JP3714757B2 - Manufacturing method of MIS type semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MIS型半導体装置の製造方法に関し、特に微細化したMISトランジスタを有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
MISは、本来、金属(M)−絶縁物(I)−半導体(S)の略であるが、Mは金属のみでなく絶縁ゲート電極に用いられる導電体(半導体等)を含んで用いられる。Iは酸化物(O)が代表であるが、酸化物に限定されない。酸化物を用いる場合はMOSとなる。
【0003】
【従来の技術】
電子機器は、情報通信産業に広く用いられ、その構成部品として高集積度の半導体装置(LSI)が多量に用いられている。LSIの集積度をさらに向上させ、高速性能をさらに向上させ、消費電力をさらに低減させるために、LSIの構成要素であるMOS型トランジスタの微細化が求められている。
【0004】
図9に、従来の技術によるMOSトランジスタの製造方法を概略的に示す。
p型シリコン基板1の表面に、ゲート酸化膜2を熱酸化によって形成し、その上に多結晶シリコン層3をCVDによりたとえば厚さ約200nm成長する。なお、シリコン基板1の活性領域周辺は、LOCOSによって形成されたフィールド酸化膜(図示せず)に囲まれている。
【0005】
多結晶シリコン層3に導電性を与えるため、イオン注入を行なう。たとえば、P+ イオンを加速エネルギ20keV、ドーズ量1×1015cm-2で多結晶シリコン層3にイオン注入する。イオン注入後、たとえば約1000℃で10秒間の熱処理を行い、イオン注入した不純物(P)を活性化すると共に、多結晶シリコン層3中に均等に拡散させる。なお、この熱処理は、後に行なわれる熱処理で代用することも可能である。
【0006】
図9(B)に示すように、多結晶シリコン層3全面上に、たとえばタングステンシリサイド(WSi)で形成された良導電率の上層ゲート電極層4を厚さ約50〜200nmスパッタリング等により形成する。
【0007】
上層ゲート電極層4上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして上層ゲート電極層4およびその下に配置された多結晶シリコン層3をエッチングし、ゲート電極を形成する。その後レジストパターンは除去する。
【0008】
図9(C)に示すように、ゲート電極をマスクにしてP+ イオンを加速エネルギ20keV、ドーズ量1×1013cm-2イオン注入し、低濃度ソース/ドレイン(LDD)領域9を形成する。
【0009】
図9(D)に示すように、基板全面上に酸化シリコン等の絶縁膜を形成し、反応性イオンエッチング等の異方性エッチングを行なってゲート電極側壁上にのみサイドウォール10を残す。
【0010】
ゲート電極およびその側壁上のサイドウォールをマスクにし、P+ イオンを加速エネルギ20keV、ドーズ量1×1015cm-2でイオン注入し、高濃度のソース/ドレイン領域9aを形成する。
【0011】
その後、たとえば1100℃、10秒間の熱処理を行い、イオン注入した不純物の活性化を行なうと共に、イオン注入により生じた半導体基板中の結晶欠陥の回復を行なう。
【0012】
その後、基板全面上に絶縁膜を形成し、ソース/ドレイン領域およびゲート電極に対するコンタクトを形成するための開口部を形成し、開口部を介してこれらの領域に電気的接触を行なう電極を形成する。
【0013】
以上、nチャネルMOSトランジスタを例にとって説明したが、pチャネルMOSトランジスタの場合は全ての導電型が逆になる。p型不純物としてはボロン(B)等が用いられる。CMOS型装置の場合は、p型領域(ウェル)とn型領域(ウェル)を有するシリコン基板を用い、nチャネルMOSトランジスタとpチャネルMOSトランジスタとを作り分ける。
【0014】
ゲート電極は、ゲート絶縁膜下のチャネル領域の電位を制御するためのものである。ゲート電極を金属で作製すると、金属がゲート絶縁膜中を拡散し、さらにはその下のチャネル領域に侵入する。したがって、ゲート絶縁膜上に直接金属のゲート電極を作製することはせず、シリコン等の半導体層を介在させる。半導体層としては、通常不純物をドープしたシリコン層が用いられる。
【0015】
消費電力を低減するためには、CMOS型回路が用いられる。CMOS型LSIにおいて、pチャネルMOSトランジスタとnチャネルMOSトランジスタの特性を揃えるため、nチャネルMOSトランジスタのゲート電極としては、n型不純物をドープした多結晶シリコンを用い、pチャネルMOSトランジスタのゲート電極にはp型不純物をドープした多結晶シリコンを用いる。このような構成とすることにより、表面チャネル型と呼ばれるトランジスタが形成され、ショートチャネル効果に強い集積回路を形成することができる。
【0016】
また、nチャネルMOSトランジスタのゲート電極にp型不純物をドープした多結晶シリコンを用い、pチャネルMOSトランジスタのゲート電極にn型不純物をドープした多結晶シリコンを用いることもできる。この場合は、埋込チャネル型トランジスタが形成され、高速化および電流駆動能力の向上が図れると共に、ホットキャリア注入による特性変動も少なくできるトランジスタ構造が提供される。
【0017】
このように、pチャネルMOSトランジスタとnチャネルMOSトランジスタのゲート電極を異なる導電型の不純物でドープする場合、ゲート電極となる多結晶シリコン層への不純物導入は異なる工程で行なわれなければならない。
【0018】
すなわち、図9(A)に示したようなイオン注入を、pチャネルMOSトランジスタ領域をレジストマスクで覆い、n型不純物をイオン注入する工程と、nチャネルMOSトランジスタ領域をレジストマスクで覆い、p型不純物をイオン注入する工程とに分けて行なう。
【0019】
トランジスタの微細化と共に、ゲート酸化膜およびゲート半導体層の厚さも薄くなる。ゲート半導体層のイオン注入において、注入されたイオンが半導体層3で留まらず、その下のゲート絶縁膜2やさらにはその下の半導体基板中にまで達してしまう問題が生じてきた。
【0020】
ゲート絶縁膜中に不純物が侵入すると、ゲート絶縁膜の耐圧が劣化する。半導体基板表面に不純物が導入されると、形成されるMOSトランジスタの閾値を変動させてしまう。したがって、ゲート絶縁膜およびその下の半導体基板にはなるべく不純物が侵入しないようにすることが望まれる。
【0021】
イオン注入において、注入される原子はその大きさによって侵入深さが制限される。原子半径が小さく、軽い原子ほどイオン注入において深く注入される。特に、p型不純物のBは、飛程距離が長く、多結晶シリコンゲート電極層を簡単に突き抜けてしまう。
【0022】
不純物原子を深くイオン注入しないために、イオン注入の加速エネルギを下げることが考えられる。しかしながら、イオン注入装置は加速エネルギを低下させると、それに伴ってイオン電流が指数関数的に減少する。加速エネルギの低下は、スループットの低下につながり、大量生産プロセスにおいて、実用的な方法とはならない。
【0023】
注入される不純物原子の侵入深さを浅くするために、不純物種を重くする方法が考えられる。Bイオンを注入する代わりに、BF2 イオンを注入する方法が提案されている。不純物イオンの質量が顕著に増大するため、イオン注入における侵入深さが浅くなる。しかしながら、BF2 イオンを用いると、Bと共にFが注入されてしまう。このFの存在は、Bのゲート酸化膜中の増速拡散等の現象を引き起こす。すなわち、イオン注入において、浅く不純物イオンを注入しても、その後の熱処理によって不純物が容易にゲート絶縁膜を突き抜けてしまう。
【0024】
図9(A)に示すように、半導体ゲート電極層を形成した直後にイオン注入をする代わりに、図9(B)に示すように、上層ゲート電極層を形成した後にイオン注入を行なう方法も考えられる。半導体ゲート電極層に達するイオン注入を行なうと、ゲート絶縁膜への突き抜けが生じるので、上層ゲート電極層にイオン注入し、その後半導体ゲート電極層に拡散させる。
【0025】
ところで、上層ゲート電極層4は、シリサイドや金属で形成される。上層ゲート電極層4がシリサイドの場合、多結晶シリコンに較べ、不純物の拡散係数が1桁ないし2桁あるいはそれ以上高く、不純物を半導体ゲート電極層まで拡散により導くためには都合が良いが、そのかわり偏析係数も1桁ないし2桁高いので、界面にまで到った不純物はシリサイド中の不純物が1桁から2桁高い状態でつり合うように多結晶シリコン中に拡散する。このため、多結晶中の不純物濃度を高くすることができず、この部分の抵抗が高くなってしまう。このため、上層ゲート電極層4にイオン注入を行い、ここから半導体ゲート電極層3に拡散させようとする場合、必要な不純物量の1桁ないし2桁多い不純物をイオン注入しなければ十分な多結晶シリコンの低抵抗化を図れないことになり、量産を考えると適切ではない。
【0026】
上層ゲート電極層4が金属の場合、ここに不純物をイオン注入し、半導体ゲート電極層に拡散させようとしても、不純物が拡散しない。
【0027】
このように、半導体ゲート電極層を作製した後、イオン注入を行なうことが必須のプロセスとなっている。
【0028】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、微細化したMIS型トランジスタにおいて、半導体ゲート電極層にイオン注入を行なうと、注入した不純物原子がゲート絶縁膜さらにはその下の半導体基板表面に突き抜ける問題が生じる。
