JPH10242264A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH10242264A
JPH10242264A JP4023597A JP4023597A JPH10242264A JP H10242264 A JPH10242264 A JP H10242264A JP 4023597 A JP4023597 A JP 4023597A JP 4023597 A JP4023597 A JP 4023597A JP H10242264 A JPH10242264 A JP H10242264A
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JP
Japan
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film
silicon
oxide film
thin film
silicon oxide
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JP4023597A
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English (en)
Inventor
Akio Kawamura
昭男 川村
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Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 トレンチ素子分離領域のコーナー部での電界
緩和の目的が達成されない恐れがある。 【解決手段】 シリコン基板101上にゲート絶縁膜1
02、ポリシリコン薄膜103及びシリコン窒化膜10
4を順次形成する。選択的にシリコン窒化膜、ポリシリ
コン薄膜及びゲート絶縁膜をエッチングしてシリコン基
板表面を露出させ続けて、上記半導体基板をエッチング
して、該半導体基板に溝106a,b,cを形成した
後、溝部の側面部及び底面部並びに溝開口部のポリシリ
コン薄膜103側壁を酸化する。全面にシリコン酸化膜
107,108,109を堆積した後、シリコン窒化膜
をエッチングストッパーとしてシリコン酸化膜109を
エッチングバックし、溝部内に絶縁膜109を埋設す
る。次に、シリコン窒化膜104を除去した後、導電性
薄膜110を堆積し、導電性薄膜及び上記シリコン薄膜
103を選択的に除去して、ゲート電極112を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関するもので、さらに詳しくは素子分離領域形成方法
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】集積回路素子の高集積化に伴い、素子の
微細化と共に素子分離領域の微細化の進んできた。従
来、素子分離技術として一般的に、LOCOS法が広く
用いられているが、周知のようにバーズビークと呼ばれ
る酸化膜の食い込みが生じ、分離領域が拡大する、ある
いは狭い分離領域では十分な膜厚の分離用酸化膜が形成
されない等の課題があり、サブミクロン域の素子分離に
適用するには困難な技術となってきた。
【0003】これに対し、シリコン基板表面に溝を形成
し、これに絶縁膜を埋め込んで素子分離領域とするトレ
ンチ分離技術が微細化の進む集積回路の素子分離技術と
して検討及び適用が進んでいる。
【0004】このトレンチ素子分離の形成方法の第1の
従来技術を、図4乃至図6を用いて説明する。
【0005】まず、図4(a)に示すように、シリコン
基板201の表面に熱酸化法でパッド酸化膜202を1
0〜30nm程度形成する。続いてシリコン窒化膜20
3を100〜200nm程度、減圧CVD法で堆積す
る。
【0006】次に、図4(b)に示すように、素子分離
領域に開口を有するレジストパターン204をフォトリ
ソグラフィ工程により形成した後、これをエッチングマ
スクとして、シリコン窒化膜203、パッド酸化膜20
2を順次異方性エッチングし、引き続きシリコン基板2
01を異方性エッチングして溝205a、205b、2
05cを形成する。溝の深さは、0.3〜0.6μm程
度であり、溝の幅は最小で0.2μmである。
