JP2006261668A - スプリットゲート型不揮発性メモリ装置及びその製造方法 - Google Patents

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喜錫 田
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姜 盛澤
Seung-Beom Yoon
勝範 尹
Jeong-Uk Han
韓 晶▲ウク▼
Ryutai Kin
龍泰 金
Bo-Young Seo
輔永 徐
Hyok-Ki Kwon
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Abstract

【課題】不揮発性メモリ装置及びその製造方法が提供される。
【解決手段】本発明によるスプリットゲートメモリ素子は浮遊ゲートカップリング割合が増加した構造を有し、その結果、プログラム及び消去動作での效率及び性能が改善する。
【選択図】図2A

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に係り、さらに具体的には、プログラム及び消去効率及び性能の改善のために、増加した浮遊ゲートカップリングの割合を提供する構造を有するスプリットゲート型不揮発性メモリ装置及びその製造方法に関する。
一般的に、不揮発性メモリ装置は電源が供給されない場合にも貯蔵されたデータを維持する電子部品であり、小さい消費電力が要求される(無線通信装置、メモリカード及びスマートカードなどのような)多様なポータブル電子製品に用いられている。前記不揮発性メモリ装置は大きくEPROM(Erasable and Programmable Read Only Memory)素子、EEPROM(Electrically Erasable and Programmble Read Only Memory)素子、及びフラッシュメモリなどに分類されることができる。より具体的には、前記不揮発性メモリはスプリットゲート型、浮遊ゲート型及びEEPROM型に区別することもできる。この際、前記スプリットゲート型不揮発性メモリは(低い製造費用、システム再プログラムの可能性及び高い信頼性を有する不揮発性を提供する手段として)多様な電子製品(特に、内蔵システム(embedded systems)で採用されている。
図1Aは通常のスプリットゲート不揮発性メモリ素子を示す工程断面図である。具体的に、図1AはP型半導体基板層11上に形成される一対のスプリットゲート型メモリセルM1及びM2を示す。前記半導体基板11には複数個のN型拡散領域12、13が形成される。前記一対のセルM1及びM2の間の前記拡散領域12はこれらによって共有される共通ソース領域として使用され、他の拡散領域13は各セルのドレイン領域として使用される。前記メモリセルM1及びM2は前記共通ソース領域12に対して鏡対称的構造を有する。具体的に、前記メモリセルの各々M1及びM2は前記共通ソース領域12と前記ドレイン領域13との間に配置されたチャネル領域14、浮遊ゲート15、制御ゲート16、ゲート絶縁膜17、前記浮遊ゲート15上に形成されたシリコン酸化膜18、及びトンネル絶縁膜19を具備する。
前記浮遊ゲート15は電気的に孤立したゲート電極であり、前記チャネル領域14の一部及び前記共通ソース領域12の一部と重畳されるように形成される。前記制御ゲート16は前記チャネル領域14の前記ドレイン領域13に隣接する一部及び前記浮遊ゲート15の側壁及び上部面と重畳されるように形成される。前記ゲート絶縁膜17は前記基板11上に形成され、前記浮遊ゲート15及び前記制御ゲート16を前記基板11から絶縁させる。前記シリコン酸化膜18はシリコン局所酸化工程(local oxidationof silicon process;LOCOS process)を利用して、前記浮遊ゲート15上に形成する。前記トンネル絶縁膜19は前記浮遊ゲート15及び制御ゲート16の間に配置され、前記浮遊ゲート15の一側壁及び前記チャネル領域14の一部分を覆う。
従来技術の一実施形態によると、各制御ゲート16は列方向(すなわち、図面ページに垂直な方向)に延長されて各メモリセルを列方向に連結するワードラインとして使用される。前記メモリセルM1及びM2上には層間絶縁膜20が形成される。前記層間絶縁膜20上に第1金属層を形成した後、これをパターニングして、コンタクトプラグ21を通じて前記共通ソース領域12に連結される共通ソースライン22を形成する。前記共通ソースライン22は前記ワードライン(すなわち、前記制御ゲート16)と同一方向に延長される。前記ドレイン領域13は第2金属層から形成されて前記列方向に垂直な方向に延長される共通ビットライン(図示しない)によって連結される。共通ソースを共有する各列の対はページを形成する。
一般的に、前記メモリセルM1及びM2は各浮遊ゲート電極15に貯蔵された電荷量に応じて、論理“1”または“0”に設定される。具体的に、前記メモリセルトランジスタは前記浮遊ゲート15に貯蔵された電荷量に応じて高いスレッショルド電圧状態(すなわち、非導電状態)または低いスレッショルド電圧状態(すなわち、導電状態)のうち一つになり、前記導電及び非導電状態は読み出し動作で互いに異なる論理値に出力される。
事実上、各メモリセルはメモリトランジスタと読み出し/選択トランジスタが直列連結された構造を有する。この際、前記メモリトランジスタは前記浮遊ゲート15及び前記浮遊ゲート15に重畳されたチャネル領域14の一部分で構成され、前記読み出し/選択トランジスタは前記制御ゲート16及び前記制御ゲート16に重畳された前記チャネル領域14の一部分で構成される。前記チャネルを通じて流れる電流は前記メモリ及び読み出し/選択トランジスタの組合によって制御される。この際、前記浮遊ゲート15はそこに貯蔵された電荷量に応じて該当のメモリセルの論理状態を変化させるオン/オフスイッチとして動作する。
