JPH05325578A - 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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JPH05325578A
JPH05325578A JP12600292A JP12600292A JPH05325578A JP H05325578 A JPH05325578 A JP H05325578A JP 12600292 A JP12600292 A JP 12600292A JP 12600292 A JP12600292 A JP 12600292A JP H05325578 A JPH05325578 A JP H05325578A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、電源電圧の変動に依存しない昇圧
能力を持つ昇圧回路を搭載して書込み/消去時に電源パ
ワーの無駄を生じさせないことを目的とする。 【構成】 電源電圧の降下とともに発振周波数が高くな
る発振回路9と、昇圧能力に駆動周波数依存性を有し発
振回路9の駆動により電源電圧を昇圧してメモリ手段1
の書込み/消去時に必要な電圧を発生する昇圧回路8と
を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電気的書き換え可能な
不揮発性半導体記憶装置(EEPROM)に係り、特に
書き込み/消去時に必要な高電圧を発生する昇圧回路を
装置内部に備えて単一電源動作可能な不揮発性半導体記
憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】単一電源(例えばVcc=5V)により書
き込み/消去が行えるEEPROMの一つとして、例え
ばNAND型EEPROMが知られている。これは、複
数のメモリセルをそれらのソース、ドレインを隣接する
もの同士で共有する形で直列接続して一単位とし、ビッ
ト線に接続するものである。メモリセルは通常、電荷蓄
積層と制御ゲートが積層されたFETMOS構造を有し
ている。メモリセルアレイは、p型基板、又はn型基板
に形成されたp型ウェル内に集積形成されている。
【0003】EEPROMでは、通常書き込み/消去時
にはメモリセルに電源電圧より高い電圧を印加し、トン
ネル電流などによって電荷蓄積層の電荷量をコントロー
ルしてデータを記憶させる。
【0004】例えば、上述のNAND型EEPROMの
データ書き込み/消去の動作は次の通りである。データ
書込みは、ビット線から最も離れた位置のメモリセルか
ら順に行う。選択されたメモリセルの制御ゲートには高
電圧Vpp(=20V程度)を印加し、それよりビット線
側にある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又は中間電位を与える。ビット線に
0Vが与えられた時、その電位は選択メモリセルのドレ
インまで伝達されて、ドレインから浮遊ゲートに電子注
入が生じる。これにより、選択されたメモリセルのしき
い値は正方向にシフトする。この状態を例えば“1”と
する。ビット線に中間電位が与えられたときは電子注入
が起らず、従ってしきい値は変化せず、負に止まる。こ
の状態は“0”である。データ消去は、NANDセル内
の全て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0Vとし、ビット線及びソー
ス線を浮遊状態として、p型ウェル及びn型基板に高電
圧20Vを印加する。これにより、全てのメモリセルで
浮遊ゲートの電子がp型ウェルに放出され、しきい値は
負方向にシフトする。
【0005】以上の説明から分るように、一般に単一電
源動作のEEPROMでは、その内部で電源電圧より高
い電圧を発生することが必要である。このため、従来か
ら昇圧回路を用いてこの高電圧を発生させるようにして
いる。昇圧回路の電流供給能力は、一般に電源電圧の降
下とともに低下する。また昇圧回路はリングオシレータ
で駆動されるが、このリングオシレータの発振周波数も
電源電圧の降下とともに低下する。このため、最低の電
源電圧値で動作するように設計された昇圧回路は、例え
