JPH05110112A - Nonvolatile semiconductor memory and its readout method - Google Patents
Nonvolatile semiconductor memory and its readout methodInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、半導体メモリ、特に
高密度集積化に適した不揮発性半導体メモリおよびその
読み出し方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory, particularly a non-volatile semiconductor memory suitable for high-density integration and a reading method thereof.
【0002】[0002]
【従来の技術】電気的書き込み消去が可能な不揮発性半
導体メモリの一つとして、MNOS型のEEPROMが
実用化されている。従来、このMNOS型EEPROM
のメモリ素子は、図5に示すように、ゲートにMNOS
構造を持つ電界効果型トランジスタからなっていた。2. Description of the Related Art A MNOS type EEPROM has been put into practical use as one of nonvolatile semiconductor memories capable of being electrically written and erased. Conventionally, this MNOS type EEPROM
The memory device has a MNOS gate as shown in FIG.
It consisted of a field-effect transistor with a structure.
【0003】図5において、21はP型シリコン基板、
22はN+ ドレイン領域、23はN + ソース領域、24
はトンネリング媒体となりうる薄い酸化シリコン膜、2
5は窒化シリコン膜、26はポリシリコンゲート電極で
ある。図5に示す従来のメモリ素子の動作を簡単に説明
する。書き込み動作は、まず、ポリシリコンゲート電極
26に15V程度の高電圧(Vpp) を印加し、0Vに保
ったN+ ドレイン領域22あるいはN+ ソース領域23
からポリシリコンゲート電極下のシリコン基板表面に反
転電荷としての電子を導入する。このとき、シリコン基
板表面の反転層はN+ ドレイン領域22と同じ0Vに保
たれているため、ゲート絶縁膜である薄い酸化シリコン
膜24と窒化シリコン膜25の積層膜に高電界がかか
り、反転層の電子がトンネル現象によって薄い酸化シリ
コン膜24をトンネルして窒化シリコン膜25中にトラ
ップされ、トランジスタとしてのしきい値電圧が上昇す
る。また、消去動作はP型シリコン基板21を0Vに保
ち、ポリシリコンゲート電極26に−15V程度の負の
高電圧(−Vpp)を印加し、窒化シリコン膜25中にト
ラップされた電子をトンネル現象によりシリコン基板側
に放出させ、トランジスタとしてのしきい値電圧を降下
させて行なう。そして読み出し動作は、そのしきい値電
圧の差を、ポリシリコンゲート電極26及びN+ ドレイ
ン領域22に電圧を印加したときのソース・ドレイン間
の電流の差として読み取り、それをデータの1と0に対
応させている。In FIG. 5, 21 is a P-type silicon substrate,
22 is N+Drain region, 23 is N +Source area, 24
Is a thin silicon oxide film that can be a tunneling medium, 2
5 is a silicon nitride film, 26 is a polysilicon gate electrode
is there. The operation of the conventional memory device shown in FIG. 5 will be briefly described.
To do. The write operation starts with the polysilicon gate electrode.
Apply a high voltage (Vpp) of about 15V to 26 and keep it at 0V.
Was N+Drain region 22 or N+Source region 23
From the surface of the silicon substrate under the polysilicon gate electrode
Introduce electrons as inversion charge. At this time, silicon base
Inversion layer on the plate surface is N+Keep the same 0V as the drain region 22
The thin silicon oxide that is the gate insulating film because it is dripping
Is a high electric field applied to the laminated film of the film 24 and the silicon nitride film 25?
Therefore, the electrons in the inversion layer are thinly oxidized by tunneling.
The transistor film 24 is tunneled and is transferred into the silicon nitride film 25.
Threshold voltage as a transistor rises
It In addition, the erase operation keeps the P-type silicon substrate 21 at 0V.
The polysilicon gate electrode 26 has a negative voltage of about -15V.
By applying a high voltage (-Vpp), a voltage is applied to the silicon nitride film 25.
The wrapped electrons are tunneled to the silicon substrate side.