プログラムされた状態(すなわち、高いスレッショルド電圧状態)の場合、前記浮遊ゲート電極15には過剰電子(excess of electrons)が貯蔵される。前記メモリセルM1及びM2は、前記チャネル14を流れる電子は前記ゲート絶縁膜17を通過して前記浮遊ゲート15に注入するCHE SSI(Channel Hot Electron source side injection)として知られた技術を用いて高いスレッショルド電圧状態にプログラムされる。このようなホットチャネル注入された電子(hot channel injected electrons)は前記浮遊ゲート電極15にトラップされて、前記浮遊ゲート15に印加される電圧を低める役割を果たす。その結果、前記メモリセルが非導電状態から導電状態へ変化するために要求されるスレッショルド電圧が増加する。読み出し動作の場合、前記マイナスに荷電された浮遊ゲート15(negatively charged floating gate)は前記読み出し/選択トランジスタの制御ゲート16に印加されるプラスの電圧によって生成される電場を弱化させる。その結果、前記プログラムされたメモリセルは非導電状態になる。なぜなら、読み出し動作の間前記制御ゲート16に正常読み出し/選択制御電圧が印加される場合、前記プログラムされたメモリセルのソース−ドレインの間には電流が流れないためである。
一方、プログラムされない状態(すなわち、低いスレッショルド電圧状態)の場合、前記浮遊ゲート15は前記プログラムされた状態に比べてマイナス電荷が不足である。特に、消去動作の間、前記浮遊ゲート15の電子はFNトンネリング(Fowler-Nordheim tunneling)として知られた現象によって、前記トンネル酸化膜19を通過して前記制御ゲート16に抜ける。前記メモリセルが消去されれば、前記浮遊ゲート15は放電してプラスの電荷(positive charge)が多くなり、その結果、前記メモリセルトランジスタは前記制御ゲート16に印加される電圧に応じて“ON”または“OFF”に変わるのが可能になる。すなわち、前記メモリセルが消去されれば、前記浮遊ゲート15に印加されるプラスの電圧は前記浮遊ゲート15下のチャネル領域14の一部を反転させる。しかし、非プログラムされた状態の場合、前記チャネル領域14を流れる電流は前記制御ゲート16に印加される電圧により制御される。
図1Bは消去、プログラム及び読み出し動作に対する前記メモリセルM1及びM2の通常の動作条件を示すテーブルである。図1Bに示した通常の方法において、読み出し電圧は1.8Vに設定される。オン状態(すなわち、低いスレッショルド電圧状態/プログラムされない状態)のメモリセルのスレッショルド電圧Vthは−0.5V乃至0.8Vの範囲にあり、オフ状態(すなわち、高いスレッショルド電圧状態/プログラムされた状態)のメモリセルのスレッショルド電圧Vthはおおよそ3.2V乃至4.7Vの範囲にある。
図1Bに示した読み出し動作を実行するための動作電圧を参照すると、読み出しサイクルの間、1.8Vの読み出し電圧が前記制御ゲート16(ワードライン)に印加され、前記ソース12及び基板11には0Vが印加され、前記ドレイン領域13(ビットライン)には0.8Vの電圧が印加される。このような条件下で、選択されたメモリセルが“高いスレッショルド電圧”または“オフ”状態であれば、前記メモリトランジスタは非導電状態になる。その結果として前記選択されたビットラインを通じて流れる電流はなくなるようになり、このような電流の非存在はセンシング回路で選択されたメモリセルが論理“0”と判別するようにする。一方、選択されたメモリセルが“低いスレッショルド電圧”または“オン”状態であれば、前記メモリトランジスタは導電状態になる。その結果として前記選択されたビットラインを通じて流れる電流があるようになり、このような電流の存在はセンシング回路で選択されたメモリセルが論理“1”と判別するようにする。
図1Bは前記浮遊ゲート15を放電させる消去動作の動作電圧を示す。消去動作の間、前記ドレイン13、ソース12及び基板11には0Vが印加され、前記制御ゲート16には12V以上の所定電圧が印加される。前記制御ゲート16に印加される高電圧は、前記浮遊ゲート15内の電子を前記トンネル絶縁膜19を通過して前記制御ゲート16に移動させるFNトンネリングを起こす強い電場を生成する。消去の間、強い電場は前記浮遊ゲート15のわくに形成された鋭い(acute)領域15aに集中して(図1A参照)、前記FNトンネリングはこのような鋭い領域15aのあたりで発生される。前記FNトンネリングによってマイナス電荷が前記浮遊ゲート15から抜けてプラス電荷が前記浮遊ゲート15に蓄積されることによって、前記トンネル酸化膜19の両側の電位差は徐々に減少するようになる。前記FNトンネリングは前記トンネル酸化膜19の両側の電位差が前記FNトンネリングメカニズムが維持されることができる大きさより小さくなるまで続くであろう。上述のように、読み出し動作で前記メモリセルは前記浮遊ゲート15のプラス電荷によって導電状態になるので、前記浮遊ゲート15のプラス電荷は前記メモリセルを“低いスレッショルド電圧”状態にさせ、その結果、前記メモリセルは論理“1”にセンシングされる。
