JPWO2004021445A1 - Double-gate MOS field effect transistor and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

細幅なチャネル形成の精度良い実現を目指し、真に実用的な二重ゲート型MOSFETを提供する。半導体基板上にあって、将来、第一チャネル端領域を形成すべき予定面積領域にイオンを注入してイオン注入損傷領域とする。イオン注入損傷領域の下に、当該イオン注入損傷領域をエッチングマスクとするウエットエッチングにより、実質的にチャネル領域となる細幅の柱状体を形成する。その後、柱状体の両側面にゲート絶縁膜を形成した後、当該両側面にチャネルを挟んで電子走行方向とは直交する方向から対向しながらそれぞれチャネルに臨む第一、第二ゲートを形成し、二重ゲート型MOSFETを得る。Aiming to realize narrow channel formation with high precision, a truly practical double-gate MOSFET is provided. On the semiconductor substrate, ions are implanted into a planned area region where the first channel end region is to be formed in the future to form an ion implantation damaged region. A narrow columnar body that substantially becomes a channel region is formed under the ion implantation damaged region by wet etching using the ion implantation damaged region as an etching mask. Then, after forming the gate insulating film on both side surfaces of the columnar body, forming the first and second gates facing each channel while facing the direction orthogonal to the electron traveling direction across the channel on both side surfaces, A double-gate MOSFET is obtained.

Description

本発明は、電子の走行するチャネルを当該電子走行方向とは直交する方向からそれぞれゲート絶縁膜を介し一対のゲートにより挟んで成る、いわゆる二重ゲート型MOS電界効果トランジスタ(以下、MOSFET:単に“素子”と記す場合もある)と、その作製方法に関する。    The present invention is a so-called double-gate MOS field effect transistor (hereinafter referred to as MOSFET: simply “ And a manufacturing method thereof.

このような二重ゲート型MOSFETは、通常の単一ゲート型MOSFETに比べて良好な電気的特性を示すことが理論計算により明らかになっており、そのため、これを現実の素子として実現するべく、従来からも大概すると二種の作製手法が提案されていた。各手法により結果として作製される素子は構造上からも大別できて、第9図(A)に示すようないわゆるラテラル型(横型)素子と、第9図(B)に示すようないわゆるヴァーティカル型(縦型)の素子とになる。
前者のラテラル型素子は文献1:IEEE Trans.ED47,354(2000)に、後者のヴァーティカル型素子は文献2:VLSI Symp.Tech.Dig.,2001,pp.55−56に、それぞれ具体的な作製例を認めることができる。
第9図(A)に示している横型の二重ゲート型MOSFET20は、基本的には構築基板としてSOI(Silicon On Insulator)基板21を用い、その酸化膜22上にある表面シリコン(Si)層23の一部をチャネル24とし、その横方向の両側部分に適当なる不純物を導入して、それぞれソース25、ドレイン26とする。チャネル24上にはゲート絶縁膜27を介して第一のゲートG1が臨み、対して、チャネルの反対側にあっては基板21が第二のゲートG2を構成する。
ソース25、ドレイン26には、それぞれ表面絶縁膜層を貫通する適当なる引き出し電極Es,Edが設けられ、第二ゲートG2には一般に基板裏面に単に付着形成される第二引き出し電極Eg2が、また、図示していないが第一ゲート電極G1にも適当なる引き出し電極が設けられる。
一方、第9図(B)に示す縦型素子30では、基板31上に細長く立ち上がる柱状体をドライエッチングにより形成してその高さ方向に沿う一部をチャネル32とし、これを上下から挟むように適当なる不純物を導入したドレイン33、ソース34(一般に柱状体の上側をドレインとする)を設け、チャネル32の電子走行方向に直交して対向する両側面をSi薄膜によるゲート絶縁膜35で覆って、それに接するように第一、第二のゲートG1,G2を設ける。本図では図示していないが、もちろん、各領城には適当に引き出し電極が備えられる。
しかし、このような従来素子では、単一ゲート型の素子に比し、特性的に顕かに優れるといった結果はまだ得られてはいない。少なくとも、理論的に予測される特性に比せば、まだまだ満足の行くものでは到底ない。そして、その理由は、主としてこれまでの作製法上の制約、問題に起因する。
まず、横型素子20の既存の作製手法においては、チャネルを形成すべきシリコン薄膜は相当程度に薄膜化せねば二重ゲート型にしたことの本来の効果は損なわれてしまうが、この薄膜化自体に制約があり、種々の既存エッチング技術を駆使しても、望む程の薄膜化は達成できない実情にある。また、ドレイン、ソース領域も結局はこの薄膜化部分に作製されるが、その低抵抗化と薄膜化とは矛盾する関係にある。薄膜化すればする程、ドレイン、ソース領域の体積は減少し、高抵抗になってしまって、素子特性に悪影響を与える。これは構造原理に起因する欠点とも言える。
さらに、チャネルに望む下部ゲート絶縁膜はそもそもSOI基板により提供されているので、これ自体を制御性良く薄膜化することが困難である。また、上下ゲート絶縁膜の厚さのムラを高精度に解消するのも実は難しい。これがひいては、上部ゲート長、下部ゲート長を同じにするのを困難にもしている。結局、この横型素子は、単に作製方法上の問題というよりも、構造的制約による問題が多いと言える。
これに対し、縦型素子30は構造原理的には制約が少ない。しかし、既存の作製方法には問題が多すぎる。まず、柱状体を作るのにドライエッチングを用いるが、その幅、すなわちチャネルの厚みは結局、当該エッチング制度により決まるため、必ずしも高精度に、かつ極く細い柱状体幅には形成できない。また、このように細い幅の柱状体の上部部分が一般にそのままドレイン33となるため、やはり体積が足りず、横型素子と同じ理由で、細幅にする程、高抵抗になってしまう。何より、ドライエッチングにより結局はチャネルが切り出される格好となるため、当該チャネルにエッチング損傷を招いてしまいがちで、素子特性を損なう結果となる。
もっとも、別な観点から、ゲート絶縁膜に高誘電率絶縁膜を用いることで、上記した欠点を少しでも解消しようとする試みがある。しかし、そもそも高誘電率絶縁膜の開発自体に未だ芳しくないものがあり、炭素化合物の残留問題、成膜時あるいは成膜後の高温処理(注入不純物の活性化に必要)による低誘電率SiO層の形成および多結晶化によるリーク電流増大等の問題が発生していて、依然、満足の行く成膜法は確立されていない。換言すれば、こうした絶縁膜成長を低温成長で行い、その後も低温プロセスのまま素子完成に至り得るような二重ゲート型MOSFETの開発に成功してはいない。
さらに、構造的にだけ見ても、縦型素子において細幅柱状体の上部をそのままドレイン領域とする構造から脱却できていないため、低抵抗素子は提供できていない。
本発明はこのような観点からなされたもので、高性能な二重ゲート型MOS電界効果トランジスタと、それを提供できる作製手法を提案せんとするものである。なお、本書では便宜上、チャネルの各端に備えられ、当該チャネルに電気的に接続するソース、ドレインのどちらか一方を第一チャネル端領域、他方を第二チャネル端領域と呼ぶ。一般には基板側にソースを設け、起立したチャネルの上部にドレインを設けるが、原理的にはMOSFET構造ではどちらをソースにしてもドレインにしても良いからである。
Such double-gate MOSFETs have been shown by theoretical calculations to exhibit better electrical characteristics than ordinary single-gate MOSFETs. Therefore, in order to realize this as an actual device, In general, two types of production methods have been proposed. Elements produced as a result of each method can be broadly classified from the viewpoint of structure, so-called lateral type (horizontal type) elements as shown in FIG. 9 (A) and so-called versatile elements as shown in FIG. 9 (B). It becomes a tikal type (vertical type) element.
The former lateral type element is described in Document 1: IEEE Trans. In ED47, 354 (2000), the latter vertical type element is described in Reference 2: VLSI Symp. Tech. Dig. , 2001, pp. Specific examples of production can be recognized at 55-56, respectively.
The lateral double-gate MOSFET 20 shown in FIG. 9A basically uses an SOI (Silicon On Insulator) substrate 21 as a construction substrate, and a surface silicon (Si) layer on the oxide film 22. A part of the channel 23 is used as a channel 24, and appropriate impurities are introduced into both lateral portions of the channel 24 to form a source 25 and a drain 26, respectively. On the channel 24, the first gate G1 faces through the gate insulating film 27. On the other hand, the substrate 21 forms the second gate G2 on the opposite side of the channel.
The source 25 and the drain 26 are respectively provided with appropriate extraction electrodes Es and Ed penetrating the surface insulating film layer. The second gate G2 is generally provided with a second extraction electrode Eg2 that is simply attached to the back surface of the substrate. Although not shown, an appropriate extraction electrode is also provided on the first gate electrode G1.
On the other hand, in the vertical element 30 shown in FIG. 9 (B), a columnar body standing up and down on the substrate 31 is formed by dry etching so that a part along the height direction is a channel 32 and sandwiched from above and below. A drain 33 and a source 34 (generally, the upper side of the columnar body is used as a drain) into which appropriate impurities are introduced are provided, and both side surfaces of the channel 32 that are orthogonal to the electron traveling direction are covered with a gate insulating film 35 made of Si thin film. The first and second gates G1 and G2 are provided so as to be in contact therewith. Although not shown in the figure, of course, each castle is appropriately provided with an extraction electrode.
However, such a conventional element has not yet obtained a result that the characteristics are clearly superior to those of a single gate type element. At least compared to the theoretically predicted characteristics, it is still far from satisfactory. The reason is mainly due to limitations and problems in the conventional manufacturing method.
First, in the existing manufacturing method of the lateral element 20, the original effect of the double gate type is lost unless the silicon thin film to be formed with a channel is reduced to a considerable extent. Therefore, even if various existing etching techniques are used, the desired thinning cannot be achieved. In addition, the drain and source regions are eventually formed in this thinned portion, but there is a contradiction between the low resistance and the thinning. The thinner the film, the smaller the volume of the drain and source regions and the higher the resistance, which adversely affects the device characteristics. This can be said to be a defect caused by the structural principle.
Further, since the lower gate insulating film desired for the channel is originally provided by the SOI substrate, it is difficult to reduce the thickness of the lower gate insulating film with good controllability. In addition, it is actually difficult to eliminate the uneven thickness of the upper and lower gate insulating films with high accuracy. This in turn makes it difficult to make the upper gate length and the lower gate length the same. After all, it can be said that this lateral element has more problems due to structural constraints than simply a manufacturing method.
On the other hand, the vertical element 30 has few restrictions on the structural principle. However, there are too many problems for the existing manufacturing methods. First, dry etching is used to form a columnar body, but the width, that is, the thickness of the channel is ultimately determined by the etching system, and therefore cannot necessarily be formed with high accuracy and a very narrow columnar body width. In addition, since the upper portion of the columnar body having such a narrow width generally becomes the drain 33 as it is, the volume is still insufficient, and for the same reason as the horizontal element, the smaller the width, the higher the resistance. Above all, the channel is finally cut out by dry etching, which tends to cause etching damage to the channel, resulting in deterioration of device characteristics.
