JP2007318109A - Semiconductor device, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reliable semiconductor device for preventing failure, such as short-circuiting and a leaked current of a gate electrode layer and a semiconductor layer due to the covering failure of an insulating layer, and to provide a manufacturing method of the semiconductor device. <P>SOLUTION: For forming a plurality of semiconductor elements over an insulating surface, in one continuous semiconductor layer, an element region serving as a semiconductor element and an element isolation region having high resistance and a function to electrically isolate element regions from each other are formed. The element isolation region is formed by selective addition of an impurity element of at least one or more kinds of oxygen, nitrogen, and carbon to electrically isolate elements from each other in one continuous semiconductor layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数の半導体素子を有する半導体装置、及びその作製方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a plurality of semiconductor elements and a manufacturing method thereof.

絶縁表面上に複数の半導体素子を設ける場合、絶縁表面上に形成した半導体膜をエッチング処理によって、複数の島状の半導体層に加工する方法が用いられている。半導体素子は複数の薄膜の積層構造を有しており、プレーナ型の薄膜トランジスタの場合、島状に分離された半導体層を覆うようにゲート絶縁層が積層される。 In the case where a plurality of semiconductor elements are provided over an insulating surface, a method of processing a semiconductor film formed over the insulating surface into a plurality of island-shaped semiconductor layers by an etching process is used. A semiconductor element has a stacked structure of a plurality of thin films. In the case of a planar thin film transistor, a gate insulating layer is stacked so as to cover a semiconductor layer separated in an island shape.

島状に加工された半導体層は端部に段差を有するため、半導体層端部においてゲート絶縁層の薄膜化や、膜の破壊などの不良が生じる。 Since the semiconductor layer processed into an island shape has a step at the end, defects such as thinning of the gate insulating layer and destruction of the film occur at the end of the semiconductor layer.

ゲート絶縁層が薄膜化すると、ゲート電極と半導体層間にリーク電流が流れてしまう、またゲート絶縁層が破壊されるとゲート電極と半導体層とが接触し短絡(ショート)してしまうといった半導体装置への特性不良が生じる。 When the gate insulating layer is thinned, a leak current flows between the gate electrode and the semiconductor layer, and when the gate insulating layer is destroyed, the gate electrode and the semiconductor layer come into contact with each other and short-circuit (short). The characteristic defect occurs.

上記のような問題を解決するために、形状の異なるゲート絶縁層を2層積層させて、半導体層端部による段差を緩和し、被覆性を向上させる方法が行われている。(例えば、特許文献1参照。)。
特開平10−242471号公報
In order to solve the above problem, a method of laminating two gate insulating layers having different shapes to alleviate a step due to an end portion of a semiconductor layer and improving coverage is performed. (For example, refer to Patent Document 1).
JP-A-10-242471

しかしながら上記のような段差を緩和する方法では、半導体層及びゲート絶縁層の膜厚などによっては、半導体膜とゲート電極との接触によるショート、及びリーク電流などの不良を十分に防ぐことができなかった。特に、半導体素子を微細化していった場合、(例えばゲート長が1μm以下)上記リーク電流が顕著に表れてしまうといった問題があった。 However, the above-described method for reducing the level difference cannot sufficiently prevent a short circuit due to contact between the semiconductor film and the gate electrode and a defect such as a leakage current depending on the film thickness of the semiconductor layer and the gate insulating layer. It was. In particular, when the semiconductor element is miniaturized (for example, the gate length is 1 μm or less), there is a problem that the leakage current appears remarkably.

本発明は、ゲート絶縁層の被覆不良によるゲート電極と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a highly reliable semiconductor device in which a short circuit between a gate electrode and a semiconductor layer due to a poor coating of a gate insulating layer and a defect such as a leakage current are prevented, and a method for manufacturing such a semiconductor device. Objective.

本発明は、絶縁表面上に複数の半導体素子を形成するために、半導体層を複数の島状の半導体層に分離せず、連続した半導体層中に半導体素子として機能する素子領域と、抵抗が高く素子領域間を電気的に分離する機能を有する素子分離領域を形成する。 In order to form a plurality of semiconductor elements on an insulating surface, the present invention does not separate a semiconductor layer into a plurality of island-shaped semiconductor layers, and has an element region functioning as a semiconductor element in a continuous semiconductor layer, and a resistance. An element isolation region having a function of electrically isolating element regions is formed.

素子分離領域は、連続した半導体層において、素子間を電気的に分離するために、選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加して形成する。導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域は、導電性向上に寄与しない不純物元素の混入により導電性が低下し、また添加時の半導体層へ物理的衝撃により(いわゆるスパッタ効果とも言える)結晶性が低下するため高抵抗化する。なお、本発明において導電性に寄与しないとは、導電性向上に寄与しないという意味で用いる。高抵抗化した素子分離領域においては、電界効果移動度も低下するため素子間を電気的に分離することができ、一方、不純物元素を添加しない領域は素子として機能しうる電界効果移動度を保っているため、素子領域として用いることができる。 The element isolation region is formed by selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon in order to electrically isolate elements from each other in a continuous semiconductor layer. In the element isolation region to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added, the conductivity decreases due to the inclusion of the impurity element that does not contribute to conductivity improvement, and due to physical impact on the semiconductor layer at the time of addition (so-called sputtering effect) Increased resistance due to lower crystallinity. In the present invention, “does not contribute to conductivity” is used to mean that it does not contribute to improvement of conductivity. In the element isolation region with a high resistance, the field effect mobility is also reduced, so that the elements can be electrically isolated, while the region to which no impurity element is added maintains the field effect mobility that can function as an element. Therefore, it can be used as an element region.

なお、本明細書において、素子領域とは素子が形成される前の素子形成領域も含むものとする。よって、素子作製工程途中において、素子として完成されてない場合(他の電極層や絶縁層が形成する前の段階)であっても半導体層中の高抵抗領域である素子分離領域に絶縁分離された素子形成領域を素子領域と呼ぶ。 Note that in this specification, the element region includes an element formation region before an element is formed. Therefore, in the middle of the element manufacturing process, even if it is not completed as an element (before the formation of another electrode layer or insulating layer), it is insulated and separated into the element isolation region which is a high resistance region in the semiconductor layer. The element formation region is called an element region.

素子分離領域を形成する際の導電性に寄与しない不純物元素の添加(導入)は、イオン注入法、(イオン)ドーピング法などを用いることができる。 For the addition (introduction) of an impurity element that does not contribute to conductivity when forming the element isolation region, an ion implantation method, an (ion) doping method, or the like can be used.

素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上が好ましく、酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満が好ましい。 The resistivity of the element isolation region is preferably 1 × 10 10 Ω · cm or more, and the concentration of impurity elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3. .

素子分離領域は、不純物元素の添加により結晶性が低下しているため、非晶質化しているともいえる。一方、素子領域は結晶性半導体層なので、素子領域に半導体素子を形成する場合、そのチャネル形成領域の結晶性は、素子分離領域より高く半導体素子として高い電界効果移動度を得ることができる。 It can be said that the element isolation region is amorphous because the crystallinity is lowered by the addition of the impurity element. On the other hand, since the element region is a crystalline semiconductor layer, when a semiconductor element is formed in the element region, the crystallinity of the channel formation region is higher than that of the element isolation region and high field effect mobility can be obtained as a semiconductor element.

素子分離領域に添加する不純物元素としては、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス元素も用いてもよい。酸素、窒素、及び炭素の他に、比較的質量の大きな元素であるこれらの希ガス元素を更に添加すると、半導体層への物理的衝撃を大きくすることができるため、より効果的に結晶性を低下させることができる。 As an impurity element added to the element isolation region, a rare gas element such as argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), or xenon (Xe) may be used. In addition to oxygen, nitrogen, and carbon, the addition of these rare gas elements, which are relatively large elements, can increase the physical impact on the semiconductor layer, so that the crystallinity can be more effectively improved. Can be reduced.

よって、本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離することができる。半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上にゲート絶縁層が形成されるため、ゲート絶縁層の被覆性が向上する。従って、ゲート絶縁層の被覆不良によるゲート電極と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。 Therefore, when the present invention is used, the semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands. Since the step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur and the gate insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, the coverage of the gate insulating layer is improved. Accordingly, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device in which a short circuit between the gate electrode and the semiconductor layer due to a poor coating of the gate insulating layer and a defect such as a leakage current are prevented, and a method for manufacturing such a semiconductor device.

なお、本発明において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置を指す。本発明を用いて半導体素子(トランジスタ、メモリ素子やダイオードなど)を含む回路を有する装置や、プロセッサ回路を有するチップなどの半導体装置を作製することができる。 Note that in the present invention, a semiconductor device refers to a device that can function by utilizing semiconductor characteristics. By using the present invention, a device having a circuit including a semiconductor element (a transistor, a memory element, a diode, or the like) or a semiconductor device such as a chip having a processor circuit can be manufactured.

本発明の半導体装置の一形態は、絶縁表面上に素子分離領域及び素子領域を含む半導体層を有し、素子分離領域及び素子領域は接しており、素子分離領域は酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を含み、素子分離領域は素子領域より抵抗が高い。 One embodiment of a semiconductor device of the present invention includes an element isolation region and a semiconductor layer including the element region over an insulating surface, the element isolation region and the element region are in contact with each other, and the element isolation region includes oxygen, nitrogen, and carbon. Of these, the element isolation region contains at least one impurity element, and the element isolation region has a higher resistance than the element region.

本発明の半導体装置の一形態は、絶縁表面上に素子分離領域及び素子領域を含む半導体層を有し、素子領域はソース領域、ドレイン領域及びチャネル形成領域を有し、素子分離領域及び素子領域は接しており、素子分離領域は酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を含み、素子分離領域はチャネル形成領域より結晶性が低い。 One embodiment of a semiconductor device of the present invention includes a semiconductor layer including an element isolation region and an element region over an insulating surface. The element region includes a source region, a drain region, and a channel formation region. The element isolation region contains at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon, and the element isolation region has lower crystallinity than the channel formation region.

本発明の半導体装置の一形態は、絶縁表面上に素子分離領域、素子分離領域を介して隣接する第1の素子領域及び第2の素子領域を含む半導体層を有し、素子分離領域は酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を含み、素子分離領域は第1の素子領域及び第2の素子領域より抵抗が高い。 One embodiment of a semiconductor device of the present invention includes an element isolation region on an insulating surface, a semiconductor layer including a first element region and a second element region adjacent to each other via the element isolation region, and the element isolation region is oxygen And at least one impurity element of nitrogen and carbon, and the element isolation region has a higher resistance than the first element region and the second element region.

本発明の半導体装置の一形態は、絶縁表面上に素子分離領域、素子分離領域を介して隣接する第1の素子領域及び第2の素子領域を含む半導体層を有し、第1の素子領域は第1のソース領域、第1のドレイン領域及び第1のチャネル形成領域を含み、第2の素子領域は第2のソース領域、第2のドレイン領域及び第2のチャネル形成領域を含み、素子分離領域は酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を含み、素子分離領域は第1のチャネル形成領域及び第2のチャネル形成領域より結晶性が低い。 One embodiment of a semiconductor device of the present invention has an element isolation region on a surface of an insulating surface, a semiconductor layer including a first element region and a second element region adjacent to each other via the element isolation region, and the first element region Includes a first source region, a first drain region, and a first channel formation region, and the second element region includes a second source region, a second drain region, and a second channel formation region, The isolation region includes at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon, and the element isolation region has lower crystallinity than the first channel formation region and the second channel formation region.

本発明の半導体装置の作製方法の一形態は、絶縁表面上に半導体層を形成し、半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加し、半導体層に素子領域及び不純物元素を含む素子分離領域を形成し、素子領域及び素子分離領域上に絶縁層を形成し、素子領域及び絶縁層上にゲート電極層を形成する。 In one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor layer is formed over an insulating surface, and at least one impurity element selected from oxygen, nitrogen, and carbon is selectively added to the semiconductor layer. An element isolation region including an element region and an impurity element is formed, an insulating layer is formed over the element region and the element isolation region, and a gate electrode layer is formed over the element region and the insulating layer.

本発明の半導体装置の作製方法の一形態は、絶縁表面上に半導体層を形成し、半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加し、半導体層に素子領域及び不純物元素を含み、かつ素子領域より抵抗が高い素子分離領域を形成し、素子領域及び素子分離領域上に絶縁層を形成し、素子領域及び絶縁層上にゲート電極層を形成する。 In one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor layer is formed over an insulating surface, and at least one impurity element selected from oxygen, nitrogen, and carbon is selectively added to the semiconductor layer. An element isolation region including an element region and an impurity element and having a higher resistance than the element region is formed, an insulating layer is formed over the element region and the element isolation region, and a gate electrode layer is formed over the element region and the insulating layer.

本発明の半導体装置の作製方法の一形態は、絶縁表面上に半導体層を形成し、半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加し、半導体層に素子領域及び不純物元素を含み、かつ素子領域より結晶性が低い素子分離領域を形成し、素子領域及び素子分離領域上に絶縁層を形成し、素子領域及び絶縁層上にゲート電極層を形成する。 In one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor layer is formed over an insulating surface, and at least one impurity element selected from oxygen, nitrogen, and carbon is selectively added to the semiconductor layer. An element isolation region including an element region and an impurity element and having lower crystallinity than the element region is formed, an insulating layer is formed on the element region and the element isolation region, and a gate electrode layer is formed on the element region and the insulating layer .

本発明の半導体装置の作製方法の一形態は、絶縁表面上に半導体層を形成し、半導体層上に絶縁層を形成し、半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を、絶縁層を介して添加し、半導体層に素子領域及び不純物元素を含む素子分離領域を形成し、素子領域及び絶縁層上にゲート電極層を形成する。 In one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor layer is formed over an insulating surface, an insulating layer is formed over the semiconductor layer, and at least one of oxygen, nitrogen, and carbon is selectively formed over the semiconductor layer. The impurity element is added through an insulating layer, an element region and an element isolation region containing the impurity element are formed in the semiconductor layer, and a gate electrode layer is formed over the element region and the insulating layer.

本発明の半導体装置の作製方法の一形態は、絶縁表面上に半導体層を形成し、半導体層上に絶縁層を形成し、半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を、絶縁層を介して添加し、半導体層に素子領域及び不純物元素を含み、かつ素子領域より抵抗が高い素子分離領域を形成し、素子領域及び絶縁層上にゲート電極層を形成する。 In one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor layer is formed over an insulating surface, an insulating layer is formed over the semiconductor layer, and at least one of oxygen, nitrogen, and carbon is selectively formed over the semiconductor layer. The impurity element is added through the insulating layer, the element region and the impurity element are included in the semiconductor layer, and the element isolation region having a higher resistance than the element region is formed, and the gate electrode layer is formed on the element region and the insulating layer To do.

本発明の半導体装置の作製方法の一形態は、絶縁表面上に半導体層を形成し、半導体層上に絶縁層を形成し、半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を、絶縁層を介して添加し、半導体層に素子領域及び不純物元素を含み、かつ素子領域より結晶性が低い素子分離領域を形成し、素子領域及び絶縁層上にゲート電極層を形成する。 In one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor layer is formed over an insulating surface, an insulating layer is formed over the semiconductor layer, and at least one of oxygen, nitrogen, and carbon is selectively formed over the semiconductor layer. The impurity element is added through the insulating layer, the element region and the impurity element are included in the semiconductor layer, and an element isolation region having lower crystallinity than the element region is formed. A gate electrode layer is formed over the element region and the insulating layer. Form.

本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離でき、複数の半導体素子を作製することができる。従って半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上にゲート絶縁層が形成されるため、ゲート絶縁層の被覆性が向上する。 By using the present invention, a semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands, and a plurality of semiconductor elements can be manufactured. Accordingly, a step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur, and the gate insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, so that the coverage of the gate insulating layer is improved.

従って、ゲート絶縁層の被覆不良によるゲート電極と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。よって、半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。 Accordingly, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device in which a short circuit between the gate electrode and the semiconductor layer due to a poor coating of the gate insulating layer and a defect such as a leakage current are prevented, and a method for manufacturing such a semiconductor device. Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in the semiconductor device, and high performance of the semiconductor device can be achieved.

本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in structures of the present invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated.

(実施の形態1)
本実施の形態では、ゲート絶縁層の被覆不良によるゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良を防止し、より高信頼性を付与することを目的とする半導体装置の一例としてCMOS(相補型金属酸化物半導体:Complementary Metal Oxide Semiconductor)に関して図面を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment mode, as an example of a semiconductor device for preventing defects such as a short circuit between a gate electrode layer and a semiconductor layer and a leakage current due to a defective coating of a gate insulating layer and providing higher reliability, a CMOS is provided. (Complementary Metal Oxide Semiconductor) will be described with reference to drawings.

図1は本実施の形態のCMOS構造の半導体装置の一例であり、図1(A)は上面図、図1(B)は図1(A)における線A−Bの断面図、図1(C)は線C−Dの断面図である。 1A and 1B illustrate an example of a semiconductor device having a CMOS structure in this embodiment. FIG. 1A is a top view, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AB in FIG. C) is a sectional view taken along line CD.

半導体層の下地膜として機能する絶縁層201が形成された基板200上に、nチャネル型薄膜トランジスタであるトランジスタ210a、pチャネル型トランジスタであるトランジスタ210bからなるCMOS構造、絶縁層206が形成されている。トランジスタ210aは、n型不純物領域207a、207b、及びチャネル形成領域209aよりなる素子領域、ゲート電極層205aを含んでおり、トランジスタ210bはp型不純物領域208a、208b、及びチャネル形成領域209bよりなる素子領域、ゲート電極層205bを含んでおり、ゲート絶縁層204、絶縁層206はトランジスタ210a及び210bに連続して形成されている。また、n型不純物領域207aに接続するソース電極層又はドレイン電極層である配線層211a、n型不純物領域207b及びp型不純物領域208aに接続するソース電極層又はドレイン電極層である配線層211b、p型不純物領域208bに接続するソース電極層又はドレイン電極層である配線層211cが設けられており、配線層211bによってトランジスタ210a及びトランジスタ210bは電気的に接続している(図1(A)乃至(C)参照。)。 On the substrate 200 on which the insulating layer 201 functioning as a base film of the semiconductor layer is formed, a CMOS structure and an insulating layer 206 including a transistor 210a which is an n-channel thin film transistor and a transistor 210b which is a p-channel transistor are formed. . The transistor 210a includes an element region including n-type impurity regions 207a and 207b and a channel formation region 209a, and a gate electrode layer 205a. The transistor 210b includes an element region including p-type impurity regions 208a and 208b and a channel formation region 209b. The gate insulating layer 204 and the insulating layer 206 are formed in succession to the transistors 210a and 210b. In addition, a wiring layer 211a which is a source or drain electrode layer connected to the n-type impurity region 207a, a wiring layer 211b which is a source or drain electrode layer connected to the n-type impurity region 207b and the p-type impurity region 208a, A wiring layer 211c which is a source electrode layer or a drain electrode layer connected to the p-type impurity region 208b is provided, and the transistor 210a and the transistor 210b are electrically connected to each other by the wiring layer 211b (FIGS. 1A to 1C). (See (C).)

半導体層において、トランジスタ210aを構成するn型不純物領域207a、207b、及びチャネル形成領域209aよりなる素子領域と、トランジスタ210bを構成するp型不純物領域208a、208b、及びチャネル形成領域209bよりなる素子領域とは素子分離領域202(202a、202b、202c、202d、202e)によって電気的に分離されている。 In the semiconductor layer, an element region including n-type impurity regions 207a and 207b and a channel formation region 209a constituting the transistor 210a, and an element region including p-type impurity regions 208a and 208b and a channel formation region 209b constituting the transistor 210b. And the element isolation region 202 (202a, 202b, 202c, 202d, 202e).

素子分離領域は、連続した半導体層において、素子間を電気的に分離するために、選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加して形成する。導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域は、導電性に寄与しない不純物元素の混入により導電性が低下し、また添加時の半導体層へ物理的衝撃により(いわゆるスパッタ効果とも言える)結晶性が低下するため高抵抗化する。高抵抗化した素子分離領域においては、電界効果移動度も低下するため素子間を電気的に分離することができ、一方、不純物元素を添加しない領域の結晶性は高いままであり抵抗も低いため、素子として機能しうる電界効果移動度を保っており、素子領域として用いることができる。 The element isolation region is formed by selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon in order to electrically isolate elements from each other in a continuous semiconductor layer. In the element isolation region to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added, the conductivity decreases due to the mixing of the impurity element that does not contribute to conductivity, and the crystal is caused by physical impact (so-called sputtering effect) on the semiconductor layer at the time of addition. The resistance is lowered due to the decrease in performance. In the element isolation region with high resistance, field effect mobility is also reduced, so that the elements can be electrically isolated. On the other hand, the crystallinity of the region to which no impurity element is added remains high and the resistance is low. The field-effect mobility that can function as an element is maintained and can be used as an element region.

素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上が好ましく、酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満が好ましい。 The resistivity of the element isolation region is preferably 1 × 10 10 Ω · cm or more, and the concentration of impurity elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3. .

素子分離領域は、不純物元素の添加により結晶性が低下しているため、非晶質化しているともいえる。一方、素子領域は結晶性半導体層なので、素子領域に半導体素子を形成する場合、そのチャネル形成領域の結晶性は、素子分離領域より高く半導体素子として高い電界効果移動度を得ることができる。 It can be said that the element isolation region is amorphous because the crystallinity is lowered by the addition of the impurity element. On the other hand, since the element region is a crystalline semiconductor layer, when a semiconductor element is formed in the element region, the crystallinity of the channel formation region is higher than that of the element isolation region and high field effect mobility can be obtained as a semiconductor element.

素子分離領域に添加する不純物元素としては、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス元素も用いてもよい。酸素、窒素、及び炭素の他に、比較的質量の大きな元素であるこれらの希ガス元素を更に添加すると、半導体層への物理的衝撃を大きくすることができるため、より効果的に結晶性を低下させることができる。素子分離領域を形成する際の導電性に寄与しない不純物元素の添加(導入)は、イオン注入法、(イオン)ドーピング法などを用いることができる。 As an impurity element added to the element isolation region, a rare gas element such as argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), or xenon (Xe) may be used. In addition to oxygen, nitrogen, and carbon, the addition of these rare gas elements, which are relatively large elements, can increase the physical impact on the semiconductor layer, so that the crystallinity can be more effectively improved. Can be reduced. For the addition (introduction) of an impurity element that does not contribute to conductivity when forming the element isolation region, an ion implantation method, an (ion) doping method, or the like can be used.

図1(C)は半導体層においてチャネル形成領域209a及び素子分離領域202d、202eに亘ってゲート絶縁層204を介し、ゲート電極層205が形成されている。本発明では連続的な半導体層中に素子分離領域及び素子領域を設けているので、素子分離領域202d、202e、及びチャネル形成領域209aである素子領域は連続している。よって、その表面は平坦性が高く、急激な段差を有さない。 In FIG. 1C, a gate electrode layer 205 is formed over the channel formation region 209a and the element isolation regions 202d and 202e in the semiconductor layer with the gate insulating layer 204 interposed therebetween. In the present invention, since the element isolation region and the element region are provided in the continuous semiconductor layer, the element isolation regions 202d and 202e and the element region which is the channel formation region 209a are continuous. Therefore, the surface has high flatness and does not have a steep step.

ゲート絶縁層204は平坦性の高い半導体層上に形成されるため、被覆性がよく、形状不良も生じにくい。よって、ゲート絶縁層204上に形成されるゲート電極層205と素子領域においてリーク電流やショートなどの不良を防止することができる。よって本実施の形態のCMOS構造を有する半導体装置はゲート絶縁層の被覆不良によるゲート電極と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い半導体装置とすることができる。 Since the gate insulating layer 204 is formed over a semiconductor layer with high flatness, the gate insulating layer 204 has good coverage and is less likely to have a shape defect. Therefore, defects such as a leakage current and a short circuit can be prevented in the gate electrode layer 205 formed over the gate insulating layer 204 and the element region. Therefore, the semiconductor device having the CMOS structure of this embodiment can be a highly reliable semiconductor device in which defects such as a short circuit between the gate electrode and the semiconductor layer and a leakage current due to a poor coating of the gate insulating layer are prevented.

また、図1(B)では、不純物領域においてハッチングと白地で示されているが、これは、白地部分に不純物元素が添加されていないということを示すのではなく、この領域の不純物元素の濃度分布がマスクやドーピング条件を反映していることを直感的に理解できるようにしたためである。なお、このことは本明細書の他の図面においても同様である。 Further, in FIG. 1B, the impurity region is indicated by hatching and white background, but this does not indicate that the impurity element is not added to the white background portion, but the concentration of the impurity element in this region. This is because it is possible to intuitively understand that the distribution reflects the mask and doping conditions. This also applies to other drawings in this specification.

絶縁表面を有する基板である基板200としては、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、セラミック基板、表面に絶縁層が形成された金属基板などを用いることができる。 As the substrate 200 which is a substrate having an insulating surface, a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a ceramic substrate, a metal substrate having an insulating layer formed on the surface, or the like can be used.

絶縁層201、ゲート絶縁層204、絶縁層206としては酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素などを用いることができ、単層でも2層、3層といった積層構造でもよい。なお本明細書中において酸化窒化珪素とは酸素の含有量が窒素の含有量より大きい物質であり、窒素を含む酸化珪素とも言える。同様に、窒化酸化珪素とは、窒素の含有量が酸素の含有量より大きい物質であり、酸素を含む窒化珪素とも言える。 As the insulating layer 201, the gate insulating layer 204, and the insulating layer 206, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or the like can be used, and a single layer or a stacked structure of two layers or three layers may be used. Note that in this specification, silicon oxynitride is a substance in which the oxygen content is higher than the nitrogen content, and can also be referred to as silicon oxide containing nitrogen. Similarly, silicon nitride oxide is a substance in which the nitrogen content is higher than the oxygen content, and can be said to be silicon nitride containing oxygen.

また、絶縁層201、ゲート絶縁層204、絶縁層206の他の材料として、窒化アルミニウム、酸素含有量が窒素含有量よりも多い酸化窒化アルミニウム、窒素含有量が酸素含有量よりも多い窒化酸化アルミニウムまたは酸化アルミニウム、ダイアモンドライクカーボン(DLC)、窒素含有炭素、ポリシラザン、その他の無機絶縁性材料を含む物質から選ばれた材料で形成することができる。シロキサンを含む材料を用いてもよい。なお、シロキサンとは、Si−O−Si結合を含む材料に相当する。シロキサンは、シリコン(Si)と酸素(O)との結合で骨格構造が構成される。置換基として、少なくとも水素を含む有機基(例えばアルキル基、アリール基)が用いられる。置換基として、フルオロ基を用いてもよい。または置換基として、少なくとも水素を含む有機基と、フルオロ基とを用いてもよい。また、オキサゾール樹脂を用いることもでき、例えば光硬化型ポリベンゾオキサゾールなどを用いることができる。 As other materials for the insulating layer 201, the gate insulating layer 204, and the insulating layer 206, aluminum nitride, aluminum oxynitride with an oxygen content higher than the nitrogen content, and aluminum oxynitride with a nitrogen content higher than the oxygen content Alternatively, it can be formed of a material selected from substances including aluminum oxide, diamond-like carbon (DLC), nitrogen-containing carbon, polysilazane, and other inorganic insulating materials. A material containing siloxane may be used. Note that siloxane corresponds to a material including a Si—O—Si bond. Siloxane has a skeleton structure formed of a bond of silicon (Si) and oxygen (O). As a substituent, an organic group containing at least hydrogen (for example, an alkyl group or an aryl group) is used. A fluoro group may be used as a substituent. Alternatively, an organic group containing at least hydrogen and a fluoro group may be used as a substituent. Moreover, an oxazole resin can also be used, for example, photocurable polybenzoxazole or the like can be used.

絶縁層201、ゲート絶縁層204、絶縁層206は、スパッタリング法、PVD法(Physical Vapor Deposition)、減圧CVD法(LPCVD法)、またはプラズマCVD法等のCVD法(Chemical Vapor Deposition)、また、選択的にパターンを形成できる液滴吐出法や、パターンが転写または描写できる印刷法(スクリーン印刷やオフセット印刷などパターンが形成される方法)、その他スピンコート法などの塗布法、ディッピング法、ディスペンサ法などを用いることもできる。 The insulating layer 201, the gate insulating layer 204, and the insulating layer 206 are formed by a sputtering method, a PVD method (Physical Vapor Deposition), a low pressure CVD method (LPCVD method), or a CVD method (Chemical Vapor Deposition) such as a plasma CVD method, or a selection method. Droplet discharge method that can form a pattern automatically, printing method that can transfer or draw a pattern (method that forms a pattern such as screen printing or offset printing), other coating methods such as spin coating, dipping method, dispenser method, etc. Can also be used.

所望の形状に加工するエッチング加工は、プラズマエッチング(ドライエッチング)又はウエットエッチングのどちらを採用しても良い。大面積基板を処理するにはプラズマエッチングが適している。エッチングガスとしては、CF、NFなどのフッ素系のガス、又はCl、BClなどの塩素系のガスを用い、HeやArなどの不活性ガスを適宜加えても良い。また、大気圧放電のエッチング加工を適用すれば、局所的な放電加工も可能であり、基板の全面にマスク層を形成する必要はない。 As the etching process for processing into a desired shape, either plasma etching (dry etching) or wet etching may be employed. Plasma etching is suitable for processing large area substrates. As an etching gas, a fluorine-based gas such as CF 4 or NF 3 or a chlorine-based gas such as Cl 2 or BCl 3 may be used, and an inert gas such as He or Ar may be appropriately added. Further, if an atmospheric pressure discharge etching process is applied, a local electric discharge process is also possible, and it is not necessary to form a mask layer on the entire surface of the substrate.

また、半導体層にプラズマ処理を行うことによってゲート絶縁層を形成してもよい。プラズマ処理を窒素雰囲気下、又は酸素雰囲気下で行うことにより、例えば珪素を用いた半導体層表面及びその近傍を窒化処理、又は酸化処理し窒素プラズマ処理層又は酸素プラズマ処理層を形成することができる。また、プラズマ処理を用いゲート絶縁層を酸化処理又は窒化処理(もしくは酸化処理及び窒化処理両方行ってもよい)すると、ゲート絶縁層の表面が改質され、より緻密なゲート絶縁層とすることができる。よって、ピンホール等の欠陥を抑制し半導体装置の特性等を向上させることが可能となる。 Alternatively, the gate insulating layer may be formed by performing plasma treatment on the semiconductor layer. By performing the plasma treatment in a nitrogen atmosphere or an oxygen atmosphere, for example, the surface of the semiconductor layer using silicon and the vicinity thereof can be nitrided or oxidized to form a nitrogen plasma treatment layer or an oxygen plasma treatment layer. . In addition, when the gate insulating layer is subjected to oxidation treatment or nitridation treatment (or both oxidation treatment and nitridation treatment may be performed) using plasma treatment, the surface of the gate insulating layer is modified to form a denser gate insulating layer. it can. Therefore, defects such as pinholes can be suppressed and the characteristics of the semiconductor device can be improved.

プラズマ処理による固相酸化処理若しくは固相窒化処理として、マイクロ波(代表的には2.45GHz)で励起され、電子密度が1×1011cm−3以上1×1013cm−3以下、且つ電子温度が0.5eV以上1.5eV以下のプラズマを利用することが好ましい。固相酸化処理若しくは固相窒化処理において、500℃以下の温度において、緻密な絶縁層を形成すると共に実用的な反応速度を得るためである。 As solid-phase oxidation treatment or solid-phase nitridation treatment by plasma treatment, the electron density is 1 × 10 11 cm −3 or more and 1 × 10 13 cm −3 or less when excited by microwaves (typically 2.45 GHz), and It is preferable to use plasma having an electron temperature of 0.5 eV to 1.5 eV. This is because in the solid phase oxidation treatment or solid phase nitridation treatment, a dense insulating layer is formed at a temperature of 500 ° C. or lower and a practical reaction rate is obtained.

このプラズマ処理により半導体層の表面を酸化する場合には、酸素雰囲気下(例えば、酸素(O)又は一酸化二窒素(NO)と希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)雰囲気下、若しくは酸素又は一酸化二窒素と水素(H)と希ガス雰囲気下)で行う。また、プラズマ処理により窒化をする場合には、窒素雰囲気下(例えば、窒素(N)と希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)雰囲気下、窒素と水素と希ガス雰囲気下、若しくはNHと希ガス雰囲気下)でプラズマ処理を行う。希ガスとしては、例えばArを用いることができる。また、ArとKrを混合したガスを用いてもよい。なお、プラズマ処理とは、半導体層、絶縁層、導電層に対する酸化処理、窒化処理、酸窒化処理、水素化処理、表面改質処理を含んでいる。マイクロ波の導入によりプラズマの励起を行うと、低電子温度(3eV以下、好ましくは1.5eV以下)で高電子密度(1×1011cm−3以上)のプラズマを生成することができる。この高密度プラズマで生成された酸素ラジカル(OHラジカルを含む場合もある)及び/又は窒素ラジカル(NHラジカルを含む場合もある)によって、半導体層の表面を酸化又は窒化することができる。プラズマ処理用ガスにアルゴンなどの希ガスを混合させると、希ガスの励起種により酸素ラジカルや窒素ラジカルを効率良く生成することができる。 In the case of oxidizing the surface of the semiconductor layer by this plasma treatment, oxygen (O 2 ) or dinitrogen monoxide (N 2 O) and a rare gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe) In an atmosphere containing at least one) or in an atmosphere of oxygen or dinitrogen monoxide and hydrogen (H 2 ) and a rare gas. In the case of performing nitridation by plasma treatment, nitrogen and hydrogen are used in a nitrogen atmosphere (for example, nitrogen (N 2 ) and a rare gas (including at least one of He, Ne, Ar, Kr, and Xe) atmosphere). Plasma treatment is performed in a rare gas atmosphere or in a rare gas atmosphere with NH 3 . As the rare gas, for example, Ar can be used. A gas in which Ar and Kr are mixed may be used. Note that the plasma treatment includes oxidation treatment, nitridation treatment, oxynitridation treatment, hydrogenation treatment, and surface modification treatment for a semiconductor layer, an insulating layer, and a conductive layer. When plasma excitation is performed by introduction of microwaves, plasma with a low electron temperature (3 eV or less, preferably 1.5 eV or less) and a high electron density (1 × 10 11 cm −3 or more) can be generated. The surface of the semiconductor layer can be oxidized or nitrided by oxygen radicals (which may include OH radicals) and / or nitrogen radicals (which may include NH radicals) generated by this high-density plasma. When a rare gas such as argon is mixed with the plasma processing gas, oxygen radicals or nitrogen radicals can be efficiently generated by the excited species of the rare gas.

半導体層の代表例として珪素層の表面をプラズマ処理で酸化することで、界面に歪みのない緻密な酸化層を形成することができる。また、当該酸化層をプラズマ処理で窒化することで、表層部の酸素を窒素に置換して窒化層を形成すると、さらに緻密化することができる。それにより絶縁耐圧が高い絶縁層を形成することができる。 As a typical example of the semiconductor layer, the surface of the silicon layer is oxidized by plasma treatment, whereby a dense oxide layer without distortion at the interface can be formed. Further, the oxide layer can be further densified by nitriding the oxide layer by plasma treatment to form a nitride layer by replacing oxygen in the surface layer portion with nitrogen. Thereby, an insulating layer having a high withstand voltage can be formed.

ただし、本発明においてプラズマ処理を行う際、トランジスタの電気特性に悪影響を与えない程度の条件で行う。 However, in the present invention, plasma treatment is performed under conditions that do not adversely affect the electrical characteristics of the transistor.

また、基板、絶縁層、層間絶縁層、その他半導体装置を構成する絶縁層、導電層などを形成した後も、プラズマ処理を用いて酸化処理または窒化処理を行うことにより前記基板、絶縁層、層間絶縁層表面を酸化処理または窒化処理してもよい。プラズマ処理を用いて半導体層や絶縁層を酸化処理または窒化処理すると、絶縁層の表面が改質され、CVD法やスパッタ法により形成した絶縁層と比較してより緻密な絶縁層とすることができる。よって、ピンホール等の欠陥を抑制し半導体装置の特性等を向上させることが可能となる。また上記の様なプラズマ処理は、ゲート電極層、ソース配線層、ドレイン配線層などの導電層などにも行うことができ、表面及び表面近傍を窒化処理又は酸化処理することができる。 In addition, after forming a substrate, an insulating layer, an interlayer insulating layer, and other insulating layers and conductive layers forming a semiconductor device, the substrate, the insulating layer, and the interlayer are formed by performing oxidation treatment or nitriding treatment using plasma treatment. The surface of the insulating layer may be oxidized or nitrided. When a semiconductor layer or an insulating layer is oxidized or nitrided using plasma treatment, the surface of the insulating layer is modified so that the insulating layer becomes denser than an insulating layer formed by a CVD method or a sputtering method. it can. Therefore, defects such as pinholes can be suppressed and the characteristics of the semiconductor device can be improved. The plasma treatment as described above can also be performed on a conductive layer such as a gate electrode layer, a source wiring layer, and a drain wiring layer, and the surface and the vicinity of the surface can be nitrided or oxidized.

