JPH07183315A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法

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JPH07183315A
JPH07183315A JP34778393A JP34778393A JPH07183315A JP H07183315 A JPH07183315 A JP H07183315A JP 34778393 A JP34778393 A JP 34778393A JP 34778393 A JP34778393 A JP 34778393A JP H07183315 A JPH07183315 A JP H07183315A
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gate
opening
film
insulating film
mask
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JP34778393A
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Inventor
Toshinobu Matsuno
年伸 松野
Hiroyuki Masato
宏幸 正戸
Kaoru Inoue
薫 井上
Mitsuru Tanabe
充 田邊
Katsunori Nishii
勝則 西井
Akiyoshi Tamura
彰良 田村
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微細ゲート長を有するT型ゲートの断線や電
気抵抗の増大に起因する半導体装置の信頼性の低下及び
高速動作性の劣化を防止する。 【構成】 微細寸法の開口部9を有するAl膜5をマス
クとして、絶縁膜であるSi3 4 膜3にゲート開口部
10を形成する際、Si3 4 膜3の上部は等方性エッ
チングにより除去し、マスク開口部9よりも広い開口を
形成する。そして、Si3 4 膜3の下部は異方性エッ
チングにより除去する。これにより、下端部ではマスク
開口部9にほぼ等しい寸法で、上方に向かって開く方向
に傾斜をもったゲート開口部10を形成する。その後、
ゲートメタルを堆積し、ほぼY字状のゲート電極7を形
成する。これにより、ゲート開口部10の上端縁がゲー
トメタルで塞がれたり、堆積されるゲート電極7の横方
向の寸法が極端に減小するのを防ぎ、かつゲート長を微
細寸法として、高い信頼性と高速動作性とを得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、微細なゲート長を有す
るゲート電極を備えた半導体装置及びその製造方法に係
り、特にT型ゲートの形状を改善する対策に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体装置には、高集積化や高速
動作性等が要求されてきており、このような要求を実現
するにはチャネル長の短いゲート電極を形成する技術が
必要となっている。
【0003】図4(a)〜(e)は、ゲート長の短いゲ
ート電極であるいわゆるT型ゲートを形成するための例
を示す。各図において、1はGaAs基板、2はGaA
s基板1の上に形成されたSiO2 膜、3はSiO2
2の上に堆積されたSi3 4 膜、5はSi3 4 膜3
の上に形成されたAl膜である。上記Al膜5には微細
寸法の開口部9が形成されており、この開口部9下方に
位置するSi3 4 膜2及びSiO2 膜2をエッチング
により除去してゲート電極を形成するようにしている。
つまり、Al膜5はゲート開口部(コンタクトホール)
形成用マスクとして機能する。以下、その工程について
説明する。
【0004】まず、図4(a)の状態の基板に対し、S
3 4 膜3の異方性エッチングを行って、Al膜5の
開口部9の寸法にほぼ等しいゲート開口部10をSi3
4膜3に形成する(同図(b)参照)。次に、Al膜
5を除去した後(同図(c)参照)、開口部10よりも
広幅の開口を有するレジストパターン4bを形成する。
さらに、SiO2 膜2に対してウェットエッチング(フ
