JP3615348B2 - 不揮発性半導体メモリ装置 - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フローティングゲートを有するメモリセルトランジスタによって多値データの記憶を可能にする不揮発性半導体メモリ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
メモリセルが単一のトランジスタからなる電気的に消去可能なプログラマブルROM(EEPROM:Electrically Erasable Programmable ROM)においては、フローティングゲートとコントロールゲートとを有する2重ゲート構造のトランジスタによって各メモリセルが形成される。このような2重ゲート構造のメモリセルトランジスタの場合、フローティングゲートのドレイン領域側で発生したホットエレクトロンを加速してフローティングゲートに注入することでデータの書き込みが行われる。そして、フローティングゲートに電荷が注入されたか否かによるメモリセルトランジスタの動作特性の差を検出することで、データの読み出しが行われる。
【0003】
図7は、フローティングゲートを有する不揮発性半導体メモリ装置のメモリセル部分の平面図で、図8は、そのX−X線の断面図である。この図においては、コントロールゲートの一部がフローティングゲートに並んで配置されるスプリットゲート構造を示している。
P型のシリコン基板1の表面領域に、選択的に厚く形成される酸化膜(LOCOS)よりなる複数の分離領域2が短冊状に形成され、素子領域が区画される。シリコン基板1上に、酸化膜3を介し、隣り合う分離領域2の間に跨るようにしてフローティングゲート4が配置される。このフローティングゲート4は、1つのメモリセル毎に独立して配置される。また、フローティングゲート4上の酸化膜5は、フローティングゲート4の中央部で厚く形成され、フローティングゲート4の端部を鋭角にしている。これにより、データの消去動作時にフローティングゲート4の端部で電界集中が生じ易いようにしている。複数のフローティングゲート4が配置されたシリコン基板1上に、フローティングゲート4の各列毎に対応してコントロールゲート6が配置される。このコントロールゲート6は、一部がフローティングゲート4上に重なり、残りの部分が酸化膜3を介してシリコン基板1に接するように配置される。また、これらのフローティングゲート4及びコントロールゲート6は、それぞれ隣り合う列が互いに面対称となるように配置される。コントロールゲート6の間の基板領域及びフローティングゲート4の間の基板領域に、N型の第1拡散層7及び第2拡散層8が形成される。第1拡散層7は、コントロールゲート6の間で分離領域2に囲まれてそれぞれが独立し、第2拡散層8は、コントロールゲート6の延在する方向に連続する。これらのフローティングゲート4、コントロールゲート6、第1拡散層7及び第2拡散層8によりメモリセルトランジスタが構成される。そして、コントロールゲート6上に、酸化膜9を介して、アルミニウム配線10がコントロールゲート6と交差する方向に配置される。このアルミニウム配線10は、コンタクトホール11を通して、第1拡散層7に接続される。
【0004】
このような2重ゲート構造のメモリセルトランジスタの場合、フローティングゲート4に注入される電荷の量に応じてソース、ドレイン間のオン抵抗値が変動する。そこで、フローティングゲート4に選択的に電荷を注入することにより、特定のメモリセルトランジスタのオン抵抗値を段階的に変動させ、これによって生じる各メモリセルトランジスタの動作特性の差を記憶するデータに対応付けるようにしている。例えば、フローティングゲート4への電荷の注入量を4段階で設定し、そのメモリセルトランジスタのオン抵抗値を同じく4段階で読み出すようにすることで、1つのメモリセルトランジスタに4値(2ビット分)のデータを記憶させることができるようになる。
【0005】
図9は、図7に示したメモリセル部分の回路図である。この図においては、メモリセルを4行×4列に配置した場合を示している。
