JP3233998B2 - 不揮発性半導体記憶装置の製造方法 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置の製造方法

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JP3233998B2 JP22988692A JP22988692A JP3233998B2 JP 3233998 B2 JP3233998 B2 JP 3233998B2 JP 22988692 A JP22988692 A JP 22988692A JP 22988692 A JP22988692 A JP 22988692A JP 3233998 B2 JP3233998 B2 JP 3233998B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、浮遊ゲートと制御ゲー
トを有するメモリセルアレイを用いた不揮発性半導体記
憶装置に係わり、特に浮遊ゲートを分割構造にした不揮
発性半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、不揮発性半導体記憶装置として
は、電気的書替え可能なEEPROMが注目されてい
る。トンネル電流を利用して浮遊ゲートと基板間電荷の
授受を行うEEPROMのメモリセルには、チャネル領
域上全面にトンネル電流が流れ得る薄いゲート絶縁膜を
形成して浮遊ゲートを設けたFETMOS型と、特定の
書き替え領域にのみトンネル電流が流れ得る薄いゲート
絶縁膜を形成したFLOTOX型とがある。
【0003】図11図(a)(b)は、それぞれ従来の
FETMOS型メモリセルのセル部分の上面図及び断面
図である。Si基板1上に素子分離絶縁膜2が形成さ
れ、この素子分離絶縁膜2で囲まれた領域に第1ゲート
絶縁膜3を介して第1層多結晶シリコンからなる浮遊ゲ
ート4が形成されている。浮遊ゲート4は、一部素子分
離絶縁膜2上に延在するようにパターン形成されてい
る。浮遊ゲート4上には、さらに第2ゲート絶縁膜5を
介して第2層多結晶シリコン膜からなる制御ゲート6が
積層形成されている。メモリセルをビット線に接続する
ための選択ゲート7は、例えば浮遊ゲート4と制御ゲー
ト6の形成工程で同時に形成される。制御ゲート6及び
選択ゲート7をマスクとして不純物がイオン注入されて
ソース,ドレインとなるn+ 型層8が形成されている。
【0004】このメモリセルは、浮遊ゲート4の電子の
帯電状態に応じて異なるしきい値を“0”,“1”に対
応させることにより、情報を不揮発に記憶する。浮遊ゲ
ート4に電子を注入するには、制御ゲート6に20V程
度の高電圧を印加し、ドレインを0Vとして基板からの
F−Nトンネリングを利用する。これにより、メモリセ
ルのしきい値は正方向に移動する。浮遊ゲート4の電子
を基板に放出させるには、制御ゲートを0Vとし、ドレ
インに20V程度の高電圧を印加して、やはりF−Nト
ンネリングを生じさせる。これらの動作の一方がデータ
書き込みに、他方がデータ消去に用いられる。
【0005】実際のパターン上では、メモリセルの集積
密度を高めるため、二つのメモリセルのドレインを共通
にしてここに列線がコンタクトするようにしてメモリセ
ル占有面積を小さくしている。しかしこれでも、二つの
共通ドレイン毎に列線とのコンタクト部を必要とし、こ
のコンタクト部がセル占有面積の大きい部分を占めてい
る。
【0006】これに対して最近、メモリセルを複数個直
列接続してNANDセルを構成し、コンタクト部を大幅
に減らすことを可能としたEEPROMが提案されてい
る。このNANDセルでは、一括して浮遊ゲートに電子
を注入する全面消去(一括消去)を行った後、選択され
たメモリセルの浮遊ゲートの電子を放出させる書込みを
行う。全面消去時には制御ゲートを“H”レベルとし、
ドレインは“L”レベルとする。選択書込み時には、ソ
ース側のメモリセルから順にドレイン側のメモリセルへ
と書込んでいく。この場合、選択されたメモリセルとド
レインが“H”レベル,制御ゲートが“L”レベルとさ
れ、これにより浮遊ゲートから電子が基板に放出され
る。なお、選択されたメモリセルよりもドレイン側にあ
る非選択メモリセルでは、ドレインに印加された書込み
