JPH0581883A - 半導体記憶装置 - Google Patents

半導体記憶装置

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JPH0581883A
JPH0581883A JP24004191A JP24004191A JPH0581883A JP H0581883 A JPH0581883 A JP H0581883A JP 24004191 A JP24004191 A JP 24004191A JP 24004191 A JP24004191 A JP 24004191A JP H0581883 A JPH0581883 A JP H0581883A
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JP
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voltage
circuit
cell
semiconductor memory
memory device
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JP24004191A
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Mitsuo Higuchi
光雄 樋口
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 フラッシュEEPROM等の電気的書き替え
可能な不揮発性半導体記憶装置に関し、制御の簡単な過
剰消去防止回路を構成することを目的とする。 【構成】 コントロールゲートCG、フローテングゲー
トFG、ドレインD、およびソースSの電極を有し、フ
ローティングゲートFGに蓄積する電荷により情報が記
憶されるセルトランジスタからなる情報記憶用のセル1
を複数配設したセルアレイと、情報の消去時にセル1へ
消去電圧を印加する消去電圧印加回路2と、を備える電
気的に書き替え可能な不揮発性半導体記憶装置であっ
て、前記消去電圧印加時に前記フローティングゲートF
Gに蓄積された電荷の変化に伴うセル1の状態の変化を
検出する検出回路3と、当該検出回路3で検出されるセ
ル1の変化に対応して、消去電圧印加回路2における消
去電圧印加を終了させる制御回路4と、を備えて構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体記憶装置に係わ
り、特に、フラッシュEEPROM(Electrically Era
sable and Programmable Read Only Memory )等の電気
的書き替え可能な不揮発性半導体記憶装置に関するもの
である。
【0002】近年、電気的書き替え可能な不揮発性半導
体記憶装置、特にフラッシュEEPROMの多くは、セ
ルサイズを縮小するためにlトラジスタ/lセルの構成
をとっている。この場合、複数のセルが同一ビット線に
接続されるため、記憶した情報を消去する際、セルが過
剰消去される(セルトランジスタがディプリーションモ
ードになる)と誤動作を引き起こす。従って、過剰消去
を起こさない消去方法が必要となっている。
【0003】
【従来の技術】従来の消去方法においては、短い消去パ
ルスをセルトランジスタに印加して消去を行った後にセ
ル特性を読み出して消去の程度を判定し、その結果消去
不充分なセルが残っている場合に、再度短い消去パルス
を印加して判定を行い、消去不充分なセルが残っている
限りくり返すことで、過剰消去を防止していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従って、従来において
は、短い消去パルスの印加による消去、読出し、および
消去の程度の判定の繰り返しを制御する回路を、素子内
部あるいは素子外部に持つ必要があり、内部に持つ場合
には制御回路の複雑化とチップ面積の増大、外部に持つ
場合には外部回路の複雑化等を引き起こしていた。
【0005】本発明は、以上の点を鑑み、制御の簡単な
過剰消去防止回路を有する半導体装置を提供することを
目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】図1に、本発明の原理説
明図を示す。上記目的を達成するための本発明の半導体
記憶装置は、図1に示すように、コントロールゲートC
G、フローティングゲートFG、ドレインD、およびソ
