JPH0696592A - 不揮発性半導体メモリ装置 - Google Patents

不揮発性半導体メモリ装置

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JPH0696592A
JPH0696592A JP24367792A JP24367792A JPH0696592A JP H0696592 A JPH0696592 A JP H0696592A JP 24367792 A JP24367792 A JP 24367792A JP 24367792 A JP24367792 A JP 24367792A JP H0696592 A JPH0696592 A JP H0696592A
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JP
Japan
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write voltage
batch
memory cells
memory cell
drain
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Application number
JP24367792A
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English (en)
Inventor
Tadashi Miyagawa
川 正 宮
Masamichi Asano
野 正 通 浅
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 フラッシュE2 PROMにおいて、消去動作
に要する全時間中の書き込み時間を短縮し、消去の高速
化を可能にする。 【構成】 フローティングゲート、コントロールゲー
ト、ソース及びドレインを有する不揮発性のメモリセル
の複数がアレイ状に配置されてメモリセルアレイを構成
しており、選択した前記メモリセルに対する通常書き込
み及び読み出しと、複数の前記メモリセルに対する一括
消去を可能とした不揮発性半導体メモリ装置において、
前記一括消去に先立って、複数の前記メモリセルのコン
トロールゲートに高電圧を印加して、前記各メモリセル
において、前記ソースと前記ドレイン間のチャネル領域
からフローティングゲートに流れるトンネル電流によ
り、一括書き込みを行わせる、一括書込電圧出力手段を
有するものとして構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、不揮発性半導体メモリ
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図10及び図11に、フラッシュE2
ROMに用いられているメモリセルの平面パターンと断
面を示す。通常、フラッシュE2 PROMのメモリセル
への書き込みは、ホットエレクトロン注入により、浮遊
ゲートFGに電子を注入させて行い、消去は、ソースS
に高電圧を与えてF‐Nトンネル電流により、浮遊ゲー
トFGから電子を引き抜くことにより行っている。
【0003】以上の通常の書き込みのメカニズムを、図
12を参照しながら詳しく説明する。
【0004】フローティングゲートFGの電位は、フロ
ーティングゲートFGとコントロールゲートCGのカッ
プリング比をCFC=0.5とし、消去時のVFG電位をV
FG(I) =約1.5vとすると、 VFG=VCG・CFC+VFG(I) =12×0.5+1.5 =7.5v となる。また、5極管動作により、ピンチオフ点PPが
でき、ドレインDの近傍に高電界が発生する。その領域
にホットエレクトロンが発生し、フローティングゲート
FGに電子が注入される。特にブレークダウン領域で書
き込みを行うとドレイン電流は大きい。
【0005】上記通常書き込み時のドレイン電流は図3
のId1として示される。なお、図3において、1はブレ
ークダウン領域を示し、2はセル特性を示し、3は書き
込み負荷トランジスタの特性を示す。
【0006】上記の様な構造のメモリセルで、メモリ装
置を構成すると、消去時に過度に電子が引き抜かれ、メ
モリセルのしきい値Vthが負になってしまうことがあ
る。しきい値が負となったセルと同一のデータ線に接続
された他の書き込み済のセルのデータを読み出した場合
に、過消去のセルも事実上選択状態となり、誤動作を起
す。このため、メモリセルを過消去状態にすることは避
けねばならない。
【0007】これを防ぐため、従来は、消去を次のよう
にして行っていた。即ち、消去時にすでに消去している
セルを過度に消去しないようにするために、先ず全ビッ
ト(全メモリセル)に書き込みを行い、その後に全ビッ
トを消去して、全てのメモリセルの消去レベルが均一に