用の高電位が選択されたメモリセルまで伝達されるよう
に、制御ゲートにはドレインと同程度の“H”レベルが
印加される。
【0007】このNANDセルのレイアウトでは、理論
的には直列接続するメモリセル数を増やすことで、コン
タクト部の占有面積を限りなくゼロに近づけることが可
能となり、最小加工寸法で形成される制御ゲートピッチ
と、ビット線ピッチにより、メモリセルの最小寸法は決
定される。即ち、制御ゲートピッチをLC ,ビット線ピ
ッチをLB とすれば、1ビット当りの占有面積の最小値
は、 LC ×LB となる。しかしながら、LC ,LB の微細化には自ずか
ら限界があり、従来のメモリセル構造ではメモリ容量の
増大に限界が来つつあるという問題があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、浮遊
ゲートと制御ゲートを持つ不揮発性半導体記憶装置にお
いては、制御ゲートピッチとビット線ピッチで規定され
るメモリセルに1ビットの情報しか記憶できないため、
メモリセルの高集積化の限界からメモリ容量のさらなる
増大は困難であるという問題があった。
【0009】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、1つのメモリセルに複
数ビットの情報を記憶させることができ、メモリ容量の
増大及び高集積化をはかり得る不揮発性半導体記憶装置
を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、浮遊ゲ
ートを分割構造として1個のメモリセルに複数ビットの
情報を記憶させることにある。
【0011】即ち本発明は、半導体基板上に浮遊ゲート
及び制御ゲートを積層形成し、浮遊ゲートへの電荷の授
受により書込み・消去を行うメモリセルを備えた不揮発
性半導体記憶装置において、メモリセルの浮遊ゲートを
チャネル長方向に分割したことを特徴とする。
【0012】また本発明は、半導体基板上に浮遊ゲート
と制御ゲートが積層形成され、浮遊ゲートと基板間の電
荷の授受により電気的書替えが行われるメモリセルを複
数個直列接続してNAND型のメモリセルユニットを形
成し、このメモリセルユニットをマトリックス配置した
不揮発性半導体記憶装置において、メモリセルの浮遊ゲ
ートをチャネル長方向に分割したことを特徴とする。
【0013】ここで、浮遊ゲートの分割数は2個又はそ
れ以上でもよい。分割数により記憶できる情報数が変化
するが、例えば2個に分割した場合は4つ(2ビット)
又は3つの情報を記憶することができる。分割した各浮
遊ゲートの長さは必ずしも同じにする必要はなく、所望
するしきい値に応じて適宜長さを変えるようにしてもよ
い。
【0014】
【作用】本発明によれば、メモリセルの浮遊ゲートを分
割構造としているので、1個のメモリセルの複数の浮遊
ゲートに独立な書込みを行うことが可能となる。このた
め、最小加工寸法で規定される1つのメモリセル内に多
値の情報を蓄積・読出しすることができる。従って、見
かけ上のメモリセル占有面積を変えることなく、メモリ
容量を2倍若しくはそれ以上に増加させることができ、
大幅な大容量化が可能となる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【0016】図1は、本発明の第1の実施例に係わるメ
モリセルの概略構成及び電荷蓄積状態を示す図である。
p型Si基板10の表面層に所定距離離間してソース・
ドレイン領域(n+ 型層)11,12が形成されてい
る。このソース・ドレイン領域11,12間のチャネル
領域上には、第1のゲート絶縁膜13を介して第1層多
結晶Siからなる浮遊ゲート14が形成されている。こ
の浮遊ゲート14はチャネル長方向に2分割されてい
る。分割された浮遊ゲート14(14a,14b)上に
は、第2のゲート絶縁膜15を介して第2層多結晶Si
からなる制御ゲート16が形成されている。
【0017】このように構成された装置において、デー
タ消去を行うには、浮遊ゲート14の電子を引抜く又は
浮遊ゲート14に電子を一括注入する。また、紫外線を
照射してもよい。
【0018】データ書込みを行うには、F−Nトンネリ
ング又はホットエレクトロンによって、ソース側,ドレ
