JP4255203B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特にポリシリコン膜と金属膜とを堆積したポリメタル構造のゲート電極を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近時では、CMOSトランジスタの高集積化、高速化に伴い、ゲート電極の低抵抗化が求められている。
【0003】
ゲート電極を低抵抗化する技術として、高融点金属とポリシリコンとを積層した、いわゆるポリメタル構造の半導体装置が提案されている。かかるポリメタル構造の半導体装置は、例えば、Low-resistivity poly-metal gate electrode durable for high-temperature processing, Y.Akasaka et al., IEEE Trans. On electron Dev. 43, 1864 (1996)に開示されている。
【0004】
提案されているポリメタル構造の半導体装置を図23を用いて説明する。図23は、提案されているポリメタル構造の半導体装置を示す断面図である。
【0005】
図23に示すように、シリコン基板110上には、シリコン窒化酸化膜より成るゲート絶縁膜112が形成されている。ゲート絶縁膜112上には、ポリシリコン膜114と、ポリシリコン膜114上に形成されたWSiNより成るバッファ膜116と、バッファ膜116上に形成されたW(タングステン)より成る金属膜118との積層構造によって構成されたゲート電極120が形成されている。バッファ膜116は、ポリシリコン膜114と金属膜118とが反応して抵抗の高いタングステンシリサイドが形成されるのを防止するためのものである。ゲート電極120上には、シリコン窒化膜より成るキャップ膜122が形成されている。
【0006】
ポリシリコン膜114の側壁部分には、シリコン酸化膜123が形成されている。シリコン酸化膜123は、ゲート電極120をパターニングした際に導入されたダメージを除去するとともに、電界集中の緩和を図るためのものである。
【0007】
ゲート電極120及びシリコン酸化膜123の側壁には、サイドウォール絶縁膜126が形成されている。ゲート電極120の両側のシリコン基板110内には、不純物拡散領域128aと不純物拡散領域128bとにより構成されたエクステンションソースドレイン構造のソース/ドレイン拡散層128が形成されている。
【0008】
ゲート絶縁膜112は、図中、陰影を付すことにより表した領域130で、窒素濃度が高くなっている。ゲート絶縁膜112中に窒素濃度の高い領域130が形成されているため、ポリシリコン膜114中に導入されたボロン等の不純物がシリコン基板110側に抜けるのが抑制され、また、エクステンションソースドレインを構成する不純物拡散領域128aに導入された不純物がゲート絶縁膜112やサイドウォール絶縁膜126等に吸われるのが抑制される。かかる原理は、例えば、High Performance & Highly Reliable Deep Submicron CMOSFET using Nitrided-Oxide, K.Irino et al., 1999 Symp. on VLSI Technology, 9A-2に開示されている。
【0009】
また、金属膜118に用いられているタングステンは、酸化されやすい材料である。タングステンが酸化されてWO3になると抵抗が高くなってしまい、ゲート電極120の低抵抗化というポリメタル構造の半導体装置の本来の目的を達成し得ない。このため、シリコン酸化膜123を形成する際には、金属膜118等を酸化することなく、ポリシリコン膜114の側壁部分にのみ選択的にシリコン酸化膜123を形成することが必要となる。そこで、提案されているポリメタル構造の半導体装置では、ゲート電極120をパターニングした後に、酸化作用を有するH2Oと還元作用を有するH2とを含む雰囲気中で熱処理を行うことにより、金属膜118を酸化することなく、ポリシリコン膜114の側壁部分にのみシリコン酸化膜123を選択的に形成している。
【0010】
このようなポリメタル構造の半導体装置では、ゲート電極に金属膜が用いられているので、ゲート電極を低抵抗化することができ、ひいては高速化、高集積化に寄与することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、提案されている半導体装置では、ポリシリコン膜114の側面にシリコン酸化膜123を形成する際に、シリコン基板110とゲート絶縁膜112との界面においても酸化が進行するため、窒素濃度の高い領域130がシリコン基板110とゲート絶縁膜112との界面から離間してしまうこともあった。ゲート電極120の端部の下方のシリコン基板110とゲート絶縁膜112との界面に窒素濃度が高い領域130が存在しなくなると、ホットキャリア耐性が劣化してしまうことがあり、また、ポリシリコン膜113に導入されたボロン等の不純物がシリコン基板110側に抜けてしまうことがあった。
【0012】
また、提案されている半導体装置では、高温の熱処理プロセスにより、ポリシリコン膜114に導入されたボロン等の不純物が、シリコン酸化膜123中に抜けてしまうことがあり、ポリシリコン膜114の空乏化が生じてしまうことがあった。このため、良好なBTストレス耐性を得ることができず、また、ゲート抵抗を十分に低減することができないことがあった。
【0013】
本発明の目的は、ポリメタル構造を有する半導体装置において、ゲート電極の空乏化を抑制するとともに、ホットキャリア耐性を確保しうる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に、ポリシリコン膜と前記ポリシリコン膜上に形成された金属膜とを有するゲート電極を形成する工程と、窒素原子を含み、酸化作用及び還元作用を有するガス雰囲気中で熱処理を行い、前記ポリシリコン膜の側壁部分に選択的に絶縁膜を形成するとともに、前記ゲート電極の端部の下方の前記シリコン基板と前記ゲート絶縁膜との界面に、窒素を導入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により達成される。これにより、シリコン基板とゲート絶縁膜との界面に窒素が高濃度に導入されているので、ホットキャリア耐性の良好な半導体装置を提供することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による半導体装置及びその製造方法を図1乃至図8を用いて説明する。図1は、本実施形態による半導体装置を示す断面図である。図2は、ゲート電極の端部の下方のゲート絶縁膜とシリコン基板との界面近傍領域における窒素濃度分布を示すグラフである。図3乃至図6は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。図7は、本実施形態によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。図8は、シリコンとタングステンの酸化の有無を示すグラフである。
【0016】
図1に示すように、シリコン基板10上には、シリコン窒化酸化膜より成るゲート絶縁膜12を介してゲート電極20が形成されている。
【0017】
ゲート電極20は、ゲート絶縁膜12上に形成されたポリシリコン膜14と、ポリシリコン膜14上に形成されたWSiNより成るバッファ膜16と、バッファ膜16上に形成されたWより成る金属膜18との積層構造によって構成されている。なお、バッファ膜16は、ポリシリコン膜14と金属膜18とが反応して抵抗の高いタングステンシリサイドが形成されるのを防止するためのものである。
【0018】
ゲート電極20上には、シリコン窒化膜より成るキャップ膜22が形成されている。
【0019】
ポリシリコン膜14の側壁部分には、シリコン窒化酸化膜24が形成されている。シリコン窒化酸化膜24は、ゲート電極20をパターニングした際に導入されたダメージを除去するとともに、電界集中の緩和を図るためのものである。
【0020】
ゲート電極20及びシリコン窒化酸化膜24の側壁には、サイドウォール絶縁膜26が形成されている。ゲート電極20の両側のシリコン基板10内には、不純物拡散領域28aと不純物拡散領域28bとにより構成されたエクステンションソースドレイン構造のソース/ドレイン拡散層28が形成されている。
【0021】
本実施形態による半導体装置は、ゲート電極20の端部の下方のゲート絶縁膜12とシリコン基板10との界面に窒素濃度の高い領域30が形成されている点に主な特徴の一つがある。
【0022】
即ち、ゲート電極20の端部の下方におけるゲート絶縁膜12とシリコン基板10との界面の窒素濃度が、ゲート電極20の直下、即ちゲート電極20の端部を除く領域の下方のゲート絶縁膜12における窒素濃度より高くなっている。
【0023】
窒素濃度が高くなっている領域30、32は、図中、陰影を付すことにより表されている。本明細書中では、このような窒素濃度が高くなっている領域を窒素高濃度領域という。
【0024】
なお、本実施形態で、ゲート電極20の端部の下方におけるゲート絶縁膜12とシリコン基板10との界面の窒素濃度が、ゲート電極20の直下のゲート絶縁膜12における窒素濃度より高くなっているのは、後述するように、ゲート電極20をパターニングした後に、窒素高濃度領域30を形成するためである。
【0025】
図2は、ゲート電極の端部の下方のゲート絶縁膜とシリコン基板との界面近傍領域における窒素濃度分布を示すグラフである。横軸は深さを表しており、縦軸は窒素濃度を表している。図中、シリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面は、破線で表されている。
【0026】
図2から分かるように、シリコン基板10とゲート絶縁膜12と界面近傍領域において窒素濃度が高くなっている。
【0027】
図23に示す提案されている半導体装置では、ポリシリコン膜の側壁部分に選択的に酸化膜を形成する際に、シリコン基板とシリコン窒化膜との界面から酸化が進行し、窒素高濃度領域がシリコン基板とゲート絶縁膜との界面から離間してしまっていた。このため、ホットキャリア耐性が劣化したり、ソース/ドレイン拡散層からボロン等の不純物が抜けてしまうこともあった。これに対し、本実施形態では、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に窒素高濃度領域30が形成されているので、良好なホットキャリア耐性を得ることができ、また、ソース/ドレイン拡散層からボロン等の不純物が抜けてしまうのを防止することができる。
【0028】
また、本実施形態による半導体装置は、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24との界面に窒素濃度の高い領域32が形成されている点にも主な特徴の一つがある。本実施形態では、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24との界面に窒素高濃度領域32が形成されているので、ポリシリコン膜14に導入されたボロン等の不純物がシリコン窒化酸化膜24に抜けてしまうのを抑制することができる。従って、本実施形態によれば、ポリシリコン膜14の空乏化を防止することができ、電気的特性の良好な半導体装置を提供することができる。
【0029】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法を図3乃至図8を用いて説明する。図3乃至図6は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0030】
まず、図3(a)に示すように、シリコン基板10上に、膜厚4.5nmのシリコン窒化酸化膜より成るゲート絶縁膜12を形成する。かかるゲート絶縁膜12は、例えば、シリコン基板10表面をウェット酸化し、この後、NOガス雰囲気中で熱処理を行うことにより形成することができる。
【0031】
次に、ゲート絶縁膜12を形成したシリコン基板10上に、例えば、CVD法により、膜厚70nmのポリシリコン膜14を形成する。
【0032】
次に、イオン注入により、ポリシリコン膜14に不純物を導入する。p形のポリシリコン膜を形成する際には、例えば、加速エネルギー5keV、ドーズ量2×1015cm-2で、B(ボロン)イオンを注入する。また、n形のポリシリコン膜を形成する際には、例えば、加速エネルギー10keV、ドーズ量4×1015cm-2で、P(リン)イオンを注入する。
【0033】
次に、ポリシリコン膜14上に、例えばスパッタ法により、膜厚5nmのWNより成るバッファ膜16を形成する。
【0034】
次に、バッファ膜16上に、例えばスパッタ法により、膜厚40nmのWより成る金属膜18を形成する。
【0035】
次に、金属膜18上に、例えば、CVD法により、膜厚200nmのSiNより成るキャップ膜22を形成する(図3(b)参照)。
【0036】
次に、フォトリソグラフィ技術を用い、キャップ膜22、金属膜18、バッファ膜16、及びポリシリコン膜14をパターニングし、上面がキャップ膜22に覆われた、ポリシリコン膜14、バッファ膜16、及び金属膜18より成るポリメタル構造のゲート電極20を形成する(図4(a)参照)。
【0037】
次に、金属膜18及びバッファ膜16を酸化することなくポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン窒化酸化膜24を形成し、また、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に窒素高濃度領域30を形成し、更に、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24との界面に窒素高濃度領域32を形成する。
