JPH05259413A - 不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法

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JPH05259413A
JPH05259413A JP4053731A JP5373192A JPH05259413A JP H05259413 A JPH05259413 A JP H05259413A JP 4053731 A JP4053731 A JP 4053731A JP 5373192 A JP5373192 A JP 5373192A JP H05259413 A JPH05259413 A JP H05259413A
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memory cell
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mos transistor
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誠一 有留
Tetsuo Endo
哲郎 遠藤
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理一郎 白田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】ゲート耐圧劣化を防止して信頼性向上を図った
EEPROMとその製造方法を提供することを目的とす
る。 【構成】シリコン基板上に、ゲート絶縁膜を介して浮遊
ゲートと制御ゲートが積層形成された電気的書替え可能
な不揮発性半導体メモリセルが配列されたセルアレイ
と、異なる膜厚のゲート絶縁膜を持つ第1,第2の少な
くとも2種のMOSトランジスタを含む周辺回路とを有
し、周辺回路の第1のMOSトランジスタのゲート電極
12aが第1層多結晶シリコン膜により形成され、メモ
リセルの浮遊ゲート4が第2層多結晶シリコン膜により
形成され、周辺回路の第2のMOSトランジスタのゲー
ト電極6aとメモリセルの制御ゲート6が第3層多結晶
シリコン膜により形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、浮遊ゲートと制御ゲー
トが積層された構造を有する電気的書替え可能なメモリ
セルを用いた不揮発性半導体記憶装置(EEPROM)
およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、EEPROMの中で高集積化
可能なものとして、メモリセルを複数個直列接続したN
ANDセル型のEEPROMが知られている。一つのメ
モリセルは、半導体基板上に絶縁膜を介して浮遊ゲート
と制御ゲートが積層されたFETMOS構造を有し、複
数個のメモリセルが隣接するもの同士でソース,ドレイ
ンを共用する形で直列接続されてNANDセルを構成す
る。この様なNANDセルがマトリクス配列されてメモ
リセルアレイが構成される。セルアレイの列方向に並ぶ
NANDセルの一端側のドレインは、それぞれ選択ゲー
トを介してビット線に共通接続され、他端側ソースはや
はり選択ゲートを介してソース線となる共通ソース拡散
層に接続されている。メモリセルの制御ゲートおよび選
択ゲートのゲート電極は、メモリセルアレイの行方向に
それぞれ制御ゲート線(ワード線)、選択ゲート線とし
て共通接続される。このNANDセル型EEPROMの
動作は次の通りである。
【0003】データ書き込みは、ビット線から遠い方の
メモリセルから順に行われる。nチャネルの場合を説明
すれば、選択されたメモリセルの制御ゲートには高電位
Vpp(例えば20V)が印加され、これよりビット線側
にある非選択のメモリセルの制御ゲートおよび選択ゲー
トには中間電位VM (例えば10V)が印加される。ビ
ット線には、データに応じて0V(例えば“1”)、ま
たは中間電位VM (例えば“0”)が印加される。この
ときビット線の電位は、選択ゲートおよび非選択メモリ
セルを通して選択メモリセルのドレインまで伝達され
る。
【0004】書込むべきデータがあるとき(“1”デー