半導体層は、単結晶半導体又は多結晶半導体で形成されたものを用いることが好ましい。例えば、基板上にスパッタリング法、プラズマCVD法若しくは減圧CVD法によって基板の全面に形成された半導体層を結晶化させ、形成することができる。半導体材料としては、シリコンが好ましく、その他にシリコンゲルマニウム半導体を用いることもできる。半導体層の結晶化法としては、レーザ結晶化法、瞬間熱アニール(RTA)又はファーネスアニール炉を用いた熱処理による結晶化法、結晶化を助長する金属元素を用いる結晶化法又はこれら方法を組み合わせて行う方法を採用することができる。 The semiconductor layer is preferably formed using a single crystal semiconductor or a polycrystalline semiconductor. For example, a semiconductor layer formed over the entire surface of the substrate can be crystallized and formed on the substrate by a sputtering method, a plasma CVD method, or a low pressure CVD method. As the semiconductor material, silicon is preferable, and a silicon germanium semiconductor can also be used. As a method for crystallizing a semiconductor layer, a laser crystallization method, a crystallization method using rapid thermal annealing (RTA) or a heat treatment using a furnace annealing furnace, a crystallization method using a metal element that promotes crystallization, or a combination of these methods. Can be adopted.

半導体層にはp型不純物が注入されていても良い。p型不純物として、例えばホウ素が用いられ、5×1015atoms/cm〜1×1016atoms/cm程度の濃度で添加されていても良い。これは、トランジスタのしきい値電圧を制御するためのものであり、チャネル形成領域209a、209bに添加されることで有効に作用する。 A p-type impurity may be implanted into the semiconductor layer. For example, boron is used as the p-type impurity, and may be added at a concentration of about 5 × 10 15 atoms / cm 3 to 1 × 10 16 atoms / cm 3 . This is for controlling the threshold voltage of the transistor, and effectively acts when added to the channel formation regions 209a and 209b.

なおトランジスタが有する配線層、ゲート電極層は、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化インジウムに酸化亜鉛(ZnO)を混合したIZO(indium zinc oxide)、酸化インジウムに酸化珪素(SiO)を混合した導電材料、有機インジウム、有機スズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)等の金属又はその合金、若しくはその金属窒化物から選ぶことができる。 Note that a wiring layer and a gate electrode layer included in the transistor are indium tin oxide (ITO), indium oxide mixed with zinc oxide (ZnO), indium zinc oxide (IZO), and indium oxide mixed with silicon oxide (SiO 2 ). Conductive material, organic indium, organic tin, indium oxide including tungsten oxide, indium zinc oxide including tungsten oxide, indium oxide including titanium oxide, indium tin oxide including titanium oxide, tungsten (W), molybdenum ( Mo), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), titanium (Ti), platinum ( Pt), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), etc. It can be selected from a metal or an alloy thereof, or a metal nitride thereof.

本実施の形態に限定されず、薄膜トランジスタはチャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造でも、二つ形成されるダブルゲート構造もしくは三つ形成されるトリプルゲート構造であっても良い。また、周辺駆動回路領域の薄膜トランジスタも、シングルゲート構造、ダブルゲート構造もしくはトリプルゲート構造であっても良い。 Without being limited to this embodiment mode, the thin film transistor may have a single gate structure in which one channel formation region is formed, a double gate structure in which two channel formation regions are formed, or a triple gate structure in which three channel formation regions are formed. The thin film transistor in the peripheral driver circuit region may have a single gate structure, a double gate structure, or a triple gate structure.

よって、本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離することができる。半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上にゲート絶縁層が形成されるため、ゲート絶縁層の被覆性が向上する。従って、ゲート絶縁層の被覆不良によるゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。よって、半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。また、そのような膜の形状不良による不良が軽減されるので、作製工程においても歩留まりよく生産することができる。 Therefore, when the present invention is used, the semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands. Since the step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur and the gate insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, the coverage of the gate insulating layer is improved. Therefore, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device in which a short circuit between the gate electrode layer and the semiconductor layer due to a poor coating of the gate insulating layer and a defect such as a leakage current are prevented, and a method for manufacturing such a semiconductor device. . Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in the semiconductor device, and high performance of the semiconductor device can be achieved. In addition, since defects due to such a film shape defect are reduced, production can be performed with high yield even in the manufacturing process.

(実施の形態2)
本実施の形態では、絶縁層の被覆不良による電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良を防止し、より高信頼性を付与することを目的とする半導体装置として不揮発性半導体記憶装置の一例に関して図面を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment mode, a nonvolatile semiconductor memory device is provided as a semiconductor device for preventing defects such as a short circuit between an electrode layer and a semiconductor layer due to a coating failure of an insulating layer and a leakage current and imparting higher reliability. An example will be described with reference to the drawings.

不揮発性記憶素子は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor)と類似の構造を有し、電荷を長期間蓄積することのできる領域がチャネル形成領域上に設けられているところに特徴がある。この電荷蓄積領域は絶縁層上に形成され、周囲と絶縁分離されていることから浮遊ゲート電極層とも呼ぶ。また浮遊ゲート電極層は電荷を蓄積する機能を有するので電荷蓄積層ともよぶ。本明細書では主に浮遊ゲート電極層を含むこの電荷蓄積領域を電荷蓄積層とよぶ。浮遊ゲート電極層上には、さらに絶縁層を介して制御ゲート電極層を備えている。 The nonvolatile memory element has a structure similar to that of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), and is characterized in that a region capable of accumulating electric charge for a long period is provided on the channel formation region. This charge accumulation region is formed on the insulating layer and is also isolated from the surroundings, so that it is also called a floating gate electrode layer. The floating gate electrode layer is also called a charge storage layer because it has a function of storing charges. In this specification, this charge accumulation region mainly including the floating gate electrode layer is referred to as a charge accumulation layer. A control gate electrode layer is further provided on the floating gate electrode layer through an insulating layer.

このような構造を有する所謂浮遊ゲート型の不揮発性半導体記憶装置は、制御ゲート電極層に印加する電圧により、電荷蓄積層に電荷を蓄積させ、また放出させる動作が行われる。すなわち電荷蓄積層に保持させる電荷の出し入れにより、データを記憶する仕組みになっている。具体的に、電荷蓄積層への電荷の注入や引き抜きは、チャネル形成領域が形成される半導体層と、制御ゲート電極層の間に高電圧を印加して行われている。このときチャネル形成領域上の絶縁層には、ファウラー−ノルドハイム(Fowler−Nordheim)型(F−N型)トンネル電流(NAND型)や、熱電子(NOR型)が流れると言われている。このことより当該絶縁層は、トンネル絶縁層とも呼ばれている。 The so-called floating gate type nonvolatile semiconductor memory device having such a structure is operated to store and release charges in the charge storage layer by a voltage applied to the control gate electrode layer. In other words, the data is stored by taking in and out the charges held in the charge storage layer. Specifically, injection and extraction of charges from the charge storage layer are performed by applying a high voltage between the semiconductor layer in which the channel formation region is formed and the control gate electrode layer. At this time, it is said that Fowler-Nordheim type (FN type) tunnel current (NAND type) and thermal electrons (NOR type) flow through the insulating layer on the channel formation region. Thus, the insulating layer is also called a tunnel insulating layer.

図2は本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置である半導体装置の一例であり、図2(A)は上面図、図2(B)は図2(A)における線E−Fの断面図、図2(C)は線G−Hの断面図である。 2A and 2B illustrate an example of a semiconductor device which is a nonvolatile semiconductor memory device in this embodiment. FIG. 2A is a top view and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line EF in FIG. FIG. 2C is a cross-sectional view taken along line GH.

半導体層の下地膜として機能する絶縁層251が形成された基板250上に、不揮発性メモリ素子であるメモリ素子270、層間絶縁層258が形成されている。メモリ素子270は、高濃度不純物領域261a、261b、低濃度不純物領域262a、262b及びチャネル形成領域253よりなる素子領域、第1の絶縁層254、電荷蓄積層271、第2の絶縁層256、制御ゲート電極層272、配線層259a、259bを含んでおり、素子領域に接して素子分離領域252a、252bが形成されている。(図2(A)乃至(C)参照。)。 A memory element 270 that is a nonvolatile memory element and an interlayer insulating layer 258 are formed over a substrate 250 over which an insulating layer 251 that functions as a base film of a semiconductor layer is formed. The memory element 270 includes an element region including high-concentration impurity regions 261a and 261b, low-concentration impurity regions 262a and 262b, and a channel formation region 253, a first insulating layer 254, a charge storage layer 271, a second insulating layer 256, a control It includes a gate electrode layer 272 and wiring layers 259a and 259b, and element isolation regions 252a and 252b are formed in contact with the element region. (See FIGS. 2A to 2C.)

高濃度不純物領域261a、261b、低濃度不純物領域262a、262bには一導電型を付与する不純物元素としてn型を付与する不純物元素(リン(P)、ヒ素(As)など)を含んでおり、高濃度不純物領域261a、261bはメモリ素子においてソース及びドレインとして機能する領域である。 The high-concentration impurity regions 261a and 261b and the low-concentration impurity regions 262a and 262b contain an impurity element imparting n-type (such as phosphorus (P) or arsenic (As)) as an impurity element imparting one conductivity type. The high concentration impurity regions 261a and 261b are regions functioning as a source and a drain in the memory element.

半導体層において、高濃度不純物領域261a、261b、低濃度不純物領域262a、262b、及びチャネル形成領域253よりなる素子領域はその周囲を囲む素子分離領域252(252a、252b、252c、252d)によって他の半導体素子より電気的に分離されている。 In the semiconductor layer, an element region including the high-concentration impurity regions 261a and 261b, the low-concentration impurity regions 262a and 262b, and the channel formation region 253 is separated by an element isolation region 252 (252a, 252b, 252c, and 252d) surrounding the periphery. It is electrically isolated from the semiconductor element.

素子分離領域は、連続した半導体層において、素子間を電気的に分離するために、選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加して形成する。導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域は、導電性に寄与しない不純物元素の混入により導電性が低下し、また添加時の半導体層へ物理的衝撃により(いわゆるスパッタ効果とも言える)結晶性が低下するため高抵抗化する。高抵抗化した素子分離領域においては、電界効果移動度も低下するため素子間を電気的に分離することができ、一方、不純物元素を添加しない領域の結晶性は高いままであり抵抗も低いため、素子として機能しうる電界効果移動度を保っており、素子領域として用いることができる。 The element isolation region is formed by selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon in order to electrically isolate elements from each other in a continuous semiconductor layer. In the element isolation region to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added, the conductivity decreases due to the mixing of the impurity element that does not contribute to conductivity, and the crystal is caused by physical impact (so-called sputtering effect) on the semiconductor layer at the time of addition. The resistance is lowered due to the decrease in performance. In the element isolation region with high resistance, field effect mobility is also reduced, so that the elements can be electrically isolated. On the other hand, the crystallinity of the region to which no impurity element is added remains high and the resistance is low. The field-effect mobility that can function as an element is maintained and can be used as an element region.

素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上が好ましく、酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満が好ましい。 The resistivity of the element isolation region is preferably 1 × 10 10 Ω · cm or more, and the concentration of impurity elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3. .

素子分離領域は、不純物元素の添加により結晶性が低下しているため、非晶質化しているともいえる。一方、素子領域は結晶性半導体層なので、素子領域に半導体素子を形成する場合、そのチャネル形成領域の結晶性は、素子分離領域より高く半導体素子として高い電界効果移動度を得ることができる。 It can be said that the element isolation region is amorphous because the crystallinity is lowered by the addition of the impurity element. On the other hand, since the element region is a crystalline semiconductor layer, when a semiconductor element is formed in the element region, the crystallinity of the channel formation region is higher than that of the element isolation region and high field effect mobility can be obtained as a semiconductor element.

素子分離領域に添加する不純物元素としては、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス元素も用いてもよい。酸素、窒素、及び炭素の他に、比較的質量の大きな元素であるこれらの希ガス元素を更に添加すると、半導体層への物理的衝撃を大きくすることができるため、より効果的に結晶性を低下させることができる。 As an impurity element added to the element isolation region, a rare gas element such as argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), or xenon (Xe) may be used. In addition to oxygen, nitrogen, and carbon, the addition of these rare gas elements, which are relatively large elements, can increase the physical impact on the semiconductor layer, so that the crystallinity can be more effectively improved. Can be reduced.

図2(C)は半導体層においてチャネル形成領域253及び素子分離領域252c、252dに亘って第1の絶縁層254、電荷蓄積層271、及び第2の絶縁層256を介し、制御ゲート電極層272が形成されている。本発明では連続的な半導体層中に素子分離領域及び素子領域を設けているので、素子分離領域252c、252d、及びチャネル形成領域253である素子領域は連続している。よって、その表面は平坦性が高く、急激な段差を有さない。 FIG. 2C illustrates a control gate electrode layer 272 through the first insulating layer 254, the charge storage layer 271, and the second insulating layer 256 over the channel formation region 253 and the element isolation regions 252c and 252d in the semiconductor layer. Is formed. In the present invention, since the element isolation region and the element region are provided in the continuous semiconductor layer, the element regions which are the element isolation regions 252c and 252d and the channel formation region 253 are continuous. Therefore, the surface has high flatness and does not have a steep step.

第1の絶縁層254は平坦性の高い半導体層上に形成されるため、被覆性がよく、形状不良も生じにくい。よって、第1の絶縁層254上に形成される電荷蓄積層271とチャネル形成領域253においてリーク電流やショートなどの不良を防止することができる。よって本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置である半導体装置は第1の絶縁層254の被覆不良による電荷蓄積層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い半導体装置とすることができる。 Since the first insulating layer 254 is formed over a highly flat semiconductor layer, the first insulating layer 254 has good coverage and is unlikely to have a shape defect. Accordingly, defects such as a leakage current and a short circuit in the charge storage layer 271 and the channel formation region 253 formed over the first insulating layer 254 can be prevented. Therefore, the semiconductor device which is the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment is a highly reliable semiconductor in which defects such as a short circuit and a leakage current between the charge storage layer and the semiconductor layer due to a coating failure of the first insulating layer 254 are prevented. It can be a device.

また、図2においては半導体層における素子領域が電荷蓄積層271より線G−H方向において小さく、制御ゲート電極層272より線E−F方向において大きい例を示したが、本発明はこれに限定されない。素子領域、電荷蓄積層、制御ゲート電極層の大きさの他の組み合わせを図3及び図4に示す。なお図3及び図4において電荷蓄積層、制御ゲート電極層の他は図2と同様なので図2の符号と同じとし、説明は省略する。 FIG. 2 shows an example in which the element region in the semiconductor layer is smaller in the line GH direction than the charge storage layer 271 and larger in the line EF direction than the control gate electrode layer 272. However, the present invention is limited to this. Not. FIG. 3 and FIG. 4 show other combinations of sizes of the element region, the charge storage layer, and the control gate electrode layer. 3 and FIG. 4 are the same as those in FIG. 2 except for the charge storage layer and the control gate electrode layer, and thus the description thereof will be omitted.

図3のメモリ素子290においては半導体層における素子領域が電荷蓄積層291と線G−H方向においてほぼ同じであり、電荷蓄積層291が制御ゲート電極層292と線E−F方向においてほぼ同じである。よって、図3(B)において、第2の絶縁層256を介して電荷蓄積層291の端部と制御ゲート電極層292の端部とがほぼ一致しており、図3(C)において、第1の絶縁層254を介して素子領域におけるチャネル形成領域253の端部と電荷蓄積層291の端部とほぼ一致している。 In the memory element 290 of FIG. 3, the element region in the semiconductor layer is substantially the same as the charge storage layer 291 in the line GH direction, and the charge storage layer 291 is substantially the same in the line EF direction as the control gate electrode layer 292. is there. Therefore, in FIG. 3B, the end portion of the charge accumulation layer 291 and the end portion of the control gate electrode layer 292 are substantially aligned with each other through the second insulating layer 256. In FIG. The end portion of the channel formation region 253 in the element region and the end portion of the charge storage layer 291 substantially coincide with each other through the one insulating layer 254.

図4のメモリ素子280においては半導体層における素子領域が電荷蓄積層281より線G−H方向において大きく、電荷蓄積層281が制御ゲート電極層282より線E−F方向において小さい。よって、図4(B)において、第2の絶縁層256を介して電荷蓄積層281の端部は、制御ゲート電極層282の端部より内側におり、図4(C)において、第1の絶縁層254を介して素子領域におけるチャネル形成領域253の端部は電荷蓄積層281の端部より外側にある。 In the memory element 280 of FIG. 4, the element region in the semiconductor layer is larger in the line GH direction than the charge storage layer 281, and the charge storage layer 281 is smaller in the line EF direction than the control gate electrode layer 282. Therefore, in FIG. 4B, the end portion of the charge storage layer 281 is located inside the end portion of the control gate electrode layer 282 with the second insulating layer 256 interposed therebetween. In FIG. The end of the channel formation region 253 in the element region is located outside the end of the charge storage layer 281 with the insulating layer 254 interposed therebetween.

このように、素子領域、電荷蓄積層、制御ゲート電極層の大きさの組み合わせによって、電荷蓄積層及び制御ゲート電極層の間第2のゲート絶縁層に蓄えられる容量と、電荷蓄積層及び半導体層の間第1の絶縁層254に蓄えられる容量を制御することができるため、印加する電圧値も制御することができる。 As described above, the capacitance stored in the second gate insulating layer between the charge storage layer and the control gate electrode layer, the charge storage layer, and the semiconductor layer depending on the combination of the sizes of the element region, the charge storage layer, and the control gate electrode layer. Since the capacity stored in the first insulating layer 254 can be controlled during this period, the voltage value to be applied can also be controlled.

層間絶縁層258としては酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素などを用いることができ、単層でも2層、3層といった積層構造でもよい。なお本明細書中において酸化窒化珪素とは酸素の含有量が窒素の含有量より大きい物質であり、窒素を含む酸化珪素とも言える。同様に、窒化酸化珪素とは、窒素の含有量が酸素の含有量より大きい物質であり、酸素を含む窒化珪素とも言える。 As the interlayer insulating layer 258, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or the like can be used, and a single layer or a stacked structure of two layers or three layers may be used. Note that in this specification, silicon oxynitride is a substance in which the oxygen content is higher than the nitrogen content, and can also be referred to as silicon oxide containing nitrogen. Similarly, silicon nitride oxide is a substance in which the nitrogen content is higher than the oxygen content, and can be said to be silicon nitride containing oxygen.

また、層間絶縁層258の他の材料として、窒化アルミニウム、酸素含有量が窒素含有量よりも多い酸化窒化アルミニウム、窒素含有量が酸素含有量よりも多い窒化酸化アルミニウムまたは酸化アルミニウム、ダイアモンドライクカーボン(DLC)、窒素含有炭素、ポリシラザン、その他の無機絶縁性材料を含む物質から選ばれた材料で形成することができる。シロキサンを含む材料を用いてもよい。なお、シロキサンとは、Si−O−Si結合を含む材料に相当する。シロキサンは、シリコン(Si)と酸素(O)との結合で骨格構造が構成される。置換基として、少なくとも水素を含む有機基(例えばアルキル基、アリール基)が用いられる。置換基として、フルオロ基を用いてもよい。または置換基として、少なくとも水素を含む有機基と、フルオロ基とを用いてもよい。また、オキサゾール樹脂を用いることもでき、例えば光硬化型ポリベンゾオキサゾールなどを用いることができる。 As another material for the interlayer insulating layer 258, aluminum nitride, aluminum oxynitride having an oxygen content higher than the nitrogen content, aluminum nitride oxide or aluminum oxide having a nitrogen content higher than the oxygen content, diamond-like carbon ( DLC), nitrogen-containing carbon, polysilazane, and other materials including inorganic insulating materials. A material containing siloxane may be used. Note that siloxane corresponds to a material including a Si—O—Si bond. Siloxane has a skeleton structure formed of a bond of silicon (Si) and oxygen (O). As a substituent, an organic group containing at least hydrogen (for example, an alkyl group or an aryl group) is used. A fluoro group may be used as a substituent. Alternatively, an organic group containing at least hydrogen and a fluoro group may be used as a substituent. Moreover, an oxazole resin can also be used, for example, photocurable polybenzoxazole or the like can be used.

層間絶縁層258は、スパッタリング法、PVD法(Physical Vapor Deposition)、減圧CVD法(LPCVD法)、またはプラズマCVD法等のCVD法(Chemical Vapor Deposition)、また、選択的にパターンを形成できる液滴吐出法や、パターンが転写または描写できる印刷法(スクリーン印刷やオフセット印刷などパターンが形成される方法)、その他スピンコート法などの塗布法、ディッピング法、ディスペンサ法などを用いることもできる。 The interlayer insulating layer 258 is formed by a sputtering method, a PVD method (Physical Vapor Deposition), a low pressure CVD method (LPCVD method), a CVD method such as a plasma CVD method (Chemical Vapor Deposition), or a droplet capable of selectively forming a pattern. An ejection method, a printing method that can transfer or draw a pattern (a method for forming a pattern such as screen printing or offset printing), a coating method such as a spin coating method, a dipping method, a dispenser method, or the like can also be used.

所望の形状に加工するエッチング加工は、プラズマエッチング(ドライエッチング)又はウエットエッチングのどちらを採用しても良い。大面積基板を処理するにはプラズマエッチングが適している。エッチングガスとしては、CF、NFなどのフッ素系のガス、又はCl、BClなどの塩素系のガスを用い、HeやArなどの不活性ガスを適宜加えても良い。また、大気圧放電のエッチング加工を適用すれば、局所的な放電加工も可能であり、基板の全面にマスク層を形成する必要はない。 As the etching process for processing into a desired shape, either plasma etching (dry etching) or wet etching may be employed. Plasma etching is suitable for processing large area substrates. As an etching gas, a fluorine-based gas such as CF 4 or NF 3 or a chlorine-based gas such as Cl 2 or BCl 3 may be used, and an inert gas such as He or Ar may be appropriately added. Further, if an atmospheric pressure discharge etching process is applied, a local electric discharge process is also possible, and it is not necessary to form a mask layer on the entire surface of the substrate.

半導体層は、単結晶半導体又は多結晶半導体で形成されたものを用いることが好ましい。例えば、基板上にスパッタリング法、プラズマCVD法若しくは減圧CVD法によって基板の全面に形成された半導体層を結晶化させ、形成することができる。半導体材料としては、シリコンが好ましく、その他にシリコンゲルマニウム半導体を用いることもできる。半導体層の結晶化法としては、レーザ結晶化法、瞬間熱アニール(RTA)又はファーネスアニール炉を用いた熱処理による結晶化法、結晶化を助長する金属元素を用いる結晶化法又はこれら方法を組み合わせて行う方法を採用することができる。 The semiconductor layer is preferably formed using a single crystal semiconductor or a polycrystalline semiconductor. For example, a semiconductor layer formed over the entire surface of the substrate can be crystallized and formed on the substrate by a sputtering method, a plasma CVD method, or a low pressure CVD method. As the semiconductor material, silicon is preferable, and a silicon germanium semiconductor can also be used. As a method for crystallizing a semiconductor layer, a laser crystallization method, a crystallization method using rapid thermal annealing (RTA) or a heat treatment using a furnace annealing furnace, a crystallization method using a metal element that promotes crystallization, or a combination of these methods. Can be adopted.

半導体層にはp型不純物が注入されていても良い。p型不純物として、例えばホウ素が用いられ、5×1015atoms/cm〜1×1016atoms/cm程度の濃度で添加されていても良い。これは、半導体素子のしきい値電圧を制御するためのものであり、チャネル形成領域253に添加されることで有効に作用する。 A p-type impurity may be implanted into the semiconductor layer. For example, boron is used as the p-type impurity, and may be added at a concentration of about 5 × 10 15 atoms / cm 3 to 1 × 10 16 atoms / cm 3 . This is for controlling the threshold voltage of the semiconductor element, and acts effectively when added to the channel formation region 253.

第1の絶縁層254は酸化シリコン若しくは酸化シリコンと窒化シリコンの積層構造で形成すればよい。第1の絶縁層254は、プラズマCVD法や減圧CVD法により絶縁層を堆積することで形成しても良いが、好ましくはプラズマ処理による固相酸化若しくは固相窒化で形成すると良い。半導体層(代表的にはシリコン層)を、プラズマ処理により酸化又は窒化することにより形成した絶縁層は、緻密で絶縁耐圧が高く信頼性に優れているためである。第1の絶縁層254は、電荷蓄積層271、281、291に電荷を注入するためのトンネル絶縁層として用いるので、このように丈夫であるものが好ましい。この第1の絶縁層254は1nm〜20nm、好ましくは3nm〜6nmの厚さに形成することが好ましい。例えば、ゲート長を600nmとする場合、第1の絶縁層254は3nm〜6nmの厚さに形成することができる。 The first insulating layer 254 may be formed using silicon oxide or a stacked structure of silicon oxide and silicon nitride. The first insulating layer 254 may be formed by depositing an insulating layer by a plasma CVD method or a low pressure CVD method, but is preferably formed by solid phase oxidation or solid phase nitridation by plasma treatment. This is because an insulating layer formed by oxidizing or nitriding a semiconductor layer (typically a silicon layer) by plasma treatment is dense, has high withstand voltage, and is excellent in reliability. Since the first insulating layer 254 is used as a tunnel insulating layer for injecting charges into the charge storage layers 271, 281 and 291, such a strong one is preferable. The first insulating layer 254 is preferably formed to a thickness of 1 nm to 20 nm, preferably 3 nm to 6 nm. For example, when the gate length is 600 nm, the first insulating layer 254 can be formed to a thickness of 3 nm to 6 nm.

プラズマ処理による固相酸化処理若しくは固相窒化処理として、マイクロ波(代表的には2.45GHz)で励起され、電子密度が1×1011cm−3以上1×1013cm−3以下、且つ電子温度が0.5eV以上1.5eV以下のプラズマを利用することが好ましい。固相酸化処理若しくは固相窒化処理において、500℃以下の温度において、緻密な絶縁層を形成すると共に実用的な反応速度を得るためである。 As solid-phase oxidation treatment or solid-phase nitridation treatment by plasma treatment, the electron density is 1 × 10 11 cm −3 or more and 1 × 10 13 cm −3 or less when excited by microwaves (typically 2.45 GHz), and It is preferable to use plasma having an electron temperature of 0.5 eV to 1.5 eV. This is because in the solid phase oxidation treatment or solid phase nitridation treatment, a dense insulating layer is formed at a temperature of 500 ° C. or lower and a practical reaction rate is obtained.

このプラズマ処理により半導体層の表面を酸化する場合には、酸素雰囲気下(例えば、酸素(O)又は一酸化二窒素(NO)と希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)雰囲気下、若しくは酸素又は一酸化二窒素と水素(H)と希ガス雰囲気下)で行う。また、プラズマ処理により窒化をする場合には、窒素雰囲気下(例えば、窒素(N)と希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)雰囲気下、窒素と水素と希ガス雰囲気下、若しくはNHと希ガス雰囲気下)でプラズマ処理を行う。希ガスとしては、例えばArを用いることができる。また、ArとKrを混合したガスを用いてもよい。なお、プラズマ処理とは、半導体層、絶縁層、導電層に対する酸化処理、窒化処理、酸窒化処理、水素化処理、表面改質処理を含んでいる。マイクロ波の導入によりプラズマの励起を行うと、低電子温度(3eV以下、好ましくは1.5eV以下)で高電子密度(1×1011cm−3以上)のプラズマを生成することができる。この高密度プラズマで生成された酸素ラジカル(OHラジカルを含む場合もある)及び/又は窒素ラジカル(NHラジカルを含む場合もある)によって、半導体層の表面を酸化又は窒化することができる。プラズマ処理用ガスにアルゴンなどの希ガスを混合させると、希ガスの励起種により酸素ラジカルや窒素ラジカルを効率良く生成することができる。 In the case of oxidizing the surface of the semiconductor layer by this plasma treatment, oxygen (O 2 ) or dinitrogen monoxide (N 2 O) and a rare gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe) In an atmosphere containing at least one) or in an atmosphere of oxygen or dinitrogen monoxide and hydrogen (H 2 ) and a rare gas. In the case of performing nitridation by plasma treatment, nitrogen and hydrogen are used in a nitrogen atmosphere (for example, nitrogen (N 2 ) and a rare gas (including at least one of He, Ne, Ar, Kr, and Xe) atmosphere). Plasma treatment is performed in a rare gas atmosphere or in a rare gas atmosphere with NH 3 . As the rare gas, for example, Ar can be used. A gas in which Ar and Kr are mixed may be used. Note that the plasma treatment includes oxidation treatment, nitridation treatment, oxynitridation treatment, hydrogenation treatment, and surface modification treatment for a semiconductor layer, an insulating layer, and a conductive layer. When plasma excitation is performed by introduction of microwaves, plasma with a low electron temperature (3 eV or less, preferably 1.5 eV or less) and a high electron density (1 × 10 11 cm −3 or more) can be generated. The surface of the semiconductor layer can be oxidized or nitrided by oxygen radicals (which may include OH radicals) and / or nitrogen radicals (which may include NH radicals) generated by this high-density plasma. When a rare gas such as argon is mixed with the plasma processing gas, oxygen radicals or nitrogen radicals can be efficiently generated by the excited species of the rare gas.

図2において、プラズマ処理により形成される好適な第1の絶縁層254の一例は、酸素雰囲気下のプラズマ処理により半導体層上に3nm〜6nmの厚さで酸化珪素層を形成し、その後窒素雰囲気下でその酸化珪素層の表面を窒化プラズマで処理した窒素プラズマ処理層を形成する。具体的には、まず、酸素雰囲気下でのプラズマ処理により半導体層上に3nm〜6nmの厚さで酸化珪素層を形成する。その後、続けて窒素雰囲気下でプラズマ処理を行うことにより酸化珪素層の表面又は表面近傍に窒素濃度の高い窒素プラズマ処理層を設ける。なお、表面近傍とは、酸化珪素層の表面から概略0.5nm〜1.5nmの深さをいう。例えば、窒素雰囲気下でプラズマ処理を行うことによって、酸化珪素層の表面から概略1nmの深さに窒素を20〜50原子%の割合で含有した構造となる。 In FIG. 2, an example of a suitable first insulating layer 254 formed by plasma treatment is that a silicon oxide layer is formed with a thickness of 3 nm to 6 nm on a semiconductor layer by plasma treatment under an oxygen atmosphere, and then a nitrogen atmosphere. Below, a nitrogen plasma treatment layer is formed by treating the surface of the silicon oxide layer with nitriding plasma. Specifically, first, a silicon oxide layer is formed with a thickness of 3 nm to 6 nm on the semiconductor layer by plasma treatment in an oxygen atmosphere. Then, a nitrogen plasma processing layer having a high nitrogen concentration is provided on or near the surface of the silicon oxide layer by subsequently performing plasma processing in a nitrogen atmosphere. Note that the vicinity of the surface means a depth of approximately 0.5 nm to 1.5 nm from the surface of the silicon oxide layer. For example, by performing plasma treatment in a nitrogen atmosphere, a structure containing nitrogen at a ratio of 20 to 50 atomic% at a depth of approximately 1 nm from the surface of the silicon oxide layer is obtained.

半導体層の代表例としての珪素層の表面をプラズマ処理で酸化することで、界面に歪みのない緻密な酸化層を形成することができる。また、当該酸化層をプラズマ処理で窒化することで、表層部の酸素を窒素に置換して窒化層を形成すると、さらに緻密化することができる。それにより絶縁耐圧が高い絶縁層を形成することができる。 By oxidizing the surface of a silicon layer as a typical example of the semiconductor layer by plasma treatment, a dense oxide layer without distortion at the interface can be formed. Further, the oxide layer can be further densified by nitriding the oxide layer by plasma treatment to form a nitride layer by replacing oxygen in the surface layer portion with nitrogen. Thereby, an insulating layer having a high withstand voltage can be formed.

いずれにしても、上記のようなプラズマ処理による固相酸化処理若しくは固相窒化処理を用いることで、耐熱温度が700℃以下のガラス基板を用いても、950℃〜1050℃で形成される熱酸化膜と同等な絶縁層を得ることができる。すなわち、不揮発性メモリ素子のトンネル絶縁層として信頼性の高いトンネル絶縁層を形成することができる。 In any case, the heat formed at 950 ° C. to 1050 ° C. even when a glass substrate having a heat resistant temperature of 700 ° C. or less is used by using the solid phase oxidation treatment or solid phase nitridation treatment by the plasma treatment as described above. An insulating layer equivalent to the oxide film can be obtained. That is, a highly reliable tunnel insulating layer can be formed as the tunnel insulating layer of the nonvolatile memory element.

電荷蓄積層271、281、291は第1の絶縁層254上に形成される。この電荷蓄積層271、281、291は、単層でもよいし、複数の層を積層して設けてもよい。 The charge storage layers 271, 281, and 291 are formed over the first insulating layer 254. The charge storage layers 271, 281, and 291 may be a single layer or a stack of a plurality of layers.

電荷蓄積層271、281、291を形成する半導体材料として、代表的にはシリコン、シリコン化合物、ゲルマニウム、又はゲルマニウム化合物で電荷蓄積層271、281、291を形成することができる。シリコン化合物としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、炭化シリコン、ゲルマニウムを10原子%以上の濃度で含むシリコンゲルマニウム、金属窒化物、金属酸化物などを適用することができる。ゲルマニウム化合物の代表例としては、シリコンゲルマニウムであり、この場合シリコンに対してゲルマニウムが10原子%以上含まれていることが好ましい。 As the semiconductor material for forming the charge storage layers 271, 281, and 291, the charge storage layers 271, 281, and 291 can be typically formed using silicon, a silicon compound, germanium, or a germanium compound. As the silicon compound, silicon germanium, metal nitride, metal oxide, or the like containing silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon carbide, germanium at a concentration of 10 atomic% or more can be used. A typical example of the germanium compound is silicon germanium. In this case, it is preferable that germanium is contained at 10 atomic% or more with respect to silicon.

浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層は電荷を蓄積する目的で、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置に適用されるが、同様の機能を備えるものであれば他の材料を適用することもできる。例えば、ゲルマニウムを含む三元系の半導体であっても良い。また、当該半導体材料が水素化されていても良い。また、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積層としての機能を持つものとして、当該ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物を含む酸化物若しくは窒化物の層で置き換えることもできる。 The charge storage layer functioning as a floating gate is applied to the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention for the purpose of storing charges, but other materials can be applied as long as they have the same function. For example, a ternary semiconductor containing germanium may be used. Further, the semiconductor material may be hydrogenated. In addition, as a layer having a function as a charge storage layer of a nonvolatile memory element, an oxide or nitride layer containing germanium or a germanium compound can be used.

また、電荷蓄積層271、281、291を形成するものとして、金属窒化物又は金属酸化物を用いることができる。金属窒化物としては、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンなどを用いることができる。金属酸化物としては、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズなどを用いることができる。 In addition, a metal nitride or a metal oxide can be used for forming the charge storage layers 271, 281, and 291. As the metal nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, titanium nitride, or the like can be used. As the metal oxide, tantalum oxide, titanium oxide, tin oxide, or the like can be used.

また上記あげた材料の積層構造によって電荷蓄積層271、281、291を形成しても良い。上記したシリコン若しくはシリコン化合物、金属窒化物又は金属酸化物の層は、ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物で形成される層の上層側に設けると、製造工程においては、耐水性や耐薬品性を目的としたバリア層として用いることができる。それにより、フォトリソ工程、エッチング工程、洗浄工程における基板の扱いが容易となり、生産性を向上させることができる。すなわち、電荷蓄積層の加工を容易なものとすることができる。 Further, the charge storage layers 271, 281, and 291 may be formed by a stacked structure of the above materials. When the above-described silicon or silicon compound, metal nitride or metal oxide layer is provided on the upper layer side of the layer formed of germanium or germanium compound, a barrier for water resistance and chemical resistance is provided in the manufacturing process. Can be used as a layer. Thereby, the handling of the substrate in the photolithography process, the etching process, and the cleaning process becomes easy, and the productivity can be improved. That is, the charge storage layer can be easily processed.

第2の絶縁層256は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン(SiOxNy)(x>y>0)、窒化シリコン(SiNx)又は窒化酸化シリコン(SiNxOy)(x>y>0)などの一層若しくは複数層を、減圧CVD法やプラズマCVD法などで形成する。また第2の絶縁層256は、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化ハフニウム(HfOx)、酸化タンタル(TaOx)を用いて形成してもよい。第2の絶縁層256の厚さは1nm〜20nm、好ましくは5〜10nmで形成する。例えば、窒化シリコン層を3nmの厚さに堆積し、酸化シリコン層の厚さを5nmの厚さに堆積したものを用いることができる。また、電荷蓄積層271、281、291にプラズマ処理を行い、その表面を窒化処理した窒化膜(例えば、電荷蓄積層271、281、291としてシリコンを用いた場合には窒化シリコン)を形成してもよい。いずれにしても、第1の絶縁層254と第2の絶縁層256が、電荷蓄積層271、281、291と接する側の一方又は双方を窒化膜若しくは窒化処理された層とすることで、電荷蓄積層271、281、291の酸化を防ぐことができる。 The second insulating layer 256 includes one layer or a plurality of layers such as silicon oxide, silicon oxynitride (SiOxNy) (x> y> 0), silicon nitride (SiNx), or silicon nitride oxide (SiNxOy) (x> y> 0). Are formed by a low pressure CVD method or a plasma CVD method. The second insulating layer 256 may be formed using aluminum oxide (AlOx), hafnium oxide (HfOx), or tantalum oxide (TaOx). The thickness of the second insulating layer 256 is 1 nm to 20 nm, preferably 5 to 10 nm. For example, a silicon nitride layer deposited to a thickness of 3 nm and a silicon oxide layer deposited to a thickness of 5 nm can be used. Further, plasma processing is performed on the charge storage layers 271, 281, and 291 to form a nitride film whose surface is nitrided (for example, silicon nitride when silicon is used as the charge storage layers 271, 281, and 291). Also good. In any case, the first insulating layer 254 and the second insulating layer 256 have one or both of the sides in contact with the charge storage layers 271, 281, and 291 as a nitride film or a layer subjected to nitriding treatment. Oxidation of the accumulation layers 271 281 291 can be prevented.

