JP2008140898A - Semiconductor device, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of writing and deleting data with a low voltage, and to provide a method of manufacturing the semiconductor device. <P>SOLUTION: There are provided: an Si layer 5 formed on an Si layer 1 via an insulating film 3; an Si layer 9 formed on the Si layer 5 via an insulating film 7; a PMOS 20 formed on at least one side of the Si layer 5; and an NMOS 30 formed on at least one side of the Si layer 9. The PMOS 20 and the NMOS 30 have a common control gate 17 and a common floating gate 8. The common floating gate is arranged between the Si layers 5, 9. Writing and erasure to the common floating gate 8 are achieved by supplying two carriers of electrons and holes. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、データの読み込みと共に、データの書き込みと消去を低電圧で実行可能な技術に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a technique capable of executing data writing and erasing at a low voltage as well as data reading.

従来の不揮発性メモリは、特許文献1、2に示すように、プレナーMOS構造からなり、コントロール・ゲートとシリコン基板(MOSFETチャネル)間には、SiO2絶縁膜に囲まれたフローティング・ゲートが形成されていた。このような構造の不揮発性メモリにおいては、ソース・ドレイン或いはボディに対して数十Vの大きなプラス電圧をコントロール・ゲートに加え、フローティング・ゲートに電子を注入することによってデータの書き込みを行っていた。また、ソース・ドレイン或いはボディに対して数十Vの大きなマイナス電圧をコントロール・ゲートに加え、フローティング・ゲートから電子を抜き出すことによってデータの消去を行っていた。
特開2006−186300号公報 国際公開第2004/084314号パンフレット 特開2005−327796号公報 特開2005−322830号公報 T.Sakai et al.“Separation by BondingSi Islands(SBSI) for LSI Application”,Second International SiGe Technology and Device Meeting,Meeting Abstract,pp.230−231,May(2004)
As shown in Patent Documents 1 and 2, a conventional nonvolatile memory has a planar MOS structure, and a floating gate surrounded by a SiO 2 insulating film is formed between a control gate and a silicon substrate (MOSFET channel). It had been. In the nonvolatile memory having such a structure, data is written by applying a large positive voltage of several tens of volts to the source / drain or body to the control gate and injecting electrons into the floating gate. . Further, data is erased by applying a large negative voltage of several tens of volts to the source / drain or body to the control gate and extracting electrons from the floating gate.
JP 2006-186300 A International Publication No. 2004/084314 Pamphlet JP 2005-327796 A JP 2005-322830 A T.A. Sakai et al. “Separation by Bonding Si Islands (SBSI) for LSI Applications”, Second International SiGe Technology and Device Meeting, Meeting Abstract, pp. 230-231, May (2004)

従来の技術では、フローティング・ゲートに対するデータの書き込みと消去とを、電子というひとつのキャリアだけを使って行っていたため、書き込みと消去時に、コントロール・ゲートに正と負の大きな電圧を印加する必要があった。このため、例えば、低電圧駆動ロジック回路と不揮発性メモリを混載したLSIにおいても高電圧駆動回路動作が必要となり、LSIのチップ面積増大による製造コストの上昇や、低電圧駆動回路の信頼性が劣化してしまうおそれがあった。   In the conventional technology, data is written to and erased from the floating gate using only one carrier called electrons, so it is necessary to apply large positive and negative voltages to the control gate during writing and erasing. there were. For this reason, for example, even in an LSI in which a low-voltage drive logic circuit and a non-volatile memory are mixedly mounted, a high-voltage drive circuit operation is required, resulting in an increase in manufacturing cost due to an increase in the chip area of the LSI and deterioration in reliability of the low-voltage drive circuit. There was a risk of doing so.

また、不揮発性メモリのデバイス構造においても、高い電圧駆動における信頼性を確保するために、ゲート絶縁膜を薄膜化したりソース・ドレイン接合を急峻化したりすることができず、デバイスの縮小化に限界があった。さらに、ゲート絶縁膜の薄膜化やソース・ドレイン接合の急峻化ができないということは、データの読み込み時にMOSトランジスタのドレイン電流が小さい、ということを意味する。このため、従来の技術では、低電圧での読み込みや高速の読み込みが十分にできていなかった。
そこで、この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、データの書き込みと消去を低電圧で実行可能、かつ、データの読み込みを低電圧で高速に行う半導体装置およびその製造方法の提供を目的とする。
Even in the device structure of non-volatile memory, the gate insulating film cannot be thinned or the source / drain junction cannot be sharpened in order to ensure high voltage drive reliability. was there. Furthermore, the fact that the gate insulating film cannot be thinned or the source / drain junction cannot be abrupt means that the drain current of the MOS transistor is small when reading data. For this reason, the conventional technology has not been able to sufficiently read at a low voltage or at a high speed.
Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and a semiconductor device capable of executing data writing and erasing at a low voltage and reading data at a high speed at a low voltage and a method for manufacturing the same. For the purpose of provision.

〔発明1、2〕 上述した課題を解決するために、発明1の半導体装置は、基板上に第1絶縁膜を介して形成された第1半導体層と、前記第1半導体層上に第2絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、前記第1半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第1導電型MOSトランジスタと、前記第2半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第2導電型MOSトランジスタと、を備え、前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタは、共通の電荷蓄積層及び共通のコントロール・ゲートを有し、前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層と前記第2半導体層とに挟まれた前記第2絶縁膜中に設けられていることを特徴とするものである。   [Invention 1 and 2] In order to solve the above-described problems, a semiconductor device of Invention 1 includes a first semiconductor layer formed on a substrate via a first insulating film, and a second semiconductor layer on the first semiconductor layer. A second semiconductor layer formed through an insulating film; a first conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface of the first semiconductor layer; and formed on at least one side surface of the second semiconductor layer. A second conductivity type MOS transistor, wherein the first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor have a common charge accumulation layer and a common control gate, and the common charge accumulation layer is The semiconductor device is provided in the second insulating film sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.

ここで、本発明の「第1半導体層」及び「第2半導体層」は、例えば単結晶のシリコン(Si)層である。また、本発明の「第1導電型」はP型またはN型の一方であり、「第2導電型」はP型またはN型の他方である。例えば、第1導電型がP型の場合、第2導電型はN型である。さらに、本発明の「電荷蓄積層」は、第2絶縁膜を通り抜けてきた電子またはホールを蓄積する層であり、例えば、P型あるいはN型不純物が導入されたポリシリコン(Poly−Si)などの半導体膜、または、Ti、Ta、TiN、TaNなどの金属薄膜、或いは、Si34膜などの絶縁膜や、イントリンジックPoly−Siのような高抵抗半導体で構成されるものである。 Here, the “first semiconductor layer” and the “second semiconductor layer” of the present invention are, for example, single crystal silicon (Si) layers. In the present invention, the “first conductivity type” is one of P type and N type, and the “second conductivity type” is the other of P type and N type. For example, when the first conductivity type is P type, the second conductivity type is N type. Furthermore, the “charge storage layer” of the present invention is a layer for storing electrons or holes that have passed through the second insulating film, such as polysilicon (Poly-Si) doped with P-type or N-type impurities. Or a metal thin film such as Ti, Ta, TiN, or TaN, or an insulating film such as a Si 3 N 4 film, or a high-resistance semiconductor such as intrinsic poly-Si. .

発明2の半導体装置は、基板上に第1絶縁膜を介して形成された第1半導体層と、前記第1半導体層上に第2絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、前記第1半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第1導電型MOSトランジスタと、前記第2半導体層の少なくとも一つの側面及び上面に形成された第2導電型MOSトランジスタと、を備え、前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタは、共通の電荷蓄積層及び共通のコントロール・ゲートを有し、前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層と前記第2半導体層とに挟まれた前記第2絶縁膜中に設けられていることを特徴とするものである。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including: a first semiconductor layer formed on a substrate via a first insulating film; a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer via a second insulating film; A first conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface of the first semiconductor layer; and a second conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface and the upper surface of the second semiconductor layer; The one conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor have a common charge storage layer and a common control gate, and the common charge storage layer includes the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer. It is provided in the second insulating film sandwiched between two layers.

発明1、2の半導体装置によれば、共通の電荷蓄積層に対して、N型のMOSトランジスタから電子を供給することができると共に、P型のMOSトランジスタからホールを供給することができる。そして、共通の電荷蓄積層に電子やホールを選択的に供給することで、その電位を変化させることができ、N型、P型の各MOSトランジスタの閾値電圧を制御することできる。例えば、データの書き込み時には、共通の電荷蓄積層に電子を供給して、各MOSトランジスタの閾値電圧をそれぞれ変化させることができる。また、データの消去時には、共通の電荷蓄積層にホールを供給して、蓄積されている電子をホールと再結合させ(或いは、トラップされている電子の負電荷による電界をホールの正電荷による電界で相殺し)、各MOSトランジスタの閾値電圧をそれぞれ書き込み前の状態に戻すことができる。   According to the semiconductor devices of the first and second aspects, electrons can be supplied from the N-type MOS transistor to the common charge storage layer, and holes can be supplied from the P-type MOS transistor. By selectively supplying electrons and holes to the common charge storage layer, the potential can be changed, and the threshold voltage of each of the N-type and P-type MOS transistors can be controlled. For example, when writing data, electrons can be supplied to a common charge storage layer to change the threshold voltage of each MOS transistor. When erasing data, holes are supplied to the common charge storage layer to recombine the accumulated electrons with the holes (or the electric field due to the negative charge of the trapped electrons is changed to the electric field due to the positive charge of the hole. The threshold voltage of each MOS transistor can be returned to the state before writing.

このように、発明1、2の半導体装置によれば、共通の電荷蓄積層に対する書き込みと消去とを、電子とホールのふたつのキャリア供給によって実現することができるので、従来の技術と比べて、データの書き込みと消去時にコントロール・ゲートに対して正負の電圧を高電圧で印加する必要がなく、高電圧駆動回路を省くことができる。従って、LSIのチップ面積を低減することができる。また、発明2の半導体装置によれば、発明1の半導体装置と比べて、電荷蓄積層に電子またはホールを供給するMOSトランジスタのチャネル面積を増やすことができるので、データの書き込み動作、消去動作の高速化が可能である。   As described above, according to the semiconductor devices of the first and second aspects, writing and erasing with respect to the common charge storage layer can be realized by supplying two carriers of electrons and holes. It is not necessary to apply positive and negative voltages to the control gate at the time of data writing and erasing, and the high voltage driving circuit can be omitted. Therefore, the chip area of the LSI can be reduced. Further, according to the semiconductor device of the invention 2, compared with the semiconductor device of the invention 1, since the channel area of the MOS transistor for supplying electrons or holes to the charge storage layer can be increased, the data writing operation and the erasing operation can be performed. Speeding up is possible.