タのとき)は、選択メモリセルのゲート・ドレイン間に
高電界がかかり、基板から浮遊ゲートに電子がトンネル
注入される。これにより、選択メモリセルのしきい値は
正方向に移動する。書き込むべきデータがないとき
(“0”データのとき)は、しきい値変化はない。
【0005】データ消去は、p型基板(ウェル構造の場
合はn型基板およびこれに形成されたp型ウェル)に高
電位が印加され、選択されたメモリセルの制御ゲートお
よび選択ゲートが0Vとされ、非選択メモリセルの制御
ゲートには高電位が印加される。これにより、選択され
たメモリセルにおいて浮遊ゲートの電子が基板に放出さ
れ、しきい値が負方向に移動する。
【0006】データ読み出しは、選択ゲートおよび選択
メモリセルよりビット線側の非選択メモリセルがオンと
され、選択メモリセルのゲートに0Vが与えられる。こ
の時ビット線に流れる電流を読むことにより、“0”,
“1”の判別がなされる。
【0007】この様な従来のNANDセル型EEPRO
Mでは、データ書込みモードにおいて、書込みを行わな
いビット線には中間電位VM が印加される。このため非
選択のNANDセルでのデータ破壊を防止するために、
各NANDセルとビット線との間に選択ゲートを設ける
ことが不可欠となっている。また周辺回路では、電源電
位Vccのほかに、中間電位VM や高電位Vppが用いられ
る。このためこの種EEPROMでは、各部に何種類か
の膜厚の異なるのゲート絶縁膜を必要とする。
【0008】例えば、選択ゲート部のゲート絶縁膜は3
0nmのシリコン酸化膜が必要であり、一方メモリセルの
浮遊ゲート下のゲート絶縁膜は約10nmのシリコン酸化
膜である。この様な2種のゲート絶縁膜を得るために従
来は例えば、30nmのシリコン酸化膜を形成した後、フ
ォトレジスト工程によりNH4 F溶液でこれを部分的に
エッチング除去し、フォトレジストを剥離して再度10
nmのシリコン酸化膜を形成する、という工程が採られ
る。
【0009】しかしこのフォトレジスト工程は、30nm
のシリコン酸化膜および10nmのシリコン酸化膜形成部
の基板面を汚染し、ゲート絶縁耐圧を劣化させるという
問題があった。これは、周辺回路部で異なる膜厚のゲー
ト絶縁膜を形成する場合にも同様である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来のE
EPROMでは、各部で異なるゲート絶縁膜を得るため
に、酸化→フォトレジストを用いたエッチング→酸化、
という工程を行うために、ゲート耐圧劣化を招き、これ
がEEPROMの信頼性を低下させるという問題があっ
た。本発明はこの様な事情を考慮してなされたもので、
ゲート耐圧劣化を防止して信頼性向上を図ったEEPR
OMとその製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明に係るEEPRO
Mは、半導体基板上に、ゲート絶縁膜を介して浮遊ゲー
トと制御ゲートが積層形成された電気的書替え可能な不
揮発性半導体メモリセルが配列されたセルアレイと、異
なる膜厚のゲート絶縁膜を持つ第1,第2の少なくとも
2種のMOSトランジスタを含む周辺回路とを有し、前
記周辺回路の第1のMOSトランジスタのゲート電極が
第1層導体膜により形成され、前記メモリセルの浮遊ゲ
ートが第2層導体膜により形成され、前記周辺回路の第
2のMOSトランジスタのゲート電極と前記メモリセル
の制御ゲートが第3層導体膜により形成されていること
を特徴とする。
【0012】本発明に係るEEPROMの製造方法は、
素子分離領域が形成された半導体基板上に第1のゲート
絶縁膜を介して第1層導体膜を堆積し、これを選択エッ
チングして周辺回路の第1のMOSトランジスタのゲー
ト電極を形成した後、基板上に第2のゲート絶縁膜を介
して第2層導体膜を堆積し、これをセルアレイ領域を覆
うように残して選択エッチングし、次いで前記第2のM
OSトランジスタ形成領域の基板面に第3のゲート絶縁
膜を形成した後、第3層導体膜を堆積し、これを選択エ
ッチングして前記メモリセルの制御ゲートおよび前記第
2のMOSトランジスタのゲート電極を形成し、さらに
前記制御ゲート下の第2層導体膜をエッチングして浮遊
