JPH09205156A - ゲートに段差を有する浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ装置およびその製造方法 - Google Patents

ゲートに段差を有する浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ装置およびその製造方法

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JPH09205156A
JPH09205156A JP8011828A JP1182896A JPH09205156A JP H09205156 A JPH09205156 A JP H09205156A JP 8011828 A JP8011828 A JP 8011828A JP 1182896 A JP1182896 A JP 1182896A JP H09205156 A JPH09205156 A JP H09205156A
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gate
floating gate
metal layer
silicide
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JP8011828A
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Inventor
Nobuyoshi Takeuchi
信善 竹内
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Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 1個のメモリセルあたりの占有面積を拡大す
ることなく、書き込みおよび消去の速度を速くすること
ができる、ゲートに段差を有する浮遊ゲート型不揮発性
半導体メモリ装置およびその製造方法の製造方法を提供
する 【解決手段】 半導体基板11に形成されたソース領域
12およびドレイン領域13で規定されたチャンネル領
域14の上に、第1ゲート絶縁膜15を介してフローテ
ィングゲート16が形成されている。フローティングゲ
ート16は、順次積層されたポリシリコン層17および
シリサイド層18で構成される。これらのうち、シリサ
イド層18は、互いに膜厚が異なる2つの領域A、Bを
有し、両者の間には段差Sが形成されている。従って、
フローティングゲート16は、その表面に段差Sを有し
ている。シリサイド層18の表面上には、第2ゲート絶
縁膜19が形成され、その表面上にはコントロールゲー
ト20が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ゲートに段差を有
する浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ装置およびその
製造方法の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】大容量化に伴い、EEPROMまたはフ
ラッシュメモリ等の不揮発性半導体メモリ装置は、デー
タの書き込みおよび消去のより一層の高速化が求められ
ている。不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルトラン
ジスタの書き込みおよび消去速度を決定する一つの要因
に、メモリセルトランジスタのゲートカップリング比が
ある。ゲートカップリング比が大きいほど、同一の印加
電圧の下での書き込みおよび消去の速度が速くなる。
【0003】ゲートカップリング比は、チャンネル領域
およびフローティングゲートの間のキャパシタンスに対
してフローティングゲートおよびコントロールゲートの
間のキャパシタンスが大きくなるほど大きくなる。従っ
て、ゲートカップリング比を大きくするためには、チャ
ンネル領域およびフローティングゲートが互いに重なり
合う面積に対してフローティングゲートおよびコントロ
ールゲートが互いに重なり合う面積を大きくして、チャ
ンネル領域およびフローティングゲートの間のキャパシ
タンスに対してフローティングゲートおよびコントロー
ルゲートの間のキャパシタンスを大きくすることが行わ
れている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、チャンネル領
域およびフローティングゲートが互いに重なり合う面積