なお、発明1、2の半導体装置は、PチャネルのMOSトランジスタとNチャネルのMOSトランジスタの両方を備え、且つ、これらPNのMOSトランジスタは共通のコントロール・ゲートを有するため、同一タイミングでオン、オフを切り替えることが可能である。そのため、発明1、2の半導体装置は例えばNOR回路などに適用することができる。   The semiconductor device according to the first and second aspects includes both a P-channel MOS transistor and an N-channel MOS transistor, and since these PN MOS transistors have a common control gate, they are turned on and off at the same timing. Can be switched. Therefore, the semiconductor devices of the inventions 1 and 2 can be applied to, for example, a NOR circuit.

〔発明3〕 発明3の半導体装置は、発明1または発明2の半導体装置において、前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層と前記第2半導体層とに挟まれた前記第2絶縁膜中だけに設けられていることを特徴とするものである。このような構成であれば、第1、第2半導体層の側面には電荷蓄積層が無く、コントロール・ゲートとの間にはゲート絶縁膜のみが存在するので、コントロール・ゲートによる第1、第2半導体層側面のチャネル制御性が高く、低電圧で高速の読み出しが可能である。   [Invention 3] The semiconductor device of Invention 3 is the semiconductor device of Invention 1 or Invention 2, wherein the common charge storage layer is the second insulating film sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. It is provided only inside. With such a configuration, there is no charge storage layer on the side surfaces of the first and second semiconductor layers, and only the gate insulating film exists between the control gate and the first and second semiconductor layers. (2) Channel controllability on the side surface of the semiconductor layer is high, and high-speed reading is possible with a low voltage.

〔発明4〕 発明4の半導体装置は、発明1から発明3の何れか一の半導体装置において、前記第1導電型MOSトランジスタのドレインと、前記第2導電型MOSトランジスタのドレインとが電気的に接続されていることを特徴とするものである。
このような構成であれば、例えば、N型MOSトランジスタのドレインとP型MOSトランジスタのドレインは常に同電位となるので、電子(または、ホール)注入時に、N型(またはP型)MOSトランジスタで発生したホットエレクトロン(または、ホットホール)は、P型(または、N型)MOSトランジスタのソース電位だけでなくドレイン電位にも引っ張られることとなる。従って、電荷蓄積層への電子(または、ホール)の注入効率を高めることができる。また、P型、N型の各MOSトランジスタのドレインに繋がる配線を共通化できるので、チップ面における配線の占有面積を少なくすることも可能である。
[Invention 4] The semiconductor device of Invention 4 is the semiconductor device according to any one of Inventions 1 to 3, wherein the drain of the first conductivity type MOS transistor and the drain of the second conductivity type MOS transistor are electrically connected. It is characterized by being connected.
With such a configuration, for example, the drain of the N-type MOS transistor and the drain of the P-type MOS transistor are always at the same potential. Therefore, when electrons (or holes) are injected, an N-type (or P-type) MOS transistor is used. The generated hot electrons (or hot holes) are pulled not only by the source potential of the P-type (or N-type) MOS transistor but also by the drain potential. Therefore, the efficiency of injecting electrons (or holes) into the charge storage layer can be increased. In addition, since the wiring connected to the drains of the P-type and N-type MOS transistors can be made common, it is possible to reduce the area occupied by the wiring on the chip surface.

〔発明5〕 発明5の半導体装置は、発明1から発明4の何れか一の半導体装置において、前記第1半導体層及び前記第2半導体層はシリコンであり、シリコンとの接触により生じる障壁エネルギーに関して、前記第2絶縁膜は、前記第1導電型MOSトランジスタのゲート絶縁膜及び前記第2導電型MOSトランジスタのゲート絶縁膜のどちらよりも前記障壁エネルギーが小さい膜で形成されていることを特徴とするものである。   [Invention 5] The semiconductor device according to Invention 5 is the semiconductor device according to any one of Inventions 1 to 4, wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are silicon, and the barrier energy generated by contact with silicon is The second insulating film is formed of a film having a lower barrier energy than both the gate insulating film of the first conductive MOS transistor and the gate insulating film of the second conductive MOS transistor. To do.

発明5の半導体装置によれば、ゲート絶縁膜よりも第2絶縁膜の方がキャリア(電子または、ホール)に対する電位障壁が小さくなるため、データの書き込み、消去時に絶縁膜を通してキャリアを電荷蓄積層(例えば、フローティング・ゲート)へ移動させることが容易となる。また、障壁の大きいゲ−ト絶縁膜には、キャリアが注入されないので、MOSトランジスタ特性の劣化が無く信頼性に優れる。   According to the semiconductor device of the fifth aspect of the present invention, the potential barrier against carriers (electrons or holes) is smaller in the second insulating film than in the gate insulating film. It becomes easy to move to (for example, a floating gate). In addition, since carriers are not injected into the gate insulating film having a large barrier, the MOS transistor characteristics are not deteriorated and the reliability is excellent.

〔発明6〕 発明6の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1犠牲半導体層、第1半導体層、第2犠牲半導体層及び第2半導体層を順次積層する工程と、前記第2半導体層、前記第2犠牲半導体層、前記第1半導体層及び前記第1犠牲半導体層を部分的に順次エッチングして、当該各半導体層を貫く第1溝を形成する工程と、前記第1半導体層と前記第2半導体層とを支持する支持体を前記第1溝内に形成する工程と、前記支持体を形成した後で、前記第2半導体層、前記第2犠牲半導体層、前記第1半導体層及び前記第1犠牲半導体層を部分的に順次エッチングして当該各半導体層の側面を露出させる第2溝を形成する工程と、前記第1半導体層及び前記第2半導体層よりも前記第1犠牲半導体層及び前記第2犠牲半導体層の方がエッチングされ易いエッチング条件で、前記第2溝を介して前記第1犠牲半導体層及び前記第2犠牲半導体層をエッチングすることによって、前記半導体基板と前記第1半導体層との間に第1空洞部を形成すると共に、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に第2空洞部を形成する工程と、前記第1空洞部内に第1絶縁膜を形成すると共に、前記第2空洞部を残しつつ当該第2空洞部に面した前記第1半導体層の上面及び前記第2半導体層の下面にそれぞれ第2絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜及び前記第2絶縁膜を形成した後で、前記第1半導体層の前記第2溝に面した側面に第1導電型MOSトランジスタを形成すると共に、前記第2半導体層の前記第2溝に面した側面に前記第2導電型MOSトランジスタを形成する工程と、を含み、前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタを形成する工程では、前記第2絶縁膜が形成された前記第2空洞部内に共通の電荷蓄積層を形成し、前記第1半導体層の前記第2溝に面した側面と前記第2半導体層の前記第2溝に面した側面とにそれぞれゲート絶縁膜を形成し、その後、前記ゲート絶縁膜を覆うように前記第1半導体層の前記側面から前記第2半導体層の前記側面にかけて共通のコントロール・ゲートを形成することを特徴とするものである。   [Invention 6] A method of manufacturing a semiconductor device according to Invention 6 includes a step of sequentially stacking a first sacrificial semiconductor layer, a first semiconductor layer, a second sacrificial semiconductor layer, and a second semiconductor layer on a semiconductor substrate, and the second semiconductor. Etching the layer, the second sacrificial semiconductor layer, the first semiconductor layer, and the first sacrificial semiconductor layer partially sequentially to form a first groove penetrating each of the semiconductor layers; and the first semiconductor layer Forming a support in the first groove, and supporting the second semiconductor layer, the second sacrificial semiconductor layer, and the first semiconductor after forming the support. Etching a layer and the first sacrificial semiconductor layer partially sequentially to form a second groove exposing a side surface of each semiconductor layer; and the first semiconductor layer and the second semiconductor layer more than the first semiconductor layer. The sacrificial semiconductor layer and the second sacrificial semiconductor layer are more efficient. By etching the first sacrificial semiconductor layer and the second sacrificial semiconductor layer through the second groove under etching conditions that are likely to be etched, a first cavity is formed between the semiconductor substrate and the first semiconductor layer. Forming a second cavity between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, forming a first insulating film in the first cavity, and forming the second cavity Forming a second insulating film on the upper surface of the first semiconductor layer and the lower surface of the second semiconductor layer facing the second cavity, respectively, and leaving the first insulating film and the second insulating film After the formation, a first conductivity type MOS transistor is formed on the side surface of the first semiconductor layer facing the second groove, and the second conductive layer is formed on the side surface of the second semiconductor layer facing the second groove. Forming a MOS transistor; In the step of forming the first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor, a common charge storage layer is formed in the second cavity where the second insulating film is formed, A gate insulating film is formed on each of a side surface of the first semiconductor layer facing the second groove and a side surface of the second semiconductor layer facing the second groove, and then the first insulating layer is formed so as to cover the gate insulating film. A common control gate is formed from the side surface of one semiconductor layer to the side surface of the second semiconductor layer.

ここで、本発明の「第1半導体層」及び「第2半導体層」は、上述したように例えば単結晶のSi層である。また、「第1犠牲半導体層」及び「第2犠牲半導体層」は、例えば単結晶のシリコンゲルマニウム(SiGe)層である。
発明6の半導体装置の製造方法によれば、いわゆるSBSI法を応用して、発明1〜発明5の半導体装置を製造することができる。従って、電荷蓄積層に対する書き込みと消去とを電子とホールのふたつのキャリア供給によって実現することができるので、低電圧駆動で、チップ面積の増大を抑制した半導体装置を提供することが可能である。
Here, as described above, the “first semiconductor layer” and the “second semiconductor layer” of the present invention are, for example, single-crystal Si layers. The “first sacrificial semiconductor layer” and the “second sacrificial semiconductor layer” are, for example, single-crystal silicon germanium (SiGe) layers.
According to the semiconductor device manufacturing method of the invention 6, the so-called SBSI method can be applied to manufacture the semiconductor devices of the inventions 1 to 5. Therefore, since writing and erasing with respect to the charge storage layer can be realized by supplying two carriers of electrons and holes, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses an increase in chip area by low voltage driving.

以下、本発明に係る半導体装置およびその製造方法について説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る不揮発性メモリ100の構成例を示す図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)をX−X´線で切断したときの断面図、図1(c)は図1(a)をY−Y´線で切断したときの断面図である。なお、図1(a)では、不揮発性メモリ100の構成例を平面視で理解し易くするために、層間絶縁膜の記入を省略している。図1(a)〜(c)に示すように、この不揮発性メモリ100では、Si基板1上に絶縁膜3等を介して第1の単結晶Si層5が形成され、この単結晶Si層5上に絶縁膜7等を介して第2の単結晶Si層9が形成されている。
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described.
1A and 1B are diagrams showing a configuration example of a nonvolatile memory 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line XX ′ in FIG. FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line YY ′ of FIG. 1A. In FIG. 1A, the interlayer insulating film is not shown for easy understanding of the configuration example of the nonvolatile memory 100 in a plan view. As shown in FIGS. 1A to 1C, in the nonvolatile memory 100, a first single crystal Si layer 5 is formed on an Si substrate 1 via an insulating film 3 or the like, and this single crystal Si layer is formed. A second single crystal Si layer 9 is formed on 5 via an insulating film 7 or the like.

