KR20070080765A - Non-volatile flash memory device and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 불휘발성 플래시 메모리 소자를 설명하기 위한 평면도;1 is a plan view for explaining a general nonvolatile flash memory device;
도 2a 및 도 2b는 종래기술에 따른 불휘발성 플래시 메모리 소자의 문제점을 설명하기 위해 각각 도 1의 A-A 선 및 B-B 선을 따라 절단한 단면도들;2A and 2B are cross-sectional views taken along the lines A-A and B-B of FIG. 1, respectively, to illustrate a problem of the nonvolatile flash memory device according to the prior art;
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도 1의 B-B 선을 따라 절단한 단면도들.3A to 3H are cross-sectional views taken along line B-B of FIG. 1 to illustrate a method of manufacturing a nonvolatile flash memory device according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 불휘발성 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a nonvolatile flash memory device and a method of manufacturing the same.
불휘발성 플래시 메모리 소자(non-volatile flash memory device)는 활성 영역 상에 차례로 형성된 터널(tunnel) 절연막, 전기적으로 절연된 부유 게이트(floating gate), 워드 라인(word line)을 구성하는 제어 게이트(control gate) 및 부유 게이트와 제어 게이트 사이에 개재된 게이트 층간 절연막을 포함한다. 불휘발성 플래시 메모리 소자는 부유 게이트에 F-N 터널링(Fowler-Nordheim tunneling) 또는 채널 핫 캐리어(channel hot carrier)에 의해 전자를 주입하거나 F-N 터널링에 의해 전자를 빼내는 방식으로 부유 게이트의 전위가 변화되는 것에 의해 "0" 또는 "1" 상태가 기억되는 메모리 소자이다.A non-volatile flash memory device includes a tunnel insulating film, an electrically insulated floating gate, and a control gate constituting a word line. gate) and a gate interlayer insulating film interposed between the floating gate and the control gate. Nonvolatile flash memory devices are characterized by the potential of the floating gate being changed by injecting electrons into the floating gate by FN tunneling or channel hot carriers, or by extracting electrons by FN tunneling. This is a memory element in which a "0" or "1" state is stored.
반도체 장치가 고집적화됨에 따른 디자인 룰(design rule)의 감소로 불휘발성 플래시 메모리 소자의 크기도 줄어들게 된다. 이에 따라, 부유 게이트 전극의 전위가 불필요한 영향을 받는 현상이 발생한다. 이러한 불필요한 영향을 주는 원인에는 서로 인접하는 제어 게이트 전극의 전압, 서로 이웃하는 제어 게이트 전극의 하부에 있는 부유 게이트 전극의 전위, 동일 제어 게이트 전극의 하부에서 서로 이웃하는 부유 게이트 전극의 전위 등이 있다. 특히 동일 제어 게이트 전극의 하부에서 서로 이웃하는 부유 게이트 전극의 전위에 의한 특정 부유 게이트 문턱 전압에의 영향은 멀티레벨 셀(multi-level cell)의 경우 문제가 된다.As the semiconductor device is highly integrated, the design rule decreases, thereby reducing the size of the nonvolatile flash memory device. This causes a phenomenon in which the potential of the floating gate electrode is unnecessarily affected. The causes of such unnecessary effects include the voltages of the control gate electrodes adjacent to each other, the potential of the floating gate electrodes under the adjacent control gate electrodes, and the potential of the floating gate electrodes adjacent to each other under the same control gate electrode. . In particular, the influence of the specific floating gate threshold voltage by the potential of the floating gate electrodes adjacent to each other under the same control gate electrode is a problem in the case of a multi-level cell.
도 1은 일반적인 불휘발성 플래시 메모리 소자를 설명하기 위한 평면도이다.1 is a plan view illustrating a general nonvolatile flash memory device.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 활성 영역을 한정하기 위한 소자 분리막(20a)이 배치된다. 소자 분리막(20a) 사이의 활성 영역 상에 터널 절연막(22)이 배치된다. 터널 절연막(22) 상에 부유 게이트 전극(24)이 배치된다. 부유 게이트 전극(24)은 하부가 터널 절연막(22)과 같은 폭을 가지며, 그 상부는 터널 절연막(22)보다 넓은 폭을 가진다. 부유 게이트 전극(24)과 소자 분리막(20a)의 상부면을 덮는 게이트 층간 절연막(미도시) 및 제어 게이트 전극(36)이 배치된다.Referring to FIG. 1, an
도 2a 및 도 2b는 종래기술에 따른 불휘발성 플래시 메모리 소자의 문제점을 설명하기 위해 각각 도 1의 A-A 선 및 B-B 선을 따라 절단한 단면도들이다.2A and 2B are cross-sectional views taken along the lines A-A and B-B of FIG. 1, respectively, to illustrate a problem of the nonvolatile flash memory device according to the prior art.