に対してフローティングゲートおよびコントロールゲー
トが互いに重なり合う面積を大きくすることは、メモリ
セルトランジスタの占有面積を拡大させることになる。
この結果、不揮発性半導体メモリ装置の集積度が低下し
てしまう。
【0005】本発明は、1個のメモリセルあたりの占有
面積を拡大することなく、書き込みおよび消去の速度を
速くすることができる、ゲートに段差を有する浮遊ゲー
ト型不揮発性半導体メモリ装置およびその製造方法の製
造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】第1に、本発明は、一導
電型の半導体基板の主面に互いに離間して設けられた逆
導電型のソース・ドレイン領域、前記ソース・ドレイン
領域の間のチャンネル領域上に第1ゲート絶縁膜を介し
て設けられ、その表面に少なくとも1つの段差を有する
フローティングゲート、および、前記フローティングゲ
ートの表面上に第2ゲート絶縁膜を介して設けられたコ
ントロールゲートを具備するゲートに段差を有すること
を特徴とする浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ装置を
提供する。
【0007】第2に、本発明は、半導体基板に形成され
たソース領域およびドレイン領域の間のチャンネル領域
の上方に設けられた第1シリコン層の表面上にシリコン
との反応によりシリサイドを形成し得るシリサイド形成
金属で構成される第1金属層を形成する工程、前記第1
金属層上であって前記第1シリコン層の一部を覆うよう
にシリサイド化反応を抑制する反応抑制層を部分的に形
成する工程、前記反応抑制層を含む前記第1金属層上に
前記シリサイド形成金属で構成された第2金属層を形成
する工程、前記半導体基板に熱処理を施して前記第1シ
リコン層と前記第1金属層との間並びに前記第1シリコ
ン層と前記第1金属層および前記第2金属層との間での
シリサイド化反応により、前記第1シリコン層の表面に
互いに膜厚が異なる2つの領域からなるシリサイド層を
形成する工程、および、前記シリサイド層の表面上に第
2ゲート絶縁膜を介して第2シリコン層を形成する工程
を具備することを特徴とするゲートに段差を有する浮遊
ゲート型不揮発性半導体メモリ装置の製造方法を提供す
る。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明についてさらに詳細
に説明する。本願の第1の発明に係るゲートに段差を有
する浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ装置は、フロー
ティングゲートの表面に少なくとも1つの段差を有する
ことを特徴としている。具体的には、図1に示すよう
に、半導体基板(例えば、シリコン基板)11に形成さ
れたソース領域12およびドレイン領域13で規定され
たチャンネル領域14の上に、第1ゲート絶縁膜15を
介してフローティングゲート16が形成されている。フ
ローティングゲート16は、順次積層されたシリコン層
17およびシリサイド層18で構成される。シリコン層
17は、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンから
なる。また、シリサイド層18は、互いに膜厚が異なる
2つの領域A、Bを有し、両者の間には段差Sが形成さ
れている。従って、フローティングゲート16は、その
表面に段差Sを有している。
【0009】このシリサイド層18の表面上には、第2
ゲート絶縁膜19が形成され、その表面上には、例え
ば、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンからなる
コントロールゲート20が形成されている。なお、フロ
ーティングゲート17の側面部には、スペーサー酸化膜
21、22が形成されている。
【0010】上述のような構造を有する不揮発性半導体
メモリ装置のメモリセルトランジスタ10では、シリサ
イド層18が互いに膜厚が異なる2つの領域A、Bを有
し、両者の間には段差Sが形成されている。このため、
表面に段差Sのない通常のフローティングゲートの浮遊
ゲート型不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルトラン
ジスタに比べて、段差Sの分だけフローティングゲート
16の表面積が増加することになる。しかしながら、両
者のフローティングゲートの占有面積、すなわち、半導
体基板11に対して平行に切断した場合のフローティン
