JP2007208273A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SOI(Silicon On Insulator)技術を用いて形成される薄膜トランジスタの不揮発性メモリに関する。特に、その駆動回路などの周辺回路と共に絶縁基板上に一体形成されたEEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)に関する。また、ここでいうSiliconは単結晶、あるいは実質的に単結晶であるものをいう。 The present invention relates to a nonvolatile memory of a thin film transistor formed using SOI (Silicon On Insulator) technology. In particular, the present invention relates to an EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory) integrally formed on an insulating substrate together with peripheral circuits such as a drive circuit. Further, the term “Silicon” here refers to a single crystal or a substantially single crystal.
近年、半導体装置の小型化に伴い、高性能、高記憶容量、かつ小型のメモリが要求されてきた。現在半導体装置の記憶装置としては、磁気ディスクやバルクシリコンで作製された半導体不揮発性メモリが最もよく用いられている。 In recent years, with the miniaturization of semiconductor devices, high performance, high storage capacity, and small memory have been required. Currently, a semiconductor nonvolatile memory made of a magnetic disk or bulk silicon is most often used as a storage device of a semiconductor device.
磁気ディスクは、記憶容量に関しては、半導体装置に用いられる中で最も大きいものの一つであるが、小型化が困難で、かつ書き込み/読み出し速度が遅いという欠点がある。 The magnetic disk is one of the largest storage capacities used in semiconductor devices, but has the disadvantages that it is difficult to reduce the size and the writing / reading speed is slow.
一方、半導体不揮発性メモリは、現在記憶容量に関しては磁気ディスクに劣るものの、その書き込み/読み出し速度は、磁気ディスクの数十倍である。また、半導体不揮発性メモリは、書き換え回数やデータ保持時間に関しても十分な性能を有するものが開発されてきている。そこで、最近半導体メモリを磁気ディスクの代替品として用いる動きが高まってきた。 On the other hand, the semiconductor nonvolatile memory is currently inferior to the magnetic disk in terms of storage capacity, but its writing / reading speed is several tens of times that of the magnetic disk. Semiconductor non-volatile memories have been developed that have sufficient performance with respect to the number of rewrites and data retention time. Therefore, recently, there has been an increase in the use of semiconductor memory as an alternative to magnetic disks.
しかし、従来、半導体不揮発性メモリは、バルクシリコンを用いて作製され、パッケージに収められているので、このような半導体不揮発性メモリを半導体装置に搭載する場合、工程が増加し、かつそのパッケージサイズのために半導体装置の小型化に支障をきたしていた。 However, conventionally, a semiconductor nonvolatile memory is manufactured using bulk silicon and housed in a package. Therefore, when such a semiconductor nonvolatile memory is mounted on a semiconductor device, the number of processes is increased and the package size is increased. This has hindered miniaturization of semiconductor devices.
そこで本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、他の半導体装置の部品と一体形成され得、小型化が可能な不揮発性メモリをを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a non-volatile memory that can be integrally formed with components of other semiconductor devices and can be miniaturized.
本発明のある実施態様によると、
メモリTFTとスイッチングTFTとから成るメモリセルがマトリクス状に配置された不揮発性メモリであって、
前記メモリTFTは、絶縁基板上に形成される半導体活性層と、ゲイト絶縁膜と、フローティングゲイト電極と、前記フローティングゲイト電極を陽極酸化して得られる陽極酸化膜と、コントロールゲイト電極と、を少なくとも備えており、 前記スイッチングTFTは、前記絶縁基板上に形成される半導体活性層と、ゲイト絶縁膜と、ゲイト電極と、を少なくとも備えており、
前記メモリTFTと前記スイッチングTFTとは、前記絶縁基板上に一体形成され、かつ前記メモリTFTの半導体活性層の厚さは、前記スイッチングTFTの半導体活性層の厚さよりも薄いことを特徴とする不揮発性メモリが提供される。このことによって上記目的が達成される。
According to an embodiment of the present invention,
A nonvolatile memory in which memory cells including memory TFTs and switching TFTs are arranged in a matrix,
The memory TFT includes at least a semiconductor active layer formed on an insulating substrate, a gate insulating film, a floating gate electrode, an anodized film obtained by anodizing the floating gate electrode, and a control gate electrode. The switching TFT includes at least a semiconductor active layer formed on the insulating substrate, a gate insulating film, and a gate electrode;
The nonvolatile memory is characterized in that the memory TFT and the switching TFT are integrally formed on the insulating substrate, and the thickness of the semiconductor active layer of the memory TFT is smaller than the thickness of the semiconductor active layer of the switching TFT. Is provided. This achieves the above object.
前記メモリTFTおよび前記スイッチングTFTの半導体活性層の厚さは、150nm未満であってもよい。 The thickness of the semiconductor active layer of the memory TFT and the switching TFT may be less than 150 nm.
前記メモリTFTの半導体活性層の厚さは1〜50nmであり、前記スイッチングTFTの半導体活性層の厚さは40〜100nmであってもよい。 The thickness of the semiconductor active layer of the memory TFT may be 1 to 50 nm, and the thickness of the semiconductor active layer of the switching TFT may be 40 to 100 nm.
前記メモリTFTの半導体活性層の厚さは10〜40nmであってもよい。 The thickness of the semiconductor active layer of the memory TFT may be 10 to 40 nm.
前記メモリTFTの半導体活性層の厚さは、前記スイッチングTFTの半導体活性層の厚さよりも、インパクトイオナイゼイションが発生しやすい厚さであってもよい。 The thickness of the semiconductor active layer of the memory TFT may be such that impact ionization is more likely to occur than the thickness of the semiconductor active layer of the switching TFT.
前記メモリTFTの半導体活性層に流れるトンネル電流は、前記スイッチングTFTの半導体活性層に流れるトンネル電流の2倍以上であってもよい。 The tunnel current flowing in the semiconductor active layer of the memory TFT may be more than twice the tunnel current flowing in the semiconductor active layer of the switching TFT.
また、本発明のある実施態様によると、
メモリTFTとスイッチングTFTとから成るメモリセルがマトリクス状に配置された不揮発性メモリであって、
前記メモリTFTは、絶縁基板上に形成されるコントロールゲイト電極と、第1の絶縁膜と、フローティングゲイト電極と、第2の絶縁膜と、半導体活性層と、を少なくとも備えており、
前記スイッチングTFTは、前記絶縁基板上に形成されるゲイト電極と、第1の絶縁膜と、半導体活性層を少なくとも備えており、
前記メモリTFTと前記スイッチングTFTとは、前記絶縁基板上に一体形成され、かつ前記メモリTFTの半導体活性層の厚さは、前記スイッチングTFTの半導体活性層の厚さよりも薄いことを特徴とする不揮発性メモリが提供される。このことによって上記目的が達成される。
Also, according to an embodiment of the present invention,
A nonvolatile memory in which memory cells including memory TFTs and switching TFTs are arranged in a matrix,
The memory TFT includes at least a control gate electrode formed on an insulating substrate, a first insulating film, a floating gate electrode, a second insulating film, and a semiconductor active layer,
The switching TFT includes at least a gate electrode formed on the insulating substrate, a first insulating film, and a semiconductor active layer,
The nonvolatile memory is characterized in that the memory TFT and the switching TFT are integrally formed on the insulating substrate, and the thickness of the semiconductor active layer of the memory TFT is smaller than the thickness of the semiconductor active layer of the switching TFT. Is provided. This achieves the above object.
前記メモリTFTおよび前記スイッチングTFTの半導体活性層の厚さは、150nm未満であってもよい。 The thickness of the semiconductor active layer of the memory TFT and the switching TFT may be less than 150 nm.
前記メモリTFTの半導体活性層の厚さは1〜50nmであり、前記スイッチングTFTの半導体活性層の厚さは40〜100nmであってもよい。 The thickness of the semiconductor active layer of the memory TFT may be 1 to 50 nm, and the thickness of the semiconductor active layer of the switching TFT may be 40 to 100 nm.
前記メモリTFTの半導体活性層の厚さは10〜40nmであり、前記スイッチングTFTの半導体活性層の厚さは40〜100nmであってもよい。 The semiconductor active layer of the memory TFT may have a thickness of 10 to 40 nm, and the semiconductor active layer of the switching TFT may have a thickness of 40 to 100 nm.
前記メモリTFTの半導体活性層の厚さは、前記スイッチングTFTの半導体活性層の厚さよりも、インパクトイオナイゼイションが発生しやすい厚さであってもよい。 The thickness of the semiconductor active layer of the memory TFT may be such that impact ionization is more likely to occur than the thickness of the semiconductor active layer of the switching TFT.
前記メモリTFTの半導体活性層に流れるトンネル電流は、前記スイッチングTFTの半導体活性層に流れるトンネル電流の2倍以上であってもよい。 The tunnel current flowing in the semiconductor active layer of the memory TFT may be more than twice the tunnel current flowing in the semiconductor active layer of the switching TFT.
また,本発明のある実施態様によると、
絶縁基板上に第1の厚さを有する非晶質珪素膜と、第2の厚さを有する非晶質珪素膜とを形成する工程と、
前記第1の厚さを有する非晶質珪素膜と、前記第2の厚さを有する非晶質珪素膜とを結晶化させ、第1の厚さを有する多結晶珪素膜と、第2の厚さを有する多結晶珪素膜とを形成する工程と、
前記第1の多結晶珪素膜上にメモリTFTを形成し、前記第2の多結晶珪素膜上にスイッチングTFTを形成する工程と、
を含む不揮発性メモリの製造方法であって、
前記第1の厚さは、前記第2の厚さよりも薄いことを特徴とする不揮発性メモリの製造方法が提供される。このことによって上記目的が達成される。
Also, according to an embodiment of the present invention,
Forming an amorphous silicon film having a first thickness and an amorphous silicon film having a second thickness on an insulating substrate;
The amorphous silicon film having the first thickness and the amorphous silicon film having the second thickness are crystallized to obtain a polycrystalline silicon film having the first thickness, Forming a polycrystalline silicon film having a thickness;
Forming a memory TFT on the first polycrystalline silicon film and forming a switching TFT on the second polycrystalline silicon film;
A method for manufacturing a non-volatile memory including:
There is provided a method for manufacturing a nonvolatile memory, wherein the first thickness is thinner than the second thickness. This achieves the above object.
前記メモリTFTおよび前記スイッチングTFTの半導体活性層の厚さは、150nm未満であってもよい。 The thickness of the semiconductor active layer of the memory TFT and the switching TFT may be less than 150 nm.
前記第1の厚さは1〜50nmであり、前記第2の厚さは40〜100nmであってもよい。 The first thickness may be 1 to 50 nm, and the second thickness may be 40 to 100 nm.
前記第1の厚さは10〜40nmであってもよい。 The first thickness may be 10 to 40 nm.
前記メモリTFTの半導体活性層の厚さは、前記スイッチングTFTの半導体活性層の厚さよりも、インパクトイオナイゼイションが発生しやすい厚さであってもよい。 The thickness of the semiconductor active layer of the memory TFT may be such that impact ionization is more likely to occur than the thickness of the semiconductor active layer of the switching TFT.
前記メモリTFTの半導体活性層に流れるトンネル電流は、前記スイッチングTFTの半導体活性層に流れるトンネル電流の2倍以上であってもよい。 The tunnel current flowing in the semiconductor active layer of the memory TFT may be more than twice the tunnel current flowing in the semiconductor active layer of the switching TFT.
本発明によると、不揮発性メモリが、その駆動回路などの周辺回路と同一基板上に一体形成され、小型化を図ることができる。 According to the present invention, the non-volatile memory is integrally formed on the same substrate as the peripheral circuit such as the drive circuit, and the size can be reduced.
また、本発明によると、不揮発性メモリの半導体活性層の膜厚が比較的薄いので、インパクトイオナイゼイションの発生が起こりやすく、低電圧駆動でかつ劣化の少ない不揮発性メモリが実現される。 Further, according to the present invention, since the semiconductor active layer of the nonvolatile memory is relatively thin, impact ionization is likely to occur, and a nonvolatile memory that is driven at a low voltage and has little deterioration is realized.
さらに、本発明の不揮発性メモリは、半導体装置の部品と一体形成され得るので、半導体装置の小型化を図ることができる。 Furthermore, since the nonvolatile memory of the present invention can be formed integrally with the components of the semiconductor device, the semiconductor device can be reduced in size.
本実施例では、絶縁基板上に形成される不揮発性メモリ、特にEEPROMについて述べる。本実施例のEEPROMは、その駆動回路などの周辺回路と共に、絶縁基板上に一体形成される。 In this embodiment, a nonvolatile memory formed on an insulating substrate, particularly an EEPROM will be described. The EEPROM of this embodiment is integrally formed on an insulating substrate together with peripheral circuits such as a drive circuit.
図1を参照する。図1に本実施例の4kビットEEPROMの回路図を示す。本実施例の4kビットEEPROMは、複数の電気的消去可能なメモリ素子Tr1、複数のスイッチング素子Tr2、XおよびYアドレスデコーダ101、102、および他の周辺回路103、104によって構成される。他の周辺回路には、アドレスバッファ回路やコントロールロジック回路などが含まれ、必要に応じて設けられる。図1では、各ビット情報が記録されるメモリ素子(記憶素子)は、Tr1で示されている。Tr1は、フローティングゲイトを有するPチャネル型不揮発性メモリである。Tr2は、Nチャネルスイッチング素子Tr2である。 Please refer to FIG. FIG. 1 shows a circuit diagram of a 4k-bit EEPROM of this embodiment. The 4k-bit EEPROM of this embodiment is configured by a plurality of electrically erasable memory elements Tr1, a plurality of switching elements Tr2, X and Y address decoders 101 and 102, and other peripheral circuits 103 and 104. Other peripheral circuits include an address buffer circuit and a control logic circuit, and are provided as necessary. In FIG. 1, a memory element (storage element) in which each bit information is recorded is indicated by Tr1. Tr1 is a P-channel nonvolatile memory having a floating gate. Tr2 is an N-channel switching element Tr2.
2個のTFT(Tr1およびTr2)は、それぞれのドレイン電極が互いに直列に接続されており、この直列接続回路によって1ビットのメモリセルを構成する。本実施例では、このメモリセルが縦64個×横64個マトリクス状に配列されている。各メモリセルは1ビットの情報を記憶することができるので、本実施例のEEPROMは、4096ビット(=約4kビット)の記憶容量を有する。なお本実施例では、記憶容量が4096ビットのEEPROMについて説明するが、本発明は、いかなる記憶容量のEEPROMを構成する際にも適応され得る。 The drain electrodes of the two TFTs (Tr1 and Tr2) are connected in series with each other, and this serial connection circuit constitutes a 1-bit memory cell. In this embodiment, the memory cells are arranged in a matrix of 64 vertical × 64 horizontal. Since each memory cell can store 1-bit information, the EEPROM of this embodiment has a storage capacity of 4096 bits (= about 4 kbits). In this embodiment, an EEPROM having a storage capacity of 4096 bits will be described. However, the present invention can be applied to an EEPROM having any storage capacity.