ースSの電極を有し、前記フローティングゲートFGに
蓄積する電荷により情報が記憶されるセルトランジスタ
からなるセル1を複数配設したセルアレイと、情報の消
去時に前記セル1へ消去電圧を印加する消去電圧印加回
路2と、を備える電気的に書き替え可能な不揮発性半導
体記憶装置であって、前記消去電圧印加時に前記フロー
ティングゲートFGに蓄積された電荷の変化に伴う前記
セル1の変化を検出する検出回路3と、当該検出回路3
で検出される前記セル1の変化に対応して、前記消去電
圧印加回路2における消去電圧印加を終了させる制御回
路4と、を備えて構成する。
【0007】
【作用】本発明は、消去動作の期間中もセルの状態をモ
ニターしておき、セルが充分な程度(過剰消去される少
し前の状態)にまで消去されたことを検出して消去動作
を終了するようにしたものである。
【0008】即ち、例えば図1において、ワード線に接
続されているコントロールゲートCG、電荷を蓄積する
フローティングゲートFG、ビット線に接続されている
ドレインD、およびソースSより構成されるセルトラン
ジスタを有するセル1に対して、消去電圧印加回路2に
より、例えばソースSに高電圧を印加することにより情
報の消去を行う場合に、検出回路3はセル1の状態の変
化、即ちフローティングゲートFGに蓄積されている電
子の状態の変化を、例えばソースS(印加回路)に流れ
る電流またはドレインDの電圧等により検出する。情報
の消去の終了は、フローティングゲートFGにおける電
荷の蓄積状態により決まるため、制御回路4では検出回
路3における検出が過剰消去される前の状態になったと
きに、消去電圧印加回路2を制御して消去電圧印加を停
止させ、消去を終了させる。
【0009】このように本発明では、消去動作期間中に
セルの状態を判定して消去を終了させるため、消去・読
出し・判定の繰り返しを制御するといった複雑な回路を
必要とすることなく過剰消去のないセルの消去動作が可
能となる。
【0010】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。第1の実施例 図2に、本発明の第1の実施例の電気的に書き替え可能
な不揮発性半導体記憶装置の構成図を示す。本実施例で
は、説明の便宜上、2×2のセルアレイの構成により説
明する。
【0011】図2において、T00、T01、T10、T11は
図1に示したメモリセルと同じ構成のメモリセルトラン
ジスタ、T0 、T1 はコラムゲートトランジスタ、T2
は共通ソース線制御トランジスタであり、これらのトラ
ンジスタはすべてNチャネルトランジスタである。X0
、X1 はワード線、Y0 、Y1 はコラムデコーダ出力
線(コラムゲートトランジスタT0 、T1 のゲート電極
に接続)、B0 、B1 はビット線、BUSはバス線、/
ERは共通ソース線制御トランジスタの制御信号、SL
は共通ソース線、GNDは基準電源線である。10は消
去電圧発生回路、20は消去電流検出回路、30は消去
電圧印加回路、40は制御回路、50はバス線電圧制御
回路である。
【0012】次に、上記構成とする本実施例の動作を説
明する。T00〜T11のメモリセルはFG(フローティン
グゲート)を有する二層ポリシンコンゲートトランジス
タであり、FGに蓄積される電荷量を制御することで、
トランジスタの閾値電圧(Vth)を変化させて情報を記
憶する。セルへの情報の書き込みは以下のように行われ
る。今、セルトランジスタT10のセルメモリに書き込み
を行うものとする。X0 、X1 にはロウデコーダ(図示
せず)により、X0 には0V、X1 には略12Vが印加
される。Y0 、Y1 にはコラムデコーダ(図示せず)に
より、Y0には略12V、Y1 は0Vが印加され、B0
は導通したT0によりBUSに接続される。BUSには
書き込み回路(図示せず)により書き込みデータに依存
した電圧が印加される。/ERには5Vが印加されるた
めT2は導通し、共通ソース線SLは基準電源線GND
に接続される。上記電圧は素子の特性等により予め定め
されたアルゴリズムに従い所定の時間だけ印加される。
【0013】バス線BUSに印加される書き込み電圧が
低電圧(〜0V)の場合にはセルの状態は変化しない。
一方、バス線BUSに印加される電圧が高電圧(〜8
V)の場合には、EPROMセルの書き込み等で良く知
られるように、電子がセルのFGに注入され、書き込み
が完了する。
【0014】セルに書き込まれた情報の読み出しは、以
下のように行われる。やはりセルトランジスタT10の状
