JP2010272703A - 不揮発性メモリの構造および製造プロセス - Google Patents

不揮発性メモリの構造および製造プロセス Download PDF

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Abstract

【課題】浮遊ゲート構造を有する不揮発性メモリおよびその製造プロセスを提供する。
【解決手段】不揮発性メモリは、基板と、基板に設けられ、その上に突き出た分離構造と、基板上に突き出た分離構造の側壁上にある導電性スペーサーとしての浮遊ゲートと、各浮遊ゲートと基板の間のトンネル層とを含む。また、不揮発性メモリの製造プロセスは、基板上に突き出た分離構造が基板に形成され、トンネル層が基板上に形成され、その後、浮遊ゲートが基板上に突き出た第1分離構造の側壁上に導電性スペーサーとして形成されることを含む。
【選択図】図8

Description

本発明は、半導体装置およびその製造に関し、特に、浮遊ゲート構造、不揮発性メモリの構造および不揮発性メモリの製造プロセスに関する。
不揮発性メモリ装置は、小型で、操作スピードが速く、電力がなくてもデータを保持できる機能を持っているため、データ記憶のために様々な電気製品に幅広く応用される。 現在の不揮発性メモリ装置のほとんどは、データの記憶に浮遊ゲートを利用しており、プロセス線幅が40nm以上である場合に、浮遊ゲートは矩形断面を有する。しかしながら、線幅が、現在の光学リソグラフィ(lithography)の限界である約30nmまで減少するか、あるいは将来的にさらに小さくなった時、浮遊ゲートの断面形状は以下に述べるように変えられなければならない。
図1Aから図1Cは、装置の線幅が徐々に減少する従来の不揮発性メモリにおける浮遊ゲートの断面形状の変化を図示したものである。
図1Aから図1Cを参照すると、メモリを形成するために、トンネル層110および多結晶シリコン層(図示せず)が基板100上に形成され、多結晶シリコン層、トンネル層110および基板100は、パターン化されたマスク層(図示せず)をマスクとして利用してエッチングされ、浮遊ゲート120およびトレンチ128を形成する。トレンチ128が絶縁体によって満たされ、分離構造130を形成すると、インターゲート誘電体層140およびワード線150が浮遊ゲート120上に形成される。
このような不揮発性メモリにおいて、ワード線150は、制御ゲート−浮遊ゲートのキャパシタンスが浮遊ゲート−基板のキャパシタンスよりも大きくなるよう浮遊ゲート120間に広がり、それによってメモリの正常動作のために十分なゲートカップリング比(gate coupling ratio, GCR)を得ることが要求される。インターゲート誘電体層140の厚さは、通常約12nmまでのため、線幅がインターゲート誘電体層140の厚さの2倍に近いか、あるいはそれより小さくなるまで減少すると、これらの間にインターゲート誘電体層140を容易に満たせるよう浮遊ゲート120の側壁を傾ける必要がある。図1Bおよび図1Cに示したように、プロセス線幅が小さければ小さいほど、浮遊ゲート120の側壁の傾斜角は大きくなる。
しかしながら、浮遊ゲート120を定めるマスク層のパターンは浮遊ゲート120の底部と同じくらい広いため、傾いた側壁を形成するためのエッチングプロセスは制御が難しく、傾斜角が大きくなるにつれて難度が増す。
したがって、本発明は、不揮発性メモリの浮遊ゲート構造を提供することを目的とする。
本発明は、また、本発明の浮遊ゲート構造を含む不揮発性メモリの構造を提供することを目的とする。
本発明は、さらに、不揮発性メモリの製造プロセスを提供することを目的とする。
本発明の浮遊ゲート構造は、基板上に突き出た分離構造の側壁に配置され、基板から絶縁された導電性スペーサーを有する。
ある実施形態中、導電性スペーサーはトンネル層によって基板から絶縁される。
ある実施形態中、不揮発性メモリは30nm未満の限界寸法(critical dimension)を有する。
本発明の不揮発性メモリは、基板と、基板に設けられ、その上に突き出た複数の第1分離構造と、基板上に突き出た第1分離構造の側壁上にある第1導電性スペーサーとしての複数の浮遊ゲートと、各浮遊ゲートと基板の間のトンネル層とを含む。