【0029】
本発明の目的は、微細化したMIS型トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜やその下の半導体表面に不純物原子を突き抜けさせることなく、半導体ゲート電極層に不純物を十分量導入することのできるMIS型半導体装置の製造方法を提供することである。
【0031】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、半導体基板の表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、次いで、前記ゲート絶縁膜の上に、不純物のドーピングにより導電体化が可能な第1ゲート電極膜を形成する工程と、次いで、前記第1ゲート電極膜の上に導電体で形成された第2ゲート電極膜を形成する工程と、次いで、前記第2ゲート電極膜を選択的にエッチングし、前記第1ゲート電極膜上に第2ゲート電極パターンを残す第1エッチング工程と、次いで、前記第2ゲート電極パターンをマスクとして、露出する前記第1ゲート電極膜に不純物のイオン注入を行うイオン注入工程と、次いで、前記第1ゲート電極膜に熱処理を行い、第1ゲート電極膜にイオン注入した不純物を前記第2ゲート電極パターン下の領域まで拡散させる熱処理工程と、次いで、前記第2ゲート電極パターンをマスクとして前記第1ゲート電極膜をエッチングし、ゲート電極を形成する第2エッチング工程と、を含み、前記イオン注入工程は、前記第1ゲート電極膜とその下の前記半導体基板に不純物のイオン注入を行い、かつ、前記イオン注入工程は、2つ以上の加速エネルギで不純物をイオン注入する工程を含み、高い加速エネルギのイオン注入で、主に前記半導体基板へのイオン注入を行い、低い加速エネルギのイオン注入で主に前記第1ゲート電極膜へのイオン注入を行うMIS型半導体装置の製造方法が提供される。
【0032】
本発明の他の観点によれば、半導体基板の表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、次いで、前記ゲート絶縁膜の上に、不純物のドーピングにより導電体化が可能な第1ゲート電極膜を形成する工程と、次いで、前記第1ゲート電極膜の上に導電体で形成された第2ゲート電極膜を形成する工程と、次いで、前記第2ゲート電極膜を選択的にエッチングし、前記第1ゲート電極膜上に第2ゲート電極パターンを残す第1エッチング工程と、次いで、前記第2ゲート電極パターンをマスクとして、露出する前記第1ゲート電極膜に不純物のイオン注入を行うイオン注入工程と、次いで、前記第1ゲート電極膜に熱処理を行い、第1ゲート電極膜にイオン注入した不純物を前記第2ゲート電極パターン下の領域まで拡散させる熱処理工程と、次いで、前記第2ゲート電極パターンをマスクとして前記第1ゲート電極膜をエッチングし、ゲート電極を形成する第2エッチング工程と、を含み、前記イオン注入工程は、前記第1ゲート電極膜とその下の前記半導体基板に不純物のイオン注入を行い、かつ、前記イオン注入工程は、同一加速エネルギに対して平均飛程の異なる2種以上のイオン種を注入する工程を含み、平均飛程の長いイオン種で主に前記半導体基板へのイオン注入を行い、平均飛程の短いイオン種で主に前記第1ゲート電極膜へのイオン注入を行うMIS型半導体装置の製造方法が提供される。
【0033】
第1ゲート電極膜の上に第2ゲート電極膜を形成した後、第2ゲート電極膜のみをパターニングし、第1ゲート電極膜の上に第2ゲート電極パターンを形成し、この状態でイオン注入を行なう。第2ゲート電極パターン下の第1ゲート電極膜は、第2ゲート電極パターンあるいは第2ゲート電極パターン上のレジストパターンによって保護されているため、その下のゲート絶縁膜や半導体基板表面にイオン注入されることを防止できる。第2ゲート電極パターン両側の第1ゲート電極膜には十分量の不純物イオンが注入される。
【0034】
その後の熱処理により、第1ゲート電極膜内において、第2ゲート電極パターン両側の不純物をドープされた領域から第2ゲート電極パターン下の領域に熱拡散が生じ、第2ゲート電極パターン下の領域も十分ドープすることができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【0036】
図1は、本発明の実施例による半導体装置の製造方法を概略的に示す。
図1(A)に示すように、半導体基板1の表面にゲート絶縁膜2を形成し、さらにその上に半導体ゲート電極層3、上層ゲート電極層4を積層する。ゲート絶縁膜2はたとえば厚さ10nm程度以下である。半導体ゲート電極層3は、たとえば多結晶やアモルファスのシリコンで形成される。上層ゲート電極層4は、シリサイドや金属で形成される。
【0037】
上層ゲート電極層4の上にレジストパターンを形成し、選択的にエッチングを行なうことにより、ゲート電極の形状に上層ゲート電極層4をパターニングする。半導体ゲート電極層3を残した状態でエッチングを終了する。ゲート電極の電流方向の長さ(ゲート長)は0.3μm以下、典型的には0.2μm以下である。なお、半導体ゲート電極層3を残して上層ゲート電極層4のみを選択的にエッチング除去する方法として、半導体ゲート電極層3と上層ゲート電極層の間に薄い導電体膜からなるエッチングストッパ層を入れても良い。
【0038】
この状態で、不純物イオン5を半導体ゲート電極層3にイオン注入する。上層ゲート電極層4およびゲート電極層4上部のレジストパターンがイオン注入に対するマスクとして働くため、半導体ゲート電極層3は、上層ゲート電極層4下のノンドープ領域3bとその両側のドープされた領域3aとに分かれる。レジストパターンはエッチング後、この段階までの間に除去する。
【0039】
図1(B)に示すように、一例として加熱源6からの熱7により、半導体基板を加熱し、半導体ゲート電極層3中の不純物を活性化すると共に拡散させる。ゲート長が短く、多結晶またはアモルファスの半導体中の不純物拡散速度が著しく速いため、ドープされた領域3aからノンドープ領域3bへの不純物拡散は速やかに生じ、全半導体ゲート電極層3がほぼ均一に不純物でドープされる。
【0040】
図1(C)に示すように、上層ゲート電極層4をエッチングマスクとし、半導体ゲート電極層3をパターニングする。このようにして、半導体ゲート電極層3と上層ゲート電極層4の積層でゲート電極Gが形成される。
【0041】
この状態で、さらに不純物イオン8をイオン注入し、半導体基板1中に不純物ドープされたソース/ドレイン領域9を形成する。
【0042】
図1(D)は、図1(C)に示すイオン注入を行なった状態での半導体基板の平面図を概略的に示す。フィールド絶縁膜OXで画定された活性領域中央部に、活性領域を横切ってゲート電極Gが配置され、その上端はフィールド絶縁膜OX上に延在して、幅の拡がったコンタクト領域を形成している。ゲート電極G両側の活性領域には、不純物がドープされ、ソース領域S、ドレイン領域Dを形成している。
【0043】
ゲート電極Gの半導体ゲート電極層について考察する。活性領域上の部分は、図1(B)に示す熱拡散工程により、十分量の不純物がドープされている。しかしながら、図中上部に示したコンタクト領域においては、ゲート電極層の幅が拡がっているため、その周辺部は十分不純物がドープされているが、中央部には十分な不純物がドープされないノンドープ領域NGが残る場合も有る。これは、コンタクト領域の広さ(幅)にも依存するので、一概には言えないが、横方向拡散の熱処理を必要最小限とする場合はNGの領域が形成される。ノンドープ領域NGの不純物濃度は、周辺部および活性領域上の半導体ゲート電極層の不純物濃度の1/2以下の濃度を有する。より典型的には、コンタクト領域中央の不純物濃度は、周縁部の不純物濃度より1桁以上低い濃度である。
【0044】
なお、不純物の導電型を特定せずに説明を行なったが、nチャネルMOSトランジスタを作製する場合には、不純物イオン5、8はn型不純物であり、pチャネルMOSトランジスタを作成する場合は、不純物イオン5、8はp型不純物である。または、場合によってはこの逆でも良い。
【0045】
図1(A)の工程において、不純物イオン5が注入される領域は、パターニングされた上層ゲート電極層4の両側の領域である。この領域は、図1(C)のイオン注入において、半導体基板1表面に不純物イオン8がイオン注入される領域であり、たとえ若干の不純物イオン5がゲート絶縁膜2を突き抜けても問題は生じない。
【0046】
上層ゲート電極層4の下の領域は、チャネル領域上の領域であり、ゲート絶縁膜2を通って不純物イオンが侵入するとトランジスタのスレッシュホールド電圧(VTh)がずれるという問題を生じる。図1(A)の工程においては、この領域は上層ゲート電極層4で保護されているため、実質的に不純物イオン5は注入されない。注入された不純物イオンの突き抜けも生じない。
【0047】
図1(A)のままでは、チャネル領域上の半導体ゲート電極層3bはノンドープであるが、図1(B)の工程において、両側の領域から不純物が拡散する。
【0048】
図2、3は、熱拡散により半導体ゲート電極層中でどの程度の不純物拡散が起きるかを説明するためのグラフである。横軸は、ドープ領域とノンドープ領域の境界からノンドープ領域内への距離xを単位μmで表し、縦軸は不純物濃度を単位cm-3で示す。図2は、不純物イオンとしてPイオンを用いた場合であり、図3は不純物イオンとしてBを用いた場合である。
