JP2000195971A - 不揮発性半導体記憶装置とその製造方法 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置とその製造方法

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JP2000195971A
JP2000195971A JP10366843A JP36684398A JP2000195971A JP 2000195971 A JP2000195971 A JP 2000195971A JP 10366843 A JP10366843 A JP 10366843A JP 36684398 A JP36684398 A JP 36684398A JP 2000195971 A JP2000195971 A JP 2000195971A
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film
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細化及び多値化を図る上で有利な不発性半
導体記憶装置を提供する。 【解決手段】 P型のシリコン基板51上に形成された
シリコン酸化膜52及びフローティングゲート65と、
前記フローティングゲート65を挟むように形成された
素子分離膜59と、前記フローティングゲート65の上
部に形成された選択酸化膜62と、前記選択酸化膜62
の上部に形成された凸部64と、前記凸部64や前記選
択酸化膜62を介して前記フローティングゲート65を
被覆するように形成されたトンネル酸化膜66と、前記
トンネル酸化膜66を介して前記フローティングゲート
65の一端部上に重なるように形成されたコントロール
ゲート68Aと、前記フローティングゲート65及び前
記コントロールゲート68Aに隣接する前記基板51の
表面に形成されたN型のソース・ドレイン領域69,7
0とを備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性半導体記
憶装置とその製造方法に関し、更に言えば、スプリット
ゲート型のフラッシュメモリの多値化及び微細化を可能
にする不揮発性半導体記憶装置とその製造方法を提供す
るものである。
【0002】
【従来の技術】メモリセルが単一のトランジスタからな
る電気的に消去可能な不揮発性半導体記憶装置、特にプ
ログラマブルROM(EEPROM:Electrically Eras able a
nd Programmable ROM)においては、フローティングゲー
トとコントロールゲートとを有する2重ゲート構造のト
ランジスタによって各メモリセルが形成される。このよ
うな2重ゲート構造のメモリセルトランジスタの場合、
フローティングゲートのドレイン領域側で発生したホッ
トエレクトロンを加速してフローティングゲートに注入
することでデータの書き込みが行われる。そして、F−
N伝導(Fowler-Nordheim tunnelling)によってフローテ
ィングゲートからコントロールゲートへ電荷を引き抜く
ことでデータの消去が行われる。
【0003】図6はフローティングゲートを有する不揮
発性半導体記憶装置のメモリセル部分を示す断面図であ
る。この図においては、コントロールゲートがフローテ
ィングゲートと並んで配置されるスプリットゲート構造
を示している。
【0004】P型のシリコン基板1の表面領域に、LO
COS(Local Oxidation Of Silicon)法により選択的
に厚く形成されるLOCOS酸化膜よりなる複数の素子
分離膜2(図7(a)参照)が短冊状に形成され、素子
領域が区画される。シリコン基板1上に、酸化膜3Aを
介し、隣り合う素子分離膜2の間に跨るようにしてフロ
ーティングゲート4が配置される。このフローティング
ゲート4は、1つのメモリセル毎に独立して配置され
る。また、フローティングゲート4上の選択酸化膜5
は、選択酸化法によりフローティングゲート4の中央部
で厚く形成され、フローティングゲート4の端部を鋭角
にしている。これにより、データの消去動作時にフロー
ティングゲート4の端部で電界集中が生じ易いようにし
ている。
【0005】複数のフローティングゲート4が配置され
たシリコン基板1上に、フローティングゲート4の各列