However, from another point of view, there is an attempt to eliminate the above-described drawbacks by using a high dielectric constant insulating film as the gate insulating film. However, in the first place, there are still some unsatisfactory developments of high dielectric constant insulating films themselves, and low dielectric constant SiO 2 due to carbon compound residual problems, high temperature treatment during film formation or after film formation (necessary for activation of implanted impurities). Problems such as an increase in leakage current due to layer formation and polycrystallization have occurred, and a satisfactory film formation method has not yet been established. In other words, the development of a double-gate MOSFET has been unsuccessful in which such an insulating film is grown at a low temperature and the device can be completed with a low temperature process thereafter.
Furthermore, even from a structural standpoint, a low resistance element cannot be provided because the vertical element cannot be separated from the structure in which the upper portion of the narrow columnar body is used as the drain region.
The present invention has been made from such a point of view, and proposes a high-performance double-gate MOS field effect transistor and a manufacturing method capable of providing the same. In this document, for convenience, one of a source and a drain provided at each end of a channel and electrically connected to the channel is referred to as a first channel end region, and the other is referred to as a second channel end region. In general, a source is provided on the substrate side, and a drain is provided above the standing channel. In principle, either of the source and drain may be used in the MOSFET structure.

本発明は上記目的を達成するため、半導体基板から起立した細幅柱状体をチャネルとし、チャネルの両側面にチャネル内電子走行方向とは直交する方向から互いにゲート絶縁膜を介して臨む一対のゲートを有し、この細幅柱状体の上端側にドレイン、ソースのどちらか一方である第一チャネル端領域が、下端側にはドレイン、ソースの他方である第二チャネル端領域が設けられている縦型の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタであって、上記の細幅柱状体の幅であってゲート絶縁膜を介し一対のゲートにより挟まれたチャネルの厚みとなる寸法に対し、第一チャネル端領域の幅が大きくなっていることを特徴とする二重ゲート型MOS電界効果トランジスタを提案する。
また、そのような構造の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜の厚みに対し、ゲートと第二チャネル端領域の間の絶縁膜の厚み及びゲートと第一チャネル端領域の間の絶縁膜の厚みが厚くなっていることを特徴とする二重ゲート型MOS電界効果トランジスタも提案する。
本発明はさらに、製造方法上の工夫からも上記目的を達成するために、半導体基板から起立した細幅柱状体をチャネルとし、チャネルの両側面にチャネル内電子走行方向とは直交する方向から互いにゲート絶縁膜を介して臨む一対のゲートを有し、この細幅柱状体の上端側にドレイン、ソースのどちらか一方である第一チャネル端領域が、下端側にはドレイン、ソースの他方である第二チャネル端領域が設けられている縦型の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法として、その主要工程部分に、半導体基板上にあって、将来、第一チャネル端領域を形成すべき予定面積領域にイオンを注入してウエットエッチング耐性の高いイオン注入損傷領域とする工程と、このイオン注入損傷領域の下に、当該イオン注入損傷領域をエッチングマスクとするウエットエッチングにより、実質的にチャネルとなる細幅の柱状体を形成する工程と、その後、柱状体の両側面にゲート絶縁膜を形成した後、当該両側面に対し、チャネルを挟んで電子走行方向とは直交する方向から互いに対向しながら、それぞれチャネルに臨む第一、第二ゲートを形成する工程と、を含んで成ることを特徴とする二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法を提案する。
上記の製造方法に関する基本的な構成要件を満足した上では、種々の改変ないしは下位構成をも提案でき、例えばまず、イオン注入損傷領域を形成するために注入されるイオンの導電型は基板導電型とは逆の導電型であり、イオン注入損傷領域は素子完成後においても実質的にほぼそのまま第一チャネル端領域として用いられる構成も提案できる。
逆に、イオン注入損傷領域を形成するために注入されるイオンの導電型は基板導電型と同じ導電型であり、イオン注入損傷領域には柱状体の形成後、基板導電型とは逆導電型の不純物が導入されることにより、第一チャネル端領域とされても良い。
一方、第二チャネル端領域は、柱状体の形成後に基板導電型とは逆導電型の不純物の導入により形成されるか、柱状体の形成前に、上記した予定面積領域への基板導電型とは逆導電型のイオン注入時に併せて同時に形成されても良い。そして、柱状体の形成前に、予定面積領域への基板導電型とは逆導電型のイオン注入により同時に形成される場合には、この第二チャネル端領域も、第一チャネル端領域を形成すべき予定面積領域におけるイオン注入損傷領域と相まって、同様にウエットエッチング耐性の高いイオン注入損傷領域として機能させ、柱状体のウエットエッチングによる形成時のエッチングマスクとすることができる。
これに対し、第二チャネル端領域となるべき領域には、柱状体の形成前に、基板導電型と同じ導電型のイオン注入をなし、これをウエットエッチングに対する耐性を持つイオン注入損傷領域とすることもできる。この場合には、第二チャネル端領域となるべき領域も、第一チャネル端領域を形成すべき予定面積領域におけるイオン注入損傷領域と相まって、柱状体のウエットエッチングによる形成時に耐性の高いエッチングマスクとして機能させた後には、これに基板導電型とは逆導電型の不純物を導入し、最終的に第二チャネル端領域とする。
また、第二チャネル端領域については、柱状体の形成後に基板導電型とは逆導電型の不純物の導入により形成されるか、柱状体の形成前に、上記した予定面積領域への基板導電型とは逆導電型のイオン注入時に併せて同時に形成されている場合には、柱状体の形成後のゲート絶縁膜の形成前に、相対的な高温で良い熱処理により、当該第二チャネル端領域の不純物活性化を行い、第二チャネル端領域を少なくとも柱状体の下部に電気的に接触させた後に、相対的な低温プロセスによって高誘電率薄膜によるゲート絶縁膜を形成することができる。
さらに、そもそも最終的には第一チャネル端領域となるべき予定面積領域の確定については、ポジレジストを用いる場合とネガレジストを用いる場合があり、いずれによるかにより、本発明各請求項に記載の発明を適当に組み合わせることができる。すなわち、半導体基板上にあってイオンを注入すべき予定面積領域は、半導体基板上に形成されたポジレジストをパターニングした開口部分にその表面部分が露出するようにして面積を規定されたものであって、イオン注入の後、ポジレジストを除去してからのウエットエッチングにより、イオン注入損傷領域とされた予定面積領域の下に、上記柱状体を形成するというのが一つの手法である。そうではなくて、当該予定面積領域は、ネガレジストを用いて予定面積領域を露光した後の半導体基板に対しての予めのドライエッチングまたはウエットエッチングにより切り出された面積領域であるか、半導体基板上に成膜した酸化膜をネガレジストを用いて予定面積領域に相当する面積領域にパターニングし、ネガレジスト除去後の残存酸化膜をマスクとしての予めのドライエッチングまたはウェットエッチングにより切り出された面積領域であって、当該予定面積領域上に残存しているネガレジストあるいは酸化膜のマスクを除去してからのイオン注入により予定面積領域をイオン注入損傷領域とした後、ウエットエッチングによってイオン注入損傷領域とされた予定面積領域の下に柱状体を形成するようにしても良い。
なお、イオン注入損傷領域を形成するイオン注入の濃度は、一般的なシリコン基板の場合、少なくとも1013/cm−2以上、望ましくは1014/cm−2以上の注入濃度とすると良い。もちろん、他の半導体基板の場合にも、この値が望ましいことが殆どであるし、そうでなくとも、少なくともイオン注入損傷領域がその後の半導体基板ウエットエッチング時に十分なエッチング耐性を呈する濃度は実験的に決定できる。
In order to achieve the above object, the present invention uses a pair of gates facing each other through a gate insulating film from both sides of the channel from a direction orthogonal to the electron traveling direction in the channel, using narrow columnar bodies standing from a semiconductor substrate as a channel. A first channel end region that is one of a drain and a source is provided on the upper end side of the narrow columnar body, and a second channel end region that is the other of the drain and the source is provided on the lower end side. A vertical double-gate MOS field effect transistor having a width equal to the width of the narrow columnar body and a dimension that is a thickness of a channel sandwiched between a pair of gates via a gate insulating film. A double-gate MOS field effect transistor is proposed in which the width of the end region is increased.
Further, in the double gate MOS field effect transistor having such a structure, the thickness of the insulating film between the gate and the second channel end region and the thickness between the gate and the first channel end region with respect to the thickness of the gate insulating film. A double-gate MOS field effect transistor is also proposed in which the thickness of the insulating film is increased.
In order to achieve the above object, the present invention further provides a narrow columnar body standing up from a semiconductor substrate as a channel in order to achieve the above object. It has a pair of gates facing through the gate insulating film, and the first channel end region which is one of the drain and the source is on the upper end side of the narrow columnar body, and the other is the other of the drain and the source on the lower end side. As a method of manufacturing a vertical double-gate MOS field effect transistor provided with a second channel end region, the first channel end region should be formed in the future on the semiconductor substrate in the main process part. A step of implanting ions into a predetermined area region to form an ion implantation damage region having high wet etching resistance, and etching the ion implantation damage region under the ion implantation damage region A step of forming a columnar body having a narrow width substantially serving as a channel by wet etching as a mask, and then forming a gate insulating film on both side surfaces of the columnar body, and then sandwiching the channel between the both side surfaces Forming a first gate and a second gate facing each channel while facing each other from a direction orthogonal to the direction of electron travel, and a method for producing a double-gate MOS field effect transistor Propose.
While satisfying the basic structural requirements for the above manufacturing method, various modifications or substructures can be proposed. For example, the conductivity type of ions implanted to form the ion implantation damage region is the substrate conductivity type. It is possible to propose a configuration in which the ion implantation damage region is substantially the same as the first channel end region even after the device is completed.
Conversely, the conductivity type of ions implanted to form the ion implantation damaged region is the same conductivity type as the substrate conductivity type. After the columnar body is formed in the ion implantation damage region, the conductivity type opposite to the substrate conductivity type is formed. The first channel end region may be formed by introducing the impurity.
On the other hand, the second channel end region is formed by introducing an impurity having a conductivity type opposite to that of the substrate conductivity type after the columnar body is formed, or before the columnar body is formed, May be formed simultaneously with the reverse conductivity type ion implantation. When the columnar body is simultaneously formed by ion implantation of the conductivity type opposite to the substrate conductivity type in the predetermined area region before the columnar body is formed, this second channel end region also forms the first channel end region. Combined with the ion implantation damage region in the expected area area, it can function as an ion implantation damage region having high wet etching resistance, and can be used as an etching mask when the columnar body is formed by wet etching.
On the other hand, in the region to be the second channel end region, ion implantation of the same conductivity type as the substrate conductivity type is performed before the columnar body is formed, and this is used as an ion implantation damage region having resistance to wet etching. You can also. In this case, the region to be the second channel end region is coupled with the ion implantation damage region in the planned area region where the first channel end region is to be formed, and serves as an etching mask having high resistance when forming the columnar body by wet etching. After functioning, an impurity having a conductivity type opposite to the substrate conductivity type is introduced into this to finally form a second channel end region.