2重ゲート構造のメモリセルトランジスタ20は、コントロールゲート6がワード線21に接続され、第1拡散層7及び第2拡散層8がそれぞれビット線22及びソース線23に接続される。各ビット線22は、それぞれ選択トランジスタ24を介してデータ線25に接続され、このデータ線25が抵抗26を介して読み出し回路27に接続される。また、各ビット線22には、それぞれ電圧値を読み出すセンスアンプ(図示せず)が接続される。各ソース線23は、それぞれ電力線28に接続され、この電力線28に書き込み回路29が接続される。通常は、各メモリセルトランジスタ20で共通に形成されるコントロールゲート6自体がワード線21として用いられ、第1拡散層7に接続されるアルミニウム配線10がビット線22として用いられる。また、コントロールゲート6と平行して延在する第2拡散層8がソース線23として用いられる。
【0006】
行選択情報LS1〜LS4は、ロウアドレス情報に基づいて生成されるものであり、ワード線21の1本を選択することにより、メモリセルトランジスタ20の特定の行を活性化する。列選択信号CS1〜CS4は、カラムアドレス情報に基づいて生成されるものであり、選択トランジスタ24の1つをオンさせることにより、メモリセルトランジスタ20の特定の列を活性化する。これにより、行列配置される複数のメモリセルトランジスタ20の内の1つが、ロウアドレス情報及びカラムアドレス情報に従って指定され、データ線25に接続される。
【0007】
メモリセルトランジスタ20に対して多値情報(またはアナログ情報)を書き込む場合、記録精度を高めるために、電荷の注入(書き込み)と注入量の確認(読み出し)とが短い周期で繰り返される。即ち、メモリセルトランジスタ20への書き込みを少しずつ行いながら、その都度読み出しを行い、記憶させようとしているデータの内容に読み出し結果が一致した時点で書き込みを停止するように構成される。
【0008】
書き込みクロックφWは、例えば、図10に示すように、一定の周期で一定の期間だけパルスが立ち上がるように生成される。この書き込みクロックφWは、書き込み回路29から電力線28及びソース線23を介してメモリセルトランジスタ20に印加される。このとき、データ線25は、書き込みクロックφWに同期して、接地電位に引き下げられる。従って、書き込みクロックφWが立ち上がっている間は、選択されたメモリセルトランジスタ20を通してソース線23からビット線22側へ電流が流れ、この電流によってフローティングゲート4への電荷の注入が行われる。
【0009】
一方、読み出しクロックφRは、例えば、図10に示すように、書き込みクロックφWの間隙期間にパルスが立ち上がるように生成され、読み出し回路27から抵抗26及びビット線22を介してメモリセルトランジスタ20に印加される。このとき、電力線28は、読み出しクロックφRに同期して接地電位まで引き下げられる。従って、抵抗26及び選択されたメモリセルトランジスタ20を通してデータ線25から電力線28側へ電流が流れ、メモリセルトランジスタ20のオン抵抗値と抵抗26の抵抗値との比に応じてビット線22の電位が変化する。このときの電位が、ビット線22に接続されるセンスアンプにより読み出され、その結果が書き込むべき情報に対応する値となるまで上述の書き込み及び読み出しのサイクルが繰り返される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
多値情報あるいはアナログ情報を記憶する上述のメモリ装置においては、書き込みサイクルの1ステップを小さくするほど高精度の書き込みが可能になる。しかしながら、1ステップを小さくすると、メモリセルの書き込み量が所望のレベルに達するまでに要する書き込みサイクルが増大するため、書き込み速度が遅くなるという問題が生じる。
【0011】
一般に、書き込みサイクルの1ステップは、動作速度よりも記憶精度が重要視される場合には小さく、記憶精度よりも動作速度が重要視される場合には逆に大きく設定される。このように書き込みサイクルの1ステップの設定は、メモリ装置の使用目的に応じて行われるが、並列に設けられる複数のメモリセル間で、書き込み特性が必ずしも均一には成らないため、全てのメモリセルに対して最適な状態に設定することは困難であり、設定の自由度は少ない。
【0012】