イン側の浮遊ゲート14a,14bに選択的に電子を注
入する。また、全ての浮遊ゲート14に電子を注入した
後に、ソース側,ドレイン側より選択的に電子を引抜い
てもよい。この書込みにより、図1(a)〜(d)に示
すように浮遊ゲート14の蓄積状態は4つの状態を取り
得る。
【0019】ここで、(a)は浮遊ゲート14a,14
bのいずれも電子を蓄積していない状態、(b)は浮遊
ゲート14aのみが電子を蓄積している状態、(c)は
浮遊ゲート14bのみが電子を蓄積している状態、
(d)は浮遊ゲート14a,14bが共に電子を蓄積し
ている状態を示している。
【0020】データ読出しを行うには、図1(a)〜
(d)に示す4つの状態に応じて図2(a)に示すよう
にメモリセルトランジスタのしきい値電圧がシフトする
ため、これを電流センスすることで4値の読出しが可能
となる。ここで、浮遊ゲート14a,14bの長さは必
ずしも等しくする必要はなく、電流センスのマージンが
最大となるように調整可能である。また、図2(b)に
示すように、図1(b)(c)を1つのモードとして扱
い、3値として動作させてもよい。
【0021】このように本実施例によれば、浮遊ゲート
14を2つに分割しそれぞれに独立して電荷を注入又は
排出することができるため、浮遊ゲート14の蓄積状態
に応じてしきい値が4つの状態にシフトする。このた
め、4値のデータを記憶することができる。つまり、1
つのメモリセルで2ビットの情報を記憶することができ
る。従って、メモリセルの占有面積を増大させることな
く、メモリ容量の増大をはかることができる。
【0022】図3は、本発明をNAND型EEPROM
に適用した第2の実施例であり、EEPROMの一つの
NANDセル部のレイアウトを示している。また、図4
は図3の矢視A−A′断面を示し、図5はNANDセル
の等価回路を示している。
【0023】図3に示すように本実施例では、4個のメ
モリセルM1〜M4と2個の選択トランジスタS1,S
2をそれらのソース,ドレインを直列接続して一つのN
ANDセルを構成している。このようなNANDセルが
複数個マトリクス配列されてメモリアレイが構成され
る。NANDセルのドレインは選択トランジスタS1を
介してビット線に接続される。NANDセルのソースは
選択トランジスタS2を介して接地線に接続される。こ
の実施例では、4個のメモリセルで一つのNANDセル
を構成しているが、一般に2n 個のメモリセルで一つの
NANDセルを構成することができる。
【0024】この実施例のメモリセル構造は、図4の断
面図に示すように第1の実施例と基本的に同じであり、
Si基板30上に浮遊ゲート34,制御ゲート36及び
ソース・ドレイン領域32を形成してメモリセルMが構
成される。具体的には、浮遊ゲート341a,341b
〜,344a,344bと制御ゲート361 〜364 及びソ
ース・ドレイン領域32を形成して4つのメモリセルM
1〜M4が構成される。そして、メモリセルM1〜M4
のソース・ドレインであるn型拡散層32が隣接するも
の同士共用する形で、メモリセルM1〜M4の4個が直
列に接続されている。
【0025】NANDセルのドレイン側,ソース側には
それぞれ、メモリセルの制御ゲート36と同時に形成さ
れた選択ゲート365 ,366 が設けられて選択トラン
ジスタS1,S2が形成されている。素子形成された基
板上はCVD酸化膜37で覆われ、この上にビット線3
8が配設されている。ビット線38はNANDセルの一
端のドレイン側拡散層32にコンタクトさせている。行
方向に並ぶNANDセルの制御ゲート36は共通に制御
ゲート線として配設されている。これらの制御ゲート線
はワード線となる。選択ゲート365 ,366 もそれぞ
れ行方向に連続的に選択ゲート線として配設されてい
る。
【0026】1つのメモリセル例えばM1を例にとれ
ば、浮遊ゲート341a,341bに独立に書込みを行うこ
とで、4つの状態を記憶することができ、これを電流セ
ンス型アンプ若しくはA/Dコンバータに接続すること
で、2ビットの読出しが可能となる。
【0027】このメモリセルの動作を、図6を用いて詳
しく説明する。図6(a)は、制御ゲート36に垂直な
断面図で1メモリセルを表す。浮遊ゲート34a及び3
4bは、図6(a)に示すように同じ大きさである必要
