JPS59967A - 半導体不揮発性記憶装置 - Google Patents

半導体不揮発性記憶装置

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JPS59967A
JPS59967A JP58097831A JP9783183A JPS59967A JP S59967 A JPS59967 A JP S59967A JP 58097831 A JP58097831 A JP 58097831A JP 9783183 A JP9783183 A JP 9783183A JP S59967 A JPS59967 A JP S59967A
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JP
Japan
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gate
writing
memory
terminal
voltage
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Application number
JP58097831A
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English (en)
Inventor
Ryuji Kondo
近藤 隆二
Mitsumasa Koyanagi
光正 小柳
Yuji Tanida
谷田 雄二
Shinichi Minami
眞一 南
Takaaki Hagiwara
萩原 隆旦
Yokichi Ito
伊藤 容吉
Katsutada Horiuchi
勝忠 堀内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/792Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with charge trapping gate insulator, e.g. MNOS-memory transistors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)
  • Read Only Memory (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

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】 本発明は、トンネル注入型半導体不揮発性記憶素子の書
込み時間を大幅に短縮できる素子構造に関するものであ
る。
従来の半導体不揮発性素子は、第1図(a)に示す構造
を有している。図において、例えば、8はP形Si基板
、9.16はN形不純物層(ソース、ドレイン)、1o
は薄い5i02薄、5は厚い5in2薄、7はSi、N
4薄、4はゲート電極である。第1図(a)に示す素子
(101〜1o4)は第1図(b)に示す様にマトリク
ス状に配列されメモリ装置として用いられる。
第1図(b)の従来のメモリ装置では、書込み時にワー
ドラインG、、G、(記憶素子のゲート端子3を接続し
たライン)に高電圧を印加するため、ピットライン(記
憶素子のドレインまたはソースをつないだライン)を共
通にしている記憶素子が電気的につながるようになって
いる。このため、各ワード毎に、書込みを行なう必要が
生じ、書込み時間が長くなるという欠点を持っていた。
そこで、以下では、ビットラインS1 、S2 。
D、、D2を共用している記憶素子を書込み時に電気的
に分離できる構造にしても書込み動作が可能であること
を示す。本発明の装置は、素子構造上は、記憶素子領域
およびその領域を電気的に分離できるようなコントロー
ルゲート(又はコントロールトランジスタ)をもつでい
ることを特徴としでいる。本発明の素子を用いることに
よって、書込み時間を大幅に短縮することができる。例
えばIKワードのメモリアレイに書込みを行なう場合に
は、従来の方法を用いると、記憶素子の書込み時間(約
1 m sec程度)×IKワード分であるから、1秒
必要とするが、本発明の素子を用いると、Si基板表面