【0049】
図2において、多結晶シリコン層の限られた領域にPイオンを5×1020cm-3の濃度でドープし、その後熱拡散を行なう。熱拡散後の不純物分布を各曲線で示す。熱処理の条件は、温度750℃〜900℃、時間30分、60分である。
【0050】
図3においては、多結晶シリコン層の限られた領域にBを1×1021cm-3の濃度でドープし、その後熱処理を行い、拡散を生じさせている。熱処理条件は、温度750℃〜900℃、時間30分、60分である。
【0051】
図1(B)に示すように、不純物の拡散は、ゲート電極の両側から生じる。したがって、ゲート長の半分が片側からの熱拡散によってドープされればよい。つまり、ゲート長が0.3μmの場合、熱拡散によって0.15μmがほぼ均一にドープされればよい。
【0052】
図2の場合、900℃、30分の熱処理により、約0.15μmのほぼ均一な不純物分布が生じている。ゲート長が0.2μmの場合、拡散させる距離は0.1μmとなり、熱拡散を生じさせる熱処理は850℃、60分でもよくなる。さらに、ゲート長が0.1μmの場合、拡散させる距離は0.05μmとなり、熱拡散を生じさせる熱処理は850℃の30分でよくなる。ゲート長がさらに短くなれば、さらに低温または短時間の熱処理で十分な熱拡散が生じる。
【0053】
図3に示すBドープの場合は、図2の場合と較べ、ドープ領域の不純物濃度も低いが、拡散する長さが幾分短くなる。ゲート長0.3μmの場合、熱処理は900℃であれば40分程度行なえばよいであろう。ゲート長が0.2μmの場合は、900℃、30分の熱処理であれば十分であり、時間を20分程度まで短縮してもよいであろう。
【0054】
CMOS半導体装置の場合は、図1(A)に対応するイオン注入を、nチャネルMOSトランジスタ用とpチャネルMOSトランジスタとに分けて行なう。図1(B)に示す熱拡散工程は、nチャネルMOSトランジスタとpチャネルMOSトランジスタとに共通の工程とすることができる。ゲート長0.3μmの場合、たとえば900℃40分間の熱処理を行なえばよい。ゲート長0.2μmの場合は、たとえば900℃20分間の熱処理となる。
【0055】
図1(E)は、図1(A)、(C)に示したイオン注入工程の変形例を示す。上層ゲート電極層4をパターニングした後、飛程の短いイオン5により半導体ゲート電極層3のイオン注入を行ない、飛程の長いイオン8により半導体基板表面の不純物ドープ領域9のイオン注入を行なう。これらの飛程の異なるイオンのイオン注入は、同一イオン種の加速エネルギを変えて行なってもよく、同一加速エネルギで質量の異なるイオンをイオン注入してもよい。たとえば、AsとPを同一加速エネルギでイオン注入すれば、Asの飛程は短く、Pの飛程は長い。異なる種類のイオンをイオン注入する時は、同一工程で同時にイオン注入することも可能である。
【0056】
図4、5、6を参照し、本発明の実施例によるCMOS型半導体装置の製造方法を説明する。
【0057】
図4(A)に示すように、p型シリコン基板11の所定領域にn型ウェル12を形成し、表面にフィールドオキサイド層13を形成する。ウェルとフィールドオキサイド層の形成の順序は、どちらが先でもよい。また、p型シリコン基板11が表面に露出している場合を示しているが、p型シリコン基板中にさらにp型ウェルを形成し、n型ウェルとp型ウェルが表面に露出するようにしてもよい。
【0058】
図4(B)に示すように、フィールドオキサイド層13で囲まれた活性領域表面に、厚さ10nm程度以下のゲート酸化膜14を熱酸化により成長し、ゲート酸化膜、フィールドオキサイド層表面上に、多結晶シリコン層15、シリサイド層16を積層する。シリサイド層16の上に、さらに酸化膜17を堆積する。
【0059】
多結晶シリコン層15は、たとえば厚さ50nm程度である。シリサイド層16は、たとえば厚さ150nm程度のWSi層である。酸化膜17は、たとえば厚さ50nm程度の酸化シリコン膜である。多結晶シリコン層15、酸化膜17は、CVDによって形成できる。シリサイド層16は、たとえばスパッタリングによって形成できる。
【0060】
図4(C)に示すように、酸化膜17上にゲート電極の形状にあわせたレジストマスクM1を形成する。レジストマスクM1をエッチングマスクとし、その下の酸化膜17、シリサイド層16をエッチングする。エッチングは、多結晶シリコン層15表面が露出した状態で終了させる。
【0061】
図4(D)に示すように、pチャネルトランジスタ領域を覆うレジストマスクM2を形成し、nチャネルMOSトランジスタ領域にP+ イオンのイオン注入を行なう。このイオン注入は、露出している多結晶シリコン層15をn型にドープするためのものである。nチャネルMOSトランジスタ領域の多結晶シリコン層15は、Pをドープされてn型多結晶シリコン層15nとなる。なお、酸化膜17、シリサイド層16のパターン下の領域にはイオン注入がされず、多結晶シリコン層15はノンドープ状態である。イオン注入後、レジストマスクM2は除去する。
【0062】
図5(E)に示すように、nチャネルMOSトランジスタ領域をレジストマスクM3で覆い、pチャネルMOSトランジスタ領域にB+ イオンのイオン注入を行なう。このイオン注入は、pチャネルMOSトランジスタ領域の多結晶シリコン層15にp型不純物をドープし、p型多結晶シリコン層15pとするものである。なお、酸化膜17、シリサイド層16のパターン下の領域にはイオン注入がされず、ノンドープのまま残る。
【0063】
+ イオンのイオン注入は、たとえば加速エネルギ10keV、ドーズ領域1×1015cm-2で行なう。その後レジストマスクM3は除去する。
【0064】
図5(F)で示すように、少なくとも半導体基板表面を熱18によって加熱し、多結晶シリコン層15の熱処理を行なう。この熱処理により、シリサイド層16下の領域にも、その両側にドープされた不純物が熱拡散する。この熱処理条件は、上述のようにシリサイド層中央部下の領域にも十分量の不純物が拡散するように選択する。たとえば、ゲート長0.15μmの場合、800〜850℃の温度で30分程度の熱処理を行なう。多結晶シリコン中の不純物の拡散速度は高く、シリサイド層16中央部下の多結晶シリコン層が十分不純物でドープされる条件で熱処理を行なっても、その下のゲート酸化膜14に不純物が拡散することを防止することができる。
【0065】
なお、シリサイド層16両側の領域においては、イオン注入時に既にゲート酸化膜14中まで不純物がわずかにドープされるが、この領域のゲート酸化膜は後に除去されるものであり、さらにその下の半導体基板は不純物ドープされる領域であるため、拡散が生じても問題はない。
【0066】
図5(G)に示すように、酸化膜17、シリサイド層16のパターンをマスクとし、その下の多結晶シリコン層15のエッチングを行なう。このようにして、ドープした多結晶シリコン層15とシリサイド層16の積層からなるゲート電極Gn、Gpを形成する。
【0067】
図5(G)に示すように、nチャネルMOSトランジスタ領域には、低濃度のn型不純物をイオン注入し、n型低濃度ソース/ドレイン領域19を形成する。また、pチャネルMOSトランジスタ領域にはp型不純物のイオン注入を行い、p型低濃度ソース/ドレイン領域20を形成する。これらのイオン注入は、それぞれ図4(D)、図5(E)に示したのと同様のレジストマスクを形成してn型不純物、p型不純物に対して別個に行なう。
【0068】
その後、図5(H)に示すように、基板全面上に酸化膜21をCVDにより積層し、異方性エッチングを行なうことによってゲート電極構造側壁上にのみサイドウォール21を残す。
【0069】
ゲート電極構造、サイドウォール21、フィールドオキサイド層13をマスクとし、高濃度のイオン注入を行なってnチャネルMOSトランジスタの高濃度n型ソース/ドレイン領域22およびpチャネルMOSトランジスタの高濃度p型ソース/ドレイン領域23を形成する。これらのイオン注入も、それぞれレジストマスクを用い、別個のイオン注入で行なう。その後、半導体基板を熱処理し、イオン注入した不純物の活性化とイオン注入時に生じた結晶欠陥の回復を行なう。
【0070】
図7は、図5(H)の状態の平面図を概略的に示す。nチャネルMOSトランジスタの電極GnおよびpチャネルMOSトランジスタのゲート電極Gpは、活性領域を横切り、フィールド酸化膜上で幅広部を作り、コンタクト領域を形成している。なお、図中コンタクト領域を破線で示している。
【0071】
図6(I)は、さらに基板表面上に絶縁膜24を形成し、コンタクト孔を開口し、電極25を形成した状態を示す。
【0072】
以上説明した実施例においては、下層ゲート電極層として多結晶シリコン層を用いたが、アモルファスシリコン層を用いてもよい。その他、下層ゲート電極層としては、不純物拡散により導電性を与えられるものを用いることができる。
【0073】
上層電極層としてWSi層を用いたが、その代わりにCoSiやTiSi等の他のシリサイド材料、またはW、Ti、TiN、WN等の金属、あるいはこれらの材料の複合材料ないしは積層を用いることもできる。
【0074】
しかし、シリサイドを用いると、熱処理によってはシリサイド側に第1ゲート電極膜中の不純物が逃げ問題になる場合もあるので、不純物拡散のバリアの役割をする層、例えばTiN、WNの薄い層があり、その上にメタル層がある積層が望ましい。
【0075】