絶縁膜3、7は、例えばシリコン酸化(SiO2)膜である。また、単結晶Si層(以下、単に「Si層」という。)5、9は、例えばX−X´線と平行となるように配置された細長い直方体であり、Si層5、9のそれぞれの中心部が平面視で重なり合うように配置されている。そして、Si層5の両側の側面にはP型のMOSトランジスタ(以下、単に「PMOS」という。)20が形成され、Si層9の両側の側面及び上面にはN型のMOSトランジスタ(以下、単に「NMOS」という。)30が形成されている。つまり、PMOS20のチャネル領域はSi層5の両側の側面にあり、NMOS30のチャネル領域はSi層の両側の側面と上面とにある。 The insulating films 3 and 7 are, for example, silicon oxide (SiO 2 ) films. The single-crystal Si layers (hereinafter simply referred to as “Si layers”) 5 and 9 are elongate rectangular parallelepipeds arranged so as to be parallel to the XX ′ line, for example. It arrange | positions so that a center part may overlap by planar view. A P-type MOS transistor (hereinafter simply referred to as “PMOS”) 20 is formed on both side surfaces of the Si layer 5, and an N-type MOS transistor (hereinafter referred to as “P-type MOS transistor”) is formed on both side surfaces and the upper surface of the Si layer 9. This is simply referred to as “NMOS”) 30. That is, the channel region of the PMOS 20 is on the side surfaces on both sides of the Si layer 5, and the channel region of the NMOS 30 is on the side surfaces on both sides and the upper surface of the Si layer.

ここで、PMOS20及びNMOS30は、不揮発性のメモリトランジスタであり、電荷蓄積層(例えば、フローティング・ゲート)8とコントロール・ゲート17とを共有している。即ち、図1(b)及び(c)に示すように、PMOS20が形成されているSi層5と、NMOS30が形成されているSi層9との間には、フローティング・ゲート8が設けられている。このフローティング・ゲート8は、例えば、P型あるいはN型不純物が導入されたポリシリコン(Poly−Si)などの半導体膜、または、Ti、Ta、TiN、TaNなどの金属薄膜で構成されている。P型不純物としては例えばボロンなどがあり、N型不純物としては例えばリン、ヒ素などがある。図1(b)及び(c)に示すように、このフローティング・ゲート8は絶縁膜7によって上下方向から挟まれており、Si層5、9から絶縁されている。   Here, the PMOS 20 and the NMOS 30 are nonvolatile memory transistors, and share the charge storage layer (for example, floating gate) 8 and the control gate 17. That is, as shown in FIGS. 1B and 1C, a floating gate 8 is provided between the Si layer 5 in which the PMOS 20 is formed and the Si layer 9 in which the NMOS 30 is formed. Yes. The floating gate 8 is made of, for example, a semiconductor film such as polysilicon (Poly-Si) into which a P-type or N-type impurity is introduced, or a metal thin film such as Ti, Ta, TiN, or TaN. Examples of the P-type impurity include boron, and examples of the N-type impurity include phosphorus and arsenic. As shown in FIGS. 1B and 1C, the floating gate 8 is sandwiched from above and below by an insulating film 7 and insulated from the Si layers 5 and 9.

また、図1(c)に示すように、Si層5、9の側面とSi層9の上面にはゲート絶縁膜11が連続して形成されている。さらに、このゲート絶縁膜11を覆うようにSi基板1上にはコントロール・ゲート17が連続して形成されている。図1(a)〜(c)に示すように、このコントロール・ゲート17は、Si基板1上に積層されたSi層5、9の中心部付近を跨ぐように形となっている。このコントロール・ゲート17は、例えば、P型あるいはN型不純物が導入されたPoly−Siで構成されている。そして、Si層5のコントロール・ゲート17から外れた部分にPMOS20のソース・ドレイン(P+)が形成され、Si層9のコントロール・ゲート17から外れた部分にNMOS30のソース・ドレイン(N−)が形成されている。   Further, as shown in FIG. 1C, a gate insulating film 11 is continuously formed on the side surfaces of the Si layers 5 and 9 and the upper surface of the Si layer 9. Further, a control gate 17 is continuously formed on the Si substrate 1 so as to cover the gate insulating film 11. As shown in FIGS. 1A to 1C, the control gate 17 is shaped so as to straddle the vicinity of the center of the Si layers 5 and 9 stacked on the Si substrate 1. The control gate 17 is made of, for example, Poly-Si into which P-type or N-type impurities are introduced. Then, the source / drain (P +) of the PMOS 20 is formed in the portion of the Si layer 5 that is separated from the control gate 17, and the source / drain (N−) of the NMOS 30 is formed in the portion of the Si layer 9 that is separated from the control gate 17. Is formed.

このような構造を有することにより、不揮発性メモリ100では、共通のフローティング・ゲート8に対して、NMOS30から電子を供給することができると共に、PMOS20からホールを供給することができる。そして、フローティング・ゲート8に電子やホールを選択的に供給することで、その電位を変化させることができ、PMOS20、NMOS30の閾値電圧を制御することできる。例えば、データの書き込み時には、共通のフローティング・ゲート8に電子を供給して、PMOS20、NMOS30の閾値電圧をそれぞれ変化させることができる。また、データの消去時には、共通のフローティング・ゲート8にホールを供給して、蓄積されている電子をホールと再結合させ、PMOS20、NMOS30の閾値電圧をそれぞれ書き込み前の状態に戻すことができる。   With such a structure, in the nonvolatile memory 100, electrons can be supplied from the NMOS 30 and holes can be supplied from the PMOS 20 to the common floating gate 8. Then, by selectively supplying electrons and holes to the floating gate 8, the potential can be changed, and the threshold voltages of the PMOS 20 and NMOS 30 can be controlled. For example, when writing data, electrons can be supplied to the common floating gate 8 to change the threshold voltages of the PMOS 20 and NMOS 30 respectively. At the time of erasing data, holes can be supplied to the common floating gate 8 to recombine the accumulated electrons with the holes, and the threshold voltages of the PMOS 20 and NMOS 30 can be returned to the state before writing.

次に、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100において、データ(例えば、プログラム等)の書き込み方法と消去方法及び、読み込み方法について説明する。
データの書き込みと消去は、次のようにして行うことができる。例えば、図1(a)〜(c)において、電源電圧をVss(0V)、Vdd(5V)とし、コントロール・ゲート17に印加する電圧と、PMOS20、NMOS30の各ドレインに印加する電圧を全てVddに設定すると、NMOS30がオン(ON)となり、PMOS20がオフ(OFF)となる。このような電圧設定により、NMOS30においては電子がソースからドレインに流れ、高電界により加速され、或いは、インパクト・イオナイゼーションにより電子・ホール対が形成、ホットキャリアが発生する。ホットエレクトロンは、Si層9/絶縁膜7の障壁を越え、Vddが印加されているPMOSのソース・ドレインに引っ張られ、フローティング・ゲート8に注入される。ここで、もし、PMOS20のソースあるいはドレインの少なくとも一方の拡散層にVddより大きな正電圧を印加した場合は、フローティング・ゲート8へのキャリア注入効率をさらに高めることができる。
Next, in the nonvolatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C, a data writing method, an erasing method, and a reading method will be described.
Data writing and erasing can be performed as follows. For example, in FIGS. 1A to 1C, the power supply voltages are Vss (0 V) and Vdd (5 V), and the voltage applied to the control gate 17 and the voltages applied to the drains of the PMOS 20 and NMOS 30 are all Vdd. When set to, the NMOS 30 is turned on (ON) and the PMOS 20 is turned off (OFF). With such a voltage setting, electrons flow from the source to the drain in the NMOS 30 and are accelerated by a high electric field, or electron-hole pairs are formed by impact ionization, and hot carriers are generated. Hot electrons pass through the barrier of the Si layer 9 / insulating film 7, are pulled to the source and drain of the PMOS to which Vdd is applied, and are injected into the floating gate 8. Here, if a positive voltage larger than Vdd is applied to at least one diffusion layer of the source or drain of the PMOS 20, the carrier injection efficiency to the floating gate 8 can be further increased.

一方、コントロール・ゲート17に印加する電圧と、PMOS20、NMOS30の各ドレインに印加する電圧を全てVssに設定すると、NMOS30がオフとなり、PMOS20がオンとなる。PMOS20においてホールがソースからドレインに流れ、高電界により加速され、或いは、インパクト・イオナイゼーションにより電子・ホール対を形成、ホットキャリアが発生する。ホットホールは、絶縁膜7/Si層5の障壁を越え、Vssが印加されているNMOSのソース・ドレインに引っ張られ、フローティング・ゲート8に注入される。ここで、もし、NMOS30のソースあるいはドレインの少なくとも一方の拡散層にVssより大きな負電圧(即ち、マイナス電圧)を印加した場合は、フローティング・ゲート8へのキャリア注入効率をさらに高めることができる。このような、電子或いはホールの注入により、不揮発性メモリ100におけるデータの書き込みと消去が可能である。   On the other hand, when the voltage applied to the control gate 17 and the voltages applied to the drains of the PMOS 20 and the NMOS 30 are all set to Vss, the NMOS 30 is turned off and the PMOS 20 is turned on. Holes flow from the source to the drain in the PMOS 20 and are accelerated by a high electric field, or form electron / hole pairs by impact ionization to generate hot carriers. The hot holes are passed through the barrier of the insulating film 7 / Si layer 5, pulled to the source / drain of the NMOS to which Vss is applied, and injected into the floating gate 8. Here, if a negative voltage (that is, a negative voltage) greater than Vss is applied to at least one diffusion layer of the source or drain of the NMOS 30, the carrier injection efficiency to the floating gate 8 can be further increased. Data can be written and erased in the nonvolatile memory 100 by such injection of electrons or holes.