ある実施形態中、上記不揮発性メモリは、第1分離構造よりも高さの低い複数の第2分離構造をさらに含み、浮遊ゲートが行(row)方向と列(column)方向に配置され、第1および第2分離構造のそれぞれが列方向に広がり、第1分離構造および第2分離構造が行方向に交互に配置され、第2分離構造のそれぞれが2つの近隣の第1分離構造の2つの対向側壁上にある浮遊ゲートの2つの列の間に設けられる。
ある実施形態中、上記不揮発性メモリは、第1分離構造の側壁上の第2導電性スペーサーとしての選択ゲートの行をさらに含む。
ある実施形態中、上記不揮発性メモリは30nm未満の限界寸法を有する。
いくつかの実施形態中、浮遊ゲートは行方向および列方向に配置され、第1分離構造のそれぞれは列方向に広がり、上記不揮発性メモリは、浮遊ゲートの各行の上にそれぞれ配置された複数のワード線と、各浮遊ゲートとその上のワード線との間に配置されたインターゲート誘電体層とをさらに含む。
インターゲート誘電体層およびワード線に関する1つの実施形態中、上記不揮発性メモリは、第1分離構造よりも高さが低く、列方向に広がる複数の第2分離構造をさらに含み、第1分離構造および第2分離構造が行方向に交互に配置され、第2分離構造のそれぞれが2つの近隣の第1分離構造の2つの対向側壁上にある浮遊ゲートの2つの列の間に設けられ、第1および第2分離構造のそれぞれの幅は浮遊ゲートの上にあるインターゲート誘電体層の厚さの2倍に等しいか、それより小さい。
インターゲート誘電体層およびワード線に関する1つの実施形態中、上記不揮発性メモリは、基板上に突き出た第1分離構造の側壁上にある第2導電性スペーサーとしての選択ゲートの行と、選択ゲートの行の上に接触して配置された選択線とをさらに含む。
本発明の不揮発性メモリの製造プロセスは、以下の通りである。複数の第1分離構造が基板上に突き出るように基板に形成され、トンネル層が基板上に形成され、その後、複数の浮遊ゲートが基板上に突き出た第1分離構造の側壁上に第1導電性スペーサーとして形成される。
ある実施形態中、プロセスは、第1分離構造を形成するステップの間に、第1分離構造よりも高さの低い複数の第2分離構造を形成することをさらに含む。浮遊ゲートが行方向および列方向に配置される。第1および第2分離構造のそれぞれが列方向に広がる。第1分離構造および第2分離構造が行方向に交互に配置される。各第2分離構造のそれぞれが2つの近隣の第1分離構造の2つの対向側壁上にある浮遊ゲートの2つの列の間に設けられる。
第1および第2分離構造は、以下のステップにより形成することができる。パターン化されたマスク層をエッチングマスクとして利用する基板内に複数のトレンチを形成する。このマスク層はその中にトレンチに応じたギャップを有する。トレンチおよびギャップを複数の絶縁層で満たす。埋め込み型(recessed)絶縁層と非埋め込み型(non-recessed)絶縁層が交互に配置されるように絶縁層の一部を埋め込む。マスク層を除去することによって、非埋め込み型絶縁層が第1分離構造を形成し、埋め込み型絶縁層が第2分離構造を形成する。
ある実施形態中、プロセスは、浮遊ゲートを形成するステップの間に、第1分離構造の側壁上にある第2導電性スペーサーとしての選択ゲートの行を形成することをさらに含む。
ある実施形態中、不揮発性メモリは30nm未満の限界寸法を有する。
ある実施形態中、浮遊ゲートは以下のように形成される。複数の導電性スペーサーバーが基板上に突き出た第1分離構造の側壁上に形成され、その後、導電性スペーサーバーがパターン化される。浮遊ゲートが行方向および列方向に配置され、第1分離構造のそれぞれが列方向に広がる場合に、プロセスは、導電性スペーサーバーが形成された後だが導電性スペーサーバーがパターン化される前に、基板上にインターゲート誘電体層を形成することと、インターゲート上の行方向に広がる複数のワード線を形成することをさらに含む。導電性スペーサーバーがワード線に続いてパターン化されることによって、各ワード線のそれぞれが浮遊ゲートの1つの行の上に配置される。