The threshold voltage of the transistor
Let me do it. And the read operation is
The difference in pressure is determined by the polysilicon gate electrode 26 and N+Dray
Between source and drain when voltage is applied to the drain region 22
Read as the difference in the current of the
I am responding.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ごとき従来のMNOSメモリトランジスタを用いてメモ
リセルアレイを構成する場合、図6に示すように、メモ
リセルアレイの1ビットごとの選択的な書き込みおよび
読み出しをするとき、不必要なMNOSメモリトランジ
スタを共通のソースラインから切り離す必要があるた
め、MNOSメモリトランジスタ28と直列に接続され
た選択分離用トランジスタ29が1ビットごとに必要と
なる。そのため、1ビット当りのセル面積が非常に大き
くなり、大容量化、集積化の妨げになるという問題点が
あった。However, when a memory cell array is constructed using the conventional MNOS memory transistors as described above, as shown in FIG. 6, selective writing and reading for each bit of the memory cell array is performed. At this time, since it is necessary to disconnect the unnecessary MNOS memory transistor from the common source line, the selective separation transistor 29 connected in series with the MNOS memory transistor 28 is required for each bit. Therefore, there is a problem that the cell area per bit becomes very large, which hinders the increase in capacity and integration.
【0005】そこでこの発明は、セル面積の大幅な縮小
を図り、大容量の集積化を可能にする不揮発性半導体メ
モリおよびその読み出し方法を提供することを目的とし
ている。Therefore, an object of the present invention is to provide a non-volatile semiconductor memory and a method of reading the same, which can achieve a large reduction in cell area and enable large-capacity integration.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決するために次のような構成を採用した。すなわち、
第1の発明の不揮発性半導体メモリは、一導電型の半導
体基板上の所定の位置に形成された薄い酸化シリコン膜
と、この酸化シリコン膜上に順次積層された絶縁層およ
び導電層と、前記酸化シリコン膜の一端に隣接して前記
半導体基板中に形成された他導電型の拡散領域とから構
成される。The present invention adopts the following constitution in order to solve the above problems. That is,
A nonvolatile semiconductor memory according to a first aspect of the present invention is a thin-type silicon oxide film formed at a predetermined position on a semiconductor substrate of one conductivity type, an insulating layer and a conductive layer sequentially stacked on the silicon oxide film, It is composed of a diffusion region of another conductivity type formed in the semiconductor substrate adjacent to one end of the silicon oxide film.
【0007】また、第2の発明の不揮発性半導体メモリ
の読み出し方法は、第1の発明の不揮発性半導体メモリ
におけるMNOS構造のキャパシタの充電電流による電
荷の移動を検出することによって情報を読み出すように
している。In addition, the reading method of the non-volatile semiconductor memory according to the second aspect of the invention is such that the information is read out by detecting the movement of charges due to the charging current of the capacitor of the MNOS structure in the non-volatile semiconductor memory of the first aspect. ing.
【0008】[0008]
【作用】この発明の構成によれば、メモリセルアレイを
構成する場合のソース領域を省略することができるとと
もに、共通のソース領域がないため選択用トランジスタ
も不要とすることができるので、セル面積を大幅に縮小
することができる。また、MNOS構造をしたキャパシ
タの上部電極のワードラインに電圧を印加すると、MN
OSキャパシタへの充電電流が書込みと消去の状態で異
なるので、このことを利用して情報の読み出しを行なう
ことができる。According to the structure of the present invention, the source region in the case of forming the memory cell array can be omitted, and since there is no common source region, the selecting transistor can be omitted. It can be reduced significantly. When a voltage is applied to the word line of the upper electrode of the capacitor having the MNOS structure, MN
Since the charging current to the OS capacitor is different between the writing state and the erasing state, this can be used to read information.