Further, the second channel end region is formed by introducing an impurity having a conductivity type opposite to the substrate conductivity type after the columnar body is formed, or before the columnar body is formed, the substrate conductivity type to the above-mentioned predetermined area region is formed. In the case of being formed at the same time as the reverse conductivity type ion implantation, before the formation of the gate insulating film after the columnar body is formed, the second channel end region is subjected to heat treatment at a relatively high temperature. After performing impurity activation and bringing the second channel end region into electrical contact with at least the lower part of the columnar body, a gate insulating film made of a high dielectric constant thin film can be formed by a relative low temperature process.
Furthermore, in the first place, the positive area and the negative resist may be used for the determination of the planned area area that should ultimately become the first channel end region. The invention can be combined appropriately. That is, the area of the planned area on the semiconductor substrate where ions are to be implanted is defined such that the surface portion is exposed at the opening portion patterned with the positive resist formed on the semiconductor substrate. One method is to form the columnar body under a predetermined area region which is an ion implantation damaged region by wet etching after removing the positive resist after ion implantation. Instead, the planned area region is an area region cut out by dry etching or wet etching in advance on the semiconductor substrate after exposing the planned area region using a negative resist, or on the semiconductor substrate. The oxide film formed in this step is patterned into an area corresponding to a predetermined area using a negative resist, and the remaining oxide film after removal of the negative resist is used as a mask in an area region cut out by dry etching or wet etching in advance. Then, after removing the negative resist or oxide film mask remaining on the planned area region, the planned area region is made an ion implantation damaged region by ion implantation, and is then made into an ion implantation damaged region by wet etching. A columnar body may be formed under the predetermined area area.
In the case of a general silicon substrate, the concentration of ion implantation for forming the ion implantation damage region is at least 10 13 / cm −2 or more, preferably 10 14 / cm −2 or more. Of course, this value is also desirable in the case of other semiconductor substrates, and even if this is not the case, the concentration at which at least the ion implantation damage region exhibits sufficient etching resistance during subsequent wet etching of the semiconductor substrate is experimental. Can be determined.

第1図(A)は、本発明による二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法の第一例において特徴的な工程である、イオン注入をなす工程の説明図である。
第1図(B)は、第1図(A)の後に採られる工程の説明図である。
第1図(C)は、本発明による二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法の第二例においての特徴的工程であるイオン注入工程の説明図である。
第1図(D)は、第1図(C)の後に採られる工程の説明図である。
第1図(E)は、第1図(A),(B)あるいは第1図(C),(D)の工程を経て作製された本発明二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの一例の概略構成図である。
第2図(A)は、より具体的な本発明方法の実施形態における第1図(A)に示された工程に相当する工程の説明図である。
第2図(B)は第2図(A)の工程に引き続く工程の説明図である。
第2図(C)は、第2図(B)に引き続く工程であって、細幅な柱状体を切り出す工程の説明図である。
第2図(D)は、第二チャネル端領域を形成するためにイオン注入を行う工程の説明図である。
第2図(E)は、ゲート絶縁膜を含む酸化膜を形成する工程の説明図である。
第2図(F)は、電極材料を堆積させる工程の説明図である。
第2図(G)は、一対のゲートを形成する工程の説明図である。
第2図(H)は、本発明の一実施形態として作製された二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの概略構成図である。
第3図(A)は、より具体的な本発明方法の他の実施形態において第一チャネル端領域となるべき領域をパターニングする工程の説明図である。
第3図(B)は第3図(A)の工程に引き続く工程で、第1図(C)に示された工程に相当する工程の説明図である。
第3図(C)は、細幅な柱状体を自己整合的に形成する工程の説明図である。
第3図(D)は、ゲート絶縁膜を堆積する工程の説明図である。
第3図(E)は、電極材料を堆積させる工程の説明図である。
第3図(F)は、一対のゲートを形成する工程の説明図である。
第3図(G)は、本発明の第二実施形態として作製された二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの概略構成図である。
第4図(A)は、本発明方法のさらに他の実施形態において第一チャネル端領域となるべき領域をパターニングする工程の説明図である。
第4図(B)は第4図(A)の工程に引き続く工程で、第1図(C)に示された工程に相当する工程の説明図である。
第4図(C)は、細幅な柱状体を自己整合的に形成する工程の説明図である。
第4図(D)は、熱処理により半導体基板表面上の一対の第二チャネル端領域を互いに近接させる工程の説明図である。
第4図(E)は、高誘電率薄膜をゲート絶縁膜として堆積する工程の説明図である。
第4図(F)は、電極材料を堆積させる工程の説明図である。
第4図(G)は、一対のゲートを形成する工程の説明図である。
第4図(H)は、本発明の第三実施形態として作製された二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの概略構成図である。
第5図は、半導体基板へのイオン注入量とTMAH溶液中における半導体基板のエッチ速度の具体的な関係例を示す図面である。
第6図(A)は、本発明に従う具体的作製例において、第3図(B)の工程を経た後における電子顕微鏡写真で代用する本発明素子の構造図である。
第6図(B)は、第6図(A)の工程の後、細幅な柱状体が切り出された模様を示す、電子顕微鏡写真で代用する本発明素子の構造図である。
第7図は、本発明に従い実際に作製された本発明二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの一例の、電子顕微鏡写真で代用する断面構造図である。
第8図は本発明に従い作製された素子に基づき得られた、閾値電圧及びサブスレッショルド係数に関する特性図である。
第9図(A)は、従来の横型二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの概略構成図である。
第9図(B)は、従来の縦型二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの概略構成図である。
FIG. 1 (A) is an explanatory view of a step of ion implantation, which is a characteristic step in the first example of the method for manufacturing a double gate type MOS field effect transistor according to the present invention.
FIG. 1 (B) is an explanatory diagram of the steps taken after FIG. 1 (A).
FIG. 1 (C) is an explanatory view of an ion implantation step which is a characteristic step in the second example of the method for manufacturing a double gate type MOS field effect transistor according to the present invention.
FIG. 1 (D) is an explanatory diagram of the steps taken after FIG. 1 (C).
FIG. 1 (E) is an outline of an example of the double-gate MOS field effect transistor of the present invention produced through the steps of FIGS. 1 (A) and 1 (B) or FIGS. 1 (C) and 1 (D). It is a block diagram.
FIG. 2 (A) is an explanatory diagram of a process corresponding to the process shown in FIG. 1 (A) in a more specific embodiment of the method of the present invention.
FIG. 2 (B) is an explanatory diagram of a step that follows the step of FIG. 2 (A).
FIG. 2 (C) is an explanatory diagram of the step of cutting out a narrow columnar body, which is a step subsequent to FIG. 2 (B).
FIG. 2D is an explanatory diagram of a process of performing ion implantation to form the second channel end region.
FIG. 2E is an explanatory diagram of a process for forming an oxide film including a gate insulating film.
FIG. 2 (F) is an explanatory diagram of the process of depositing the electrode material.
FIG. 2G is an explanatory diagram of the process of forming a pair of gates.
FIG. 2 (H) is a schematic configuration diagram of a double gate type MOS field effect transistor fabricated as one embodiment of the present invention.
FIG. 3 (A) is an explanatory diagram of a step of patterning a region to be the first channel end region in a more specific embodiment of the method of the present invention.
FIG. 3 (B) is an explanatory diagram of a process corresponding to the process shown in FIG. 1 (C), following the process of FIG. 3 (A).
FIG. 3C is an explanatory diagram of a process of forming a narrow columnar body in a self-aligning manner.
FIG. 3D is an explanatory diagram of the step of depositing the gate insulating film.
FIG. 3E is an explanatory diagram of a process of depositing an electrode material.
FIG. 3F is an explanatory diagram of the process of forming a pair of gates.
FIG. 3 (G) is a schematic configuration diagram of a double gate type MOS field effect transistor fabricated as a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 (A) is an explanatory diagram of a step of patterning a region to be the first channel end region in still another embodiment of the method of the present invention.
FIG. 4 (B) is an explanatory diagram of a process corresponding to the process shown in FIG. 1 (C), following the process of FIG. 4 (A).
FIG. 4C is an explanatory diagram of a process of forming a narrow columnar body in a self-aligning manner.
FIG. 4D is an explanatory diagram of a process of bringing a pair of second channel end regions on the semiconductor substrate surface close to each other by heat treatment.
FIG. 4E is an explanatory diagram of a process of depositing a high dielectric constant thin film as a gate insulating film.
FIG. 4 (F) is an explanatory diagram of the step of depositing the electrode material.
FIG. 4G is an explanatory diagram of the process of forming a pair of gates.
FIG. 4 (H) is a schematic configuration diagram of a double gate type MOS field effect transistor fabricated as a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a drawing showing a specific example of the relationship between the amount of ion implantation into the semiconductor substrate and the etch rate of the semiconductor substrate in the TMAH solution.
FIG. 6 (A) is a structural diagram of the element of the present invention that substitutes for an electron micrograph after the step of FIG. 3 (B) in a specific production example according to the present invention.
FIG. 6 (B) is a structural diagram of the element of the present invention substituted for an electron micrograph showing a pattern in which a narrow columnar body is cut out after the step of FIG. 6 (A).
FIG. 7 is a cross-sectional structure diagram of an example of a double gate MOS field effect transistor of the present invention actually produced according to the present invention, which is substituted by an electron micrograph.
FIG. 8 is a characteristic diagram regarding a threshold voltage and a subthreshold coefficient obtained based on an element manufactured according to the present invention.
FIG. 9A is a schematic configuration diagram of a conventional lateral double-gate MOS field effect transistor.
FIG. 9B is a schematic configuration diagram of a conventional vertical double-gate MOS field effect transistor.

