JPH098310A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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- JPH098310A JPH098310A JP15058395A JP15058395A JPH098310A JP H098310 A JPH098310 A JP H098310A JP 15058395 A JP15058395 A JP 15058395A JP 15058395 A JP15058395 A JP 15058395A JP H098310 A JPH098310 A JP H098310A
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- impurity
- threshold voltage
- doping
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 MISトランジスタの製造方法に係り、特
に、閾値電圧が高くなることなくパンチスルーを防止で
き、熱工程による閾値電圧の変動が小さい半導体装置の
製造方法を提供する。 【構成】 半導体層に、第1の導電型を有する第1の不
純物をドープする第1の不純物ドーピング工程と、第1
の不純物がドープされた半導体層を熱処理し、半導体層
中の第1の不純物の濃度をほぼ均一にする熱処理工程
と、熱処理した半導体層に、第2の導電型を有する第2
の不純物をドープする第2の不純物ドーピング工程と、
第1の不純物及び第2の不純物がドープされた半導体層
をチャネル領域とするMISトランジスタを形成するト
ランジスタ形成工程とを有する。
に、閾値電圧が高くなることなくパンチスルーを防止で
き、熱工程による閾値電圧の変動が小さい半導体装置の
製造方法を提供する。 【構成】 半導体層に、第1の導電型を有する第1の不
純物をドープする第1の不純物ドーピング工程と、第1
の不純物がドープされた半導体層を熱処理し、半導体層
中の第1の不純物の濃度をほぼ均一にする熱処理工程
と、熱処理した半導体層に、第2の導電型を有する第2
の不純物をドープする第2の不純物ドーピング工程と、
第1の不純物及び第2の不純物がドープされた半導体層
をチャネル領域とするMISトランジスタを形成するト
ランジスタ形成工程とを有する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、MISトランジスタの
製造方法、特に、短チャネル効果を抑制し、熱プロセス
による閾値電圧の変動を小さくできる半導体装置の製造
方法に関する。
製造方法、特に、短チャネル効果を抑制し、熱プロセス
による閾値電圧の変動を小さくできる半導体装置の製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】LSIの高集積化に伴い、素子の微細化
による短チャネル効果が問題となっている。短チャネル
効果を抑制するためには、チャネル領域の不純物濃度を
増加してソース−ドレイン拡散層間のパンチスルーを防
止することが望ましい。しかしながら、チャネル領域の
不純物濃度を単に増加しただけでは閾値電圧までもが増
大してしまうため、高い電流駆動能力を得ることができ
ない。
による短チャネル効果が問題となっている。短チャネル
効果を抑制するためには、チャネル領域の不純物濃度を
増加してソース−ドレイン拡散層間のパンチスルーを防
止することが望ましい。しかしながら、チャネル領域の
不純物濃度を単に増加しただけでは閾値電圧までもが増
大してしまうため、高い電流駆動能力を得ることができ
ない。
【0003】そこで、チャネル領域の基板内部ではパン
チスルーを防止するために不純物濃度を高くし、一方、
基板表面では閾値電圧の増加を抑えるために不純物濃度
を低くすることが一般に行われている。例えば、半導体
基板の導電型と逆導電型のドーパントを基板表面側に導
入する、いわゆるカウンタードーピング法によりこのよ
うな不純物プロファイルが形成されている。カウンター
ドーピング法は、パンチスルーを防止するために基板の
不純物濃度を増加した際に、半導体基板の導電型と逆導
電型のドーパントを基板表面側に導入してキャリアを補
償することにより、基板表面側のキャリア濃度を低減
し、閾値電圧の増加を抑える方法である。
チスルーを防止するために不純物濃度を高くし、一方、
基板表面では閾値電圧の増加を抑えるために不純物濃度
を低くすることが一般に行われている。例えば、半導体
基板の導電型と逆導電型のドーパントを基板表面側に導
入する、いわゆるカウンタードーピング法によりこのよ
うな不純物プロファイルが形成されている。カウンター
ドーピング法は、パンチスルーを防止するために基板の
不純物濃度を増加した際に、半導体基板の導電型と逆導
電型のドーパントを基板表面側に導入してキャリアを補
償することにより、基板表面側のキャリア濃度を低減
し、閾値電圧の増加を抑える方法である。
【0004】このようにして短チャネル効果を抑制しつ
つ、所望の閾値電圧を有する半導体装置が構成されてい
た。
つ、所望の閾値電圧を有する半導体装置が構成されてい
た。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
一般的な半導体装置では、パンチスルーを防止するため
に導入する不純物は、基板内部にピークをもって不均一
に分布しているため、その分布は、後工程の熱処理によ
って大幅に変化する。これにより、不純物の熱拡散が表
面付近の不純物濃度にまで影響し、閾値電圧が変動する
といった問題があった。
一般的な半導体装置では、パンチスルーを防止するため
に導入する不純物は、基板内部にピークをもって不均一
に分布しているため、その分布は、後工程の熱処理によ
って大幅に変化する。これにより、不純物の熱拡散が表
面付近の不純物濃度にまで影響し、閾値電圧が変動する
といった問題があった。
【0006】また、後工程の熱プロセスが変化すれば閾
値電圧が変化するので、熱処理条件のばらつき等により
所望の閾値電圧が得られないといった問題があった。ま