【0009】[0009]
【実施例】図1はこの発明の一実施例である不揮発性半
導体メモリの構成を示す断面図で、MNOS構造のキャ
パシタと、これに隣接したドレイン領域とで構成されて
いる。図1において、2はP型シリコン基板、3はN+
ドレイン領域、4はトンネリング媒体となりうる2nm
程度の薄い酸化シリコン膜、5は30nm程度の窒化シ
リコン膜、7はポリシリコン電極である。1 is a cross-sectional view showing the structure of a nonvolatile semiconductor memory according to an embodiment of the present invention, which is composed of a capacitor of MNOS structure and a drain region adjacent to the capacitor. In FIG. 1, 2 is a P-type silicon substrate, 3 is N +
Drain region 4 is 2 nm, which can be a tunneling medium
A thin silicon oxide film, 5 is a silicon nitride film having a thickness of about 30 nm, and 7 is a polysilicon electrode.
【0010】このように構成された不揮発性半導体メモ
リ1の動作を説明する。まず書き込み動作は、従来例の
MNOSトランジスタの場合と同じで、N+ ドレイン領
域2を0Vに保ち、ポリシリコン電極7に15V程度の
高電圧(Vpp)を印加することによってMNOSキャパ
シタのしきい値電圧を上昇させて行なう。 消去動作も
従来例のMNOSトランジスタの場合と同じく、P型シ
リコン基板2を0Vに保ち、ポリシリコン電極7に−1
5V程度の負の高電圧(−Vpp)を印加するか、あるい
はポリシリコン電極7を0Vに保ち、P型シリコン基板
1にVppを印加することによってMNOSキャパシタの
しきい値電圧を下降させて行なう。The operation of the nonvolatile semiconductor memory 1 having the above structure will be described. First, the write operation is the same as in the case of the conventional MNOS transistor, in which the N + drain region 2 is kept at 0 V and a high voltage (Vpp) of about 15 V is applied to the polysilicon electrode 7 to set the threshold of the MNOS capacitor. Increase the voltage. Similarly to the case of the MNOS transistor of the conventional example, the erasing operation keeps the P-type silicon substrate 2 at 0 V, and the polysilicon electrode 7 is -1.
The threshold voltage of the MNOS capacitor is lowered by applying a negative high voltage (-Vpp) of about 5V or by keeping the polysilicon electrode 7 at 0V and applying Vpp to the P-type silicon substrate 1. ..
【0011】次に読み出し動作は、まず、ポリシリコン
電極7に消去状態(低しきい値状態)のしきい値電圧よ
り低い電圧を印加してMNOSキャパシタのシリコン基
板表面を蓄積の状態にしておく。そして、N+ ドレイン
領域3を0Vにプリチャージした後、他の回路から切り
離し、ポリシリコン電極7に書き込み状態のしきい値電
圧より低い範囲でなるべく高い正の電圧を印加する。そ
のときMNOSキャパシタが書き込み状態であればMN
OSキャパシタのシリコン基板表面に電子は流れ込まな
いが、しきい値電圧の低い消去状態であればMNOSキ
ャパシタのシリコン基板表面は反転してN+ ドレイン領
域2から電子が流れ込み、N+ ドレイン領域3の電位が
上昇する。このN+ ドレイン領域3の電位の変化を検出
することによって読み出しを行なう。Next, in the read operation, first, a voltage lower than the threshold voltage in the erased state (low threshold state) is applied to the polysilicon electrode 7 to bring the silicon substrate surface of the MNOS capacitor into the accumulated state. .. Then, after precharging the N + drain region 3 to 0 V, the N + drain region 3 is separated from other circuits, and a positive voltage as high as possible within the range lower than the threshold voltage in the written state is applied to the polysilicon electrode 7. At that time, if the MNOS capacitor is in the writing state, MN
Although electrons do not flow into the surface of the silicon substrate of the OS capacitor, in the erased state where the threshold voltage is low, the surface of the silicon substrate of the MNOS capacitor is inverted and electrons flow from the N + drain region 2 to the N + drain region 3. The potential rises. Reading is performed by detecting the change in the potential of the N + drain region 3.
