JPH10242310A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH10242310A
JPH10242310A JP9238036A JP23803697A JPH10242310A JP H10242310 A JPH10242310 A JP H10242310A JP 9238036 A JP9238036 A JP 9238036A JP 23803697 A JP23803697 A JP 23803697A JP H10242310 A JPH10242310 A JP H10242310A
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silicon oxide
oxide film
silicon
semiconductor device
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Takashi Kobayashi
小林  孝
Atsuko Katayama
敦子 片山
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Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a stable operation and sufficient charge holding characteristic even if the pattern is finer by introducing N in a silicon oxide film so that the max. concn. is within specified range in the film to form a gate insulation film with little leakage current at low temps. SOLUTION: An n-type impurity-doped polycrystalline Si film 204 is formed on the entire main surface of a p-type semiconductor substrate 201 including a first gate insulation film 203. Next a polycrystalline Si film 205 is formed on the entire main surface of the p-type semiconductor substrate 201 and the Si film 204 and immediately heat-treated in an NH3 atmosphere to introduce N in this film 205 so that the N atom concn. in the film 205 is limited to a range between approximately 2×10<20> and 2×10<21> atoms/cm<3> . This Si oxide 105 is used as a second gate insulation film 205 of nonvolatile memory elements Qe, thereby improving the charge hold characteristic.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、特に、浮遊ゲート電極と制御ゲート電極との間に絶
縁膜が設けられた不揮発性記憶素子を有する半導体装置
に適用して有効な技術に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and, more particularly, to a technology effective when applied to a semiconductor device having a nonvolatile memory element provided with an insulating film between a floating gate electrode and a control gate electrode. Things.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体装置として、フラッシュメモリと
称される不揮発性半導体記憶装置がある。このフラッシ
ュメモリは、携帯性、耐衝撃性に優れ、オンボードで電
気的に一括消去可能なことから、将来の小型携帯情報機
器のファイルメモリとして注目を集めている。
2. Description of the Related Art As a semiconductor device, there is a nonvolatile semiconductor memory device called a flash memory. This flash memory has been attracting attention as a file memory for future small portable information devices because it has excellent portability and shock resistance and can be erased electrically on-board at once.

【0003】前記フラッシュメモリは、不揮発性記憶素
子を1つの記憶単位とするメモリセルを行列状に複数個
配置したメモリセルアレイ部を備えている。不揮発性記
憶素子は、単結晶珪素からなる半導体基板の主面に構成
されている。
The flash memory has a memory cell array section in which a plurality of memory cells each having a nonvolatile storage element as one storage unit are arranged in a matrix. The nonvolatile memory element is configured on a main surface of a semiconductor substrate made of single crystal silicon.

【0004】前記不揮発性記憶素子は、主に、チャネル
形成領域である半導体基板、第1ゲート絶縁膜、浮遊ゲ
ート電極(フローティングゲート電極とも言う)、第2ゲ
ート絶縁膜、制御ゲート電極(コントロールゲート電極
とも言う)、ソース領域及びドレイン領域である一対の
半導体領域(不純物拡散領域とも言う)等で構成されてい
る。この不揮発性記憶素子は、半導体基板に対して正の
電圧を制御ゲート電極に印加することによって電子を浮
遊ゲート電極に注入し、そのしきい値電圧の違いから1
[bit ]の情報(“0”又は“1”)を記憶している。な
お、前記第1ゲート絶縁膜とは、半導体基板と浮遊ゲー
ト電極との間に設けられたトンネル絶縁膜のことを言
う。また、前記第2ゲート絶縁膜とは、浮遊ゲート電極
と制御ゲート電極との間に設けられた層間絶縁膜のこと
を言う。
The nonvolatile memory element mainly includes a semiconductor substrate, which is a channel forming region, a first gate insulating film, a floating gate electrode (also referred to as a floating gate electrode), a second gate insulating film, and a control gate electrode (control gate electrode). Electrodes), a pair of semiconductor regions (also referred to as impurity diffusion regions) which are a source region and a drain region, and the like. In this nonvolatile memory element, electrons are injected into a floating gate electrode by applying a positive voltage to a control gate electrode with respect to a semiconductor substrate, and 1
[Bit] information (“0” or “1”) is stored. Note that the first gate insulating film refers to a tunnel insulating film provided between the semiconductor substrate and the floating gate electrode. Further, the second gate insulating film refers to an interlayer insulating film provided between the floating gate electrode and the control gate electrode.

【0005】前記不揮発性記憶素子において、浮遊ゲー
ト電極、制御ゲート電極の夫々は多結晶珪素膜で形成さ
れ、第1ゲート絶縁膜、第2ゲート絶縁膜の夫々は酸化
珪素(SiO2)膜で形成されている。第1ゲート絶縁膜で
ある酸化珪素膜は、単結晶珪素からなる半導体基板の主
面に熱酸化処理を施すことにより形成され、第2ゲート
絶縁膜である酸化珪素膜は、多結晶珪素膜からなる浮遊
ゲート電極の表面に熱酸化処理を施すことにより形成さ
れる。
In the nonvolatile memory element, each of the floating gate electrode and the control gate electrode is formed of a polycrystalline silicon film, and each of the first gate insulating film and the second gate insulating film is formed of a silicon oxide (SiO 2 ) film. Is formed. The silicon oxide film as the first gate insulating film is formed by subjecting a main surface of a semiconductor substrate made of single crystal silicon to a thermal oxidation treatment, and the silicon oxide film as the second gate insulating film is formed from a polycrystalline silicon film. It is formed by performing a thermal oxidation treatment on the surface of the floating gate electrode.

【0006】前記多結晶珪素膜からなる浮遊ゲート電極
の表面に形成された酸化珪素膜は、単結晶珪素からなる
半導体基板の主面に形成された酸化珪素膜に比べて絶縁
耐圧が低く、電荷保持特性が劣るため、4[Mbit ]以
降のフラッシュメモリでは、単層の酸化珪素膜に代え
て、酸化珪素膜、窒化珪素(Si34 )膜、酸化珪素膜の
夫々を順次積層した積層膜、所謂ONO(xide/itri
de/xide)膜で第2ゲート絶縁膜を形成している。これ
は、酸化珪素膜に換算した膜厚が同一の場合、ONO膜
の方が酸化珪素膜に比べてリーク電流が小さいためであ
る。本技術については、例えば、アイ・イー・イー・イ
ー トランザクション オン エレクトロン デバイシ
ズ、第38巻、1991年、386頁から391頁(I
EEE Transaction on Electron Devices, 38(1
991)pp386−391)において論じられている。
[0006] The silicon oxide film formed on the surface of the floating gate electrode made of the polycrystalline silicon film has a lower withstand voltage than the silicon oxide film formed on the main surface of the semiconductor substrate made of single crystal silicon, and has a lower electric charge. Due to poor retention characteristics, in a flash memory of 4 [Mbit] or later, instead of a single-layer silicon oxide film, a silicon oxide film, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film, and a silicon oxide film are sequentially stacked. Membrane, so-called ONO ( O xide / N itri
de / O xide) film to form a second gate insulating film. This is because the leak current of the ONO film is smaller than that of the silicon oxide film when the film thickness converted into the silicon oxide film is the same. This technology is described in, for example, IEE Transactions on Electron Devices, Vol. 38, 1991, pp. 386-391 (I
EEE Transaction on Electron Devices, 38 (1
991) pp 386-391).

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フラッ
シュメモリの高集積化に伴い、第2ゲート絶縁膜にON
O膜を用いた場合、新たな問題が生じることになった。
1つは不揮発性記憶素子の微細化に伴うプロセス温度の
低減化である。ONO膜は、通常、多結晶珪素膜からな
る浮遊ゲート電極の表面を熱酸化して下層の酸化珪素膜
を形成し、その後、下層の酸化珪素膜上に減圧化学気相
成長(LPCVD:ow ressure hemical apor
eposition)法で窒化珪素膜を形成し、その後、窒化珪
素膜の表面を熱酸化して上層の酸化珪素膜を形成するこ
とにより形成される。しかし、この窒化珪素膜の酸化は
900℃以上の高温を要するため、ソース領域及びドレ
イン領域を形成した後に第2ゲート絶縁膜を形成する場
合には、LSI(arge cale ntegrated Circui
t)の微細化に不可欠な浅い接合の形成が困難となり、
これがフラッシュメモリの高集積化を阻害する因子とな
っていた。
SUMMARY OF THE INVENTION
With the high integration of flash memory, ON is applied to the second gate insulating film.
When an O film is used, a new problem arises.
One is the process temperature due to the miniaturization of nonvolatile memory elements.
It is reduction. The ONO film is usually made of a polycrystalline silicon film.
Thermal oxidation of the surface of the floating gate electrode
Is formed on the lower silicon oxide film.
Growth (LPCVD:LowPressureChemicalVapor
Deposition) method, and then silicon nitride
The surface of the silicon film is thermally oxidized to form an upper silicon oxide film.
And is formed by However, the oxidation of this silicon nitride film
Since a high temperature of 900 ° C or more is required, the source region and drain
Forming the second gate insulating film after forming the gate region
If the LSI (LargeScaleIntegrated Circui
It becomes difficult to form a shallow junction, which is indispensable for miniaturization of t),
This is a factor that hinders high integration of flash memory.
I was

【0008】前述した熱酸化法のみによれば、800℃
程度の比較的低温でも単層の酸化珪素膜からなる第2ゲ
ート絶縁膜を形成することは可能である。しかし、この
方法では、酸化温度を低減するほど浮遊ゲート電極の側
壁上端部において酸化珪素膜の膜厚が薄くなり、この部
分での電界集中が顕著となってリーク電流が増大すると
いう問題があった。また、熱酸化法に代えてLPCVD
法により750℃程度の低温で単層の酸化珪素膜を形成
し、これを不揮発性記憶素子の第2ゲート絶縁膜へ適用
する技術も提案されている。LPCVD法を用いると熱
酸化法に比べ酸化珪素膜のリーク電流低減が可能であ
る。しかし、その効果は充分とはいえず、不揮発性記憶
素子への適用は困難なのが現状であった。
According to only the thermal oxidation method described above, 800 ° C.
It is possible to form the second gate insulating film made of a single-layer silicon oxide film even at a relatively low temperature. However, in this method, as the oxidation temperature is reduced, the thickness of the silicon oxide film becomes thinner at the upper end of the side wall of the floating gate electrode, and there is a problem that the electric field concentration in this portion becomes remarkable and the leak current increases. Was. LPCVD instead of thermal oxidation
A technique has also been proposed in which a single-layer silicon oxide film is formed at a low temperature of about 750 ° C. by a method and applied to a second gate insulating film of a nonvolatile memory element. When the LPCVD method is used, the leakage current of the silicon oxide film can be reduced as compared with the thermal oxidation method. However, the effect is not sufficient, and at present, it is difficult to apply it to a nonvolatile memory element.

【0009】もう1点は、第2ゲート絶縁膜の薄膜化で
ある。不揮発性記憶素子の書換え動作時に浮遊ゲート電
極に印加される電圧Vfgは、
Another point is that the second gate insulating film is made thinner. The voltage Vfg applied to the floating gate electrode during the rewriting operation of the nonvolatile memory element is

【0010】[0010]

【数1】 Vfg=C2Vcg/(C1+C2) ・・・(1) で与えられる。ここで、Vcgは制御ゲート電極の印加電
圧、C1 は第1ゲート絶縁膜の容量、C2 は第2ゲート
絶縁膜の容量である。制御ゲート電極に印加された電圧
を効率良く浮遊ゲート電極に伝達し、プログラム電圧を
低減するためには、第2ゲート絶縁膜を薄膜化してC2
を大きくすることが有効である。しかしながら、従来の
ONO膜では、上下層の酸化珪素膜を5[nm]以下と
すると、浮遊ゲート電極に蓄積された電荷が制御ゲート
電極に漏洩する、所謂リテンション不良が顕在化すると
いう問題があった。また、上層の酸化珪素膜を5[n
m]形成しようとした場合、浮遊ゲート電極である下層
の多結晶珪素膜の酸化を防止するために10[nm]程
度以上の窒化珪素膜を形成する必要があった。このた
め、ONO膜の薄膜化は酸化珪素膜換算で15[nm]
程度が限界であり、第1ゲート絶縁膜の薄膜化が困難と
なりつつある今日、新たな第2ゲート絶縁膜形成プロセ
スの開発が期待されていた。
Vfg = C2Vcg / (C1 + C2) (1) Here, Vcg is the applied voltage of the control gate electrode, C1 is the capacity of the first gate insulating film, and C2 is the capacity of the second gate insulating film. In order to efficiently transmit the voltage applied to the control gate electrode to the floating gate electrode and reduce the program voltage, the second gate insulating film is thinned to reduce the C2 voltage.
It is effective to increase. However, in the conventional ONO film, when the upper and lower silicon oxide films have a thickness of 5 nm or less, there is a problem that charges accumulated in the floating gate electrode leak to the control gate electrode, that is, a so-called retention defect becomes apparent. Was. Further, the upper silicon oxide film is formed to have a thickness of 5 [n].
m], it was necessary to form a silicon nitride film of about 10 [nm] or more in order to prevent oxidation of the underlying polycrystalline silicon film which is a floating gate electrode. Therefore, the thickness of the ONO film is reduced to 15 [nm] in terms of a silicon oxide film.
Today, the extent of which is limited and it is becoming difficult to reduce the thickness of the first gate insulating film, development of a new process for forming a second gate insulating film has been expected.