た、熱プロセスが異なるごとに不純物導入量等を最適化
する必要があるといった問題があった。本発明の目的
は、閾値電圧を高くすることなくパンチスルーを防止で
き、熱工程による閾値電圧の変動が小さい半導体装置の
製造方法を提供することにある。
値電圧が変化するので、熱処理条件のばらつき等により
所望の閾値電圧が得られないといった問題があった。ま
た、熱プロセスが異なるごとに不純物導入量等を最適化
する必要があるといった問題があった。本発明の目的
は、閾値電圧を高くすることなくパンチスルーを防止で
き、熱工程による閾値電圧の変動が小さい半導体装置の
製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体層
に、第1の導電型を有する第1の不純物をドープする第
1の不純物ドーピング工程と、前記第1の不純物がドー
プされた前記半導体層を熱処理し、前記半導体層中の前
記第1の不純物の濃度をほぼ均一にする熱処理工程と、
熱処理した前記半導体層に、第2の導電型を有する第2
の不純物をドープする第2の不純物ドーピング工程と、
前記第1の不純物及び前記第2の不純物がドープされた
前記半導体層をチャネル領域とするMISトランジスタ
を形成するトランジスタ形成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って達成される。
に、第1の導電型を有する第1の不純物をドープする第
1の不純物ドーピング工程と、前記第1の不純物がドー
プされた前記半導体層を熱処理し、前記半導体層中の前
記第1の不純物の濃度をほぼ均一にする熱処理工程と、
熱処理した前記半導体層に、第2の導電型を有する第2
の不純物をドープする第2の不純物ドーピング工程と、
前記第1の不純物及び前記第2の不純物がドープされた
前記半導体層をチャネル領域とするMISトランジスタ
を形成するトランジスタ形成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って達成される。
【0008】また、上記の半導体装置の製造方法におい
て、前記第1の不純物ドーピング工程では、前記第1の
不純物のドープ量を増加することにより前記MISトラ
ンジスタの短チャネル効果を低減し、前記第2の不純物
ドーピング工程では、前記第2の不純物のドープ量を増
加することにより前記MISトランジスタの閾値電圧を
所望の値まで低下することが望ましい。
て、前記第1の不純物ドーピング工程では、前記第1の
不純物のドープ量を増加することにより前記MISトラ
ンジスタの短チャネル効果を低減し、前記第2の不純物
ドーピング工程では、前記第2の不純物のドープ量を増
加することにより前記MISトランジスタの閾値電圧を
所望の値まで低下することが望ましい。
【0009】また、上記の半導体装置の製造方法におい
て、前記半導体層は、SOI基板におけるSOI層であ
ることが望ましい。また、上記の半導体装置の製造方法
において、前記熱処理工程では、前記第1の不純物の拡
散定数をD、熱処理時間をt、SOI層の膜厚をtSiと
したときに、2√(Dt)がtSiよりも大きくなる温度
と時間により熱処理することが望ましい。
て、前記半導体層は、SOI基板におけるSOI層であ
ることが望ましい。また、上記の半導体装置の製造方法
において、前記熱処理工程では、前記第1の不純物の拡
散定数をD、熱処理時間をt、SOI層の膜厚をtSiと
したときに、2√(Dt)がtSiよりも大きくなる温度
と時間により熱処理することが望ましい。
【0010】
【作用】本発明によれば、半導体層に、第1の導電型を
有する第1の不純物をドープする第1の不純物ドーピン
グ工程と、第1の不純物がドープされた半導体層を熱処
理し、半導体層中の第1の不純物の濃度をほぼ均一にす
る熱処理工程と、熱処理した半導体層に、第2の導電型
を有する第2の不純物をドープする第2の不純物ドーピ
ング工程と、第1の不純物及び第2の不純物がドープさ
れた半導体層に、MISトランジスタを形成するトラン
ジスタ形成工程とにより半導体装置を製造すれば、後工
程の熱処理による閾値電圧の変動を小さくすることがで
きる。
有する第1の不純物をドープする第1の不純物ドーピン
グ工程と、第1の不純物がドープされた半導体層を熱処
理し、半導体層中の第1の不純物の濃度をほぼ均一にす
る熱処理工程と、熱処理した半導体層に、第2の導電型
を有する第2の不純物をドープする第2の不純物ドーピ
ング工程と、第1の不純物及び第2の不純物がドープさ
れた半導体層に、MISトランジスタを形成するトラン
ジスタ形成工程とにより半導体装置を製造すれば、後工
程の熱処理による閾値電圧の変動を小さくすることがで
きる。
【0011】また、第1の不純物ドーピング工程におい
て、第1の不純物のドープ量を増加することによりMI
Sトランジスタの短チャネル効果を低減し、第2の不純
物ドーピング工程において、第2の不純物のドープ量を
増加することによりMISトランジスタの閾値電圧を所
望の値まで低下すれば、閾値電圧を高くすることなく短
チャネル効果を防止できる。
て、第1の不純物のドープ量を増加することによりMI
Sトランジスタの短チャネル効果を低減し、第2の不純
物ドーピング工程において、第2の不純物のドープ量を
増加することによりMISトランジスタの閾値電圧を所
望の値まで低下すれば、閾値電圧を高くすることなく短
チャネル効果を防止できる。
【0012】また、上記の半導体装置の製造方法におい
て、SOI基板のSOI層に第1の不純物をドープすれ
ば、熱処理工程において第1の不純物を容易に均一にす
ることができる。また、熱処理工程において、第1の不
純物の拡散定数をD、熱処理時間をt、SOI層の膜厚
をtSiとしたときに、2√(Dt)がtSiよりも大きく
なる温度と時間により熱処理すれば、SOI層中の第1
の不純物の分布をほぼ均一にすることができる。
て、SOI基板のSOI層に第1の不純物をドープすれ
ば、熱処理工程において第1の不純物を容易に均一にす
ることができる。また、熱処理工程において、第1の不
純物の拡散定数をD、熱処理時間をt、SOI層の膜厚
をtSiとしたときに、2√(Dt)がtSiよりも大きく