도 2a를 참조하면, 서로 이웃하는 제어 게이트 전극(36)의 하부에 있는 부유 게이트 전극(24) 사이에는 기생 커패시터(parasitic capacitor)가 존재한다. 워드 라인을 구성하는 제어 게이트 전극(36) 사이의 간섭에 의한 것으로, 비트 라인(bit line) 방향으로 기생 커패시터가 형성된다.Referring to FIG. 2A, parasitic capacitors exist between the
도 2b를 참조하면, 동일 제어 게이트 전극(36)의 하부에서 소자 분리막(20a)을 사이에 두고 서로 이웃하는 부유 게이트 전극(24) 사이에도 기생 커패시터가 존재한다. 동일 제어 게이트 전극(36)의 하부에서 서로 이웃하는 부유 게이트 전극(24) 상이의 간섭에 의한 것으로, 워드 라인 방향으로 기생 커패시터가 형성된다.Referring to FIG. 2B, parasitic capacitors exist between the
도 2a 및 도 2b에서 설명되지 않은 참조 부호 10, 22 및 34는 각각 반도체 기판, 터널 절연막 및 게이트 층간 절연막이다.
상기한 것과 같은 불휘발성 플래시 메모리 소자는 반도체 장치의 고집적화로 인한 부유 게이트 전극 사이의 간격이 줄어듦에 따라, 기생 커패시터에 의한 부유 게이트 전극 사이의 간섭이 무시할 수 없는 수준에 도달한다. 또한, 활성 영역과 제어 게이트 전극 사이의 거리가 좁아짐에 따라 고전압이 인가되는 프로그램/소거(program/erase) 동작이 수행될 때, 응력(stress)으로 인해 터널 절연막의 두꺼운 모서리 부분에 전하가 포획(trap)되어 불휘발성 플래시 메모리 소자의 특성이 저하되는 현상과 터널링 누설 전류(tunneling leakage current)가 발생한다. 이에 따라, 불휘발성 플래시 메모리 소자의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.In the nonvolatile flash memory device as described above, as the spacing between the floating gate electrodes is reduced due to the high integration of the semiconductor device, the interference between the floating gate electrodes by the parasitic capacitor reaches a level that cannot be ignored. In addition, as the distance between the active region and the control gate electrode becomes narrower, when a program / erase operation in which a high voltage is applied is performed, charge is trapped in the thick edge portion of the tunnel insulation layer due to stress. trapping results in deterioration of the characteristics of the nonvolatile flash memory device and tunneling leakage current. Accordingly, there is a problem that the reliability of the nonvolatile flash memory device is lowered.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 신뢰성을 확보할 수 있는 불휘발성 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a nonvolatile flash memory device capable of securing reliability and a method of manufacturing the same.
본 발명은 불휘발성 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 제공한다. 이 방법에 따르면, 먼저 반도체 기판 상에 활성 영역을 한정하는 소자 분리막을 형성한다. 활성 영역 상에 터널 절연막 및 부유 게이트 전극을 형성한다. 소자 분리막에 계단형 리세스를 형성한다. 계단형 리세스를 갖는 소자 분리막을 포함하는 반도체 기판을 덮는 게이트 층간 절연막 및 제어 게이트 전극을 형성함으로써, 불휘발성 플래시 메모리 소자를 제조할 수 있다. 게이트 층간 절연막 및 제어 게이트 전극은 활성 영역의 상부면보다 낮은 계단형 리세스의 하부면까지 연장되는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a method of manufacturing a nonvolatile flash memory device. According to this method, first, an element isolation film that defines an active region is formed on a semiconductor substrate. A tunnel insulating film and a floating gate electrode are formed on the active region. Stepped recesses are formed in the device isolation film. A nonvolatile flash memory device can be manufactured by forming a gate interlayer insulating film and a control gate electrode covering a semiconductor substrate including a device isolation film having a stepped recess. The gate interlayer insulating film and the control gate electrode are characterized by extending to the lower surface of the stepped recess lower than the upper surface of the active region.
