JP3381863B2 - Nor型フラッシュメモリ - Google Patents

Nor型フラッシュメモリ

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JP3381863B2 JP16016193A JP16016193A JP3381863B2 JP 3381863 B2 JP3381863 B2 JP 3381863B2 JP 16016193 A JP16016193 A JP 16016193A JP 16016193 A JP16016193 A JP 16016193A JP 3381863 B2 JP3381863 B2 JP 3381863B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本願の発明は、メモリセル用のト
ランジスタが所謂スプリットゲート構造になっているN
OR型フラッシュメモリに関するものである。
【0002】
【従来の技術】図9は、MONOS型のNOR型フラッ
シュメモリにおけるメモリセルアレイの一例を示してい
る。この一例では、Si基板11(図10)の表面のS
iO2膜12で素子活性領域13が区画されており、こ
の素子活性領域13のうちのチャネル領域の表面に、S
iO2膜14とSi34膜15とSiO2膜16とで構成
されているONO膜17(図10)がゲート絶縁膜とし
て形成されている。そして、多結晶Si膜18から成る
ワード線が、ONO膜17及びSiO2膜12上を、素
子活性領域13に直交する方向へ延在している。
【0003】多結晶Si膜18の両側の素子活性領域1
3には、ソース21及びドレイン22としてのn+拡散
層が形成されて、メモリセル用のトランジスタ23が形
成されている。ソース21及びドレイン22に対しては
コンタクト孔24、25が開口されており、これらのコ
ンタクト孔24、25を介して、接地線(図示せず)及
びビット線(図示せず)がソース21及びドレイン22
に夫々コンタクトしている。なお、ワード線である多結
晶Si膜18が、トランジスタ23のゲートになってい
る。
【0004】ところで、図9からも明らかな様に、NO
R型フラッシュメモリでは、各メモリセル毎にコンタク
ト孔24、25が必要であるので、コンタクト孔が複数
ビットについて1個でよいNAND型フラッシュメモリ
に比べて、メモリセル面積が大きい。
【0005】ワード線である多結晶Si膜18間の間隔
が広い場合は、図10(a)に示す様に、多結晶Si膜
18と同じパターンのオフセット用のSiO2膜26を
多結晶Si膜18上に形成し、CVDでSiO2膜27
を全面に堆積させても、多結晶Si膜18間がSiO2
膜27で埋め込まれない。
【0006】このため、SiO2膜27の全面を異方性
エッチングすれば、図10(b)に示す様に、多結晶S
i膜18に対して自己整合的にコンタクト孔24、25
を開口することができる。従って、位置合わせ余裕等の
余分な間隔が不要であり、メモリセル面積を小さくする
ことができる。
【0007】これに対して、多結晶Si膜18間の間隔
が狭くなると、図11に示す様に、多結晶Si膜18間
がSiO2膜27で埋め込まれるので、多結晶Si膜1
8に対して自己整合的にはコンタクト孔24、25を開
口することができない。従って、コンタクト孔24、2
5を開口するために、多結晶Si膜18間の間隔をある
値(0.4μm程度)以下に縮小することができず、コ
ンタクト孔24、25がメモリセル面積の縮小の妨げに
なっていた。
【0008】一方、NOR型フラッシュメモリでは、ト
ランジスタ23を、図12に示す様に、消去状態の閾値
電圧Vth(E)が読出電圧VR以下で且つエンハンスメ
ント型にする必要がある。これは、デプレション型で
は、読出時に、ワード線である多結晶Si膜18に電圧
を印加していなくても、トランジスタ23を通して電流
が流れて、誤動作を起こすからである。
【0009】また、消去状態の閾値電圧Vth(E)が読
出電圧VR以上であると、消去及び書込の何れの状態の
トランジスタ23に読出電圧VRを印加しても、このト
ランジスタ23には電流が流れず、消去状態にあるトラ
ンジスタ23と書込状態にあるトランジスタ23とを区
別することができないからである。従って、読出電圧V
Rが低くなると、消去状態の閾値電圧Vth(E)のバラ
ツキを小さくして読出電圧VR以上にはならない様に制