グゲートの断面面積は同一である。従って、本発明のメ
モリセルトランジスタ10では、フローティングゲート
の占有面積は、通常のものと同一であるが、フローティ
ングゲート16およびコントロールゲート20が互いに
重複する面積(以下、重複面積という)が通常のものよ
りも大きくなる。浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ装
置では、フローティングゲートおよびコントロールゲー
トが互いに重なり合う面積が大きくなるほど、フローテ
ィングゲートおよびコントロールゲートの間のキャパシ
タンスを大きくなる。この結果、メモリセルトランジス
タのゲートカップリング比が大きくなる。故に、本発明
のメモリセルトランジスタ10は、通常のものに比べ
て、同一の占有面積であってもゲートカップリング比は
大きくなる。
【0011】以上説明した通り、本発明の不揮発性半導
体メモリ装置は、フローティングゲートの占有面積、ひ
いては、メモリセルトランジスタの占有面積を拡大する
ことなく、ゲートカップリング比を大きくして、書き込
みおよび消去の高速化を実現できる。
【0012】以下、本発明の浮遊ゲート型不揮発性半導
体メモリ装置の製造方法について説明する。図2(A)
に示すように、シリコン基板31に、選択的熱酸化法
(LOCOS法)に従ってフィールド酸化膜32を形成
する。また、フィールド酸化膜32で規定されるアクテ
ィブ領域に、熱酸化法により、例えば膜厚150オング
ストローム(A)の第1ゲート酸化膜33を形成する。
【0013】次いで、第1ゲート酸化膜33上に、例え
ば膜厚3000Aのポリシリコン層34を堆積させる。
ポリシリコン層34に、導電率を高めるために不純物と
してリン(P)を気相拡散法に従って不純物をドープす
る。
【0014】この後、ポリシリコン層34上にレジスト
パターン(図示せず)を形成し、エッチングガスとして
臭化水素ガスおよび塩素ガスを用いた反応性イオンエッ
チング(RIE)を施して、ポリシリコン層34をパタ
ーニングする。この結果、図2(B)に示すように、シ
リコン基板31のチャンネル領域30の上側にパターニ
ングされたポリシリコン層35が形成される。この後、
シリコン基板31に対して、Pイオンを低濃度で注入し
て、低濃度拡散層n-を形成する。
【0015】次に、図2(C)に示すように、シリコン
基板31上にシリコン酸化膜36をCVD法により形成
し、異方性RIEによりシリコン酸化膜36をエッチン
グする。この結果、図2(D)に示すようにパターニン
グされたポリシリコン層35の側面部にスペーサー酸化
膜37,38が形成される。
【0016】次いで、図2(E)に示すように、露出し
たシリコン基板31に対して、Asイオンを高濃度で注
入して高濃度拡散層n+を形成し、いわゆるLDD構造
のソース領域39およびドレイン領域40を形成する。
【0017】図3に示すように、ソース領域39、ドレ
イン領域40およびパターニングされたポリシリコン層
35を含むシリコン基板31の全面に、第1金属層41
を形成する。ここで第1金属層41を構成する金属は、
シリコンとの反応によりシリサイドを形成し得る金属
(以下、シリサイド形成金属という)である。このシリ
サイド形成金属は、例えば、高融点金属であり、より具
体的には、タングステン(W)、コバルト(Co)、チ
タン(Ti)、ニッケル(Ni)から選択される少なく
とも1種である。第1金属層41は、例えば、スパッタ
リング、CVDのような公知の薄膜形成技術を用いて形
成できる。
【0018】次に、反応抑制層42を、第1金属層41
上であって、少なくともパターニングされたポリシリコ
ン層35の一部、具体的にはドレイン側のフィールド酸
化膜32、ドレイン領域40、ドレイン側のスペーサ酸
化膜37、および、ポリシリコン層35の表面の約半分
に至る領域に反応抑制層42を形成する。反応抑制層4
2は、シリコンとの間でシリサイド化反応を全く起こさ
ないか、シリサイド反応を起こすが反応性が前記金属よ
りも低い低抵抗材料である。反応抑制層の一例は、金属
窒化物である。この金属窒化物は、例えば、上述のシリ
サイド形成金属の窒化物であっても良い。より具体的に
は、窒化チタン、窒化コバルト、窒化ニッケル、窒化タ
ングステンからなる群から選択される少なくとも1種で
ある。反応抑制層が、金属窒化物である場合、第1金属
層と同じ金属の窒化物である必要は必ずしもない。反応
抑制層が金属窒化物である場合、例えば、CVD、スパ
ッタリングにより形成される。反応抑制層42として