なる様にしている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】例えば1Mビットの製
品(128k×8ビット構成)に消去時にあらかじめ全
ビットに書き込みを行う場合を考える。1バイトの書き
込み時間が100μs程度かかるとすると、全ビット書
き込むのに約14秒かかる。その後の全ビット消去が約
1秒で行われる。このため、消去動作の大部分が書き込
みの時間となり、高速で一括全ビット消去できる利点が
なくなる。このようなアルゴリズムを用いると、集積度
が上った場合に、ますます、全消去時間に占める書き込
み時間の割合が増え、一括消去のメリットがなくなる。
【0009】しかし、現状の書き込みメカニズムでは、
全ビット一括書き込みは行えない。その理由は、一括書
き込みを行うと、過大の書き込み電流が流れ、配線の溶
断等の破壊につながるためである。
【0010】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的は、フラッシュE2 PROMにおいて、消去動
作に要する全時間中の書き込み時間を短縮し、消去の高
速化を可能にすることにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の不揮発性
半導体メモリ装置は、フローティングゲート、コントロ
ールゲート、ソース及びドレインを有する不揮発性のメ
モリセルの複数がアレイ状に配置されてメモリセルアレ
イを構成しており、選択した前記メモリセルに対する通
常書き込み及び読み出しと、複数の前記メモリセルに対
する一括消去を可能とした不揮発性半導体メモリ装置に
おいて、前記一括消去に先立って、複数の前記メモリセ
ルのコントロールゲートに高電圧を印加して、前記各メ
モリセルにおいて、前記ソースと前記ドレイン間のチャ
ネル領域からフローティングゲートに流れるトンネル電
流により、一括書き込みを行わせる、一括書込電圧出力
手段を有するものとして構成される。
【0012】本発明の第2の不揮発性半導体メモリ装置
は、複数のメモリセルブロックを有し、前記各ブロック
は、フローティングゲート、コントロールゲート、ソー
ス及びドレインを有する不揮発性のメモリセルの複数が
アレイ状に配置されたものであり、前記各ブロック毎に
おいて、選択した前記メモリセルに対する通常書き込み
及び読み出し並びに複数の前記メモリセルに対する一括
消去を可能とした不揮発性半導体メモリ装置において、
前記各ブロック毎の前記一括消去に先立って、前記複数
のブロックのうちの選択した任意のブロック中の複数の
前記メモリセルのコントロールゲートに高電圧を印加し
て、前記任意のブロック中の前記各メモリセルにおい
て、前記ソースと前記ドレイン間のチャネル領域からフ
ローティングゲートに流れるトンネル電流により、一括
書き込みを行わせる、一括書込電圧出力手段を有するも
のとして構成される。
【0013】本発明の第3の不揮発性半導体メモリ装置
は、前記第1又は第2の不揮発性半導体メモリ装置にお
いて、前記通常書き込み時に、前記メモリセルのコント
ロールゲートに通常書き込み電圧を加える、通常書込電
圧出力手段を、前記一括書込電圧出力手段とは別体に設
けたものとして構成される。
【0014】本発明の第4の不揮発性半導体メモリ装置
は、前記第1又は第2の不揮発性半導体メモリ装置にお
いて、前記通常書き込み時に、前記メモリセルのコント
ロールゲートに通常書き込み電圧を加える通常書込電圧
出力手段を、前記一括書込電圧出力手段と一体に設け
て、前記通常書込電圧と前記一括書込電圧とを切り換え
出力する複合書込電圧出力手段としたものとして構成さ
れる。
【0015】本発明の第5の不揮発性半導体メモリ装置
は、前記第3又は第4の不揮発性半導体メモリ装置にお
いて、前記通常書込電圧出力手段は、前記メモリセルの
ドレイン近傍に発生したホットエレクトロンがフローテ
ィングゲートに注入される電圧値の前記通常書込電圧を
出力するものとして構成される。
【0016】
【作用】一括消去に先立って行われる一括書き込みにお
いては、一括書込電圧出力手段からの一括書き込み電圧
が、各メモリセルのコントロールゲートに加えられる。
これにより、各メモリセルにおいては、チャネル領域か
らフローティングゲートにトンネル電流が流れて書き込
みが行われる。トンネル電流の電流値は小さいことか
ら、複数のメモリセルについて一括して書き込んでも、
その書き込みに要する全電流値は小さなものに抑えられ
る。
【0017】
【実施例】本発明の第1の実施例を図1に示した。図1
においては、書き込み/読み出し切り換え回路WRと、
第1一括書き込み回路WH1と、第2一括書き込み回路
WH2が設けられている。さらに、ワード線WLi のロ
ウデコーダRD寄りと反対側とに、トランスファゲート
WT11〜WT1m,WT21〜WT2mが設けられて
いる。ロウデコーダRDにはSW昇圧回路BSが接続さ
れている。読み出しに当っては、ロウデコーダRD、カ