【0011】本発明の目的は、半導体装置に塔載される
不揮発性記憶素子において、従来のONO膜よりも低温
でリーク電流が小さいゲート絶縁膜を形成し、より微細
であっても安定な動作と充分な電荷保持特性が得られる
技術を提供することにある。また、本発明の他の目的
は、半導体装置に塔載される不揮発性記憶素子におい
て、従来のONO膜を用いた場合に比べて薄いゲート絶
縁膜を形成し、プログラム電圧を低減することが可能な
技術を提供することにある。
An object of the present invention is to form a gate insulating film having a lower leak current at a lower temperature than a conventional ONO film in a nonvolatile memory element mounted on a semiconductor device, and to achieve a stable operation even when the gate insulating film is finer. And a technique for obtaining sufficient charge retention characteristics. Another object of the present invention is to form a thin gate insulating film in a nonvolatile memory element mounted on a semiconductor device as compared with a case where a conventional ONO film is used, and to reduce a program voltage. It is to provide various technologies.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】前記課題は、酸化珪素膜
もしくは酸化珪素膜と窒化珪素膜との積層膜を第2ゲー
ト絶縁膜として用い、前記酸化珪素膜にその膜中での最
大原子濃度が概ね2×1020[atoms/cm3]以上となる
ように窒素を導入することにより達成される。更に、前
記酸化珪素膜中の最大窒素原子濃度が概ね2×10
21[atoms/cm3]以下であればより好適である。あわせ
て、前記酸化珪素膜中の最大水素原子濃度を5×1020
[atoms/cm3]以下とすれば、より一層の効果が得られ
る。
The object of the present invention is to use a silicon oxide film or a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film as a second gate insulating film, and to provide the silicon oxide film with a maximum atomic concentration in the film. Is achieved by introducing nitrogen so that the value is approximately 2 × 10 20 [atoms / cm 3] or more. Further, the maximum nitrogen atom concentration in the silicon oxide film is approximately 2 × 10
It is more preferable that it is 21 [atoms / cm3] or less. In addition, the maximum hydrogen atom concentration in the silicon oxide film is set to 5 × 10 20
If it is set to [atoms / cm3] or less, further effects can be obtained.

【0013】本発明における半導体装置は、第1珪素膜
とその上層の第2珪素膜との間に酸化珪素膜を有し、前
記酸化珪素膜に窒素が導入され、前記酸化珪素膜中の最
大窒素原子濃度が概ね2×1020[atoms/cm3]以上、
好ましくは2×1021[atoms/cm3]以下になっている
ことを特徴としている。本半導体装置が不揮発性記憶素
子を有する場合、第1珪素膜が浮遊ゲート電極、酸化珪
素膜が第2ゲート絶縁膜、制御ゲート電極が第2珪素膜
に該当する。この場合、第1珪素膜、第2珪素膜の夫々
にはn型不純物、例えば燐(P)が導入されているのが一
般的である。酸化珪素膜を第2ゲート絶縁膜として用い
ることで、従来のONO膜では不可能であった15[n
m]以下の薄膜化が可能となる。
The semiconductor device according to the present invention has a silicon oxide film between a first silicon film and a second silicon film thereabove, and nitrogen is introduced into the silicon oxide film. The nitrogen atom concentration is approximately 2 × 10 20 [atoms / cm3] or more,
Preferably, it is 2 × 10 21 [atoms / cm 3] or less. When the present semiconductor device has a nonvolatile memory element, the first silicon film corresponds to a floating gate electrode, the silicon oxide film corresponds to a second gate insulating film, and the control gate electrode corresponds to a second silicon film. In this case, an n-type impurity such as phosphorus (P) is generally introduced into each of the first silicon film and the second silicon film. By using a silicon oxide film as the second gate insulating film, 15 [n] which was impossible with a conventional ONO film.
m] or less.

【0014】前記酸化珪素膜の形成は、例えば、モノシ
ラン(SiH4 )と亜酸化二窒素(N2O )を原料ガスと
するLPCVD法により行なう。本方法によれば、70
0[℃]から800[℃]といった低温で酸化珪素膜の
形成が可能である。しかしながら、前述したように、L
PCVD法により形成した酸化珪素膜を直ちに不揮発性
記憶素子の第2ゲート絶縁膜として用いることは困難で
ある。これは、酸化珪素膜のリーク電流が大きいため、
浮遊ゲート電極に電子を注入した後、電源を遮断して放
置状態となった際、浮遊ゲート電極中に蓄積された電子
が制御ゲート電極へと漏洩してしまい、電荷保持(リテ
ンション)不良が生じるためである。また、リーク電流
が大きいために、浮遊ゲート電極に電子を注入し、不揮
発性記憶素子のしきい値を上昇させようとした際、注入
した電子が制御ゲート電極側へ抜けてしまい、十分にし
きい値が上がらず、書き込みと消去のしきい値ウインド
ウが確保できないといった問題も生じる。我々の研究の
結果、酸化珪素膜のリーク電流は、酸化珪素膜中に存在
するE’センタと呼ばれる欠陥に起因することが明らか
となった。
The silicon oxide film is formed, for example, by an LPCVD method using monosilane (SiH 4) and nitrous oxide (N 2 O) as source gases. According to the method, 70
A silicon oxide film can be formed at a low temperature of 0 ° C. to 800 ° C. However, as described above, L
It is difficult to immediately use the silicon oxide film formed by the PCVD method as the second gate insulating film of the nonvolatile memory element. This is because the leakage current of the silicon oxide film is large,
After injecting electrons into the floating gate electrode, when the power is shut off and the device is left unattended, the electrons accumulated in the floating gate electrode leak to the control gate electrode, resulting in charge retention (retention) failure That's why. In addition, since the leakage current is large, when electrons are injected into the floating gate electrode to increase the threshold value of the nonvolatile memory element, the injected electrons escape to the control gate electrode side, and the threshold voltage is sufficiently high. There is also a problem that the value does not increase and a threshold window for writing and erasing cannot be secured. As a result of our research, it has been clarified that the leak current of the silicon oxide film is caused by a defect called an E ′ center existing in the silicon oxide film.

【0015】そこで本発明では、酸化珪素膜をNH3 雰
囲気中で熱処理し、E’センタを窒素原子で終端するこ
とによりリーク電流の低減を図った。酸化珪素膜のリー
ク電流は、プロセス条件に関係なく、酸化珪素膜中の窒
素原子濃度で一義的に決まる。リーク電流を低減し、リ
テンション不良を抑制し、更にしきい値ウインドウを確
保するためには、酸化珪素膜中の最大窒素原子濃度を概
ね2×1020[atoms/cm3]以上、好ましくは2×10
21[atoms/cm3]以下とする必要がある。この際、窒素
原子は酸化珪素膜の中層部に比べてその上層部及び下層
部に多く存在する。前述した窒素原子濃度を得るために
は、NH3 雰囲気中でのアニールを750[℃]から9
00[℃]、好ましくは800[℃]から850[℃]
で行なえばよい。従って、従来のONO膜に比べゲート
絶縁膜形成プロセスを低温化することが可能である。
Therefore, in the present invention, the silicon oxide film is heat-treated in an NH3 atmosphere, and the E 'center is terminated with nitrogen atoms to reduce the leak current. The leak current of the silicon oxide film is uniquely determined by the concentration of nitrogen atoms in the silicon oxide film regardless of the process conditions. In order to reduce the leakage current, suppress the retention failure, and secure the threshold window, the maximum nitrogen atom concentration in the silicon oxide film should be approximately 2 × 10 20 [atoms / cm 3] or more, preferably 2 × 10 20 [atoms / cm 3]. 10
Must be 21 [atoms / cm3] or less. At this time, more nitrogen atoms are present in the upper and lower layers of the silicon oxide film than in the middle layer. In order to obtain the above-mentioned nitrogen atom concentration, annealing in an NH3 atmosphere is performed at 750 [° C.] to 9 ° C.
00 [° C], preferably from 800 [° C] to 850 [° C]
It should be done in. Therefore, it is possible to lower the temperature of the gate insulating film forming process as compared with the conventional ONO film.

【0016】さらに、前記酸化珪素膜中の最大水素原子
濃度を5×1020[atoms/cm3]以下とすれば、本発明
はより一層好適である。これは、酸化珪素膜中に存在す
る水素原子が電子トラップを形成するためである。水素
原子が存在すると、書換えを行なった際、第2ゲート絶
縁膜への電子蓄積が生じ、その後の放置状態でゲート絶
縁膜へ蓄積された電子が制御ゲート電極へ放出される結
果、リテンション不良が生じてしまう。前述した水素原
子の低減には、NH3 雰囲気中でのアニール後に、例え
ば800[℃]から900[℃]程度、好ましくは85
0[℃]で短時間のウエット酸化を行なえばよい。
Further, when the maximum hydrogen atom concentration in the silicon oxide film is set to 5 × 10 20 [atoms / cm 3] or less, the present invention is more preferable. This is because hydrogen atoms existing in the silicon oxide film form an electron trap. When hydrogen atoms are present, when rewriting is performed, electrons are accumulated in the second gate insulating film, and the electrons accumulated in the gate insulating film are discharged to the control gate electrode when left untreated, resulting in poor retention. Will happen. In order to reduce the above-mentioned hydrogen atoms, after annealing in an NH3 atmosphere, for example, about 800 [° C.] to 900 [° C.], preferably 85 ° C.
The wet oxidation may be performed at 0 ° C. for a short time.

【0017】さらに、本発明は、酸化珪素膜中の窒素原
子濃度を、酸化珪素膜の下層部に比べてその上層部の方
が低くなるように制御すると好適である。このような窒
素原子分布は前述したウエット酸化を行なうことにより
達成される。
Further, in the present invention, it is preferable to control the concentration of nitrogen atoms in the silicon oxide film so that the upper layer portion of the silicon oxide film is lower than the lower layer portion. Such a nitrogen atom distribution is achieved by performing the above-described wet oxidation.

【0018】なお、本発明は、不揮発性記憶素子を有す
る半導体装置に限定されるものではない。例えば、本発
明は、前記第1珪素膜、第2珪素膜のうち、一方を能動
層とし、他方をゲート電極とし、前記酸化珪素膜をゲー
ト絶縁膜(前記能動層とゲート電極との間に設けられた
絶縁膜)とするMOS(etal xide emiconducto
r)トランジスタを有する半導体装置に適用しても効果
が得られる。前記MOSトランジスタとしては、SRA
M(tatic andom ccess emory)のメモリセルに
用いられる負荷用のMOSトランジスタや、液晶ディス
プレイに用いられる駆動用のMOSトランジスタが挙げ
られる。
The present invention is not limited to a semiconductor device having a nonvolatile memory element. For example, in the present invention, one of the first silicon film and the second silicon film is an active layer, the other is a gate electrode, and the silicon oxide film is a gate insulating film (between the active layer and the gate electrode). provided insulating film) to MOS (M etal O xide S emiconducto
r) The effect can be obtained even when applied to a semiconductor device having a transistor. As the MOS transistor, SRA
M and (S tatic R andom A ccess M emory) MOS transistor for load used in the memory cell of the, MOS transistor for driving which is used in liquid crystal displays.

【0019】また、本発明は、前記第1珪素膜を下部電
極とし、前記第2珪素膜を上部電極とし、前記酸化珪素
膜を誘電体膜とする容量素子を有する半導体装置に適用
しても効果が得られる。
The present invention is also applicable to a semiconductor device having a capacitance element using the first silicon film as a lower electrode, the second silicon film as an upper electrode, and the silicon oxide film as a dielectric film. The effect is obtained.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0021】なお、発明の実施の形態を説明するための
全図において、同一機能を有するものは同一符号を付
け、その繰り返しの説明は省略する。
In all the drawings for describing the embodiments of the present invention, components having the same functions are denoted by the same reference numerals, and their repeated description will be omitted.

【0022】(実施形態1)本実施形態では、不揮発性
記憶素子を有する半導体装置として、NOR型のフラッ
シュメモリに本発明を適用した例について説明する。
Embodiment 1 In this embodiment, an example in which the present invention is applied to a NOR flash memory as a semiconductor device having a nonvolatile memory element will be described.

【0023】図1は、NOR型のフラッシュメモリの要
部断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a principal part of a NOR type flash memory.

【0024】本実施形態のフラッシュメモリは、図1に
示す不揮発性記憶素子Qeを1つの記憶単位とするメモ
リセルを行列状に複数個配置したメモリセルアレイ部を
備えている。
The flash memory of this embodiment includes a memory cell array section in which a plurality of memory cells each having the nonvolatile memory element Qe shown in FIG. 1 as one storage unit are arranged in a matrix.

【0025】前記フラッシュメモリは、例えば、単結晶
珪素からなる面方位(100)のp型半導体基板201を
主体に構成されている。p型半導体基板201の主面の
非活性領域にはフィールド絶縁膜202が形成され、こ
のフィールド絶縁膜202で周囲を規定されたp型半導
体基板1の主面の活性領域には不揮発性記憶素子Qeが
構成されている。
The flash memory is mainly composed of, for example, a p-type semiconductor substrate 201 of plane orientation (100) made of single crystal silicon. A field insulating film 202 is formed in a non-active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 201, and a nonvolatile memory element is formed in an active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 1 whose periphery is defined by the field insulating film 202. Qe is configured.

【0026】前記不揮発性記憶素子Qeは、主に、チャ
ネル形成領域として使用されるp型半導体基板201、
第1ゲート絶縁膜203、浮遊ゲート電極204、第2
ゲート絶縁膜205、制御ゲート電極207、パンチス
ルーストッパ領域208、ソース領域209及びドレイ
ン領域210で構成されている。なお、前記第1ゲート
絶縁膜203とは、p型半導体基板201と浮遊ゲート
電極204との間に設けられたトンネル絶縁膜のことを
言う。また、第2ゲート絶縁膜205とは、浮遊ゲート
絶縁膜204と制御ゲート電極207との間に設けられ
た層間絶縁膜のことを言う。
The nonvolatile memory element Qe mainly includes a p-type semiconductor substrate 201 used as a channel formation region,
The first gate insulating film 203, the floating gate electrode 204, the second
It comprises a gate insulating film 205, a control gate electrode 207, a punch-through stopper region 208, a source region 209, and a drain region 210. Note that the first gate insulating film 203 refers to a tunnel insulating film provided between the p-type semiconductor substrate 201 and the floating gate electrode 204. Further, the second gate insulating film 205 refers to an interlayer insulating film provided between the floating gate insulating film 204 and the control gate electrode 207.