ゲートを形成することを特徴とする。
【0013】
【作用】従来の方法でのゲート絶縁膜汚染は、2種のゲ
ート絶縁膜に対して共通の導体層で同時にゲート電極を
形成しようとするために生じた。本発明によれば、メモ
リセルの浮遊ゲートと、周辺回路の2種のMOSトラン
ジスタのゲート電極にそれぞれ異なる導体層を適用する
ことにより、それらの下の膜厚がそれぞれ異なるゲート
絶縁膜上に、ゲート電極形成前にフォトレジストを形成
してNH4 Fエッチングを行うという工程をなくして、
ゲート電極を形成することができる。これにより、ゲー
ト絶縁耐圧が向上し、信頼性の高いEEPROMを得る
ことができる。
【0014】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。
【0015】図1は本発明の一実施例に係るEEPRO
MのNANDセルを示す平面図であり、図2(a) (b) は
そのA−A′,B−B′断面図である。また図3(a)
(b) は、周辺回路の第1のMOSトランジスタ部(中間
電位VM 系)と第2のMOSトランジスタ部(高電位V
pp系)の断面図であり、図4はNANDセルの等価回路
である。
【0016】この実施例では、4個のメモリセルM1
4 がそれらのソース,ドレイン拡散層を隣接するもの
同士で共用する形で直列接続されてNANDセルを構成
している。この様なNANDセルがマトリクス配列され
てセルアレイが構成される。NANDセルの一端のドレ
インは選択ゲートS1 を介してビット線BLに接続さ
れ、他端のソースも選択ゲートS2 を介して共通ソース
線(共通ソース拡散層)に接続されている。各メモリセ
ルの制御ゲートCG1 〜CG4 は、ビット線BLと交差
する方向に配設されてワード線WLとなる。
【0017】この実施例では、4個のメモリセルで一つ
のNANDセルを構成しているが、一般に2のn乗個
(n=1,2,…)のメモリセルで一つのNANDセル
を構成することができる。
【0018】具体的なメモリセル構造および周辺回路の
MOSトランジスタ構造は、図2および図3に示す通り
である。n型シリコン基板1にこの実施例ではセルアレ
イ領域と周辺回路領域に異なるp型ウェル2,21が形
成され、これらのp型ウェル2,21にセルアレイおよ
び周辺回路が形成されている。この実施例ではp型ウェ
ル2の素子分離絶縁膜10で囲まれた領域に4個のメモ
リセルと2個の選択ゲートが形成されている。
【0019】セルアレイの選択ゲート部と第1のMOS
トランジスタ部には第1のゲート絶縁膜11として10
〜40nmの熱酸化膜が形成されて、この上に第1層多結
晶シリコン膜により選択ゲート電極12と第1のMOS
トランジスタのゲート電極12aが形成されている。
【0020】各メモリセルは、p型ウェル2上に5〜2
0nmの熱酸化膜からなる第2のゲート絶縁膜3を介して
形成された50〜400nmの第2層多結晶シリコン膜に
より浮遊ゲート4が形成されている。この浮遊ゲート4
上に15〜40nmの熱酸化膜からなる層間絶縁膜5を介
して形成された100〜400nmの第3層多結晶シリコ
ンにより制御ゲート6が形成されている。周辺回路の第
2のMOSトランジスタのゲート絶縁膜13は第3のゲ
ート絶縁膜であり、またそのゲート電極6aはメモリセ
ルの制御ゲート6と同じ第3層多結晶シリコン膜により
形成されたものである。
【0021】各メモリセルおよびMOSトランジスタの
ソース,ドレインとなるn型拡散層9は各ゲート電極形
成後に砒素または燐のイオン注入により形成されてい
る。メモリセルのソース,ドレイン拡散層となるn型層
9は、隣接するもの同士で共用する形で、4個のメモリ
セルが直列接続されている。素子形成された基板上は、
CVD絶縁膜7により覆われ、この上にAl膜によりビ
ット線8や周辺回路部の各電極配線23が形成されてい
る。
【0022】この様な構成において、各メモリセルの浮
遊ゲート4と基板間の結合容量C1は、浮遊ゲート4と
制御ゲート6間の結合容量C2 に比べて小さく設定され
ている。この関係は、図2(a) に示されるように、浮遊
ゲート4を素子領域上から素子分離領域上に延在させる
ことにより得られている。
【0023】具体的なパラメータを挙げて説明すれば、