소자 분리막을 형성하는 것은 패드 산화막 및 실리콘 질화막으로 이루어진 하드 마스크 패턴을 식각 마스크로 반도체 기판을 식각하여 트렌치를 형성한 후, 트렌치를 갭필 절연막으로 채운다. 갭필 절연막을 전면 식각하여 평탄화하는 것을 포함할 수 있다.The device isolation layer may be formed by etching a semiconductor substrate using an hard mask pattern including a pad oxide layer and a silicon nitride layer as an etching mask to form a trench, and then filling the trench with a gap fill insulating layer. And etching the entire surface of the gap fill insulating layer to planarize the gap fill insulating layer.
갭필 절연막은 실리콘 산화물로 형성될 수 있으며, 갭필 절연막을 전면 식각하여 평탄화하는 것은 화학적 기계적 연마 방식을 사용할 수 있다.The gap fill insulating film may be formed of silicon oxide, and the entire surface of the gap fill insulating film may be planarized by chemical mechanical polishing.
트렌치를 형성하기 위한 식각 마스크로 사용된 하드 마스크 패턴을 제거하여 반도체 기판의 활성 영역을 노출하는 것을 더 포함할 수 있다.The method may further include exposing an active region of the semiconductor substrate by removing a hard mask pattern used as an etch mask for forming a trench.
상기 부유 게이트 전극을 형성하는 것은 활성 영역 상에 터널 절연막을 형성한 후, 터널 절연막을 포함하는 반도체 기판을 덮는 부유 게이트 도전막을 형성한 다. 부유 게이트 도전막 상에 마스크막을 형성한다. 마스크막 상에 터널 절연막보다 넓은 폭을 가지는 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 마스크막 및 부유 게이트 도전막을 식각하여 마스크막 패턴 및 부유 게이트 전극을 형성하는 것을 포함할 수 있다.Forming the floating gate electrode forms a tunnel insulating film on the active region and then forms a floating gate conductive film covering the semiconductor substrate including the tunnel insulating film. A mask film is formed on the floating gate conductive film. After forming a photoresist pattern having a wider width than the tunnel insulating film on the mask film, the mask film and the floating gate conductive layer may be etched using the photoresist pattern as an etching mask to form the mask film pattern and the floating gate electrode. .
마스크막은 실리콘 질화물로 형성될 수 있다.The mask film may be formed of silicon nitride.
부유 게이트 전극은 터널 절연막과 동일한 폭을 갖는 하부 구조와 터널 절연막보다 넓은 폭을 갖는 상부 구조를 갖게 형성될 수 있다.The floating gate electrode may be formed to have a lower structure having the same width as the tunnel insulating film and an upper structure having a wider width than the tunnel insulating film.
소자 분리막에 계단형 리세스를 형성하는 것은 부유 게이트 전극 양측에 스페이서를 형성한다. 부유 게이트 전극 및 스페이서를 식각 마스크로 소자 분리막을 식각한 후, 마스크막 패턴 및 스페이서를 제거하는 것을 포함할 수 있다.Forming a stepped recess in the device isolation film forms spacers on both sides of the floating gate electrode. The device isolation layer may be etched using the floating gate electrode and the spacer as an etching mask, and then the mask layer pattern and the spacer may be removed.
스페이서를 형성하는 것은 부유 게이트 전극을 포함하는 반도체 기판을 덮는 실리콘 질화막을 형성한 후, 실리콘 질화막을 이방성 식각하는 것을 포함할 수 있다.Forming the spacer may include forming an silicon nitride film covering the semiconductor substrate including the floating gate electrode and then anisotropically etching the silicon nitride film.
또한, 본 발명은 불휘발성 플래시 메모리 소자를 제공한다. 이 메모리 소자는 반도체 기판의 소정 영역에 형성되어 활성 영역을 한정하는 계단형 리세스를 갖는 소자 분리막, 활성 영역 상에 형성된 터널 절연막, 터널 절연막 상에 형성된 부유 게이트 전극, 부유 게이트 전극을 포함하는 반도체 기판을 덮는 게이트 층간 절연막 및 게이트 층간 절연막 상에 형성된 제어 게이트 전극을 포함하되, 게이트 층간 절연막 및 제어 게이트 전극은 계단형 리세스 내부까지 연장된 것을 특징으로 한다.The present invention also provides a nonvolatile flash memory device. The memory device includes a device isolation film having a stepped recess formed in a predetermined region of a semiconductor substrate to define an active region, a tunnel insulating film formed on the active region, a floating gate electrode formed on the tunnel insulating film, and a floating gate electrode. And a control gate electrode formed on the gate interlayer insulating film and the gate interlayer insulating film covering the substrate, wherein the gate interlayer insulating film and the control gate electrode extend to the inside of the stepped recess.