【0027】前記第1ゲート絶縁膜203は、p型半導
体基板201の主面に熱酸化処理を施して形成された酸
化珪素膜で形成されている。前記浮遊ゲート電極204
は、抵抗値を低減する目的としてn型不純物が導入され
た多結晶珪素膜で形成されている。前記第2ゲート絶縁
膜205は、SiH4 とN2O を原料ガスとするLPC
VD法を用いて形成された酸化珪素膜で形成されてい
る。この酸化珪素膜にはリーク電流を低減する目的とし
て窒素が導入されている。前記制御ゲート電極207
は、抵抗値を低減する目的としてn型不純物が導入され
た多結晶珪素膜で形成されている。
The first gate insulating film 203 is formed of a silicon oxide film formed by subjecting a main surface of a p-type semiconductor substrate 201 to a thermal oxidation process. The floating gate electrode 204
Is formed of a polycrystalline silicon film into which an n-type impurity has been introduced for the purpose of reducing the resistance value. The second gate insulating film 205 is made of LPC using SiH 4 and N 2 O as source gases.
It is formed of a silicon oxide film formed by using the VD method. Nitrogen is introduced into this silicon oxide film for the purpose of reducing the leak current. The control gate electrode 207
Is formed of a polycrystalline silicon film into which an n-type impurity has been introduced for the purpose of reducing the resistance value.

【0028】前記パンチスルーストッパ領域208は、
p型半導体基板201の主面に導入されたp型不純物か
らなるp型半導体領域で形成されている。前記ソース領
域209、ドレイン領域210の夫々は、p型半導体基
板201の主面に導入されたn型不純物からなる一対の
n型半導体領域の夫々で形成されている。
The punch-through stopper region 208
The p-type semiconductor substrate 201 is formed of a p-type semiconductor region made of p-type impurities introduced into the main surface. Each of the source region 209 and the drain region 210 is formed of a pair of n-type semiconductor regions made of n-type impurities introduced into the main surface of the p-type semiconductor substrate 201.

【0029】前記ソース領域209には、層間絶縁膜2
11に形成された接続孔を通して電極212が電気的に
接続されている。前記ドレイン領域210には、層間絶
縁膜211に形成された接続孔を通して電極212が電
気的に接続されている。
The source region 209 has an interlayer insulating film 2
The electrode 212 is electrically connected through the connection hole formed in the electrode 11. An electrode 212 is electrically connected to the drain region 210 through a connection hole formed in the interlayer insulating film 211.

【0030】次に、前記不揮発性記憶素子Qeを1つの
記憶単位とするメモリセルの製造方法について図2及び
図3(製造方法を説明するための断面図)を用いて説明す
る。まず、単結晶珪素からなる面方位(100)のp型半
導体基板201を用意し、その後、p型半導体基板20
1の主面の非活性領域に周知の選択酸化法を用いて酸化
珪素膜からなるフィールド絶縁膜202を形成する。フ
ィールド絶縁膜202は例えば500[nm]程度の膜
厚で形成する。ここまでの工程を図2(a)に示す。
Next, a method of manufacturing a memory cell using the nonvolatile memory element Qe as one storage unit will be described with reference to FIGS. 2 and 3 (cross-sectional views for explaining the manufacturing method). First, a p-type semiconductor substrate 201 of plane orientation (100) made of single-crystal silicon is prepared.
A field insulating film 202 made of a silicon oxide film is formed in a non-active region on the main surface of the first substrate by using a known selective oxidation method. The field insulating film 202 is formed to a thickness of, for example, about 500 [nm]. FIG. 2A shows the steps up to this point.

【0031】次に、前記p型半導体基板201の主面の
活性領域に熱酸化処理を施し、酸化珪素膜からなる第1
ゲート絶縁膜203を形成する。第1ゲート絶縁膜20
3は例えば10[nm]程度の膜厚で形成する。
Next, a thermal oxidation treatment is applied to the active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 to form a first silicon oxide film.
A gate insulating film 203 is formed. First gate insulating film 20
3 is formed with a film thickness of, for example, about 10 [nm].

【0032】次に、前記第1ゲート絶縁膜203上を含
むp型半導体基板201の主面上の全面に、n型不純物
(例えば燐)が導入された多結晶珪素膜204を形成す
る。多結晶珪素膜204は例えば200[nm]程度の
膜厚で形成する。
Next, an n-type impurity is deposited on the entire surface of the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 including the first gate insulating film 203.
A polycrystalline silicon film 204 into which (for example, phosphorus) is introduced is formed. The polycrystalline silicon film 204 is formed with a thickness of, for example, about 200 [nm].

【0033】次に、前記多結晶珪素膜204にパターン
ニングを施す。パターンニングはフォトリソグラフィ技
術及びドライエッチング技術を用いて行う。ここまでの
工程を図2(b)に示す。
Next, the polycrystalline silicon film 204 is patterned. Patterning is performed using a photolithography technique and a dry etching technique. The steps up to this point are shown in FIG.

【0034】次に、前記多結晶珪素膜204上を含むp
型半導体基板201の主面上の全面に酸化珪素膜205
を例えば12[nm]の膜厚で形成する。酸化珪素膜2
05の形成はSiH4 とN2O を原料ガスとするLPC
VD法で行う。この時の形成温度は750[℃]であ
る。
Next, the p including the polycrystalline silicon film 204
Silicon oxide film 205 over the entire main surface of type semiconductor substrate 201
Is formed with a film thickness of, for example, 12 [nm]. Silicon oxide film 2
05 is formed by LPC using SiH 4 and N 2 O as source gases.
This is performed by the VD method. The formation temperature at this time is 750 [° C.].

【0035】次に、前記工程を行った直後にNH3 雰囲
気中で熱処理を施し、前記酸化珪素膜205に窒素を導
入する。ここまでの工程を図2(c)に示す。
Next, immediately after performing the above-described steps, a heat treatment is performed in an NH 3 atmosphere to introduce nitrogen into the silicon oxide film 205. The steps up to this point are shown in FIG.

【0036】次に、前記酸化珪素膜205上の全面に、
n型不純物(例えば燐)が導入された多結晶珪素膜207
を形成する。多結晶珪素膜207は例えば200[n
m]程度の膜厚で形成する。ここまでの工程を図3(d)
に示す。
Next, on the entire surface of the silicon oxide film 205,
Polycrystalline silicon film 207 into which an n-type impurity (for example, phosphorus) is introduced
To form The polycrystalline silicon film 207 is, for example, 200 [n]
m]. The steps so far are shown in FIG.
Shown in

【0037】次に、前記多結晶珪素膜207、酸化珪素
膜205、多結晶珪素膜204の夫々にゲート長方向の
幅を規定するパターンニングを順次施し、n型不純物が
導入された多結晶珪素膜207からなる制御ゲート電極
207、窒素が導入された酸化珪素膜205からなる第
2ゲート絶縁膜205、n型不純物が導入された多結晶
珪素膜204からなる浮遊ゲート電極204を形成す
る。これらのパターンニングは、フォトリソグラフィ技
術とドライエッチング技術を用いて行う。なお、この工
程において、図示していないが、制御ゲート電極207
に一体化されたワード線も形成される。ここまでの工程
を図3(e)に示す。
Next, each of the polycrystalline silicon film 207, the silicon oxide film 205, and the polycrystalline silicon film 204 is sequentially patterned to define a width in a gate length direction, and polycrystalline silicon doped with an n-type impurity is formed. A control gate electrode 207 made of a film 207, a second gate insulating film 205 made of a silicon oxide film 205 into which nitrogen is introduced, and a floating gate electrode 204 made of a polycrystalline silicon film 204 into which an n-type impurity is introduced are formed. These patterning are performed using a photolithography technique and a dry etching technique. In this step, although not shown, the control gate electrode 207
Also, a word line integrated with is formed. The steps so far are shown in FIG.

【0038】次に、前記p型半導体基板201の主面の
活性領域にp型不純物(例えばボロン)をイオン打込み
法で選択的に導入し、n型半導体領域からなるパンチス
ルーストッパ領域208を形成する。
Next, a p-type impurity (for example, boron) is selectively introduced into the active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 by ion implantation to form a punch-through stopper region 208 made of an n-type semiconductor region. I do.

【0039】次に、前記p型半導体基板201の主面の
活性領域にn型不純物(例えば砒素)をイオン打込み法
で選択的に導入し、一対のn型半導体領域の夫々からな
るソース領域209及びドレイン領域210を形成す
る。この工程において、不揮発性記憶素子Qeが形成さ
れる。ここまでの工程を図3(f)に示す。
Next, an n-type impurity (for example, arsenic) is selectively introduced into the active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 by ion implantation to form a source region 209 comprising a pair of n-type semiconductor regions. And a drain region 210 are formed. In this step, a nonvolatile memory element Qe is formed. The steps up to this point are shown in FIG.

【0040】次に、前記制御ゲート電極207上を含む
p型半導体基板201の主面上の全面に層間絶縁膜21
1を形成し、その後、前記層間絶縁膜211に、ソース
領域209及びドレイン領域210に至る接続孔を形成
する。
Next, the interlayer insulating film 21 is formed on the entire surface of the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 including the surface of the control gate electrode 207.
Thereafter, a connection hole reaching the source region 209 and the drain region 210 is formed in the interlayer insulating film 211.

【0041】次に、前記接続孔内を含む層間絶縁膜21
1上の全面に金属膜を形成し、その後、前記金属膜にパ
ターンニングを施して電極212を形成することによ
り、図1に示す不揮発性記憶素子Qeを1つの記憶単位
とするメモリセルがほぼ完成する。
Next, the interlayer insulating film 21 including the inside of the connection hole is formed.
1, a metal film is formed on the entire surface, and then the metal film is patterned to form an electrode 212, whereby a memory cell having the nonvolatile memory element Qe shown in FIG. Complete.

【0042】次に、前述の製造方法で形成された不揮発
性記憶素子Qeの特性について説明する。なお、ここで
は比較のため、NH3 雰囲気中での熱処理温度及び時間
を様々に変えた試料を作成し、酸化珪素膜(第2ゲート
絶縁膜)205中の窒素原子濃度とリーク電流及び不揮
発性記憶素子Qeの特性を比較検討した。
Next, characteristics of the nonvolatile memory element Qe formed by the above-described manufacturing method will be described. Here, for comparison, samples were prepared in which the heat treatment temperature and time in an NH 3 atmosphere were variously changed, and the nitrogen atom concentration in the silicon oxide film (second gate insulating film) 205, the leak current, and the non-volatile The characteristics of the storage element Qe were compared and studied.

【0043】図4及び図5は、酸化珪素膜205の電流
−電圧特性を示したものである。図4はNH3 雰囲気中
での熱処理温度を850[℃]とし、時間を変化させた
場合の結果であり、図5はNH3 雰囲気中での熱処理時
間を10分とし、温度を変化させた場合の結果である。
膜厚はいずれも12[nm]とした。図4及び図5の結
果より、NH3 雰囲気中での熱処理時間及び温度が大と
なるにつれて、酸化珪素膜205のリーク電流は減少す
ることが明らかとなった。
FIGS. 4 and 5 show the current-voltage characteristics of the silicon oxide film 205. FIG. Figure 4 is a heat treatment temperature in NH3 atmosphere 850 [° C.], the result in the case of changing the time, FIG. 5 is a heat treatment time in NH 3 atmosphere was 10 minutes, when the temperature is changed Is the result of
The film thickness was 12 [nm] in each case. 4 and 5 that the leakage current of the silicon oxide film 205 decreases as the heat treatment time and temperature in the NH 3 atmosphere increase.

【0044】前述したリーク電流の減少は、酸化珪素膜
205中の窒素原子濃度と強い相関がある。図6は、8
50[℃]のNH3 雰囲気で熱処理した試料の制御ゲー
ト電極(多結晶珪素膜207)/第2ゲート絶縁膜(酸
化珪素膜205)/浮遊ゲート電極(多結晶珪素膜20
4)の部分の窒素原子分布を二次イオン質量分析計(S
IMS)により測定した結果である。NH3 雰囲気中で
の熱処理により、酸化珪素膜205中に2×1020[at
oms/cm3]以上の窒素原子が導入されていることがわか
る。この酸化珪素膜205中の窒素原子濃度は、酸化珪
素膜205の中層部に比べて上層部及び下層部の方が高
くなっている。また、窒素原子濃度は、NH3 雰囲気で
の熱処理時間の増大とともに高くなっている。
The aforementioned decrease in the leak current has a strong correlation with the nitrogen atom concentration in the silicon oxide film 205. FIG.
Control gate electrode (polycrystalline silicon film 207) / second gate insulating film (silicon oxide film 205) / floating gate electrode (polycrystalline silicon film 20) of a sample heat-treated in an NH 3 atmosphere at 50 ° C.
The nitrogen atom distribution in section 4) was analyzed using a secondary ion mass spectrometer (S
IMS). By heat treatment in an NH3 atmosphere, 2 × 10 20 [at
oms / cm3] or more of nitrogen atoms. The nitrogen atom concentration in the silicon oxide film 205 is higher in the upper layer portion and the lower layer portion than in the middle layer portion of the silicon oxide film 205. Further, the nitrogen atom concentration increases as the heat treatment time in an NH 3 atmosphere increases.

【0045】図7は、NH3 雰囲気中において、前述し
た酸化珪素膜205を様々な温度及び時間で熱処理した
際の酸化珪素膜205中の窒素原子濃度とリーク電流の
関係を示したものである。ここで、酸化珪素膜205中
の窒素原子濃度は、酸化珪素膜205の下層部での値を
用いた。リーク電流は、浮遊ゲート電極204に電子を
注入する際に第2ゲート絶縁膜205に印加される最大
の電界7.5MV/cmで定義した。本結果より、熱処
理条件に関係なく酸化珪素膜205のリーク電流は窒素
原子濃度で一義的に決まり、窒素原子濃度の増大ととも
に減少していることがわかる。書込み/消去時のしきい
値ウィンドウを確保し、リテンション特性を維持するた
めには、第2ゲート絶縁膜205のリーク電流を10-4
以下とする必要がある。図7より、この電流レベルとす
るためには、酸化珪素膜205中の窒素原子濃度を2×
1020[atoms/cm3]以上としなくてはならない。
FIG. 7 shows the relationship between the concentration of nitrogen atoms in the silicon oxide film 205 and the leakage current when the silicon oxide film 205 is heat-treated at various temperatures and times in an NH 3 atmosphere. . Here, as the nitrogen atom concentration in the silicon oxide film 205, a value in a lower layer portion of the silicon oxide film 205 is used. The leak current was defined as the maximum electric field of 7.5 MV / cm applied to the second gate insulating film 205 when injecting electrons into the floating gate electrode 204. From this result, it can be seen that the leakage current of the silicon oxide film 205 is uniquely determined by the nitrogen atom concentration regardless of the heat treatment conditions, and decreases as the nitrogen atom concentration increases. In order to secure a threshold window at the time of writing / erasing and maintain the retention characteristics, the leakage current of the second gate insulating film 205 must be 10 -4.
It is necessary to: As shown in FIG. 7, in order to achieve this current level, the nitrogen atom concentration in the silicon oxide film 205 is set to 2 ×
It must be 10 20 [atoms / cm3] or more.