【0007】次に、図4(c)に示すように、レジスト
パターン204を除去した後、熱酸化雰囲気にて溝20
5a、205b、205cの底面及び側面を薄く酸化し
て、10〜40nmのシリコン酸化膜206を形成す
る。このとき、シリコン基板201の表面はシリコン窒
化膜203で覆われているので酸化されず、溝205
a、205b、205cの内部にのみシリコン酸化膜2
06が選択的に形成される。
【0008】次に、図5(a)に示すように化学的気相
成長法(CVD法)により、シリコン酸化膜207を厚
く堆積する。ここで、シリコン酸化膜207の膜厚は広
い素子分離領域(図示せず)の溝を完全に埋め込むた
め、溝205a、205b、205cの深さより厚いこ
とが望ましく、本従来技術例では800nmとした。
【0009】次に、図5(b)に示すように、シリコン
窒化膜203をエッチングストッパとして、シリコン酸
化膜207をケミカルメカニカルポリッシング(CM
P)法若しくはリアクティブイオンエッチング(RI
E)法によりシリコン窒化膜203が露出するまでエッ
チバックする。このとき、シリコン基板201面内にお
いて、シリコン酸化膜207の堆積膜厚あるいはシリコ
ン酸化膜207のエッチバック量にバラツキがあるた
め、シリコン酸化膜207が溝内に比較的厚く残る溝2
05a、205cと溝内部のシリコン酸化膜207が溝
内に比較的薄く残る溝205bの両者が存在する。
【0010】次に、図5(c)に示すように、シリコン
窒化膜203を熱リン酸溶液で除去した後、フッ酸溶液
にてパッド酸化膜202を除去して、素子形成領域のシ
リコン基板201の表面を露出する。このとき、溝20
5a、205cでは埋め込んだシリコン酸化膜207が
シリコン基板201の表面より突出して残るが、溝20
5bではシリコン基板201表面より窪んだ形状で残
る。さらに溝205bの上部でシリコン基板のコーナー
部208が露出する。
【0011】次に、図6(a)に示すように、素子形成
領域で露出したシリコン基板201表面を熱酸化法によ
り酸化して、ゲート酸化膜209を形成した後、多結晶
シリコン膜或いは多結晶シリコン膜とタングステンシリ
サイド膜の積層膜よりなるゲート電極用導電性膜210
を堆積する。このとき、溝205bの上部ではシリコン
基板201のコーナー部208を被覆してゲート酸化膜
209及びゲート電極用導電性膜210が堆積される。
【0012】次に、図6(b)に示すように、レジスト
パターン211をフォトリソグラフィ工程により形成
し、これをエッチングマスクとして選択的に、ゲート電
極用導電性膜210をエッチングして、ゲート電極21
0a、210bを形成する。
【0013】次に、図6(c)に示すように、レジスト
パターン211を除去した後、ゲート電極210a、2
10bをマスクとして自己整合的にイオン注入して、ソ
ース/ドレイン領域212を形成し、MOSトランジス
タが形成される。
【0014】上述の従来技術では、図5(c)の工程に
おいて、溝205bを埋め込むシリコン酸化膜207の
上面がシリコン基板201の表面より窪み、シリコン基
板201のコーナー部208が露出してしまう。このた
め、図6(c)の工程においてMOSトランジスタ形成
時には、この露出したコーナー部208を被覆してゲー
ト絶縁膜208及びゲート電極210a、210bが形
成されることになる。この結果、トランジスタの動作時
には、以下の特性上の問題が生じてしまう。
【0015】即ち、MOSトランジスタでは、ゲート電
極210a、210bに電位(NMOSでは正の電位、
PMOSでは負の電位)を与えてゲート電極210a、
210bした下のチャネルと呼ばれるシリコン基板20
1表面の極性を反転させてトランジスタの導通を得る
が、コーナー部208では上面及び側面のゲート電極2
10bからの電界が集中するため、チャネル中央部より
低いゲート電圧にて極性反転が生じ、図3の特性図に示
すように、一般的にキンクと呼ばれる現象が発生する。
【0016】本現象が発生した場合、図3により明らか
なように、トランジスタのオフ時(ゲート電位がゼロ)
のリーク電流が増大してしまうという重大な問題が生じ
る。
【0017】この問題に対して、特開平5−25155
2号公報では、以下のような手法が採られている。以
下、第2の従来技術として、図7乃至図9を用いてこの
