JPH08335644A - 不揮発性メモリとその製造方法 - Google Patents

不揮発性メモリとその製造方法

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JPH08335644A
JPH08335644A JP7141568A JP14156895A JPH08335644A JP H08335644 A JPH08335644 A JP H08335644A JP 7141568 A JP7141568 A JP 7141568A JP 14156895 A JP14156895 A JP 14156895A JP H08335644 A JPH08335644 A JP H08335644A
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大志 久保田
Hiroki Shirai
浩樹 白井
Makoto Matsuo
真 松尾
Noriaki Kodama
典昭 児玉
Takeshi Okazawa
武 岡澤
Satoshi Muramatsu
諭 村松
Naoharu Nishio
直治 西尾
Tsuguhiro Horikawa
貢弘 堀川
Shuichi Saito
修一 斎藤
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Abstract

(57)【要約】 【目的】過剰消去不良を抑制できる不揮発性メモリセル
構造とその製造方法を提供する。 【構成】消去動作中に電子がトンネル膜中を通過する領
域上にあるフローティングゲートのポリシリコンのグレ
インの数を20個以上にすることで、過剰消去不良の発
生自体を抑制することが出来るようになる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体集積回路、特にフ
ローティングゲートを有する不揮発性メモリおよびその
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】不揮発性メモリ装置のうち、電気的に書
き込み・消去動作が可能で、一括消去動作を行うフラッ
シュメモリのメモリセル平面図である図5(a)と断面
図である図5(b)とを参照すると、従来のセル構造
は、以下のようになっている。
【0003】1ビットのメモリセルは、P型シリコン基
板101表面に設けられた1つのEEPROM(電気的
消去可能なプログラマブル読出し専用メモリ)からな
る。このEEPROMは、N型ソース領域108とN型
ドレイン領域107とに挟まれたチャンネル領域および
トンネル酸化膜103とフローティングゲート電極10
4と電極間絶縁膜105とコントロールゲート電極10
6とから構成されている。トンネル酸化膜103,フロ
ーティングゲート電極104,電極間絶縁膜105およ
びコントロールゲート電極106は、チャンネル領域上
に積層されている。N型ソース領域108およびN型ド
レイン領域107は、それぞれコントロールゲート電極
106に自己整合的に、P型シリコン基板101表面の
素子形成領域に設けられている。この素子形成領域は、
図5(a)の縦方向および横方向(直行する2つの方
向)にそれぞれ所要の間隔を有して設けられた格子状の
領域からなり、この素子形成領域に囲まれた素子分離領
域にはフィールド酸化膜102が設けられている。コン
トロールゲート電極106はワード線となり、同一のワ
ード線に属するメモリセルのN型ソース領域108は共
通になっている。隣接する2つのN型ソース領域108
の間には2つのコントロールゲート電極106が設けら
れ、これら2つのコントロールゲート電極106の間に
設けられた横方向に隣接する2つのメモリセルは、1つ
のN型ドレイン領域107を共有している。図示は省略
するが、それぞれのN型ドレイン領域107に接続され
るそれぞれのディジット線(ビット線)は、ワード線に
直交するように設けられている。
【0004】メモリセルへの書き込みは、そのメモリセ
ルのコントロールゲート電極106に電源電圧(例えば
5V)より充分に高い電圧(例えば12V)を印加し、
ディジット線を介してそのメモリセルのN型ドレイン領
域107に電源電圧より高い電圧(例えば7V)を印加
し、P型シリコン基板101およびN型ソース領域10
8を接地した状態で、1ビット毎に行う。このとき、N
型ドレイン領域107側からホットキャリアとして発生