そこで本発明は、多値情報あるいはアナログ情報を記録するメモリ装置の書き込み動作を高速且つ高精度に維持し、動作条件の設定を簡略化することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するために成されたもので、その特徴とするところは、電気的に独立したフローティングゲートを有し、このフローティングゲートに蓄積される電荷の量に応じてオン抵抗値を変化させるメモリセルトランジスタと、上記メモリセルトランジスタのドレイン側に接続されるビット線と、上記メモリセルトランジスタのソース側に接続されるソース線と、上記ビット線を接地し、第1の書き込み期間で上記ソース線から上記メモリセルトランジスタに対して一定の電圧を印加し、第2の書き込み期間で上記ソース線から上記メモリセルトランジスタに対して一定の周期で書き込みクロックを印加する書き込み回路と、上記第2の書き込み期間中に、上記書き込みクロックの間隙期間内で、上記ソース線を接地して上記ビット線に所定の抵抗値を有する抵抗を介して一定の波高値を有する読み出しクロックを印加する読み出し回路と、記憶すべき多値情報の内容に応じて上記第1の書き込み期間の書き込み動作を制御すると共に、上記読み出し回路の動作に同期して上記ビット線の電位を上記多値情報に対応する判定値と比較する判定回路と、を備えたことにある。
【0014】
本発明によれば、メモリセルトランジスタに対して、記憶すべき多値情報に対応する量よりも少しだけ少ない量が予め書き込まれる。その後、書き込み動作と読み出し動作とを繰り返すようにして正確な書き込みを行うようにしている。従って、書き込み動作の始まりの時点では、確認のための読み出し動作が省略され、高速動作に対応している。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の不揮発性半導体メモリ装置の第1の実施の形態を示す回路図である。この図においては、図面簡略化のため、メモリセルトランジスタ40が4行×1列に配置してある。
メモリセルトランジスタ40は、図7に示すメモリセルトランジスタ20と同一構造であり、フローティングゲート及びコントロールゲートを有し、フローティングゲートに注入(蓄積)される電荷の量に応じてオン抵抗値を変動させる。ワード線41は、メモリセルトランジスタ40の各列毎に対応して配置され、各メモリセルトランジスタ40のコントロールゲートがそれぞれ接続される。このワード線41には、行選択情報を受けるロウデコーダ(図示せず)から供給される行選択信号LS1〜LS4が印加され、何れか1行が選択的に活性化される。ビット線42は、メモリセルトランジスタ40が配列された列方向に延在し、各メモリセルトランジスタ40のドレイン側が接続される。ソース線43は、ビット線42と交差する方向に延在して配置され、各メモリセルトランジスタ40のソース側が接続される。これにより、各メモリセルトランジスタ40は、ビット線42に対して並列に接続され、書き込み、読み出し及び消去の各動作毎にビット線42及びソース線43から所定の電位の供給を受ける。
【0016】
データ線45は、列選択情報LS1に応答して動作する列選択トランジスタ44を介してビット線42に接続されると共に、一定の抵抗値を有する読み出し負荷抵抗46を介して読み出し回路51に接続される。また、データ線45は、書き込み回路52から供給される電流制御信号S0に応答して動作するスイッチングトランジスタ47を介して接地される。そして、電力線48は、各ソース線43に接続され、書き込み回路52に接続される。
【0017】
読み出し回路51は、読み出しクロックφRを発生し、抵抗46を介してデータ線46及びビット線42からメモリセルトランジスタ40に対して一定の電圧を一定の周期で印加する。この読み出しクロックφRは、図10に示す読み出しクロックφRと同一であり、一定の波高値を維持しながら、書き込みクロックφWに従う一定の周期を有する。書き込み回路52は、第1の書き込み期間に記憶情報に対応する書き込み電圧(VH/VM/VL)を所定の期間連続して発生し、続く第2の書き込み期間に書き込みクロックφWを発生する。記憶情報に対応する書き込み電圧または書き込みクロックφWは、電力線48及びソース線43からメモリセルトランジスタ40に対して印加される。また、書き込み回路52は、書き込みクロックφWに同期して電流制御信号S0を発生し、スイッチングトランジスタ47に印加する。
【0018】