パターン寸法は1μm ルールに従って、浮遊ゲート4お
よび制御ゲート6共に幅が1μm 、チャネル幅が1μm
であり、浮遊ゲート4は素子分離絶縁膜上に両側1μm
ずつ延在させている。また、第2ゲート絶縁膜3は例え
ば、10nmの熱酸化膜であり、層間絶縁膜5は35nmの
熱酸化膜である。熱酸化膜の誘電率をεとすると、 C1 =ε/0.02 であり、 C2 =3ε/0.035 である。従って、C1 <C2 となっている。
【0024】次にこの実施例のEEPROMの具体的な
製造工程を図5〜図10を用いて説明する。これらの図
では、セルアレイの一つのメモリトランジスタと選択ゲ
ート、周辺回路の第1,第2のMOSトランジスタの部
分の工程断面を示している。
【0025】通常の工程にしたがって先ず、n型シリコ
ン基板1のセルアレイ領域と周辺回路領域にそれぞれ別
工程で、必要なしきい値電圧を得るための最適濃度をも
ってp型ウェル2,21を形成する。その後LOCOS
工程で素子分離酸化膜10を形成する。続いて第1のゲ
ート絶縁膜11として例えば、30nmの熱酸化膜を形成
した後、250nmの第1層多結晶シリコン膜120 を堆
積し、必要な不純物ドーピングを行う。引き続きたとえ
ば100nmのCVDシリコン窒化膜31を堆積する(図
5)。
【0026】そして、フォトレジスト加工によりシリコ
ン窒化膜31とその下の第1層多結晶シリコン膜120
をパターニングして、セルアレイ部の選択ゲート電極1
2および周辺回路部の第1のMOSトランジスタのゲー
ト電極12aをパターン形成する。その後熱酸化を行っ
てゲート電極側壁に酸化膜32を形成する(図6)。こ
の様に、選択ゲート電極12およびゲート電極12a下
の第1のゲート絶縁膜11は、ゲート電極形成前にフォ
トレジスト処理が行われることはない。
【0027】その後全面NH4 F処理を行って、ゲート
電極で覆われていない領域の第1のゲート絶縁膜11を
除去し、露出した基板面に第2のゲート絶縁膜3として
例えば10nmの熱酸化膜を形成する。続いてメモリセル
の浮遊ゲートとして用いられる第2層多結晶シリコン膜
0 を堆積し、必要な不純物ドーピングを行う。第2層
多結晶シリコン膜40 上には層間絶縁膜5として例えば
30nmの熱酸化膜を形成する。そしてこの第2層多結晶
シリコン膜40 を、この上に制御ゲートが形成される前
に分離すべき部分を分離するための加工を行った後、セ
ルアレイ領域および第1のMOSトランジスタ領域をフ
ォトレジスト33で覆う(図7)。第2のゲート絶縁膜
3上でもフォトレジスト処理は行われない。
【0028】そしてこのフォトレジスト33をマスクと
して用いて、CDEにより第2層多結晶シリコン膜40
をエッチングし、NH4 F処理により第2のMOSトラ
ンジスタ領域のゲート絶縁膜3をエッチング除去した
後、ここに熱酸化により50nmの第3のゲート絶縁膜
13を形成し、続いて第3層多結晶シリコン膜6
堆積する。第3層多結晶シリコン膜60 には所望の不純
物ドーピングを行う。次にメモリセルの制御ゲート領域
および第2のMOSトランジスタ領域を覆うフォトレジ
スト34をパターン形成する(図8)。第3のゲート絶
縁膜13上でもフォトレジスト処理は行われない。
【0029】そしてこのフォトレジスト34をマスクと
して用いて、第3層多結晶シリコン膜60 およびその下
の第2層多結晶シリコン膜40 を選択エッチングして、
セルアレイ領域の制御ゲート電極6と浮遊ゲート4を同
時にパターン形成する。このとき同時に第1のMOSト
ランジスタ領域の第3層多結晶シリコン膜60 ,第2層
多結晶シリコン膜40 も除去される。次いで、第2のM
OSトランジスタのゲート電極パターニング用のフォト
レジスト35を、同時にセルアレイ領域と第2のMOS
トランジスタ領域をも覆うようにパターン形成する(図
9)。
【0030】そしてこのフォトレジスト35をマスクと
して用いて、第2のMOSトランジスタ領域の第3層多
結晶シリコン膜60 を選択エッチングして、ゲート電極
6aをパターン形成する。その後不純物のイオン注入に
より、ソース,ドレイン拡散層となるn型層9を形成す
る(図10)。次いで通常の層間絶縁膜形成と金属配線
形成を経て、EEPROMが完成する。