は、例えば、窒化チタン膜を、第1金属層41上にN2
とArとの混合ガスを用いた反応性スパッタリングによ
り形成する。
【0019】次いで、反応抑制層42を含む第1金属層
41の全面に第2金属層43を形成する。第2金属層4
3は、第1金属層41と同様に、シリサイド形成金属で
構成される。第1金属層41および第2金属層43は、
必ずしも同一の金属で構成されている必要はない。
【0020】この後、シリコン基板31に熱処理を施
す。より具体的には、窒素またはアンモニア雰囲気中で
RTN(Rapid thermal Nitrization)を行う。この熱処
理により、図4に示すように、パターニングされたポリ
シリコン層35のうちドレイン領域40側、すなわち、
反応抑制層42により覆われている領域、言い換えれば
その上側に第1金属層41、反応抑制層42および第2
金属層43が順次積層されている領域では、シリコンと
第1金属層41の間でのシリサイド化反応が起こる。し
かしながら、第1金属層41の上には反応抑制層42が
設けられている。反応抑制層42は、上述のように、シ
リコンとの間でシリサイド化反応を起こさないか、シリ
コンとの間でシリサイド化反応を起こすがその反応性が
第1金属層41および第2金属層43を構成する金属よ
りも低い材料で構成されている。このため、第1金属層
41がシリコンと反応してシリサイド化が進行するが、
第1金属層41が全てシリサイド化して用い尽くされた
後は、シリサイド化反応は反応抑制層42で停止または
著しく遅くなる。従って、第1金属層41が全てシリサ
イド化すれば、シリサイド層44の厚さはそれ以上厚く
ならない。このため、シリサイド層44の膜厚が薄い領
域Aが形成される。しかも、領域Aでのシリサイド層4
4の膜厚は、第1金属層41の膜厚に依存し、シリサイ
ド化が十分ならば熱処理の温度および時間に依存しな
い。
【0021】一方、パターニングされたポリシリコン層
35のうちソース領域39側、すなわち、反応抑制層4
2により覆われていない領域、言い換えれば、その上側
に第1金属層41および第2金属層43が順次積層され
た領域では、ポリシリコンと第1金属層41および第2
金属層43との間でシリサイド化反応が進行し、シリサ
イド層44の厚い領域Bが形成される。
【0022】なお、この実施形態では、ソース領域39
と第1金属層41および第2金属層43との間でシリサ
イド化反応が進行し、厚いソース側シリサイド層45が
形成される。一方、ドレイン領域40の上には、第1金
属層41、反応抑制層42および第2金属層43が順次
積層されている。この積層構造に熱処理を施した場合、
ドレイン領域40を構成するシリコンと第1金属層41
の間でのシリサイド化反応が起こる。しかしながら、第
1金属層41の上には反応抑制層42が設けられてい
る。このため、第1金属層41がシリコンと反応してシ
リサイド化が進行するが、第1金属層41が全てシリサ
イド化して用い尽くされた後は、シリサイド化反応は反
応抑制層42で停止または著しく遅くなる。従って、第
1金属層41が全てシリサイド化すれば、ドレイン側シ
リサイド層46の厚さはそれ以上厚くならない。このた
め、ドレイン領域40に浅いシリサイド層46が形成さ
れる。このシリサイド層46の膜厚は、第1金属層41
の膜厚に依存し、シリサイド化が十分ならば熱処理の温
度および時間に依存しない。
【0023】上述の熱処理工程終了後、NH4OHでエ
ッチングを行い、未反応の第1金属層41、反応抑制層
42および第2金属層43を除去する。この後、シリサ
イド層44、ソース側シリサイド層45およびドレイン
側シリサイド層46の表面上に、第2ゲート酸化膜とし
てシリコン酸化膜51、窒化シリコン膜52およびシリ
コン酸化膜53を順次積層する。さらにシリコン酸化膜
53上にポリシリコン膜からなるコントロールゲート5
4を形成する。シリコン酸化膜51、窒化シリコン膜5
2、シリコン酸化膜53およびコントロールゲート54
は常法に従って形成できる。この後、通常のプロセスに
従って、層間絶縁膜、上部配線層等を形成し、最終的に
不揮発半導体メモリ装置のメモリセルトランジスタ50
が得られる。
【0024】上述の浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ
装置の製造方法において、シリサイド形成金属がチタン
であって、第1金属層41の厚さをt1、第2金属層4
3の厚さをt2としたとき、熱処理後のシリサイド層4
4(この場合チタンシリサイド)の膜厚は、領域Aで