また、データの読み込みは、次のようにして行うことができる。例えば、電源電圧をVss(0V)、Vdd(5V)とし、コントロール・ゲート17に印加する電圧と、PMOS20、NMOS30の各ドレインに印加する電圧を全てPMOS20のソースと同電位(例えばVdd/2)に設定すると、PMOS20ではチャネルがオフとなり、かつ、ソース・ドレイン間で電位差が無いため電流が流れない。一方、NMOS30では、ソース・ドレイン間にはVdd/2−Vssの電位が加わり、コントロール・ゲート17とソース間にも同じ電位が加わる。このため、NMOS30では、フローティング・ゲート8に蓄えられた電子が多い場合にはチャネルがオフとなり電流が流れないものの、フローティング・ゲート8に蓄えられた電子が少ない場合、或いは、フローティング・ゲート8にホールが蓄えられている場合には、チャネルがオンし、ソース・ドレイン間で電流が流れる。   Data can be read as follows. For example, the power supply voltages are Vss (0 V) and Vdd (5 V), and the voltage applied to the control gate 17 and the voltages applied to the drains of the PMOS 20 and NMOS 30 are all the same potential as the source of the PMOS 20 (for example, Vdd / 2). In the PMOS 20, the channel is turned off in the PMOS 20, and no current flows because there is no potential difference between the source and the drain. On the other hand, in the NMOS 30, a potential of Vdd / 2−Vss is applied between the source and the drain, and the same potential is applied between the control gate 17 and the source. For this reason, in the NMOS 30, when there are many electrons stored in the floating gate 8, the channel is turned off and no current flows, but when there are few electrons stored in the floating gate 8, or in the floating gate 8. When holes are stored, the channel is turned on and current flows between the source and drain.

このように、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100では、NMOS30からフローティング・ゲート8に電子を供給できるだけでなく、PMOS20からホールを供給することができ、フローティング・ゲート8に対して電子或いはホールの供給量を変化させることで、PMOS20及びNMOS30の閾値を制御することができる。つまり、フローティング・ゲート8に対するデータの書き込みと消去とを、電子とホールのふたつのキャリア供給によって実現することができる。   As described above, in the nonvolatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C, not only can electrons be supplied from the NMOS 30 to the floating gate 8, but also holes can be supplied from the PMOS 20, and the floating gate 8 can be supplied. However, the threshold values of the PMOS 20 and the NMOS 30 can be controlled by changing the supply amount of electrons or holes. That is, data writing and erasing with respect to the floating gate 8 can be realized by supplying two carriers of electrons and holes.

また、特に、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100では、Si層5、9のチャネルとなる側面にはフローティング・ゲートや電荷トラップが無く、Si層5、9のチャネルとなる側面とコントロール・ゲート17との間はゲート絶縁膜11のみで構成されているため、コントロール・ゲート17によるチャネルの制御性に優れ、MOSの駆動能力が高く、低電圧で高速の読み出しが可能である。   In particular, in the nonvolatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C, there are no floating gates or charge traps on the side surfaces of the Si layers 5 and 9, and the channels of the Si layers 5 and 9 are not present. Since the gate insulating film 11 is formed only between the side surface and the control gate 17, the channel controllability by the control gate 17 is excellent, the MOS driving capability is high, and high-speed reading is performed at a low voltage. Is possible.

なお、Siにおいて電子・ホール対を形成するために必要なエネルギーは約1.1eVであり、SiとSiO2とが接触している状態において、SiからSiO2に電子が飛び込むために必要なエネルギーは約3.2eVである。また、上記の接触状態においてSiからSiO2にホールが飛び込むために必要なエネルギーは約4.8eVである。従って、PMOS20及びNMOS30において、データの書き込み動作や、消去動作に必要な電圧は最大(Max)値で約4.8Vで良い。 The energy required for forming an electron-hole pair in Si is about 1.1 eV, and the energy required for electrons to jump from Si to SiO 2 when Si and SiO 2 are in contact with each other. Is about 3.2 eV. In addition, the energy required for holes to jump from Si to SiO 2 in the above contact state is about 4.8 eV. Therefore, in the PMOS 20 and the NMOS 30, the voltage required for the data writing operation and the erasing operation may be about 4.8V at the maximum (Max) value.

また、ラッキー・キャリアの存在から、4.8Vよりも小さい電圧で、SiからSiO2に飛び込むホールも存在するが、書き込み時間や消去の時間短縮のためには、ある程度の電流が必要となるため、5V程度の駆動電圧が適当である。また、絶縁膜7にSiとの障壁が小さい材料を適用した場合には、5Vより低い電圧で書き込み・消去を容易に行うことができる。さらに、コントロール・ゲート17に加える電圧Vcgは、フローティング・ゲート8への電子注入時はNMOS30のドレイン電位(即ち、PMOSのソース電位)に設定し、フローティング・ゲート8へのホール注入時はNMOS30のソース電位(即ち、PMOSのドレイン電位)に設定すれば良い。このような設定によれば、PMOS20とNMOS30両方のソース・ボディ・ドレイン・ゲートにおける、最大の電位差が5Vを超えることはない。 Also, due to the presence of lucky carriers, there are holes that jump from Si to SiO 2 at a voltage lower than 4.8 V, but a certain amount of current is required to shorten the writing time and erasing time. A drive voltage of about 5V is appropriate. Further, when a material having a small barrier to Si is applied to the insulating film 7, writing / erasing can be easily performed at a voltage lower than 5V. Further, the voltage Vcg applied to the control gate 17 is set to the drain potential of the NMOS 30 (that is, the source potential of PMOS) when electrons are injected into the floating gate 8, and the voltage of the NMOS 30 is injected when holes are injected into the floating gate 8. What is necessary is just to set to source potential (namely, drain potential of PMOS). According to such a setting, the maximum potential difference between the source, body, drain, and gate of both the PMOS 20 and the NMOS 30 does not exceed 5V.

また、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100を低電圧駆動ロジック回路と混載してLSIを構成した場合でも、最高電圧は5Vあるいは5V以下程度になるため、LSIチップ面積増大によるLSIのコストアップや、低電圧駆動回路の信頼性が劣化するという課題を大きく改善することが可能である。さらに、不揮発性メモリ100のデバイス構造において、ゲート絶縁膜の薄膜化やソース・ドレイン接合の急峻化が可能になり、デバイスの縮小化が実現できる。また、ゲート絶縁膜の薄膜化やソース・ドレイン接合の急峻化により、ドレイン電流が向上し、低電圧の読み込みや高速の読み込みが可能になる。   Further, even when the non-volatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C is mixedly mounted with a low-voltage drive logic circuit to configure an LSI, the maximum voltage is about 5 V or 5 V or less. It is possible to greatly improve the problem that the cost of LSI increases due to the increase and the reliability of the low voltage drive circuit deteriorates. Further, in the device structure of the nonvolatile memory 100, the gate insulating film can be made thinner and the source / drain junction can be made sharper, and the device can be reduced. In addition, by reducing the thickness of the gate insulating film and sharpening the source / drain junction, the drain current is improved, and low voltage reading and high speed reading are possible.

次に、Si基板1上に積層された二層のSi層5、9をVdd、Vssラインとして使う回路の一例について説明する。
図24は、本発明の実施形態に係るDiNOR(Divided bit line NOR Flash Memory)回路200の構成例を示す平面図である。また、図25はDiNOR回路200の構成例を示す回路図である。このDiNOR回路200では、その1ビットのメモリセルが図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100で構成されている。
Next, an example of a circuit that uses the two Si layers 5 and 9 stacked on the Si substrate 1 as Vdd and Vss lines will be described.
FIG. 24 is a plan view showing a configuration example of a DivOR (Divided bit line NOR Flash Memory) circuit 200 according to the embodiment of the present invention. FIG. 25 is a circuit diagram showing a configuration example of the DiNOR circuit 200. In the DiNOR circuit 200, the 1-bit memory cell includes the nonvolatile memory 100 shown in FIGS.

即ち、図24に示すように、Si基板上には絶縁膜を介してSi層5、9が積層されており、これらは平面視でX方向及びY方向に延びた碁盤の格子状となっている。また、これらSi層5、9のうちのX方向に延びている部分と平面視で直交するように、Si基板1上にはY方向に沿ってワード線(W/L)201が配置されている。このワード線(W/L)201が、図1(a)〜(c)に示した共通のコントロール・ゲート17に対応している。さらに、Si基板上には、Si層5、9のうちのX方向に延びている部分の真上を通るように、ビット線(B/L)203が配置されている。   That is, as shown in FIG. 24, Si layers 5 and 9 are laminated on an Si substrate via an insulating film, and these form a grid of grids extending in the X and Y directions in plan view. Yes. Further, a word line (W / L) 201 is arranged on the Si substrate 1 along the Y direction so as to be orthogonal to the portion of the Si layers 5 and 9 extending in the X direction in plan view. Yes. This word line (W / L) 201 corresponds to the common control gate 17 shown in FIGS. Further, a bit line (B / L) 203 is disposed on the Si substrate so as to pass directly above the portion of the Si layers 5 and 9 extending in the X direction.

この例では、絶縁膜を介してワード線201の上をビット線203が通っている。また、この例では、PMOSのドレイン(D)とNMOSのドレイン(D)には共通のコンタクト電極211が形成されており、この共通のコンタクト電極211を介してPMOS及びNMOSの各ドレインがビット線203に接続されている。また、PMOSのソース(S)はコンタクト電極213によって絶縁膜上に引き出されており、図25に示すように、配線によって例えば電源Vddに接続されている。NMOSのソース(S)はコンタクト電極215によって絶縁膜上に引き出されており、図25に示すように、配線によって例えば電源Vssに接続されている。図24、25において、2点鎖線で囲んだ部分が1ビットのメモリセル、即ち、不揮発性メモリ100である。
このように、図24、25に示したDiNOR回路200では、Si基板上に積層された2つのSi層5、9をそれぞれVddと、Vssラインとして使っている。その結果、ドレイン(D)のコンタクト電極211をPNで共通化することができ、コンタクト数を減らすことができるので、DiNOR回路200の集積度を高めることが可能である。
In this example, the bit line 203 passes over the word line 201 through an insulating film. In this example, a common contact electrode 211 is formed on the PMOS drain (D) and the NMOS drain (D), and the PMOS and NMOS drains are connected to the bit line via the common contact electrode 211. 203. Further, the source (S) of the PMOS is drawn out on the insulating film by the contact electrode 213, and is connected to, for example, the power supply Vdd by wiring as shown in FIG. The source (S) of the NMOS is drawn out on the insulating film by the contact electrode 215, and is connected to the power source Vss, for example, by wiring as shown in FIG. 24 and 25, a portion surrounded by a two-dot chain line is a 1-bit memory cell, that is, a nonvolatile memory 100.
In this way, in the DiNOR circuit 200 shown in FIGS. 24 and 25, the two Si layers 5 and 9 stacked on the Si substrate are used as the Vdd and Vss lines, respectively. As a result, the drain (D) contact electrode 211 can be shared by PN, and the number of contacts can be reduced, so that the integration degree of the DiNOR circuit 200 can be increased.