【0038】
このようなシリコン窒化酸化膜24や窒素高濃度領域30、32は、図7に示すようなプロセスにより形成することができる。図7は、シリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。図7(a)は成膜室内の温度を示しており、図7(b)は成膜室に導入するガスの流量を示しており、図7(c)は成膜室内の圧力を示している。
【0039】
即ち、まず、図7に示すように、成膜室内の圧力が大気圧、即ち約101.3kPaの状態で、成膜室内の温度を350℃とし、成膜室内に10SLMの流量でN2ガスを導入する。この後、N2ガスの流量を20SLMとする。なお、成膜室内の温度を350℃と低く設定しておくのは、成膜室内に酸素が残存している段階で成膜室内を高温にすると、金属膜18等の側壁部分が酸化されてしまう虞があるからである。
【0040】
次に、N2ガスの導入を中止し、成膜室内を真空にする。
【0041】
次に、5SLMの流量で成膜室内にN2ガスを導入し、成膜室内の圧力を4kPa程度とする。この後、成膜室内の温度を800℃まで上昇させていく。成膜室内の温度が800℃まで上昇したら、N2ガスの導入を中止する。
【0042】
次に、成膜室内に、H2ガス、H2Oガス、NOガスを順次導入していく。まず、1SLMの流量でH2ガスの導入を開始する。次に、0.4SLMの流量でH2Oガスの導入を開始する。この後、0.5SLMの流量でNOガスの導入を開始する。
【0043】
成膜室内に導入されたNOガスは窒素供給源として機能し、H2Oガスは酸化性ガスとして機能し、H2ガスは還元性ガスとして機能する。
【0044】
このような雰囲気中で、例えば800℃、60分の熱処理を行うと、金属膜18及びバッファ膜16を酸化することなく、ポリシリコン膜14の側壁部分が選択的に酸窒化され、ポリシリコン膜14の側壁部分に膜厚10nmのシリコン窒化膜24が形成される。また、この酸窒化により、シリコン基板10上に露出したゲート絶縁膜12上にも、酸窒化膜が2.7nm程度成長することとなる。また、この酸窒化により、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に窒素高濃度領域30が形成され、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24との界面に窒素高濃度領域32が形成される。
【0045】
図8は、シリコンとタングステンの酸化の有無を示すグラフである。横軸は成膜温度を示しており、縦軸はH2ガスとH2Oガスとの分圧比を示している。なお、このグラフは、N.Yamamoto et al., In Proc. 15th SSDM, 94 (1983)から引用したものである。
【0046】
図8から分かるように、H2ガスとH2Oガスとの分圧比をハッチングを付した範囲内で設定すれば、Wを酸化することなく、Siのみが酸化される。
【0047】
従って、H2ガスとH2Oガスとの分圧比を図8でハッチングを付した範囲内に設定して成膜を行えば、金属膜18を酸化することなく、ポリシリコン膜14の側壁部分を選択的に酸窒化することができると考えられる。
【0048】
例えば、成膜室内の温度を800℃とした場合には、H2に対するH2Oの分圧比を1×10-8〜4×10-1の範囲内で設定すればよいと考えられる。
【0049】
選択的な酸化は、シリコン酸化膜を生成するギブスの自由エネルギー(Gibbs Free Energy)が、金属酸化物を生成するギブスの自由エネルギーより大きいことを利用している。本実施形態で用いられているWは、酸化されやすい金属であり、例えば800℃におけるギブスの自由エネルギーは99kcalである。
【0050】
ここで、他の金属材料について、800℃におけるギブスの自由エネルギーを検討したところ、Niは34kcal、Coは76kcal、Crは101kcal、Moは95kcalであった。これらの金属材料のギブスの自由エネルギーは、Wのギブスの自由エネルギーとほぼ同等、又はWの場合より小さい。
【0051】
従って、これらの金属を金属膜18の材料として用いた場合であっても、本実施形態と同様の条件で選択的な酸化を行うことが可能と考えられる。
【0052】
また、Au、Ag、Pt等の貴金属も、800℃では酸化されないと考えられる。従って、これらの貴金属を金属膜18の材料として用いた場合であっても、選択的な酸化を行うことが可能と考えられる。
【0053】
また、上記では、NOガスの流量を0.5SLMとしたが、NOガスの流量は0.5SLMに限定されるものではない。例えば、NOガスの流量は、1SLM以下の範囲で適宜設定することができる。
【0054】
次に、図7に示すように、NOガス、H2Oガス、H2ガスの導入を順次中止する。
【0055】
次に、5SLMの流量で、成膜室内にN2ガスを導入する。この後、成膜室内の温度を300℃まで低下させる。
【0056】
次に、成膜室内の温度が300℃まで低下したら、成膜室内へのN2ガスの導入を中止する。N2ガスの導入を中止すると、成膜室内が真空状態となる。
【0057】
次に、20SLMの流量で、成膜室内にN2ガスを導入する。これにより、成膜室内の圧力が、大気圧まで上昇していく。この後、成膜室内へのN2ガスの導入量を10SLMにする。
【0058】
こうして、ポリシリコン膜14の側壁部分にシリコン窒化膜24が選択的に形成され、また、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に窒素高濃度領域30が形成され、更には、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24との界面に窒素高濃度領域32が形成される(図4(b)参照)。
【0059】
次に、ゲート電極20をマスクとして、イオン注入を行い、これによりゲート電極20の両側のシリコン基板10に、エクステンションソースドレインの浅い領域を構成する不純物拡散領域28aを形成する(図5(a)参照)。p形MOSトランジスタの不純物拡散領域を形成する場合には、例えば、加速エネルギー10keV、ドーズ量5×1014cm-2で、BF2イオンを注入する。また、nMOSトランジスタの不純物拡散領域を形成する場合には、例えば、加速エネルギー15keV、ドーズ量5×1014cm-2で、Asイオンを注入する。
【0060】
次に、全面に、例えばCVD法により、膜厚20nmのシリコン窒化膜を形成する。この後、シリコン窒化膜を異方性エッチングし、ゲート電極20及びシリコン窒化酸化膜24の側壁に、シリコン窒化膜より成るサイドウォール絶縁膜26を形成する(図5(b)参照)。
【0061】
次に、ゲート電極20及びサイドウォール絶縁膜26をマスクとして、イオン注入を行い、これによりエクステンションソースドレインの深い領域を構成する不純物拡散領域28bを形成する。pMOSトランジスタの不純物拡散領域を形成する場合には、例えば、加速エネルギー45keV、ドーズ量3×1015cm-2で、BF2イオンを注入する。また、nMOSトランジスタの不純物拡散領域を形成する場合には、例えば、加速エネルギー50keV、ドーズ量3×1015cm-2で、Asイオンを注入する。
【0062】
次に、窒素雰囲気中で、例えば950℃、10秒の熱処理を行い、不純物拡散領域28a、28bに導入されたイオンを活性化し、ソース/ドレイン拡散層28を形成する。
【0063】
こうして、ポリメタル構造のゲート電極20を有するMOSトランジスタが形成される。
【0064】
このように本実施形態によれば、ゲート電極をパターニングした後に、窒素原子を含み、酸化作用と還元作用とを有するガス雰囲気中で熱処理を行うので、ポリシリコン膜の側壁部分に選択的にシリコン窒化酸化膜を形成するとともに、ポリシリコン膜とシリコン窒化酸化膜との界面に窒素高濃度領域を形成することができる。ポリシリコン膜とシリコン窒化酸化膜との界面に窒素高濃度領域が形成されるので、本実施形態によれば、ポリシリコン膜の空乏化を抑制することができる。
【0065】
また、本実施形態によれば、ゲート電極をパターニングした後に、窒素原子を含み、酸化作用と還元作用とを有するガス雰囲気中で熱処理を行うので、ゲート電極の端部の下方のシリコン基板とゲート絶縁膜との界面に窒素高濃度領域を形成することができる。シリコン基板とゲート絶縁膜との界面に窒素高濃度領域が形成されるので、本実施形態によれば、ホットキャリア耐性の良好な半導体装置を提供することができる。
【0066】
(変形例(その1))
本実施形態の変形例(その1)による半導体装置の製造方法を図9を用いて説明する。図9は、本変形例によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【0067】
本変形例による半導体装置の製造方法は、シリコン窒化酸化膜26及び窒素高濃度領域30、32を形成する際に、窒素供給源としてN2Oガスを用いることに主な特徴がある。
【0068】
まず、成膜室内の温度を800℃まで上昇し、N2ガスの導入を中止するまでのプロセスは、図7に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0069】
次に、図9に示すように、成膜室内に、H2ガス、H2Oガス、N2Oガスを順次導入していく。まず、1SLMの流量でH2ガスの導入を開始する。次に、0.4SLMの流量でH2Oガスの導入を開始する。この後、5SLMの流量でN2Oガスの導入を開始する。N2Oガスは、熱分解してNOガスとなり、窒素供給源として機能する。
【0070】
なお、N2Oガスの流量は5SLMに限定されるものではなく、例えば5SLM以下の範囲で適宜設定すればよい。また、H2OガスとH2ガスとの分圧比も、金属膜18及びバッファ膜16を酸化することなく、ポリシリコン膜14の側壁部分にシリコン窒化酸化膜24を形成できる条件で適宜設定すればよい。
【0071】
このような雰囲気中で、例えば800℃、60分の熱処理を行うと、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン窒化酸化膜24が形成され、また、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に窒素高濃度領域30が形成され、更には、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24との界面に窒素高濃度領域32が形成される。
【0072】
次に、N2Oガス、H2ガス、H2Oガスの成膜室内への導入を順次中止する。
【0073】
この後のプロセスは図7に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0074】
このように窒素供給源としてN2Oガスを用いた場合であっても、図1に示す第1実施形態と同様の半導体装置を製造することができる。
【0075】
(変形例(その2))
本実施形態の変形例(その2)による半導体装置の製造方法を図10を用いて説明する。図10は、本変形例によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【0076】
本変形例による半導体装置の製造方法は、シリコン窒化酸化膜24及び窒素高濃度領域30、32を形成する際に、窒素供給源としてNH3ガスを導入することに主な特徴がある。
【0077】
まず、成膜室内の温度を800℃まで上昇し、N2ガスの導入を中止するまでのプロセスは、図7に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0078】
次に、図10に示すように、成膜室内に、H2ガス、H2Oガス、NH3ガスを順次導入していく。まず、1SLMの流量でH2ガスの導入を開始する。次に、0.4SLMの流量でH2Oガスの導入を開始する。この後、0.1SLMの流量でNH3ガスの導入を開始する。
【0079】
なお、NH3ガスの流量は0.1SLMに限定されるものではなく、例えば0.5SLM以下の範囲で適宜設定すればよい。また、H2OガスとH2ガスとの分圧比も、金属膜18及びバッファ膜16を酸化することなく、ポリシリコン膜14の側壁部分にシリコン窒化酸化膜24を形成できる条件で適宜設定すればよい。
【0080】
このような雰囲気中で、例えば800℃、60分の熱処理を行うと、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン窒化酸化膜24が形成され、また、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に窒素高濃度領域30が形成され、更には、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24との界面に窒素高濃度領域32が形成される。
【0081】
次に、N2Oガス、H2ガス、H2Oガスの成膜室内への導入を順次中止する。
【0082】
この後のプロセスは図7に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0083】
このように窒素供給源としてNH3ガスを用いた場合であっても、図1に示す第1実施形態と同様の半導体装置を製造することができる。
【0084】
(変形例(その3))