2.5t1 であり、領域Bで2.5(t1+t2)であ
る。シリサイド化前のポリシリコン層35の表面を基準
とした場合のチタンシリサイドの盛り上がりは、 領域
Aで0.25t1 であり、領域Bで0.25(t1
2)と算出される。従って、段差Sの高さは、0.2
5(t1+t2)−0.25t1 =0.25t 2である。
【0025】段差Sがないことを除いて同一の構造を有
する通常のメモリセルトランジスタのゲートカップリン
グ比αG0は、下式(1)で表される。
【0026】
【数1】 [式中、第1ゲート酸化膜の膜厚t0、第2ゲート酸化
膜の膜厚(酸化膜厚換算)tp、チャンネル長L、チャ
ンネル幅W] これに対して、本実施形態の不揮発性半導体メモリ装置
のメモリセルトランジスタ50のゲートカップリング比
αGは、下式(2)で表される。
【0027】
【数2】 従って、本実施形態の不揮発性半導体メモリ装置のメモ
リセルトランジスタ50のゲートカップリング比の増加
分は、下式(3)で表される。
【0028】
【数3】 より具体的には、L=0.5μmのデザインルールにお
いて、第1ゲート酸化膜の膜厚t0=90nm、第2ゲ
ート酸化膜の膜厚tp=160nm、第2金属層の膜厚
2=30nmの場合には、ゲートカップリング比の増
加分は0.96%となる。つまり、50%のαG0が約
51%のαGになる。
【0029】式(3)から明らかなように、第2金属層
の膜厚t2が大きくなるほどゲートカップリング比の増
加分は増加する。
【0030】なお、上述の不揮発性半導体メモリ装置の
製造方法において、第1金属層41および第2金属層4
3の膜厚を変更することで、ソース側シリサイド層45
およびドレイン側シリサイド層46の膜厚を制御でき
る。これにより、ドレイン領域40に形成されるドレイ
ン側シリサイド層22の深さを最適化、具体的には、ド
レイン側シリサイド層46の深さを十分に浅くすること
により、シリサイドの過度の浸食により接合部リークが
発生するのを防止できる。第2の実施形態のメモリセル
トランジスタの変形例としては、図6に示すように、シ
リサイド層44、ソース側シリサイド層45およびドレ
イン側シリサイド層46の表面上に、シリコン酸化膜6
1をCVDにより形成する。次に、シリサイド層44の
表面が露出するまでシリコン酸化膜61をエッチバック
する。この後、シリサイド層44およびシリコン酸化膜
61の表面上に、シリコン酸化膜51、窒化シリコン膜
52およびシリコン酸化膜53を順次積層して第2ゲー
ト絶縁膜を形成し、さらにシリコン酸化膜53の表面に
コントロールゲート54を形成する。
【0031】上述の図5および図6に示すメモリセルト
ランジスタ50,60を備えたフラッシュEPROM
は、ソース側シリサイド層45が厚く、ドレイン側シリ
サイド層46が薄く形成されている。このようなフラッ
シュEPROMは次の点で優れている。単一電源フラッ
シュEPROMにおいてF−NプログラムおよびF−N
消去は、主要技術である。メモリセルトランジスタのし
きい値が高い状態を消去状態とすると、プログラム時に
はドレインに正電圧が印加され、ソース領域はフローテ
ィングまたは接地状態となる。また、消去時は、ソース
領域とシリコン基板に付加電圧が印加される。このよう
に、ソース領域とシリコン基板との接合は、同電位であ
るかまたはソース領域にフローティング電位がかかるだ
けである。従って、ソース領域およびシリコン基板の間
での電圧印加による接合部リークの増大を懸念する必要
はない。厚いシリサイド層をソース領域に形成しても接
合部リークを心配する必要がない。そこで、図5および
図6に示すように、ソース側シリサイド層45のソース
領域39に対する深さを深くしてソース領域39のシー
ト抵抗およびコンタクト抵抗の低下が図られる。
【0032】一方、ドレイン領域40では、電圧が印加
されるために接合部リークの増大を心配する必要があ
る。そこで、図5および図6に示すように、これらの実
施形態のメモリセルトランジスタ50,60では、ドレ
イン領域40に形成するドレイン側シリサイド層46の
ドレイン領域40に対する深さを浅くしてドレイン領域
40およびシリコン基板31の間の接合部リークを防止
することができる。
【0033】さらに、フラッシュEPROMでは、ソー
スラインは一括消去のために多数のセルと共用される。
このため、ソースラインの総延長が長くなる。この実施
形態のメモリセルトランジスタ50,60は、ソース側
シリサイド層45のソース領域39に対する深さを深
く、ソース領域39でのシート抵抗およびコンタクト抵