制御ゲート電極層272、282、292はタンタル(Ta)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)等から選択された金属、又はこれらの金属を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成することが好ましい。また、リン等の不純物元素を添加した多結晶シリコンを用いることができる。また、一層又は複数層の金属窒化物層と上記の金属層の積層構造で制御ゲート電極層272、282、292を形成しても良い。金属窒化物としては、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンを用いることができる。金属窒化物層を設けることにより、金属層の密着性を向上させることができ、剥離を防止することができる。また、窒化タンタルなどの金属窒化物は仕事関数が高いので、第2の絶縁層256との相乗効果により、第1の絶縁層254の厚さを厚くすることができる。 The control gate electrode layers 272, 282, and 292 are metals selected from tantalum (Ta), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), chromium (Cr), niobium (Nb), or the like, or these metals It is preferable to form with an alloy material or a compound material whose main component is. Alternatively, polycrystalline silicon to which an impurity element such as phosphorus is added can be used. In addition, the control gate electrode layers 272, 282, and 292 may be formed using a stacked structure of one or more metal nitride layers and the above metal layer. As the metal nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, or titanium nitride can be used. By providing the metal nitride layer, the adhesion of the metal layer can be improved and peeling can be prevented. In addition, since the metal nitride such as tantalum nitride has a high work function, the thickness of the first insulating layer 254 can be increased by a synergistic effect with the second insulating layer 256.

配線層259a、259bは、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化インジウムに酸化亜鉛(ZnO)を混合したIZO(indium zinc oxide)、酸化インジウムに酸化珪素(SiO)を混合した導電材料、有機インジウム、有機スズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)等の金属又はその合金、若しくはその金属窒化物から選ぶことができる。 The wiring layers 259a and 259b are made of indium tin oxide (ITO), IZO (indium zinc oxide) in which indium oxide is mixed with zinc oxide (ZnO), conductive material in which indium oxide is mixed with silicon oxide (SiO 2 ), organic indium , Organic tin, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, tungsten (W), molybdenum (Mo), zirconium ( Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), titanium (Ti), platinum (Pt), aluminum ( Al), copper (Cu), silver (Ag) and other metals or alloys thereof, Alternatively, the metal nitride can be selected.

電荷蓄積層に電子を注入するには、熱電子を利用する方法と、F−N型トンネル電流を利用する方法がある。熱電子を利用する場合には、正の電圧を制御ゲート電極層に印加して、ドレインに高電圧を印加して熱電子を発生させる。それにより、熱電子を電荷蓄積層に注入することができる。F−N型トンネル電流を利用する場合には、正の電圧を制御ゲート電極層に印加して半導体層からF−N型トンネル電流により電荷蓄積層に注入する。 To inject electrons into the charge storage layer, there are a method using thermal electrons and a method using FN tunnel current. When thermoelectrons are used, a positive voltage is applied to the control gate electrode layer, and a high voltage is applied to the drain to generate thermoelectrons. Thereby, thermoelectrons can be injected into the charge storage layer. When the FN type tunnel current is used, a positive voltage is applied to the control gate electrode layer and injected from the semiconductor layer into the charge storage layer by the FN type tunnel current.

本発明を用いた半導体装置の一例として、不揮発性メモリ素子を有する様々な態様の不揮発性半導体記憶装置を得ることができる。図12に不揮発性メモリセルアレイの等価回路の一例を示す。1ビットの情報を記憶するメモリセルMS01は、選択トランジスタS01と不揮発性メモリ素子M01で構成されている。選択トランジスタS01は、ビット線BL0と不揮発性メモリ素子M01の間に直列に挿入され、ゲートがワード線WL1に接続されている。不揮発性メモリ素子M01のゲートはワード線WL11に接続されている。不揮発性メモリ素子M01にデータの書き込むときは、ワード線WL1とビット線BL0をHレベル、BL1をLレベルとして、ワード線WL11に高電圧を印加すると、前述のように電荷蓄積層に電荷が蓄積される。データを消去する場合には、ワード線WL1とビット線BL0をHレベルとし、ワード線WL11に負の高電圧を印加すれば良い。 As an example of a semiconductor device using the present invention, nonvolatile semiconductor memory devices having various modes having a nonvolatile memory element can be obtained. FIG. 12 shows an example of an equivalent circuit of a nonvolatile memory cell array. The memory cell MS01 that stores 1-bit information includes a selection transistor S01 and a nonvolatile memory element M01. The selection transistor S01 is inserted in series between the bit line BL0 and the nonvolatile memory element M01, and the gate is connected to the word line WL1. The gate of the nonvolatile memory element M01 is connected to the word line WL11. When data is written to the nonvolatile memory element M01, when the word line WL1 and the bit line BL0 are set to the H level, the BL1 is set to the L level, and a high voltage is applied to the word line WL11, charges are accumulated in the charge accumulation layer as described above. Is done. When erasing data, the word line WL1 and the bit line BL0 are set to H level, and a negative high voltage is applied to the word line WL11.

このメモリセルMS01において、選択トランジスタS01と不揮発性メモリ素子M01をそれぞれ、絶縁表面に連続的に形成された半導体層中において不純物元素が添加された素子分離領域により分離して形成された素子領域30、32で形成することにより、他の選択トランジスタ若しくは不揮発性メモリ素子との干渉を防ぐことができる。また、メモリセルMS01内の選択トランジスタS01と不揮発性メモリ素子M01は共にnチャネル型なので、この両者を一つの素子領域で形成することにより、この二つの素子を接続する配線を省略することができる。 In the memory cell MS01, an element region 30 formed by separating the select transistor S01 and the nonvolatile memory element M01 by an element isolation region to which an impurity element is added in a semiconductor layer continuously formed on an insulating surface. , 32 can prevent interference with other selection transistors or nonvolatile memory elements. Further, since both the select transistor S01 and the nonvolatile memory element M01 in the memory cell MS01 are n-channel type, the wiring connecting the two elements can be omitted by forming both in one element region. .

図13は、ビット線に不揮発性メモリ素子を直接接続したNOR型の等価回路を示している。このメモリセルアレイは、ワード線WLとビット線BLが互いに交差して配設し、各交差部に不揮発性メモリ素子を配置している。NOR型は、個々の不揮発性メモリ素子のドレインをビット線BLに接続する。ソース線SLには不揮発性メモリ素子のソースが共通接続される。 FIG. 13 shows a NOR-type equivalent circuit in which a nonvolatile memory element is directly connected to a bit line. In this memory cell array, word lines WL and bit lines BL are arranged so as to intersect with each other, and nonvolatile memory elements are arranged at each intersection. In the NOR type, the drain of each nonvolatile memory element is connected to the bit line BL. The sources of the nonvolatile memory elements are commonly connected to the source line SL.

この場合もこのメモリセルMS01において、不揮発性メモリ素子M01を絶縁表面に連続的に形成された半導体層中において不純物元素が添加された素子分離領域により分離して形成された素子領域32で形成することにより、島状に半導体層を特段分割しなくても、他の不揮発性メモリ素子との干渉を防ぐことができる。また、複数の不揮発性メモリ素子(例えば、図13に示すM01〜M23)を一つのブロックとして扱い、これらの不揮発性メモリ素子を絶縁表面に連続的に形成された半導体層中において不純物元素が添加された素子分離領域により分離して形成された素子領域で形成することにより、ブロック単位で消去動作を行うことができる。 Also in this case, in the memory cell MS01, the nonvolatile memory element M01 is formed by the element region 32 formed by being separated by the element isolation region to which the impurity element is added in the semiconductor layer continuously formed on the insulating surface. Accordingly, interference with other nonvolatile memory elements can be prevented without specially dividing the semiconductor layer into islands. Further, a plurality of nonvolatile memory elements (for example, M01 to M23 shown in FIG. 13) are treated as one block, and an impurity element is added in a semiconductor layer in which these nonvolatile memory elements are continuously formed on an insulating surface. By forming in the element region formed by being separated by the formed element isolation region, an erasing operation can be performed in block units.

NOR型の動作は、例えば、次の通りである。データ書き込みは、ソース線SLを0Vとし、データを書込むために選択されたワード線WLに高電圧を与え、ビット線BLにはデータ”0”と”1”に応じた電位を与える。例えば、”0”と”1”に対してそれぞれHレベル、Lレベルの電位をビット線BLに付与する。”0”データを書き込むべく、Hレベルが与えられた不揮発性メモリ素子ではドレイン近傍でホットエレクトロンが発生し、これが電荷蓄積層に注入される。”1”データの場合この様な電子注入は生じない。 The NOR type operation is, for example, as follows. In data writing, the source line SL is set to 0 V, a high voltage is applied to the word line WL selected for writing data, and a potential corresponding to data “0” and “1” is applied to the bit line BL. For example, H level and L level potentials are applied to the bit line BL for “0” and “1”, respectively. In order to write “0” data, in the nonvolatile memory element to which the H level is given, hot electrons are generated near the drain and injected into the charge storage layer. In the case of “1” data, such electron injection does not occur.

”0”データが与えられたメモリセルでは、ドレインとソースとの間の強い横方向電界により、ドレインの近傍でホットエレクトロンが生成され、これが電荷蓄積層に注入される。これにより、電荷蓄積層に電子が注入されてしきい値電圧が高くなった状態が”0”である。”1”データの場合はホットエレクトロンが生成されず、電荷蓄積層に電子が注入されずしきい値電圧の低い状態、すなわち消去状態が保持される。   In a memory cell to which “0” data is given, hot electrons are generated in the vicinity of the drain due to a strong lateral electric field between the drain and the source, and this is injected into the charge storage layer. As a result, the state in which the threshold voltage is increased by the injection of electrons into the charge storage layer is “0”. In the case of “1” data, hot electrons are not generated, electrons are not injected into the charge storage layer, and a low threshold voltage state, that is, an erased state is maintained.

データを消去するときは、ソース線SLに10V程度の正の電圧を印加し、ビット線BLは浮遊状態としておく。そしてワード線に負の高電圧を印加して(制御ゲートに負の高電圧を印加して)、電荷蓄積層から電子を引き抜く。これにより、データ”1”の消去状態になる。 When erasing data, a positive voltage of about 10 V is applied to the source line SL, and the bit line BL is left floating. Then, a negative high voltage is applied to the word line (a negative high voltage is applied to the control gate), and electrons are extracted from the charge storage layer. As a result, the data “1” is erased.

データ読み出しは、ソース線SLを0Vにすると共にビット線BLを0.8V程度とし、選択されたワード線WLに、データ”0”と”1”のしきい値の中間値に設定された読み出し電圧を与え、不揮発性メモリ素子の電流引き込みの有無を、ビット線BLに接続されるセンスアンプで判定することにより行う。 For data reading, the source line SL is set to 0V and the bit line BL is set to about 0.8V, and the selected word line WL is set to an intermediate value between the threshold values of data “0” and “1”. A voltage is applied, and the presence / absence of current draw in the nonvolatile memory element is determined by a sense amplifier connected to the bit line BL.

図14は、NAND型メモリセルアレイの等価回路を示す。ビット線BLには、複数の不揮発性メモリ素子を直列に接続したNANDセルNS1が接続されている。複数のNANDセルが集まってブロックBLKを構成している。図14で示すブロックBLK1のワード線は32本である(ワード線WL0〜WL31)。ブロックBLK1の同一行に位置する不揮発性メモリ素子には、この行に対応するワード線が共通接続されている。 FIG. 14 shows an equivalent circuit of a NAND memory cell array. A NAND cell NS1 in which a plurality of nonvolatile memory elements are connected in series is connected to the bit line BL. A plurality of NAND cells gather to constitute a block BLK. The block BLK1 shown in FIG. 14 has 32 word lines (word lines WL0 to WL31). The nonvolatile memory elements located in the same row of the block BLK1 are commonly connected to word lines corresponding to this row.

この場合、選択トランジスタS1、S2と不揮発性メモリ素子M0〜M31が直列に接続されているので、これらを一つのまとまりとして一つの半導体層34で形成しても良い。それにより不揮発性メモリ素子を繋ぐ配線を省略することが出来るので、集積化を図ることができる。また、隣接するNANDセルとの分離を容易に行うことができる。また、選択トランジスタS1、S2の半導体層36とNANDセルの半導体層38を分離して形成しても良い。不揮発性メモリ素子M0〜M31の電荷蓄積層から電荷を引き抜く消去動作を行うときに、そのNANDセルの単位で消去動作を行うことができる。また、一つのワード線に共通接続する不揮発性メモリ素子(例えばM30の行)を一つの半導体層40で形成しても良い。 In this case, since the select transistors S1 and S2 and the nonvolatile memory elements M0 to M31 are connected in series, these may be formed as a single semiconductor layer 34. Accordingly, wiring for connecting the nonvolatile memory elements can be omitted, so that integration can be achieved. Further, it is possible to easily separate the adjacent NAND cells. Further, the semiconductor layer 36 of the select transistors S1 and S2 and the semiconductor layer 38 of the NAND cell may be formed separately. When performing an erasing operation for extracting charges from the charge storage layers of the nonvolatile memory elements M0 to M31, the erasing operation can be performed in units of the NAND cells. Further, the nonvolatile memory elements (for example, the row of M30) commonly connected to one word line may be formed by one semiconductor layer 40.

書込み動作では、NANDセルNS1が消去状態、つまりNANDセルNS1の各不揮発性メモリ素子のしきい値が負電圧の状態にしてから実行される。書込みは、ソース線SL側のメモリ素子M0から順に行う。メモリ素子M0への書込みを例として説明すると概略以下のようになる。 The write operation is executed after the NAND cell NS1 is in the erased state, that is, the threshold value of each nonvolatile memory element of the NAND cell NS1 is in a negative voltage state. Writing is performed in order from the memory element M0 on the source line SL side. An example of writing to the memory element M0 is as follows.

図24(A)は、”0”書込みをする場合、選択ゲート線SG2に例えばVcc(電源電圧)を印加して選択トランジスタS2をオンにすると共にビット線BLを0V(接地電圧)にする。選択ゲート線SG1は0Vとして、選択トランジスタS1はオフとする。次に、不揮発性メモリ素子M0に繋がるワード線WL0を高電圧Vpgm(20V程度)とし、これ以外のワード線を中間電圧Vpass(10V程度)にする。ビット線BLの電圧は0Vなので、選択された不揮発性メモリ素子M0のチャネル形成領域の電位は0Vとなる。ワード線WL0と不揮発性メモリ素子M0のチャネル形成領域との間の電位差が大きいため、メモリセルM0の電荷蓄積層には前述のようにF−Nトンネル電流により電子が注入される。これにより、不揮発性メモリ素子M0のしきい値電圧が正の状態(”0”が書込まれた状態)となる。 In FIG. 24A, when "0" is written, for example, Vcc (power supply voltage) is applied to the selection gate line SG2 to turn on the selection transistor S2 and to set the bit line BL to 0 V (ground voltage). The selection gate line SG1 is set to 0V, and the selection transistor S1 is turned off. Next, the word line WL0 connected to the nonvolatile memory element M0 is set to the high voltage Vpgm (about 20V), and the other word lines are set to the intermediate voltage Vpass (about 10V). Since the voltage of the bit line BL is 0V, the potential of the channel formation region of the selected nonvolatile memory element M0 is 0V. Since the potential difference between the word line WL0 and the channel formation region of the nonvolatile memory element M0 is large, electrons are injected into the charge storage layer of the memory cell M0 by the FN tunnel current as described above. As a result, the threshold voltage of the nonvolatile memory element M0 becomes positive (a state in which “0” is written).

一方”1”書込みをする場合は、図24(B)に示すように、ビット線BLを例えばVcc(電源電圧)にする。選択ゲート線SG2の電圧がVccであるため、選択トランジスタS2のゲート電圧がVth>Vccになると、選択トランジスタS2がカットオフする。従って、不揮発性メモリ素子M0のチャネル形成領域はフローティング状態となる。次に、ワード線WL0に高電圧Vpgm(20V)、それ以外のワード線に中間電圧Vpass(10V)の電圧を印加すると、各ワード線とチャネル形成領域との容量カップリングにより、不揮発性メモリ素子M0のチャネル形成領域の電圧がVcc−Vthから上昇し例えば8V程度となる。チャネル形成領域の電圧は昇圧されるが、”0”の書込みの場合と異なり、ワード線WL0と不揮発性メモリ素子M0のチャネル形成領域の間の電位差が小さい。したがって、不揮発性メモリ素子M0の電荷蓄積層には、F−Nトンネル電流による電子注入が起こらない。よって、不揮発性メモリ素子M0のしきい値は、負の状態(”1”が書込まれた状態)に保たれる。 On the other hand, when “1” is written, the bit line BL is set to Vcc (power supply voltage), for example, as shown in FIG. Since the voltage of the selection gate line SG2 is Vcc, the selection transistor S2 is cut off when the gate voltage of the selection transistor S2 becomes Vth> Vcc. Accordingly, the channel formation region of the nonvolatile memory element M0 is in a floating state. Next, when a high voltage Vpgm (20 V) is applied to the word line WL0 and an intermediate voltage Vpass (10 V) is applied to the other word lines, a nonvolatile memory element is formed by capacitive coupling between each word line and the channel formation region. The voltage of the channel formation region of M0 rises from Vcc-Vth to about 8V, for example. The voltage in the channel formation region is boosted, but unlike the case of writing “0”, the potential difference between the word line WL0 and the channel formation region of the nonvolatile memory element M0 is small. Therefore, electron injection due to the FN tunnel current does not occur in the charge storage layer of the nonvolatile memory element M0. Therefore, the threshold value of the nonvolatile memory element M0 is kept in a negative state (a state where “1” is written).

消去動作をする場合は、図25(A)に示すように、選択されたワード線(WL0)に負の高電圧(Vers)を印加し、非選択の不揮発性メモリ素子のワード線WL、選択ゲート線SG1、及び選択ゲート線SG2に電圧Von(例えば3V)印加し、ビット線BL及びソース線SLに導通電圧Vopen(0V)の電圧を印加する。そして上記実施の形態で説明したように、選択した不揮発性メモリ素子の電荷蓄積層中の電子を放出することができる。この結果、選択した不揮発性メモリ素子のしきい値電圧が負方向にシフトする。 When performing the erase operation, as shown in FIG. 25A, a negative high voltage (Vers) is applied to the selected word line (WL0), and the word line WL of the non-selected nonvolatile memory element is selected. A voltage Von (eg, 3V) is applied to the gate line SG1 and the selection gate line SG2, and a conduction voltage Vopen (0V) is applied to the bit line BL and the source line SL. As described in the above embodiment, electrons in the charge storage layer of the selected nonvolatile memory element can be emitted. As a result, the threshold voltage of the selected nonvolatile memory element is shifted in the negative direction.

図25(B)に示す読み出し動作では、読出しの選択がされた不揮発性メモリ素子M0に繋がるワード線WL0を電圧Vr(例えば0V)とし、非選択のメモリセルのワード線WL1〜WL31及び選択ゲート線SG1、SG2を電源電圧より少し高い読出し用中間電圧Vreadとする。すなわち、図13に示すように、選択メモリ素子以外のメモリ素子はトランスファートランジスタとして働く。これにより、読出しの選択がされた不揮発性メモリ素子M0に電流が流れるか否かを検出する。つまり、不揮発性メモリ素子M0に記憶されたデータが”0”の場合、不揮発性メモリ素子M0はオフなので、ビット線BLは放電しない。一方、”1”の場合、不揮発性メモリ素子M0はオンするので、ビット線BLが放電する。 In the reading operation shown in FIG. 25B, the word line WL0 connected to the nonvolatile memory element M0 selected for reading is set to the voltage Vr (for example, 0 V), and the word lines WL1 to WL31 and the selection gates of the non-selected memory cells are selected. The lines SG1 and SG2 are set to the read intermediate voltage Vread that is slightly higher than the power supply voltage. That is, as shown in FIG. 13, the memory elements other than the selected memory element function as transfer transistors. Thus, it is detected whether or not a current flows through the nonvolatile memory element M0 selected for reading. That is, when the data stored in the nonvolatile memory element M0 is “0”, the nonvolatile memory element M0 is off, and the bit line BL is not discharged. On the other hand, in the case of “1”, since the nonvolatile memory element M0 is turned on, the bit line BL is discharged.

図19は、不揮発性半導体記憶装置の回路ブロック図の一例を示している。不揮発性半導体記憶装置は、メモリセルアレイ52と周辺回路54が同一の基板上に形成されている。メモリセルアレイ52は、図12、図13、図14で示すような構成を有している。周辺回路54の構成は以下の通りである。 FIG. 19 shows an example of a circuit block diagram of a nonvolatile semiconductor memory device. In the nonvolatile semiconductor memory device, the memory cell array 52 and the peripheral circuit 54 are formed on the same substrate. The memory cell array 52 has a configuration as shown in FIG. 12, FIG. 13, and FIG. The configuration of the peripheral circuit 54 is as follows.

ワード線選択のためにロウデコーダ62と、ビット線選択のためにカラムデコーダ64が、メモリセルアレイ52の周囲に設けられている。アドレスは、アドレスバッファ56を介してコントロール回路58に送られ、内部ロウアドレス信号及び内部カラムアドレス信号がそれぞれロウデコーダ62及びカラムデコーダ64に転送される。 A row decoder 62 for selecting a word line and a column decoder 64 for selecting a bit line are provided around the memory cell array 52. The address is sent to the control circuit 58 via the address buffer 56, and the internal row address signal and the internal column address signal are transferred to the row decoder 62 and the column decoder 64, respectively.

データ書き込み及び消去には、電源電位を昇圧した電位が用いられる。このため、コントロール回路58により動作モードに応じて制御される昇圧回路60が設けられている。昇圧回路60の出力はロウデコーダ62やカラムデコーダ64を介して、ワード線WLやビット線BLに供給される。センスアンプ66はカラムデコーダ64から出力されたデータが入力される。センスアンプ66により読み出されたデータは、データバッファ68に保持され、コントロール回路58からの制御により、データがランダムアクセスされ、データ入出力バッファ70を介して出力されるようになっている。書き込みデータは、データ入出力バッファ70を介してデータバッファ68に一旦保持され、コントロール回路58の制御によりカラムデコーダ64に転送される。 For writing and erasing data, a potential obtained by boosting the power supply potential is used. Therefore, a booster circuit 60 controlled by the control circuit 58 according to the operation mode is provided. The output of the booster circuit 60 is supplied to the word line WL and the bit line BL via the row decoder 62 and the column decoder 64. The sense amplifier 66 receives the data output from the column decoder 64. Data read by the sense amplifier 66 is held in the data buffer 68, and the data is randomly accessed under the control of the control circuit 58 and output via the data input / output buffer 70. The write data is temporarily held in the data buffer 68 via the data input / output buffer 70 and transferred to the column decoder 64 under the control of the control circuit 58.

このように、不揮発性半導体記憶装置では、メモリセルアレイ52において、電源電位とは異なる電位を用いる必要がある。そのため、少なくともメモリセルアレイ52と周辺回路54の間は、電気的に絶縁分離されているこことが望ましい。 Thus, in the nonvolatile semiconductor memory device, it is necessary to use a potential different from the power supply potential in the memory cell array 52. Therefore, it is desirable that at least the memory cell array 52 and the peripheral circuit 54 are electrically isolated from each other.

よって、本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離することができる。半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上に絶縁層が形成されるため、絶縁層の被覆性が向上する。従って、絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、制御ゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い不揮発性半導体記憶装置である半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。よって、半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。また、そのような膜の形状不良による不良が軽減されるので、作製工程においても歩留まりよく生産することができる。 Therefore, when the present invention is used, the semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands. Since the step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur and the insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, the coverage of the insulating layer is improved. Therefore, a semiconductor device which is a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device in which defects such as a short circuit between the charge storage layer, the control gate electrode layer and the semiconductor layer and a leakage current due to a poor coating of the insulating layer are prevented, and such A method for manufacturing a semiconductor device can be provided. Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in the semiconductor device, and high performance of the semiconductor device can be achieved. In addition, since defects due to such a film shape defect are reduced, production can be performed with high yield even in the manufacturing process.

(実施の形態3)
本実施の形態では、半導体素子において絶縁層の被覆不良によるゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良を防止し、より高信頼性を付与することを目的とするメモリ素子(記憶素子ともいう)を有する半導体装置の一例に関して図面を用いて説明する。本実施の形態の半導体装置の上面図を図15に、図15における線I−Jの断面図を図16(A)に、K−Lの断面図を図16(B)に示す。
(Embodiment 3)
In this embodiment mode, a memory element (memory) that aims to prevent defects such as a short circuit between a gate electrode layer and a semiconductor layer and a leakage current due to a coating failure of an insulating layer in a semiconductor element and to provide higher reliability. An example of a semiconductor device having an element) is described with reference to drawings. FIG. 15 is a top view of the semiconductor device of this embodiment, FIG. 16A is a cross-sectional view taken along line I-J in FIG. 15, and FIG.

図15は、ビット線BL(BL0、BL1、BL2)に不揮発性メモリ素子M(M01、M02、M03)を直接接続したNOR型メモリセルアレイの等価回路を示している。このメモリセルアレイは、ワード線WL(WL1、WL2、WL3)とビット線BL(BL0、BL1、BL2)が互いに交差して配設し、各交差部に不揮発性メモリ素子(M01、M02、M03)を配置している。NOR型メモリセルアレイは、個々の不揮発性メモリ素子(M01、M02、M03)のドレインをビット線BL(BL0、BL1、BL2)に接続する。ソース線SL(SL0、SL1、SL2)には不揮発性メモリ素子のソースが共通接続される。 FIG. 15 shows an equivalent circuit of a NOR type memory cell array in which nonvolatile memory elements M (M01, M02, M03) are directly connected to bit lines BL (BL0, BL1, BL2). In this memory cell array, word lines WL (WL1, WL2, WL3) and bit lines BL (BL0, BL1, BL2) are arranged so as to intersect with each other, and nonvolatile memory elements (M01, M02, M03) are arranged at each intersection. Is arranged. In the NOR type memory cell array, the drains of the individual nonvolatile memory elements (M01, M02, M03) are connected to the bit lines BL (BL0, BL1, BL2). Sources of nonvolatile memory elements are commonly connected to source lines SL (SL0, SL1, SL2).

図15において、メモリ素子M01、M02、M03はドレインがビット線BL0305(305a、305b)に接続しており、ソースがソース線SL0306にそれぞれ接続している。メモリ素子M01は素子領域302a、電荷蓄積層303a、制御ゲート電極層304aを含み、メモリ素子M02は、素子領域302b、電荷蓄積層303b、制御ゲート電極層304bを含み、第1の絶縁層312、第2の絶縁層313、層間絶縁層がメモリ素子M01及びM02に連続して形成されている。なお素子領域302a及び素子領域302bはチャネル形成領域、ソース及びドレインとして機能する高濃度n型不純物領域、低濃度不純物領域それぞれ有している。 In FIG. 15, the memory elements M01, M02, and M03 have drains connected to bit lines BL0305 (305a and 305b) and sources connected to source lines SL0306, respectively. The memory element M01 includes an element region 302a, a charge storage layer 303a, and a control gate electrode layer 304a. The memory element M02 includes an element region 302b, a charge storage layer 303b, and a control gate electrode layer 304b, and includes a first insulating layer 312, A second insulating layer 313 and an interlayer insulating layer are formed continuously with the memory elements M01 and M02. Note that the element region 302a and the element region 302b each have a channel formation region, a high-concentration n-type impurity region that functions as a source and a drain, and a low-concentration impurity region.

半導体層において、メモリ素子M01を構成する素子領域302aと、メモリ素子M02を構成する素子領域302bとは素子分離領域301(301a、301b、301c、301d、301e)によって電気的に分離されている。 In the semiconductor layer, the element region 302a constituting the memory element M01 and the element region 302b constituting the memory element M02 are electrically isolated by an element isolation region 301 (301a, 301b, 301c, 301d, 301e).

素子分離領域は、連続した半導体層において、素子間を電気的に分離するために、選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加して形成する。導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域は、導電性に寄与しない不純物元素の混入により導電性が低下し、また添加時の半導体層へ物理的衝撃により(いわゆるスパッタ効果とも言える)結晶性が低下するため高抵抗化する。高抵抗化した素子分離領域においては、電界効果移動度も低下するため素子間を電気的に分離することができ、一方、不純物元素を添加しない領域の結晶性は高いままであり抵抗も低いため、素子として機能しうる電界効果移動度を保っており、素子領域として用いることができる。 The element isolation region is formed by selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon in order to electrically isolate elements from each other in a continuous semiconductor layer. In the element isolation region to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added, the conductivity decreases due to the mixing of the impurity element that does not contribute to conductivity, and the crystal is caused by physical impact (so-called sputtering effect) on the semiconductor layer at the time of addition. The resistance is lowered due to the decrease in performance. In the element isolation region with high resistance, field effect mobility is also reduced, so that the elements can be electrically isolated. On the other hand, the crystallinity of the region to which no impurity element is added remains high and the resistance is low. The field-effect mobility that can function as an element is maintained and can be used as an element region.

素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上が好ましく、酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満が好ましい。 The resistivity of the element isolation region is preferably 1 × 10 10 Ω · cm or more, and the concentration of impurity elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3. .

素子分離領域は、不純物元素の添加により結晶性が低下しているため、非晶質化しているともいえる。一方、素子領域は結晶性半導体層なので、素子領域に半導体素子を形成する場合、そのチャネル形成領域の結晶性は、素子分離領域より高く半導体素子として高い電界効果移動度を得ることができる。 It can be said that the element isolation region is amorphous because the crystallinity is lowered by the addition of the impurity element. On the other hand, since the element region is a crystalline semiconductor layer, when a semiconductor element is formed in the element region, the crystallinity of the channel formation region is higher than that of the element isolation region and high field effect mobility can be obtained as a semiconductor element.

素子分離領域に添加する不純物元素としては、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス元素も用いてもよい。酸素、窒素、及び炭素の他に、比較的質量の大きな元素であるこれらの希ガス元素を更に添加すると、半導体層への物理的衝撃を大きくすることができるため、より効果的に結晶性を低下させることができる。 As an impurity element added to the element isolation region, a rare gas element such as argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), or xenon (Xe) may be used. In addition to oxygen, nitrogen, and carbon, the addition of these rare gas elements, which are relatively large elements, can increase the physical impact on the semiconductor layer, so that the crystallinity can be more effectively improved. Can be reduced.

図16(B)は半導体層において素子領域302b及び素子分離領域301d、301eに亘って第1の絶縁層312を介し、電荷蓄積層303bが形成されている。本発明では連続的な半導体層中に素子分離領域及び素子領域を設けているので、素子分離領域301d、301e、及び素子領域302bは連続している。よって、その表面は平坦性が高く、急激な段差を有さない。 In FIG. 16B, a charge storage layer 303b is formed in the semiconductor layer through the first insulating layer 312 over the element region 302b and the element isolation regions 301d and 301e. In the present invention, since the element isolation region and the element region are provided in the continuous semiconductor layer, the element isolation regions 301d and 301e and the element region 302b are continuous. Therefore, the surface has high flatness and does not have a steep step.

第1の絶縁層312は平坦性の高い半導体層上に形成されるため、被覆性がよく、形状不良も生じにくい。よって、第1の絶縁層312上に形成される電荷蓄積層303a、303bと素子領域302a、302bにおいてリーク電流やショートなどの不良を防止することができる。よって本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置である半導体装置は第1の絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い半導体装置とすることができる。 Since the first insulating layer 312 is formed over a semiconductor layer with high flatness, the first insulating layer 312 has good coverage and is less likely to have a shape defect. Accordingly, defects such as a leakage current and a short circuit can be prevented in the charge storage layers 303a and 303b and the element regions 302a and 302b formed over the first insulating layer 312. Therefore, the semiconductor device which is the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment is a highly reliable semiconductor device in which a short circuit between the charge storage layer and the semiconductor layer due to a coating failure of the first insulating layer and a defect such as a leakage current are prevented. It can be.

本実施の形態は、本明細書で示した他の実施の形態と組み合わせて行うことができる。   This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification.

よって、本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離することができる。半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上に絶縁層が形成されるため、絶縁層の被覆性が向上する。従って、絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、制御ゲート電極層、ゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い不揮発性半導体記憶装置である半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。よって、半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。また、そのような膜の形状不良による不良が軽減されるので、作製工程においても歩留まりよく生産することができる。 Therefore, when the present invention is used, the semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands. Since the step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur and the insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, the coverage of the insulating layer is improved. Accordingly, a semiconductor device which is a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device in which defects such as a charge storage layer, a control gate electrode layer, a short circuit between the gate electrode layer and the semiconductor layer and a leakage current due to a poor coating of the insulating layer are prevented, In addition, a method for manufacturing such a semiconductor device can be provided. Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in the semiconductor device, and high performance of the semiconductor device can be achieved. In addition, since defects due to such a film shape defect are reduced, production can be performed with high yield even in the manufacturing process.

(実施の形態4)
本実施の形態では、半導体素子において絶縁層の被覆不良によるゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良を防止し、より高信頼性を付与することを目的とする、メモリ素子(記憶素子ともいう)を有する半導体装置の一例に関して図面を用いて説明する。本実施の形態の半導体装置の上面図を図17に、図17における線M−Nの断面図を図18(A)に、O−Pの断面図を図18(B)に示す。
(Embodiment 4)
In this embodiment mode, a memory element (in order to prevent defects such as a short circuit between a gate electrode layer and a semiconductor layer and a leakage current due to a poor coating of an insulating layer in a semiconductor element and to provide higher reliability) An example of a semiconductor device including a memory element) is described with reference to drawings. FIG. 17 is a top view of the semiconductor device of this embodiment, FIG. 18A is a cross-sectional view taken along line MN in FIG. 17, and FIG. 18B is a cross-sectional view taken along OP.

本実施の形態では、上記実施の形態2で示した構造において、一つの素子領域に複数の不揮発性メモリ素子を設けた場合に関して図面を参照して説明する。なお、上記実施の形態と同じものを指す場合には説明を省略する。 In this embodiment, the case where a plurality of nonvolatile memory elements are provided in one element region in the structure described in Embodiment 2 will be described with reference to drawings. In addition, description is abbreviate | omitted when referring to the same thing as the said embodiment.

本実施の形態で示す半導体装置は、ビット線BL0、BL1にそれぞれ電気的に接続された半導体層中の素子領域322a、322bが設けられており、素子領域322a、322bの各々に複数の不揮発性メモリ素子が設けられている(図17、18参照)。具体的には、素子領域322aにおいて、選択トランジスタS1、S2の間に複数の不揮発性メモリ素子M0〜M30、M31を有するNANDセル350aが設けられている。また、素子領域322bにおいても、選択トランジスタの間に複数の不揮発性メモリ素子を有するNANDセル350bが設けられている。また、素子領域322a、322b間に素子分離領域321を設けることによって、隣接するNANDセル350aとNANDセル350bを絶縁分離することが可能となる。   In the semiconductor device described in this embodiment, element regions 322a and 322b in the semiconductor layer electrically connected to the bit lines BL0 and BL1 are provided, and a plurality of nonvolatile elements are provided in each of the element regions 322a and 322b. A memory element is provided (see FIGS. 17 and 18). Specifically, in the element region 322a, a NAND cell 350a having a plurality of nonvolatile memory elements M0 to M30 and M31 is provided between the select transistors S1 and S2. In the element region 322b, a NAND cell 350b having a plurality of nonvolatile memory elements is provided between the selection transistors. Further, by providing the element isolation region 321 between the element regions 322a and 322b, it is possible to insulate and isolate the adjacent NAND cell 350a and NAND cell 350b.

また、一つの素子領域に複数の不揮発性メモリ素子を設けることによって、より不揮発性メモリ素子の集積化が可能となり、大容量の不揮発性半導体記憶装置を形成することができる。   In addition, by providing a plurality of nonvolatile memory elements in one element region, the nonvolatile memory elements can be more integrated, and a large-capacity nonvolatile semiconductor memory device can be formed.

図17及び図18において、絶縁層331が設けられた基板330上に、選択トランジスタS1、S2、メモリ素子M0、M30、M31が設けられており、ゲート電極層(SG2、SG1)327a、327b、電荷蓄積層323a、323b、323c、制御ゲート電極層(WL31、WL30、WL0)324a、324b、324c、第1の絶縁層332、第2の絶縁層333、層間絶縁層334が設けられている。選択トランジスタS1はビット線BL0に接続し、選択トランジスタS2はソース線(SL0)326に接続している。 17 and 18, select transistors S1, S2, memory elements M0, M30, M31 are provided over a substrate 330 provided with an insulating layer 331, and gate electrode layers (SG2, SG1) 327a, 327b, Charge storage layers 323a, 323b, 323c, control gate electrode layers (WL31, WL30, WL0) 324a, 324b, 324c, a first insulating layer 332, a second insulating layer 333, and an interlayer insulating layer 334 are provided. The selection transistor S1 is connected to the bit line BL0, and the selection transistor S2 is connected to the source line (SL0) 326.

