JP3855638B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、SOI構造を有する半導体装置及びその製造方法に関する。特には、完全空乏型SOIデバイスを容易に製造できる半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図13は、従来のSOI(Silicon On Insulator)構造の完全空乏型半導体装置を示す断面図である。
まず、張り合わせ法により製造されたSOI基板101を準備する。このSOI基板101は、単結晶シリコンからなる支持基板102と、この支持基板102上に形成された絶縁膜103と、この絶縁膜103上に形成された単結晶Si層104と、から構成されている。
【0003】
すなわち、表面に第1絶縁膜が形成された第1シリコン基板(支持基板102)を準備し、表面に第2絶縁膜が形成された第2シリコン基板(単結晶Si層104)を準備する。次に、第1絶縁膜と第2絶縁膜を張り合わせることにより、支持基板102上に形成された第1及び第2絶縁膜からなる絶縁膜103と、この絶縁膜103上に形成された第2シリコン基板(単結晶Si層104)と、からなるSOI基板101が形成される。この後、第2シリコン基板の裏面を研磨することにより第2シリコン基板の厚さを10nm程度とする。これにより、厚さの薄い単結晶Si層104を備えたSOI基板101が形成される。
【0004】
次に、単結晶Si層104にトレンチを形成し、このトレンチ内にシリコン酸化膜を埋め込む。これにより、絶縁膜103上の素子分離領域にはシリコン酸化膜からなる素子分離膜105が形成される。次に、単結晶Si層104にP型不純物をイオン注入する。
【0005】
この後、単結晶Si層104の表面に熱酸化法によりゲート酸化膜106を形成する。次に、このゲート酸化膜106を含む全面上にポリシリコン膜を堆積し、このポリシリコン膜をパターニングすることにより、ゲート酸化膜上にゲート電極107が形成される。
【0006】
次に、ゲート電極107をマスクとして低濃度のN型不純物イオンをイオン注入する。この後、ゲート電極107を含む全面上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法によりシリコン酸化膜を堆積し、このシリコン酸化膜を全面エッチングすることにより、ゲート電極107の側壁にはシリコン酸化膜からなるサイドウォール113が形成される。
【0007】
次に、サイドウォール113及びゲート電極107をマスクとしてN型不純物イオンをイオン注入する。この後、SOI基板101にアニールを施すことにより、単結晶Si層には低濃度のN型拡散層115及びソース/ドレイン領域のN型拡散層116,117が形成される。このようにしてSOI構造の完全空乏型MOSトランジスタが形成される。完全空乏型MOSトランジスタは、短チャンネル効果を十分に抑制できるなどの種々の特徴を有している。
【0008】
この後、ソース/ドレイン領域のN型拡散層116,117上の酸化膜を除去し、ゲート電極107を含む全面上に金属層(図示せず)を堆積する。次に、SOI基板に熱処理を施すことにより、単結晶Si層及びゲート電極それぞれと金属層とがシリサイド反応を起こすことにより、N型拡散層116,117及びゲート電極それぞれの上にはシリサイド層(図示せず)が形成される。
【0009】
次に、ゲート電極を含む全面上に層間絶縁膜(図示せず)を堆積し、この層間絶縁膜をエッチングすることにより、該層間絶縁膜にはN型拡散層116,117それぞれの上に位置するコンタクトホール(図示せず)が形成される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の半導体装置の製造方法では、完全空乏型MOSトランジスタを形成するために単結晶Si層104の厚さを非常に薄くしている。このため、ソース/ドレイン領域の拡散層上でのシリサイド反応が進み過ぎると、単結晶Si層104における拡散層116,117の部分が全てシリサイド化してしまうことがある。また、コンタクトホールを形成するためのエッチングにおけるオーバーエッチング量が多すぎると、コンタクトホールが単結晶Si層104を突き抜けて絶縁膜103まで到達してしまうこともある。このように単結晶Si層を薄く形成した完全空乏型MOSトランジスタでは、上述したようにプロセス制御が困難である。従って、完全空乏型SOIデバイスを製造することは困難である。