したうちの電子がフローティングゲート電極104に注
入され、書き込み前に電源電圧より低い正の値(例えば
2V)であったメモリセルのVTMメモリセル(見掛け上
の閾値)が電源電圧の値より高い値(例えば7V:この
値は、容量分割比により決定される範囲内において、上
記バイアス条件と消去時間とから定まる)になる。
【0005】フラッシュメモリ装置における消去動作
は、例えば、512kビット毎に行われる。図5に示し
たメモリセルでは、フローティングゲート電極104に
蓄積された電子を、トンネル酸化膜103を介してソー
ス領域108へファウラー・ノルドハイム(FN)トン
ネル電流として流すことにより消去が行われる。この方
法をソース消去と呼ぶ。これは、コントロールゲート電
極106とP型シリコン基板101を接地電位とし、ソ
ース領域108に電源電圧より充分に高いバイアス(例
えば9V)を印加して行われ、VTMが電源電圧より低い
正の値(書き込み前のVTMと等しくなるようにバイアス
および消去時間の設定を行う)になる。またこの消去動
作は、コントロールゲート電極106に負電圧(例えば
−5V)を印加しソース領域108に正電圧(例えば+
5V),P型シリコン基板101に接地電位に印加する
ことでも行われる。この方法をソース・ゲート消去と呼
ぶ。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】フラッシュメモリ装置
における不良モードの1つとして、過剰消去(オーバー
イレーズ)という現象がある。通常、消去条件は、目的
の値のVTMになるように設定してある。特定のメモリセ
ルで異常があると、消去によるVTMの値が目的とする値
より低い値になる。これは、そのメモリセルのフローテ
ィングゲート電極104から電子が引き抜かれすぎるた
めに起こり、この現象を過剰消去と呼んでいる。この場
合でも、消去後のVTMが正の値である限り、再び書き込
みが行われる。しかしながら、このときのVTMが負にな
ると、上記の条件で書き込みを行ってもメモリセルのV
TMは上昇し辛くなる。またこのメモリセルに書き込みを
行わない場合(1状態あるいは定VTM状態),同じビッ
ト線につながっているセルは全て1状態であると誤った
読み出しをされることになる。
【0007】過剰消去を具体的に説明する。まず、図5
に示したメモリセルを本発明者は次のように作製した。
なおこのメモリセルからなるフラッシュメモリ装置の電
源電圧は5Vである。
【0008】(100)の面方位を有するP型シリコン
基板101の表面不純物濃度は、2×1017cm-3程度
であり、フィールド酸化膜102の膜厚は、0.6μm
である。熱酸化により形成されたトンネル酸化膜103
の膜厚は、10nm程度である。フローティングゲート
電極104は膜厚150nm程度のポリシリコンにリン
をドーピングして形成され、不純物濃度は1×1020c
m-3程度以上である。ドーピング方法は、リンの熱拡散
法,リンのイオン注入法のいずれを用いてもよい。イオ
ン注入法を用いる場合は、150nmのポリシリコンに
対して1×1015cm-2以上注入する。POCl3 を用
いたリンの熱拡散を用いる場合には、850℃以上の温
度で、10分以上拡散させる。例えば、850℃で、1
0分のリンの熱拡散を行ったポリシリコンは、結晶粒
(グレイン)の直径が、150nmになっている。この
フローティングゲート電極104は、フィールド酸化膜
102に片側で約0.2μm程度延在している。電極間
絶縁膜105は、高温気相成長法(HTO)による膜厚
8nm程度の酸化シリコン膜,減圧気相成長法(LPC
VD)による膜厚9nm程度の窒化シリコン膜およびH
TOによる膜厚4nm程度の酸化シリコン膜が積層され
た3層絶縁膜である。最上層は、HTOの代わりにLP
CVD窒化シリコン膜を熱酸化した膜でもよい。このメ
モリセルにおけるコントロールゲート電極106のゲー
ト長およびゲート幅はそれぞれ0.8μmおよび0.8
μmであり、膜厚150nm程度のN型ポリシリコン膜
と膜厚200nm程度のタングステンシリサイド膜とが
積層されて形成されている。N型ソース領域108の接
合の深さは、0.4μm弱であり、N型ソース領域10
8とフローティングゲート電極104とのオーバーラッ
プ(N型ソース領域108の横方向の接合の深さ)は
0.25μm程度である。N型ドレイン領域107の接
合深さは、0.15μm程度であり、N型ドレイン領域