図1Bはプログラム動作のための動作電圧を示す。上述の言及のように、前記メモリセルM1、M2はCHE SSIを通じてプログラムされる。プログラムの間、前記制御ゲート16下のチャネル領域14を活性化させるのに十分な電圧である1.5Vが前記制御ゲート16に印加される。また、前記ドレイン13には0.5Vの電圧が印加され、前記基板11には0Vの電圧が印加され、前記ソース12には前記ソースライン22を通じて9Vという相対的に大きいソース電圧が印加される。このようなソースとドレインとの間の電圧差は前記CHE(Channel Hot Electron)を発生させる。前記ソース電圧は(前記浮遊ゲート15と前記チャネル14との間の電場を生成させる)キャパシタンスC1を通じて前記浮遊ゲート15と容量結合(capacitively coupled)する。前記電子は前記ドレイン13から前記ソース12へ流れながら運動エネルギーを得て、このような電子の経路は前記浮遊ゲートと基板との間の電場によって変更する。前記基板−ゲート絶縁膜障壁(Si−SiObarrier)を超える程度に十分なエネルギーを有する電子は前記チャネル14から前記ゲート酸化膜17を通過して前記浮遊ゲート電極15を向けて加速された後、前記浮遊ゲート電極15にトラップされる。マイナス電荷が前記浮遊ゲート15に蓄積されることによって、消去段階の間生成されたプラス電荷は中和され、その結果として電圧差が前記注入メカニズムを維持するのに十分ではなくなると、前記CHE注入(injectio)は中断される。上述のように、読み出し動作で前記メモリセルは前記浮遊ゲート15のマイナス電荷によって非導電状態になるので、前記浮遊ゲート15のマイナス電荷は前記メモリセルを“高いスレッショルド電圧”状態にさせ、その結果、前記メモリセルは論理“0”にセンシングされる。
図1Aに示した通常のスプリットゲートメモリ構造が他の通常の不揮発性メモリ構造に比べて長所を持っても、図1Aに示したスプリットゲートメモリ構造はデータ維持(data retention)及びサイクリング耐性(cycling endurance)の側面で脆弱でありうる。例えば、上述の指摘のように、前記浮遊ゲート15から前記トンネル酸化膜19を通過して前記制御ゲート16にトンネリングを起こすためには、消去動作は前記制御ゲート16に(おおよそ12V以上の)高電圧を印加する必要がある。しかし、前記制御ゲート16にそのような高電圧を続いて印加する場合、前記トンネリング膜19の絶縁性物質はストレスによって劣化されるおそれがある。その結果、(特に、薄いトンネリング酸化膜と係わる)素子信頼性を予測することないようにさせる欠陥が発生するおそれがある。
これに加えて、プログラミング動作と連係して、前記CHE SSIが高い効率のプログラム技術でも、図1Aに示した通常のスプリットゲートメモリ構造の場合、前記ソース12と前記浮遊ゲート15との間の容量結合は相対的に低いレベルにとどまる。具体的に、図1Aに示したように、カップリングの割合C1は前記共通ソース12と前記浮遊ゲート15との間の重畳された領域の面積によって決められるので、その大きさは制限的である。すなわち、カップリング割合の増加はプログラム速度を増加させるので、前記カップリング割合を増加させることが必要であるが、通常の設計において、前記カップリング割合の有効な増加のためには、前記ソース領域12を側方向に拡散させなければならない。
しかし、前記ソース領域12には相対的に大きい9Vのソース電圧が印加されるという点で、前記ソース空乏領域12aの拡張はパンチスルー(punch−through)及び接合ブレークダウン(junction breakdown)をもたらすおそれがある。実際、前記ソース空乏領域12aが側方向により広く拡散する場合、前記ソース領域12のあたりでは過度電流によるパンチが発生する可能性が大きく増加する。図1Aに示した通常の構造はその設計規則(design rule)の減少に応じて、前記要求されるギャップX1のマージンが減少して、高いソース電圧の使用はより難しくなっている。
本発明の課題は浮遊ゲートのカップリング割合を増加させることができるスプリットゲート不揮発性メモリ素子を提供することにある。
本発明の課題は浮遊ゲートのカップリング割合を増加させることができるスプリットゲート不揮発性メモリ素子の製造方法を提供することにある。
上述の課題を解決するために、本発明はスプリットゲート型メモリセルを提供する。前記スプリットゲート型メモリセルは半導体基板に形成された第1及び第2拡散領域、前記第1及び第2拡散領域の間の半導体基板上に形成され、前記第1拡散領域の一部分と重畳される第1側部を有する浮遊ゲート電極、前記第2拡散領域と前記浮遊ゲート電極の第2側部との間の半導体基板上に形成される制御ゲート電極、前記制御ゲート電極と前記浮遊ゲート電極の前記第2側部との間に介在されたトンネル誘電膜、前記半導体基板の前記第1拡散領域の上部面であり、前記浮遊ゲート電極の前記第1側部及び上部面に隣接して形成されるカップリングゲート電極、前記カップリングゲート電極と前記浮遊ゲート電極の前記第1側部及び上部面の間に配置されるカップリング誘電膜、及び前記制御ゲート電極及び前記カップリングゲート電極の間に形成される絶縁スペーサを含む。
本発明の一スプリットゲート型メモリセル構造によると、前記カップリングゲートは前記浮遊ゲートと共通拡散領域(例えば、ソース領域)との間に増加したカップリング割合を提供する。前記増加したカップリング割合は前記浮遊ゲート電極の側壁と前記カップリングゲート電極との間の面積での容量結合と前記浮遊ゲート電極の上部面と前記カップリングゲート電極との間の面積での容量結合の結果として得られる。
本発明の他のスプリットゲート型メモリセル構造によると、前記浮遊ゲートは非対称的形状に形成されることができ、その結果、FNトンネリング消去効率は増加することができる。例えば、本発明の一実施形態によると、(前記カップリングゲート電極に隣接した)前記浮遊ゲート電極の第1側部は(前記制御ゲート電極に隣接した)前記浮遊ゲート電極の第2側部より厚く形成される。本発明の他の一実施形態によると、前記浮遊ゲート電極の第1側部は鋭いチップ形状の構造で形成される。他の一実施形態によると、前記浮遊ゲート電極の上部面は前記浮遊ゲート電極の第1側部から前記浮遊ゲート電極の第2側部に近接するほど低くなる。