インターゲート誘電体層およびワード線を形成する1つの実施形態中、プロセスは、第1分離構造を形成するステップの間に、第1分離構造よりも高さが低く、かつ列方向に広がる複数の第2分離構造を形成することをさらに含む。第1分離構造および第2分離構造が行方向に交互に配置される。各第2分離構造のそれぞれが2つの近隣の第1分離構造の2つの対向側壁上にある浮遊ゲートの2つの列の間に設けられる。第1および第2分離構造のそれぞれの幅は、浮遊ゲート上のインターゲート誘電体層の厚さの2倍に等しいか、それよりも小さい。
インターゲート誘電体層およびワード線を形成する本発明の1つの実施形態中、プロセスは、以下のステップをさらに含む。導電性スペーサーバーをパターン化するステップの間に、基板上に突き出た第1分離構造の側壁上に第2導電性スペーサーとして選択ゲートの行を形成する。インターゲート誘電体層が形成されるステップの後だがワード線が形成されるステップの前に、選択ゲートの行を形成することが予め定められた導電性スペーサーバーの部分の上のインターゲート誘電体層の一部を、導電性スペーサーバーの各部分の少なくとも一部分が露光されるように除去する。ワード線を形成するステップの間、選択線を導電性スペーサーバーの前記部分の上に接触して形成する。このようなプロセスでは、導電性スペーサーバーが選択線にも続いてパターン化されるため、選択ゲートの行が浮遊ゲートとともに形成される。
本発明では、導電性スペーサーとしての浮遊ゲートの上面が傾いているため、ワード線に面した上面の面積は、基板に面した底面の面積よりも常に大きい。それゆえに、2つの対向する浮遊ゲートの側壁間のギャップがインターゲート誘電体層によって満たされている時でも、メモリの正常動作に十分なGCRを得ることができる。結果として、従来の不揮発性メモリのプロセスのようにテーパ浮遊ゲートを形成する必要がないため、浮遊ゲートのエッチングプロセスの制御も困難なく、2つの対向する浮遊ゲート間の分離構造の幅をインターゲート誘電体層の厚さの2倍またはそれ以下まで減らすことができる。
本発明の上記及び他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
装置の線幅が徐々に減少する従来の不揮発性メモリにおける浮遊ゲートの断面形状の進化を図示したものである。 装置の線幅が徐々に減少する従来の不揮発性メモリにおける浮遊ゲートの断面形状の進化を図示したものである。 装置の線幅が徐々に減少する従来の不揮発性メモリにおける浮遊ゲートの断面形状の進化を図示したものである。 平面図および/または2つの異なる断面図のうちの少なくとも1つの断面図において、本発明の実施形態に係る不揮発性メモリの製造プロセスを図示したものである。 平面図および/または2つの異なる断面図のうちの少なくとも1つの断面図において、本発明の実施形態に係る不揮発性メモリの製造プロセスを図示したものである。 平面図および/または2つの異なる断面図のうちの少なくとも1つの断面図において、本発明の実施形態に係る不揮発性メモリの製造プロセスを図示したものである。 平面図および/または2つの異なる断面図のうちの少なくとも1つの断面図において、本発明の実施形態に係る不揮発性メモリの製造プロセスを図示したものである。 平面図および/または2つの異なる断面図のうちの少なくとも1つの断面図において、本発明の実施形態に係る不揮発性メモリの製造プロセスを図示したものである。 平面図および/または2つの異なる断面図のうちの少なくとも1つの断面図において、本発明の実施形態に係る不揮発性メモリの製造プロセスを図示したものである。 本発明の実施形態に係る浮遊ゲート構造および不揮発性メモリ構造も図示している。
図2から8は、平面図および/または2つの異なる断面図A−A'およびB−B'のうちの少なくとも1つの断面図において、本発明の実施形態に係る不揮発性メモリの製造プロセスを図示したものである。