ラムゲートCGで1つのメモリセルCを選択する。選択
したセルCの電流値に基づいて、センスアンプSAでデ
ータが“0”,“1”のいずれかを判定する。読み出し
たデータは、I/Oバッファ(出力せず)を通して出力
される。
【0018】次に、書き込みモードについて説明する。
ここでは、例えば、8ビット構成の場合の1バイト単位
の通常の書き込みについて説明する。
【0019】ロウデコーダLDとカラムゲートCGとに
より選択されたセルCには、ドレイン電圧VD =6v、
ソース電圧VS =0v、コントロールゲート電圧VCG
12vが印加される。ドレイン近傍の高電界により、ホ
ットエレクトロンが発生する。このエレクトロンがフロ
ーティングゲートに注入され、書き込みが行われる。こ
のとき、アバランシェ効果により約数mAのドレイン電
流が流れる。
【0020】次に、消去モードについて説明する。ソー
ス電圧VS =12v、ドレイン電圧VD =コントロール
ゲート電圧VCG=0vとする。これにより、フローティ
ングゲートとソース間のゲート酸化膜(約100オング
ストローム)に電界がかかり、F‐Nトンネル電流によ
り、フローティングゲート中の蓄積電子が抜き取られ
る。
【0021】この消去の際に、事前に全ビットのセルを
書き込み済の状態にする必要がある。この書き込みは、
通常のモードとは異なる方法で行う。その理由は、通常
のモードで多ビットに同時に書き込みを行うと、過大電
流が流れ、配線等が破壊する恐れがあるからである。こ
の書き込みは、通常のモードのバイト単位の書き込みと
異なり、全ビット一括書き込みを行う。即ち、コントロ
ールゲート電圧VCG=18v、ドレイン電圧VD =2
v、ソース電圧VS =0vとする。これにより、ソース
近傍からのトンネル電流により、フローティングゲート
に電子を注入する。これにより、ドレイン電流は通常の
書き込みと比較し大変少なくなる。これにより、過電流
によるAl配線切れ等の破壊はなくなる。よって、全ビ
ットを同時に一括書き込みすることが可能となる。
【0022】以上の本発明の実施例での一括書き込みの
メカニズムについて、図2を参照して説明する。
【0023】フローティングゲートFGの電圧は、図1
1の場合と同様に、カップリング比CFC=0.5とすれ
ば、 VFG=18×0.5+1.5=10.5v となる。また、3極管動作によってチャネルchが形成
されている。ソースSの近傍では、チャネルchからフ
ローティングゲートFGに向って、約10MV/cmの電
界(ゲート酸化膜を約100オングストロームとしたと
き)が発生している。チャネルchからトンネル電流に
よってフローティングゲートFGに電子が注入される。
ドレイン電圧2vとした3極管領域の動作であり、図3
からわかるように、ドレイン電流Id2は小さい。
【0024】上記した消去動作のアルゴリズムの一例を
図4のフローチャートを参照しつつ説明する。
【0025】図4中、ブロックAは消去特性を均一にす
るために一度全ビットに書き込む動作を行うための部分
であり、ブロックBは消去及びベリファイの動作を行う
ための部分である。即ち、先ずバイト単位での書き込み
を行う(S1)。次いで、書き込みベリファイを行う
(S2)。もし、プログラムNGの場合には、ステップ
S1に戻る。この追加プログラムは最大25回まで実施
される。ステップS2において書き込みベリファイOK
の場合はステップS3に移る。全番地がプログラムでき
ていない場合はステップS1に戻り、プログラムできて
いる場合にはステップS4に移る。ステップ4では、消
去パルス10msecで、全ビットを一括消去する。ステッ
プS5において、消去ベリファイNGの場合はステップ
S4に戻る。もし、消去されないセルがある場合は追加
消去を行う。最大3000回まで追加消去を行う。ステ
ップS5において消去ベリファイOKの場合は、消去動
作を終了する。
【0026】図5は図1の一具体例を示す。
【0027】書き込み/読み出し切り換え回路WRは、
トランスファゲートWT11〜WT1mのゲートに接続
されたラインWRLに、通常のバイト単位の書き込み時
にVPP(=12v)を与え、通常の書き込み以外の時
(リード時/消去時/一括書き込みモード時)はV
CC(=5v)を与える回路である。
【0028】通常書き込み時は、<Prog >=15v,
NProg =0vとなり、VPP電位がトランジスタ10
1,102を介してラインWRLに印加される。通常書
き込み時以外は<Prog >=0v,NProg =5vとな
り、トランジスタ103を介してラインWRLにVCC
印加される。
【0029】第1、第2一括書き込み回路WH1,WH
2は、全ビット一括書き込み時にのみ動作して、高電圧
(約18V)を全ワード線に印加するための回路であ
る。第2一括書き込回路は、一括書き込み時のワード線
電位をつくる回路であり、WHL2=約18vを発生す