次に、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100の製造方法について説明する。
図2〜図21は、本発明の実施形態に係る不揮発性メモリ100の製造方法を示す図であり、図2(a)〜図21(a)は図1(b)に至るまでのX−X´断面に対応した工程図であり、図2(b)〜図21(b)は図1(c)に至るまでのY−Y´断面に対応した工程図である。ここでは、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100をSBSI法を応用して製造することについて説明する。
Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C will be described.
2 to 21 are views showing a method of manufacturing the nonvolatile memory 100 according to the embodiment of the present invention, and FIGS. 2A to 21A are X-- up to FIG. 1B. FIG. 2B to FIG. 21B are process diagrams corresponding to the YY ′ section up to FIG. 1C. Here, manufacturing the nonvolatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C by applying the SBSI method will be described.

まず始めに、図2(a)及び(b)において、Si基板1上に図示しないシリコンバッファ(Si−buffer)層を形成し、その上に単結晶のSiGe層51、単結晶のSi層5、単結晶のSiGe層53、単結晶のSi層9を順次積層する。これらSi−buffer層、SiGe層51、Si層5、SiGe層53、Si層9は、例えばエピタキシャル成長法で連続して形成する。   First, in FIGS. 2A and 2B, a silicon buffer (Si-buffer) layer (not shown) is formed on the Si substrate 1, and a single-crystal SiGe layer 51 and a single-crystal Si layer 5 are formed thereon. A single crystal SiGe layer 53 and a single crystal Si layer 9 are sequentially stacked. These Si-buffer layer, SiGe layer 51, Si layer 5, SiGe layer 53, and Si layer 9 are continuously formed by, for example, an epitaxial growth method.

次に、図3(a)及び(b)に示すように、Si層9を熱酸化してその表面にSiO2膜55を形成する。そして、CVD法により、SiO2膜55上の全面にSiN膜57を形成する。このSiN膜57は、Si層5、9やSiGe層51、53の酸化を防止するための酸化防止膜として機能すると共に、後の工程でCMP(化学的機械研磨)を行う際にストッパー層としても機能する。なお、SiO2膜55の形成方法は熱酸化に限られることはなく、例えばCVD法で形成しても良い。 Next, as shown in FIGS. 3A and 3B, the Si layer 9 is thermally oxidized to form a SiO 2 film 55 on the surface thereof. Then, a SiN film 57 is formed on the entire surface of the SiO 2 film 55 by the CVD method. The SiN film 57 functions as an antioxidant film for preventing the Si layers 5 and 9 and the SiGe layers 51 and 53 from being oxidized, and as a stopper layer when performing CMP (Chemical Mechanical Polishing) in a later process. Also works. The method for forming the SiO 2 film 55 is not limited to thermal oxidation, and may be formed by, for example, a CVD method.

次に、図4(a)及び(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、SiN膜57、SiO2膜55、Si層9及びSiGe層53を部分的に順次エッチングする。これにより、素子分離領域(即ち、SOI構造を形成しない領域)と平面視で重なる領域に、Si層9とSiGe層53とを貫いてSi層5を底面とする浅い支持体穴h1を形成する。次に、図5(a)及び(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、浅い支持体穴h1の底面で露出したSi層5と、その下のSiGe層51及びSi−buffer層を部分的に順次エッチングする。これにより、素子分離領域と平面視で重なる領域に、Si層5とSiGe層51とを貫いてSi基板1を底面とする深い支持体穴h2を形成する。なお、深い支持体穴h2を形成するエッチング工程では、Si基板1の表面でエッチングを止めるようにしてもよいし、Si基板1をオーバーエッチングして凹部を形成するようにしてもよい。以下、説明の便宜上から、浅い支持体穴h1と深い支持体穴h2を合わせて支持体穴hともいう。 Next, as shown in FIGS. 4A and 4B, the SiN film 57, the SiO 2 film 55, the Si layer 9, and the SiGe layer 53 are partially and sequentially etched using a photolithography technique and an etching technique. . Thus, a shallow support hole h1 having the Si layer 5 as a bottom through the Si layer 9 and the SiGe layer 53 is formed in a region overlapping the element isolation region (that is, a region where the SOI structure is not formed) in plan view. . Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, by using a photolithography technique and an etching technique, the Si layer 5 exposed at the bottom surface of the shallow support hole h1, and the SiGe layer 51 and Si under the Si layer 5 are exposed. -The buffer layer is partially etched sequentially. As a result, a deep support hole h2 having the Si substrate 1 as the bottom surface is formed through the Si layer 5 and the SiGe layer 51 in a region overlapping the element isolation region in plan view. In the etching process for forming the deep support hole h2, the etching may be stopped on the surface of the Si substrate 1, or the Si substrate 1 may be over-etched to form a recess. Hereinafter, for convenience of explanation, the shallow support hole h1 and the deep support hole h2 are collectively referred to as a support hole h.

次に、図6(a)及び(b)に示すように、支持体穴hを埋め込むようにSi基板1上の全面に支持体膜59を形成する。支持体膜59は例えばシリコン酸化(SiO2)膜であり、その形成は例えばCVD法で行う。次に、図7(a)及び(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて支持体膜59、SiN膜57、SiO2膜55、Si層9、SiGe層53、Si層5、SiGe層51及びSi−buffer層(図示せず)を順次、部分的にエッチングして、支持体膜59から支持体60を形成すると共に、Si基板1の表面及びSi層9、SiGe層53、Si層5、SiGe層51の各側面を露出させる溝Hを形成する。なお、溝Hを形成するエッチング工程では、Si基板1の表面でエッチングを止めるようにしてもよいし、Si基板1をオーバーエッチングして凹部を形成するようにしてもよい。 Next, as shown in FIGS. 6A and 6B, a support film 59 is formed on the entire surface of the Si substrate 1 so as to fill the support hole h. The support film 59 is a silicon oxide (SiO 2 ) film, for example, and is formed by, for example, a CVD method. Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, the support film 59, the SiN film 57, the SiO 2 film 55, the Si layer 9, the SiGe layer 53, and the Si layer using a photolithography technique and an etching technique. 5, the SiGe layer 51 and the Si-buffer layer (not shown) are partially etched sequentially to form the support 60 from the support film 59, and the surface of the Si substrate 1, the Si layer 9, and the SiGe layer 53, a groove H exposing each side surface of the Si layer 5 and the SiGe layer 51 is formed. In the etching process for forming the groove H, the etching may be stopped on the surface of the Si substrate 1, or the Si substrate 1 may be over-etched to form a recess.

次に、図7(a)及び(b)において、溝Hを介してフッ硝酸溶液をSi層5、9及びSiGe層51、53のそれぞれの側面に接触させて、SiGe層51、53を選択的にエッチングして除去する。これにより、図8(a)及び(b)に示すように、Si基板1とSi層5との間に第1の空洞部61を形成すると共に、Si層5とSi層9との間に第2の空洞部63を形成する。ここで、フッ硝酸溶液を用いたウェットエッチングでは、Siと比べてSiGeのエッチングレートが大きい(即ち、Siに対するエッチングの選択比が大きい)ので、Si層5、9を残しつつSiGe層だけをエッチングして除去することが可能である。空洞部61、63の形成後、Si層9はその上面と側面とが支持体60によって支えられると共に、Si層5はその側面が支持体60によって支えられることとなる。   Next, in FIGS. 7A and 7B, the hydrofluoric acid solution is brought into contact with the side surfaces of the Si layers 5 and 9 and the SiGe layers 51 and 53 through the grooves H to select the SiGe layers 51 and 53. Etch away. As a result, as shown in FIGS. 8A and 8B, a first cavity 61 is formed between the Si substrate 1 and the Si layer 5, and between the Si layer 5 and the Si layer 9. A second cavity 63 is formed. Here, in wet etching using a hydrofluoric acid solution, the etching rate of SiGe is larger than that of Si (that is, the etching selectivity to Si is large), so only the SiGe layer is etched while leaving the Si layers 5 and 9. And can be removed. After the formation of the cavities 61 and 63, the Si layer 9 is supported by the support body 60 on the upper surface and side surfaces thereof, and the side surface of the Si layer 5 is supported by the support body 60.

次に、図8(a)及び(b)において、Si基板1を希フッ酸(HF)溶液で洗浄処理する。そして、Si基板1を酸素(O2)またはオゾン(O3)等の酸化雰囲気中に配置し、この状態でSi基板1に熱処理を施す。これにより、図9(a)及び(b)に示すように、Si層5、9やSi−buffer層(図示せず)、Si基板1の各表面においてSiの表面酸化をそれぞれ進行させ、SiO2膜65を形成する。ここで、本実施の形態では、空洞部61、63を残すように(即ち、空洞部61、63を塞がないように)SiO2膜65を形成する。なお、このSiO2膜65のうちの、空洞部61内及びSi基板1表面に形成された部分が図1(b)及び(c)に示した絶縁膜3となり、空洞部63内に形成された部分が絶縁膜7となる。ここで、CVD法やALD法によりSiとのエネルギー障壁が小さい材料からなる薄膜65を形成しても良い。 Next, in FIGS. 8A and 8B, the Si substrate 1 is cleaned with a diluted hydrofluoric acid (HF) solution. Then, the Si substrate 1 is placed in an oxidizing atmosphere such as oxygen (O 2 ) or ozone (O 3 ), and the Si substrate 1 is subjected to heat treatment in this state. As a result, as shown in FIGS. 9A and 9B, Si surface oxidation proceeds on the Si layers 5 and 9, the Si-buffer layer (not shown), and the surface of the Si substrate 1, respectively. Two films 65 are formed. Here, in the present embodiment, the SiO 2 film 65 is formed so that the cavities 61 and 63 are left (that is, the cavities 61 and 63 are not blocked). Of the SiO 2 film 65, the portions formed in the cavity 61 and on the surface of the Si substrate 1 become the insulating film 3 shown in FIGS. 1B and 1C and are formed in the cavity 63. This portion becomes the insulating film 7. Here, the thin film 65 made of a material having a small energy barrier with Si may be formed by a CVD method or an ALD method.

次に、図10(a)及び(b)に示すように、Si基板1の上方全面に、フローティング・ゲート8を形成するための膜68を形成して、SiO2膜65が形成されている空洞部を埋め込む。このフローティング・ゲート8を形成するための膜68には、P型あるいはN型不純物が導入されたポリシリコン(Poly−Si)などの半導体膜、金属膜を使用することができるが、この実施の形態では、P型あるいはN型不純物が導入されたPoly−Si膜を使用する。Poly−Si膜68の形成は例えばCVD法で行う。 Next, as shown in FIGS. 10A and 10B, a film 68 for forming the floating gate 8 is formed on the entire upper surface of the Si substrate 1, and the SiO 2 film 65 is formed. Embed the cavity. As the film 68 for forming the floating gate 8, a semiconductor film such as polysilicon (Poly-Si) into which P-type or N-type impurities are introduced, or a metal film can be used. In the embodiment, a Poly-Si film into which a P-type or N-type impurity is introduced is used. The formation of the Poly-Si film 68 is performed by, for example, a CVD method.