各列に配置されているメモリセルは、A0、B0〜A63、B63という符号が付けられている信号線にその両端が接続されている。また、各行に配列されているメモリセルは、信号線C0、D0〜C63〜D63に各メモリセルのゲイト電極が接続されている。なお図1に示されるように、本実施例では、4kビットEEPROMを構成する各メモリセルに、(0、0)、(1、0)、(63、63)といった符号が付けられている。 The memory cells arranged in each column are connected at both ends to signal lines labeled A0, B0 to A63, B63. In the memory cells arranged in each row, the gate electrodes of the memory cells are connected to the signal lines C0, D0 to C63 to D63. As shown in FIG. 1, in this embodiment, each memory cell constituting the 4k-bit EEPROM is given a reference numeral (0, 0), (1, 0), (63, 63).
各信号線A0、B0〜A63、B63、およびC0、D0〜C63〜D63は、それぞれXアドレスデコーダ101、およびYアドレスデコーダ102に接続されている。このXアドレスデコーダ101およびYアドレスデコーダ102によって、特定のメモリセルが指定され、データの書き込み、読み出し、あるいは消去が行われる。 The signal lines A0, B0 to A63, B63, and C0, D0 to C63 to D63 are connected to the X address decoder 101 and the Y address decoder 102, respectively. A specific memory cell is specified by the X address decoder 101 and the Y address decoder 102, and data is written, read or erased.
次に、本実施例のメモリセルの構成について図2を用いて説明する。図2には、本実施例のメモリセルの断面図が示されている。図2において、左側の素子がメモリ素子Tr1であり、右側の素子がスイッチング素子Tr2である。Tr1の半導体活性層202は、ソース・ドレイン領域203、204およびチャネル領域205を含む。一方Tr2の半導体活性層206は、ソース・ドレイン領域207、208、低濃度不純物領域209、およびチャネル領域210を含む。211および212はゲイト絶縁膜である。213はフローティングゲイト電極である。214、218は陽極酸化膜である。215はコントロールゲイト電極である。216、220、および219はソース・ドレイン電極である。221は層間絶縁膜である。 Next, the configuration of the memory cell of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a cross-sectional view of the memory cell of this embodiment. In FIG. 2, the left element is the memory element Tr1, and the right element is the switching element Tr2. The semiconductor active layer 202 of Tr1 includes source / drain regions 203 and 204 and a channel region 205. On the other hand, the semiconductor active layer 206 of Tr 2 includes source / drain regions 207 and 208, a low concentration impurity region 209, and a channel region 210. 211 and 212 are gate insulating films. Reference numeral 213 denotes a floating gate electrode. Reference numerals 214 and 218 denote anodic oxide films. Reference numeral 215 denotes a control gate electrode. Reference numerals 216, 220, and 219 denote source / drain electrodes. Reference numeral 221 denotes an interlayer insulating film.
図2に示すようにメモリ素子Tr1の半導体活性層の厚さd1と、スイッチング素子Tr2の半導体活性層の厚さd2とは異なっており、d1<d2である。こうすることによって、メモリ素子Tr1の半導体活性層でのインパクトイオナイゼイション(impact ionization;インパクトイオン化、あるいは衝突電離)がより起こりやすくなり、Tr1のフローティングゲイト電極への電荷の注入が起こりやすくなる。また、メモリ素子の半導体活性層に流れるトンネル電流は、スイッチング素子の半導体活性層に流れるトンネル電流の2倍以上であることが好ましい。このことによって、メモリ素子の書込み/消去を低電圧で行うことができるので,メモリ素子の書込み回数に対するメモリ素子の劣化がすくなくなる。 As shown in FIG. 2, the thickness d1 of the semiconductor active layer of the memory element Tr1 is different from the thickness d2 of the semiconductor active layer of the switching element Tr2, and d1 <d2. By doing so, impact ionization (impact ionization or impact ionization) in the semiconductor active layer of the memory element Tr1 is more likely to occur, and charge injection to the floating gate electrode of Tr1 is likely to occur. The tunnel current flowing in the semiconductor active layer of the memory element is preferably at least twice as large as the tunnel current flowing in the semiconductor active layer of the switching element. As a result, the memory element can be written / erased at a low voltage, so that the memory element is hardly deteriorated with respect to the number of times the memory element is written.
なお、XおよびYアドレスデコーダ101、102を構成するTFTや他の周辺回路を構成するTFTの半導体活性層の厚さは、スイッチングTFTTr2の厚さと同様である。 Note that the thicknesses of the semiconductor active layers of the TFTs constituting the X and Y address decoders 101 and 102 and the TFTs constituting other peripheral circuits are the same as the thickness of the switching TFT Tr2.
ここで、本実施例のEEPROMの動作について、図1におけるメモリセル(1、1)を例にとって説明する。 Here, the operation of the EEPROM of the present embodiment will be described by taking the memory cell (1, 1) in FIG. 1 as an example.
まず、メモリ素子(1、1)にデータを書き込む場合、A1に−5Vの電圧が印加される。また、信号線D1にも5Vの電圧が印加される。そこで信号線B1をGNDにおとし、信号線C1には20V程度の高電圧を印加すると、Tr1のチャネル領域を移動するキャリア(この場合はホール)が加速され、弱いアバランシェ崩壊またはインパクトイオナイゼイションが起こり、多量の高エネルギー状態のホットキャリア(電子)が発生する。このキャリアがゲイト絶縁膜に注入され、フローティングゲイト電極にトラップされる。このようにしてTr1のフローティングゲイト電極に電荷が貯蓄される。フローティングゲイト電極に電荷が貯蓄されることによってTr1のしきい値電圧が変化する。 First, when data is written to the memory element (1, 1), a voltage of −5 V is applied to A1. A voltage of 5V is also applied to the signal line D1. Therefore, when the signal line B1 is set to GND and a high voltage of about 20 V is applied to the signal line C1, carriers (holes in this case) moving in the channel region of Tr1 are accelerated, and weak avalanche collapse or impact ionization occurs. And a large amount of hot carriers (electrons) in a high energy state are generated. This carrier is injected into the gate insulating film and trapped by the floating gate electrode. In this way, charges are stored in the floating gate electrode of Tr1. As the charge is stored in the floating gate electrode, the threshold voltage of Tr1 changes.
次に、メモリ素子(1、1)からデータを読み出す場合、信号線C1には0Vが印加され、D1には5Vが印加される。そしてB1をGNDにおとすと、フローティングゲイト電極に電荷が貯蓄されている場合と貯蓄されていない場合とで、Tr1のしきい値電圧が変化し、記憶されていた信号がA1から読み出されることになる。 Next, when reading data from the memory element (1, 1), 0V is applied to the signal line C1, and 5V is applied to D1. When B1 is set to GND, the threshold voltage of Tr1 changes depending on whether charges are stored in the floating gate electrode or not, and the stored signal is read out from A1. Become.
次に、記憶素子(1、1)に記憶されているデータを消去する場合、信号線D1には5Vが印加され、信号線B1をGNDにおとす。そして、信号線C1に−20V程度の電圧が印加されると、フローティングゲイト電極にトラップされていた電子がドレイン領域へ注入される。よって、記憶されていたデータが消去される。 Next, when erasing data stored in the memory element (1, 1), 5 V is applied to the signal line D1, and the signal line B1 is set to GND. When a voltage of about −20 V is applied to the signal line C1, electrons trapped in the floating gate electrode are injected into the drain region. Therefore, the stored data is erased.
以上の動作を下の表にまとめる。 The above operations are summarized in the table below.
なお、記憶素子に印加される電圧は、記憶素子の半導体活性層の膜厚やコントロールゲイト電極−フローティング電極間の容量等に依存する。よって、記憶素子の動作電圧については、上述した電圧に限られるわけではない。 Note that the voltage applied to the memory element depends on the thickness of the semiconductor active layer of the memory element, the capacitance between the control gate electrode and the floating electrode, and the like. Therefore, the operating voltage of the memory element is not limited to the voltage described above.
EEPROMは、その書き換え回数と情報保持時間が重要である。書き換え回数を多く可能にするために、記憶素子のコントロール電極に印加される電圧を小さくすることが要求される。本実施例の記憶素子の半導体活性層の厚さは、スイッチングTFTやアドレスデコーダを構成するTFTの半導体活性層の厚さよりも厚いので、インパクトイオナイゼイションが起こりやすく、コントロール電極に印加される電圧を低くすることができる。 In the EEPROM, the number of times of rewriting and the information holding time are important. In order to increase the number of times of rewriting, it is required to reduce the voltage applied to the control electrode of the memory element. Since the thickness of the semiconductor active layer of the memory element of this embodiment is larger than the thickness of the semiconductor active layer of the TFT constituting the switching TFT or the address decoder, impact ionization is likely to occur, and the voltage applied to the control electrode Can be lowered.
また、本実施例において、メモリ素子にデ─タを書込み/消去する場合、メモリ素子のコントロ─ル電極に一度に20Vの電圧を印加するのではなく、これよりも低い電圧を複数回のパルスで印加することによって、素子の劣化を防ぐことも出来る。 In this embodiment, when data is written / erased in the memory element, a voltage of 20 V is not applied to the control electrode of the memory element at a time, but a voltage lower than this voltage is applied to a plurality of pulses. It is possible to prevent the deterioration of the element by applying the voltage at.
また、本実施例のEEPROMを構成するTFTには、移動度、しきい値電圧等に高特性が要求されるので、従来よく用いられているアモルファスシリコンの半導体活性層を備えたTFTでは十分ではない。そこで、上記のような高特性を示すTFTを作製する方法を以下に示す。以下の作製方法によると、高特性のTFTを作製することができ、本実施例のEEPROMが実現できる。 In addition, since the TFT constituting the EEPROM of this embodiment requires high characteristics in terms of mobility, threshold voltage, etc., a TFT having an amorphous silicon semiconductor active layer that is often used conventionally is not sufficient. Absent. Therefore, a method for manufacturing a TFT exhibiting high characteristics as described above will be described below. According to the following manufacturing method, a TFT with high characteristics can be manufactured, and the EEPROM of this embodiment can be realized.
本実施例のEEPROMの作製方法を図3〜図7を用いて説明する。なお、図3〜図7には、本実施例のEEPROMを構成するTFTとして、メモリセルを構成するメモリ素子およびスイッチング素子、ならびにアドレスデコーダやその他の周辺回路を構成する回路として代表的なCMOS回路を構成する2つのTFTを例にとって説明する。 A method for manufacturing the EEPROM of this embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 7 show a typical CMOS circuit as a TFT constituting the EEPROM of this embodiment as a circuit constituting a memory element constituting a memory cell, a switching element, and an address decoder and other peripheral circuits. An explanation will be given by taking two TFTs constituting the above as an example.
また、以下に示す不揮発性メモリの製造方法によると、薄膜技術を用いて作製され得るいかなる半導体装置と本発明の不揮発性メモリとは、一体形成され得ることが理解される。 In addition, according to the nonvolatile memory manufacturing method described below, it is understood that any semiconductor device that can be manufactured using thin film technology and the nonvolatile memory of the present invention can be integrally formed.
図3を参照する。まず、絶縁表面を有する基板として石英基板301を準備する。石英基板の代わりに熱酸化膜を形成したシリコン基板を用いることもできる。また、石英基板上に一旦非晶質珪素膜を形成し、それを完全に熱酸化して絶縁膜とする様な方法をとっても良い。さらに、絶縁膜として窒化珪素膜を形成した石英基板、セラミックス基板を用いても良い。 Please refer to FIG. First, a quartz substrate 301 is prepared as a substrate having an insulating surface. A silicon substrate on which a thermal oxide film is formed can be used instead of the quartz substrate. Alternatively, a method may be employed in which an amorphous silicon film is once formed on a quartz substrate and is completely thermally oxidized to form an insulating film. Further, a quartz substrate or a ceramic substrate on which a silicon nitride film is formed as an insulating film may be used.
次に、非晶質珪素膜302を厚さ25nmに形成する(図3(A))。本実施例では成膜を減圧熱CVD法で行い、下記条件に従って形成する。
成膜温度:465℃
成膜圧力:0.5torr
成膜ガス:He(ヘリウム)300sccm
Si2 H6 (ジシラン)250sccm
Next, an amorphous silicon film 302 is formed to a thickness of 25 nm (FIG. 3A). In this embodiment, the film is formed by a low pressure thermal CVD method and formed according to the following conditions.
Deposition temperature: 465 ° C
Deposition pressure: 0.5 torr
Deposition gas: He (helium) 300 sccm
Si 2 H 6 (disilane) 250 sccm
次に、レジスト膜を形成し、パターンニングすることによってマスク304を形成する(図3(B))。その後、非晶質珪素膜303をエッチングし、基板上に部分的に形成された非晶質珪素膜304を形成する(図3(C))。なお、非晶質珪素膜303のエッチングには、ドライエッチングあるいはウエットエッチングのいずれを行ってもよい。ドライエッチングの場合、CF4 +O2 を用い、またウエットエッチングの場合、フッ素酸+硝酸を用いてもよい。 Next, a resist film is formed and patterned to form a mask 304 (FIG. 3B). After that, the amorphous silicon film 303 is etched to form an amorphous silicon film 304 partially formed on the substrate (FIG. 3C). Note that the amorphous silicon film 303 may be etched by either dry etching or wet etching. In the case of dry etching, CF 4 + O 2 may be used, and in the case of wet etching, fluorine acid + nitric acid may be used.
次に、再び上述した方法で非晶質珪素膜を厚さ50nmに形成し、図3(D)に示すような非晶質珪素膜305、306を形成する。ここでは、最終的な膜厚(熱酸化後の膜減りを考慮した膜厚)が、非晶質珪素膜305は50nm、かつ非晶質珪素膜306が75nmとなるように調節した。 Next, an amorphous silicon film is again formed to a thickness of 50 nm by the method described above, and amorphous silicon films 305 and 306 as shown in FIG. 3D are formed. Here, the final film thickness (thickness considering the film reduction after thermal oxidation) was adjusted so that the amorphous silicon film 305 was 50 nm and the amorphous silicon film 306 was 75 nm.
なお、2度目の非晶質珪素膜の形成の前には、非晶質珪素膜304および石英基板301の表面を清浄化しておくことが望ましい。 Note that it is desirable to clean the surfaces of the amorphous silicon film 304 and the quartz substrate 301 before the second formation of the amorphous silicon film.
また、非晶質珪素膜305、306の形成にあたっては、別の方法を用いてもよい。例えば、上述した方法によって非晶質珪素膜を全体に75nmに形成し、部分的にマスクを形成し、上述したエッチングによって部分的に膜厚を減少させた非晶質珪素膜を得ることもできる。 Further, another method may be used for forming the amorphous silicon films 305 and 306. For example, an amorphous silicon film can be formed by forming the amorphous silicon film as a whole to 75 nm by the above-described method, partially forming a mask, and partially reducing the film thickness by the above-described etching. .
なお、非晶質珪素膜305は、後にメモリ素子の半導体活性層となり、非晶質珪素膜306は、後にスイッチング素子および周辺のCMOS回路等の半導体活性層となる。 The amorphous silicon film 305 later becomes a semiconductor active layer of the memory element, and the amorphous silicon film 306 later becomes a semiconductor active layer of a switching element and a peripheral CMOS circuit.
