JPH04162296A - 半導体記憶装置 - Google Patents

半導体記憶装置

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JPH04162296A
JPH04162296A JP2287052A JP28705290A JPH04162296A JP H04162296 A JPH04162296 A JP H04162296A JP 2287052 A JP2287052 A JP 2287052A JP 28705290 A JP28705290 A JP 28705290A JP H04162296 A JPH04162296 A JP H04162296A
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JP
Japan
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memory cell
voltage
control gate
test mode
threshold
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JP2287052A
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English (en)
Inventor
Kazuto Izawa
伊澤 和人
Naotoshi Ogawa
小川 直稔
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Hitachi Ltd
Renesas Eastern Japan Semiconductor Inc
Original Assignee
Hitachi Ltd
Hitachi Tohbu Semiconductor Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は書込み情報の電気的な消去を行い得る半導体記
憶装置、さらにはメモリセルアレイ部を構成する各メモ
リセルのしきい値電圧を読みとるのに好適な技術に関し
、例えばフラッシュ型のEEPROMに適用して有効な
技術に関する。
〔従来の技術〕
半導体不揮発性記憶装置としては、紫外線により情報の
消去が可能なEPROM (E r a s a bl
e  and  Programable  Read
  0nly  Memory)が従来から使われてい
る。EPROMはメモリセル面積が小さく大容量化に適
しているが、紫外線照射で消去するため窓付パッケージ
を必要とすること、プログラマと称される装置で書込み
を行うため書換え時にシステムから取り外す必要がある
こと、等の不便がある。一方、電気的消去が可能なEE
PROM(Electrically   Erasa
bleand   Programable   Re
ad   0nly  Memory)はシステム内で
書換えが可能であるが、メモリセルの大きさがEPRO
Mの1.5倍から2倍となり大容量化に適していない。
そこで最近は両者の中間的な記憶装置としてフラッシュ
型のEEPROMと呼ばれるものが開発されている。こ
のフラッシュ型のEEPROMはチダ゛ブー括、又はあ
るひとまとまりのメモリセルを一括して電気的に消去す
る機能を有する不揮発性半導体記憶装置である。メモリ
セルの大きさはEPROM並みの大きさである。
第5図に示されるのは、1987年国際電子デバイス会
議(International  Electron
  Device  Meeting)において発表さ
れたフラッシュ型のEEPROMのメモリセルである。
書込みはEPROMと同様にドレイン3接合近傍で発生
されたホットキャリアを浮遊ゲート4に注入させること
で行われる。
書込みによって、メモリセルの制御ゲート6から見たし
きい値が高くなる。消去は、制御ゲート6を接地し、ソ
ース5に高電圧を印加することにより浮遊ゲート4とソ
ース5の間に高電界を発生させ、薄い酸化膜7を通した
トンネル現象を利用して浮遊ゲート4に蓄積された電子
をソース5に引き抜くことによって行われる。この消去
により制御ゲート6から見たしきい値は低くなる。読出
しにおいてドレイン3に弱い書込みがおこり難いように
当該ドレインに1v程度の低電圧を印加し、制御ゲート
6に5v電圧を印加し、これによって流れるチャンネル
電流の大小を情報の0′と1′に対応させる。尚、図中
8はP型シリコン基板、9はN型拡散層、10は低濃度
のN型拡散層、11はP型拡散層である。
一般に電気的消去において消去を長時間続けたときのし
きい値は、熱平衡状態のしきい値と異なり負値となりう
る。EPROMのように紫外線で消去した場合には、そ
のメモリセルを形成したときのしきい値におちつき、そ
の形成法によって制御を行うのとは対照的である。上記