態が読出されるものとすると、X0 、X1 にはロウデコ
ーダ(図示せず)により、X0 には0V、X1 には5V
が印加される。Y0 、Y1 にはコラムデコーダ(図示せ
ず)により、Y0 には5V、Y1 は0Vが印加され、B
0 は導通したT0 によりバス線BUSおよびセンスアン
プ回路(S/A:図示せず)に接続される。/ERには
5Vが印加されるためT2は導通し、共通ソース線SL
は基準電源線に接続される。選択されたセルトラジスタ
T10は、CG(コントロールゲート)には5Vが印加さ
れるため、FGに電子が蓄積されていない場合には容量
結合によりFGは略3V程度の電位に上昇しセルトラジ
スタT10は導通する。一方、FGに電子が蓄積されてい
る場合には、CGに5Vが印加されても、FGの電位は
上昇せずセルトランジスタT10は非導通である。このセ
ルトランジスタT10に流れる電流をセンスアンプ回路で
検出することによりセルの状態が読み出される。
【0015】セルに書き込まれた情報の消去は、以下の
ように行われる。消去は、T00〜T11のすべてのセルに
同時に行われる。X0 、X1 にはロウデコーダ(図示せ
ず)により共に0Vが印加される。Y0 、Y1 にはコラ
ムデコーダ(図示せず)により共に5Vが印加され、B
0 は導通したT0 により、B1 は導通したT1 によりバ
ス線BUSに接続される。バス線BUSにはバス線電位
制御回路50により所定の電圧が印加される。/ERに
は0Vが印加されるためT2は非導通となり、共通ソー
ス線SLは基準電源線から切り離されるとともに、消去
電圧発生回路10により発生した所定の電圧(〜12
V)が消去電圧印加回路30により共通ソース線SLに
印加される。なお消去電圧発生回路10においては、消
去電圧は外部電源電圧をそのまま利用しても、または外
部電源電圧を降圧して利用しても、あるいは外部電源電
圧を昇圧して利用してもよい。共通ソース線SLに印加
された電圧はセルのソースに加わり、CGに印加さる電
圧(0V)により低電圧に保たれているFGとソースと
の間には高電圧が印加される。FGとソースの間の絶縁
膜は略100オングストロームと薄く作られているため
ゲート絶縁膜には高電界が加わり、FGに蓄積されてい
た電子はFN(Fowler Nordheim )トンネリング現象に
よりソース電極へ放出され、セルの消去が行われる。
【0016】ここで問題になるのがセルの過剰消去であ
る。消去時間が長すぎる等によりFGの電子の放出が過
剰に行われた場合には、FGには実質的に正の電荷が蓄
積したことになり、セルはディプリーション状態(CG
の電位が0Vでもトランジスタが導通する状態)にな
る。
【0017】今、T00のセルに過剰消去が起こったと仮
定する。セルT10を読み出すために、X1 、Y0 に5V
を印加した時、T00はX0 が0Vでも導通しているた
め、T10の状態にかかわらずT0 に電流が流れ、この電
流がセンスアンプ回路により検出されるため、セルT10
の状態は正しく読み出されない。従って、素子の安定動
作のためにはセルの過剰消去を防止する必要がある。
【0018】以下に、本実施例における過剰消去の防止
を説明する。本実施例では、消去電圧発生回路10と消
去電圧印加回路30との間に設けられた消去電流検出回
路20と、当該消去電流検出回路20からの検出信号を
入力し、消去電圧印加回路30を制御する制御回路40
により、過剰消去を防止する構成としている。消去電流
検出回路20では、消去電圧印加回路30から共通ソー
ス線SLに流れる電流を監視し、その電流の変化を検出
して制御回路40へ出力するようになされている。制御
回路40では、消去電流検出回路20からの検出信号が
入力されると、消去電圧印加回路30における消去電圧
印加の動作を停止するように構成されている。
【0019】次に、上記消去電流検出回路20において
検出する電流について説明する。図3に、メモリセルト
ランジスタにおけるFGと各電極間の容量結合を示す模
式図を示す。同図において、CFC、CFS、CFB、CFD
それぞれFGと、CG、ソースS、基板P、ドレインD
の間の容量を示している。なお、CFBの中にはFGとチ
ャネル間の容量も含まれている。過剰消去を防止するた
めには、読み出し時にCGが0Vの時、FGはVth0
(FGに電荷がない時のセルトランジスタの閾値電圧)
程度になっていればよい。
【0020】読出し状態では、ドレインD電圧は略lV
程度であるから、CG、ドレインD、ソースSがすべて