また、ゲート電極のシリサイドの上に酸化膜を形成する場合を示したが、この酸化膜は必須のものではない。
【0076】
以上説明した製造方法によれば、積層ゲート電極のエッチングが分離した2つの工程に分かれているが、マスク数は増加していない。純粋に増加する工程は、半導体ゲート電極層へのイオン注入の後に行なう熱処理のみである。この熱処理も、従来から不純物活性化のために必要であった場合もあるので、必ずしも工程増とはならない程である。
【0077】
図8は、イオン注入工程の他の形態を示す。p型シリコン基板1の上にゲート酸化膜2、多結晶シリコン層3が形成され、その上にシリサイドパターン4が配置されているとする。この状態で行なうイオン注入を、ピーク不純物濃度がゲート酸化膜2近傍に位置するように行なう。図中右側にイオン注入される不純物濃度N1の形状を概略的に示す。このようなイオン注入を行なえば、不純物濃度の最大値がシリコン基板1表面近傍となり、表面濃度の高い不純物ドープ領域が形成でき、かつ多結晶シリコン層3へのイオン注入が同時に行なえる。
【0078】
また、図中さらに右側に示すように、複数種類のイオン注入を続けて行い、多結晶シリコン層3中にピークを有する不純物濃度分布と、シリコン基板1表面近傍にピークを有する不純物濃度とを加算した不純物濃度N2を形成してもよい。
【0079】
このようなイオン注入を行なっても、シリサイドパターン4と多結晶シリコン層3の合わせた厚さが十分なものであれば、その下のゲート酸化膜2に不純物イオンが注入されることは防止できる。多結晶シリコン層3には、ある程度不純物イオンが注入されてもよい。ただし、たとえ多結晶シリコン層3に不純物が注入されるとしてもその濃度は不十分であるため、その後の不純物拡散のための熱処理は必須である。さらに、図5(G)〜図6(I)に示すような工程を行なって、半導体装置を完成させる。
【0080】
実施例では、Pch.とNch.の2種類のトランジスタを使うCMOSの場合について説明したが、Pch.、Nch.各々単独でもよく、PMOS、NMOSの場合にも当然適用できる。
【0081】
実施例では、Pch.にP型ゲート、Nch.にN型ゲートを用いたが、回路的要望により逆の組み合わせの方がメリットがある場合も有り、その場合には逆の組み合わせでも良い。
【0082】
今回用いた横方向からの拡散で不純物をゲート直下のポリシリコン領域に入れる方法は、ゲート長が短くなる程、低温、短時間の熱処理で済むようになるので、実現し易くなる。ゲート長が長い時には、全体的バランスを考えると熱処理が多過ぎて不可能だったとしてもゲートを短くすることで可能になる場合もある。
【0083】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0084】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ゲート電極の高さを低くし、ゲート電極にイオン注入を行なっても、ゲート絶縁膜を貫通する不純物イオンの突き抜けを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための断面図および平面図である。
【図2】多結晶シリコン中のPの拡散を示すグラフである。
【図3】多結晶シリコン中のBの熱拡散を示すグラフである。
【図4】本発明の実施例によるCMOS型半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図5】本発明の実施例によるCMOS型半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図6】本発明の実施例によるCMOS型半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図7】図5(H)に示す構造の平面図である。
【図8】本発明の他の実施例を説明するための概略図である。
【図9】従来の技術によるMOS型半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 ゲート絶縁膜
3 半導体ゲート電極層
4 上層ゲート電極層
5、8 不純物イオン
6 加熱源
7 熱
9 ソース/ドレイン(不純物ドープ領域)
11 p型シリコン基板
12 n型ウェル
13 フィールドオキサイド層
14 ゲート酸化膜
15 多結晶シリコン層
16 シリサイド層
17 酸化膜
M(M1、M2、M3) レジストマスク
18 熱
19、20 低濃度不純物ドープ領域
22、23 高濃度不純物ドープ領域
24 絶縁層
25 電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a MIS type semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a miniaturized MIS transistor.
[0002]
MIS is originally an abbreviation for metal (M) -insulator (I) -semiconductor (S), but M is used including not only metals but also conductors (semiconductors and the like) used for insulated gate electrodes. I is typically an oxide (O), but is not limited to an oxide. When an oxide is used, it becomes a MOS.
[0003]
[Prior art]
Electronic devices are widely used in the information and telecommunications industry, and high-integrated semiconductor devices (LSIs) are used in large quantities as component parts. In order to further improve the degree of integration of LSI, further improve high-speed performance, and further reduce power consumption, miniaturization of MOS transistors, which are constituent elements of LSI, is required.
[0004]
FIG. 9 schematically shows a conventional MOS transistor manufacturing method.
A gate oxide film 2 is formed on the surface of the p-type silicon substrate 1 by thermal oxidation, and a polycrystalline silicon layer 3 is grown thereon by CVD, for example, to a thickness of about 200 nm. Note that the periphery of the active region of the silicon substrate 1 is surrounded by a field oxide film (not shown) formed by LOCOS.
[0005]
In order to give conductivity to the polycrystalline silicon layer 3, ion implantation is performed. For example, P + Ion acceleration energy 20 keV, dose 1 × 10 15 cm -2 Then, ions are implanted into the polycrystalline silicon layer 3. After the ion implantation, for example, heat treatment is performed at about 1000 ° C. for 10 seconds to activate the ion-implanted impurity (P) and to diffuse the polycrystalline silicon layer 3 evenly. Note that this heat treatment can be replaced by a heat treatment performed later.
[0006]
As shown in FIG. 9B, an upper gate electrode layer 4 having good conductivity made of, for example, tungsten silicide (WSi) is formed on the entire surface of the polycrystalline silicon layer 3 by sputtering or the like with a thickness of about 50 to 200 nm. .