ッ酸等による)を行って、SiO2 膜2を開口させ、ゲ
ート開口部10をGaAs基板1の表面まで貫通させる
(同図(d)参照)。そして、このゲート開口部10に
電極材料であるゲートメタルを堆積し、GaAs基板1
の活性領域にコンタクトするT型ゲート7を形成する
(同図(e)参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記図4(a)〜
(e)に示す工程によって形成されるいわゆるT型ゲー
トであるゲート電極7は、微細なゲート長をもつように
形成されているので、の活性領域に形成されるトランジ
スタのチャネル長が短くなり、微細化,高速動作性に適
した構造となっている。
【0006】しかしながら、上記のような製造工程にお
いて、例えば0.3μm程度の微細なゲート長を有する
T型ゲートを形成しようとすると、以下のような問題が
あった。すなわち、図4(d)に示す状態からゲート開
口部10にゲートメタルを堆積する際に、ゲート開口部
10の内部ではGaAs基板1の上面にゲートメタルが
同図の断面内で山状に堆積していくが、同時にSi3
4 膜3の上にもゲートメタルが堆積していく。そのと
き、ゲート開口部10の上端縁に堆積したゲートメタル
は、上方だけなく横方向にも付着して堆積していくの
で、ゲート開口部10の上端がゲートメタルによって庇
状に覆われる。従って、ゲート長となるゲート開口部1
0の横方向の寸法が狭いときには、ゲート開口部10の
内部でGaAs基板1上に堆積していくゲートメタルが
ゲート開口部10の上端に達するまでに、この庇状に堆
積したゲートメタルがゲート開口部10の上端を塞いで
しまうことがある。そのため、ゲート開口部10の内部
で、ゲートメタルが下方から上端まで連続的に接続され
ない状態となって、断線を生じる虞れがあった。また、
断線に至らなくても、ゲートメタルの上部が極めて細く
なるために電気抵抗が増大して、高速動作性を損ねる虞
れがあった。図5は、上記従来の方法で形成されたT型
ゲートのSEM写真を示し、ゲート開口部の内部でゲー
トメタルが山状に堆積され、上端付近で極めて細くなっ
ているのがわかる。
【0007】本発明の第1の目的は、いわゆるT型ゲー
トの形状を改善し、特に絶縁膜のコンタクトホール内の
上部におけるゲートメタルのゲート長さ方向の寸法の減
小や断線を有効に防止しうる形状とすることで、半導体
装置の信頼性及び高速動作性の向上を図ることにある。
【0008】また、第2の目的は、絶縁膜に異方性エッ
チングを施す場合、そのエッチングにより除去される領
域の横方向の寸法は、その直上に多少の空間があって
も、さらに上方に狭い開口部を有するマスクがあれば、
その狭い開口部に応じた寸法で絶縁膜が開口されるとい
う点に着目し、微細な開口部を有するマスクを用いて、
絶縁膜にコンタクトホールであるゲート開口部を形成す
る際、絶縁膜の上部では等方性エッチングを行い、その
後絶縁膜の下部では異方性エッチングを行うことによ
り、断面形状の改善されたゲート電極を有する半導体装
置の製造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明が具体的に講じた手段は、半導体装
置として、半導体基板と、上記半導体基板上に形成され
た絶縁膜と、上記絶縁膜を貫通して上記半導体基板の活
性領域にコンタクトするように設けられたゲート電極と
を設け、上記ゲート電極を、ゲート幅方向に直交する断
面内で、下部から上方に向かって徐々にゲート長さ方向
の寸法が拡大してなるほぼY字状の断面形状を有するよ
うに構成したものである。
【0010】請求項2の発明の講じた手段は、上記請求
項1の発明において、上記半導体基板をGaAs基板と
し、半導体装置を高周波用トランジスタとしたものであ
る。
【0011】請求項3の発明の講じた手段は、上記請求
項1又は2の発明において、上記ゲート電極のゲート長
の寸法は、0.5μm以下としたものである。
【0012】請求項4の発明の講じた手段は、半導体装
置の製造工程として、半導体基板の上方に絶縁膜を形成
する工程と、上記絶縁膜上に、上記絶縁膜のエッチング
剤に対する抵抗性を有する材料を用いて、所定部位に設
計ゲート長に対応する微細寸法の開口部を有するマスク