【0046】なお、ゲート長が0.5[μm]以下の微
細な不揮発性記憶素子Qeを作成するためには、プロセ
ス温度の上限を900[℃]以下とする必要がある。酸
化珪素膜205のNH3 雰囲気中での熱処理温度を90
0[℃]とし、熱処理時間を変えた試料について、前述
したSIMS分析により酸化珪素膜205中の窒素原子
濃度を測定したところ、ほぼ2×1021[atoms/cm3]
で飽和に達し、これ以上窒素原子を導入することは困難
であった。従って、酸化珪素膜205中の窒素原子濃度
は、概ね2×1020[atoms/cm3]以上、好ましくは2
×1021[atoms/cm3]以下の範囲に限定される。
In order to form a fine nonvolatile memory element Qe having a gate length of 0.5 [μm] or less, the upper limit of the process temperature must be 900 [° C.] or less. The heat treatment temperature of the silicon oxide film 205 in the NH3 atmosphere is 90
The nitrogen atom concentration in the silicon oxide film 205 was measured by the SIMS analysis described above for a sample which was set to 0 [° C.] and the heat treatment time was changed, and was found to be approximately 2 × 10 21 [atoms / cm 3].
, And it was difficult to introduce any more nitrogen atoms. Therefore, the concentration of nitrogen atoms in the silicon oxide film 205 is approximately 2 × 10 20 [atoms / cm 3] or more, preferably 2 × 10 20 [atoms / cm 3].
It is limited to the range of × 10 21 [atoms / cm 3] or less.

【0047】図8は、酸化珪素膜205の窒素原子導入
を850[℃]のNH3 雰囲気中で10分間行い、不揮
発性記憶素子Qeの浮遊ゲート電極204に電子を注入
し、その後、250[℃]の窒素雰囲気中でベーク処理
した際の、しきい値電圧の変動を示したものである。同
図には、第2ゲート絶縁膜205に従来技術の熱酸化珪
素膜及びONO膜における結果も合わせて示した。膜厚
はいずれも12[nm]である。
FIG. 8 shows that nitrogen atoms are introduced into the silicon oxide film 205 in an NH 3 atmosphere at 850 ° C. for 10 minutes, electrons are injected into the floating gate electrode 204 of the nonvolatile memory element Qe, and then 250 ° C. ] Shows the fluctuation of the threshold voltage when baking is performed in a nitrogen atmosphere. FIG. 11 also shows the results of the second gate insulating film 205 and the thermal silicon oxide film and the ONO film of the related art. Each film thickness is 12 [nm].

【0048】NH3 雰囲気中で熱処理した酸化珪素膜2
05は、従来の熱酸化珪素膜やONO膜に比べてしきい
値電圧の低下が小さく、不揮発性記憶素子Qeの電荷保
持特性が向上することがわかる。これは、前述したよう
に、第2ゲート絶縁膜205の膜厚を12[nm]と薄
膜化した際、酸化珪素205のリーク電流が熱酸化珪素
膜やONO膜に比べ減少したためである。なお、前述し
た酸化珪素膜205中の窒素原子濃度が概ね2×1020
[atoms/cm3]以上、好ましくは2×1021[atoms/c
m3]以下の範囲にあれば、電荷保持特性はほぼ同一であ
った。
Silicon oxide film 2 heat-treated in NH 3 atmosphere
05 indicates that the decrease in threshold voltage is smaller than that of the conventional thermal silicon oxide film or ONO film, and that the charge retention characteristics of the nonvolatile memory element Qe are improved. This is because, as described above, when the thickness of the second gate insulating film 205 is reduced to 12 [nm], the leak current of the silicon oxide 205 is reduced as compared with the thermal silicon oxide film and the ONO film. Note that the concentration of nitrogen atoms in the silicon oxide film 205 is approximately 2 × 10 20
[Atoms / cm3] or more, preferably 2 × 10 21 [atoms / c
m3], the charge retention characteristics were almost the same.

【0049】本実施形態によれば、概ね2×1020[at
oms/cm3]以上、好ましくは2×1021[atoms/cm3]
以下の窒素原子を含有した酸化珪素膜205を不揮発性
記憶素子Qeの第2ゲート絶縁膜205として用いるこ
とにより、電荷保持特性の向上が図れるという効果があ
る。
According to the present embodiment, approximately 2 × 10 20 [at
oms / cm3] or more, preferably 2 × 10 21 [atoms / cm3]
By using the following silicon oxide film 205 containing nitrogen atoms as the second gate insulating film 205 of the nonvolatile memory element Qe, there is an effect that charge retention characteristics can be improved.

【0050】(実施形態2)本実施形態では、膜中の最
大窒素原子濃度が概ね2×1020[atoms/cm3]以上、
好ましくは2×1021[atoms/cm3]以下であり、その
窒素分布を最適化し、かつ膜中の水素原子濃度を低減し
た酸化珪素膜を、不揮発性記憶素子の第2ゲート絶縁膜
として用いた例について説明する。
(Embodiment 2) In this embodiment, the maximum nitrogen atom concentration in the film is approximately 2 × 10 20 [atoms / cm 3] or more.
It is preferably 2 × 10 21 [atoms / cm 3] or less, and a silicon oxide film whose nitrogen distribution was optimized and whose hydrogen atom concentration was reduced was used as the second gate insulating film of the nonvolatile memory element. An example will be described.

【0051】まず、不揮発性記憶素子を1つの記憶単位
とするメモリセルの製造方法について図9及び図10
(製造方法を説明するための断面図)を用いて説明する。
First, a method of manufacturing a memory cell using a nonvolatile storage element as one storage unit will be described with reference to FIGS.
(A cross-sectional view for explaining the manufacturing method) will be described.

【0052】単結晶珪素からなる面方位(100)のp型
半導体基板201を用意し、その後、p型半導体基板2
01の主面の非活性領域に周知の選択酸化法を用いて酸
化珪素膜からなるフィールド絶縁膜202を形成する。
フィールド絶縁膜202は例えば500[nm]程度の
膜厚で形成する。ここまでの工程を図9(a)に示す。次
に、前記p型半導体基板201の主面の活性領域に熱酸
化処理を施し、酸化珪素膜からなる第1ゲート絶縁膜2
03を形成する。第1ゲート絶縁膜203は例えば10
[nm]程度の膜厚で形成する。
A p-type semiconductor substrate 201 of plane orientation (100) made of single crystal silicon is prepared.
A field insulating film 202 made of a silicon oxide film is formed in a non-active region of the main surface of the semiconductor device 01 using a known selective oxidation method.
The field insulating film 202 is formed to a thickness of, for example, about 500 [nm]. FIG. 9A shows the steps up to this point. Next, a thermal oxidation process is performed on the active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 to form a first gate insulating film 2 made of a silicon oxide film.
03 is formed. The first gate insulating film 203 is, for example, 10
It is formed with a thickness of about [nm].

【0053】次に、前記第1ゲート絶縁膜203上を含
むp型半導体基板201の主面上の全面に、n型不純物
(例えば燐)が導入された多結晶珪素膜204を形成す
る。多結晶珪素膜204は例えば200[nm]程度の
膜厚で形成する。
Next, an n-type impurity is deposited on the entire surface of the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 including the first gate insulating film 203.
A polycrystalline silicon film 204 into which (for example, phosphorus) is introduced is formed. The polycrystalline silicon film 204 is formed with a thickness of, for example, about 200 [nm].

【0054】次に、前記多結晶珪素膜204にパターン
ニングを施す。パターンニングはフォトリソグラフィ技
術及びドライエッチング技術を用いて行う。ここまでの
工程を図9(b)に示す。
Next, the polycrystalline silicon film 204 is patterned. Patterning is performed using a photolithography technique and a dry etching technique. FIG. 9B shows the steps up to this point.

【0055】次に、前記多結晶珪素膜204上を含むp
型半導体基板201の主面上の全面に酸化珪素膜205
を例えば12[nm]の膜厚で形成する。酸化珪素膜2
05の形成はSiH4 とN2O を原料ガスとするLPC
VD法で行う。この時の形成温度は750[℃]であ
る。
Next, the p including the polycrystalline silicon film 204
Silicon oxide film 205 over the entire main surface of type semiconductor substrate 201
Is formed with a film thickness of, for example, 12 [nm]. Silicon oxide film 2
05 is formed by LPC using SiH 4 and N 2 O as source gas.
This is performed by the VD method. The formation temperature at this time is 750 [° C.].

【0056】次に、前記工程を行った直後にNH3 雰囲
気中で熱処理を施し、前記酸化珪素膜205に概ね6×
1020[atoms/cm3]の窒素原子を導入する。
Next, immediately after performing the above-described steps, a heat treatment is performed in an NH 3 atmosphere, so that the silicon oxide film 205 is approximately 6 ×
A nitrogen atom of 10 20 [atoms / cm 3] is introduced.

【0057】次に、前記酸化珪素膜205に825
[℃]の温度雰囲気中でウエット酸化処理を施す。ここ
までの工程を図9(c)に示す。
Next, 825 is applied to the silicon oxide film 205.
A wet oxidation treatment is performed in a temperature atmosphere of [° C.]. The steps up to this point are shown in FIG.

【0058】次に、前記酸化珪素膜205上の全面に、
n型不純物(例えば燐)が導入された多結晶珪素膜207
を形成する。多結晶珪素膜207は例えば200[n
m]程度の膜厚で形成する。ここまでの工程を図10
(d)に示す。
Next, on the entire surface of the silicon oxide film 205,
Polycrystalline silicon film 207 into which an n-type impurity (for example, phosphorus) is introduced
To form The polycrystalline silicon film 207 is, for example, 200 [n]
m]. The steps up to this point are shown in FIG.
It is shown in (d).

【0059】次に、前記多結晶珪素膜207、酸化珪素
膜205、多結晶珪素膜204の夫々にゲート長方向の
幅を規定するパターンニングを順次施し、n型不純物が
導入された多結晶珪素膜207からなる制御ゲート電極
207、窒素が導入された酸化珪素膜205からなる第
2ゲート絶縁膜205、n型不純物が導入された多結晶
珪素膜204からなる浮遊ゲート電極204を形成す
る。これらのパターンニングは、フォトリソグラフィ技
術とドライエッチング技術を用いて行う。なお、この工
程において、図示していないが、制御ゲート電極207
に一体化されたワード線も形成される。ここまでの工程
を図10(e)に示す。
Next, each of the polycrystalline silicon film 207, the silicon oxide film 205, and the polycrystalline silicon film 204 is sequentially patterned to define a width in a gate length direction, and polycrystalline silicon doped with an n-type impurity is formed. A control gate electrode 207 made of a film 207, a second gate insulating film 205 made of a silicon oxide film 205 into which nitrogen is introduced, and a floating gate electrode 204 made of a polycrystalline silicon film 204 into which an n-type impurity is introduced are formed. These patterning are performed using a photolithography technique and a dry etching technique. In this step, although not shown, the control gate electrode 207
Also, a word line integrated with is formed. The steps so far are shown in FIG.

【0060】次に、前記p型半導体基板201の主面の
活性領域にp型不純物(例えばボロン)をイオン打込み
法で選択的に導入し、p型半導体領域からなるパンチス
ルーストッパ領域208を形成する。
Next, a p-type impurity (for example, boron) is selectively introduced into the active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 by ion implantation to form a punch-through stopper region 208 made of a p-type semiconductor region. I do.

【0061】次に、前記p型半導体基板201の主面の
活性領域にn型不純物(例えば砒素)をイオン打込み法で
選択的に導入し、一対のn型半導体領域の夫々からなる
ソース領域209及びドレイン領域210を形成する。
この工程において、不揮発性記憶素子Qeが形成され
る。ここまでの工程を図10(f)に示す。
Next, an n-type impurity (for example, arsenic) is selectively introduced into the active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 by ion implantation to form a source region 209 comprising a pair of n-type semiconductor regions. And a drain region 210 are formed.
In this step, a nonvolatile memory element Qe is formed. The steps so far are shown in FIG.

【0062】次に、前記制御ゲート電極207上を含む
p型半導体基板201の主面上の全面に層間絶縁膜21
1を形成し、その後、前記層間絶縁膜211に、ソース
領域209及びドレイン領域210に至る接続孔を形成
する。
Next, the interlayer insulating film 21 is formed on the entire surface of the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 including on the control gate electrode 207.
Thereafter, a connection hole reaching the source region 209 and the drain region 210 is formed in the interlayer insulating film 211.

【0063】次に、前記接続孔内を含む層間絶縁膜21
1上の全面に金属膜を形成し、その後、前記金属膜にパ
ターンニングを施して電極212を形成することによ
り、図10(g)に示すように、不揮発性記憶素子Qeを
1つの記憶単位とするメモリセルがほぼ完成する。
Next, the interlayer insulating film 21 including the inside of the connection hole is formed.
1, a metal film is formed on the entire surface, and thereafter, the metal film is patterned to form an electrode 212, so that the nonvolatile memory element Qe is stored in one storage unit as shown in FIG. Is almost completed.