メモリセルではしきい値が負になると読出しに影響があ
る。この影響について第2図を用いて説明する。令書込
まれた状態のメモリセル1の情報を読出す場合を考える
。SAはセンスアンプを示す。メモリセル1に対応する
ワード線W1には電源電圧Vccが印加され、他のメモ
リセルM2は非選択状態、すなわちワード線W2がOV
になっている。仮に読出しを行うメモリセルに対応する
データ線D1につながる非選択のメモリセルのしきい値
が負になっているものとすると、ワード線W2の電圧す
なわちゲート電圧がOvであってもデータ線D1に電流
(非選択リーク)が流れ、読出し時間の遅れ、誤読出し
がおきる。よって電気的消去を行う場合には記憶用トラ
ンジスタと非選択リーク電流を阻止するための選択トラ
ンジスタを直列に接続し、これを一つのメモリセルとす
るのが一般的である。
(1980年国際固体回路会議(ISSCC80)。
第152頁参照)。
またフラッシュ型のEEFROMにおいて、電気的に消
去された後のメモリアレイのしきい値電圧は、装置内で
ある分布をもっている。このしきい値電圧はばらつきの
大きさは約1V〜3vである。したがって消去された後
において、メモリアレイ内の全てのメモリセルのしきい
値電圧が負の電圧にならないように、精度良く制御する
必要があり、また負のしきい値電圧のマージン及びプロ
セスの安定特性などを知るうえで、メモリアレイのしき
い値分布を調べる必要がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、本発明者が検討したところによれば、以
下の理由により、しきい値分布を知るのが困難になる場
合のあることが見い出された。
第7図には半導体記憶装置の読出し系が示される。13
は複数のメモリセルMを含むメモリセルアレイ部、14
はデータ線D1あるいはD2を高速にプリチャージする
プリチャージ回路、15はセンスアンプ部、16はイン
バータ回路である。
この回路はEPROM用であるがフラッシュEPROM
用としても使うことができる。メモリセルMのしきい値
が高ければ電流は流れず、PチャンネルMO8FETQ
60での電位降下はほとんど生じないのに対して、メモ
リセルMのしきい値電圧が低い状態では、電流が流れM
O8FETQ60で電位降下を生じる。これをインバー
タ回路16で判定する。センスアンプ部15はメモリの
トレイン電圧を約1vにする回路であり、同時にデータ
線Di、D2、共通データ線CDの信号振幅を小さくし
、高速読出しを可能とする。
第8図には′o′の書込まれた状態、′1′の消去され
た状態のメモリセルMを読出した時の静特性が示される
。縦軸はセンスアンプ部15のノード17の電圧VB、
横軸は電源電圧vccである。図中にインバータ回路1
6の論理しきい値を示した。この論理しきい値と、′1
′の場合の実線の交わる点が動作可能電源電圧下限Vc
cminである。すなわちこの方式ではメモリセルしき
い値電圧と電源電圧V c c m i nとは1対1
に対応している。この関係を利用して、動作可能電源電
圧下限Vccminを測定することにより、メモリセル
のしきい値電圧を知ることができる。
しかしながら、111 I+のメモリセルのしきい値電
圧vthとVccminの関係が第9図に示されるよう
に、1”のしきい値電圧Vthが低すぎると、センスア
ンプの動作限界を越えてしまう。
つまり、あるしきい値電圧1v〜2v以下については、
VccminからVthを知ることができない。このた
めにフラッシュ型のE E P ROMの消去後のメモ
リアレイの低いしきい値電圧の分布を知ることは困難と
される。
このように従来の半導体記憶装置においては、メモリセ
ルのしきい値電圧vthが低すぎた場合に、センスアン
プ部15の動作限界を越えてしまうために、メモリセル
アレイの低いしきい値分布を知ることができず、負のし
きい値までのマージン及びプロセスの安定性の把握が困
難とされるのが、本発明者によって明らかにされた。
本発明の目的はメモリセルのしきい値電圧が低い場合で
もそのしきい値分布を容易に検知し得る技術を提供する
ことにある。
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は1
本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう
〔課題を解決するための手段〕
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、メモリセルのデータを読出すためにメモリセ
ルの制御ゲートに印加される電圧を、電源電圧とは独立
してall可能とするテストモードを実現する制御手段
を含んで半導体集積回路を構成するものである。このテ
ストモードにおいて外部からメモリセルの制御ゲートに
対して専用電圧を供給し、この電圧を外部において調整
するように構成することができる。また、上記メモリセ