につくられた反転層内に電荷を注入する時間(約1μs
ec程度)XI Kワード+書込み時間となり、2 m
 secで書込みが完了する0実施例 以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明するり 以下の実施例では、便宜上NチャンネルMNO8素子を
用いた半導体不揮発性記憶装置について説明する。なお
、NチャンネルMNO8素子については、[Japan
ese Jovrnaj of AppjiedPhy
sics、 Vojnme 18 (1979) Su
ppje−ment 18−1 pp、 21〜26」
に詳述されている。
第2図18)は本発明の実施例の1つであシ、基板8(
例えばp型Stと考える。)内に反対導電型の領域9(
例えばN+領領域を形成し、この領域9に接してゲート
酸化膜(Sin、)11をかいしてコントロールゲート
12が形成されている。
さらにこのコントロールゲート12に接し、かつ領域9
から離れで、トンネル現象が生ずるに十分な膜厚をもっ
た薄い酸化II(Sin2 )1oP3工び電荷蓄積に
用いるナイトライド(S 13N4)11に7上に多結
晶Siゲート6が形成されている。なお、21〜23は
取出し電極である。第2図1a)の実施例では、読み出
しは、通常のI MOS −I Tran −5ist
or型のダイナミックR,AMと同じであるが、書込み
は第2図(b)に示すようなタイミングで各端子に電圧
を印加する。すなわち、はじめに端子3に書込み電圧(
例えば25Vとする。)を印加して因、薄い酸化膜10
の下にあるSi基板上に空乏層をつくり、その後端子1
に書込みを行ないたい場合にはOv印加しくC2)、書
込みを行なわない場合には端子lに+5vを゛印加しく
C3)、その後端子2に+5v(トランジスタのしきい
値電圧以上)を印加する(B)と、端子1がovの時の
みにN 領域から電荷が注入されて薄い酸化膜lOの下
にあるSi基板上に反転層が生じ書き込みが生じる。一
方、端子1に5vが印加されていると、実効的にはゲー
ト2にOv端子1にQVが印加されかつバックバイアス
が一5vにねっているのと等価であり、トランジスタは
オフされており、端子1からの電子の注入はおきず、書
き込みは起きない。端子2に印加するパルス幅はトラン
ジスタを流れる電流と、反転層内に蓄積すべき電荷量に
よってきまるが、例えば通常のN−チャンネルMOSト
ランジスタ(ゲート酸化膜11の厚さ7.5nmW/L
=1.薄い膜化l110によっておおわれている面積を
10μm×10μm)とすれば、パルス幅は約50 n
 secとなる。プレイ状に配列した場合には、1つの
bitの書込み時間内に他のbitを書込み状態にする
ことができる。
第2図(a)に示した素子をアレイ状に配列した場合の
例を第3図に示し、この場合の書込みのタイミングを第
4図に示す。すなわち、第3図において通常のダイナミ
ックRAM動作をさせる場合には、全ビットの不揮発性
記憶素子領域(ゲート6下の領域)のVPB(フラット
パ/ド電圧)を十分負の側に移動させて(この状態を以
下では消去状態と呼ぶ)、書き込みワードラインSGI
および8G2に接続された不揮発性記憶素子部のゲート
(第2図(a)の3)をOVとして用いる。今、このダ
イナミックRAM動作中に、(1,1)および(2,2
)が°1”状態(不揮発性記憶素子部のゲート下に反転
層が形成された状態をさす。)となり、(1,2)およ
び(2,1)が0”状態(不揮発性記憶素子部のゲート
下に空乏層が形成されている状態をさす。)となったと
する。この状態で、各ビットの情報を不揮発性素子に書
込むには、第4図に示すように01をオン(+5v印加
)シ、l)1 、D2に5Vt印加Lr(1,1)およ
び(1,2)を読み出しくR)、つづいてS01に書込
み電圧25Vを印加し、DlのみをOVK下げると、(
1、1)(7)4d18GI K+25V印加されたま
まで”l″状態なり(1,1)の書込み(W)が開始さ
れる。すなわち、この手順は通常のダイナミックt’L
AM動作における読出しを行なった後にSGlを+25
Vに上げてリフレッシュ(R,F)のための書込みを行
なうことである。同様に(2,1)(2,2)の素子に
