JP3441087B2 - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置

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JP3441087B2
JP3441087B2 JP34280791A JP34280791A JP3441087B2 JP 3441087 B2 JP3441087 B2 JP 3441087B2 JP 34280791 A JP34280791 A JP 34280791A JP 34280791 A JP34280791 A JP 34280791A JP 3441087 B2 JP3441087 B2 JP 3441087B2
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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
トを有する電気的書き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)に係り、特にN
ANDセル構成のメモリセルアレイを有するEEPRO
Mに関する。
【0002】
【従来の技術】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NAND型の
EEPROMが知られている。一つのメモリセルは基板
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
するもの同士でそのソース,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。NANDセルの
一端側ドレインは選択ゲートを介してビット線に接続さ
れ、他端側ソースはやはり選択ゲートを介して共通ソー
ス線に接続される。このようなメモリセルが複数個マト
リクス配列されてEEPROMが構成される。メモリセ
ルアレイは通常、n型半導体基板に形成されたp型ウェ
ル内に形成される。
【0003】このNAND型EEPROMの動作は、次
の通りである。データ書込みは、ビット線から遠い方の
メモリセルから順に行う。nチャネルの場合を説明する
と、選択されたメモリセルの制御ゲートには昇圧された
書き込み電位Vpp(=20V程度)を印加し、これより
ビット線側にある非選択メモリセルの制御ゲート及び選
択ゲートには中間電位VppM (=10V程度)を印加
し、ビット線にはデータに応じて0V(例えば“1”)
又は中間電位(例えば“0”)を印加する。このとき、
ビット線の電位は非選択メモリセルを転送されて選択メ
モリセルのドレインまで伝わる。データ“1”のとき
は、選択メモリセルの浮遊ゲートとドレイン間に高電界
がかかり、ドレインから浮遊ゲートに電子がトンネル注
入されてしきい値が正方向に移動する。データ“0”の
ときはしきい値変化はない。
【0004】データ消去は、チップ消去とブロック消去
の2種類のモードを有する。チップ消去は、NANDセ
ル内の全てのメモリセルに対して同時に行われる。即
ち、全ての制御ゲート,選択ゲートをVppとし、p型ウ
ェル及びn型基板に昇圧された消去電位VppE (=20
V)を印加する。これにより、全てのメモリセルにおい
て浮遊ゲートの電子がウェルに放出され、しきい値が負
方向に移動する。
【0005】これに対し、ブロック消去は、選択された
NANDセルブロック内の全ての制御ゲートに接地電位
を与え、非選択のNANDセルブロック内の全ての制御
ゲート、全てのNANDセルブロック内の全ての選択ゲ
ート及びメモリセルが形成されたp型ウェルに消去電位
を与える。これにより、選択されたブロックにおいて浮
遊ゲートの電子がウェルに放出され、ブロック単位の消
去が行われる。
【0006】例えば4MビットNAND型EEPROM
では、メモリセルは32kビット×128ブロックに分
割される。消去時間(p型ウェルに高電圧を印加する時
間)は約10msであり、チップ消去で4Mビット一括
消去する場合も、また1ブロック(32kビット)のみ
消去する場合についても、消去時間は等しい。
【0007】よって、例えば1Mビットをブロック消去
する場合、32ブロックを消去するので、32×10=
320msの消去時間を必要とする。このように多くの