本実施形態の変形例(その3)による半導体装置の製造方法を図11を用いて説明する。図11は、本変形例によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【0085】
本変形例による半導体装置の製造方法は、シリコン窒化酸化膜24及び窒素高濃度領域30、32を形成する際に、H2ガスを導入しないことに主な特徴がある。
【0086】
まず、成膜室内の温度を800℃まで上昇し、N2ガスの導入を中止するまでのプロセスは、図7に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0087】
次に、成膜室内に、NH3ガス、H2Oガスを順次導入していく。まず、0.1SLMの流量でNH3ガスの導入を開始する。次に、0.4SLMの流量でH2Oガスの導入を開始する。NH3ガスに含まれる窒素はシリコン窒化酸化膜24や窒素高濃度領域30、32を形成する際の窒素供給源として機能し、NH3ガスに含まれる水素は金属膜18やバッファ膜16の酸化を防止する還元性ガスとして機能する。
【0088】
なお、NH3ガスの流量は0.1SLMに限定されるものではなく、例えば0.05〜0.2SLMの範囲で適宜設定することができる。また、NH3ガスとH2Oガスとの分圧比は、例えば、1:4〜1:1の範囲で適宜設定することができる。
【0089】
このような雰囲気中で、例えば800℃、60分の熱処理を行うと、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン窒化酸化膜24が形成され、また、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に窒素高濃度領域30が形成され、更には、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24との界面に窒素高濃度領域32が形成される。
【0090】
次に、H2Oガス、NH3ガスの成膜室内への導入を順次中止する。
【0091】
この後のプロセスは図7に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0092】
本変形例によれば、NH3に含まれる水素が、金属膜18及びバッファ膜16の酸化を防止する還元性ガスとして機能するため、H2ガスを導入しない場合であっても、図1に示す第1実施形態と同様の半導体装置を製造することができる。
【0093】
(変形例(その4))
本実施形態の変形例(その4)による半導体装置の製造方法を図12を用いて説明する。図12は、本変形例によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【0094】
本変形例による半導体装置の製造方法は、シリコン窒化酸化膜24及び窒素高濃度領域30、32を形成する際に、N2ガスで希釈した雰囲気を用いることに主な特徴がある。
【0095】
まず、N2ガスの導入を中止し、成膜室内を真空にするまでのプロセスは、図7に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0096】
次に、成膜室内に、5SLMの流量でN2ガスの導入を開始する。N2ガスは、希釈ガスとして機能するものである。
【0097】
次に、N2ガスの導入を中止することなく、H2ガス、H2Oガス、NOガスを順次導入していく。まず、1SLMの流量でH2ガスの導入を開始する。次に、0.4SLMの流量でH2Oガスの導入を開始する。次に、0.5SLMの流量でNOガスの導入を開始し、成膜室内の圧力を例えば26.7kPa程度とする。
【0098】
なお、NOガスの流量は1SLMに限定されるものではなく、例えば1SLM以下の範囲で適宜設定すればよい。また、H2OガスとH2ガスとの分圧比も、W膜及びバッファ膜を酸化することなく、ポリシリコン膜14の側壁部分にシリコン窒化酸化膜24を選択的に形成できる条件で適宜設定すればよい。また、H2OガスとH2ガスとNOガスの分圧比は、例えば、2:1〜5:1の範囲で適宜設定することができる。
【0099】
このような雰囲気中で、例えば800℃、60分の熱処理を行うと、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン窒化酸化膜24が形成され、また、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に窒素高濃度領域30が形成され、更には、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24との界面に窒素高濃度領域32が形成される。
【0100】
次に、NOガス、H2Oガス、H2ガスの成膜室内への導入を順次中止する。
【0101】
この後のプロセスは図7に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0102】
本変形例にようにN2ガスで希釈した雰囲気を用いる場合であっても、図1に示す第1実施形態による半導体装置と同様の半導体装置を製造することができる。
【0103】
(変形例(その5))
本実施形態の変形例(その5)による半導体装置の製造方法を図13を用いて説明する。図13は、本変形例によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【0104】
本変形例による半導体装置の製造方法は、シリコン窒化酸化膜24及び窒素高濃度領域30、32を形成する際に、Arガスで希釈した雰囲気を用いることに主な特徴がある。
【0105】
まず、N2ガスの導入を中止し、成膜室内を真空にするまでのプロセスは、図7に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0106】
次に、成膜室内に、5SLMの流量でArガスの導入を開始する。Arガスは、希釈ガスとして機能するものである。
【0107】
次に、N2ガスの導入を中止することなく、H2ガス、H2Oガス、NOガスを順次導入していく。具体的には、まず、1SLMの流量でH2ガスの導入を開始する。次に、0.4SLMの流量でH2Oガスの導入を開始する。次に、0.5SLMの流量でNOガスの導入を開始し、成膜室内の圧力を例えば26.7kPa程度とする。
【0108】
なお、NOガスの流量は1SLMに限定されるものではなく、例えば1SLM以下の範囲で適宜設定すればよい。また、H2OとH2との分圧比も、金属膜18及びバッファ膜16を酸化することなく、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン窒化酸化膜24を形成できる条件で適宜設定すればよい。また、H2OガスとH2ガスとNOガスの分圧比は、例えば、4:10:1〜4:10:5の範囲で適宜設定することができる。
【0109】
このような雰囲気中で、例えば800℃、60分の熱処理を行うと、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン窒化酸化膜24が形成され、また、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に窒素高濃度領域30が形成され、更には、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24との界面に窒素高濃度領域32が形成される。
【0110】
次に、NOガス、H2Oガス、H2ガスの成膜室内への導入を順次中止する。
【0111】
次に、Arガスの成膜室内への導入を中止する。
【0112】
この後のプロセスは図7に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0113】
本変形例にようにArガスで希釈した雰囲気を用いる場合であっても、図1に示す第1実施形態による半導体装置と同様の半導体装置を製造することができる。
【0114】
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による半導体装置及びその製造方法を図14乃至図16を用いて説明する。図14は、本実施形態による半導体装置を示す断面図である。図15は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。図16は、本実施形態によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。図1乃至図13に示す第1実施形態による半導体装置及びその製造方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【0115】
まず、本実施形態による半導体装置について図14を用いて説明する。
【0116】
図14に示すように、ポリシリコン膜14の側壁部分には、シリコン窒化酸化膜24aが形成されている。かかるシリコン窒化酸化膜24aは、第1実施形態による半導体装置のシリコン窒化酸化膜24とほぼ同様のものであり、後述する方法により形成することができる。
【0117】
他の構成要素については、図1に示す第1実施形態による半導体装置と同様であるので説明を省略する。
【0118】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図15及び図16を用いて説明する。
【0119】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、ポリシリコン膜の側壁部分にシリコン酸化膜を選択的に形成した後、窒素高濃度領域を形成することに主な特徴がある。
【0120】
まず、ゲート電極20を形成するまでの工程は、図3(a)乃至図4(a)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0121】
次に、図15(a)に示すように、金属膜18及びバッファ膜16を酸化することなく、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン酸化膜23を形成する。このようなシリコン酸化膜23は、図16に示すようなプロセスで形成することができる。
【0122】
まず、N2ガスの導入を中止し、成膜室内を真空にするまでのプロセスは、図7に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0123】
次に、図16に示すように、成膜室内に、H2ガス、H2Oガスを順次導入していく。まず、1SLMの流量でH2ガスの導入を開始する。次に、0.4SLMの流量でH2Oガスの導入を開始し、成膜室内の圧力を例えば4kPaとする。
【0124】
なお、H2OとH2との分圧比は、金属膜18及びバッファ膜16を酸化することなく、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン窒化酸化膜24を形成できる条件で適宜設定すればよい。
【0125】
そして、成膜室内の温度を800℃まで上昇していく。このような雰囲気中で、例えば800℃、60分の熱処理を行うと、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン酸化膜23が形成される。
【0126】
次に、H2Oガスの成膜室内への導入を終了する。
【0127】
次に、H2ガスの成膜室内への導入を終了することなく、1SLMの流量でNOガスの導入を開始する。このような雰囲気中で800℃、30分の熱処理を行うと、シリコン酸化膜23内に窒素が導入されてシリコン窒化酸化膜24aになり、また、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24aとの界面に窒素高濃度領域32が形成され、更には、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に、窒素高濃度領域30が形成される(図15(b)参照)。
【0128】
なお、NOガスとH2ガスとの分圧比は、例えば、1:1〜0.2:1の範囲で適宜設定することができる。
【0129】
この後の本実施形態による半導体装置の製造方法は、図5(a)乃至図6に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0130】
このようにポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン酸化膜23を形成した後、窒素高濃度領域30、32を形成する場合であっても、図1に示す第1実施形態と同様の半導体装置を製造することができる。
【0131】
(変形例(その1))
本実施形態の変形例(その1)による半導体装置の製造方法を図17を用いて説明する。図17は、本変形例によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【0132】
本変形例による半導体装置の製造方法は、NH3ガスより成る雰囲気を用いて、シリコン酸化膜23に窒素を導入するとともに、窒素高濃度領域30、32を形成することに主な特徴がある。
【0133】
まず、成膜室内に、H2ガス及びH2Oガスを導入して、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン酸化膜23を形成するプロセスまでは、図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する。
【0134】
次に、図17に示すように、H2Oガスの導入を終了し、更に、H2ガスの導入を終了する。
【0135】
