JP3447179B2 - 不揮発性半導体メモリ装置とその製造方法 - Google Patents

不揮発性半導体メモリ装置とその製造方法

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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10B69/00Erasable-and-programmable ROM [EPROM] devices not provided for in groups H10B41/00 - H10B63/00, e.g. ultraviolet erasable-and-programmable ROM [UVEPROM] devices

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  • Non-Volatile Memory (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はEPROM、EEP
ROM、フラッシュメモリなど、フローティングゲート
をもつ不揮発性半導体メモリ装置、特にスプリットゲー
トタイプと称される不揮発性半導体メモリ装置とその製
造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】EEPROM又はフラッシュメモリでは
電気的に消去を行なうが、過消去(オーバイレース)状
態になるとフローティングゲート下のチャネルがデプレ
ッション状態となり、読出し時にリークが起こって不良
となる。そのため、通常のEPROMのようなETOX
(E-prom with Tunnel Oxide)型のメモリセルでは、チ
ップごとのベリファイ又はビットごとのベリファイを行
なってオーバイレース状態にならないように制御してい
る。しかし、その制御が難しい点、ベリファイ回路を付
加しなければならない点、消去時間が長くなる点などの
問題がある。なお、ETOX型は、フローティングゲー
トとコントロールゲートがセルフアラインでパターン化
されたスタックゲート構造となっており、ゲート絶縁膜
が100Å程度のトンネル膜となるフラッシュメモリの
セル構造である。
【0003】そこで、その対策としてスプリットゲート
タイプが提案されている。スプリットゲートタイプは、
図1に示されるように、基板2に形成されたドレイン拡
散層4とソース拡散層6の間のチャネル領域上にトンネ
ル絶縁膜8を介してフローティングゲート10がドレイ
ン拡散層4側に形成され、フローティングゲート10の
ソース側の端部とソース拡散層6の間が離れたオフセッ
ト領域となっている。フローティングゲート10上には
絶縁膜12を介してコントロールゲート(又はセレクト
ゲート)14が形成され、コントロールゲート14はフ
ローティングゲート10上からチャネルのオフセット領
域上に延びている。チャネル領域はフローティングゲー
ト10の下のメモリチャネルMCと、フローティングゲ
ート10の端からソース拡散層6までの間のオフセット
領域のセレクトチャネルSCとからなっている。スプリ
ットゲートタイプではメモリチャネルMCがデプレッシ
ョン状態になっても、隣接したセレクトチャネルSCに
よりリーク電流を遮断することができる。
【0004】このようなスプリットゲートをもつメモリ
装置は、例えば米国特許第5029130号、米国特許
第5280446号などに記載されているが、そこでは
セレクトチャネルが自己整合的に形成されていないた
め、フローティングゲート10とコントロールゲート1
4とのアライメント(位置合わせ)のずれによってセレ
クトチャネルSCの長さが変動する。そのため、そのア
ライメントずれを考慮してセレクトチャネル長が長めに
設定されており、これがメモリセルの微細化の妨げにな
っている。またセレクトチャネル長のばらつきが読出し
時のセル電流のばらつきとなり、特性の劣化を引き起こ
す。
【0005】スプリットゲートタイプのメモリ装置を自
己整合的に製造する方法としては、フローティングゲー
トの側壁にポリシリコンのサイドウォールスペーサによ
るコントロールゲートを設けて自己整合化を図り、フロ
ーティングゲート上に形成されたコントロールゲートと
電気的に接続したものがある(特開平2−23672号
公報参照)。
【0006】他の方法として、フローティングゲートと
同一層のポリシリコンによるダミーゲートを設けてお
き、ダミーゲートを除去した後のそのダミーゲート領域
の幅がセレクトチャネル長になるように自己整合化を図
ったものもある(特開平2−240968号公報参