判定回路53は、記憶すべき多値情報を取り込み、その情報の判定に応じて書き込み回路52における第1の書き込み期間の書き込み電圧(VH/VM/VL)を指定する。同時に、その判定結果に応じて、第2の読み出し期間の間隙期間での読み出し動作における判定値を設定する。そして、読み出し回路51の動作に合わせてビット線42の電位を読み出し、ビット線42の電位を設定した判定値と比較し、その比較結果を判定信号Dとして出力する。
【0019】
メモリセルトランジスタ40に4値(2ビット分)の情報を記憶する場合、図2に示すように、「1、1」、「0、1」、「1、0」の書き込み情報に対応して、第1の書き込み期間に高電圧(VH)、中電圧(VM)、低電圧(VL)がそれぞれ選択される。この第1の書き込み期間は、読み出しクロックφRが停止され、書き込みクロックφWによる書き込み動作のみが継続して行われる。第1の書き込み期間の長さは、第1の書き込み期間が完了した時点でビット線42の読み出し電位がそれぞれの判定値を超えない範囲に設定される。尚、書き込み情報「0、0」の記憶については、メモリセルトランジスタ40が消去状態のまま用いられるため、書き込み動作は不要である。
【0020】
第1の書き込み期間が完了すると、第2の書き込み期間となり、図2に示すように、読み出し回路51は、読み出しクロックφRを発生し、書込回路52は、書き込みクロックφW及び書き込みクロックφWに同期した電流制御信号S0を発生する。このときの書き込みクロックφRの波高値は、例えば、低電位VLに設定される。この第2の書き込み期間では、書き込みクロックφWによる書き込み動作と、読み出しクロックφRによる読み出し動作とが繰り返される。そして、判定回路53によりビット線42の読み出し電位が記憶する多値情報に対応して設定される判定値に達して判定信号Dが反転した時点で、書き込み動作及び読み出し動作が停止される。
【0021】
第1の書き込み期間で、メモリセルトランジスタ40に対して書き込み情報に対応した量の書き込みが行われた後、不足分が第2の書き込み期間で書き込まれる。このため、第1の書き込み期間と第2の書き込み期間とで完了する書き込み動作は、書き込み情報の内容に関係なくほぼ一定の期間で完了する。
図3は、本発明の不揮発性半導体メモリ装置の第2の実施の形態を示す回路図である。この図において、メモリトランジスタ40、ワード線41、ビット線42、ソース線43、選択トランジスタ44、データ線45、読み出し負荷抵抗46及び電力線48は図1と同一である。また、読み出し回路51及び判定回路53についても図1と同一であり、第2の書き込み期間の読み出し動作の度にビット線42の電位が記憶情報に対応して設定される判定値と比較される。
【0022】
書き込み回路54は、第1の書き込み期間に一定の書き込み電圧を記憶情報に対応する期間だけ連続して発生し、続く第2の書き込み期間に一定の波高値を有する書き込みクロックφWを発生する。一定の書き込み電圧または書き込みクロックφWは、図1の場合と同様に、電力線48及びソース線43からメモリセルトランジスタ40に対して印加される。
【0023】
メモリセルトランジスタ40に4値(2ビット分)の情報を記憶する場合、図4に示すように、第1の書き込み期間において、「1、1」、「0、1」、「1、0」の各書き込み情報に対応する期間だけ書き込みクロックφWが立ち上げられ、一定の書き込み電圧が印加される。第1の書き込み期間では、読み出しクロックφRが停止され、書き込みクロックφWによる書き込み動作のみが継続して行われる。この第1の書き込み期間での書き込みクロックφWの立ち上がり期間の長さは、第1の書き込み期間が終了した時点でビット線42の読み出し電位がそれぞれの判定値を超えない範囲に設定される。第1の書き込み期間に続く第2の書き込み期間の動作は、図2に示す書き込み動作と同一である。尚、書き込み情報「0、0」の記憶については、図1の場合と同様に、メモリセルトランジスタ40が消去状態のまま用いられる。
【0024】
第1の書き込み期間で、メモリセルトランジスタ40に対して書き込み情報に対応した量の書き込みが行われた後、不足分が第2の書き込み期間で書き込まれる。第1の書き込み期間では、第2の書き込み期間と同じ書き込み電圧が印加されるが、書き込み状態を確認するための読み出し動作を省略しているため、一気に書き込みが成される。従って、書き込み時間は大幅に短縮される。
【0025】