ば最大の電源電圧値では必要以上の電流供給能力を持つ
ことになり電源パワーの無駄を生じる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
昇圧回路を持つEEPROMでは、書き込み/消去時に
電源電圧の変動によって引き起される昇圧回路の電流供
給能力の変動により電源パワーの無駄が生じるという問
題があった。
【0007】本発明は以上のような問題に鑑みなされた
もので、電源電圧の変動に依存しない昇圧能力を持つ昇
圧回路を搭載することにより書き込み/消去時に電源パ
ワーの無駄が生じることがなく、また低コストで小型の
不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第1に、不揮発性メモリ機能を有するメ
モリ手段を備えたメモリ本体と、電源電圧の降下ととも
に発振周波数が高くなる発振回路と、昇圧能力に駆動周
波数依存性を有し、前記発振回路の駆動により電源電圧
を昇圧して前記メモリ手段の書込み/消去時に必要な電
圧を発生する昇圧回路とを有することを要旨とする。
【0009】第2に、上記第1の構成において、前記発
振回路としてリングオシレータが用いられ、該リングオ
シレータは、複数個のインバータ回路が互いに電荷転送
用のMOSトランジスタを介して環状に接続され、該M
OSトランジスタのゲート電極は出力電圧が電源電圧の
降下とともに当該MOSトランジスタの転送能力を高め
る方向に変化する電圧変換用回路の出力端に接続して構
成してなることを要旨とする。
【0010】第3に、上記第1の構成において、前記発
振回路としてリングオシレータが用いられ、該リングオ
シレータは、複数個のインバータ回路が環状に接続さ
れ、前記各インバータ回路はそれぞれ電荷転送用のMO
Sトランジスタを介して電源電位、接地電位に接続さ
れ、該MOSトランジスタのゲート電極は出力電圧が電
源電圧の降下とともに当該MOSトランジスタの転送能
力を高める方向に変化する電圧変換回路の出力端に接続
して構成してなることを要旨とする。
【0011】第4に、不揮発性メモリ機能を有するメモ
リ手段をそれぞれ備えた複数個のメモリ本体と、該複数
個のメモリ本体に対し、電源電圧を昇圧して前記各メモ
リ手段の書込み/消去時に必要な電圧を発生する共通の
昇圧装置とを有することを要旨とする。
【0012】
【作用】上記構成において、第1に、昇圧回路の電流供
給能力は、電源電圧の降下とともに低下傾向が生じる
が、これを駆動する発振回路の発振周波数が電源電圧の
降下とともに高くなって、この低下傾向が打消される。
これにより電源電圧依存性のない電流供給能力を持つ昇
圧回路が実現され、書込み/消去時に、電源電圧の変動
に伴う電源パワーの無駄が生じることがなくなる。
【0013】第2に、上記発振回路となるリングオシレ
ータは、電源電圧の降下とともに電荷転送用MOSトラ
ンジスタの転送能力が上昇して発振周波数が高くなる。
【0014】第3に、前記発振回路となるリングオシレ
ータは、上記と同様に、電源電圧の降下とともに電荷転
送用MOSトランジスタの転送能力が上昇して発振周波
数が高くなり、これとともにリングオシレータを構成す
るインバータ回路の動作時における貫通電流が電源電圧
の上昇とともに増加するのが抑制される。
【0015】第4に、複数個のメモリ本体に対して共通
の昇圧装置を備えさせることにより、メモリカード等と
して機能する不揮発性半導体記憶装置が小型かつ安価に
実現される。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【0017】図1は、本発明の第1実施例に係るNAN
D型EEPROMを用いた不揮発性半導体記憶装置の構
成を示すブロック図である。メモリ手段としてのメモリ
セルアレイ1に対してデータ書き込み、読み出しを行う
ためのビット線制御回路2が設けられている。このビッ
ト線制御回路2はデータ入出力バッファ6につながり、
アドレスバッファ4からのアドレス信号を受けるカラム
デコーダ3の出力を入力として受けるようになってい
る。またメモリセルアレイ1に対して、制御ゲート及び
選択ゲートを制御するためにロウデコーダ5が設けら