[0007]
A resist pattern is formed on upper gate electrode layer 4, and upper gate electrode layer 4 and polycrystalline silicon layer 3 disposed therebelow are etched using this resist pattern as a mask to form a gate electrode. Thereafter, the resist pattern is removed.
[0008]
As shown in FIG. 9C, P is set using the gate electrode as a mask. + Ion acceleration energy 20 keV, dose 1 × 10 13 cm -2 Ions are implanted to form a low concentration source / drain (LDD) region 9.
[0009]
As shown in FIG. 9D, an insulating film such as silicon oxide is formed over the entire surface of the substrate, and anisotropic etching such as reactive ion etching is performed to leave the sidewall 10 only on the side wall of the gate electrode.
[0010]
Using the gate electrode and the sidewall on the sidewall as a mask, P + Ion acceleration energy 20 keV, dose 1 × 10 15 cm -2 Then, high concentration source / drain regions 9a are formed.
[0011]
Thereafter, for example, heat treatment is performed at 1100 ° C. for 10 seconds to activate the implanted impurities and recover crystal defects in the semiconductor substrate caused by the ion implantation.
[0012]
Thereafter, an insulating film is formed on the entire surface of the substrate, openings for forming contacts to the source / drain regions and the gate electrode are formed, and electrodes for making electrical contact with these regions through the openings are formed. .
[0013]
The n channel MOS transistor has been described above as an example. However, in the case of a p channel MOS transistor, all conductivity types are reversed. Boron (B) or the like is used as the p-type impurity. In the case of a CMOS device, a silicon substrate having a p-type region (well) and an n-type region (well) is used, and an n-channel MOS transistor and a p-channel MOS transistor are separately formed.
[0014]
The gate electrode is for controlling the potential of the channel region under the gate insulating film. When the gate electrode is made of metal, the metal diffuses in the gate insulating film and further penetrates into the channel region below it. Therefore, a metal gate electrode is not directly formed on the gate insulating film, but a semiconductor layer such as silicon is interposed. As the semiconductor layer, a silicon layer doped with impurities is usually used.
[0015]
In order to reduce power consumption, a CMOS type circuit is used. In a CMOS LSI, in order to make the characteristics of a p-channel MOS transistor and an n-channel MOS transistor uniform, polycrystalline silicon doped with an n-type impurity is used as the gate electrode of the n-channel MOS transistor, and the gate electrode of the p-channel MOS transistor is used. Uses polycrystalline silicon doped with p-type impurities. With such a structure, a transistor called a surface channel type is formed, so that an integrated circuit resistant to a short channel effect can be formed.
[0016]
It is also possible to use polycrystalline silicon doped with p-type impurities for the gate electrode of the n-channel MOS transistor and polycrystalline silicon doped with n-type impurities for the gate electrode of the p-channel MOS transistor. In this case, a buried channel transistor is formed, and a transistor structure that can increase the speed and improve the current driving capability and can reduce the characteristic variation due to hot carrier injection is provided.
[0017]
As described above, when the gate electrodes of the p-channel MOS transistor and the n-channel MOS transistor are doped with impurities of different conductivity types, the introduction of impurities into the polycrystalline silicon layer to be the gate electrode must be performed in different steps.
[0018]
That is, ion implantation as shown in FIG. 9A is performed by covering the p-channel MOS transistor region with a resist mask and ion-implanting n-type impurities, and covering the n-channel MOS transistor region with a resist mask. The process is performed separately from the step of implanting impurities.
[0019]
With the miniaturization of transistors, the thicknesses of the gate oxide film and the gate semiconductor layer are also reduced. In the ion implantation of the gate semiconductor layer, there has been a problem that the implanted ions do not stay in the semiconductor layer 3 but reach the gate insulating film 2 below and further to the semiconductor substrate below.
[0020]
When impurities enter the gate insulating film, the breakdown voltage of the gate insulating film deteriorates. When impurities are introduced into the surface of the semiconductor substrate, the threshold value of the formed MOS transistor is changed. Therefore, it is desirable to prevent impurities from entering the gate insulating film and the semiconductor substrate thereunder as much as possible.
[0021]
In ion implantation, the depth of penetration of an implanted atom is limited by its size. The smaller the atomic radius and the lighter the atom, the deeper the ion implantation. In particular, p-type impurity B has a long range and easily penetrates the polycrystalline silicon gate electrode layer.
[0022]
In order to prevent deep ion implantation of impurity atoms, it is conceivable to reduce the acceleration energy of ion implantation. However, when the ion implantation apparatus decreases the acceleration energy, the ion current decreases exponentially accordingly. A decrease in acceleration energy leads to a decrease in throughput and is not a practical method in a mass production process.
[0023]
In order to reduce the penetration depth of the implanted impurity atoms, a method of increasing the impurity species can be considered. Instead of implanting B ions, BF 2 A method of implanting ions has been proposed. Since the mass of the impurity ions is remarkably increased, the penetration depth in ion implantation becomes shallow. However, BF 2 When ions are used, F is implanted together with B. The presence of F causes phenomena such as enhanced diffusion in the B gate oxide film. That is, even if impurity ions are implanted shallowly in the ion implantation, the impurities easily penetrate the gate insulating film by the subsequent heat treatment.
[0024]
As shown in FIG. 9A, instead of implanting ions immediately after forming the semiconductor gate electrode layer, as shown in FIG. 9B, there is also a method of performing ion implantation after forming the upper gate electrode layer. Conceivable. When ion implantation reaching the semiconductor gate electrode layer is performed, penetration into the gate insulating film occurs, so that ions are implanted into the upper gate electrode layer and then diffused into the semiconductor gate electrode layer.
[0025]
By the way, the upper gate electrode layer 4 is formed of silicide or metal. When the upper gate electrode layer 4 is silicide, the diffusion coefficient of impurities is one to two digits or more higher than that of polycrystalline silicon, which is convenient for introducing impurities to the semiconductor gate electrode layer by diffusion. Instead, since the segregation coefficient is also one or two digits higher, the impurities reaching the interface diffuse into the polycrystalline silicon so that the impurities in the silicide are balanced by one digit to two digits higher. For this reason, the impurity concentration in the polycrystal cannot be increased, and the resistance of this portion is increased. For this reason, when ions are implanted into the upper gate electrode layer 4 and diffused from there to the semiconductor gate electrode layer 3, a sufficient amount of ions are required unless an impurity larger by one or two digits than the necessary impurity amount is implanted. It is impossible to reduce the resistance of crystalline silicon, which is not appropriate when considering mass production.
[0026]
When the upper gate electrode layer 4 is made of metal, impurities are not diffused even if ions are implanted therein and diffused into the semiconductor gate electrode layer.
[0027]
As described above, it is an essential process to perform ion implantation after the semiconductor gate electrode layer is formed.
[0028]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the miniaturized MIS transistor, when ions are implanted into the semiconductor gate electrode layer, there arises a problem that the implanted impurity atoms penetrate into the gate insulating film and the semiconductor substrate surface therebelow.
[0029]
An object of the present invention is to provide a MIS type semiconductor device capable of introducing a sufficient amount of impurities into a semiconductor gate electrode layer in a miniaturized MIS type transistor without causing impurity atoms to penetrate into the gate insulating film and the semiconductor surface therebelow. It is to provide a manufacturing method.
[0031]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, a step of forming a gate insulating film on a surface of a semiconductor substrate, and then forming a first gate electrode film that can be made into a conductor by doping impurities on the gate insulating film. Forming a second gate electrode film formed of a conductor on the first gate electrode film, and then selectively etching the second gate electrode film, A first etching step of leaving a second gate electrode pattern on the one gate electrode film; and an ion implantation step of implanting impurities into the exposed first gate electrode film using the second gate electrode pattern as a mask; Next, a heat treatment process is performed for performing heat treatment on the first gate electrode film and diffusing impurities implanted into the first gate electrode film to a region under the second gate electrode pattern, Etching the first gate electrode film using the second gate electrode pattern as a mask to form a gate electrode, and the ion implantation step includes the first gate electrode film and the underlying gate electrode film. Impurity ion implantation is performed on a semiconductor substrate, and the ion implantation step includes a step of ion implantation of impurities with two or more acceleration energies, and the ions are mainly implanted into the semiconductor substrate by high acceleration energy ion implantation. There is provided a method of manufacturing a MIS type semiconductor device in which implantation is performed and ion implantation is mainly performed on the first gate electrode film by ion implantation with low acceleration energy.