【0064】本実施形態の不揮発性記憶素子Qeは、前
述の実施形態1に比べて更に長時間の電荷保持が可能で
あった。この理由を調べるため、二次イオン質量分析計
を用いて、前記ウエット酸化前後の酸化珪素膜205中
の原子濃度分布を観察した。図11はウエット酸化前、
図12はウエット酸化後の酸化珪素膜205中の窒素及
び水素濃度分布である。両図の比較から、ウエット酸化
により、酸化珪素膜205中の水素原子濃度が2×10
21[atoms/cm3]から2×1020[atoms/cm3]へと1
桁減少しているのが明らかとなった。また、酸化珪素膜
205の上層部(制御ゲート電極207側)での窒素濃度
の減少も確認された。本分析結果より、酸化珪素膜20
5中の水素原子減少による電子トラップの低減と、酸化
珪素膜205の上層部(制御ゲート電極207側)での窒
素濃度の減少によるホール電流の抑制が不揮発性記憶素
子Qeの電荷保持特性の向上を実現したと考える。
The non-volatile memory element Qe of the present embodiment was able to hold charges for a longer time than in the first embodiment. To investigate the reason, the atomic concentration distribution in the silicon oxide film 205 before and after the wet oxidation was observed using a secondary ion mass spectrometer. FIG. 11 shows the state before wet oxidation.
FIG. 12 shows the nitrogen and hydrogen concentration distribution in the silicon oxide film 205 after wet oxidation. From the comparison between the two figures, it is found that the concentration of hydrogen atoms in the silicon oxide film 205 is 2 × 10 5 by wet oxidation.
21 from [atoms / cm3] to 2 × 10 20 [atoms / cm3 ] 1
It is evident that it has decreased by an order of magnitude. Further, a decrease in the nitrogen concentration in the upper layer portion of the silicon oxide film 205 (on the side of the control gate electrode 207) was also confirmed. From this analysis result, it can be seen that the silicon oxide film 20
5, the reduction of electron traps due to the reduction of hydrogen atoms and the suppression of hole current due to the reduction of the nitrogen concentration in the upper layer portion (on the side of the control gate electrode 207) of the silicon oxide film 205 improve the charge retention characteristics of the nonvolatile memory element Qe. It is thought that was realized.

【0065】なお、本実施形態では酸化珪素膜205中
の窒素原子濃度を6×1020[atoms/cm3]としたが、
概ね2×1020[atoms/cm3]以上、好ましくは2×1
21[atoms/cm3]以下であれば電荷保持特性の向上が
観測された。また、酸化珪素膜205中の水素原子濃度
が5×1020[atoms/cm3]以下であれば同様に電荷保
持特性が向上した。
In this embodiment, the nitrogen atom concentration in the silicon oxide film 205 is set to 6 × 10 20 [atoms / cm 3].
Approximately 2 × 10 20 [atoms / cm 3] or more, preferably 2 × 1
When the value is 0 21 [atoms / cm 3] or less, an improvement in charge retention characteristics is observed. When the concentration of hydrogen atoms in the silicon oxide film 205 was 5 × 10 20 [atoms / cm 3] or less, the charge retention characteristics were similarly improved.

【0066】なお、酸化珪素膜205中の水素原子濃度
を5×1020[atoms/cm3]以下とすることにより、不
揮発性記憶素子Qeの書換えに伴うしきい値変動を抑制
することが可能である。図20は、ウエット酸化による
水素原子低減前後での、書換えに伴うしきい値変動量を
示したものである。この際の窒素原子濃度は6×1020
[atoms/cm3]である。しきい値変動量は、ウエット酸
化前(水素原子濃度3×1021[atoms/cm3])は、
0.65Vであるのに対し、ウエット酸化後(水素原子
濃度3×1020[atoms/cm3])は、0.15V程度に
抑制されている。これはウエット酸化で水素原子を低減
することにより、酸化珪素膜205中の電子トラップが
減少したためである。
By setting the concentration of hydrogen atoms in the silicon oxide film 205 to 5 × 10 20 [atoms / cm 3] or less, it is possible to suppress a change in threshold value due to rewriting of the nonvolatile memory element Qe. is there. FIG. 20 shows the amount of threshold change due to rewriting before and after the reduction of hydrogen atoms by wet oxidation. The nitrogen atom concentration at this time is 6 × 10 20
[Atoms / cm3]. The threshold variation before wet oxidation (hydrogen atom concentration 3 × 10 21 [atoms / cm 3])
While the voltage is 0.65 V, it is suppressed to about 0.15 V after wet oxidation (hydrogen atom concentration: 3 × 10 20 [atoms / cm 3]). This is because electron traps in the silicon oxide film 205 are reduced by reducing hydrogen atoms by wet oxidation.

【0067】なお、本実施形態では酸化珪素膜205中
の窒素原子濃度を6×1020[atoms/cm3]としたが、
概ね2×1020[atoms/cm3]以上、好ましくは2×1
21[atoms/cm3]以下であり、かつ水素原子濃度が5
×1020[atoms/cm3]以下であれば、書換えに伴うし
きい値変動の抑制が図れる。
In this embodiment, the concentration of nitrogen atoms in the silicon oxide film 205 is set to 6 × 10 20 [atoms / cm 3].
Approximately 2 × 10 20 [atoms / cm 3] or more, preferably 2 × 1
0 21 [atoms / cm3] or less and the hydrogen atom concentration is 5
If it is equal to or less than × 10 20 [atoms / cm 3], it is possible to suppress the threshold value fluctuation accompanying the rewriting.

【0068】本実施形態によれば、概ね2×1020[at
oms/cm3]以上、好ましくは2×1021[atoms/cm3]
以下の窒素原子を含有した酸化珪素膜205を、不揮発
性記憶素子Qeの第2ゲート絶縁膜205として用い、
さらに、その窒素原子濃度を酸化珪素膜205の下層部
に比べてその上層部を高くし、また、酸化珪素膜205
中の最大水素原子濃度を5×1020[atoms/cm3]以下
とすることにより、不揮発性記憶素子Qeの電荷保持特
性の向上が図れるという効果がある。また、不揮発性記
憶素子Qeの書換えに伴うしきい値変動が抑制できると
いう効果がある。
According to the present embodiment, approximately 2 × 10 20 [at
oms / cm3] or more, preferably 2 × 10 21 [atoms / cm3]
The following silicon oxide film 205 containing a nitrogen atom is used as the second gate insulating film 205 of the nonvolatile memory element Qe,
Further, the upper layer portion of the silicon oxide film 205 is made higher in nitrogen atom concentration than the lower layer portion of the silicon oxide film 205.
By setting the maximum hydrogen atom concentration in the medium to 5 × 10 20 [atoms / cm 3] or less, there is an effect that the charge retention characteristics of the nonvolatile memory element Qe can be improved. In addition, there is an effect that a threshold change due to rewriting of the nonvolatile memory element Qe can be suppressed.

【0069】(実施形態3)本実施形態では、膜中の最
大窒素原子濃度が概ね2×1020[atoms/cm3]以上、
好ましくは2×1021[atoms/cm3]以下である酸化珪
素膜を、不揮発性記憶素子の第2ゲート絶縁膜として用
い、さらにその上部に窒化珪素(Si34 )膜を積層した
例について説明する。
(Embodiment 3) In this embodiment, the maximum nitrogen atom concentration in the film is approximately 2 × 10 20 [atoms / cm 3] or more.
An example in which a silicon oxide film of preferably 2 × 10 21 [atoms / cm 3] or less is used as a second gate insulating film of a nonvolatile memory element, and a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film is further laminated thereon. explain.

【0070】まず、不揮発性記憶素子を1つの記憶単位
とするメモリセルの製造方法について、図13及び図1
4(製造方法を説明するための断面図)を用いて説明す
る。
First, a method of manufacturing a memory cell using a nonvolatile storage element as one storage unit will be described with reference to FIGS.
4 (a cross-sectional view for explaining the manufacturing method).

【0071】単結晶珪素からなる面方位(100)のp型
半導体基板201を用意し、その後、p型半導体基板2
01の主面の非活性領域に周知の選択酸化法を用いて酸
化珪素膜からなるフィールド絶縁膜202を形成する。
フィールド絶縁膜202は例えば500[nm]程度の
膜厚で形成する。ここまでの工程を図13(a)に示す。
A p-type semiconductor substrate 201 of plane orientation (100) made of single crystal silicon is prepared.
A field insulating film 202 made of a silicon oxide film is formed in a non-active region of the main surface of the semiconductor device 01 using a known selective oxidation method.
The field insulating film 202 is formed to a thickness of, for example, about 500 [nm]. FIG. 13A shows the steps up to this point.

【0072】次に、前記p型半導体基板201の主面の
活性領域に熱酸化処理を施し、酸化珪素膜からなる第1
ゲート絶縁膜203を形成する。第1ゲート絶縁膜20
3は例えば10[nm]程度の膜厚で形成する。
Next, a thermal oxidation process is performed on the active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 to form a first region made of a silicon oxide film.
A gate insulating film 203 is formed. First gate insulating film 20
3 is formed with a film thickness of, for example, about 10 [nm].

【0073】次に、前記第1ゲート絶縁膜203上を含
むp型半導体基板201の主面上の全面に、n型不純物
(例えば燐)が導入された多結晶珪素膜204を形成す
る。多結晶珪素膜204は例えば200[nm]程度の
膜厚で形成する。
Next, an n-type impurity is deposited on the entire surface of the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 including the first gate insulating film 203.
A polycrystalline silicon film 204 into which (for example, phosphorus) is introduced is formed. The polycrystalline silicon film 204 is formed with a thickness of, for example, about 200 [nm].

【0074】次に、前記多結晶珪素膜204にパターン
ニングを施す。パターンニングはフォトリソグラフィ技
術及びドライエッチング技術を用いて行なう。ここまで
の工程を図13(b)に示す。
Next, the polycrystalline silicon film 204 is patterned. Patterning is performed using a photolithography technique and a dry etching technique. FIG. 13B shows the steps up to this point.

【0075】次に、前記多結晶珪素膜204上を含むp
型半導体基板201の主面上の全面に酸化珪素膜205
を例えば12[nm]の膜厚で形成する。酸化珪素膜2
05の形成はSiH4 とN2O を原料ガスとするLPC
VD法で行う。この時の形成温度は750[℃]であ
る。
Next, the p including the surface of the polycrystalline silicon film 204 is removed.
Silicon oxide film 205 over the entire main surface of type semiconductor substrate 201
Is formed with a film thickness of, for example, 12 [nm]. Silicon oxide film 2
05 is formed by LPC using SiH4 and N2O as source gas.
This is performed by the VD method. The formation temperature at this time is 750 [° C.].

【0076】次に、前記工程を行った直後にNH3 雰囲
気中で熱処理を施し、前記酸化珪素膜205に概ね6×
1020[atoms/cm3]の窒素原子を導入する。ここまで
の工程を図13(c)に示す。
Next, immediately after performing the above-described steps, a heat treatment is performed in an NH 3 atmosphere, so that the silicon oxide film 205 is approximately 6 ×
A nitrogen atom of 10 20 [atoms / cm 3] is introduced. The steps up to this point are shown in FIG.

【0077】次に、前記酸化珪素膜205上を含むp型
半導体基板201の主面上の全面にLPCVD法で窒化
珪素(Si34 )膜213を形成する。ここまでの工程を
図13(d)に示す。
Next, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film 213 is formed on the entire surface of the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 including the silicon oxide film 205 by LPCVD. FIG. 13D shows the steps up to this step.

【0078】次に、前記酸化珪素膜205上の全面に、
n型不純物(例えば燐)が導入された多結晶珪素膜207
を形成する。多結晶珪素膜207は例えば200[n
m]程度の膜厚で形成する。ここまでの工程を図14
(e)に示す。
Next, on the entire surface of the silicon oxide film 205,
Polycrystalline silicon film 207 into which an n-type impurity (for example, phosphorus) is introduced
To form The polycrystalline silicon film 207 is, for example, 200 [n]
m]. The steps so far are shown in FIG.
(e).

【0079】次に、前記多結晶珪素膜207、窒化珪素
膜213、酸化珪素膜205、多結晶珪素膜204の夫
々にゲート長方向の幅を規定するパターンニングを順次
施し、n型不純物が導入された多結晶珪素膜207から
なる制御ゲート電極207、窒素が導入された酸化珪素
膜205からなる第2ゲート絶縁膜205、n型不純物
が導入された多結晶珪素膜204からなる浮遊ゲート電
極204を形成する。これらのパターンニングは、フォ
トリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて行
う。なお、この工程において、図示していないが、制御
ゲート電極207に一体化されたワード線も形成され
る。ここまでの工程を図14(f)に示す。次に、前記p
型半導体基板201の主面の活性領域にp型不純物(例
えばボロン)をイオン打込み法で選択的に導入し、n型
半導体領域からなるパンチスルーストッパ領域208を
形成する。
Next, each of the polycrystalline silicon film 207, the silicon nitride film 213, the silicon oxide film 205, and the polycrystalline silicon film 204 is sequentially patterned to define a width in a gate length direction, and an n-type impurity is introduced. Control gate electrode 207 made of doped polysilicon film 207, second gate insulating film 205 made of silicon oxide film 205 introduced with nitrogen, and floating gate electrode 204 made of polycrystalline silicon film 204 doped with n-type impurities To form These patterning are performed using a photolithography technique and a dry etching technique. In this step, although not shown, a word line integrated with the control gate electrode 207 is also formed. The steps so far are shown in FIG. Next, the p
A p-type impurity (for example, boron) is selectively introduced into the active region on the main surface of the type semiconductor substrate 201 by ion implantation to form a punch-through stopper region 208 made of an n-type semiconductor region.

【0080】次に、前記p型半導体基板201の主面の
活性領域にn型不純物(例えば砒素)をイオン打込み法で
選択的に導入し、一対のn型半導体領域の夫々からなる
ソース領域209及びドレイン領域210を形成する。
この工程において、不揮発性記憶素子Qeが形成され
る。ここまでの工程を図14(g)に示す。
Next, an n-type impurity (for example, arsenic) is selectively introduced into the active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 by ion implantation to form a source region 209 comprising a pair of n-type semiconductor regions. And a drain region 210 are formed.
In this step, a nonvolatile memory element Qe is formed. The steps up to this point are shown in FIG.

