JP4070703B2 - 不揮発性半導体記憶装置の製造方法 - Google Patents
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図48において、1は記憶素子領域、2は周辺回路領域で、それぞれゲート幅方向とゲート長方向とが示されている。3は記憶素子部、4は周辺回路素子部である。
第1に、図50〜図51における熱酸化膜102の除去および図53におけるトンネル酸化膜108の除去は、いずれも等方性エッチングのため、周辺回路領域2におけるゲート幅端部の素子分離絶縁膜105bは、ゲート幅方向および深さ方向にも膜減りし、ゲート幅方向における半導体基板101の端部が露出する。その結果、図54においてゲート酸化膜113を形成した際に、その端部でゲート酸化膜113が薄くなり、MOSトランジスタのサブシュレッショルド特性が劣化するという問題がある。なお、周辺回路素子が、ゲート酸化膜の膜厚が異なる数種類のMOSトランジスタで構成されている場合は、特性劣化が顕著となる。
本発明の第1の実施の形態に係る浮遊ゲート電極型不揮発性半導体記憶装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
最初に、半導体基板21の上部に記憶素子やMOSトランジスタ等の素子同士を互いに絶縁分離する素子分離領域を形成する。すなわち、まず、図2に示すように、温度が約900℃の酸素雰囲気で半導体基板21を熱酸化することにより、半導体基板21の主面上に膜厚が約10nmの熱酸化膜22を形成する。次いで、公知のCVD法により、熱酸化膜22上に膜厚が約200nmの第1のシリコン窒化膜23を堆積する。次いで、公知のフォトレジスト技術により、複数の素子分離領域がパターニングされたレジスト膜からなる素子分離膜形成用マスクパターン24を形成する。
次に、図7に示すように、温度が900℃の酸素雰囲気で半導体基板21を熱酸化することにより、記憶素子部3に膜厚が約11nmのトンネル酸化膜28を形成する。次いで、公知のCVD法により膜厚が約250nmのリン(P)が添加された第1の多結晶シリコン膜29を堆積した後、公知のフォトレジスト技術により、浮遊ゲート電極分離用マスクパターン30を形成する。次いで、この浮遊ゲート電極分離用マスクパターン30を利用して、公知の異方性エッチング技術により、記憶素子領域1における素子分離絶縁膜25aに対応した所定の第1の多結晶シリコン膜29の部分45を除去する。
なお、本第1の実施の形態では、図10に示すように周辺回路素子部4における第1のシリコン窒化膜23を除去する際に、浮遊ゲート電極29aを形成するための第1の多結晶シリコン膜29の上に形成されているところの、ONO(Oxide-Nitride-Oxide)絶縁膜からなる積層絶縁膜31をマスクとして利用したが、このために酸化膜の単層膜を使用しても良い。また、各膜の膜種およびエッチング方法も本第1の実施の形態に限定されるものではない。
本発明の第2の実施の形態に係る浮遊ゲート電極型不揮発性半導体記憶装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
以下、前記のように構成された一記憶素子と該記憶素子を駆動する周辺回路のMOSトランジスタとを含む不揮発性半導体記憶装置の製造方法について、図15〜図25の工程順断面概略図に従って説明する。なお、図15〜図25において、第1の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付けている。
最初に、半導体基板21の上部に記憶素子やMOSトランジスタ等の素子同士を互いに絶縁分離する素子分離領域を形成する。
なお、本第2の実施の形態では、図22に示すように周辺回路素子部4における第2のシリコン窒化膜38を除去する際に、浮遊ゲート電極29aを形成するための第1の多結晶シリコン膜29の上に形成されているところの、ONO(Oxide-Nitride-Oxide)絶縁膜からなる積層絶縁膜31をマスクとして利用したが、このために酸化膜の単層膜を使用しても良い。また、各膜の膜種およびエッチング方法も本第2の実施の形態に限定されるものではない。
本発明の第3の実施の形態に係るMONOS型不揮発性半導体記憶装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
最初に、半導体基板21の上部に、記憶素子やMOSトランジスタ等の素子同士を互いに絶縁分離する素子分離領域を形成する。