本発明を添付の図面に従ってより詳細に説明する。
第1図には、後にそれぞれについてより詳しい実施形態を上げて説明するが、大概して二つの異なる手順により、最終的には第1図(E)に示す縦型の二重ゲート型MOSFET10を得る本発明手法の概念が示されている。一つは第1図(A),(B)に示す手順で、もう一つは第1図(C),(D)に即する手順である。
第1図(E)に示されている通り、作製される素子は、半導体基板11から起立した細幅な柱状体13をチャネルとし、チャネルの両側面に対し、チャネル内電子走行方向とは直交する方向から互いにゲート絶縁膜を介して臨む一対のゲートG1,G2を有し、この柱状体13の上端側に、ドレイン、ソースのどちらか一方である第一チャネル端領域12が、下端側にドレイン、ソースの他方である第二チャネル端領域14が設けられている構造である。そして、望ましいことに、細幅柱状体13の幅t13(すなわちチャネルの厚み)の寸法に対し、当該細幅柱状体13の上端に形成される第一チャネル端領域12の幅t12が大きくなっている(t13<t12))素子である。このような構造の素子は従来、認めることができない。
なお、この第1図(E)においては、図面を簡明にする意味から、ゲート絶縁膜はあえて図示せず、空間ないし空隙として示してある。
しかるに、まず第1図(A),(B)に即する作成方法においては、当初、第1図(A)に示すように、ポジレジストRpのパターニングにより、将来、第一チャネル端領域を形成すべき予定面積領域の面積領域を確定し、そこにイオンを注入してウエットエッチングに対するエッチング耐性の高いイオン注入損傷領域12とする。その後、ポジレジストRpを除去してから、第1図(B)に示すように、このイオン注入損傷領域12をウエットエッチングマスクとしてウエットエッチングを行い、図中に矢印で示すように、縦方向のエッチングと横方向のエッチングにより、イオン注入損傷領域12の下に、実質的に将来、チャネル領域となる細幅の柱状体13を形成する。この後は後述の第2図の実施形態の説明に詳しくは譲るが、ゲート絶縁膜、ゲート、第二チャネル端領域を形成して、第1図(E)に示す素子構造10を得る。
対して第1図(C),(D)に即する場合には、本図には示していないが、ネガレジストを用いている。つまり、将来、第一チャネル端領域となるべき予定面積領域12は、ネガレジストを用いて予定面積領域を露光した後の半導体基板に対しての予めのドライエッチングまたはウエットエッチングにより切り出された面積領域であるか、あるいは半導体基板上に成膜した酸化膜(図示せず)をネガレジストを用いて予定面積領域に相当する面積領域にパターニングし、ネガレジスト除去後の残存酸化膜をマスクとしての予めのドライエッチングまたはウェットエッチングにより切り出された面積領域であって、この予定面積領域12上に残存したネガレジストまたは酸化膜のマスクを除去してから、第1図(C)に示すようなイオン注入により予定面積領域をイオン注入損傷領域12とし、その後、第1図(D)に示すようにウエットエッチングを行うことで、イオン注入損傷領域12とされた予定面積領域の下に、柱状体13を形成する。この場合には、予定面積領域へのイオン注入時には、将来、第二チャネル端領域14となるべき領域にも同様にイオン注入が行われてイオン注入損傷領域とされ、ウエットエッチング耐性の高い領域となって、柱状体13のウエットエッチング時の効果的なマスクとなる。
この後は、後に第3,4図に即する実施形態に詳しい説明を譲るが、原則としては公知既存の手法によって良い手法で、ゲート絶縁膜及びゲートG1,G2を形成し、第1図(E)に示される最終目的素子構造10を得る。
第2図には、本発明のより具体的で個別的な実施形態の第一例が示されている。まず、第2図(A)に示すように、半導体基板(代表的にはシリコン基板)11上にポジレジストRpを塗布した後、将来、ドレインまたはソースの一方となる第一チャネル端領域12を形成すべき予定面積領域の表面部分を窓状にパターニングして開口させる。逆に言えばポジレジストRpの開口部分にて予定面積領域の面積が規定される。この状態で、基板導電型とは望ましくは反対の導電型の不純物のイオン種Diを注入し、ある程度の深さに亘りイオン注入損傷領域12を形成する。このイオン注入損傷領域12が、用いられたイオン種の導電型が上記のように基板導電型とは逆の場合、実質的には略々そのまま、最終的に形成される第一チャネル端領域12となり、一般にはこちらがドレインとなる。
当該イオン注入による不純物注入量は、形成されるイオン注入損傷領域12が次の半導体基板ウエットエッチング工程で望ましくは殆どエッチングされない高いエッチング耐性を示す程度以上にするが、これについては後述する。
イオン注入を終えたならば、第2図(B)に示すようにレジストRpを剥離し、次いでヒドラジンまたはTMAH溶液に浸漬し、ウエットエッチングを施す。これにより、第2図(C)に矢印を併記して示すように、イオン注入により損傷していない非損傷領域がエッチングされ、半導体基板11はイオン注入損傷領域12を残して厚みが削られて行き、同時に横方向エッチングにより、イオン注入損傷領域12の下の部分も削られて、結果として当該イオン注入損傷領域12の下には細幅の柱状体13が自己整合的に形成される。このウエットエッチング自体は公知手法に従って良く、面方位等も横方向エッチングを伴うように選択するが、こうしたウエットエッチング法では当初のイオン注入損傷領域12の面積寸法を適当に設定することで、結果として当該イオン注入損傷領域12の下に形成される柱状体13の幅を望ましくは既存の二重ゲート型素子のそれよりも狭い、10nmからそれ以下にも制御できる。しかも、実質的に将来チャネルとなる重要な領域である当該柱状体13に、ドライエッチングによった場合に認められ易い損傷を伴わない。
基板と反対導電型のイオン種を注入するのは、上記のように最終的にイオン注入損傷領域12を第一チャネル端領域(一般にはドレイン)12としてほぼそのまま利用するのが便利なためであって、nチャネルMOSFETを構築する場合にはp型基板11に対しイオン種としてP、As、Sb等のn型不純物イオンを選べば良く、pチャネルMOSFETを構築するためにn型基板11を選んだならば、イオン種としてB、BF2等のp型不純物イオンを選択すれば良い。また、イオン注入の濃度ないし照射量については、上記のウエットエッチング溶液に代表されるものの他、シリコンを溶解する種々の溶液に対し、少なくとも1013/cm−2以上の注入濃度とすれば、殆どエッチングされない程のエッチング耐性を示すことが分かっているので、この濃度以上とする。他の半導体基板であっても、その溶解に用いるエッチング溶液に対し、高いエッチング耐性を呈する値にイオン注入量を制御すること自体は容易にできる。
ちなみに、具体例を挙げるならば、第5図の半導体基板へのイオン注入量とTMAH溶液中における当該半導体基板のエッチ速度の関係図に示されるように、Asイオン注入量が1013/cm−2を越えた辺りからエッチング速度に急激な低下が認められており、つまりはそのような濃度の注入量受けた半導体基板部分はTMAH溶液に対して十分なエッチング耐性を示すことが分る。もちろん、これはイオン注入損傷領域12についてもそのまま当てはまる事実である。もっとも、このようにして、このイオン注入損傷領域12を最終的にそのまま第一チャネル端領域12として用いる場合に注入濃度(照射量)の下限は上記の程度以上とすると決まったにしても、上限については他の制約要因がない限り、高い程良いと言える。なぜなら、それにより、当該第一チャネル端領域12をより低抵抗にし得るからである。これは従来には認められない、付帯的であるが大きな効果である。少なくとも上記下限の一桁上の、1014/cm−2以上の注入濃度とすれば、既存のMOSFETにおけるドレイン、ソースと同程度の不純物濃度となり、相当程度、満足して使用可能な範囲に入り、それ以上に高ければ、より望ましい低抵抗化が図れる。こうしたことは、後述する他の実施形態についても当て嵌る。さらに加えて、十分に太幅な寸法t12の、つまりは体積の大きな第一チャネル端領域12を作り得ることもまた、低抵抗化に大いに寄与してくる。
柱状体13の形成を終えたならば、第2図(D)に示すように、専ら第二チャネル端領域形成のために、基板導電型とは逆導電型の不純物Fiの注入を行う。これにより、上から見てイオン注入損傷領域12の両側に位置する基板表面領域に将来、第二チャネル端領域(一般にはソース)となる領域14が形成されるので、これに続き、第2図(E)に示すように、公知既存の適当なる手法により、柱状体13の側面を覆い、将来、ゲート絶縁膜15となる部分を含む絶縁膜を成長させる。この際に一般に伴う熱処理により、ないしは意図的な熱処理により、上から見て第一チャネル端領域12であるイオン注入損傷領域12の両側に独立して存在していた一対の第二チャネル端領域14内の注入不純物を活性化して横方向拡散を起こさせ、互いに相寄って接触するか、接触しないまでも、少なくとも実施的にチャネル13となる柱状体13の下端部分にまでは延びてそれに電気的に導通し得る状態となるようにする。
その後、第2図(F)に示すように、全面に適当なる公知既存材料で良いゲート電極材料(高濃度ポリシリコン、金属等)を堆積させ、ここではドライエッチングを用いて第2図(G)に示すように自己整合的に一対のゲートG1,G2を切り出せば、実質的に本発明による縦型の二重ゲート型MOSFET10の主要構造部分が完成する。その後は、必要に応じ公知既存の手法に従い、第2図(H)に示すように、第一チャネル端領域12としての一般にドレインに対しドレイン電極Edを、また第二チャネ端領域14としてのソースに対しソース電極Esを設け、全体を保護絶縁膜16で覆う等して良い。もちろん、第一、第二ゲートG1,G2に対しても引き出し電極を付す。
なお、上記の工程において注入イオン種Diに基板11とは異なる導電型の不純物を選んでいるが、これは第一チャネル端領域12をわざわさ形成する必要をなくすためであって、エッチング耐性を高めたり自己整合的に制御性良く細幅な柱状体13を形成する目的のためだけならば、基板11と同一導電型の不純物を選択しても構わない。柱状体形成後に別途にドレイン、ソースを形成するための逆導電型不純物導入工程が一つ増えるだけであって、本発明の基本的な目的を達成する上では何ら問題ない。もっとも、ここに図示した工程では、第2図(D)において一般にソース領域となる第二チャネル端領域14を形成させるのに逆導電型不純物Fiの導入を図っているので、その意味からは、当該注入時の濃度を増す等すれば、最初に第一チャネル端領域となるべき領域12に注入されるイオン種の導電型は基板と同一導電型としても、特に工程数が増えるわけではない。
第3図には、本発明を実現する、また別な工程例が示されている。半導体基板11上にネガレジストを塗布して、将来、第一チャネル端領域となるべき面積領域の表面相当部分を露光してパターニングし、第3図(A)に示すように、当該残存ネガレジスト領域Rnをマスクとしてドライエッチングするか、ウエットエッチングする。このときにドライエッチングを採用したにしても、やはりそれは所定面積領域を予め切り出すためのものであって、素子としての重要な構成部分であるチャネル領域を切り出して確定するものではないため、最終的に作製される素子の特性を損なうことはなく、むしろウエットエッチングに比べ、第一チャネル端領域12の表面形状の寸法精度(矩形の辺部分の直線形状性)をより高くする効果がある。さらに、残存ネガレジストRnを用いるのに代え、半導体基板上に成膜した酸化膜をネガレジストを用いて予定面積領域に相当する面積領域にパターニングし、ネガレジスト除去後の残存酸化膜をマスクとしての予めのドライエッチングまたはウェットエッチングにより、第一チャネル端領域となるべき面積領域を切り出しても良い。この場合、図中で符号Rnの付された部分を上記の残存酸化膜マスクと見ればよい。
レジスト(または残存酸化膜)を剥離した後、第3図(B)に示すように、これもドレイン、ソースの同時形成ということでは望ましくは基板11と逆導電型のイオン種Diを照射し、柱状体上部にイオン注入損傷領域としての第一チャネル端領域12を、また、その両側における半導体基板表面上には将来、第二チャネル端領域14となるべきイオン注入損傷領域14を形成する。
その後、これらイオン注入損傷領域12,14をエッチング耐性の高いマスクとして利用し、既述したような適当なる溶液にてウエットエッチングすることで、第3図(C)に矢印を付して示すように横方向エッチングのみが進行し、第一チャネル端領域12の下に制御性良く極めて細幅の柱状体13を自己整合的に、しかもエッチング損傷もなく形成できる。
次に、第3図(D)に示すように、熱処理を伴う全面への絶縁膜成長工程により、柱状体13の両側を覆い、将来、ゲート絶縁膜15となる部分を含む絶縁膜を堆積させるが、同時にこの過程で、第二チャネル端領域14に導入した不純物の活性化も行い、第二チャネル端領域14を少なくとも柱状体13の付け根に電気的に接触させる。
次いで第3図(E)に示すように、全面にゲート電極材料を形成した後、ここではドライエッチングによって良い公知エッチング手法により、第3図(F)に示すように、柱状体13の両側面にゲート絶縁膜15をそれぞれ挟んで臨む格好で一対のゲートG1,G2を自己整合的に形成し、素子主要部構造を完成させる。