107とフローティングゲート電極104とのオーバー
ラップは0.1μm程度である。
【0009】次に図6を参照して、このようなパラメー
タのメモリセルを集積したチップの書き込み消去特性を
説明する。
【0010】書き込みのバイアス条件は、コントロール
ゲート電極106に12V印加し、N型ドレイン領域1
07に7V印加し、P型シリコン基板101およびN型
ソース領域108を接地する。1つのメモリセルに対す
る書き込み時間は20μs程度である。消去のバイアス
条件は、コントロールゲート電極106,P型シリコン
基板101が接地電位,N型ソース領域108が9V程
度である。但し、このソース領域108の電位は、負荷
トランジスタを介して印加されるために、消去状態によ
って変化し、一定ではない。512kビット毎にソース
消去を行い、消去時間は1秒である。
【0011】正常なチップでは、消去状態の分布は書き
込み状態の分布に比べてやや広がるものの、VTMが負に
なるようなビットが無い消去分布が得られる。一方、過
剰消去が発生したチップでは、消去分布は、特に消去の
速いビットが増加するために、広くなり、VTMが負にな
るビットも出現してしまう。後述するようにこのような
過剰消去の発生は、ポリシリコンのグレインサイズと密
接な関係がある。従来は、過剰消去の発生自体を抑止す
ることは不可能であり、ディジット線に冗長性(例えば
8本のディジット線に対して1本余分にディジット線を
設けておく)を持たせることにより、過剰消去が起こっ
た部分を置き換えて正常動作チップを得ていた。
【0012】また例えば、特開平1−125980号公
報には、フローティングゲート電極に対して、あらかじ
めポリシリコン膜上に酸化膜を成長させた後に、リンの
イオン注入を行うことで、ポリシリコンのグレイン成長
が抑制できることが報告されている。しかしながら、リ
ンのインオン注入を行ったとしても、その注入量が多い
場合は、グレインが大きく成長することもよく知られて
おり、この公開特許の方法で過剰消去を抑制するとは、
考えにくい。
【0013】本発明は、メモリセルのフローティング電
極に使用されるポリシリコンを改善することにより、上
に述べたような従来例の問題点である過剰消去不良の発
生自体を抑制することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の不揮発性メモリ
は、第1導電性の半導体基板表面に設けられた第2導電
性のソース領域およびドレイン領域と該ソース領域の端
部および該ドレイン領域の端部に挟まれて該第1導電性
半導体基板表面に設けられたチャネル領域と、トンネル
絶縁膜を介し、該ソース領域およびドレイン領域上に延
在して該チャネル領域上に設けられた1層の多結晶シリ
コン膜からなるフローティングゲート電極と、電極間ゲ
ート絶縁膜を介して、該フローティングゲート電極上を
覆うコントロールゲート電極とからなるスタックト型の
不揮発性メモリセルにおいて、前記フローティングゲー
ト電極の中で、消去動作が行われる領域に含まれる多結
晶シリコンのグレインの数が、20個以上になっている
ことを特徴とする。好ましくは、前記多結晶シリコンに
ドーピングするN型不純物が、リンまたはヒ素である。
前記多結晶シリコン膜にN型不純物をドーピングする方
法は、イオン注入法あるいは、熱拡散法である。
【0015】
【作用】図7は、消去領域110の中に入っている、フ
ローティングゲート電極104に使われているポリシリ
コングレインの数と図6に示した消去後分布の分散値と
の関係を示している。大きなグレインを使用し、グレイ
ンの数が20個以下になると、分散値が急激に上昇する
ことがわかる。つまり、過剰消去ビットが急増する。使
用するグレインを小さくし、消去領域110内に含まれ
る数を20個以上、例えば、100個にすると分散値と
して、0.02Vが得られる。すなわち分布の幅として
は、1Vの範囲の中に充分納めることが出来る。これら
のことから、消去領域110内に含まれるポリシリコン
グレインの数を20個以上にすれば、過剰消去不良の発
生を抑制することが出来る。
【0016】
【実施例】
[実施例1]不揮発性メモリ装置のうち、電気的に書き
込み・消去動作が可能で、一括消去動作を行うフラッシ
ュメモリのメモリセル平面図である図1(a)と断面図
である図1(b)を参照して、セルの構造を説明する。
【0017】1ビットのメモリセルは、(100)の面