次に、0.1SLMの流量でNH3ガスの導入を開始する。このような雰囲気中で800℃、30分の熱処理を行うと、シリコン酸化膜23内に窒素が導入されてシリコン窒化酸化膜24aになり、また、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24aとの界面に窒素高濃度領域32が形成され、更には、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に、窒素高濃度領域30が形成される
次に、成膜室内へのNH3ガスの導入を終了する。
【0136】
この後のプロセスは図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0137】
このようにNH3ガスより成る雰囲気を用いる場合であっても、シリコン酸化膜23に窒素を導入してシリコン窒化酸化膜24aを形成することができ、また、窒素高濃度領域30、32を形成することができる。従って、本変形例によっても、図14に示す第2実施形態による半導体装置と同様の半導体装置を製造することができる。
【0138】
(変形例(その2))
本実施形態の変形例(その2)による半導体装置の製造方法を図18を用いて説明する。図18は、本変形例によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【0139】
本変形例による半導体装置の製造方法は、NOガスとNH3ガスとより成る雰囲気を用いてシリコン酸化膜23に窒素を導入するとともに、窒素高濃度領域30、32を形成することに主な特徴がある。
【0140】
まず、成膜室内に、H2ガス及びH2Oガスを導入してポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン酸化膜23を形成するプロセスまでは、図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する。
【0141】
次に、図18に示すように、H2Oガスの導入を終了し、この後、H2ガスの導入を終了する。
【0142】
次に、0.1SLMの流量でNH3ガスの導入を開始する。この後、0.5SLMの流量でNOガスの導入を開始する。このような雰囲気中で800℃、30分の熱処理を行うと、シリコン酸化膜23内に窒素が導入されてシリコン窒化酸化膜24aとなり、また、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24aとの界面に窒素高濃度領域32が形成され、更には、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に、窒素高濃度領域30が形成される。
【0143】
なお、NOガスとNH3ガスとの分圧比は、例えば、1:1〜5:1の範囲で適宜設定することができる。
【0144】
次に、NOガスの導入を終了し、この後、NH3ガスの導入を終了する。
【0145】
この後のプロセスは図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0146】
このようにNOガスとNH3ガスとより成る雰囲気を用いる場合であっても、シリコン酸化膜23に窒素を導入してシリコン窒化酸化膜24aを形成することができ、また、窒素高濃度領域30、32を形成することができる。従って、本変形例によっても、図14に示す第2実施形態による半導体装置と同様の半導体装置を製造することができる。
【0147】
(変形例(その3))
本実施形態の変形例(その3)による半導体装置の製造方法を図19を用いて説明する。図19は、本変形例によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【0148】
本変形例による半導体装置の製造方法は、N2OガスとH2ガスとより成る雰囲気を用いてシリコン酸化膜23に窒素を導入するとともに、窒素高濃度領域30、32を形成することに主な特徴がある。
【0149】
まず、成膜室内に、H2ガス及びH2Oガスを導入してポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン酸化膜23を形成する工程までは、図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する。
【0150】
次に、図19に示すように、成膜室内へのH2ガスの導入を終了することなく、H2Oガスの成膜室内への導入を終了する。
【0151】
次に、5SLMの流量でN2Oガスの導入を開始する。このような雰囲気中で800℃、30分の熱処理を行うと、シリコン酸化膜23内に窒素が導入されてシリコン窒化酸化膜24aとなり、また、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24aとの界面に窒素高濃度領域32が形成され、更には、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に、窒素高濃度領域30が形成される。
【0152】
なお、H2ガスとN2Oガスとの分圧比は、例えば、1:1〜1:5の範囲で適宜設定することができる。
【0153】
次に、N2Oガスの導入を終了し、この後、H2ガスの導入を終了する。
【0154】
この後のプロセスは図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0155】
このようにN2OガスとH2ガスとより成る雰囲気を用いる場合であっても、シリコン酸化膜23に窒素を導入してシリコン窒化酸化膜24aを形成することができ、また、窒素高濃度領域30、32を形成することができる。従って、本変形例によっても、図14に示す第2実施形態による半導体装置と同様の半導体装置を製造することができる。
【0156】
(変形例(その4))
本実施形態の変形例(その4)による半導体装置の製造方法を図20を用いて説明する。図20は、本変形例によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【0157】
本変形例による半導体装置の製造方法は、N2OガスとNH3ガスとより成る雰囲気を用いてシリコン酸化膜23に窒素を導入するとともに、窒素高濃度領域30、32を形成することに主な特徴がある。
【0158】
まず、成膜室内に、H2ガス、H2Oガスを導入してポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン酸化膜23を形成する工程までは、図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する。
【0159】
次に、図20に示すように、H2Oガスの導入を終了し、この後、H2ガスの導入を終了する。
【0160】
次に、0.1SLMの流量でNH3ガスの導入を開始する。この後、5SLMの流量でN2Oガスの導入を開始する。このような雰囲気中で800℃、30分の熱処理を行うと、シリコン酸化膜23内に窒素が導入されてシリコン窒化酸化膜24aとなり、また、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24aとの界面に窒素高濃度領域32が形成され、更には、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に、窒素高濃度領域30が形成される。
【0161】
なお、NH3ガスとN2Oガスとの分圧比は、例えば、1:10〜1:50の範囲で適宜設定することができる。
【0162】
次に、N2Oガスの導入を終了し、この後、NH3ガスの導入を終了する。
【0163】
この後のプロセスは図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0164】
このようにN2OガスとNH3ガスとより成る雰囲気を用いる場合であっても、シリコン酸化膜23に窒素を導入してシリコン窒化酸化膜24aを形成することができ、また、窒素高濃度領域30、32を形成することができる。従って、本変形例によっても、図14に示す第2実施形態による半導体装置と同様の半導体装置を製造することができる。
【0165】
(変形例(その5))
本実施形態の変形例(その5)による半導体装置の製造方法を図21を用いて説明する。図21は、本変形例によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【0166】
本変形例による半導体装置の製造方法は、N2ガスで希釈された雰囲気を用いてシリコン酸化膜23に窒素を導入するとともに、窒素高濃度領域30、32を形成することに主な特徴がある。
【0167】
まず、N2ガスの導入を中止し、成膜室内を真空にするまでのプロセスは、図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0168】
次に、図21に示すように、成膜室内に、5SLMの流量でN2ガスの導入を開始する。N2ガスは、希釈ガスとして機能するものである。
【0169】
次に、N2ガスの導入を中止することなく、H2ガス、H2Oガスを順次導入する。具体的には、まず、1SLMの流量でH2ガスの導入を開始する。次に、0.4SLMの流量でH2Oガスの導入を開始し、成膜室内の圧力を例えば26.7kPa程度とする。
【0170】
このような雰囲気中で、例えば800℃、60分の熱処理を行うと、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン酸化膜23が形成される。
【0171】
次に、H2ガスとN2ガスの導入を終了することなく、H2Oガスの導入を終了する。
【0172】
次に、1SLMの流量でNOガスの導入を開始する。このような雰囲気中で、例えば800℃、30分の熱処理を行うと、シリコン酸化膜23内に窒素が導入されてシリコン窒化酸化膜24aとなり、また、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24aとの界面に窒素高濃度領域32が形成され、更には、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に、窒素高濃度領域30が形成される。
【0173】
なお、NOガスとH2ガスとN2ガスとの分圧比は、例えば、0.2:1:5〜1:1:5の範囲で適宜設定することができる。
【0174】
次に、NOガスの導入を終了し、この後、H2ガスの導入を終了する。更に、N2ガスの導入を終了する。
【0175】
この後のプロセスは図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0176】
本変形例にようにN2ガスで希釈した雰囲気を用いる場合であっても、シリコン酸化膜23に窒素を導入してシリコン窒化酸化膜24aを形成することができ、また、窒素高濃度領域30、32を形成することができる。従って、本変形例によっても、図14に示す第2実施形態による半導体装置と同様の半導体装置を製造することができる。
【0177】
(変形例(その6))
本実施形態の変形例(その6)による半導体装置の製造方法を図22を用いて説明する。図22は、本変形例によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【0178】
本変形例による半導体装置の製造方法は、Arガスで希釈された雰囲気中を用いてシリコン酸化膜23に窒素を導入するとともに、窒素高濃度領域30、32を形成することに主な特徴がある。
【0179】
まず、N2ガスの導入を中止し、成膜室内を真空にするまでのプロセスは、図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0180】
次に、成膜室内に、5SLMの流量でArガスの導入を開始する。Arガスは、希釈ガスとして機能するものである。
【0181】
次に、Arガスの導入を中止することなく、H2ガス、H2Oガスを順次導入していく。具体的には、まず、1SLMの流量でH2ガスの導入を開始する。次に、0.4SLMの流量でH2Oガスの導入を開始し、成膜室内の圧力を例えば26.7kPa程度とする。
【0182】
このような雰囲気中で、例えば800℃、60分の熱処理を行うと、ポリシリコン膜14の側壁部分に選択的にシリコン酸化膜23が形成される。
【0183】
次に、H2ガスとN2ガスの導入を終了することなく、H2Oガスの導入を終了する。
【0184】
次に、1SLMの流量でNOガスの導入を開始する。このような雰囲気中で、例えば800℃、30分の熱処理を行うと、シリコン酸化膜23内に窒素が導入されてシリコン窒化酸化膜24aとなり、また、ポリシリコン膜14とシリコン窒化酸化膜24aとの界面に窒素高濃度領域32が形成され、更には、ゲート電極20の端部の下方のシリコン基板10とゲート絶縁膜12との界面に、窒素高濃度領域30が形成される。
【0185】
なお、NOガスとH2ガスとArガスとの分圧比は、例えば、0.2:1:5〜1:1:5の範囲で適宜設定することができる。
【0186】
次に、NOガスの導入を終了し、この後、H2ガスの導入を終了する。更に、Arガスの導入を終了する。
【0187】
この後のプロセスは図16に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0188】
本変形例にようにArガスで希釈した雰囲気を用いる場合であっても、シリコン酸化膜23に窒素を導入してシリコン窒化酸化膜24aを形成することができ、また、窒素高濃度領域30、32を形成することができる。従って、本変形例によっても、図14に示す第2実施形態による半導体装置と同様の半導体装置を製造することができる。
【0189】