対しても(1,1)および(1,2)の素子のリフレッ
シュが完了した時点(時間1=12 )から読み出しく
R)を行なった後にSG2を+25Vに上げてリフレッ
シュ(RF)を行なうことになる。
第4図から見ると、(1,1)の書込み時間(1゜−t
2)と(2,2)の書込み時間(1,−14)が違って
いるようにみえる。しかし、すでに記述したように、読
み出しおよびリフレッシュに要する時間(14−1,)
は書込み時間(例えば(1,−1,)にくらべて十分短
かいために、書込み時間が異なることによって蓄積電荷
量が違ってくるという心配はいらない。上記のようにし
て記憶された各bitの情報を再び通常のダイナミック
RAM動作が可能なようにもとにもどすには、各書込み
ワードライン(SGIまたはSG2 )毎に、各bit
の情報を一旦ビットライン(DIおよびG2)の先にも
うけたフリラグフロップ回路等の記憶回路に記憶してお
き、その間にそのワードラインを消去状態として、情報
をもとにもどすという手順をふむ必要がある。
一方、通常のEAROM動作をさせる場合には、データ
を外部から与えるために第4図に示しためんどうな方法
を用いる必要はなく、SG1およびSG2に同時に書込
み電圧(+25V)を印加して、書込みたいbit  
に対してはピットラインCDI 、G2 >tnVIl
c”)−ド:yイy(G1.G2)を5vに、また書込
みたくないbitに対してはピットライy(1)1 、
G2 )t+5VKL、r、全ビットをスキャンしてや
ればよいことは明らかである。
上記のように、第2図(a)に示した素子を用いること
によって、ダイナミックRAM動作、EAR,OM動作
が可能であシかつ相互の動作を交互にくりかえすことも
可能である。
第5図〜第9図は本発明の他の実施例を示している。
第5図は、不揮発性記憶素子領域のゲート6とコントロ
ールトランジスタのゲート12との間にN+領域13を
もっておシ、素子動作上は、このN+領領域あってもま
ったく変化しない。ただし、このN 領域の面積は、書
込みたくないbitに弱い書込みが生ずることを防ぐた
め不揮発性記憶素子領域の面積にくらべて4倍以下にし
なくてはならない。
第6図〜第9図は、第2図および第5図に示した素子を
2つくつつけた形状をしてカリ(16,18:N+領領
域17:ゲート電極、24.25:取出し電極)、この
ような素子な用いることによって、従来の書込み方法(
EAROM動作、ダイナミックRAM動作)および第2
図を用いて説明した書込み方法(ダイナミックRAM+
EAROM動作)の両方を用いることができると同時に
スタティックな読み出しができるという利点をもついて
いる。
上記実施例は、N−チャンネル、SiゲートMNO8不
揮発性記憶素子を例にとって説明したが、本発明はこの
不揮発性記憶素子に限定されるわけではなく、書込みが
トンネル注入型不揮発性記憶累子全体に対し素子用可能
である。
また、第2図を用いて説明した書込み方法を用いると、
各bitに°0”、l”の2つの情報のみでなく、この
中間の情報を複数個人れることも可能となる。すなわち
、第4図に示したI) 1または1)2がOvになるパ
ルス幅(12−1,または14−13)を調整するが、
またはDlまたはG2のLow Levej(第4図で
は□v)を調整することによって、書込みたいbitの
不揮発性記憶素子領域の反転1−内に注入する電子量を
情報量に工っで変化させることが可能であυ、1bit
 内に2個以上の情報を蓄積することが可能となる。
さらにこの3ゲート構造のメモリセルの用い方として、
中央部のメモリ素子の両側に存在する制御MO8素子の
少くとも一方に電荷を蓄えておき、必要に応じて、メモ
リ素子のゲートに電圧を印加して記憶させる工うな用い
方ができる。第1θ図にこの原理に基づいて形成したM
NO8バックアップダイナミックRAMのメモリセルを
示す。同図18)はメモリセル回路図、同図(b)はメ
モリセル断面構造である。図において、99はAj電極
、100.103,104.109はSiO□膜、10
6.IO2,108は多結晶Siゲート、101はP形
si基板、102はN膨拡散層、105はSi3N4薄
、110はPSG膜である。
通常のダイナミック動作では、MNOS(26)は消去