御する必要があるので、読出電圧VRの低電圧化が難し
くなる。
【0010】この対策として、図13(a)に示す様な
スプリットゲート構造がある。この構造では、SiO2
膜14aの膜厚が薄くてキャリアの注入及び引抜という
メモリ動作が行われるメモリゲート部31と、SiO2
膜14bの膜厚が厚くてメモリ動作は行われず閾値電圧
を常にエンハンスメントに保つためのエンハンスメント
ゲート部32とが、互いに直列に接続されている。
【0011】このため、図13(b)に示す様に、消去
状態におけるメモリゲート部31がデプレションになっ
ても、トランジスタ23全体の閾値電圧は常にエンハン
スメントに保たれるので、消去状態におけるメモリゲー
ト部31の閾値電圧Vth(E)のバラツキを厳しく制御
する必要がない。また、エンハンスメントゲート部32
の閾値電圧Vthは、通常のMOSトランジスタと同様に
イオン注入で任意の値にバラツキ少なく制御することが
できる。従って、このスプリットゲート構造では、低電
圧読出が容易で、低電圧化を実現し易い。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】ところが、スプリット
ゲート構造では、図13(a)に示した様にメモリゲー
ト部31とエンハンスメントゲート部32とが互いに直
列に接続されているので、ゲート長が長くなる。この結
果、メモリセル面積が増加して、チップ面積も増大して
しまう。
【0013】
【課題を解決するための手段】請求項1のNOR型フラ
ッシュメモリでは、メモリセル用のトランジスタ23の
ゲート37の底面部31と側壁部32とにゲート絶縁膜
14a、14bが形成されており、前記側壁部32にお
ける前記ゲート絶縁膜14bはキャリアの注入及び引抜
が行われない膜厚を有しており、前記側壁部32は閾値
電圧が前記メモリセルからのデータの読出電圧以下のエ
ンハンスメント型であり、接地線42とビット線52と
が前記トランジスタ23の上層側に設けられており、前
記接地線42と前記ビット線52との一方が他方を貫通
して前記トランジスタ23のソース21またはドレイン
22に接続している。
【0014】請求項2のNOR型フラッシュメモリで
は、請求項1のNOR型フラッシュメモリにおいて、前
記ゲート37が絶縁膜41に覆われた状態で半導体基体
1の表面よりもこの半導体基体11の内部側に埋め込
まれている
【0015】
【作用】求項1のNOR型フラッシュメモリでは、メ
モリセル用のトランジスタ23が所謂スプリットゲート
構造になっており閾値電圧の制御が容易であるが、ゲー
ト37の側壁部32を用いてこのスプリットゲート構造
が実現されているので、非スプリットゲート構造に比べ
てメモリセル面積が増加しない。しかも、接地線42と
ビット線52とを平面的に見て重畳させることができる
ので、メモリセル面積を更に縮小することができる。
【0016】請求項2のNOR型フラッシュメモリで
は、半導体基体11に形成されているソース21/ドレ
イン22に対するコンタクト孔24、25の開口に際し
て、このコンタクト孔24、25がゲート37上に位置
しても、半導体基体11の表面とゲート37との間には
絶縁膜41が存在しているので、接地線42またはビッ
ト線52とゲート37との短絡が防止される。このた
め、ゲート37間の間隔に影響されることなく、リソグ
ラフィの限界で決定される最小のコンタクト孔24、2
5をソース21/ドレイン22に対して開口することが
できて、メモリセル面積を縮小することができる
【0017】
【実施例】下、本願の発明の第1〜第実施例及び一
参考例を、図1〜8を参照しながら説明する。なお、図
9〜13に示した本願の発明の従来例等と対応する構成
部分には、同一の符号を付してある。
【0018】図1が、MONOS型のNOR型フラッシ
ュメモリに適用した第1実施例を示している。この第1
実施例を製造するためには、図2に示す様に、p型で抵
抗率が10〜20Ω・cmであり表面が<100>面で
あるSi基板11上に膜厚が10nmのSiO2膜(図
示せず)を熱酸化で形成し、このSiO2膜上に膜厚が
50nmの多結晶Si膜(図示せず)を堆積させる。
【0019】その後、この多結晶Si膜上でフォトレジ
スト(図示せず)を素子活性領域13のパターンに加工
し、このフォトレジストをマスクにしたエッチングで、
深さが600nmのトレンチ33をSi基板11に形成