0Vの時には、FGの電位は、 VthO −1V×CFD/CT …(1) となる。ここで、CT =CFC+CFS+CFB+CFDであ
る。
【0021】次に、消去状態におけるFGの電位を考え
る。ソースS電位を略12V、CG電位を0V、ドレイ
ンD電位をVD とすると、FGの電位は VthO +(12V×CFS+VD ×CFD−1V×CFD)/CT …(2) となる。即ち、FGが上式(2)の値になった時点で消
去を終了すればよいことになる。FGの電位が上式
(2)の値になったことは、次のようにして検出され
る。FGの電位がドレインの電位よりVthO だけ高くな
ると、セルトランジスタは導通する(消去時は、ソース
Sの電位の方がドレインDの電位より高いため、ドレイ
ンDはトラジンスタの動作としてはソースSのように振
る舞う)。従って、ドレインDの電位を、 (12V×CFS+VD ×CFD−1V×CFD)/CT …(3) となるように、バス線電圧制御回路50により制御して
保持しておくことにより、FGの電位が上式(2)の値
になった時に、セルトランジスタに電流が流れ始めるこ
とになる。この流れ始めた時の電流の変化を消去電流検
出回路20において検出することにより、FGの電位が
上式(2)の値になったこと、即ち、セルの消去が終了
した状態であることが検出される。
【0022】なお、バス線電圧制御回路50により保持
するドレインDの電圧は、ソースSに印加する電圧をV
ERS 、FGとソースS間の容量をCFS、FGと他の電極
間の全容量をCT とした場合に、略VERS ×CFS/CT
であってもよい。
【0023】このように本実施例では、消去動作の期間
中もセルの状態を監視しておき、セルが充分な程度(過
剰消去される少し前の状態)にまで消去されたことを検
出して、消去動作を終了するようになされている。これ
により、消去・読出し・判定の繰り返しを制御するとい
った複雑な回路を必要とすることなく、過剰消去のない
セルの消去動作が可能となる。
【0024】なお、上記説明ではトランジスタの閾値の
バックバイアス依存を無視したが、より正確を期するに
は、バックバイアス依存を考慮した電位をドレインに与
えれば良い。
【0025】第2の実施例 図4に、本発明第2の実施例の構成図を示す。同図にお
いて、図2に示した構成と同一のもには同一の符号を付
して、その説明を援用する。図4において、T3 、T4
はビット線電圧制御トランジスタであり、Nチャネルト
ランジスタである。EYはビット線電圧制御トランジス
タT3 、T4 の制御信号である。55はビット線電圧制
御回路である。
【0026】上記構成において、セルの書き込みおよび
読み出し時にはEYは、0Vであり、T3 、T4 は非導
通となり、ビット線電圧制御回路55はビット線B0 、
B1から切り離される。セルの書き込みおよび読み出し
動作は、図2に示した第1の実施例と同様であるのでそ
の説明は省略する。書き込み情報の消去時においては、
セルのドレイン電圧が、T0 、T1 を通してバス線BU
Sから供給されるのではなく、EYに5Vを印加してT
3 、T4 を導通させ、ビット線電圧制御回路55から供
給される構成としている。この構成ではBUSに余分な
容量が付加されないため、高速の読み出しに有利とな
る。なお、本実施例においては、消去時には、Y0 、Y
1 には0Vが印加されT0 、T1 は非導通としてもよ
い。消去の終了は、図2に示した実施例と同様に、消去
電流検出回路20により消去電圧印加回路30に流れる
電流を検出することで制御回路40を動作させて行われ
る。
【0027】第3の実施例 図5に、本発明の第3の実施例の構成図を示す。図2の
構成と同一のものには同一の符号を付して、その説明を
援用する。図5において、60はバス線BUSの電圧を
検出するバス線電圧検出回路である。本実施例では、消
去終了は第1および第2の実施例とは異なり、消去電流
検出回路により消去電流の値を検出するのではなく、バ
ス線電圧検出回路60によりバス線BUSの電位を検出
することで行なわれる。
【0028】上記構成において、セルの書き込みおよび
読み出しは、図2に示した第1の実施例と同様でありそ
の説明を省略し、セルの消去について第1の実施例との
相違点を説明する。
【0029】共通ソース線SLへの消去電圧の印加は、
図2に示した第1の実施例と同様に、T2 を非導通にす
ることで共通ソース線SLを基準電源線から切り離すと
ともに、消去電圧発生回路10および消去電圧印加回路
30による共通ソース線SLへの消去電圧印加によって