照)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】セレクトチャネルをセ
ルフアラインで形成する方法でも平面的にはある程度の
セレクトチャネル領域を設ける必要があり、ETOX型
に対してメモリセル面積が大きくなったり、プロセス的
に複雑になったりする。そこで、本発明はセレクトチャ
ネルをセルフアラインで決めることができ、かつETO
X型に比べて平面的な面積増加が少なくてすむスプリッ
トゲート型の不揮発性メモリ装置とその製造方法を提供
することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】参考例の不揮発性半導体
メモリ装置は、半導体基板に、ドレイン拡散層とソース
拡散層が対向して配置され、基板上にはトンネル絶縁膜
を介し、ドレイン拡散層と隣接し、ソース拡散層と距離
をもって配置されたフローティングゲートが形成され、
フローティングゲートとソース拡散層の間の基板には溝
が形成され、フローティングゲート上には絶縁膜を介
し、フローティングゲートとソース拡散層の間の溝内の
側面上及び底面上にはゲート絶縁膜を介して、セレクト
ゲートが形成されて、溝内の側面及び底面をセレクトチ
ャネルとしている。
【0009】本発明はフローティングゲート上に絶縁膜
を介してコントロールゲートが形成されたスタックゲー
トを備えた不揮発性半導体メモリ装置に適用することが
できる。その場合の不揮発性半導体メモリ装置の構造
は、次のようになる。半導体基板に、ドレイン拡散層と
ソース拡散層が対向して配置され、基板上にはトンネル
絶縁膜を介し、ドレイン拡散層と隣接し、ソース拡散層
と距離をもって配置されたフローティングゲートが形成
され、フローティングゲートとソース拡散層の間の基板
には溝が形成され、フローティングゲート上には絶縁膜
を介して複数のメモリセルに共通な帯状のコントロール
ゲートが形成されてスタックゲートが形成されており、
スタックゲートとの間には絶縁膜を介し、フローティン
グゲートとソース拡散層の間の溝内の側面上及び底面上
にはゲート絶縁膜を介して、セレクトゲートが形成され
て、溝内の側面及び底面をセレクトチャネルとしてい
る。
【0010】ドレイン拡散層とソース拡散層は互いに平
行な帯状に形成することができる。また、セレクトゲー
はチャネル長方向に延びて複数のメモリセルで共通に
することができる。これにより、メモリセルごとのコン
タクトホールを不要にすることができる。
【0011】参考例の製造方法は、次の工程(A)から
(H)を備えている。 (A)半導体基板上にトンネル絶縁膜を介して第1の電
極材料膜を形成し、その電極材料膜にパターン化を施し
てフローティングゲートを形成する工程、 (B)ドレイン形成予定領域に開口をもつレジストパタ
ーンを形成し、それをマスクとして基板に不純物を注入
してドレイン拡散層を形成する工程、 (C)レジストパターンを除去した後、基板表面全面に
絶縁膜を形成し、エッチバックを施してフローティング
ゲートの側面に絶縁物のサイドウォールスペーサを形成
する工程、 (D)ソース形成予定領域に開口をもつレジストパター
ンを形成し、それをマスクとして基板に不純物を注入し
てソース拡散層を形成する工程、 (E)ソース拡散層側のサイドウォールスペーサを除去
した後、酸化性雰囲気中で熱処理を施してシリコン酸化
膜を形成する工程、 (F)ソース拡散層側のサイドウォールスペーサがあっ
た部分の基板が露出するまでエッチングを施した後、シ
リコンの異方性エッチングを施してフローティングゲー
トとソース拡散層の間の基板に溝を形成する工程、 (G)酸化性雰囲気中で熱処理を施して溝内の側面上及
び底面上にゲート酸化膜を形成する工程、 (H)溝を埋める第2の電極材料膜を形成し、その電極
材料膜をパターン化してセレクトゲートを形成する工
程。
【0012】スタックゲートを備えたメモリ装置の本発
明の製造方法は、次の工程(A)から(H)となる。 (A)半導体基板上にトンネル絶縁膜を介して形成され
た第1の電極材料膜からなるフローティングゲート、そ
の上に形成された絶縁膜、及びさらにその上に形成され
た第2の電極材料膜からなるコントロールゲートを備え
たスタックゲートを形成する工程、 (B)ドレイン形成予定領域に開口をもつレジストパタ
ーンを形成し、それをマスクとして基板に不純物を注入
してドレイン拡散層を形成する工程、 (C)レジストパターンを除去した後、基板表面全面に
絶縁膜を形成し、エッチバックを施してスタックゲート
の側面に絶縁物のサイドウォールスペーサを形成する工