方位で表面不純物濃度が2×1017cm-3程度のP型シ
リコン基板101表面に設けられた1つのEEPROM
からなる。このEEPROMは、N型ソース領域108
とN型ドレイン領域107とトンネル酸化膜103とフ
ローティングゲート電極104と電極間絶縁膜105と
コントロールゲート電極106とから構成されている。
フィールド酸化膜102の膜厚は、0.6μmである。
トンネル酸化膜103は熱酸化膜により形成され、その
膜厚は10nm程度である。このトンネル酸化膜103
の上に,フローティングゲート電極104,電極間絶縁
膜105およびコントロールゲート電極106が積層さ
れている。
【0018】フローティングゲート電極104は膜厚1
50nm程度のポリシリコンにリンをドーピングして形
成され、不純物濃度は、1×1020cm-3程度以下にす
る。ドーピング方法は、リンの熱拡散法,リンのイオン
注入法のいずれを用いてもよい。イオン注入法を用いる
場合は、150nmのポリシリコンに対して1×1015
cm-2以下の注入を行う。5×1014cm-2以下の注入
密度で行うとさらに効果的である。この時の注入エネル
ギーは、40keVとした。POCl3 を用いたリンの
熱拡散を用いる場合には850℃以下の温度で、10分
以下の時間で拡散させる。時間制御の困難さを考慮する
と、低温化するほうが制御性がよい。但し、イオン注入
法の方が、制御性の点からも容易に上記条件を実現でき
る。このような条件で、製造したフローティングゲート
電極104は、ポリシリコングレインの直径が、50n
m以下になっている。
【0019】このフローティングゲート電極104は、
フィールド酸化膜102に片側で約0.2μm程度延在
している。電極間絶縁膜105は、高温気相成長法(H
TO)による膜厚8nm程度の酸化シリコン膜,減圧気
相成長法(LPCVD)による膜厚9nm程度の窒化シ
リコン膜およびHTOによる膜厚4nm程度の酸化シリ
コン膜が積層された3層絶縁膜である。最上層は、HT
Oの代わりにLPCVD窒化シリコン膜を熱酸化した膜
でもよい。このメモリセルにおけるコントロールゲート
電極106のゲート長およびゲート幅はどちらも0.8
μmであり、膜厚150nm程度のN型ポリシリコン膜
と膜厚200nm程度のタングステンシリサイド膜とを
積層して形成している。
【0020】N型ソース領域108およびN型ドレイン
領域107は、それぞれコントロールゲート電極106
に自己整合的にP型シリコン基板101表面の素子形成
領域に設けられている。この素子形成領域は、図1
(a)の縦方向および横方向(直行する2つの方向)に
それぞれ所要の間隔を有して設けられた格子状の領域か
らなり、この素子形成領域に囲まれた素子分離領域には
フィールド酸化膜102が設けられている。N型ソース
領域108の接合の深さは、0.4μm弱であり、N型
ソース領域108とフローティングゲート電極104と
のオーバーラップ(N型ソース領域108の横方向の接
合の深さ)は0.25μm程度である。N型ドレイン領
域107の接合深さは、0.15μm程度であり、N型
ドレイン領域107とフローティングゲート電極104
とのオーバーラップは0.1μm弱である。
【0021】コントロールゲート電極106はワード線
となり、同一のワード線に属するメモリセルのN型ソー
ス領域108は共通になっている。隣接する2つのN型
ソース領域108の間には2つのコントロールゲート電
極106が設けられ、これら2つのコントロール電極1
08の間にはN型ドレイン領域107が設けられてい
る。2つのN型ソース領域108の間に設けられた横方
向に隣接する2つのメモリセルは、1つのN型ドレイン
領域107を共有している。図示は省略するが、それぞ
れのN型ドレイン領域107に接続されるそれぞれのデ
ィジット線(ビット線)は、ワード線に直交するように
設けられている。
【0022】次に不揮発性メモリの製造工程の断面図で
ある図2,3と図1を併せて参照して。上記実施例の製
造方法を説明する。
【0023】まず、(100)の両方位を有し、2×1
017cm-3程度の表面不純物濃度を有するP型シリコン
基板101表面の第1の方向(縦方向)に所要の間隔を
有し、第2の方向(横方向)に延ばして配置された縞状
の素子分離領域に、膜厚0.6μmのLOCOS型のフ
ィールド酸化膜102が形成される。素子分離領域の間
の素子形成領域に、熱酸化により膜厚10nm程度のト