なる温度と時間により熱処理すれば、SOI層中の第1
の不純物の分布をほぼ均一にすることができる。
【0013】
【実施例】始めに、本発明による半導体装置の製造方法
の原理を図1乃至図6を用いて説明する。図1は数値解
析に用いた半導体装置の構造を示す図、図2は従来の半
導体装置における閾値電圧のゲート長依存性を数値解析
により求めた結果を示すグラフ、図3はチャネル領域の
不純物分布を示すグラフ、図4は閾値電圧とカウンター
ドープ層の深さとの関係を示すグラフ、図5は閾値電圧
とカウンタードープ層の中心部までの距離との関係を示
すグラフ、図6は閾値電圧とカウンタードープ層の幅と
の関係を示すグラフである。
の原理を図1乃至図6を用いて説明する。図1は数値解
析に用いた半導体装置の構造を示す図、図2は従来の半
導体装置における閾値電圧のゲート長依存性を数値解析
により求めた結果を示すグラフ、図3はチャネル領域の
不純物分布を示すグラフ、図4は閾値電圧とカウンター
ドープ層の深さとの関係を示すグラフ、図5は閾値電圧
とカウンタードープ層の中心部までの距離との関係を示
すグラフ、図6は閾値電圧とカウンタードープ層の幅と
の関係を示すグラフである。
【0014】図1に示す半導体装置はSOI基板上に形
成されたN型のMOSFETである。シリコン基板10
上には、膜厚が400nmの埋め込み酸化膜12が形成
されている。埋め込み酸化膜12上には、膜厚が100
nmのSOI層14が形成されている。SOI層14に
は、ソース拡散層16及びドレイン拡散層18が独立し
て形成されている。SOI層14上には、膜厚が4nm
のゲート絶縁膜20が形成されている。ゲート絶縁膜2
0上には、多結晶シリコンからなるゲート電極22が形
成されている。なお、ソース拡散層16、ドレイン拡散
層18及びゲート電極22のドナー濃度NDは1020c
m-3とする。
成されたN型のMOSFETである。シリコン基板10
上には、膜厚が400nmの埋め込み酸化膜12が形成
されている。埋め込み酸化膜12上には、膜厚が100
nmのSOI層14が形成されている。SOI層14に
は、ソース拡散層16及びドレイン拡散層18が独立し
て形成されている。SOI層14上には、膜厚が4nm
のゲート絶縁膜20が形成されている。ゲート絶縁膜2
0上には、多結晶シリコンからなるゲート電極22が形
成されている。なお、ソース拡散層16、ドレイン拡散
層18及びゲート電極22のドナー濃度NDは1020c
m-3とする。
【0015】図1の半導体装置において、チャネル領域
24のアクセプタ濃度NAを変化したときの閾値電圧V
thのゲート長Lg依存性を図2に示す。図中実線はドレ
イン電圧を0.05V、点線はドレイン電圧を1Vとし
た場合における依存性を示している。なお、本実施例に
おいて閾値電圧Vthは、ドレイン電流IDとゲート幅Wg
との積が1μA・μmとなるときのゲート電圧Vgとし
て定義した。
24のアクセプタ濃度NAを変化したときの閾値電圧V
thのゲート長Lg依存性を図2に示す。図中実線はドレ
イン電圧を0.05V、点線はドレイン電圧を1Vとし
た場合における依存性を示している。なお、本実施例に
おいて閾値電圧Vthは、ドレイン電流IDとゲート幅Wg
との積が1μA・μmとなるときのゲート電圧Vgとし
て定義した。
【0016】図示するように、チャネル領域24のアク
セプタ濃度NAが1×1017cm-3の場合には、チャネ
ル長Lgの短チャネル化に伴う閾値電圧Vthの低下が顕
著であるが、アクセプタ濃度NAを増加するとともに閾
値電圧Vthの低下が抑えられる。アクセプタ濃度NAが
2×1018cm-3の場合には、ゲート長Lgを0.07
5μmまで短くしても、ドレイン電圧Vdが1Vのとき
の閾値電圧Vthの低下を0.3V以下に抑えることがで
きる。ゲート長Lgが0.1μmの場合には、閾値電圧
の低下を0.1V以下にまで抑えることができる。
セプタ濃度NAが1×1017cm-3の場合には、チャネ
ル長Lgの短チャネル化に伴う閾値電圧Vthの低下が顕
著であるが、アクセプタ濃度NAを増加するとともに閾
値電圧Vthの低下が抑えられる。アクセプタ濃度NAが
2×1018cm-3の場合には、ゲート長Lgを0.07
5μmまで短くしても、ドレイン電圧Vdが1Vのとき
の閾値電圧Vthの低下を0.3V以下に抑えることがで
きる。ゲート長Lgが0.1μmの場合には、閾値電圧
の低下を0.1V以下にまで抑えることができる。
【0017】なお、アクセプタ濃度NAを更に増加すれ
ば、閾値電圧Vthの低下を更に抑制することができる。
しかし、チャネル領域24の濃度が高すぎると、ドレイ
ン拡散層18とチャネル領域24とにより形成されるp
n接合においてトンネル電流が流れたり、逆方向耐圧が
低下するといった問題が生ずるため、デバイス設計に当
たってはこの点を考慮する必要がある。
ば、閾値電圧Vthの低下を更に抑制することができる。
しかし、チャネル領域24の濃度が高すぎると、ドレイ
ン拡散層18とチャネル領域24とにより形成されるp
n接合においてトンネル電流が流れたり、逆方向耐圧が
低下するといった問題が生ずるため、デバイス設計に当
たってはこの点を考慮する必要がある。
【0018】一方、チャネル領域24のアクセプタ濃度
NAの増加とともに閾値電圧Vthは増加する。チャネル
領域24のアクセプタ濃度NAが2×1018cm-3の場
合には、閾値電圧Vthは約0.9Vであり、ディープサ
ブミクロンデバイスにおける閾値電圧としてはより低い
ことが好ましい。そこで、チャネル領域24にカウンタ
ードーピングを行い、閾値電圧Vthの調整を行う。
NAの増加とともに閾値電圧Vthは増加する。チャネル
領域24のアクセプタ濃度NAが2×1018cm-3の場
合には、閾値電圧Vthは約0.9Vであり、ディープサ
ブミクロンデバイスにおける閾値電圧としてはより低い
ことが好ましい。そこで、チャネル領域24にカウンタ
ードーピングを行い、閾値電圧Vthの調整を行う。
【0019】図3(a)に示すように、チャネル領域2
4のアクセプタ濃度NAを2×101 8cm-3一定とし
て、表面から深さdcまでに均一な濃度のカウンタード