【0011】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、プロセス制御が容易であり完全空乏型トランジスタを容易に製造できる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体装置の製造方法は、支持基板、その上に形成された第1絶縁膜及びその上に形成された単結晶Si層を有するSOI基板を準備する第1工程と、
単結晶Si層の表面にダミーゲート絶縁膜を形成する第2工程と、
このダミーゲート絶縁膜上にダミーゲート電極を形成する第3工程と、
ダミーゲート電極をマスクとして単結晶Si層に不純物イオンを注入する第4工程と、
単結晶Si層にアニールを施すことにより、単結晶Si層にソース/ドレイン領域の拡散層を形成する第5工程と、
ダミーゲート電極を含む全面上に第2絶縁膜を堆積し、第2絶縁膜をCMP研磨又はエッチバックすることにより、ダミーゲート電極の上面を露出させる第6工程と、
第2絶縁膜をマスクとして、ダミーゲート電極及びダミーゲート絶縁膜をエッチングすると共に単結晶Si層を所定深さまでエッチングする第7工程と、
単結晶Si層上にゲート絶縁膜を形成する第8工程と、
このゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する第9工程と、
を具備することを特徴とする。
【0013】
上記半導体装置の製造方法によれば、単結晶Si層の厚さを比較的に厚く形成しても、第7工程で第2絶縁膜をマスクとして単結晶Si層を所定深さまでエッチングすることにより、ゲート電極下のチャンネル部の単結晶Si層の厚さを薄くできる。従って、完全空乏型MOSトランジスタを形成することができる。このトランジスタでは、従来の半導体装置のように単結晶Si層の厚さを薄くする必要がないので、プロセス制御が容易となる。
【0014】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法においては、第7工程と第8工程の間に、第7工程により単結晶Si層に形成された凹部の内側壁に、Siより比誘電率の低い絶縁膜からなるサイドウォールを形成する工程をさらに含むことも可能である。
【0015】
本発明に係る半導体装置は、支持基板、その上に形成された絶縁膜及びその上に形成された単結晶Si層を有するSOI基板と、
単結晶Si層に形成された、チャンネル領域上に位置する凹部と、
この凹部の内側壁に形成された、Siより比誘電率の低い絶縁膜からなるサイドウォールと、
凹部の底部に形成されたゲート絶縁膜と、
このゲート絶縁膜上に形成され、サイドウォールの相互間に形成されたゲート電極と、
単結晶Si層に形成され、ゲート電極の側壁側の下方に形成されたソース/ドレイン領域の拡散層と、
を具備することを特徴とする。
【0016】
上記半導体装置によれば、プロセス制御が容易であり完全空乏型トランジスタを容易に製造できる。また、単結晶Si層に形成された凹部の内側壁にSiより比誘電率の低い絶縁膜からなるサイドウォールを形成し、このサイドウォールの相互間且つゲート絶縁膜上にゲート電極を形成している。このため、ゲート電極とドレイン拡散層との間の容量を低減することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1〜図7は、本発明の第1の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【0018】
まず、張り合わせ法により製造されたSOI基板1を準備する。このSOI基板1は、単結晶シリコンからなる支持基板2と、この支持基板2上に形成された絶縁膜3と、この絶縁膜3上に形成された単結晶Si層4と、から構成されている。
【0019】
すなわち、表面に第1絶縁膜が形成された第1シリコン基板(支持基板2)を準備し、表面に第2絶縁膜が形成された第2シリコン基板(単結晶Si層4)を準備する。次に、第1絶縁膜と第2絶縁膜を張り合わせることにより、支持基板2上に形成された第1及び第2絶縁膜からなる絶縁膜3と、この絶縁膜3上に形成された第2シリコン基板(単結晶Si層4)と、からなるSOI基板1が形成される。この後、第2シリコン基板の裏面を研磨することにより第2シリコン基板の厚さを例えば150nm程度とする。
【0020】