부유 게이트 전극은 터널 절연막과 동일한 폭을 갖는 하부 구조와 터널 절연막보다 넓은 폭을 갖는 상부 구조로 이루어질 수 있다.The floating gate electrode may have a lower structure having the same width as the tunnel insulating layer and an upper structure having a wider width than the tunnel insulating layer.
소자 분리막은 부유 게이트 전극의 하부 구조 상부면과 동일한 높이의 상부면을 가지면서, 서로 이웃하는 부유 게이트 전극의 상부 구조 사이의 중앙부에 계단형 리세스를 가질 수 있다.The device isolation layer may have a top surface having the same height as a top surface of the bottom structure of the floating gate electrode, and may have a stepped recess in a center portion between the top structures of neighboring floating gate electrodes.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for clarity. Also, if it is mentioned that the film is on another film or substrate, it may be formed directly on the other film or substrate or a third film may be interposed therebetween.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도 1의 B-B 선을 따라 절단한 단면도들이다.3A to 3H are cross-sectional views taken along line B-B of FIG. 1 to explain a method of manufacturing a nonvolatile flash memory device according to an embodiment of the present invention.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판(110) 상에 패드(pad) 산화막(112), 실리콘 질화막(114)을 형성한다. 실리콘 질화막(114) 상에 포토레지스트를 형성한 후, 패터닝(patterning)하여 트렌치(trench)가 형성될 부분의 실리콘 질화막(114)을 노출하는 포토레지스트 패턴(116)을 형성한다. 패드 산화막(112)은 열 산화 방식으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3A, a
도 3b를 참조하면, 포토레지스트 패턴(116)을 식각 마스크로 실리콘 질화막(114) 및 패드 산화막(112)을 식각하여 패드 산화막 패턴(112a) 및 실리콘 질화막 패턴(114a)을 형성한다. 이에 따라, 패드 산화막 패턴(112a) 및 실리콘 질화막 패턴(114a)으로 이루어진 하드 마스크 패턴이 구비된다.Referring to FIG. 3B, the
포토레지스트 패턴(116)을 제거한 후, 하드 마스크 패턴을 식각 마스크로 반도체 기판(110)을 식각하여 활성 영역을 한정하는 트렌치(118)를 형성한다.After removing the
도 3c를 참조하면, 트렌치(118)를 포함하는 반도체 기판(110)을 덮는 갭필(gap-fill) 절연막(120)을 형성한다. 갭필 절연막(120)을 실리콘 산화물(SiO2)로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3C, a gap-
도 3d를 참조하면, 갭필 절연막(120)을 전면 식각하여 상부면이 평탄화된 소자 분리막(120a)을 형성한다. 갭필 절연막(120)을 전면 식각하는 공정은 실리콘 질화막 패턴(114a)을 식각 마스크로 하는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP) 방식을 사용하여 평탄화할 수 있다.Referring to FIG. 3D, the gap fill insulating
평탄화된 소자 분리막(120a)을 형성한 후, 실리콘 질화막 패턴(114a) 및 패드 산화막 패턴(112a)을 제거하여 반도체 기판(110)의 활성 영역을 노출한다. 실리콘 질화막 패턴(114a)은 인산(phosphoric acid)을 사용하는 습식 식각으로 제거할 수 있다. 패드 산화막 패턴(112a)은 불산(HF)+물(H2O)+과산화수소(H2O2)+암모니아(NH4OH) 혼합용액을 사용하여 제거할 수 있다.After the planarization
반도체 기판(110)의 노출된 활성 영역에 터널 절연막(122)을 형성한다. 터널 절연막(122)은 열 산화 방식으로 형성될 수 있다.The
도 3e를 참조하면, 터널 절연막(122)을 포함하는 반도체 기판(110)을 덮는 부유 게이트 도전막을 형성한 후, 부유 게이트 도전막 상에 마스크막을 형성한다. 부유 게이트 도전막은 도핑된 폴리 실리콘(polysilicon)으로 형성될 수 있다. 마스크막은 실리콘 질화물(SiN)로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3E, after forming the floating gate conductive layer covering the
마스크막 상에 포토레지스트를 형성한 후, 패터닝하여 터널 절연막(122)보다 넓은 폭을 가지는 포토레지스트 패턴(128)을 형성한다.After the photoresist is formed on the mask film, the
포토레지스트 패턴(128)을 식각 마스크로 마스크막 및 부유 게이트 도전막을 식각하여 부유 게이트 전극(124) 및 마스크막 패턴(126)을 형성한다. 이에 따라, 부유 게이트 전극(126)은 터널 절연막(122)과 동일한 폭을 갖는 하부 구조와 터널 절연막(122)보다 넓은 폭을 갖는 상부 구조를 갖게 형성될 수 있다.The floating