【0081】次に、前記制御ゲート電極207上を含む
p型半導体基板201の主面上の全面に層間絶縁膜21
1を形成し、その後、前記層間絶縁膜211に、ソース
領域209及びドレイン領域210に至る接続孔を形成
する。
Next, the interlayer insulating film 21 is formed on the entire surface of the main surface of the p-type semiconductor substrate 201 including the region above the control gate electrode 207.
Thereafter, a connection hole reaching the source region 209 and the drain region 210 is formed in the interlayer insulating film 211.

【0082】次に、前記接続孔内を含む層間絶縁膜21
1上の全面に金属膜を形成し、その後、前記金属膜にパ
ターンニングを施して電極212を形成することによ
り、図14(h)に示すように、不揮発性記憶素子Qeを
1つの記憶単位とするメモリセルがほぼ完成する。
Next, the interlayer insulating film 21 including the inside of the connection hole is formed.
14, a metal film is formed on the entire surface, and then the metal film is patterned to form an electrode 212. As a result, as shown in FIG. Is almost completed.

【0083】前記不揮発性記憶素子Qeは、12[n
m]のONO膜に窒化珪素膜を堆積した場合に比べて電
荷保持特性が向上した。
The nonvolatile memory element Qe has a capacity of 12 [n
m], the charge retention characteristics were improved as compared with the case where a silicon nitride film was deposited on the ONO film.

【0084】なお、本実施形態では酸化珪素膜205中
の窒素原子濃度を6×1020[atoms/cm3]以上とした
が、概ね2×1020[atoms/cm3]以上、好ましくは2
×1021[atoms/cm3]以下であれば電荷保持特性の向
上が観測された。
In this embodiment, the concentration of nitrogen atoms in the silicon oxide film 205 is set to 6 × 10 20 [atoms / cm 3] or more, but is generally set to 2 × 10 20 [atoms / cm 3] or more, preferably 2 × 10 20 [atoms / cm 3].
If the density is not more than × 10 21 [atoms / cm 3], an improvement in charge retention characteristics is observed.

【0085】本実施形態によれば、概ね2×1020[at
oms/cm3]以上、2×1021[atoms/cm3]以下の窒素
原子を含有する酸化珪素膜205を不揮発性記憶素子Q
eの第2ゲート絶縁膜205として用い、さらにその上
部に窒化珪素膜213を積層することにより、不揮発性
記憶素子Qeの電荷保持特性の向上が図れるという効果
がある。
According to the present embodiment, approximately 2 × 10 20 [at
oms / cm 3] or more and 2 × 10 21 [atoms / cm 3] or less.
By using it as the second gate insulating film 205 of e and further stacking the silicon nitride film 213 thereon, there is an effect that the charge retention characteristics of the nonvolatile memory element Qe can be improved.

【0086】なお、本実施形態では酸化珪素膜205に
窒素原子を導入した後、続いて窒化珪素膜213を形成
したが、窒化珪素膜213を形成する前に、前述の実施
形態2と同様に、ウエット酸化処理を施し、酸化珪素膜
205中の水素原子濃度を5×1020[atoms/cm3]以
下に低減すると、より一層の効果が得られる。
In this embodiment, the nitrogen atoms are introduced into the silicon oxide film 205 and then the silicon nitride film 213 is formed. However, before the silicon nitride film 213 is formed, the silicon nitride film 213 is formed in the same manner as in the second embodiment. If a wet oxidation treatment is performed to reduce the concentration of hydrogen atoms in the silicon oxide film 205 to 5 × 10 20 [atoms / cm 3] or less, a further effect can be obtained.

【0087】(実施形態4)本実施形態では、膜中の最
大窒素原子濃度が概ね2×1020[atoms/cm3]以上、
好ましくは2×1021[atoms/cm3]以下である酸化珪
素膜を、不揮発性記憶素子の第2ゲート絶縁膜として用
いた例について説明する。なお、本実施形態の不揮発性
記憶素子は、AND型のコンタクトレスアレイ構造を有
するフラッシュメモリに塔載される。
(Embodiment 4) In this embodiment, the maximum nitrogen atom concentration in the film is approximately 2 × 10 20 [atoms / cm 3] or more.
An example in which a silicon oxide film having a density of preferably 2 × 10 21 [atoms / cm 3] or less is used as a second gate insulating film of a nonvolatile memory element will be described. The nonvolatile memory element according to the present embodiment is mounted on a flash memory having an AND-type contactless array structure.

【0088】まず、不揮発性記憶素子を1つの記憶単位
とするメモリセルの製造方法について図15及び図16
(製造方法を説明するための断面図)を用いて説明する。
First, a method of manufacturing a memory cell using a nonvolatile memory element as one storage unit will be described with reference to FIGS.
(A cross-sectional view for explaining the manufacturing method) will be described.

【0089】単結晶珪素からなる面方位(100)のp型
半導体基板101を用意する。
A p-type semiconductor substrate 101 of plane orientation (100) made of single crystal silicon is prepared.

【0090】次に、熱酸化処理を施し、p型半導体基板
101の主面に酸化珪素膜からなる第1ゲート絶縁膜1
02を形成する。
Next, a thermal oxidation treatment is performed to form a first gate insulating film 1 made of a silicon oxide film on the main surface of the p-type semiconductor substrate 101.
02 is formed.

【0091】次に、前記第1ゲート絶縁膜102上に不
純物(例えば燐)が導入された多結晶珪素膜103を形成
し、その後、多結晶珪素膜103上に酸化珪素膜104
を形成し、その後、酸化珪素膜104上に窒化珪素膜1
05を形成する。多結晶珪素膜103、酸化珪素膜10
4、窒化珪素膜105の夫々の形成はLPCVD法で順
次行う。
Next, a polycrystalline silicon film 103 doped with an impurity (for example, phosphorus) is formed on the first gate insulating film 102, and then a silicon oxide film 104 is formed on the polycrystalline silicon film 103.
Is formed, and then the silicon nitride film 1 is formed on the silicon oxide film 104.
05 is formed. Polycrystalline silicon film 103, silicon oxide film 10
4. Each of the silicon nitride films 105 is sequentially formed by the LPCVD method.

【0092】次に、前記窒化珪素膜105、酸化珪素膜
104、多結晶珪素膜103、第1ゲート絶縁膜102
の夫々に、ゲート長方向の幅を規定するパターンニング
を施す。パターンニングはフォトリソグラフィ技術及び
ドライエッチング技術を用いて行う。ここまでの工程を
図15(a)に示す。
Next, the silicon nitride film 105, the silicon oxide film 104, the polycrystalline silicon film 103, the first gate insulating film 102
Are subjected to patterning for defining the width in the gate length direction. Patterning is performed using a photolithography technique and a dry etching technique. FIG. 15A shows the steps up to this point.

【0093】次に、前記窒化珪素膜105上を含むp型
半導体基板101の主面上の全面に窒化珪素膜をLPC
VD法で形成し、その後、前記窒化珪素膜に異方性ドラ
イエッチングを施してサイドウォールスペーサ106を
形成する。ここまでの工程を図15(b)に示す。
Next, a silicon nitride film is formed on the entire surface of the main surface of the p-type semiconductor substrate 101 including the silicon nitride film 105 by LPC.
Thereafter, the silicon nitride film is subjected to anisotropic dry etching to form a sidewall spacer 106. The steps so far are shown in FIG.

【0094】次に、ウエット酸化処理を施し、p型半導
体基板101の主面に酸化珪素膜からなるフィールド絶
縁膜107を形成する。フィールド絶縁膜107はゲー
ト長方向に沿って配置される活性領域(素子形成領域)間
の分離を行なう。ここまでの工程を図15(c)に示す。
Next, a field oxide film 107 made of a silicon oxide film is formed on the main surface of the p-type semiconductor substrate 101 by performing a wet oxidation process. The field insulating film 107 separates active regions (element forming regions) arranged along the gate length direction. The steps up to this point are shown in FIG.

【0095】次に、熱リン酸処理を施し、前記窒化珪素
膜105及びサイドウォールスペーサ106を除去した
後、前記p型半導体基板101の主面の活性領域にp型
不純物(例えばボロン)をイオン打込み法で選択的に導入
し、p型半導体領域からなるパンチスルーストッパ領域
108を形成する。
Next, after performing a hot phosphoric acid treatment to remove the silicon nitride film 105 and the sidewall spacers 106, a p-type impurity (for example, boron) is ion-implanted into the active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 101. A punch-through stopper region 108 made of a p-type semiconductor region is selectively formed by implantation.

【0096】次に、前記p型半導体基板101の主面の
活性領域にn型不純物(例えば砒素)をイオン打込み法で
選択的に導入し、一対のn型半導体領域の夫々からなる
ソース領域109及びドレイン領域110を形成する。
ここまでの工程を図15(d)に示す。
Next, an n-type impurity (for example, arsenic) is selectively introduced into the active region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 101 by ion implantation to form a source region 109 comprising a pair of n-type semiconductor regions. And a drain region 110 are formed.
The steps so far are shown in FIG.

【0097】次に、前記酸化珪素膜105上を含むp型
半導体基板101の主面上の全面にLPCVD法で酸化
珪素膜111を形成し、その後、前記酸化珪素膜111
に多結晶珪素膜103の上面が露出するまで異方性エッ
チングを施す。ここまでの工程を図15(e)に示す。
Next, a silicon oxide film 111 is formed on the entire main surface of the p-type semiconductor substrate 101 including the silicon oxide film 105 by LPCVD, and thereafter, the silicon oxide film 111 is formed.
Is anisotropically etched until the upper surface of the polycrystalline silicon film 103 is exposed. The steps so far are shown in FIG.

【0098】次に、前記多結晶珪素膜103上を含むp
型半導体基板101の主面上の全面に不純物(例えば燐)
が導入された多結晶珪素膜112を形成し、その後、前
記多結晶珪素膜112にゲート長方向の幅を規定するパ
ターンニングを施す。ここまでの工程を図16(f)に示
す。
Next, the p including the surface of the polycrystalline silicon film 103
Impurities (for example, phosphorus) on the entire main surface of the semiconductor substrate 101
Is formed, and then the polycrystalline silicon film 112 is subjected to patterning for defining the width in the gate length direction. The steps so far are shown in FIG.

【0099】次に、前記多結晶珪素膜112上を含むp
型半導体基板101の主面上の全面に酸化珪素膜113
を例えば12[nm]の膜厚で形成する。酸化珪素膜1
13の形成はSiH4 とN2O を原料ガスとするLPC
VD法で行う。この時の形成温度は750[℃]であ
る。
Next, the p including the upper part of the polycrystalline silicon film 112 is removed.
Silicon oxide film 113 over the entire main surface of semiconductor substrate 101
Is formed with a film thickness of, for example, 12 [nm]. Silicon oxide film 1
13 is formed by using LPC using SiH 4 and N 2 O as source gases.
This is performed by the VD method. The formation temperature at this time is 750 [° C.].

【0100】次に、前記工程を行った直後にNH3 雰囲
気中で熱処理を施し、前記酸化珪素膜113に概ね6×
1020[atoms/cm3]の窒素原子を導入する。ここまで
の工程を図16(g)に示す。
Next, immediately after performing the above-described steps, a heat treatment is performed in an NH 3 atmosphere, so that the silicon oxide film 113 is approximately 6 ×
A nitrogen atom of 10 20 [atoms / cm 3] is introduced. The steps up to this point are shown in FIG.

【0101】次に、前記酸化珪素膜113上の全面に、
n型不純物(例えば燐)が導入された多結晶珪素膜115
を形成する。
Next, over the entire surface of the silicon oxide film 113,
Polycrystalline silicon film 115 into which an n-type impurity (for example, phosphorus) is introduced
To form

【0102】次に、前記多結晶珪素膜115、酸化珪素
膜113、多結晶珪素膜112、多結晶珪素膜103の
夫々にゲート幅方向の幅を規定するパターンニングを順
次施し、n型不純物が導入された多結晶珪素膜115か
らなる制御ゲート電極115、窒素が導入された酸化珪
素膜113からなる第2ゲート絶縁膜113、n型不純
物が導入された多結晶珪素膜112及び多結晶珪素膜1
03からなる浮遊ゲート電極を形成する。これらのパタ
ーンニングは、フォトリソグラフィ技術とドライエッチ
ング技術を用いて行う。なお、この工程において、図示
していないが、制御ゲート電極115に一体化されたワ
ード線も形成される。ここまでの工程を図16(h)に示
す。
Next, the polycrystalline silicon film 115, the silicon oxide film 113, the polycrystalline silicon film 112, and the polycrystalline silicon film 103 are sequentially patterned to define the width in the gate width direction, and the n-type impurity is removed. Control gate electrode 115 made of introduced polycrystalline silicon film 115, second gate insulating film 113 made of silicon oxide film 113 introduced with nitrogen, polycrystalline silicon film 112 doped with n-type impurities, and polycrystalline silicon film 1
03 is formed. These patterning are performed using a photolithography technique and a dry etching technique. Although not shown, a word line integrated with the control gate electrode 115 is also formed in this step. The steps up to this point are shown in FIG.

【0103】次に、前記制御ゲート電極115上及びワ
ード線上を含むp型半導体基板101の主面上の全面に
層間絶縁膜116を形成し、その後、前記層間絶縁膜1
16上にデータ線117を形成し、その後、水素雰囲気
中で熱処理を施すことにより、不揮発性記憶素子Qeを
1つの記憶単位とするメモリセルがほぼ完成する。ここ
までの工程を図16(i)に示す。
Next, an interlayer insulating film 116 is formed on the entire surface of the main surface of the p-type semiconductor substrate 101 including the control gate electrodes 115 and the word lines.
By forming a data line 117 on the semiconductor substrate 16 and then performing a heat treatment in a hydrogen atmosphere, a memory cell using the nonvolatile memory element Qe as one storage unit is almost completed. The steps so far are shown in FIG.