ルは、浮遊ゲートと制御ゲートとの2層ゲート構造のM
OSFETとすることができる。
〔作 用〕
上記した手段によれば、上記制御手段によって実現され
るテストモードにおいて、メモリセルの制御ゲートに印
加される電圧が電源電圧とは独立して調整可能とされ、
このことが、メモリセルのしきい値が低い場合でもその
しきい値分布を容易に測定し得るように作用する。
〔実 施 例〕
第1図には本発明の一実施例である半導体記憶装置が示
される。同図に示される半導体記憶装置は、特に制限さ
れないが、フラッシュ型のEEPROMとして、公知の
半導体集積技術によりシリコンなどの一つの半導体基板
に形成される。
第1図においてメモリセルアレイ部20は、複数のメモ
リセルアレイMl、M2.M3・・・(Mで代表される
)をマトリクス状に配列して成る。各メモリセルMl、
M2.M3.・・・は、制御ゲルトG1と浮遊ゲートG
2とを有し、特に制限されないが、EPROM (Er
asable  andProgramable  R
ead  OnlyMemory)のメモリセルと類似
の構成とされる。ただし、その消去動作が、浮遊ゲート
とソース線に結合されるソース間のトンネル現象を利用
して電気的に行われる点が、従来の紫外線を用いたEP
ROMとは異なる。
書込み時には1行1列アドレスデコーダ回路XDCR,
YDCRおよびデータ線入力回路DIBには、その動作
電圧として高電圧VPPが供給される。書込みが行われ
る場合のワード線Wは、その電圧が上記高電圧Vl)P
・とされる。浮遊ゲートに電子を注入すべきメモリセル
Mが接続されたデータ線りは、上記と同様に高電圧VP
Pに接続される。これにより対応するメモリセルMに書
込みが行われる。書込まれた(′0′状態)メモリセル
Mでは、その浮遊ゲートG2に電子が蓄積される。
消去時には、高電圧VPPが供給される。これにより制
御ゲートからソースに向かう高電界が作用し、メモリセ
ルMの浮遊ゲートG2に蓄積された電子がトンネル現象
によって引き抜かれ、これによって消去が行われる。こ
のとき全ワード線Wは接地電位のような非選択レベルと
される。上記の動作によってメモリセルは消去された状
態(“1”)になる。
通常の読出し時には、行、列アドレスデコーダ回路XD
CR,YDCRおよびデータ入力回路DIBには電源電
圧Vccが供給される。読出しが行われるメモリセルM
に接続されたワードmWは。
その電圧が電源電圧vccになる。データ線りには、弱
い書込みが生じ難いよう1v程度の低電圧が、MO8F
ETQ4〜Q7及びQ31によって構成されるセンスア
ンプ30から供給される。書込まれた′0′状態のメモ
リセルMは、その浮遊ゲートG2に電子が蓄積され、し
きい電圧が高くなり、読出し時にワード線Wを選択して
もドレイン電流は流れない。一方、電子の注入が行われ
ていない′1”状態のメモリセルのしきい電圧は低く、
ワード線Wを選択すると電流が流れる。この電流をセン
スアンプ回路30で受け、更にMO8FETQ8.Q9
より成るバッファ回路31及びデータ出力回路DOBを
通り外部端子I10に出力される。これによりメモリア
レイMの通常のデータ読出しがなされる。
メモリセルMからのデータ読出し時にはコモンデータ線
CDに結合されたMo8FETQ17がオンされ、また
メモリセルMへのデータ書込み時にはコモンデータ線C
Dに結合されたMo5FETQ196がオンされる。ま
た、MO5FETQI〜Q3及びQ30からプリチャー
ジ回路29が形成され、このプリチャージ回路29によ
って1選択スイッチQ18.Q21で選択されたデータ
線のプリチャージが高速に行われる。尚、このプリチャ
ージ回路29及びセンスアンプ部30は、書込み消去制
御回路27から出力される制御信号SCが7サートされ
ることによって動作される。
テストモード制御回路26は、外部から供給されるチッ
プイネーブル信号GE、アウトプットイネーブル信号O
E、書込みモード設定信号PGM、消去設定信号EEが
全てイネーブル状態とされた場合に、テストイネーブル
信号TEをアサートすることにより、メモリセルMの制
御ゲートに印加される電圧を、電源電圧Vccとは独立
して調整可能とするテストモードを実現する。このテス
トモードは、テストイネーブル信号TEがロウレベルに
7サートされてPチャンネルMOSFETQ27がオン
されることによって実現される。すなワチ、Mo8FE
TQ27はVPP端子25に結合されており、このVP
P端子に外部からメモリセルMの制御ゲート印加用電圧
Vgrが供給された場合にそれを行アドレスデコーダX
DCR経出でメモリセルMの制御ゲートG1に読出し用
電圧として印加する。この制御ゲート印加用電圧Vgr
は、電源電圧Vccとは別個のものとされ、本実施例に
従えば、外部装置において独立して電圧調整が可能とさ
れる。
また書込み消去制御回路27は、上記各信号(CE、O
E、PGM、EE) に基づいてMo5FETQ19.