[0032]
According to another aspect of the present invention, a step of forming a gate insulating film on a surface of a semiconductor substrate, and then a first gate electrode film that can be converted into a conductor by doping impurities on the gate insulating film. Forming a second gate electrode film made of a conductor on the first gate electrode film, and then selectively etching the second gate electrode film, A first etching step of leaving a second gate electrode pattern on the first gate electrode film; and then an ion implantation step of implanting impurities into the exposed first gate electrode film using the second gate electrode pattern as a mask Next, a heat treatment step is performed for performing heat treatment on the first gate electrode film, and diffusing impurities implanted into the first gate electrode film to a region under the second gate electrode pattern, and Etching the first gate electrode film using the second gate electrode pattern as a mask to form a gate electrode, and the ion implantation step includes the first gate electrode film and the underlying layer. Impurity ion implantation is performed on the semiconductor substrate, and the ion implantation step includes a step of implanting two or more ion species having different average ranges with respect to the same acceleration energy, and an ion species having a long average range. Thus, there is provided a method for manufacturing a MIS type semiconductor device in which ion implantation is mainly performed on the semiconductor substrate and ion implantation is mainly performed on the first gate electrode film with an ion species having a short average range.
[0033]
After the second gate electrode film is formed on the first gate electrode film, only the second gate electrode film is patterned, and the second gate electrode pattern is formed on the first gate electrode film. In this state, ion implantation is performed. To do. Since the first gate electrode film under the second gate electrode pattern is protected by the second gate electrode pattern or the resist pattern on the second gate electrode pattern, ions are implanted into the underlying gate insulating film and the semiconductor substrate surface. Can be prevented. A sufficient amount of impurity ions is implanted into the first gate electrode film on both sides of the second gate electrode pattern.
[0034]
The subsequent heat treatment causes thermal diffusion from the region doped with impurities on both sides of the second gate electrode pattern to the region under the second gate electrode pattern in the first gate electrode film, and the region under the second gate electrode pattern also Can be sufficiently doped.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0036]
FIG. 1 schematically shows a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1A, a gate insulating film 2 is formed on the surface of a semiconductor substrate 1, and a semiconductor gate electrode layer 3 and an upper gate electrode layer 4 are stacked thereon. The gate insulating film 2 has a thickness of about 10 nm or less, for example. The semiconductor gate electrode layer 3 is formed of, for example, polycrystalline or amorphous silicon. The upper gate electrode layer 4 is made of silicide or metal.
[0037]
A resist pattern is formed on the upper gate electrode layer 4 and selectively etched to pattern the upper gate electrode layer 4 in the shape of the gate electrode. Etching is completed with the semiconductor gate electrode layer 3 left. The length of the gate electrode in the current direction (gate length) is 0.3 μm or less, typically 0.2 μm or less. As a method for selectively removing only the upper gate electrode layer 4 while leaving the semiconductor gate electrode layer 3, an etching stopper layer made of a thin conductor film is inserted between the semiconductor gate electrode layer 3 and the upper gate electrode layer. May be.
[0038]
In this state, impurity ions 5 are ion-implanted into the semiconductor gate electrode layer 3. Since the upper gate electrode layer 4 and the resist pattern on the gate electrode layer 4 serve as a mask for ion implantation, the semiconductor gate electrode layer 3 includes an undoped region 3b below the upper gate electrode layer 4 and doped regions 3a on both sides thereof. Divided into The resist pattern is removed by this stage after etching.
[0039]
As shown in FIG. 1B, for example, the semiconductor substrate is heated by heat 7 from a heating source 6 to activate and diffuse the impurities in the semiconductor gate electrode layer 3. Since the gate length is short and the impurity diffusion rate in the polycrystalline or amorphous semiconductor is remarkably high, the impurity diffusion from the doped region 3a to the non-doped region 3b occurs quickly, and the entire semiconductor gate electrode layer 3 is substantially uniformly doped. Doped with.
[0040]
As shown in FIG. 1C, the semiconductor gate electrode layer 3 is patterned using the upper gate electrode layer 4 as an etching mask. In this way, the gate electrode G is formed by stacking the semiconductor gate electrode layer 3 and the upper gate electrode layer 4.
[0041]
In this state, impurity ions 8 are further implanted to form impurity doped source / drain regions 9 in the semiconductor substrate 1.
[0042]
FIG. 1D schematically shows a plan view of the semiconductor substrate in a state where the ion implantation shown in FIG. 1C is performed. A gate electrode G is disposed across the active region at the center of the active region defined by the field insulating film OX, and the upper end of the gate electrode G extends over the field insulating film OX to form a contact region having an increased width. Yes. The active region on both sides of the gate electrode G is doped with impurities to form a source region S and a drain region D.
[0043]
Consider the semiconductor gate electrode layer of the gate electrode G. A portion on the active region is doped with a sufficient amount of impurities by the thermal diffusion process shown in FIG. However, in the contact region shown in the upper part of the figure, the width of the gate electrode layer is widened, so that the peripheral portion is sufficiently doped with impurities, but the central portion is not doped with sufficient impurities. May remain. This depends on the width (width) of the contact region, and cannot be generally described. However, when the heat treatment for the lateral diffusion is minimized, an NG region is formed. The impurity concentration of the non-doped region NG has a concentration of ½ or less of the impurity concentration of the semiconductor gate electrode layer on the peripheral portion and the active region. More typically, the impurity concentration in the center of the contact region is one digit or more lower than the impurity concentration in the peripheral portion.
[0044]
Although the description has been made without specifying the conductivity type of the impurity, when producing an n-channel MOS transistor, the impurity ions 5 and 8 are n-type impurities, and when producing a p-channel MOS transistor, Impurity ions 5 and 8 are p-type impurities. Or, in some cases, this may be reversed.
[0045]
In the step of FIG. 1A, the regions into which the impurity ions 5 are implanted are regions on both sides of the patterned upper gate electrode layer 4. This region is a region in which impurity ions 8 are ion-implanted into the surface of the semiconductor substrate 1 in the ion implantation of FIG. 1C, and even if some impurity ions 5 penetrate the gate insulating film 2, no problem occurs. .
[0046]
The region below the upper gate electrode layer 4 is a region on the channel region. When impurity ions enter through the gate insulating film 2, the threshold voltage (V Th ) Will cause problems. In the process of FIG. 1A, since this region is protected by the upper gate electrode layer 4, the impurity ions 5 are not substantially implanted. There is no penetration of the implanted impurity ions.
[0047]
In FIG. 1A, the semiconductor gate electrode layer 3b on the channel region is non-doped, but in the step of FIG. 1B, impurities are diffused from both regions.
[0048]
2 and 3 are graphs for explaining how much impurity diffusion occurs in the semiconductor gate electrode layer due to thermal diffusion. The horizontal axis represents the distance x from the boundary between the doped region and the non-doped region to the non-doped region in the unit μm, and the vertical axis represents the impurity concentration in the unit cm. -3 It shows with. FIG. 2 shows a case where P ions are used as impurity ions, and FIG. 3 shows a case where B ions are used as impurity ions.
[0049]
In FIG. 2, 5 × 10 5 P ions are applied to a limited region of the polycrystalline silicon layer. 20 cm -3 And then thermal diffusion. Impurity distribution after thermal diffusion is shown by each curve. The heat treatment conditions are a temperature of 750 ° C. to 900 ° C., a time of 30 minutes, and a time of 60 minutes.
[0050]
In FIG. 3, B is 1 × 10 6 in a limited region of the polycrystalline silicon layer. twenty one cm -3 Then, a heat treatment is performed to cause diffusion. The heat treatment conditions are a temperature of 750 ° C. to 900 ° C., a time of 30 minutes, and a time of 60 minutes.
[0051]
As shown in FIG. 1B, impurity diffusion occurs from both sides of the gate electrode. Therefore, half of the gate length may be doped by thermal diffusion from one side. That is, when the gate length is 0.3 μm, it is sufficient that 0.15 μm is doped almost uniformly by thermal diffusion.
[0052]
In the case of FIG. 2, a substantially uniform impurity distribution of about 0.15 μm is generated by heat treatment at 900 ° C. for 30 minutes. When the gate length is 0.2 μm, the diffusion distance is 0.1 μm, and the heat treatment for causing thermal diffusion can be performed at 850 ° C. for 60 minutes. Further, when the gate length is 0.1 μm, the diffusion distance is 0.05 μm, and the heat treatment for causing thermal diffusion is performed at 850 ° C. for 30 minutes. If the gate length is further shortened, sufficient thermal diffusion occurs at a lower temperature or in a shorter time.
