程>
次に、図1に示した半導体装置10の製造工程について、図2~図4を参照しながら説明する。
<Manufacturing process of semiconductor device>
Next, the manufacturing process of the
[工程1:トレンチ形成工程]
まず、基板1に対してドライエッチング等を行うことで、基板1にトレンチ7を形成する(図2(A)参照)。
[Step 1: Trench Forming Step]
First,
[工程2:ゲート酸化膜形成工程]
酸素を含む雰囲気下で基板1を加熱し、基板1の表面及びトレンチ7の内壁にゲート酸化膜2を形成する(図2(B)参照)。ゲート酸化膜2の形成工程では、例えば基板1がシリコン基板で構成されている場合、基板1を800℃から1000℃に加熱しながらゲート酸化膜2を形成することが好ましい。
[Step 2: Gate oxide film forming step]
The
[工程3:ゲート電極層形成工程]
基板1の表面より上にあるゲート電極層3の厚さが、トレンチ7の短辺の幅Lの1/2、すなわち基準厚さ以上となるように基板1の表面上にポリシリコンを成膜する(図2(C)参照)。これにより、トレンチ7内部にポリシリコンが充填され、ゲート電極層3におけるポリシリコン密度が均一になる。
[Step 3: Gate electrode layer forming step]
A polysilicon film is formed on the surface of the
例えば基準厚さが1μmの場合、基板1の表面上に0.5μm以上の厚さ(例えば0.8μm)を有するゲート電極層3を形成する。
For example, when the reference thickness is 1 μm, the
ゲート電極層3の形成方法としては、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)等が用いられる。
As a method for forming the
[工程4:第1エッチング工程]
基板1の表面より上に形成されたゲート電極層3の厚さが、予め設定した下限値よりも厚く、基準厚さの1/2未満となる範囲内に含まれるようにゲート電極層3のエッチングを行う(図3(A)参照)。
[Step 4: First etching step]
The thickness of the
例えば基準厚さが1μmの場合、第1エッチング工程により、基板1の表面より上の部分に例えば基準厚さの1/2未満の厚さである厚さ0.4μmのゲート電極層3が形成される。
For example, if the reference thickness is 1 μm, the first etching step forms a
[工程5:第2エッチング工程]
ゲート電極層3のうち、ゲート電極5の下に位置することになる基板1の表面上のゲート電極層3、すなわち、第1ゲート電極層3Aとなるゲート電極層3の位置にレジスト8を塗布する(図3(B)参照)。この場合、エッチング後も第1ゲート電極層3Aとトレンチ7内に位置する第2ゲート電極層3Bとの電気的な接続を維持するため、トレンチ7の開口部すべてを覆わない範囲でレジスト8がトレンチ7の上に突き出るようにレジスト8を塗布する。
[Step 5: Second etching step]
In the
その後、基板1の表面より上にあるゲート電極層3をエッチングする。レジスト8が塗布された範囲のゲート電極層3、すなわち、第1ゲート電極層3Aはエッチングを行っても取り除かれないため、エッチング後にレジスト8を除去すれば、ゲート電極層3のうち、基板1の表面より上にある第1ゲート電極層3A以外のゲート電極層3が取り除かれ、階段状の断面を有するゲート電極層3が形成される(図3(C)参照)。
The
[工程6:中間絶縁膜形成工程]
ゲート酸化膜2及びゲート電極層3の表面を被覆する中間絶縁膜4を形成する(図4(A)参照)。半導体装置10では、例えば中間絶縁膜4の厚さが最も厚くなる第2ゲート電極層3Bの上に位置する中間絶縁膜4の厚さを1μmにする。
[Step 6: Intermediate insulating film forming step]
An intermediate
[工程7:電極形成工程]
ホトリソグラフィ及びにエッチングを用いて、第1ゲート電極層3Aに到達するコンタクト5Aを中間絶縁膜4に形成する。コンタクト5Aに例えばアルミニウム等を埋め込んでゲート電極5を形成すると共に、同じくアルミニウム等で構成されるソース電極6及び図示しないドレイン電極を半導体装置10に形成する(図4(B)参照)。
[Step 7: Electrode Forming Step]
A
以上により、図1に示した半導体装置10が製造される。
As described above, the
上記で説明したように、ゲート電極層3のうち第1ゲート電極層3Aの厚さは第1エッチング工程によるエッチングで変化するが、これ以外にも、電極形成工程でコンタクト5Aを形成するために行われるエッチングの影響を受ける。
As described above, the thickness of the first
エッチングによる形状の加工誤差は±0.1μm存在することが知られている。したがって、電極形成工程において、中間絶縁膜4を貫くコンタクト5Aを形成するためにエッチングを行った場合、このエッチングによって第1ゲート電極層3Aの表面を意図せずに最大0.1μmほど薄くしてしまう可能性がある。
It is known that there is a shape processing error of ±0.1 μm due to etching. Therefore, in the electrode forming process, if etching is performed to form the
また、第1エッチング工程におけるエッチングでも、第1ゲート電極層3の厚さを設計値より0.1μm薄くしてしまう可能性があることを考えれば、第1ゲート電極層3の設計上の厚さは、エッチングの最大加工誤差である0.1μmに第1ゲート電極層3Aの厚さに影響を及ぼすエッチングの回数を乗じた厚さよりも厚くする必要がある。本実施形態における半導体装置10を製造する場合、第1ゲート電極層3Aの厚さに影響を及ぼすエッチングの回数は2回であるため、第1ゲート電極層3Aの厚さをエッチングの最大加工誤差0.1μの2倍である0.2μmよりも厚くすれば、エッチングにより第1ゲート電極層3Aの厚さが0μmになる状況、すなわち、第1ゲート電極層3Aが存在しなくなってしまう状況を回避することができる。
Considering that the etching in the first etching step may also reduce the thickness of the first
したがって、エッチングの最大加工誤差に、第1ゲート電極層3Aの厚さに影響を及ぼす第1エッチング工程以後のエッチングの回数を乗じた厚さが下限値となる。
Therefore, the thickness obtained by multiplying the maximum processing error of etching by the number of times of etching after the first etching step that affects the thickness of the first
本実施形態では、トレンチ7内部をポリシリコンで充填した上で基板1の表面上にもポリシリコンを積層してゲート電極層3を形成する例を用いて、基板1の表面上に位置するゲート電極層3Aの厚さをトレンチ7における短辺の幅Lの1/2未満にした半導体装置10の製造方法について説明した。当然のことながら、当該製造方法は基板1の表面上の層を構成する物質の特性に関係なく適用することが可能である。例えば基板1の表面上の層が絶縁物で構成されていてもよい。