Q20Q25.Q26の動作を制御することにより、通
常動作における書込み制御及び消去制御を行う。
第1図においてメモリセルMの制御ゲートG1は、ワー
ド線Wに結合されており、さらに行アドレスデコーダX
DCHに結合されている。第2図にはこの行アドレスデ
コーダXDCRの構成が示される。同図においてax、
axpは、外部がら供給される行アドレス信号AXをう
けるアドレスバッファXADBを通して入力されるデコ
ーディング用信号である。デコーディング用信号axを
入力とするPチャンネルMO5FETQ41とNチャン
ネルMO8FETQ42とからインバータ回路が形成さ
れ、この回路の後段には、NチャンネルMOSFETQ
49が配置され、更にPチャンネルMO8FETQ52
とNチャンネルMO5FETQ53とから成るインバー
タ回路が配置さレル、また:(7)MO8FETQ52
.Q53から成るインバータ回路の入出力端子間にはP
チャンネルMO8FETQ51が結合される。更にデコ
ーディング用信号axpを入力とするPチャンネルMO
8FETQ43.Nチャンネ)I/MO8FETQ44
によりインバータ回路が構成され、この回路の出力端子
は上記MO8FETQ49に結合される。そしてPチャ
ンネルMO8FETQ45゜NチャンネルMO8FET
Q46により、また、PチャンネルMOSFETQ47
.NチャンネルMOSFETQ48によりそれぞれイン
バータ回路が構成され、後段のインバータ回路がNチャ
ンネルMO8FETQ50に結合される。デコーディン
グ用信号ax、axpがハイレベルのとき、ワード線W
には、MO8FETQ52.QE)3のインバータ回路
の電源電圧が供給される。このインバータ回路の電源電
圧入力端子はV P P xで示される。VPPユ端子
は、通常読出し時には電源電圧Vccに接続され、書込
み時には高電圧Vppに接続される。またMOSFET
Q43とQ44、Q45とQ46、Q47とQ48でそ
れぞれ構成されるインバータ回路の電源電圧入力端子は
VPP2で示される。このVPP2端子は1通常の読出
し時、及び書込み時は電源電圧Vccに接続される。
上記の構成において、書込み消去制御回路27の制御に
より電気的消去が行われた後のメモリセルMの低いしき
い値電圧vthの分布は、次のように求められる。
すなわち上記メモリセルMの低いしきい値電圧vthの
分布を求める場合、チップイネーブル信号CE、アウト
プットイネーブル信号OE、書込みモード設定信号PG
M、消去設定信号EEの全てをロウレベルにアサートし
、そしてVPp端子25には、メモリセルMの制御ゲー
ト印加用電圧(読出し専用電圧)Vgrを印加する。上
記全ての信号がアサートされることにより、テストモー
ド制御回路26はMO8FETQ27をオンさせる。こ
れにより上記電圧Vgrは行アドレスデコーダXDCR
を介してメモリセルMの制御ゲートG1に印加される。
メモリセルMに流れる電流は、制御ゲートG1に印加さ
れている読出し専用電圧VgrとメモリセルMのしきい
値電圧vthの差によってほぼ決定される。読出し専用
電源電圧Vgrを変化させることによってメモリセルM
に流れる電流を変化させることができる。
ここで、電源電圧Vccを一定にしておいて、上記読出
し専用電圧Vgrを変化させた場合、このVgrと、メ
モリセルMのしきい値Vthとは。
第3図に示す関係で表わされる。縦軸はメモリセルのv
t h、横軸はVgrである。また第4図には読出し専
用電圧Vgrとセンスアンプ回路3゜のノード24の電
位vbとの静特性が示される。
尚、第4図中にMO5FETQ8.Q9で構成されるバ
ッファ回路31の論理しきい値を示した。
この論理しきい値電圧V g rとの交わる点をVgr
min(読出し専用電圧動作下限)とすれば。
このVg rmi nがメモリセルMのしきい値電圧v
thに相当することが解る。センスアンプ回路30の電
源電圧vccは一定であるので、読出し専用電圧Vgr
を高い値から徐々に下げていくと、ある低い電位(この
電位はメモリセルMのしきい値電圧vthに相当する)
で、メモリセルMに流れなくなり、センスアンプ回路3
oのノード24の電位が上がる。この電位が後段のバッ
ファ回路31の論理しきい値を越えるため、読出し専用
動作下限電圧Vgrminとして測定できる。故に。
読出し電源電圧Vgrを変化させることによって、メモ
リアレイTMの低いしきい値電圧vthの分布を測定す
ることができる。
上記実施例によれば以下のような作用効果を得ることが
できる。
(1)テストモード制御回路26によりテストモードと
された場合、装置の電源電圧Vccとは別個の読出し専
用電圧(ゲート印加用電圧) V g rがメモリセル
Mの制御ゲートGlに印加され、この電圧Vgrを調整
することによって、センスアンプ回路30のノード24
の電位を上げることができるので、読出し専用動作下限