手法を説明する。
【0018】まず、図7(a)に示すように、シリコン
基板401の表面にゲート酸化膜402を4〜10nm
の膜厚で熱酸化法により形成する。続いて、将来ゲート
電極の一部を構成するポリシリコン薄膜403を50〜
300nm堆積する。
【0019】次に、図7(b)に示すように、素子分離
領域に開口を有するレジストパターン404をフォトリ
ソグラフィ工程により形成した後、これをエッチングマ
スクとして、ポリシリコン薄膜403、ゲート酸化膜4
02を順次異方性エッチングし、引き続きシリコン基板
401を異方性エッチングして溝405a、405b、
405cを形成する。溝の深さは、0.3〜0.6μm
程度であり、溝の幅は最小で0.2μmである。
【0020】次に、図7(c)に示すように、レジスト
パターン404を除去した後、CVD法にて20〜50
nmのシリコン酸化膜406を堆積した後、溝405を
埋め込む厚いシリコン酸化膜407を堆積する。ここ
で、シリコン酸化膜407の膜厚は広い素子分離領域
(図示せず)の溝を完全に埋め込むため、溝405a、
405b、405cの深さより厚いことが望ましく、本
従来技術例では800nmとした。
【0021】次に、図8(b)に示すように、ポリシリ
コン薄膜403をエッチングストッパとして、シリコン
酸化膜407、406をCMP法若しくはRIE法によ
りポリシリコン薄膜403が露出するまでエッチバック
する。このとき、シリコン基板401面内において、シ
リコン酸化膜407の堆積膜厚あるいはシリコン酸化膜
407のエッチバック量にバラツキがあるため、シリコ
ン酸化膜407が溝内に比較的厚く残る溝405a、4
05cと溝内部のシリコン酸化膜407が溝内に比較的
薄く残る溝405bの両者が存在する。
【0022】次に、図8(c)に示すように、CVD法
によりシリコン酸化膜408を20〜100nm程度堆
積する。その後、図8(c)に示すように、RIE法に
より、シリコン酸化膜408をポリシリコン薄膜403
が露出するまでエッチバックする。この結果、素子分離
用溝405のポリシリコン薄膜403の側壁にサイドウ
ォールとしてシリコン酸化膜408が残存する。
【0023】次に、図9(a)に示すように、ポリシリ
コン膜或いはポリシリコン膜とタングステンシリサイド
膜の積層膜よりなるゲート電極用導電性膜409を堆積
する。
【0024】次に、図9(b)に示すように、レジスト
パターン410をフォトリソグラフィ工程により形成
し、これをエッチングマスクとして選択的に、ゲート電
極用導電性膜409及びポリシリコン薄膜403をゲー
ト絶縁膜402が露出するまでエッチングして、ゲート
電極411a、411bを形成する。
【0025】次に、図9(c)に示すように、レジスト
パターン410を除去した後、ゲート電極411a、4
11bをマスクとして自己整合的にイオン注入して、ソ
ース/ドレイン領域412を形成し、MOSトランジス
タが形成される。
【0026】上記第2の従来技術では、シリコン酸化膜
408によるサイドウォールを介してゲート電極411
bの一部である導電性薄膜409が半導体基板の溝周辺
のコーナー部413を被覆するため、コーナー413に
かかるゲート電界を緩和して図3に示したトランジスタ
特性のキンク現象発生の問題を回避している。
【0027】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
第2の従来の製造方法では、ゲート電極411の一部を
構成するポリシリコン薄膜403の膜厚が、サイドウォ
ールとして用いるシリコン酸化膜408の堆積膜厚のバ
ラツキ及びエッチバック量のバラツキよりも十分に厚い
場合は問題ないが、薄い場合には、シリコン酸化膜40
8のエッチバック後にサイドウォールがポリシリコン薄
膜403を被覆せずコーナー部413での電界緩和の目
的が達成されない恐れがある。このプロセスを実施する
以上、エッチバックにおいては、ゲート電極となるポリ
シリコン薄膜403上に酸化膜が残っては困るので十分
にオーバーエッチしなくてはならず、この結果として、
ポリシリコン薄膜403自体がエッチングされると共
に、酸化膜のサイドウォール自体が膜減りを起こす。逆
に、ポリシリコン薄膜403を厚くした場合、トランジ
スタ形成後のコンタクト或いはメタル配線等の加工時に