【0104】前記不揮発性記憶素子Qeは、12[n
m]のONO膜を第2ゲート絶縁膜に用いた場合に比べ
て電荷保持特性が向上した。なお、前述の実施形態1と
同様に、良好な電荷保持特性を得るためには、酸化珪素
膜113中の窒素原子濃度を概ね2×1020[atoms/c
m3]以上、好ましくは2×1021[atoms/cm3]以下と
する必要があった。
The nonvolatile memory element Qe has a capacity of 12 [n
m], the charge retention characteristics were improved as compared with the case where the ONO film of [m] was used for the second gate insulating film. As in the first embodiment, in order to obtain good charge retention characteristics, the concentration of nitrogen atoms in the silicon oxide film 113 is set to approximately 2 × 10 20 [atoms / c].
m3] or more, preferably 2 × 10 21 [atoms / cm3] or less.

【0105】また、図17は前述した酸化珪素膜113
を第2ゲート絶縁膜に用いた不揮発性記憶素子の、ゲー
ト長と紫外線照射後のしきい値電圧の関係を示したもの
である。NH3 雰囲気中で熱処理した酸化珪素膜は、従
来のONO膜に比べてより短いゲート長、例えば0.3
[μm]以下であっても安定な動作が可能であった。こ
れは、前述した酸化珪素膜114の形成温度が850
[℃]と、ONO膜よりも低い結果、ソース/ドレイン
領域の伸びを抑制できたためである。
FIG. 17 shows the silicon oxide film 113 described above.
3 shows a relationship between a gate length and a threshold voltage after irradiation of ultraviolet rays in a nonvolatile memory element using as a second gate insulating film. A silicon oxide film heat-treated in an NH3 atmosphere has a shorter gate length, for example, 0.3
A stable operation was possible even at [μm] or less. This is because the formation temperature of the silicon oxide film 114 is 850.
This is because the elongation of the source / drain regions was suppressed as a result of [° C.] lower than that of the ONO film.

【0106】本実施形態によれば、概ね2×1020[at
oms/cm3]以上、好ましくは2×1021[atoms/cm3]
以下の窒素原子を含有した酸化珪素膜114を不揮発性
記憶素子Qeの第2ゲート絶縁膜に用いることにより、
電荷保持特性の向上が図れるという効果がある。
According to the present embodiment, approximately 2 × 10 20 [at
oms / cm3] or more, preferably 2 × 10 21 [atoms / cm3]
By using the following silicon oxide film 114 containing a nitrogen atom as the second gate insulating film of the nonvolatile memory element Qe,
There is an effect that charge retention characteristics can be improved.

【0107】また、ソース/ドレイン領域の形成後に第
2ゲート絶縁膜を形成する不揮発性記憶素子Qeにおい
て、不揮発性記憶素子Qeの第2ゲート絶縁膜として、
膜中の最大窒素原子濃度が概ね2×1020[atoms/cm
3]以上、好ましくは2×1021[atoms/cm3]以下で
ある酸化珪素膜を用いることにより、微細な不揮発性記
憶素子Qeを安定に動作できるという効果がある。
In the nonvolatile memory element Qe in which the second gate insulating film is formed after the formation of the source / drain regions, the second gate insulating film of the nonvolatile memory element Qe
The maximum nitrogen atom concentration in the film is approximately 2 × 10 20 [atoms / cm
3], and preferably 2 × 10 21 [atoms / cm 3] or less, the use of a silicon oxide film has an effect that a fine nonvolatile memory element Qe can be operated stably.

【0108】なお、本実施形態では酸化珪素膜114に
窒素原子を導入した後、続いて多結晶珪素膜115を形
成したが、多結晶珪素膜115を形成する前に、前述の
実施形態2と同様に、ウエット酸化処理を施し、酸化珪
素膜114中の水素原子濃度を5×1020[atoms/cm
3]以下に低減すると、より一層の効果が得られる。
In this embodiment, the polycrystalline silicon film 115 is formed after nitrogen atoms are introduced into the silicon oxide film 114. However, before the polycrystalline silicon film 115 is formed, Similarly, a wet oxidation process is performed to reduce the hydrogen atom concentration in the silicon oxide film 114 to 5 × 10 20 [atoms / cm 2
3] When reduced below, further effects can be obtained.

【0109】また、前述の実施形態3で説明したよう
に、酸化珪素膜114の形成後であって、多結晶珪素膜
115の形成前に、窒化珪素膜を形成して第2ゲート絶
縁膜を積層膜としても同様の効果が得られる。
As described in the third embodiment, after the formation of the silicon oxide film 114 and before the formation of the polycrystalline silicon film 115, a silicon nitride film is formed to form a second gate insulating film. The same effect can be obtained as a laminated film.

【0110】なお、実施形態1から3においてはNOR
型のフラッシュメモリに塔載される不揮発性記憶素子を
例とし、実施形態4においてはAND型のコンタクトレ
スアレイ構造を有するフラッシュメモリに塔載される不
揮発性記憶素子を例として説明したが、NAND型、D
iNOR型、スプリットゲート型といった他の不揮発性
半導体記憶装置に塔載される不揮発性記憶素子に適用し
ても同様の効果が得られる。
In the first to third embodiments, the NOR
In the fourth embodiment, a nonvolatile memory element mounted on a flash memory having an AND type contactless array structure has been described as an example of a nonvolatile memory element mounted on a flash memory of a NAND type. Type, D
The same effect can be obtained by applying the present invention to a nonvolatile memory element mounted on another nonvolatile semiconductor memory device such as an iNOR type or a split gate type.

【0111】(実施形態5)本実施形態では、多結晶珪
素膜を能動層とするMOSトランジスタのゲート絶縁膜
として、膜中の窒素原子濃度が概ね2×1020[atoms
/cm3]以上、好ましくは2×1021[atoms/cm3]以
下である酸化珪素膜を用いた例について説明する。な
お、本実施形態において、ゲート絶縁膜とは能動層とゲ
ート電極との間に設けられた絶縁膜のことを言う。
Embodiment 5 In this embodiment, as a gate insulating film of a MOS transistor having a polycrystalline silicon film as an active layer, the nitrogen atom concentration in the film is approximately 2 × 10 20 [atoms].
/ Cm 3] or more, preferably 2 × 10 21 [atoms / cm 3] or less, will be described. In this embodiment, the gate insulating film refers to an insulating film provided between the active layer and the gate electrode.

【0112】まず、MOSトランジスタの製造方法につ
いて、図18及び図19(製造方法を説明するための断
面図)を用いて説明する。
First, a method for manufacturing a MOS transistor will be described with reference to FIGS. 18 and 19 (cross-sectional views for explaining the manufacturing method).

【0113】単結晶珪素からなる面方位(100)のn型
半導体基板301を用意する。
An n-type semiconductor substrate 301 of plane orientation (100) made of single crystal silicon is prepared.

【0114】次に、熱酸化処理を施し、前記n型半導体
基板301の主面に酸化珪素膜302を形成する。ここ
までの工程を図18(a)に示す。
Next, a silicon oxide film 302 is formed on the main surface of the n-type semiconductor substrate 301 by performing a thermal oxidation process. The steps so far are shown in FIG.

【0115】次に、前記酸化珪素膜302上にMOSト
ランジスタの能動層となる多結晶珪素膜303を形成す
る。ここまでの工程を図18(b)に示す。
Next, a polycrystalline silicon film 303 serving as an active layer of a MOS transistor is formed on the silicon oxide film 302. FIG. 18B shows the steps up to this point.

【0116】次に、前記多結晶珪素膜303上に、ゲー
ト絶縁膜として用いる酸化珪素膜304を例えば10
[nm]の膜厚で形成する。酸化珪素膜104の形成
は、SiH4 とN2O を原料ガスとするLPCVD法で
行う。この時の形成温度は750[℃]である。
Then, a silicon oxide film 304 used as a gate insulating film is
It is formed with a thickness of [nm]. The silicon oxide film 104 is formed by an LPCVD method using SiH 4 and N 2 O as source gases. The formation temperature at this time is 750 [° C.].

【0117】次に、前記工程を行った直後に850
[℃]のNH3 雰囲気中で熱処理を施し、前記酸化珪素
膜304に概ね6×1020[atoms/cm3]の窒素原子を
導入する。その後、825[℃]の温度雰囲気中でウエ
ット酸化処理を施し、前記酸化珪素膜304中の水素原
子濃度を5×1020[atoms/cm3]以下にする。ここま
での工程を図18(c)に示す。
Next, immediately after performing the above steps, 850
Heat treatment is performed in an NH 3 atmosphere at [° C.] to introduce approximately 6 × 10 20 atoms / cm 3 of nitrogen atoms into the silicon oxide film 304. Thereafter, a wet oxidation treatment is performed in an atmosphere at a temperature of 825 ° C. to reduce the concentration of hydrogen atoms in the silicon oxide film 304 to 5 × 10 20 [atoms / cm 3] or less. The steps up to this point are shown in FIG.

【0118】次に、前記酸化珪素膜304上に、p型不
純物(例えばボロン)が導入された多結晶珪素膜307を
形成する。ここまでの工程を図19(d)に示す。
Next, a polycrystalline silicon film 307 into which a p-type impurity (for example, boron) is introduced is formed on the silicon oxide film 304. The steps up to this point are shown in FIG.

【0119】次に、前記多結晶珪素膜307にパターン
ニングを施し、多結晶珪素膜307からなるゲート電極
を形成する。パターンニングは、フォトリソグラフィ技
術とドライエッチング技術を用いて行なう。ここまでの
工程を図18(e)に示す。
Next, the polycrystalline silicon film 307 is patterned to form a gate electrode made of the polycrystalline silicon film 307. Patterning is performed using a photolithography technique and a dry etching technique. The steps up to this point are shown in FIG.

【0120】次に、前記ゲート電極307を不純物導入
用マスクとして使用し、前記多結晶珪素膜303にp型
不純物(例えばボロン)をイオン打込み法で導入して、ソ
ース領域及びドレイン領域である一対のp型半導体領域
308を形成する。この工程において、MOSトランジ
スタQが形成される。
Next, using the gate electrode 307 as an impurity introduction mask, a p-type impurity (for example, boron) is introduced into the polycrystalline silicon film 303 by ion implantation to form a pair of a source region and a drain region. Is formed. In this step, a MOS transistor Q is formed.

【0121】次に、前記ゲート電極307上を含むn型
半導体基板301の主面上の全面に層間絶縁膜309を
形成し、その後、前記層間絶縁膜309に、一対のp型
半導体領域308の夫々に至る接続孔を形成する。
Next, an interlayer insulating film 309 is formed on the entire surface of the main surface of the n-type semiconductor substrate 301 including on the gate electrode 307, and then a pair of p-type semiconductor regions 308 are formed on the interlayer insulating film 309. A connection hole reaching each is formed.

【0122】次に、前記接続孔内を含む層間絶縁膜30
9上の全面に金属膜を形成し、その後、前記金属膜にパ
ターンニングを施して配線310を形成することによ
り、図18(g)に示す状態となる。
Next, the interlayer insulating film 30 including the inside of the connection hole is formed.
By forming a metal film on the entire surface on the substrate 9 and then patterning the metal film to form the wiring 310, the state shown in FIG.

【0123】前記MOSトランジスタQは、ゲート絶縁
膜として、CVD法で形成された酸化珪素膜を用いた
り、多結晶珪素膜303を熱酸化して形成された酸化珪
素膜を用いた場合に比べて、待機時のリーク電流が低減
された。合わせて動作時の電流が増加した。この結果、
高いオン/オフ比が得られた。
The MOS transistor Q uses a silicon oxide film formed by a CVD method or a silicon oxide film formed by thermally oxidizing a polycrystalline silicon film 303 as a gate insulating film. The leakage current during standby was reduced. At the same time, the operating current increased. As a result,
A high on / off ratio was obtained.

【0124】なお、本実施形態では酸化珪素膜304中
の窒素原子濃度を6×1020[atoms/cm3]としたが、
概ね2×1020[atoms/cm3]以上、好ましくは2×1
21[atoms/cm3]以下であれば同様に高いオン/オフ
比が得られた。
In this embodiment, the nitrogen atom concentration in the silicon oxide film 304 is set to 6 × 10 20 [atoms / cm 3].
Approximately 2 × 10 20 [atoms / cm 3] or more, preferably 2 × 1
When the value was 0 21 [atoms / cm 3] or less, a similarly high on / off ratio was obtained.

【0125】本実施形態によれば、多結晶珪素膜を能動
層とするMOSトランジスタQのゲート絶縁膜として、
概ね2×1020[atoms/cm3]以上、2×1021[atom
s/cm3]以下の窒素原子を含有した酸化珪素膜を用いる
ことにより、MOSトランジスタQのオン/オフ比を向
上できるという効果がある。
According to the present embodiment, as a gate insulating film of a MOS transistor Q having a polycrystalline silicon film as an active layer,
Approximately 2 × 10 20 [atoms / cm3] or more, 2 × 10 21 [atom
By using a silicon oxide film containing nitrogen atoms of not more than s / cm 3], there is an effect that the on / off ratio of the MOS transistor Q can be improved.

【0126】なお、本実施形態では、pチャネル導電型
のMOSトランジスタQについて説明したが、nチャネ
ル導電型のMOSトランジスタにおいても同様の効果が
得られる。
In this embodiment, the p-channel conductivity type MOS transistor Q has been described. However, the same effect can be obtained with an n-channel conductivity type MOS transistor.

【0127】また、本実施形態では、半導体基板上に酸
化珪素膜を介在して、多結晶珪素膜を能動層とするMO
Sトランジスタを形成したが、例えば液晶ディスプレイ
駆動用のMOSトランジスタのように、ガラス基板上に
形成しても同様の効果が得られる。
Further, in this embodiment, an MO layer having a polycrystalline silicon film as an active layer with a silicon oxide film interposed on a semiconductor substrate is used.
Although the S transistor is formed, similar effects can be obtained by forming the transistor on a glass substrate like a MOS transistor for driving a liquid crystal display.

【0128】また、本実施形態では、下層の多結晶珪素
膜を能動層とし、上層の多結晶珪素膜をゲート電極とす
るMOSトランジスタについて説明したが、下層の多結
晶珪素膜をゲート電極とし、上層の多結晶珪素膜を能動
層とするMOSトランジスタにおいても同様の効果が得
られる。
In this embodiment, the MOS transistor in which the lower polycrystalline silicon film is used as the active layer and the upper polycrystalline silicon film is used as the gate electrode has been described. However, the lower polycrystalline silicon film is used as the gate electrode. A similar effect can be obtained in a MOS transistor using an upper polycrystalline silicon film as an active layer.