程、 (D)ソース形成予定領域に開口をもつレジストパター
ンを形成し、それをマスクとして基板に不純物を注入し
てソース拡散層を形成する工程、 (E)ソース拡散層側のサイドウォールスペーサを除去
した後、酸化性雰囲気中で熱処理を施してシリコン酸化
膜を形成する工程、 (F)ソース拡散層側のサイドウォールスペーサがあっ
た部分の基板が露出するまでエッチングを施した後、シ
リコンの異方性エッチングを施してフローティングゲー
トとソース拡散層の間の基板に溝を形成する工程、 (G)酸化性雰囲気中で熱処理を施して溝内の側面上及
び底面上にゲート酸化膜を形成する工程、 (H)溝を埋める第3の電極材料膜を形成し、その電極
材料膜をパターン化してセレクトゲートを形成する工
程。
【0013】基板にトレンチ溝を掘り、その溝内の側面
上及び底面上にゲート絶縁膜を形成してトレンチ溝内に
チャネルを構成したメモリ装置は提案されている(特開
平2−39473号公報、特開平3−101167号公
報参照)。しかし、それらのメモリセルはスプリットゲ
ート型に関するものではなく、また製造方法においても
セルフアラインで形成されるものではない。
【0014】
【実施例】図2は第1の参考例を表わす。(A)は概略
平面図、(B)はそのX−X’線位置での断面図であ
る。P型シリコン基板22にソース拡散層26が帯状に
形成され、ソース拡散層26に沿ってドレイン拡散層2
4が配列されている。27はフィールド酸化膜である。
基板22上には膜厚が60〜100Åのトンネル酸化膜
28を介してドレイン拡散層24と隣接し、ソース拡散
層26と距離をもって配置されたフローティングゲート
30が形成されている。フローティングゲート30とソ
ース拡散層26の間の基板22にはトレンチ溝32が形
成され、その溝32内の側面上と底面上には膜厚が10
0〜200Åのゲート酸化膜34が形成されている。フ
ローティングゲート30上にはシリコン酸化膜36が形
成され、ソース拡散層26とドレイン拡散層24上には
厚いシリコン酸化膜38が形成されている。
【0015】溝32を埋めるポリシリコン層によりフロ
ーティングゲート30上から溝32に至るセレクトゲー
ト40が形成されており、溝32内の側面及び底面の基
板をセレクトチャネルとしている。セレクトゲート40
はチャネル幅方向、すなわちソース拡散層26の伸びる
方向に沿って複数のメモリセルに共通に形成されてい
る。また、メモリセルごとにドレインコンタクト50が
設けられている。
【0016】次に、図3により図2の参考例の製造方法
について説明する。 (A)通常のMOSプロセスに従い、フィールド酸化膜
を形成した後、全面に膜厚60〜100Åのトンネル酸
化膜28を形成し、その上に膜厚1000〜1500Å
のN型ドープトポリシリコン膜を成長させる。そのポリ
シリコン膜上にレジスト層を形成し、写真製版とエッチ
ングによりフローティングゲート形成予定領域にレジス
トが残るようにパターン化を行なう。そのレジストパタ
ーンをマスクとしてポリシリコン膜をエッチングし、フ
ローティングゲート30を形成する。
【0017】レジストを除去した後、再度レジスト層を
形成し、写真製版とエッチングによりドレイン拡散層形
成領域に開口をもつレジストパターン42を形成する。
そのレジストパターン42とフローティングゲート30
をマスクとして基板にN型不純物の砒素又はリンを30
〜80keVのエネルギーで1×1014〜1×1016
cm2のドーズ量でイオン注入する。24aは不純物注
入領域である。
【0018】(B)レジストを除去した後、全面に膜厚
1000〜2500Åのシリコン酸化膜又はシリコン窒
化膜を堆積し、エッチバックを施すことによりフローテ
ィングゲート30の側面に絶縁物のサイドウォールスペ
ーサ44を形成する。レジスト層を形成し、写真製版と
エッチングによりソース拡散層形成領域に開口をもつレ
ジストパターン45を形成し、そのレジストパターン4
5とフローティングゲート30及びサイドウォールスペ
ーサ44をマスクとして基板にN型不純物の砒素又はリ
ンを30〜80keVのエネルギーで1×1014〜1×
1016/cm2のドーズ量で注入する。26aは注入さ
れた不純物層である。その後、ソース拡散層側のサイド
ウォールスペーサ44をフッ酸などのエッチング液によ
り選択的に除去する。
【0019】(C)レジスト45を除去した後、酸化性
雰囲気中で700〜1000℃の高温熱処理を施すこと
により、シリコン酸化膜を形成する。この時、ソース側
のサイドウォールスペーサがあった部分の基板は不純物
濃度が低いため酸化速度が遅く、その部分に形成される
シリコン酸化膜46の膜厚が100〜500Å程度とな