本発明の上述の実施形態において、前記浮遊ゲート電極の非対称的な形状は前記浮遊ゲート電極の第1側部から第2側部に近接するほど、前記浮遊ゲート電極の断面積の減少をもたらす。このような断面積の減少は、前記制御ゲート電極と前記浮遊ゲート電極の第2側部との間で、前記トンネリング酸化膜を横切って形成される電場の相対的に強い集中をもたらす。その結果、前記制御ゲート電極に印加される制御ゲート電圧が低い場合にも、有効なFNトンネリングが可能になる。
前記他の技術的課題を解決するために、本発明はスプリットゲート型メモリセルアレイの製造方法を提供する。この方法は半導体基板上に浮遊ゲート電極を形成して、前記浮遊ゲート電極上に第1誘電膜を形成する段階を含む。この際、前記浮遊ゲート電極はその断面の位置に応じて異なる厚さを有して、第1側部で最大の厚さを有するように形成される。次に、前記浮遊ゲート電極の第1側部に隣接する半導体基板内に第1拡散領域を形成する。この際、前記第1拡散領域は前記浮遊ゲート電極の第1側部と重畳されるように形成される。次に、前記第1誘電膜の上部に、前記浮遊ゲート電極の第1側部及び上部面の上部に配置されるカップリングゲート電極を形成して、前記カップリングゲート電極に隣接した前記浮遊ゲート電極の上部面上に前記浮遊ゲート電極の第2側部に実質的に整列されるスペーサを形成する。この際、前記浮遊ゲート電極の第2側部は前記第1側部より薄い厚さを有するように形成される。以後、前記スペーサ及び前記浮遊ゲート電極の第2側部に隣接した制御ゲート電極を形成した後、前記制御ゲート電極に隣接する半導体基板内に第2拡散領域を形成する。
本発明によると、増加した浮遊ゲートカップリング割合を有するスプリットゲート不揮発性メモリ素子が提供される。前記増加した浮遊ゲートカップリング割合に応じて、本発明による不揮発性メモリ素子のプログラム及び消去動作での効率及び性能は改善する。
以上の本発明の目的、他の目的、特徴及び利点は添付の図と係わる以下の望ましい実施形態を通じて容易に理解されるであろう。しかし、本発明はここで説明される実施形態に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。むしろ、ここで紹介される実施形態は開示された内容が徹底して完全になれるように、そして当業者に本発明の思想を十分に伝達するために提供されるものである。
本明細書で、どんな膜が他の膜または基板上にあると言及される場合に、それは他の膜または基板上に直接形成されることができるもの、またはそれらの間に第3の膜が介在されることもできるものを意味する。また、図において、膜及び領域の厚さは技術的内容の効果的な説明のために誇張されたものである。また、本明細書の多様な実施形態で第1、第2、第3などの用語が多様な領域、膜などを記述するために用いられたが、これら領域、膜がこのような用語によって限定されてはならない。これら用語はただある所定領域または、膜を他の領域または膜と区別させるために用いられた。したがって、ある一実施形態での第1膜として言及された膜が他の実施形態では第2膜として言及されることもできるものである。ここに説明されて例示される各実施形態はそれの相補的な実施形態も含む。
図2A及び図2Bは本発明の一実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリ素子100を概略的に示す断面図である。具体的に、図2AはP型半導体基板層101上に形成される2対のスプリットゲート型メモリセルM1/M2及びM3/M4を示す。前記半導体基板101には複数個の拡散領域108、120が形成される。本発明の一実施形態によると、前記メモリセルの対M1/M2及びM3/M4の間の前記拡散領域108はこれらによって共有される共通ソース領域として用いられ、他の拡散領域120はドレイン領域として用いられる。前記メモリセル対M1/M2及びM3/M4は前記共通ソース領域108に対して鏡対称的構造を有する。
具体的に、前記メモリセルの各々M1〜M4はチャネル領域140、ゲート絶縁膜102、浮遊ゲート電極104b、制御ゲート電極(または消去制御ゲート)118、トンネル誘電膜116、カップリングゲート電極(またはプログラム制御ゲート)110、カップリング誘電膜106、絶縁スペーサ114及びキャッピング膜112を具備する。
前記チャネル領域140は前記共通ソース領域108と前記ドレイン領域120との間に置かれた前記半導体基板101の一部領域に該当する。前記ゲート絶縁膜102は前記半導体基板上に形成されて、前記多様なゲート電極104b、110、118を前記半導体基板101から絶縁させる。各々の浮遊ゲート電極104bは前記拡散領域108、120の間の半導体基板101上に形成される。この際、前記浮遊ゲート電極104bの第1側部は前記共通ソース領域108の一部分と重畳される。前記制御ゲート電極118は前記浮遊ゲート電極104bの第2側部と前記ドレイン拡散領域120との間の半導体基板101上に形成される。前記トンネル誘電膜116は前記制御ゲート電極118と前記浮遊ゲート電極104bの第2側部との間に配置される。前記カップリングゲート電極110は前記ソース領域108の上部及び前記浮遊ゲート電極104bの第1側部及び上部面に隣接して形成される。前記カップリング誘電膜106は前記カップリングゲート電極110と前記浮遊ゲート電極104bの第1側部及び上部面の間に介在される。前記絶縁スペーサ114は前記制御ゲート118と前記カップリングゲート電極110との間に形成される。前記キャッピング膜112は前記カップリングゲート電極110の上部に形成される。