抗が低減されているので、各セル間のしきい値のバラツ
キを小さくなる。またこの結果、一つのソースラインに
接続できるセルの数が増やせるため、メモリセルアレイ
の面積を小さくなる。しかしながら、本発明の浮遊ゲー
ト型不揮発性半導体メモリ装置は、少なくともフローテ
ィングゲートの表面に段差Sを形成することにより、ゲ
ートカップリング比を増加できるという効果を得ること
ができる。従って、ソース側シリサイド層45およびド
レイン側シリサイド層46の厚さは同一であっても良
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ装
置の概要を示す断面図。
【図2】(A)〜(E)は、本発明の浮遊ゲート型不揮
発性半導体メモリ装置の製造方法の一実施例の各工程を
示す断面図。
【図3】本発明の浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ装
置の製造方法の一実施例の一工程を示す断面図。
【図4】本発明の浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ装
置の製造方法の一実施例の一工程を示す断面図。
【図5】本発明の浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ装
置の一実施形態を示す断面図。
【図6】本発明の浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリ装
置の一実施形態を示す断面図。
【符号の説明】
11…半導体基板、12…ソース領域、13…ドレイン
領域、14…チャンネル領域、15…第1ゲート絶縁
膜、16…コントロールゲート、17…シリコン層、1
8…シリサイド層、19…第2ゲート絶縁膜、20…フ
ローティングゲート。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一導電型の半導体基板の主面に互いに離
    間して設けられた逆導電型のソース・ドレイン領域、 前記ソース・ドレイン領域の間のチャンネル領域上に第
    1ゲート絶縁膜を介して設けられ、その表面に少なくと
    も1つの段差を有するフローティングゲート、および、 前記フローティングゲートの表面上に第2ゲート絶縁膜
    を介して設けられたコントロールゲートを具備すること
    を特徴とするゲートに段差を有する浮遊ゲート型不揮発
    性半導体メモリ装置。
  2. 【請求項2】 フローテイングゲートが、シリコン層お
    よび前記シリコン層の表面上に形成されたシリサイド層
    で構成され、前記シリコン層が互いに膜厚が異なる少な
    くとも2つの領域からなり両者の間に段差が形成されて
    いる請求項1記載のゲートに段差を有する浮遊ゲート型
    不揮発性半導体メモリ装置。
  3. 【請求項3】 半導体基板に形成されたソース領域およ
    びドレイン領域の間のチャンネル領域の上方に設けられ
    た第1シリコン層の表面上にシリコンとの反応によりシ
    リサイドを形成し得るシリサイド形成金属で構成される
    第1金属層を形成する工程、 前記第1金属層上であって前記第1シリコン層の一部を
    覆うようにシリサイド化反応を抑制する反応抑制層を部
    分的に形成する工程、 前記反応抑制層を含む前記第1金属層上に前記シリサイ
    ド形成金属で構成された第2金属層を形成する工程、 前記半導体基板に熱処理を施して前記第1シリコン層と
    前記第1金属層との間並びに前記第1シリコン層と前記
    第1金属層および前記第2金属層との間でのシリサイド
    化反応により、前記第1シリコン層の表面に互いに膜厚
    が異なる2つの領域からなるシリサイド層を形成する工
    程、および、 前記シリサイド層の表面上に第2ゲート絶縁膜を介して
    第2シリコン層を形成する工程を具備することを特徴と
    するゲートに段差を有する浮遊ゲート型不揮発性半導体
    メモリ装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 反応抑制層がシリサイド形成金属の窒化
    物である請求項3記載のゲートに段差を有する浮遊ゲー
    ト型不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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