れ、メモリセルアレイ1が形成されるp型基板(又はp
型ウェル)の電位を制御するための基板電位制御回路7
が設けられている。上述のメモリセルアレイ1ないし基
板電位制御回路7の各機能を司る回路等によりメモリ本
体10が構成されている。昇圧回路8は、発振回路とし
てのリングオシレータ9からの駆動信号を受けて電源電
圧から昇圧された高電圧を、メモリセルアレイ1の書込
み/消去時にビット線制御回路2、ロウデコーダ5、基
板電位制御回路7に供給する。
【0018】図2(a),(b)は、メモリセルアレイ
1における一つのNANDセル部分の平面図と等価回路
図であり、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。素子分離酸化膜1
2で囲まれたp型シリコン基板(又はp型ウェル)11
に、複数のNANDセルからなるメモリセルアレイ1が
形成されている。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が
直列接続されて一つのNANDセルを構成している。メ
モリセルはそれぞれ、基板11にゲート絶縁膜13を介
して浮遊ゲート14(141 ,142 ,…,148 )が
形成され、この上に層間絶縁膜15を介して制御ゲート
16(161 ,162 ,…,168 )が形成されて、構
成されている。これらのメモリセルのソース・ドレイン
であるn型拡散層19は、隣接するもの同士共用する形
で、メモリセルが直列接続されている。
【0019】NANDセルのドレイン側、ソース側には
それぞれ、メモリセルの浮遊ゲート、制御ゲートと同時
に形成された選択ゲート149 ,169 及び1410,1
10が設けられている。素子形成された基板上はCVD
酸化膜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NANDセルの一端のドレ
イン側拡散層19にコンタクトされている。行方向に並
ぶNANDセルの制御ゲート16は、共通に制御ゲート
線CG1 ,CG2 ,…,CG8 として配設されている。
これら制御ゲート線は、ワード線となる。選択ゲート1
9 ,169 及び1410,1610もそれぞれ行方向に連
続的に選択ゲート線SG1 ,SG2 として配設されてい
る。
【0020】図4は、このようなNANDセルがマトリ
クス配列されたメモリセルアレイ1の等価回路を示して
いる。
【0021】図5に、図1中の昇圧回路8の具体的な構
成を示す。図6は昇圧回路8の駆動信号φR1,φR
2,φR3,φR4となるリングオシレータ9の出力信
号を示している。
【0022】電圧の昇圧は、DタイプのnチャネルMO
SトランジスタQD1〜QD4をキャパシタとして用
い、EタイプnチャネルMOSトランジスタQn1〜Q
n4,Qn17を転送ゲートとして行われるようになっ
ている。転送ゲートQn1〜Qn4のゲート電圧を昇圧
してしきい値電圧による電圧降下が生じないようにする
ため、キャパシタとしてのDタイプnチャネルMOSト
ランジスタQD5〜QD8及び転送ゲートとしてのEタ
イプnチャネルMOSトランジスタQn5〜Qn8が設
けられている。また、EタイプnチャネルMOSトラン
ジスタQn13,Qn14,DタイプnチャネルMOS
トランジスタQD9,QD10が転送ゲートQn17の
ゲート電圧を昇圧して上記と同様にしきい値電圧による
電圧降下が生じないようにするために設けられている。
EタイプnチャネルMOSトランジスタQn16は、Q
n14のゲート電極と出力電圧Vppとをイコライズする
ために設けられている。これらのMOSトランジスタQ
n13,Qn14,Qn15,QD9,QD10からな
る部分は、ダミーの昇圧段として動作する。なお、本実
施例では、4段昇圧であるが、必要に応じて段数を調整
すればよい。
【0023】そして、φR1が“L”で電源電圧Vccに
よりキャパシタQD1,QD3に充電される。φR1が
“H”で転送ゲートQn6,Qn8をそれぞれ通じてキ
ャパシタQD1,QD3の充電電荷がキャパシタQD
6,QD8にそれぞれ転送されて充電され、転送ゲート
Qn2,Qn4のゲート電圧が昇圧される。この状態で
φR2が“L”,φR4が“H”になるとキャパシタQ