する。そして、フォトレジストを除去し、B+を2×1
12cm-2のドーズ量及び20keVの注入エネルギで
Si基板11にイオン注入してから、900℃の温度で
20分間のアニールを行って、チャネルストッパ(図示
せず)を形成する。
【0020】その後、膜厚が10nmのSiO2膜(図
示せず)をトレンチ33の側壁部と底面部とに熱酸化で
形成してから、膜厚が200nmのSiO2膜12をC
VDで堆積させてトレンチ33を埋める。そして、Si
2膜12と多結晶Si膜と熱酸化で形成したSiO2
とを順次にエッチバックして、Si基板11の表面を平
坦化する。
【0021】この結果、SiO2膜12で素子分離領域
が区画されると共に、Si基板11の表面部のうちでS
iO2膜12に囲まれている領域が素子活性領域13に
なる。その後、Phos + 5×1015cm-2のドーズ
量及び20keVの注入エネルギでSi基板11にイオ
ン注入してから、950℃の温度で20分間のアニール
を行って、深さが300nmのn+拡散層34を素子活
性領域13の全面に形成する。
【0022】次に、図3に示す様に、ワード線を反転さ
せたパターンのフォトレジスト35をマスクにし、Si
に対する選択比を大きくして、SiO2膜12を380
nmの深さにエッチングする。そして、再びフォトレジ
スト35をマスクにし、今度はSiO2に対する選択比
を大きくして、Si基板11を400nmの深さにエッ
チングする。
【0023】この結果、ワード線のパターンのトレンチ
36が形成されるが、このトレンチ36の底面部では、
SiO2膜12の表面よりもSi基板11の表面の方が
僅かに下方に位置している。また、トレンチ36の形成
によって、素子活性領域13の延在方向でn+拡散層3
4が分断され、分断されたn+拡散層34の各々がソー
ス21及びドレイン22になる。
【0024】次に、図4に示す様に、フォトレジスト3
5を除去してから、トレンチ36の内面を含むSi基板
11の全表面に、膜厚が12nmのSiO2膜14bを
熱酸化で形成する。そして、このSiO2膜14bを異
方性ドライエッチングして、トレンチ36の底面部のS
iO2膜14bを除去し、トレンチ36の側壁部にのみ
SiO2膜14bを残す。そして更に、必要な閾値電圧
調整用のイオン注入を行う。
【0025】その後、トレンチ36の底面部で露出して
いるSi基板11の表面を清浄化してから、O2/N2
1×10-3の雰囲気中における850℃の温度の熱酸化
で、膜厚が2nmのSiO2膜14aをトレンチ36の
底面部等に形成する。そして、減圧CVD装置を用い、
SiH2Cl2/NH3=50/20SCCMの原料ガ
ス、760℃の温度及び70Paの圧力の条件で、膜厚
が7nmのSi34膜15を全面に堆積させる。
【0026】その後、H2/O2=0.5の雰囲気中にお
ける950℃の温度の熱酸化で、膜厚が3nmのSiO
2膜16をSi34膜15の表面に形成する。この時、
残ったSi34膜15の膜厚は5nmになる。ここまで
で、SiO2膜16とSi34膜15とSiO2膜14a
とから成るONO膜17が完成する。
【0027】次に、膜厚が200nmの多結晶Si膜を
全面に堆積させ、この多結晶Si膜でトレンチ36内を
埋め込んで、Si基板11上を平坦化する。そして、こ
の多結晶Si膜の全面をエッチバックして、膜厚が15
0nmの多結晶Si膜をトレンチ36内にのみ残す。そ
の後、膜厚が200nmのWSi2膜を全面に堆積さ
せ、このWSi2膜で再びトレンチ36内を埋め込ん
で、Si基板11上を平坦化する。そして、このWSi
2膜の全面をエッチバックして、膜厚が50nmのWS
2膜をトレンチ36内の多結晶Si膜上にのみ残す。
【0028】ここまでで、図5に示す様に、膜厚が20
0nmのタングステンポリサイド膜37から成るワード
線が完成すると共に、このタングステンポリサイド膜3
7をゲートとするメモリセル用のトランジスタ23が完
成する。このトランジスタ23では、タングステンポリ
サイド膜37の底面部がメモリゲート部31になってお
り、タングステンポリサイド膜37の側壁部がエンハン
スメントゲート部32になっている。
【0029】その後、タングステンポリサイド膜37を
マスクにしてONO膜17の全面をエッチバックして、
ソース21及びドレイン22上のONO膜17を除去す
る。そして、膜厚が200nmのSiO2膜41を全面