【0012】図2は、図1の不揮発性半導体メモリをメ
モリセルアレイとして構成する場合の構成を示す図であ
り、10がこの発明の不揮発性半導体メモリであるドレ
イン領域付MNOSキャパシタを示す。この不揮発性半
導体メモリでは、従来例のようなソース領域をなくして
おり、そのため、読み出し動作はMNOSキャパシタの
充電電流による電荷の移動を検出することにより実施す
る。従って、選択分離用トランジスタを用いなくても1
ビットごとの書き込み及び読み出しが可能となる。以
下、その動作について説明する。FIG. 2 is a diagram showing a configuration in which the nonvolatile semiconductor memory of FIG. 1 is configured as a memory cell array, and 10 shows a MNOS capacitor with a drain region which is the nonvolatile semiconductor memory of the present invention. In this non-volatile semiconductor memory, the source region as in the conventional example is eliminated, and therefore the read operation is performed by detecting the movement of charges due to the charging current of the MNOS capacitor. Therefore, even if the selective separation transistor is not used,
It is possible to write and read bit by bit. The operation will be described below.
【0013】まず、書き込み動作は、書き込み対象セル
のビットラインのみ0Vとし、他のビットラインには1
5V程度の高電圧(Vpp)を印加しておく。そして、書
き込み対象セルのワードラインのみにVppを印加し、他
のビットラインに0Vを印加すると、書き込み対象セル
のみが前記の書き込み動作条件となって書き込みが行な
われる。その他の状態(ポリシリコン電極の電圧とN+
ドレイン領域の電圧がそれぞれ、VppとVpp、0VとV
pp、0Vと0V)のセルにはポリシリコン電極7の下に
反転電荷が導入されないため書き込みは行なわれない。First, in the write operation, only the bit line of the cell to be written is set to 0V and the other bit lines are set to 1V.
A high voltage (Vpp) of about 5V is applied. Then, when Vpp is applied only to the word line of the write target cell and 0 V is applied to the other bit lines, only the write target cell is written under the write operation condition described above. Other states (polysilicon electrode voltage and N +
The drain region voltages are Vpp and Vpp, 0V and V, respectively.
No writing is performed in the cells of pp, 0V and 0V) because the inversion charge is not introduced under the polysilicon electrode 7.
【0014】次に、消去動作は、P型シリコン基板を0
Vに保ち、あるワードラインに−15V程度の負の電圧
(−Vpp)を印加することにより、そのワードラインに
付随するメモリセルを一括して消去することができる。
また、読み出し動作は、全てのワードラインに消去状態
のしきい値電圧より低い電圧(例えば、消去状態のしき
い値電圧が−2Vであれば、−3V程度)を印加した
後、所望のセルのビットラインに0Vをプリチャージ
し、その後電源から切り離してフローティングの状態に
しておく。そして所望のセルのワードラインに、書き込
み状態のしきい値電圧より低い範囲でなるべく高い正の
電圧(例えば、書き込み状態のしきい値電圧が5Vであ
れば、4V程度)を印加すると、そのセルが消去状態
(しきい値電圧の低い状態)であれば、MNOSキャパ
シタのシリコン基板表面にドレインから電子が流れ込
み、ビットラインの電位が上昇する。この電位の変化を
フリップフロップ型などの高感度なセンスアンプによっ
て読み取る。Next, in the erase operation, the P-type silicon substrate is set to 0.
By keeping the voltage at V and applying a negative voltage (-Vpp) of about -15 V to a certain word line, the memory cells associated with that word line can be erased at once.
In addition, in the read operation, after applying a voltage lower than the threshold voltage in the erased state (for example, about −3V if the threshold voltage in the erased state is −2V) to all the word lines, the desired cell The bit line is precharged with 0 V, and then the bit line is disconnected from the power supply and left floating. Then, when a positive voltage as high as possible within the range lower than the threshold voltage in the written state (for example, about 4 V if the threshold voltage in the written state is 5 V) is applied to the word line of the desired cell, the cell Is in an erased state (state in which the threshold voltage is low), electrons flow from the drain into the surface of the silicon substrate of the MNOS capacitor, and the potential of the bit line rises. This change in potential is read by a highly sensitive sense amplifier such as a flip-flop type.