[変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【0190】
例えば、第1又は第2実施形態では、成膜室内の温度を800℃としてシリコン窒化酸化膜や窒素高濃度領域を形成したが、成膜室内の温度は800℃に限定されるものではない。例えば、成膜室内の温度を700℃〜1050℃の範囲、好ましくは750℃〜850℃の範囲で適宜設定してもよい。
【0191】
また、第1実施形態の変形例(その1)乃至変形例(その3)において、N2ガスやArガスを用いて希釈してもよい。
【0192】
また、第2実施形態の変形例(その1)乃至変形例(その4)において、N2ガスやArガスを用いて希釈してもよい。
【0193】
また、第1及び第2実施形態では、N2ガスやArガスを用いて希釈したが、希釈ガスはN2ガスやArガスに限定されるものではなく、例えばXeガス、Krガス等の希ガスを用いて希釈してもよい。
【0194】
また、ガス流量は、第1及び第2実施形態で示したガス流量に限定されるものではなく、所望のシリコン窒化酸化膜や所望の窒素高濃度領域を形成すべく、適宜ガス流量を設定してもよい。
【0195】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、ゲート電極をパターニングした後に、窒素原子を含み、酸化作用と還元作用とを有するガス雰囲気中で熱処理を行うので、ポリシリコン膜の側壁部分に選択的にシリコン窒化酸化膜を形成するとともに、ポリシリコン膜とシリコン窒化酸化膜との界面に窒素高濃度領域を形成することができる。ポリシリコン膜とシリコン窒化酸化膜との界面に窒素高濃度領域が形成されるので、本発明によれば、ポリシリコン膜の空乏化を抑制することができる。
【0196】
また、本発明によれば、ゲート電極をパターニングした後に、窒素原子を含み、酸化作用と還元作用とを有するガス雰囲気中で熱処理を行うので、ゲート電極の端部の下方のシリコン基板とゲート絶縁膜との界面に窒素高濃度領域を形成することができる。シリコン基板とゲート絶縁膜との界面に窒素高濃度領域が形成されるので、本発明によれば、ホットキャリア耐性の良好な半導体装置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実施形態による半導体装置を示す断面図である。
【図2】ゲート電極の端部の下方のゲート絶縁膜とシリコン基板との界面近傍領域における窒素濃度分布を示すグラフである。
【図3】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図4】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図5】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図6】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。
【図7】本発明の第1実施形態によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図8】シリコンとタングステンの酸化の有無を示すグラフである。
【図9】本発明の第1実施形態の変形例(その1)によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図10】本発明の第1実施形態の変形例(その2)によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図11】本発明の第1実施形態の変形例(その3)によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図12】本発明の第1実施形態の変形例(その4)によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図13】本発明の第1実施形態の変形例(その5)によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図14】本発明の第2実施形態による半導体装置を示す断面図である。
【図15】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図16】本発明の第2実施形態によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図17】本発明の第2実施形態の変形例(その1)によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図18】本発明の第2実施形態の変形例(その2)によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図19】本発明の第2実施形態の変形例(その3)によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図20】本発明の第2実施形態の変形例(その4)によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図21】本発明の第2実施形態の変形例(その5)によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図22】本発明の第2実施形態の変形例(その6)によるシリコン窒化酸化膜及び窒素高濃度領域の形成プロセスを示すタイムチャートである。
【図23】提案されている半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
10…シリコン基板
12…ゲート絶縁膜
14…ポリシリコン膜
16…バッファ膜
18…金属膜
20…ゲート電極
22…キャップ膜
23…シリコン酸化膜
24…シリコン窒化酸化膜
24a…シリコン窒化酸化膜
26…サイドウォール絶縁膜
28…ソース/ドレイン拡散層
28a、28b…不純物拡散領域
30…窒素高濃度領域
32…窒素高濃度領域
110…シリコン基板
112…ゲート絶縁膜
114…ポリシリコン膜
116…バッファ膜
118…金属膜
120…ゲート電極
122…キャップ膜
123…シリコン酸化膜
126…サイドウォール絶縁膜
128…ソース/ドレイン拡散層
128a、128b…不純物拡散領域
130…窒素高濃度領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a polymetal gate electrode in which a polysilicon film and a metal film are deposited and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Recently, with higher integration and higher speed of CMOS transistors, lower resistance of the gate electrode is required.
[0003]
As a technique for reducing the resistance of the gate electrode, a semiconductor device having a so-called polymetal structure in which a refractory metal and polysilicon are laminated has been proposed. Such a semiconductor device having a polymetal structure is, for example, Low-resistivity poly-metal gate electrode durable for high-temperature processing, Y. Akasaka et al., IEEE Trans.On electron Dev. 43 , 1864 (1996).
[0004]
A proposed semiconductor device having a polymetal structure will be described with reference to FIG. FIG. 23 is a cross-sectional view showing a proposed semiconductor device having a polymetal structure.
[0005]
As shown in FIG. 23, a gate
[0006]
A
[0007]
[0008]
The
[0009]
Tungsten used for the
[0010]
In such a semiconductor device having a polymetal structure, a metal film is used for the gate electrode. Therefore, the resistance of the gate electrode can be reduced, which can contribute to higher speed and higher integration.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the proposed semiconductor device, when the
[0012]
Further, in the proposed semiconductor device, impurities such as boron introduced into the
[0013]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can suppress depletion of a gate electrode and ensure hot carrier resistance in a semiconductor device having a polymetal structure, and a method for manufacturing the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The above purpose is A step of forming a gate insulating film on the silicon substrate; a step of forming a gate electrode having a polysilicon film and a metal film formed on the polysilicon film on the gate insulating film; Then, heat treatment is performed in a gas atmosphere having an oxidizing action and a reducing action to selectively form an insulating film on the side wall portion of the polysilicon film, and to insulate the silicon substrate and the gate under the end of the gate electrode. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: introducing nitrogen into an interface with the film Is achieved. Thus, since nitrogen is introduced at a high concentration at the interface between the silicon substrate and the gate insulating film, a semiconductor device with good hot carrier resistance can be provided.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 2 is a graph showing a nitrogen concentration distribution in a region near the interface between the gate insulating film and the silicon substrate below the end of the gate electrode. 3 to 6 are process cross-sectional views illustrating the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment. FIG. 7 is a time chart showing the formation process of the silicon oxynitride film and the high nitrogen concentration region according to the present embodiment. FIG. 8 is a graph showing the presence or absence of oxidation of silicon and tungsten.