状態(しきい電圧が負)にしてゲー ト10106(ラ
イン)は接地する。この工うにすればMNOSの両側の
トランジスタがそれぞれ、トランスファMO8(27)
およびスト−レッジMO8(28)となる。停電時には
、トランス77M08(7)ゲート107を接地し、M
Gに25Vの電圧を印加することにより、ストーレッジ
MO8に電荷が蓄えられているかどうかで、MNOSに
電荷が書き込まれるかどうかが決まる。
制御用MO8素子27.28に通常のシリコンゲートプ
ロセスで用いられる高純度のゲート酸化膜を用いたとこ
ろ、MO8素子のgenerationライフタイムは
十分長く、通常のダイナミック動作では全く問題なかっ
た。
次に、本発明の装置であるコントロールトランジスタと
不揮発性半導体容量素子をもつことを特徴とする半導体
装置をダイナミック動作によって通常の1トランジスタ
型ダイナミックRAMのバックアップに用いる場合に必
要となる周辺回路に関して説明する。
第11図に通常の1トランジスタ型ダイナミックR,A
Mのブロック図を示す。図においで、111はメモリア
レイ、112はワード選択デコーダ、113はワード・
アドレス回路、114はプリアンプ、115はデータ入
出力回路、116はピット選択デコーダ、117はビッ
ト・アドレス回路、118は入出力ピン、119.12
0はアドレスピ/である。第12図には、上記不揮発性
記憶素子バックアップの1トランジスタ型ダイナミック
RAMのブロック図を示す。第11図と第12図の違い
は、第12図ではつぎの4つの回路が付加されている点
である。
■ 電源切断再投入検出回路121 ■ 全ワード逐次選別信号発生回路122■ メモリW
ELL電圧コントロール回路123■ 不揮発性メモリ
ゲート電圧コントロール回路 24 上記■、■、′■の回路については、各々独立に設計す
ることができ、タイミングの問題はなく、すでによく知
られた回路で構成することができる。
しかし、不揮発性メモリのゲートに印加する電圧は、ラ
イン131,132とうまくタイミングをとって発生さ
せる必要がある。
第13図には電源切断時、さらに第14図には電源再投
入時において第12図に示した各ラインに印加さnるパ
ルス電圧タイミングを示す。
電源切断時には、電源切断を検出することによってライ
ン134,135.136に第13図に示すパルスを発
生させ、ライン136のパルスによって第12図に示し
た全ワード逐次選別信号発生回路122からライン13
1にはコントロールトランジスタのゲートラインWl、
W2・・・・・・Wnを選択する信号を発生させ、ライ
ン138にはプリアンプ114内の7リツプフロツプ回
路をプリチャージする信号を発生させる。ライン131
の信号によって各ラインW1.W2・・・Wnが選択さ
れるとWl、W2・・・Wnの信号よりおくれで、不揮
発性素子のゲートG1.G2・・・Gnに書き込み電圧
が印加される必要がある。すなわち、第13図においで
、時間tが0からt、までの間に、ラインG1につなが
った不揮発性素子に書込みを行なう準備ができあがり、
tlからt2の間ではG2につながったメモリに書込む
準備ができ、Gnにつながったメモリへの書込み準備が
できた後の1nからt2までの間が不揮発性メモリの書
込み時間である。
一方、電源再投入時には、電源再投入を検串することに
よってライン134,135.136に第14図に示す
パルスを発生させ、ライン136のパルスによってライ
ン131.138のラインに電源切断時と同様にパルス
を発生させる。ライン135におけるパルスに工っでメ
モリが入っているWhCLLに印加するパルスをライン
132に発生させ、ライン135のパルスとライン13
4の電圧によって消去阻止のためのパルスを第12図に
示した不揮発性メモリゲート電圧コントロール回路12
4内で発生させる。′すなわち、第14図において、時
間tがtlBからtlBまでの間に01につながった不
揮発性メモリの消去を行ない、かつ消去したメモリに初
めに不揮発性素子に蓄積してあった情報をもどす。t2
.からt2N!、さらにt からtoでも同様であり、
tlllからt2% l t218 からt33さらにt、(。、1)lからt。8 ’ t