次に、温度が900℃の酸素雰囲気で半導体基板21を熱酸化することにより、図32に示すように、記憶素子部3に膜厚が約7nmのトンネル酸化膜28を形成する。次いで、公知のCVD法により膜厚が約7nmの第3のシリコン窒化膜39、膜厚が約10nmの第4のシリコン酸化膜40を順次堆積する。次いで、記憶素子領域1を覆うマスクパターン32を形成し、その後、このマスクパターン32を利用して、フッ酸によるウェットエッチングにより、周辺回路領域2における第4のシリコン酸化膜40を除去する。
以上説明したように、第3の実施の形態によると、図32に示すように記憶素子部3にトンネル酸化膜28を形成する際に、周辺回路素子部4には、バリア性が高くかつ酸化膜とのエッチング選択比が高い緻密な膜構成の第1のシリコン窒化膜23が形成されている。これにより、周辺回路素子部4には、従来のようなトンネル酸化膜28は形成されず、従来必要とされていた周辺回路領域2へのウェットエッチング処理が削減されるので、素子分離絶縁膜25bの後退量は少なくなり、ゲート酸化膜の形成前におけるゲート幅方向端部の半導体基板21の露出が抑制される。その結果、周辺回路素子部4におけるゲート酸化膜33の膜厚は均一に形成されるため、MOSトランジスタのサブシュレッショルド特性劣化が抑制される。
本発明の第4の実施の形態に係るMONOS型不揮発性半導体記憶装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
以下、前記のように構成された一記憶素子と該記憶素子を駆動する周辺回路のMOSトランジスタとを含む不揮発性半導体記憶装置の製造方法について、図38〜図47の工程順断面概略図に従って説明する。なお、図38〜図47において、第3の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付けている。
最初に、半導体基板21の上部に、記憶素子やMOSトランジスタ等の素子同士を互いに絶縁分離する素子分離領域を形成する。
次に、図43に示すように、温度が900℃の酸素雰囲気で半導体基板21を熱酸化することにより、記憶素子部3に膜厚が約7nmのトンネル酸化膜28を形成する。次いで、公知のCVD法により膜厚が約7nmの第3のシリコン窒化膜39、膜厚が約10nmの第4のシリコン酸化膜40を順次堆積する。次いで、記憶素子領域1を覆うマスクパターン32を形成した後、フッ酸によるウェットエッチングにより、周辺回路領域2における第4のシリコン酸化膜40を除去する。
以上説明したように、第4の実施の形態によると、図43に示すように記憶素子部3にトンネル酸化膜28を形成する際において、周辺回路領域2の全面に、バリア性が高くかつ酸化膜とのエッチング選択比が高い緻密な膜構成の第2のシリコン窒化膜38が形成されている。これより、周辺回路素子部4には、従来のようなトンネル酸化膜28は形成されず、従来必要とされていた周辺回路領域2へのウェットエッチング処理が削減されるので、素子分離絶縁膜25bの後退量は少なくなり、ゲート酸化膜形成前におけるゲート幅方向端部の半導体基板21の露出が抑制される。その結果、周辺回路素子部4におけるゲート酸化膜33の膜厚は均一に形成されるため、MOSトランジスタのサブシュレッショルド特性劣化が抑制される。
2 周辺回路領域
21 半導体基板
22 熱酸化膜
23 第1のシリコン窒化膜
25a 素子分離絶縁膜
25b 素子分離絶縁膜
28 トンネル酸化膜
29a 浮遊ゲート電極
31a 容量絶縁膜
34a 制御ゲート電極
Claims (17)
- 半導体基板上に、記憶素子形成領域と前記記憶素子形成領域の外部の周辺回路形成領域とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に積層膜からなる素子分離形成用膜を形成する工程(a1)と、
前記素子分離形成用膜を利用して前記半導体基板に素子分離絶縁膜を形成する工程(b1)と、
前記周辺回路形成領域にある前記積層膜からなる素子分離形成用膜を残存させた状態で、前記記憶素子形成領域にある前記素子分離形成用膜を選択的に除去する工程(c1)と、
前記素子分離形成用膜が選択的に除去された前記記憶素子形成領域に不揮発性半導体記憶素子のトンネル酸化膜を成長させる工程(d1)と、
前記周辺回路形成領域にある前記素子分離形成用膜を選択的に除去するとともに、前記トンネル酸化膜上に前記不揮発性半導体記憶素子の浮遊ゲート電極、容量絶縁膜および制御ゲート電極を形成する工程(e1)とをこの順に行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 工程(c1)では、
記憶素子形成領域上および周辺回路形成領域上に選択除去膜を形成する工程(f1)と、
前記記憶素子形成領域上にある前記選択除去膜を選択的に除去する工程(g1)と、