[0016]
As shown in FIG. 1, a
[0017]
The
[0018]
A
[0019]
A
[0020]
A
[0021]
The semiconductor device according to the present embodiment has one of main features in that a
[0022]
That is, the nitrogen concentration at the interface between the
[0023]
The
[0024]
In the present embodiment, the nitrogen concentration at the interface between the
[0025]
FIG. 2 is a graph showing a nitrogen concentration distribution in a region near the interface between the gate insulating film and the silicon substrate below the end of the gate electrode. The horizontal axis represents the depth, and the vertical axis represents the nitrogen concentration. In the drawing, the interface between the
[0026]
As can be seen from FIG. 2, the nitrogen concentration is high in the
[0027]
In the proposed semiconductor device shown in FIG. 23, when the oxide film is selectively formed on the side wall portion of the polysilicon film, the oxidation proceeds from the interface between the silicon substrate and the silicon nitride film, and the high nitrogen concentration region is It was separated from the interface between the silicon substrate and the gate insulating film. For this reason, hot carrier resistance may deteriorate, and impurities such as boron may be lost from the source / drain diffusion layer. On the other hand, in this embodiment, since the nitrogen
[0028]
The semiconductor device according to the present embodiment also has one of main features in that a
[0029]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 3 to 6 are process cross-sectional views illustrating the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment.
[0030]
First, as shown in FIG. 3A, a
[0031]
Next, a
[0032]
Next, impurities are introduced into the
[0033]
Next, a
[0034]
Next, a
[0035]
Next, a
[0036]
Next, the
[0037]
Next, a
[0038]
Such
[0039]
That is, first, as shown in FIG. 7, the pressure in the film forming chamber is atmospheric pressure, that is, about 101.3 kPa, the temperature in the film forming chamber is set to 350 ° C., and N is flowed into the film forming chamber at a flow rate of 10 SLM. 2 Introduce gas. After this, N 2 The gas flow rate is 20 SLM. Note that the reason why the temperature in the film formation chamber is set to a low value of 350 ° C. is that when the film formation chamber is heated to a high temperature when oxygen remains in the film formation chamber, the side walls of the
[0040]
Next, N 2 The introduction of gas is stopped and the film formation chamber is evacuated.
[0041]
Next, N in the film formation chamber at a flow rate of 5 SLM. 2 Gas is introduced and the pressure in the deposition chamber is set to about 4 kPa. Thereafter, the temperature in the film formation chamber is raised to 800 ° C. When the temperature in the deposition chamber rises to 800 ° C, N 2 Stop introducing gas.
[0042]
Next, in the film formation chamber, H 2 Gas, H 2 O gas and NO gas will be introduced sequentially. First, H at a flow rate of 1 SLM 2 Start introducing gas. Next, H at a flow rate of 0.4 SLM 2 Start introducing O gas. Thereafter, introduction of NO gas is started at a flow rate of 0.5 SLM.
[0043]
The NO gas introduced into the deposition chamber functions as a nitrogen supply source, and H 2 O gas functions as an oxidizing gas and H 2 The gas functions as a reducing gas.
[0044]
When heat treatment is performed at 800 ° C. for 60 minutes in such an atmosphere, the side wall portion of the
[0045]
FIG. 8 is a graph showing the presence or absence of oxidation of silicon and tungsten. The horizontal axis indicates the film formation temperature, and the vertical axis indicates H 2 Gas and H 2 The partial pressure ratio with O gas is shown. This graph is taken from N. Yamamoto et al., In Proc. 15th SSDM, 94 (1983).
[0046]
As can be seen from FIG. 2 Gas and H 2 If the partial pressure ratio with the O gas is set within the hatched range, only Si is oxidized without oxidizing W.
[0047]
Therefore, H 2 Gas and H 2 When film formation is performed with the partial pressure ratio with O gas set within the hatched range in FIG. 8, the side wall portion of the
[0048]
For example, when the temperature in the deposition chamber is 800 ° C., H 2 Against H 2 The partial pressure ratio of O is 1 × 10 -8 ~ 4x10 -1 It is considered to be set within the range of.
[0049]
The selective oxidation utilizes the fact that the Gibbs free energy for producing the silicon oxide film is larger than the Gibbs free energy for producing the metal oxide. W used in the present embodiment is a metal that is easily oxidized. For example, the free energy of Gibbs at 800 ° C. is 99 kcal.
[0050]
Here, for other metal materials, the Gibbs free energy at 800 ° C. was examined. As a result, Ni was 34 kcal, Co was 76 kcal, Cr was 101 kcal, and Mo was 95 kcal. The Gibbs free energy of these metallic materials is approximately equal to or less than that of W Gibbs free energy.
[0051]
Therefore, even when these metals are used as the material of the
[0052]
Moreover, it is considered that noble metals such as Au, Ag, and Pt are not oxidized at 800 ° C. Therefore, even when these noble metals are used as the material of the
[0053]
In the above description, the flow rate of NO gas is 0.5 SLM, but the flow rate of NO gas is not limited to 0.5 SLM. For example, the flow rate of NO gas can be set as appropriate within a range of 1 SLM or less.
[0054]
Next, as shown in FIG. 2 O gas, H 2 The introduction of gas will be stopped sequentially.
[0055]
Next, N in the film formation chamber at a flow rate of 5 SLM. 2 Introduce gas. Thereafter, the temperature in the deposition chamber is lowered to 300 ° C.
[0056]
Next, when the temperature in the film formation chamber decreases to 300 ° C., N in the film formation chamber 2 Stop introducing gas. N 2 When the introduction of the gas is stopped, the film formation chamber is in a vacuum state.
[0057]
Next, N in the film formation chamber at a flow rate of 20 SLM. 2 Introduce gas. As a result, the pressure in the deposition chamber rises to atmospheric pressure. After this, N into the film formation chamber 2 The amount of gas introduced is 10 SLM.
[0058]
Thus, the
[0059]
Next, ion implantation is performed using the
[0060]
Next, a 20 nm-thickness silicon nitride film is formed on the entire surface by, eg, CVD. Thereafter, the silicon nitride film is anisotropically etched to form a
[0061]
Next, ion implantation is performed using the
[0062]
Next, heat treatment is performed, for example, at 950 ° C. for 10 seconds in a nitrogen atmosphere to activate the ions introduced into the
[0063]
Thus, a MOS transistor having a
[0064]
As described above, according to the present embodiment, after patterning the gate electrode, heat treatment is performed in a gas atmosphere containing nitrogen atoms and having an oxidizing action and a reducing action. In addition to forming the nitrided oxide film, a high nitrogen concentration region can be formed at the interface between the polysilicon film and the silicon nitrided oxide film. Since a high nitrogen concentration region is formed at the interface between the polysilicon film and the silicon oxynitride film, according to this embodiment, depletion of the polysilicon film can be suppressed.
[0065]
In addition, according to the present embodiment, after patterning the gate electrode, the heat treatment is performed in a gas atmosphere containing nitrogen atoms and having an oxidizing action and a reducing action. A high nitrogen concentration region can be formed at the interface with the insulating film. Since a high nitrogen concentration region is formed at the interface between the silicon substrate and the gate insulating film, according to this embodiment, a semiconductor device with good hot carrier resistance can be provided.
[0066]
(Modification (Part 1))
A method for manufacturing a semiconductor device according to the first modification of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a time chart showing the formation process of the silicon oxynitride film and the high nitrogen concentration region according to this modification.
[0067]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to this modification, N is used as a nitrogen supply source when the
[0068]
First, the temperature in the deposition chamber is increased to 800 ° C., and N 2 Since the process until the gas introduction is stopped is the same as that of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG.
[0069]
Next, as shown in FIG. 2 Gas, H 2 O gas, N 2 O gas will be introduced sequentially. First, H at a flow rate of 1 SLM 2 Start introducing gas. Next, H at a flow rate of 0.4 SLM 2 Start introducing O gas. After this, N at a flow rate of 5 SLM 2 Start introducing O gas. N 2 O gas is thermally decomposed into NO gas and functions as a nitrogen supply source.
[0070]
N 2 The flow rate of the O gas is not limited to 5 SLM, and may be set as appropriate within a range of 5 SLM or less, for example. H 2 O gas and H 2 The partial pressure ratio with the gas may be appropriately set under the condition that the
[0071]
In such an atmosphere, for example, when heat treatment is performed at 800 ° C. for 60 minutes, a
[0072]
Next, N 2 O gas, H 2 Gas, H 2 The introduction of O gas into the film formation chamber will be stopped sequentially.
[0073]
The subsequent processes are the same as those of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG.
[0074]
Thus, N as a nitrogen supply source 2 Even when O gas is used, a semiconductor device similar to that of the first embodiment shown in FIG. 1 can be manufactured.
[0075]
(Modification (Part 2))
A method for manufacturing a semiconductor device according to the second modification of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a time chart showing a process for forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to this modification.
[0076]
In the semiconductor device manufacturing method according to this modification, NH is used as a nitrogen supply source when the
[0077]
First, the temperature in the deposition chamber is increased to 800 ° C., and N 2 Since the process until the gas introduction is stopped is the same as that of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG.
[0078]
Next, as shown in FIG. 2 Gas, H 2 O gas, NH Three Gas will be introduced sequentially. First, H at a flow rate of 1 SLM 2 Start introducing gas. Next, H at a flow rate of 0.4 SLM 2 Start introducing O gas. After this, NH at a flow rate of 0.1 SLM Three Start introducing gas.
[0079]
NH Three The gas flow rate is not limited to 0.1 SLM, and may be set as appropriate within a range of 0.5 SLM or less, for example. H 2 O gas and H 2 The partial pressure ratio with the gas may be appropriately set under the condition that the
[0080]
In such an atmosphere, for example, when heat treatment is performed at 800 ° C. for 60 minutes, a
[0081]
Next, N 2 O gas, H 2 Gas, H 2 The introduction of O gas into the film formation chamber will be stopped sequentially.
[0082]
The subsequent processes are the same as those of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG.
[0083]
Thus, NH as a nitrogen source Three Even when a gas is used, a semiconductor device similar to that of the first embodiment shown in FIG. 1 can be manufactured.
[0084]
(Modification (Part 3))
A method of manufacturing a semiconductor device according to the modification (No. 3) of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is a time chart showing a process for forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to this modification.
[0085]
In the method of manufacturing the semiconductor device according to this modification, when the
[0086]
First, the temperature in the deposition chamber is increased to 800 ° C., and N 2 Since the process until the gas introduction is stopped is the same as that of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG.