に堆積させ、このSiO2膜41でトレンチ36内を埋
め込んで、Si基板11上を平坦化する。
【0030】次に、フォトレジスト(図示せず)をマス
クにしてSiO2膜41をエッチングして、図6に示す
様に、ソース21を露出させるコンタクト孔24を開口
する。そして、フォトレジストを除去し、ソース21の
表面の自然酸化膜をエッチングで除去した後、n+型の
多結晶Si膜とWSi2膜とを順次に堆積させて、タン
グステンポリサイド膜42を全面に形成する。
【0031】その後、接地線のパターンのフォトレジス
ト(図示せず)をマスクにしてタングステンポリサイド
膜42をエッチングして、接地線を形成する。従って、
接地線であるタングステンポリサイド膜42は、コンタ
クト孔24を介してソース21にコンタクトする。
【0032】次に、図1に示した様に、タングステンポ
リサイド膜42上の全面にSiO2膜43をCVDで堆
積させ、ドレイン22上に開口を有するフォトレジスト
(図示せず)をSiO2膜43上でパターニングする。
そして、このフォトレジストをマスクにしてSiO2
43とタングステンポリサイド膜42とSiO2膜41
とを順次に異方性ドライエッチングすることによって、
これらのタングステンポリサイド膜42及びSiO2
41、43を貫通してドレイン22を露出させる開口4
4を形成する。
【0033】その後、フォトレジストを除去してから、
膜厚が120nmのSiO2膜45をCVDで全面に堆
積させる。そして、SiO2膜45の全面をエッチバッ
クし、このSiO2膜45から成る側壁を開口44の内
側面に形成することによって、ドレイン22に達するコ
ンタクト孔25を開口する。そして更に、膜厚が2nm
のTi膜と膜厚が20nmのTiN膜とをCVDで順次
に堆積させて、TiN/Ti膜46を全面に形成する。
【0034】その後、膜厚が150nmのタングステン
膜47をCVDで全面に堆積させ、タングステン膜47
の全面をエッチバックして、このタングステン膜47で
コンタクト孔25を埋める。つまり、タングステン膜4
7をコンタクト孔25のプラグにする。
【0035】そして、TiN膜51とAlSiCu膜5
2とをスパッタリングで順次に堆積させ、AlSiCu
膜52とTiN膜51とTiN/Ti膜46とをパター
ニングして、ビット線を形成する。従って、ビット線で
あるAlSiCu膜52は、コンタクト孔25内のTi
N膜51とタングステン膜47とTiN/Ti膜46と
を介して、ドレイン22にコンタクトする。その後は、
従来公知の工程を実行して、この第1実施例を完成させ
る。
【0036】図7(a)(b)が、浮遊ゲート型のNO
R型フラッシュメモリに適用した第2及び第3実施例を
示している。これらの第2及び第3実施例は、浮遊ゲー
トとしての多結晶Si膜53がトレンチ36内のSiO
2膜14a、14bに接して形成されており、ワード線
及び制御ゲートとしてのタングステンポリサイド膜37
と多結晶Si膜53との間に容量結合用のSiO2膜5
4等が形成されていることを除いて、図1に示したMO
NOS型のNOR型フラッシュメモリに適用した第1実
施例と実質的に同様の構成を有している。
【0037】図8が、SOI構造であるMONOS型の
NOR型フラッシュメモリに適用した一参考例を示して
いる。この参考例では、Si基板11から形成したSi
層55の一方の面に、SiO2膜56を介して、接地線
であるタングステンポリサイド膜42が形成されてお
り、Si層55の他方の面に、SiO2膜41及びTi
N/Ti膜46を介して、ビット線であるAlSiCu
膜52が形成されている。
【0038】タングステンポリサイド膜42は、コンタ
クト孔24及びn+拡散層57を介してソース21にコ
ンタクトしており、AlSiCu膜52及びTiN/T
i膜46は、コンタクト孔25を介して、ドレイン22
に直接にコンタクトしている。そして、Si層55のタ
ングステンポリサイド膜42側の面が、SiO2膜61
を介して、別のSi基板62に張り合わされている。従
って、タングステンポリサイド膜42は、トランジスタ
23の下層側に設けられており、AlSiCu膜52
は、トランジスタ23の上層側に設けられている。
【0039】なお、以上の第1〜第実施例及び一参考
の何れにおいてもトランジスタ23がnチャネル型で
あるが、pチャネル型のトランジスタを有するNOR型
フラッシュメモリにも、本願の発明を適用することがで