도 3f를 참조하면, 포토레지스트 패턴(128)을 제거한 후, 부유 게이트 전극(124) 및 마스크막 패턴(126)을 포함하는 반도체 기판(110)을 덮는 실리콘 질화막을 형성한다. 이어서, 실리콘 질화막을 이방성 건식 식각하여 부유 게이트 전극(124) 및 마스크막 패턴(126) 양측의 소자 분리막(120a) 상에 스페이서(130)을 형성한다.Referring to FIG. 3F, after the
도 3g를 참조하면, 스페이서(130) 및 마스크막 패턴(126)을 식각 마스크로 소자 분리막(120a)을 이방성 건식 식각하여 중앙부에 형성된 계단형 리세스(step recess, 132)를 갖는 소자 분리막(120b)을 형성한다.Referring to FIG. 3G, the
스페이서(130) 및 마스크막 패턴(126)을 식각 마스크로 사용하기 때문에, 소 자 분리막(120b)은 부유 게이트 전극(124)의 하부 구조 상부면과 동일한 높이의 상부면을 가질 수 있다. 또한, 소자 분리막(120b)은 서로 이웃하는 부유 게이트 전극(124)의 상부 구조 사이의 중앙부에 계단형 리세스(132)를 가질 수 있다.Since the
도 3h를 참조하면, 스페이서(130) 및 마스크막 패턴(126)을 습식 식각으로 제거한다. 스페이서(130) 및 마스크막 패턴(126)은 인산을 사용하는 습식 식각으로 제거할 수 있다.Referring to FIG. 3H, the
중앙부에 계단형 리세스(132)를 갖는 소자 분리막(120b)을 포함하는 반도체 기판(110)을 덮는 게이트 층간 절연막(134) 및 제어 게이트 전극(136)을 형성함으로써, 불휘발성 플래시 메모리 소자를 제조할 수 있다. 게이트 층간 절연막(134)은 산화막/질화막/산화막(ONO : Oxide-Nitride-Oxide)으로 형성될 수 있다. 제어 게이트 전극(136)은 도핑된 폴리 실리콘으로 형성될 수 있다. 게이트 층간 절연막(134) 및 제어 게이트 전극(136)은 계단형 리세스(132)의 내부까지 연장될 수 있다.A non-volatile flash memory device is manufactured by forming a gate
상기한 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 불휘발성 플래시 메모리 소자는 종래기술에 비해 부유 게이트 전극의 폭이 줄어듦을로써, 비트 라인 방향으로 형성되는 기생 커패시터를 최소화할 수 있다. 또한, 계단형 리세스의 내부까지 제어 게이트 전극이 연장됨으로써, 서로 이웃하는 부유 게이트 전극 사이의 전기장을 차단하는 차폐체(shield) 효과로 인해 워드 라인 방향으로 형성되는 기생 커패시터를 최소화할 수 있다. 이에 더하여, 활성 영역과 제어 게이트 전극 사이의 거리가 가까워지는 것을 방지함으로써, 고전압이 인가되는 프로그램/소거 동작에서 응력에 의한 불휘발성 플래시 메모리 소자의 특성 저하 및 누설 전류를 방지할 수 있다. 이에 따라, 신뢰성이 확보될 수 있는 불휘발성 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.The nonvolatile flash memory device manufactured by the method according to the embodiment of the present invention can reduce the width of the floating gate electrode compared to the prior art, thereby minimizing the parasitic capacitor formed in the bit line direction. In addition, since the control gate electrode extends to the inside of the stepped recess, parasitic capacitors formed in the word line direction may be minimized due to a shielding effect of blocking an electric field between neighboring floating gate electrodes. In addition, by preventing the distance between the active region and the control gate electrode from becoming close, it is possible to prevent the deterioration of characteristics and leakage current of the nonvolatile flash memory device due to stress in a program / erase operation to which a high voltage is applied. Accordingly, it is possible to provide a nonvolatile flash memory device and a method of manufacturing the same, which can ensure reliability.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 불휘발성 플래시 메모리 소자의 서로 이웃하는 부유 게이트 전극 사이의 셀 간섭을 감소시킴으로써, 신뢰성이 확보될 수 있는 불휘발성 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, by reducing cell interference between adjacent floating gate electrodes of a nonvolatile flash memory device, a nonvolatile flash memory device and a method of manufacturing the same can be provided.
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KR1020060012211A KR20070080765A (en) | 2006-02-08 | 2006-02-08 | Non-volatile flash memory device and method of fabricating the same |
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