図2を参照すると、パターン化されたマスク層202は、分離溝を定義するためのギャップ203を内設し、単結晶シリコンウエハのような半導体の基板200上に形成される。基板200は、その後、マスク層202をマスクとして利用してエッチングされ、その中にトレンチ204を形成し、二酸化ケイ素のような絶縁体がトレンチ204およびギャップ203に満たされ、複数の絶縁層206を形成する。絶縁層206を形成する方法は、例えば、トレンチ204およびギャップ203を満たした基板200上に絶縁体の層を形成し、その後、トレンチ204およびギャップ203の外に絶縁材料を除去する方法を含む。
図3を参照すると、パターン化されたフォトレジスト層208は、絶縁層206の一部を覆う基板200上に形成され、その後、パターン化されたフォトレジスト層208をマスクとして利用したエッチングによって、露光された絶縁層206bが埋め込まれる。パターン化されたフォトレジスト208は、非埋め込み型絶縁層206aおよび埋め込み型絶縁層206bが交互に配置されるように形成される。ここで、絶縁層206bは、後続に非埋め込み型絶縁層206aの側壁上に導電性スペーサーとして浮遊ゲートおよび選択ゲートを形成するステップの間に、その側壁上に導電性スペーサーが形成されないように埋め込まれる。
図4を参照すると、フォトレジスト層208およびマスク層202が除去されることによって、非埋め込み型絶縁層206aが基板200上に突き出た第1分離構造となり、埋め込み型絶縁層206bが第1分離構造206aより高さの低い第2分離構造となる。その後、トンネル層210が基板200の露光面に形成される。トンネル層210は、CV(Capacitance VS. Voltage)測定において、通常は厚さが6から9mm、好ましくは約8nmの酸化被膜である。
図5を参照すると、複数の導電性スペーサーバー212は、第1分離構造206aの側壁に形成される。導電性スペーサーバー212は、基板200上に共形導電層(図示せず)を堆積し、異方性エッチング(anisotropic etching)を行って第1分離構造206aおよび第2分離構造206b上の共形導電層を除去することにより形成される。
図6を参照すると、ONO(酸化物−窒化物−酸化物)複合層のようなインターゲート誘電体層214は、基板200上に形成され、導電性スペーサーバー212を覆う。インターゲート誘電体層214がONO複合層の時、その厚さはおそらくCV測定において9から15nmの範囲内であり、通常は約12nmである。
図7を参照すると、パターン化されたフォトレジスト層216は、後に選択ゲートを形成することが予め定められた導電性スペーサーバー212の部分212'の上にインターゲート誘電体層214を露光するために、基板200上に形成される。導電性スペーサーバー212の部分212'上にあるインターゲート誘電体層214の一部は、フォトレジスト層216をマスクとして利用した異方性エッチング218を通して除去され、後に形成される選択線と接続できるように各部分212'の少なくとも一部が露光される。結果として生じた構造のA−A'断面図は、図6と同じである。
図8を参照すると、フォトレジスト層216が除去される。複数のワード線220aおよび選択線220bは、通常通り、膜蒸着(film deposition)、リソグラフィおよび異方性エッチングで基板200上に形成され、異方性エッチングは導電性スペーサーバー212を複数の浮遊ゲート212aおよび複数の選択ゲート212bにパターン化するまで継続される。各ワード線220aがそれぞれ浮遊ゲート212aの1つの行の上に配置されて、インターゲート誘電体層214によってそこから分離され、選択線220bが選択ゲート212bの行の上に接触して配置され、電気的接続を達成する。
その後、例えば、埋設されたソース線、分離したドレイン領域およびビット線が任意の周知のプロセスによって形成される。これは、本分野において通常の知識を有する技術者にとって周知であるため、詳細については図示しない。