を形成する工程と、上記マスクの開口部の下方に位置す
る絶縁膜のうち上部を等方性エッチングにより除去した
後、絶縁膜の下部を異方性エッチングにより除去し、ゲ
ート開口部を形成する工程と、上記マスクを除去する工
程と、上記ゲート開口部に導電性物質を堆積して、ゲー
ト電極を形成する工程とを設けた方法である。
【0013】請求項5の発明の講じた手段は、上記請求
項4の発明に加えて、上記絶縁膜を形成する工程の前
に、半導体基板上に下敷酸化膜を形成する工程と、マス
クを除去した後に、ウェットエッチングを行って下敷酸
化膜を除去する工程とを設けた方法である。
【0014】
【作用】以上の構成により、請求項1の発明では、半導
体基板の活性領域に形成されるトランジスタにおいて、
ゲート電極のゲート長さ方向の寸法が下部から上方に向
かって徐々に拡大し、ゲート電極が全体としてほぼY字
状の断面形状を有しているので、ゲート電極の上部で寸
法の減小やゲートメタルの断線が生じることがなく、接
続不良や電気抵抗の増大が防止される。従って、高い信
頼性と高速動作性とが得られることになる。
【0015】請求項2の発明では、特に高周波用トラン
ジスタでは高速動作性が強く要求され、微細なゲート長
を形成する必要があるが、かかる場合にも、電気抵抗が
低く抑制されるので、高速動作性が損なわれることがな
く、優れた高周波特性を有する半導体装置が得られるこ
とになる。
【0016】請求項3の発明では、特にゲート長が0.
5μm以下のゲート電極を有する半導体装置では、接続
不良や電気抵抗の増大が生じやすいが、かかる場合に
も、高い信頼性と高速動作性が維持されることになる。
【0017】請求項4の発明では、ゲート開口部を形成
する工程で、マスク開口部の下方に位置する絶縁膜のう
ち上部が等方性エッチングされることで、絶縁膜の上部
はマスク開口部の寸法よりも広く除去される。その後、
絶縁膜の下部が異方性エッチングにより除去されるが、
上方に微細寸法のマスクが設けられているので、エッチ
ングにより除去されるゲート開口部は下方に向かって次
第に狭くなり、最終的にほぼマスク開口部の寸法つまり
設計ゲート長に対応した微細寸法となる。つまり、ゲー
ト開口部は下方で狭く上方に向かって徐々に拡大する傾
斜した側面を有している。したがって、マスクが除去さ
れた状態でゲート開口部に導電性物質が堆積される際、
ゲート開口部上端の開口寸法はマスクの開口寸法よりも
広くなっているので、絶縁膜の上に導電性物質が堆積さ
れ、この導電性物質が横方向に庇状に延びても、ゲート
開口部内に導電性物質が十分供給され、導電性物質の堆
積中にゲート開口部が塞がれるのが防止される。また、
傾斜したゲート開口部の側面に沿って導電性物質が堆積
していくので、ほぼY字状の断面形状を有するゲート電
極が形成される。したがって、上記請求項1の発明にお
ける高い信頼性と高速動作性とを有する半導体装置が形
成されることになる。
【0018】請求項5の発明では、絶縁膜の下方に下敷
酸化膜が形成されていることで、絶縁膜と半導体基板と
の熱膨張率差に起因する応力の発生や密着性の悪化が抑
制される。そして、この下敷酸化膜にゲート開口部を形
成する際、ウェットエッチングにより下敷酸化膜が除去
されるので、異方性エッチングによる半導体基板の損傷
が回避される。
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。
【0020】図1(a)〜(e)及び図2(a)〜
(e)は、化合物半導体集積回路のゲートの製造工程を
示す断面図である。
【0021】まず、図1(a)に示すように、GaAs
基板1上に、厚さが約100nmのSiO2 膜2及び厚
さが約300nmのSi3 4 膜3からなる二層絶縁膜
を形成する。ただし、本発明は、この二層絶縁膜の代わ
りにSiO2 膜等の単層膜や、3層以上の多層膜を形成
したものにも適用し得る。
【0022】次に、同図(b)に示すように、Si3
4 膜3の上にフォトレジストを塗布してレジスト膜4を
形成し、さらに、同図(c)に示すように、5:1のi
線ステッパーを用いてパターン寸法0.5μmのフォト
リソグラフィを行った後、現像してレジストパターン4
aを形成する。
【0023】次に、同図(d)に示すように、レジスト