ブロックを消去する場合においては、チップ消去に比較
して大幅な消去時間の増加を招くという問題点を有す
る。
【0008】データ読出しは、選択されたメモリセルの
制御ゲートを0Vとし、それ以外の選択ブロック内のメ
モリセルの制御ゲート及び選択ゲートを電源電位Vcc
(=5V)として、選択メモリセルで電流が流れるか否
かを検出することにより行われる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来のN
AND型EEPROMでは、大きい領域をブロック消去
する場合に、チップ消去と比較して消去時間が大幅に長
くなるという問題があった。本発明はこのような点に鑑
みなされたもので、高速なブロック消去を可能とするN
ANDセル型のEEPROMを提供することを目的とす
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、ブロッ
ク消去の方式として、1個のNANDセルブロックでは
なく、複数個のNANDセルブロックを同時に消去する
ことにある。
【0011】即ち本発明(請求項1)は、半導体基板に
電荷蓄積層と制御ゲートを有するメモリセルがマトリク
ス配列され、電荷蓄積層と基板間の電荷の授受により電
気的書替えを可能とした不揮発性半導体記憶装置におい
て、メモリセルを複数のブロックに分けて、ブロック単
位で消去可能な構成とし、消去すべきブロックの数を可
変する手段を設けたことを特徴とする。
【0012】また本発明(請求項2)は、第1導電型半
導体基板に第2導電型ウェルが形成され、この第2導電
型ウェルに電荷蓄積層と制御ゲートを有するメモリセル
がマトリクス配列され、電荷蓄積層と第2導電型ウェル
間の電荷の授受により電気的書替えを可能としたもので
あって、複数のメモリセルが直列接続されてNANDセ
ルを構成して選択ゲートを介してビット線に接続された
メモリセルアレイとを備えた不揮発性半導体記憶装置に
おいて、選択された複数個のNANDセルブロック内の
全ての制御ゲートを接地電位とし、非選択のNANDセ
ルブロック内の全ての制御ゲート、全てのNANDセル
ブロック内の全ての選択ゲート及びメモリセルが形成さ
れた第2導電型ウェルに消去電位を印加するデータ消去
手段と、選択消去すべきNANDセルブロックの数を可
変設定する手段とを有することを特徴とする。
【0013】
【作用】本発明によれば、複数個のNANDセルを選択
状態として、選択されたNANADセルブロック内の全
ての制御ゲートに接地電位を与え、非選択のNANDセ
ルブロック内の全ての制御ゲート、全てのNANDセル
ブロック内の全ての選択ゲート及びメモリセルが形成さ
れた第2導電型ウェルに消去高電圧を与えることによ
り、複数個のNANDセルブロックを同時に消去するこ
とが可能となる。従って、1ブロックずつ消去していっ
た場合と比較して、高速にブロック消去することが可能
となる。例えば、2ブロックずつ消去すれば、1ブロッ
クずつ消去した場合に比較して約2倍の高速化が達成さ
れる。
【0014】また、選択すべきブロックの数を可変する
ことにより、1ブロックの消去やチップ消去も可能とな
る。このようなことから、各種のOS(オペレーション
システム)に対しての汎用性が増す。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【0016】図1は、本発明の第1の実施例に係わるN
ANDセル型EEPROMの概略構成を示すブロック図
である。図では、データ書込み及び読出し動作を制御す
る制御回路部は省略して、データ消去に関係する部分の
み示している。メモリセルアレイ5は、後に詳細に説明
するようにn型シリコン基板に形成されたp型ウェル4
内に形成されている。このメモリセルアレイ5に対し
て、ブロック消去を行うためのブロック選択回路7が設
けられている。このブロック選択回路7の出力に応じて
各NANDセルブロック内の制御ゲート及び選択ゲート
に消去電位制御回路2から与えられる消去電位を与える
ために、制御ゲート・選択ゲート制御回路6が設けられ
ている。
【0017】消去電位は消去電位昇圧回路1が発生す
る。この消去電位昇圧回路1から得られる消去電位が消
去電位制御回路2を介し、制御ゲート・選択ゲート制御
回路6を介して各NANDセルの制御ゲート及び選択ゲ
ートに与えられる。また、消去電位制御回路2からの消