前記周辺回路形成領域上に残された前記選択除去膜をマスクとして前記記憶素子形成領域にある素子分離形成用膜の上層膜を選択的に除去する工程(h1)と、
前記周辺回路形成領域上に残された前記選択除去膜および前記記憶素子形成領域にある前記素子分離形成用膜の下層膜を除去する工程(i1)とをこの順に行うことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 工程(e1)では、
記憶素子形成領域上および周辺回路形成領域上に第1の多結晶シリコン膜を形成する工程(j1)と、
前記記憶素子形成領域における前記第1の多結晶シリコン膜を選択的に除去して、前記素子分離絶縁膜上において互いに分離された浮遊ゲート電極形成用膜を形成する工程(k1)と、
前記浮遊ゲート電極形成用膜上および前記周辺回路形成領域における前記第1の多結晶シリコン膜上に積層絶縁膜を形成する工程(l1)と、
前記周辺回路形成領域における前記積層絶縁膜および前記第1の多結晶シリコン膜を選択的に除去する工程(m1)と、
前記記憶素子形成領域上に残された前記積層絶縁膜をマスクとして前記周辺回路形成領域にある素子分離形成用膜の上層膜を選択的に除去する工程(n1)と、
前記記憶素子形成領域上に残された前記積層絶縁膜の上層膜および前記周辺回路形成領域にある前記素子分離形成用膜の下層膜を除去する工程(o1)とをこの順に行うことを特徴とする請求項1または2記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 工程(o1)の後に、
周辺回路形成領域に露出した半導体基板にゲート絶縁膜を形成するとともに、記憶素子形成領域上に残された積層絶縁膜の下層膜上にシリコン酸化膜を形成する工程(p1)と、
前記ゲート絶縁膜上および前記シリコン酸化膜上に第2の多結晶シリコン膜を形成する工程(q1)と、
前記記憶素子形成領域における前記第2の多結晶シリコン膜、前記シリコン酸化膜、前記積層絶縁膜の下層膜および浮遊ゲート電極形成用膜を選択的に除去して、制御ゲート電極、容量絶縁膜および浮遊ゲート電極を形成する工程(r1)と、
前記周辺回路形成領域における前記第2の多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極を形成する工程(s1)と、
前記制御ゲート電極および前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板中に不純物を導入し、ソースおよびドレインとなる拡散層領域を形成する工程(t1)とをこの順に行うことを特徴とする請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 選択除去膜をシリコン酸化膜で形成することを特徴とする請求項2から4までのいずれか1項記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 半導体基板上に、記憶素子形成領域と前記記憶素子形成領域の外部の周辺回路形成領域とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に積層膜からなる素子分離形成用膜を形成する工程(a2)と、
前記素子分離形成用膜を利用して前記半導体基板に素子分離絶縁膜を形成する工程(b2)と、
前記周辺回路形成領域にある前記積層膜からなる素子分離形成用膜を残存させた状態で、前記記憶素子形成領域にある前記素子分離形成用膜を選択的に除去する工程(c2)と、
前記記憶素子形成領域にトンネル酸化膜からなる下層膜、シリコン窒化膜からなる中層膜およびシリコン酸化膜からなる上層膜で構成された不揮発性半導体記憶素子の積層ゲート絶縁膜を成長させるとともに、前記周辺回路形成領域にシリコン窒化膜からなる下層膜およびシリコン酸化膜からなる上層膜で構成された積層ゲート絶縁膜を成長させる工程(d2)と、
前記周辺回路形成領域にある前記積層ゲート絶縁膜の上層膜を選択的に除去する工程(e2)と、
前記記憶素子形成領域上に残された前記不揮発性半導体記憶素子の積層ゲート絶縁膜の上層膜をマスクとして前記周辺回路形成領域にある前記積層ゲート絶縁膜の下層膜および素子分離形成用膜の上層膜を選択的に除去する工程(f2)と、
前記記憶素子形成領域上に残された前記不揮発性半導体記憶素子の積層ゲート絶縁膜の上層膜および前記周辺回路形成領域にある前記素子分離形成用膜の下層膜を選択的に除去する工程(g2)と、
前記記憶素子形成領域上に残された積層絶縁膜の中層膜上にシリコン酸化膜を形成するとともに、周辺回路形成領域に露出した半導体基板にゲート絶縁膜を形成する工程(h2)と、