ープ層を、単位面積当たりのドナー総量ΦDを7.5×
1012cm-2として形成した場合の、閾値電圧Vthと深
さdcとの関係を図4に示す。図示するように、深さdc
が浅いほどに閾値電圧Vthは低下する。
4のアクセプタ濃度NAを2×101 8cm-3一定とし
て、表面から深さdcまでに均一な濃度のカウンタード
ープ層を、単位面積当たりのドナー総量ΦDを7.5×
1012cm-2として形成した場合の、閾値電圧Vthと深
さdcとの関係を図4に示す。図示するように、深さdc
が浅いほどに閾値電圧Vthは低下する。
【0020】図3(b)に示すように、カウンタードー
プ層の幅dwを一定として基板表面からカウンタードー
プ層の中心までの距離Rpを変化した場合には、図5に
示すように、距離Rpが増加するに従って閾値電圧Vth
も増加する。ところが、距離Rpを一定としてカウンタ
ードープ層の幅dwを変化した場合には、図6に示すよ
うに、閾値電圧Vthはカウンタードープ層の幅dwには
ほとんど依存せず、カウンタードープ層のドナー総量Φ
Dにのみ依存する。
プ層の幅dwを一定として基板表面からカウンタードー
プ層の中心までの距離Rpを変化した場合には、図5に
示すように、距離Rpが増加するに従って閾値電圧Vth
も増加する。ところが、距離Rpを一定としてカウンタ
ードープ層の幅dwを変化した場合には、図6に示すよ
うに、閾値電圧Vthはカウンタードープ層の幅dwには
ほとんど依存せず、カウンタードープ層のドナー総量Φ
Dにのみ依存する。
【0021】カウンタードープ層の濃度分布を図3
(b)に示すような矩形近似ではなく、図3(c)に示
すようなガウス分布で近似した場合にも、図中○で示す
ように、カウンタードープ層の幅2ΔRp(ΔRpはガウ
ス分布の標準偏差)には依存しない。このように、チャ
ネル領域24のアクセプタ濃度NAを一定とした場合
に、チャネル領域にカウンタードーピングをすると、閾
値電圧Vthの絶対値は距離Rpとドナー総量ΦDとによっ
てのみ決定され、不純物分布の広がり(カウンタードー
プ層の幅dw、又はガウス分布の標準偏差ΔRp)が変化
しても閾値電圧Vthは変動しないことが判る。
(b)に示すような矩形近似ではなく、図3(c)に示
すようなガウス分布で近似した場合にも、図中○で示す
ように、カウンタードープ層の幅2ΔRp(ΔRpはガウ
ス分布の標準偏差)には依存しない。このように、チャ
ネル領域24のアクセプタ濃度NAを一定とした場合
に、チャネル領域にカウンタードーピングをすると、閾
値電圧Vthの絶対値は距離Rpとドナー総量ΦDとによっ
てのみ決定され、不純物分布の広がり(カウンタードー
プ層の幅dw、又はガウス分布の標準偏差ΔRp)が変化
しても閾値電圧Vthは変動しないことが判る。
【0022】次に、上記の現象を解析モデルを用いて検
証する。図7は本実施例に用いた解析モデルの概略を示
す図、図8はカウンタードープ層のドナー総量とカウン
タードープ層の中心部までの距離との関係を示すグラ
フ、図9は本実施例による半導体装置における閾値電圧
のゲート長依存性を数値解析により求めた結果を示すグ
ラフである。
証する。図7は本実施例に用いた解析モデルの概略を示
す図、図8はカウンタードープ層のドナー総量とカウン
タードープ層の中心部までの距離との関係を示すグラ
フ、図9は本実施例による半導体装置における閾値電圧
のゲート長依存性を数値解析により求めた結果を示すグ
ラフである。
【0023】バックグラウンドのアクセプタ濃度がNB
の基板を用い、基板表面から深さdnの領域に、ドナー
濃度がND(x1)であるカウンタードープ層を形成する
(図7)。カウンタードープ層が形成されている領域を
I、それより深い領域をIIとし、それぞれの領域ごとに
一次元のポアソン方程式を解くことにより、閾値電圧V
thは次のように示すことができる。
の基板を用い、基板表面から深さdnの領域に、ドナー
濃度がND(x1)であるカウンタードープ層を形成する
(図7)。カウンタードープ層が形成されている領域を
I、それより深い領域をIIとし、それぞれの領域ごとに
一次元のポアソン方程式を解くことにより、閾値電圧V
thは次のように示すことができる。
【0024】
【数1】
【0025】ここで、W0はカウンタードープ層を形成
していない状態で閾値電圧Vth相当の電圧をゲート電極
に印加した際に形成される空乏層幅であり、 W0=√(2φfεSi/qNB)として表される。
していない状態で閾値電圧Vth相当の電圧をゲート電極
に印加した際に形成される空乏層幅であり、 W0=√(2φfεSi/qNB)として表される。
【0026】式(1)に示すように、閾値電圧Vthは、
距離Rpとドナー総量ΦDとによってのみ決定されてお
り、図6に示した結果とよく一致している。このことか
ら、上述の解析モデルによる結果が正しいことが判る。
式(1)を、QDについて解くと、
距離Rpとドナー総量ΦDとによってのみ決定されてお
り、図6に示した結果とよく一致している。このことか
ら、上述の解析モデルによる結果が正しいことが判る。
式(1)を、QDについて解くと、
【0027】
【数2】
【0028】となる。式(2)をもとにして求めた、距
離Rpとドナー総量ΦDとの関係を図8に示す。図示する
ように、閾値電圧Vthが与えられれば、一定の関係のも
とで距離Rpとドナー総量ΦDとを決定することができ
る。閾値電圧Vthを0.4Vとするためには、例えば、
距離Rpを15nmとしてドナー総量ΦDを4.5×10
12cm -2としてもよいし、例えば、距離Rpを25nm
としてドナー総量ΦDを7×10 12cm-2としてもよ
い。
離Rpとドナー総量ΦDとの関係を図8に示す。図示する
ように、閾値電圧Vthが与えられれば、一定の関係のも
とで距離Rpとドナー総量ΦDとを決定することができ
る。閾値電圧Vthを0.4Vとするためには、例えば、
距離Rpを15nmとしてドナー総量ΦDを4.5×10
12cm -2としてもよいし、例えば、距離Rpを25nm
としてドナー総量ΦDを7×10 12cm-2としてもよ
い。
【0029】図9に示すように、上記いずれの条件でも
長チャネル側の閾値電圧Vthはほぼ0.4Vにすること