下地段差が増大してフォトリソグラフィ及びエッチング
工程が困難になる。
【0028】また、ゲート電極411の一部であるポリ
シリコン薄膜403は、シリコン酸化膜407、406
のエッチバック時及びシリコン酸化膜408のエッチバ
ック時の2回エッチングストッパとして働くため、この
エッチバックでのポリシリコンに対する選択比率が低い
(<10)場合には、ポリシリコンの膜減り量が増大
し、トランジスタのゲート電極の機能を果たすことが困
難となる。
【0029】更に、これらのエッチバック時には素子分
離領域毎に既にポリシリコン薄膜403は分割された状
態でエッチング時のイオン照射を受けるため、薄いゲー
ト絶縁膜402をもつ半導体素子では、チャージアップ
によるゲート絶縁膜破壊がおこるという問題が生じる。
【0030】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の本発明の
半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁
膜、シリコン薄膜及びシリコン窒化膜を順次形成する工
程と、所定の形状のマスクパターンを用いて、素子が形
成される領域を除いて選択的に上記シリコン窒化膜、シ
リコン薄膜及びゲート絶縁膜をエッチングして上記半導
体基板表面を露出させる工程と、上記マスクパターンを
用いて上記半導体基板をエッチングして、該半導体基板
に溝を形成する工程と、上記溝部の側面部及び底面部並
びに該溝開口部の上記シリコン薄膜側壁を酸化する工程
と、上記溝を埋め込むように全面に絶縁膜を堆積した
後、上記シリコン窒化膜をエッチングストッパーとして
上記絶縁膜をエッチングし、上記溝部内に絶縁膜を埋設
する工程と、上記シリコン窒化膜を除去した後、導電性
薄膜を堆積する工程と、上記導電性薄膜及び上記シリコ
ン薄膜を選択的に除去して、ゲート電極を形成する工程
とを有することを特徴とする。
【0031】
【実施の形態】以下、一実施の形態に基づいて本発明に
ついて詳細に説明する。
【0032】図1及び図2は本発明の一実施の形態の半
導体装置の製造工程を示す図である。
【0033】以下、図1及び図2を用いて本発明の一実
施の形態の半導体装置の製造工程を説明する。
【0034】まず、図1(a)に示すように、シリコン
基板101の表面に熱酸化法でゲート酸化膜102を4
〜10nm程度形成する。続いて将来ゲート電極の一部
を構成するポリシリコン薄膜103を50〜300nm
堆積し、引き続きシリコン窒化膜104を100〜20
0nm程度、減圧CVD法で堆積する。ここで、ポリシ
リコン薄膜の代わりにアモルファスシリコン薄膜を用い
てもよい。また、ポリシリコン薄膜103に砒素或いは
燐或いはホウ素等のドーピング不純物を目的に応じてこ
の工程で導入してもよいし、後の適切な工程で導入して
もよい。
【0035】次に、図1(b)に示すように、素子分離
領域に開口を有するレジストパターン105をフォトリ
ソグラフィ工程により形成した後、これをエッチングマ
スクとして、シリコン窒化膜104、ポリシリコン薄膜
103、ゲート酸化膜102を順次異方性エッチング
し、引き続きシリコン基板101を異方性エッチングし
て溝106a、106b、106cを形成する。溝の深
さは、0.3〜0.6μm程度であり、溝の幅は最小で
0.2μmである。
【0036】次に、図1(c)に示すように、レジスト
パターン105を除去した後、熱酸化雰囲気にて溝10
6a、106b、106cの底面及び側面を薄く酸化し
て、10〜40nmのシリコン酸化膜107を形成す
る。このとき、シリコン基板101の表面はシリコン窒
化膜104で覆われているので酸化されず、溝106
a、106b、106cの内部にのみシリコン酸化膜1
07が選択的に形成される。この際、開口部において、
ポリシリコン薄膜103の側壁にシリコン酸化膜108
が形成される。
【0037】次に、図1(d)に示すようにCVD法に
より、シリコン酸化膜109を厚く堆積する。ここで、
シリコン酸化膜109の膜厚は広い素子分離領域(図示
せず)の溝を完全に埋め込むため、溝106a、106
b、106cの深さより厚いことが望ましく、本実施の
形態では800nmとした。
【0038】次に、図2(a)に示すように、シリコン
窒化膜104をエッチングストッパとして、シリコン酸
