JP3886577B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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【0001】
【発明が属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、結晶性を有する半導体膜を用いた半導体装置およびその作製方法に関する。特に、半導体膜として珪素膜を用いたCMOS構造を有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、絶縁ゲイト型トランジスタを用いたCMOS技術が盛んに開発されている。ところが、特開平4-206971号公報や特開平4-286339号公報に記載されている様に、結晶性珪素膜を活性層とするN型トランジスタの電気特性はデプレッション方向(負側)にシフトし、P型トランジスタはエンハンスメント方向(負側)にシフトする傾向にある。この原因は、導電型の違いによるゲイト電極と活性層との仕事関数差によるものと考えられている。
【0003】
上述のトランジスタの電気特性(Id-Vg 特性) の模式図を図2に示す。横軸Vgはゲイト電圧であり、縦軸Idはドレイン電流である。また、201はN型トランジスタの特性であり、202はP型トランジスタの特性を示す。なお、201および202で示されるId-Vg 特性がVg軸と接する接点がしきい値電圧を示している。
【0004】
ここで203で示されるのはウィンドウ幅(Vwin )であり、N型トランジスタのしきい値電圧(Vth,n) およびP型トランジスタのしきい値電圧(Vth,p)の差(=Vth,n−Vth,p)で定義される。また、204はウィンドウ中心(Vcen )であり、ウィンドウ幅の中央値( =1/2 Vwin )で定義される。
【0005】
この時、従来のCMOS回路はウィンドウ幅(Vwin )が全体的に負側にシフトするため結果的にウィンドウ中心(Vcen )が0V以下となる。特開平4-206971号公報によると、このしきい値電圧の相違による出力電圧の偏りがCMOS回路の特性を低下させる原因となるのである。
【0006】
この解決案としてチャネル形成領域に対して一導電性を付与する不純物(リンまたはボロン)を添加してしきい値制御を行う方法(以後、チャネルドープ法と呼ぶ)がある。しかしながら、この方法では不純物イオンがキャリアの散乱を招き、動作速度を低下させる要因となることが問題となる。
【0007】
特に、チャネル長が0.01〜0.1 μmとなるディープサブミクロン領域ではチャネル領域に存在する不純物イオンは1個乃至数個であるため、不純物イオンの存在によって電気特性がまるで変わってしまうことが報告されている。
【0008】
【発明に至る背景】
ここで本発明者らが提案する短チャネル効果抑制技術(ピニング技術)について触れておく必要がある。以下に図3を用いて概略を記載する。
【0009】
短チャネル効果とは、しきい値電圧の低下、パンチスルー現象に伴う耐圧の劣化およびサブスレッショルド特性の劣化などの総称である。また、これらの現象はドレイン側の空乏層がソース領域にまで広がることで、ゲイト電圧のみによるキャリアの制御が困難な状況となるために起こる。
【0010】
即ち、ドレイン側の空乏層の広がりを抑止する技術がピニング技術であり、チャネル形成領域に対して人為的かつ局部的に不純物領域を設けることで達成しうるのである。なお、本発明者らは「ピニング」という言葉を「抑止」という意味で用いている。
【0011】
具体的にはトランジスタの活性層を図3に示す様な構造とする。図3(A)において、301はソース領域、302はドレイン領域、303はチャネル形成領域であり、チャネル形成領域303の中には人為的に不純物領域304が形成される。また、チャネル形成領域303中、不純物領域304以外の領域305は、実質的に真性な領域であり、キャリアが移動する領域となる。
【0012】
なお、不純物領域304は電子描画法等によって微細なパターン形成を行って得られる。また、図3(A)は不純物領域を線状パターン形状にした例を示すが、点状のドットパターン形状とすることもできる。
【0013】
また、図3(A)をA−A’で切断した断面図を図3(B)に示す。306は絶縁表面を有する基板である。また、図3(A)をB−B’で切断した断面図を図3(C)に示す。
【0014】
この時、チャネル形成領域303内に配置された不純物領域304はチャネル形成領域内に局部的に拡散電位(エネルギー障壁)の高い領域を形成する。そして、そのエネルギー障壁がドレイン側空乏層のソース側への広がりを効果的に抑止(ピニング)しうるのである。
【0015】
なお、不純物領域304には酸素、窒素、炭素のいずれを添加しても十分なエネルギー障壁を形成することができる。また、N型トランジスタならばB(ボロン)を、P型トランジスタならばP(リン)を添加しても良い。
【0016】
以上の様な構成とすることで、短チャネル効果の一つであるしきい値電圧の低下を効果的に抑止することが期待される。勿論、パンチスルー現象に伴う耐圧やサブスレッショルド特性の劣化を抑制することも可能である。
【0017】
また、図3に示す構成は、上述の効果とは別に狭チャネル効果を生じることが予想される。即ち、不純物領域304の間隔を十分狭くすることで、キャリアが移動する領域305に人為的に狭チャネル効果を発生しうるのである。
【0018】
以上に説明した様に、本発明者らの提案するピニング技術は短チャネル効果が発生する程度(チャネル長2μm以下) から、さらに微細化されたディープサブミクロン領域(チャネル長0.01〜0.1 μm)のデバイス素子にまで効果を発揮する技術である。
【0019】
しかしながら、従来例で述べた様な、ゲイト電極と活性層との仕事関数差の違いによるウィンドウ中心(Vcen )のシフトはピニング技術においても同様に生じる現象である。従って、サブミクロン領域では短チャネル効果を抑止しつつしきい値電圧を制御することが必要となる。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は短チャネル効果が生じうる程度(0.01〜2μm) にまで微細化されたCMOS回路において、チャネルドープ法以外の方法でしきい値電圧の相違を是正する技術を提供することを課題とする。
【0021】
換言すれば、上述のウィンドウ中心(Vcen )を極力0Vに近づけるための技術を提供する。この事はNチャネル型およびPチャネル型半導体装置のしきい値電圧の絶対値が概略同一となる様に制御することを意味する。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明の主旨は、デバイス素子の微細化に伴って生じる短チャネル効果(Short Channel Effect:SCE )および狭チャネル効果(Nallow Channel Effect :NCE )を利用してしきい値電圧(Vth)のバランスをとり、CMOS回路のVthの相違を是正することにある。
【0023】
そこで、本明細書で開示する発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に形成されたNチャネル型半導体装置およびPチャネル型半導体装置とを相補的に組み合わせたCMOS構造を有する半導体装置において、
前記Nチャネル型半導体装置および前記Pチャネル型半導体装置のしきい値電圧の絶対値が概略同一となる様に、前記Nチャネル型半導体装置には狭チャネル効果を強める手段が施され、前記Pチャネル型半導体装置には短チャネル効果を強める手段が施されていることを特徴とする。
【0024】
具体的には、前記Nチャネル型半導体装置およびPチャネル型半導体装置のチャネル形成領域にはチャネル方向と概略平行に人為的かつ局部的に不純物領域が配置されており、
前記狭チャネル効果を強める手段とは前記Nチャネル型半導体装置に配置される前記不純物領域の配置間隔を意図的に狭くする手段であり、
前記短チャネル効果を強める手段とはPチャネル型半導体装置に配置される前記不純物領域の配置間隔を、前記Nチャネル型半導体装置における配置間隔よりも相対的に広くする手段であることを特徴とする。
【0025】
あるいは、前記Nチャネル型半導体装置およびPチャネル型半導体装置の活性層は結晶粒界に方向性があり、かつ、前記基板と概略平行な針状また柱状結晶が集合してなる結晶構造体で構成され、
前記狭チャネル効果を強める手段とは前記Nチャネル型半導体装置における前記針状または柱状結晶の結晶幅を意図的に狭くする手段であり、
前記短チャネル効果を強める手段とは前記Pチャネル型半導体装置における前記針状または柱状結晶の結晶幅を、前記Nチャネル型半導体装置における結晶幅よりも相対的に広くする手段であることを特徴とする。
【0026】
【発明の実施の形態】
CMOS構造を有する半導体装置を作製する際に問題となるNチャネル型半導体装置とPチャネル型半導体装置のしきい値電圧の絶対値の相違を、チャネルドープ法によらない新しい手段で是正する。
【0027】
そのために、短チャネル効果によるしきい値電圧の減少および狭チャネル効果によるしきい値電圧の増加を利用して、Nチャネル型半導体装置とPチャネル型半導体装置のしきい値電圧を別々にシフトさせる。
【0028】
狭チャネル効果が強く現れる様にする構成は、ピニング技術を利用してチャネル形成領域に配置する不純物領域の間隔を狭くする、即ちピニング効果を強くすることで達成しうる。また、逆に不純物領域の間隔を広めに設計すればピニング効果は弱まり、短チャネル効果が強めに現れる様な構成となる。
【0029】
また、針状(または柱状)結晶が集合してなる結晶構造体を利用して活性層を構成する場合、同様の効果を結晶幅を制御することで達成することができる。具体的には、結晶幅を狭くすることで狭チャネル効果を強め、結晶幅を広くすることで短チャネル効果を強めることができる。結晶幅の制御は、結晶化前の非晶質珪素膜の膜厚を制御することでなしうる。
【0030】
【実施例】
参考例1〕