図2Aに例示されたスプリットゲートメモリ構造は図1Aに示した通常の構造に比べて多様な技術的長所と改善した性能を提供する。例えば、図2Bに示したように、前記スプリットゲートメモリ構造のカップリングゲート電極110は前記浮遊ゲート104bと前記共通ソース領域108との間のカップリング割合を増加させる。事実、このようなカップリング割合の増加は前記浮遊ゲート電極104bの側壁と前記カップリングゲート電極110との間の面積での付加的な容量結合C2と前記浮遊ゲート電極104bの上部面と前記カップリングゲート電極110との間の面積での付加的な容量結合C3の結果である。図2A及び図2Bに例示されたスプリットゲート構造の場合、前記浮遊ゲート電極104bに対するカップリング割合は(図1Aに示した通常のスプリットゲート構造のカップリング割合C1より大きい)C1+C2+C3である。
このようなカップリング割合の増加C1+C2+C3は、CHE SSI(Channel Hot Electron source side injection)を通じたプログラム段階で、プログラム効率及びプログラム速度の減少なしに前記ソース領域108に印加されるソース電圧の減少を可能にする。なお、従来技術と比べる際、前記ソース領域108により低いソース電圧を印加することは前記ソース領域108から形成される空乏領域の大きさを減らすようになり、これはパンチスルー(punch through)及びソース領域の接合ブレークダウン(junction breakdown)の可能性を減少させる。
これに加えて、図2A及び図2Bに例示されたスプリットゲート構造はFNトンネリングを用いた消去動作の性能及び信頼性を向上させることができる。例えば、(ソース電圧が0Vに固定された場合)前記浮遊ゲート電極104bと前記ソース領域108との間の増加したカップリングは、消去動作で前記浮遊ゲート電極104bから前記制御ゲート電極118にFNトンネリングを起こすのに十分な程度の強い電場が前記トンネリング膜116を横切って生成されるようにさせることができるので、前記制御ゲート電極118に(従来技術で要求される)12Vより低い電圧を印加することを可能にする。
図3A乃至図3Eは、本発明の望ましい実施形態による図2Aのスプリットゲートメモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。まず、図3Aを参照すると、半導体基板101上にゲート絶縁膜102及び多結晶シリコン膜104を形成する。本発明の一実施形態によると、前記半導体基板101の導電型はP型である。前記ゲート絶縁膜102は通常の技術を用いて形成することができる。例えば、前記ゲート絶縁膜102は熱酸化工程を用いて成長したシリコン酸化膜SiOでありうる。本発明の一実施形態によると、前記ゲート絶縁膜102はおおよそ60Å乃至100Åの厚さで形成されることができる。
前記多結晶シリコン膜104は化学的気相蒸着CVDのような公知にされた技術を用いて形成することができる。本発明の一実施形態によると、前記多結晶シリコン膜104はおおよそ1000Å乃至2500Åの厚さで形成されることができる。次に、前記多結晶シリコン膜104上に公知にされた技術を用いてフォトレジストマスク105を形成する。前記フォトレジストマスク105は前記多結晶シリコン膜104の所定領域を露出させる開口部を有するように形成される。
図3Bを参照すると、前記ゲート酸化膜102の上部面が露出するまで、前記フォトレジストマスク105をエッチングマスクとして用いて前記多結晶シリコン膜104の露出した領域をエッチングすることによって、第1浮遊ゲートパターン104aを形成する。次に、前記第1浮遊ゲートパターン104aの表面を覆うカップリング酸化膜106を形成する。本発明の一実施形態によると、前記カップリング酸化膜106は熱酸化工程を用いておおよそ100Å乃至200Åの厚さで形成する。次に、イオン注入工程を実施して、n+共通ソース領域108を形成する。
図3Cを参照すると、カップリングゲート電極110及びキャッピング膜112を含む積層ゲート構造体を形成する。例えば、本発明の一実施形態で、前記積層ゲート構造体は前記カップリング酸化膜106上に順に積層された多結晶シリコン膜(カップリングゲート膜)及び酸化膜キャッピング膜からなることができる。この際、前記多結晶シリコン膜はおおよそ1000Å乃至2000Åの厚さで形成され、前記酸化膜はおおよそ500Å乃至2000Åの厚さで形成されることができる。次に、前記カップリング酸化膜106の上部面が露出するまで前記多結晶シリコン膜及び前記酸化膜をエッチングすることによって、前記積層されたゲート構造体110/112を形成する。
図3Dを参照すると、前記積層ゲート構造体110/112上に絶縁膜を形成した後、これをエッチングして前記積層ゲート構造体110/112の側壁に配置されるスペーサ114を形成する。前記スペーサ114は公知にされた技術を用いて形成されるシリコン酸化膜でありうる。次に、前記ゲート絶縁膜102が露出するまで前記キャッピング膜112及び前記スペーサ114をエッチングマスクとして用いて前記カップリング酸化膜106の露出した領域及び前記浮遊ゲートパターン104aをエッチングして、前記浮遊ゲート電極104bを形成する。
図3Eを参照すると、前記浮遊ゲート電極104bの露出した側壁の表面にトンネル酸化膜116を形成する。本発明の一実施形態によると、前記トンネル酸化膜116は熱酸化工程を用いて、おおよそ50Å乃至90Åの厚さの範囲を有するように形成される。次に、前記スペーサ114及び前記トンネル酸化膜116の側壁に制御(消去)ゲート電極118を形成する。前記制御ゲート電極118を形成する段階は多結晶シリコンをおおよそ2000Å乃至3000Åの厚さでコンフォーマルに蒸着した後、所定のエッチング工程を通じて前記蒸着された多結晶シリコンをエッチングする段階を含むことができる。次に、イオン注入工程を実施して、ドレイン領域120を形成する。