半導体層において、NANDセル350aを構成する素子領域322aと、NANDセル350bを構成する素子領域322bとは素子分離領域321(321a、321b、321c、321d)によって電気的に分離されている。 In the semiconductor layer, the element region 322a constituting the NAND cell 350a and the element region 322b constituting the NAND cell 350b are electrically separated by an element isolation region 321 (321a, 321b, 321c, 321d).

素子分離領域は、連続した半導体層において、素子間を電気的に分離するために、選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加して形成する。導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域は、導電性に寄与しない不純物元素の混入により導電性が低下し、また添加時の半導体層へ物理的衝撃により(いわゆるスパッタ効果とも言える)結晶性が低下するため高抵抗化する。高抵抗化した素子分離領域においては、電界効果移動度も低下するため素子間を電気的に分離することができ、一方、不純物元素を添加しない領域の結晶性は高いままであり抵抗も低いため、素子として機能しうる電界効果移動度を保っており、素子領域として用いることができる。 The element isolation region is formed by selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon in order to electrically isolate elements from each other in a continuous semiconductor layer. In the element isolation region to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added, the conductivity decreases due to the mixing of the impurity element that does not contribute to conductivity, and the crystal is caused by physical impact (so-called sputtering effect) on the semiconductor layer at the time of addition. The resistance is lowered due to the decrease in performance. In the element isolation region with high resistance, field effect mobility is also reduced, so that the elements can be electrically isolated. On the other hand, the crystallinity of the region to which no impurity element is added remains high and the resistance is low. The field-effect mobility that can function as an element is maintained and can be used as an element region.

素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上が好ましく、酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満が好ましい。 The resistivity of the element isolation region is preferably 1 × 10 10 Ω · cm or more, and the concentration of impurity elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3. .

素子分離領域は、不純物元素の添加により結晶性が低下しているため、非晶質化しているともいえる。一方、素子領域は結晶性半導体層なので、素子領域に半導体素子を形成する場合、そのチャネル形成領域の結晶性は、素子分離領域より高く半導体素子として高い電界効果移動度を得ることができる。 It can be said that the element isolation region is amorphous because the crystallinity is lowered by the addition of the impurity element. On the other hand, since the element region is a crystalline semiconductor layer, when a semiconductor element is formed in the element region, the crystallinity of the channel formation region is higher than that of the element isolation region and high field effect mobility can be obtained as a semiconductor element.

素子分離領域に添加する不純物元素としては、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス元素も用いてもよい。酸素、窒素、及び炭素の他に、比較的質量の大きな元素であるこれらの希ガス元素を更に添加すると、半導体層への物理的衝撃を大きくすることができるため、より効果的に結晶性を低下させることができる。 As an impurity element added to the element isolation region, a rare gas element such as argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), or xenon (Xe) may be used. In addition to oxygen, nitrogen, and carbon, the addition of these rare gas elements, which are relatively large elements, can increase the physical impact on the semiconductor layer, so that the crystallinity can be more effectively improved. Can be reduced.

図18(B)は半導体層において素子領域322a及び素子分離領域321c、321dに亘って第1の絶縁層332を介し、電荷蓄積層323cが形成されている。本発明では連続的な半導体層中に素子分離領域及び素子領域を設けているので、素子分離領域321c、321d、及び素子領域322aは連続している。よって、その表面は平坦性が高く、急激な段差を有さない。 In FIG. 18B, a charge storage layer 323c is formed over the element region 322a and the element isolation regions 321c and 321d in the semiconductor layer with the first insulating layer 332 interposed therebetween. In the present invention, since the element isolation region and the element region are provided in the continuous semiconductor layer, the element isolation regions 321c and 321d and the element region 322a are continuous. Therefore, the surface has high flatness and does not have a steep step.

第1の絶縁層322は平坦性の高い半導体層上に形成されるため、被覆性がよく、形状不良も生じにくい。よって、第1の絶縁層322上に形成される電荷蓄積層323a、323b、323cと素子領域322aにおいてリーク電流やショートなどの不良を防止することができる。よって本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置である半導体装置は第1の絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い半導体装置とすることができる。 Since the first insulating layer 322 is formed over a semiconductor layer with high flatness, the first insulating layer 322 has good coverage and is unlikely to have a shape defect. Therefore, defects such as a leakage current and a short circuit can be prevented in the charge storage layers 323a, 323b, and 323c and the element region 322a formed over the first insulating layer 322. Therefore, the semiconductor device which is the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment is a highly reliable semiconductor device in which a short circuit between the charge storage layer and the semiconductor layer due to a coating failure of the first insulating layer and a defect such as a leakage current are prevented. It can be.

本実施の形態は、本明細書で示した他の実施の形態と組み合わせて行うことができる。   This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification.

よって、本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離することができる。半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上に絶縁層が形成されるため、絶縁層の被覆性が向上する。従って、絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、制御ゲート電極層、ゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い不揮発性半導体記憶装置である半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。よって、半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。また、そのような膜の形状不良による不良が軽減されるので、作製工程においても歩留まりよく生産することができる。 Therefore, when the present invention is used, the semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands. Since the step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur and the insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, the coverage of the insulating layer is improved. Accordingly, a semiconductor device which is a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device in which defects such as a charge storage layer, a control gate electrode layer, a short circuit between the gate electrode layer and the semiconductor layer and a leakage current due to a poor coating of the insulating layer are prevented, In addition, a method for manufacturing such a semiconductor device can be provided. Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in the semiconductor device, and high performance of the semiconductor device can be achieved. In addition, since defects due to such a film shape defect are reduced, production can be performed with high yield even in the manufacturing process.

(実施の形態5)
本実施の形態は、本発明を適用した半導体装置として、不揮発性半導体記憶装置の一例を説明する。本発明では、半導体層を島状に分割せずに連続した半導体層中に複数の半導体素子を作製する。この本発明は、半導体装置に設けられる半導体素子全てに適用してもよいし、部分的に適用してもよい。半導体素子に要求される機能に応じて適宜本発明を適用すればよい。このような本発明を適用した半導体装置の例を、図20を用いて説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example of a nonvolatile semiconductor memory device is described as a semiconductor device to which the present invention is applied. In the present invention, a plurality of semiconductor elements are manufactured in a continuous semiconductor layer without dividing the semiconductor layer into islands. The present invention may be applied to all semiconductor elements provided in a semiconductor device or may be partially applied. The present invention may be applied as appropriate depending on the function required for the semiconductor element. An example of a semiconductor device to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.

図20(A)乃至(D)は本発明の半導体装置の上面図であり、基板と、基板上に設けられた周辺回路部及びメモリ素子部で簡略に表現している。図20に示す本実施の形態の半導体装置は同一基板上にメモリ素子部と周辺回路部が形成されている。図20(A)において、基板470上に周辺回路部472及びメモリ素子部471が設けられており、基板470上全面にわたって半導体層が形成されている例である。基板470上において、周辺回路部472及びメモリ素子部471の半導体層は、本発明を適用した導電性に寄与しない不純物元素の添加によって形成された素子分離領域及び素子領域に分離されており、複数の半導体素子を形成している。基板470上に設けられた周辺回路部472及びメモリ素子部471以外の領域の半導体層は、周辺回路部472及びメモリ素子部471における素子分離領域と同様に、導電性に寄与しない不純物元素の添加によって高抵抗領域とすればよい。 20A to 20D are top views of the semiconductor device of the present invention, and are simply expressed by a substrate, a peripheral circuit portion provided on the substrate, and a memory element portion. In the semiconductor device of this embodiment mode shown in FIG. 20, a memory element portion and a peripheral circuit portion are formed on the same substrate. 20A illustrates an example in which a peripheral circuit portion 472 and a memory element portion 471 are provided over a substrate 470, and a semiconductor layer is formed over the entire surface of the substrate 470. Over the substrate 470, the semiconductor layers of the peripheral circuit portion 472 and the memory element portion 471 are separated into an element isolation region and an element region formed by adding an impurity element that does not contribute to conductivity to which the present invention is applied. The semiconductor element is formed. A semiconductor layer in a region other than the peripheral circuit portion 472 and the memory element portion 471 provided over the substrate 470 is doped with an impurity element that does not contribute to conductivity, similarly to the element isolation region in the peripheral circuit portion 472 and the memory element portion 471. Therefore, a high resistance region may be set.

図20(B)は、基板475上全面には半導体層を有さず、基板475上に設けられた周辺回路部477及びメモリ素子部476以外の領域の半導体層をエッチング等で除去した例である。図20(B)における周辺回路部477及びメモリ素子部476も図20(A)の周辺回路部472及びメモリ素子部471と同様に導電性に寄与しない不純物元素を添加された高抵抗領域である素子分離領域により、連続した半導体層中に複数の半導体素子を形成した構成となっている。図20(B)のように半導体素子を形成しない基板上の領域における半導体層は、高抵抗領域としてもよいし、除去してもよい。複数の半導体素子が隣接し、微細な半導体層の分離処理が必要な領域は本発明の素子分離方法を適用し、比較的素子間が広い、又は素子を形成しない領域は半導体層を除去する構造してもよい。 FIG. 20B illustrates an example in which the semiconductor layer is not provided over the entire surface of the substrate 475 and the semiconductor layer in a region other than the peripheral circuit portion 477 and the memory element portion 476 provided over the substrate 475 is removed by etching or the like. is there. The peripheral circuit portion 477 and the memory element portion 476 in FIG. 20B are high-resistance regions to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added similarly to the peripheral circuit portion 472 and the memory element portion 471 in FIG. With the element isolation region, a plurality of semiconductor elements are formed in a continuous semiconductor layer. A semiconductor layer in a region over a substrate where a semiconductor element is not formed as illustrated in FIG. 20B may be a high resistance region or may be removed. A structure in which a plurality of semiconductor elements are adjacent to each other and a separation process of a fine semiconductor layer is necessary, and the element separation method of the present invention is applied. May be.

図20(C)は、基板480上に設けられた半導体素子において、要求される機能及びサイズに応じて異なる素子分離方法を適用する例である。図20(C)において、基板480上に設けられた周辺回路部482は島状に形状加工された半導体素子によって構成されており、各半導体素子間はエッチングにより半導体層の除去により分離されている。一方メモリ素子部481は連続した半導体層に導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域を形成し、各半導体素子間は高抵抗化された素子分離領域によって分離されている。周辺回路部とメモリ素子部は要求される半導体素子の特性が異なる場合、例えば、メモリ素子部における半導体素子に印加される電圧(例えば、(書き込み)電圧が10〜20V程度)の方が周辺回路部における半導体素子に印加する電圧(例えば電圧が3〜5V程度)が高い場合、よりゲート絶縁層の被覆不良の悪影響が大きく生じやすい。そのため図20(C)のメモリ素子部481には連続した半導体層中の素子領域を、周辺回路部482は島状の半導体層に分離された素子領域をそれぞれ用いた半導体素子を用いるとよい。10V〜20V程度の電圧で書き込みや消去を行う必要のあるメモリ素子部と、3V〜7V程度の電圧で動作してデータの入出力や命令の制御を主として行う周辺回路部を同一基板上に形成した場合でも、各素子に印加する電圧の違いによる相互の干渉を防ぐことができる。 FIG. 20C illustrates an example in which different element isolation methods are applied to a semiconductor element provided over a substrate 480 depending on a required function and size. In FIG. 20C, a peripheral circuit portion 482 provided over a substrate 480 is formed using a semiconductor element processed into an island shape, and each semiconductor element is separated by etching to remove a semiconductor layer. . On the other hand, the memory element portion 481 forms an element isolation region in which an impurity element that does not contribute to conductivity is added to a continuous semiconductor layer, and the semiconductor elements are isolated by an element isolation region having a high resistance. When the required characteristics of the semiconductor element are different between the peripheral circuit portion and the memory element portion, for example, the voltage applied to the semiconductor element in the memory element portion (for example, the (write) voltage is about 10 to 20 V) is the peripheral circuit. When the voltage applied to the semiconductor element in the portion (for example, the voltage is about 3 to 5 V) is high, the adverse effect of the defective coating of the gate insulating layer is more likely to occur. Therefore, it is preferable to use a semiconductor element using an element region in a continuous semiconductor layer as the memory element portion 481 in FIG. 20C and an element region separated into island-shaped semiconductor layers as the peripheral circuit portion 482. Formed on the same substrate are a memory element section that needs to be written and erased at a voltage of about 10V to 20V and a peripheral circuit section that operates at a voltage of about 3V to 7V and mainly controls data input / output and commands. Even in this case, mutual interference due to a difference in voltage applied to each element can be prevented.

図20(D)も図20(C)と同様に、基板485上に設けられた半導体素子において、要求される機能及びサイズに応じて異なる素子分離方法を適用する例である。図20(D)において、基板485上に設けられた周辺回路部487bは島状に形状加工された半導体素子によって構成されており、各半導体素子間はエッチングにより半導体層の除去により分離されている。一方周辺回路部487a及びメモリ素子部481は連続した半導体層に導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域を形成し、各半導体素子間は高抵抗化された素子分離領域によって分離されている。このように周辺回路部、メモリ素子部においての選択的に島状の半導体層による素子分離する構成と、連続した半導体層中に素子分離領域を設けて素子分離する構成とを、基板上に設ける回路構成に応じて適宜組み合わせて用いてもよい。 20D is an example in which different element isolation methods are applied to a semiconductor element provided over a substrate 485 depending on a required function and size, similarly to FIG. 20C. In FIG. 20D, a peripheral circuit portion 487b provided over a substrate 485 is formed using island-shaped semiconductor elements, and the semiconductor elements are separated by etching to remove a semiconductor layer. . On the other hand, the peripheral circuit portion 487a and the memory element portion 481 form an element isolation region in which an impurity element that does not contribute to conductivity is added to a continuous semiconductor layer, and the semiconductor elements are separated by an element isolation region having a high resistance. Yes. As described above, a configuration in which the elements are selectively separated by the island-shaped semiconductor layer in the peripheral circuit portion and the memory element portion, and a configuration in which the element isolation region is provided in the continuous semiconductor layer to isolate the elements are provided on the substrate. You may use it combining suitably according to a circuit structure.

基板上に設けられる半導体素子はそれぞれ機能によって要求される特性が異なり、その要求される特性に伴って形状も変化する(例えば、ゲート絶縁層の膜厚など)。半導体素子間が近接した微細な構成の領域においては連続した半導体層中に素子分離領域を設けて複数の半導体素子を形成する構造とし、一方素子間隔が比較的広い、又は構造上ゲート絶縁層に対する薄膜化をそれほど要求されない領域においては半導体層の除去を行い、島状の半導体層として複数の半導体素子を作製することができる。このように基板上で要求される特性に合わせて適宜素子分離方法を選択することによって、高速な応答の可能な高性能であり、かつ高信頼姓を有する半導体装置を作製することができる。 The semiconductor elements provided on the substrate have different required characteristics depending on their functions, and the shape changes according to the required characteristics (for example, the thickness of the gate insulating layer). In a finely structured region where semiconductor elements are close to each other, an element isolation region is provided in a continuous semiconductor layer to form a plurality of semiconductor elements. On the other hand, the element spacing is relatively wide or structurally relative to the gate insulating layer. In regions where thinning is not so required, the semiconductor layer can be removed, and a plurality of semiconductor elements can be manufactured as island-shaped semiconductor layers. In this manner, by selecting an element isolation method appropriately in accordance with characteristics required on a substrate, a semiconductor device having high performance capable of high-speed response and high reliability can be manufactured.

素子分離領域は、連続した半導体層において、素子間を電気的に分離するために、選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加して形成する。導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域は、導電性に寄与しない不純物元素の混入により導電性が低下し、また添加時の半導体層へ物理的衝撃により(いわゆるスパッタ効果とも言える)結晶性が低下するため高抵抗化する。高抵抗化した素子分離領域においては、電界効果移動度も低下するため素子間を電気的に分離することができ、一方、不純物元素を添加しない領域は素子として機能しうる電界効果移動度を保っているため、素子領域として用いることができる。 The element isolation region is formed by selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon in order to electrically isolate elements from each other in a continuous semiconductor layer. In the element isolation region to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added, the conductivity decreases due to the mixing of the impurity element that does not contribute to conductivity, and the crystal is caused by physical impact (so-called sputtering effect) on the semiconductor layer at the time of addition. The resistance is lowered due to the decrease in performance. In the element isolation region with a high resistance, the field effect mobility is also reduced, so that the elements can be electrically isolated, while the region to which no impurity element is added maintains the field effect mobility that can function as an element. Therefore, it can be used as an element region.

素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上が好ましく、酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満以上が好ましい。 The resistivity of the element isolation region is preferably 1 × 10 10 Ω · cm or more, and the concentration of impurity elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3 or more. preferable.

素子分離領域は、不純物元素の添加により結晶性が低下しているため、非晶質化しているともいえる。一方、素子領域は結晶性半導体層なので、素子領域に半導体素子を形成する場合、そのチャネル形成領域の結晶性は、素子分離領域より高く半導体素子として高い電界効果移動度を得ることができる。 It can be said that the element isolation region is amorphous because the crystallinity is lowered by the addition of the impurity element. On the other hand, since the element region is a crystalline semiconductor layer, when a semiconductor element is formed in the element region, the crystallinity of the channel formation region is higher than that of the element isolation region and high field effect mobility can be obtained as a semiconductor element.

素子分離領域に添加する不純物元素としては、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス元素も用いてもよい。酸素、窒素、及び炭素の他に、比較的質量の大きな元素であるこれらの希ガス元素を更に添加すると、半導体層への物理的衝撃を大きくすることができるため、より効果的に結晶性を低下させることができる。 As an impurity element added to the element isolation region, a rare gas element such as argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), or xenon (Xe) may be used. In addition to oxygen, nitrogen, and carbon, the addition of these rare gas elements, which are relatively large elements, can increase the physical impact on the semiconductor layer, so that the crystallinity can be more effectively improved. Can be reduced.

従って、本実施の形態によれば、絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、制御ゲート電極層、ゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高いメモリ素子を有する半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。よって、メモリ素子を有する半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。また、そのような膜の形状不良による不良が軽減されるので、作製工程においても歩留まりよく生産することができる。 Therefore, according to the present embodiment, a highly reliable memory element in which defects such as a short circuit between the charge storage layer, the control gate electrode layer, the gate electrode layer and the semiconductor layer, and a leakage current due to a poor coating of the insulating layer are prevented. And a method for manufacturing such a semiconductor device can be provided. Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in a semiconductor device having a memory element, and high performance of the semiconductor device can be achieved. In addition, since defects due to such a film shape defect are reduced, production can be performed with high yield even in the manufacturing process.

(実施の形態6)
本実施の形態では、半導体素子において絶縁層の被覆不良によるゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良を防止し、より高信頼性を付与することを目的とするメモリ素子(記憶素子ともいう)を有する半導体装置の一例に関して図面を用いて説明する。本実施の形態の半導体装置の上面図を図11(A)に、図11(A)における線X−Yの断面図を図11(B)に示す。
(Embodiment 6)
In this embodiment mode, a memory element (memory) that aims to prevent defects such as a short circuit between a gate electrode layer and a semiconductor layer and a leakage current due to a coating failure of an insulating layer in a semiconductor element and to provide higher reliability. An example of a semiconductor device having an element) is described with reference to drawings. A top view of the semiconductor device of this embodiment is shown in FIG. 11A, and a cross-sectional view taken along line XY in FIG. 11A is shown in FIG.

図11(A)に示すように、基板400上にメモリ素子を有する半導体装置であるメモリ素子部404、回路部421、アンテナ431が形成されている。図11(A)及び(B)は、作製工程途中であり、作製条件に耐えうる基板400上にメモリ素子部、回路部、及びアンテナを形成した状態である。材料及び作製工程は実施の形態3と同様に選択し、作製すればよい。   As shown in FIG. 11A, a memory element portion 404 which is a semiconductor device having a memory element, a circuit portion 421, and an antenna 431 are formed over a substrate 400. 11A and 11B show a state where a memory element portion, a circuit portion, and an antenna are formed over a substrate 400 that can withstand the manufacturing conditions in the middle of the manufacturing process. Materials and manufacturing steps may be selected and manufactured in the same manner as in Embodiment Mode 3.

基板400上に剥離層452、絶縁層453を介してメモリ素子部404にはメモリ素子441、回路部421にはトランジスタ442が設けられている。メモリ素子441及びトランジスタ442上に絶縁層455が形成されている。   A memory element 441 is provided in the memory element portion 404 and a transistor 442 is provided in the circuit portion 421 with a separation layer 452 and an insulating layer 453 provided over the substrate 400. An insulating layer 455 is formed over the memory element 441 and the transistor 442.

図11(B)における半導体装置では絶縁層455上にアンテナ431a、アンテナ431b、アンテナ431c、及びアンテナ431dがそれぞれ形成されている。アンテナ431cは絶縁層455に形成された配線層456bに達する開口において、配線層456bと接して形成されており、アンテナとメモリ素子部404及び回路部421とを電気的に接続している。   In the semiconductor device in FIG. 11B, an antenna 431a, an antenna 431b, an antenna 431c, and an antenna 431d are formed over the insulating layer 455. The antenna 431c is formed in contact with the wiring layer 456b in an opening reaching the wiring layer 456b formed in the insulating layer 455, and electrically connects the antenna to the memory element portion 404 and the circuit portion 421.

なお、本実施の形態は、上記実施の形態と自由に組み合わせて行うことができる。また本実施の形態で作製した半導体装置は、基板より剥離工程により剥離し、フレキシブルな基板上に接着することで、フレキシブルな基体上に設けることができ、可撓性を有する半導体装置とすることができる。 Note that this embodiment can be freely combined with the above embodiment. In addition, the semiconductor device manufactured in this embodiment can be provided over a flexible substrate by being separated from the substrate by a separation process and bonded to a flexible substrate, so that the semiconductor device has flexibility. Can do.

フレキシブルな基板に半導体装置を貼り合わせ可撓性を有する半導体装置とした場合を、ICフィルムともいう。ICフィルムとは厚さ100μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは20μm以下の可撓性を有する半導体装置であり、含まれる半導体層の膜厚は100μm以下、好ましくは70μm以下のものをいう。 A case where a semiconductor device is attached to a flexible substrate to form a flexible semiconductor device is also referred to as an IC film. An IC film is a flexible semiconductor device having a thickness of 100 μm or less, preferably 50 μm or less, more preferably 20 μm or less, and the included semiconductor layer has a film thickness of 100 μm or less, preferably 70 μm or less.

フレキシブルな基体とは、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルスルホン)、ポリプロピレン、ポリプロピレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、ポリサルフォン、ポリフタールアミド等からなる基板、ポリプロピレン、ポリエステル、ビニル、ポリフッ化ビニル、塩化ビニルなどからなるフィルム、繊維質な材料からなる紙、基材フィルム(ポリエステル、ポリアミド、無機蒸着フィルム、紙類等)と、接着性合成樹脂フィルム(アクリル系合成樹脂、エポキシ系合成樹脂等)との積層フィルムなどに相当する。フィルムは、被処理体と加熱処理と加圧処理が行われるものであり、加熱処理と加圧処理を行う際には、フィルムの最表面に設けられた接着層か、又は最外層に設けられた層(接着層ではない)を加熱処理によって溶かし、加圧により接着する。また、基体に接着層が設けられていてもよいし、接着層が設けられていなくてもよい。接着層は、熱硬化樹脂、紫外線硬化樹脂、エポキシ樹脂系接着剤、樹脂添加剤等の接着剤を含む層に相当する。 Flexible substrates include PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), PES (polyethersulfone), polypropylene, polypropylene sulfide, polycarbonate, polyetherimide, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyphthalamide, etc. Substrate made of polypropylene, polyester, vinyl, polyvinyl fluoride, vinyl chloride, paper made of fibrous material, base film (polyester, polyamide, inorganic vapor deposition film, paper, etc.) and adhesive synthetic resin It corresponds to a laminated film with a film (acrylic synthetic resin, epoxy synthetic resin, etc.). The film is subjected to heat treatment and pressure treatment, and when the heat treatment and pressure treatment are performed, the film is provided on the adhesive layer provided on the outermost surface of the film or on the outermost layer. The layer (not the adhesive layer) is melted by heat treatment and bonded by pressure. Further, an adhesive layer may be provided on the substrate, or an adhesive layer may not be provided. The adhesive layer corresponds to a layer containing an adhesive such as a thermosetting resin, an ultraviolet curable resin, an epoxy resin adhesive, or a resin additive.

本発明の半導体装置において、工程条件(温度など)に耐えられる第1の基板上にメモリ素子を形成した後、第2の基板に転置し、メモリ素子を有する半導体装置を作製してもよい。また本明細書において、転置とは第1の基板に形成されたメモリ素子を、第1の基板より剥離し、第2の基板に移しかえることをいう。つまりメモリ素子を設ける場所を他の基板へ移動するとも言える。 In the semiconductor device of the present invention, after a memory element is formed over a first substrate that can withstand process conditions (such as temperature), the semiconductor device may be transferred to a second substrate to have a memory element. In this specification, transposition means that a memory element formed over a first substrate is peeled off from the first substrate and transferred to the second substrate. That is, it can be said that the place where the memory element is provided is moved to another substrate.

なお、他の基板への転置工程は、基板と素子形成層の間に剥離層及び絶縁層を形成し、剥離層及び絶縁層の間に金属酸化膜を設け、当該金属酸化膜を結晶化により脆弱化して、当該素子形成層を剥離する方法、耐熱性の高い基板と素子形成層の間に水素を含む非晶質珪素膜を設け、レーザ光の照射またはエッチングにより当該非晶質珪素膜を除去することで、当該素子形成層を剥離する方法、基板と素子形成層の間に剥離層及び絶縁層を形成し、剥離層及び絶縁層の間に金属酸化膜を設け、当該金属酸化膜を結晶化により脆弱化し、剥離層の一部を溶液やNF、BrF、ClF等のフッ化ハロゲンガスによりエッチングで除去した後、脆弱化された金属酸化膜において剥離する方法、素子形層が形成された基板を機械的に削除又は溶液やNF、BrF、ClF等のフッ化ハロゲンガスによるエッチングで除去する方法等を適宜用いることができる。また、剥離層として窒素、酸素や水素等を含む膜(例えば、水素を含む非晶質珪素膜、水素含有合金膜、酸素含有合金膜など)を用い、剥離層にレーザ光を照射して剥離層内に含有する窒素、酸素や水素をガスとして放出させ素子形成層と基板との剥離を促進する方法を用いてもよい。 Note that in the transfer step to another substrate, a peeling layer and an insulating layer are formed between the substrate and the element formation layer, a metal oxide film is provided between the peeling layer and the insulating layer, and the metal oxide film is crystallized. A method of peeling the element formation layer after weakening, an amorphous silicon film containing hydrogen is provided between the substrate and the element formation layer with high heat resistance, and the amorphous silicon film is formed by laser irradiation or etching. By removing the element formation layer, a separation layer and an insulating layer are formed between the substrate and the element formation layer, and a metal oxide film is provided between the separation layer and the insulation layer. A method for removing a part of a peeling layer by etching with a halogen fluoride gas such as a solution or NF 3 , BrF 3 , or ClF 3 after being weakened by crystallization, and then peeling on the weakened metal oxide film, element type layer Mechanically delete the substrate on which the It can be used liquid or NF 3, BrF 3, a method for removing by etching with halogen fluoride gas such as ClF 3 as appropriate. In addition, a film containing nitrogen, oxygen, hydrogen, or the like (for example, an amorphous silicon film containing hydrogen, a hydrogen-containing alloy film, an oxygen-containing alloy film, or the like) is used as the separation layer, and the separation layer is irradiated with laser light for separation. A method of releasing nitrogen, oxygen, or hydrogen contained in the layer as a gas and promoting separation between the element formation layer and the substrate may be used.

上記剥離方法を組み合わすことでより容易に転置工程を行うことができる。つまり、レーザ光の照射、ガスや溶液などによる剥離層へのエッチング、鋭いナイフやメスなどによる機械的な削除を行い、剥離層と素子形成層とを剥離しやすい状態にしてから、物理的な力(機械等による)によって剥離を行うこともできる。 A transposition step can be performed more easily by combining the above peeling methods. In other words, laser irradiation, etching of the release layer with gas or solution, mechanical deletion with a sharp knife or scalpel, etc. to make the release layer and the element formation layer easy to peel off, Peeling can also be performed by force (by machine or the like).

また、アンテナは、メモリ素子部に対して、重なって設けてもよいし、重ならずに周囲に設ける構造でもよい。また重なる場合も全面が重なってもよいし、一部が重なっている構造でもよい。アンテナ部とメモリ素子部が重なる構造であると、アンテナが交信する際に信号に載っているノイズ等や、電磁誘導により発生する起電力の変動等の影響による、半導体装置の動作不良を減らすことが可能であり、信頼性が向上する。また、半導体装置を小型化することもできる。 The antenna may be provided so as to overlap with the memory element portion or may be provided around the memory element portion without overlapping. When overlapping, the entire surface may overlap, or a structure where a part overlaps may be used. The structure in which the antenna unit and the memory element unit overlap reduces the malfunction of the semiconductor device due to the effects of noise and other factors on the signal when the antenna communicates and fluctuations in electromotive force generated by electromagnetic induction. Is possible, and reliability is improved. In addition, the semiconductor device can be reduced in size.

また、上述した非接触データの入出力が可能である半導体装置における信号の伝送方式は、電磁結合方式、電磁誘導方式またはマイクロ波方式等を用いることができる。伝送方式は、実施者が使用用途を考慮して適宜選択すればよく、伝送方式に伴って最適なアンテナを設ければよい。 As a signal transmission method in the semiconductor device capable of inputting / outputting non-contact data described above, an electromagnetic coupling method, an electromagnetic induction method, a microwave method, or the like can be used. The transmission method may be appropriately selected by the practitioner in consideration of the intended use, and an optimal antenna may be provided according to the transmission method.

例えば、半導体装置における信号の伝送方式として、電磁結合方式または電磁誘導方式(例えば13.56MHz帯)を適用する場合には、磁界密度の変化による電磁誘導を利用するため、アンテナとして機能する導電層を輪状(例えば、ループアンテナ)、らせん状(例えば、スパイラルアンテナ)に形成する。 For example, when an electromagnetic coupling method or an electromagnetic induction method (for example, 13.56 MHz band) is applied as a signal transmission method in a semiconductor device, an electromagnetic induction due to a change in magnetic field density is used, and thus a conductive layer that functions as an antenna. Are formed in a ring shape (for example, a loop antenna) or a spiral shape (for example, a spiral antenna).

また、半導体装置における信号の伝送方式として、マイクロ波方式(例えば、UHF帯(860〜960MHz帯)、2.45GHz帯等)を適用する場合には、信号の伝送に用いる電磁波の波長を考慮してアンテナとして機能する導電層の長さ等の形状を適宜設定すればよく、例えば、アンテナとして機能する導電層を線状(例えば、ダイポールアンテナ)、平坦な形状(例えば、パッチアンテナ)またはリボン型の形状等に形成することができる。また、アンテナとして機能する導電層の形状は線状に限られず、電磁波の波長を考慮して曲線状や蛇行形状またはこれらを組み合わせた形状で設けてもよい。 In addition, when a microwave method (for example, UHF band (860 to 960 MHz band), 2.45 GHz band, or the like) is applied as a signal transmission method in a semiconductor device, the wavelength of an electromagnetic wave used for signal transmission is considered. The length of the conductive layer functioning as an antenna may be set as appropriate. For example, the conductive layer functioning as an antenna may be linear (for example, a dipole antenna), flat (for example, a patch antenna), or ribbon type. It can be formed into a shape or the like. Further, the shape of the conductive layer functioning as an antenna is not limited to a linear shape, and may be provided in a curved shape, a meandering shape, or a combination thereof in consideration of the wavelength of electromagnetic waves.

アンテナとして機能する導電層は、CVD法、スパッタ法、スクリーン印刷やグラビア印刷等の印刷法、液滴吐出法、ディスペンサ法、メッキ法等を用いて、導電性材料により形成する。導電性材料は、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)から選択された元素、又はこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で、単層構造又は積層構造で形成する。 The conductive layer functioning as an antenna is formed using a conductive material by a CVD method, a sputtering method, a printing method such as screen printing or gravure printing, a droplet discharge method, a dispenser method, a plating method, or the like. Conductive materials are aluminum (Al), titanium (Ti), silver (Ag), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt) nickel (Ni), palladium (Pd), tantalum (Ta), molybdenum An element selected from (Mo) or an alloy material or a compound material containing these elements as a main component is formed in a single layer structure or a laminated structure.

例えば、スクリーン印刷法を用いてアンテナとして機能する導電層を形成する場合には、粒径が数nmから数十μmの導電体粒子を有機樹脂に溶解または分散させた導電性のペーストを選択的に印刷することによって設けることができる。導電体粒子としては、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)およびチタン(Ti)等のいずれか一つ以上の金属粒子やハロゲン化銀の微粒子、または分散性ナノ粒子を用いることができる。また、導電性ペーストに含まれる有機樹脂は、金属粒子のバインダー、溶媒、分散剤および被覆材として機能する有機樹脂から選ばれた一つまたは複数を用いることができる。代表的には、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の有機樹脂が挙げられる。また、導電層の形成にあたり、導電性のペーストを押し出した後に焼成することが好ましい。例えば、導電性のペーストの材料として、銀を主成分とする微粒子(例えば粒径1nm以上100nm以下)を用いる場合、150〜300℃の温度範囲で焼成することにより硬化させて導電層を得ることができる。また、はんだや鉛フリーのはんだを主成分とする微粒子を用いてもよく、この場合は粒径20μm以下の微粒子を用いることが好ましい。はんだや鉛フリーはんだは、低コストであるといった利点を有している。また、上述した材料以外にも、セラミックやフェライト等をアンテナに適用してもよい。 For example, when a conductive layer that functions as an antenna is formed using a screen printing method, a conductive paste in which conductive particles having a particle size of several nanometers to several tens of micrometers are dissolved or dispersed in an organic resin is selectively used. Can be provided by printing. The conductive particles include silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), nickel (Ni), platinum (Pt), palladium (Pd), tantalum (Ta), molybdenum (Mo) and titanium (Ti). Any one or more metal particles, silver halide fine particles, or dispersible nanoparticles can be used. In addition, as the organic resin contained in the conductive paste, one or more selected from organic resins that function as a binder of metal particles, a solvent, a dispersant, and a coating material can be used. Typically, an organic resin such as an epoxy resin or a silicone resin can be given. In forming the conductive layer, it is preferable to fire after extruding the conductive paste. For example, in the case where fine particles containing silver as a main component (for example, a particle size of 1 nm or more and 100 nm or less) is used as the material of the conductive paste, the conductive layer is obtained by being cured by baking in a temperature range of 150 to 300 ° C. Can do. Further, fine particles mainly composed of solder or lead-free solder may be used. In this case, it is preferable to use fine particles having a particle diameter of 20 μm or less. Solder and lead-free solder have the advantage of low cost. In addition to the materials described above, ceramic, ferrite, or the like may be applied to the antenna.

また、電磁結合方式または電磁誘導方式を適用する場合であって、アンテナを備えた半導体装置を金属に接して設ける場合には、当該半導体装置と金属との間に透磁率を備えた磁性材料を設けることが好ましい。アンテナを備えた半導体装置を金属に接して設ける場合には、磁界の変化に伴い金属に渦電流が流れ、当該渦電流により発生する反磁界によって、磁界の変化が弱められて通信距離が低下する。そのため、半導体装置と金属との間に透磁率を備えた材料を設けることにより金属の渦電流を抑制し通信距離の低下を抑制することができる。なお、磁性材料としては、高い透磁率を有し高周波損失の少ないフェライトや金属薄膜を用いることができる。 Further, in the case where an electromagnetic coupling method or an electromagnetic induction method is applied and a semiconductor device provided with an antenna is provided in contact with a metal, a magnetic material having a permeability between the semiconductor device and the metal is used. It is preferable to provide it. When a semiconductor device provided with an antenna is provided in contact with a metal, an eddy current flows in the metal as the magnetic field changes, and the change in the magnetic field is weakened by the demagnetizing field generated by the eddy current, thereby reducing the communication distance. . Therefore, by providing a material having magnetic permeability between the semiconductor device and the metal, it is possible to suppress the eddy current of the metal and suppress the decrease in the communication distance. As the magnetic material, ferrite or metal thin film having high magnetic permeability and low high-frequency loss can be used.

また、アンテナを設ける場合には、1枚の基板上にトランジスタ等の半導体素子とアンテナとして機能する導電層を直接作り込んで設けてもよいし、半導体素子とアンテナとして機能する導電層を別々の基板上に設けた後に、電気的に接続するように貼り合わせることによって設けてもよい。 In the case of providing an antenna, a semiconductor element such as a transistor and a conductive layer functioning as an antenna may be directly formed over one substrate, or the semiconductor element and the conductive layer functioning as an antenna may be provided separately. After being provided on the substrate, it may be provided by bonding so as to be electrically connected.