参考例では、ピニング技術を利用した薄膜トランジスタ(TFT)を用いてCMOS回路を設計する際に、活性層の構造をN型トランジスタとP型トランジスタとで異なるものとする例を示す。
【0031】
従来例で述べた様に、結晶性珪素膜を活性層とする場合、N型トランジスタおよびP型トランジスタの電気特性(Id-Vg 特性)は、双方マイナス側(負側)にシフトする傾向にあり、ウィンドウ中心(Vcen )は0V以下となる。
【0032】
そのため、ウィンドウ中心(Vcen )を0VにするためにはN型トランジスタのしきい値電圧(Vth,n)は増加する方向に動かし、P型トランジスタのしきい値電圧(Vth,p) は減少する方向に動かす必要がある。
【0033】
即ち、N型トランジスタの活性層には狭チャネル効果が強めに発生し、P型トランジスタの活性層には短チャネル効果が強めに発生する様に、チャネル形成領域に対して不純物領域を配置すれば良い(実際には短チャネル効果を強めるという事は相対的に狭チャネル効果を弱めるという事を意味する)。
【0034】
ここで、本参考例を実施した場合のN型トランジスタおよびP型トランジスタの活性層の構造を図1(A)、(B)に示す。なお、活性層のチャネル長は0.01〜2μmの範囲とし、チャネル幅は希望するオン電流と信頼性との兼ね合いから任意の範囲で決定すれば良い。
【0035】
図1(A)において、101はソース領域、102はドレイン領域、103はチャネル形成領域である。不純物領域104の間隔は所望のしきい値電圧が得られる様に調節する。図1(A)はN型トランジスタの活性層となるため、狭チャネル効果が強めに現れる様に、不純物領域104の間隔を狭く調節することが重要である。
【0036】
なお、本参考例に示す発明を利用するに際して、必要とされるしきい値電圧のシフト量は実施者によって異なる。即ち、実施者の作製する本来の(本参考例に示す発明によらない)半導体装置のしきい値電圧を鑑みて、実験的に所望のしきい値電圧が得られる様に不純物領域の間隔を設計する必要がある。
【0037】
代表的には、狭チャネル効果を強めるために不純物領域104の間隔を30〜1000Å( 好ましくは50〜500 Å) とすれば良い。換言すれば、チャネル形成領域の幅を 100〜1000個程度に分割する様に不純物領域104を配置すれば良い。
【0038】
参考例に示す発明によれば、図1(A)に示す様な構造の活性層を有するN型トランジスタのしきい値電圧(Vth,n)は図1(B)に示す様に変化すると推測される。なお、図1(B)において点線は本参考例に示す発明を実施しない場合、実線は本参考例に示す発明を実施した場合の例である。
【0039】
即ち、狭チャネル効果が強めに現れる様な構成とすることでVth,nは増加する方向にシフトする。また、空乏層をピニングする効果が強まるのでサブスレッショルド特性も向上する(図1(B)において実線で示されるId-Vg 特性の傾きが大きくなる) と考えられる。
【0040】
また、図1(C)はP型トランジスタの活性層となるため、短チャネル効果が強めに現れる様に不純物領域105の間隔を広く調節することが重要となる。代表的には、チャネル形成領域の幅を 5〜100 個程度に分割する様に不純物領域105を配置すれば短チャネル効果が強く現れる様になる。その結果、P型トランジスタのしきい値電圧(Vth,p) は図1(D)に示す様に変化する。
【0041】
ただし、短チャネル効果が強めに現れるということは電気特性は悪化する方向に進むことを意味する。従って、図1(D)に示す様に実線で示されるId-Vg 特性の傾きは小さくなるので、特性の悪化とVth,pの制御との兼ね合いに注意しなければならない。
【0042】
以上の様に、ピニング技術を利用して意図的に短チャネル効果を強くしたり、狭チャネル効果を強くしたりすることでN型トランジスタおよびP型トランジスタのしきい値電圧を制御することで、CMOS回路におけるしきい値電圧の絶対値の相違を是正しうる。即ち、従来のピニング技術とは、導電型の違いによって不純物領域の間隔を異なるものとする点で異なるのである。
【0043】
また、従来は素子の微細化を妨げる要因としか認識されていなかった短チャネル効果および狭チャネル効果を、しきい値電圧の制御に利用するという発想は全く新しいものである。本参考例に示す発明により、チャネルドープ法によらないしきい値電圧の制御が可能となるのである。
【0044】
従って、本参考例に示す発明を利用した場合、チャネル形成領域内のキャリアが移動する領域は、真性または実質的に真性な領域である。真性または実質的に真性であるとは、活性化エネルギーがほぼ1/2(フェルミレベルが禁制帯の中央に位置する)であること、スピン密度よりも不純物濃度が低い領域であること、意図的に不純物を添加しないアンドープ領域であることを意味している。
【0045】
〔実施例
本実施例では、参考例1と異なる方法で短チャネル効果および狭チャネル効果を制御してVth,nおよびVth,pのバランスをとるための技術を説明する。具体的には、多結晶シリコン膜の結晶の幅を利用する。
【0046】
本発明者らによる特開平6-244103号公報または特開平7-321339号公報記載の技術によって結晶化した結晶性珪素膜(多結晶シリコン膜)は、針状(または柱状)の結晶の集合した構成でなる結晶構造体となる。そして、この結晶構造体に対してハロゲン元素を含む雰囲気における加熱処理を施すと、極めて優れた結晶性を有する結晶性珪素膜が得られる。
【0047】
また、本発明者らの実験によってこの結晶性珪素膜を活性層として利用した半導体装置は単結晶シリコン上に作製したMOSFETに匹敵する電気特性を示すことが確認されている。具体的には、サブスレショルド特性(S値)が60〜100mV/dec(好ましくは60〜70mV/dec) であり、Vth,nが-0.5〜2.0 V、Vth,pが-2.0〜0.5 Vの高い電気特性が得られる。
【0048】
しかしながら、前述の様な活性層の導電型の違いによるしきい値電圧の偏りが生じ、代表的にはVth,nが-0.5〜0.5 V、Vth,pが-1.5〜-0.5Vとなり、ウィンドウ中心(Vcen)が-1.0〜-0.5V付近にあることが多い。本実施例は、この様な半導体装置のウィンドウ中心を0.5 〜1.0 Vだけ正側へシフトさせるための技術である。
【0049】
ここで、図4に示すのは上記結晶構造体をTEM観察した時の写真である。図4に示す様に、この結晶構造体は針状結晶401が概略同一方向へと向かう規則性を有しており、その結晶粒界402も互いに概略平行に延びている。
【0050】
本発明者らは、活性層のソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向(チャネル方向)と上記針状結晶401の成長方向とが一致する様な時が最も高い電気特性の得られる条件であると推測した。そして、結晶粒界をエネルギー障壁の高い領域と見なして模式的にモデル化したのが前述のピニング技術である。
【0051】
即ち、針状結晶の結晶幅を狭くすることは参考例1の図1(A)の構成を得ることに相当し、狭チャネル効果が強く現れる構成となる。また、結晶幅を広くすることは参考例1の図1(C)の構成を得ることに相当し、短チャネル効果が強く現れる構成となる。
【0052】
本発明者らの実験的な知見によれば、針状結晶の結晶幅は結晶化前の非晶質珪素膜の膜厚にほぼ等しいことが判明している。従って、結晶幅の狭い結晶構造体とする場合(狭チャネル効果を強める場合)は非晶質珪素膜の膜厚を薄くし、結晶幅の広い結晶構造体とする場合(短チャネル効果を強める場合)は非晶質珪素膜の膜厚を厚くすれば良い。
【0053】
ここで本実施例を実施するための結晶性珪素膜の作製方法について図5を用いて説明する。なお、図5(A)は基板上の特定の狭い領域のみを示した図である。図5(A)において、501は石英基板である。ガラス基板を用いることもできるが、後に700 ℃を超える加熱処理行程がある様な場合には耐熱性を考慮して石英基板を用いる必要がある。
【0054】
石英基板501上には非晶質珪素膜502が成膜されている。本実施例で重要なのは、非晶質珪素膜502が部分的に薄膜化(成膜時の膜厚と比較して薄いという意味)してあることである。この薄膜化はハーフエッチング技術等により行えば良い。勿論、薄膜化する領域は、後にN型トランジスタの活性層となる領域であることは言うまでもない。
【0055】
選択的な薄膜化が終了したら、特開平特開平6-244103号公報または特開平7-321339号公報記載の技術を用いて結晶化を行う。針状結晶の結晶成長方向を規定して、成長方向とチャネル方向とを一致させるためには特開平7-321339号公報記載の技術を用いることが有効である。
【0056】
こうして図5(B)に示す様に、膜厚の異なる領域を有する結晶性珪素膜503が得られる。図5(C)は図5(B)における結晶性珪素膜503を上面から見た図であり、膜厚の違いによって膜厚の薄い第1の領域504、膜厚の厚い第2の領域505とに分けられる。
【0057】
さらに、第1の領域504および第2の領域505を拡大した時の状態を模式的に表したのが図5(D)、(E)である。図5(D)においては結晶化の際に非晶質珪素膜502の膜厚が薄いため、針状結晶506の結晶幅は狭くなっている。また、図5(E)に示す様に、第2の領域505は膜厚が厚いため針状結晶507の結晶幅は結晶506に比べて広くなっている。
【0058】
従って、図5(D)に示す様な状態の結晶構造体を活性層とした場合、ピニング効果(ドレイン側空乏層の広がりを抑える効果)が強まり、さらに、針状結晶506の幅が狭いので狭チャネル効果が顕著に現れる様になると推測される。また、図5(E)に示す様な状態の結晶構造体を活性層とした場合、ピニング効果は弱まり、短チャネル効果が現れる様になると推測される。
【0059】
以上の様に、針状結晶の結晶幅を制御することで狭チャネル効果および短チャネル効果の影響力を制御し、N型型トランジスタ、P型型トランジスタ共に所望のしきい値電圧を得られる様に設計しうる。
【0060】
参考
参考例では、参考例1を適用したCMOS回路の構造に関する説明を図6を用いて行うこととする。なお、CMOS回路の基本的な構造は公知であるので、必要な部分のみを符号をつけて説明する。