ができるが、カウンタードーピングによる短チャネル効
果への影響が異なっている。距離Rpを25nmとして
ドナー総量ΦDを7×1012cm-2とした実施例1と、
バックグラウンドのアクセプタ濃度NBを5×1017c
m-3としてカウンタードーピングを行わない比較例1と
比較すると、実施例1の方がわずかに閾値電圧Vthの低
下を抑えられるが、短チャネル効果を十分に抑制するこ
とは困難である。
長チャネル側の閾値電圧Vthはほぼ0.4Vにすること
ができるが、カウンタードーピングによる短チャネル効
果への影響が異なっている。距離Rpを25nmとして
ドナー総量ΦDを7×1012cm-2とした実施例1と、
バックグラウンドのアクセプタ濃度NBを5×1017c
m-3としてカウンタードーピングを行わない比較例1と
比較すると、実施例1の方がわずかに閾値電圧Vthの低
下を抑えられるが、短チャネル効果を十分に抑制するこ
とは困難である。
【0030】一方、距離Rpを15nmとしてドナー総
量ΦDを4.5×1012cm-2とした実施例2では、バ
ックグラウンドのアクセプタ濃度NBを2×1018cm
-3としてカウンタードーピングを行わない比較例2とほ
ぼ等しい程度まで短チャネル効果を抑制することができ
る。このように、短チャネル効果を抑えるためには、距
離Rpをできるだけ小さくすることが望ましい。
量ΦDを4.5×1012cm-2とした実施例2では、バ
ックグラウンドのアクセプタ濃度NBを2×1018cm
-3としてカウンタードーピングを行わない比較例2とほ
ぼ等しい程度まで短チャネル効果を抑制することができ
る。このように、短チャネル効果を抑えるためには、距
離Rpをできるだけ小さくすることが望ましい。
【0031】このように、チャネル領域24のアクセプ
タ濃度NBを一定とした場合に、チャネル領域にカウン
タードーピングをすると、閾値電圧Vthの絶対値は距離
Rpとドナー総量ΦDとによってのみ決定され、不純物分
布の広がりが変化しても閾値電圧Vthは変動しないこと
が検証された。このような現象は、半導体プロセス上き
わめて重要な意味をもつ。即ち、カウンタードープ層を
イオン注入により行えば、距離Rpは、注入イオンの投
影飛程として注入エネルギーにより制御することがで
き、不純物分布の広がりである標準偏差ΔRpがその後
の熱処理によって変化した場合にも、閾値電圧Vthの変
動を抑えることが可能となるからである。
タ濃度NBを一定とした場合に、チャネル領域にカウン
タードーピングをすると、閾値電圧Vthの絶対値は距離
Rpとドナー総量ΦDとによってのみ決定され、不純物分
布の広がりが変化しても閾値電圧Vthは変動しないこと
が検証された。このような現象は、半導体プロセス上き
わめて重要な意味をもつ。即ち、カウンタードープ層を
イオン注入により行えば、距離Rpは、注入イオンの投
影飛程として注入エネルギーにより制御することがで
き、不純物分布の広がりである標準偏差ΔRpがその後
の熱処理によって変化した場合にも、閾値電圧Vthの変
動を抑えることが可能となるからである。
【0032】従って、チャネル領域24のアクセプタ濃
度NAを高濃度且つ一定にすることができれば、熱工程
の影響による閾値電圧の変動が小さく、パンチスルーを
防止できる半導体装置を製造することが可能となる。次
に、発明の一実施例による半導体装置の製造方法を図1
0及び図11を用いて説明する。
度NAを高濃度且つ一定にすることができれば、熱工程
の影響による閾値電圧の変動が小さく、パンチスルーを
防止できる半導体装置を製造することが可能となる。次
に、発明の一実施例による半導体装置の製造方法を図1
0及び図11を用いて説明する。
【0033】図10は本実施例による半導体装置の製造
方法を示す工程断面図、図11は本実施例による半導体
装置における不純物分布を示すグラフである。埋め込み
酸化膜12上に膜厚約100nmのSOI層14が形成
されたSOI基板のSOI層14に、素子分離膜26を
形成する(図10(a))。次いで、N型のMOSトラ
ンジスタを形成する領域に、例えば、総量2×10 13c
m-3のボロン(B)イオンを加速エネルギー20keV
で注入する(図10(b))。注入したBは、SOI層
14中において、図11(a)に示すようにガウス分布
状に分布する。
方法を示す工程断面図、図11は本実施例による半導体
装置における不純物分布を示すグラフである。埋め込み
酸化膜12上に膜厚約100nmのSOI層14が形成
されたSOI基板のSOI層14に、素子分離膜26を
形成する(図10(a))。次いで、N型のMOSトラ
ンジスタを形成する領域に、例えば、総量2×10 13c
m-3のボロン(B)イオンを加速エネルギー20keV
で注入する(図10(b))。注入したBは、SOI層
14中において、図11(a)に示すようにガウス分布
状に分布する。
【0034】続いて、熱処理により注入したBを拡散
し、SOI層14中のボロン濃度が均一になるようにす
る(図11(b))。このときの熱処理条件は、Bの拡
散係数をD、時間をtとしたときに、2√(Dt)がS
OI層14の膜厚tSiよりも厚くなるように設定するこ
とが望ましい。このようにして熱処理条件を設定すれ
ば、SOI層14中の不純物濃度がほぼ一定であるとみ
なせるほどに均一になるからである。
し、SOI層14中のボロン濃度が均一になるようにす
る(図11(b))。このときの熱処理条件は、Bの拡
散係数をD、時間をtとしたときに、2√(Dt)がS
OI層14の膜厚tSiよりも厚くなるように設定するこ
とが望ましい。このようにして熱処理条件を設定すれ
ば、SOI層14中の不純物濃度がほぼ一定であるとみ
なせるほどに均一になるからである。
【0035】例えば、温度が1000℃であれば60分
程度の熱処理を行えばよいし、温度が900℃であれば
400分程度の熱処理を行えばよい。拡散定数Dは、導
入する不純物により、熱処理温度により異なるので、適
宜熱処理時間を設定することが望ましい。また、不純物
濃度を均一にするためには、拡散定数Dが大きい不純
物、例えば、P型不純物ではBが、N型不純物ではP
(燐)が望ましい。