メモリ素子441及びトランジスタ442は本発明を用いており、そのチャネル形成領域は、連続した半導体層中に設けられた素子領域に形成されている。またメモリ素子、トランジスタ間は導電性に寄与しない不純物元素の添加によって高抵抗化された素子分離領域によって分離されている。このように本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離でき、複数の半導体素子を作製することができる。従って半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上に絶縁層が形成されるため、絶縁層の被覆性が向上する。 The memory element 441 and the transistor 442 use the present invention, and a channel formation region thereof is formed in an element region provided in a continuous semiconductor layer. The memory element and the transistor are separated from each other by an element isolation region whose resistance is increased by adding an impurity element that does not contribute to conductivity. In this manner, when the present invention is used, the semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands, and a plurality of semiconductor elements can be manufactured. Accordingly, a step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur, and the insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, so that the coverage of the insulating layer is improved.

従って、本実施の形態によれば、絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、制御ゲート電極層、ゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高いメモリ素子を有する半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。よって、メモリ素子を有する半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。また、そのような膜の形状不良による不良が軽減されるので、作製工程においても歩留まりよく生産することができる。 Therefore, according to the present embodiment, a highly reliable memory element in which defects such as a short circuit between the charge storage layer, the control gate electrode layer, the gate electrode layer and the semiconductor layer, and a leakage current due to a poor coating of the insulating layer are prevented. And a method for manufacturing such a semiconductor device can be provided. Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in a semiconductor device having a memory element, and high performance of the semiconductor device can be achieved. In addition, since defects due to such a film shape defect are reduced, production can be performed with high yield even in the manufacturing process.

(実施の形態7)
本実施の形態では、半導体素子において絶縁層の被覆不良によるゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良を防止し、より高信頼性を付与することを目的とするCMOS回路及びメモリ素子を有する半導体装置の一例に関して図面を用いて説明する。本実施の形態における半導体装置の作製方法を、図5、図6を用いて詳細に説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment mode, a CMOS circuit and a memory for preventing a short circuit between a gate electrode layer and a semiconductor layer due to a poor coating of an insulating layer and a leakage current in a semiconductor element, and providing higher reliability An example of a semiconductor device including an element will be described with reference to drawings. A method for manufacturing the semiconductor device in this embodiment will be described in detail with reference to FIGS.

なお、メモリ部に設けられる制御用トランジスタは、ロジック部に設けられるトランジスタと比較して駆動電圧が高いため、メモリ部に設けるトランジスタとロジック部に設けるトランジスタのゲート絶縁層等を異なる厚さで形成することが好ましい。例えば、駆動電圧が小さくしきい値電圧のばらつきを小さくしたい場合にはゲート絶縁層が薄い薄膜トランジスタを設けることが好ましく、駆動電圧が大きくゲート絶縁層の耐圧性が求められる場合にはゲート絶縁層が厚い薄膜トランジスタを設けることが好ましい。   Note that since the control transistor provided in the memory portion has a higher driving voltage than the transistor provided in the logic portion, the gate insulating layer of the transistor provided in the memory portion and the transistor provided in the logic portion are formed with different thicknesses. It is preferable to do. For example, a thin film transistor having a thin gate insulating layer is preferably provided when the driving voltage is small and variation in threshold voltage is small, and when the driving voltage is large and the gate insulating layer is required to have a high withstand voltage, the gate insulating layer is not provided. It is preferable to provide a thick thin film transistor.

従って、本実施の形態では、駆動電圧が小さくしきい値電圧のばらつきを小さくしたいロジック部のトランジスタに対しては膜厚が小さい絶縁層を形成し、駆動電圧が大きくゲート絶縁層の耐圧性が求められるメモリ部のトランジスタに対しては膜厚が大きい絶縁層を形成する。   Therefore, in this embodiment, an insulating layer with a small thickness is formed for a transistor in a logic portion whose driving voltage is small and a variation in threshold voltage is small, and the withstanding voltage of the gate insulating layer is large because the driving voltage is large. An insulating layer having a large thickness is formed for a required transistor in the memory portion.

絶縁表面を有する基板100の上に下地膜として、スパッタリング法、PVD法(Physical Vapor Deposition)、減圧CVD法(LPCVD法)、またはプラズマCVD法等のCVD法(Chemical Vapor Deposition)などにより窒化酸化珪素膜を用いて下地膜として機能する絶縁層112aを10〜200nm(好ましくは50〜150nm)形成し、酸化窒化珪素膜を用いて絶縁層112bを50〜200nm(好ましくは100〜150nm)積層する。又はアクリル酸、メタクリル酸及びこれらの誘導体、又はポリイミド(polyimide)、芳香族ポリアミド、ポリベンゾイミダゾール(polybenzimidazole)などの耐熱性高分子、又はシロキサン樹脂を用いてもよい。なお、シロキサン樹脂とは、Si−O−Si結合を含む樹脂に相当する。シロキサンは、シリコン(Si)と酸素(O)との結合で骨格構造が構成される。置換基として、少なくとも水素を含む有機基(例えばアルキル基、アリール基)が用いられる。置換基として、フルオロ基を用いてもよい。または置換基として、少なくとも水素を含む有機基と、フルオロ基とを用いてもよい。また、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなどのビニル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂等の樹脂材料を用いてもよい。また、ベンゾシクロブテン、パリレン、フッ化アリーレンエーテル、ポリイミドなどの有機材料、水溶性ホモポリマーと水溶性共重合体を含む組成物材料等を用いてもよい。また、オキサゾール樹脂を用いることもでき、例えば光硬化型ポリベンゾオキサゾールなどを用いることができる。 Silicon nitride oxide by a sputtering method, a PVD method (Physical Vapor Deposition), a low pressure CVD method (LPCVD method), or a CVD method (Chemical Vapor Deposition) such as a plasma CVD method as a base film over the substrate 100 having an insulating surface. An insulating layer 112a functioning as a base film is formed using the film to have a thickness of 10 to 200 nm (preferably 50 to 150 nm), and a silicon oxynitride film is used to stack the insulating layer 112b to a thickness of 50 to 200 nm (preferably 100 to 150 nm). Alternatively, heat-resistant polymers such as acrylic acid, methacrylic acid and derivatives thereof, polyimide, aromatic polyamide, polybenzimidazole, or siloxane resin may be used. Note that a siloxane resin corresponds to a resin including a Si—O—Si bond. Siloxane has a skeleton structure formed of a bond of silicon (Si) and oxygen (O). As a substituent, an organic group containing at least hydrogen (for example, an alkyl group or an aryl group) is used. A fluoro group may be used as a substituent. Alternatively, an organic group containing at least hydrogen and a fluoro group may be used as a substituent. Moreover, resin materials such as vinyl resins such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral, epoxy resins, phenol resins, novolac resins, acrylic resins, melamine resins, and urethane resins may be used. Alternatively, an organic material such as benzocyclobutene, parylene, fluorinated arylene ether, or polyimide, a composition material containing a water-soluble homopolymer and a water-soluble copolymer, or the like may be used. Moreover, an oxazole resin can also be used, for example, photocurable polybenzoxazole or the like can be used.

また、液滴吐出法や、印刷法(スクリーン印刷やオフセット印刷などパターンが形成される方法)、スピンコート法などの塗布法、ディッピング法、ディスペンサ法などを用いることもできる。本実施の形態では、プラズマCVD法を用いて絶縁層112a、絶縁層112bを形成する。基板100としてはガラス基板、石英基板や金属基板、またはステンレス基板の表面に絶縁層を形成したものを用いて良い。また、本実施の形態の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板を用いてもよいし、フィルムのような可撓性基板を用いても良い。プラスチック基板としてはPET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)からなる基板、可撓性基板としてはアクリル等の合成樹脂を用いることができる。 Further, a droplet discharge method, a printing method (a method for forming a pattern such as screen printing or offset printing), a coating method such as a spin coating method, a dipping method, a dispenser method, or the like can also be used. In this embodiment, the insulating layer 112a and the insulating layer 112b are formed by a plasma CVD method. As the substrate 100, a glass substrate, a quartz substrate, a metal substrate, or a stainless substrate on which an insulating layer is formed may be used. In addition, a plastic substrate having heat resistance that can withstand the processing temperature of this embodiment may be used, or a flexible substrate such as a film may be used. As the plastic substrate, a substrate made of PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), or PES (polyethersulfone) can be used, and as the flexible substrate, a synthetic resin such as acrylic can be used.

下地膜として機能する絶縁層としては、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素などを用いることができ、単層でも2層、3層といった積層構造でもよい。 As the insulating layer functioning as a base film, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or the like can be used, and a single layer or a stacked structure of two layers or three layers may be used.

次いで、下地膜上に半導体層を形成する。半導体層は25〜200nm(好ましくは30〜150nm)の厚さで各種手段(スパッタ法、LPCVD法、またはプラズマCVD法等)により成膜すればよい。本実施の形態では、非晶質半導体層を、レーザ結晶化し、結晶性半導体層とするものを用いるのが好ましい。 Next, a semiconductor layer is formed over the base film. The semiconductor layer may be formed to have a thickness of 25 to 200 nm (preferably 30 to 150 nm) by various means (such as sputtering, LPCVD, or plasma CVD). In this embodiment mode, it is preferable to use a crystalline semiconductor layer obtained by crystallizing an amorphous semiconductor layer by laser crystallization.

結晶性半導体層の作製方法は、種種の方法(レーザ結晶化法、熱結晶化法、またはニッケルなどの結晶化を助長する元素を用いた熱結晶化法等)を用いれば良い。また微結晶半導体をレーザ照射して結晶化し、結晶性を高めることもできる。結晶化を助長する元素を導入しない場合は、非晶質半導体層にレーザ光を照射する前に、窒素雰囲気下500℃で1時間加熱することによって非晶質半導体層の含有水素濃度を1×1020atoms/cm以下にまで放出させる。これは水素を多く含んだ非晶質半導体層にレーザ光を照射すると非晶質半導体層が破壊されてしまうからである。結晶化のための加熱処理は、加熱炉、レーザ照射、若しくはランプから発する光の照射(ランプアニールともいう)などを用いることができる。加熱方法としてGRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)法、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)法等のRTA法がある。GRTAとは高温のガスを用いて加熱処理を行う方法であり、LRTAとはランプ光により加熱処理を行う方法である。 As a method for manufacturing the crystalline semiconductor layer, various methods (laser crystallization method, thermal crystallization method, thermal crystallization method using an element that promotes crystallization such as nickel) may be used. Further, the crystallinity can be increased by crystallizing a microcrystalline semiconductor by laser irradiation. In the case where an element for promoting crystallization is not introduced, the concentration of hydrogen contained in the amorphous semiconductor layer is set to 1 × by heating at 500 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere before irradiating the amorphous semiconductor layer with laser light. Release to 10 20 atoms / cm 3 or less. This is because when an amorphous semiconductor layer containing a large amount of hydrogen is irradiated with laser light, the amorphous semiconductor layer is destroyed. As the heat treatment for crystallization, a heating furnace, laser irradiation, irradiation with light emitted from a lamp (also referred to as lamp annealing), or the like can be used. There are RTA methods such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) method and an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) method as heating methods. GRTA is a method for performing heat treatment using a high-temperature gas, and LRTA is a method for performing heat treatment with lamp light.

また、非晶質半導体層を結晶化し、結晶性半導体層を形成する結晶化工程で、非晶質半導体層に結晶化を促進する元素(触媒元素、金属元素とも示す)を添加し、熱処理(550℃〜750℃で3分〜24時間)により結晶化を行ってもよい。結晶化を助長する元素としては、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスニウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)及び金(Au)から選ばれた一種又は複数種類を用いることができる。 Further, in the crystallization step of crystallizing the amorphous semiconductor layer to form the crystalline semiconductor layer, an element for promoting crystallization (also referred to as a catalyst element or a metal element) is added to the amorphous semiconductor layer, and heat treatment ( Crystallization may be carried out at 550 ° C. to 750 ° C. for 3 minutes to 24 hours. Elements that promote crystallization include iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), and platinum. One or more types selected from (Pt), copper (Cu), and gold (Au) can be used.

非晶質半導体層への金属元素の導入の仕方としては、当該金属元素を非晶質半導体層の表面又はその内部に存在させ得る手法であれば特に限定はなく、例えばスパッタ法、CVD法、プラズマ処理法(プラズマCVD法も含む)、吸着法、金属塩の溶液を塗布する方法を使用することができる。このうち溶液を用いる方法は簡便であり、金属元素の濃度調整が容易であるという点で有用である。また、このとき非晶質半導体層の表面のぬれ性を改善し、非晶質半導体層の表面全体に水溶液を行き渡らせるため、酸素雰囲気中でのUV光の照射、熱酸化法、ヒドロキシラジカルを含むオゾン水又は過酸化水素による処理等により、酸化膜を成膜することが望ましい。 The method of introducing the metal element into the amorphous semiconductor layer is not particularly limited as long as the metal element can be present on the surface of the amorphous semiconductor layer or inside the amorphous semiconductor layer. For example, sputtering, CVD, A plasma treatment method (including a plasma CVD method), an adsorption method, or a method of applying a metal salt solution can be used. Among these, the method using a solution is simple and useful in that the concentration of the metal element can be easily adjusted. At this time, in order to improve the wettability of the surface of the amorphous semiconductor layer and to spread the aqueous solution over the entire surface of the amorphous semiconductor layer, irradiation with UV light in an oxygen atmosphere, thermal oxidation method, hydroxy radical It is desirable to form an oxide film by treatment with ozone water or hydrogen peroxide.

結晶化を促進する元素を結晶性半導体層から除去、又は軽減するため、結晶性半導体層に接して、不純物元素を含む半導体層を形成し、ゲッタリングシンクとして機能させる。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素、p型を付与する不純物元素や希ガス元素などを用いることができ、例えばリン(P)、窒素(N)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、ボロン(B)、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、Kr(クリプトン)、Xe(キセノン)から選ばれた一種または複数種を用いることができる。結晶化を促進する元素を含む結晶性半導体層に、希ガス元素を含む半導体層を形成し、熱処理(550℃〜750℃で3分〜24時間)を行う。結晶性半導体層中に含まれる結晶化を促進する元素は、希ガス元素を含む半導体層中に移動し、結晶性半導体層中の結晶化を促進する元素は除去、又は軽減される。その後、ゲッタリングシンクとなった希ガス元素を含む半導体層を除去する。 In order to remove or reduce the element that promotes crystallization from the crystalline semiconductor layer, a semiconductor layer containing an impurity element is formed in contact with the crystalline semiconductor layer and functions as a gettering sink. As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity, an impurity element imparting p-type conductivity, a rare gas element, or the like can be used. For example, phosphorus (P), nitrogen (N), arsenic (As), antimony (Sb ), Bismuth (Bi), boron (B), helium (He), neon (Ne), argon (Ar), Kr (krypton), and Xe (xenon) can be used. A semiconductor layer containing a rare gas element is formed over the crystalline semiconductor layer containing an element that promotes crystallization, and heat treatment (at 550 ° C. to 750 ° C. for 3 minutes to 24 hours) is performed. The element that promotes crystallization contained in the crystalline semiconductor layer moves into the semiconductor layer containing a rare gas element, and the element that promotes crystallization in the crystalline semiconductor layer is removed or reduced. After that, the semiconductor layer containing a rare gas element that has become a gettering sink is removed.

レーザと、半導体層とを相対的に走査することにより、レーザ照射を行うことができる。またレーザ照射において、ビームを精度よく重ね合わせたり、レーザ照射開始位置やレーザ照射終了位置を制御するため、マーカーを形成することもできる。マーカーは非晶質半導体層と同時に、基板上へ形成すればよい。 Laser irradiation can be performed by relatively scanning the laser and the semiconductor layer. In laser irradiation, a marker can be formed in order to superimpose beams with high accuracy and to control the laser irradiation start position and laser irradiation end position. The marker may be formed on the substrate simultaneously with the amorphous semiconductor layer.

レーザ照射を用いる場合、連続発振型のレーザビーム(CW(CW:continuous−wave)レーザビーム)やパルス発振型のレーザビーム(パルスレーザビーム)を用いることができる。ここで用いることができるレーザビームは、Arレーザ、Krレーザ、エキシマレーザなどの気体レーザ、単結晶のYAG、YVO、フォルステライト(MgSiO)、YAlO、GdVO、若しくは多結晶(セラミック)のYAG、Y、YVO、YAlO、GdVOに、ドーパントとしてNd、Yb、Cr、Ti、Ho、Er、Tm、Taのうち1種または複数種添加されているものを媒質とするレーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ti:サファイアレーザ、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザのうち一種または複数種から発振されるものを用いることができる。このようなレーザビームの基本波、及びこれらの基本波の第2高調波から第4高調波のレーザビームを照射することで、大粒径の結晶を得ることができる。例えば、Nd:YVOレーザ(基本波1064nm)の第2高調波(532nm)や第3高調波(355nm)を用いることができる。このレーザは、CWで射出することも、パルス発振で射出することも可能である。CWで射出する場合は、レーザのパワー密度を0.01〜100MW/cm程度(好ましくは0.1〜10MW/cm)が必要である。そして、走査速度を10〜2000cm/sec程度として照射する。 When laser irradiation is used, a continuous wave laser beam (CW (continuous-wave) laser beam) or a pulsed laser beam (pulse laser beam) can be used. The laser beam that can be used here is a gas laser such as an Ar laser, a Kr laser, or an excimer laser, single crystal YAG, YVO 4 , forsterite (Mg 2 SiO 4 ), YAlO 3 , GdVO 4 , or polycrystalline ( (Ceramics) YAG, Y 2 O 3 , YVO 4 , YAlO 3 , GdVO 4 with one or more of Nd, Yb, Cr, Ti, Ho, Er, Tm, Ta added as dopants A laser oscillated from one or more of laser, glass laser, ruby laser, alexandrite laser, Ti: sapphire laser, copper vapor laser, or gold vapor laser as a medium can be used. By irradiating the fundamental wave of such a laser beam and the second to fourth harmonic laser beams of these fundamental waves, a crystal having a large grain size can be obtained. For example, a second harmonic (532 nm) or a third harmonic (355 nm) of an Nd: YVO 4 laser (fundamental wave 1064 nm) can be used. This laser can be emitted by CW or pulsed oscillation. When injected at a CW, the power density 0.01 to 100 MW / cm 2 of about laser (preferably 0.1 to 10 MW / cm 2) is required. Then, irradiation is performed at a scanning speed of about 10 to 2000 cm / sec.

なお、単結晶のYAG、YVO、フォルステライト(MgSiO)、YAlO、GdVO、若しくは多結晶(セラミック)のYAG、Y、YVO、YAlO、GdVOに、ドーパントとしてNd、Yb、Cr、Ti、Ho、Er、Tm、Taのうち1種または複数種添加されているものを媒質とするレーザ、Arイオンレーザ、またはTi:サファイアレーザは、連続発振をさせることが可能であり、Qスイッチ動作やモード同期などを行うことによって10MHz以上の発振周波数でパルス発振をさせることも可能である。10MHz以上の発振周波数でレーザビームを発振させると、半導体層がレーザによって溶融してから固化するまでの間に、次のパルスが半導体層に照射される。従って、発振周波数が低いパルスレーザを用いる場合と異なり、半導体層中において固液界面を連続的に移動させることができるため、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒を得ることができる。 Note that single crystal YAG, YVO 4 , forsterite (Mg 2 SiO 4 ), YAlO 3 , GdVO 4 , or polycrystalline (ceramic) YAG, Y 2 O 3 , YVO 4 , YAlO 3 , GdVO 4 , dopants Nd, Yb, Cr, Ti, Ho, Er, Tm, Ta, a laser using a medium added with one or more, an Ar ion laser, or a Ti: sapphire laser should oscillate continuously It is also possible to perform pulse oscillation at an oscillation frequency of 10 MHz or more by performing Q switch operation, mode synchronization, or the like. When a laser beam is oscillated at an oscillation frequency of 10 MHz or more, the semiconductor layer is irradiated with the next pulse after the semiconductor layer is melted by the laser and solidified. Therefore, unlike the case of using a pulse laser having a low oscillation frequency, the solid-liquid interface can be continuously moved in the semiconductor layer, so that crystal grains continuously grown in the scanning direction can be obtained.

媒質としてセラミック(多結晶)を用いると、短時間かつ低コストで自由な形状に媒質を形成することが可能である。単結晶を用いる場合、通常、直径数mm、長さ数十mmの円柱状の媒質が用いられているが、セラミックを用いる場合はさらに大きいものを作ることが可能である。 When ceramic (polycrystal) is used as the medium, it is possible to form the medium in a free shape in a short time and at low cost. When a single crystal is used, a cylindrical medium having a diameter of several millimeters and a length of several tens of millimeters is usually used. However, when ceramic is used, a larger one can be made.

発光に直接寄与する媒質中のNd、Ybなどのドーパントの濃度は、単結晶中でも多結晶中でも大きくは変えられないため、濃度を増加させることによるレーザの出力向上にはある程度限界がある。しかしながら、セラミックの場合、単結晶と比較して媒質の大きさを著しく大きくすることができるため大幅な出力向上ができる。 Since the concentration of dopants such as Nd and Yb in the medium that directly contributes to light emission cannot be changed greatly regardless of whether it is a single crystal or a polycrystal, there is a certain limit to improving the laser output by increasing the concentration. However, in the case of ceramic, since the size of the medium can be remarkably increased as compared with the single crystal, the output can be greatly improved.

さらに、セラミックの場合では、平行六面体形状や直方体形状の媒質を容易に形成することが可能である。このような形状の媒質を用いて、発振光を媒質の内部でジグザグに進行させると、発振光路を長くとることができる。そのため、増幅が大きくなり、大出力で発振させることが可能になる。また、このような形状の媒質から射出されるレーザビームは射出時の断面形状が四角形状であるため、丸状のビームと比較すると、線状ビームに整形するのに有利である。このように射出されたレーザビームを、光学系を用いて整形することによって、短辺の長さ1mm以下、長辺の長さ数mm〜数mの線状ビームを容易に得ることが可能となる。また、励起光を媒質に均一に照射することにより、線状ビームは長辺方向にエネルギー分布の均一なものとなる。またさらにレーザは、半導体層に対して入射角θ(0<θ<90度)を持たせて照射させるとよい。レーザの干渉を防止することができるからである。 Further, in the case of ceramic, a medium having a parallelepiped shape or a rectangular parallelepiped shape can be easily formed. When a medium having such a shape is used to cause oscillation light to travel in a zigzag manner inside the medium, the oscillation optical path can be made longer. As a result, amplification is increased and oscillation can be performed with high output. Further, since the laser beam emitted from the medium having such a shape has a quadrangular cross-sectional shape at the time of emission, it is advantageous for shaping into a linear beam as compared with a round beam. By shaping the emitted laser beam using an optical system, it is possible to easily obtain a linear beam having a short side length of 1 mm or less and a long side length of several mm to several m. Become. In addition, by irradiating the medium with the excitation light uniformly, the linear beam has a uniform energy distribution in the long side direction. Further, the laser may be irradiated with an incident angle θ (0 <θ <90 degrees) with respect to the semiconductor layer. This is because laser interference can be prevented.

この線状ビームを半導体層に照射することによって、半導体層の全面をより均一にアニールすることが可能になる。線状ビームの両端まで均一なアニールが必要な場合は、その両端にスリットを配置し、エネルギーの減衰部を遮光するなどの工夫が必要となる。 By irradiating the semiconductor layer with this linear beam, the entire surface of the semiconductor layer can be annealed more uniformly. When uniform annealing is required up to both ends of the linear beam, it is necessary to arrange a slit at both ends to shield the energy attenuating portion.

また、希ガスや窒素などの不活性ガス雰囲気中でレーザ光を照射するようにしても良い。これにより、レーザ光の照射により半導体表面の荒れを抑えることができ、界面準位密度のばらつきによって生じるしきい値のばらつきを抑えることができる。 Further, laser light may be irradiated in an inert gas atmosphere such as a rare gas or nitrogen. Accordingly, the surface roughness of the semiconductor can be suppressed by laser light irradiation, and variations in threshold values caused by variations in interface state density can be suppressed.

非晶質半導体層の結晶化は、熱処理とレーザ光照射による結晶化を組み合わせてもよく、熱処理やレーザ光照射を単独で、複数回行っても良い。 The crystallization of the amorphous semiconductor layer may be a combination of heat treatment and crystallization by laser light irradiation, or may be performed multiple times by heat treatment or laser light irradiation alone.

このようにして得られた半導体層に対して、薄膜トランジスタのしきい値電圧を制御するために微量な不純物元素(ボロンまたはリン)のドーピングを行ってもよい。この不純物元素のドーピングは、結晶化工程の前の非晶質半導体層に行ってもよい。非晶質半導体層の状態で不純物元素をドーピングすると、その後の結晶化のための加熱処理によって、不純物の活性化も行うことができる。また、ドーピングの際に生じる欠陥等も改善することができる。 The semiconductor layer thus obtained may be doped with a trace amount of an impurity element (boron or phosphorus) in order to control the threshold voltage of the thin film transistor. This doping of the impurity element may be performed on the amorphous semiconductor layer before the crystallization step. When an impurity element is doped in the state of the amorphous semiconductor layer, the impurity can be activated by heat treatment for subsequent crystallization. In addition, defects and the like generated during doping can be improved.

結晶性半導体層である半導体層に不純物元素を選択的に添加し、素子分離領域を形成する。素子分離領域によって半導体層は複数の素子領域に分離される。半導体層上に、マスク層103a、103b、103c、103dを形成し、導電性に寄与しない不純物元素104を添加する。導電性に寄与しない不純物元素104の添加によって、半導体層中に、素子分離領域101a、101b、101c、101d、101e、101f、101g、101h、当該素子分離領域によって絶縁分離された素子領域102a、102b、102c、102dが形成される(図5(A)参照。)。 An impurity element is selectively added to the semiconductor layer which is a crystalline semiconductor layer, so that an element isolation region is formed. The semiconductor layer is separated into a plurality of element regions by the element isolation region. Mask layers 103a, 103b, 103c, and 103d are formed over the semiconductor layer, and an impurity element 104 that does not contribute to conductivity is added. By adding the impurity element 104 that does not contribute to conductivity, the element isolation regions 101a, 101b, 101c, 101d, 101e, 101f, 101g, and 101h and the element regions 102a and 102b that are insulated and isolated by the element isolation region are formed in the semiconductor layer. , 102c and 102d are formed (see FIG. 5A).

素子分離領域は、連続した半導体層において、素子間を電気的に分離するために、選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加して形成する。導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域は、導電性に寄与しない不純物元素の混入により導電性が低下し、また添加時の半導体層へ物理的衝撃により(いわゆるスパッタ効果とも言える)結晶性が低下するため高抵抗化する。高抵抗化した素子分離領域においては、電界効果移動度も低下するため素子間を電気的に分離することができ、一方、不純物元素を添加しない領域の結晶性は高いままであり抵抗も低いため、素子として機能しうる電界効果移動度を保っており、素子領域として用いることができる。 The element isolation region is formed by selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon in order to electrically isolate elements from each other in a continuous semiconductor layer. In the element isolation region to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added, the conductivity decreases due to the mixing of the impurity element that does not contribute to conductivity, and the crystal is caused by physical impact (so-called sputtering effect) on the semiconductor layer at the time of addition. The resistance is lowered due to the decrease in performance. In the element isolation region with high resistance, field effect mobility is also reduced, so that the elements can be electrically isolated. On the other hand, the crystallinity of the region to which no impurity element is added remains high and the resistance is low. The field-effect mobility that can function as an element is maintained and can be used as an element region.

素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上が好ましく、酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満が好ましい。 The resistivity of the element isolation region is preferably 1 × 10 10 Ω · cm or more, and the concentration of impurity elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3. .

素子分離領域は、不純物元素の添加により結晶性が低下しているため、非晶質化しているともいえる。一方、素子領域は結晶性半導体層なので、素子領域に半導体素子を形成する場合、そのチャネル形成領域の結晶性は、素子分離領域より高く半導体素子として高い電界効果移動度を得ることができる。 It can be said that the element isolation region is amorphous because the crystallinity is lowered by the addition of the impurity element. On the other hand, since the element region is a crystalline semiconductor layer, when a semiconductor element is formed in the element region, the crystallinity of the channel formation region is higher than that of the element isolation region and high field effect mobility can be obtained as a semiconductor element.

素子分離領域に添加する不純物元素としては、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス元素も用いてもよい。酸素、窒素、及び炭素の他に、比較的質量の大きな元素であるこれらの希ガス元素を更に添加すると、半導体層への物理的衝撃を大きくすることができるため、より効果的に結晶性を低下させることができる。 As an impurity element added to the element isolation region, a rare gas element such as argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), or xenon (Xe) may be used. In addition to oxygen, nitrogen, and carbon, the addition of these rare gas elements, which are relatively large elements, can increase the physical impact on the semiconductor layer, so that the crystallinity can be more effectively improved. Can be reduced.

本実施の形態では連続的な半導体層中に素子分離領域及び素子領域を設けているので、半導体層中に、素子分離領域101a、101b、101c、101d、101e、101f、101g、101h、当該素子分離領域によって絶縁分離された素子領域102a、102b、102c、102dは連続している。よって、その表面は平坦性が高く、急激な段差を有さない。 In this embodiment mode, the element isolation region and the element region are provided in the continuous semiconductor layer. Therefore, the element isolation regions 101a, 101b, 101c, 101d, 101e, 101f, 101g, and 101h are included in the semiconductor layer. The element regions 102a, 102b, 102c, and 102d that are insulated and separated by the isolation region are continuous. Therefore, the surface has high flatness and does not have a steep step.

マスクを除去し、半導体層上に第1の絶縁層105、第1の絶縁層105上に電荷蓄積層106を形成する。 The mask is removed, and the first insulating layer 105 is formed over the semiconductor layer, and the charge storage layer 106 is formed over the first insulating layer 105.

第1の絶縁層105は平坦性の高い半導体層上に形成されるため、被覆性がよく、形状不良も生じにくい。よって、第1の絶縁層105上に形成される電荷蓄積層106と素子領域102cにおいてリーク電流やショートなどの不良を防止することができる。よって本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置である半導体装置は第1の絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層である電荷蓄積層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い半導体装置とすることができる。 Since the first insulating layer 105 is formed over a semiconductor layer with high flatness, the first insulating layer 105 has good coverage and is less likely to have a shape defect. Therefore, defects such as a leakage current and a short circuit can be prevented in the charge storage layer 106 and the element region 102c formed over the first insulating layer 105. Therefore, the semiconductor device which is the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment has a reliability in which defects such as a short circuit and a leakage current between the charge storage layer, which is a charge storage layer, and the semiconductor layer due to a coating failure of the first insulating layer are prevented. A highly reliable semiconductor device can be obtained.

第1の絶縁層105は、半導体層に熱処理又はプラズマ処理等を行うことによって形成することができる。例えば、高密度プラズマ処理により当該半導体層に酸化処理、窒化処理又は酸窒化処理を行うことによって、当該半導体層上にそれぞれ酸化膜、窒化膜又は酸窒化膜となる第1の絶縁層105を形成する。なお、プラズマCVD法やスパッタ法により形成してもよい。 The first insulating layer 105 can be formed by performing heat treatment, plasma treatment, or the like on the semiconductor layer. For example, by performing oxidation treatment, nitridation treatment, or oxynitridation treatment on the semiconductor layer by high-density plasma treatment, the first insulating layer 105 that becomes an oxide film, a nitride film, or an oxynitride film is formed over the semiconductor layer, respectively. To do. In addition, you may form by plasma CVD method or a sputtering method.

例えば、半導体層としてSiを主成分とする半導体層を用いて高密度プラズマ処理により酸化処理又は窒化処理を行った場合、第1の絶縁層105として酸化珪素層又は窒化珪素層が形成される。また、高密度プラズマ処理により半導体層に酸化処理を行った後に、再度高密度プラズマ処理を行うことによって窒化処理を行ってもよい。この場合、半導体層に接して酸化珪素層が形成され、当該酸化珪素層の表面又は表面近傍に窒素プラズマ処理層が形成される。 For example, when a semiconductor layer containing Si as a main component is used as a semiconductor layer and oxidation or nitridation is performed by high-density plasma treatment, a silicon oxide layer or a silicon nitride layer is formed as the first insulating layer 105. Alternatively, after the semiconductor layer is oxidized by high-density plasma treatment, nitriding treatment may be performed by performing high-density plasma treatment again. In this case, a silicon oxide layer is formed in contact with the semiconductor layer, and a nitrogen plasma treatment layer is formed on or near the surface of the silicon oxide layer.

ここでは、第1の絶縁層105を1〜10nm、好ましくは1〜5nmで形成する。例えば、高密度プラズマ処理により半導体層に酸化処理を行い当該半導体層の表面に概略3nmの酸化珪素層を形成した後、高密度プラズマ処理により窒化処理を行い酸化珪素層の表面又は表面の近傍に窒素プラズマ処理層を形成する。具体的には、まず、酸素雰囲気下のプラズマ処理により半導体層上に3nm〜6nmの厚さで酸化珪素層を形成する。その後、続けて窒素雰囲気下でプラズマ処理を行うことにより酸化珪素層の表面又は表面近傍に窒素濃度の高い窒素プラズマ処理層を設ける。ここでは、窒素雰囲気下でプラズマ処理を行うことによって、酸化珪素層の表面から概略1nmの深さに窒素を20〜50原子%の割合で含有させた構造とする。窒素プラズマ処理層には、酸素と窒素を含有した珪素(酸窒化珪素)が形成されている。また、このとき、高密度プラズマ処理による酸化処理と窒化処理は大気に一度も曝されることなく連続して行うことが好ましい。高密度プラズマ処理を連続して行うことによって、汚染物の混入の防止や生産効率の向上を実現することができる。 Here, the first insulating layer 105 is formed with a thickness of 1 to 10 nm, preferably 1 to 5 nm. For example, the semiconductor layer is oxidized by high-density plasma treatment to form a silicon oxide layer having a thickness of about 3 nm on the surface of the semiconductor layer, and then nitrided by high-density plasma treatment to be near or near the surface of the silicon oxide layer. A nitrogen plasma treatment layer is formed. Specifically, first, a silicon oxide layer is formed with a thickness of 3 nm to 6 nm on the semiconductor layer by plasma treatment in an oxygen atmosphere. Then, a nitrogen plasma processing layer having a high nitrogen concentration is provided on or near the surface of the silicon oxide layer by subsequently performing plasma processing in a nitrogen atmosphere. Here, a plasma treatment is performed in a nitrogen atmosphere to form a structure in which nitrogen is contained at a ratio of 20 to 50 atomic% at a depth of approximately 1 nm from the surface of the silicon oxide layer. In the nitrogen plasma treatment layer, silicon (silicon oxynitride) containing oxygen and nitrogen is formed. At this time, it is preferable that the oxidation treatment and the nitriding treatment by the high-density plasma treatment are continuously performed without being exposed to the atmosphere. By continuously performing the high-density plasma treatment, it is possible to prevent contamination from entering and improve production efficiency.

なお、高密度プラズマ処理により半導体層を酸化する場合には、酸素を含む雰囲気下(例えば、酸素(O)又は一酸化二窒素(NO)と希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)雰囲気下、若しくは酸素又は一酸化二窒素と水素(H)と希ガス雰囲気下)で行う。一方、高密度プラズマ処理により半導体層を窒化する場合には、窒素を含む雰囲気下(例えば、窒素(N)と希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)雰囲気下、窒素と水素と希ガス雰囲気下、若しくはNHと希ガス雰囲気下)でプラズマ処理を行う。 Note that in the case where the semiconductor layer is oxidized by high-density plasma treatment, an atmosphere containing oxygen (for example, oxygen (O 2 ) or dinitrogen monoxide (N 2 O) and a rare gas (He, Ne, Ar, Kr And at least one of Xe), oxygen, or dinitrogen monoxide and hydrogen (H 2 ) and a rare gas atmosphere. On the other hand, in the case of nitriding a semiconductor layer by high-density plasma treatment, an atmosphere containing nitrogen (for example, an atmosphere containing nitrogen (N 2 ) and a rare gas (containing at least one of He, Ne, Ar, Kr, and Xe)) Under nitrogen, hydrogen, and rare gas atmosphere, or NH 3 and rare gas atmosphere).

希ガスとしては、例えばArを用いることができる。また、ArとKrを混合したガスを用いてもよい。高密度プラズマ処理を希ガス雰囲気中で行った場合、第1の絶縁層105は、プラズマ処理に用いた希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)を含んでいる場合があり、Arを用いた場合には第1の絶縁層105にArが含まれている場合がある。 As the rare gas, for example, Ar can be used. A gas in which Ar and Kr are mixed may be used. When the high-density plasma treatment is performed in a rare gas atmosphere, the first insulating layer 105 includes a rare gas (including at least one of He, Ne, Ar, Kr, and Xe) used for the plasma treatment. In some cases, when Ar is used, the first insulating layer 105 may contain Ar.