図8を参照すると、導電性スペーサーとしての浮遊ゲート212aの上面が傾いているため、ワード線220aに面した上面の面積は、基板200に面した底面の面積よりも常に大きい。それゆえに、対向する浮遊ゲート212aの側壁間のギャップがインターゲート誘電体層214によって満たされている時でも、メモリの正常動作に十分なGCRを得ることができる。このようにして、2つの対向する浮遊ゲート212a間の第2分離構造206bの幅は、通常、基板200上に突き出た第1分離構造206aの幅と等しいが、先行技術における不揮発性メモリのプロセスのようにテーパ浮遊ゲートを形成する必要がないため、浮遊ゲートのエッチングプロセスの制御も困難なく、インターゲート誘電体層214の厚さの2倍またはそれ以下まで減らすことができる。
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
100 200 基板
110 210 トンネル層
120 浮遊ゲート
128 トレンチ
130 分離構造
140 214 インターゲート誘電体層
150 ワード線
202 マスク層
203 ギャップ
204 トレンチ
206 絶縁層
206a 非埋め込み型絶縁層(第1分離構造)
206b 埋め込み型絶縁層(第2分離構造)
208 216 フォトレジスト層
212 導電性スペーサーバー
212' 導電性スペーサーバーの一部
212a 浮遊ゲート
212b 選択ゲート
218 異方性エッチング
220a ワード線
220b 選択線

Claims (19)

  1. 基板上に突き出た分離構造の側壁上に配置され、前記基板から絶縁された導電性スペーサーを有する不揮発性メモリの浮遊ゲート構造。
  2. 前記導電性スペーサーが、トンネル層によって前記基板から絶縁された請求項1記載の浮遊ゲート構造。
  3. 前記不揮発性メモリの限界寸法が30nm未満である請求項1記載の浮遊ゲート構造。
  4. 基板と、
    前記基板に設けられ、前記基板の上に突き出た複数の第1分離構造と、
    前記基板上に突き出た前記第1分離構造の側壁上にある第1導電性スペーサーとしての複数の浮遊ゲートと、
    前記各浮遊ゲートと前記基板の間のトンネル層と
    を備えた不揮発性メモリ。
  5. 前記第1分離構造よりも高さの低い複数の第2分離構造をさらに備え、
    前記浮遊ゲートが行方向および列方向に配置され、
    前記第1および第2分離構造のそれぞれが列方向に広がり、
    前記第1分離構造および前記第2分離構造が前記行方向に交互に配置され、
    前記第2分離構造のそれぞれが、近隣する2つの第1分離構造の対向する2つの側壁上にある浮遊ゲートの2つの列の間に設けられた請求項4に記載の不揮発性メモリ。
  6. 前記第1分離構造の前記側壁上にある第2導電性スペーサーとしての選択ゲートの行をさらに備えた請求項4記載の不揮発性メモリ。
  7. 限界寸法が30nm未満である請求項4記載の不揮発性メモリ。
  8. 前記浮遊ゲートの各行の上にそれぞれ配置される複数のワード線と、
    前記各浮遊ゲートと前記浮遊ゲート上にある前記ワード線の間に配置されるインターゲート誘電体層と
    をさらに備え、
    前記浮遊ゲートが行方向および列方向に配置され、前記第1分離構造のそれぞれが前記列方向に広がる請求項4に記載の不揮発性メモリ。
  9. 前記第1分離構造よりも高さが低く、かつ列方向に広がる複数の第2分離構造をさらに備え、
    前記第1分離構造および前記第2分離構造が行方向に交互に配置され、
    前記第2分離構造のそれぞれが、近隣する2つの第1分離構造の対向する2つの側壁上にある浮遊ゲートの2つの列の間に設けられ、
    前記第1および第2分離構造のそれぞれの幅が、前記浮遊ゲート上の前記インターゲート誘電体層の厚さの2倍に等しいか、それよりも小さい請求項8に記載の不揮発性メモリ。
  10. 前記基板上に突き出た前記第1分離構造の前記側壁上にある第2導電性スペーサーとしての選択ゲートの行と、
    前記選択ゲートの行の上に接触して配置される選択線と
    をさらに備えた請求項8に記載の不揮発性メモリ。
  11. 基板に設けられ、前記基板の上に突き出た複数の第1分離構造を形成するステップと、
    前記基板上にトンネル層を形成するステップと、
    前記基板上に突き出た前記第1分離構造の側壁上に、第1導電性スペーサーとしての複数の浮遊ゲートを形成するステップと
    を含む不揮発性メモリの製造方法。