その後は先と同様、必要に応じ公知既存の手法に従い、第3図(G)に示すように第一チャネル端領域12としての一般にドレイン12に対しドレイン電極Edを、また第二チャネル端領域14としてのソース14に対しソース電極Esを設け、全体を保護絶縁膜16で覆う等し、第一、第二ゲートG1,G2に対しても図示していないが適当なる引き出し電極を付す。
第6図には具体的一例として、第3図の工程に従った場合の特定工程における電子顕微鏡写真を示している。第6図(A)は第3図(B)の工程を経た後の結果に相当し、第一チャネル端領域12(仮想線で囲って示す部分12)となるべき面積領域を切り出してイオン注入を終えた工程では、当該第一チャネル端領域12の幅に相当する柱状体が切り出されている。半導体基板側の仮想線で囲った部分14が、やはりイオン注入され、将来第二チャネル端領域14となる部分である。第6図(B)は第3図(C)の工程を経た結果に相当し、柱状体の幅が削られ、第1図(E)に示したと同様、相対的に太幅な寸法t12の第一チャネル端領域12の下に、寸法t13の相対的に細幅な柱状体13が確かに形成されている。換言すれば、チャネル13の厚み(チャネル長及びチャネル幅の双方に対して直交する方向の寸法)は低減しても、第一チャネル端領域12の体積を大きく減じさせることがなく、素子の低抵抗化に大いに寄与し得る構造となっている。
第7図には、第3図の全工程を全うした具体的完成素子例の電子顕微鏡写真が示されており、付されている符号はこれまで各図において用いてきたと同様で、対応する符号は対応する構成要素を示している。チャネル厚みに対応する細幅柱状体13の幅は十分細くできているにも拘らず、十分に大きな第一チャネル端領域12が形成されている。そして、さらに望ましいことには、一対のゲートG1,G2のそれぞれと細幅柱状体13(チャネル)との間のゲート絶縁膜(酸化膜)15,15の厚みに対して、第二チャネル端領域14と各ゲートG1,G2との間の絶縁膜(酸化膜)部分18の厚みは厚くなっており、また、各第一チャネル端領域12と各ゲートG1,G2との間の絶縁膜(酸化膜)部分18の厚みも厚くなっている。これは酸化成長速度がイオン注入による損傷で増強された結果であるが、このような構造になっていると、各ゲートG1,G2に対しての第二チャネル端領域14、第一チャネル端領域12の各離間距離が稼げることで、ゲートと各チャネル端領域間のオーバラップ容量を低減でき、素子の高速動作化に有効となる。
このように、本発明に従い作製された素子において、その特性を取ったものが第8図に示されている。これは縦型二重ゲートMOSFETの重要なデバイス・パラメータの一つとしての、飽和モード、線形モードのそれぞれにおける閾値電圧とサブスレッショルド係数が第1図(E),第6図(B)に示した柱状体幅t13(チャネル厚)にどう依存しているかを示すもので、柱状体幅t13が細幅化するに伴い、短チャネル効果が抑制されて、閾値電圧もサブスレッショルド係数も共に理想値に近づいてくることを示しており、実験結果と計算結果も良い一致を示している。
第4図には本発明のさらに別な実施形態が示されている。半導体基板11上にネガレジストを塗布して露光し、将来、第一チャネル端領域となるべき予定面積領域の表面上を覆うようにパターニングし、第4図(A)に示すように、当該残存ネガレジスト領域Rnをマスクとしてドライエッチングまたはウエットエッチングする。ドライエッチングを用いたにしても、それは先の第3図に即して述べたと同様、予定面積領域12を切り出すためであり、素子としての重要な構成部分であるチャネル領域を切り出すものではないので、最終的に作製される素子の特性を損なうことはなく、第3図に即し既述した所と同様の効果がある。また、同じく第3図に即して述べたように、残存ネガレジストRnを用いるのに代えて、半導体基板上に成膜した酸化膜をネガレジストを用いて予定面積領域に相当する面積領域にパターニングし、ネガレジスト除去後の残存酸化膜をマスクとしての予めのドライエッチングまたはウェットエッチングにより、第一チャネル端領域となるべき面積領域12を切り出しても良い。この場合、図中で符号Rnの付された部分が残存酸化膜マスクとなる。
レジスト(または残存酸化膜)を剥離した後、第4図(B)に示すように、これもドレイン、ソースの同時形成ということでは望ましくは基板11と逆導電型のイオン種を照射し、柱状体上部にイオン注入損傷領域としての第一チャネル端領域12を、また、その両側における半導体基板表面上には将来、第二チャネル端領域14となるべきイオン注入損傷領域14を形成する。
その後、これらイオン注入損傷領域12,14をエッチング耐性の高いマスクとして利用し、既述したような適当なる溶液にてウエットエッチングすることで、第4図(C)に矢印を付して示すように横方向エッチングのみが進行し、第一チャネル端領域12の下に制御性良く極めて細幅の柱状体13を自己整合的に、しかもエッチング損傷もなく形成できる。
次に、第3図に即して説明した工程と異なる工程として、相対的な高温で良い熱処理等により、注入不純物の活性化を行い、第4図(D)に示すように、柱状体13の両側における半導体表面上の第二チャネル端領域14,14を互いに接近させ、相接しさせるか、少なくとも柱状体13の下部に電気的に接触させる。
こうなれば、もう高温熱処理は不要となるので、望ましいことに、相対的な低温プロセスにより、第4図(E)に示すように、高誘電率絶縁膜によるゲート絶縁膜15の形成のため、当該高誘電率膜を全面に成長、堆積させることができる。
つまり、ゲート絶縁膜15は極めて薄い薄膜であっても良いことになり、素子特性は大いに向上する。このようにした後は、第3図に即して説明した工程例と同様に、第4図(F)に示すように全面にゲート電極材料を形成した後、ここではドライエッチングによって良い公知エッチング手法により、第4図(G)に示すように、柱状体13の両側面にゲート絶縁膜15をそれぞれ挟んだ格好で一対のゲートG1,G2を自己整合的に形成し、素子主要部構造を完成させる。
この手法は、先の第2図に即して説明した実施形態でも必要に応じ採用できる。第2図(D)の工程において次のゲート絶縁膜作製工程に移る前に予め相対的な高温による熱処理での不純物活性化を行ってしまえば、その後は低温プロセスで通すことができ、作製すべきゲート絶縁膜15には同じく高誘電率薄膜を用いることができる。
第4図示の本実施形態に戻り、一対のゲートG1,G2を形成した後は、やはり必要に応じ、公知既存の手法に従い、第4図(H)に示すように、第一チャネル端領域12としての一般にドレイン12に対しドレイン電極Edを、また第二チャネル端領域14としてのソース14に対しソース電極Esを設け、全体を保護絶縁膜16で覆う等し、また、図示していないが第一、第二ゲートG1,G2に対しても適当なる引き出し電極を付す。
なお、先にも少し触れたが、いずれの作成工程例においても、ソース、ドレインの別途な形成工程、すなわち、不純物導入工程を増やして良いということであれば、イオン注入損傷領域を形成するためのイオン種の導電型は基板11のそれと同一であっても良い。
第2図に即しての実施形態については既に述べたが、第3図、図4に即して述べた実施形態においても、例えば、第3図(B)の工程で第二チャネル端領域に相当する領域に打ち込まれるイオン種の導電型は基板導電型と同一であっても、やはりその後の柱状体形成時のイオン損傷効果によるウエットエッチングマスクとして機能し、その後、基板導電型とは逆導電型の不純物注入により、第二チャネル端領域14を形成することができる。第4図の工程(B)においても同様であり、ウエットエッチングマスクとして機能させた後、適宜の工程において基板導電型とは逆導電型の不純物導入により、第二チャネル端領域14とすることができる。
なお、半導体基板11に対して起立する関係の柱状体13は、完全な垂直性を保っていない場合にも、本発明に含まれる。意図的に傾ける場合、非意図的に傾いてしまう場合も含む。
The present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 will be described later with more detailed embodiments, but generally, the vertical double-gate MOSFET 10 shown in FIG. 1 (E) is finally obtained by two different procedures. The concept of the present technique is shown. One is a procedure shown in FIGS. 1A and 1B, and the other is a procedure according to FIGS. 1C and 1D.
As shown in FIG. 1 (E), the fabricated device has a narrow columnar body 13 standing up from the semiconductor substrate 11 as a channel, and is perpendicular to the electron traveling direction in the channel with respect to both side surfaces of the channel. A pair of gates G1 and G2 facing each other through a gate insulating film from the direction of the first channel end region 12 on the upper end side of the columnar body 13 is provided on the lower end side. In this structure, the second channel end region 14 which is the other of the drain and the source is provided. Desirably, the width t12 of the first channel end region 12 formed at the upper end of the narrow columnar body 13 is larger than the width t13 of the narrow columnar body 13 (that is, the thickness of the channel). (T13 <t12)). Conventionally, an element having such a structure cannot be recognized.
In FIG. 1 (E), the gate insulating film is not shown, but is shown as a space or a gap in order to simplify the drawing.
However, in the manufacturing method according to FIGS. 1A and 1B, first, as shown in FIG. 1A, the first channel end region is formed in the future by patterning the positive resist Rp. An area of a predetermined area to be determined is determined, and ions are implanted therein to form an ion implantation damaged region 12 having high etching resistance against wet etching. Then, after removing the positive resist Rp, as shown in FIG. 1 (B), wet etching is performed using the ion implantation damaged region 12 as a wet etching mask. By etching and lateral etching, a narrow columnar body 13 that will be a channel region in the future is formed under the ion implantation damage region 12. Thereafter, as will be described in detail in the description of the embodiment in FIG. 2 described later, a gate insulating film, a gate, and a second channel end region are formed to obtain the element structure 10 shown in FIG. 1 (E).