次に、図1に示すように、単結晶Si層4にトレンチを形成し、このトレンチ内を含む全面上にCVD法によりシリコン酸化膜を堆積する。この後、単結晶Si層4の上に存在するシリコン酸化膜をエッチバック又はCMP(Chemical Mechanical Polishing)研磨により除去する。これにより、トレンチ内にシリコン酸化膜が埋め込まれ、絶縁膜3上の素子分離領域にはシリコン酸化膜からなる素子分離膜5が形成される。次に、単結晶Si層4にP型不純物をイオン注入する。
【0021】
この後、単結晶Si層4の表面に熱酸化法によりダミーゲート酸化膜6aを形成する。次に、このダミーゲート酸化膜6aを含む全面上にCVD法によりポリシリコン膜を堆積し、このポリシリコン膜をパターニングすることにより、ダミーゲート酸化膜上にダミーゲート電極7aが形成される。
【0022】
次に、ダミーゲート電極7aをマスクとして低濃度のN型不純物イオンをイオン注入する。次に、ダミーゲート電極7aを含む全面上にCVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、このシリコン酸化膜を全面エッチングすることにより、ダミーゲート電極7aの側壁にはシリコン酸化膜からなるサイドウォール13が形成される。
【0023】
この後、サイドウォール13及びダミーゲート電極7aをマスクとしてN型不純物イオンをイオン注入し、単結晶Si層4にアニールを施す。これにより、単結晶Si層には低濃度のN型拡散層15及びソース/ドレイン領域のN型拡散層16,17が形成される。
【0024】
次に、ソース/ドレイン領域のN型拡散層16,17上の酸化膜を除去し、ダミーゲート電極7aを含む全面上にTi層等の金属層(図示せず)を堆積する。次に、SOI基板に熱処理を施すことにより、単結晶Si層及びダミーゲート電極それぞれと金属層とがシリサイド反応を起こすことにより、N型拡散層16,17及びダミーゲート電極7aそれぞれの上にはシリサイド層(図示せず)が形成される。
【0025】
次に、図2に示すように、ダミーゲート電極7aを含む全面上にCVD法によりシリコン酸化膜21を厚く堆積し、このシリコン酸化膜21をCMP研磨又はエッチバックすることにより、ダミーゲート電極7aの上面を露出させる。
【0026】
この後、図3に示すように、シリコン酸化膜21及びサイドウォール13をマスクとしてダミーゲート電極7a及びダミーゲート酸化膜6aをエッチング除去すると共に単結晶Si層4を所定深さまでエッチングする。これにより、後記ゲート電極7b下における単結晶Si層4の厚さを10nm程度とすることができる。
【0027】
次に、図4に示すように、単結晶Si層4の表面上に熱酸化法によりゲート酸化膜6bを形成する。
【0028】
この後、図5に示すように、シリコン酸化膜21を含む全面上にCVD法により不純物がドープされたポリシリコン膜22を堆積する。なお、この工程で、不純物がドープされていないポリシリコン膜を堆積することも可能であるが、その場合は、堆積後にポリシリコン膜に不純物イオンをイオン注入するか又は気相拡散によりポリシリコン膜に不純物イオンを導入することが好ましい。
【0029】
次に、図6に示すように、ポリシリコン膜22をCMP研磨又はエッチバックすることにより、サイドウォール13の相互間且つゲート酸化膜6b上にポリシリコン膜からなるゲート電極7bが形成される。このようにしてSOI構造の完全空乏型MOSトランジスタが形成される。すなわち、ゲート電極下の単結晶Si層4を所定の深さまでエッチングすることにより、ゲート電極下の単結晶Si層領域を10nm程度と浅く形成することができ、その結果、SOI構造の完全空乏型MOSトランジスタを形成できる。また、完全空乏型MOSトランジスタは、短チャンネル効果を十分に抑制できるなどの種々の特徴を有している。
次に、ゲート電極7bを含む全面上にシリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜23を堆積する。
【0030】
次に、図7に示すように、層間絶縁膜23及びシリコン酸化膜21をエッチングすることにより、ソース/ドレイン領域のN型拡散層16,17それぞれの上に位置するコンタクトホール23a,23bが形成される。この後、コンタクトホール内及び層間絶縁膜上に配線層25を形成する。
【0031】