程度の熱処理を行えばよいし、温度が900℃であれば
400分程度の熱処理を行えばよい。拡散定数Dは、導
入する不純物により、熱処理温度により異なるので、適
宜熱処理時間を設定することが望ましい。また、不純物
濃度を均一にするためには、拡散定数Dが大きい不純
物、例えば、P型不純物ではBが、N型不純物ではP
(燐)が望ましい。
【0036】この熱処理により、注入したBがSOI層
14中に均一に分布すれば、バックグラウンドのアクセ
プタ濃度NBは2×1018cm-3となる。このようにし
て、注入量とSOI層14膜厚とにより一意的にバック
グラウンドのアクセプタ濃度NBを設定することが可能
となる。次いで、イオン注入法によりカウンタードーピ
ングを行う。例えば、総量4×1012cm-3のアンチモ
ン(Sb)イオンを加速エネルギー26keVでイオン
注入する(図10(c))。イオン注入法によれば、注
入エネルギーを変化することにより、投影飛程、即ち距
離Rpを任意に変化することができるので、図8に示す
グラフを用いて注入量を設定することができる。
14中に均一に分布すれば、バックグラウンドのアクセ
プタ濃度NBは2×1018cm-3となる。このようにし
て、注入量とSOI層14膜厚とにより一意的にバック
グラウンドのアクセプタ濃度NBを設定することが可能
となる。次いで、イオン注入法によりカウンタードーピ
ングを行う。例えば、総量4×1012cm-3のアンチモ
ン(Sb)イオンを加速エネルギー26keVでイオン
注入する(図10(c))。イオン注入法によれば、注
入エネルギーを変化することにより、投影飛程、即ち距
離Rpを任意に変化することができるので、図8に示す
グラフを用いて注入量を設定することができる。
【0037】この後、通常のMOSトランジスタ形成工
程と同様にしてゲート電極22、ソース拡散層16、ド
レイン拡散層18等を形成する(図10(d))。この
ようにして形成したMOSトランジスタのチャネル領域
の不純物濃度分布は、図11(c)に示すようになる。
このようにして、均一濃度の基板中にカウンタードーピ
ングを行うことにより、形成したMOSトランジスタの
閾値電圧Vthはカウンタードーピングの際に設定する距
離Rpと注入量ΦDとにより一意的に決定され、その後の
熱処理によりカウンタードープ層の不純物プロファイル
が変化した場合にも、閾値電圧Vthの変動を抑えること
が可能となる。
程と同様にしてゲート電極22、ソース拡散層16、ド
レイン拡散層18等を形成する(図10(d))。この
ようにして形成したMOSトランジスタのチャネル領域
の不純物濃度分布は、図11(c)に示すようになる。
このようにして、均一濃度の基板中にカウンタードーピ
ングを行うことにより、形成したMOSトランジスタの
閾値電圧Vthはカウンタードーピングの際に設定する距
離Rpと注入量ΦDとにより一意的に決定され、その後の
熱処理によりカウンタードープ層の不純物プロファイル
が変化した場合にも、閾値電圧Vthの変動を抑えること
が可能となる。
【0038】また、図9に示すようにカウンタードープ
層の形成条件を最適化することにより、短チャネル効果
を低減しつつ、所望の閾値電圧Vthを有するトランジス
タを形成することができる。なお、上記実施例では、S
OI基板を用いた場合の半導体装置の製造方法について
示したが、これは次の理由による。即ち、SOI基板を
用いた場合には、SOI層14直下は埋め込み酸化膜1
2であるため、埋め込み酸化膜12方向には不純物はほ
とんど拡散せず、SOI層14の不純物濃度を一定にす
ることが容易だからである。
層の形成条件を最適化することにより、短チャネル効果
を低減しつつ、所望の閾値電圧Vthを有するトランジス
タを形成することができる。なお、上記実施例では、S
OI基板を用いた場合の半導体装置の製造方法について
示したが、これは次の理由による。即ち、SOI基板を
用いた場合には、SOI層14直下は埋め込み酸化膜1
2であるため、埋め込み酸化膜12方向には不純物はほ
とんど拡散せず、SOI層14の不純物濃度を一定にす
ることが容易だからである。
【0039】しかしながら、基板の表面側の不純物濃度
を均一にすることができれば、通常のバルク基板を用い
た半導体装置の製造方法においても本発明を適用するこ
とができる。次に、本発明の他の実施例による半導体装
置の製造方法について図12を用いて説明する。
を均一にすることができれば、通常のバルク基板を用い
た半導体装置の製造方法においても本発明を適用するこ
とができる。次に、本発明の他の実施例による半導体装
置の製造方法について図12を用いて説明する。
【0040】図12は本実施例による半導体装置の製造
方法を説明する断面図である。バルクのシリコン基板1
0上に、素子分離膜26を形成した後、図10(b)に
示す実施例と同様にして、パンチスルー防止用の不純物
を導入する。次いで、熱処理により導入した不純物を熱
拡散し、シリコン基板10の表面側の不純物濃度がほぼ
均一になるようにする。この際、導入した不純物はシリ
コン基板の深くまで拡散できるので、図10に示す実施
例のように均一な層を形成することは困難である。
方法を説明する断面図である。バルクのシリコン基板1
0上に、素子分離膜26を形成した後、図10(b)に
示す実施例と同様にして、パンチスルー防止用の不純物
を導入する。次いで、熱処理により導入した不純物を熱
拡散し、シリコン基板10の表面側の不純物濃度がほぼ
均一になるようにする。この際、導入した不純物はシリ
コン基板の深くまで拡散できるので、図10に示す実施
例のように均一な層を形成することは困難である。
【0041】しかし、後工程の熱処理において基板表面
側の不純物濃度が大きく変化しなければ本発明を適用す
ることができるので、少なくとも基板表面側の不純物濃
度が均一であればよい。なお、十分に深い領域まで深さ
方向の不純物濃度が均一になるように、注入エネルギー
の異なる複数回のイオン注入により不純物拡散層を形成
してもよいし、パンチスルー防止用の不純物を導入せ
ず、ソース−ドレイン間パンチスルーを防止するに十分
な不純物濃度を有する高濃度不純物基板を用いてもよ
い。
側の不純物濃度が大きく変化しなければ本発明を適用す