なお、最終的な半導体活性層の厚さが150nm以上、特に200nm以上の場合は、SOI特有のインパクトイオナイゼイションの発生がきわめて少なく、バルクシリコンを用いた不揮発性メモリで発生するケースとほとんど変わらなくなってしまう。よってSOI技術による不揮発性メモリの特性を引き出すことができない。このため、本発明においては、最終的な半導体活性層の厚さは、共に150nm未満(好ましくは100nm未満)が好ましい。 When the final thickness of the semiconductor active layer is 150 nm or more, particularly 200 nm or more, impact ionization peculiar to SOI is extremely small, which is almost the same as the case of non-volatile memory using bulk silicon. It will disappear. Therefore, the characteristics of the nonvolatile memory based on the SOI technology cannot be extracted. Therefore, in the present invention, the final thickness of the semiconductor active layer is preferably less than 150 nm (preferably less than 100 nm).
また、本実施例では、上述したようにメモリ素子の非晶質珪素膜305の最終的な膜厚を50nm、スイッチング素子および周辺のCMOS回路等の非晶質珪素膜306の最終的な膜厚を75nmとしたが、それぞれ好ましくは、1〜50nm(さらに好ましくは10〜40nm)、40〜100nmの範囲に形成すればよく、本実施例の膜厚に限定されるわけではない。 Further, in this embodiment, as described above, the final film thickness of the amorphous silicon film 305 of the memory element is 50 nm, and the final film thickness of the amorphous silicon film 306 of the switching element and the peripheral CMOS circuit or the like. However, the thickness is preferably not limited to the film thickness of this embodiment, and may be in the range of 1 to 50 nm (more preferably 10 to 40 nm) and 40 to 100 nm.
なお、非晶質珪素膜の成膜に際して膜中の不純物濃度の管理を徹底的に行うことが重要である。本実施例の場合、非晶質珪素膜305、306中では結晶化を阻害する不純物であるC(炭素)及びN(窒素)の濃度はいずれも5×1018atoms/cm3 未満(代表的には5×1017atoms/cm3 以下、好ましくは2×1017atoms/cm3 以下)、O(酸素)は1.5×1019atoms/cm3 未満(代表的には1×1018atoms/cm3 以下、好ましくは5×1017atoms/cm3 以下)となる様に管理する。なぜならば各不純物がこれ以上の濃度で存在すると、後の結晶化の際に悪影響を及ぼし、結晶化後の膜質を低下させる原因となるからである。本明細書中において膜中の上記の不純物元素濃度は、SIMS(質量2次イオン分析)の測定結果における最小値で定義される。 It is important to thoroughly control the impurity concentration in the film when forming the amorphous silicon film. In this embodiment, the concentrations of C (carbon) and N (nitrogen) which are impurities that inhibit crystallization in the amorphous silicon films 305 and 306 are both less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 (typical 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less), and O (oxygen) is less than 1.5 × 10 19 atoms / cm 3 (typically 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less). This is because the presence of each impurity at a concentration higher than this will adversely affect the subsequent crystallization and cause deterioration of the film quality after crystallization. In the present specification, the impurity element concentration in the film is defined by the minimum value in the measurement result of SIMS (mass secondary ion analysis).
上記構成を得るため、本実施例で用いる減圧熱CVD炉は定期的にドライクリーニングを行い、成膜室の清浄化を図っておくことが望ましい。ドライクリーニングは、200〜400℃程度に加熱した炉内に100〜300sccmのClF3 (フッ化塩素)ガスを流し、熱分解によって生成したフッ素によって成膜室のクリーニングを行えば良い。 In order to obtain the above-described configuration, it is desirable that the low-pressure thermal CVD furnace used in this embodiment periodically perform dry cleaning to clean the film formation chamber. In dry cleaning, 100 to 300 sccm of ClF 3 (chlorine fluoride) gas is allowed to flow in a furnace heated to about 200 to 400 ° C., and the film formation chamber may be cleaned with fluorine generated by thermal decomposition.
なお、本発明者らの知見によれば炉内温度300℃とし、ClF3(フッ化塩素)ガスの流量を300sccmとした場合、約2μm厚の付着物(主に珪素を主成分する)を4時間で完全に除去することができる。 According to the knowledge of the present inventors, when the furnace temperature is 300 ° C. and the flow rate of ClF 3 (chlorine fluoride) gas is 300 sccm, 4 μm of deposits (mainly containing silicon as a main component) are 4 Can be completely removed in time.
また、非晶質珪素膜305、306中の水素濃度も非常に重要なパラメータであり、水素含有量を低く抑えた方が結晶性の良い膜が得られる様である。そのため、非晶質珪素膜305、306の成膜は減圧熱CVD法であることが好ましい。なお、成膜条件を最適化することでプラズマCVD法を用いることも可能である。 Further, the hydrogen concentration in the amorphous silicon films 305 and 306 is also a very important parameter, and it seems that a film with better crystallinity can be obtained by keeping the hydrogen content low. Therefore, the amorphous silicon films 305 and 306 are preferably formed by a low pressure thermal CVD method. Note that the plasma CVD method can be used by optimizing the film formation conditions.
次に、非晶質珪素膜305、306の結晶化工程を行う。結晶化の手段としては本発明者による特開平7−130652号公報記載の技術を用いる。同公報の実施例1および実施例2のどちらの手段でも良いが、本願発明では実施例2に記載した技術内容(特開平8−78329号公報に詳しい)を利用するのが好ましい。 Next, a crystallization process of the amorphous silicon films 305 and 306 is performed. As a means for crystallization, the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-130552 by the present inventor is used. Either means of Example 1 or Example 2 of the publication can be used, but it is preferable to use the technical contents described in Example 2 (detailed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-78329) in the present invention.
特開平8−78329号公報記載の技術は、まず触媒元素の添加領域を選択するマスク絶縁膜307〜309を形成する。そして、非晶質珪素膜305、306の結晶化を助長する触媒元素としてニッケル(Ni)を含有した溶液をスピンコート法により塗布し、Ni含有層310を形成する(図4(A))。 In the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-78329, first, mask insulating films 307 to 309 for selecting the addition region of the catalyst element are formed. Then, a solution containing nickel (Ni) as a catalyst element for promoting crystallization of the amorphous silicon films 305 and 306 is applied by a spin coating method to form a Ni-containing layer 310 (FIG. 4A).
なお、触媒元素としてはニッケル以外にも、コバルト(Co)、鉄(Fe)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、ゲルマニウム(Ge)、鉛(Pb)、インジウム(In)等を用いることができる。 In addition to nickel, the catalytic element is cobalt (Co), iron (Fe), palladium (Pd), platinum (Pt), copper (Cu), gold (Au), germanium (Ge), lead (Pb). Indium (In) or the like can be used.
また、上記触媒元素の添加工程はスピンコート法に限らず、レジストマスクを利用したイオン注入法またはプラズマドーピング法を用いることもできる。この場合、添加領域の占有面積の低減、横成長領域の成長距離の制御が容易となるので、微細化した回路を構成する際に有効な技術となる。 The catalyst element addition step is not limited to the spin coating method, and an ion implantation method or a plasma doping method using a resist mask can also be used. In this case, since the occupied area of the added region can be reduced and the growth distance of the lateral growth region can be easily controlled, this is an effective technique for configuring a miniaturized circuit.
次に、触媒元素の添加工程が終了したら、450℃1時間程度の水素出しの後、不活性雰囲気、水素雰囲気または酸素雰囲気中において500〜700℃(代表的には550〜650℃)の温度で4〜24時間の加熱処理を加えて非晶質珪素膜305、306の結晶化を行う。本実施例では窒素雰囲気で570℃14時間の加熱処理を行う。 Next, when the catalyst element addition step is completed, after dehydrogenation at 450 ° C. for about 1 hour, a temperature of 500 to 700 ° C. (typically 550 to 650 ° C.) in an inert atmosphere, hydrogen atmosphere or oxygen atmosphere. The amorphous silicon films 305 and 306 are crystallized by applying a heat treatment for 4 to 24 hours. In this embodiment, heat treatment is performed at 570 ° C. for 14 hours in a nitrogen atmosphere.
この時、非晶質珪素膜305、306の結晶化はニッケルを添加した領域311、312で発生した核から優先的に進行し、基板301の基板面に対してほぼ平行に成長した結晶領域313、314、および315が形成される。本発明者らはこの結晶領域313、314、および315を横成長領域と呼んでいる。横成長領域は比較的揃った状態で個々の結晶が集合しているため、全体的な結晶性に優れるという利点がある(図4(B))。 At this time, the crystallization of the amorphous silicon films 305 and 306 proceeds preferentially from the nuclei generated in the regions 311 and 312 to which nickel is added, and the crystal region 313 grown almost parallel to the substrate surface of the substrate 301. 314 and 315 are formed. The inventors refer to these crystal regions 313, 314, and 315 as lateral growth regions. Since the lateral growth regions are relatively aligned and individual crystals are gathered, there is an advantage that the overall crystallinity is excellent (FIG. 4B).
結晶化のための加熱処理が終了したら、マスク絶縁膜307、308、および309を除去してパターニングを行い、横成長領域のみでなる島状半導体層(活性層)316〜319を形成する。 After the heat treatment for crystallization is completed, the mask insulating films 307, 308, and 309 are removed and patterning is performed to form island-like semiconductor layers (active layers) 316 to 319 including only a lateral growth region.
次に、島状半導体活性層316のチャネル形成領域、および317〜319をレジストマスク320、321で覆い、P型を付与する不純物イオンの添加を行う。なお、本実施例ではB(ボロン)を不純物元素として用いたが、In(インジウム)を用いてもよい。なお、不純物添加時の加速電圧は、80keV程度とする。 Next, the channel formation region of the island-shaped semiconductor active layer 316 and 317 to 319 are covered with resist masks 320 and 321, and impurity ions imparting P-type are added. In this embodiment, B (boron) is used as an impurity element, but In (indium) may be used. Note that the acceleration voltage at the time of impurity addition is about 80 keV.
よって、島状半導体活性層316のソース・ドレイン領域125および127、チャネル形成領域126が形成される。また、島状半導体活性層317〜319は、レジストマスク321で覆われているので、不純物は添加されない。 Therefore, the source / drain regions 125 and 127 of the island-shaped semiconductor active layer 316 and the channel formation region 126 are formed. Further, since the island-like semiconductor active layers 317 to 319 are covered with the resist mask 321, no impurities are added.
その後、レジストマスク321を除去し、珪素を含む絶縁膜でなるゲイト絶縁膜325を形成する(図5(A))。ゲイト絶縁膜325の膜厚は後の熱酸化工程による増加分も考慮して10〜250nmの範囲で調節すれば良い。なお、メモリ素子島状の半導体活性層のゲイト絶縁膜の厚さを10〜50nmとし、他のゲイト絶縁膜の厚さを50〜250nmとしてもよい。なお、このゲイト絶縁膜には、SiO2 、SiON、SiN等が用いられてもよい。また、成膜方法は公知の気相法(プラズマCVD法、スパッタ法等)を用いれば良い。 After that, the resist mask 321 is removed, and a gate insulating film 325 made of an insulating film containing silicon is formed (FIG. 5A). The thickness of the gate insulating film 325 may be adjusted within a range of 10 to 250 nm in consideration of an increase due to a later thermal oxidation process. The thickness of the gate insulating film of the memory element island-shaped semiconductor active layer may be 10 to 50 nm, and the thickness of the other gate insulating film may be 50 to 250 nm. For the gate insulating film, SiO 2 , SiON, SiN or the like may be used. As a film formation method, a known vapor phase method (plasma CVD method, sputtering method, or the like) may be used.
次に、図5(A)に示す様に触媒元素(ニッケル)を除去または低減するための加熱処理(触媒元素のゲッタリングプロセス)を行う。この加熱処理は処理雰囲気中にハロゲン元素を含ませ、ハロゲン元素による金属元素のゲッタリング効果を利用するものである。 Next, as shown in FIG. 5A, heat treatment (catalyst element gettering process) for removing or reducing the catalyst element (nickel) is performed. In this heat treatment, a halogen element is included in the treatment atmosphere, and the gettering effect of the metal element by the halogen element is used.
なお、ハロゲン元素によるゲッタリング効果を十分に得るためには、上記加熱処理を700℃を超える温度で行なうことが好ましい。この温度以下では処理雰囲気中のハロゲン化合物の分解が困難となり、ゲッタリング効果が得られなくなる恐れがある。そのため加熱処理温度を好ましくは800〜1000℃(代表的には950℃)とし、処理時間は0.1〜6hr、代表的には0.5〜1hrとする。なお、上記加熱時に、ソース・ドレイン領域に存在する不純物がチャネル領域に拡散しないようにする必要がある。 Note that the heat treatment is preferably performed at a temperature exceeding 700 ° C. in order to obtain a sufficient gettering effect by the halogen element. Below this temperature, decomposition of the halogen compound in the processing atmosphere becomes difficult, and the gettering effect may not be obtained. Therefore, the heat treatment temperature is preferably 800 to 1000 ° C. (typically 950 ° C.), and the treatment time is 0.1 to 6 hr, typically 0.5 to 1 hr. It is necessary to prevent impurities existing in the source / drain regions from diffusing into the channel region during the heating.
代表的な実施例としては酸素雰囲気中に対して塩化水素(HCl)を0.5〜10体積%(本実施例では3体積%)の濃度で含有させた雰囲気中において、950℃、30分の加熱処理を行えば良い。HCl濃度を上記濃度以上とすると、活性層316〜319の表面に膜厚程度の凹凸が生じてしまうため好ましくない。 As a typical example, in an atmosphere containing hydrogen chloride (HCl) at a concentration of 0.5 to 10% by volume (in this example, 3% by volume) with respect to an oxygen atmosphere, 950 ° C., 30 minutes. The heat treatment may be performed. If the HCl concentration is equal to or higher than the above concentration, the surface of the active layers 316 to 319 is not preferable because irregularities of about the film thickness occur.
また、ハロゲン元素を含む化合物してはHClガス以外にもHF、NF3 、HBr、Cl2 、ClF3 、BCl3 、F2 、Br2 等のハロゲン元素を含む化合物から選ばれた一種または複数種のものを用いることが出来る。 In addition to the HCl gas, the compound containing a halogen element is one or more selected from compounds containing a halogen element such as HF, NF 3 , HBr, Cl 2 , ClF 3 , BCl 3 , F 2 , Br 2, etc. A seed can be used.
この工程においては活性層316〜319中のニッケルが塩素の作用によりゲッタリングされ、揮発性の塩化ニッケルとなって大気中へ離脱して除去される。そして、この工程により活性層316〜319中のニッケルの濃度は5×1017atoms/cm3 以下(代表的には2×1017atoms/cm3 以下)にまで低減される。なお、本発明者らの経験によれば、ニッケル濃度が1×1018atoms/cm3 以下(好ましくは5×1017atoms/cm3 以下)であればTFT特性に悪影響はでない。 In this step, nickel in the active layers 316 to 319 is gettered by the action of chlorine and becomes volatile nickel chloride which is separated into the atmosphere and removed. By this step, the concentration of nickel in the active layers 316 to 319 is reduced to 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less (typically 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less). According to the experience of the present inventors, if the nickel concentration is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less (preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less), the TFT characteristics are not adversely affected.