【0061】
図6(A)は本参考例に示す発明を適用した場合のCMOS回路の上面図である。左側はN型トランジスタ、右側はP型トランジスタであり、基本的に同一構造となっている。601、602は活性層であり、その上方にはゲイト電極603とデータ配線604が配置されている。
【0062】
また、N型トランジスタの活性層601のチャネル形成領域にはピニング技術による不純物領域605が配置され、P型トランジスタの活性層602のチャネル形成領域には同様に不純物領域606が配置される。
【0063】
その際、本参考例に示す発明に従って不純物領域605を配置する間隔は、不純物領域606を配置する間隔よりも狭く設定する。具体的な数値等は実施者が実験的に求める必要がある。
【0064】
図6(A)をA−A’およびB−B’で切断した断面を図6(B)、(C)に示す。607で示されるのは絶縁表面を有する基板である。この時、図6(B)には活性層601のチャネル幅方向の断面が現れ、図6(C)には活性層602のチャネル幅方向の断面が現れる。
【0065】
また、図6(D)は図6(A)をC−C’で切断した時に現れる断面を示している。なお、607は絶縁表面を有する基板であり、608はゲイト電極直下に位置するチャネル形成領域である。図6(D)において、不純物領域605と606を記載する際にハッチングを変えたのはN型トランジスタとP型トランジスタとで配置密度が異なることを示すためである。
【0066】
以上の様に、参考例1に示す発明の構成をCMOS回路に適用した場合、図6(B)、(C)に明らかな様に、N型トランジスタに配置される不純物領域605の間隔は、P型トランジスタに配置される不純物領域606の間隔に比べて狭いものとなる。
【0067】
〔実施例
本実施例では、実施例を適用したCMOS回路の構造に関する説明を図7を用いて行うこととする。参考で用いた図6と異なる点は狭チャネル効果を不純物領域ではなく針状結晶の幅で制御する点である。
【0068】
図7(A)は本発明を適用した場合のCMOS回路の上面図である。各部分に記されている符号は図6と同一の部分に対応するものである。また、701は活性層601を構成する針状結晶であり、702は活性層602を構成する針状結晶である。
【0069】
本実施例の特徴は、本発明に従って針状結晶701の結晶幅が針状結晶702の結晶幅よりも狭くなる様に形成されていることである。結晶幅の制御は実施例2に示した手段によれば良い。また、具体的な幅は実施者が実験的に求める必要がある。代表的には、針状結晶701の幅を50〜500 Å( 好ましくは50〜200 Å) とすれば良い。
【0070】
図7(A)をA−A’およびB−B’で切断した断面を図7(B)、(C)に示す。この時、図7(B)には活性層601のチャネル幅方向の断面が現れ、図7(C)には活性層602のチャネル幅方向の断面が現れる。また、図7(D)は図7(A)をC−C’で切断した時に現れる断面を示している。
【0071】
以上の様に、実施例に示す本発明の構成をCMOS回路に適用した場合、図7(B)、(C)に明らかな様に、N型トランジスタの活性層601を構成する針状結晶701の結晶幅は、P型トランジスタの活性層602を構成する針状結晶702の結晶幅に比べて狭いものとなる。
【0072】
〔実施例
本実施例では本発明を適用したCMOS回路の実施例を図8を用いて説明する。なお、ここでは実施例の手段により本発明を実施した場合を例にする。また、図8(A)、(B)、(C)において左側は全てN型トランジスタ、右側は全てP型トランジスタとなっている。また、CMOS回路の構造は公知であるので、特殊な構造のみを符号を付して説明することとする。
【0073】
図8(A)に示すCMOS回路は特開平7-135318号公報記載の技術を用いてドレイン領域とチャネル形成領域との間に電界緩和のための低濃度不純物領域を設けた構造である。基本的にN型トランジスタとP型トランジスタは導電型が異なるのみで構造的な差異はないので、N型トランジスタを主体に説明する。
【0074】
図8(A)において、活性層はソース領域801、ドレイン領域802、チャネル形成領域803、低濃度不純物領域804、805で構成される。そして、806はゲイト絶縁膜、807はアルミニウムを主成分とするゲイト電極であり、ゲイト電極807は陽極酸化膜808によって保護されている。また、809は層間絶縁膜、810はデータ配線である。
【0075】
ゲイト絶縁膜806はゲイト電極807の側面に配置された多孔質状の陽極酸化膜(CMOS回路の形成過程で除去される)をマスクとしてエッチングされるため、活性層上の一部に残存する状態となる。このゲイト絶縁膜806の端部を利用して低濃度不純物領域804、805が形成される。
【0076】
次に、図8(B)に示す構造は、上記特開平7-135318号公報記載の技術において多孔質状の陽極酸化膜の代わりに絶縁物でなるサイドウォールを利用する例を示すものである。従って、活性層の構成は基本的に図8(A)で説明した活性層の構成と同一である。
【0077】
サイドウォール811は窒化珪素膜または酸化珪素膜をエッチバック法によってゲイト電極807の側面のみに残存させることによって形成する。このサイドウォール811はソース領域801、ドレイン領域802の主表面にシリサイド812を形成する時にも必要となる。
【0078】
シリサイド812の形成は公知のサリサイド技術を用いれば良い。例えば、チタン、タンタル、モリブデン、タングステン等に金属を用いることができる。この時、ソース/ドレイン領域全体がシリサイド化する様な条件を選ぶことも可能である。
【0079】
図8(B)に示す様なサリサイド構造を有する半導体装置はデータ配線810とのオーミック接触が良好なので、動作速度を向上させることができる。
【0080】
次に、図8(C)に示す構造は、図8(B)の示した構造においてゲイト電極の材料を結晶性珪素(多結晶シリコン)とした場合の例である。ゲイト電極813の側面には図8(B)と同様にサイドウォール811が配置されるが、この場合、ゲイト電極813の主表面にもシリサイド814が形成される。
【0081】
図8(C)には示されないが、ゲイト電極813はゲイト信号を伝える引き出し配線と接続しているので、本構成はその様な引き出し配線とのオーミック接触を良好なものとすることができる。
【0082】
以上に示したCMOS回路の構造は一実施例を示すものであり、他の構造に本発明を適用することは実施者の自由である。従って、例えばマルチゲイト型構造(ダブルゲイト型やトリプルゲイト型)をとることもできるし、逆スタガ型TFTでCMOS回路を構成する場合にも本発明を適用できる。
【0083】
〔実施例
本発明を利用した半導体装置は同一基板上に画素マトリクス回路とロジック回路とを集積化したアクティブマトリクス型電気光学装置に適用することもできる。電気光学装置としては、液晶表示装置、EL表示装置、EC表示装置などが含まれる。
【0084】
なお、ロジック回路とは、周辺駆動回路やコントロール回路等の様に電気光学装置を駆動するための集積化回路を指す。また、コントロール回路とはプロセッサ回路、メモリ回路、クロック発生回路、A/D(D/A)コンバータ回路等の電気光学装置を駆動するに必要な全ての電気回路を含むものとする。
【0085】
本発明を適用したTFTは動作速度を落とさずにしきい値電圧の制御を行っているので、高性能な集積化回路を構成することができる。また、ウィンドウ中心(Vcen)を0Vにしたり、ウィンドウ幅(Vwin)を狭くすることで必要な駆動電圧を低減し、低消費電力の電気光学装置を作製することが可能である。
【0086】
〔実施例
本明細書中において「半導体装置」とは、半導体を利用することで機能する装置全般を指す。従って、単体TFT、半導体集積回路(CMOS回路、DRAM回路、SRAM回路等のロジック回路)、アクティブマトリクス型電気光学装置およびその応用製品は半導体装置の範疇に含まれるものとする。
【0087】
本実施例では、その応用製品について図例を挙げて説明する。本発明を利用した半導体装置としてはTVカメラ、ヘッドマウントディスプレイ、カーナビゲーション、プロジェクション(フロント型とリア型がある)、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ等が挙げられる。簡単な説明を図9を用いて行う。
【0088】
図9(A)はモバイルコンピュータであり、本体2001、カメラ部2002、受像部2003、操作スイッチ2004、表示装置2005で構成される。本発明は表示装置2005や装置内部に組み込まれる集積化回路2006に対して適用される。
【0089】
図9(B)はヘッドマウントディスプレイであり、本体2101、表示装置2102、バンド部2103で構成される。表示装置2102は比較的小型のサイズのものが2枚使用される。
【0090】
図9(C)はカーナビゲーションであり、本体2101、表示装置2102、操作スイッチ2103、アンテナ2104で構成される。本発明は表示装置2102や装置内部の集積化回路2105に適用できる。車載式なので電圧変動に強い信頼性の高い半導体装置が必要となる。また、表示装置2202はモニターとして利用されるが、地図の表示が主な目的なので解像度の許容範囲は比較的広いと言える。
【0091】
図9(D)は携帯電話であり、本体2301、音声出力部2302、音声入力部2303、表示装置2304、操作スイッチ2305、アンテナ2306で構成される。本発明は表示装置2304や装置内部の集積化回路2105に適用できる。スタンバイ状態における消費電力を減らすことが重要となるため、本発明は非常に有効であると言える。
【0092】
図9(E)はビデオカメラであり、本体2401、表示装置2402、音声入力部2403、操作スイッチ2404、バッテリー2405、受像部2406で構成される。本発明は表示装置2402や装置内部の集積化回路2407に適用できる。バッテリー駆動による長時間使用が要求されるため、本発明により低消費電力化することは非常に有意義である。
【0093】