パターン4aを酸素プラズマ中で等方的にエッチングし
て、レジストパターン4aを縮小し、同図(e)に示す
ように、上記Si3 4 膜3及び縮小されたレジストパ
ターン4aの全面上にAlを蒸着し、100nmの厚み
でAl膜5を形成する。
【0024】そして、図2(a)に示すように、レジス
トパターン4aが形成されている部分でAl膜5と共に
レジストパターン4aを除去するリフトオフを行って、
Al膜5の一部を開口して、マスク開口部9を形成す
る。このとき、上記図1(a)〜(e)のようなリフト
オフ法によるマスク形成を行ったことで、このマスクの
開口部9のゲート長さ方向に対応する寸法は極めて微細
なもの(例えば0.3μm以下)となっている。
【0025】そして、同図(b)に示すように、マスク
開口部9が形成されたAl膜5をエッチングマスクとし
て、四フッ化(CF4 )プラズマに晒すいわゆるアッシ
ングを行うことにより、Si3 4 膜3の厚さの約1/
2を等方的にエッチングする。この等方性エッチングに
よってSi3 4 膜3の上部には、マスク開口部9の横
方向の寸法よりも広い上側開口部10aが形成される。
なお、エッチング条件は、例えばCF4 /02 混合ガス
の流量が45/5sccm、高周波パワーは100W、
圧力0.4Torrである。
【0026】次に、図2(c)に示すように、CF4
スエッチングによる反応性イオンエッチング(RIE)
により、Si3 4 膜3の残部である1/2の厚み分を
異方性エッチングエッチングにより除去する。これによ
り、Si3 4 膜3の下部には、下方に向かって少しず
つ狭くなりマスク開口部9の寸法にほぼ等しい寸法でS
iO2 膜2の表面まで達する下側開口部10bが形成さ
れる。つまり、下部から上方に向かって開くように傾斜
をもった開口部が形成されている。なお、エッチング条
件は、CF4 ガスの流量が50sccm、高周波パワー
100W、圧力0.08Torrである。
【0027】次に、図2(d)に示すように、塩酸水溶
液(あるいはNaOH,KOH水溶液等)でAl膜5を
除去し、Si3 4 膜3の上にゲート電極用のレジスト
パターン4bを形成し、SiO2 膜2をフッ酸系エッチ
ング液でエッチングする。これにより、SiO2 膜に
は、Si3 4 膜3の下側開口部10bよりも広い開口
が形成され、全体として、カップ状のゲート開口部10
が形成される。なお、このウェットエッチングでは、異
方性エッチングのようにGaAs基板1に損傷を与えな
い。
【0028】次に、図2(e),(f)に示すように、
基板全体の上にゲートメタルの蒸着を行ってから、リフ
トオフにより、断面形状がほぼY字状のゲート電極7を
形成する。
【0029】図3は、上記製造方法により形成されたゲ
ート電極のSEM写真を示し、約0.17μmのゲート
パターンが形成されている。そして、この写真では上記
図5の写真のごとく、ゲート電極7のゲート開口部10
の上部付近におけるゲート長さ方向の寸法の減小はほと
んど見られないことが確認された。
【0030】上記実施例では、上述のごとく、Si3
4 膜3(絶縁膜)にコンタクトホールであるゲート開口
部10を形成する際、Si3 4 膜3の上部を等方性エ
ッチングにより除去して、マスクとなるAl膜5の開口
部9の寸法よりも広がった上側開口部10aを形成した
後、等方性エッチングを行って、Si3 4 膜3の下部
に、マスク開口部9の寸法とほぼ同じ寸法になるまで徐
々に狭くなる下側開口部10bを形成するようにしてい
る。したがって、ゲート開口部10におけるSi3 4
膜3は、マスク開口部9の寸法にほぼ等しい寸法から上
方に向かって開く方向に傾斜した形状となる。そして、
この上方からゲートメタルが堆積されるので、上方の広
幅のSi3 4 膜の開口縁付近でゲートメタルが横方向
に付着しても、開口が塞がれるまでにゲート開口部10
内に堆積されていくゲートメタルが上方に達する。すな
わち、傾斜した側面にゲートメタルが堆積していくこと
で、ゲート幅方向に垂直な断面内で、ほぼY字状の断面
形状を有するゲート電極7が形成される。
【0031】以上のように、ほぼY字状の断面形状を有
するゲート電極7が形成されることで、従来のようなゲ
ートメタルがゲート開口部10内の上部付近でゲート長