また、上記ゲッタリング処理はニッケル以外の他の金属元素にも効果的である。珪素膜中に混入しうる金属元素としては、主に成膜チャンバーの構成元素(代表的にはアルミニウム、鉄、クロム等)が考えられるが、上記ゲッタリング処理を行なえば、それら金属元素の濃度も5×1017atoms/cm3 以下(好ましくは2×1017atoms/cm3 以下)にすることが可能である。 The gettering process is also effective for metal elements other than nickel. As the metal elements that can be mixed into the silicon film, the constituent elements of the deposition chamber (typically aluminum, iron, chromium, etc.) can be considered, but if the gettering process is performed, the concentration of these metal elements is considered. 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less (preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less).
なお、上記ゲッタリング処理を行うと、活性層316〜319中にはゲッタリング処理に使用したハロゲン元素が1×1016〜1×1020atoms/cm3 の濃度で残存する。 When the gettering process is performed, the halogen elements used for the gettering process remain in the active layers 316 to 319 at a concentration of 1 × 10 16 to 1 × 10 20 atoms / cm 3 .
また、上記加熱処理により活性層316〜319とゲイト絶縁膜325との界面では熱酸化反応が進行し、熱酸化膜の分だけゲイト絶縁膜325の膜厚は増加する。この様にして熱酸化膜を形成すると、非常に界面準位の少ない半導体/絶縁膜界面を得ることができる。また、活性層端部における熱酸化膜の形成不良(エッジシニング)を防ぐ効果もある。 In addition, a thermal oxidation reaction proceeds at the interface between the active layers 316 to 319 and the gate insulating film 325 by the heat treatment, and the thickness of the gate insulating film 325 increases by the amount of the thermal oxide film. When the thermal oxide film is formed in this way, a semiconductor / insulating film interface with very few interface states can be obtained. In addition, there is an effect of preventing formation defects (edge thinning) of the thermal oxide film at the end portion of the active layer.
さらに、上記ハロゲン雰囲気における加熱処理を施した後に、窒素雰囲気中で950℃、1時間程度の加熱処理を行なうことで、ゲイト絶縁膜325の膜質の向上を図ることも有効である。 Furthermore, it is also effective to improve the film quality of the gate insulating film 325 by performing heat treatment at 950 ° C. for about 1 hour in a nitrogen atmosphere after the heat treatment in the halogen atmosphere.
次に、図示しないアルミニウムを主成分とする金属膜を成膜し、パターニングによって後のゲイト電極の原型129〜132を形成する。本実施例では2wt%のスカンジウムを含有したアルミニウム膜を用いる。なお、これ以外にもタンタル膜、導電性を有する珪素膜等を用いることもできる(図5(B))。 Next, a metal film mainly composed of aluminum (not shown) is formed, and later gate electrode prototypes 129 to 132 are formed by patterning. In this embodiment, an aluminum film containing 2 wt% scandium is used. In addition, a tantalum film, a conductive silicon film, or the like can also be used (FIG. 5B).
ここで本発明者らによる特開平7−135318号公報記載の技術を利用する。同公報には、陽極酸化により形成した酸化膜を利用して自己整合的にソース/ドレイン領域と低濃度不純物領域とを形成する技術が開示されている。以下にその技術について簡単に説明する。 Here, the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-135318 by the present inventors is used. This publication discloses a technique for forming source / drain regions and low-concentration impurity regions in a self-aligning manner using an oxide film formed by anodic oxidation. The technique will be briefly described below.
まず、アルミニウム膜のパターニングに使用したレジストマスク(図示せず)を残したまま3%シュウ酸水溶液中で陽極酸化処理を行い、多孔性の陽極酸化膜330〜337を形成する。この膜厚が後に低濃度不純物領域の長さになるのでそれに合わせて膜厚を制御する。 First, anodization is performed in a 3% oxalic acid aqueous solution while leaving a resist mask (not shown) used for patterning the aluminum film, thereby forming porous anodic oxide films 330 to 337. Since this film thickness later becomes the length of the low concentration impurity region, the film thickness is controlled accordingly.
次に、図示しないレジストマスクを除去した後、エチレングリコール溶液に3%の酒石酸を混合した電解溶液中で陽極酸化処理を行う。この処理では緻密な無孔性の陽極酸化膜338〜341が形成される。膜厚は70〜120nmで良い。 Next, after removing a resist mask (not shown), anodization is performed in an electrolytic solution in which 3% tartaric acid is mixed with an ethylene glycol solution. In this process, dense non-porous anodic oxide films 338 to 341 are formed. The film thickness may be 70 to 120 nm.
そして、上述の2回に渡る陽極酸化処理の後に残ったアルミニウム膜342〜345が実質的にゲイト電極として機能する(図5(C))。なお、アルミニウム膜342は、後にメモリ素子のフローティングゲイト電極となる。 Then, the aluminum films 342 to 345 remaining after the above-described two anodic oxidation treatments substantially function as gate electrodes (FIG. 5C). Note that the aluminum film 342 later becomes a floating gate electrode of the memory element.
次にゲイト電極342〜345、多孔性の陽極酸化膜330〜337をマスクとしてゲイト絶縁膜325をドライエッチング法によりエッチングし、346〜349にパターンニングする(図5(D))。 Next, the gate insulating film 325 is etched by dry etching using the gate electrodes 342 to 345 and the porous anodic oxide films 330 to 337 as a mask, and patterned to 346 to 349 (FIG. 5D).
そして、多孔性の陽極酸化膜330〜337を除去する(図6(A))。こうして形成されるゲイト絶縁膜346〜349の端部は多孔性の陽極酸化膜330〜337の膜厚分だけ露出した状態となる。 Then, the porous anodic oxide films 330 to 337 are removed (FIG. 6A). The end portions of the gate insulating films 346 to 349 thus formed are exposed by the thickness of the porous anodic oxide films 330 to 337.
次に、ゲイト電極342を分断し、フローティンングゲイト電極342’を形成する(図6(B))。 Next, the gate electrode 342 is divided to form a floating gate electrode 342 '(FIG. 6B).
次に、一導電性を付与する不純物元素の添加工程を行う。不純物元素としてはN型ならばP(リン)またはAs(砒素)、P型ならばB(ボロン)またはIn(インジウム)を用いれば良い。 Next, an impurity element adding step for imparting one conductivity is performed. As the impurity element, P (phosphorus) or As (arsenic) may be used for N type, and B (boron) or In (indium) may be used for P type.
まず、N型TFTの不純物添加を行うために、レジストマスク350、351を形成する。本実施例では、不純物添加を2回の工程に分けて行う。まず、1回目の不純物添加(本実施例ではP(リン)を用いる)を高加速電圧80keV程度で行い、 n- 領域を形成する。このn- 領域は、Pイオン濃度が1×1017atoms/cm3 〜1×1019atoms/cm3 となるように調節する。 First, resist masks 350 and 351 are formed in order to add impurities to the N-type TFT. In this embodiment, the impurity addition is performed in two steps. First, the first impurity addition (P (phosphorus) is used in this embodiment) is performed at a high acceleration voltage of about 80 keV to form an n − region. The n − region is adjusted so that the P ion concentration is 1 × 10 17 atoms / cm 3 to 1 × 10 19 atoms / cm 3 .
さらに、2回目の不純物添加を低加速電圧10ke V程度で行い、 n+ 領域を形成する。この時は、 加速電圧が低いので、 ゲイト絶縁膜がマスクとして機能する。また、このn+ 領域は、シート抵抗が500Ω以下(好ましくは300Ω以下)となるように調節する。 Further, the second impurity addition is performed at a low acceleration voltage of about 10 keV to form an n + region. At this time, since the acceleration voltage is low, the gate insulating film functions as a mask. The n + region is adjusted so that the sheet resistance is 500Ω or less (preferably 300Ω or less).
よって、N型TFTのソース・ドレイン領域352〜355、低濃度不純物領域356、357、およびチャネル領域358、359が形成される。 Therefore, source / drain regions 352 to 355 of the N-type TFT, low-concentration impurity regions 356 and 357, and channel regions 358 and 359 are formed.
次に、図6(D)に示すように、N型TFTを覆ってレジストマスク360、361を設け、P型を付与する不純物イオン(本実施例ではボロンを用いる)の添加を行い、p- 領域、p+ 領域を形成する。このp- 領域は、ボロンイオン濃度が1×1017atoms/cm3 以上(好ましくは1×1018atoms/cm3 以上)となるように調節する。ボロンの他に、Ga、Inなどを用いてもよい。 Next, as shown in FIG. 6D, resist masks 360 and 361 are provided so as to cover the N-type TFT, and impurity ions imparting P-type (boron is used in this embodiment) are added, and p − A region, p + region, is formed. The p − region is adjusted so that the boron ion concentration is 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more (preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more). In addition to boron, Ga, In, or the like may be used.
こうしてP型TFTのソース・ドレイン領域362、363、低濃度不純物領域364、およびチャネル形成領域367が形成される(図6(D))。 Thus, source / drain regions 362 and 363, a low concentration impurity region 364, and a channel formation region 367 of the P-type TFT are formed (FIG. 6D).
上述したように、スイッチングTFTおよび他の周辺回路のTFTには低濃度不純物領域が形成されているので、半導体活性層の厚さ薄い場合でもインパクトイオナイゼイションが起こりにくくなっている。 As described above, since the low-concentration impurity regions are formed in the switching TFT and other peripheral circuit TFTs, impact ionization is less likely to occur even when the semiconductor active layer is thin.
以上の様にして活性層が完成したら、ファーネスアニール、レーザーアニール、ランプアニール等の組み合わせによって不純物元素の活性化を行う。それと同時に添加工程で受けた活性層の損傷も修復される。 When the active layer is completed as described above, the impurity element is activated by a combination of furnace annealing, laser annealing, lamp annealing and the like. At the same time, the damage of the active layer received in the addition process is also repaired.
なお、本実施例のTFTのチャネル形成領域は、不整合結合手の数が少なく、実質的に単結晶であるといえる。 Note that it can be said that the channel formation region of the TFT of this embodiment is substantially single crystal with a small number of mismatch bonds.
次に、層間絶縁膜368を500nmの厚さに形成する。層間絶縁膜368としては酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、有機性樹脂膜、或いはそれらの積層膜を用いることができる。 Next, an interlayer insulating film 368 is formed to a thickness of 500 nm. As the interlayer insulating film 368, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an organic resin film, or a stacked film thereof can be used.
次に、コンタクトホールを形成した後、ソース・ドレイン電極369〜374、およびメモリ素子のコントロールゲイト電極375を形成する。このコントロールゲイト電極375は、陽極酸化膜338の上面に接続されている(図7(B))。 Next, after forming contact holes, source / drain electrodes 369 to 374 and a control gate electrode 375 of the memory element are formed. The control gate electrode 375 is connected to the upper surface of the anodic oxide film 338 (FIG. 7B).
最後に、基板全体を350℃の水素雰囲気で1〜2時間加熱し、素子全体の水素化を行うことで膜中(特に活性層中)のダングリングボンド(不対結合手)を終端する。以上の工程によって、図7(B)に示す様な構造のTFTを作製することができる。 Finally, the entire substrate is heated in a hydrogen atmosphere at 350 ° C. for 1 to 2 hours, and the entire device is hydrogenated to terminate dangling bonds (unpaired bonds) in the film (particularly in the active layer). Through the above steps, a TFT having a structure as shown in FIG. 7B can be manufactured.
(活性層中に含まれる不純物に関する知見)
本実施例の活性層(半導体薄膜)には結晶化を阻害する元素であるC(炭素)、N(窒素)及びO(酸素)が存在しない、或いは実質的に存在しない点に特徴がある。これは徹底的な不純物(汚染物)管理によってなしうる構成である。
(Knowledge about impurities contained in active layer)
The active layer (semiconductor thin film) of this embodiment is characterized in that C (carbon), N (nitrogen), and O (oxygen), which are elements that inhibit crystallization, are not present or substantially absent. This is a configuration that can be achieved through thorough impurity (contamination) management.
本実施例の場合、非晶質珪素膜の成膜にあたってC(炭素)、N(窒素)及びO(酸素)の混入を徹底的に避けるので、必然的に最終的な半導体膜中に存在するC(炭素)及びN(窒素)の濃度は少なくとも5×1018atoms/cm3 未満(代表的には5×1017atoms/cm3 以下、好ましくは2×1017atoms/cm3 以下)、O(酸素)の濃度は少なくとも1.5×1019atoms/cm3 未満(代表的には1×1018atoms/cm3 以下、好ましくは5×1017atoms/cm3 以下)となる。 In the case of the present embodiment, since the mixing of C (carbon), N (nitrogen) and O (oxygen) is thoroughly avoided in the formation of the amorphous silicon film, it inevitably exists in the final semiconductor film. The concentration of C (carbon) and N (nitrogen) is at least less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 (typically 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less), The concentration of O (oxygen) is at least less than 1.5 × 10 19 atoms / cm 3 (typically 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less).
なお、純粋に珪素だけからなる半導体膜では珪素の濃度が約5×1022atoms/cm3 であるので、例えば5×1018atoms/cm3 の不純物元素は約0.01atomic%の濃度で存在することに相当する。 Incidentally, since the concentration of silicon is about 5 × 10 22 atoms / cm 3 in a semiconductor film made of pure silicon, for example, an impurity element of 5 × 10 18 atoms / cm 3 exists at a concentration of about 0.01 atomic%. It corresponds to doing.
また、望ましくは最終的な半導体膜中に存在するC(炭素)、N(窒素)及びO(酸素)の濃度をSIMS分析における検出下限以下、さらに望ましくは完全に存在しない状態とすることが優れた結晶性を得るためには必要である。 In addition, it is desirable that the concentration of C (carbon), N (nitrogen), and O (oxygen) present in the final semiconductor film is less than the lower limit of detection in SIMS analysis, and more preferably not completely present. It is necessary to obtain high crystallinity.
本発明者らがSIMSで分析した結果、C、N、Oの濃度がいずれも上記濃度範囲を満たす非晶質珪素膜を出発膜として用いた場合、完成したTFTの活性層中に含まれるC、N、Oの濃度も上記濃度範囲を満たすことが判明している。 As a result of analysis by the SIMS by the present inventors, when an amorphous silicon film in which the concentrations of C, N, and O all satisfy the above concentration range is used as a starting film, C contained in the active layer of the completed TFT It has been found that the concentrations of N, O also satisfy the above concentration range.
ここで、図8(A)に、本実施の不揮発性メモリの回路配置図を示す。図8(B)は、図8(A)におけるA−A’の断面図を示し、図8(C)は、図16(A)の等価回路図を示す。 Here, FIG. 8A shows a circuit layout of the nonvolatile memory of this embodiment. 8B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. 8A, and FIG. 8C is an equivalent circuit diagram of FIG.