In this embodiment, the
このように、本発明の技術的範囲は上記の実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記の実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、当該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。 Thus, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. Various changes or improvements can be made to the above-described embodiments without departing from the gist of the invention, and forms with such changes or improvements are also included in the technical scope of the present invention.
1 基板
2 ゲート酸化膜
3 ゲート電極層
3A 第1ゲート電極層
3B 第2ゲート電極層
4 中間絶縁膜
5 ゲート電極
5A コンタクト
6 ソース電極
7 トレンチ
8 レジスト
10 半導体装置
20 従来の半導体装置
1
Claims (6)
前記トレンチ領域の内部に充填された第1領域と、前記第1領域の周辺に延在する第2領域と、を有するゲート電極層と、
を備える半導体装置であって、
前記第2領域の厚さは、予め設定した下限値よりも厚く、前記トレンチ領域における短辺の幅の1/2未満となる範囲に含まれる
ことを特徴とする半導体装置。 a substrate having a trench region;
a gate electrode layer having a first region filled in the trench region and a second region extending around the first region;
A semiconductor device comprising
The semiconductor device, wherein the thickness of the second region is thicker than a preset lower limit value and falls within a range of less than half the width of the short side of the trench region.
請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said lower limit value is set according to the number of times of etching that affects the thickness of said second region.
請求項1または請求項2記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said lower limit is 0.2 [mu]m.
少なくとも前記トレンチ領域の周辺における厚さが、前記トレンチ領域における短辺の幅の1/2以上の厚さとなるようなポリシリコンで構成されたゲート電極層を形成するゲート電極層形成工程と、
少なくとも前記トレンチ領域の周辺における前記ゲート電極層の厚さが、予め設定した下限値よりも厚く、かつ、前記トレンチ領域における短辺の幅の1/2未満となる範囲内に含まれるように前記ゲート電極層のエッチングを行う第1エッチング工程と、
前記ゲート電極層のうち、ゲート電極の下に位置することになる前記基板の表面上の第1ゲート電極層と前記トレンチ領域内に位置する第2ゲート電極層との電気的な接続を維持した上で、前記基板の表面より上にある前記第1ゲート電極層以外の前記ゲート電極層をエッチングして取り除く第2エッチング工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 a trench forming step of forming a trench region from the surface of the substrate;
a gate electrode layer forming step of forming a gate electrode layer made of polysilicon such that the thickness at least in the periphery of the trench region is 1/2 or more of the width of the short side of the trench region;
The thickness of the gate electrode layer at least around the trench region is greater than a preset lower limit and is within a range of less than 1/2 of the width of the short side of the trench region. a first etching step for etching the gate electrode layer;
maintaining an electrical connection between a first gate electrode layer on the surface of the substrate which is to be located under the gate electrode and a second gate electrode layer located within the trench region among the gate electrode layers; a second etching step above to etch away the gate electrode layer other than the first gate electrode layer above the surface of the substrate;
A method of manufacturing a semiconductor device comprising:
請求項4記載の半導体装置の製造方法。 5. The manufacturing of a semiconductor device according to claim 4, wherein said lower limit value in said first etching step is set according to the number of times of etching performed after said first etching step, which affects the thickness of said first gate electrode layer. Method.
請求項4または請求項5記載の半導体装置の製造方法。 6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein said lower limit value in said first etching step is set to 0.2 [mu]m.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240124 |