【0031】この実施例では第1のMOSトランジスタ
領域の第2,第3層多結晶シリコンの除去を制御ゲー
ト、浮遊ゲートパターン形成時に行っているが、フォト
レジスト33の工程時および第2のMOSトランジスタ
のゲート電極パターン形成時に行うことも可能である。
また、さらに各トランジスタで不要なゲート電極を取除
く工程は他の方法でも可能である。
【0032】次にこの実施例のNANDセル型EEPR
OMの動作を説明する。先ずデータ消去は、NANDセ
ルを構成するメモリセルについて一括消去がなされる。
そのためこの実施例では、第1,第2の選択ゲート
1 ,S2 のゲート電極SG1 ,SG2 およびNAND
セル内のすべてのメモリセルの制御ゲートCG1 〜CG
4が0Vとされ、n型基板1とp型ウェル2に昇圧され
た高電位Vpp(例えば18V)が与えられる。ビット線
BL1 ,BL2 にも高電位Vppが与えられる。これによ
り、すべてのメモリセルの制御ゲートとp型ウェル2間
に電界が係り、浮遊ゲート4からp型ウェル2にトンネ
ル電流により電子が放出される。すべてのメモリセルM
1 〜M4 はこれによりしきい値が負方向に移動して、
“0”状態になる。
【0033】次に、データ書き込みは、NANDセル内
のソース線側のメモリセル即ちビット線から遠い方のメ
モリセルM4 から順に行われる。いま、メモリセルM4
に選択的に“1”データ書き込みを行う場合を説明すれ
ば、ソース側の第2の選択ゲートS2 のゲート電極SG
2 が0Vとされ、制御ゲートCG4 に高電位Vppが印加
され、残りの制御ゲートCG1 〜CG3 とドレイン側の
第1の選択ゲートS1のゲート電極SG1 には電源電位
Vccと高電位Vppの間の中間電位VM (例えば、(1/
2)Vpp)が印加される。また、選択ビット線BL1
は“L”レベル電位として0Vが与えられ、非選択ビッ
ト線BL2 には中間電位VM が与えられる。p型ウェル
は0V、n型基板はVccとする。
【0034】これにより、選択されたセルにおいては、
ビット線BL1 の0Vがドレインまで伝達されて制御ゲ
ートとの間に高電界がかかり、浮遊ゲートに電子が注入
される。この結果、選択セルではしきい値が正方向に移
動して、“1”書込みがなされる。
【0035】ビット線BL1 に繋がる他のメモリセルM
1 〜M3 では書込みモードになるが、その電界は小さ
く、しきい値変化はない。非選択(または“0”書込
み)のビット線BL2 側のCG1 〜CG3 に沿うメモリ
セルでは、制御ゲートが中間電位VM 、チャネル電位が
Vccであり、その電位差は3〜4Vであって、やはりし
きい値変化はない。ビット線BL2 側のCG4 に沿うメ
モリセルも同様に書込みモードであるが、やはりその電
界は小さく、しきい値変化はない。
【0036】この様にして選択メモリセルに対する書込
みが終了すると、次にNANDセル内の一つ上のメモリ
セルM3 に対して同様に書込みが行われ、順次メモリセ
ルM2 ,M1 と書込みがなされる。
【0037】データ読出し動作は、メモリセルM4 につ
いて説明すれば、選択ゲートのゲート電極SG1 ,SG
2 にVccが与えられ、非選択メモリセルM1 〜M3 の制
御ゲートCG1 〜CG3 には“1”状態のメモリセルが
オンする程度の電位としてやはりVccが与えられ、選択
セルの制御ゲートCG4 は0Vとされる。そして選択セ
ルにつながるビット線BL1 には1〜5Vの読出し電位
があたえられ、他の非選択ビット線BL2 は0Vとされ
る。これにより、ビット線BL1 に電流が流れるか否か
によって、データ“0”,“1”の判別がなされる。
【0038】この実施例によれば、セルアレイおよび周
辺回路のゲート電極下のゲート絶縁膜に直接フォトレジ
ストが接触することがなく、したがってレジスト処理に
伴うゲート絶縁膜の汚染がなくなり、ゲート絶縁耐圧が
高く、信頼性の高いEEPROMが得られる。
【0039】実施例では、NANDセル型EEPROM
を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、
浮遊ゲートと制御ゲートを持つメモリセルを用いたNO
R型のEEPROMにも同様に適用することができる。