また、高密度プラズマ処理は、上記ガスの雰囲気中において、電子密度が1×1011cm−3以上であり、プラズマの電子温度が1.5eV以下で行う。より詳しくは、電子密度が1×1011cm−3以上1×1013cm−3以下で、プラズマの電子温度が0.5eV以上1.5eV以下で行う。プラズマの電子密度が高密度であり、基板100上に形成された被処理物(ここでは、半導体層)付近での電子温度が低いため、被処理物に対するプラズマによる損傷を防止することができる。また、プラズマの電子密度が1×1011cm−3以上と高密度であるため、プラズマ処理を用いて、被処理物を酸化または窒化することよって形成される酸化膜または窒化膜は、CVD法やスパッタ法等により形成された膜と比較して膜厚等が均一性に優れ、且つ緻密な膜を形成することができる。また、プラズマの電子温度が1.5eV以下と低いため、従来のプラズマ処理や熱酸化法と比較して低温度で酸化または窒化処理を行うことができる。例えば、ガラス基板の歪点よりも100度以上低い温度でプラズマ処理を行っても十分に酸化または窒化処理を行うことができる。プラズマを形成するための周波数としては、マイクロ波(例えば、2.45GHz)等の高周波を用いることができる。 The high-density plasma treatment is performed in an atmosphere of the above gas at an electron density of 1 × 10 11 cm −3 or more and an electron temperature of plasma of 1.5 eV or less. More specifically, the electron density is 1 × 10 11 cm −3 to 1 × 10 13 cm −3 and the plasma electron temperature is 0.5 eV to 1.5 eV. Since the electron density of plasma is high and the electron temperature in the vicinity of an object to be processed (here, a semiconductor layer) formed on the substrate 100 is low, damage to the object to be processed can be prevented. In addition, since the electron density of plasma is as high as 1 × 10 11 cm −3 or higher, an oxide film or a nitride film formed by oxidizing or nitriding an object to be processed using plasma treatment is a CVD method. Compared with a film formed by sputtering or the like, a film having excellent uniformity in film thickness and the like and a dense film can be formed. In addition, since the electron temperature of plasma is as low as 1.5 eV or less, oxidation or nitridation can be performed at a lower temperature than conventional plasma treatment or thermal oxidation. For example, even if the plasma treatment is performed at a temperature lower than 100 degrees below the strain point of the glass substrate, the oxidation or nitridation treatment can be sufficiently performed. As a frequency for forming plasma, a high frequency such as a microwave (eg, 2.45 GHz) can be used.

本実施の形態では、高密度プラズマ処理により被処理物の酸化処理を行う場合、酸素(O)、水素(H)とアルゴン(Ar)との混合ガスを導入する。ここで用いる混合ガスは、酸素を0.1〜100sccm、水素を0.1〜100sccm、アルゴンを100〜5000sccmとして導入すればよい。なお、酸素:水素:アルゴン=1:1:100の比率で混合ガスを導入することが好ましい。例えば、酸素を5sccm、水素を5sccm、アルゴンを500sccmとして導入すればよい。 In this embodiment, when an object to be processed is oxidized by high-density plasma treatment, a mixed gas of oxygen (O 2 ), hydrogen (H 2 ), and argon (Ar) is introduced. The mixed gas used here may be introduced with 0.1 to 100 sccm of oxygen, 0.1 to 100 sccm of hydrogen, and 100 to 5000 sccm of argon. Note that the mixed gas is preferably introduced at a ratio of oxygen: hydrogen: argon = 1: 1: 100. For example, oxygen may be introduced at 5 sccm, hydrogen at 5 sccm, and argon at 500 sccm.

また、高密度プラズマ処理により窒化処理を行う場合、窒素(N)とアルゴン(Ar)との混合ガスを導入する。ここで用いる混合ガスは、窒素を20〜2000sccm、アルゴンを100〜10000sccmとして導入すればよい。例えば、窒素を200sccm、アルゴンを1000sccmとして導入すればよい。 In addition, when performing nitriding treatment by high-density plasma treatment, a mixed gas of nitrogen (N 2 ) and argon (Ar) is introduced. The mixed gas used here may be introduced at 20 to 2000 sccm of nitrogen and 100 to 10,000 sccm of argon. For example, nitrogen may be introduced at 200 sccm and argon at 1000 sccm.

本実施の形態において、メモリ部に設けられた半導体層上に形成される第1の絶縁層105は、後に完成する不揮発性メモリ素子において、トンネル絶縁層として機能する。従って、第1の絶縁層105の膜厚が薄いほど、トンネル電流が流れやすく、メモリとして高速動作が可能となる。また、第1の絶縁層105の膜厚が薄いほど、後に形成される電荷蓄積層に低電圧で電荷を蓄積させることが可能となるため、半導体装置の消費電力を低減することができる。そのため、第1の絶縁層105は、膜厚を薄く形成することが好ましい。 In this embodiment mode, the first insulating layer 105 formed over the semiconductor layer provided in the memory portion functions as a tunnel insulating layer in a nonvolatile memory element completed later. Therefore, the thinner the first insulating layer 105 is, the easier it is for the tunnel current to flow, so that the memory can operate at high speed. In addition, the thinner the first insulating layer 105 is, the more charge can be stored in a charge storage layer formed later at a low voltage, so that power consumption of the semiconductor device can be reduced. Therefore, the first insulating layer 105 is preferably formed thin.

一般的に、半導体層上に絶縁層を薄く形成する方法として熱酸化法があるが、基板100としてガラス基板等の融点が十分に高くない基板を用いる場合には、熱酸化法により第1の絶縁層105を形成することは非常に困難である。また、CVD法やスパッタ法により形成した絶縁層は、膜の内部に欠陥を含んでいるため膜質が十分でなく、膜厚を薄く形成した場合にはピンホール等の欠陥が生じる問題がある。また、CVD法やスパッタ法により絶縁層を形成した場合には、半導体層の端部の被覆が十分でなく、後に第1の絶縁層105上に形成される導電膜等と半導体層とがショートする場合がある。従って、本実施の形態で示すように、高密度プラズマ処理により第1の絶縁層105を形成することによって、CVD法やスパッタ法等により形成した絶縁層より緻密な絶縁層を形成することができ、その結果、メモリとして高速動作や電荷保持特性を向上させることができる。なお、CVD法やスパッタ法により第1の絶縁層105を形成した場合には、絶縁層を形成した後に高密度プラズマ処理を行い当該絶縁層の表面に酸化処理、窒化処理又は酸窒化処理を行うことが好ましい。 In general, there is a thermal oxidation method as a method for forming a thin insulating layer over a semiconductor layer. However, when a substrate having a sufficiently low melting point such as a glass substrate is used as the substrate 100, the first method is performed by the thermal oxidation method. It is very difficult to form the insulating layer 105. In addition, an insulating layer formed by a CVD method or a sputtering method includes defects inside the film, so that the film quality is not sufficient, and there is a problem that defects such as pinholes occur when the film thickness is thin. In addition, in the case where the insulating layer is formed by a CVD method or a sputtering method, the end of the semiconductor layer is not sufficiently covered, and the conductive layer and the like which are formed later on the first insulating layer 105 and the semiconductor layer are short-circuited. There is a case. Therefore, as shown in this embodiment mode, by forming the first insulating layer 105 by high-density plasma treatment, an insulating layer denser than an insulating layer formed by a CVD method, a sputtering method, or the like can be formed. As a result, high-speed operation and charge retention characteristics as a memory can be improved. Note that in the case where the first insulating layer 105 is formed by a CVD method or a sputtering method, after the insulating layer is formed, high-density plasma treatment is performed, and the surface of the insulating layer is oxidized, nitrided, or oxynitrided. It is preferable.

浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層106にはシリコン、シリコン化合物、ゲルマニウム、又はゲルマニウム化合物を用いて形成することができる。シリコン化合物としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、炭化シリコン、ゲルマニウムを10原子%以上の濃度で含むシリコンゲルマニウム、金属窒化物、金属酸化物などを適用することができる。ゲルマニウム化合物の代表例としては、シリコンゲルマニウムであり、この場合シリコンに対してゲルマニウムが10原子%以上含まれていることが好ましい。ゲルマニウムの濃度が10原子%以下であると、構成元素としての効果が薄れ、バンドギャップが有効に小さくならないためである。 The charge storage layer 106 functioning as a floating gate can be formed using silicon, a silicon compound, germanium, or a germanium compound. As the silicon compound, silicon germanium, metal nitride, metal oxide, or the like containing silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon carbide, germanium at a concentration of 10 atomic% or more can be used. A typical example of the germanium compound is silicon germanium. In this case, it is preferable that germanium is contained at 10 atomic% or more with respect to silicon. This is because if the germanium concentration is 10 atomic% or less, the effect as a constituent element is reduced, and the band gap is not effectively reduced.

電荷蓄積層106は電荷を蓄積する目的で、本発明に係る半導体装置に適用されるが、同様の機能を備えるものであれば他の材料を適用することもできる。例えば、ゲルマニウムを含む三元系の半導体であっても良い。また、当該半導体材料が水素化されていても良い。また、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積層としての機能を持つものとして、当該ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物の酸化物若しくは窒化物の層で置き換えることもできる。 The charge accumulation layer 106 is applied to the semiconductor device according to the present invention for the purpose of accumulating charges, but other materials can be applied as long as they have the same function. For example, a ternary semiconductor containing germanium may be used. Further, the semiconductor material may be hydrogenated. Further, it can be replaced with an oxide or nitride layer of germanium or a germanium compound as a function as a charge storage layer of the nonvolatile memory element.

また、電荷蓄積層106を形成するものとして、金属窒化物又は金属酸化物を用いることができる。金属窒化物としては、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンなどを用いることができる。金属酸化物としては、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズなどを用いることができる。 Further, a metal nitride or a metal oxide can be used for forming the charge storage layer 106. As the metal nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, titanium nitride, or the like can be used. As the metal oxide, tantalum oxide, titanium oxide, tin oxide, or the like can be used.

また上記あげた材料の積層構造によって電荷蓄積層106を形成しても良い。上記したシリコン若しくはシリコン化合物、金属窒化物又は金属酸化物の層は、ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物で形成される層の上層側に設けると、製造工程においては、耐水性や耐薬品性を目的としたバリア層として用いることができる。それにより、フォトリソ工程、エッチング工程、洗浄工程における基板の扱いが容易となり、生産性を向上させることができる。すなわち、電荷蓄積層の加工を容易なものとすることができる。 Alternatively, the charge storage layer 106 may be formed using a stacked structure of the above materials. When the above-described silicon or silicon compound, metal nitride or metal oxide layer is provided on the upper layer side of the layer formed of germanium or germanium compound, a barrier for water resistance and chemical resistance is provided in the manufacturing process. Can be used as a layer. Thereby, the handling of the substrate in the photolithography process, the etching process, and the cleaning process becomes easy, and the productivity can be improved. That is, the charge storage layer can be easily processed.

第1の絶縁層105及び電荷蓄積層106を所望の形状に加工して、メモリ素子として用いる素子領域102c上に第1の絶縁層107及び電荷蓄積層108を形成する。さらに電荷蓄積層108上にマスク層120を形成し、マスク層120を用いて電荷蓄積層108を選択的にエッチング処理することにより電荷蓄積層109を形成する。 The first insulating layer 105 and the charge storage layer 106 are processed into desired shapes, and the first insulating layer 107 and the charge storage layer 108 are formed over the element region 102c used as a memory element. Further, a mask layer 120 is formed over the charge storage layer 108, and the charge storage layer 109 is formed by selectively etching the charge storage layer 108 using the mask layer 120.

次に、素子領域102dの特定の領域に不純物領域を形成する。ここでは、マスク層120を除去後、素子領域102a、102b、102cと、素子領域102dの一部を選択的に覆うようにマスク層121a、121b、121c、121d、121e、121fを形成し、当該マスク層121a〜121fに覆われていない素子領域102dに不純物元素119を導入することによって、不純物領域122a、122bを形成する(図5(E)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。ここでは、不純物元素として、リン(P)を素子領域102dに導入する。   Next, an impurity region is formed in a specific region of the element region 102d. Here, after removing the mask layer 120, mask layers 121a, 121b, 121c, 121d, 121e, and 121f are formed so as to selectively cover the element regions 102a, 102b, and 102c and part of the element region 102d. Impurity regions 122a and 122b are formed by introducing the impurity element 119 into the element region 102d which is not covered with the mask layers 121a to 121f (see FIG. 5E). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. Here, phosphorus (P) is introduced as an impurity element into the element region 102d.

次に、素子領域102dと、素子領域102cの上方に形成された第1の絶縁層107と電荷蓄積層109を覆うように第2の絶縁層123を形成する。 Next, a second insulating layer 123 is formed so as to cover the element region 102d and the first insulating layer 107 and the charge storage layer 109 formed above the element region 102c.

第2の絶縁層123は、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン(SiOxNy)(x>y>0)、窒化酸化シリコン(SiNxOy)(x>y>0)等の絶縁材料を用いて単層又は積層して形成する。また第2の絶縁層123は、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化ハフニウム(HfOx)、酸化タンタル(TaOx)を用いて形成してもよい。例えば、第2の絶縁層123を単層で設ける場合には、CVD法により酸化窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜を5〜50nmの膜厚で形成する。また、第2の絶縁層123を3層構造で設ける場合には、第1層目の絶縁層として酸化窒化シリコン膜を形成し、第2の絶縁層として窒化珪素膜を形成し、第3の絶縁層として酸化窒化シリコン膜を形成する。また、他にも第2の絶縁層123として、ゲルマニウムの酸化物又は窒化物を用いてもよい。 The second insulating layer 123 is formed using silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride (SiOxNy) (x> y> 0), silicon nitride oxide (SiNxOy) (x> y> 0) by a CVD method, a sputtering method, or the like. ) Or the like, and a single layer or a stacked layer. The second insulating layer 123 may be formed using aluminum oxide (AlOx), hafnium oxide (HfOx), or tantalum oxide (TaOx). For example, in the case where the second insulating layer 123 is provided as a single layer, a silicon oxynitride film or a silicon nitride oxide film is formed with a thickness of 5 to 50 nm by a CVD method. In the case where the second insulating layer 123 is provided in a three-layer structure, a silicon oxynitride film is formed as the first insulating layer, a silicon nitride film is formed as the second insulating layer, A silicon oxynitride film is formed as the insulating layer. Alternatively, germanium oxide or nitride may be used for the second insulating layer 123.

なお、素子領域102cの上方に形成された第2の絶縁層123は、後に完成する不揮発性メモリ素子においてコントロール絶縁層として機能し、素子領域102dの上方に形成された第2の絶縁層123は、後に完成するトランジスタにおいてゲート絶縁層として機能する。   Note that the second insulating layer 123 formed above the element region 102c functions as a control insulating layer in a nonvolatile memory element to be completed later, and the second insulating layer 123 formed above the element region 102d is It functions as a gate insulating layer in a transistor to be completed later.

次に、素子領域102a、102bを覆うように第3の絶縁層135を形成する(図6(A)参照)。   Next, a third insulating layer 135 is formed so as to cover the element regions 102a and 102b (see FIG. 6A).

第3の絶縁層135は、上記第1の絶縁層105の形成方法で示したいずれかの方法を用いて形成する。例えば、高密度プラズマ処理により素子領域102a、102b、素子分離領域101a、101b、101c、101dを含む半導体層に酸化処理、窒化処理又は酸窒化処理を行うことによって、当該半導体層上にそれぞれ珪素の酸化膜、窒化膜又は酸窒化膜となる第3の絶縁層135を形成する。   The third insulating layer 135 is formed using any of the methods described in the method for forming the first insulating layer 105. For example, by performing oxidation treatment, nitridation treatment, or oxynitridation treatment on a semiconductor layer including the element regions 102a and 102b and the element isolation regions 101a, 101b, 101c, and 101d by high-density plasma treatment, silicon is formed on each of the semiconductor layers. A third insulating layer 135 to be an oxide film, a nitride film, or an oxynitride film is formed.

ここでは、第3の絶縁層135を1〜20nm、好ましくは1〜10nmで形成する。例えば、高密度プラズマ処理により半導体層に酸化処理を行い当該素子領域102a、102b、素子分離領域101a、101b、101c、101dを含む半導体層の表面に酸化珪素膜を形成した後、高密度プラズマ処理により窒化処理を行い酸化珪素膜の表面に酸窒化珪素膜を形成する。また、この場合、素子領域102c、102dの上方に形成された第2の絶縁層123の表面にも酸化処理又は窒化処理が行われ、酸化膜又は酸窒化膜が形成される。素子領域102a、102bの上方に形成された第3の絶縁層135は、後に完成するトランジスタにおいてゲート絶縁層として機能する。   Here, the third insulating layer 135 is formed with a thickness of 1 to 20 nm, preferably 1 to 10 nm. For example, the semiconductor layer is oxidized by high-density plasma treatment to form a silicon oxide film on the surface of the semiconductor layer including the element regions 102a and 102b and the element isolation regions 101a, 101b, 101c, and 101d, and then the high-density plasma treatment is performed. A silicon oxynitride film is formed on the surface of the silicon oxide film by performing nitriding treatment. In this case, the surface of the second insulating layer 123 formed above the element regions 102c and 102d is also oxidized or nitrided to form an oxide film or oxynitride film. The third insulating layer 135 formed above the element regions 102a and 102b functions as a gate insulating layer in a transistor to be completed later.

次に、半導体層において素子領域102a、102bの上方に形成された第3の絶縁層135、素子領域102c、102dの上方に形成された第2の絶縁層123を覆うように導電膜を形成する。ここでは、導電膜として、第1の導電膜と第2の導電膜を順に積層して形成した例を示している。もちろん、導電膜は、単層又は3層以上の積層構造で形成してもよい。 Next, a conductive film is formed so as to cover the third insulating layer 135 formed above the element regions 102a and 102b and the second insulating layer 123 formed above the element regions 102c and 102d in the semiconductor layer. . Here, an example in which a first conductive film and a second conductive film are sequentially stacked as the conductive film is shown. Needless to say, the conductive film may be formed of a single layer or a stacked structure of three or more layers.

第1の導電膜及び第2の導電膜としては、タンタル(Ta)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)等から選択された元素またはこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成することができる。また、これらの元素を窒化した金属窒化膜で形成することもできる。他にも、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶珪素に代表される半導体材料により形成することもできる。   As the first conductive film and the second conductive film, tantalum (Ta), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), aluminum (Al), copper (Cu), chromium (Cr), niobium It can be formed of an element selected from (Nb) or the like, or an alloy material or compound material containing these elements as main components. Alternatively, a metal nitride film obtained by nitriding these elements can be used. In addition, a semiconductor material typified by polycrystalline silicon doped with an impurity element such as phosphorus can be used.

ここでは、第1の導電膜として窒化タンタルを用いて形成し、その上に第2の導電膜としてタングステンを用いて積層構造で設ける。また、他にも、第1の導電膜として、窒化タングステン、窒化モリブデン又は窒化チタンから選ばれた単層又は積層膜を用い、第2の導電膜として、タンタル、モリブデン、チタンから選ばれた単層又は積層膜を用いることができる。   Here, the first conductive film is formed using tantalum nitride, and the second conductive film is formed using tungsten as a stacked structure. In addition, a single layer or laminated film selected from tungsten nitride, molybdenum nitride, or titanium nitride is used as the first conductive film, and a single film selected from tantalum, molybdenum, or titanium is used as the second conductive film. A layer or a laminated film can be used.

次に、積層して設けられた第1の導電膜及び第2の導電膜を選択的にエッチングして除去することによって、半導体層中の素子領域102a、102b、102c、102eの上方の一部に第1の導電膜及び第2の導電膜を残存させ、それぞれゲート電極層として機能する第1の導電層124a、124b、124c、124d、第2の導電層125a、125b、125c、125dを形成する(図6(B)参照)。なお、メモリ部に設けられた素子領域102cの上方に形成される第1の導電層124c及び第2の導電層125cは、後に完成する不揮発性メモリ素子において制御ゲート電極層として機能する。また、第1の導電層124a、124b、124d、第2の導電層125a、125b、125dは、後に完成するトランジスタにおいてゲート電極層として機能する。 Next, the first conductive film and the second conductive film which are provided in a stacked manner are selectively removed by etching, so that part of the semiconductor layer above the element regions 102a, 102b, 102c, and 102e is removed. First conductive layer 124a, 124b, 124c, 124d and second conductive layers 125a, 125b, 125c, 125d functioning as gate electrode layers, respectively, are formed by leaving the first conductive film and the second conductive film. (See FIG. 6B). Note that the first conductive layer 124c and the second conductive layer 125c formed above the element region 102c provided in the memory portion function as a control gate electrode layer in a nonvolatile memory element completed later. The first conductive layers 124a, 124b, and 124d and the second conductive layers 125a, 125b, and 125d function as gate electrode layers in transistors that are completed later.

次に、素子領域102a、102c、102dを覆うようにマスク層126a、126b、126c、126d、126eを選択的に形成し、当該マスク層126a〜126e、第1の導電層124b及び第2の導電層125bをマスクとして素子領域102bに不純物元素を導入することによって不純物領域を形成する(図6(C)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。ここでは、図5(E)で素子領域102dに導入した不純物元素と異なる導電型を有する不純物元素(例えば、ボロン(B))を導入する。その結果、素子領域102bにソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域132a、132bとチャネル形成領域134が形成される。   Next, mask layers 126a, 126b, 126c, 126d, and 126e are selectively formed so as to cover the element regions 102a, 102c, and 102d, and the mask layers 126a to 126e, the first conductive layer 124b, and the second conductive layer are formed. An impurity region is formed by introducing an impurity element into the element region 102b using the layer 125b as a mask (see FIG. 6C). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. Here, an impurity element (eg, boron (B)) having a conductivity type different from that of the impurity element introduced into the element region 102d in FIG. 5E is introduced. As a result, high-concentration impurity regions 132a and 132b for forming a source region or a drain region and a channel formation region 134 are formed in the element region 102b.

次に、素子領域102bを覆うようにマスク層128a、128b、128c、128d、128e、128f、128gを選択的に形成し、当該マスク層128a〜128g、第1の導電層124a、124c、124d、及び第2の導電層125a、125c、125dをマスクとして素子領域102a、102c、102dに不純物元素129を導入することによって不純物領域を形成する(図6(D)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。ここでは、不純物元素として、リン(P)を用いる。   Next, mask layers 128a, 128b, 128c, 128d, 128e, 128f, and 128g are selectively formed so as to cover the element region 102b, and the mask layers 128a to 128g and the first conductive layers 124a, 124c, 124d, Then, impurity regions are formed by introducing the impurity element 129 into the element regions 102a, 102c, and 102d using the second conductive layers 125a, 125c, and 125d as masks (see FIG. 6D). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. Here, phosphorus (P) is used as the impurity element.

図6(D)においては、不純物元素129を導入することによって、素子領域102aにソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域130a、130bとチャネル形成領域135aが形成される。また、素子領域102cには、ソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域130c、130dとLDD領域を形成する低濃度不純物領域131a、131bとチャネル形成領域135bが形成される。また、素子領域102dには、ソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域130e、130fとLDD領域を形成する低濃度不純物領域131c、131dとチャネル形成領域135cが形成される。   In FIG. 6D, by introducing the impurity element 129, high-concentration impurity regions 130a and 130b for forming a source region or a drain region and a channel formation region 135a are formed in the element region 102a. In the element region 102c, high-concentration impurity regions 130c and 130d that form source regions or drain regions, low-concentration impurity regions 131a and 131b that form LDD regions, and a channel formation region 135b are formed. In the element region 102d, high-concentration impurity regions 130e and 130f that form source regions or drain regions, low-concentration impurity regions 131c and 131d that form LDD regions, and a channel formation region 135c are formed.

また、素子領域102cに形成される低濃度不純物領域131a、131bは、図6(D)において導入された不純物元素が浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層109を突き抜けることによって形成される。従って、素子領域102cにおいて、第2の導電層125c及び電荷蓄積層109の双方と重なる領域にチャネル形成領域135bが形成され、電荷蓄積層109と重なり第2の導電層125cと重ならない領域に低濃度不純物領域131a、131bが形成され、電荷蓄積層109及び第1の導電層124cの双方と重ならない領域に高濃度不純物領域130c、130dが形成される。   The low-concentration impurity regions 131a and 131b formed in the element region 102c are formed when the impurity element introduced in FIG. 6D penetrates the charge storage layer 109 functioning as a floating gate. Therefore, in the element region 102c, a channel formation region 135b is formed in a region overlapping with both the second conductive layer 125c and the charge storage layer 109, and is low in a region overlapping with the charge storage layer 109 and not overlapping with the second conductive layer 125c. Concentrated impurity regions 131a and 131b are formed, and high-concentration impurity regions 130c and 130d are formed in regions that do not overlap both the charge storage layer 109 and the first conductive layer 124c.

次に、第2の絶縁層123、第3の絶縁層135、第1の導電層124a〜124d及び第2の導電層125a〜125dを覆うように絶縁層133を形成し、当該絶縁層133上に素子領域102a、102b、102c、102dにそれぞれ形成された高濃度不純物領域130a〜130f、132a、132bと電気的に接続する配線層136a、136b、136c、136d、136e、136f、136g、136hを形成する(図6(E)参照)。   Next, an insulating layer 133 is formed so as to cover the second insulating layer 123, the third insulating layer 135, the first conductive layers 124 a to 124 d, and the second conductive layers 125 a to 125 d, and over the insulating layer 133 Wiring layers 136a, 136b, 136c, 136d, 136e, 136f, 136g, and 136h electrically connected to the high-concentration impurity regions 130a to 130f, 132a, and 132b formed in the element regions 102a, 102b, 102c, and 102d, respectively. It is formed (see FIG. 6E).

絶縁層133は、CVD法やスパッタ法等により、酸化珪素(SiOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化窒化珪素(SiOxNy)(x>y>0)、窒化酸化珪素(SiNxOy)(x>y>0)等の酸素または窒素を有する絶縁層やDLC(ダイヤモンドライクカーボン)等の炭素を含む膜、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルフェノール、ベンゾシクロブテン、アクリル等の有機材料またはシロキサン樹脂等のシロキサン材料からなる単層または積層構造で設けることができる。   The insulating layer 133 is formed by silicon oxide (SiOx), silicon nitride (SiNx), silicon oxynitride (SiOxNy) (x> y> 0), silicon nitride oxide (SiNxOy) (x> y>) by CVD or sputtering. 0) and other oxygen- or nitrogen-containing insulating layers, carbon-containing films such as DLC (diamond-like carbon), organic materials such as epoxy, polyimide, polyamide, polyvinylphenol, benzocyclobutene, and acrylic, or siloxane materials such as siloxane resins It can be provided in a single layer or laminated structure.

配線層136a〜136hは、CVD法やスパッタリング法等により、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、マンガン(Mn)、ネオジウム(Nd)、炭素(C)、シリコン(Si)から選択された元素、又はこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で、単層又は積層で形成する。アルミニウムを主成分とする合金材料とは、例えば、アルミニウムを主成分としニッケルを含む材料、又は、アルミニウムを主成分とし、ニッケルと、炭素と珪素の一方又は両方とを含む合金材料に相当する。配線層136a〜136hは、例えば、バリア膜とアルミニウムシリコン(Al−Si)膜とバリア膜の積層構造、バリア膜とアルミニウムシリコン(Al−Si)膜と窒化チタン(TiN)膜とバリア膜の積層構造を採用するとよい。なお、バリア膜とは、チタン、チタンの窒化物、モリブデン、又はモリブデンの窒化物からなる薄膜に相当する。アルミニウムやアルミニウムシリコンは抵抗値が低く、安価であるため、配線層136a〜136hを形成する材料として最適である。また、上層と下層のバリア層を設けると、アルミニウムやアルミニウムシリコンのヒロックの発生を防止することができる。また、還元性の高い元素であるチタンからなるバリア膜を形成すると、結晶質半導体層上に薄い自然酸化膜ができていたとしても、この自然酸化膜を還元し、結晶質半導体層と良好なコンタクトをとることができる。   The wiring layers 136a to 136h are made of aluminum (Al), tungsten (W), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), nickel (Ni), platinum (Pt), CVD, sputtering, or the like. An element selected from copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), manganese (Mn), neodymium (Nd), carbon (C), silicon (Si), or an alloy containing these elements as a main component The material or compound material is formed as a single layer or a stacked layer. The alloy material containing aluminum as a main component corresponds to, for example, a material containing aluminum as a main component and containing nickel, or an alloy material containing aluminum as a main component and containing nickel and one or both of carbon and silicon. The wiring layers 136a to 136h include, for example, a laminated structure of a barrier film, an aluminum silicon (Al—Si) film, and a barrier film, and a laminated structure of a barrier film, an aluminum silicon (Al—Si) film, a titanium nitride (TiN) film, and a barrier film. A structure should be adopted. Note that the barrier film corresponds to a thin film formed of titanium, titanium nitride, molybdenum, or molybdenum nitride. Since aluminum and aluminum silicon have a low resistance value and are inexpensive, they are optimal materials for forming the wiring layers 136a to 136h. In addition, when an upper layer and a lower barrier layer are provided, generation of hillocks of aluminum or aluminum silicon can be prevented. In addition, when a barrier film made of titanium, which is a highly reducing element, is formed, even if a thin natural oxide film is formed on the crystalline semiconductor layer, the natural oxide film is reduced, so that the crystalline semiconductor layer is in good condition. Contact can be made.

よって、本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離することができる。半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上に絶縁層が形成されるため、絶縁層の被覆性が向上する。従って、絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、制御ゲート電極層、ゲート電極層と半導体層のショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い不揮発性半導体記憶装置である半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。よって、半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。また、そのような膜の形状不良による不良が軽減されるので、作製工程においても歩留まりよく生産することができる。 Therefore, when the present invention is used, the semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands. Since the step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur and the insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, the coverage of the insulating layer is improved. Therefore, a semiconductor device which is a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device in which defects such as a charge accumulation layer, a control gate electrode layer, a short-circuit between the gate electrode layer and the semiconductor layer and a leakage current due to a poor coating of the insulating layer are prevented, and A method for manufacturing such a semiconductor device can be provided. Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in the semiconductor device, and high performance of the semiconductor device can be achieved. In addition, since defects due to such a film shape defect are reduced, production can be performed with high yield even in the manufacturing process.

本実施の形態は、本明細書で示した他の実施の形態と組み合わせて行うことができる。   This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態8)
本実施の形態では、半導体素子において絶縁層の被覆不良によるゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良を防止し、より高信頼性を付与することを目的とするCMOS回路及びメモリ素子を有する他の半導体装置の一例に関して図面を用いて説明する。本実施の形態における半導体装置の作製方法を、図7、図8を用いて詳細に説明する。本実施の形態は、実施の形態7の半導体装置において、ゲート電極層及び制御ゲート電極層の形状が異なるものであり、なお、上記実施の形態と同じものを指す場合には同じ符号とし、説明を省略する。
(Embodiment 8)
In this embodiment mode, a CMOS circuit and a memory for preventing a short circuit between a gate electrode layer and a semiconductor layer due to a poor coating of an insulating layer and a leakage current in a semiconductor element, and providing higher reliability An example of another semiconductor device having an element will be described with reference to the drawings. A method for manufacturing a semiconductor device in this embodiment will be described in detail with reference to FIGS. The present embodiment is different from the semiconductor device of the seventh embodiment in that the shapes of the gate electrode layer and the control gate electrode layer are different. Is omitted.

絶縁表面を有する基板100の上に下地膜として、下地膜として機能する絶縁層112a及び絶縁層112bを積層して形成する。 Over a substrate 100 having an insulating surface, an insulating layer 112a and an insulating layer 112b functioning as a base film are stacked as a base film.

次いで、下地膜上に半導体層150を形成する。半導体層150は25〜200nm(好ましくは30〜150nm)の厚さで各種手段(スパッタ法、LPCVD法、またはプラズマCVD法等)により成膜すればよい。本実施の形態では、非晶質半導体層を、レーザ結晶化し、結晶性半導体層とするものを用いるのが好ましい。 Next, the semiconductor layer 150 is formed over the base film. The semiconductor layer 150 may be formed by various means (a sputtering method, an LPCVD method, a plasma CVD method, or the like) with a thickness of 25 to 200 nm (preferably 30 to 150 nm). In this embodiment mode, it is preferable to use a crystalline semiconductor layer obtained by crystallizing an amorphous semiconductor layer by laser crystallization.

このようにして得られた半導体層に対して、薄膜トランジスタのしきい値電圧を制御するために微量な不純物元素(ボロンまたはリン)のドーピングを行ってもよい。この不純物元素のドーピングは、結晶化工程の前の非晶質半導体層に行ってもよい。非晶質半導体層の状態で不純物元素をドーピングすると、その後の結晶化のための加熱処理によって、不純物の活性化も行うことができる。また、ドーピングの際に生じる欠陥等も改善することができる。 The semiconductor layer thus obtained may be doped with a trace amount of an impurity element (boron or phosphorus) in order to control the threshold voltage of the thin film transistor. This doping of the impurity element may be performed on the amorphous semiconductor layer before the crystallization step. When an impurity element is doped in the state of the amorphous semiconductor layer, the impurity can be activated by heat treatment for subsequent crystallization. In addition, defects and the like generated during doping can be improved.

マスクを除去し、半導体層150上に第1の絶縁層105を形成する。 The mask is removed, and the first insulating layer 105 is formed over the semiconductor layer 150.

第1の絶縁層105は、半導体層に熱処理又はプラズマ処理等を行うことによって形成することができる。例えば、高密度プラズマ処理により当該半導体層に酸化処理、窒化処理又は酸窒化処理を行うことによって、当該半導体層上にそれぞれ酸化膜、窒化膜又は酸窒化膜となる第1の絶縁層105を形成する。なお、プラズマCVD法やスパッタ法により形成してもよい。 The first insulating layer 105 can be formed by performing heat treatment, plasma treatment, or the like on the semiconductor layer. For example, by performing oxidation treatment, nitridation treatment, or oxynitridation treatment on the semiconductor layer by high-density plasma treatment, the first insulating layer 105 that becomes an oxide film, a nitride film, or an oxynitride film is formed over the semiconductor layer, respectively. To do. In addition, you may form by plasma CVD method or a sputtering method.

例えば、半導体層としてSiを主成分とする半導体層を用いて高密度プラズマ処理により酸化処理又は窒化処理を行った場合、第1の絶縁層105として酸化珪素層又は窒化珪素層が形成される。また、高密度プラズマ処理により半導体層に酸化処理を行った後に、再度高密度プラズマ処理を行うことによって窒化処理を行ってもよい。この場合、半導体層に接して酸化珪素層が形成され、当該酸化珪素層の表面又は表面近傍に窒素プラズマ処理層が形成される。 For example, when a semiconductor layer containing Si as a main component is used as a semiconductor layer and oxidation or nitridation is performed by high-density plasma treatment, a silicon oxide layer or a silicon nitride layer is formed as the first insulating layer 105. Alternatively, after the semiconductor layer is oxidized by high-density plasma treatment, nitriding treatment may be performed by performing high-density plasma treatment again. In this case, a silicon oxide layer is formed in contact with the semiconductor layer, and a nitrogen plasma treatment layer is formed on or near the surface of the silicon oxide layer.

ここでは、第1の絶縁層105を1〜10nm、好ましくは1〜5nmで形成する。例えば、高密度プラズマ処理により半導体層に酸化処理を行い当該半導体層の表面に概略3nmの酸化珪素層を形成した後、高密度プラズマ処理により窒化処理を行い酸化珪素層の表面又は表面の近傍に窒素プラズマ処理層を形成する。具体的には、まず、酸素雰囲気下のプラズマ処理により半導体層上に3nm〜6nmの厚さで酸化珪素層を形成する。その後、続けて窒素雰囲気下でプラズマ処理を行うことにより酸化珪素層の表面又は表面近傍に窒素濃度の高い窒素プラズマ処理層を設ける。ここでは、窒素雰囲気下でプラズマ処理を行うことによって、酸化珪素層の表面から概略1nmの深さに窒素を20〜50原子%の割合で含有させた構造とする。窒素プラズマ処理層には、酸素と窒素を含有した珪素(酸窒化珪素)が形成されている。また、このとき、高密度プラズマ処理による酸化処理と窒化処理は大気に一度も曝されることなく連続して行うことが好ましい。高密度プラズマ処理を連続して行うことによって、汚染物の混入の防止や生産効率の向上を実現することができる。 Here, the first insulating layer 105 is formed with a thickness of 1 to 10 nm, preferably 1 to 5 nm. For example, the semiconductor layer is oxidized by high-density plasma treatment to form a silicon oxide layer having a thickness of about 3 nm on the surface of the semiconductor layer, and then nitrided by high-density plasma treatment to be near or near the surface of the silicon oxide layer. A nitrogen plasma treatment layer is formed. Specifically, first, a silicon oxide layer is formed with a thickness of 3 nm to 6 nm on the semiconductor layer by plasma treatment in an oxygen atmosphere. Then, a nitrogen plasma processing layer having a high nitrogen concentration is provided on or near the surface of the silicon oxide layer by subsequently performing plasma processing in a nitrogen atmosphere. Here, a plasma treatment is performed in a nitrogen atmosphere to form a structure in which nitrogen is contained at a ratio of 20 to 50 atomic% at a depth of approximately 1 nm from the surface of the silicon oxide layer. In the nitrogen plasma treatment layer, silicon (silicon oxynitride) containing oxygen and nitrogen is formed. At this time, it is preferable that the oxidation treatment and the nitriding treatment by the high-density plasma treatment are continuously performed without being exposed to the atmosphere. By continuously performing the high-density plasma treatment, it is possible to prevent contamination from entering and improve production efficiency.