図4は本発明の他の実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリ素子を概略的に示す工程断面図である。具体的に、図4はP型半導体基板層201上に形成される2対のスプリットゲート型メモリセルM1/M2及びM3/M4を示す。前記半導体基板201には複数個の拡散領域214、226が形成される。本発明の一実施形態によると、前記メモリセルの対M1/M2及びM3/M4の間の前記拡散領域214は、これらによって共有される共通ソース領域として用いられ、他の拡散領域226はドレイン領域として用いられる。前記メモリセル対M1/M2及びM3/M4は前記共通ソース領域214に対して鏡対称的構造を有する。
具体的に、前記メモリセルの各々M1〜M4はチャネル領域240、ゲート絶縁膜202、浮遊ゲート電極204b、制御ゲート電極(または消去制御ゲート)224、トンネル誘電膜222、カップリングゲート電極(またはプログラム制御ゲート)216、カップリング誘電膜212、絶縁スペーサ220及びキャッピング膜218を具備する。
前記チャネル領域240は前記共通ソース領域214と前記ドレイン領域226との間に置かれた前記半導体基板201の一部領域に該当する。前記ゲート絶縁膜202は前記半導体基板201上に形成されて、前記多様なゲート電極204b、224、216を前記半導体基板201から絶縁させる。前記浮遊ゲート電極204bは前記拡散領域214、225の間の半導体基板201上に形成される。この際、前記浮遊ゲート電極204bの第1側部は前記共通ソース領域214の一部分と重畳される。本発明の一実施形態によると、前記浮遊ゲート電極204bの第1側部は前記浮遊ゲート電極204bの第2側部より厚い。前記浮遊ゲート電極204bの第1側部はチップ形状の構造で形成される。なお、前記浮遊ゲート電極204bの上部面は前記浮遊ゲート電極の第1側部から前記浮遊ゲート電極の第2側部に近接するほど低くなる。すなわち、前記浮遊ゲート電極204bの上部面は傾くように形成される。
前記制御ゲート電極224は前記浮遊ゲート電極204bの第2側部と前記ドレイン拡散領域226との間の半導体基板201上に形成される。前記トンネル誘電膜222は前記制御ゲート電極224と前記浮遊ゲート電極204bの第2側部との間に配置される。前記カップリングゲート電極216は前記ソース領域214の上部及び前記浮遊ゲート電極204bの第1側部及び傾いた上部面に隣接して形成される。前記カップリング誘電膜212は前記カップリングゲート電極216と前記浮遊ゲート電極204bの第1側部及び上部面の間に介在される。前記絶縁スペーサ220は前記制御ゲート224と前記カップリングゲート電極216との間に形成される。前記キャッピング膜218は前記カップリングゲート電極216の上部に形成される。
図4に例示されたスプリットゲートメモリ構造は、図2A及び図2Bを参照して上述のことと類似の理由で、図1Aに示した通常の構造に比べて多様な技術的長所と改善した性能を提供する。特に、前記スプリットゲートメモリ構造のカップリングゲート電極216は、前記カップリングゲート216と前記浮遊ゲート電極204bの上部及び側壁の表面の間の付加したカップリング面積により、前記浮遊ゲート204bと前記共通ソース領域214との間のカップリング割合をさらに増加させる。
さらに、前記浮遊ゲート電極204bの非対称的形状はFNトンネリング消去効率をさらに増加させることを可能にする。事実、上述のように、前記浮遊ゲート電極204bの上部面は(前記ソース領域214に隣接した)第1側部から(前記制御ゲート電極224に隣接した)第2側部に近接するほど低くなるので、この方向で前記浮遊ゲート電極204bの断面積は徐々に減少する。このような断面積の減少は前記制御ゲート電極224と前記浮遊ゲート電極204bの第2側部との間で、前記トンネリング酸化膜222を横切って形成される電場の相対的に強い集中をもたらす。また、上述のように、前記浮遊ゲート電極204bの第1側部をチップ形状の構造で形成する場合、前記カップリングゲート電極216と前記浮遊ゲート電極204bの第1側部との間には、同様に前記トンネリング酸化膜222を横切って形成される電場の強い集中をもたらす。前記制御ゲート電極224に印加される制御ゲート電圧がさらに低い場合にも、前記浮遊ゲート電極204bのこのように小さい領域に集中する電場なので、有効なFNトンネリングが可能になる。
図5A乃至図5Gは、本発明の望ましい実施形態による図4のスプリットゲートメモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。まず、図5Aを参照すると、半導体基板201上にゲート絶縁膜202及び多結晶シリコン膜204を形成する。本発明の一実施形態によると、前記半導体基板201の導電型はP型である。前記ゲート絶縁膜202は通常の技術を用いて形成することができる。例えば、前記ゲート絶縁膜202は熱酸化工程を用いて成長したシリコン酸化膜SiOでありうる。本発明の一実施形態によると、前記ゲート絶縁膜202はおおよそ60Å乃至100Åの厚さで形成されることができる。前記多結晶シリコン膜204は化学的気相蒸着CVDのような公知にされた技術を用いて形成することができる。本発明の一実施形態によると、前記多結晶シリコン膜204はおおよそ1000Å乃至2500Åの厚さで形成されることができる。
図5Aに示したように、前記多結晶シリコン膜104上にハードマスク206を形成する。例えば、前記ハードマスク206はシリコン窒化膜を蒸着した後、これをエッチングする方法を通じて形成することができる。前記ハードマスク206は前記多結晶シリコン膜204の所定領域を露出させる開口部206Aを有するように形成される。