化膜109をCMP法若しくはRIE法によりシリコン
窒化膜104が露出するまでエッチバックする。このと
き、シリコン基板101面内において、シリコン酸化膜
109の堆積膜厚あるいはシリコン酸化膜109のエッ
チバック量にバラツキがあるため、シリコン酸化膜10
9が溝内に比較的厚く残る溝106a、106cと溝内
部のシリコン酸化膜109が溝内に比較的薄く残る溝1
06bの両者が存在する。
【0039】但し、本実施の形態において、シリコン基
板101上にポリシリコン薄膜103及びシリコン窒化
膜104を堆積した積層構造でシリコン酸化膜109の
エッチングストッパとして用いているためバラツキより
残膜が薄く残る溝106bにおいても、シリコン酸化膜
109の表面は少なくともシリコン基板101の表面よ
り上に確保することが容易になる。
【0040】更に、このエッチバック時にポリシリコン
薄膜103の表面はシリコン窒化膜104で覆われてい
るので、エッチング時のイオン照射によって、ポリシリ
コン薄膜103がチャージアップしてゲート絶縁膜10
2の絶縁破壊が起こることを防止できる。
【0041】次に、図2(b)に示すように、シリコン
窒化膜104を熱リン酸溶液で除去して、素子形成領域
のポリシリコン薄膜103の表面を露出する。このと
き、溝106a、106cでは埋め込んだシリコン酸化
膜109がポリシリコン薄膜103の表面より突出して
残るが、溝106bではポリシリコン薄膜103表面よ
り窪んだ形状で残る。但し、溝106bにおいても、シ
リコン酸化膜109の表面はシリコン基板101の表面
より上部に保たれている。
【0042】その後、ポリシリコン膜或いはポリシリコ
ン膜とタングステンシリサイド膜の積層膜等よりなるゲ
ート電極用導電性膜110を100〜200nm程度堆
積する。尚、本発明において、ゲート電極用導電性膜の
材料は本実施の形態に限定されるものではない。
【0043】次に、図2(c)に示すように、レジスト
パターン111をフォトリソグラフィ工程により形成
し、これをエッチングマスクとして選択的に、導電性膜
110及びポリシリコン薄膜103をエッチングして、
ゲート電極112a、112bを形成する。
【0044】次に、図2(d)に示すように、レジスト
パターン111を除去した後、ゲート電極112a、1
12bをマスクとして自己整合的にイオン注入して、ソ
ース/ドレイン領域113形成し、MOSトランジスタ
が形成される。
【0045】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明を
用い、ポリシリコン膜及びシリコン窒化膜よりなる積層
膜を、溝に埋め込むシリコン酸化膜のエッチングストッ
パとして用いるため、以下のような効果を奏する。
【0046】まず、第1にシリコン酸化膜の膜厚バラツ
キ及びシリコン酸化膜のエッチバック量のバラツキは必
然的に生じるが、溝内に残るシリコン酸化膜が少ない溝
においてもシリコン酸化膜の表面をシリコン基板の表面
よりも上部に確保できる。また、仮に上述のバラツキが
所定のねらいよりも大きい場合でも、エッチングストッ
パとして働くシリコン窒化膜の堆積膜厚のみを増加させ
ることで当初の目的を達成することが可能となり、トラ
ンジスタ特性に影響を及ぼすポリシリコン薄膜の膜厚を
変更する必要はない。
【0047】第2に、シリコン酸化膜のエッチバックを
RIEで行った場合、ゲート電極として働くポリシリコ
ン薄膜の表面は絶縁膜であるシリコン窒化膜で覆われて
いるため、エッチング中のイオン照射によりゲート電極
がチャージアップしてゲート絶縁膜が破壊することを防
止する。
【0048】また、溝形成後に酸化雰囲気にてポリシリ
コン薄膜のパターニング側面を酸化してシリコン酸化膜
を形成することで、以下の効果が得られた。
【0049】即ち、溝のコーナー部ではシリコン酸化膜
が確実に覆っているので、ゲート電極を構成するポリシ
リコン薄膜若しくは導電性薄膜は少なくともこれらのシ
リコン酸化膜を介してコーナーを被覆する構造が得られ
る。従来技術ではゲート電極が薄いゲート酸化膜のみを
介して溝のコーナーを被覆していたため、コーナーでの
ゲート電界集中により、図3に示すようなトランジスタ
のキンク現象という問題が生じたが、本発明では、ゲー
ト電界集中が回避され良好なトランジスタ特性が得られ