毎に対応して前記酸化膜3Aと一体化されたトンネル酸
化膜3を介してコントロールゲート6が配置される。こ
のコントロールゲート6は、一部がフローティングゲー
ト4上に重なり、残りの部分が酸化膜3Aを介してシリ
コン基板1に接するように配置される。また、これらの
フローティングゲート4及びコントロールゲート6は、
それぞれ隣り合う列が互いに面対称となるように配置さ
れる。
【0006】隣り合うコントロールゲート6間の基板領
域及び隣り合うフローティングゲート4間の基板領域に
は、N型のドレイン領域7及びソース領域8が形成され
る。ドレイン領域7は、コントロールゲート6の間で素
子分離膜2に囲まれてそれぞれが独立し、ソース領域8
は、コントロールゲート6の延在する方向に連続する。
これらのフローティングゲート4、コントロールゲート
6、ドレイン領域7及びソース領域8によりメモリセル
トランジスタが構成される。
【0007】そして、前記コントロールゲート6上に、
酸化膜9を介して、金属配線10がコントロールゲート
6と交差する方向に配置される。この金属配線10は、
コンタクトホール11を通して、ドレイン領域7に接続
される。そして、各コントロールゲート6は、ワード線
となり、コントロールゲート6と平行に延在するソース
領域8は、ソース線となる。また、ドレイン領域7に接
続される金属配線10は、ビット線となる。
【0008】このような2重ゲート構造のメモリセルト
ランジスタの場合、フローティングゲート4に注入され
る電荷の量によってソース、ドレイン間のオン抵抗値が
変動する。そこで、フローティングゲート4に選択的に
電荷を注入することにより、特定のメモリセルトランジ
スタのオン抵抗値を変動させ、これによって生じる各メ
モリセルトランジスタの動作特性の差を記憶するデータ
に対応づけるようにしている。
【0009】以上の不揮発性半導体記憶装置におけるデ
ータの書き込み、消去及び読み出しの各動作は、例え
ば、以下のようにして行われる。書き込み動作において
は、コントロールゲート6の電位を2V、ドレイン領域
7の電位を0.5V、ソース領域8の高電位を12Vと
する。これにより、ソース領域8に高電位を印加するこ
とで、ソース領域8とフローティングゲート4間のカッ
プリング比によりフローティングゲート4の電位が9V
程度に持ち上げられ、ドレイン領域7付近で発生するホ
ットエレクトロンがフローティングゲート4側へ加速さ
れ、酸化膜3Aを通してフローティングゲート4に注入
されてデータの書き込みが行われる。
【0010】一方、消去動作においては、ドレイン領域
7及びソース領域8の電位を0Vとし、コントロールゲ
ート6を14Vとする。これにより、フローティングゲ
ート4内に蓄積されている電荷(電子)が、フローティ
ングゲート4の角部の鋭角部分からF−N(Fowler-Nor
dheim tunnelling)伝導によって前記トンネル酸化膜3
を突き抜けてコントロールゲート6に放出されてデータ
が消去される。
【0011】そして、読み出し動作においては、コント
ロールゲート6の電位を4Vとし、ドレイン領域7を2
V、ソース領域8を0Vとする。このとき、フローティ
ングゲート4に電荷(電子)が注入されていると、フロ
ーティングゲート4の電位が低くなるため、フローティ
ングゲート4の下にはチャネルが形成されずドレイン電
流は流れない。逆に、フローティングゲート4に電荷
(電子)が注入されていなければ、フローティングゲー
ト4の電位が高くなるため、フローティングゲート4の
下にチャネルが形成されてドレイン電流が流れる。
【0012】以下、このような不揮発性半導体記憶装置
の製造方法について説明する。
【0013】図7(a)において、シリコン基板1上に
LOCOS法により素子分離膜2を形成する。即ち、図
7(a)に示すように前記シリコン基板1上にパッド酸
化膜21を形成し、不図示のホトレジスト膜を介して開
口部22が形成されたシリコン窒化膜23を形成し、こ
のシリコン窒化膜23をマスクにして選択酸化して素子
分離膜2を形成する。尚、前記素子分離膜2の形成工程
において、前記パッド酸化膜21上にパッドポリシリコ
ン膜を積層させた状態で形成するものであっても良い。
【0014】次に、前記シリコン窒化膜23及びパッド
酸化膜21を除去した後に、図7(b)に示すようにシ