本実施の形態において、メモリ部に設けられた半導体層上に形成される第1の絶縁層105は、後に完成する不揮発性メモリ素子において、トンネル絶縁層として機能する。従って、第1の絶縁層105の膜厚が薄いほど、トンネル電流が流れやすく、メモリとして高速動作が可能となる。また、第1の絶縁層105の膜厚が薄いほど、後に形成される電荷蓄積層に低電圧で電荷を蓄積させることが可能となるため、半導体装置の消費電力を低減することができる。そのため、第1の絶縁層105は、膜厚を薄く形成することが好ましい。 In this embodiment mode, the first insulating layer 105 formed over the semiconductor layer provided in the memory portion functions as a tunnel insulating layer in a nonvolatile memory element completed later. Therefore, the thinner the first insulating layer 105 is, the easier it is for the tunnel current to flow, so that the memory can operate at high speed. In addition, the thinner the first insulating layer 105 is, the more charge can be stored in a charge storage layer formed later at a low voltage, so that power consumption of the semiconductor device can be reduced. Therefore, the first insulating layer 105 is preferably formed thin.

結晶性半導体層である半導体層に第1の絶縁層105を介して不純物元素を選択的に添加し、素子分離領域を形成する。素子分離領域によって半導体層は複数の素子領域に分離される。半導体層上に、マスク層103a、103b、103c、103dを形成し、導電性に寄与しない不純物元素104を添加する。導電性に寄与しない不純物元素104の添加によって、半導体層中に、素子分離領域101a、101b、101c、101d、101e、101f、101g、101h、当該素子分離領域によって絶縁分離された素子領域102a、102b、102c、102dが形成される(図7(B)参照。)。 An impurity element is selectively added to the semiconductor layer which is a crystalline semiconductor layer through the first insulating layer 105, so that an element isolation region is formed. The semiconductor layer is separated into a plurality of element regions by the element isolation region. Mask layers 103a, 103b, 103c, and 103d are formed over the semiconductor layer, and an impurity element 104 that does not contribute to conductivity is added. By adding the impurity element 104 that does not contribute to conductivity, the element isolation regions 101a, 101b, 101c, 101d, 101e, 101f, 101g, and 101h and the element regions 102a and 102b that are insulated and isolated by the element isolation region are formed in the semiconductor layer. , 102c, 102d are formed (see FIG. 7B).

半導体層150に、第1の絶縁層105を介して不純物元素をドーピング法などにより添加するので、不純物元素の添加の際の物理的なエネルギーを調節することができる。よって、半導体層が破壊などの損傷を受けない程度に添加エネルギーを緩和し、選択的に半導体層の結晶性を低下し素子分離領域を形成することができる。第1の絶縁層105は、不純物元素を導入し、素子分離領域及び素子領域を形成後、一度除去し、再び形成しなおしてもよい。また再形成した絶縁層にプラズマ処理を行い、表面の緻密化を行ってもよい。 Since the impurity element is added to the semiconductor layer 150 through the first insulating layer 105 by a doping method or the like, physical energy at the time of adding the impurity element can be adjusted. Therefore, the added energy can be relaxed to such an extent that the semiconductor layer is not damaged such as destruction, and the crystallinity of the semiconductor layer can be selectively lowered to form an element isolation region. The first insulating layer 105 may be formed once again by removing an impurity element after introducing an impurity element and forming an element isolation region and an element region. Further, the re-formed insulating layer may be subjected to plasma treatment to densify the surface.

素子分離領域は、連続した半導体層において、素子間を電気的に分離するために、選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加して形成する。導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域は、導電性に寄与しない不純物元素の混入により導電性が低下し、また添加時の半導体層へ物理的衝撃により(いわゆるスパッタ効果とも言える)結晶性が低下するため高抵抗化する。高抵抗化した素子分離領域においては、電界効果移動度も低下するため素子間を電気的に分離することができ、一方、不純物元素を添加しない領域の結晶性は高いままであり抵抗も低いため、素子として機能しうる電界効果移動度を保っており、素子領域として用いることができる。 The element isolation region is formed by selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon in order to electrically isolate elements from each other in a continuous semiconductor layer. In the element isolation region to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added, the conductivity decreases due to the mixing of the impurity element that does not contribute to conductivity, and the crystal is caused by physical impact (so-called sputtering effect) on the semiconductor layer at the time of addition. The resistance is lowered due to the decrease in performance. In the element isolation region with high resistance, field effect mobility is also reduced, so that the elements can be electrically isolated. On the other hand, the crystallinity of the region to which no impurity element is added remains high and the resistance is low. The field-effect mobility that can function as an element is maintained and can be used as an element region.

素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上が好ましく、酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満が好ましい。 The resistivity of the element isolation region is preferably 1 × 10 10 Ω · cm or more, and the concentration of impurity elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3. .

素子分離領域は、不純物元素の添加により結晶性が低下しているため、非晶質化しているともいえる。一方、素子領域は結晶性半導体層なので、素子領域に半導体素子を形成する場合、そのチャネル形成領域の結晶性は、素子分離領域より高く半導体素子として高い電界効果移動度を得ることができる。 It can be said that the element isolation region is amorphous because the crystallinity is lowered by the addition of the impurity element. On the other hand, since the element region is a crystalline semiconductor layer, when a semiconductor element is formed in the element region, the crystallinity of the channel formation region is higher than that of the element isolation region and high field effect mobility can be obtained as a semiconductor element.

素子分離領域に添加する不純物元素としては、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス元素も用いてもよい。酸素、窒素、及び炭素の他に、比較的質量の大きな元素であるこれらの希ガス元素を更に添加すると、半導体層への物理的衝撃を大きくすることができるため、より効果的に結晶性を低下させることができる。 As an impurity element added to the element isolation region, a rare gas element such as argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), or xenon (Xe) may be used. In addition to oxygen, nitrogen, and carbon, the addition of these rare gas elements, which are relatively large elements, can increase the physical impact on the semiconductor layer, so that the crystallinity can be more effectively improved. Can be reduced.

本実施の形態では連続的な半導体層中に素子分離領域及び素子領域を設けているので、半導体層中に、素子分離領域101a、101b、101c、101e、101f、101g、101h、当該素子分離領域によって絶縁分離された素子領域102a、102b、102c、102dは連続している。よって、その表面は平坦性が高く、急激な段差を有さない。 In this embodiment mode, the element isolation region and the element region are provided in the continuous semiconductor layer. Therefore, the element isolation regions 101a, 101b, 101c, 101e, 101f, 101g, and 101h, the element isolation region are provided in the semiconductor layer. The element regions 102a, 102b, 102c, and 102d that are insulated and separated by the contact are continuous. Therefore, the surface has high flatness and does not have a steep step.

第1の絶縁層105は平坦性の高い半導体層上に形成されるため、被覆性がよく、形状不良も生じにくい。よって、第1の絶縁層105上に形成される電荷蓄積層106と素子領域102cにおいてリーク電流やショートなどの不良を防止することができる。よって本実施の形態の不揮発性半導体記憶装置である半導体装置は第1の絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、後で形成する制御ゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い半導体装置とすることができる。 Since the first insulating layer 105 is formed over a semiconductor layer with high flatness, the first insulating layer 105 has good coverage and is less likely to have a shape defect. Therefore, defects such as a leakage current and a short circuit can be prevented in the charge storage layer 106 and the element region 102c formed over the first insulating layer 105. Therefore, the semiconductor device which is the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment has defects such as a charge accumulation layer due to a coating failure of the first insulating layer, a short circuit between a control gate electrode layer to be formed later and the semiconductor layer, and a leakage current. The semiconductor device can be prevented with high reliability.

第1の絶縁層105上に電荷蓄積層106を形成する(図7(C)参照。)。 A charge storage layer 106 is formed over the first insulating layer 105 (see FIG. 7C).

電荷蓄積層106にはシリコン、シリコン化合物、ゲルマニウム、又はゲルマニウム化合物を用いて形成することができる。シリコン化合物としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、炭化シリコン、ゲルマニウムを10原子%以上の濃度で含むシリコンゲルマニウム、金属窒化物、金属酸化物などを適用することができる。ゲルマニウム化合物の代表例としては、シリコンゲルマニウムであり、この場合シリコンに対してゲルマニウムが10原子%以上含まれていることが好ましい。ゲルマニウムの濃度が10原子%以下であると、構成元素としての効果が薄れ、バンドギャップが有効に小さくならないためである。 The charge storage layer 106 can be formed using silicon, a silicon compound, germanium, or a germanium compound. As the silicon compound, silicon germanium, metal nitride, metal oxide, or the like containing silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon carbide, germanium at a concentration of 10 atomic% or more can be used. A typical example of the germanium compound is silicon germanium. In this case, it is preferable that germanium is contained at 10 atomic% or more with respect to silicon. This is because if the germanium concentration is 10 atomic% or less, the effect as a constituent element is reduced, and the band gap is not effectively reduced.

電荷蓄積層106は電荷を蓄積する目的で、本発明に係る半導体装置に適用されるが、同様の機能を備えるものであれば他の材料を適用することもできる。例えば、ゲルマニウムを含む三元系の半導体であっても良い。また、当該半導体材料が水素化されていても良い。また、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積層としての機能を持つものとして、当該ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物の酸化物若しくは窒化物の層で置き換えることもできる。 The charge accumulation layer 106 is applied to the semiconductor device according to the present invention for the purpose of accumulating charges, but other materials can be applied as long as they have the same function. For example, a ternary semiconductor containing germanium may be used. Further, the semiconductor material may be hydrogenated. Further, it can be replaced with an oxide or nitride layer of germanium or a germanium compound as a function as a charge storage layer of the nonvolatile memory element.

また、電荷蓄積層106を形成するものとして、金属窒化物又は金属酸化物を用いることができる。金属窒化物としては、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンなどを用いることができる。金属酸化物としては、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズなどを用いることができる。 Further, a metal nitride or a metal oxide can be used for forming the charge storage layer 106. As the metal nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, titanium nitride, or the like can be used. As the metal oxide, tantalum oxide, titanium oxide, tin oxide, or the like can be used.

また上記あげた材料の積層構造によって電荷蓄積層106を形成しても良い。上記したシリコン若しくはシリコン化合物、金属窒化物又は金属酸化物の層は、ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物で形成される層の上層側に設けると、製造工程においては、耐水性や耐薬品性を目的としたバリア層として用いることができる。それにより、フォトリソ工程、エッチング工程、洗浄工程における基板の扱いが容易となり、生産性を向上させることができる。すなわち、電荷蓄積層の加工を容易なものとすることができる。 Alternatively, the charge storage layer 106 may be formed using a stacked structure of the above materials. When the above-described silicon or silicon compound, metal nitride or metal oxide layer is provided on the upper layer side of the layer formed of germanium or germanium compound, a barrier for water resistance and chemical resistance is provided in the manufacturing process. Can be used as a layer. Thereby, the handling of the substrate in the photolithography process, the etching process, and the cleaning process becomes easy, and the productivity can be improved. That is, the charge storage layer can be easily processed.

第1の絶縁層105及び電荷蓄積層106を所望の形状に加工して、メモリ素子として用いる素子領域102c上に第1の絶縁層107及び電荷蓄積層108を形成する。さらに電荷蓄積層108上にマスク層120を形成し、マスク層120を用いて電荷蓄積層108を選択的にエッチング処理することにより電荷蓄積層109を形成する。 The first insulating layer 105 and the charge storage layer 106 are processed into desired shapes, and the first insulating layer 107 and the charge storage layer 108 are formed over the element region 102c used as a memory element. Further, a mask layer 120 is formed over the charge storage layer 108, and the charge storage layer 109 is formed by selectively etching the charge storage layer 108 using the mask layer 120.

次に、素子領域102dと、素子領域102cの上方に形成された第1の絶縁層107と電荷蓄積層109を覆うように第2の絶縁層123を形成する(図8(A)参照。)。 Next, a second insulating layer 123 is formed so as to cover the element region 102d and the first insulating layer 107 and the charge storage layer 109 formed above the element region 102c (see FIG. 8A). .

なお、素子領域102cの上方に形成された第2の絶縁層123は、後に完成する不揮発性メモリ素子においてコントロール絶縁層として機能し、素子領域102dの上方に形成された第2の絶縁層123は、後に完成するトランジスタにおいてゲート絶縁層として機能する。   Note that the second insulating layer 123 formed above the element region 102c functions as a control insulating layer in a nonvolatile memory element to be completed later, and the second insulating layer 123 formed above the element region 102d is It functions as a gate insulating layer in a transistor to be completed later.

次に、素子領域102a、102bを覆うように第3の絶縁層135を形成する。   Next, a third insulating layer 135 is formed so as to cover the element regions 102a and 102b.

次に、半導体層において素子領域102a、102bの上方に形成された第3の絶縁層135、素子領域102c、102dの上方に形成された第2の絶縁層123を覆うように導電膜を形成する。ここでは、導電膜として、第1の導電膜と第2の導電膜を順に積層して形成した例を示している。もちろん、導電膜は、単層又は3層以上の積層構造で形成してもよい。 Next, a conductive film is formed so as to cover the third insulating layer 135 formed above the element regions 102a and 102b and the second insulating layer 123 formed above the element regions 102c and 102d in the semiconductor layer. . Here, an example in which a first conductive film and a second conductive film are sequentially stacked as the conductive film is shown. Needless to say, the conductive film may be formed of a single layer or a stacked structure of three or more layers.

次に、積層して設けられた第1の導電膜及び第2の導電膜を選択的にエッチングして除去することによって、半導体層中の素子領域102a、102b、102c、102dの上方の一部に第1の導電膜及び第2の導電膜を残存させ、それぞれゲート電極層として機能する第1の導電層154a、154b、154c、154d、第2の導電層155a、155b、155c、155dを形成する(図8(B)参照)。なお、メモリ部に設けられた素子領域102cの上方に形成される第1の導電層154c及び第2の導電層155cは、後に完成する不揮発性メモリ素子において制御ゲート電極層として機能する。また、第1の導電層154a、154b、154d、第2の導電層155a、155b、155dは、後に完成するトランジスタにおいてゲート電極層として機能する。 Next, the first conductive film and the second conductive film provided in a stacked manner are selectively removed by etching, so that part of the semiconductor layer above the element regions 102a, 102b, 102c, and 102d is removed. And the first conductive layers 154a, 154b, 154c, and 154d, and the second conductive layers 155a, 155b, 155c, and 155d, which function as gate electrode layers, respectively, are formed. (See FIG. 8B). Note that the first conductive layer 154c and the second conductive layer 155c formed above the element region 102c provided in the memory portion function as a control gate electrode layer in a nonvolatile memory element to be completed later. The first conductive layers 154a, 154b, and 154d and the second conductive layers 155a, 155b, and 155d function as gate electrode layers in transistors that are completed later.

次に、素子領域102a、102c、102dを覆うようにマスク層156a、156b、156c、156d、156eを選択的に形成し、当該マスク層156a〜156e、第1の導電層154b及び第2の導電層155bをマスクとして素子領域102bに不純物元素157を導入することによって不純物領域を形成する(図8(C)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。ここでは、不純物元素(例えば、ボロン(B))を導入する。その結果、素子領域102bにソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域162a、162b、LDD領域を形成する低濃度不純物領域164a、164bとチャネル形成領域164が形成される。   Next, mask layers 156a, 156b, 156c, 156d, and 156e are selectively formed so as to cover the element regions 102a, 102c, and 102d, and the mask layers 156a to 156e, the first conductive layer 154b, and the second conductive layer are formed. An impurity region is formed by introducing the impurity element 157 into the element region 102b using the layer 155b as a mask (see FIG. 8C). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. Here, an impurity element (eg, boron (B)) is introduced. As a result, high-concentration impurity regions 162a and 162b that form source regions or drain regions, low-concentration impurity regions 164a and 164b that form LDD regions, and a channel formation region 164 are formed in the element region 102b.

次に、素子領域102bを覆うようにマスク層158a、158b、158c、158d、158e、158f、158gを選択的に形成し、当該マスク層158a〜158g、第1の導電層154a、154c、154d、及び第2の導電層155a、155c、155dをマスクとして素子領域102a、102c、102dに不純物元素159を導入することによって不純物領域を形成する(図8(D)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。ここでは、不純物元素として、リン(P)を用いる。   Next, mask layers 158a, 158b, 158c, 158d, 158e, 158f, and 158g are selectively formed so as to cover the element region 102b, and the mask layers 158a to 158g, the first conductive layers 154a, 154c, and 154d, Then, an impurity region is formed by introducing the impurity element 159 into the element regions 102a, 102c, and 102d using the second conductive layers 155a, 155c, and 155d as masks (see FIG. 8D). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. Here, phosphorus (P) is used as the impurity element.

図8(D)においては、不純物元素を導入することによって、素子領域102aにソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域160a、160b、LDD領域を形成する低濃度不純物領域161e、161fとチャネル形成領域167aが形成される。また、素子領域102cには、ソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域160c、160dとLDD領域を形成する低濃度不純物領域161a、161bとチャネル形成領域167bが形成される。また、素子領域102dには、ソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域160e、160fとLDD領域を形成する低濃度不純物領域161c、161dとチャネル形成領域167cが形成される。   In FIG. 8D, by introducing an impurity element, high-concentration impurity regions 160a and 160b that form source regions or drain regions in the element region 102a, low-concentration impurity regions 161e and 161f that form LDD regions, and channels A formation region 167a is formed. In the element region 102c, high-concentration impurity regions 160c and 160d that form source regions or drain regions, low-concentration impurity regions 161a and 161b that form LDD regions, and a channel formation region 167b are formed. In the element region 102d, high-concentration impurity regions 160e and 160f that form source regions or drain regions, low-concentration impurity regions 161c and 161d that form LDD regions, and a channel formation region 167c are formed.

次に、第2の絶縁層123、第3の絶縁層135、第1の導電層154a〜154d及び第2の導電層155a〜155dを覆うように絶縁層163を形成し、当該絶縁層163上に素子領域102a、102b、102c、102dにそれぞれ形成された高濃度不純物領域160a〜160f、162a、162bと電気的に接続する配線層166a、166b、166c、166d、166e、166f、166g、166hを形成する(図8(E)参照)。   Next, an insulating layer 163 is formed so as to cover the second insulating layer 123, the third insulating layer 135, the first conductive layers 154a to 154d, and the second conductive layers 155a to 155d, and the insulating layer 163 is formed over the insulating layer 163. Wiring layers 166a, 166b, 166c, 166d, 166e, 166f, 166g, 166h electrically connected to the high-concentration impurity regions 160a to 160f, 162a, 162b formed in the element regions 102a, 102b, 102c, 102d, respectively. It is formed (see FIG. 8E).

よって、本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離することができる。半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上に絶縁層が形成されるため、絶縁層の被覆性が向上する。従って、絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、制御ゲート電極層、又はゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い不揮発性半導体記憶装置である半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。よって、半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。また、そのような膜の形状不良による不良が軽減されるので、作製工程においても歩留まりよく生産することができる。 Therefore, when the present invention is used, the semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands. Since the step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur and the insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, the coverage of the insulating layer is improved. Therefore, a semiconductor device which is a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device in which defects such as a short circuit between the charge storage layer, the control gate electrode layer, or the gate electrode layer and the semiconductor layer and a leakage current due to a poor coating of the insulating layer are prevented And a method for manufacturing such a semiconductor device can be provided. Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in the semiconductor device, and high performance of the semiconductor device can be achieved. In addition, since defects due to such a film shape defect are reduced, production can be performed with high yield even in the manufacturing process.

本実施の形態は、本明細書で示した他の実施の形態と組み合わせて行うことができる。   This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態9)
本実施の形態では、半導体素子において絶縁層の被覆不良によるゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良を防止し、より高信頼性を付与することを目的とするCMOS回路及びメモリ素子を有する他の半導体装置の一例に関して図面を用いて説明する。本実施の形態における半導体装置の作製方法を、図9、図10を用いて詳細に説明する。本実施の形態は、実施の形態7の半導体装置において、第1の絶縁層及び第2の絶縁層の形状が異なるものであり、なお、上記実施の形態と同じものを指す場合には同じ符号とし、説明を省略する。
(Embodiment 9)
In this embodiment mode, a CMOS circuit and a memory for preventing a short circuit between a gate electrode layer and a semiconductor layer due to a poor coating of an insulating layer and a leakage current in a semiconductor element, and providing higher reliability An example of another semiconductor device having an element will be described with reference to the drawings. A method for manufacturing a semiconductor device in this embodiment will be described in detail with reference to FIGS. The present embodiment is different from the semiconductor device of the seventh embodiment in that the shapes of the first insulating layer and the second insulating layer are different. The description is omitted.

実施の形態9において図6(B)の状態まで本実施の形態におけるCMOS回路及びメモリ素子を有する半導体装置を作製する。 In Embodiment Mode 9, a semiconductor device including the CMOS circuit and the memory element in this embodiment mode is manufactured up to the state of FIG.

図9(A)に示すように、素子領域102a、102c、102dを覆うようにマスク層170a、170b、170c、170d、170eを選択的に形成し、当該マスク層170a〜170e、第1の導電層154b及び第2の導電層155bをマスクとして素子領域102bに不純物元素171を導入することによって不純物領域を形成する(図9(A)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。ここでは、不純物元素(例えば、ボロン(B))を導入する。その結果、素子領域102bに不純物領域172a、172bが形成される。   As shown in FIG. 9A, mask layers 170a, 170b, 170c, 170d, and 170e are selectively formed so as to cover the element regions 102a, 102c, and 102d, and the mask layers 170a to 170e and the first conductive layers are formed. An impurity region is formed by introducing the impurity element 171 into the element region 102b using the layer 154b and the second conductive layer 155b as masks (see FIG. 9A). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. Here, an impurity element (eg, boron (B)) is introduced. As a result, impurity regions 172a and 172b are formed in the element region 102b.

次に、素子領域102bを覆うようにマスク層173a、173b、173c、173d、173e、173f、173gを選択的に形成し、当該マスク層173a〜173g、第1の導電層154a、154c、154d、及び第2の導電層155a、155c、155dをマスクとして素子領域102a、102c、102dに不純物元素174を導入することによって不純物領域を形成する(図9(B)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。ここでは、不純物元素として、リン(P)を用いる。 Next, mask layers 173a, 173b, 173c, 173d, 173e, 173f, and 173g are selectively formed so as to cover the element region 102b, and the mask layers 173a to 173g, the first conductive layers 154a, 154c, 154d, Then, impurity regions are formed by introducing the impurity element 174 into the element regions 102a, 102c, and 102d using the second conductive layers 155a, 155c, and 155d as masks (see FIG. 9B). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. Here, phosphorus (P) is used as the impurity element.

図9(B)においては、不純物元素174を導入することによって、素子領域102aに不純物領域175a、175bが形成される。また、素子領域102cには、不純物領域175c、175dが形成される。また、素子領域102dには、不純物領域175e、175fが形成される。   In FIG. 9B, impurity regions 175 a and 175 b are formed in the element region 102 a by introducing the impurity element 174. Impurity regions 175c and 175d are formed in the element region 102c. Impurity regions 175e and 175f are formed in the element region 102d.

次に、第1の導電層154a〜154d、第2の導電層155a〜155dをマスクとして第1の絶縁層107、第2の絶縁層123、第3の絶縁層135を選択的にエッチングし、絶縁層188a、188b、絶縁層189a、189b、189cを形成する。第1の導電層154a〜154d、第2の導電層155a〜155d、電荷蓄積層109、絶縁層188a、188b、及び絶縁層189a〜189cの側面に接する絶縁層(サイドウォールとも呼ばれる)176a、176b、176c、176d、176e、176f、176g、176hを形成する。   Next, the first insulating layer 107, the second insulating layer 123, and the third insulating layer 135 are selectively etched using the first conductive layers 154a to 154d and the second conductive layers 155a to 155d as a mask, Insulating layers 188a and 188b and insulating layers 189a, 189b and 189c are formed. First conductive layers 154a to 154d, second conductive layers 155a to 155d, charge storage layer 109, insulating layers 188a and 188b, and insulating layers (also referred to as sidewalls) 176a and 176b that are in contact with the side surfaces of the insulating layers 189a to 189c 176c, 176d, 176e, 176f, 176g, and 176h are formed.

図10(A)に示すように、素子領域102a、102c、102dを覆うようにマスク層178a、178b、178c、178d、178eを選択的に形成し、当該マスク層178a〜178e、第1の導電層154b、第2の導電層155b、及び絶縁層176c、176d、189aをマスクとして素子領域102bに不純物元素179を導入することによって不純物領域を形成する(図10(A)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。ここでは、不純物元素(例えば、ボロン(B))を導入する。その結果、素子領域102bにソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域180a、180b、LDD領域を形成する低濃度不純物領域187a、187bとチャネル形成領域169が形成される。   As shown in FIG. 10A, mask layers 178a, 178b, 178c, 178d, and 178e are selectively formed so as to cover the element regions 102a, 102c, and 102d, and the mask layers 178a to 178e and the first conductive layer are formed. An impurity region is formed by introducing the impurity element 179 into the element region 102b using the layer 154b, the second conductive layer 155b, and the insulating layers 176c, 176d, and 189a as masks (see FIG. 10A). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. Here, an impurity element (eg, boron (B)) is introduced. As a result, high-concentration impurity regions 180a and 180b that form source or drain regions, low-concentration impurity regions 187a and 187b that form LDD regions, and a channel formation region 169 are formed in the element region 102b.

次に、素子領域102bを覆うようにマスク層181a、181b、181c、181d、181e、181f、181gを選択的に形成し、当該マスク層181a〜181g、第1の導電層154a、154c、154d、第2の導電層155a、155c、155d、絶縁層176a、176b、176e、176f、176g、176hをマスクとして素子領域102a、102c、102dに不純物元素174を導入することによって不純物領域を形成する(図10(B)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。ここでは、不純物元素として、リン(P)を用いる。   Next, mask layers 181a, 181b, 181c, 181d, 181e, 181f, and 181g are selectively formed so as to cover the element region 102b, and the mask layers 181a to 181g, the first conductive layers 154a, 154c, 154d, Impurity regions are formed by introducing the impurity element 174 into the element regions 102a, 102c, and 102d using the second conductive layers 155a, 155c, and 155d and the insulating layers 176a, 176b, 176e, 176f, 176g, and 176h as masks (FIG. 10 (B)). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. Here, phosphorus (P) is used as the impurity element.

図10(B)においては、不純物元素を導入することによって、素子領域102aにソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域183a、183b、LDD領域を形成する低濃度不純物領域184a、184bとチャネル形成領域198aが形成される。また、素子領域102cには、ソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域183c、183dとLDD領域を形成する低濃度不純物領域184c、184dとチャネル形成領域198bが形成される。また、素子領域102dには、ソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域183e、183fとLDD領域を形成する低濃度不純物領域184e、184fとチャネル形成領域198cが形成される。   In FIG. 10B, by introducing an impurity element, high-concentration impurity regions 183a and 183b for forming a source region or a drain region in the element region 102a, low-concentration impurity regions 184a and 184b for forming an LDD region, and a channel are formed. A formation region 198a is formed. In the element region 102c, high-concentration impurity regions 183c and 183d forming a source region or a drain region, low-concentration impurity regions 184c and 184d forming an LDD region, and a channel formation region 198b are formed. In the element region 102d, high-concentration impurity regions 183e and 183f that form source regions or drain regions, low-concentration impurity regions 184e and 184f that form LDD regions, and a channel formation region 198c are formed.

次に、第1の導電層154a〜154d及び第2の導電層155a〜155d、絶縁層176a〜176hを覆うように絶縁層199、186を形成し、当該絶縁層199、186上に素子領域102a、102b、102c、102dにそれぞれ形成された高濃度不純物領域183a〜183f、180a、180bと電気的に接続する配線層185a、185b、185c、185d、185e、185f、185g、185hを形成する(図10(C)参照)。   Next, insulating layers 199 and 186 are formed so as to cover the first conductive layers 154a to 154d, the second conductive layers 155a to 155d, and the insulating layers 176a to 176h, and the element region 102a is formed over the insulating layers 199 and 186. , 102b, 102c, and 102d, wiring layers 185a, 185b, 185c, 185d, 185e, 185f, 185g, and 185h that are electrically connected to the high concentration impurity regions 183a to 183f, 180a, and 180b, respectively, are formed (FIG. 10 (C)).

本実施の形態の半導体素子においても、半導体層中に不純物元素を含む素子分離領域を形成し、素子分離された素子領域を用いている。 Also in the semiconductor element of this embodiment mode, an element isolation region containing an impurity element is formed in a semiconductor layer, and the element region in which the element is isolated is used.

素子分離領域は、連続した半導体層において、素子間を電気的に分離するために、選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加して形成する。導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域は、導電性に寄与しない不純物元素の混入により導電性が低下し、また添加時の半導体層へ物理的衝撃により(いわゆるスパッタ効果とも言える)結晶性が低下するため高抵抗化する。高抵抗化した素子分離領域においては、電界効果移動度も低下するため素子間を電気的に分離することができ、一方、不純物元素を添加しない領域は素子として機能しうる電界効果移動度を保っているため、素子領域として用いることができる。 The element isolation region is formed by selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon in order to electrically isolate elements from each other in a continuous semiconductor layer. In the element isolation region to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added, the conductivity decreases due to the mixing of the impurity element that does not contribute to conductivity, and the crystal is caused by physical impact (so-called sputtering effect) on the semiconductor layer at the time of addition. The resistance is lowered due to the decrease in performance. In the element isolation region with a high resistance, the field effect mobility is also reduced, so that the elements can be electrically isolated, while the region to which no impurity element is added maintains the field effect mobility that can function as an element. Therefore, it can be used as an element region.

素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上が好ましく、酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満が好ましい。 The resistivity of the element isolation region is preferably 1 × 10 10 Ω · cm or more, and the concentration of impurity elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3. .

素子分離領域は、不純物元素の添加により結晶性が低下しているため、非晶質化しているともいえる。一方、素子領域は結晶性半導体層なので、素子領域に半導体素子を形成する場合、そのチャネル形成領域の結晶性は、素子分離領域より高く半導体素子として高い電界効果移動度を得ることができる。 It can be said that the element isolation region is amorphous because the crystallinity is lowered by the addition of the impurity element. On the other hand, since the element region is a crystalline semiconductor layer, when a semiconductor element is formed in the element region, the crystallinity of the channel formation region is higher than that of the element isolation region and high field effect mobility can be obtained as a semiconductor element.

素子分離領域に添加する不純物元素としては、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス元素も用いてもよい。酸素、窒素、及び炭素の他に、比較的質量の大きな元素であるこれらの希ガス元素を更に添加すると、半導体層への物理的衝撃を大きくすることができるため、より効果的に結晶性を低下させることができる。 As an impurity element added to the element isolation region, a rare gas element such as argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), or xenon (Xe) may be used. In addition to oxygen, nitrogen, and carbon, the addition of these rare gas elements, which are relatively large elements, can increase the physical impact on the semiconductor layer, so that the crystallinity can be more effectively improved. Can be reduced.

よって、本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離することができる。半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上に絶縁層が形成されるため、絶縁層の被覆性が向上する。従って、絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、制御ゲート電極層、又はゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い不揮発性半導体記憶装置である半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。よって、半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。また、そのような膜の形状不良による不良が軽減されるので、作製工程においても歩留まりよく生産することができる。 Therefore, when the present invention is used, the semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands. Since the step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur and the insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, the coverage of the insulating layer is improved. Therefore, a semiconductor device which is a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device in which defects such as a short circuit between the charge storage layer, the control gate electrode layer, or the gate electrode layer and the semiconductor layer and a leakage current due to a poor coating of the insulating layer are prevented And a method for manufacturing such a semiconductor device can be provided. Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in the semiconductor device, and high performance of the semiconductor device can be achieved. In addition, since defects due to such a film shape defect are reduced, production can be performed with high yield even in the manufacturing process.

本実施の形態は、本明細書で示した他の実施の形態と組み合わせて行うことができる。   This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態10)
本実施の形態では、絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、制御ゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良を防止し、より高信頼性を付与することを目的とする半導体装置として他の不揮発性半導体記憶装置の一例に関して図面を用いて説明する。
(Embodiment 10)
In the present embodiment, a semiconductor device for preventing defects such as a short circuit and a leakage current between a charge storage layer, a control gate electrode layer, and a semiconductor layer due to a poor coating of an insulating layer, and to provide higher reliability An example of another nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to the drawings.

実施の形態2乃至9で示したメモリ素子は電荷蓄積層として金属、又は半導体材料を用いる例を示した。本実施の形態では、電荷蓄積層として絶縁層、又は導電性粒子又はシリコン、ゲルマニウム等の半導体粒子を含む絶縁層を用いる。 In the memory elements shown in Embodiment Modes 2 to 9, an example in which a metal or a semiconductor material is used for the charge storage layer is shown. In this embodiment mode, an insulating layer or an insulating layer containing conductive particles or semiconductor particles such as silicon or germanium is used as the charge storage layer.

電荷蓄積層は電荷を蓄積する目的で、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置に適用されるが、同様の機能を備えるものであれば他の材料を適用することもできる。膜中に電荷をトラップする欠陥を有している絶縁層、又は導電性粒子又はシリコン(珪素ともいう)、ゲルマニウム等の半導体粒子を含む絶縁層で形成することができる。このような材料の代表例として、代表的にはシリコン化合物、ゲルマニウム化合物がある。シリコン化合物としては酸素が添加された窒化シリコン、窒素が添加された酸化シリコン、酸素及び水素が添加された窒化シリコン、窒素及び水素が添加された酸化シリコン、ゲルマニウム化合物としては、窒化ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム、酸素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素が添加された酸化ゲルマニウム、酸素及び水素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素及び水素が添加された酸化ゲルマニウム等がある。また、電荷蓄積層にゲルマニウム粒子やシリコンゲルマニウム粒子が含まれていてもよい。 The charge storage layer is applied to the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention for the purpose of storing charges, but other materials can be applied as long as they have the same function. It can be formed of an insulating layer having defects that trap charges in the film, or an insulating layer containing conductive particles, or semiconductor particles such as silicon (also referred to as silicon) or germanium. Typical examples of such a material include a silicon compound and a germanium compound. Silicon compound added with oxygen as silicon compound, silicon oxide added with nitrogen, silicon nitride added with oxygen and hydrogen, silicon oxide added with nitrogen and hydrogen, germanium nitride, germanium oxide as germanium compounds And germanium nitride to which oxygen is added, germanium oxide to which nitrogen is added, germanium nitride to which oxygen and hydrogen are added, germanium oxide to which nitrogen and hydrogen are added, and the like. Further, the charge storage layer may contain germanium particles or silicon germanium particles.

本実施の形態のメモリ素子においても、半導体層中に不純物元素を含む素子分離領域を形成し、絶縁分離された素子領域を用いている。 Also in the memory element of this embodiment mode, an element isolation region including an impurity element is formed in a semiconductor layer, and an element region that is insulated and isolated is used.

素子分離領域は、連続した半導体層において、素子間を電気的に分離するために、選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加して形成する。導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域は、導電性に寄与しない不純物元素の混入により導電性が低下し、また添加時の半導体層へ物理的衝撃により(いわゆるスパッタ効果とも言える)結晶性が低下するため高抵抗化する。高抵抗化した素子分離領域においては、電界効果移動度も低下するため素子間を電気的に分離することができ、一方、不純物元素を添加しない領域は素子として機能しうる電界効果移動度を保っているため、素子領域として用いることができる。 The element isolation region is formed by selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon in order to electrically isolate elements from each other in a continuous semiconductor layer. In the element isolation region to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added, the conductivity decreases due to the mixing of the impurity element that does not contribute to conductivity, and the crystal is caused by physical impact (so-called sputtering effect) on the semiconductor layer at the time of addition. The resistance is lowered due to the decrease in performance. In the element isolation region with a high resistance, the field effect mobility is also reduced, so that the elements can be electrically isolated, while the region to which no impurity element is added maintains the field effect mobility that can function as an element. Therefore, it can be used as an element region.

素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上が好ましく、酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満が好ましい。 The resistivity of the element isolation region is preferably 1 × 10 10 Ω · cm or more, and the concentration of impurity elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3. .

素子分離領域は、不純物元素の添加により結晶性が低下しているため、非晶質化しているともいえる。一方、素子領域は結晶性半導体層なので、素子領域に半導体素子を形成する場合、そのチャネル形成領域の結晶性は、素子分離領域より高く半導体素子として高い電界効果移動度を得ることができる。 It can be said that the element isolation region is amorphous because the crystallinity is lowered by the addition of the impurity element. On the other hand, since the element region is a crystalline semiconductor layer, when a semiconductor element is formed in the element region, the crystallinity of the channel formation region is higher than that of the element isolation region and high field effect mobility can be obtained as a semiconductor element.

素子分離領域に添加する不純物元素としては、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス元素も用いてもよい。酸素、窒素、及び炭素の他に、比較的質量の大きな元素であるこれらの希ガス元素を更に添加すると、半導体層への物理的衝撃を大きくすることができるため、より効果的に結晶性を低下させることができる。 As an impurity element added to the element isolation region, a rare gas element such as argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), or xenon (Xe) may be used. In addition to oxygen, nitrogen, and carbon, the addition of these rare gas elements, which are relatively large elements, can increase the physical impact on the semiconductor layer, so that the crystallinity can be more effectively improved. Can be reduced.

よって、本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離することができる。半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上に絶縁層が形成されるため、絶縁層の被覆性が向上する。従って、絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、制御ゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い不揮発性半導体記憶装置である半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を提供することができる。よって、半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。また、そのような膜の形状不良による不良が軽減されるので、作製工程においても歩留まりよく生産することができる。 Therefore, when the present invention is used, the semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands. Since the step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur and the insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, the coverage of the insulating layer is improved. Therefore, a semiconductor device which is a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device in which defects such as a short circuit between the charge storage layer, the control gate electrode layer and the semiconductor layer and a leakage current due to a poor coating of the insulating layer are prevented, and such A method for manufacturing a semiconductor device can be provided. Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in the semiconductor device, and high performance of the semiconductor device can be achieved. In addition, since defects due to such a film shape defect are reduced, production can be performed with high yield even in the manufacturing process.