On the other hand, in the case of conforming to FIGS. 1C and 1D, a negative resist is used although not shown in the figure. That is, the planned area region 12 to be the first channel end region in the future is an area region cut out by dry etching or wet etching in advance on the semiconductor substrate after exposing the planned area region using a negative resist. Alternatively, an oxide film (not shown) formed on the semiconductor substrate is patterned into an area region corresponding to a predetermined area region using a negative resist, and the remaining oxide film after removing the negative resist is previously used as a mask. After removing the negative resist or the oxide film mask, which is an area region cut out by dry etching or wet etching, and remaining on the predetermined area region 12, ion implantation as shown in FIG. As shown in FIG. 1 (D), the planned area area is changed to the ion implantation damage area 12 by wet etching. By performing, under the plan area region which is an ion implantation damage region 12 to form a columnar body 13. In this case, at the time of ion implantation to the planned area region, the ion implantation is similarly performed on the region to be the second channel end region 14 in the future to be an ion implantation damaged region, and a region having high wet etching resistance Thus, an effective mask for wet etching of the columnar body 13 is obtained.
Thereafter, a detailed description will be given later with reference to the embodiment according to FIGS. 3 and 4, but in principle, the gate insulating film and the gates G1 and G2 are formed by a well-known method using a known method, and FIG. The final target device structure 10 shown in E) is obtained.
FIG. 2 shows a first example of a more specific and specific embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 2A, after applying a positive resist Rp on a semiconductor substrate (typically a silicon substrate) 11, a first channel end region 12 that will be either a drain or a source in the future is formed. A surface portion of a predetermined area region to be formed is patterned and opened in a window shape. In other words, the area of the predetermined area is defined by the opening of the positive resist Rp. In this state, an ion species Di of an impurity having a conductivity type opposite to the substrate conductivity type is implanted to form an ion implantation damaged region 12 over a certain depth. In the case where the ion implantation damage region 12 has the conductivity type of the ion species used opposite to the substrate conductivity type as described above, the first channel end region 12 which is finally formed is substantially as it is. In general, this is the drain.
The amount of impurity implantation by the ion implantation is set to a level that exhibits high etching resistance in which the formed ion implantation damaged region 12 is desirably hardly etched in the next semiconductor substrate wet etching process, which will be described later.
When the ion implantation is completed, the resist Rp is peeled off as shown in FIG. 2B, and then immersed in a hydrazine or TMAH solution, and wet etching is performed. As a result, as shown with an arrow in FIG. 2 (C), the non-damaged region that is not damaged by the ion implantation is etched, and the semiconductor substrate 11 is etched away leaving the ion implantation damaged region 12. At the same time, the portion under the ion implantation damaged region 12 is also removed by lateral etching, and as a result, a narrow columnar body 13 is formed under the ion implantation damaged region 12 in a self-aligned manner. This wet etching itself may be in accordance with a known method, and the plane orientation and the like are selected so as to be accompanied by lateral etching. However, in this wet etching method, by setting the area size of the initial ion implantation damage region 12 appropriately, The width of the columnar body 13 formed under the ion implantation damage region 12 can be controlled to 10 nm or less, which is desirably narrower than that of the existing double gate type device. In addition, the columnar body 13, which is an important region that will become a channel in the future, is not easily damaged by dry etching.
The reason why the ion species having the conductivity type opposite to that of the substrate is implanted is that it is convenient to use the ion implantation damaged region 12 as the first channel end region (generally drain) 12 as it is. In constructing an n-channel MOSFET, n-type impurity ions such as P, As, and Sb may be selected as ion species for the p-type substrate 11, and the n-type substrate 11 is selected to construct the p-channel MOSFET. If so, p-type impurity ions such as B and BF2 may be selected as the ion species. As for the concentration or dose of ion implantation, in addition to those represented by the above-mentioned wet etching solution, if the implantation concentration is at least 10 13 / cm −2 or more for various solutions for dissolving silicon, Since it is known that the etching resistance is so high that it is not etched, the concentration is made higher than this. Even with other semiconductor substrates, it is easy to control the ion implantation amount to a value exhibiting high etching resistance with respect to the etching solution used for dissolution.
Incidentally, as a specific example, as shown in the relationship diagram between the ion implantation amount into the semiconductor substrate and the etching rate of the semiconductor substrate in the TMAH solution in FIG. 5, the As ion implantation amount is 10 13 / cm −. It can be seen that a rapid drop in the etching rate is observed from above about 2 , that is, the portion of the semiconductor substrate that has received such an injection amount exhibits sufficient etching resistance to the TMAH solution. Of course, this is also true for the ion implantation damage region 12 as it is. Of course, when the ion implantation damage region 12 is finally used as the first channel end region 12 as it is, the lower limit of the implantation concentration (irradiation amount) is determined to be not less than the above level. As long as there are no other constraining factors, the higher is better. This is because the resistance of the first channel end region 12 can be further reduced. This is an incidental but significant effect that has not been recognized in the past. If the implantation concentration is 10 14 / cm −2 or more, which is at least one digit above the lower limit, the impurity concentration is the same as that of the drain and source in the existing MOSFET, and is in a range that can be used satisfactorily. If it is higher than that, a more desirable low resistance can be achieved. This also applies to other embodiments described later. In addition, the ability to form the first channel end region 12 having a sufficiently large dimension t12, that is, a large volume, greatly contributes to the reduction in resistance.
When the formation of the columnar body 13 is finished, as shown in FIG. 2D, an impurity Fi having a conductivity type opposite to that of the substrate conductivity type is implanted exclusively for forming the second channel end region. As a result, a region 14 to be a second channel end region (generally a source) will be formed in the future in the substrate surface region located on both sides of the ion implantation damage region 12 as viewed from above. As shown in FIG. 5E, an insulating film that covers the side surface of the columnar body 13 and includes a portion that will become the gate insulating film 15 in the future is grown by a known and appropriate method. At this time, a pair of second channel end regions 14 which existed independently on both sides of the ion implantation damaged region 12 which is the first channel end region 12 as viewed from above by heat treatment which is generally accompanied or by intentional heat treatment. The implanted impurities are activated to cause lateral diffusion, and even if they contact each other or do not contact each other, they extend at least to the lower end portion of the columnar body 13 that effectively becomes the channel 13 and are electrically connected thereto. To be in a state where it can conduct.
Thereafter, as shown in FIG. 2 (F), a gate electrode material (high-concentration polysilicon, metal, etc.), which may be an appropriate known material, is deposited on the entire surface, and here, dry etching is used to form FIG. If the pair of gates G1 and G2 are cut out in a self-aligning manner as shown in FIG. 5), the main structural portion of the vertical double-gate MOSFET 10 according to the present invention is substantially completed. Thereafter, if necessary, according to a known existing technique, as shown in FIG. 2 (H), the drain electrode Ed is generally formed on the drain as the first channel end region 12, and the source as the second channel end region 14 is provided. On the other hand, the source electrode Es may be provided, and the whole may be covered with the protective insulating film 16. Of course, extraction electrodes are also attached to the first and second gates G1 and G2.
In the above-described process, an impurity having a conductivity type different from that of the substrate 11 is selected as the implanted ion species Di. This is for eliminating the need to form the first channel end region 12 and etching resistance. Impurities having the same conductivity type as that of the substrate 11 may be selected only for the purpose of increasing the thickness of the columnar body 13 with high controllability and good controllability. There is only one reverse conductivity type impurity introduction step for forming a drain and a source separately after forming the columnar body, and there is no problem in achieving the basic object of the present invention. However, in the process shown here, since the reverse conductivity type impurity Fi is introduced to form the second channel end region 14 which is generally the source region in FIG. 2D, from the meaning, If the concentration at the time of implantation is increased, the number of steps is not particularly increased even if the conductivity type of the ion species implanted in the region 12 to be the first channel end region is the same conductivity type as that of the substrate.
FIG. 3 shows another process example for realizing the present invention. A negative resist is applied on the semiconductor substrate 11, and the surface equivalent portion of the area region to be the first channel end region is exposed and patterned in the future. As shown in FIG. Dry etching or wet etching is performed using the region Rn as a mask. Even if dry etching is adopted at this time, it is still for cutting out a predetermined area region in advance, and it is not intended to cut out and determine a channel region which is an important component as an element. In this case, the characteristics of the surface of the first channel end region 12 (the linear shape of the rectangular side portion) are more improved than the wet etching. Further, instead of using the remaining negative resist Rn, an oxide film formed on the semiconductor substrate is patterned into an area region corresponding to a predetermined area region using a negative resist, and the remaining oxide film after removing the negative resist is used as a mask. The area region to be the first channel end region may be cut out by dry etching or wet etching in advance. In this case, what is necessary is just to see the part to which the code | symbol Rn was attached | subjected in a figure as said residual oxide film mask.
After removing the resist (or the remaining oxide film), as shown in FIG. 3 (B), it is preferable to irradiate the substrate 11 with the ion species Di of the opposite conductivity type in terms of simultaneous formation of the drain and the source. A first channel end region 12 as an ion implantation damaged region is formed on the columnar body, and an ion implantation damaged region 14 to be a second channel end region 14 in the future is formed on the semiconductor substrate surface on both sides thereof.
Thereafter, these ion implantation damage regions 12 and 14 are used as a mask having high etching resistance, and wet etching is performed with an appropriate solution as described above, so that an arrow is shown in FIG. Then, only the lateral etching proceeds, and an extremely narrow columnar body 13 can be formed under the first channel end region 12 with good controllability in a self-aligning manner and without etching damage.
Next, as shown in FIG. 3 (D), an insulating film that covers both sides of the columnar body 13 and includes a portion that will become the gate insulating film 15 in the future is deposited by an insulating film growth step on the entire surface accompanied by heat treatment. At the same time, however, the impurity introduced into the second channel end region 14 is also activated in this process, and the second channel end region 14 is brought into electrical contact with at least the root of the columnar body 13.
Next, as shown in FIG. 3 (E), after the gate electrode material is formed on the entire surface, here, by a well-known etching technique that is good by dry etching, as shown in FIG. A pair of gates G1 and G2 are formed in a self-aligned manner so as to face each other with the gate insulating film 15 interposed therebetween, thereby completing the element main part structure.
Thereafter, in the same manner as described above, if necessary, the drain electrode Ed is generally formed on the drain 12 as the first channel end region 12 and the second channel end region 14 as shown in FIG. A source electrode Es is provided for the source 14 as described above, and the whole is covered with a protective insulating film 16, and an appropriate extraction electrode is attached to the first and second gates G 1 and G 2 although not shown.
FIG. 6 shows, as a specific example, an electron micrograph in a specific process when the process of FIG. 3 is followed. FIG. 6 (A) corresponds to the result after the process of FIG. 3 (B), and ion implantation is performed by cutting out an area region to be the first channel end region 12 (portion 12 surrounded by a virtual line). In the process of finishing, a columnar body corresponding to the width of the first channel end region 12 is cut out. A portion 14 surrounded by an imaginary line on the semiconductor substrate side is a portion that is also ion-implanted and becomes the second channel end region 14 in the future. FIG. 6 (B) corresponds to the result of the process of FIG. 3 (C). The width of the columnar body is cut, and as shown in FIG. 1 (E), a relatively thick dimension t12 is obtained. A relatively narrow columnar body 13 having a dimension t13 is surely formed under the first channel end region 12. In other words, even if the thickness of the channel 13 (the dimension in the direction orthogonal to both the channel length and the channel width) is reduced, the volume of the first channel end region 12 is not greatly reduced, and the element is reduced. The structure can greatly contribute to resistance.