リコン基板1上を熱酸化してゲート酸化膜3Aを形成
し、その上にポリシリコン膜24を形成する。
【0015】次に、図7(c)に示すように不図示のホ
トレジスト膜を介して開口部25が形成されたシリコン
窒化膜26を形成した後に、このシリコン窒化膜26を
マスクにして前記ポリシリコン膜24を選択酸化して選
択酸化膜5を形成する。尚、図7(c)と後述する図8
(a),(b)は、特にメモリセル部の形成工程を説明
するために用いたメモリセル部の形成領域を示す断面図
である。
【0016】続いて、図8(a)に示すように前記シリ
コン窒化膜26を除去した後に、選択酸化膜5をマスク
にしてポリシリコン膜24及びシリコン酸化膜3Aをエ
ッチングしてフローティングゲート4を形成する。
【0017】そして、図8(b)に示すように全面にト
ンネル酸化膜3を形成した後に、全面にポリシリコン膜
及びタングステンシリサイド(WSix)膜から成る導
電膜を形成し、不図示のホトレジスト膜を介してパター
ニングしてコントロールゲート6を形成する。尚、前記
コントロールゲート6は、ポリシリコン膜から成る単層
膜であっても良い。図8(c)は、図8(b)のA−A
断面部を示した断面図である。
【0018】以下、説明は省略するが、図6に示すよう
にソース領域8及びドレイン領域7が形成され、前記ド
レイン領域7にコンタクトされる金属配線10等が形成
されて不揮発性半導体記憶装置のメモリセルが形成され
る。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たデバイス構造及び製造方法では、素子分離膜2とフロ
ーティングゲート4との間、フローティングゲート4と
コントロールゲート6との間で、それぞれ高いマスク合
せ精度が要求されるといった課題があり、更なる微細化
を図ろうとした場合に支障があった。
【0020】そして、フローティングゲート4の上部か
ら側部にかけてコントロールゲート6を形成して成るス
プリットゲート型のフラッシュメモリにおいて、コント
ロールゲート形成用マスクにマスクずれが発生すると、
コントロールゲート6がずれて形成されてしまうことに
なる。
【0021】このような場合、隣り合って対を成すコン
トロールゲート6のゲート長に差が生じ、セル電流がず
れてしまう。そのため、対となるセルトランジスタを流
れる電流値を同じにすることができず、多値化を図る上
で大きな妨げとなっていた。
【0022】従って、本発明は素子分離膜やフローティ
ングゲートやコントロールゲートをセルフアラインで形
成することで、微細化及び多値化を図る上で有利な不発
性半導体記憶装置とその製造方法を提供することを目的
とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明の不揮発
性半導体記憶装置は、P型のシリコン基板51上に形成
されたシリコン酸化膜52及びフローティングゲート6
5と、前記フローティングゲート65を挟むように形成
された素子分離膜59と、前記フローティングゲート6
5の上部に形成された選択酸化膜62と、前記選択酸化
膜62の上部に形成された凸部64と、前記凸部64や
前記選択酸化膜62を介して前記フローティングゲート
65を被覆するように形成されたトンネル酸化膜66
と、前記トンネル酸化膜66を介して前記フローティン
グゲート65の一端部上に重なるように形成されたコン
トロールゲート68Aと、前記フローティングゲート6
5及び前記コントロールゲート68Aに隣接する前記基
板51の表面に形成されたN型のソース・ドレイン領域
69,70とを備えたことを特徴とするものである。
【0024】また、その製造方法は、P型のシリコン基
板51上にシリコン酸化膜52及び第1の導電膜として
のポリシリコン膜53とを形成した後に、前記ポリシリ
コン膜53や前記シリコン酸化膜52や前記シリコン基
板51の一部をエッチング除去して凹部56を形成す
る。また、この凹部56を介して前記基板表層にP型の
不純物として、例えばボロンイオンをイオン注入してチ
ャネルストッパ形成用のイオン注入領域57を形成す
る。次に、前記凹部56を含む基板上にLPCVD法に
よりシリコン酸化膜58を形成した後に、このシリコン
酸化膜58をエッチバックして前記凹部56内に残膜さ
せて素子分離膜59を形成する。続いて、前記凹部56