前記シリコン酸化膜上および前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程(i2)と、
前記記憶素子形成領域における前記多結晶シリコン膜を選択的に除去して制御ゲート電極を形成するとともに、前記周辺回路形成領域における前記多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極を形成する工程(j2)とをこの順に行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 工程(j2)の後に、
前記制御ゲート電極および前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板中に不純物を導入し、ソースおよびドレインとなる拡散層領域を形成する工程(k2)を行うことを特徴とする請求項6記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 素子分離形成用膜を、半導体基板上に形成した熱酸化膜からなる下層膜と、前記熱酸化膜上に堆積したシリコン窒化膜からなる上層膜とで形成することを特徴とする請求項1から7までのいずれか1項記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 半導体基板上に、記憶素子形成領域と前記記憶素子形成領域の外部の周辺回路形成領域とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に積層膜からなる素子分離形成用膜を形成する工程(a3)と、
前記素子分離形成用膜を利用して前記半導体基板に素子分離絶縁膜を形成する工程(b3)と、
前記半導体基板上にある前記素子分離形成用膜の上層膜を除去する工程(c3)と、
前記半導体基板上にある前記素子分離形成用膜の下層膜上に耐酸化膜を形成し、前記耐酸化膜上に選択除去膜を形成する工程(d3)と、
前記周辺回路形成領域の前記選択除去膜をマスクとして前記記憶素子形成領域上にある前記耐酸化膜を除去する工程(e3)と、
前記記憶素子形成領域上にある前記素子分離形成用膜の下層膜および前記周辺回路形成領域に残された前記選択除去膜を除去する工程(f3)と、
前記記憶素子形成領域に不揮発性半導体記憶素子のトンネル酸化膜を成長させる工程(g3)と、
前記周辺回路形成領域にある前記耐酸化膜および前記素子分離形成用膜の下層膜を選択的に除去するとともに、前記トンネル酸化膜上に前記不揮発性半導体記憶素子の浮遊ゲート電極、容量絶縁膜および制御ゲート電極を形成する工程(h3)とをこの順に行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 工程(h3)では、
記憶素子形成領域上および周辺回路形成領域上に第1の多結晶シリコン膜を形成する工程(i3)と、
前記記憶素子形成領域における前記第1の多結晶シリコン膜を選択的に除去して、前記素子分離絶縁膜上において互いに分離された浮遊ゲート電極形成用膜を形成する工程(j3)と、
浮遊ゲート電極上および前記周辺回路形成領域における前記第1の多結晶シリコン膜上に積層絶縁膜を形成する工程(k3)と、
前記周辺回路形成領域における前記積層絶縁膜および前記第1の多結晶シリコン膜を選択的に除去する工程(l3)と、
前記記憶素子形成領域上に残された前記積層絶縁膜をマスクとして前記周辺回路形成領域にある耐酸化膜を選択的に除去する工程(m3)と、
前記記憶素子形成領域上に残された前記積層絶縁膜の上層膜および前記周辺回路形成領域にある素子分離形成用膜の下層膜を除去する工程(n3)とをこの順に行うことを特徴とする請求項9記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 工程(n3)の後に、
周辺回路形成領域に露出した半導体基板にゲート絶縁膜を形成するとともに、記憶素子形成領域上に残された積層絶縁膜の下層膜上にシリコン酸化膜を形成する工程(o3)と、
前記ゲート絶縁膜上および前記シリコン酸化膜上に第2の多結晶シリコン膜を形成する工程(p3)と、
前記記憶素子形成領域における前記第2の多結晶シリコン膜、前記シリコン酸化膜、前記積層絶縁膜の下層膜および浮遊ゲート形成用膜を選択的に除去して、制御ゲート電極、容量絶縁膜および浮遊ゲート電極を形成する工程(q3)と、
前記周辺回路形成領域における前記第2の多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極を形成する工程(r3)と、