ることができるので、少なくとも基板表面側の不純物濃
度が均一であればよい。なお、十分に深い領域まで深さ
方向の不純物濃度が均一になるように、注入エネルギー
の異なる複数回のイオン注入により不純物拡散層を形成
してもよいし、パンチスルー防止用の不純物を導入せ
ず、ソース−ドレイン間パンチスルーを防止するに十分
な不純物濃度を有する高濃度不純物基板を用いてもよ
い。
【0042】このようにしてシリコン基板10の表面側
に均一濃度の不純物拡散層28を形成した後、図10
(c)に示す実施例と同様にしてカウンタードーピング
を行い、トランジスタの閾値電圧を調整する。次いで、
通常のMOSトランジスタ形成工程と同様にしてゲート
電極22、ソース拡散層16、ドレイン拡散層18等を
形成する(図12)。
に均一濃度の不純物拡散層28を形成した後、図10
(c)に示す実施例と同様にしてカウンタードーピング
を行い、トランジスタの閾値電圧を調整する。次いで、
通常のMOSトランジスタ形成工程と同様にしてゲート
電極22、ソース拡散層16、ドレイン拡散層18等を
形成する(図12)。
【0043】このようにして半導体装置を製造すれば、
バルクの半導体基板を用いた場合にも本発明を適用する
ことができる。即ち、閾値電圧を高くすることなくパン
チスルーを防止でき、熱工程による閾値電圧の変動が小
さい半導体装置をバルク基板上に形成することができ
る。なお、上記の実施例では、N型MOSトランジスタ
に限定して説明したが、ドーパントの導電型を変えるだ
けでP型MOSトランジスタにもそのまま適用すること
ができる。例えば、Pイオンをイオン注入した後に熱処
理を行って基板中の不純物濃度を一定にした後、インジ
ウム(In)イオンを用いたカウンタードーピングを行
ってもよい。
バルクの半導体基板を用いた場合にも本発明を適用する
ことができる。即ち、閾値電圧を高くすることなくパン
チスルーを防止でき、熱工程による閾値電圧の変動が小
さい半導体装置をバルク基板上に形成することができ
る。なお、上記の実施例では、N型MOSトランジスタ
に限定して説明したが、ドーパントの導電型を変えるだ
けでP型MOSトランジスタにもそのまま適用すること
ができる。例えば、Pイオンをイオン注入した後に熱処
理を行って基板中の不純物濃度を一定にした後、インジ
ウム(In)イオンを用いたカウンタードーピングを行
ってもよい。
【0044】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、半導体層
に、第1の導電型を有する第1の不純物をドープする第
1の不純物ドーピング工程と、第1の不純物がドープさ
れた半導体層を熱処理し、半導体層中の第1の不純物の
濃度をほぼ均一にする熱処理工程と、熱処理した半導体
層に、第2の導電型を有する第2の不純物をドープする
第2の不純物ドーピング工程と、第1の不純物及び第2
の不純物がドープされた半導体層に、MISトランジス
タを形成するトランジスタ形成工程とにより半導体装置
を製造すれば、後工程の熱処理による閾値電圧の変動を
小さくすることができる。
に、第1の導電型を有する第1の不純物をドープする第
1の不純物ドーピング工程と、第1の不純物がドープさ
れた半導体層を熱処理し、半導体層中の第1の不純物の
濃度をほぼ均一にする熱処理工程と、熱処理した半導体
層に、第2の導電型を有する第2の不純物をドープする
第2の不純物ドーピング工程と、第1の不純物及び第2
の不純物がドープされた半導体層に、MISトランジス
タを形成するトランジスタ形成工程とにより半導体装置
を製造すれば、後工程の熱処理による閾値電圧の変動を
小さくすることができる。
【0045】また、第1の不純物ドーピング工程におい
て、第1の不純物のドープ量を増加することによりMI
Sトランジスタの短チャネル効果を低減し、第2の不純
物ドーピング工程において、第2の不純物のドープ量を
増加することによりMISトランジスタの閾値電圧を所
望の値まで低下すれば、閾値電圧を高くすることなく短
チャネル効果を防止できる。
て、第1の不純物のドープ量を増加することによりMI
Sトランジスタの短チャネル効果を低減し、第2の不純
物ドーピング工程において、第2の不純物のドープ量を
増加することによりMISトランジスタの閾値電圧を所
望の値まで低下すれば、閾値電圧を高くすることなく短
チャネル効果を防止できる。
【0046】また、上記の半導体装置の製造方法におい
て、SOI基板のSOI層に第1の不純物をドープすれ
ば、熱処理工程において第1の不純物を容易に均一にす
ることができる。また、熱処理工程において、第1の不
純物の拡散定数をD、熱処理時間をt、SOI層の膜厚
をtSiとしたときに、2√(Dt)がtSiよりも大きく
なる温度と時間により熱処理すれば、SOI層中の第1
の不純物の分布をほぼ均一にすることができる。
て、SOI基板のSOI層に第1の不純物をドープすれ
ば、熱処理工程において第1の不純物を容易に均一にす
ることができる。また、熱処理工程において、第1の不
純物の拡散定数をD、熱処理時間をt、SOI層の膜厚
をtSiとしたときに、2√(Dt)がtSiよりも大きく
なる温度と時間により熱処理すれば、SOI層中の第1
の不純物の分布をほぼ均一にすることができる。
【図1】本実施例における数値解析に用いた半導体装置
の構造を示す図である。
の構造を示す図である。
【図2】従来の半導体装置における閾値電圧のゲート長
依存性を数値解析により求めた結果を示すグラフであ
る。
依存性を数値解析により求めた結果を示すグラフであ
る。
【図3】数値解析に用いた半導体装置におけるチャネル
領域の不純物分布を示すグラフである。
領域の不純物分布を示すグラフである。
【図4】閾値電圧とカウンタードープ層の深さとの関係
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図5】閾値電圧とカウンタードープ層の中心部までの
距離との関係を示すグラフである。
距離との関係を示すグラフである。
【図6】閾値電圧とカウンタードープ層の幅との関係を
示すグラフである。
示すグラフである。
【図7】本実施例に用いた解析モデルの概略を示す図で