そして、SiO2膜55、Si34膜57、SiO2膜60、そして、SiO2膜65をマスクにして、異方性及び等方性のドライエッチングを利用してPoly−Si膜68をエッチングする。これにより、図11(a)及び(b)に示すように、空洞部内のみにPoly−Si膜68を残し、それ以外の領域からPoly−Si膜68を取り除く。なお、図11以降では、図1との対応関係の混乱を避けるために、Si基板1とSi層5との間のPoly−Si膜68を導電膜4と記載し、Si層5とSi層9との間のPoly−Si膜68をフローティング・ゲート8と記載する。また、導電膜4を断面視で上下から挟み込むSiO2膜65を絶縁膜3と記載し、フローティング・ゲート8を断面視で上下から挟み込むSiO2膜65を絶縁膜7と記載する。 Then, using the SiO 2 film 55, the Si 3 N 4 film 57, the SiO 2 film 60, and the SiO 2 film 65 as a mask, the Poly-Si film 68 is formed by using anisotropic and isotropic dry etching. Etch. Thus, as shown in FIGS. 11A and 11B, the Poly-Si film 68 is left only in the cavity, and the Poly-Si film 68 is removed from other regions. In FIG. 11 and subsequent figures, in order to avoid confusion with the correspondence with FIG. 1, the Poly-Si film 68 between the Si substrate 1 and the Si layer 5 is referred to as the conductive film 4, and the Si layer 5 and the Si layer The Poly-Si film 68 between them is described as a floating gate 8. Further, the SiO 2 film 65 sandwiching from above and below the conductive film 4 in sectional view describes an insulating film 3, an SiO 2 film 65 sandwiching the floating gate 8 from the top and bottom as viewed in cross-section referred to as an insulating film 7.

次に、図12(a)及び(b)に示すように、熱酸化またはCVD法によりフローティング・ゲート8や導電膜3の溝Hに面した側面に例えばSiO2膜を形成する。そして、Si基板1の上方全面にSiN膜69を形成する。このSiN膜69の形成は例えばCVD法で行う。続いて、異方性のドライエッチングを利用してSiN膜69をエッチバックする。これにより、図13(a)及び(b)に示すように、Si層5、9や、SiO2膜55、SiN膜57、支持体60の溝Hに面した側面にサイドウォール70を形成する。 Next, as shown in FIGS. 12A and 12B, a SiO 2 film, for example, is formed on the side surface of the floating gate 8 or the conductive film 3 facing the groove H by thermal oxidation or CVD. Then, a SiN film 69 is formed on the entire upper surface of the Si substrate 1. The SiN film 69 is formed by, for example, a CVD method. Subsequently, the SiN film 69 is etched back using anisotropic dry etching. As a result, as shown in FIGS. 13A and 13B, the sidewalls 70 are formed on the side surfaces of the Si layers 5 and 9, the SiO 2 film 55, the SiN film 57, and the groove 60 of the support 60. .

次に、図14(a)及び(b)に示すように、Si基板1に熱酸化処理を施して、SiO2膜65のうちの、サイドウォール70下から露出している部分を厚膜化する。このとき、Si層5、9と、フローティング・ゲート8はその側面がSiN膜からなるサイドウォール70で覆われ、且つ、その上方はSiN膜57で覆われているので、酸化されずに済む。なお、このSiO2膜65の厚膜化は、後の図16の工程でSi層5、9の溝Hに面した側面を露出させる際に、Si基板1表面を露出させないためである。また、ワードライン(コントロールゲート17)の配線容量を低減でき、高速でのデータ読み込みが可能になる。 Next, as shown in FIGS. 14A and 14B, the Si substrate 1 is subjected to thermal oxidation to thicken the portion of the SiO 2 film 65 exposed from under the sidewall 70. To do. At this time, since the side surfaces of the Si layers 5 and 9 and the floating gate 8 are covered with the sidewall 70 made of the SiN film and the upper side thereof is covered with the SiN film 57, it is not necessary to be oxidized. The thickening of the SiO 2 film 65 is because the surface of the Si substrate 1 is not exposed when the side surface facing the groove H of the Si layers 5 and 9 is exposed in the subsequent step of FIG. In addition, the wiring capacity of the word line (control gate 17) can be reduced, and data can be read at high speed.

次に、例えば希HF溶液を用いて支持体60をエッチングしてSiN膜57の表面を露出させ、さらに、例えば熱リン酸溶液を用いてSiN膜57とサイドウォール70とをエッチングする。このようして、図15(a)及び(b)に示すように、Si層5、9の溝Hに面した側面で絶縁膜表面を露出させる。次に、例えば希HF溶液を用いて、上記の絶縁膜やSiO2膜55、65をエッチングする。これにより、図16(a)及び(b)に示すように、Si層5、9の溝Hに面した側面と、Si層9の上面、フローティング・ゲート8の溝Hに面した側面を露出させる。基板1の表面上には、厚いSiO2膜65が残る。 Next, the support 60 is etched using, for example, a diluted HF solution to expose the surface of the SiN film 57, and the SiN film 57 and the sidewalls 70 are etched using, for example, a hot phosphoric acid solution. In this way, as shown in FIGS. 15A and 15B, the surface of the insulating film is exposed at the side surface facing the groove H of the Si layers 5 and 9. Next, the insulating film and the SiO 2 films 55 and 65 are etched using, for example, a diluted HF solution. As a result, as shown in FIGS. 16A and 16B, the side surface of the Si layers 5 and 9 facing the groove H, the upper surface of the Si layer 9, and the side surface of the floating gate 8 facing the groove H are exposed. Let A thick SiO 2 film 65 remains on the surface of the substrate 1.

次に、図17(a)及び(b)に示すように、Si層5、9の溝Hに面した側面と、フローティング・ゲート8の溝Hに面した側面とを連続して覆うように、ゲート絶縁膜11を形成する。ここで、ゲート絶縁膜11としてSiO2膜を使用する場合には、例えばSiの熱酸化またはCVD法によりSiO2膜を形成する。
次に、図18(a)及び(b)に示すように、ゲート絶縁膜15を覆うようにSi基板1上の全面に導電膜75を形成する。ここで、導電膜75には、例えばリン(P)またはボロン(B)等の導電性不純物を添加したPoly−Siを使用する。次に、図19(a)及び(b)に示すように、コントロール・ゲート17の形成領域を覆い、それ以外の領域を露出するレジストパターン77を導電膜上に形成する。そして、このレジストパターン77をマスクに導電膜をドライエッチングして、コントロール・ゲート17を形成する。
Next, as shown in FIGS. 17A and 17B, the side surface of the Si layers 5 and 9 facing the groove H and the side surface of the floating gate 8 facing the groove H are continuously covered. Then, the gate insulating film 11 is formed. Here, when an SiO 2 film is used as the gate insulating film 11, the SiO 2 film is formed by, for example, thermal oxidation of Si or CVD.
Next, as shown in FIGS. 18A and 18B, a conductive film 75 is formed on the entire surface of the Si substrate 1 so as to cover the gate insulating film 15. Here, for the conductive film 75, for example, Poly-Si to which conductive impurities such as phosphorus (P) or boron (B) are added is used. Next, as shown in FIGS. 19A and 19B, a resist pattern 77 is formed on the conductive film, covering the formation region of the control gate 17 and exposing the other regions. Then, the control gate 17 is formed by dry etching the conductive film using the resist pattern 77 as a mask.

次に、図20(a)及び(b)に示すように、レジストパターン77及びコントロール・ゲート17をマスクに、ボロン等のP型不純物をSi基板1に向けてイオン注入する。ここで、イオン注入のRp(プロジェクトレンジ)をSi層5に合わせることで、Si層5にP型不純物を集中的に導入することができ、Si層5のみにPMOSのソース・ドレイン(P+)を形成することができる。ここで、レジスト77及びコントロール・ゲート17の膜厚は、注入イオンのマスクの役割ができる厚さに設定しておく。   Next, as shown in FIGS. 20A and 20B, a P-type impurity such as boron is ion-implanted toward the Si substrate 1 using the resist pattern 77 and the control gate 17 as a mask. Here, by matching the Rp (project range) of ion implantation to the Si layer 5, P-type impurities can be intensively introduced into the Si layer 5, and the PMOS source / drain (P +) can be introduced only into the Si layer 5. Can be formed. Here, the film thickness of the resist 77 and the control gate 17 is set to a thickness that can serve as a mask for implanted ions.

次に、図21(a)及び(b)に示すように、レジストパターン77及びコントロール・ゲート17をマスクに、ヒ素等のN型不純物をSi基板1に向けてイオン注入する。ここで、イオン注入のRp(プロジェクトレンジ)をSi層9に合わせることで、Si層9にN型不純物を集中的に導入することができ、Si層9のみにNMOSのソース・ドレイン(N+)を形成することができる。その後、コントロール・ゲート17上からレジストパターン77を取り除く。これにより、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100が完成する。
なお、図2〜図21で説明したような方法で、図24に示したようなDiNOR回路200を形成することも可能である。その場合は、DiNOR回路200の複数の素子分離領域(即ち、Si層5、9を残さない領域)220に、支持体穴hや溝Hを選択的に配置すれば良い。
Next, as shown in FIGS. 21A and 21B, N-type impurities such as arsenic are ion-implanted toward the Si substrate 1 using the resist pattern 77 and the control gate 17 as a mask. Here, by matching the ion implantation Rp (project range) to the Si layer 9, N-type impurities can be intensively introduced into the Si layer 9, and the NMOS source / drain (N +) can be introduced only into the Si layer 9. Can be formed. Thereafter, the resist pattern 77 is removed from the control gate 17. Thereby, the nonvolatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C is completed.
It is also possible to form the DiNOR circuit 200 as shown in FIG. 24 by the method described with reference to FIGS. In that case, the support hole h and the groove H may be selectively disposed in a plurality of element isolation regions (that is, regions where the Si layers 5 and 9 are not left) 220 of the DiNOR circuit 200.