[0087]
Next, in the film formation chamber, NH Three Gas, H 2 O gas will be introduced sequentially. First, NH at a flow rate of 0.1 SLM Three Start introducing gas. Next, H at a flow rate of 0.4 SLM 2 Start introducing O gas. NH Three Nitrogen contained in the gas functions as a nitrogen supply source when the
[0088]
NH Three The flow rate of the gas is not limited to 0.1 SLM, and can be appropriately set within a range of 0.05 to 0.2 SLM, for example. NH Three Gas and H 2 The partial pressure ratio with the O gas can be appropriately set within a range of, for example, 1: 4 to 1: 1.
[0089]
In such an atmosphere, for example, when heat treatment is performed at 800 ° C. for 60 minutes, a
[0090]
Next, H 2 O gas, NH Three The introduction of gas into the film formation chamber will be stopped sequentially.
[0091]
The subsequent processes are the same as those of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG.
[0092]
According to this variation, NH Three Since hydrogen contained in the metal functions as a reducing gas that prevents oxidation of the
[0093]
(Modification (Part 4))
A method of manufacturing a semiconductor device according to the modification (No. 4) of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 12 is a time chart showing the formation process of the silicon oxynitride film and the high nitrogen concentration region according to this modification.
[0094]
In the manufacturing method of the semiconductor device according to the present modification, when the
[0095]
First, N 2 Since the process from stopping the introduction of gas to evacuating the film forming chamber is the same as that of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG.
[0096]
Next, N at a flow rate of 5 SLM in the deposition chamber. 2 Start introducing gas. N 2 The gas functions as a dilution gas.
[0097]
Next, N 2 H without stopping the introduction of gas 2 Gas, H 2 O gas and NO gas will be introduced sequentially. First, H at a flow rate of 1 SLM 2 Start introducing gas. Next, H at a flow rate of 0.4 SLM 2 Start introducing O gas. Next, introduction of NO gas is started at a flow rate of 0.5 SLM, and the pressure in the film formation chamber is set to, for example, about 26.7 kPa.
[0098]
Note that the flow rate of NO gas is not limited to 1 SLM, and may be set as appropriate within a range of 1 SLM or less, for example. H 2 O gas and H 2 The partial pressure ratio with the gas may be set as appropriate under the condition that the silicon
[0099]
In such an atmosphere, for example, when heat treatment is performed at 800 ° C. for 60 minutes, a
[0100]
Next, NO gas, H 2 O gas, H 2 The introduction of gas into the film formation chamber will be stopped sequentially.
[0101]
The subsequent processes are the same as those of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG.
[0102]
N as in this variation 2 Even when an atmosphere diluted with gas is used, a semiconductor device similar to the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1 can be manufactured.
[0103]
(Modification (Part 5))
A method for manufacturing a semiconductor device according to a modification (No. 5) of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a time chart showing the formation process of the silicon oxynitride film and the high nitrogen concentration region according to this modification.
[0104]
The semiconductor device manufacturing method according to this modification is mainly characterized in that an atmosphere diluted with Ar gas is used when the
[0105]
First, N 2 Since the process from stopping the introduction of gas to evacuating the film forming chamber is the same as that of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG.
[0106]
Next, introduction of Ar gas is started at a flow rate of 5 SLM in the deposition chamber. Ar gas functions as a dilution gas.
[0107]
Next, N 2 H without stopping the introduction of gas 2 Gas, H 2 O gas and NO gas will be introduced sequentially. Specifically, first, at a flow rate of 1 SLM, H 2 Start introducing gas. Next, H at a flow rate of 0.4 SLM 2 Start introducing O gas. Next, introduction of NO gas is started at a flow rate of 0.5 SLM, and the pressure in the film formation chamber is set to, for example, about 26.7 kPa.
[0108]
Note that the flow rate of NO gas is not limited to 1 SLM, and may be set as appropriate within a range of 1 SLM or less, for example. H 2 O and H 2 May be set as appropriate under the condition that the
[0109]
In such an atmosphere, for example, when heat treatment is performed at 800 ° C. for 60 minutes, a
[0110]
Next, NO gas, H 2 O gas, H 2 The introduction of gas into the film formation chamber will be stopped sequentially.
[0111]
Next, the introduction of Ar gas into the deposition chamber is stopped.
[0112]
The subsequent processes are the same as those of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG.
[0113]
Even in the case where an atmosphere diluted with Ar gas is used as in this modification, a semiconductor device similar to the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1 can be manufactured.
[0114]
[Second Embodiment]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 14 is a sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 15 is a process cross-sectional view illustrating the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment. FIG. 16 is a time chart showing the formation process of the silicon oxynitride film and the high nitrogen concentration region according to the present embodiment. The same components as those of the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 13 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
[0115]
First, the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
[0116]
As shown in FIG. 14, a
[0117]
The other components are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG.
[0118]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0119]
The semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment is mainly characterized in that after a silicon oxide film is selectively formed on the side wall portion of the polysilicon film, a high nitrogen concentration region is formed.
[0120]
First, the steps until the
[0121]
Next, as shown in FIG. 15A, a
[0122]
First, N 2 Since the process from stopping the introduction of gas to evacuating the film forming chamber is the same as that of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG.
[0123]
Next, as shown in FIG. 2 Gas, H 2 O gas will be introduced sequentially. First, H at a flow rate of 1 SLM 2 Start introducing gas. Next, H at a flow rate of 0.4 SLM 2 O gas introduction is started and the pressure in the film forming chamber is set to 4 kPa, for example.
[0124]
H 2 O and H 2 May be set as appropriate under the condition that the
[0125]
Then, the temperature in the deposition chamber is increased to 800 ° C. When heat treatment is performed at 800 ° C. for 60 minutes in such an atmosphere, a
[0126]
Next, H 2 The introduction of O gas into the deposition chamber is completed.
[0127]
Next, H 2 The introduction of NO gas is started at a flow rate of 1 SLM without ending the introduction of the gas into the film formation chamber. When heat treatment is performed at 800 ° C. for 30 minutes in such an atmosphere, nitrogen is introduced into the
[0128]
NO gas and H 2 The partial pressure ratio with the gas can be appropriately set within a range of 1: 1 to 0.2: 1, for example.
[0129]
The subsequent manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIGS.
[0130]
As described above, even when the silicon high-
[0131]
(Modification (Part 1))
A method of manufacturing a semiconductor device according to the first modification of the embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 17 is a time chart showing a process for forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to this modification.
[0132]
The manufacturing method of the semiconductor device according to this modification is NH Three The main features are that nitrogen is introduced into the
[0133]
First, in the film formation chamber, H 2 Gas and H 2 The process up to introducing the O gas and selectively forming the
[0134]
Next, as shown in FIG. 2 The introduction of O gas is terminated, and H 2 Finish the gas introduction.
[0135]
Next, NH at a flow rate of 0.1 SLM Three Start introducing gas. When heat treatment is performed at 800 ° C. for 30 minutes in such an atmosphere, nitrogen is introduced into the
Next, NH into the film formation chamber Three Finish the gas introduction.
[0136]
The subsequent processes are the same as those of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment shown in FIG.
[0137]
In this way NH Three Even when an atmosphere made of a gas is used, nitrogen can be introduced into the
[0138]
(Modification (Part 2))
A method for manufacturing a semiconductor device according to a modification (No. 2) of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 18 is a time chart showing the formation process of the silicon oxynitride film and the high nitrogen concentration region according to this modification.
[0139]
The manufacturing method of the semiconductor device according to the present modification includes NO gas and NH. Three The main characteristics are that nitrogen is introduced into the
[0140]
First, in the film formation chamber, H 2 Gas and H 2 The process up to the process of introducing the O gas and selectively forming the
[0141]
Next, as shown in FIG. 2 After the introduction of O gas was completed, H 2 Finish the gas introduction.
[0142]
Next, NH at a flow rate of 0.1 SLM Three Start introducing gas. Thereafter, introduction of NO gas is started at a flow rate of 0.5 SLM. When heat treatment is performed at 800 ° C. for 30 minutes in such an atmosphere, nitrogen is introduced into the
[0143]
NO gas and NH Three The partial pressure ratio with the gas can be appropriately set within a range of 1: 1 to 5: 1, for example.
[0144]
Next, the introduction of NO gas is terminated, and then NH Three Finish the gas introduction.
[0145]
The subsequent processes are the same as those of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment shown in FIG.
[0146]
In this way, NO gas and NH Three Even when an atmosphere composed of gas is used, nitrogen can be introduced into the
[0147]
(Modification (Part 3))
A method for manufacturing a semiconductor device according to a modification (No. 3) of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 19 is a time chart showing the formation process of the silicon oxynitride film and the high nitrogen concentration region according to this modification.
[0148]
A manufacturing method of a semiconductor device according to this modification is N 2 O gas and H 2 The main characteristics are that nitrogen is introduced into the
[0149]
First, in the film formation chamber, H 2 Gas and H 2 The process up to the step of selectively forming the
[0150]
Next, as shown in FIG. 2 H without stopping the introduction of gas 2 The introduction of O gas into the deposition chamber is completed.
[0151]
Next, N at a flow rate of 5 SLM 2 Start introducing O gas. When heat treatment is performed at 800 ° C. for 30 minutes in such an atmosphere, nitrogen is introduced into the
[0152]
H 2 Gas and N 2 The partial pressure ratio with O gas can be set as appropriate within a range of 1: 1 to 1: 5, for example.
[0153]
Next, N 2 After the introduction of O gas was completed, H 2 Finish the gas introduction.
[0154]
The subsequent processes are the same as those of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment shown in FIG.
[0155]
N like this 2 O gas and H 2 Even when an atmosphere composed of gas is used, nitrogen can be introduced into the
[0156]
(Modification (Part 4))
A method of manufacturing a semiconductor device according to the modification (No. 4) of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 20 is a time chart showing a process for forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to this modification.