さ方向の寸法が減小することによる接続不良の発生や電
気抵抗値の増大が防止され、高速動作性と信頼性との向
上を図ることができるのである。
【0032】なお、上記実施例では、絶縁膜であるSi
3 4 膜3とGaAs基板1との間に下敷酸化膜である
SiO2 膜2を介設し、ゲート開口部10を形成する際
には、このSiO2 膜2をウェットエッチングにより除
去するようにしているので、ゲート開口部10の下端の
寸法がSi3 4 膜3の下側開口部10bの寸法よりも
広くなっているが、ゲートメタル蒸着の際には、下側開
口部10bの寸法よりもほとんど広くならないので、最
終的なゲート電極7のゲート長はマスクの開口部9の寸
法にほぼ等しい微細なものとなっている。したがって、
高周波用トランジスタに要求される高速動作性を損ねる
ことはない。
【0033】上記下敷酸化膜であるSiO2 膜は必ずし
も設ける必要はない。ただし、絶縁膜がSi3 4 膜の
場合、下敷酸化膜を設けることで、下地の半導体基板と
の密着性を向上させ、あるいは応力の発生を抑制しう
る。そのとき、上記実施例のごとく、Si3 4 膜3の
下部のみを異方性エッチングにより除去し、SiO2
2はウェットエッチングにより除去することで、下地で
ある半導体基板の異方性エッチングによる損傷を回避す
ることができる利点がある。
【0034】なお、上記実施例では、Si3 4 膜3の
厚さの約1/2に相当する上部分を等方性エッチングす
るようにしたが、本発明はかかる実施例に限定されるも
のではない。ただし、等方性エッチングにより除去する
部分があまりに大きいと、下側開口部10bの寸法を絞
り切れなくなり、最終的にゲート長がマスク開口部9の
寸法よりも大きくなってしまう虞れがあるが、その場合
でも、マスク開口部9の寸法を小さめにしておけば、本
発明の効果は得られる。
【0035】また、上記実施例では、半導体基板をGa
As基板としたが、本発明はかかる実施例に限定される
ものではなく、Si基板や、GaAs基板以外の化合物
半導体基板についても適用することができる。
【0036】さらに、上記実施例におけるマスクである
Al膜5のパターンを形成する方法は上記実施例のよう
なリフトオフ法等に限定されるものでないことはいうま
でもない。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1の発明に
よれば、半導体装置の構成として、ゲート幅方向に直交
する断面内で、下端のゲート長に相当する寸法から上方
に向かって徐々に拡大するほぼY字状の断面形状を有す
るゲート電極を設ける構成としたので、ゲート電極の断
線や、ゲート電極の電気抵抗の増大を有効に防止するこ
とができ、よって、信頼性と高速動作性との向上を図る
ことができる。
【0038】請求項2の発明によれば、上記請求項1の
発明を、GaAs基板に形成された高周波用トランジス
タに適用したので、優れた高周波特性を有する半導体装
置を得ることができる。
【0039】請求項3の発明によれば、上記請求項1又
は2の発明を、ゲート長が0.5μm以下のゲート電極
を有する半導体装置に適用したので、かかる断線や電気
抵抗の増大が生じやすい極めて微細なゲート長を有する
半導体装置についても、高い信頼性と高速動作性とを発
揮することができる。
【0040】請求項4の発明によれば、半導体装置の製
造方法として、微細寸法の開口部を有するマスクを用い
てゲート開口部を形成する工程で、マスク開口部の下方
に位置する絶縁膜のうち上部を等方性エッチングした
後、下部を異方性エッチングするようにしたので、上方
に向かって徐々に拡大する傾斜した側面を有するゲート
開口部が形成されることで、その後の工程でほぼY字状
のゲート電極を形成することができ、よって、上記請求
項1の発明における高い信頼性と高速動作性とを有する
半導体装置を製造することができる。
【0041】請求項5の発明によれば、上記請求項4の
発明において、絶縁膜と半導体基板との間に下敷酸化膜
を形成し、絶縁膜を等方性エッチング,異方性エッチン
グにより除去した後、下敷絶縁膜をウェットエッチング
により除去するようにしたので、絶縁膜と半導体基板と
のなじみがよくなるとともに、下敷酸化膜を異方性エッ
チングで除去する際に生じうる半導体基板の損傷が回避
されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例に係る半導体装置のゲート開口部形成用
のマスクを形成するまでの工程における基板の断面図で
ある。
【図2】実施例に係る半導体装置のゲート開口部形成用
のマスク形成後ゲート電極を形成するまでの工程におけ
る基板の断面図である。
【図3】実施例の製造方法で形成された半導体装置のゲ
ート電極部の構造を示すSEM写真図である。
【図4】従来のゲート電極の形成工程における基板の断
面図である。
【図5】従来の製造方法で形成された半導体装置のゲー
ト電極部の構造を示すSEM写真図である。
【符号の説明】
1 GaAs基板(半導体基板) 2 SiO2 基板(下敷酸化膜) 3 Si3 4 基板(絶縁膜) 4 レジスト膜 4a,4b レジストパターン 5 Al膜(マスク) 7 ゲート電極 9 マスク開口部 10 ゲート開口部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/28 301 H 8826−4M 21/027 21/3065 H01L 21/302 M 9171−4M 29/80 F (72)発明者 田邊 充 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 西井 勝則 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 田村 彰良 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、 上記半導体基板上に形成された絶縁膜と、 上記絶縁膜を貫通して上記半導体基板の活性領域にコン
    タクトするように設けられたゲート電極とを備えるとと
    もに、 上記ゲート電極は、ゲート幅方向に直交する断面内で、
    下部から上方に向かって徐々にゲート長さ方向の寸法が
    拡大してなるほぼY字状の断面形状を有することを特徴
    とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の半導体装置において、 上記半導体基板はGaAs基板であり、半導体装置は高
    周波用トランジスタであることを特徴とする半導体装
    置。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載の半導体装置におい
    て、 上記ゲート電極のゲート長の寸法は、0.5μm以下で
    あることを特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項4】 半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工
    程と、 上記絶縁膜上に、上記絶縁膜のエッチング剤に対する抵
    抗性を有する材料を用いて、所定部位に設計ゲート長に
    対応する微細寸法の開口部を有するマスクを形成する工
    程と、 上記マスクの開口部の下方に位置する絶縁膜のうち上部
    を等方性エッチングにより除去した後、絶縁膜の下部を
    異方性エッチングにより除去し、ゲート開口部を形成す
    る工程と、 上記マスクを除去する工程と、 上記ゲート開口部に導電性物質を堆積して、ゲート電極
    を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置
    の製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の半導体装置の製造方法に
    おいて、 上記絶縁膜を形成する工程の前に、半導体基板上に下敷
    酸化膜を形成する工程と、 マスクを除去した後に、ウェットエッチングを行って下
    敷酸化膜を除去する工程とを備えたことを特徴とする半
    導体装置の製造方法。
JP34778393A 1993-12-24 1993-12-24 半導体装置及び半導体装置の製造方法 Pending JPH07183315A (ja)

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