ある。
ある。
【図8】カウンタードープ層のドナー総量とカウンター
ドープ層の中心部までの距離との関係を示すグラフであ
る。
ドープ層の中心部までの距離との関係を示すグラフであ
る。
【図9】本実施例による半導体装置における閾値電圧の
ゲート長依存性を数値解析により求めた結果を示すグラ
フである。
ゲート長依存性を数値解析により求めた結果を示すグラ
フである。
【図10】本発明の一実施例による半導体装置の製造方
法を示す工程断面図である。
法を示す工程断面図である。
【図11】本発明の一実施例による半導体装置における
不純物分布を示すグラフである。
不純物分布を示すグラフである。
【図12】本発明の他の実施例による半導体装置の製造
方法を説明する断面図である。
方法を説明する断面図である。
10…シリコン基板 12…埋め込み酸化膜 14…SOI層 16…ソース拡散層 18…ドレイン拡散層 20…ゲート酸化膜 22…ゲート電極 24…チャネル領域 26…素子分離膜 28…不純物拡散層
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体層に、第1の導電型を有する第1
の不純物をドープする第1の不純物ドーピング工程と、 前記第1の不純物がドープされた前記半導体層を熱処理
し、前記半導体層中の前記第1の不純物の濃度をほぼ均
一にする熱処理工程と、 熱処理した前記半導体層に、第2の導電型を有する第2
の不純物をドープする第2の不純物ドーピング工程と、 前記第1の不純物及び前記第2の不純物がドープされた
前記半導体層をチャネル領域とするMISトランジスタ
を形成するトランジスタ形成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。 - 【請求項2】 請求項1記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 前記第1の不純物ドーピング工程では、前記第1の不純
物のドープ量を増加することにより前記MISトランジ
スタの短チャネル効果を低減し、 前記第2の不純物ドーピング工程では、前記第2の不純
物のドープ量を増加することにより前記MISトランジ
スタの閾値電圧を所望の値まで低下することを特徴とす
る半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載の半導体装置の製造
方法において、 前記半導体層は、SOI基板におけるSOI層であるこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 請求項3記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 前記熱処理工程では、前記第1の不純物の拡散定数を
D、熱処理時間をt、SOI層の膜厚をtSiとしたとき
に、2√(Dt)がtSiよりも大きくなる温度と時間に
より熱処理することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15058395A JPH098310A (ja) | 1995-06-16 | 1995-06-16 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15058395A JPH098310A (ja) | 1995-06-16 | 1995-06-16 | 半導体装置の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH098310A true JPH098310A (ja) | 1997-01-10 |
Family
ID=15500065
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15058395A Withdrawn JPH098310A (ja) | 1995-06-16 | 1995-06-16 | 半導体装置の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH098310A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007088488A (ja) * | 2006-10-18 | 2007-04-05 | Renesas Technology Corp | 電界効果トランジスタ及びその製造方法 |
| JP2008021874A (ja) * | 2006-07-13 | 2008-01-31 | Oki Electric Ind Co Ltd | 半導体素子 |
| JP2017174963A (ja) * | 2016-03-23 | 2017-09-28 | トヨタ自動車株式会社 | Soi基板の製造方法 |
-
1995
- 1995-06-16 JP JP15058395A patent/JPH098310A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008021874A (ja) * | 2006-07-13 | 2008-01-31 | Oki Electric Ind Co Ltd | 半導体素子 |
| JP2007088488A (ja) * | 2006-10-18 | 2007-04-05 | Renesas Technology Corp | 電界効果トランジスタ及びその製造方法 |
| JP2017174963A (ja) * | 2016-03-23 | 2017-09-28 | トヨタ自動車株式会社 | Soi基板の製造方法 |
| US10312133B2 (en) | 2016-03-23 | 2019-06-04 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Method of manufacturing silicon on insulator substrate |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20020903 |