はない。まず、一括して浮遊ゲート34a,34bに電
子を注入する全面消去を行った後、例えば浮遊ゲート3
4aに書込む場合には、ソースを“H”レベル,制御ゲ
ートを“L”レベルにすることで、浮遊ゲート34aの
電子を基板30に放出させる。浮遊ゲート34b側に書
込む場合には、ドレインを“H”レベル,ソース側を
“L”レベルにすればよい。この操作により1つのメモ
リセルに4つの状態を記憶させることができる。
【0028】図6(b)は、図6(a)のメモリセルを
示す等価回路図である。図6(c)は、このメモリセル
のId −Vd 特性を示したものである。このように読出
しにおいては、4つの状態は、MOSトランジスタのO
N抵抗の形で読出すことが可能であり、これを電流セン
ス形アンプ,A/Dコンバータに入力することで2ビッ
トの情報に変換できる。なお、この際、このMOSトラ
ンジスタは、ノーマリ・オン型になるように、Vthの初
期値をコントロールしておく必要がある。
【0029】上記のメモリセルの書込み,読出しは浮遊
ゲート34,制御ゲート36,n型拡散層32及び基板
電位を制御することにより、各々のメモリセル毎に行う
ことができる。このため、1つのNANDセルユニット
で8ビットのデータの記憶が可能となる。
【0030】このように本実施例によれば、NANDセ
ル型の特長である高集積化を実現できるのは勿論のこ
と、浮遊ゲートを分割構造にしているので、1つのメモ
リセルで2ビットのデータを記憶することができ、従来
のNANDセルに比して同じ占有面積でありながら2倍
のメモリ容量を実現することができる。
【0031】次に、本発明のメモリセルの製造工程を、
図7〜図10を参照して説明する。図7では、まず
(a)に示すようにp型シリコン基板(又はn型シリコ
ン基板に形成されたp型ウェル)50上に、熱酸化によ
って5〜20nmの第1ゲート酸化膜53を形成する。
続いて、全面に例えばシリコン窒化膜を50〜400n
mを堆積し、RIEなどによりパターニングし、幅0.
1μm程度のフェンス61を形成する。その後、全面に
浮遊ゲートを形成するための第1層多結晶シリコン膜5
4を50〜400nm堆積する
【0032】次いで、図7(b)に示すように、酸化シ
リコン微粒子研濁液等を用いたポリッシング工程を用い
て、シリコン膜54を平坦化した後、素子分離領域上で
選択的に多結晶シリコン膜54をエッチングすることに
より、浮遊ゲートの一方向の分離を行う。これによって
多結晶シリコン膜54は、フェンス61により54aと
54bに分離される。
【0033】次いで、図7(c)に示すように、多結晶
シリコン膜54上に第2ゲート絶縁膜55を約10〜3
0nm形成した後、制御ゲートとなる第2層多結晶シリ
コン膜56を約400nm程度形成し、その上に例えば
SiN膜62を約100nm形成する。その後、選択的
に制御ゲートとなるようにレジストパターン(図示せ
ず)を形成し、このレジストパターンをマスクにSiN
膜62,多結晶シリコン膜56,第2ゲート絶縁膜5
5,多結晶シリコン膜54a,54bを順次エッチング
する。その後、レジストパターンをO2 アッシャーによ
り除去する。
【0034】次いで、図7(d)に示すように、基板5
0の表面にソース・ドレインとなる拡散層51をイオン
注入にて形成する。その後、例えば熱酸化法によって、
浮遊ゲート,制御ゲート側壁に15〜45nm程度の絶
縁膜63を形成する。これ以降は、通常の工程によりビ
ット線及び金属配線の工程を行う。
【0035】浮遊ゲートを分割形成する方法では、フェ
ンスを設けることなく、第8図に示すような工程を用い
てもよい。即ち、図8(a)に示すように、第1ゲート
酸化膜53、浮遊ゲートとなる多結晶シリコン膜54を
堆積した後、0.1μm程度のスペースが形成されるよ
うに、レジスト64のパターニングを行う。この際、エ
ッジ利用型位相シフトマスクと、ネガレジストを用いて
もよい。
【0036】次いで、図8(b)に示すように、レジス
トパターン64をマスクに第1のエッチングを行う。次
いで、図8(c)に示すように、多結晶シリコン膜54
を酸化し溝を埋めたところで、制御ゲートとなる多結晶
シリコン膜56を堆積する。続いて、図7と同じ工程
で、制御ゲート及び浮遊ゲートの加工を行う。