るように条件を設定する。このとき、基板に不純物が導
入されていた不純物注入領域24a,26aの不純物が
活性化されてドレイン拡散層24とソース拡散層26と
なるとともに、ドレイン拡散層24とソース拡散層26
上には増速酸化によりシリコン酸化膜46の3〜6倍の
膜厚のシリコン酸化膜38が成長する。シリコン酸化膜
38の膜厚は温度と雰囲気によって異なる。
【0020】(D)シリコン酸化膜のウエットエッチ又
はドライエッチにより、シリコン酸化膜46を除去して
その部分の基板を露出させる。その後、シリコンの異方
性エッチングを行ない、フローティングゲート30とソ
ース拡散層26の間の基板にトレンチ溝32を形成す
る。
【0021】(E)酸化処理を施すことにより、トレン
チ溝32内の側面上と底面上に膜厚100〜200Åの
ゲート酸化膜32を成長させる。その後、リン又は砒素
がドープされたポリシリコン膜40を溝32を埋める厚
さで全面に堆積した後、写真製版とエッチングによりパ
ターン化を施してセレクトゲート40を形成する。その
後、層間絶縁膜を形成し、コンタクトホールを開け、メ
タル配線を形成する。
【0022】図4は第2の参考例を表わす。(A)は平
面図、(B)はそのY−Y’線位置での断面図である。
図2の参考例ではセレクトゲート40はチャネル幅方
向、すなわちソース拡散層26の伸びる方向に沿って複
数のメモリセルに共通に形成されているのに対し、図4
参考例ではセレクトゲート40bがチャネル長方向、
すなわちソース拡散層26の伸びる方向と直交する方向
に伸びて複数のメモリセルで共通に形成されている。ま
たドレイン拡散層24bがソース拡散層と平行に延びて
複数のメモリセルで共通に形成されており、図2の参考
ではメモリセルごとにドレインコンタクト50が設け
られているのに対し、図4の参考例ではメモリセルごと
のドレインコンタクトを設けていない。図4の参考例
製造方法は、図3の製造方法で、セレクトゲートのパタ
ーンを異ならせるだけであり、他は同じである。
【0023】図5は実施例を表わし、本発明を3層ポリ
シリコン構造のスプリットゲートタイプのメモリセルに
適用したものである。(A)は平面図、(B)はそのZ
−Z’線位置での断面図である。この実施例は、図4の
参考例で、フローティングゲート30がSAMOS電極
(フローティングゲート30とコントロールゲート52
からなるスタックゲート)に変わっている点を除けば、
基本的に同じである。
【0024】構造を具体的に示すと、P型シリコン基板
22に、帯状に形成されたドレイン拡散層24bとソー
ス拡散層26が交互に配列され、基板22上にはトンネ
ル酸化膜28を介し、ドレイン拡散層24bと隣接し、
ソース拡散層26と距離をもって配置されたフローティ
ングゲート30が形成されている。フローティングゲー
ト30上には絶縁膜を介してソース拡散層26の延びる
方向に延びるコントロールゲート52が形成されてお
り、フローティングゲート30、コントロールゲート5
2及びその間の絶縁膜によってスタックゲートが形成さ
れている。コントロールゲート52上には絶縁膜を介
し、フローティングゲート30とソース拡散層26の間
の溝32内の側面及び底面の基板22上にはゲート酸化
膜34を介して、ソース拡散層26の延びる方向と直交
する方向に延びるセレクトゲート40bが形成されてお
り、セレクトゲート40b下でフローティングゲート3
0とソース拡散層26の間がセレクトチャネルとなって
いる。
【0025】図5の実施例の製造方法は、図3の製造方
法で、最初のポリシリコン膜をパターン化してポリシリ
コンパターン30を形成した時点で、既にSAMOS電
極(フローティングゲート30とコントロールゲート5
2からなるスタックゲート)が形成されているようにす
る点を除けば、他の工程は同じである。
【0026】
【発明の効果】本発明では、フローティングゲートとソ
ース拡散層の間の基板に溝を設け、その溝内の側面上及
び底面上にはゲート絶縁膜を介してセレクトゲートを形
成し、その溝内の側面及び底面をセレクトチャネルとし
ているので、セレクトチャネル領域が平面内で占める面
積を小さくすることができ、メモリセルのセル面積を小
さくすることができる。溝内の側面及び底面をセレクト
チャネルとするので、浅い溝であってもチャネル長を確
保することができ、パンチスルーによるリークのないメ
モリセルを実現することができる。溝を浅くすれば、セ
レクトゲートとなるポリシリコン膜による溝の埋込みが
容易になる。ドレイン拡散層とソース拡散層を互いに平
行な帯状に形成したり、セレクトゲートをチャネル長方
に延びて複数のメモリセルで共通にすることにより、