図5は、本発明の不揮発性半導体メモリ装置の第3の実施の形態を示す回路図である。この図においても、メモリトランジスタ40、ワード線41、ビット線42、ソース線43、選択トランジスタ44、データ線45、読み出し負荷抵抗46及び電力線48は図1と同一である。また、読み出し回路51及び判定回路53についても図1と同一であり、読み出し動作の度にビット線42の電位が記憶情報に対応して設定される判定値及び予備判定値と比較される。
【0026】
データ線45は、一定の抵抗値を有する読み出し負荷抵抗46を介して読み出し回路51に接続されると共に、書き込み回路55から供給される電流制御信号S0、S1、S2に応答して動作する並列のスイッチングトランジスタ49a、49b、49cを介して接地される。
書き込み回路55は、第1の書き込み期間に一定の書き込み電圧を一定の期間だけ連続して発生し、続く第2の書き込み期間に一定の波高値を有する書き込みクロックφWを発生する。一定の書き込み電圧または書き込みクロックφWは、図1の場合と同様に、電力線48及びソース線43からメモリセルトランジスタ40に対して印加される。また、書き込み回路55は、書き込み情報に応じて電流制御信号S0、S1、S2を発生し、スイッチングトランジスタ49a、49b、49cに供給する。
【0027】
メモリセルトランジスタ40に4値(2ビット分)の情報を記憶する場合、図6に示すように、第1の書き込み期間において、「1、1」、「0、1」、「1、0」の各書き込み情報に対応するように電流制御信号S0、S1、S2が選択的に立ち上げられる。並列に接続されるスイッチングトランジスタ49a、49b、49cは、ビット線42から接地側に流れる電流を制限するものであり、オンする数に応じてソース線43からメモリセルトランジスタ40を通してビット線42へ流れる電流、即ち、書き込み電流を決定する。従って、「1、1」の書き込み情報に対応して電流制御信号S0、S1、S2が全て立ち上げられると、書き込み電流として大電流が流れ、「0、1」の書き込み情報に対応して電流制御信号S0のみが立ち上げられると、書き込み電流として小電流が流れる。この第1の書き込み期間では、読み出しクロックφRが停止され、書き込みクロックφWによる書き込み動作のみが継続して行われる。
【0028】
第1の書き込み期間は、第1の書き込み期間が終了した時点でビット線42の読み出し電位がそれぞれの判定値を超えない範囲で書き込みの電圧値、電流量が設定される。第1の書き込み期間に続く第2の書き込み期間の動作では、電流制御信号S0のみ立ち上げられてスイッチングトランジスタ49aのみが動作し、電流制御信号S1、S2は固定されてスイッチングトランジスタ49b、49cはオフのままとなる。このスイッチングトランジスタ49aと書き込みクロックφRによる第2の書き込み期間での書き込み動作は、図2に示す書き込み動作と同一である。尚、書き込み情報「0、0」の記憶については、図1の場合と同様に、メモリセルトランジスタ40が消去状態のまま用いられる。
【0029】
第1の書き込み期間で、メモリセルトランジスタ40に対して書き込み情報に対応した量の書き込みが行われた後、不足分が第2の書き込み期間で書き込まれる。第1の書き込み期間では、ビット線42から接地側への電流経路を書き込み情報に対応して大きく設定しているため、書き込み情報に応じた量の書き込み電流が流れて書き込みが行われるようになる。このとき、書き込み状態を確認するための読み出し動作を省略しているため、一気に書き込みが成される。従って、書き込み時間は大幅に短縮される。
【0030】
以上のメモリ装置においては、メモリセルトランジスタ40に対して予め連続した書き込みが行われる。このため、ビット線42の読み出し電位は、第1の書き込み期間に短時間で所望の判定値近くまで到達する。そして、第2の書き込み期間に、所望の判定に達するまで、ゆっくりと変化するようになる。尚、メモリセルトランジスタ40に対する第1の書き込み期間の書き込み動作につては、書き込み電圧を切り換えること、書き込み時間を切り換えること、書き込み電流を切り換えることが考えられるが、これらを組み合わるようにしてもよい。
【0031】
以上の実施の形態においては、メモリセルトランジスタ40に4値(2ビット分)の情報を記憶させる場合を例示したが、記憶情報は4値に限るものではなく、8値(3ビット分)、16値(4ビット分)あるいはそれ以上でも可能である。この場合、書き込み回路52、54、55においては、記憶情報の数に対応して書き込み電圧、書き込み時間、書き込み電流を切り換えるように構成される。