図5Bを参照すると、前記ハードマスク205をマスクとして用いて前記多結晶シリコン膜204の露出した領域上に犠牲酸化膜208を形成する。本発明の一実施形態によると、前記犠牲酸化膜208は熱酸化工程を利用しておおよそ1000Å乃至1500Åの厚さで成長した熱酸化膜でありうる。
図5Cを参照すると、前記犠牲酸化膜208を除去してその下部の多結晶シリコン膜204の上部面を露出させる。以後、前記ハードマスクパターン206をマスクとして用いるまた他の熱酸化工程を実施して、前記露出した多結晶シリコン膜204の表面に酸化膜210を形成する。本発明の一実施形態によると、前記酸化膜210はおおよそ100Å乃至200Åの厚さで成長する。
図5Dを参照すると、前記ハードマスクパターン206を除去してその下部の多結晶シリコン膜204の上部面を露出させる。次に、前記ゲート絶縁膜203の上部面が露出するまで、(上述のハードマスクパターン206によって覆われた)前記多結晶シリコン膜204の露出した領域をエッチングすることによって、浮遊ゲートパターン204aを形成する。所定の熱酸化工程を実施して、前記多結晶シリコン浮遊ゲートパターン204Aの露出した側壁の表面に酸化膜210aを形成する。この際、前記酸化膜210、210aは前記浮遊ゲートパターン204aの各領域を取り囲みながら覆うカップリング酸化膜212を構成する。
図5Eを参照すると、イオン注入工程を実施して、ソース拡散領域214を形成する。本発明の一実施形態によると、前記ソース拡散領域214はN型ド−パント物質を利用して形成されるn+領域である。次に、カップリングゲート電極216及びキャッピング膜218を含む積層ゲート構造体を形成する。例えば、本発明の一実施形態で、前記積層ゲート構造体は前記カップリング酸化膜212上に順に積層された多結晶シリコン膜(カップリング(プログラム)ゲート膜)及び酸化膜(キャッピング膜)からなることができる。この際、前記多結晶シリコン膜はおおよそ1000Å乃至2000Åの厚さで形成され、前記酸化膜はおおよそ500Å乃至1000Åの厚さで形成されることができる。次に、前記カップリング酸化膜212の上部面が露出するまで前記多結晶シリコン膜及び前記酸化膜をエッチングすることによって、前記積層されたゲート構造体216/218を形成する。
図5Fを参照すると、前記積層ゲート構造体216/218上に絶縁膜を形成した後、これをエッチングして前記積層ゲート構造体216/218の側壁に配置されるスペーサ220を形成する。前記スペーサ220は公知にされた技術を用いて形成されるシリコン酸化膜でありうる。次に、前記ゲート絶縁膜202が露出するまで前記キャッピング誘電膜218及び前記スペーサ220をエッチングマスクとして用いて前記カップリング酸化膜212の露出した領域及び前記浮遊ゲートパターン204aをエッチングすることによって、前記浮遊ゲート電極204bを形成する。
図5Gを参照すると、前記浮遊ゲート電極204bの露出した側壁の表面にトンネル酸化膜222を形成する。本発明の一実施形態によると、前記トンネル酸化膜222は熱酸化工程を利用して、おおよそ50Å乃至90Åの厚さの範囲を有するように形成される。次に、前記スペーサ220及び前記トンネル酸化膜222の側壁に制御(消去)ゲート電極224を形成する。前記制御ゲート電極224を形成する段階は多結晶シリコンをおおよそ2000Å乃至3000Åの厚さでコンフォーマルに蒸着した後、所定の異方性エッチング工程を通じて前記蒸着された多結晶シリコンをエッチングする段階を含むことができる。次に、イオン注入工程を実施して、ドレイン領域226を形成する。
通常のスプリットゲート不揮発性メモリセルの概略的な断面図である。 消去、プログラム及び読み出し動作での従来技術によるメモリセルの動作条件を示す表である。 本発明の一実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの概略的な断面図である。 本発明の一実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの概略的な断面図である。 本発明の一実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。 本発明の一実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。 本発明の一実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。 本発明の一実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。 本発明の一実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの概略的な断面図である。 本発明の他の実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。 本発明の他の実施形態によるスプリットゲート不揮発性メモリセルの製造方法を工程段階別に説明するための工程断面図である。
符号の説明
101 半導体基板
102 ゲート絶縁膜
104 多結晶シリコン膜
105 フォトレジストマスク
108 共通ソース領域
110 カップリングゲート
112 キャッピング膜
114 絶縁スペーサ
120 共通ドレイン領域
140 チャネル領域

Claims (17)

  1. 半導体基板上に形成された第1及び第2拡散領域と、
    前記第1及び第2拡散領域の間の半導体基板上に形成され、前記第1拡散領域の一部分と重畳される第1側部を有する浮遊ゲート電極と、
    前記第2拡散領域と前記浮遊ゲート電極の第2側部との間の半導体基板上に形成される制御ゲート電極と、
    前記制御ゲート電極と前記浮遊ゲート電極の前記第2側部との間に介在されたトンネル絶縁膜と、