メモリセルごとのコンタクトホールを不要にして、セル
面積を小さくすることができる。本発明の製造方法で
は、シリコンの異方性エッチング工程を付加するだけの
比較的簡単なプロセスでセレクトゲートをセルフアライ
ンで形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のスプリットゲートタイプのメモリセル
を示す概略断面図である。
【図2】 第1の参考例を表わす図であり、(A)は概
略平面図、(B)はそのX−X’線位置での断面図であ
る。
【図3】 図2の参考例の製造方法を示す工程断面図で
ある。
【図4】 第2の参考例を表わす図であり、(A)は概
略平面図、(B)はそのY−Y’線位置での断面図であ
る。
【図5】 実施例を表わす図であり、(A)は概略平面
図、(B)はそのZ−Z’線位置での断面図である。
【符号の説明】
22 P型シリコン基板 24,24b ドレイン拡散層 26 ソース拡散層 28 トンネル酸化膜 30 フローティングゲート 32 トレンチ溝 34 ゲート酸化膜 40,40b セレクトゲート 50 コントロールゲート

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板に、ドレイン拡散層とソース
    拡散層が対向して配置され、 前記基板上にはトンネル絶縁膜を介し、ドレイン拡散層
    と隣接し、ソース拡散層と距離をもって配置されたフロ
    ーティングゲートが形成され、 フローティングゲートとソース拡散層の間の基板には溝
    が形成され、 フローティングゲート上には絶縁膜を介して複数のメモ
    リセルに共通な帯状のコントロールゲートが形成されて
    スタックゲートが形成されており、 スタックゲートとの間には絶縁膜を介し、フローティン
    グゲートとソース拡散層の間の前記溝内の側面上及び底
    面上にはゲート絶縁膜を介して、セレクトゲートが形成
    されて、前記溝内の側面及び底面をセレクトチャネルと
    していることを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。
  2. 【請求項2】 ドレイン拡散層とソース拡散層は互いに
    平行な帯状に形成されている請求項に記載の不揮発性
    半導体メモリ装置。
  3. 【請求項3】 セレクトゲートはチャネル長方向に延び
    て複数のメモリセルで共通になっている請求項1又は2
    に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
  4. 【請求項4】 以下の工程(A)から(H)を備えた不
    揮発性半導体メモリ装置の製造方法。 (A)半導体基板上にトンネル絶縁膜を介して形成され
    た第1の電極材料膜からなるフローティングゲート、そ
    の上に形成された絶縁膜、及びさらにその上に形成され
    た第2の電極材料膜からなるコントロールゲートを備え
    たスタックゲートを形成する工程、 (B)ドレイン形成予定領域に開口をもつレジストパタ
    ーンを形成し、それをマスクとして基板に不純物を注入
    してドレイン拡散層を形成する工程、 (C)レジストパターンを除去した後、基板表面全面に
    絶縁膜を形成し、エッチバックを施してスタックゲート
    の側面に絶縁物のサイドウォールスペーサを形成する工
    程、 (D)ソース形成予定領域に開口をもつレジストパター
    ンを形成し、それをマスクとして基板に不純物を注入し
    てソース拡散層を形成する工程、 (E)ソース拡散層側のサイドウォールスペーサを除去
    した後、酸化性雰囲気中で熱処理を施してシリコン酸化
    膜を形成する工程、 (F)ソース拡散層側のサイドウォールスペーサがあっ
    た部分の基板が露出するまでエッチングを施した後、シ
    リコンの異方性エッチングを施してフローティングゲー
    トとソース拡散層の間の基板に溝を形成する工程、 (G)酸化性雰囲気中で熱処理を施して前記溝内の側面
    上及び底面上にゲート酸化膜を形成する工程、 (H)前記溝を埋める第3の電極材料膜を形成し、その
    電極材料膜をパターン化してセレクトゲートを形成する
    工程。
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JPH1041414A (ja) 1998-02-13

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