FIG. 7 shows an electron micrograph of a specific completed device example that has completed all the steps of FIG. 3, and the reference numerals are the same as those used in each of the drawings so far. Indicates the corresponding components. Although the width of the narrow columnar body 13 corresponding to the channel thickness is sufficiently narrow, the sufficiently large first channel end region 12 is formed. More desirably, the second channel end region is larger than the gate insulating films (oxide films) 15 and 15 between the pair of gates G1 and G2 and the narrow columnar body 13 (channel). 14 and the gates G1 and G2, the insulating film (oxide film) portion 18 is thick, and the insulating film (oxidation film) between each first channel end region 12 and each gate G1 and G2 is oxidized. The thickness of the (film) portion 18 is also increased. This is a result of the oxide growth rate being enhanced by damage due to ion implantation. With such a structure, the second channel end region 14 and the first channel end region for each of the gates G1 and G2 are used. Since the 12 separation distances can be obtained, the overlap capacitance between the gate and each channel end region can be reduced, which is effective for high-speed operation of the device.
FIG. 8 shows the characteristics of the device manufactured according to the present invention. As shown in Fig. 1 (E) and Fig. 6 (B), the threshold voltage and subthreshold coefficient in each of saturation mode and linear mode are shown as one of important device parameters of vertical double gate MOSFET. It shows how it depends on the columnar width t13 (channel thickness). As the columnar width t13 is reduced, the short channel effect is suppressed, and both the threshold voltage and the subthreshold coefficient are ideal values. The experimental result and the calculation result are in good agreement.
FIG. 4 shows still another embodiment of the present invention. A negative resist is applied on the semiconductor substrate 11 and exposed, and is patterned so as to cover the surface of a predetermined area region to be the first channel end region in the future, and as shown in FIG. Dry etching or wet etching is performed using the negative resist region Rn as a mask. Even if dry etching is used, it is for cutting out the planned area 12 as described with reference to FIG. 3 above, and not for cutting out the channel region which is an important component of the device. The characteristics of the finally produced device are not impaired, and the same effect as described above with reference to FIG. 3 is obtained. Similarly, as described with reference to FIG. 3, instead of using the remaining negative resist Rn, an oxide film formed on the semiconductor substrate is formed into an area region corresponding to a predetermined area region using a negative resist. The area region 12 to be the first channel end region may be cut out by patterning and performing dry etching or wet etching in advance using the remaining oxide film after removal of the negative resist as a mask. In this case, the portion denoted by the symbol Rn in the figure becomes the remaining oxide film mask.
After removing the resist (or the remaining oxide film), as shown in FIG. 4 (B), this is also the simultaneous formation of the drain and the source. A first channel end region 12 as an ion implantation damage region is formed on the upper part of the body, and an ion implantation damage region 14 to be a second channel end region 14 in the future is formed on the semiconductor substrate surface on both sides thereof.
Thereafter, these ion implantation damaged regions 12 and 14 are used as a mask having high etching resistance, and wet etching is performed with an appropriate solution as described above, so that an arrow is shown in FIG. Then, only the lateral etching proceeds, and an extremely narrow columnar body 13 can be formed under the first channel end region 12 with good controllability in a self-aligning manner and without etching damage.
Next, as a process different from the process described with reference to FIG. 3, the implanted impurities are activated by heat treatment or the like which may be performed at a relatively high temperature, and as shown in FIG. The second channel end regions 14 and 14 on the semiconductor surface on both sides are brought close to each other and brought into contact with each other, or at least electrically contacted with the lower portion of the columnar body 13.
In this case, since the high temperature heat treatment is no longer necessary, it is desirable to form the gate insulating film 15 with a high dielectric constant insulating film by a relatively low temperature process, as shown in FIG. The high dielectric constant film can be grown and deposited on the entire surface.
That is, the gate insulating film 15 may be a very thin thin film, and the device characteristics are greatly improved. After doing so, as in the process example described with reference to FIG. 3, a gate electrode material is formed on the entire surface as shown in FIG. As shown in FIG. 4 (G), a pair of gates G1 and G2 are formed in a self-aligning manner with the gate insulating film 15 sandwiched between both side surfaces of the columnar body 13 by a technique, and the element main part structure is Finalize.
This method can be adopted as necessary in the embodiment described with reference to FIG. If the impurity activation by the heat treatment at a relatively high temperature is performed in advance before moving to the next gate insulating film manufacturing step in the step of FIG. 2 (D), then it can be passed through a low-temperature process and manufactured. Similarly, a high dielectric constant thin film can be used for the power gate insulating film 15.
Returning to the fourth embodiment shown in FIG. 4, after forming the pair of gates G1 and G2, the first channel end region 12 is formed as shown in FIG. In general, the drain electrode Ed is provided for the drain 12, and the source electrode Es is provided for the source 14 as the second channel end region 14, and the whole is covered with the protective insulating film 16, etc. Appropriate lead electrodes are attached to the first and second gates G1 and G2.
As mentioned earlier, in any of the production process examples, if it is possible to increase the source and drain separate formation processes, that is, the impurity introduction process, an ion implantation damaged region is formed. The conductivity type of the ionic species may be the same as that of the substrate 11.
Although the embodiment according to FIG. 2 has already been described, in the embodiment described with reference to FIGS. 3 and 4, for example, the second channel end region is formed in the step of FIG. Even if the conductivity type of the ion species implanted in the region corresponding to is the same as the substrate conductivity type, it still functions as a wet etching mask due to the ion damage effect during the subsequent columnar body formation, and then reverses the substrate conductivity type. The second channel end region 14 can be formed by conductive type impurity implantation. The same applies to step (B) of FIG. 4, and after functioning as a wet etching mask, the second channel end region 14 may be formed by introducing impurities having a conductivity type opposite to the substrate conductivity type in an appropriate step. it can.
It should be noted that the columnar body 13 having a relationship of standing with respect to the semiconductor substrate 11 is also included in the present invention even when the complete verticality is not maintained. When intentionally tilting, it includes the case of unintentionally tilting.

本発明によると、従来の二重ゲート型MOSFETに比し、下記のような利点を見込むことができ、真に実用的な素子を市場に提供できる。
1)従来のように、薄いチャネル部分の上端部分が、チャネルの厚みと余り変わらない細幅なまま第一チャネル端領域(一般にはドレイン)となっているのとは異なり、チャネルを形成する柱状体の幅に比せば十分に大きな幅寸法の第一チャネル端領域を有しているので、十分に満足な低抵抗領域を得ることができる。
2)製造方法として本発明を見てみても、イオン注入損傷領域をマスクとしてのウエットエッチングにより自己整合的にチャネルを構成する柱状体を形成できるので、リソグラフィにおけるレジスト加工精度によらず、極めて細幅に当該柱状体を制度良く形成できる。つまり、極めてチャネルの厚みが薄い素子を提供できる。
3)そして、この方法では、従来のように薄いチャネル部分の上端部分がそのまま細幅な第一チャネル端領域(一般にはドレイン)となってしまうのとは異なり、柱状体の幅に比せば十分に大きな幅で、かつイオン注入量の如何によって必要な厚さを確保できる第一チャネル端領域とすることができるので、十分に満足な低抵抗領域を得ることができる。しかも、エッチング耐性をより一層高めるために、ないしは十分なエッチング耐性を発揮し得る濃度以上にすら、イオン注入量を増しても何ら問題はないので、これによっても更なる低抵抗化が図れる。
4)チャネルとなる柱状体はウエットエッチングにより形成されるので、ドライエッチングによる場合のような酷い損傷を受けずに済み、寧ろ、殆ど無損傷としうるので、結局は素子特性の向上に寄与する。
5)例えば第4図に示した手法のように、先に高温熱処理を必要とする工程を済ませてしまってから、その後にゲート絶縁膜となるべき絶縁膜を堆積させる工程も採用可能になるので、以降、低温プロセスのみによることでの高誘電率薄膜の利用が問題なく可能となり、これも素子特性の向上に大いに貢献し得る。
According to the present invention, the following advantages can be expected as compared with the conventional double gate type MOSFET, and a truly practical device can be provided to the market.
1) Unlike the conventional case, the upper end portion of the thin channel portion is a narrow first channel end region (generally a drain) that is not so narrow as the thickness of the channel. Since the first channel end region has a sufficiently large width as compared with the width of the body, a sufficiently satisfactory low resistance region can be obtained.
2) Even when looking at the present invention as a manufacturing method, a columnar body constituting a channel can be formed in a self-aligned manner by wet etching using an ion implantation damaged region as a mask. The columnar body can be formed systematically in the width. That is, an element with a very thin channel can be provided.
3) In this method, unlike the conventional case, the upper end portion of the thin channel portion becomes the narrow first channel end region (generally the drain) as it is, compared to the width of the columnar body. Since the first channel end region has a sufficiently large width and can secure a necessary thickness depending on the amount of ion implantation, a sufficiently satisfactory low resistance region can be obtained. In addition, there is no problem even if the ion implantation amount is increased even if the concentration is higher than the concentration at which sufficient etching resistance can be exhibited in order to further increase the etching resistance, and this can further reduce the resistance.
4) Since the columnar body serving as a channel is formed by wet etching, it can be prevented from being severely damaged as in the case of dry etching, but can be almost undamaged, which ultimately contributes to improvement of device characteristics.
5) For example, as shown in FIG. 4, it is possible to adopt a step of depositing an insulating film to be a gate insulating film after a step requiring high-temperature heat treatment is completed. Henceforth, it becomes possible to use the high dielectric constant thin film without problems by using only the low temperature process, which can greatly contribute to the improvement of the device characteristics.

Claims (13)

半導体基板から起立した細幅な柱状体をチャネルとし、チャネルの両側面に対し、チャネル内電子走行方向とは直交する方向から互いにゲート絶縁膜を介して臨む一対のゲートを有し、この柱状体の上端側にドレイン、ソースのどちらか一方である第一チャネル端領域が、下端側にはドレイン、ソースの他方である第二チャネル端領域が設けられている縦型の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタであって;
上記細幅な柱状体の幅であって上記ゲート絶縁膜を介し上記一対のゲートにより挟まれたチャネルの厚みとなる寸法に対し、上記第一チャネル端領域の幅が大きくなっていること;
を特徴とする二重ゲート型MOS電界効果トランジスタ。
A narrow columnar body standing up from a semiconductor substrate is used as a channel, and the columnar body has a pair of gates facing each other through a gate insulating film from both sides of the channel from a direction orthogonal to the electron traveling direction in the channel. A vertical double-gate MOS electric field in which a first channel end region that is one of a drain and a source is provided on the upper end side, and a second channel end region that is the other one of a drain and a source is provided on the lower end side An effect transistor;
The width of the first channel end region is larger than the width of the narrow columnar body and the dimension of the channel sandwiched between the pair of gates via the gate insulating film;
A double-gate MOS field effect transistor.