    前記半導体基板の前記第1拡散領域の上部であり、前記浮遊ゲート電極の前記第1側部及び上部面に隣接して形成されるカップリングゲート電極と、
    前記カップリングゲート電極と前記浮遊ゲート電極の前記第1側部及び上部面の間に配置されるカップリング誘電膜と、
    前記制御ゲート電極及び前記カップリングゲート電極の間に形成される絶縁スペーサとを含むことを特徴とするスプリットゲート型メモリセル。
  2. 前記浮遊ゲート電極の第1側部は前記浮遊ゲート電極の第2側部より厚いことを特徴とする請求項1に記載のスプリットゲート型メモリセル。
  3. 前記浮遊ゲート電極の第1側部はチップ形状の構造を形成することを特徴とする請求項2に記載のスプリットゲート型メモリセル。
  4. 前記浮遊ゲート電極の上部面は前記第1側部から前記第2側部に下る下向き傾斜を形成することを特徴とする請求項2に記載のスプリットゲート型メモリセル。
  5. 前記トンネル誘電膜は50Å乃至90Åの厚さを有することを特徴とする請求項1に記載のスプリットゲート型メモリセル。
  6. 前記カップリング誘電膜は100Å乃至200Åの厚さを有することを特徴とする請求項1に記載のスプリットゲート型メモリセル。
  7. 前記カップリングゲート電極は電源供給ラインに連結されることを特徴とする請求項1に記載のスプリットゲート型メモリセル。
  8. 前記カップリングゲート電極の上部面に形成されたキャッピング膜をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のスプリットゲート型メモリセル。
  9. 前記半導体基板と前記浮遊ゲート電極との間に形成されたゲート絶縁膜をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のスプリットゲート型メモリセル。
  10. 半導体基板上に浮遊ゲート電極を形成し、前記浮遊ゲート電極はその断面の位置に応じて異なる厚さを有し、第1側部で最大の厚さを有するように形成する段階と、
    前記浮遊ゲート電極上に第1誘電膜を形成する段階と、
    前記浮遊ゲート電極の第1側部に隣接する半導体基板内に第1拡散領域を形成し、前記第1拡散領域は前記浮遊ゲート電極の第1側部と重畳されるように形成する段階と、
    前記第1誘電膜の上部に、前記浮遊ゲート電極の第1側部及び上部面の上部に配置されるカップリングゲート電極を形成する段階と、
    前記カップリングゲート電極に隣接した前記浮遊ゲート電極の上部面上に、前記浮遊ゲート電極の第2側部に実質的に整列されるスペーサを形成する段階と、
    前記スペーサ及び前記浮遊ゲート電極の第2側部に隣接した制御ゲート電極を形成する段階と、
    前記制御ゲート電極に隣接する半導体基板内に第2拡散領域を形成する段階とを含み、
    前記浮遊ゲート電極の第2側部は前記第1側部より薄い厚さを有するように形成されることを特徴とするスプリットゲート型メモリセルアレイの製造方法。
  11. 前記浮遊ゲート電極を形成する段階は、
    前記半導体基板上に多結晶シリコン膜を形成する段階と、
    前記多結晶シリコン膜上に、前記多結晶シリコン膜の所定領域を露出させるハードマスク膜を形成する段階と、
    前記多結晶シリコン膜の露出した領域上に、不均一の厚さを有する犠牲酸化膜を形成する段階と、
    前記犠牲酸化膜を除去する段階と、
    前記多結晶シリコン膜の露出した上部面上に第1絶縁膜を形成する段階と、
    前記ハードマスクを除去する段階と、
    前記第1絶縁膜をエッチングマスクとして用いて前記多結晶シリコン膜をエッチングすることによって、前記浮遊ゲート電極の第1側部を画定する段階とを含むことを特徴とする請求項10に記載のスプリットゲート型メモリセルアレイの製造方法。
  12. 前記浮遊ゲート電極上に前記第1誘電膜を形成する段階は、前記浮遊ゲート電極の第1側部上に第2絶縁膜を形成する段階を含み、
    前記第1及び第2絶縁膜は前記第1誘電膜を形成することを特徴とする請求項11に記載のスプリットゲート型メモリセルアレイの製造方法。
  13. 前記犠牲酸化膜は前記多結晶シリコン膜を熱酸化させる方法を通じて形成することを特徴とする請求項11に記載のスプリットゲート型メモリセルアレイの製造方法。
  14. 前記第1誘電膜は50Å乃至100Åの厚さを有するように形成されることを特徴とする請求項10に記載のスプリットゲート型メモリセルアレイの製造方法。
  15. 前記第2誘電膜は100Å乃至200Åの厚さを有するように形成されることを特徴とする請求項10に記載のスプリットゲート型メモリセルアレイの製造方法。
  16. 前記カップリングゲート電極を形成する段階は、
    前記半導体基板上に積層膜を形成し、前記積層膜は順に積層された第2多結晶シリコン膜及びキャッピング膜を含むように形成する段階と、
    前記キャッピング膜をパターニングしてマスク膜を形成する段階と、
    前記マスク膜を用いて前記第2多結晶シリコン膜をエッチングすることによって、その上部面上に絶縁性キャップを有するカップリングゲート電極を形成する段階とを含むことを特徴とする請求項10に記載のスプリットゲート型メモリセルアレイの製造方法。
  17. 前記スペーサ及び前記絶縁性キャップをエッチングマスクとして用いて前記浮遊ゲート電極をエッチングすることによって、前記浮遊ゲート電極の第2側部を画定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項16に記載のスプリットゲート型メモリセルアレイの製造方法。
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