図9(F)はフロントプロジェクションであり、本体2501、光源2502、反射型表示装置2503、光学系(ビームスプリッターや偏光子等が含まれる)2504、スクリーン2505で構成される。スクリーン2505は会議や学会発表などのプレゼンテーションに利用される大画面スクリーンであるので、表示装置2503は高い解像度が要求される。
【0094】
また、本実施例に示した電気光学装置以外にも、リアプロジェクションやハンディターミナルなどの携帯型情報端末機器に適用することができる。以上の様に、本発明の応用範囲は極めて広く、あらゆる分野の表示媒体に適用することが可能である。
【0095】
また、本発明のTFTは電気光学装置に限らず、例えばSRAMやDRAMといった形で集積化回路に組み込み、本実施例で示した様な応用製品の駆動回路として用いることも可能である。
【0096】
【発明の効果】
デバイス素子の微細化に伴って生じる短チャネル効果および狭チャネル効果を利用することで、チャネルドープ法を用いることなくCMOS回路のVthの相違を是正することが可能となる。
【0097】
従って、しきい値電圧の偏りに起因して引き起こされるCMOS回路の動作速度の低下や誤動作を防ぐだけでなく、チャネル形成領域における不純物散乱の影響をも低減した高速動作の可能な半導体装置を実現しうる。また、半導体装置のしきい値電圧の絶対値を小さくすることができるので、半導体装置の低消費電力化を実現しうる。
【0098】
また、チャネル形成領域においてチャネル方向と概略平行に形成されるエネルギー障壁(不純物領域や結晶粒界)によって、0.01〜2 μmの微細な領域においても短チャネル効果による特性の劣化を問題としない高い信頼性の半導体装置を実現しうる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 活性層の構成を説明するための図。
【図2】 従来例を説明するための図。
【図3】 ピニング技術を説明するための図。
【図4】 針状結晶を示す写真。
【図5】 結晶性珪素膜の作製工程を示す図。
【図6】 CMOS回路の構成を示す図。
【図7】 CMOS回路の構成を示す図。
【図8】 CMOS回路の構成を示す図。
【図9】 半導体装置(応用製品)の例を示す図。
【符号の説明】
101 ソース領域
102 ドレイン領域
103 チャネル形成領域
104 Nチャネル型半導体装置の不純物領域
105 Nチャネル型半導体装置の不純物領域
[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The invention disclosed in this specification relates to a semiconductor device using a crystalline semiconductor film and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a semiconductor device having a CMOS structure using a silicon film as a semiconductor film.
[0002]
[Prior art]
In recent years, CMOS technology using an insulated gate transistor has been actively developed. However, as described in JP-A-4-206971 and JP-A-4-286339, the electrical characteristics of an N-type transistor having a crystalline silicon film as an active layer are shifted in the depletion direction (negative side). , P-type transistors tend to shift in the enhancement direction (negative side). This cause is considered to be due to the work function difference between the gate electrode and the active layer due to the difference in conductivity type.
[0003]
A schematic diagram of the electrical characteristics (Id-Vg characteristics) of the above-described transistor is shown in FIG. The horizontal axis Vg is the gate voltage, and the vertical axis Id is the drain current. 201 indicates the characteristics of the N-type transistor, and 202 indicates the characteristics of the P-type transistor. Note that the contact point at which the Id-Vg characteristic indicated by 201 and 202 is in contact with the Vg axis indicates the threshold voltage.
[0004]
Reference numeral 203 denotes a window width (Vwin), and a difference (= Vth, n) between the threshold voltage (Vth, n) of the N-type transistor and the threshold voltage (Vth, p) of the P-type transistor. -Vth, p). Reference numeral 204 denotes a window center (Vcen), which is defined by a median window width (= 1/2 Vwin).
[0005]
At this time, in the conventional CMOS circuit, the window width (Vwin) is shifted to the negative side as a whole, and as a result, the window center (Vcen) becomes 0 V or less. According to Japanese Patent Laid-Open No. 4-206971, the deviation of the output voltage due to the difference in threshold voltage causes the characteristics of the CMOS circuit to deteriorate.
[0006]
As a solution to this problem, there is a method of controlling the threshold value by adding an impurity (phosphorus or boron) imparting one conductivity to the channel formation region (hereinafter referred to as channel doping method). However, this method has a problem that impurity ions cause carrier scattering and cause a reduction in operating speed.
[0007]
In particular, in the deep sub-micron region where the channel length is 0.01 to 0.1 μm, the number of impurity ions present in the channel region is one to several. Therefore, it has been reported that the electrical characteristics change as a result of the presence of impurity ions. Yes.
[0008]
Background to the Invention
Here, it is necessary to mention the short channel effect suppression technique (pinning technique) proposed by the present inventors. The outline will be described below with reference to FIG.
[0009]
The short channel effect is a generic term for a threshold voltage drop, a breakdown voltage deterioration due to a punch-through phenomenon, a subthreshold characteristic deterioration, and the like. In addition, these phenomena occur because the depletion layer on the drain side extends to the source region, making it difficult to control carriers by only the gate voltage.