内に形成された素子分離膜59上を含む基板上に開口部
60を有するシリコン窒化膜61を形成した後に、この
開口部60を介して前記ポリシリコン膜53の表層を選
択酸化して当該ポリシリコン膜53の上部に選択酸化膜
62を形成する。次に、前記シリコン窒化膜61の開口
部60を介して前記選択酸化膜62上に埋設されたシリ
コン酸化膜から成る凸部64を形成した後に、シリコン
窒化膜61を除去し、更に前記選択酸化膜62を介して
前記ポリシリコン膜53をパターニングしてフローティ
ングゲート65を形成する。続いて、前記凸部64や前
記選択酸化膜62を介して前記フローティングゲート6
5を被覆するようにトンネル酸化膜66を形成し、この
トンネル酸化膜66を介して全面に導電膜67を形成す
る。更に、導電膜67をパターニングして前記フローテ
ィングゲート65の両端部上にそれぞれ重なるように導
電膜68A,68Bを形成した後に、一方の導電膜68
Bを除去して、前記フローティングゲート65の一端部
上に重なるようにコントロールゲート68Aを形成す
る。そして、前記フローティングゲート65及び前記コ
ントロールゲート68Aに隣接するように前記基板表面
にN型の不純物として例えばリンイオンやヒ素イオンを
イオン注入してN型のソース・ドレイン領域69,70
を形成する工程とを備えたことを特徴とするものであ
る。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、本発明の不揮発性半導体記
憶装置とその製造方法に係る一実施形態について図面を
参照しながら説明する。
【0026】図1(a)において、シリコン基板51上
を熱酸化しておよそ100Åの膜厚のシリコン酸化膜5
2を形成し、その上におよそ1000Åの膜厚のポリシ
リコン膜53を形成した後に、このポリシリコン膜53
にリンドープを施して導電化を図る。
【0027】次に、図1(b)に示すように開口部54
を有するホトレジスト膜55を形成した後に、このホト
レジスト膜55をマスクにして前記ポリシリコン膜53
やシリコン酸化膜52やシリコン基板51の一部を異方
性エッチング除去しておよそ5000Åの深さの凹部5
6を形成する。そして、前記ホトレジスト膜55をマス
クにして、例えばボロンイオン(11B+)をイオン注入
することで、前記凹部56底部のシリコン基板51表層
にチャネルストッパ層形成用のイオン注入領域57を形
成する。
【0028】続いて、図2(a)に示すように前記凹部
56を含む全面におよそ200Åの膜厚の熱酸化膜(不
図示)を形成し、LPCVD法によりおよそ4000Å
の膜厚のシリコン酸化膜58を形成した後に(図中の一
点鎖線参照)、このシリコン酸化膜58をエッチバック
して前記凹部56内にのみ残膜させて、シリコン酸化膜
58から成る素子分離膜59を形成する。
【0029】次に、図2(b)に示すように前記素子分
離膜59上を含む全面にLPCVD法によりおよそ30
00Åの膜厚のシリコン窒化膜61を形成する。
【0030】続いて、図3(a)に示すように不図示の
ホトレジスト膜をマスクにして前記シリコン窒化膜61
に開口部60を形成した後に、このシリコン窒化膜61
をマスクにして前記ポリシリコン膜53を選択酸化し
て、このポリシリコン膜53の上部におよそ1000Å
の膜厚の選択酸化膜62を形成する。尚、図3(a)か
ら後述する図5(a)までは、特にメモリセル部の形成
工程を説明するために用いたメモリセル部の形成領域を
示す断面図である。
【0031】次に、図3(b)に示すように前記ホトレ
ジスト膜を除去した後に、前記開口部61を介して前記
選択酸化膜62上を含む全面にLPCVD法によりおよ
そ4000Åの膜厚のシリコン酸化膜63を形成した後
に(図中の一点鎖線参照)、このシリコン酸化膜63を
エッチバックして前記開口部61内にのみ残膜させて、
シリコン酸化膜63から成る凸部64(後述するコント
ロールゲートをセルフアラインで形成する際の壁の役割
を果たす。)を形成する。続いて、図4(a)に示すよ
うに前記シリコン窒化膜61を除去した後に、選択酸化
膜62をマスクにして前記ポリシリコン膜53及びシリ
コン酸化膜52をエッチングしてフローティングゲート
65を形成する。
【0032】そして、図4(b)に示すように前記フロ
ーティングゲート65や選択酸化膜62や凸部64を含