ンネル酸化膜103が形成される。この素子分離領域の
第1の方向の幅は、0.8μmである。続いて、CVD
法により150nmの膜厚で、ポリシリコン膜203を
成長させる。成長させたポリシリコン膜に対して、40
keVのエネルギー,5×1014cm-3の密度でリンの
イオン注入を行い、N型ポリシリコン膜204を形成す
る。次に、フォトレジスト膜パターン(図示せず)をマ
スクにして異方性エッチングを行い、素子領域全面を多
い、素子分離領域との重なりが0.2μmとなるよう
な、第2の方向(横方向)に延在する島状の形状にN型
ポリシリコン膜を残す。次に高温気相成長法(HTO)
による膜厚8nm程度の酸化シリコン膜,減圧気相成長
法(LPCVD)による膜厚9nm程度の窒化シリコン
膜およびLPCVD窒化シリコン膜を熱酸化した酸化シ
リコン膜が積層された3層絶縁膜205を形成する。膜
厚150nm程度のポリシリコン膜を成長させた後、リ
ン拡散を行って低抵抗化し、その表面にタングステンシ
リサイドをスパッタして、ポリシリコン/シリサイド膜
206を形成する。
【0024】次に、フォトレジスト膜パターン(図示せ
ず)をマスクにして、ポリシリコン/シリサイド膜20
6,3層絶縁膜205,N型ポリシリコン膜204を順
次異方性エッチングして、コントロールゲート電極10
6を形成する。なお、コントロール電極131を構成す
る導電体膜は、(膜厚も含めて)ポリシリコン/シリサ
イド膜に限定されるものではない。
【0025】O2 プラズマによるアッシング等により、
フォトレジスト膜を除去し、露出した部分のトンネル酸
化膜103をエッチングした後、コントロールゲート電
極10,フローティングゲート電極104の側面に10
〜20nmの酸化シリコン膜(図示せず)が熱酸化によ
り形成される。続いて、隣接する2つの素子形成領域の
第1の方向に平行な部分の間に設けられた2つのコント
ロールゲート電極106に挟まれた素子形成領域を覆う
姿態を有するフォトレジスト膜パターン(図示せず)が
形成され、このフォトレジスト膜パターンをマスクにし
て、露出したフィールド酸化膜102をエッチングし、
さらにリン及びヒ素のイオン注入を行う。このフォトレ
ジスト膜パターンを除去した後、熱処理を行ってソース
領域108を形成する。前工程とは逆の領域を覆うよう
なフォトレジスト膜パターン(図示せず)を形成して、
ヒ素のイオン注入を行う。さらにこのフォトレジスト膜
パターンを除去して、熱処理を行いドレイン領域107
を形成する(図1)。図示は省略するがさらに、層間絶
縁膜の形成、ドレイン領域に達するビット線コンタクト
109の形成、ディジット線の形成などが行われ、本実
施例による不揮発性メモリが作製される。
【0026】[実施例2]次に、不揮発性メモリセル製
造方法にかかる第2の実施例を図4の製造途中の断面図
(図2(a)に対応)を参照しながら説明する。図2で
説明したように、P型シリコン基板101上にトンネル
酸化膜102を形成した後、ポリシリコンに比べて低温
のLPCVDで成長させるアモルファスシリコン303
を堆積させる。小さなグレインを形成するために、10
0℃で10秒の急速熱処理(RTP)を行う。その後、
リンのイオン注入を第1の実施例と同様の条件で行う。
以後の製造方法は、図2,3に示した第1の実施例と同
様である。また、RTPとリンのイオン注入の工程順は
逆でもよい。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、図
6の実験データから明らかなように、消去領域内に含ま
れるポリシリコングレインの数を20個以上にすること
で、過剰消去不良の発生を抑制することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による不揮発性メモリセル構造の第1の
実施例を示す模式的断面図である。
【図2】第1の実施例の製造方法を工程順に説明する断
面図である。
【図3】図2に引き続く第1の実施例の製造方法を工程
順に説明する断面図である。
【図4】本発明による不揮発性メモリセル構造の第2の
実施例を示す模式的断面図である。
【図5】従来の不揮発性メモリセルを示す模式的断面図
である。
【図6】従来のフラッシュメモリセルの問題点を説明す
るための図であり、書き込み後、消去後のビット分布を
示したグラフである。
【図7】本発明の作用を説明するための実験結果を示し
たグラフである。
【符号の説明】