行われる。セルの消去が進むにつれFGの電位は上昇し
ていくが、それに追随してビット線(B0 、B1 )の電
位も、同一ビット線に接続されたセルトランジスタのF
Gの中で最も高い電位からVthO (正確にはバックバイ
アス依存を考慮した値)だけ低下した電位まで上昇して
いく。最も高いFGの値(即ち、最も消去の進んだセル
のFGの値)が、上式(2)の値になった時のビット線
の電位(正確には、T0 、T1 を通したBUSの電位)
が、上式(3)の値になったことをバス線電圧検出回路
60により検出することで消去を終了させれば、過剰消
去を起こすことなくセルの消去が完了する。
【0030】なお、上記各実施例では、2×2のセルア
レイの構成により説明したが、本発明はこれに限定され
るものでないことは明らかである。また、セルアレイを
複数に分割し、その分割したサブアレイ毎に情報の消去
をするようにしてもよい。これは、共通ソース線SLを
サブアレイ毎に分割し、消去を行うサブアレイのみに消
去電圧を印加することにより容易に達成される。さらに
は、分割したサブアレイ毎に検出回路および消去電圧印
加を制御する制御回路を備え、サブアレイ毎に独立して
情報の消去の制御を行うようにしてもよい。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
消去・読出し・判定の繰り返し制御といった複雑な制御
回路を必要とせず、簡単な回路構成で過剰消去のない消
去動作を行うことが可能となるため、高集積フラッシュ
EEPROM等の設計およびシステムの簡略化に寄与す
る所極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図である。
【図2】本発明の第1の実施例の電気的に書き替え可能
な不揮発性半導体記憶装置の構成図である。
【図3】メモリセルにおけるフローティングゲートと各
電極間の容量結合を示す模式図である。
【図4】本発明の第2の実施例の構成図である。
【図5】本発明の第3の実施例の構成図である。
【符号の説明】
CG…コントロールゲート FG…フローティングゲート D…ドレイン S…ソース T00、T01、T10、T11…メモリセルトランジスタ T0 、T1 …コラムゲートトランジスタ T2 …共通ソース線制御トランジスタ T3 、T4 …ビット線電圧制御トランジスタ X0 、X1 …ワード線 Y0 、Y1 …コラムデコーダ出力線 B0 、B1 …ビット線 EY…ビット線電圧制御トランジスタT3 、T4 の制御
信号 BUS…バス線 SL…共通ソース線 GND…基準電源線 /ER…共通ソース線制御トランジスタの制御信号 10…消去電圧発生回路 20…消去電流検出回路 30…消去電圧印加回路 40…制御回路 50…バス線電圧制御回路 55…ビット線電圧制御回路 60…バス線電圧検出回路

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コントロールゲート(CG)、フローテ
    ィングゲート(FG)、ドレイン(D)、およびソース
    (S)の電極を有し、前記フローティングゲート(F
    G)に蓄積する電荷により情報が記憶されるセルトラン
    ジスタからなるセル(1)を複数配設したセルアレイ
    と、情報の消去時に前記セル(1)へ消去電圧を印加す
    る消去電圧印加回路(2)と、を備える電気的に書き替
    え可能な不揮発性半導体記憶装置であって、 前記消去電圧印加時に前記フローティングゲート(F
    G)に蓄積された電荷の変化に伴う前記セル(1)の変
    化を検出する検出回路(3)と、 当該検出回路(3)で検出される前記セル(1)の変化
    に対応して、前記消去電圧印加回路(2)における消去
    電圧印加を終了させる制御回路(4)と、を備えたこと
    を特徴とする半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】 コントロールゲート(CG)、フローテ
    ィングゲート(FG)、ドレイン(D)、およびソース
    (S)の電極を有し、前記フローティングゲート(F
    G)に蓄積する電荷により情報が記憶されるセルトラン
    ジスタからなるセル(1)を複数配設したセルアレイ
    と、情報の消去時に前記ソース(S)へ消去電圧を印加
    する消去電圧印加回路(2)と、を備える電気的に書き
    替え可能な不揮発性半導体記憶装置であって、 前記情報の消去時に前記ドレイン(D)を所定の電圧に