[0010]
That is, a technique for suppressing the spread of the depletion layer on the drain side is a pinning technique, which can be achieved by artificially and locally providing an impurity region in the channel formation region. Note that the present inventors use the word “pinning” in the sense of “suppression”.
[0011]
Specifically, the active layer of the transistor has a structure as shown in FIG. In FIG. 3A, 301 is a source region, 302 is a drain region, 303 is a channel formation region, and an impurity region 304 is artificially formed in the channel formation region 303. In the channel formation region 303, a region 305 other than the impurity region 304 is a substantially intrinsic region and serves as a region where carriers move.
[0012]
Note that the impurity region 304 is obtained by forming a fine pattern by an electronic drawing method or the like. FIG. 3A shows an example in which the impurity region has a linear pattern shape, but it may be a dot-like dot pattern shape.
[0013]
A cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 3A is shown in FIG. Reference numeral 306 denotes a substrate having an insulating surface. 3C is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG.
[0014]
At this time, the impurity region 304 disposed in the channel formation region 303 locally forms a region having a high diffusion potential (energy barrier) in the channel formation region. The energy barrier can effectively suppress (pinning) the spread of the drain side depletion layer to the source side.
[0015]
Note that a sufficient energy barrier can be formed in the impurity region 304 by adding any of oxygen, nitrogen, and carbon. Further, B (boron) may be added for an N-type transistor, and P (phosphorus) may be added for a P-type transistor.
[0016]
With the configuration as described above, it is expected to effectively suppress a decrease in threshold voltage, which is one of the short channel effects. Of course, it is also possible to suppress the breakdown voltage and the sub-threshold characteristics associated with the punch-through phenomenon.
[0017]
Further, the configuration shown in FIG. 3 is expected to produce a narrow channel effect in addition to the above-described effect. That is, by narrowing the interval between the impurity regions 304 sufficiently, a narrow channel effect can be artificially generated in the region 305 where carriers move.
[0018]
As described above, the pinning technique proposed by the present inventors has a finer sub-micron region (channel length of 0.01 to 0.1 μm) from the extent that the short channel effect occurs (channel length of 2 μm or less). This technology is effective even for device elements.
[0019]
However, as described in the prior art, the shift of the window center (Vcen) due to the difference in work function between the gate electrode and the active layer is a phenomenon that occurs similarly in the pinning technique. Therefore, in the submicron region, it is necessary to control the threshold voltage while suppressing the short channel effect.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a technique for correcting a difference in threshold voltage by a method other than the channel doping method in a CMOS circuit miniaturized to such an extent that a short channel effect can occur (0.01 to 2 μm). .
[0021]
In other words, a technique for bringing the above-described window center (Vcen) close to 0 V as much as possible is provided. This means that the N channel type and P channel type semiconductor devices are controlled so that the absolute values of the threshold voltages are substantially the same.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the present invention is to balance the threshold voltage (Vth) by utilizing the short channel effect (SCE) and the narrow channel effect (NCE) that are generated with the miniaturization of device elements. In other words, it is to correct the difference in Vth of the CMOS circuit.
[0023]
Therefore, the configuration of the invention disclosed in this specification is as follows.
In a semiconductor device having a CMOS structure in which an N-channel semiconductor device and a P-channel semiconductor device formed on a substrate having an insulating surface are complementarily combined,
The N channel type semiconductor device is provided with means for enhancing the narrow channel effect so that the absolute values of the threshold voltages of the N channel type semiconductor device and the P channel type semiconductor device are substantially the same. The type semiconductor device is provided with means for enhancing the short channel effect.
[0024]
Specifically, an impurity region is artificially and locally arranged in the channel formation region of the N-channel type semiconductor device and the P-channel type semiconductor device substantially in parallel with the channel direction.
The means for enhancing the narrow channel effect is means for intentionally narrowing the arrangement interval of the impurity regions arranged in the N channel type semiconductor device,
The means for enhancing the short channel effect is means for making the arrangement interval of the impurity regions arranged in the P-channel type semiconductor device relatively wider than the arrangement interval in the N-channel type semiconductor device. .
[0025]
Alternatively, the active layer of the N-channel type semiconductor device and the P-channel type semiconductor device has a crystal structure in which crystal grain boundaries are directional and acicular or columnar crystals that are substantially parallel to the substrate are aggregated. And
The means for enhancing the narrow channel effect is means for intentionally narrowing the crystal width of the needle-like or columnar crystal in the N-channel semiconductor device,
The means for enhancing the short channel effect is means for making the crystal width of the needle-like or columnar crystal in the P-channel semiconductor device relatively wider than the crystal width in the N-channel semiconductor device. To do.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The difference in absolute value of the threshold voltage between the N-channel type semiconductor device and the P-channel type semiconductor device, which is a problem when manufacturing a semiconductor device having a CMOS structure, is corrected by new means not using the channel doping method.
[0027]
For this purpose, the threshold voltages of the N-channel type semiconductor device and the P-channel type semiconductor device are shifted separately by using the decrease of the threshold voltage due to the short channel effect and the increase of the threshold voltage due to the narrow channel effect. .
[0028]
A configuration in which the narrow channel effect appears strongly can be achieved by using a pinning technique to narrow the interval between impurity regions arranged in the channel formation region, that is, by strengthening the pinning effect. On the other hand, if the distance between the impurity regions is designed to be wide, the pinning effect is weakened and the short channel effect appears stronger.
[0029]
Further, when the active layer is formed using a crystal structure formed by acicular (or columnar) crystals, the same effect can be achieved by controlling the crystal width. Specifically, the narrow channel effect can be strengthened by narrowing the crystal width, and the short channel effect can be strengthened by widening the crystal width. The crystal width can be controlled by controlling the thickness of the amorphous silicon film before crystallization.
[0030]
【Example】
[ reference Example 1)
Book reference In the example, when a CMOS circuit is designed by using a thin film transistor (TFT) using a pinning technique, an active layer structure is different between an N-type transistor and a P-type transistor.
[0031]
As described in the conventional example, when the crystalline silicon film is used as the active layer, the electrical characteristics (Id-Vg characteristics) of the N-type transistor and the P-type transistor tend to shift to the negative side (negative side). The window center (Vcen) is 0 V or less.
[0032]
Therefore, in order to set the window center (Vcen) to 0 V, the threshold voltage (Vth, n) of the N-type transistor is moved in the increasing direction, and the threshold voltage (Vth, p) of the P-type transistor is decreased. Need to move in the direction.
[0033]
That is, if an impurity region is arranged with respect to the channel formation region so that a narrow channel effect is generated strongly in the active layer of the N-type transistor and a short channel effect is generated strongly in the active layer of the P-type transistor. Good (actually, increasing the short channel effect means relatively reducing the narrow channel effect).
[0034]
Where the book reference The structure of the active layer of the N-type transistor and the P-type transistor when the example is implemented is shown in FIGS. Note that the channel length of the active layer is in the range of 0.01 to 2 μm, and the channel width may be determined in an arbitrary range in consideration of the desired on-current and reliability.
[0035]
In FIG. 1A, reference numeral 101 denotes a source region, 102 denotes a drain region, and 103 denotes a channel formation region. The interval between the impurity regions 104 is adjusted so as to obtain a desired threshold voltage. Since FIG. 1A is an active layer of an N-type transistor, it is important to adjust the interval between the impurity regions 104 so that the narrow channel effect appears stronger.
[0036]
Book Shown in reference example When the invention is used, the required threshold voltage shift amount varies depending on the practitioner. In other words, the original (book Shown in reference example In consideration of the threshold voltage of the semiconductor device (not based on the invention), it is necessary to design the interval between the impurity regions so that a desired threshold voltage can be obtained experimentally.
[0037]
Typically, the interval between the impurity regions 104 may be set to 30 to 100 mm (preferably 50 to 500 mm) in order to enhance the narrow channel effect. In other words, the impurity region 104 may be arranged so that the width of the channel formation region is divided into about 100 to 1000 pieces.
[0038]
Book Shown in reference example According to the invention, it is presumed that the threshold voltage (Vth, n) of an N-type transistor having an active layer having a structure as shown in FIG. 1A changes as shown in FIG. Note that the dotted line in FIG. Shown in reference example If the invention is not implemented, the solid line is the book Shown in reference example It is an example at the time of implementing invention.