む全面におよそ300Åの膜厚のトンネル酸化膜66を
形成した後に、全面にポリシリコン膜及びタングステン
シリサイド(WSix)膜から成るおよそ4000Åの
膜厚の導電膜67を形成した後に(図中の点線参照)、
この導電膜67を異方性エッチングして前記凸部64を
中心に前記フローティングゲート65の両側にトンネル
酸化膜66を介してコントロールゲートとなる導電膜6
8A,68Bを形成する。このとき、前記凸部64が、
コントロールゲートとなる導電膜68A,68Bを形成
する際の壁の役割を果たし、この凸部64を中心にして
導電膜67が残膜することになり、結果としてセルフア
ラインでコントロールゲートとなる導電膜68A,68
Bが形成される。尚、前記トンネル酸化膜66は、例え
ば、先ず前記基板51上を熱酸化して基板51上のシリ
コン層とフローティングゲート65の側壁部のポリシリ
コン層におよそ100Åの膜厚のシリコン酸化膜を形成
した後に、全面にLPCVD法によりおよそ150Åの
膜厚のCVD酸化膜であるTEOS(Tetra Ethyl Orth
o Silicate)膜やHTO(High Temperature Oxide)膜
を形成し、更に熱酸化しておよそ300Åの膜厚のトン
ネル酸化膜66を形成している。
【0033】そして、不図示のホトレジスト膜をマスク
にして片側の前記コントロールゲートとなる導電膜68
Bを除去してコントロールゲート68Aを形成する。
尚、前記コントロールゲート68Aは、ポリシリコン膜
から成る単層膜であっても良い。また、図5(b)は、
図5(a)のA−A断面部を示した断面図である。以
下、図5(a)に示すように前記コントロールゲート6
8Aやフローティングゲート65や選択酸化膜62や凸
部64をマスクにして前記基板表層に、例えばリンイオ
ン(31P+)やヒ素イオン(75As+)をイオン注入して
ソース領域69及びドレイン領域70を形成し、前記ド
レイン領域70にコンタクトされる不図示の金属配線等
を形成して不揮発性半導体記憶装置のメモリセルを形成
する。
【0034】このように本発明の不揮発性半導体記憶装
置のデバイス構造及び製造方法では、素子分離膜59と
フローティングゲート65とコントロールゲート68A
とが、それぞれセルフアラインで形成できる。
【0035】このため、従来のようにフローティングゲ
ートとコントロールゲートとのマスクずれによる、隣り
合って対を成すコントロールゲートのゲート長に差が生
じ、対となるセル電流がずれてしまうという問題を抑止
できる。従って、各セル毎に扱う電流値を同程度にする
ことができ、多値化を図る上で有利であると共に、ずれ
分を考慮して設計する必要がなくなり、微細化を図る上
で有利な不発性半導体記憶装置とその製造方法を提供す
ることができる。
【0036】また、前記素子分離膜59が基板51の一
部を削って形成した凹部56内にLPCVD法によるシ
リコン酸化膜58を埋め込み形成しているため、従来の
LOCOS法による素子分離膜に比して、より短い素子
分離領域内に厚い素子分離膜59を形成できるため、素
子分離能力が向上する。
【0037】
【発明の効果】本発明によれば、素子分離膜とフローテ
ィングゲートとコントロールゲートとが、それぞれセル
フアラインで形成できるため、従来のようにフローティ
ングゲートとコントロールゲートとのマスクずれによ
る、隣り合って対を成すコントロールゲートのゲート長
に差が生じ、対となるセル電流がずれてしまうという問
題を抑止できる。従って、各セル毎に扱う電流値を同程
度にすることができ、多値化を図る上で有利であると共
に、ずれ分を考慮して設計する必要がなくなり、微細化
を図る上で有利な不発性半導体記憶装置とその製造方法
を提供できる。
【0038】また、前記素子分離膜が基板の一部を削っ
て形成した凹部内にLPCVD法によるシリコン酸化膜
を埋め込み形成しているため、従来のLOCOS法によ
る素子分離膜に比して、より短い素子分離領域内に厚い
素子分離膜を形成できるため、素子分離能力を向上させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の不発性半導体記憶装置の
製造方法を示す断面図である。
【図2】本発明の一実施形態の不発性半導体記憶装置の
製造方法を示す断面図である。