    保持する電圧制御回路(50、55)と、 前記消去電圧印加時に前記フローティングゲート(F
    G)に蓄積された電荷の変化により発生する前記ソース
    (S)に流れる電流の変化を検出する電流検出回路(2
    0)と、 当該検出回路(20)で検出される電流に対応して、前
    記消去電圧印加回路(2)における消去電圧印加を終了
    させる制御回路(40)と、を備えたことを特徴とする
    半導体記憶装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の半導体記憶装置におい
    て、 前記電圧制御回路(50、55)により保持される前記
    ドレイン(D)の電圧は、前記ソース(S)に印加され
    る電圧をVERS 、前記フローティングゲート(FG)と
    前記ソース(S)間の容量をCFS、前記フローティング
    ゲート(FG)と他の電極間の全容量をCT とした場合
    に、略 VERS ×CFS/CT であることを特徴とする半導体記憶装置。
  4. 【請求項4】 コントロールゲート(CG)、フローテ
    ィングゲート(FG)、ドレイン(D)、およびソース
    (S)の電極を有し、前記フローティングゲート(F
    G)に蓄積する電荷により情報が記憶されるセルトラン
    ジスタからなるセル(1)を複数配設したセルアレイ
    と、情報の消去時に前記ソース(S)へ消去電圧を印加
    する消去電圧印加回路(2)と、を備える電気的に書き
    替え可能な不揮発性半導体記憶装置であって、 前記消去電圧印加時に前記フローティングゲート(F
    G)に蓄積された電荷の変化により発生する前記ドレイ
    ン(D)の電圧の変化を検出する電圧検出回路(60)
    と、 当該電圧検出回路(60)で検出される前記ドレインの
    (D)の電圧に対応して、前記消去電圧印加回路(2)
    における消去電圧印加を終了させる制御回路(40)
    と、を備えたことを特徴とする半導体記憶装置。
  5. 【請求項5】 請求項1、請求項2又は請求項4記載の
    半導体記憶装置において、 前記消去電圧印加回路(2)の印加する消去電圧は、内
    部昇圧により生成される、ことを特徴とする半導体記憶
    装置。
  6. 【請求項6】 請求項1、請求項2又は請求項4記載の
    半導体記憶装置において、 前記セルアレイは、複数のサブアレイからなり、 前記情報の消去は、前記サブアレイ毎になされる、 ことを特徴とする半導体記憶装置。
  7. 【請求項7】 請求項1記載の半導体記憶装置におい
    て、 前記セルアレイは、複数のサブアレイからなり、 前記サブアレイそれぞれに前記検出回路(3)および制
    御回路(4)を備え、 前記情報の消去時の制御が、前記サブアレイ毎に独立し
    てなされる、 ことを特徴とする半導体記憶装置。
  8. 【請求項8】 請求項2記載の半導体記憶装置におい
    て、 前記セルアレイは、複数のサブアレイからなり、 前記サブアレイそれぞれに前記電圧制御回路(50、5
    5)、電流検出回路(20)および制御回路(40)を
    備え、 前記情報の消去時の制御が、前記サブアレイ毎に独立し
    てなされる、 ことを特徴とする半導体記憶装置。
  9. 【請求項9】 請求項4記載の半導体記憶装置におい
    て、 前記セルアレイは、複数のサブアレイからなり、 前記サブアレイそれぞれに前記電圧検出回路(60)お
    よび制御回路(40)を備え、 前記情報の消去時の制御が、前記サブアレイ毎に独立し
    てなされる、 ことを特徴とする半導体記憶装置。
JP24004191A 1991-09-19 1991-09-19 半導体記憶装置 Withdrawn JPH0581883A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08111096A (ja) * 1994-10-12 1996-04-30 Nec Corp 半導体記憶装置及びその消去方法
US7735046B2 (en) * 2007-04-16 2010-06-08 International Business Machines Corporation E-fuse and method

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