[0039]
That is, Vth, n is shifted in an increasing direction by adopting a configuration in which the narrow channel effect appears stronger. Further, since the effect of pinning the depletion layer is enhanced, the subthreshold characteristic is also improved (the slope of the Id-Vg characteristic indicated by the solid line in FIG. 1B increases).
[0040]
In addition, since FIG. 1C is an active layer of a P-type transistor, it is important to widely adjust the interval between the impurity regions 105 so that the short channel effect appears strongly. Typically, if the impurity region 105 is arranged so that the width of the channel formation region is divided into about 5 to 100, the short channel effect appears strongly. As a result, the threshold voltage (Vth, p) of the P-type transistor changes as shown in FIG.
[0041]
However, the fact that the short channel effect appears stronger means that the electrical characteristics are worsening. Therefore, as shown in FIG. 1D, the slope of the Id-Vg characteristic indicated by the solid line becomes small, so care must be taken between the deterioration of the characteristic and the control of Vth, p.
[0042]
As described above, the threshold voltage of the N-type transistor and the P-type transistor is controlled by intentionally strengthening the short channel effect or strengthening the narrow channel effect by using pinning technology. The difference in the absolute value of the threshold voltage in the CMOS circuit can be corrected. That is, it differs from the conventional pinning technique in that the interval between the impurity regions differs depending on the conductivity type.
[0043]
Further, the idea of using the short channel effect and the narrow channel effect, which have been conventionally recognized only as factors that hinder element miniaturization, for controlling the threshold voltage is completely new. Book Shown in reference example The invention makes it possible to control the threshold voltage without using the channel doping method.
[0044]
Therefore, the book Shown in reference example When the invention is used, a region where carriers move in the channel formation region is an intrinsic or substantially intrinsic region. Intrinsic or substantially intrinsic means that the activation energy is almost 1/2 (the Fermi level is located in the middle of the forbidden band), the region where the impurity concentration is lower than the spin density, and intentional This means an undoped region where no impurities are added.
[0045]
〔Example 1 ]
In this example, reference A technique for controlling Vth, n and Vth, p by controlling the short channel effect and the narrow channel effect by a method different from that in Example 1 will be described. Specifically, the crystal width of the polycrystalline silicon film is used.
[0046]
The crystalline silicon film (polycrystalline silicon film) crystallized by the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-244103 or Japanese Patent Laid-Open No. 7-321339 by the present inventors is a collection of acicular (or columnar) crystals. A crystal structure consisting of the structure is obtained. When this crystal structure is subjected to a heat treatment in an atmosphere containing a halogen element, a crystalline silicon film having extremely excellent crystallinity can be obtained.
[0047]
Further, it has been confirmed by an experiment of the present inventors that a semiconductor device using this crystalline silicon film as an active layer exhibits electrical characteristics comparable to a MOSFET fabricated on single crystal silicon. Specifically, the subthreshold characteristic (S value) is 60 to 100 mV / dec (preferably 60 to 70 mV / dec), Vth, n is -0.5 to 2.0 V, and Vth, p is -2.0 to 0.5 V. High electrical characteristics can be obtained.
[0048]
However, there is a bias in the threshold voltage due to the difference in the conductivity type of the active layer as described above. Typically, Vth, n is -0.5 to 0.5 V, Vth, p is -1.5 to -0.5 V, and the window The center (Vcen) is often near -1.0 to -0.5V. This embodiment is a technique for shifting the window center of such a semiconductor device to the positive side by 0.5 to 1.0 V.
[0049]
Here, FIG. 4 shows a photograph of the crystal structure as observed by TEM. As shown in FIG. 4, this crystal structure has regularity in which the needle-like crystals 401 are directed substantially in the same direction, and the crystal grain boundaries 402 also extend substantially parallel to each other.
[0050]
The present inventors consider that the conditions for obtaining the highest electrical characteristics are obtained when the direction connecting the source region and the drain region of the active layer (channel direction) and the growth direction of the needle crystal 401 coincide. I guessed. Then, the above-described pinning technique is schematically modeled by regarding the crystal grain boundary as a region having a high energy barrier.
[0051]
In other words, reducing the crystal width of the acicular crystal reference This corresponds to obtaining the configuration of FIG. 1A in Example 1, and a configuration in which the narrow channel effect appears strongly. Also, widening the crystal width reference This corresponds to obtaining the configuration shown in FIG. 1C of Example 1, and the short channel effect appears strongly.
[0052]
According to the experimental knowledge of the present inventors, it has been found that the crystal width of the needle-like crystal is substantially equal to the thickness of the amorphous silicon film before crystallization. Therefore, when the crystal structure has a narrow crystal width (when the narrow channel effect is enhanced), the amorphous silicon film is thinned and the crystal structure has a wide crystal width (when the short channel effect is enhanced). ) Is sufficient to increase the thickness of the amorphous silicon film.
[0053]
Here, a method for manufacturing a crystalline silicon film for carrying out this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5A shows only a specific narrow area on the substrate. In FIG. 5A, reference numeral 501 denotes a quartz substrate. Although a glass substrate can be used, if there is a heat treatment process exceeding 700 ° C. later, it is necessary to use a quartz substrate in consideration of heat resistance.
[0054]
An amorphous silicon film 502 is formed on the quartz substrate 501. What is important in this embodiment is that the amorphous silicon film 502 is partially thinned (meaning that it is thinner than the film thickness at the time of film formation). This thinning may be performed by a half etching technique or the like. Of course, it goes without saying that the region to be thinned is a region that later becomes an active layer of an N-type transistor.
[0055]
When the selective thinning is completed, crystallization is performed using the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-244103 or Japanese Patent Laid-Open No. 7-321339. It is effective to use the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-321339 in order to define the crystal growth direction of the acicular crystal and to match the growth direction with the channel direction.
[0056]
Thus, as shown in FIG. 5B, a crystalline silicon film 503 having regions with different film thicknesses is obtained. FIG. 5C is a view of the crystalline silicon film 503 in FIG. 5B as viewed from above. The first region 504 having a small thickness and the second region 505 having a large thickness depending on the thickness. And divided.
[0057]
Further, FIGS. 5D and 5E schematically show a state when the first region 504 and the second region 505 are enlarged. In FIG. 5D, since the amorphous silicon film 502 is thin during crystallization, the crystal width of the needle crystal 506 is narrow. As shown in FIG. 5E, since the second region 505 is thick, the crystal width of the needle crystal 507 is wider than that of the crystal 506.
[0058]
Therefore, when the crystal structure in the state shown in FIG. 5D is used as the active layer, the pinning effect (the effect of suppressing the spread of the drain side depletion layer) is enhanced, and the width of the needle-like crystal 506 is narrow. It is presumed that the narrow channel effect appears prominently. In addition, when the crystal structure in the state shown in FIG. 5E is used as the active layer, it is presumed that the pinning effect is weakened and the short channel effect appears.
[0059]
As described above, the influence of the narrow channel effect and the short channel effect is controlled by controlling the crystal width of the needle-like crystal, and a desired threshold voltage can be obtained for both the N-type transistor and the P-type transistor. Can be designed.
[0060]
[ reference Example 2 ]
Book reference In the example reference The structure of the CMOS circuit to which Example 1 is applied will be described with reference to FIG. Since the basic structure of the CMOS circuit is known, only necessary portions will be described with reference numerals.
[0061]
Figure 6 (A) shows a book Shown in reference example It is a top view of a CMOS circuit when the invention is applied. The left side is an N-type transistor and the right side is a P-type transistor, which basically has the same structure. Reference numerals 601 and 602 denote active layers, over which a gate electrode 603 and a data wiring 604 are arranged.
[0062]
Further, an impurity region 605 by a pinning technique is disposed in the channel formation region of the active layer 601 of the N-type transistor, and an impurity region 606 is similarly disposed in the channel formation region of the active layer 602 of the P-type transistor.
[0063]
In that case, book Shown in reference example According to the invention, the interval at which the impurity regions 605 are arranged is set narrower than the interval at which the impurity regions 606 are arranged. It is necessary for the practitioner to obtain specific numerical values experimentally.
[0064]
The cross section which cut | disconnected FIG. 6 (A) by AA 'and BB' is shown to FIG. 6 (B) and (C). Reference numeral 607 denotes a substrate having an insulating surface. At this time, a cross section in the channel width direction of the active layer 601 appears in FIG. 6B, and a cross section in the channel width direction of the active layer 602 appears in FIG. 6C.