n8以後では、すでにそれまでに消去したビットのリフ
レッシュを行なう時間である。
第15図に、本発明の細部を示す。第15図において一
点鎖線で示した部分が第12図に示した不揮発性メモリ
ゲート電圧コントロール回路124である。
第15図におけるライン139は電源再投入時にプリア
ンプ114をメモリ110と切シはなすための信号を入
れ、ライン140は電源切断時にコントロールトランジ
スタ151のゲートWl。
W2・・・・・・Wnに印加する電圧パルスと不揮発性
素子152のゲートG1.G2・・・Gnに印加する電
圧パルスの間のタイミングをコントロールするための信
号を入れる。ライシ141および142は、電源再投入
時に、ライン135における電圧パルスに同期した信号
が入る。
第16図には、電源切断時において各ライン138〜1
43に印加される電圧パルスのタイミングをまた、第1
7図には、電源再投入時において各ライン135.13
9〜143に印加される!正パルスのタイミングを示す
なお、上記動作においてプリアンプの種類によってはラ
イン138が必要ない場合もあるが基本的な動作として
はまったく変らない。
以上の動作により、メモリ内の情報を一時的にプリアン
プ内に蓄積し、かつプリアンプとメモリアレイを電気的
に切υ離し、一定時間経過後にプリアンプ内の情報をメ
モリアレイ内にもどすことができる。
なお、メモリ内の情報を読み出すためのコントロールト
ランジスタのゲートには双安定回路が接続されている点
が特徴である。
次に、2つのMO8mトランジスタの間に不揮発性半導
体素子をはさみこむ半導体素子(第6゜7.8.9図)
をダイナミック動作によって不揮発性素子に書込みを行
なう場合に必要となる周辺回路に関し説明する。特に書
込みをしたくないビットに弱い書込みがおこることを防
ぐための回路を示す。
第18図に第6図、第7図、第8図の半導体素子の等価
回路を示す。この素子の基本動作は、第19図に示すよ
うに電圧を第18図181〜184で示した各端子に印
加する。第19図において181に+25Vの電圧を印
加すると、第18図のトンネル注入型不揮発性半導体素
子(以下ではMNO8素子を例にとシ説明する。)18
5の基板側に空乏層が広がり、書込みがおこらない。そ
こで第19図で点線で示したように端子182に+5V
を印加して、通常のMO8I−ランジスタ186.18
7をオン状態にすると、MNO8素子の空乏層に電荷が
端子183.184側から注入されて書込みがはじまる
。一方、書込みをしたくないビットに対しでは、端子1
82をOVめままにしてMNO8索子5の基板には空乏
層ができたままにしておく。基本動作は、上記のとおり
であるが、実際には、書込みをしたくないビットにおい
ては端子181に+25Vが印加されると、MNO8素
子185とトランジスタ186.187の境界に大きな
電界が印加される。このため、トランジスタ186,1
87のリーク電流がこの電界によって加速され、ホット
エレクトロンとなってMNO8素子185に注入される
ため、弱い書込みがおきてしまう。実験結果は第20図
に示すが、この弱い書込みは、端子181に印加される
書込電圧v のパルス幅t、よりむしろ書込み阻止回数
依存性が強い。これは書込み阻止の初期に弱い書込みが
おきていると考えられる。
上記の弱い書込みを防ぐために、端子181゜182に
第21図に示すような波形の電圧パルスを印加する必要
がある。すなわち、端子182に+5Vを印加してトラ
ンジスタ6.7をオン状態として端子181にVwtの
電圧を印加してMNO8素子の基板表面における電位を
コントロールした段階で、端子182における電圧をO
vにもどして、トランジスタ6.7をオフして、その後
、端子181を所定の電圧+25Vに上昇することによ
ってMNO8素子185の基板表面とトランジスタ18
6.187の境界における電界が緩和され、弱い書込み
が生じなくなる。
とのVwIの電圧を変えた場合の実験結果を第22に示
す。Vw!= Q Vにくらべて非常によくなっている
ことがわかる0実験結果ではVvyt = 9Vの時が
最もよいことがわかる。
第21図に示したパルスを発生させる回路ブロック図を
第23図に示す。図において、231は遅延回路、23