た。
【0050】以上のように、本発明を用いることによ
り、トランジスタ特性の改善、特にオフ時のリーク電流
の減少が達成され、また、工程途中でのゲート絶縁膜の
チャージアップ破壊が防止される等の効果により、半導
体装置の歩留まり及び信頼性の向上に大きく寄与するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一の実施の形態の半導体装置の前半の
製造工程図である。
【図2】本発明の一の実施の形態の半導体装置の前半の
製造工程図である。
【図3】本発明及び従来技術によるトランジスタの特性
を示す図である。
【図4】第1の従来の半導体装置の第1製造工程図であ
る。
【図5】第1の従来の半導体装置の第2製造工程図であ
る。
【図6】第1の従来の半導体装置の第3製造工程図であ
る。
【図7】第2の従来の半導体装置の第1製造工程図であ
る。
【図8】第2の従来の半導体装置の第2製造工程図であ
る。
【図9】第2の従来の半導体装置の第3製造工程図であ
る。
【符号の説明】
101 シリコン基板 102 ゲート酸化膜 103 ポリシリコン薄膜 104 シリコン窒化膜 105 第1レジストパターン 106 溝 107 第1シリコン酸化膜 108 第2シリコン酸化膜 109 第3シリコン酸化膜 110 導電性薄膜 111 第2レジストパターン 112 ゲート電極 113 ソース/ドレイン領域

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上にゲート絶縁膜、シリコン
    薄膜及びシリコン窒化膜を順次形成する工程と、 所定の形状のマスクパターンを用いて、素子が形成され
    る領域を除いて選択的に上記シリコン窒化膜、シリコン
    薄膜及びゲート絶縁膜をエッチングして上記半導体基板
    表面を露出させる工程と、 上記マスクパターンを用いて上記半導体基板をエッチン
    グして、該半導体基板に溝を形成する工程と、 上記溝部の側面部及び底面部並びに該溝開口部の上記シ
    リコン薄膜側壁を酸化する工程と、 上記溝を埋め込むように全面に絶縁膜を堆積した後、上
    記シリコン窒化膜をエッチングストッパーとして上記絶
    縁膜をエッチングし、上記溝部内に絶縁膜を埋設する工
    程と、 上記シリコン窒化膜を除去した後、導電性薄膜を堆積す
    る工程と、 上記導電性薄膜及び上記シリコン薄膜を選択的に除去し
    て、ゲート電極を形成する工程とを有することを特徴と
    する、半導体装置の製造方法。
JP4023597A 1997-02-25 1997-02-25 半導体装置の製造方法 Pending JPH10242264A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100489517B1 (ko) * 2002-09-05 2005-05-16 동부아남반도체 주식회사 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법
US7095093B2 (en) 2001-06-29 2006-08-22 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method of manufacturing a semiconductor device
US7115940B2 (en) 2003-01-29 2006-10-03 Renesas Technology Corp. Semiconductor device
KR100781429B1 (ko) 2005-06-09 2007-12-03 가부시끼가이샤 도시바 반도체 장치 및 그 제조 방법
US7618876B2 (en) 2005-05-27 2009-11-17 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method of manufacturing the same by filling a trench which includes an additional coating step

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