また同様の手法を、制御ゲートのないEPROM型メモ
リセルのフラッシュEEPROMや、DRAM,SRA
M等にも適用することが可能である。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ゲ
ート絶縁膜のフォトレジストによる汚染を防止して信頼
性向上を図ったEEPROMを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るEEPROMのNAN
Dセルの平面図。
【図2】図1のNANDセルのA−A′およびB−B′
断面図。
【図3】同実施例の周辺回路トランジスタの断面図。
【図4】同実施例のNANDセルの等価回路図。
【図5】本発明の実施例の製造工程断面図。
【図6】同実施例の製造工程断面図。
【図7】同実施例の製造工程断面図。
【図8】同実施例の製造工程断面図。
【図9】同実施例の製造工程断面図。
【図10】同実施例の製造工程断面図。
【符号の説明】
1…n型シリコン基板、 2,21…p型ウェル、 10…素子分離絶縁膜、 11…第1のゲート絶縁膜、 3…第2のゲート絶縁膜、 13…第3のゲート絶縁膜、 4(41 〜44 )…浮遊ゲート(第2層多結晶シリコン
膜)、 5…層間絶縁膜、 6(61 〜64 )…制御ゲート(第3層多結晶シリコン
膜)、 6a…ゲート電極(第3層多結晶シリコン膜)、 12(121 122 )…選択ゲート電極(第1層多結
晶シリコン膜)、 12a…ゲート電極(第1層多結晶シリコン膜)、 7…CVD絶縁膜、 8…ビット線、 9…n型拡散層(ソース,ドレイン,共通ソース)、 23…電極配線。 M1 〜M4 …メモリセル、 S1 ,S2 …選択ゲート。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に、ゲート絶縁膜を介して浮
    遊ゲートと制御ゲートが積層形成された電気的書替え可
    能な不揮発性半導体メモリセルが配列されたセルアレイ
    と、異なる膜厚のゲート絶縁膜を持つ第1,第2の少な
    くとも2種のMOSトランジスタを含む周辺回路とを有
    する不揮発性半導体記憶装置において、前記周辺回路の
    第1のMOSトランジスタのゲート電極が第1層導体膜
    により形成され、前記メモリセルの浮遊ゲートが第2層
    導体膜により形成され、前記周辺回路の第2のMOSト
    ランジスタのゲート電極と前記メモリセルの制御ゲート
    が第3層導体膜により形成されていることを特徴とする
    不揮発性半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】半導体基板上に、ゲート絶縁膜を介して浮
    遊ゲートと制御ゲートが積層形成された電気的書替え可
    能な不揮発性半導体メモリセルが配列されたセルアレイ
    と、異なる膜厚のゲート絶縁膜を持つ第1,第2の少な
    くとも2種のMOSトランジスタを含む周辺回路とを有
    する不揮発性半導体記憶装置を製造する方法であって、 素子分離領域が形成された半導体基板上に第1のゲート
    絶縁膜を介して第1層導体膜を堆積し、これを選択エッ
    チングして周辺回路の第1のMOSトランジスタのゲー
    ト電極を形成する工程と、 前記基板上に第2のゲート絶縁膜を介して第2層導体膜
    を堆積し、これを少なくともセルアレイ領域を覆うよう
    に残して選択エッチングする工程と、 前記第2のMOSトランジスタ形成領域の基板面に第3
    のゲート絶縁膜を形成した後第3層導体膜を堆積し、こ
    れを選択エッチングして前記メモリセルの制御ゲートお
    よび前記第2のMOSトランジスタのゲート電極を形成
    し、さらに前記制御ゲート下の第2層導体膜をエッチン
    グして浮遊ゲートを形成する工程と、 前記メモリセルおよび各MOSトランジスタのソース,
    ドレイン拡散層を形成する工程と、 を備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製
    造方法。
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