  12. 前記第1分離構造を形成するステップの間に、前記第1分離構造よりも高さの低い複数の第2分離構造を形成するステップをさらに含み、
    前記浮遊ゲートが行方向および列方向に配置され、
    前記第1および第2分離構造のそれぞれが列方向に広がり、
    前記第1分離構造および前記第2分離構造が行方向に交互に配置され、
    前記各第2分離構造がそれぞれ、近隣する2つの第1分離構造の対向する2つの側壁上にある浮遊ゲートの2つの列の間に設けられる請求項11に記載の製造方法。
  13. 前記第1および第2分離構造を形成するステップが、
    ギャップを有し、パターン化されたマスク層をエッチングマスクとして利用して前記基板の内部に前記ギャップに対応する複数のトレンチを形成するステップと、
    前記トレンチおよび前記ギャップを複数の絶縁層で満たすステップと、
    埋め込み型絶縁層と非埋め込み型絶縁層が交互に配置されるように前記絶縁層の一部を埋め込むステップと、
    前記マスク層を除去することにより、前記非埋め込み型絶縁層が前記複数の第1分離構造となり、前記埋め込み型絶縁層が前記第2分離構造となるステップと
    を含む請求項12に記載の製造方法。
  14. 前記浮遊ゲートを形成するステップの間に、前記第1分離構造の前記側壁上にある第2導電性スペーサーとしての選択ゲートの行を形成するステップをさらに含む請求項11に記載の製造方法。
  15. 前記不揮発性メモリの限界寸法が30nm未満である請求項11に記載の製造方法。
  16. 前記浮遊ゲートを形成するステップが、
    前記基板上に突き出た前記第1分離構造の前記側壁上に複数の導電性スペーサーバーを形成するステップと、
    前記導電性スペーサーバーをパターン化するステップと
    を含む請求項11に記載の製造方法。
  17. 前記導電性スペーサーバーが形成された後であり前記導電性スペーサーバーがパターン化される前に、
    前記基板上にインターゲート誘電体層を形成するステップと、
    前記インターゲート誘電体層上に行方向に広がる複数のワード線を形成するステップをさらに含み、
    前記導電性スペーサーバーが前記ワード線の形成後にパターン化されることによって、前記ワード線のそれぞれが前記浮遊ゲートの1つの行の上に配置され、
    前記浮遊ゲートが行方向および列方向に配置され、前記第1分離構造のそれぞれが列方向に広がる請求項16に記載の製造方法。
  18. 前記第1分離構造を形成するステップの間に、
    前記第1分離構造よりも高さが低く、かつ列方向に広がる複数の第2分離構造を形成するステップをさらに含み、
    前記第1分離構造および前記第2分離構造が行方向に交互に配置され、
    前記第2分離構造のそれぞれが、近隣する2つの第1分離構造の対向する2つの側壁上にある浮遊ゲートの2つの列の間に設けられ、
    前記第1および第2分離構造のそれぞれの幅が、前記浮遊ゲート上の前記インターゲート誘電体層の厚さの2倍に等しいか、それよりも小さい請求項17に記載の製造方法。
  19. 前記導電性スペーサーバーをパターン化するステップの間に、前記基板上に突き出た前記第1分離構造の前記側壁上に第2導電性スペーサーとして選択ゲートの行を形成するステップと、
    前記インターゲート誘電体層を形成するステップの後であり前記ワード線を形成するステップの前に、前記選択ゲートの行を形成することが予め定められている前記導電性スペーサーバーの部分上にある前記インターゲート誘電体層の一部を除去して、前記導電性スペーサーバーの前記各部分の少なくとも一部分が露光されるステップと、
    前記ワード線を形成するステップの間に、前記導電性スペーサーバーの前記各部分上に接触して配置される選択線を形成するステップと
    をさらに含み、
    前記導電性スペーサーバーが前記選択線の形成後にパターン化され、それによって前記選択ゲートの行が前記浮遊ゲートとともに形成される請求項17に記載の製造方法。
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