図8(A)において、801〜808は半導体活性層であり、TFTTr1〜Tr8を構成している。809〜812は第1の配線層であり、Tr2、Tr4、Tr6、およびTr8のゲイト電極、ゲイト信号線の配線、およびTr1、Tr3、Tr5、Tr7のゲイト信号線の配線として利用している。なお、Tr1、Tr3、Tr5、およびTr7のフローティングゲイト電極813〜816は、第1の配線層と同時に形成され、パターンニングされたのちにフローティングの状態となる。817〜828は第2の配線層であり、各Trのソース・ドレイン領域に接続される信号線として、またTr1、Tr3、Tr5、およびTr7のコントロールゲイト電極として用いられる。また、図中において、黒く塗りつぶされている部分は、その下部の配線あるいは半導体層とコンタクトをとっていることを示している。なお、図中において同一柄の配線は全て同一の配線層である。 In FIG. 8A, reference numerals 801 to 808 denote semiconductor active layers, which constitute TFTs Tr1 to Tr8. Reference numerals 809 to 812 denote first wiring layers, which are used as gate electrodes of Tr2, Tr4, Tr6, and Tr8, wiring of gate signal lines, and wiring of gate signal lines of Tr1, Tr3, Tr5, and Tr7. Note that the floating gate electrodes 813 to 816 of Tr1, Tr3, Tr5, and Tr7 are formed at the same time as the first wiring layer and are in a floating state after patterning. Reference numerals 817 to 828 denote second wiring layers which are used as signal lines connected to the source / drain regions of the respective Trs and as control gate electrodes of the Tr1, Tr3, Tr5 and Tr7. In the drawing, the blacked out portion indicates that the lower wiring or the semiconductor layer is in contact. In the figure, all wirings of the same pattern are the same wiring layer.
本発明の不揮発性メモリにおいては、メモリ素子の半導体活性層の膜厚を、スイッチング素子や他の周辺回路を構成する素子の半導体活性層の膜厚よりも薄くしているので、メモリ素子において、インパクトイオン化が起こりやすく、メモリ素子の書込み/消去を低電圧で行うことが出来る。このことは、メモリ素子の書込み/消去回数に対する劣化の減少につながる。これは、従来バルクシリコンで作製されたEEPROMでは、ゲイト絶縁膜が比較的薄い為に、ゲイト絶縁膜の劣化が生じていた事に対する革新的な解決方法である。さらに、従来のバルクシリコンでは、ゲイト絶縁膜が薄いためフロ─ティングゲイト電極に蓄積されていたキャリアが、温度の上昇により流出してしまうということに対する解決方法でもある。 In the nonvolatile memory of the present invention, the thickness of the semiconductor active layer of the memory element is made thinner than the thickness of the semiconductor active layer of the element constituting the switching element or other peripheral circuit. Impact ionization is likely to occur, and the memory element can be written / erased at a low voltage. This leads to a decrease in deterioration with respect to the number of times of writing / erasing of the memory element. This is an innovative solution to the problem that the gate insulating film has deteriorated because the gate insulating film is relatively thin in the conventional EEPROM manufactured from bulk silicon. Further, in the conventional bulk silicon, the gate insulating film is thin, so that the carrier accumulated in the floating gate electrode flows out due to the temperature rise.
本実施例では、まず安価な低級グレードの石英基板を用意する。次に、その石英基板をCMP(化学機械研磨)等の手法により理想状態(凹凸部の差の平均値が5nm以内、代表的には3nm以内、好ましくは2nm以内)にまで研磨する。 In this embodiment, an inexpensive low-grade quartz substrate is first prepared. Next, the quartz substrate is polished to an ideal state (average value of the uneven portion difference is within 5 nm, typically within 3 nm, preferably within 2 nm) by a technique such as CMP (Chemical Mechanical Polishing).
この様に、安価な石英基板であっても研磨によって優れた平坦性を有する絶縁性基板として利用することができる。石英基板を用いると非常に下地が緻密となるので下地/半導体薄膜界面の安定度が高い。また、基板からの汚染の影響も殆どないので非常に利用価値が高い。 Thus, even an inexpensive quartz substrate can be used as an insulating substrate having excellent flatness by polishing. When a quartz substrate is used, the substrate becomes very dense and the stability of the substrate / semiconductor thin film interface is high. Further, since there is almost no influence of contamination from the substrate, the utility value is very high.
実施例1では珪素の結晶化を助長する触媒元素をゲッタリングする工程においてハロゲン元素を用いる例を示した。本願発明では、触媒元素のゲッタリング工程にリン元素を用いることも可能である。その他の工程は、実施例1に従うものとする。 In Example 1, an example in which a halogen element is used in the process of gettering a catalytic element that promotes crystallization of silicon is shown. In the present invention, it is also possible to use a phosphorus element in the catalyst element gettering step. Other steps shall be in accordance with Example 1.
リン元素を用いる場合、活性層となる領域以外の領域にリンを添加し、400〜1050℃(好ましくは600〜750℃)の温度で、1min〜20hr(典型的には30min〜3hr)の加熱処理を行えば良い。この加熱処理によりリンを添加した領域に触媒元素がゲッタリングされるので、活性層中の触媒元素の濃度は5×1017atoms/cm3 以下にまで低減される。 In the case of using phosphorus element, phosphorus is added to a region other than the region to be the active layer, and heated at a temperature of 400 to 1050 ° C. (preferably 600 to 750 ° C.) for 1 min to 20 hr (typically 30 min to 3 hr). What is necessary is just to process. Since the catalytic element is gettered to the region where phosphorus is added by this heat treatment, the concentration of the catalytic element in the active layer is reduced to 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
こうしてゲッタリング工程を終えたら、リンを添加した領域以外の領域を利用して活性層を形成する。後は、実施例1の工程に従えば実施例1と同じ特徴を有する半導体装置が得られる。 When the gettering process is completed in this manner, an active layer is formed using a region other than the region to which phosphorus is added. Thereafter, according to the steps of the first embodiment, a semiconductor device having the same characteristics as the first embodiment is obtained.
勿論、ゲイト絶縁膜となる熱酸化膜を形成する際にハロゲン元素を含む雰囲気中で加熱処理を行えば、本実施例のリン元素によるゲッタリング効果とハロゲン元素によるゲッタリング効果との相乗効果が得られる。 Of course, if a heat treatment is performed in an atmosphere containing a halogen element when forming a thermal oxide film to be a gate insulating film, there is a synergistic effect between the gettering effect by the phosphorus element and the gettering effect by the halogen element in this embodiment. can get.
本実施例では、逆スタガー型のTFTによってEEPROMを構成する場合について図9〜図11を用いて説明する。なお、図9〜図11においては、EEPROMを構成する一つのメモリセル(メモリ素子およびスイッチング素子)のみに注目しているが、アドレスデコーダや周辺回路等も同時に形成され得る。実際には、実施例1で説明した図1のように、マトリクス状に配置された複数のメモリセルとアドレスデコーダや周辺回路とによってEEPROMが構成される。 In this embodiment, a case where an EEPROM is constituted by an inverted stagger type TFT will be described with reference to FIGS. In FIGS. 9 to 11, attention is paid only to one memory cell (memory element and switching element) constituting the EEPROM, but an address decoder, a peripheral circuit, and the like can be formed at the same time. Actually, as shown in FIG. 1 described in the first embodiment, an EEPROM is constituted by a plurality of memory cells arranged in a matrix, an address decoder, and peripheral circuits.
図9を参照する。まず、ガラス基板901上に酸化珪素膜でなる下地膜902を設け、その上にゲイト電極903、904を形成する。ゲイト電極903は、後にメモリ素子のコントロールゲイト電極になり、ゲイト電極904は、後にスイッチング素子のゲイト電極となる。本実施例では、ゲイト電極903、904として200nm〜400nm厚のクロム膜を使用するが、アルミニウム合金、タンタル、タングステン、モリブデン、導電性を付与した珪素膜等を用いてもよい。 Please refer to FIG. First, a base film 902 made of a silicon oxide film is provided on a glass substrate 901, and gate electrodes 903 and 904 are formed thereon. The gate electrode 903 later becomes a control gate electrode of the memory element, and the gate electrode 904 later becomes a gate electrode of the switching element. In this embodiment, a chromium film having a thickness of 200 nm to 400 nm is used as the gate electrodes 903 and 904, but an aluminum alloy, tantalum, tungsten, molybdenum, a silicon film imparted with conductivity, or the like may be used.
次に、ゲイト電極903、904上にゲイト絶縁膜905を100〜200nmの厚さに形成する。ゲイト絶縁膜905としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、または酸化珪素膜と窒化珪素膜との積層膜を用いる。また、ゲイト電極を陽極酸化して得られる陽極酸化膜をゲイト絶縁膜として利用することもできる。 Next, a gate insulating film 905 is formed to a thickness of 100 to 200 nm on the gate electrodes 903 and 904. As the gate insulating film 905, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film is used. An anodized film obtained by anodizing a gate electrode can also be used as a gate insulating film.
また、このメモリ素子側のゲイト絶縁膜は、次の工程で形成するフローティングゲイト電極とコントロールゲイト電極との間の容量を規定するものであり、その膜厚を変えてフローティングゲイト電極に印加される電圧を調整することができる。よって、ゲイト絶縁膜905の厚さは、上記の範囲に限られるわけではなく、また、部分的に膜厚を変えてもよい。 The gate insulating film on the memory element side defines the capacitance between the floating gate electrode and the control gate electrode to be formed in the next step, and is applied to the floating gate electrode while changing its film thickness. The voltage can be adjusted. Therefore, the thickness of the gate insulating film 905 is not limited to the above range, and the thickness may be partially changed.
次に、フローティングゲイト電極906を形成する(図9(B))。本実施例では、フローティングゲイト電極としてクロム膜を使用するが、アルミニウム合金、タンタル、タングステン、モリブデン、導電性を付与した珪素膜等を用いてもよい。 Next, a floating gate electrode 906 is formed (FIG. 9B). In this embodiment, a chromium film is used as the floating gate electrode. However, an aluminum alloy, tantalum, tungsten, molybdenum, a silicon film imparted with conductivity, or the like may be used.
次に、絶縁膜907を10〜50nmの厚さに形成する。絶縁膜907としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、または酸化珪素膜と窒化珪素膜との積層膜を用いる。 Next, an insulating film 907 is formed to a thickness of 10 to 50 nm. As the insulating film 907, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film is used.
次に、非晶質珪素膜908、909を実施例1の図3(A)〜(D)に示した方法によって形成する(図9(C))。なお、本実施例では、メモリ素子の非晶質珪素膜908の最終的な膜厚を50nm、スイッチング素子の非晶質珪素膜909の最終的な膜厚を75nmとしたが、それぞれ1〜50nm(好ましくは10〜40nm)、40〜100nmの範囲に形成すればよく、本実施例の膜厚に限定されるわけではない。また、図示しないが、アドレスデコーダや周辺回路のTFTの非晶質珪素膜の膜厚は、スイッチング素子と同様の膜厚に作製され得る。 Next, amorphous silicon films 908 and 909 are formed by the method shown in FIGS. 3A to 3D of Example 1 (FIG. 9C). In this embodiment, the final film thickness of the amorphous silicon film 908 of the memory element is 50 nm and the final film thickness of the amorphous silicon film 909 of the switching element is 75 nm. (Preferably 10 to 40 nm), it may be formed in the range of 40 to 100 nm, and is not limited to the film thickness of this embodiment. Although not shown, the amorphous silicon film of the TFT of the address decoder or peripheral circuit can be formed to have the same thickness as that of the switching element.
次に、非晶質珪素膜908、909をレーザー光あるいはレーザー光と同等の強度を持つ強光の照射を行い、非晶質珪素膜の結晶化を行う(図9(D))。レーザー光としては、エキシマレーザー光が好ましい。エキシマレーザーとしては、KrF、ArF,XeClを光源としたパルスレーザを利用すればよい。 Next, the amorphous silicon films 908 and 909 are irradiated with laser light or strong light having the same intensity as the laser light to crystallize the amorphous silicon film (FIG. 9D). As the laser light, excimer laser light is preferable. As the excimer laser, a pulse laser using KrF, ArF, or XeCl as a light source may be used.
また、レーザー光と同等の強度を持つ強光としては、ハロゲンランプまたはメタルハライドランプからの強光、赤外光または紫外光ランプからの強光を利用することができる。 As strong light having the same intensity as laser light, strong light from a halogen lamp or a metal halide lamp, or strong light from an infrared light or ultraviolet light lamp can be used.
本実施例では、線状に加工されたエキシマレーザー光を基板の一端から他端へ走査し、非晶質珪素膜の全面を結晶化する。この時、レーザー光のスウィープ速度は1.2mm/s、処理温度は室温、パルス周波数は30Hz、レーザーエネルギーは300〜315mJ/cm2 とする。この工程によって結晶性珪素膜が得られる。 In this embodiment, excimer laser light processed into a linear shape is scanned from one end to the other end of the substrate to crystallize the entire surface of the amorphous silicon film. At this time, the sweep speed of the laser beam is 1.2 mm / s, the processing temperature is room temperature, the pulse frequency is 30 Hz, and the laser energy is 300 to 315 mJ / cm 2 . A crystalline silicon film is obtained by this process.
なお、本実施例の非晶質珪素膜にも、実施例1あるいは実施例3で用いられた結晶化方法が用いられ得る。 The crystallization method used in Example 1 or Example 3 can also be used for the amorphous silicon film of this example.
また、実施例1の非晶質珪素膜にも、本実施例の結晶化方法が用いられ得ることが理解される。 In addition, it is understood that the crystallization method of this example can be used for the amorphous silicon film of Example 1.
次に図10を参照する。結晶性珪素膜をパターンニングして、活性層910および911を形成する。 Reference is now made to FIG. The crystalline silicon film is patterned to form active layers 910 and 911.
次に、一導電性を付与する不純物元素の添加を行なう。まず、メモリ素子、N型TFT、およびP型TFTのチャネル領域を形成する活性層をレジストマスクで覆い(図示せず)、P型を付与する不純物元素(本実施例ではボロンを用いる。インジウムなどを用いてもよい)を添加し、ボロンイオン濃度が1×1017atoms/cm3 以上(好ましくは1×1018atoms/cm3 以上)であるp- 領域(低濃度不純物領域、図示せず)を形成する。 Next, an impurity element imparting one conductivity is added. First, an active layer for forming channel regions of the memory element, the N-type TFT, and the P-type TFT is covered with a resist mask (not shown), and an impurity element imparting P-type (boron is used in this embodiment). added may also be) using, p boron ion concentration of 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more (preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more) - region (low concentration impurity regions, not shown ).
次に、レジストマスク912および913を形成する(図10(B))。そして、P型を付与する不純物元素を、1×1018〜1×1020atoms/cm3 程度の濃度となるように添加し、P型TFTのソース領域914およびドレイン領域915を形成する。また、活性層のうちレジストマスク912で覆われている部分がチャネル領域となる(図10(B))。 Next, resist masks 912 and 913 are formed (FIG. 10B). Then, an impurity element imparting P-type is added so as to have a concentration of about 1 × 10 18 to 1 × 10 20 atoms / cm 3 to form a source region 914 and a drain region 915 of the P-type TFT. In addition, a portion of the active layer covered with the resist mask 912 becomes a channel region (FIG. 10B).
次に、レジストマスク912および913を除去し、レジストマスク917および918を形成する。そして、N型を付与する不純物元素(本実施例ではリンを用いた。砒素等を用いてもよい。)を添加して、1×1017〜5×1018atoms/cm3 程度の低濃度不純物領域919および920を形成する(図10(C))。 Next, the resist masks 912 and 913 are removed, and resist masks 917 and 918 are formed. Then, an impurity element imparting N-type (in this embodiment, phosphorus is used. Arsenic or the like may be used) is added, and a low concentration of about 1 × 10 17 to 5 × 10 18 atoms / cm 3 is added. Impurity regions 919 and 920 are formed (FIG. 10C).