【0015】図3および図4は、前記メモリセルアレイ
の構成を示す断面図および平面図であり、2はP型シリ
コン基板、3はN+ ドレイン領域、4はトンネリング媒
体となりうる薄い酸化シリコン膜、5は窒化シリコン
膜、11はLOCOS法により形成した分離用酸化シリ
コン膜、12はポリシリコンよりなるワードライン、1
3は酸化シリコン膜よりなる層間絶縁膜、14はアルミ
ニウムよりなるビットラインである。この実施例ではビ
ットライン14のN+ ドレイン領域2へのコンタクトを
2ビットで一つとしており、これにより更に高集積化が
図られている。また、ワードライン以外の部分の酸化シ
リコン膜4と窒化シリコン膜5は、ワードライン12を
形成するためのポリシリコンのドライエッチングと同時
エッチングを行なった。さらに、N+ ドレイン領域2
は、ポリシリコンよりなるワードライン12をマスクと
して自己整合的に形成した。3 and 4 are a sectional view and a plan view showing the structure of the memory cell array, 2 is a P-type silicon substrate, 3 is an N + drain region, 4 is a thin silicon oxide film which can be a tunneling medium, 5 is a silicon nitride film, 11 is a silicon oxide film for isolation formed by the LOCOS method, 12 is a word line made of polysilicon, 1
Reference numeral 3 is an interlayer insulating film made of a silicon oxide film, and 14 is a bit line made of aluminum. In this embodiment, the number of contacts of the bit line 14 to the N + drain region 2 is one for each 2 bits, and thereby higher integration is achieved. Further, the silicon oxide film 4 and the silicon nitride film 5 other than the word lines were simultaneously etched and dry-etched for forming the word lines 12. In addition, N + drain region 2
Are self-aligned using the word line 12 made of polysilicon as a mask.
【0016】なお、上記実施例では、ワードラインに負
の高電圧(−Vpp)を印加して消去する方法を示した
が、メモリセルアレイをN型シリコン基板上のP型領域
中に形成することにより、全てのワードラインに0V、
P型領域に正の高電圧(Vpp)を印加することでP型領
域中のみのセルを選択的に消去することもできる。この
場合、負の高電圧(−Vpp)が不要となるため、周辺回
路を簡略化することもできる。In the above embodiment, the method of applying the negative high voltage (-Vpp) to the word line to erase is described. However, the memory cell array is formed in the P type region on the N type silicon substrate. To 0V on all word lines,
It is also possible to selectively erase cells in the P-type region by applying a positive high voltage (Vpp) to the P-type region. In this case, the negative high voltage (-Vpp) is not required, and the peripheral circuit can be simplified.
【0017】また、以上の実施例では、MNOSキャパ
シタの絶縁膜として酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の
積層膜を使用したものについて示したが、窒化シリコン
膜の表面を酸化して酸化シリコン膜に変化させたMON
OS構造のキャパシタを用いても同様の効果を得ること
ができる。また、絶縁膜として窒化シリコン膜の代り
に、例えば、酸化アルミニウム(Al2 O3 )、酸化タ
ンタル(Ta2 O3 )等の高誘電体膜を用いることもで
きる。Further, in the above embodiments, the laminated film of the silicon oxide film and the silicon nitride film is used as the insulating film of the MNOS capacitor, but the surface of the silicon nitride film is oxidized to change to the silicon oxide film. Let MON
The same effect can be obtained by using an OS structure capacitor. Further, as the insulating film, a high dielectric film such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or tantalum oxide (Ta 2 O 3 ) can be used instead of the silicon nitride film.
【0018】[0018]
【発明の効果】以上の説明のようにこの発明の不揮発性
半導体メモリおよびその読み出し方法によれば、ドレイ
ン領域付のMNOSキャパシタをメモリセルとし、キャ
パシタの充電電流による電荷の移動を検出して情報の読
み出しを行なうので、従来必要であったソース領域およ
び選択分離用トランジスタが不要となり、メモリセル寸
法を大幅に縮小でき、大容量の不揮発性半導体メモリを
提供できるようになった。As described above, according to the nonvolatile semiconductor memory and the reading method thereof of the present invention, the MNOS capacitor with the drain region is used as the memory cell, and the movement of the charge due to the charging current of the capacitor is detected to detect the information. , The source region and the selective isolation transistor, which have been required in the past, are no longer required, the size of the memory cell can be significantly reduced, and a large-capacity nonvolatile semiconductor memory can be provided.