[0065]
FIG. 6D shows a cross section that appears when FIG. 6A is cut along CC ′. Reference numeral 607 denotes a substrate having an insulating surface, and reference numeral 608 denotes a channel formation region located immediately below the gate electrode. In FIG. 6D, the hatching is changed when describing the impurity regions 605 and 606 in order to show that the arrangement density is different between the N-type transistor and the P-type transistor.
[0066]
As above, reference When the configuration of the invention shown in Example 1 is applied to a CMOS circuit, as is apparent from FIGS. 6B and 6C, the interval between the impurity regions 605 arranged in the N-type transistor is arranged in the P-type transistor. This is narrower than the distance between the impurity regions 606.
[0067]
〔Example 2 ]
In this embodiment, the embodiment 1 A description will be given of the structure of a CMOS circuit to which is applied with reference to FIG. reference Example 2 6 is different from FIG. 6 in that the narrow channel effect is controlled not by the impurity region but by the width of the needle crystal.
[0068]
FIG. 7A is a top view of a CMOS circuit when the present invention is applied. The reference numerals written in each part correspond to the same part as in FIG. Reference numeral 701 denotes an acicular crystal constituting the active layer 601, and reference numeral 702 denotes an acicular crystal constituting the active layer 602.
[0069]
The feature of this embodiment is that the crystal width of the needle crystal 701 is formed to be narrower than the crystal width of the needle crystal 702 according to the present invention. Control of the crystal width may be performed by the means shown in the second embodiment. In addition, the specific width needs to be experimentally determined by the practitioner. Typically, the width of the acicular crystal 701 may be 50 to 500 mm (preferably 50 to 200 mm).
[0070]
FIGS. 7B and 7C show cross sections of FIG. 7A cut along AA ′ and BB ′. At this time, a cross section in the channel width direction of the active layer 601 appears in FIG. 7B, and a cross section in the channel width direction of the active layer 602 appears in FIG. 7C. FIG. 7D shows a cross section that appears when FIG. 7A is cut along CC ′.
[0071]
As described above, the embodiment 1 When the structure of the present invention shown in FIG. 6 is applied to a CMOS circuit, the crystal width of the needle-like crystal 701 constituting the active layer 601 of the N-type transistor is P-type, as is apparent from FIGS. 7B and 7C. This is narrower than the crystal width of the needle crystal 702 constituting the active layer 602 of the transistor.
[0072]
〔Example 3 ]
In this embodiment, an embodiment of a CMOS circuit to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. In addition, here is an example 1 The case where this invention is implemented by the means of is taken as an example. In FIGS. 8A, 8B, and 8C, the left side is an N-type transistor, and the right side is a P-type transistor. Further, since the structure of the CMOS circuit is known, only a special structure will be described with reference numerals.
[0073]
The CMOS circuit shown in FIG. 8A has a structure in which a low concentration impurity region for electric field relaxation is provided between a drain region and a channel formation region using the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-13518. Basically, the N-type transistor and the P-type transistor are different only in conductivity type and there is no structural difference. Therefore, the N-type transistor will be mainly described.
[0074]
In FIG. 8A, the active layer includes a source region 801, a drain region 802, a channel formation region 803, and low-concentration impurity regions 804 and 805. Reference numeral 806 denotes a gate insulating film, 807 denotes a gate electrode mainly composed of aluminum, and the gate electrode 807 is protected by an anodic oxide film 808. Reference numeral 809 denotes an interlayer insulating film, and reference numeral 810 denotes a data wiring.
[0075]
Since the gate insulating film 806 is etched using a porous anodic oxide film (removed in the process of forming the CMOS circuit) disposed on the side surface of the gate electrode 807 as a mask, it remains in a part of the active layer. It becomes. Low-concentration impurity regions 804 and 805 are formed using the end portions of the gate insulating film 806.
[0076]
Next, the structure shown in FIG. 8B shows an example in which a side wall made of an insulator is used instead of a porous anodic oxide film in the technique described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-13318. . Therefore, the configuration of the active layer is basically the same as the configuration of the active layer described with reference to FIG.
[0077]
The sidewall 811 is formed by leaving a silicon nitride film or a silicon oxide film only on the side surface of the gate electrode 807 by an etch back method. This sidewall 811 is also required when the silicide 812 is formed on the main surfaces of the source region 801 and the drain region 802.
[0078]
The silicide 812 may be formed using a known salicide technique. For example, a metal can be used for titanium, tantalum, molybdenum, tungsten, or the like. At this time, it is also possible to select conditions such that the entire source / drain region is silicided.
[0079]
Since the semiconductor device having a salicide structure as shown in FIG. 8B has good ohmic contact with the data wiring 810, operation speed can be improved.
[0080]
Next, the structure illustrated in FIG. 8C is an example in which the gate electrode material is crystalline silicon (polycrystalline silicon) in the structure illustrated in FIG. 8B. A side wall 811 is disposed on the side surface of the gate electrode 813 as in FIG. 8B. In this case, silicide 814 is also formed on the main surface of the gate electrode 813.
[0081]
Although not shown in FIG. 8C, since the gate electrode 813 is connected to a lead wiring for transmitting a gate signal, this configuration can improve ohmic contact with such a lead wiring.
[0082]
The structure of the CMOS circuit described above shows one embodiment, and it is up to the practitioner to apply the present invention to other structures. Therefore, for example, a multigate type structure (double gate type or triple gate type) can be adopted, and the present invention can be applied to a case where a CMOS circuit is constituted by an inverted stagger type TFT.
[0083]
〔Example 4 ]
A semiconductor device using the present invention can also be applied to an active matrix electro-optical device in which a pixel matrix circuit and a logic circuit are integrated on the same substrate. Examples of the electro-optical device include a liquid crystal display device, an EL display device, and an EC display device.
[0084]
Note that the logic circuit refers to an integrated circuit for driving the electro-optical device, such as a peripheral drive circuit or a control circuit. The control circuit includes all electric circuits necessary for driving an electro-optical device such as a processor circuit, a memory circuit, a clock generation circuit, and an A / D (D / A) converter circuit.
[0085]
Since the TFT to which the present invention is applied controls the threshold voltage without reducing the operation speed, a high-performance integrated circuit can be configured. In addition, by reducing the window center (Vcen) to 0 V or narrowing the window width (Vwin), it is possible to reduce the required driving voltage and to manufacture an electro-optical device with low power consumption.
[0086]
〔Example 5 ]
In this specification, a “semiconductor device” refers to all devices that function by using a semiconductor. Accordingly, single TFTs, semiconductor integrated circuits (logic circuits such as CMOS circuits, DRAM circuits, SRAM circuits, etc.), active matrix electro-optical devices and their application products are included in the category of semiconductor devices.
[0087]
In this embodiment, the applied product will be described with reference to examples. Examples of the semiconductor device using the present invention include a TV camera, a head mounted display, a car navigation, a projection (there are a front type and a rear type), a video camera, a personal computer, and the like. A brief description will be given with reference to FIG.
[0088]
FIG. 9A illustrates a mobile computer which includes a main body 2001, a camera portion 2002, an image receiving portion 2003, operation switches 2004, and a display device 2005. The present invention is applied to the display device 2005 and an integrated circuit 2006 incorporated in the device.
[0089]
FIG. 9B illustrates a head mounted display, which includes a main body 2101, a display device 2102, and a band portion 2103. Two display devices 2102 having a relatively small size are used.
[0090]
FIG. 9C illustrates car navigation, which includes a main body 2101, a display device 2102, operation switches 2103, and an antenna 2104. The present invention can be applied to the display device 2102 and the integrated circuit 2105 inside the device. Since it is in-vehicle, a highly reliable semiconductor device that is resistant to voltage fluctuations is required. Although the display device 2202 is used as a monitor, it can be said that the allowable range of resolution is relatively wide because the main purpose is to display a map.
[0091]
FIG. 9D illustrates a mobile phone, which includes a main body 2301, an audio output portion 2302, an audio input portion 2303, a display device 2304, operation switches 2305, and an antenna 2306. The present invention can be applied to the display device 2304 and the integrated circuit 2105 inside the device. Since it is important to reduce power consumption in the standby state, the present invention can be said to be very effective.
[0092]
FIG. 9E illustrates a video camera which includes a main body 2401, a display device 2402, an audio input portion 2403, operation switches 2404, a battery 2405, and an image receiving portion 2406. The present invention can be applied to the display device 2402 and the integrated circuit 2407 inside the device. Since long-term use by battery drive is required, it is very meaningful to reduce power consumption according to the present invention.