【0129】なお、前述の実施形態1から5において
は、酸化珪素膜に窒素原子を導入する際、NH3 雰囲気
中で熱処理を行っているが、他の窒素を含有するガスを
用いてもよい。また、酸化珪素膜の堆積と同時に窒素原
子を導入してもよい。また、本発明の効果が得られる範
囲であれば他の方法を用いてもよい。
In the first to fifth embodiments, the heat treatment is performed in an NH 3 atmosphere when introducing nitrogen atoms into the silicon oxide film. However, another nitrogen-containing gas may be used. . Further, nitrogen atoms may be introduced simultaneously with the deposition of the silicon oxide film. Other methods may be used as long as the effects of the present invention can be obtained.

【0130】また、前述の実施形態1から5において
は、多結晶珪素膜を用いて説明したが、非晶質の珪素膜
においても同様の効果が得られる。
Although the first to fifth embodiments have been described using a polycrystalline silicon film, similar effects can be obtained with an amorphous silicon film.

【0131】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、
前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論で
ある。
As described above, the invention made by the present inventor
Although specifically described based on the embodiment, the present invention
It is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified without departing from the scope of the invention.

【0132】例えば、本発明は、下層の多結晶珪素膜又
は非晶質珪素膜を下部電極とし、上層の多結晶珪素膜又
は非晶質珪素膜を上部電極とし、これらの間の酸化珪素
膜を誘電体膜とする容量素子を有する半導体装置に適用
してもよい。この場合、容量素子の電荷保持特性の向上
が図れる。
For example, according to the present invention, a lower polycrystalline silicon film or an amorphous silicon film is used as a lower electrode, an upper polycrystalline silicon film or an amorphous silicon film is used as an upper electrode, and a silicon oxide film therebetween. May be applied to a semiconductor device having a capacitive element using as a dielectric film. In this case, the charge retention characteristics of the capacitor can be improved.

【0133】また、本発明は、不揮発性記憶素子を有す
るメモリセルアレイ部を備えたワンチップ・マイクロコ
ンピュータ(半導体装置)に適用してもよい。
Further, the present invention may be applied to a one-chip microcomputer (semiconductor device) provided with a memory cell array having a nonvolatile storage element.

【0134】[0134]

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.

【0135】半導体装置に塔載される不揮発記憶素子の
電荷保持特性を向上できる。
[0135] The charge retention characteristics of the nonvolatile memory element mounted on the semiconductor device can be improved.

【0136】また、微細化された不揮発性記憶素子であ
っても安定な動作が可能である。
Further, stable operation is possible even with a miniaturized nonvolatile memory element.

【0137】また、不揮発性記憶素子のプログラム電圧
の低減化が可能である。
Further, the program voltage of the nonvolatile memory element can be reduced.

【0138】また、半導体装置に塔載されるMOSトラ
ンジスタの性能を向上できる。
Further, the performance of the MOS transistor mounted on the semiconductor device can be improved.

【0139】また、半導体装置に塔載される容量素子の
電荷保持特性を向上できる。
In addition, the charge retention characteristics of the capacitor mounted on the semiconductor device can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態1であるフラッシュメモリ
(半導体装置)の要部断面図。
FIG. 1 is a flash memory according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a sectional view of a main part of a (semiconductor device).

【図2】前記フラッシュメモリの製造方法を説明するた
めの断面図。
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a method for manufacturing the flash memory.

【図3】前記フラッシュメモリの製造方法を説明するた
めの断面図。
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a method for manufacturing the flash memory.

【図4】酸化珪素膜電界とリーク電流の関係を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a silicon oxide film electric field and a leakage current.

【図5】酸化珪素膜電界とリーク電流の関係を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a silicon oxide film electric field and a leak current.

【図6】酸化珪素膜中の窒素原子濃度分布を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a nitrogen atom concentration distribution in a silicon oxide film.

【図7】酸化珪素膜中の窒素原子濃度とリーク電流の関
係を示す図。
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a nitrogen atom concentration in a silicon oxide film and a leakage current.

【図8】電荷保持特性を示す図。FIG. 8 is a diagram showing charge retention characteristics.

【図9】本発明の実施形態2であるフラッシュメモリ
(半導体装置)の製造方法を説明するための断面図。
FIG. 9 is a flash memory according to a second embodiment of the present invention;
Sectional drawing for explaining the manufacturing method of the (semiconductor device).

【図10】前記フラッシュメモリの製造方法を説明する
ための断面図。
FIG. 10 is a sectional view illustrating the method of manufacturing the flash memory.

【図11】酸化珪素膜中の窒素及び水素原子濃度分布を
示す図。
FIG. 11 is a diagram showing a concentration distribution of nitrogen and hydrogen atoms in a silicon oxide film.

【図12】酸化珪素膜中の窒素及び水素原子濃度分布を
示す図。
FIG. 12 is a diagram showing a concentration distribution of nitrogen and hydrogen atoms in a silicon oxide film.

【図13】本発明の実施形態3であるフラッシュメモリ
(半導体装置)の製造方法を説明するための断面図。
FIG. 13 is a flash memory according to a third embodiment of the present invention;
Sectional drawing for explaining the manufacturing method of the (semiconductor device).

【図14】前記フラッシュメモリの製造方法を説明する
ための断面図。
FIG. 14 is a sectional view for explaining the method for manufacturing the flash memory.

【図15】本発明の実施形態4であるフラッシュメモリ
(半導体装置)の製造方法を説明するための断面図。
FIG. 15 is a flash memory according to a fourth embodiment of the present invention;
Sectional drawing for explaining the manufacturing method of the (semiconductor device).

【図16】前記フラッシュメモリの製造方法を説明する
ための断面図。
FIG. 16 is a sectional view for explaining the method for manufacturing the flash memory.

【図17】ゲート長としきい値電圧の関係を示す図。FIG. 17 is a diagram showing a relationship between a gate length and a threshold voltage.

【図18】本発明の実施形態5である半導体装置の製造
方法を説明するための断面図。
FIG. 18 is a sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention;

【図19】前記半導体装置の製造方法を説明するための
断面図。
FIG. 19 is a sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor device.

【図20】ウエット酸化による水素原子低減前後での書
換えに伴うしきい値変動量。
FIG. 20 is a graph showing a threshold variation due to rewriting before and after reducing hydrogen atoms by wet oxidation.

【符号の説明】 101,201,301…半導体基板、102…酸化珪
素膜、103…多結晶珪素膜、104…酸化珪素膜、1
05,106…窒化珪素膜、107,202…フィール
ド絶縁膜、108,208…パンチスルーストッパ領
域、109,209…ソース領域、111…酸化珪素
膜、110,210…ドレイン領域、112…多結晶珪
素膜、113…窒素が導入された酸化珪素膜、115…
多結晶珪素膜、203…酸化珪素膜、204…多結晶珪
素膜、205…窒素が導入された酸化珪素膜、207…
多結晶珪素膜、211,309…層間絶縁膜、212,
310…電極、302…酸化珪素膜、303…多結晶珪
素膜、304…窒素が導入された酸化珪素膜、307…
多結晶珪素膜、308…一対の半導体領域、Qe…不揮
発性記憶素子、Q…MOSトランジスタ。
[Description of Signs] 101, 201, 301: semiconductor substrate, 102: silicon oxide film, 103: polycrystalline silicon film, 104: silicon oxide film, 1
05, 106: silicon nitride film, 107, 202: field insulating film, 108, 208: punch-through stopper region, 109, 209: source region, 111: silicon oxide film, 110, 210: drain region, 112: polycrystalline silicon Film, 113 ... a silicon oxide film into which nitrogen is introduced, 115 ...
Polycrystalline silicon film, 203: silicon oxide film, 204: polycrystalline silicon film, 205: silicon oxide film into which nitrogen is introduced, 207:
Polycrystalline silicon film, 211, 309 ... interlayer insulating film, 212,
310 ... electrode, 302 ... silicon oxide film, 303 ... polycrystalline silicon film, 304 ... silicon oxide film with nitrogen introduced, 307 ...
Polycrystalline silicon film, 308: a pair of semiconductor regions, Qe: nonvolatile memory element, Q: MOS transistor.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 27/11 H01L 29/78 613B 27/115 29/78 29/786 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01L 27/11 H01L 29/78 613B 27/115 29/78 29/786

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1珪素膜とその上層の第2珪素膜との間
に酸化珪素膜を有する半導体装置であって、前記酸化珪
素膜に窒素が導入され、前記酸化珪素膜中の最大窒素原
子濃度が概ね2×1020[atoms/cm3]以上になってい
ることを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device having a silicon oxide film between a first silicon film and a second silicon film overlying the first silicon film, wherein nitrogen is introduced into the silicon oxide film, and the maximum nitrogen in the silicon oxide film is A semiconductor device having an atomic concentration of about 2 × 10 20 [atoms / cm 3] or more.
【請求項2】前記酸化珪素膜中の最大窒素原子濃度が概
ね2×1021[atoms/cm3]以下になっていることを特
徴とする請求項1に記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a maximum nitrogen atom concentration in said silicon oxide film is approximately 2 × 10 21 [atoms / cm 3] or less.
【請求項3】前記酸化珪素膜中の窒素原子濃度は、前記
酸化珪素膜の中層部に比べてその上層部及び下層部の方
が高くなっていることを特徴とする請求項1又は請求項
2に記載の半導体装置。
3. The silicon oxide film according to claim 1, wherein a concentration of nitrogen atoms in the upper layer portion and a lower layer portion of the silicon oxide film is higher than that in a middle layer portion of the silicon oxide film. 3. The semiconductor device according to 2.
【請求項4】前記酸化珪素膜中の窒素原子濃度は、前記
酸化珪素膜の下層部に比べてその上層部の方が低くなっ
ていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちい
ずれか1項に記載の半導体装置。
4. The silicon oxide film according to claim 1, wherein the concentration of nitrogen atoms in the upper part of the silicon oxide film is lower than that in the lower part of the silicon oxide film. The semiconductor device according to claim 1.
【請求項5】前記酸化珪素膜中の最大水素原子濃度が概
ね5×1020[atoms/cm3]以下になっていることを特
徴とする請求項1乃至請求項4のうちいずれか1項に記
載の半導体装置。
5. The method according to claim 1, wherein the maximum concentration of hydrogen atoms in the silicon oxide film is approximately 5 × 10 20 [atoms / cm 3] or less. 13. The semiconductor device according to claim 1.
【請求項6】前記第1珪素膜、第2珪素膜の夫々がn型
不純物を含んでいることを特徴とする請求項1乃至請求
項5のうちいずれか1項に記載の半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein each of said first silicon film and said second silicon film contains an n-type impurity.
【請求項7】前記第1珪素膜、第2珪素膜の夫々が電極
であることを特徴とする請求項1乃至請求項6のうちい
ずれか1項に記載の半導体装置。
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein each of said first silicon film and said second silicon film is an electrode.
【請求項8】前記第1珪素膜、第2珪素膜のうち、いず
れか一方がフローティング状態であることを特徴とする
請求項1乃至請求項7のうちいずれか1項に記載の半導
体装置。
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein one of the first silicon film and the second silicon film is in a floating state.
【請求項9】浮遊ゲート電極と制御ゲート電極との間に
絶縁膜が設けられた不揮発性記憶素子を有する半導体装
置であって、前記浮遊ゲート電極は前記第1珪素膜であ
り、前記絶縁膜は前記酸化珪素膜であり、前記制御ゲー
ト電極は前記第2珪素膜であることを特徴とする請求項
1乃至請求項6のうちいずれか1項に記載の半導体装
置。
9. A semiconductor device having a nonvolatile memory element provided with an insulating film between a floating gate electrode and a control gate electrode, wherein the floating gate electrode is the first silicon film and the insulating film 7. The semiconductor device according to claim 1, wherein is the silicon oxide film, and the control gate electrode is the second silicon film. 8.
【請求項10】能動層とゲート電極との間に絶縁膜が設
けられたMOSトランジスタを有する半導体装置であっ
て、前記能動層は前記第1珪素膜又は第2珪素膜であ
り、前記絶縁膜は前記酸化珪素膜であり、前記ゲート電
極は前記第2珪素膜又は第1珪素膜であることを特徴と
する請求項1乃至請求項5のうちいずれか1項に記載の
半導体装置。
10. A semiconductor device having a MOS transistor in which an insulating film is provided between an active layer and a gate electrode, wherein the active layer is the first silicon film or the second silicon film. 6. The semiconductor device according to claim 1, wherein is the silicon oxide film, and the gate electrode is the second silicon film or the first silicon film. 7.
【請求項11】下部電極と上部電極との間に誘電体膜が
設けられた容量素子を有する半導体装置であって、前記
下部電極は前記第1珪素膜であり、前記誘電体膜は前記
酸化珪素膜であり、前記上部電極は前記第2珪素膜であ
ることを特徴とする請求項1乃至請求項5のうちいずれ
か1項に記載の半導体装置。
11. A semiconductor device having a capacitor in which a dielectric film is provided between a lower electrode and an upper electrode, wherein the lower electrode is the first silicon film, and the dielectric film is the oxide film. 6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a silicon film, and the upper electrode is the second silicon film.
【請求項12】前記酸化珪素膜と前記第2珪素膜との間
に、化学量論比で概ね珪素:窒素=3:4の窒化珪素膜
が存在していることを特徴とする請求項1乃至請求項1
1のうちいずれか1項に記載の半導体装置。
12. A silicon nitride film having a stoichiometric ratio of approximately silicon: nitrogen = 3: 4 between said silicon oxide film and said second silicon film. Or claim 1
2. The semiconductor device according to claim 1.
【請求項13】前記第1珪素膜、第2珪素膜の夫々は、
多結晶又は非晶質からなることを特徴とする請求項1乃
至請求項12のうちいずれか1項に記載の半導体装置。
13. The first silicon film and the second silicon film each include:
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is made of polycrystal or amorphous.
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