きる。また、第1〜第3実施例の何れにおいてもソース
21とドレイン22との接合深さが互いに等しいが、こ
れらの深さが互いに異なっていてもよい。
【0040】
【発明の効果】請求項1のNOR型フラッシュメモリで
は、メモリセル用のトランジスタが所謂スプリットゲー
ト構造なっており閾値電圧の制御が容易であるにも拘ら
ず、非スプリットゲート構造に比べてメモリセル面積が
増加しないので、チップ面積を増大させることなく、低
電圧読出が容易になって、低電圧化を実現し易い。しか
も、接地線とビット線とを平面的に見て重畳させること
ができて、メモリセル面積を更に縮小することができる
ので、チップ面積を更に縮小することができる。
【0041】請求項2のNOR型フラッシュメモリで
は、ゲート間の間隔に影響されることなく、リソグラフ
ィの限界で決定される最小のコンタクト孔をソース/ド
レインに対して開口することができて、メモリセル面積
を縮小することができるので、同じ設計ルールを用いて
も従来構造に比べてチップ面積を縮小することができ
【図面の簡単な説明】
【図1】願の発明の第1実施例を示しており、(a)
は平面図、(b)(c)は(a)の夫々B−B線及びC
−C線に沿う位置における側断面図である。
【図2】第1実施例を製造するための最初の工程を示し
ており、(a)は平面図、(b)(c)は(a)の夫々
B−B線及びC−C線に沿う位置における側断面図であ
る。
【図3】図2に続く工程を示しており、(a)は平面
図、(b)〜(e)は(a)の夫々B−B線〜E−E線
に沿う位置における側断面図である。
【図4】図3に続く工程を示しており、(a)は平面
図、(b)(c)は(a)の夫々B−B線及びC−C線
に沿う位置における側断面図である。
【図5】図4に続く工程を示しており、(a)は平面
図、(b)(c)は(a)の夫々B−B線及びC−C線
に沿う位置における側断面図である。
【図6】図5に続く工程を示しており、(a)は平面
図、(b)(c)は(a)の夫々B−B線及びC−C線
に沿う位置における側断面図である。
【図7】(a)(b)は本願の発明の夫々第2及び第3
実施例の側断面図である。
【図8】本願の発明の一参考例の側断面図である。
【図9】MONOS型のNOR型フラッシュメモリにお
けるメモリセルアレイの一例の平面図である。
【図10】コンタクト孔を自己整合的に開口することが
できる場合を順次に説明するための側断面図である。
【図11】コンタクト孔を自己整合的に開口することが
できない場合を説明するための側断面図である。
【図12】非スプリットゲート構造のメモリセル用トラ
ンジスタにおける閾値電圧のグラフである。
【図13】本願の発明の従来例におけるスプリットゲー
ト構造のメモリセル用トランジスタを示しており、
(a)は側断面図、(b)はその閾値電圧のグラフであ
る。
【符号の説明】
11 Si基板 14a SiO2膜 14b SiO2膜 21 ソース 22 ドレイン 23 トランジスタ 31 メモリゲート部 32 エンハンスメントゲート部 37 タングステンポリサイド膜 41 SiO2膜 42 タングステンポリサイド膜 52 AlSiCu膜 55 Si層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/8247 H01L 29/788 H01L 29/792

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 メモリセル用のトランジスタのゲートの
    底面部と側壁部とにゲート絶縁膜が形成されており、 前記側壁部における前記ゲート絶縁膜はキャリアの注入
    及び引抜が行われない膜厚を有しており、 前記側壁部は閾値電圧が前記メモリセルからのデータの
    読出電圧以下のエンハンスメント型であり、 接地線とビット線とが前記トランジスタの上層側に設け
    られており、 前記接地線と前記ビット線との一方が他方を貫通して前
    記トランジスタのソースまたはドレインに接続してい
    NOR型フラッシュメモリ。
  2. 【請求項2】 前記ゲートが絶縁膜に覆われた状態で半
    導体基体の表面よりもこの半導体基体の内部側に埋め込
    まれている請求項1記載のNOR型フラッシュメモリ。
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