上記第1の実施の形態によれば、単結晶Si層4の厚さを150nm程度と比較的に厚く形成しているが、図3に示す工程でシリコン酸化膜21及びサイドウォール13をマスクとして単結晶Si層4を所定深さまでエッチングすることにより、ゲート電極下のチャンネル部の単結晶Si層の厚さを薄くできるので、完全空乏型MOSトランジスタを形成することができる。このトランジスタでは、従来の半導体装置のように単結晶Si層の厚さを薄くする必要がないので、プロセス制御が容易となる。つまり、単結晶Si層の厚さを比較的厚く形成しているため、ソース/ドレイン領域の拡散層上でのシリサイド反応が進み過ぎても、単結晶Si層4における拡散層16,17の部分が全てシリサイド化してしまうことがない。また、コンタクトホール23a,23bを形成するためのエッチングにおけるオーバーエッチング量が多すぎても、コンタクトホールが単結晶Si層4を突き抜けて絶縁膜3まで到達してしまうこともない。従って、プロセス制御が容易であり完全空乏型トランジスタを容易に製造することができる。
【0032】
図8〜図12は、本発明の第2の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【0033】
第1の実施の形態における図1乃至図3に示す工程を行った後、図8に示すように、シリコン酸化膜21を含む全面上にCVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、このシリコン酸化膜を全面エッチングすることにより、サイドウォール13及び低濃度拡散層15の内側壁(即ち単結晶Si層4に形成された凹部の内側壁)にはシリコン酸化膜からなるサイドウォール33が形成される。
【0034】
次に、図9に示すように、単結晶Si層4の表面上に熱酸化法によりゲート酸化膜6bを形成する。
【0035】
この後、図10に示すように、シリコン酸化膜21を含む全面上にCVD法により不純物がドープされたポリシリコン膜22を堆積する。なお、この工程で、不純物がドープされていないポリシリコン膜を堆積することも可能であるが、その場合は、堆積後にポリシリコン膜に不純物イオンをイオン注入するか又は気相拡散によりポリシリコン膜に不純物イオンを導入することが好ましい。
【0036】
次に、図11に示すように、ポリシリコン膜22をCMP研磨又はエッチバックすることにより、サイドウォール33の相互間且つゲート酸化膜6b上にポリシリコン膜からなるゲート電極7bが形成される。このようにしてSOI構造の完全空乏型MOSトランジスタが形成される。すなわち、ゲート電極下の単結晶Si層4を所定の深さまでエッチングすることにより、ゲート電極下の単結晶Si層領域を10nm程度と浅く形成することができ、その結果、SOI構造の完全空乏型MOSトランジスタを形成できる。また、完全空乏型MOSトランジスタは、短チャンネル効果を十分に抑制できるなどの種々の特徴を有している。
次に、ゲート電極7bを含む全面上にシリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜23を堆積する。
【0037】
この後、図12に示すように、層間絶縁膜23及びシリコン酸化膜21をエッチングすることにより、ソース/ドレイン領域のN型拡散層16,17それぞれの上に位置するコンタクトホール23a,23bが形成される。この後、コンタクトホール内及び層間絶縁膜上に配線層25を形成する。
【0038】
上記第2の実施の形態においても第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、従来の半導体装置のように単結晶Si層の厚さを薄くする必要がないので、プロセス制御が容易であり完全空乏型トランジスタを容易に製造することができる。
【0039】
また、第2の実施の形態では、図8に示す工程でサイドウォール13及び低濃度拡散層15の内側壁に、Siより比誘電率の低いシリコン酸化膜からなるサイドウォール33を形成し、サイドウォール33の相互間且つゲート酸化膜6b上にゲート電極7bを形成している。このため、第1の実施の形態に比べてゲート電極7bとドレイン拡散層17との間の容量を低減することができる。従って、トランジスタの動作速度を向上することができる。
【0040】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、シリコン酸化膜21及びサイドウォール13をマスクとして単結晶Si層4をエッチングする際の具体的な条件については、単結晶Si層4の厚さ等により種々適切なものを選択して実施することが可能である。