101 シリコン基板 102 フィールド酸化膜 103 トンネル酸化膜 104 フローティングゲート電極 105 電極間絶縁膜 106 コントロールゲート電極 107 ドレイン領域 108 ソース領域 109 ビット線コンタクト 110 消去領域 201 P型シリコン基板 202 シリコン熱酸化膜 203 ポリシリコン 204 N型ポリシリコン膜 205 3層絶縁膜 206 ポリシリコン/シリサイド膜 303 アモルファスシリコン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 児玉 典昭 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 岡澤 武 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 村松 諭 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 西尾 直治 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 堀川 貢弘 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 斎藤 修一 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 新井 謙一 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電性の半導体基板表面に設けられ
    た第2導電性のソース領域およびドレイン領域と該ソー
    ス領域の端部および該ドレイン領域の端部に挟まれて該
    第1導電性半導体基板表面に設けられたチャネル領域
    と、ゲート絶縁膜を介して該ソース領域およびドレイン
    領域上に延在して該チャネル領域上に設けられた1層の
    多結晶シリコン膜からなるフローティングゲート電極
    と、電極間ゲート絶縁膜を介して該フローティングゲー
    ト電極上を覆うコントロールゲート電極とを有し、前記
    フローティングゲート電極に電子を蓄積すること、ある
    いは前記蓄積電子をフローティングゲート電極から外部
    へ引き抜くことにより、記憶動作および消去動作を行う
    MOSスタックトゲート型の書き換え可能な不揮発性メ
    モリにおいて、 前記フローティングゲート電極の中で、前記蓄積電子を
    外部に引き抜く時に、蓄積電子が電子電流として流れる
    領域上に含まれる多結晶シリコンの結晶粒の数が、20
    個以上になっていることを特徴とする不揮発性メモリ。
  2. 【請求項2】 第1導電性の半導体基板表面の素子分離
    するための領域にフィールド絶縁膜を形成し、該半導体
    基板表面の素子となる領域にトンネル絶縁膜を形成し、
    全面に所定の膜厚を有する多結晶シリコン膜を形成する
    工程と、 該多結晶シリコン膜に、1×1020cm-3以下の濃度に
    なるように、不純物をドーピングする工程を有すること
    を特徴とする不揮発性メモリの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記多結晶シリコン膜にドーピングする
    不純物が、N型であることを特徴とする請求項2記載の
    不揮発性メモリの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記多結晶シリコン膜にドーピングする
    N型不純物が、リンまたはヒ素であることを特徴とする
    請求項2記載の不揮発性メモリの製造方法。
  5. 【請求項5】 前記多結晶シリコン膜にN型不純物をド
    ーピングする方法が、イオン注入法であることを特徴と
    する請求項2記載の不揮発性メモリの製造方法。
  6. 【請求項6】 前記多結晶シリコン膜にN型不純物をド
    ーピングする方法が、熱拡散法であることを特徴とする
    請求項2記載の不揮発性メモリの製造方法。
  7. 【請求項7】 前記多結晶シリコン膜の代わりに低温で
    成長したアモルファスシリコンを使用することを特徴と
    する請求項2記載の不揮発性メモリの製造方法。
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