上記ゲート絶縁膜の厚みに対し、該ゲートと上記第二チャネル端領域の間の絶縁膜の厚み及び該ゲートと上記第一チャネル端領域の間の絶縁膜の厚みが厚くなっていること;
を特徴とする請求の範囲第1項記載の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタ。
The thickness of the insulating film between the gate and the second channel end region and the thickness of the insulating film between the gate and the first channel end region are larger than the thickness of the gate insulating film;
2. The double gate type MOS field effect transistor according to claim 1, wherein
半導体基板から起立した細幅な柱状体をチャネルとし、チャネルの両側面に対し、チャネル内電子走行方向とは直交する方向から互いにゲート絶縁膜を介して臨む一対のゲートを有し、この柱状体の上端側にドレイン、ソースのどちらか一方である第一チャネル端領域が、下端側にはドレイン、ソースの他方である第二チャネル端領域が設けられている縦型の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法であって;
半導体基板上にあって、将来、上記第一チャネル端領域とするべき予定面積領域にイオンを注入して、該予定面積領域をウエットエッチングに対するエッチング耐性の高いイオン注入損傷領域とする工程と;
該イオン注入損傷領域の下に、該イオン注入損傷領域をエッチングマスクとするウエットエッチングにより、実質的にチャネルとなる上記細幅の柱状体を形成する工程と;
その後、該柱状体の両側面にゲート絶縁膜を形成した後、該両側面に対し、該チャネルを挟んでチャネル内電子走行方向とは直交する方向から互いに対向しながら、それぞれ該チャネルに臨む第一、第二ゲートを形成する工程と;
を含んで成ることを特徴とする二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法。
A narrow columnar body standing up from a semiconductor substrate is used as a channel, and the columnar body has a pair of gates facing each other through a gate insulating film from both sides of the channel from a direction orthogonal to the electron traveling direction in the channel. A vertical double-gate MOS electric field in which a first channel end region that is one of a drain and a source is provided on the upper end side, and a second channel end region that is the other one of a drain and a source is provided on the lower end side A method for producing an effect transistor;
A step of implanting ions into a planned area region to be used as the first channel end region in the future to be an ion implantation damaged region having high etching resistance to wet etching on the semiconductor substrate;
Forming the narrow columnar body substantially serving as a channel under the ion implantation damage region by wet etching using the ion implantation damage region as an etching mask;
Then, after forming a gate insulating film on both side surfaces of the columnar body, the both side surfaces are opposed to each other from the direction perpendicular to the electron traveling direction in the channel across the channel, and face each of the channels. Forming a second gate;
A process for producing a double-gate MOS field effect transistor comprising:
上記イオン注入損傷領域を形成するために注入されるイオンの導電型は基板導電型とは逆の導電型であり;
該イオン注入損傷領域は、素子完成後にも上記第一チャネル端領域として用いられること;
を特徴とする請求の範囲第3項記載の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法。
The conductivity type of ions implanted to form the ion implantation damage region is opposite to the substrate conductivity type;
The ion implantation damage region is used as the first channel end region even after the device is completed;
A method for manufacturing a double-gate MOS field effect transistor according to claim 3, wherein:
上記イオン注入損傷領域を形成するために注入されるイオンの導電型は基板導電型と同じ導電型であり;
該イオン注入損傷領域には上記柱状体の形成後、基板導電型とは逆導電型の不純物が導入されることにより、上記第一チャネル端領域とされること;
を特徴とする請求の範囲第3項記載の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法。
The conductivity type of ions implanted to form the ion implantation damage region is the same conductivity type as the substrate conductivity type;
After the columnar body is formed in the ion implantation damaged region, an impurity having a conductivity type opposite to that of the substrate conductivity type is introduced to form the first channel end region;
A method for manufacturing a double-gate MOS field effect transistor according to claim 3, wherein:
上記第二チャネル端領域は、上記柱状体の形成後に基板導電型とは逆導電型の不純物の導入により形成されるか、該柱状体の形成前に、上記予定面積領域への基板導電型とは逆導電型のイオン注入時に併せて同時に形成されること;
を特徴とする請求の範囲第3項記載の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法。
The second channel end region is formed by introducing impurities having a conductivity type opposite to the substrate conductivity type after the columnar body is formed, or the substrate conductivity type to the predetermined area region is formed before the columnar body is formed. Are formed simultaneously with the reverse conductivity type ion implantation;
A method for manufacturing a double-gate MOS field effect transistor according to claim 3, wherein:
上記第二チャネル端領域は、上記柱状体の形成前に、上記予定面積領域への基板導電型とは逆導電型のイオン注入時に併せて同時に形成され;
もって該第二チャネル端領域も、上記第一チャネル端領域を形成すべき予定面積領域におけるイオン注入損傷領域と相まってエッチング耐性を持つイオン注入損傷領域として機能し、上記柱状体を上記ウエットエッチングにより形成する時のエッチングマスクとなること;
を特徴とする請求の範囲第3項記載の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法。
The second channel end region is formed simultaneously with the ion implantation of the conductivity type opposite to the substrate conductivity type to the predetermined area region before the columnar body is formed;
Accordingly, the second channel end region also functions as an ion implantation damage region having etching resistance in combination with the ion implantation damage region in the planned area region where the first channel end region is to be formed, and the columnar body is formed by the wet etching. To serve as an etching mask when
A method for manufacturing a double-gate MOS field effect transistor according to claim 3, wherein:
上記第二チャネル端領域となるべき領域は、上記柱状体の形成前に、基板導電型と同じ導電型のイオン注入によりウエットエッチングに対する耐性を持つイオン注入損傷領域として形成され;
もって該第二チャネル端領域となるべき領域も、上記第一チャネル端領域を形成すべき予定面積領域におけるイオン注入損傷領域と相まってエッチング耐性を持つイオン注入損傷領域として機能して、上記柱状体を上記ウエットエッチングにより形成する時にはエッチングマスクとなる一方で、該柱状体の形成後には、基板導電型とは逆導電型の不純物の導入により、上記第二チャネル端領域とされること;
を特徴とする請求の範囲第3項記載の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法。
The region to be the second channel end region is formed as an ion implantation damage region having resistance to wet etching by ion implantation of the same conductivity type as the substrate conductivity type before the columnar body is formed;
Accordingly, the region to be the second channel end region also functions as an ion implantation damage region having etching resistance in combination with the ion implantation damage region in the planned area region where the first channel end region is to be formed, and the columnar body is formed. When forming by the wet etching, it becomes an etching mask, and after the columnar body is formed, the second channel end region is formed by introducing an impurity having a conductivity type opposite to the substrate conductivity type;
A method for manufacturing a double-gate MOS field effect transistor according to claim 3, wherein:
上記第二チャネル端領域は、上記柱状体の形成後に基板導電型とは逆導電型の不純物の導入により形成されるか、該柱状体の形成前に、上記予定面積領域への基板導電型とは逆導電型のイオン注入時に併せて同時に形成され;
上記柱状体の形成後、上記ゲート絶縁膜の形成前に熱処理により該第二チャネル端領域の不純物活性化を行い、該第二チャネル端領域を少なくとも上記柱状体の下部に電気的に接触させた後;
相対的な低温プロセスによって高誘電率薄膜によるゲート絶縁膜を形成すること;
を特徴とする請求の範囲第3項記載の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法。
The second channel end region is formed by introducing impurities having a conductivity type opposite to the substrate conductivity type after the columnar body is formed, or the substrate conductivity type to the predetermined area region is formed before the columnar body is formed. Are formed simultaneously with the reverse conductivity type ion implantation;
After the columnar body is formed and before the gate insulating film is formed, the second channel end region is activated by heat treatment so that the second channel end region is in electrical contact with at least the lower portion of the columnar body. rear;
Forming a gate dielectric film with a high dielectric constant thin film by a relative low temperature process;
A method for manufacturing a double-gate MOS field effect transistor according to claim 3, wherein:
半導体基板上にあって上記イオンを注入すべき上記予定面積領域は、該半導体基板上に形成されたポジレジストをパターニングした開口部分にその表面部分が露出するようにして面積を規定され;
該イオン注入の後、該ポジレジストを除去してからのウエットエッチングにより、上記イオン注入損傷領域とされた該予定面積領域の下に、上記柱状体を形成すること;
を特徴とする請求の範囲第3項記載の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法。
The area of the predetermined area on the semiconductor substrate to which the ions are to be implanted is defined such that the surface portion is exposed in an opening portion obtained by patterning a positive resist formed on the semiconductor substrate;
After the ion implantation, the columnar body is formed under the predetermined area region as the ion implantation damaged region by wet etching after removing the positive resist;
A method for manufacturing a double-gate MOS field effect transistor according to claim 3, wherein:
半導体基板上にあって上記イオンを注入すべき上記予定面積領域は、ネガレジストを用いて該予定面積領域を露光した後の該半導体基板に対しての予めのドライエッチングあるいはウェットエッチングにより切り出された面積領域、または該半導体基板上に成膜した酸化膜をネガレジストを用いて該予定面積領域に相当する面積領域にパターニングし、ネガレジスト除去後の該予定面積領域上の残存酸化膜をマスクとしての予めのドライエッチングあるいはウェットエッチングにより切り出された面積領域であり;
該予定面積領域上に残存している該ネガレジストあるいは該酸化膜のマスクを除去してからの上記イオン注入により、該予定面積領域を上記イオン注入損傷領域とした後;
ウエットエッチングにより、上記イオン注入損傷領域とされた該予定面積領域の下に、上記柱状体を形成すること;
を特徴とする請求の範囲第3項記載の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法。
The predetermined area region on the semiconductor substrate to which the ions are to be implanted was cut out by dry etching or wet etching in advance on the semiconductor substrate after the predetermined area region was exposed using a negative resist. An area region or an oxide film formed on the semiconductor substrate is patterned into an area region corresponding to the predetermined area region using a negative resist, and the remaining oxide film on the predetermined area region after removing the negative resist is used as a mask. Area area cut out by dry etching or wet etching in advance;
After making the predetermined area region into the ion implantation damaged region by the ion implantation after removing the negative resist or the mask of the oxide film remaining on the predetermined area region;
Forming the columnar body under the predetermined area region, which is the ion implantation damage region, by wet etching;
A method for manufacturing a double-gate MOS field effect transistor according to claim 3, wherein:
上記半導体基板はシリコン基板であり;
上記イオン注入の濃度は、少なくとも1013/cm−2以上であること;
を特徴とする請求の範囲第3項記載の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法。
The semiconductor substrate is a silicon substrate;
The concentration of the ion implantation is at least 10 13 / cm −2 or more;
A method for manufacturing a double-gate MOS field effect transistor according to claim 3, wherein:
上記半導体基板はシリコン基板であり;
上記イオン注入の濃度は、1014/cm−2以上であること;
を特徴とする請求の範囲第3項記載の二重ゲート型MOS電界効果トランジスタの作製方法。
The semiconductor substrate is a silicon substrate;
The concentration of the ion implantation is 10 14 / cm −2 or more;
A method for manufacturing a double-gate MOS field effect transistor according to claim 3, wherein:
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