去電位はp型ウェル4にも与えられる。n型基板の電位
は、基板電位制御回路3によって制御される。ビット線
制御回路8は、データ書込み時及び読出し時に動作する
もので、データ消去時はメモリセルアレイ5から切り離
される。
【0018】図2(a)(b)は実施例のメモリセルの
一つのNANDセル部の平面図と等価回路であり、図3
(a)(b)はそれぞれ図2(a)のA―A′及びB−
B′断面図である。n型シリコン基板9のメモリセルア
レイ領域にはp型ウェル4が形成され、このp型ウェル
4の素子分離絶縁膜12によって区画された領域にNA
NDセルが形成されている。
【0019】一つのNANDセルに着目して説明する
と、この実施例では8個のメモリセルM1 〜M8 により
NANDセルが構成されている。各メモリセルは、p型
ウェル4上に熱酸化で形成された薄いゲート絶縁膜13
を介して第1層多結晶シリコン膜による浮遊ゲート14
(141 〜148 )が形成され、この上に層間絶縁膜1
5を介して第2層多結晶シリコン膜による制御ゲート1
6(161 〜168 )が積層形成されている。浮遊ゲー
ト14が電荷蓄積層である。
【0020】各メモリセルの制御ゲート16は横方向に
配列されるNANDセルについて連続的に制御ゲート線
CG(CG1 〜CG8 )として配設され、通常これがワ
ード線となる。メモリセルのソース,ドレイン拡散層で
あるn型層11は隣接するもの同士で共用されて8個の
メモリセルM1 〜M8 が直列接続されている。これら8
個のメモリトランジスタのドレイン側,ソース側にはそ
れぞれ選択ゲートS1,S2 が設けられている。これら選
択ゲートのゲート絶縁膜は通常メモリセル部とは別にそ
れより厚く形成されて、その上に2層のゲート電極14
9 ,169 及び1410,1610が形成されている。これ
らの二層のゲート電極は所定間隔でコンタクトして、制
御ゲート線CGの方向に連続的に配設されて選択ゲート
線SG1,SG2 となる。
【0021】素子形成された基板上はCVD絶縁膜17
により覆われ、この上にビット線18が配設されてい
る。ビット線18は、一方の選択ゲートS1 のドレイン
拡散層にコンタクトしている。他方の選択ゲートS2 の
ソース拡散層は、通常は共通ソース線として複数のNA
NDセルに共通に配設される。図4は、このようなNA
NDセルがマトリクス配列されたメモリセルアレイの等
価回路を示している。
【0022】この実施例におけるブロック消去の概略
を、図5を用いて説明する。メモリセルアレイは図5に
示すように、複数のNANDセルブロック20(201
20n )により構成されている。いま消去モードで上から
1番目のセルブロック201 と2番目のNANDセルブ
ロック202 が選択されたとすると、メモリセルアレイ
が形成されたp型ウェル及びn型基板にそれぞれ消去電
位VppE (=20V)が印加され、同時に選択されたN
ANDセルブロック201 及び202 内の全ての制御ゲ
ートに0Vが印加される。そして、選択されたNAND
セルブロック及び非選択のNANDセルブロック内の全
ての選択ゲート、非選択のNANDセルブロック内の全
ての制御ゲートには消去電位VppE が与えられる。ビッ
ト線は全てフローティングとされる。
【0023】この結果、選択されたNANDセルブロッ
ク201 ,202 内で全てのメモリセルの浮遊ゲートの
電子がp型ウェルに放出されて、ブロック201 ,20
2 のデータ消去がなされることになる。上述のようなブ
ロック消去を行うための図1の各部の具体的な構成と動
作を、以下に詳しく説明する。
【0024】図6は、図1のブロック選択回路7及び制
御ゲート・選択ゲート制御回路6の具体的構成を、一つ
のNANDセルブロック20i について示したものであ
る。ブロック選択回路7は、ロウデコーダ・イネーブル
信号RDENB とアドレス信号ai の論理をとるNANDゲ
ートG1 が基本回路であり、選択されたブロックについ
てはノードN1 が“H”レベルになる。
【0025】ノードN1 の信号は、転送ゲート71を介
して、又はインバータI2 と転送ゲート72を介して制
御ゲート・選択ゲート制御回路6に入力される。転送ゲ
ート71と72はこの実施例では、PMOSトランジス
タとNMOSトランジスタを並列接続して構成されてお
り、消去制御信号 ERASE,/ERASE によっていずれか一