D1,QD3の充電電荷が転送ゲートQn2,Qn4を
それぞれ通じてキャパシタQD2,QD4に転送されて
充電される。このような動作が繰り返えされて電源電圧
Vccを所要値まで昇圧した昇圧電圧Vppが発生する。昇
圧回路8の昇圧能力は、電源電圧Vccの降下とともに低
下傾向が生じるが、駆動信号φR1,φR2,φR3,
φR4の周波数が高くなることにより、この低下傾向は
打消される。
【0024】図7に、図1中のリングオシレータ9の具
体的な第1の構成例を示す。EタイプnチャネルMOS
トランジスタQn18〜Qn21,Eタイプpチャネル
MOSトランジスタQp1〜Qp4はそれぞれゲート電
極、ドレインが接続されてインバータ回路を構成し、Q
n22,Qn23,Qp5,Qp6はNAND回路を構
成している。DタイプnチャネルMOSトランジスタQ
D11〜QD15はキャパシタとして用いられ、QD1
6〜QD20は電荷転送用のDタイプnチャネルMOS
トランジスタである。QD16〜QD20のゲート電極
はノードN1に接続され、ノードN1の電圧は、Eタイ
プpチャネルMOSトランジスタQp7とEタイプnチ
ャネルMOSトランジスタQn24で構成される電圧変
換回路の出力により電源電圧Vccの降下とともに上昇す
るようになっている。VSTは定電圧回路の出力であ
り、電源電圧Vccに依存しない。
【0025】リングオシレータ・イネーブル信号φR0
N▲バー▼が“L”になるとリングオシレータは動作す
る。電源電圧Vccが降下すると、ノードN1の電圧が上
昇し、MOSトランジスタQD16〜QD20の電荷転
送能力が上昇してリングオシレータの発振周波数は高く
なる。インバータI2〜I9とNOR回路G1,G4、
NAND回路G2,G3、遅延回路D1〜D3で出力信
号φR1〜φR4のタイミングが制御される。遅延回路
D1,D3は前記図6に示した遅延時間τ2、遅延回路
D2は遅延時間τ1をそれぞれ生じさせるものである。
【0026】図8に、リングオシレータ9の第2の構成
例を示す。この構成例では、図7における電荷転送用の
DタイプnチャネルMOSトランジスタQD16〜QD
20の代りに、各々のインバータ回路と電源電位及び接
地電位との間に電荷転送用のDタイプnチャネルMOS
トランジスタQD21〜QD25,QD26〜QD30
が接続されている。この構成例では、各々のインバータ
回路に対してDタイプnチャネルMOSトランジスタが
2つ必要で回路面積は図7の構成例に比べ増加するが、
リングオシレータを構成するインバータ回路の動作時に
おける貫通電流が電源電圧Vccの上昇とともに増加する
のが抑制、防止される。
【0027】ここで、図7、図8のリングオシレータに
おいて、定電圧回路の出力VSTが0Vから電源電圧V
ccの間のある電位に設定される場合、ノードN1の電圧
VN1も0V<VN1<VST<Vccとなる。このと
き、電荷転送用のDタイプnチャネルMOSトランジス
タQD16〜QD20,QD21〜QD25,QD26
〜QD30のしきい値電圧は、ゲート電極に電圧VN1
が印加された場合に、ドレインに印加された電源電圧V
ccがしきい値電圧による電圧降下なしにソースに伝達さ
れるように設定される。上述のようにしきい値電圧を設
定することが不可能な場合でも、ゲート電極に電圧VN
1が印加された場合に、ドレインに印加された電源電圧
Vccが、リングオシレータを構成するインバータ回路の
しきい値電圧を超えるように、ソースに伝達されなけれ
ばならない。この場合、例えば図7のリングオシレータ
では、リングオシレータを構成するインバータ回路の入
力電圧が十分上昇しないのでインバータ回路に貫通電流
が流れて消費電力が大きくなる。
【0028】なお、図7、図8中のEタイプpチャネル
MOSトランジスタQp7とEタイプnチャネルMOS
トランジスタQn24で構成される電圧変換回路は、図
9(a),(b)のように変形してもよい。即ち、Eタ
イプpチャネルMOSトランジスタQp7側に、ゲート
・ソース間を結んだEタイプnチャネルMOSトランジ
スタQD31を接続してもよい。この図9(a),
(b)の回路例の方が、ノードN1の電圧の電源電圧V
ccの依存性は大きくなる。また、図7、図8中、又は図