次に、レジストマスク917および918を除去し、レジストマスク921および922を形成する。そして、再びN型を付与する不純物元素を図10(C)の工程よりも高濃度(1×1018〜1×1020atoms/cm3 )に添加してN型TFTのソース・ドレイン領域923および924を形成する。なお、925は低濃度不純物領域、926はチャネル形成領域である(図10(D))。 Next, the resist masks 917 and 918 are removed, and resist masks 921 and 922 are formed. Then, an impurity element imparting N-type is added again at a higher concentration (1 × 10 18 to 1 × 10 20 atoms / cm 3 ) than in the step of FIG. 10C, and source / drain regions 923 of the N-type TFT are added. And 924 are formed. Note that reference numeral 925 denotes a low concentration impurity region, and reference numeral 926 denotes a channel formation region (FIG. 10D).
次に、レジストマスク921および922を除去した後、エキシマレーザー光を照射する(レーザーアニール)ことによって、イオン注入時のダメージの回復と添加した不純物の活性化を行う(図11(A))。 Next, after removing the resist masks 921 and 922, excimer laser light is irradiated (laser annealing) to recover damage during ion implantation and activate the added impurities (FIG. 11A).
レーザーアニールが終了したら、層間絶縁膜927を300〜500nmに形成する(図11(B))。層間絶縁膜927は、酸化珪素膜、窒化珪素膜、有機性樹脂、あるいはそれらの積層膜によって構成される。 When the laser annealing is finished, an interlayer insulating film 927 is formed to a thickness of 300 to 500 nm (FIG. 11B). The interlayer insulating film 927 is formed of a silicon oxide film, a silicon nitride film, an organic resin, or a laminated film thereof.
次に、層間絶縁膜927にコンタクトホールを形成し、金属薄膜で成るソース・ドレイン電極928、929、および930を形成する。この金属薄膜としては、アルミニウム、タンタル、チタン、タングステン、モリブデン、またはそれらの積層膜を用いればよい(図11(B))。 Next, contact holes are formed in the interlayer insulating film 927, and source / drain electrodes 928, 929, and 930 made of a metal thin film are formed. As this metal thin film, aluminum, tantalum, titanium, tungsten, molybdenum, or a stacked film thereof may be used (FIG. 11B).
次に、全体に対して水素雰囲気中、350℃で2時間程度の加熱処理を行い、膜中(特にチャネル形成領域)の不対結合手を水素終端する。以上の工程によって図11(B)の状態が得られる。 Next, the whole is subjected to heat treatment at 350 ° C. for about 2 hours in a hydrogen atmosphere, and dangling bonds in the film (particularly the channel formation region) are terminated with hydrogen. The state shown in FIG. 11B is obtained through the above steps.
上記実施例1〜4の不揮発性メモリは、様々な用途がある。本実施例では、これらの不揮発性メモリを用いた半導体装置について説明する。 The non-volatile memories of Examples 1 to 4 have various uses. In this embodiment, a semiconductor device using these nonvolatile memories will be described.
このような半導体装置には、ビデオカメラ、スチルカメラ、ヘッドマウントディスプレイ、カーナビゲーション、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話など)などが挙げられる。それらの一例を図12に示す。 Examples of such a semiconductor device include a video camera, a still camera, a head mounted display, a car navigation, a personal computer, a portable information terminal (mobile computer, mobile phone, etc.), and the like. An example of them is shown in FIG.
図12(A)は携帯電話であり、本体1201、音声出力部1203、音声入力部1203、表示装置1204、操作スイッチ1205、アンテナ1206で構成される。本発明の不揮発メモリは、表示装置1204と一体形成されてもよい。 FIG. 12A illustrates a mobile phone, which includes a main body 1201, an audio output unit 1203, an audio input unit 1203, a display device 1204, operation switches 1205, and an antenna 1206. The nonvolatile memory of the present invention may be integrally formed with the display device 1204.
図12(B)はビデオカメラであり、本体1301、表示装置1302、音声入力部1303、操作スイッチ1304、バッテリー1305、受像部1306で構成される。本発明の不揮発性メモリは、表示装置1302と一体形成されてもよい。 FIG. 12B illustrates a video camera, which includes a main body 1301, a display device 1302, an audio input portion 1303, operation switches 1304, a battery 1305, and an image receiving portion 1306. The nonvolatile memory of the present invention may be formed integrally with the display device 1302.
図12(C)はモバイルコンピュータであり、本体1401、カメラ部1402、受像部1403、操作スイッチ1404、表示装置1405で構成される。本発明の不揮発性メモリは、表示装置1405と一体形成されてもよい。 FIG. 12C illustrates a mobile computer, which includes a main body 1401, a camera unit 1402, an image receiving unit 1403, operation switches 1404, and a display device 1405. The nonvolatile memory of the present invention may be formed integrally with the display device 1405.
図12(D)はヘッドマウントディスプレイであり、本体1501、表示装置1502、バンド部1503で構成される。本発明の不揮発性メモリは、表示装置1502と一体形成されてもよい。 FIG. 12D illustrates a head mounted display which includes a main body 1501, a display device 1502, and a band portion 1503. The nonvolatile memory of the present invention may be formed integrally with the display device 1502.
本実施例では、上記実施例1〜実施例5で説明した作製方法において、ゲイト電極にTa(タンタル)またはTa合金を用いた場合について説明する。 In this embodiment, a case where Ta (tantalum) or a Ta alloy is used for the gate electrode in the manufacturing method described in the first to fifth embodiments will be described.
TaまたはTa合金をゲイト電極に用いると、約450℃から約600℃で熱酸化することができ、Ta2 O 3等の膜質の良い酸化膜がゲイト電極上に形成される。この酸化膜は、上記実施例1で説明した、Al(アルミニウム)をゲイト電極として用いたときに形成される酸化膜よりも膜質は良いことがわかっている。 When Ta or Ta alloy is used for the gate electrode, it can be thermally oxidized at about 450 ° C. to about 600 ° C., and an oxide film with good film quality such as Ta 2 O 3 is formed on the gate electrode. This oxide film is known to have better film quality than the oxide film formed when Al (aluminum) is used as the gate electrode described in the first embodiment.
このことは、絶縁膜の耐圧評価の一つであるJ−E特性(電流密度−電界強度特性)において、TaまたはTa合金の酸化膜がAlの酸化膜よりも良い特性を有することによってわかった。 This was found by the fact that the oxide film of Ta or Ta alloy has better characteristics than the oxide film of Al in the JE characteristic (current density-electric field strength characteristic), which is one of the breakdown voltage evaluations of the insulating film. .
また、Ta2 O3 は、比誘電率が11.6前後であり、フローティングゲイト−コントロールゲイト間の容量が大きいので、Alをゲイト電極に用いた場合に比較してフローティングゲイトに電荷が注入されやすいという利点もある。 Ta 2 O 3 has a relative dielectric constant of around 11.6 and has a large capacitance between the floating gate and the control gate, so that charges are injected into the floating gate as compared with the case where Al is used for the gate electrode. There is also an advantage that it is easy.
また、Taをゲイト電極に用いた場合、上記実施例で行ったように陽極酸化することもできる。 Further, when Ta is used for the gate electrode, it can be anodized as in the above embodiment.
(CGSに関する知見) (CGS knowledge)
ここで、上記実施例1に記載した作製方法によって作製され半導体薄膜について説明する。上記実施例1の作製方法によると、非晶質珪素膜を結晶化させて、連続粒界結晶シリコン(いわゆるContinuous Grain Silicon:CGS)と呼ぶ結晶シリコン膜を得ることができる。 Here, a semiconductor thin film manufactured by the manufacturing method described in Example 1 will be described. According to the manufacturing method of Example 1, the amorphous silicon film can be crystallized to obtain a crystalline silicon film called continuous grain boundary crystalline silicon (so-called Continuous Grain Silicon: CGS).
上記実施例1の作製方法によって得られた半導体薄膜の横成長領域は棒状または偏平棒状結晶の集合体からなる特異な結晶構造を示す。以下にその特徴について示す。 The laterally grown region of the semiconductor thin film obtained by the manufacturing method of Example 1 has a unique crystal structure composed of an aggregate of rod-like or flat rod-like crystals. The characteristics are shown below.
〔活性層の結晶構造に関する知見〕 [Knowledge about the crystal structure of the active layer]
上記実施例1の作製工程に従って形成した横成長領域は、微視的に見れば複数の棒状(または偏平棒状)結晶が互いに概略平行に特定方向への規則性をもって並んだ結晶構造を有する。このことはTEM(透過型電子顕微鏡法)による観察で容易に確認することができる。 When viewed microscopically, the lateral growth region formed in accordance with the manufacturing process of Example 1 has a crystal structure in which a plurality of rod-like (or flat rod-like) crystals are arranged in parallel in a specific direction in a substantially parallel manner. This can be easily confirmed by observation with a TEM (transmission electron microscope).
また、本発明者らは上述した作製方法によって得られた半導体薄膜の結晶粒界をHR−TEM(高分解能透過型電子顕微鏡法)を用いて800万倍に拡大し、詳細に観察した(図13(A))。ただし、本明細書中において結晶粒界とは、断りがない限り異なる棒状結晶同士が接した境界に形成される粒界を指すものと定義する。従って、例えば別々の横成長領域がぶつかりあって形成される様なマクロな意味あいでの粒界とは区別して考える。 In addition, the present inventors have observed the crystal grain boundaries of the semiconductor thin film obtained by the above-described manufacturing method by 8 million times using HR-TEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) and observed in detail (FIG. 13 (A)). However, in this specification, a crystal grain boundary is defined as a grain boundary formed at a boundary where different rod-shaped crystals are in contact with each other unless otherwise specified. Therefore, for example, it is considered to be distinguished from a grain boundary in a macro sense where different lateral growth regions collide with each other.
ところで前述のHR−TEM(高分解能透過型電子顕微鏡法)とは、試料に対して垂直に電子線を照射し、透過電子や弾性散乱電子の干渉を利用して原子・分子配列を評価する手法である。同手法を用いることで結晶格子の配列状態を格子縞として観察することが可能である。従って、結晶粒界を観察することで、結晶粒界における原子同士の結合状態を推測することができる。 By the way, the above-mentioned HR-TEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) is a method in which an electron beam is irradiated perpendicularly to a sample and the atomic / molecular arrangement is evaluated using interference of transmitted electrons and elastically scattered electrons. It is. By using this method, it is possible to observe the arrangement state of crystal lattices as lattice fringes. Therefore, by observing the crystal grain boundary, it is possible to infer the bonding state between atoms at the crystal grain boundary.
本発明者らが得たTEM写真(図13(A))では異なる二つの結晶粒(棒状結晶粒)が結晶粒界で接した状態が明瞭に観察された。また、この時、二つの結晶粒は結晶軸に多少のずれが含まれているものの概略{110}配向であることが電子線回折により確認されている。 In the TEM photograph (FIG. 13A) obtained by the present inventors, it was clearly observed that two different crystal grains (rod-like crystal grains) were in contact with each other at the crystal grain boundary. Further, at this time, it has been confirmed by electron beam diffraction that the two crystal grains have a roughly {110} orientation, although the crystal axis includes some deviation.
ところで、前述の様なTEM写真による格子縞観察では{110}面内に{111}面に対応する格子縞が観察された。なお、{111}面に対応する格子縞とは、その格子縞に沿って結晶粒を切断した場合に断面に{111}面が現れる様な格子縞を指している。格子縞がどの様な面に対応するかは、簡易的には格子縞間の距離により確認できる。 By the way, in the lattice stripe observation by the TEM photograph as described above, the lattice stripe corresponding to the {111} plane was observed in the {110} plane. Note that the lattice stripe corresponding to the {111} plane refers to a lattice stripe in which a {111} plane appears in a cross section when crystal grains are cut along the lattice stripe. It can be simply confirmed by the distance between the lattice fringes which surface the lattice fringes correspond to.
この時、本発明者らは上述した実施例1の作製方法によって得られた半導体薄膜のTEM写真を詳細に観察した結果、非常に興味深い知見を得た。写真に見える異なる二つの結晶粒ではどちらにも{111}面に対応する格子縞が見えていた。そして、互いの格子縞が明らかに平行に走っているのが観察されたのである。 At this time, the present inventors obtained a very interesting finding as a result of observing in detail a TEM photograph of the semiconductor thin film obtained by the production method of Example 1 described above. In two different crystal grains that can be seen in the photograph, lattice fringes corresponding to the {111} plane were seen in both. And it was observed that the plaids of each other were clearly running in parallel.
さらに、結晶粒界の存在と関係なく、結晶粒界を横切る様にして異なる二つの結晶粒の格子縞が繋がっていた。即ち、結晶粒界を横切る様にして観測される格子縞の殆どが、異なる結晶粒の格子縞であるにも拘らず直線的に連続していることが確認できた。これは任意の結晶粒界で同様であり、全体の90%以上(典型的には95%以上)の格子縞が結晶粒界で連続性を保っている。 Further, regardless of the existence of the crystal grain boundary, lattice fringes of two different crystal grains are connected so as to cross the crystal grain boundary. In other words, it was confirmed that most of the lattice fringes observed across the crystal grain boundary are linearly continuous despite the fact that they are lattice fringes of different crystal grains. This is the same at an arbitrary crystal grain boundary, and 90% or more (typically 95% or more) of the lattice fringes keeps continuity at the crystal grain boundary.
この様な結晶構造(正確には結晶粒界の構造)は、結晶粒界において異なる二つの結晶粒が極めて整合性よく接合していることを示している。即ち、結晶粒界において結晶格子が連続的に連なり、結晶欠陥等に起因するトラップ準位を非常に作りにくい構成となっている。換言すれば、結晶粒界において結晶格子に連続性があるとも言える。 Such a crystal structure (exactly, the structure of the crystal grain boundary) indicates that two different crystal grains are joined with extremely good consistency at the crystal grain boundary. That is, the crystal lattice is continuously connected at the crystal grain boundary, and the trap level caused by crystal defects or the like is very difficult to create. In other words, it can be said that the crystal lattice has continuity at the grain boundaries.
なお、図13(B)に、本発明者らはリファレンスとして従来の多結晶珪素膜(いわゆる高温ポリシリコン膜)についても電子線回折およびHR−TEM観察による解析を行った。その結果、異なる二つの結晶粒において互いの格子縞は全くバラバラに走っており、結晶粒界で整合性よく連続する様な接合は殆どなかった。即ち、結晶粒界では格子縞が途切れた部分(矢印で示している部分等)が多く、結晶欠陥が多いことが判明した。このような部分では、未結合手が存在することになり、トラップ準位としてキャリアの移動を阻害する可能性が高い。 In FIG. 13B, the present inventors also analyzed a conventional polycrystalline silicon film (so-called high-temperature polysilicon film) by electron beam diffraction and HR-TEM observation as a reference. As a result, the lattice fringes of the two different crystal grains ran completely apart, and there was almost no joining that continued with good consistency at the grain boundaries. That is, it was found that there are many portions where lattice fringes are interrupted (portions indicated by arrows, etc.) at the crystal grain boundary, and there are many crystal defects. In such a portion, a dangling bond is present, and there is a high possibility of inhibiting the movement of carriers as a trap level.