【0037】また、浮遊ゲートの分割数は2分割に限る
ものではなくらず、それ以上でもよい。浮遊ゲートを3
分割した例を図9に、浮遊ゲートを4分割した例を図1
0に示す。
【0038】3分割の場合、まず図9(a)に示すよう
に、Si基板50上に、第1ゲート酸化膜53,多結晶
シリコン膜54を形成した後、レジストパターン65を
形成する。次いで、図9(b)に示すように、レジスト
パターン65によって多結晶シリコン膜54を加工し、
酸化等によって絶縁膜66を形成した後に、さらに多結
晶シリコン膜54′を、多結晶シリコン膜54と同じ厚
さだけ堆積する。
【0039】次いで、図9(c)に示すように、ポリッ
シングを行い平坦化する。次いで、図9(d)に示すよ
うに、第2のゲート酸化膜55を形成し、これ以降は図
7の例と同じく、制御ゲート,浮遊ゲートの形成を行
う。
【0040】4分割の場合、まず図10(a)に示すよ
うに、基板50上にCVD酸化膜71を500〜100
0nmを堆積し、エッチングによって凹部を形成する。
ここで、露出した基板50を酸化し、第1ゲート酸化膜
53を形成した後、多結晶シリコン膜54を堆積する。
次いで、図10(b)に示すように、多結晶シリコン膜
54を全面エッチングして側壁残し工程を行った後、表
面を酸化して酸化膜72を形成する。さらに、この上に
多結晶シリコン膜54′を堆積する。
【0041】次いで、図10(c)に示すように、多結
晶シリコン膜54′の全面エッチングによる側壁残しを
行った後、表面を酸化して酸化膜73を形成する。これ
により、絶縁された4つの浮遊ゲートが形成された。次
いで、ポリッシング等により表面を平坦化した後、図1
0(d)に示すように、第2ゲート酸化膜55,制御ゲ
ートとなる多結晶シリコン膜56を堆積し、図7の例と
同様にして、制御ゲートの形成を行う。
【0042】以上の製造工程で重要なポイントは、最小
デザインルールは制御ゲート幅であり、浮遊ゲートをそ
れ以下のサイズに分割形成する点である。このことによ
り、見かけ上、メモリセルの占有面積を増加させること
なく、メモリ容量の増大が可能となる。
【0043】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。浮遊ゲートの大きさの比及び分割数
は実施例で示したものに限るものではなく、仕様に応じ
て適宜変更可能である。また、EEPROMに限らず、
紫外線消去型式のEPROMにも同様に適用できる。さ
らに、メモリセルがFETMOS型でなく、FLOTO
X型の場合も同様に本発明を適用することが可能であ
る。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することができる。
【0044】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、浮遊
ゲートを分割構造として1個のメモリセルに複数ビット
の情報を記憶させることにより、制御ゲートピッチとビ
ット線ピッチによって規定される最小単位のメモリセル
の占有面積を増大させることなく、メモリ容量を2倍又
はそれ以上に増大させることができ、不揮発性半導体記
憶装置の高性能化と高集積化をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例に係わるEEPROMの構成及び
動作を示す図、
【図2】第1の実施例の動作を説明するための特性図、
【図3】第2の実施例に係わるNANDセル型EEPR
OMのアレイ構造を示す図、
【図4】図3の矢視A−A′断面図、
【図5】図3のNANDセルの等価回路図、
【図6】図3のメモリセル動作を説明するための図、
【図7】メモリセルの製造工程を示す断面図、
【図8】メモリセルの製造工程を示す断面図、
【図9】メモリセルの製造工程を示す断面図、
【図10】メモリセルの製造工程を示す断面図、
【図11】従来のEEPROMの構成を示す平面図及び
断面図。
【符号の説明】
10,30…p型Si基板、 11,12,32…ソース・ドレイン領域(n+
層)、 13…第1ゲート絶縁膜、 14,14a,14b,34,341a〜344b…浮遊ゲ