方が導通状態になるように制御される。即ちデータ消去
時は、制御信号 ERASEが“H”レベルであって、このと
き転送ゲート72がオンとなり、ノードN1 の信号がイ
ンバータI2 で反転されてノードN2 に伝達される。つ
まり、消去モードで選択ブロックについてノードN2 が
“L”レベルになる。また、ブロック選択回路7のノー
ドN1 は読出し時に“H”レベルとなる制御信号READに
よって制御される別の転送ゲート73を介して、NAN
Dセルブロックのソース側の選択ゲートに接続される。
【0026】制御ゲート・選択ゲート制御回路6には、
図1の昇圧電位制御回路2から得られる昇圧電位VppE
(=20V)を各制御ゲートに与えるための共通駆動回
路61を有する。駆動回路61は、PMOS負荷トラン
ジスタQp1,Qp2とNMOSドライバトランジスタQN
1,QN2により構成されている。ノードN2 の信号が一
方のドライバトランジスタQN1のゲートに直接入力さ
れ、他方のドライバトランジスタQN2のゲートにはイン
バータI1 により反転されて入力される。これにより、
駆動回路61には相補出力が得られる。この駆動回路6
1の一方の出力、即ちドライバトランジスタQN2のドレ
イン出力は、消去モードの選択ブロックについては
“L”レベルであり、これがNANDセルブロック20
i の制御ゲート線CGに制御信号CD(CD1 〜CD8
)を供給するための転送ゲート621 〜628 の制御
信号として用いられる。従って、選択ブロックについて
転送ゲート621 〜628 はオフである。
【0027】制御信号CDは消去モードでは消去電位V
ppE である。制御ゲート線CGにはそれぞれ放電用のN
MOSトランジスタQN8,…,QN10 ,…,QN14 ,
…,QN16 が設けられている。駆動回路61の他方の出
力、即ちドライバトランジスタQN1のドレイン出力は、
これらの放電用トランジスタのゲートに制御信号として
入る。
【0028】従って、ブロック選択回路7の出力,つま
りノードN2 が“L”レベルである消去モードの選択ブ
ロックについては、駆動回路61の一方のドライバトラ
ンジスタQN1のドレイン出力が“H”レベル、他方のド
ライバトランジスタQN2のドレイン出力が“L”レベル
であるから、転送ゲート621 〜628 のPMOSトラ
ンジスタには“H”レベル,NMOSトランジスタには
“L”レベルが入ってこれらは全てオフとなる。このと
き、各制御ゲート線CGに設けられた放電用トランジス
タQN8,…,QN10 ,…,QN14 ,…,QN16 がオンに
なって、選択ブロックの制御ゲートは全て0Vとされ
る。非選択ブロックでは、ノードN2 が“H”レベルで
あるから、駆動回路61の出力は選択ブロックとは逆に
なり、転送ゲート621 〜628 がオンとなって制御信
号CDが各制御ゲート線CGに与えられる。
【0029】制御ゲート・選択ゲート制御回路6内に
は、ドレイン側の選択ゲート線SG1を制御するC2
OSインバータ構成の選択ゲート駆動回路63が設けら
れている。この駆動回路63の電源には、書込み時に中
間電位となりそれ以外では外部電源電位Vccと同じ値を
とる制御信号VMSG が用いられている。この駆動回路6
3のPMOS側クロック信号ERASEHは、消去モードでV
ppE と同じ高電位となる信号である。また、ドレイン,
ソース両方の選択ゲート線SG1,SG2 には、制御信号
ERASEHにより制御されるNMOSトランジスタQN12,Q
N17 を介して消去時に昇圧電位VppE と同じ電位となる
制御信号VppSGが与えられるようになっている。従って
消去モードにおいては、選択ブロック,非選択ブロック
を問わず、NMOSトランジスタQN12,QN17 がオンに
なって、選択ゲート線SG1,SG2に制御信号VppSGが
与えられる。
【0030】厳密にいえば、選択ゲート線SG1,SG2
に与えられるのは、NMOSトランジスタQN12,QN17
のしきい値をVthとして、VppE −Vthである。メモリ
セルアレイが形成されたp型ウェルと同時に、NAND
セルの共通ソースにはソースには、消去モードにおいて
消去電位VppE となるウェル制御信号Vwellが与えられ
る。
【0031】ここで、本実施例では前記ブロック選択回
路7のNANDゲートG1に入力されるアドレスによっ
てブロックを選択する。4MビットNAND型EEPR