9(a),(b)に示した電圧変換回路では、Eタイプ
nチャネルMOSトランジスタQn24のゲート電極に
電源電圧Vccが印加されているが、これはVccの増加と
ともに増加するような電圧、例えば(1/2)Vccや
(2/5)Vccでもよい。これらの電圧Vgate(トラン
ジスタQn24のゲート電圧)は、例えば図10の回路
を用いて発生させればよい。この回路で抵抗R1,R2
の値をR1=R2とすれば出力Vgateは(1/2)Vcc
となる。さらに、使用電源電圧範囲によっては、図7、
図8、図9(a),(b)の定電圧VSTは、Vccとし
ても同様に動作する。
【0029】また、図7および図8では、5段リングで
あるが、必要に応じて段数は調整される。
【0030】次いで、図11には、本発明の第2実施例
を示す。この実施例はメモリカードに適用されている。
同一の基板21上に、複数個(この例では5個)のメモ
リ本体10と、昇圧回路及びリングオシレータを内蔵し
た共通の昇圧装置20とが備えられている。22は外部
端子である。メモリ本体10には、前記第1実施例で述
べたように、NANDセルがマトリクス配列されたメモ
リセルアレイ等が内蔵されている。昇圧装置20は、図
12のシステム構成に示すように、正昇圧回路23a、
スペア昇圧回路23b及びこれら昇圧回路23a,23
bを駆動するリングオシレータ24を内蔵し、信頼性が
高められている。この実施例のメモリカードは、昇圧回
路とリングオシレータを持たない複数個のメモリ本体1
0に対し、共通の昇圧装置20を備えさせたため、小型
に構成できて安価である。
【0031】メモリ本体10の書き替え時に負の電圧を
用いる場合、例えば、NAND型EEPROMで消去時
にp型基板(又はp型ウェル)を高電圧にする方法を用
いずに制御ゲートに負電圧を印加する方法を用いるとき
は、図13に示す降圧回路を昇圧回路とともに搭載すれ
ばよい。このときの駆動信号は、図14に示すように、
前記図6の駆動信号φR1,φR2,φR3,φR4を
反転した反転信号φR1▲バー▼,φR2▲バー▼,φ
R3▲バー▼,φR4▲バー▼でよい。図13中、Qp
8〜Qp24はEタイプpチャネルMOSトランジス
タ、QpD1〜QpD10はDタイプpチャネルMOS
トランジスタである。DタイプpチャネルMOSトラン
ジスタQpD1〜QpD10の代りに、p型ウェルとp
型ウェル上の配線材料でキャパシタを形成し、p型ウェ
ルに駆動信号φR1▲バー▼〜φR4▲バー▼を与える
ようにしてもよい。
【0032】また、この実施例では、4段昇圧である
が、必要に応じて段数は調整される。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第1に、電源電圧の降下とともに発振周波数が高くなる
発振回路と、昇圧能力に駆動周波数依存性を有し前記発
振回路の駆動により電源電圧を昇圧してメモリ手段の書
込み/消去時に必要な電圧を発生する昇圧回路とを具備
させたため、電源電圧依存性のない電流供給能力を持つ
昇圧回路が実現され、書込み/消去時に電源電圧の変動
に伴う電源パワーの無駄が生じることがない。
【0034】第2に、発振回路として、複数個のインバ
ータ回路を互いに電荷転送用のMOSトランジスタを介
して環状に接続し、このMOSトランジスタのゲート電
極を、出力電圧が電源電圧の降下とともに当該MOSト
ランジスタの転送能力を高める方向に変化する電圧変換
回路で駆動するようにしたリングオシレータを用いたた
め、不揮発性半導体記憶装置として極めて適切な上記発
振回路が実現される。
【0035】第3に、リングオシレータを構成する複数
個のインバータ回路は、それぞれ電荷転送用のMOSト
ランジスタを介して電源電位、接地電位に接続するよう
にしたため、上記第2の効果に加えてさらに、動作時に
おけるインバータ回路の貫通電流が電源電圧の上昇とと
もに増加するのを抑制、防止することができる。
【0036】第4に、複数個のメモリ本体に対して共通
の昇圧装置を備えさせたため、小型かつ安価で、メモリ
カード等として機能させるのに極めて適切な不揮発性半
導体記憶装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の第1実
施例を示すブロック図である。