【0041】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第2絶縁膜をマスクとして、ダミーゲート電極及びダミーゲート絶縁膜をエッチングすると共に単結晶Si層を所定深さまでエッチングすることにより、ゲート電極下のチャンネル部の単結晶Si層の厚さを薄くしている。したがって、プロセス制御が容易であり完全空乏型トランジスタを容易に製造できる半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態による半導体装置の製造方法を示すものであり、図1の次の工程を示す断面図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態による半導体装置の製造方法を示すものであり、図2の次の工程を示す断面図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態による半導体装置の製造方法を示すものであり、図3の次の工程を示す断面図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態による半導体装置の製造方法を示すものであり、図4の次の工程を示す断面図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態による半導体装置の製造方法を示すものであり、図5の次の工程を示す断面図である。
【図7】本発明の第1の実施の形態による半導体装置の製造方法を示すものであり、図6の次の工程を示す断面図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態による半導体装置の製造方法を示すものであり、図8の次の工程を示す断面図である。
【図10】本発明の第2の実施の形態による半導体装置の製造方法を示すものであり、図9の次の工程を示す断面図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態による半導体装置の製造方法を示すものであり、図10の次の工程を示す断面図である。
【図12】本発明の第2の実施の形態による半導体装置の製造方法を示すものであり、図11の次の工程を示す断面図である。
【図13】従来のSOI構造の完全空乏型半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1,101 SOI基板
2,102 支持基板
3,103 絶縁膜
4,104 単結晶Si層
5,105 素子分離膜
6a ダミーゲート酸化膜
6b,106 ゲート酸化膜
7a ダミーゲート電極
7b,107 ゲート電極
8 酸素注入層
9 酸素イオン
11 埋込み型酸化絶縁層
13,113 サイドウォール
15,115 低濃度のN型拡散層
16,116 ソース拡散層
17,117 ドレイン拡散層
21 シリコン酸化膜
22 ポリシリコン膜
23 層間絶縁膜
23a,23b コンタクトホール
25 配線層
Claims (2)
- 支持基板、その上に形成された第1絶縁膜及びその上に形成された単結晶Si層を有するSOI基板を準備する第1工程と、
単結晶Si層の表面にダミーゲート絶縁膜を形成する第2工程と、
このダミーゲート絶縁膜上にダミーゲート電極を形成する第3工程と、
ダミーゲート電極をマスクとして単結晶Si層に不純物イオンを注入する第4工程と、
単結晶Si層にアニールを施すことにより、単結晶Si層にソース/ドレイン領域の拡散層を形成する第5工程と、
ダミーゲート電極を含む全面上に第2絶縁膜を堆積し、第2絶縁膜をCMP研磨又はエッチバックすることにより、ダミーゲート電極の上面を露出させる第6工程と、
第2絶縁膜をマスクとして、ダミーゲート電極及びダミーゲート絶縁膜をエッチングすると共に単結晶Si層を所定深さまでエッチングする第7工程と、
単結晶Si層上にゲート絶縁膜を形成する第8工程と、
このゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する第9工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 第7工程と第8工程の間に、第7工程により単結晶Si層に形成された凹部の内側壁に、Siより比誘電率の低い絶縁膜からなるサイドウォールを形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
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