【図1】この発明の一実施例である不揮発性半導体メモ
リの構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a nonvolatile semiconductor memory which is an embodiment of the present invention.
【図2】不揮発性半導体メモリをメモリセルアレイとし
て構成した場合の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram when a nonvolatile semiconductor memory is configured as a memory cell array.
【図3】メモリセルアレイの構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a memory cell array.
【図4】メモリセルアレイの構成を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a memory cell array.
【図5】従来の不揮発性半導体メモリであるMNOSト
ランジスタの構成を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of an MNOS transistor which is a conventional nonvolatile semiconductor memory.
【図6】従来のメモリセルアレイの回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a conventional memory cell array.
2 P型シリコン基板 3 N+ ドレイン領域 4 酸化シリコン膜 5 窒化シリコン膜 7 ポリシリコンゲート電極2 P-type silicon substrate 3 N + drain region 4 silicon oxide film 5 silicon nitride film 7 polysilicon gate electrode
Claims (2)
形成された薄い酸化シリコン膜と、この酸化シリコン膜
上に順次積層された絶縁層および導電層と、前記酸化シ
リコン膜の一端に隣接して前記半導体基板中に形成され
た他導電型の拡散領域とを備えた不揮発性半導体メモ
リ。1. A thin silicon oxide film formed at a predetermined position on a semiconductor substrate of one conductivity type, an insulating layer and a conductive layer sequentially laminated on the silicon oxide film, and one end of the silicon oxide film. A non-volatile semiconductor memory provided with a diffusion region of another conductivity type formed adjacently in the semiconductor substrate.
形成された薄い酸化シリコン膜と、この酸化シリコン膜
上に順次積層された絶縁層および導電層と、前記酸化シ
リコン膜の一端に隣接して前記半導体基板中に形成され
た他導電型の拡散領域とを備えた不揮発性半導体メモリ
の読み出し方法であって、半導体素子の導電層と半導体
基板とからなるキャパシタへの充電電流による電荷の移
動を検出して情報を読み出すことを特徴とする不揮発性
半導体メモリの読み出し方法。2. A thin silicon oxide film formed at a predetermined position on a semiconductor substrate of one conductivity type, an insulating layer and a conductive layer sequentially stacked on the silicon oxide film, and one end of the silicon oxide film. A method of reading a non-volatile semiconductor memory, comprising a diffusion region of another conductivity type formed adjacent to the semiconductor substrate, wherein the charge due to a charging current to a capacitor composed of a conductive layer of a semiconductor element and the semiconductor substrate is provided. A method for reading a non-volatile semiconductor memory, which is characterized by detecting movement of a memory cell and reading information.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP3272530A JPH05110112A (en) | 1991-10-21 | 1991-10-21 | Nonvolatile semiconductor memory and its readout method |
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JP3272530A JPH05110112A (en) | 1991-10-21 | 1991-10-21 | Nonvolatile semiconductor memory and its readout method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JPH05110112A true JPH05110112A (en) | 1993-04-30 |
Family
ID=17515181
Family Applications (1)
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JP3272530A Pending JPH05110112A (en) | 1991-10-21 | 1991-10-21 | Nonvolatile semiconductor memory and its readout method |
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JP (1) | JPH05110112A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001027993A1 (en) * | 1999-10-15 | 2001-04-19 | Fujitsu Limited | Semiconductor memory device and its usage |
-
1991
- 1991-10-21 JP JP3272530A patent/JPH05110112A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2001027993A1 (en) * | 1999-10-15 | 2001-04-19 | Fujitsu Limited | Semiconductor memory device and its usage |
JP2001118940A (en) * | 1999-10-15 | 2001-04-27 | Fujitsu Ltd | Semiconductor memory and usage method therefor |
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JP4623782B2 (en) * | 1999-10-15 | 2011-02-02 | スパンション エルエルシー | Semiconductor memory device and method of using the same |
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