OMを例に考えると、メモリセルは128ブロックに分
割されており、アドレスA12(A12)からアドレスA
18(A18)の7アドレスで選択される。
【0032】図7にアドレスバッファ部の構成を示す。
ここでは、チップイレーズと2ブロック毎のブロック消
去を設定して説明を加える。(b)に示すように(A1
2〜A18)にはCERASE信号が入力され、さらに(a)
に示すように(A12)にはこれと共にBERASE信号が入
力されている。チップイレーズ時には、CERASE信号がH
となり、全アドレスのAi 及び/Ai が両者ともHとな
り、128個の上述のブロック選択回路が選択状態とな
り、NANDゲートG1の出力は全て“L”となる。
【0033】ブロック消去時においてもBERASE信号がH
となると、BERASE信号が入力されている(A12)アド
レスバッファ回路においてA12及び/A12が両者ともH
となる。残りのAi ,/Ai はチップ外部からのブロッ
クアドレス信号によって選択され、結果として2ブロッ
クが選択状態となる。つまり、BERASE信号がアドレスバ
ッファに入力されていなかった従来例のように、外部か
ら入力されるブロックアドレス信号に応じて1ブロック
のみを選択状態とするのではなく、2ブロックの選択が
可能となる。
【0034】このように本実施例によれば、(A12)
アドレスバッファのA12,/A12両者を入力によらずH
とすることによって、チップ外部から見たブロック消去
の単位は従来の2倍となる。このため、複数のブロック
を消去する際に1ブロックずつ消去する従来例に比して
ブロック消去の高速化をはかることができる。当然のこ
とながら、(A13)を(A12)と同様の構成にすれ
ば4ブロックが、さらに(A14)も同様の構成にすれ
ば8ブロックが同時に選択される。
【0035】なお、上述した複数ブロック毎の消去は、
チップ製造時に配線オプションとしておくことも可能で
ある。最も簡単な方法は、複数個のアドレスバッファを
図7の(A12)と同様の形にしておいて、その3入力
NOR回路の入力のうちの一つにブロックイレーズのBE
RASE信号を入力するか、Vssを入力するか選択し、配線
を行えばよい。
【0036】また、図8に示すように、ヒューズ80を
溶断することによってブロックサイズを変えることもで
きる。ヒューズ80を切断すると、BERASE信号が“H”
の時に、A12,/A12の両者が多重選択される。さらに
図9に示すように、ボンディングオプションにすること
によってブロックサイズを変えることもできる。ボンデ
ィングパッド90をVccに接続すれば、BERASE信号が
“H”の時A12,/A12が多重選択される。また、ヒュ
ーズやボンディングオプションの代わりに、EEPRO
Mの情報を記憶させる方法も考えられる。
【0037】次に、本発明の第2の実施例について説明
する。第1の施例では、ブロック消去のサイズはアドレ
スバッファの形によって可変であるが、ユーザー自身が
ブロック消去のサイズを設定することはできない。しか
し、以下の第2の実施例によれば、ユーザー自身が状況
に応じてブロック消去のサイズを選択することが可能で
ある。この実施例では、消去はチップ消去、2ブロック
毎の消去、4ブロック毎の消去の3種類の消去モードを
有する場合について説明する。
【0038】通常、チップはCPU側からのコマンド信
号を受けて動作するが、本実施例においては上記の消去
モードに対応する3種類のコマンドを有するとする。図
10に本実施例におけるアドレスバッファを示す。
(c)に示すように、(A12〜A18)にはCERASE信
号が入力され、(b)に示すように(A13)にはこれ
と共に BERASE2信号が入力されている。また、(A1
2)には、(A13)の構成において BERASE2の代わり
に、 BERASE1信号とBERASE2 がORゲートを介して入力
されている。
【0039】この実施例では、まずチップ消去のコマン
ドが取り込まれると、信号CERASEが“H”となり、A12
〜A17の全アドレスのAi及び/Ai信号がHとなり、
全ブロックが選択状態となり、チップが一括で消去され
る。また、2ブロック毎の消去のコマンドが入力される
と、BERASE1 信号がHとなる。A12,/A12はいずれも
Hとなり、2ブロックが選択状態となる。さらに、4ブ