[0053]
In the case of B doping shown in FIG. 3, the impurity concentration in the doped region is lower than in the case of FIG. 2, but the diffusion length is somewhat shorter. When the gate length is 0.3 μm, the heat treatment may be performed for about 40 minutes at 900 ° C. When the gate length is 0.2 μm, a heat treatment at 900 ° C. for 30 minutes is sufficient, and the time may be shortened to about 20 minutes.
[0054]
In the case of a CMOS semiconductor device, ion implantation corresponding to FIG. 1A is performed separately for an n-channel MOS transistor and a p-channel MOS transistor. The thermal diffusion process shown in FIG. 1B can be a process common to the n-channel MOS transistor and the p-channel MOS transistor. When the gate length is 0.3 μm, for example, heat treatment at 900 ° C. for 40 minutes may be performed. In the case of a gate length of 0.2 μm, for example, heat treatment is performed at 900 ° C. for 20 minutes.
[0055]
FIG. 1E shows a modification of the ion implantation process shown in FIGS. After patterning upper gate electrode layer 4, semiconductor gate electrode layer 3 is ion-implanted with short-range ions 5, and impurity-doped region 9 on the surface of the semiconductor substrate is ion-implanted with long-range ions 8. The ion implantation of ions having different ranges may be performed by changing the acceleration energy of the same ion species, or ions having different masses may be implanted with the same acceleration energy. For example, if As and P are ion-implanted with the same acceleration energy, the range of As is short and the range of P is long. When different types of ions are implanted, it is also possible to implant ions simultaneously in the same process.
[0056]
A method for manufacturing a CMOS type semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0057]
As shown in FIG. 4A, an n-type well 12 is formed in a predetermined region of a p-type silicon substrate 11, and a field oxide layer 13 is formed on the surface. Either the well or the field oxide layer may be formed first. Further, although the case where the p-type silicon substrate 11 is exposed on the surface is shown, a p-type well is further formed in the p-type silicon substrate so that the n-type well and the p-type well are exposed on the surface. Also good.
[0058]
As shown in FIG. 4B, a gate oxide film 14 having a thickness of about 10 nm or less is grown on the surface of the active region surrounded by the field oxide layer 13 by thermal oxidation, and on the gate oxide film and the field oxide layer surface. The polycrystalline silicon layer 15 and the silicide layer 16 are stacked. An oxide film 17 is further deposited on the silicide layer 16.
[0059]
Polycrystalline silicon layer 15 has a thickness of about 50 nm, for example. The silicide layer 16 is a WSi layer having a thickness of about 150 nm, for example. The oxide film 17 is a silicon oxide film having a thickness of about 50 nm, for example. The polycrystalline silicon layer 15 and the oxide film 17 can be formed by CVD. The silicide layer 16 can be formed by sputtering, for example.
[0060]
As shown in FIG. 4C, a resist mask M1 matching the shape of the gate electrode is formed on the oxide film 17. Using the resist mask M1 as an etching mask, the underlying oxide film 17 and silicide layer 16 are etched. Etching is terminated with the surface of the polycrystalline silicon layer 15 exposed.
[0061]
As shown in FIG. 4D, a resist mask M2 covering the p-channel transistor region is formed, and P channel is formed in the n-channel MOS transistor region. + Ion implantation is performed. This ion implantation is for doping the exposed polycrystalline silicon layer 15 into n-type. The polycrystalline silicon layer 15 in the n-channel MOS transistor region is doped with P to become an n-type polycrystalline silicon layer 15n. Note that ions are not implanted into the regions under the pattern of the oxide film 17 and the silicide layer 16, and the polycrystalline silicon layer 15 is in a non-doped state. After the ion implantation, the resist mask M2 is removed.
[0062]
As shown in FIG. 5E, the n-channel MOS transistor region is covered with a resist mask M3, and the p-channel MOS transistor region is covered with B. + Ion implantation is performed. In this ion implantation, the polycrystalline silicon layer 15 in the p-channel MOS transistor region is doped with a p-type impurity to form a p-type polycrystalline silicon layer 15p. It should be noted that ions are not implanted into the region below the pattern of the oxide film 17 and the silicide layer 16 and remain undoped.
[0063]
B + The ion implantation is performed, for example, with an acceleration energy of 10 keV and a dose region of 1 × 10. 15 cm -2 To do. Thereafter, the resist mask M3 is removed.
[0064]
As shown in FIG. 5F, at least the surface of the semiconductor substrate is heated by heat 18 to heat-treat the polycrystalline silicon layer 15. By this heat treatment, impurities doped on both sides of the region below the silicide layer 16 are also thermally diffused. As described above, the heat treatment conditions are selected so that a sufficient amount of impurities are diffused in the region below the center of the silicide layer. For example, when the gate length is 0.15 μm, heat treatment is performed at a temperature of 800 to 850 ° C. for about 30 minutes. The diffusion rate of impurities in the polycrystalline silicon is high, and even if the polycrystalline silicon layer under the center of the silicide layer 16 is sufficiently doped with impurities, the impurities diffuse into the gate oxide film 14 therebelow. Can be prevented.
[0065]
In the regions on both sides of the silicide layer 16, impurities are already slightly doped into the gate oxide film 14 at the time of ion implantation, but the gate oxide film in this region is removed later, and further the semiconductor below it. Since the substrate is a region doped with impurities, there is no problem even if diffusion occurs.
[0066]
As shown in FIG. 5G, the polycrystalline silicon layer 15 is etched using the pattern of the oxide film 17 and the silicide layer 16 as a mask. In this manner, gate electrodes Gn and Gp each including a stacked layer of doped polycrystalline silicon layer 15 and silicide layer 16 are formed.
[0067]
As shown in FIG. 5G, low concentration n-type impurities are ion-implanted in the n-channel MOS transistor region to form n-type low concentration source / drain regions 19. Further, p-type impurity ions are implanted into the p-channel MOS transistor region to form a p-type low concentration source / drain region 20. These ion implantations are performed separately for n-type impurities and p-type impurities by forming resist masks similar to those shown in FIGS. 4D and 5E, respectively.
[0068]
Thereafter, as shown in FIG. 5H, an oxide film 21 is deposited on the entire surface of the substrate by CVD, and anisotropic etching is performed to leave the sidewall 21 only on the side wall of the gate electrode structure.
[0069]
Using the gate electrode structure, sidewalls 21 and field oxide layer 13 as a mask, high-concentration ion implantation is performed to perform high-concentration n-type source / drain regions 22 of the n-channel MOS transistor and high-concentration p-type source / drain of the p-channel MOS transistor. A drain region 23 is formed. These ion implantations are also performed by separate ion implantations using a resist mask. Thereafter, the semiconductor substrate is heat-treated to activate the ion-implanted impurities and recover crystal defects generated during the ion implantation.
[0070]
FIG. 7 schematically shows a plan view of the state of FIG. The electrode Gn of the n-channel MOS transistor and the gate electrode Gp of the p-channel MOS transistor cross the active region, form a wide portion on the field oxide film, and form a contact region. In the figure, the contact region is indicated by a broken line.
[0071]
FIG. 6I shows a state in which an insulating film 24 is further formed on the substrate surface, contact holes are opened, and electrodes 25 are formed.
[0072]
In the embodiment described above, the polycrystalline silicon layer is used as the lower gate electrode layer, but an amorphous silicon layer may be used. In addition, as the lower gate electrode layer, one that can be rendered conductive by impurity diffusion can be used.
[0073]
Although the WSi layer is used as the upper electrode layer, other silicide materials such as CoSi and TiSi, metals such as W, Ti, TiN, and WN, or composite materials or laminates of these materials can be used instead. .
[0074]
However, if silicide is used, impurities in the first gate electrode film may become a problem of escape on the silicide side depending on the heat treatment. Therefore, there is a layer serving as a barrier for impurity diffusion, for example, a thin layer of TiN or WN. A laminate having a metal layer thereon is desirable.
[0075]
Further, although the case where an oxide film is formed on the silicide of the gate electrode has been shown, this oxide film is not essential.
[0076]
According to the manufacturing method described above, the etching of the laminated gate electrode is divided into two separate steps, but the number of masks is not increased. The purely increasing process is only heat treatment performed after ion implantation into the semiconductor gate electrode layer. This heat treatment has also been necessary for impurity activation in the past, so that the number of steps is not necessarily increased.