電圧Vgrminの測定が可能となり、これによりメモ
リセルアレイMの低いしきい値電圧vthの分布を容易
に測定することができる。
(2)上記(1)の作用効果により、メモリセルMのし
きい値電圧vthが負となるまでのマージン及びプロセ
スの安定性等の把握が可能となる。
(3)また、上記読出し専用電圧Vgrの外部からの供
給を既存のVPp端子により行うようにしているので、
Vgr専用の外部端子を設ける必要(4)制御信号GE
、OE、PGM、EE(7)全てをアサートすることに
より、テストモードに切換えられるようにしているので
、このテストモードへの切換えを容易に行うことができ
る。
以上本発明を実施例に基づいて具体的に説明したが、本
発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々変更することができる。
例えば昇圧電源や定電圧電源等を内蔵し、この電源を制
御することにより、読出し専用電圧Vgrを変化させる
ようにしてもよい。また、メモリセルアレイ部20の全
ワード線に一括して上記読出し専用電圧Vgrを印加す
るモードを設けるようにすれば、メモリセルMのしきい
値電圧vthがほぼovとされるビットの特定を容易に
行い得る。更に、テストモードにおいてセンスアンプ回
路30の負荷を切換えるように構成してもよく、このよ
うにすると、より広い範囲でメモリセルMのしきい値電
圧vthの測定が可能となる。
以上本発明者によってなされた発明を主としてその背景
となったフラッシュ型のEEPROMとして構成された
ものについて説明したが、それに限定されるものではな
く、FAMOSを用いたメモリ更にはそのようなメモリ
を内蔵するマイクロコンピュータやNPU (ネットワ
ーク・プロセッシング・ユニット)などの各種データ処
理装置に適用することができる1本発明は少なくともメ
モリセルを含む条件のものに適用することができる。
〔発明の効果〕
本願において開示される発明のうち代表的なも′  の
によって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りで
ある。
すなわち、制御手段によって実現されるテストモードに
おいて、メモリセルの制御ゲートに印加される電圧が電
源電圧とは独立して調整可能とされ、これによって、メ
モリセルのしきい値が低い場合でもそのしきい値分布を
容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例装置の回路図、第2図は第1
図に示される装置の主要部の詳細な回路図、 第3図及び第4図は第1図に示される装置の作用説明の
ための特性図、 第5図及び第6図、第7図は従来例装置の主要部断面図
及び回路図、 第8図はメモリセル読出しにおける静特性図、第9図は
メモリセルのしきい値Vthと電源電圧下限Vc cm
i nとの関係を示す特性図である。 20・・・メモリセルアレイ部、24・・・ノード、2
5・・・VPP端子、26・・・テストモード制御回路
。 27・・・書込み消去制御回路、29・・・プリチャー
ジ回路、30・・・センスアンプ回路、XDCR・・・
行アドレスデコーダ、YDCR・・・列アドレスデコー
ダ、M・・・メモリセル、G1・・・制御ゲート、G2
・・・浮遊ゲート、W・・・ワード線、D・・・データ
線、CD・・・コモンデータ線。 第  2 図 第  3 図           第  4 図■「
mln 第  7WA

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、複数のメモリセルをアレイ状に配列して成り、情報
    の読出し/書込みを可能とするメモリセルアレイ部を備
    えた半導体記憶装置において、メモリセルのデータを読
    出すために上記メモリセルの制御ゲートに印加される電
    位を、当該装置の電源電圧とは独立して調整可能とする
    テストモードを実現する制御手段を含むことを特徴とす
    る半導体記憶装置。 2、上記メモリセルアレイ部のワード線選択信号を生成
    するアドレスデコーダを有し、上記テストモードにおい
    て外部から供給される制御ゲート印加用電圧が、このア
    ドレスデコーダを介して上記制御ゲートに供給され得る
    請求項1記載の半導体記憶装置。 3、上記メモリセルアレイ部を構成する複数のメモリセ
    ルは、浮遊ゲートと制御ゲートとの2層ゲート構造を有
    するMOSFETとされる請求項1又は2記載の半導体
    記憶装置。
JP2287052A 1990-10-26 1990-10-26 半導体記憶装置 Pending JPH04162296A (ja)

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