本発明者らは、上述した実施例1の作製方法で得られる半導体薄膜の様に格子縞が整合性良く対応した場合の原子の結合状態を整合結合と呼び、その時の結合手を整合結合手と呼ぶ。また、逆に従来の多結晶珪素膜に多く見られる様に格子縞が整合性良く対応しない場合の原子の結合状態を不整合結合と呼び、その時の結合手を不整合結合手(又は不対結合手)と呼ぶ。 The present inventors call the bonding state of atoms when lattice fringes correspond with good matching like the semiconductor thin film obtained by the manufacturing method of Example 1 described above as matching bonding, and the bonding hand at that time is the matching bonding hand. Call. Conversely, as is often seen in conventional polycrystalline silicon films, the bonding state of atoms when lattice fringes do not correspond with good matching is called mismatch bonding, and the bond at that time is the mismatch bond (or unpaired bond). Called hand).
本願発明の不揮発性メモリで利用する半導体薄膜は結晶粒界における整合性が極めて優れているため、上述の不整合結合手が極めて少ない。本発明者らが任意の複数の結晶粒界について調べた結果、全体の結合手に対する不整合結合手の存在割合は10%以下(好ましくは5%以下、さらに好ましくは3%以下)であった。即ち、全体の結合手の90%以上(好ましくは95%以上、さらに好ましくは97%以上)が整合結合手によって構成されているのである。 Since the semiconductor thin film used in the nonvolatile memory of the present invention has extremely excellent matching at the crystal grain boundary, the above-mentioned mismatched bonds are very few. As a result of the inventors' investigation of a plurality of crystal grain boundaries, the proportion of mismatched bonds to the total bonds is 10% or less (preferably 5% or less, more preferably 3% or less). . That is, 90% or more (preferably 95% or more, more preferably 97% or more) of the total bonds are constituted by matched bonds.
また、上述の実施例1の作製方法に従って作製した横成長領域を電子線回折で観察した結果を図14(A)に示す。なお、図14(B)は比較のために観察した従来のポリシリコン膜(高温ポリシリコン膜と呼ばれるもの)の電子線回折パターンである。 In addition, FIG. 14A shows the result of observation of the lateral growth region manufactured according to the manufacturing method of Example 1 described above by electron beam diffraction. FIG. 14B shows an electron diffraction pattern of a conventional polysilicon film (what is called a high temperature polysilicon film) observed for comparison.
なお、図14(A)および図14(B)は電子線の照射スポットの径を1.35μmとして測定を行っているため、格子縞レベルに比べて十分マクロな領域の情報を拾っていると考えてよい。 14 (A) and 14 (B) are measured with the diameter of the electron beam irradiation spot being 1.35 μm, it is considered that information of a sufficiently macro region is picked up compared to the lattice fringe level. Good.
また、図14(C)は単結晶シリコンの{110}面に垂直に電子線を照射した場合の電子線回折パターンの模式図である。通常、この様な電子線回折パターンと観測結果とを見比べ、観察試料の配向性が何であるかを推測する。 FIG. 14C is a schematic diagram of an electron beam diffraction pattern when an electron beam is irradiated perpendicularly to the {110} plane of single crystal silicon. Usually, such an electron diffraction pattern is compared with the observation result to infer what the orientation of the observation sample is.
図14(A)の場合、図14(C)に示す様な〈110〉入射に対応する回折斑点が比較的きれいに現れており、結晶軸が〈110〉軸である(結晶面が{110}面である)ことが確認できる。 In the case of FIG. 14A, diffraction spots corresponding to <110> incidence appear relatively cleanly as shown in FIG. 14C, and the crystal axis is the <110> axis (the crystal plane is {110} Can be confirmed.
なお、各斑点は同心円状の広がりを僅かにもっているが、これは結晶軸まわりにある程度の回転角度の分布をもつためと予想される。その広がりの程度はパターンから見積もっても5°以内である。 Each spot has a slightly concentric spread, which is presumed to have a certain rotation angle distribution around the crystal axis. The extent of the spread is within 5 ° even if estimated from the pattern.
また、多数観測するうちには回折斑点が部分的に見えない場合があった(図14(A)でも一部分の回折斑点が見えない)。おそらくは概略{110}配向であるものの、わずかに結晶軸がずれているために回折パターンが見えなくなっているものと思われる。 In addition, during many observations, there were cases where the diffraction spots were not partially visible (a part of the diffraction spots could not be seen even in FIG. 14A). Although it is probably {110} orientation, the diffraction pattern seems to be invisible because the crystal axis is slightly shifted.
本発明者らは、結晶面内に殆ど必ず{111}面が含まれるという事実を踏まえ、おそらく〈111〉軸まわりの回転角のずれがその様な現象の原因であろうと推測している。 Based on the fact that the {111} plane is almost always included in the crystal plane, the present inventors presume that such a phenomenon is probably caused by a shift in the rotation angle around the <111> axis.
一方、図14(B)に示す電子線回折パターンの場合、回折斑点には明瞭な規則性が見られず、ほぼランダムに配向していることが確認できる。即ち、{110}面以外の面方位の結晶が不規則に混在すると予想される。 On the other hand, in the case of the electron beam diffraction pattern shown in FIG. 14B, it is confirmed that the diffraction spots do not have clear regularity and are oriented almost randomly. That is, it is expected that crystals having a plane orientation other than the {110} plane are irregularly mixed.
これらの結果が示す様に、上述の実施例1の作製方法による結晶性珪素膜の特徴は殆ど全ての結晶粒が概略{110}面に配向しており、かつ、結晶粒界において格子に連続性を有することにある。この特徴は、従来のポリシリコン膜にはないものである。 As these results show, the crystalline silicon film produced by the manufacturing method of Example 1 described above is characterized in that almost all crystal grains are roughly oriented in the {110} plane and continuous to the lattice at the crystal grain boundaries. It is to have sex. This feature is not present in conventional polysilicon films.
以上の様に、上述の実施例1の作製方法で作製された半導体薄膜は従来の半導体薄膜とは全く異なる結晶構造(正確には結晶粒界の構造)を有する半導体薄膜であった。本発明者らは本願発明で利用する半導体薄膜について解析した結果を特願平9-55633 号、同9-165216号、同9-212428号でも説明している。 As described above, the semiconductor thin film manufactured by the manufacturing method of Example 1 described above was a semiconductor thin film having a crystal structure (exactly, the structure of a crystal grain boundary) completely different from that of the conventional semiconductor thin film. The present inventors also described the results of analysis of the semiconductor thin film used in the present invention in Japanese Patent Application Nos. 9-55633, 9-165216, and 9-212428.
なお、本発明者らは特開平7-321339号公報に記載した手法に従ってX線回折を行い、上述の作製方法の結晶性珪素膜について配向比率を算出した。同公報では下記の数式1に示す様な算出方法で配向比率を定義している。 Note that the present inventors performed X-ray diffraction according to the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-321339, and calculated the orientation ratio of the crystalline silicon film of the above-described manufacturing method. In this publication, the orientation ratio is defined by a calculation method as shown in the following Equation 1.
ここで上述の半導体薄膜の配向性をX線回折で測定した結果の一例を図17に示す。なお、X線回折パターンには(220)面に相当するピークが現れているが、{110}面と等価であることは言うまでもない。この測定の結果、{110}面が主たる配向であり、配向比率は0.7以上(典型的には0.9以上)であることが判明した。 FIG. 17 shows an example of the result of measuring the orientation of the semiconductor thin film described above by X-ray diffraction. In the X-ray diffraction pattern, a peak corresponding to the (220) plane appears, but it goes without saying that it is equivalent to the {110} plane. As a result of this measurement, it was found that the {110} plane was the main orientation, and the orientation ratio was 0.7 or more (typically 0.9 or more).
以上に示してきた通り、上述の実施例1の作製方法による結晶性珪素膜と従来のポリシリコン膜とは全く異なる結晶構造(結晶構成)を有していることが判る。この点からも本願発明の結晶性珪素膜は全く新しい半導体膜であると言える。 As described above, it can be seen that the crystalline silicon film produced by the manufacturing method of Example 1 described above and the conventional polysilicon film have completely different crystal structures (crystal structures). Also from this point, it can be said that the crystalline silicon film of the present invention is a completely new semiconductor film.
なお、上述の実施例1の半導体薄膜を形成するにあたって結晶化温度以上の温度でのアニール工程は、結晶粒内の欠陥低減に関して重要な役割を果たしている。その事について説明する。 In forming the semiconductor thin film of Example 1 described above, the annealing process at a temperature higher than the crystallization temperature plays an important role in reducing defects in crystal grains. Explain that.
図15(A)は上述の実施例1の作製方法において、結晶化工程までを終了した時点での結晶シリコン膜を25万倍に拡大したTEM写真であり、結晶粒内(黒い部分と白い部分はコントラストの差に起因して現れる)に矢印で示される様なジグザグ状に見える欠陥が確認される。 FIG. 15A is a TEM photograph in which the crystalline silicon film is enlarged by 250,000 times at the time when the crystallization process is completed in the manufacturing method of Example 1 described above. Appears due to a difference in contrast), and a defect that looks like a zigzag like the arrow is confirmed.
この様な欠陥は主としてシリコン結晶格子面の原子の積み重ね順序が食い違っている積層欠陥であるが、転位などの場合もある。図15(A)は{111}面に平行な欠陥面を有する積層欠陥と思われる。その事は、ジグザグ状に見える欠陥が約70°の角をなして折れ曲がっていることから推測できる。 Such defects are mainly stacking faults in which the stacking order of atoms on the silicon crystal lattice plane is different, but there are also cases such as dislocations. FIG. 15A seems to be a stacking fault having a defect plane parallel to the {111} plane. This can be inferred from the fact that the zigzag defect is bent at an angle of about 70 °.
一方、図15(B)に示す様に、同倍率で見た上述の実施例1の作製方法による結晶シリコン膜は、結晶粒内には殆ど積層欠陥や転位などに起因する欠陥が見られず、非常に結晶性が高いことが確認できる。この傾向は膜面全体について言えることであり、欠陥数をゼロにすることは現状では困難であるが、実質的にゼロと見なせる程度にまで低減することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 15B, the crystal silicon film produced by the above-described manufacturing method of Example 1 viewed at the same magnification shows almost no defects due to stacking faults or dislocations in the crystal grains. It can be confirmed that the crystallinity is very high. This tendency is true for the entire film surface, and it is difficult to reduce the number of defects to zero, but it can be reduced to a level that can be regarded as substantially zero.
即ち、図15(B)に示す結晶シリコン膜は結晶粒内の欠陥が殆ど無視しうる程度にまで低減され、且つ、結晶粒界が高い連続性によってキャリア移動の障壁になりえないため、単結晶または実質的に単結晶と見なせる。 That is, in the crystalline silicon film shown in FIG. 15B, defects in the crystal grains are reduced to an almost negligible level, and the crystal grain boundaries cannot be a barrier for carrier movement due to high continuity. It can be regarded as a crystal or substantially a single crystal.
この様に、図15(A)と図15(B)の写真に示した結晶シリコン膜は結晶粒界はほぼ同等の連続性を有しているが、結晶粒内の欠陥数には大きな差がある。上述の実施例1の作製方法による結晶シリコン膜が、図15(A)に示した結晶シリコン膜よりも遙に高い電気特性を示す理由はこの欠陥数の差によるところが大きい。 As described above, the crystal silicon films shown in the photographs of FIGS. 15A and 15B have substantially the same continuity in the crystal grain boundaries, but there is a large difference in the number of defects in the crystal grains. There is. The reason why the crystalline silicon film according to the manufacturing method of Example 1 described above exhibits much higher electrical characteristics than the crystalline silicon film shown in FIG. 15A is largely due to the difference in the number of defects.
こうして得られた上述の実施例1の作製方法による結晶シリコン膜(図15(B))は、単に結晶化を行っただけの結晶シリコン膜(図15(A))に較べて格段に結晶粒内の欠陥数が少ないという特徴を有している。 The crystal silicon film (FIG. 15B) obtained in this way by the manufacturing method of the above-described first embodiment has a crystal grain significantly higher than that of a crystal silicon film (FIG. 15A) that has just been crystallized. The number of defects is small.
この欠陥数の差は電子スピン共鳴分析(Electron Spin Resonance :ESR)によってスピン密度の差となって現れる。現状では上述した実施例1の作製方法による結晶シリコン膜のスピン密度は少なくとも 5×1017spins/cm3 以下(好ましくは 3×1017spins/cm3 以下)であることが判明している。ただし、この測定値はは現存する測定装置の検出限界に近いので、実際のスピン密度はさらに低いと予想される。 The difference in the number of defects appears as a difference in spin density by electron spin resonance analysis (Electron Spin Resonance: ESR). At present, it has been found that the spin density of the crystalline silicon film by the manufacturing method of Example 1 described above is at least 5 × 10 17 spins / cm 3 or less (preferably 3 × 10 17 spins / cm 3 or less). However, since this measured value is close to the detection limit of existing measuring devices, the actual spin density is expected to be even lower.
以上の様な結晶構造および特徴を有する結晶シリコン膜を、本出願人は連続粒界結晶シリコン(Continuous Grain Silicon:CGS)と呼んでいる。 The present applicant calls the crystalline silicon film having the above-described crystal structure and characteristics as continuous grain boundary crystalline silicon (Continuous Grain Silicon: CGS).
従来の半導体薄膜では結晶粒界がキャリアの移動を妨げる障壁として機能していたのだが、上述した実施例1の作製方法による半導体薄膜ではその様な結晶粒界が実質的に存在しないので高いキャリア移動度が実現される。そのため、上述した実施例1の作製方法による半導体薄膜を用いて作製したTFTの電気特性は非常に優れた値を示す。この事については以下に示す。 In the conventional semiconductor thin film, the crystal grain boundary functions as a barrier that prevents the movement of carriers. However, in the semiconductor thin film according to the manufacturing method of Example 1 described above, such a crystal grain boundary does not substantially exist, so that high carriers are present. Mobility is realized. Therefore, the electrical characteristics of the TFT manufactured using the semiconductor thin film by the manufacturing method of Example 1 described above show very excellent values. This is shown below.
〔TFTの電気特性に関する知見〕 [Knowledge about electrical characteristics of TFT]
上述した実施例1の作製方法による半導体薄膜は実質的に単結晶と見なせる(実質的に結晶粒界が存在しない)ため、それを活性層とするTFTは単結晶シリコンを用いたMOSFETに匹敵する電気特性を示す。本発明者らが試作したTFTからは次に示す様なデータが得られている。 Since the semiconductor thin film by the manufacturing method of Example 1 described above can be substantially regarded as a single crystal (substantially no crystal grain boundary exists), a TFT using it as an active layer is comparable to a MOSFET using single crystal silicon. Electrical characteristics are shown. The following data has been obtained from the TFT fabricated by the present inventors.