[0077]
FIG. 8 shows another embodiment of the ion implantation process. Assume that a gate oxide film 2 and a polycrystalline silicon layer 3 are formed on a p-type silicon substrate 1, and a silicide pattern 4 is disposed thereon. Ion implantation performed in this state is performed so that the peak impurity concentration is located in the vicinity of the gate oxide film 2. The shape of the impurity concentration N1 to be ion-implanted is schematically shown on the right side in the drawing. If such ion implantation is performed, the maximum value of the impurity concentration is in the vicinity of the surface of the silicon substrate 1, an impurity doped region having a high surface concentration can be formed, and ion implantation into the polycrystalline silicon layer 3 can be performed simultaneously.
[0078]
Further, as shown on the right side in the figure, a plurality of types of ion implantation are continuously performed, and an impurity concentration distribution having a peak in the polycrystalline silicon layer 3 and an impurity concentration having a peak near the surface of the silicon substrate 1 are added. The impurity concentration N2 may be formed.
[0079]
Even if such ion implantation is performed, impurity ions can be prevented from being implanted into the underlying gate oxide film 2 if the combined thickness of the silicide pattern 4 and the polycrystalline silicon layer 3 is sufficient. . The polycrystalline silicon layer 3 may be implanted with impurity ions to some extent. However, even if impurities are implanted into the polycrystalline silicon layer 3, the concentration thereof is insufficient, so that a subsequent heat treatment for impurity diffusion is essential. Further, the steps shown in FIGS. 5G to 6I are performed to complete the semiconductor device.
[0080]
In the example, Pch. And Nch. In the case of the CMOS using the two types of transistors of Pch. Nch. Each of these may be used alone, and of course applicable to the case of PMOS and NMOS.
[0081]
In the example, Pch. P-type gate, Nch. Although the N-type gate is used for the circuit, there is a case where the reverse combination is more advantageous depending on circuit demands. In this case, the reverse combination may be used.
[0082]
The method of introducing impurities into the polysilicon region immediately below the gate by diffusion from the lateral direction used this time becomes easier to implement because the shorter the gate length, the lower the temperature and the shorter the heat treatment. When the gate length is long, it may be possible by shortening the gate even if heat treatment is too much impossible due to the overall balance.
[0083]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
[0084]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even if the height of the gate electrode is lowered and ion implantation is performed on the gate electrode, it is possible to prevent the penetration of impurity ions penetrating the gate insulating film.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are a cross-sectional view and a plan view for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing diffusion of P in polycrystalline silicon.
FIG. 3 is a graph showing thermal diffusion of B in polycrystalline silicon.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a CMOS type semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a CMOS type semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a CMOS type semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
7 is a plan view of the structure shown in FIG.
FIG. 8 is a schematic view for explaining another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a conventional method for manufacturing a MOS type semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate
2 Gate insulation film
3 Semiconductor gate electrode layer
4 Upper gate electrode layer
5, 8 Impurity ions
6 Heating source
7 fever
9 Source / drain (impurity doped region)
11 p-type silicon substrate
12 n-type well
13 Field oxide layer
14 Gate oxide film
15 Polycrystalline silicon layer
16 Silicide layer
17 Oxide film
M (M1, M2, M3) resist mask
18 Heat
19, 20 Lightly doped region
22, 23 Highly doped region
24 Insulating layer
25 electrodes

Claims (2)

半導体基板の表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
次いで、前記ゲート絶縁膜の上に、不純物のドーピングにより導電体化が可能な第1ゲート電極膜を形成する工程と、
次いで、前記第1ゲート電極膜の上に導電体で形成された第2ゲート電極膜を形成する工程と、
次いで、前記第2ゲート電極膜を選択的にエッチングし、前記第1ゲート電極膜上に第2ゲート電極パターンを残す第1エッチング工程と、
次いで、前記第2ゲート電極パターンをマスクとして、露出する前記第1ゲート電極膜に不純物のイオン注入を行うイオン注入工程と、
次いで、前記第1ゲート電極膜に熱処理を行い、第1ゲート電極膜にイオン注入した不純物を前記第2ゲート電極パターン下の領域まで拡散させる熱処理工程と、
次いで、前記第2ゲート電極パターンをマスクとして前記第1ゲート電極膜をエッチングし、ゲート電極を形成する第2エッチング工程と、
を含み、
前記イオン注入工程は、前記第1ゲート電極膜とその下の前記半導体基板に不純物のイオン注入を行い、かつ、
前記イオン注入工程は、2つ以上の加速エネルギで不純物をイオン注入する工程を含み、高い加速エネルギのイオン注入で、主に前記半導体基板へのイオン注入を行い、低い加速エネルギのイオン注入で主に前記第1ゲート電極膜へのイオン注入を行うMIS型半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film on the surface of the semiconductor substrate;
Next, forming a first gate electrode film that can be made into a conductor by doping impurities on the gate insulating film;
Next, forming a second gate electrode film made of a conductor on the first gate electrode film;
A first etching step of selectively etching the second gate electrode film to leave a second gate electrode pattern on the first gate electrode film;
Next, an ion implantation step of implanting impurities into the exposed first gate electrode film using the second gate electrode pattern as a mask;
Next, a heat treatment process for performing heat treatment on the first gate electrode film and diffusing impurities implanted into the first gate electrode film to a region under the second gate electrode pattern;
A second etching step of etching the first gate electrode film using the second gate electrode pattern as a mask to form a gate electrode;
Including
The ion implantation step performs ion implantation of impurities into the first gate electrode film and the semiconductor substrate thereunder, and
The ion implantation step includes a step of ion-implanting impurities with two or more acceleration energies. The ion implantation is mainly performed with high acceleration energy ion implantation, and mainly with low acceleration energy ion implantation. And a method of manufacturing a MIS type semiconductor device in which ions are implanted into the first gate electrode film.
半導体基板の表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
次いで、前記ゲート絶縁膜の上に、不純物のドーピングにより導電体化が可能な第1ゲート電極膜を形成する工程と、
次いで、前記第1ゲート電極膜の上に導電体で形成された第2ゲート電極膜を形成する工程と、
次いで、前記第2ゲート電極膜を選択的にエッチングし、前記第1ゲート電極膜上に第2ゲート電極パターンを残す第1エッチング工程と、
次いで、前記第2ゲート電極パターンをマスクとして、露出する前記第1ゲート電極膜に不純物のイオン注入を行うイオン注入工程と、
次いで、前記第1ゲート電極膜に熱処理を行い、第1ゲート電極膜にイオン注入した不純物を前記第2ゲート電極パターン下の領域まで拡散させる熱処理工程と、
次いで、前記第2ゲート電極パターンをマスクとして前記第1ゲート電極膜をエッチングし、ゲート電極を形成する第2エッチング工程と、
を含み、
前記イオン注入工程は、前記第1ゲート電極膜とその下の前記半導体基板に不純物のイオン注入を行い、かつ、
前記イオン注入工程は、同一加速エネルギに対して平均飛程の異なる2種以上のイオン種を注入する工程を含み、平均飛程の長いイオン種で主に前記半導体基板へのイオン注入を行い、平均飛程の短いイオン種で主に前記第1ゲート電極膜へのイオン注入を行うMIS型半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film on the surface of the semiconductor substrate;
Next, forming a first gate electrode film that can be made into a conductor by doping impurities on the gate insulating film;
Next, forming a second gate electrode film made of a conductor on the first gate electrode film;
A first etching step of selectively etching the second gate electrode film to leave a second gate electrode pattern on the first gate electrode film;
Next, an ion implantation step of implanting impurities into the exposed first gate electrode film using the second gate electrode pattern as a mask;
Next, a heat treatment process for performing heat treatment on the first gate electrode film and diffusing impurities implanted into the first gate electrode film to a region under the second gate electrode pattern;
A second etching step of etching the first gate electrode film using the second gate electrode pattern as a mask to form a gate electrode;
Including
The ion implantation step performs ion implantation of impurities into the first gate electrode film and the semiconductor substrate thereunder, and
The ion implantation step includes a step of implanting two or more ion species having different average ranges with respect to the same acceleration energy, and performing ion implantation mainly on the semiconductor substrate with ion species having a long average range, A method for manufacturing a MIS type semiconductor device, wherein ion implantation is performed mainly on the first gate electrode film with ion species having a short average range.
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