前記制御ゲート電極および前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板中に不純物を導入し、ソースおよびドレインとなる拡散層領域を形成する工程(s3)とをこの順に行うことを特徴とする請求項10記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 半導体基板上に、記憶素子形成領域と前記記憶素子形成領域の外部の周辺回路形成領域とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に積層膜からなる素子分離形成用膜を形成する工程(a4)と、
前記素子分離形成用膜を利用して前記半導体基板に素子分離絶縁膜を形成する工程(b4)と、
前記半導体基板上にある前記素子分離形成用膜の上層膜を除去する工程(c4)と、
前記半導体基板上にある前記素子分離形成用膜の下層膜上に耐酸化膜を形成し、前記耐酸化膜上に選択除去膜を形成する工程(d4)と、
前記記憶素子形成領域上にある前記選択除去膜を選択的に除去するとともに、前記周辺回路形成領域の前記選択除去膜をマスクとして前記記憶素子形成領域上にある前記耐酸化膜を除去する工程(e4)と、
前記記憶素子形成領域上にある前記素子分離形成用膜の下層膜および前記周辺回路形成領域に残された前記選択除去膜を除去する工程(f4)と、
前記記憶素子形成領域にトンネル酸化膜からなる下層膜、シリコン窒化膜からなる中層膜およびシリコン酸化膜からなる上層膜で構成された不揮発性半導体記憶素子の積層ゲート絶縁膜を成長させるとともに、前記周辺回路形成領域にシリコン窒化膜からなる下層膜およびシリコン酸化膜からなる上層膜で構成された積層ゲート絶縁膜を成長させる工程(g4)と、
前記周辺回路形成領域にある前記積層ゲート絶縁膜の上層膜を選択的に除去する工程(h4)と、
前記記憶素子形成領域上に残された前記不揮発性半導体記憶素子の積層ゲート絶縁膜の上層膜をマスクとして前記周辺回路形成領域にある前記積層ゲート絶縁膜の下層膜および耐酸化膜を選択的に除去する工程(i4)と、
前記記憶素子形成領域上に残された前記不揮発性半導体記憶素子の積層ゲート絶縁膜の上層膜および前記周辺回路形成領域にある素子分離形成用膜の下層膜を選択的に除去する工程(j4)と、
前記記憶素子形成領域上に残された積層絶縁膜の中層膜上にシリコン酸化膜を形成するとともに、周辺回路形成領域に露出した半導体基板にゲート絶縁膜を形成する工程(k4)と、
前記シリコン酸化膜上および前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成する工程(l4)と、
前記記憶素子形成領域における前記多結晶シリコン膜を選択的に除去して制御ゲート電極を形成するとともに、前記周辺回路形成領域における前記多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極を形成する工程(m4)をこの順に行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 工程(m4)の後に、
前記制御ゲート電極および前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板中に不純物を導入し、ソースおよびドレインとなる拡散層領域を形成する工程(n4)を行うことを特徴とする請求項12記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 - 選択除去膜をシリコン酸化膜にて形成するとともに、耐酸化膜をシリコン窒化膜にて形成することを特徴とする請求項9から13までのいずれか1項記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- シリコン窒化膜からなる耐酸化膜を選択的に除去する工程で、燐酸ボイル法を用いることを特徴とする請求項14記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 素子分離形成用膜を、半導体基板上に形成した熱酸化膜からなる下層膜と、前記熱酸化膜上に堆積したシリコン窒化膜からなる上層膜とで形成することを特徴とする請求項1から15までのいずれか1項記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
- 素子分離形成用膜におけるシリコン窒化膜からなる上層膜を選択的に除去する工程で、燐酸ボイル法を用いることを特徴とする請求項16記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
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