(1)TFTのスイッチング性能(オン/オフ動作の切り換えの俊敏性)の指標となるサブスレッショルド係数が、Nチャネル型TFTおよびPチャネル型TFTともに60〜100mV/decade(代表的には60〜85mV/decade )と小さい。
(2)TFTの動作速度の指標となる電界効果移動度(μFE)が、Nチャネル型TFTで200 〜650cm2/Vs (代表的には250 〜300cm2/Vs )、Pチャネル型TFTで100 〜300cm2/Vs (代表的には150 〜200cm2/Vs )と大きい。
(3)TFTの駆動電圧の指標となるしきい値電圧(Vth)が、Nチャネル型TFTで-0.5〜1.5 V、Pチャネル型TFTで-1.5〜0.5 Vと小さい。
(1) Sub-threshold coefficient, which is an index of TFT switching performance (agility of switching on / off operation), is 60 to 100 mV / decade (typically 60 to 85 mV) for both N-channel and P-channel TFTs. / decade) and small.
(2) Field-effect mobility (μ FE ), which is an indicator of TFT operating speed, is 200 to 650 cm 2 / Vs (typically 250 to 300 cm 2 / Vs) for N-channel TFTs, and P-channel TFTs 100 to 300 cm 2 / Vs (typically 150 to 200 cm 2 / Vs).
(3) The threshold voltage (V th ), which serves as an index of TFT driving voltage, is as low as −0.5 to 1.5 V for N-channel TFTs and −1.5 to 0.5 V for P-channel TFTs.
以上の様に、極めて優れたスイッチング特性および高速動作特性が実現可能であることが確認されている。 As described above, it has been confirmed that extremely excellent switching characteristics and high-speed operation characteristics can be realized.
なお、CGSを形成するにあたって前述した結晶化温度以上の温度(700〜1100℃)でのアニール工程は、結晶粒内の欠陥低減に関して重要な役割を果たしている。そのことについて以下に説明する。 Note that the annealing process at a temperature (700 to 1100 ° C.) equal to or higher than the crystallization temperature described above plays an important role in reducing defects in crystal grains when forming CGS. This will be described below.
以上のことから、CGSを作製するにあたって、触媒元素のゲッタリングプロセスは必要不可欠な工程であることが判る。本発明者らは、この工程によって起こる現象について次のようなモデルを考えている。 From the above, it can be seen that the gettering process of the catalytic element is an indispensable step in producing the CGS. The present inventors consider the following model for the phenomenon that occurs in this process.
まず、図15(A)に示す状態では結晶粒内の欠陥(主として積層欠陥)には触媒元素(代表的にはニッケル)が偏析している。即ち、Si-Ni-Siといった形の結合が多数存在していると考えられる。 First, in the state shown in FIG. 15A, a catalyst element (typically nickel) is segregated in defects (mainly stacking faults) in crystal grains. That is, it is considered that there are many bonds in the form of Si-Ni-Si.
しかしながら、触媒元素のゲッタリングプロセスを行うことで欠陥に存在するNiが除去されるとSi-Ni 結合は切れる。そのため、シリコンの余った結合手は、すぐにSi-Si 結合を形成して安定する。こうして欠陥が消滅する。 However, if Ni present in the defect is removed by performing the gettering process of the catalytic element, the Si-Ni bond is broken. For this reason, the surplus bonds of silicon immediately form a Si-Si bond and become stable. Thus, the defect disappears.
勿論、高い温度での熱アニールによって結晶シリコン膜中の欠陥が消滅することは知られているが、ニッケルとの結合が切れて、未結合手が多く発生するためのシリコンの再結合がスムーズに行われると推測できる。 Of course, it is known that defects in the crystalline silicon film disappear due to thermal annealing at a high temperature, but the bond with nickel is broken and the recombination of silicon is smooth because many bonds are generated. I can guess it will be done.
また、本発明者らは結晶化温度以上の温度(700〜1100℃)で加熱処理を行うことで結晶シリコン膜とその下地との間が固着し、密着性が高まることで欠陥が消滅するというモデルも考えている。 In addition, the inventors say that the heat treatment is performed at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature (700 to 1100 ° C.) so that the crystalline silicon film and the base are fixed, and the defects are eliminated by increasing the adhesion. I am also thinking about a model.
〔TFT特性とCGSの関係に関する知見〕
上述の様な優れたTFT特性は、TFTの活性層として、結晶粒界において結晶格子に連続性を有する半導体薄膜を利用している点によるところが大きい。その理由について以下に考察する。
[Knowledge about the relationship between TFT characteristics and CGS]
The excellent TFT characteristics as described above are largely due to the use of a semiconductor thin film having continuity in the crystal lattice at the crystal grain boundary as the active layer of the TFT. The reason is discussed below.
結晶粒界における結晶格子の連続性は、その結晶粒界が「平面状粒界」と呼ばれる粒界であることに起因する。本明細書における平面状粒界の定義は、「Characterization of High-Efficiency Cast-Si Solar Cell Wafers by MBIC Measurement ;Ryuichi Shimokawa and Yutaka Hayashi,Japanese Journal of Applied Physics vol.27,No.5,pp.751-758,1988」に記載された「Planar boundary 」である。 The continuity of the crystal lattice at the crystal grain boundary results from the fact that the crystal grain boundary is a grain boundary called “planar grain boundary”. The definition of the planar grain boundary in this specification is “Characterization of High-Efficiency Cast-Si Solar Cell Wafers by MBIC Measurement; Ryuichi Shimokawa and Yutaka Hayashi, Japanese Journal of Applied Physics vol.27, No.5, pp.751”. -758, 1988 ”is the“ Planar boundary ”.
上記論文によれば、平面状粒界には{111}双晶粒界、{111}積層欠陥、{221}双晶粒界、{221}twist 粒界などが含まれる。この平面状粒界は電気的に不活性であるという特徴を持つ。即ち、結晶粒界でありながらキャリアの移動を阻害するトラップとして機能しないため、実質的に存在しないと見なすことができる。 According to the above paper, the planar grain boundaries include {111} twin grain boundaries, {111} stacking faults, {221} twin grain boundaries, {221} twist grain boundaries, and the like. This planar grain boundary is characterized by being electrically inactive. That is, although it is a crystal grain boundary, it does not function as a trap that inhibits the movement of carriers, and thus can be regarded as substantially nonexistent.
特に{111}双晶粒界はΣ3の対応粒界、{221}双晶粒界はΣ9の対応粒界とも呼ばれる。Σ値は対応粒界の整合性の程度を示す指針となるパラメータであり、Σ値が小さいほど整合性の良い粒界であることが知られている。 In particular, the {111} twin boundaries are also called Σ3 corresponding grain boundaries, and the {221} twin boundaries are also called Σ9 corresponding grain boundaries. The Σ value is a parameter that serves as a guideline indicating the degree of consistency of the corresponding grain boundary. It is known that the smaller the Σ value, the better the grain boundary.
本発明者らが上述の実施例1の作製方法による半導体薄膜を詳細にTEMで観察した結果、結晶粒界の殆ど(90%以上、典型的には95%以上)がΣ3の対応粒界、即ち{111}双晶粒界であることが判明した。 As a result of observing the semiconductor thin film by the manufacturing method of Example 1 described above in detail by TEM, most of the crystal grain boundaries (90% or more, typically 95% or more) are Σ3 corresponding grain boundaries. That is, it was found to be a {111} twin grain boundary.
二つの結晶粒の間に形成された結晶粒界において、両方の結晶の面方位が{110}である場合、{111}面に対応する格子縞がなす角をθとすると、θ=70.5°の時にΣ3の対応粒界となることが知られている。 In the crystal grain boundary formed between two crystal grains, when the plane orientation of both crystals is {110}, assuming that the angle formed by the lattice stripes corresponding to the {111} plane is θ, θ = 70.5 ° It is known that sometimes it becomes the corresponding grain boundary of Σ3.
従って、図13(A)のTEM写真に示された結晶粒界では、隣接する結晶粒の各格子縞が約70°の角度で連続しており、この結晶粒界は{111}双晶粒界であると容易に推察することができる。 Therefore, in the crystal grain boundary shown in the TEM photograph of FIG. 13A, each lattice fringe of adjacent crystal grains is continuous at an angle of about 70 °, and this crystal grain boundary is a {111} twin grain boundary. It can be easily inferred that
なお、θ= 38.9 °の時にはΣ9の対応粒界となるが、この様な他の結晶粒界も存在した。 Incidentally, when θ = 38.9 °, the corresponding grain boundary of Σ9 is obtained, but such other crystal grain boundaries also existed.
この様な対応粒界は、同一面方位の結晶粒間にしか形成されない。即ち、上述の実施例1の作製方法による半導体薄膜は面方位が概略{110}で揃っているからこそ、広範囲に渡ってこの様な対応粒界を形成しうるのである。この特徴は、面方位が不規則な他のポリシリコン膜ではあり得ることではない。 Such a corresponding grain boundary is formed only between crystal grains having the same plane orientation. That is, the semiconductor thin film produced by the manufacturing method of Example 1 described above can form such a corresponding grain boundary over a wide range because the plane orientation is approximately {110}. This feature is not possible with other polysilicon films with irregular surface orientation.
ここで、上述の実施例1の作製方法による半導体薄膜を1万5千倍に拡大したTEM写真(暗視野像)を図16(A)に示す。白く見える領域と黒く見える領域とが存在するが、同色に見える部分は配向性が同一であることを示している。 Here, FIG. 16A shows a TEM photograph (dark field image) obtained by enlarging the semiconductor thin film by 15,000 times according to the manufacturing method of Example 1 described above. There are areas that appear white and areas that appear black, but the portions that appear the same color indicate that the orientation is the same.
図16(A)で特筆すべきはこれだけ広範囲の暗視野像において、白く見える領域がかなりの割合で連続的にまとまっている点である。これは配向性の同じ結晶粒がある程度の方向性をもって存在し、隣接する結晶粒同士で殆ど同一の配向性を有していることを意味している。 It should be noted in FIG. 16A that the white-looking region is continuously gathered at a considerable rate in such a wide dark field image. This means that crystal grains having the same orientation exist with a certain degree of orientation, and adjacent crystal grains have almost the same orientation.
他方、従来の高温ポリシリコン膜を1万5千倍に拡大したTEM写真(暗視野像)を図16(B)に示す。従来の高温ポリシリコン膜では同一面方位の部分はばらばらに点在するのみであり、図16(A)に示す様な方向性のあるまとまりは確認できない。これは隣接する結晶粒同士の配向性が全く不規則であるためと考えられる。 On the other hand, FIG. 16B shows a TEM photograph (dark field image) obtained by enlarging a conventional high-temperature polysilicon film by 15,000 times. In the conventional high-temperature polysilicon film, the portions having the same plane orientation are scattered in a scattered manner, and it is not possible to confirm a group having a direction as shown in FIG. This is considered because the orientation of adjacent crystal grains is completely irregular.
また、本発明者らは、図13に示した測定点以外にも多数の領域に渡って観察と測定を繰り返し、TFTを作製するのに十分な広い領域において、結晶粒界における結晶格子の連続性が保たれていることを確認している。 In addition to the measurement points shown in FIG. 13, the present inventors have repeated observation and measurement over a large number of regions, and in a wide region sufficient to produce a TFT, the crystal lattice continues in the crystal grain boundary. It is confirmed that the sex is maintained.
また、上述の実施例3の製造方法において、ニッケルのゲッタリング処理をリンを用いて行った場合の半導体薄膜を明視野で観察した場合のTEM写真を図18に示す。また、図18中においてPoint 1を30万倍に拡大した写真を図19(A)に、200万倍に拡大した写真を図19(B)に示す。なお、図19(A)内において四角で囲まれた領域が図19(B)に相当する。また、Point 1における電子線回折パターン(スポット径 1.7μmφ)を図19(C)に示す。 Further, FIG. 18 shows a TEM photograph in the case where the semiconductor thin film is observed in a bright field when the nickel gettering process is performed using phosphorus in the manufacturing method of Example 3 described above. In FIG. 18, a photograph of Point 1 enlarged 300,000 times is shown in FIG. 19A, and a photograph enlarged 2 million times is shown in FIG. 19B. Note that a region surrounded by a square in FIG. 19A corresponds to FIG. An electron diffraction pattern (spot diameter 1.7 μmφ) at Point 1 is shown in FIG.
さらに、Point 1と全く同条件でPoint 2とPoint 3を観察した。Point 2の観察結果を図20(A)、図20(B)、図20(C)に、Point 3の観察結果を図21(A)、図21(B)、図21(C)に示す。 Furthermore, Point 2 and Point 3 were observed under exactly the same conditions as Point 1. The observation results of Point 2 are shown in FIGS. 20 (A), 20 (B), and 20 (C), and the observation results of Point 3 are shown in FIGS. 21 (A), 21 (B), and 21 (C). .
これらの観察結果から、任意の結晶粒界において結晶格子に連続性が保たれており、平面状粒界が形成されていることが判る。なお、本発明者らはここに示した測定点以外にも多数の領域に渡って観察と測定を繰り返し、TFTを作製するのに十分な広い領域において、結晶粒界における結晶格子の連続性が確保されていることを確認している。 From these observation results, it can be seen that continuity is maintained in the crystal lattice at an arbitrary crystal grain boundary, and a planar grain boundary is formed. In addition to the measurement points shown here, the present inventors have repeated observation and measurement over a large number of regions, and the continuity of the crystal lattice at the crystal grain boundary is large enough to produce a TFT. It is confirmed that it is secured.
101 Xアドレスデコーダ
102 Yアドレスデコーダ
201 基板
202 半導体活性層
203、204 ソース・ドレイン領域
205 チャネル形成領域
206 半導体活性層
207、208 ソース・ドレイン領域
209 低濃度不純物領域
210 チャネル形成領域
211、212 ゲイト絶縁膜
213 フローティングゲイト電極
214 陽極酸化膜
215 コントロールゲイト電極
216、219、220 ソース・ドレイン電極
217 ゲイト電極
218 陽極酸化膜
221 層間絶縁膜
101 X address decoder 102 Y address decoder 201 substrate 202 semiconductor active layer 203, 204 source / drain region 205 channel forming region 206 semiconductor active layer 207, 208 source / drain region 209 low concentration impurity region 210 channel forming region 211, 212 gate insulation Film 213 Floating gate electrode 214 Anodized film 215 Control gate electrode 216, 219, 220 Source / drain electrode 217 Gate electrode 218 Anodized film 221 Interlayer insulating film
Claims (1)
前記不揮発性メモリは、メモリ素子とスイッチング素子とがマトリクス状に配列された複数のメモリセルで構成され、
前記メモリ素子は、絶縁基板上に設けられた半導体活性層と、ゲイト絶縁膜と、フローティングゲイト電極と、前記フローティングゲイト電極を覆って設けられた酸化膜と、コントロールゲイト電極と、を備えており、
前記スイッチング素子は、前記絶縁基板上に設けられた半導体活性層と、ゲイト絶縁膜と、ゲイト電極と、を備えており、
前記メモリ素子の半導体活性層の厚さは、前記スイッチング素子の半導体活性層の厚さよりも小さいことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a nonvolatile memory,
The nonvolatile memory includes a plurality of memory cells in which memory elements and switching elements are arranged in a matrix.
The memory element includes a semiconductor active layer provided on an insulating substrate, a gate insulating film, a floating gate electrode, an oxide film provided to cover the floating gate electrode, and a control gate electrode. ,
The switching element includes a semiconductor active layer provided on the insulating substrate, a gate insulating film, and a gate electrode,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the semiconductor active layer of the memory element is smaller than the thickness of the semiconductor active layer of the switching element.
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