【0032】
【発明の効果】
本発明によれば、メモリセルトランジスタに多値情報を記憶させる際に、書き込み速度の高速化が図れる。あるいは、書き込み速度を低下させることなく高精度の書き込みを行うことができる。従って、メモリセルトランジスタに対する書き込み条件の設定が容易になり、条件設定の自由度が拡大される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の不揮発性半導体メモリ装置の第1の実施形態を示す回路図である。
【図2】第1の実施の形態の書き込みクロック及び電流制御信号の波形図である。
【図3】本発明の不揮発性半導体メモリ装置の第2の実施形態を示す回路図である。
【図4】第2の実施の形態の書き込みクロック及び電流制御信号の波形図である。
【図5】本発明の不揮発性半導体メモリ装置の第3の実施形態を示す回路図である。
【図6】第3の実施の形態の書き込みクロック及び電流制御信号の波形図である。
【図7】従来の不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルの構造を示す平面図である。
【図8】図7のX−X線の断面図である。
【図9】従来の不揮発性半導体メモリ装置の構成を示す回路図である。
【図10】書き込みクロック及び読み出しクロックの波形図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 分離領域
3、5、9 酸化膜
4 フローティングゲート
6 制御ゲート
7 ドレイン領域
8 ソース領域
10 アルミニウム配線
11 コンタクトホール
20、40 メモリセルトランジスタ
21、41 ワード線
22、42 ビット線
23、43 ソース線
24、44 選択トランジスタ
25、45 データ線
26、46 読み出し負荷抵抗
27、51 読み出し回路
28、48 電力線
29、52、54、55 書き込み回路
47、49a、49b、49c スイッチングトランジスタ
53 判定回路

Claims (4)

  1. 電気的に独立したフローティングゲートを有し、このフローティングゲートに蓄積される電荷の量に応じてオン抵抗値を変化させるメモリセルトランジスタと、上記メモリセルトランジスタのドレイン側に接続されるビット線と、上記メモリセルトランジスタのソース側に接続されるソース線と、上記ビット線を接地し、第1の書き込み期間で上記ソース線から上記メモリセルトランジスタに対して一定の電圧を印加し、第2の書き込み期間で上記ソース線から上記メモリセルトランジスタに対して一定の周期で書き込みクロックを印加する書き込み回路と、上記第2の書き込み期間中に、上記書き込みクロックの間隙期間内で、上記ソース線を接地して上記ビット線に所定の抵抗値を有する抵抗を介して一定の波高値を有する読み出しクロックを印加する読み出し回路と、記憶すべき多値情報の内容に応じて上記第1の書き込み期間の書き込み動作を制御すると共に、上記読み出し回路の動作に同期して上記ビット線の電位を上記多値情報に対応する判定値と比較する判定回路と、を備えたことを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。
  2. 上記書き込み回路は、記憶する上記多値情報の内容に応じて上記第1の書き込み期間に上記書き込みクロックの波高値を可変設定することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
  3. 上記書き込み回路は、記憶する上記多値情報の内容に応じて上記第1の書き込み期間の長さを伸縮設定することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
  4. 上記書き込み回路は、上記ビット線が接地されたときに上記ビット線から接地側に流れる電流を少なくとも段階的に制限する電流制限回路を含み、記憶する上記多値情報の内容に応じて上記第1の書き込み期間に電流を制限することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
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