【図3】本発明の一実施形態の不発性半導体記憶装置の
製造方法を示す断面図である。
【図4】本発明の一実施形態の不発性半導体記憶装置の
製造方法を示す断面図である。
【図5】本発明の一実施形態の不発性半導体記憶装置の
製造方法を示す断面図である。
【図6】従来の不発性半導体記憶装置の製造方法を示す
断面図である。
【図7】従来の不発性半導体記憶装置の製造方法を示す
断面図である。
【図8】従来の不発性半導体記憶装置の製造方法を示す
断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F001 AA09 AA63 AB03 AC02 AC06 AC20 AD12 AD41 AD51 AD60 AF20 AG02 AG03 AG07 AG12 AG21 AG22 5F083 EP02 EP25 ER02 ER05 ER09 ER14 ER22 GA09 GA30 JA35 JA39 NA01 PR12 PR21 PR29 PR36 ZA21

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一導電型のシリコン基板上に形成された
    シリコン酸化膜及び第1の導電膜から成るフローティン
    グゲートと、 前記フローティングゲートを挟むように形成された素子
    分離膜と、 前記フローティングゲートの上部に形成された選択酸化
    膜と、 前記選択酸化膜の上部に形成されたシリコン酸化膜から
    成る凸部と、 前記凸部や前記選択酸化膜を介して前記フローティング
    ゲートを被覆するように形成されたトンネル酸化膜と、 前記トンネル酸化膜を介して前記フローティングゲート
    の一端部上に重なるように形成された第2の導電膜から
    成るコントロールゲートと、 前記フローティングゲート及び前記コントロールゲート
    に隣接する前記基板の表面に形成された逆導電型の拡散
    領域とを備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装
    置。
  2. 【請求項2】 一導電型のシリコン基板上にシリコン酸
    化膜及びフローティングゲート形成用の第1の導電膜と
    を形成する工程と、 前記第1の導電膜や前記シリコン酸化膜や前記シリコン
    基板の一部をエッチング除去して凹部を形成した後にこ
    の凹部を介して前記基板表層に一導電型の不純物をイオ
    ン注入してチャネルストッパ形成用のイオン注入領域を
    形成する工程と、 前記凹部を含む基板上にLPCVD法によりシリコン酸
    化膜を形成した後にこのシリコン酸化膜をエッチバック
    して前記凹部内に残膜させて素子分離膜を形成する工程
    と、 前記凹部内に形成された素子分離膜上を含む基板上に開
    口部を有する耐酸化性膜を形成した後にこの開口部を介
    して前記第1の導電膜の表層を選択酸化して当該第1の導
    電膜の上部に選択酸化膜を形成する工程と、 前記耐酸化性膜の開口部を介して前記選択酸化膜上に埋
    設されたシリコン酸化膜から成る凸部を形成する工程
    と、 前記耐酸化性膜を除去した後に前記選択酸化膜を介して
    前記第1の導電膜をパターニングしてフローティングゲ
    ートを形成する工程と、 前記凸部や前記選択酸化膜を介して前記フローティング
    ゲートを被覆するようにトンネル酸化膜を形成する工程
    と、 前記トンネル酸化膜を介して前記フローティングゲート
    の一端部上に重なるように第2の導電膜から成るコント
    ロールゲートを形成する工程と、 前記フローティングゲート及び前記コントロールゲート
    に隣接するように前記基板表面に逆導電型の不純物をイ
    オン注入して逆導電型の拡散領域を形成する工程とを備
    えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方
    法。
JP36684398A 1998-12-24 1998-12-24 不揮発性半導体記憶装置の製造方法 Expired - Fee Related JP3954744B2 (ja)

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