[0157]
A manufacturing method of a semiconductor device according to this modification is N 2 O gas and NH Three The main characteristics are that nitrogen is introduced into the
[0158]
First, in the film formation chamber, H 2 Gas, H 2 The process up to the step of selectively forming the
[0159]
Next, as shown in FIG. 2 After the introduction of O gas was completed, H 2 Finish the gas introduction.
[0160]
Next, NH at a flow rate of 0.1 SLM Three Start introducing gas. After this, N at a flow rate of 5 SLM 2 Start introducing O gas. When heat treatment is performed at 800 ° C. for 30 minutes in such an atmosphere, nitrogen is introduced into the
[0161]
NH Three Gas and N 2 The partial pressure ratio with O gas can be appropriately set within a range of, for example, 1:10 to 1:50.
[0162]
Next, N 2 After the introduction of O gas, NH Three Finish the gas introduction.
[0163]
The subsequent processes are the same as those of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment shown in FIG.
[0164]
N like this 2 O gas and NH Three Even when an atmosphere composed of gas is used, nitrogen can be introduced into the
[0165]
(Modification (Part 5))
A method for manufacturing a semiconductor device according to the modification (No. 5) of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 21 is a time chart showing a process for forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to this modification.
[0166]
A manufacturing method of a semiconductor device according to this modification is N 2 The main characteristics are that nitrogen is introduced into the
[0167]
First, N 2 Since the process from stopping the introduction of gas to evacuating the film forming chamber is the same as that of the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG.
[0168]
Next, as shown in FIG. 21, N is flown into the film forming chamber at a flow rate of 5 SLM. 2 Start introducing gas. N 2 The gas functions as a dilution gas.
[0169]
Next, N 2 H without stopping the introduction of gas 2 Gas, H 2 O gas is introduced sequentially. Specifically, first, at a flow rate of 1 SLM, H 2 Start introducing gas. Next, H at a flow rate of 0.4 SLM 2 O gas introduction is started, and the pressure in the film formation chamber is set to, for example, about 26.7 kPa.
[0170]
When heat treatment is performed at 800 ° C. for 60 minutes in such an atmosphere, a
[0171]
Next, H 2 Gas and N 2 H without stopping the introduction of gas 2 The introduction of O gas is terminated.
[0172]
Next, introduction of NO gas is started at a flow rate of 1 SLM. When heat treatment is performed at 800 ° C. for 30 minutes in such an atmosphere, nitrogen is introduced into the
[0173]
NO gas and H 2 Gas and N 2 The partial pressure ratio with the gas can be appropriately set within a range of 0.2: 1: 5 to 1: 1: 5, for example.
[0174]
Next, the introduction of NO gas is terminated, and then H 2 Finish the gas introduction. In addition, N 2 Finish the gas introduction.
[0175]
The subsequent processes are the same as those of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment shown in FIG.
[0176]
N as in this variation 2 Even when an atmosphere diluted with a gas is used, nitrogen can be introduced into the
[0177]
(Modification (Part 6))
A method for manufacturing a semiconductor device according to a modification (No. 6) of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 22 is a time chart showing the formation process of the silicon oxynitride film and the high nitrogen concentration region according to this modification.
[0178]
The manufacturing method of the semiconductor device according to this modification is mainly characterized in that nitrogen is introduced into the
[0179]
First, N 2 Since the process from stopping the introduction of gas to evacuating the film forming chamber is the same as that of the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG.
[0180]
Next, introduction of Ar gas is started at a flow rate of 5 SLM in the deposition chamber. Ar gas functions as a dilution gas.
[0181]
Next, without stopping the introduction of Ar gas, H 2 Gas, H 2 O gas will be introduced sequentially. Specifically, first, at a flow rate of 1 SLM, H 2 Start introducing gas. Next, H at a flow rate of 0.4 SLM 2 O gas introduction is started, and the pressure in the film formation chamber is set to, for example, about 26.7 kPa.
[0182]
When heat treatment is performed at 800 ° C. for 60 minutes in such an atmosphere, a
[0183]
Next, H 2 Gas and N 2 H without stopping the introduction of gas 2 The introduction of O gas is terminated.
[0184]
Next, introduction of NO gas is started at a flow rate of 1 SLM. When heat treatment is performed at 800 ° C. for 30 minutes in such an atmosphere, nitrogen is introduced into the
[0185]
NO gas and H 2 The partial pressure ratio between the gas and the Ar gas can be appropriately set within a range of 0.2: 1: 5 to 1: 1: 5, for example.
[0186]
Next, the introduction of NO gas is terminated, and then H 2 Finish the gas introduction. Further, the introduction of Ar gas is terminated.
[0187]
The subsequent processes are the same as those of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment shown in FIG.
[0188]
Even in the case where an atmosphere diluted with Ar gas is used as in this modification, the
[0189]
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
[0190]
For example, in the first or second embodiment, the temperature in the film formation chamber is set to 800 ° C. and the silicon oxynitride film and the high nitrogen concentration region are formed, but the temperature in the film formation chamber is not limited to 800 ° C. For example, the temperature in the deposition chamber may be appropriately set in the range of 700 ° C. to 1050 ° C., preferably in the range of 750 ° C. to 850 ° C.
[0191]
In the first modification to the first modification (No. 3), N 2 You may dilute using gas or Ar gas.
[0192]
Further, in the modification (part 1) to the modification (part 4) of the second embodiment, N 2 You may dilute using gas or Ar gas.
[0193]
In the first and second embodiments, N 2 Although diluted with gas or Ar gas, the dilution gas is N 2 It is not limited to gas or Ar gas, For example, you may dilute using noble gases, such as Xe gas and Kr gas.
[0194]
Further, the gas flow rate is not limited to the gas flow rate shown in the first and second embodiments, and the gas flow rate is appropriately set to form a desired silicon oxynitride film and a desired high nitrogen concentration region. May be.
[0195]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, after patterning the gate electrode, heat treatment is performed in a gas atmosphere containing nitrogen atoms and having an oxidizing action and a reducing action. In addition to forming a nitrided oxide film, a high nitrogen concentration region can be formed at the interface between the polysilicon film and the silicon nitride oxide film. Since a high nitrogen concentration region is formed at the interface between the polysilicon film and the silicon oxynitride film, according to the present invention, depletion of the polysilicon film can be suppressed.
[0196]
In addition, according to the present invention, after patterning the gate electrode, heat treatment is performed in a gas atmosphere containing nitrogen atoms and having an oxidizing action and a reducing action. A high nitrogen concentration region can be formed at the interface with the film. Since a high nitrogen concentration region is formed at the interface between the silicon substrate and the gate insulating film, according to the present invention, a semiconductor device with good hot carrier resistance can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a nitrogen concentration distribution in a region near an interface between a gate insulating film and a silicon substrate below an end portion of a gate electrode.
FIG. 3 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 4 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 5 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a process cross-sectional view (No. 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 7 is a time chart showing a formation process of the silicon oxynitride film and the high nitrogen concentration region according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the presence or absence of oxidation of silicon and tungsten.
FIG. 9 is a time chart showing a process of forming a silicon oxynitride film and a nitrogen high concentration region according to a modification (Part 1) of the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a time chart showing a process for forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to a modification (Part 2) of the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a time chart showing a process for forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to a modification (No. 3) of the first embodiment of the present invention.
12 is a time chart showing a process for forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to a modification (No. 4) of the first embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 13 is a time chart showing a process for forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to a modification (No. 5) of the first embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a process sectional view illustrating the method for producing the semiconductor device according to the second embodiment of the invention.
FIG. 16 is a time chart showing a process of forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a time chart showing a process for forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to a modification (Part 1) of the second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a time chart showing a process of forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to a modification (No. 2) of the second embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a time chart showing a process for forming a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to a modification (No. 3) of the second embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a time chart showing a formation process of a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to a modification (No. 4) of the second embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a time chart showing a formation process of a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to a modification (No. 5) of the second embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a time chart showing a formation process of a silicon oxynitride film and a high nitrogen concentration region according to a modification (No. 6) of the second embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a proposed semiconductor device.
[Explanation of symbols]
10 ... Silicon substrate
12 ... Gate insulating film
14 ... Polysilicon film
16 ... Buffer film
18 ... Metal film
20 ... Gate electrode
22 ... Cap membrane
23 ... Silicon oxide film
24. Silicon oxynitride film
24a ... Silicon nitride oxide film
26. Sidewall insulating film
28 ... Source / drain diffusion layer
28a, 28b ... impurity diffusion regions
30 ... Nitrogen high concentration region
32 ... Nitrogen high concentration region
110: Silicon substrate
112 ... Gate insulating film
114 ... polysilicon film
116: Buffer film
118 ... Metal film
120 ... Gate electrode
122 ... Cap membrane
123 ... Silicon oxide film
126 ... sidewall insulating film
128: Source / drain diffusion layer
128a, 128b ... impurity diffusion regions
130: Nitrogen high concentration region
Claims (2)
前記ゲート絶縁膜上に、ポリシリコン膜と前記ポリシリコン膜上に形成された金属膜とを有するゲート電極を形成する工程と、
窒素原子を含み、酸化作用及び還元作用を有するガス雰囲気中で熱処理を行い、前記ポリシリコン膜の側壁部分に選択的に絶縁膜を形成するとともに、前記ゲート電極の端部の下方の前記シリコン基板と前記ゲート絶縁膜との界面に、窒素を導入する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
Forming a gate electrode having a polysilicon film and a metal film formed on the polysilicon film on the gate insulating film;
A heat treatment is performed in a gas atmosphere containing nitrogen atoms and having an oxidizing action and a reducing action, and an insulating film is selectively formed on a side wall portion of the polysilicon film, and the silicon substrate below the end of the gate electrode And a step of introducing nitrogen into an interface between the gate insulating film and the gate insulating film.
前記窒素を導入する工程では、前記ポリシリコン膜と前記絶縁膜との界面にも、窒素を導入する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 ,
In the step of introducing nitrogen, nitrogen is also introduced into the interface between the polysilicon film and the insulating film.
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