2は電圧低下回路、233は電圧加算回路、234は高
電圧パルス入力端子、235は出力端子である。乙の第
23図の具体的実施例を第24図に示す。第24図にお
いて236が遅延回路231であp、237が電圧低下
回路238が電圧加算のためのダイオードである。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の半導体不揮発性素子とそれを用いたメそ
リマトリクスを示す図、第2図は本発明の一実施例の半
導体不揮発性素子とその書き込み方法を示す図、第3図
は第2図の半導体不揮発性素子のメモリマトリクスを示
す図、第4図は第3図のメモリマトリクスの動作方法を
示すパルスチャート図、第5図、第6図、第7図、第8
図、第9図、第1O図は”本発明の他の実施例の半導体
不揮発性素子を示す図、第11図は従来のダイナミック
RAMの回路ブロック図、第12図は本発明の半導体不
揮発性記憶素子を用いたダイナミックRAMの回路ブロ
ック図、第13図は第12図のダイナミックRAMにお
ける電源切断時における各ラインのパルスチャートを示
す図、第14図は第12図のダイナミックRAMにおけ
る電源再投入時における各ラインのパルスチャートを示
す図、第15図は第12図のダイナミックRAMの不揮
発性メモリゲート電圧コントロール回路の一例を示す図
、第16図は第15図の各ラインに対する電源切源時の
パルスタイミングチャートを示す図、第17図は第15
図の各ラインに対する電源再投入時におけるパルスタイ
ミングチャートを示す図、゛第18図は第6図、第7図
、第8図の素子の等側回線を示′す図、第19図は第1
8図の素子の基本動作を示すパルスチャートを示す図、
第20図はMNO8素子の弱い書き込み効果を示す図、
第21図は本発明のMNO8素子の動作方法をパルスチ
ャートで示す図、第22図は第21図の動作方法のとき
のMNO8素子の弱い書き込み効果を示す図、第23図
は第21図の動作方法のためのパルス発生回路のブロッ
ク図、第24図は第23図のパルス発生回路の一例を示
す図である。 8・・・P形St基板、9・・・N4形領域、10・・
・薄いStO,膜、11・・・厚い8i0□膜、12・
・・多結晶Stゲート(コントロールトランジスタのゲ
ート)、6・・・多結晶Siゲート(MNO8素子のゲ
ート)、7・・・8i3N4膜、R8・・・読出し信号
。 第  1 図 (^) Cb) yl z 図 (良) (bン 174799  督ぐ− 第 4 図 jAs  図 11Js   図 第 q  図 猶  10  図 (0−) (b) 亮  11  図 +19 IIど 第12図 q 拓  /6  1 1)   ti+  l     tバー+1ハ   
    1t−−−t /V) 石  翫 −N N   l’Q (S ミ ミ ミ 芝 y/118  図 児 zo 図 71’S  zt  図 第 2z目 ¥3 23  図 第1頁の続き 0発 明 者 萩原隆旦 国分寺市東恋ケ窪1丁目280番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 0発 明 者 伊藤容吉 国分寺市東恋ケ窪1丁目280番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 0発 明 者 堀内勝忠 国分寺市東恋ケ窪1丁目280番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 =31

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、少なくとも、1つの制御用MIS)ランジスタと、
    1つの不揮発性記憶機構を有するMIS容量とからなシ
    、前記容量下の基板表面領域に蓄積された情報電荷を上
    記容量の絶縁物中にある電荷蓄積層に注入する手段を有
    することを特徴とする半導体不揮発性記憶装置。
JP58097831A 1983-06-03 1983-06-03 半導体不揮発性記憶装置 Pending JPS59967A (ja)

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