ート、 15…第2ゲート絶縁膜、 16,36,361 〜364 …制御ゲート、 365 ,366 …選択ゲート。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 敬 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 平3−141676(JP,A) 特開 昭63−274180(JP,A) 特開 昭62−94987(JP,A) 特開 昭61−50369(JP,A) 特開 昭56−126974(JP,A) 特開 平3−290960(JP,A) 特開 平4−14255(JP,A) 特開 平4−336469(JP,A) 特開 平5−82793(JP,A) 特開 平4−76955(JP,A) 特開 平3−283662(JP,A) 特開 平3−1575(JP,A) 特開 平2−3986(JP,A) 特開 平1−262669(JP,A) 特開 平1−212472(JP,A) 特開 昭60−65576(JP,A) 特開 昭51−77184(JP,A) 実開 平2−58349(JP,U) 実開 昭56−32464(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 29/788 H01L 29/792

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形成
    する工程と、 前記第1のゲート絶縁膜上に第1の絶縁膜を選択的に形
    成する工程と、 前記第1のゲート絶縁膜上に第1の導電膜を形成する工
    程と、 前記第1の導電膜を選択的に除去して前記第1の絶縁膜
    により分離された浮遊ゲートを形成する工程と、 前記浮遊ゲート及び前記第1の絶縁膜の上に第2のゲー
    ト絶縁膜を形成する工程と、 前記第2のゲート絶縁膜上に制御ゲートを形成する工程
    とを有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の
    製造方法。
  2. 【請求項2】半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形成
    する工程と、 前記第1のゲート絶縁膜全面に浮遊ゲートとすべき第1
    の導電膜を形成する工程と、 前記第1の導電膜を分離する溝部を選択的に形成する工
    程と、 前記第1の導電膜上に第2のゲート絶縁膜を形成する工
    程と、 前記第2のゲート絶縁膜上に制御ゲートとすべき第2の
    導電膜を形成する工程と、 前記溝部を挟んで前記第1の導電膜が残存するように、
    前記第1の導電膜、前記第2のゲート絶縁膜及び前記第
    2の導電膜を選択的に除去する工程とを有することを特
    徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  3. 【請求項3】半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形成
    する工程と、 前記第1のゲート絶縁膜上に第1の導電膜を形成する工
    程と、 前記第1の導電膜を選択的に除去し、第一の浮遊ゲート
    を形成する工程と、 前記第1の浮遊ゲートの側面及び上面に絶縁膜を形成す
    る工程と、 少なくとも前記第1の浮遊ゲート同士の間の空間を埋め
    込むように第2の導電膜を形成する工程と、 前記第1の浮遊ゲート上に形成されている前記第2の導
    電膜及び前記第1の浮遊ゲート上面の前記絶縁膜を除去
    し平坦化する工程と、 前記第1の浮遊ゲート及び第2の導電膜上に第2のゲー
    ト絶縁膜を形成する工程と、 前記第2のゲート絶縁膜上に制御ゲートとすべき第3の
    導電膜を形成する工程と、 前記第1の浮遊ゲートの側面に、前記絶縁膜を介して形
    成されている前記第2の導電膜の少なくとも一部が残存
    するように、前記第3の導電膜、第2のゲート絶縁膜、
    第2の導電膜を選択的に除去する工程と を有することを
    特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
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