【図2】第1実施例におけるNANDセルの構成を示す
平面図及び等価回路図である。
【図3】図2(a)のA−A’線及びB−B’線の断面
図である。
【図4】第1実施例におけるメモリセルアレイの等価回
路図である。
【図5】第1実施例における昇圧回路の構成を示す回路
図である。
【図6】上記昇圧回路の駆動信号を示すタイミングチャ
ートである。
【図7】第1実施例におけるリングオシレータの第1の
構成例を示す回路図である。
【図8】第1実施例におけるリングオシレータの第2の
構成例を示す回路図である。
【図9】図7、図8のリングオシレータにおける電圧変
換回路の他の構成例を示す回路図である。
【図10】第1実施例における電圧変換回路を構成する
EタイプnチャネルMOSトランジスタの他のゲート電
圧を発生する回路例を示す図である。
【図11】本発明の第2実施例を示す斜視図である。
【図12】第2実施例のシステム構成を示すブロック図
である。
【図13】第2実施例に適用する降圧回路例を示す回路
図である。
【図14】上記降圧回路の駆動信号を示すタイミングチ
ャートである。
【符号の説明】
1 メモリセルアレイ(メモリ手段) 8 昇圧回路 9 リングオシレータ(発振回路) 10 メモリ本体 20 昇圧装置 Qp1〜Qp4,Qn18〜Qn21 インバータ回路
を構成するEタイプpチャネルMOSトランジスタ及び
EタイプnチャネルMOSトランジスタ QD16〜QD30 電荷転送用のDタイプnチャネル
MOSトランジスタ Qp7,Qn24 電圧変換回路を構成するEタイプp
チャネルMOSトランジスタとEタイプnチャネルMO
Sトランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/788 29/792 H02M 3/07 8726−5H H01L 29/78 371

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 不揮発性メモリ機能を有するメモリ手段
    を備えたメモリ本体と、電源電圧の降下とともに発振周
    波数が高くなる発振回路と、昇圧能力に駆動周波数依存
    性を有し、前記発振回路の駆動により電源電圧を昇圧し
    て前記メモリ手段の書込み/消去時に必要な電圧を発生
    する昇圧回路とを有す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】 前記発振回路としてリングオシレータが
    用いられ、該リングオシレータは、複数個のインバータ
    回路が互いに電荷転送用のMOSトランジスタを介して
    環状に接続され、該MOSトランジスタのゲート電極は
    出力電圧が電源電圧の降下とともに当該MOSトランジ
    スタの転送能力を高める方向に変化する電圧変換用回路
    の出力端に接続して構成してな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。
  3. 【請求項3】 前記発振回路としてリングオシレータが
    用いられ、該リングオシレータは、複数個のインバータ
    回路が環状に接続され、前記各インバータ回路はそれぞ
    れ電荷転送用のMOSトランジスタを介して電源電位、
    接地電位に接続され、該MOSトランジスタのゲート電
    極は出力電圧が電源電圧の降下とともに当該MOSトラ
    ンジスタの転送能力を高める方向に変化する電圧変換回
    路の出力端に接続して構成してな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。
  4. 【請求項4】 不揮発性メモリ機能を有するメモリ手段
    をそれぞれ備えた複数個のメモリ本体と、該複数個のメ
    モリ本体に対し、電源電圧を昇圧して前記各メモリ手段
    の書込み/消去時に必要な電圧を発生する共通の昇圧装
    置とを有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装
    置。
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