ロック毎の消去のコマンドが入力されると、BERASE2 信
号がHとなり、A12,/A12,A13,/A13のいずれも
がHとなり、結果として4ブロックが選択状態となる。
【0040】これによって、数種類のブロックイレーズ
コマンドを有することによって、ブロック消去のサイズ
を可変することが可能となる。また、この実施例におい
ても第1の実施例で説明したように、配線オプション,
ヒューズ,EEPROM等を用いることによって、ブロ
ック消去の自由度を増すことができる。
【0041】なお、本発明は上述した各実施例に限られ
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することができる。実施例では、NAND型
EEPROMを例にとり説明したが、各種不揮発性メモ
リに対しても同様に適用できる。
【0042】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、複数
個のNANDセルブロックを同時に消去できるので、高
速なブロック消去モードが達成できる。また、選択すべ
きブロックの数を可変することにより、1ブロックの消
去やチップ消去も可能となり、各種のOSに対しての汎
用性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例に係わるNANDセル型EEPR
OMの概略構成を示す図、
【図2】第1の実施例におけるNANDセルのレイアウ
トと等価回路図、
【図3】図2のA―A′及びB−B′断面図、
【図4】第1の実施例におけるメモリセルアレイの等価
回路図、
【図5】第1の実施例におけるブロック消去動作の概要
を説明するための図、
【図6】第1の実施例におけるブロック選択回路とゲー
ト制御回路部の構成を示す図、
【図7】第1の実施例におけるアドレスバッファ部の構
成を示す図、
【図8】第1の実施例のアドレスバッファ部の変形例を
示す図、
【図9】第1の実施例のアドレスバッファ部の他の変形
例を示す図、
【図10】第2の実施例におけるアドレスバッファ部の
構成を示す図。
【符号の説明】
1…消去電位昇圧回路、 2…消去電位制御回路、 3…基板電位制御回路、 4…p型ウェル、 5…メモリセルアレイ、 6…制御ゲート・選択ゲート制御回路、 7…ブロック選択回路、 8…ビット線制御回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 智晴 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 大平 秀子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 大内 和則 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−124298(JP,A) 特開 平1−298600(JP,A) 特開 平2−292798(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板に電荷蓄積層と制御ゲートを有
    するメモリセルがマトリクス配列され、電荷蓄積層と基
    板間の電荷の授受により電気的にデータ書替えを可能に
    した不揮発性半導体記憶装置において、 前記メモリセルを複数のブロックに分け、且つ各々のブ
    ロックを独立に消去可能に構成してなり、 消去すべきブロックの数に関連付けられた複数種類の部
    分消去コマンドのうちの1つのコマンドと1つの消去開
    始アドレスの入力により、消去されるブロックの数が選
    されてアドレスが連続する複数のブロックが同時に消
    去され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】前記同時消去される複数のブロックとは、
    全ブロックのうちの一部のブロックであることを特徴と
    する請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
JP34280791A 1991-12-25 1991-12-25 不揮発性半導体記憶装置 Expired - Fee Related JP3441087B2 (ja)

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