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、共通のフローティング・ゲート8に対して、NMOS30から電子を供給することができると共に、PMOS20からホールを供給することができる。そして、共通のフローティング・ゲート8に電子やホールを選択的に供給することで、その電位を変化させることができ、PMOS20、NMOS30の閾値電圧を制御することできる。例えば、データの書き込み時には、共通のフローティング・ゲート8に電子を供給して、PMOS20、NMOS30の閾値電圧をそれぞれ変化させることができる。また、データの消去時には、共通のフローティング・ゲート8にホールを供給して、蓄積されている電子をホールと再結合させ、PMOS20、NMOS30の閾値電圧をそれぞれ書き込み前の状態に戻すことができる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, electrons can be supplied from the NMOS 30 and holes can be supplied from the PMOS 20 to the common floating gate 8. Then, by selectively supplying electrons and holes to the common floating gate 8, the potential can be changed, and the threshold voltages of the PMOS 20 and NMOS 30 can be controlled. For example, when writing data, electrons can be supplied to the common floating gate 8 to change the threshold voltages of the PMOS 20 and NMOS 30 respectively. At the time of erasing data, holes can be supplied to the common floating gate 8 to recombine the accumulated electrons with the holes, and the threshold voltages of the PMOS 20 and NMOS 30 can be returned to the state before writing.

このように、共通のフローティング・ゲート8に対する書き込みと消去とを、電子とホールのふたつのキャリア供給によって実現することができるので、従来の技術と比べて、データの書き込みと消去時にコントロール・ゲートに対して正負の電圧を高電圧で印加する必要がなく、高電圧駆動回路を省くことができる。従って、LSIのチップ面積を低減することができる。   In this way, writing and erasing to the common floating gate 8 can be realized by supplying two carriers of electrons and holes, so that the control gate can be used for writing and erasing data compared to the conventional technique. On the other hand, it is not necessary to apply positive and negative voltages at a high voltage, and the high voltage driving circuit can be omitted. Therefore, the chip area of the LSI can be reduced.

また、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100では、コントロール・ゲート17とSi層5、9の各側面との間にはフローティング・ゲート8が形成されていないので、コントロール・ゲート17によるチャネルの制御性に優れ、MOSの駆動能力が高く、低電圧で高速の読み出しが可能である。さらに、積層されたFin型CMOSデバイス(例えば、特許文献3、4参照。)と、ほぼ同じプロセスでの混載が可能になり、低コストでの不揮発性メモリ混載CMOS−LSIを提供することができる。   Further, in the nonvolatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C, since the floating gate 8 is not formed between the control gate 17 and the side surfaces of the Si layers 5 and 9, the control is performed. -Excellent channel controllability by the gate 17, high MOS driving capability, and high-speed reading with low voltage. Further, it is possible to mount the CMOS-LSI with a nonvolatile memory at a low cost because it can be mounted in the same process as the stacked Fin-type CMOS device (for example, see Patent Documents 3 and 4). .

なお、上記の実施形態では、図1(a)〜(c)に示したように、Si基板1とSi層5との間に導電膜4が残されている場合について説明したが、この導電膜4は本発明において必ずしも必要なものではなく、例えば図22(a)〜(c)に示すように、Si基板1とSi層5との間が絶縁膜3のみによって構成されていても良い。このような構造は、例えば図9(a)及び(b)において、絶縁膜65により空洞部61が完全に埋め込まれるように、SiGe層51(図2参照。)の膜厚を予め薄めに設定しておくことで形成することが可能である。   In the above embodiment, the case where the conductive film 4 is left between the Si substrate 1 and the Si layer 5 as shown in FIGS. 1A to 1C has been described. The film 4 is not necessarily required in the present invention. For example, as shown in FIGS. 22A to 22C, the space between the Si substrate 1 and the Si layer 5 may be constituted only by the insulating film 3. . In such a structure, for example, in FIGS. 9A and 9B, the film thickness of the SiGe layer 51 (see FIG. 2) is set to be thin in advance so that the cavity 61 is completely embedded by the insulating film 65. It is possible to form it.

或いは、図23(a)〜(c)に示すように、Si基板1とSi層5との間は厚い絶縁層82のみによって構成されていても良い。このような構造は、例えば、Si基板1上に絶縁層82とSi層5とが積層された構造のSOIウエーハ80を用意し、このSOIウエーハ80上にSiGe層53とSi層9とを順次積層し、それ以降は、図3〜図11、及び、図16〜図21に示したようなより簡単な製造プロセスを行うことにより形成することが可能である。   Alternatively, as shown in FIGS. 23A to 23C, the Si substrate 1 and the Si layer 5 may be constituted only by the thick insulating layer 82. In such a structure, for example, an SOI wafer 80 having a structure in which an insulating layer 82 and a Si layer 5 are stacked on a Si substrate 1 is prepared, and a SiGe layer 53 and a Si layer 9 are sequentially formed on the SOI wafer 80. The layers can be stacked and thereafter formed by performing a simpler manufacturing process as shown in FIGS. 3 to 11 and FIGS. 16 to 21.

図22、図23のいずれの構造であっても、図1に示した不揮発性メモリ100と同様に、共通のフローティング・ゲート8に対する書き込みと消去とを、電子とホールのふたつのキャリア供給によって実現することができ、高電圧駆動回路を省くことができる。また、導電膜4が絶縁膜(層)に置き換わることにより、Si層5の寄生容量が減るので、Si層5に形成されるMOSの動作速度向上に寄与することができる。   22 and 23, as in the nonvolatile memory 100 shown in FIG. 1, writing and erasing to the common floating gate 8 are realized by supplying two carriers of electrons and holes. And a high voltage driving circuit can be omitted. Moreover, since the conductive film 4 is replaced with an insulating film (layer), the parasitic capacitance of the Si layer 5 is reduced, which can contribute to an improvement in the operating speed of the MOS formed in the Si layer 5.

この実施の形態では、Si基板1が本発明の「基板」または「半導体基板」に対応し、絶縁膜3が本発明の「第1絶縁膜」に対応し、絶縁膜7が本発明の「第2絶縁膜」に対応している。また、単結晶のSi層5が本発明の「第1半導体層」に対応し、単結晶のSi層9が本発明の「第2半導体層」に対応し、フローティング・ゲート8が本発明の「電荷蓄積層」に対応している。さらに、Si層5の側面に形成されたPMOS20が本発明の「第1導電型MOSトランジスタ」に対応し、Si層9の側面に形成されたNMOS30が本発明の「第2導電型MOSトランジスタ」に対応している。また、SiGe層51が本発明の「第1犠牲半導体層」に対応し、SiGe層53が本発明の「第2犠牲半導体層」に対応している。さらに、支持体穴hが本発明の「第1溝」に対応し、溝Hが本発明の「第2溝」に対応している。また、空洞部61が本発明の「第1空洞部」に対応し、空洞部63が本発明の「第2空洞部」に対応している。   In this embodiment, the Si substrate 1 corresponds to the “substrate” or “semiconductor substrate” of the present invention, the insulating film 3 corresponds to the “first insulating film” of the present invention, and the insulating film 7 corresponds to “ This corresponds to the “second insulating film”. The single crystal Si layer 5 corresponds to the “first semiconductor layer” of the present invention, the single crystal Si layer 9 corresponds to the “second semiconductor layer” of the present invention, and the floating gate 8 corresponds to the “first semiconductor layer” of the present invention. It corresponds to the “charge storage layer”. Further, the PMOS 20 formed on the side surface of the Si layer 5 corresponds to the “first conductivity type MOS transistor” of the present invention, and the NMOS 30 formed on the side surface of the Si layer 9 corresponds to the “second conductivity type MOS transistor” of the present invention. It corresponds to. The SiGe layer 51 corresponds to the “first sacrificial semiconductor layer” of the present invention, and the SiGe layer 53 corresponds to the “second sacrificial semiconductor layer” of the present invention. Further, the support hole h corresponds to the “first groove” of the present invention, and the groove H corresponds to the “second groove” of the present invention. The cavity 61 corresponds to the “first cavity” of the present invention, and the cavity 63 corresponds to the “second cavity” of the present invention.

なお、本発明では、図1(a)〜(c)において、フローティング・ゲート8の上下に形成されている絶縁膜7は、ゲート絶縁膜11よりも薄く形成されていることが好ましい。このような構成であれば、ゲート絶縁膜11よりも、絶縁膜7の方がキャリア(電子または、ホール)に対する電位障壁が小さくなるため、データの書き込み、消去時に絶縁膜7を通してキャリアをフローティング・ゲート8へ移動させることが容易となる。   In the present invention, the insulating film 7 formed above and below the floating gate 8 in FIGS. 1A to 1C is preferably thinner than the gate insulating film 11. In such a configuration, the insulating film 7 has a smaller potential barrier against carriers (electrons or holes) than the gate insulating film 11, so that carriers can be floated through the insulating film 7 during data writing and erasing. It becomes easy to move to the gate 8.

また、本発明では、図1(a)〜(c)において、絶縁膜7は、バンドギャップ(即ち、伝導帯Ecと価電子帯Evとのエネルギー差)がSiO2よりも小さく、Siとの電位障壁(障壁エネルギー)がSiO2よりも小さい絶縁膜であることがより好ましい。電位障壁が小さい絶縁膜としては、例えば、Si34膜、Ta25膜、BaTiO3膜、ZrO2膜、HfO膜、Y23膜、ZrSiO2膜などが挙げられる。このように、Si34膜等によって絶縁膜7が構成されている場合には、SiO2膜と比べて、Si層5、9からフローティング・ゲート8へ移動するキャリア(電子またはホール)に対する電位障壁が小さくなるため、データの書き込み及び消去に必要な電圧を低くすることができる。 In the present invention, in FIGS. 1A to 1C, the insulating film 7 has a band gap (that is, an energy difference between the conduction band Ec and the valence band Ev) smaller than that of SiO 2 , More preferably, the insulating film has a potential barrier (barrier energy) smaller than that of SiO 2 . Examples of the insulating film having a small potential barrier include a Si 3 N 4 film, a Ta 2 O 5 film, a BaTiO 3 film, a ZrO 2 film, a HfO film, a Y 2 O 3 film, and a ZrSiO 2 film. As described above, when the insulating film 7 is constituted by the Si 3 N 4 film or the like, the carrier (electrons or holes) moving from the Si layers 5 and 9 to the floating gate 8 is compared with the SiO 2 film. Since the potential barrier is reduced, the voltage required for writing and erasing data can be reduced.