[0093]
FIG. 9F illustrates a front projection, which includes a main body 2501, a light source 2502, a reflective display device 2503, an optical system (including a beam splitter, a polarizer, and the like) 2504 and a screen 2505. Since the screen 2505 is a large screen screen used for presentations such as conferences and conference presentations, the display device 2503 is required to have a high resolution.
[0094]
In addition to the electro-optical device shown in this embodiment, the present invention can be applied to portable information terminal devices such as rear projection and handy terminals. As described above, the application range of the present invention is extremely wide and can be applied to display media in various fields.
[0095]
The TFT of the present invention is not limited to an electro-optical device, but can be incorporated in an integrated circuit in the form of SRAM or DRAM, for example, and used as a drive circuit for an application product as shown in this embodiment.
[0096]
【The invention's effect】
By utilizing the short channel effect and the narrow channel effect that occur with the miniaturization of device elements, it becomes possible to correct the difference in Vth of the CMOS circuit without using the channel doping method.
[0097]
Therefore, it is possible to realize a semiconductor device capable of high-speed operation that not only prevents the deterioration of the operation speed and malfunction of the CMOS circuit caused by the bias of the threshold voltage but also reduces the influence of impurity scattering in the channel formation region. Yes. Further, since the absolute value of the threshold voltage of the semiconductor device can be reduced, the power consumption of the semiconductor device can be reduced.
[0098]
In addition, the energy barrier (impurity region and grain boundary) formed almost in parallel with the channel direction in the channel formation region ensures high reliability that does not cause degradation of characteristics due to the short channel effect even in a minute region of 0.01 to 2 μm. Can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a structure of an active layer.
FIG. 2 is a diagram for explaining a conventional example.
FIG. 3 is a diagram for explaining a pinning technique.
FIG. 4 is a photograph showing acicular crystals.
FIGS. 5A and 5B are diagrams illustrating a manufacturing process of a crystalline silicon film. FIGS.
FIG. 6 shows a structure of a CMOS circuit.
FIG. 7 shows a structure of a CMOS circuit.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a CMOS circuit.
FIG. 9 illustrates an example of a semiconductor device (application product).
[Explanation of symbols]
101 Source area
102 Drain region
103 channel formation region
104 Impurity region of N-channel semiconductor device
105 Impurity region of N-channel semiconductor device

Claims (6)

絶縁表面を有する基板上に形成されたNチャネル型薄膜トランジスタおよびPチャネル型薄膜トランジスタとを相補的に組み合わせたCMOS回路を有する半導体装置において、
前記Nチャネル型薄膜トランジスタは、前記基板上に形成され結晶性珪素膜からなる第1の活性層と、前記第1の活性層に形成される第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有し、
前記Pチャネル型薄膜トランジスタは、前記基板上に形成され結晶性珪素膜か らなる第2の活性層と、前記第2の活性層に形成される第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有し、
前記Nチャネル型薄膜トランジスタの第1の活性層および前記Pチャネル型薄膜トランジスタの第2の活性層は結晶粒界に方向性があり、かつ、前記基板と概略平行な針状または柱状結晶が集合してなる結晶構造体で構成され、
前記Nチャネル型薄膜トランジスタに用いられる結晶構造体は前記Pチャネル型薄膜トランジスタに用いられる結晶構造体に比べて針状または柱状結晶の結晶幅が狭くなっていることを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device having a CMOS circuit in which an N-channel thin film transistor and a P-channel thin film transistor formed on a substrate having an insulating surface are complementarily combined,
The N-channel thin film transistor includes a first active layer formed on the substrate and made of a crystalline silicon film, a first source region, a first drain region, and a first active layer formed in the first active layer. Channel forming region,
The P-channel thin film transistor includes a second active layer formed on the substrate and made of a crystalline silicon film, a second source region, a second drain region, and a second active layer formed in the second active layer. Two channel forming regions,
The first active layer of the N-channel type thin film transistor and the second active layer of the P-channel type thin film transistor are oriented at crystal grain boundaries, and acicular or columnar crystals that are substantially parallel to the substrate are assembled. Consisting of a crystal structure
A semiconductor device characterized in that a crystal structure used in the N-channel thin film transistor has a needle-like or columnar crystal having a narrower crystal width than a crystal structure used in the P-channel thin film transistor.
絶縁表面を有する基板上に形成されたNチャネル型薄膜トランジスタおよびPチャネル型薄膜トランジスタとを相補的に組み合わせたCMOS回路を有する半導体装置において、In a semiconductor device having a CMOS circuit in which an N-channel thin film transistor and a P-channel thin film transistor formed on a substrate having an insulating surface are complementarily combined,
前記Nチャネル型薄膜トランジスタは、前記基板上に形成され結晶性珪素膜からなる第1の活性層と、前記第1の活性層に形成される第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有し、The N-channel thin film transistor includes a first active layer formed on the substrate and made of a crystalline silicon film, a first source region, a first drain region, and a first active layer formed in the first active layer. Channel forming region,
前記Pチャネル型薄膜トランジスタは、前記基板上に形成され結晶性珪素膜かThe P-channel type thin film transistor is a crystalline silicon film formed on the substrate. らなる第2の活性層と、前記第2の活性層に形成される第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有し、And a second source region, a second drain region, and a second channel formation region formed in the second active layer,
前記第1のソース領域、前記第1のドレイン領域、前記第2のソース領域及び前記第2のドレイン領域は、それぞれの表面又は全体がシリサイドでなり、Each of the first source region, the first drain region, the second source region, and the second drain region is made of silicide.
前記Nチャネル型薄膜トランジスタの第1の活性層および前記Pチャネル型薄膜トランジスタの第2の活性層は結晶粒界に方向性があり、かつ、前記基板と概略平行な針状または柱状結晶が集合してなる結晶構造体で構成され、The first active layer of the N-channel type thin film transistor and the second active layer of the P-channel type thin film transistor are oriented at crystal grain boundaries, and acicular or columnar crystals that are substantially parallel to the substrate are assembled. Consisting of a crystal structure
前記Nチャネル型薄膜トランジスタに用いられる結晶構造体は前記Pチャネル型薄膜トランジスタに用いられる結晶構造体に比べて針状または柱状結晶の結晶幅が狭くなっていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device characterized in that a crystal structure used for the N-channel thin film transistor has a narrower crystal width of a needle-like or columnar crystal than a crystal structure used for the P-channel thin film transistor.
請求項1又は請求項2において、
前記第1の活性層の膜厚は前記第2の活性層の膜厚よりも薄いことを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or claim 2 ,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first active layer is thinner than the second active layer.
絶縁表面を有する基板上にNチャネル型薄膜トランジスタおよびPチャネル型薄膜トランジスタとを相補的に組み合わせたCMOS回路を有する半導体装置の作製方法において、
前記基板上に結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜を用いて、前記Nチャネル型薄膜トランジスタの第1の活性層及び前記Pチャネル型薄膜トランジスタの第2の活性層を形成し、
前記第1の活性層に、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形成し、
前記第2の活性層に、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形成し、
前記第1の活性層および前記第2の活性層は結晶粒界に方向性があり、かつ、前記基板と概略平行な針状または柱状結晶が集合してなる結晶構造体で構成され、
前記第1の活性層における前記針状または柱状結晶の結晶幅は前記第2の活性層の結晶幅よりも狭くすることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device having a CMOS circuit in which an N-channel thin film transistor and a P-channel thin film transistor are complementarily combined on a substrate having an insulating surface,
Forming a crystalline silicon film on the substrate;
Forming a first active layer of the N-channel thin film transistor and a second active layer of the P-channel thin film transistor using the crystalline silicon film;
Forming a first source region, a first drain region, and a first channel formation region in the first active layer;
Forming a second source region, a second drain region, and a second channel formation region in the second active layer;
The first active layer and the second active layer are composed of a crystal structure in which crystal grain boundaries are oriented and acicular or columnar crystals that are substantially parallel to the substrate are aggregated,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a crystal width of the needle-like or columnar crystal in the first active layer is narrower than a crystal width of the second active layer.
求項において、
前記結晶性珪素膜は、非晶質珪素膜に結晶化を助長させる金属元素を導入し、加熱によって結晶化させて形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In Motomeko 4,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the crystalline silicon film is formed by introducing a metal element that promotes crystallization into an amorphous silicon film and crystallizing the film by heating.
請求項4又は請求項5において、In claim 4 or claim 5,
前記第1の活性層の膜厚は前記第2の活性層の膜厚よりも薄いことを特徴とする半導体装置の作製方法。A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the thickness of the first active layer is smaller than the thickness of the second active layer.
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