本実施の形態は、本明細書で示した他の実施の形態と組み合わせて行うことができる。 This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態11)
本実施の形態では、半導体素子において絶縁層の被覆不良によるゲート電極層と半導体層とのショート及びリーク電流などの不良を防止し、より高信頼性を付与することを目的とする半導体装置の一例に関して図面を用いて説明する。
(Embodiment 11)
In this embodiment, an example of a semiconductor device for preventing a short circuit between a gate electrode layer and a semiconductor layer due to a poor coating of an insulating layer and a leakage current in a semiconductor element and providing higher reliability Will be described with reference to the drawings.

実施の形態1乃至10では絶縁表面を有する基板上に半導体層を設ける例を示したが、本実施の形態では、これらの薄膜プロセスの代わりとしてSi等の半導体基板、又はSOI基板を用いる例を示す。 In Embodiments 1 to 10, an example in which a semiconductor layer is provided over a substrate having an insulating surface has been described. However, in this embodiment, a semiconductor substrate such as Si or an SOI substrate is used instead of these thin film processes. Show.

絶縁表面に単結晶半導体層を形成したSOI(Silicon on Insulator)基板はウェハの貼り合わせによる方法や酸素イオンをSi基板内に打ち込むことにより内部に絶縁層を形成するSIMOXと呼ばれる方法を用いて形成することができる。 An SOI (Silicon on Insulator) substrate in which a single crystal semiconductor layer is formed on an insulating surface is formed using a method of bonding wafers or a method called SIMOX in which an insulating layer is formed inside by implanting oxygen ions into a Si substrate. can do.

本実施の形態のメモリ素子においても、半導体層中に不純物元素を含む素子分離領域を形成し、素子分離された素子領域を用いている。 Also in the memory element of this embodiment mode, an element isolation region containing an impurity element is formed in a semiconductor layer, and the element region in which the element is isolated is used.

素子分離領域は、連続した半導体層において、素子間を電気的に分離するために、選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加して形成する。導電性に寄与しない不純物元素を添加した素子分離領域は、導電性に寄与しない不純物元素の混入により導電性が低下し、また添加時の半導体層へ物理的衝撃により(いわゆるスパッタ効果とも言える)結晶性が低下するため高抵抗化する。高抵抗化した素子分離領域においては、電界効果移動度も低下するため素子間を電気的に分離することができ、一方、不純物元素を添加しない領域は素子として機能しうる電界効果移動度を保っているため、素子領域として用いることができる。 The element isolation region is formed by selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon in order to electrically isolate elements from each other in a continuous semiconductor layer. In the element isolation region to which an impurity element that does not contribute to conductivity is added, the conductivity decreases due to the mixing of the impurity element that does not contribute to conductivity, and the crystal is caused by physical impact (so-called sputtering effect) on the semiconductor layer at the time of addition. The resistance is lowered due to the decrease in performance. In the element isolation region with a high resistance, the field effect mobility is also reduced, so that the elements can be electrically isolated, while the region to which no impurity element is added maintains the field effect mobility that can function as an element. Therefore, it can be used as an element region.

素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上が好ましく、酸素、窒素、炭素などの不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満が好ましい。 The resistivity of the element isolation region is preferably 1 × 10 10 Ω · cm or more, and the concentration of impurity elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3. .

素子分離領域は、不純物元素の添加により結晶性が低下しているため、非晶質化しているともいえる。一方、素子領域は結晶性半導体層なので、素子領域に半導体素子を形成する場合、そのチャネル形成領域の結晶性は、素子分離領域より高く半導体素子として高い電界効果移動度を得ることができる。 It can be said that the element isolation region is amorphous because the crystallinity is lowered by the addition of the impurity element. On the other hand, since the element region is a crystalline semiconductor layer, when a semiconductor element is formed in the element region, the crystallinity of the channel formation region is higher than that of the element isolation region and high field effect mobility can be obtained as a semiconductor element.

素子分離領域に添加する不純物元素としては、アルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)などの希ガス元素も用いてもよい。酸素、窒素、及び炭素の他に、比較的質量の大きな元素であるこれらの希ガス元素を更に添加すると、半導体層への物理的衝撃を大きくすることができるため、より効果的に結晶性を低下させることができる。 As an impurity element added to the element isolation region, a rare gas element such as argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), or xenon (Xe) may be used. In addition to oxygen, nitrogen, and carbon, the addition of these rare gas elements, which are relatively large elements, can increase the physical impact on the semiconductor layer, so that the crystallinity can be more effectively improved. Can be reduced.

よって、本発明を用いると、半導体層を島状に分割することなく、複数の素子領域に分離することができる。また、高温の加熱処理を行わないため素子分離領域の体積膨張も生じず、半導体層(又は半導体基板)表面の平坦性が良好に保たれる。半導体層端部による段差が生じず、平坦な半導体層上に絶縁層が形成されるため、絶縁層の被覆性が向上する。従って、絶縁層の被覆不良による電荷蓄積層、制御ゲート電極層、ゲート電極層と半導体層のショート及びリーク電流などの不良が防止された信頼性の高い不揮発性半導体記憶装置である半導体装置、及びそのような半導体装置の作製方法を、複雑な工程を行わずに提供することができる。よって、半導体装置において、さらなる微細化、高集積化を行うことが可能となり、半導体装置の高性能化を達成することができる。また、そのような膜の形状不良による不良が軽減されるので、作製工程においても歩留まりよく生産することができる。 Therefore, when the present invention is used, the semiconductor layer can be separated into a plurality of element regions without being divided into islands. Further, since the high temperature heat treatment is not performed, volume expansion of the element isolation region does not occur, and the flatness of the surface of the semiconductor layer (or the semiconductor substrate) is kept good. Since the step due to the end portion of the semiconductor layer does not occur and the insulating layer is formed on the flat semiconductor layer, the coverage of the insulating layer is improved. Therefore, a semiconductor device which is a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device in which defects such as a charge accumulation layer, a control gate electrode layer, a short-circuit between the gate electrode layer and the semiconductor layer and a leakage current due to a poor coating of the insulating layer are prevented, and A manufacturing method of such a semiconductor device can be provided without performing a complicated process. Therefore, further miniaturization and high integration can be performed in the semiconductor device, and high performance of the semiconductor device can be achieved. In addition, since defects due to such a film shape defect are reduced, production can be performed with high yield even in the manufacturing process.

本実施の形態は、本明細書で示した他の実施の形態と組み合わせて行うことができる。 This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態12)
本実施の形態では、上述した本発明を用いて形成された不揮発性半導体記憶装置などを備えた非接触でデータの入出力が可能である半導体装置の適用例に関して図面を参照して以下に説明する。非接触でデータの入出力が可能である半導体装置は利用の形態によっては、RFIDタグ、IDタグ、ICタグ、ICチップ、RFタグ、無線タグ、電子タグまたは無線チップともよばれる。
(Embodiment 12)
In this embodiment, application examples of a semiconductor device including the above-described nonvolatile semiconductor memory device formed using the present invention and capable of inputting and outputting data without contact are described below with reference to the drawings. To do. A semiconductor device in which data can be input / output without contact is also referred to as an RFID tag, an ID tag, an IC tag, an IC chip, an RF tag, a wireless tag, an electronic tag, or a wireless chip depending on the application.

半導体装置800は、非接触でデータを交信する機能を有し、高周波回路810、電源回路820、リセット回路830、クロック発生回路840、データ復調回路850、データ変調回路860、他の回路の制御を行う制御回路870、記憶回路880およびアンテナ890を有している(図22(A))。高周波回路810はアンテナ890より信号を受信して、データ変調回路860より受信した信号をアンテナ890から出力する回路であり、電源回路820は受信信号から電源電位を生成する回路であり、リセット回路830はリセット信号を生成する回路であり、クロック発生回路840はアンテナ890から入力された受信信号を基に各種クロック信号を生成する回路であり、データ復調回路850は受信信号を復調して制御回路870に出力する回路であり、データ変調回路860は制御回路870から受信した信号を変調する回路である。また、制御回路870としては、例えばコード抽出回路910、コード判定回路920、CRC判定回路930および出力ユニット回路940が設けられている。なお、コード抽出回路910は制御回路870に送られてきた命令に含まれる複数のコードをそれぞれ抽出する回路であり、コード判定回路920は抽出されたコードとリファレンスに相当するコードとを比較して命令の内容を判定する回路であり、CRC判定回路930は判定されたコードに基づいて送信エラー等の有無を検出する回路である。 The semiconductor device 800 has a function of exchanging data without contact, and controls a high frequency circuit 810, a power supply circuit 820, a reset circuit 830, a clock generation circuit 840, a data demodulation circuit 850, a data modulation circuit 860, and other circuits. A control circuit 870, a memory circuit 880, and an antenna 890 are provided (FIG. 22A). The high-frequency circuit 810 is a circuit that receives a signal from the antenna 890 and outputs the signal received from the data modulation circuit 860 from the antenna 890, and the power supply circuit 820 is a circuit that generates a power supply potential from the received signal, and a reset circuit 830. Is a circuit that generates a reset signal, the clock generation circuit 840 is a circuit that generates various clock signals based on the reception signal input from the antenna 890, and the data demodulation circuit 850 demodulates the reception signal to control the circuit 870. The data modulation circuit 860 is a circuit that modulates the signal received from the control circuit 870. As the control circuit 870, for example, a code extraction circuit 910, a code determination circuit 920, a CRC determination circuit 930, and an output unit circuit 940 are provided. The code extraction circuit 910 is a circuit that extracts a plurality of codes included in the instruction sent to the control circuit 870, and the code determination circuit 920 compares the extracted code with a code corresponding to a reference. The CRC determination circuit 930 is a circuit that detects the presence or absence of a transmission error or the like based on the determined code.

次に、上述した半導体装置の動作の一例について説明する。まず、アンテナ890により無線信号が受信される。無線信号は高周波回路810を介して電源回路820に送られ、高電源電位(以下、VDDと記す)が生成される。VDDは半導体装置800が有する各回路に供給される。また、高周波回路810を介してデータ復調回路850に送られた信号は復調される(以下、復調信号)。さらに、高周波回路810を介してリセット回路830およびクロック発生回路840を通った信号及び復調信号は制御回路870に送られる。制御回路870に送られた信号は、コード抽出回路910、コード判定回路920およびCRC判定回路930等によって解析される。そして、解析された信号にしたがって、記憶回路880内に記憶されている半導体装置の情報が出力される。出力された半導体装置の情報は出力ユニット回路940を通って符号化される。さらに、符号化された半導体装置800の情報はデータ変調回路860を通って、アンテナ890により無線信号に載せて送信される。なお、半導体装置800を構成する複数の回路においては、低電源電位(以下、VSS)は共通であり、VSSはGNDとすることができる。また、本発明を用いて形成された不揮発性半導体記憶装置などを記憶回路880に適用することができる。 Next, an example of operation of the above-described semiconductor device will be described. First, a radio signal is received by the antenna 890. The wireless signal is sent to the power supply circuit 820 via the high frequency circuit 810, and a high power supply potential (hereinafter referred to as VDD) is generated. VDD is supplied to each circuit included in the semiconductor device 800. The signal sent to the data demodulation circuit 850 via the high frequency circuit 810 is demodulated (hereinafter, demodulated signal). Further, a signal and a demodulated signal that have passed through the reset circuit 830 and the clock generation circuit 840 via the high frequency circuit 810 are sent to the control circuit 870. The signal sent to the control circuit 870 is analyzed by the code extraction circuit 910, the code determination circuit 920, the CRC determination circuit 930, and the like. Then, information on the semiconductor device stored in the memory circuit 880 is output in accordance with the analyzed signal. The output semiconductor device information is encoded through the output unit circuit 940. Further, the encoded information of the semiconductor device 800 passes through the data modulation circuit 860 and is transmitted on the radio signal by the antenna 890. Note that a low power supply potential (hereinafter referred to as VSS) is common in the plurality of circuits included in the semiconductor device 800, and VSS can be GND. Further, a nonvolatile semiconductor memory device or the like formed using the present invention can be applied to the memory circuit 880.

このように、リーダ/ライタから半導体装置800に信号を送り、当該半導体装置800から送られてきた信号をリーダ/ライタで受信することによって、半導体装置のデータを読み取ることが可能となる。 As described above, by transmitting a signal from the reader / writer to the semiconductor device 800 and receiving the signal transmitted from the semiconductor device 800 by the reader / writer, the data of the semiconductor device can be read.

また、半導体装置800は、各回路への電源電圧の供給を電源(バッテリー)を搭載せず電磁波により行うタイプとしてもよいし、電源(バッテリー)を搭載して電磁波と電源(バッテリー)により各回路に電源電圧を供給するタイプとしてもよい。 Further, the semiconductor device 800 may be of a type in which the power supply voltage is supplied to each circuit by an electromagnetic wave without mounting the power source (battery), or each circuit is mounted by the electromagnetic wave and the power source (battery). It is good also as a type which supplies a power supply voltage to.

次に、非接触でデータの入出力が可能な半導体装置の使用形態の一例について説明する。表示部3210を含む携帯端末の側面には、リーダ/ライタ3200が設けられ、品物3220の側面には半導体装置3230が設けられる(図22(B))。品物3220が含む半導体装置3230にリーダ/ライタ3200をかざすと、表示部3210に品物の原材料や原産地、生産工程ごとの検査結果や流通過程の履歴等、更に商品の説明等の商品に関する情報が表示される。また、商品3260をベルトコンベアにより搬送する際に、リーダ/ライタ3240と、商品3260に設けられた半導体装置3250を用いて、該商品3260の検品を行うことができる(図22(C))。このように、システムに半導体装置を活用することで、情報の取得を簡単に行うことができ、高機能化と高付加価値化を実現する。 Next, an example of a usage pattern of a semiconductor device capable of inputting and outputting data without contact will be described. A reader / writer 3200 is provided on a side surface of the portable terminal including the display portion 3210, and a semiconductor device 3230 is provided on a side surface of the article 3220 (FIG. 22B). When the reader / writer 3200 is held over the semiconductor device 3230 included in the product 3220, information about the product such as the description of the product, such as the raw material and origin of the product, the inspection result for each production process and the history of the distribution process, is displayed on the display unit 3210. Is done. Further, when the product 3260 is conveyed by a belt conveyor, the product 3260 can be inspected using the reader / writer 3240 and the semiconductor device 3250 provided in the product 3260 (FIG. 22C). In this manner, by using a semiconductor device in the system, information can be easily acquired, and high functionality and high added value are realized.

また、本発明を用いて形成された半導体装置である不揮発性半導体記憶装置などは、メモリを具備したあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、本発明の不揮発性半導体記憶装置を適用した電子機器として、ビデオカメラ、デジタルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、オーディオコンポ等)、コンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍等)、記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDVD(digital versatile disc)等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置)などが挙げられる。それら電子機器の具体例を図23に示す。 In addition, a nonvolatile semiconductor memory device or the like which is a semiconductor device formed using the present invention can be used for electronic devices in various fields including a memory. For example, as an electronic device to which the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is applied, a camera such as a video camera or a digital camera, a goggle type display (head mounted display), a navigation system, a sound reproduction device (car audio, audio component, etc.), Plays back recording media such as computers, game machines, portable information terminals (mobile computers, mobile phones, portable game machines or electronic books), and image playback devices (specifically DVDs (digital versatile discs)) equipped with recording media And an apparatus provided with a display capable of displaying the image). Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図23(A)、(B)は、デジタルカメラを示している。図23(B)は、図23(A)の裏側を示す図である。このデジタルカメラは、筐体2111、表示部2112、レンズ2113、操作キー2114、シャッターボタン2115などを有する。また、取り出し可能な不揮発性のメモリ2116を備えており、当該デジタルカメラで撮影したデータをメモリ2116に記憶させておく構成となっている。本発明を用いて形成された半導体装置である不揮発性半導体記憶装置などは当該メモリ2116に適用することができる。 23A and 23B show a digital camera. FIG. 23B is a diagram showing the back side of FIG. This digital camera includes a housing 2111, a display portion 2112, a lens 2113, operation keys 2114, a shutter button 2115, and the like. In addition, a removable nonvolatile memory 2116 is provided, and data captured by the digital camera is stored in the memory 2116. A nonvolatile semiconductor memory device or the like which is a semiconductor device formed using the present invention can be applied to the memory 2116.

また、図23(C)は、携帯電話を示しており、携帯端末の1つの代表例である。この携帯電話は筐体2121、表示部2122、操作キー2123などを含む。また、携帯電話は、取り出し可能な不揮発性のメモリ2125を備えており、当該携帯電話の電話番号等のデータ、映像、音楽データ等をメモリ2125に記憶させ再生することができる。本発明を用いて形成された半導体装置である不揮発性半導体記憶装置などは当該メモリ2125に適用することができる。 FIG. 23C illustrates a mobile phone, which is a typical example of a mobile terminal. This mobile phone includes a housing 2121, a display portion 2122, operation keys 2123, and the like. In addition, the mobile phone includes a removable nonvolatile memory 2125, and data such as a phone number of the mobile phone, video, music data, and the like can be stored in the memory 2125 and played back. A nonvolatile semiconductor memory device or the like which is a semiconductor device formed using the present invention can be applied to the memory 2125.

また、図23(D)は、デジタルプレーヤーを示しており、オーディオ装置の1つの代表例である。図23(D)に示すデジタルプレーヤーは、本体2130、表示部2131、メモリ部2132、操作部2133、イヤホン2134等を含んでいる。なお、イヤホン2134の代わりにヘッドホンや無線式イヤホンを用いることができる。メモリ部2132は、本発明を用いて形成された半導体装置である不揮発性半導体記憶装置などを用いることができる。例えば、記録容量が20〜200ギガバイト(GB)のNAND型不揮発性メモリを用い、操作部2133を操作することにより、映像や音声(音楽)を記録、再生することができる。なお、表示部2131は黒色の背景に白色の文字を表示することで消費電力を抑えられる。これは携帯型のオーディオ装置において特に有効である。なお、メモリ部2132に設けられた不揮発性の半導体記憶装置は、取り出し可能な構成としてもよい。 FIG. 23D illustrates a digital player, which is a typical example of an audio device. A digital player shown in FIG. 23D includes a main body 2130, a display portion 2131, a memory portion 2132, an operation portion 2133, an earphone 2134, and the like. Note that headphones or wireless earphones can be used instead of the earphones 2134. As the memory portion 2132, a nonvolatile semiconductor memory device that is a semiconductor device formed using the present invention can be used. For example, by using a NAND nonvolatile memory with a recording capacity of 20 to 200 gigabytes (GB) and operating the operation unit 2133, video and audio (music) can be recorded and reproduced. Note that the display unit 2131 can reduce power consumption by displaying white characters on a black background. This is particularly effective in a portable audio device. Note that the nonvolatile semiconductor memory device provided in the memory portion 2132 may be removable.

また、図23(E)は、電子ブック(電子ペーパーともいう)を示している。この電子ブックは、本体2141、表示部2142、操作キー2143、メモリ部2144を含んでいる。またモデムが本体2141に内蔵されていてもよいし、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。メモリ部2144は、本発明を用いて形成された半導体装置である不揮発性半導体記憶装置などを用いることができる。例えば、記録容量が20〜200ギガバイト(GB)のNAND型不揮発性メモリを用い、操作キー2143を操作することにより、映像や音声(音楽)を記録、再生することができる。なお、メモリ部2144に設けられた不揮発性の半導体記憶装置は、取り出し可能な構成としてもよい。 FIG. 23E illustrates an electronic book (also referred to as electronic paper). This electronic book includes a main body 2141, a display portion 2142, operation keys 2143, and a memory portion 2144. Further, a modem may be incorporated in the main body 2141 or a configuration in which information can be transmitted and received wirelessly may be employed. As the memory portion 2144, a nonvolatile semiconductor memory device which is a semiconductor device formed using the present invention can be used. For example, by using a NAND nonvolatile memory with a recording capacity of 20 to 200 gigabytes (GB) and operating the operation key 2143, video and audio (music) can be recorded and reproduced. Note that the nonvolatile semiconductor memory device provided in the memory portion 2144 may be removable.

以上の様に、本発明の半導体装置(特に本発明を用いて形成された半導体装置である不揮発性半導体記憶装置など)の適用範囲は極めて広く、メモリを有するものなど広い分野の電子機器に用いることが可能である。 As described above, the applicable range of the semiconductor device of the present invention (particularly, a nonvolatile semiconductor memory device which is a semiconductor device formed using the present invention) is extremely wide, and it is used for electronic devices in a wide range of fields including a memory. It is possible.

(実施の形態13)
本発明によりプロセッサ回路を有するチップ(以下、プロセッサチップ、無線チップ、無線プロセッサ、無線メモリ、無線タグともよぶ)として機能する半導体装置を形成することができる。本発明の半導体装置の用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、証書類、無記名債券類、包装用容器類、書籍類、記録媒体、身の回り品、乗物類、食品類、衣類、保健用品類、生活用品類、薬品類及び電子機器等に設けて使用することができる。
(Embodiment 13)
According to the present invention, a semiconductor device that functions as a chip having a processor circuit (hereinafter also referred to as a processor chip, a wireless chip, a wireless processor, a wireless memory, or a wireless tag) can be formed. The semiconductor device of the present invention has a wide range of uses, such as banknotes, coins, securities, certificates, bearer bonds, packaging containers, books, recording media, personal items, vehicles, foods, clothing It can be used in health supplies, daily necessities, medicines and electronic devices.

本発明を用いたメモリ素子を有する半導体装置は、自由に様々な基板に転置することができるため、安価な材料を基板として選択することもでき、用途に合わせて広い機能を持たせることができるだけでなく、低コストで半導体装置を作製することができる。よって、本発明によりプロセッサ回路を有するチップも安価、小型、薄型、軽量という特徴を有しているので、多く流通する貨幣、硬貨などや、持ち運ぶことの多い書籍、身の回り品、衣類などに好適である。   Since a semiconductor device having a memory element using the present invention can be freely transferred to various substrates, an inexpensive material can be selected as the substrate and can have a wide range of functions depending on the application. In addition, a semiconductor device can be manufactured at low cost. Therefore, the chip having a processor circuit according to the present invention also has features such as low cost, small size, thinness, and light weight, so it is suitable for a large amount of money, coins, etc., books that are often carried, personal items, clothes, etc. is there.

紙幣、硬貨とは、市場に流通する金銭であり、特定の地域で貨幣と同じように通用するもの(金券)、記念コイン等を含む。有価証券類とは、小切手、証券、約束手形等を指し、プロセッサ回路を有するチップ190を設けることができる(図21(A)参照)。証書類とは、運転免許証、住民票等を指し、プロセッサ回路を有するチップ191を設けることができる(図21(B)参照)。身の回り品とは、鞄、眼鏡等を指し、プロセッサ回路を有するチップ197を設けることができる(図21(C)参照)。無記名債券類とは、切手、おこめ券、各種ギフト券等を指す。包装用容器類とは、お弁当等の包装紙、ペットボトル等を指し、プロセッサ回路を有するチップ193を設けることができる(図21(D)参照)。書籍類とは、書物、本等を指し、プロセッサ回路を有するチップ194を設けることができる(図21(E)参照)。記録媒体とは、DVDソフト、ビデオテープ等を指し、プロセッサ回路を有するチップ195を設けることができる(図21(F)参照)。乗物類とは、自転車等の車両、船舶等を指し、プロセッサ回路を有するチップ196を設けることができる(図21(G)参照)。食品類とは、食料品、飲料等を指す。衣類とは、衣服、履物等を指す。保健用品類とは、医療器具、健康器具等を指す。生活用品類とは、家具、照明器具等を指す。薬品類とは、医薬品、農薬等を指す。電子機器とは、液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置(テレビ受像機、薄型テレビ受像機)、携帯電話等を指す。   Banknotes and coins are money that circulates in the market, and include those that are used in the same way as money in a specific area (cash vouchers), commemorative coins, and the like. Securities refer to checks, securities, promissory notes, and the like, and can be provided with a chip 190 including a processor circuit (see FIG. 21A). The certificate refers to a driver's license, a resident's card, or the like, and can be provided with a chip 191 having a processor circuit (see FIG. 21B). Personal belongings refer to bags, glasses, and the like, and can be provided with a chip 197 including a processor circuit (see FIG. 21C). Bearer bonds refer to stamps, gift cards, and various gift certificates. Packaging containers refer to wrapping paper for lunch boxes, plastic bottles, and the like, and can be provided with a chip 193 including a processor circuit (see FIG. 21D). Books refer to books, books, and the like, and can be provided with a chip 194 including a processor circuit (see FIG. 21E). A recording medium refers to DVD software, video tape, or the like, and can be provided with a chip 195 including a processor circuit (see FIG. 21F). The vehicles refer to vehicles such as bicycles, ships, and the like, and can be provided with a chip 196 including a processor circuit (see FIG. 21G). Foods refer to food products, beverages, and the like. Clothing refers to clothing, footwear, and the like. Health supplies refer to medical equipment, health equipment, and the like. Livingware refers to furniture, lighting equipment, and the like. Chemicals refer to pharmaceuticals, agricultural chemicals, and the like. Electronic devices refer to liquid crystal display devices, EL display devices, television devices (TV receivers, flat-screen TV receivers), mobile phones, and the like.

本発明の半導体装置は、プリント基板に実装する、表面に貼る、埋め込むなどによって、物品に固定される。例えば、本なら紙に埋め込んだり、有機樹脂からなるパッケージなら当該有機樹脂に埋め込んだりして、各物品に固定される。本発明の半導体装置は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後も、その物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類等に本発明の半導体装置を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、電子機器等に本発明の半導体装置を設けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。 The semiconductor device of the present invention is fixed to an article by being mounted on a printed board, pasted on a surface, embedded, or the like. For example, a book is embedded in paper, and a package made of an organic resin is embedded in the organic resin, and is fixed to each article. Since the semiconductor device of the present invention realizes a small size, a thin shape, and a light weight, the design of the article itself is not impaired even after being fixed to the article. In addition, by providing the semiconductor device of the present invention in bills, coins, securities, bearer bonds, certificates, etc., an authentication function can be provided, and if this authentication function is utilized, counterfeiting can be prevented. it can. In addition, by providing the semiconductor device of the present invention in packaging containers, recording media, personal items, foods, clothing, daily necessities, electronic devices, etc., the efficiency of a system such as an inspection system can be improved.

本発明の半導体装置の上面図及び断面図を説明する図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の上面図及び断面図を説明する図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の上面図及び断面図を説明する図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の上面図及び断面図を説明する図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の作製方法を説明する図。8A to 8D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の作製方法を説明する図。8A to 8D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の作製方法を説明する図。8A to 8D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の作製方法を説明する図。8A to 8D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の作製方法を説明する図。8A to 8D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の作製方法を説明する図。8A to 8D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の上面図及び断面図を説明する図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views of a semiconductor device of the present invention. 半導体装置の等価回路の一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of an equivalent circuit of a semiconductor device. 半導体装置の等価回路の一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of an equivalent circuit of a semiconductor device. 半導体装置の等価回路の一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of an equivalent circuit of a semiconductor device. 本発明の半導体装置の上面図を説明する図。FIG. 6 illustrates a top view of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の断面図を説明する図。FIG. 10 illustrates a cross-sectional view of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の上面図を説明する図。FIG. 6 illustrates a top view of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の断面図を説明する図。FIG. 10 illustrates a cross-sectional view of a semiconductor device of the present invention. 半導体装置の回路ブロック図の一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of a circuit block diagram of a semiconductor device. 本発明の半導体装置の上面図を説明する図。FIG. 6 illustrates a top view of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の適用例を説明する図。8A and 8B illustrate an application example of a semiconductor device of the invention. 本発明の半導体装置の適用例を説明する図。8A and 8B illustrate an application example of a semiconductor device of the invention. 本発明の半導体装置の適用例を説明する図。8A and 8B illustrate an application example of a semiconductor device of the invention. 半導体装置の書き込み動作を説明する図。8A and 8B illustrate a writing operation of a semiconductor device. 半導体装置の消去及び読み出し動作を説明する図。10A and 10B illustrate erase and read operations of a semiconductor device.

Claims (19)

絶縁表面上に素子分離領域及び素子領域を含む半導体層を有し、
前記素子分離領域及び前記素子領域は接しており、
前記素子分離領域は酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を含み、
前記素子分離領域は前記素子領域より抵抗が高いことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor layer including an element isolation region and an element region on an insulating surface;
The element isolation region and the element region are in contact with each other,
The element isolation region includes at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon,
The element isolation region has a resistance higher than that of the element region.
絶縁表面上に素子分離領域及び素子領域を含む半導体層を有し、
前記素子領域はソース領域、ドレイン領域及びチャネル形成領域を有し、
前記素子分離領域及び前記素子領域は接しており、
前記素子分離領域は酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を含み、
前記素子分離領域は前記チャネル形成領域より結晶性が低いことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor layer including an element isolation region and an element region on an insulating surface;
The element region has a source region, a drain region, and a channel formation region,
The element isolation region and the element region are in contact with each other,
The element isolation region includes at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon,
The semiconductor device, wherein the element isolation region has lower crystallinity than the channel formation region.
請求項1又は請求項2において、前記素子分離領域及び前記素子領域上に絶縁層、前記絶縁層上に導電層を有し、前記導電層は前記絶縁層を介して前記素子分離領域及び前記素子領域上に亘って設けられることを特徴とする半導体装置。 3. The device isolation region according to claim 1, wherein the device isolation region and the device region have an insulating layer, and the conductive layer is provided on the insulating layer, and the conductive layer is interposed between the device isolation region and the device through the insulating layer. A semiconductor device provided over a region. 絶縁表面上に素子分離領域、前記素子分離領域を介して隣接する第1の素子領域及び第2の素子領域を含む半導体層を有し、
前記素子分離領域は酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を含み、
前記素子分離領域は前記第1の素子領域及び第2の素子領域より抵抗が高いことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor layer including an element isolation region on the insulating surface, a first element region and a second element region adjacent to each other through the element isolation region;
The element isolation region includes at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon,
The element isolation region has a higher resistance than the first element region and the second element region.
絶縁表面上に素子分離領域、前記素子分離領域を介して隣接する第1の素子領域及び第2の素子領域を含む半導体層を有し、
前記第1の素子領域は第1のソース領域、第1のドレイン領域及び第1のチャネル形成領域を含み、
前記第2の素子領域は第2のソース領域、第2のドレイン領域及び第2のチャネル形成領域を含み、
前記素子分離領域は酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を含み、
前記素子分離領域は前記第1のチャネル形成領域及び前記第2のチャネル形成領域より結晶性が低いことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor layer including an element isolation region on the insulating surface, a first element region and a second element region adjacent to each other through the element isolation region;
The first element region includes a first source region, a first drain region, and a first channel formation region,
The second element region includes a second source region, a second drain region, and a second channel formation region,
The element isolation region includes at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon,
The semiconductor device, wherein the element isolation region has lower crystallinity than the first channel formation region and the second channel formation region.
請求項4又は請求項5において、前記素子分離領域、前記第1の素子領域及び前記第2の素子領域上に絶縁層、前記絶縁層上に導電層を有し、前記導電層は前記絶縁層を介して前記素子分離領域及び前記第1の素子領域、又は前記素子分離領域及び前記第2の素子領域上に亘って設けられることを特徴とする半導体装置。 6. The insulating layer according to claim 4 or 5, wherein an insulating layer is provided on the element isolation region, the first element region, and the second element region, and a conductive layer is provided on the insulating layer, and the conductive layer is the insulating layer. The semiconductor device is provided over the element isolation region and the first element region, or over the element isolation region and the second element region via a gap. 請求項1乃至6のいずれか一項において、前記素子分離領域に含まれる不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満であることを特徴とする半導体装置。 7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the concentration of the impurity element contained in the element isolation region is not less than 1 × 10 20 cm −3 and less than 4 × 10 22 cm −3. . 請求項1乃至7のいずれか一項において、前記素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上であることを特徴とする半導体装置。 8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a resistivity of the element isolation region is 1 × 10 10 Ω · cm or more. 請求項1乃至8のいずれか一項において、前記素子分離領域に希ガス元素を含むことを特徴とする半導体装置。 9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the element isolation region includes a rare gas element. 絶縁表面上に半導体層を形成し、
前記半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加し、前記半導体層に素子領域及び前記不純物元素を含む素子分離領域を形成し、
前記素子領域及び前記素子分離領域上に絶縁層を形成し、
前記素子領域及び前記絶縁層上にゲート電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a semiconductor layer on the insulating surface;
Selectively adding at least one impurity element of oxygen, nitrogen, and carbon to the semiconductor layer, and forming an element region and an element isolation region containing the impurity element in the semiconductor layer;
Forming an insulating layer on the element region and the element isolation region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a gate electrode layer over the element region and the insulating layer.
絶縁表面上に半導体層を形成し、
前記半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加し、前記半導体層に素子領域及び前記不純物元素を含み、かつ前記素子領域より抵抗が高い素子分離領域を形成し、
前記素子領域及び前記素子分離領域上に絶縁層を形成し、
前記素子領域及び前記絶縁層上にゲート電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a semiconductor layer on the insulating surface;
An element isolation region including at least one impurity element selected from oxygen, nitrogen, and carbon is selectively added to the semiconductor layer, the element region and the impurity element are included in the semiconductor layer, and the element isolation region has a higher resistance than the element region. Forming,
Forming an insulating layer on the element region and the element isolation region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a gate electrode layer over the element region and the insulating layer.
絶縁表面上に半導体層を形成し、
前記半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を添加し、前記半導体層に素子領域及び前記不純物元素を含み、かつ前記素子領域より結晶性が低い素子分離領域を形成し、
前記素子領域及び前記素子分離領域上に絶縁層を形成し、
前記素子領域及び前記絶縁層上にゲート電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a semiconductor layer on the insulating surface;
At least one or more impurity elements of oxygen, nitrogen, and carbon are selectively added to the semiconductor layer, the element region and the impurity element are included in the semiconductor layer, and the element isolation region has lower crystallinity than the element region. Form the
Forming an insulating layer on the element region and the element isolation region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a gate electrode layer over the element region and the insulating layer.
絶縁表面上に半導体層を形成し、
前記半導体層上に絶縁層を形成し、
前記半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を、前記絶縁層を介して添加し、前記半導体層に素子領域及び前記不純物元素を含む素子分離領域を形成し、
前記素子領域及び前記絶縁層上にゲート電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a semiconductor layer on the insulating surface;
Forming an insulating layer on the semiconductor layer;
At least one or more impurity elements of oxygen, nitrogen, and carbon are selectively added to the semiconductor layer through the insulating layer, and an element region and an element isolation region containing the impurity element are formed in the semiconductor layer. ,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a gate electrode layer over the element region and the insulating layer.
絶縁表面上に半導体層を形成し、
前記半導体層上に絶縁層を形成し、
前記半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を、前記絶縁層を介して添加し、前記半導体層に素子領域及び前記不純物元素を含み、かつ前記素子領域より抵抗が高い素子分離領域を形成し、
前記素子領域及び前記絶縁層上にゲート電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a semiconductor layer on the insulating surface;
Forming an insulating layer on the semiconductor layer;
At least one or more impurity elements of oxygen, nitrogen, and carbon are selectively added to the semiconductor layer through the insulating layer, the element region and the impurity element are included in the semiconductor layer, and from the element area Form an element isolation region with high resistance,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a gate electrode layer over the element region and the insulating layer.
絶縁表面上に半導体層を形成し、
前記半導体層上に絶縁層を形成し、
前記半導体層に選択的に酸素、窒素、及び炭素のうち少なくとも一種以上の不純物元素を、前記絶縁層を介して添加し、前記半導体層に素子領域及び前記不純物元素を含み、かつ前記素子領域より結晶性が低い素子分離領域を形成し、
前記素子領域及び前記絶縁層上にゲート電極層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a semiconductor layer on the insulating surface;
Forming an insulating layer on the semiconductor layer;
At least one or more impurity elements of oxygen, nitrogen, and carbon are selectively added to the semiconductor layer through the insulating layer, the element region and the impurity element are included in the semiconductor layer, and from the element area Form an element isolation region with low crystallinity,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a gate electrode layer over the element region and the insulating layer.
請求項10乃至15のいずれか一項において、前記絶縁層は窒素雰囲気下又は酸素雰囲気下のプラズマ処理によって形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。 16. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the insulating layer is formed by plasma treatment in a nitrogen atmosphere or an oxygen atmosphere. 請求項10乃至16のいずれか一項において、前記素子分離領域に含まれる不純物元素の濃度は、1×1020cm−3以上4×1022cm−3未満とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。 17. The semiconductor device according to claim 10, wherein the concentration of the impurity element contained in the element isolation region is 1 × 10 20 cm −3 or more and less than 4 × 10 22 cm −3. Manufacturing method. 請求項10乃至17のいずれか一項において、前記素子分離領域の抵抗率は、1×1010Ω・cm以上とすることを特徴とする半導体装置の作製方法。 18. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein a resistivity of the element isolation region is 1 × 10 10 Ω · cm or more. 請求項10乃至18のいずれか一項において、前記素子分離領域に希ガス元素を添加することを特徴とする半導体装置の作製方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein a rare gas element is added to the element isolation region.
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