さらに、本発明では、図1(a)〜(c)において、フローティング・ゲート8を、絶縁膜からなる電荷トラップ膜で置き換えても良い。即ち、本発明の「電荷蓄積層」は、Poly−Siなどの半導体膜や、金属膜に限定されるものではなく、例えばSi34膜などの絶縁膜や、イントリンジックPoly−Siのような高抵抗半導体であっても良い。このような構成であっても、上記の実施形態と同様に、電荷トラップ膜に対する書き込みと消去とを、電子とホールのふたつのキャリア供給によって実現することができる。例えば、データの書き込み時には、共通の電荷トラップ膜に電子を供給して、PMOS20、NMOS30の閾値電圧をそれぞれ変化させることができる。また、データの消去時には、電荷トラップ膜にホールを供給して、トラップされている電子の負電荷をホールの正電荷で相殺し、PMOS20、NMOS30の閾値電圧をそれぞれ書き込み前の状態に戻すことができる。従って、従来の技術と比べて、データの書き込みと消去時にコントロール・ゲートに対して正負の電圧を高電圧で印加する必要がなく、高電圧駆動回路を省くことができる。また、低電圧でのデータ書き込み・消去ができ、データの読み込みを低電圧で高速に処理できる半導体装置を提供する。 Furthermore, in the present invention, in FIGS. 1A to 1C, the floating gate 8 may be replaced with a charge trap film made of an insulating film. That is, the “charge storage layer” of the present invention is not limited to a semiconductor film such as Poly-Si or a metal film. For example, an insulating film such as a Si 3 N 4 film or an intrinsic Poly-Si film is used. Such a high resistance semiconductor may be used. Even with such a configuration, similarly to the above-described embodiment, writing and erasing with respect to the charge trapping film can be realized by supplying two carriers of electrons and holes. For example, when writing data, electrons can be supplied to the common charge trapping film to change the threshold voltages of the PMOS 20 and NMOS 30 respectively. When erasing data, holes are supplied to the charge trapping film so that the negative charges of the trapped electrons are canceled by the positive charges of the holes, and the threshold voltages of the PMOS 20 and NMOS 30 are returned to the state before writing. it can. Therefore, compared with the conventional technique, it is not necessary to apply a positive or negative voltage to the control gate at a high voltage at the time of data writing and erasing, and a high voltage driving circuit can be omitted. Further, a semiconductor device capable of writing / erasing data at a low voltage and capable of processing data reading at a high speed with a low voltage is provided.

実施の形態に係る不揮発性メモリ100の構成例を示す図。1 is a diagram showing a configuration example of a nonvolatile memory 100 according to an embodiment. 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その1)。FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (part 1); 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その2)。FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (part 2); 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その3)。FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 3). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その4)。FIG. 4 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (part 4); 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その5)。FIG. 5 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 5). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その6)。FIG. 6 illustrates a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 6). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その7)。FIG. 7 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 7). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その8)。FIG. 8 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 8). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その9)。FIG. 9 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 9). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その10)。FIG. 10 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 10). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その11)。FIG. 11 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 11). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その12)。FIG. 12 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 12). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その13)。FIG. 13 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 13). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その14)。FIG. 14 is a diagram showing a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 14). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その15)。FIG. 15 is a view showing a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 15). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その16)。FIG. 16 is a view showing the method of manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 16). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その17)。FIG. 17 is a view showing a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 17). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その18)。FIG. 18 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 18). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その19)。FIG. 19 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (19); 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その20)。FIG. 20 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 20). 不揮発性メモリ100の他の構成例(その1)を示す図。The figure which shows the other structural example (the 1) of the non-volatile memory. 不揮発性メモリ100の他の構成例(その2)を示す図。The figure which shows the other structural example (the 2) of the non-volatile memory. 実施の形態に係るDiNOR回路200の構成例を示す平面図。The top view which shows the structural example of the DiNOR circuit 200 which concerns on embodiment. DiNOR回路200の構成例を示す回路図。FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of a DiNOR circuit 200.

符号の説明Explanation of symbols

1 Si基板、3、7 絶縁膜、5、9 Si層、8 フローティング・ゲート、11 ゲート絶縁膜、17 コントロール・ゲート、20 PMOS、30 NMOS、51、53 SiGe層、55、65 SiO2膜、57、69 SiN膜、59 支持体膜、60 支持体、61、63 空洞部、68、75 導電膜、70 サイドウォール、77 レジストパターン、100 不揮発性メモリ、200 DiNOR回路、201 ワード線、203 ビット線、211、213、215 コンタクト電極、220 素子分離領域、H 溝、h 支持体穴、h1 (浅い)支持体穴、h2 (深い)支持体穴 1 Si substrate, 3, 7 insulating film, 5, 9 Si layer, 8 floating gate, 11 gate insulating film, 17 control gate, 20 PMOS, 30 NMOS, 51, 53 SiGe layer, 55, 65 SiO 2 film, 57, 69 SiN film, 59 support film, 60 support, 61, 63 cavity, 68, 75 conductive film, 70 sidewall, 77 resist pattern, 100 nonvolatile memory, 200 DiNOR circuit, 201 word line, 203 bits Wire, 211, 213, 215 contact electrode, 220 element isolation region, H groove, h support hole, h1 (shallow) support hole, h2 (deep) support hole

Claims (6)

基板上に第1絶縁膜を介して形成された第1半導体層と、
前記第1半導体層上に第2絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、
前記第1半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第1導電型MOSトランジスタと、
前記第2半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第2導電型MOSトランジスタと、を備え、
前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタは、共通の電荷蓄積層及び共通のコントロール・ゲートを有し、
前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層と前記第2半導体層とに挟まれた前記第2絶縁膜中に設けられていることを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor layer formed on a substrate via a first insulating film;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer via a second insulating film;
A first conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface of the first semiconductor layer;
A second conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface of the second semiconductor layer,
The first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor have a common charge storage layer and a common control gate,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the common charge storage layer is provided in the second insulating film sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
基板上に第1絶縁膜を介して形成された第1半導体層と、
前記第1半導体層上に第2絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、
前記第1半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第1導電型MOSトランジスタと、
前記第2半導体層の少なくとも一つの側面及び上面に形成された第2導電型MOSトランジスタと、を備え、
前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタは、共通の電荷蓄積層及び共通のコントロール・ゲートを有し、
前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層と前記第2半導体層とに挟まれた前記第2絶縁膜中に設けられていることを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor layer formed on a substrate via a first insulating film;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer via a second insulating film;
A first conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface of the first semiconductor layer;
A second conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface and an upper surface of the second semiconductor layer,
The first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor have a common charge storage layer and a common control gate,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the common charge storage layer is provided in the second insulating film sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層と前記第2半導体層とに挟まれた前記第2絶縁膜中だけに設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。   The common charge storage layer is provided only in the second insulating film sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Semiconductor device. 前記第1導電型MOSトランジスタのドレインと、前記第2導電型MOSトランジスタのドレインとが電気的に接続されていることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の半導体装置。   4. The semiconductor according to claim 1, wherein a drain of the first conductivity type MOS transistor and a drain of the second conductivity type MOS transistor are electrically connected. 5. apparatus. 前記第1半導体層及び前記第2半導体層はシリコンであり、シリコンとの接触により生じる障壁エネルギーに関して、
前記第2絶縁膜は、前記第1導電型MOSトランジスタのゲート絶縁膜及び前記第2導電型MOSトランジスタのゲート絶縁膜のどちらよりも前記障壁エネルギーが小さい膜で形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の半導体装置。
The first semiconductor layer and the second semiconductor layer are silicon, and regarding barrier energy generated by contact with silicon,
The second insulating film is formed of a film having a lower barrier energy than both the gate insulating film of the first conductive MOS transistor and the gate insulating film of the second conductive MOS transistor. The semiconductor device as described in any one of Claims 1-4.
半導体基板上に第1犠牲半導体層、第1半導体層、第2犠牲半導体層及び第2半導体層を順次積層する工程と、
前記第2半導体層、前記第2犠牲半導体層、前記第1半導体層及び前記第1犠牲半導体層を部分的に順次エッチングして、当該各半導体層を貫く第1溝を形成する工程と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層とを支持する支持体を前記第1溝内に形成する工程と、
前記支持体を形成した後で、前記第2半導体層、前記第2犠牲半導体層、前記第1半導体層及び前記第1犠牲半導体層を部分的に順次エッチングして当該各半導体層の側面を露出させる第2溝を形成する工程と、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層よりも前記第1犠牲半導体層及び前記第2犠牲半導体層の方がエッチングされ易いエッチング条件で、前記第2溝を介して前記第1犠牲半導体層及び前記第2犠牲半導体層をエッチングすることによって、前記半導体基板と前記第1半導体層との間に第1空洞部を形成すると共に、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に第2空洞部を形成する工程と、
前記第1空洞部内に第1絶縁膜を形成すると共に、前記第2空洞部を残しつつ当該第2空洞部に面した前記第1半導体層の上面及び前記第2半導体層の下面にそれぞれ第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜及び前記第2絶縁膜を形成した後で、前記第1半導体層の前記第2溝に面した側面に第1導電型MOSトランジスタを形成すると共に、前記第2半導体層の前記第2溝に面した側面に前記第2導電型MOSトランジスタを形成する工程と、を含み、
前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタを形成する工程では、
前記第2絶縁膜が形成された前記第2空洞部内に共通の電荷蓄積層を形成し、
前記第1半導体層の前記第2溝に面した側面と前記第2半導体層の前記第2溝に面した側面とにそれぞれゲート絶縁膜を形成し、その後、
前記ゲート絶縁膜を覆うように前記第1半導体層の前記側面から前記第2半導体層の前記側面にかけて共通のコントロール・ゲートを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Sequentially stacking a first sacrificial semiconductor layer, a first semiconductor layer, a second sacrificial semiconductor layer, and a second semiconductor layer on a semiconductor substrate;
Partially etching the second semiconductor layer, the second sacrificial semiconductor layer, the first semiconductor layer, and the first sacrificial semiconductor layer sequentially to form a first groove penetrating each semiconductor layer;
Forming a support in the first groove to support the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
After forming the support, the second semiconductor layer, the second sacrificial semiconductor layer, the first semiconductor layer, and the first sacrificial semiconductor layer are partially and sequentially etched to expose the side surfaces of the respective semiconductor layers. Forming a second groove to be caused;
The first sacrificial semiconductor layer and the second sacrificial semiconductor layer are more easily etched than the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and the first sacrificial semiconductor layer and the second sacrificial semiconductor layer are etched through the second groove. By etching the second sacrificial semiconductor layer, a first cavity is formed between the semiconductor substrate and the first semiconductor layer, and a second cavity is formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Forming two cavities;
A first insulating film is formed in the first cavity, and a second insulating layer is formed on the upper surface of the first semiconductor layer and the lower surface of the second semiconductor layer facing the second cavity, leaving the second cavity. Forming an insulating film;
After forming the first insulating film and the second insulating film, a first conductivity type MOS transistor is formed on a side surface of the first semiconductor layer facing the second groove, and the second semiconductor layer has the Forming the second conductivity type MOS transistor on a side surface facing the second groove,
In the step of forming the first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor,
Forming a common charge storage layer in the second cavity where the second insulating film is formed;
Forming a gate insulating film on each of a side surface of the first semiconductor layer facing the second groove and a side surface of the second semiconductor layer facing the second groove;
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a common control gate is formed from the side surface of the first semiconductor layer to the side surface of the second semiconductor layer so as to cover the gate insulating film.
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