る。WH2(=約18v)は、WHL1によってオン/
オフさせられるトランスファゲートWT21〜WT2m
を介して全ワード線WLに印加される。WHL1は第1
一括書き込み回路でつくられる。第1一括書き込み回路
WH1は、第2一括書き込み回路WH2で発生した電位
を、電位降下させずに全ワード線WLに印加できる様
に、トランスファゲートTW1〜TWmゲートに昇圧電
位(約23v)を印加する回路である。
【0030】一括書き込み時、OSCとして発振波形が
与えられ、PBE=“H”(=5v)、NPBE=
“L”(=0v)となる。
【0031】第1一括書き込み回路WH1では、トラン
ジスタ201,202,203によって、〔0v−VCC
(5v)〕の振幅の信号を、〔0v−VPP(12v)〕
の振幅の信号に変換する。キャパシタ204、トランジ
スタ206,207によって、VPPより昇圧した電位を
発生する。トランジスタ205,210は、一括書き込
み時にオン/オフし、一括書き込み時以外にオフ/オン
するスイッチとしての働きをする。図中、208,20
9は高電位を緩和するためのトランジスタである。第1
一括書き込み回路WH1は、2VPP−2VTHI (=約2
4−1=23v)の電位を発生する。一括書き込み時以
外は、トランジスタ210によりグランドGNDに接続
され、0vになる。
【0032】第2一括書き込み回路WH2のトランジス
タ301〜310の動作は、第1一括書き込み回路WH
1と同じである。トランジスタ312,313,314
は、電圧リミッタ回路であり、WHL2を、VPP+2V
THE (=約12+6v=18v)に設定している(V
THE はEタイプトランジスタのVTH)。一括書き込み時
以外は、トランジスタ310により、トランジスタ30
5,312,311のゲートを0v(GNDレベル)に
する。トランジスタ315からVCCが供給されることに
より、WHL2はVCC(=5v)になる。
【0033】RS1 〜RSr は、ロウデコーダLDのバ
ッファ前段の信号である。アドレスの選択により、選択
ロウは“L”(=0v)、非選択ロウは“H”(=VCC
=5v)になる。C11〜Cmnはメモリセルであり、ワー
ド線、ビット線に接続されている。
【0034】リード時は、WRL=5v、WHL1=0
v、WHL2=5vである。トランスファゲートWT1
1〜WT1mはオンし、トランスファゲートWT21〜
WT2mはオフし、ロウデコーダLDで選択されたワー
ド線のみがSW(=5v)になる。
【0035】通常書き込み時は、WRL=12v,WH
L1=0v,WHL2=5vである。リード時と同様、
トランスファゲートWT11〜WT1mはオン、トラン
スファゲートWT21〜WT2mはオフする。但し、ト
ランスファゲートWT11〜WT1mのゲートはVPP
ベルと高くなっており、選択されたワード線にはSW
(=12v)が伝えられる。
【0036】一括書き込み時は、WR1=0v,WHL
1=23v,WHL2=18vである。トランスファゲ
ートWT11〜WT1mはオン状態であり、全ワード線
にWHL2=18vが印加される。トランスファゲート
WT11〜WT1mはDタイプトランジスタであるが、
ワード線が|VTHD |以上になると、カットオフし、ロ
ウデコーダLDと切り離される。
【0037】消去時は、WRL=5v,WHL1=0
v,WHL2=5vである。RS1 〜RSr は全てVCC
(=5v)となり、全ワード線をグランドGNDにす
る。
【0038】スタンバイ時も、WRL=5v,WHL1
=0v,WHL2=5vである。RS1 〜RSr はVCC
(=5v)となり、全ワード線を非選択状態にする。
【0039】各モードにおいて、ロウデコーダRD
(A)を駆動する信号RSi 、ワード線電位SW,WR
L,WH1,WH2,PBE,Prog の電位を第1表に
示した。
【0040】 第 1 表 RSi WLi SW WRL WHL1 WHL2 PBE <Prog> 読み出し 選択セル 0 5 5 5 0 5 0 0 非選択セル 5 0 5 5 0 5 0 0 書き込み 選択セル 0 12 12 12 0 5 0 15 (通常) 非選択セル 12 0 12 12 0 5 0 15 一 括 消 去 5 0 5 5 0 5 0 0 一括書き込み 0 18 5 5 23 18 5 0 (単位:v) また、SW昇圧回路BS(A)の出力SW(A)の電位
は、第2表に示される。
【0041】 第 2 表 通常書き込み 一括書き込み リード 一括消去 SW(B) 12 18 5 5 SW(A) 12 5 5 5 (一括書き込み回路か らワード線昇圧) (単位:v) 図6は本発明の第2の実施例を示す。この実施例は、メ
モリセルアレイMCAを幾つかのブロックB1〜Blに
分割し、それぞれのブロックB1〜Blを独立に書き換
え可能としたメモリ装置である。
【0042】ブロック毎の消去、書き込み及びブロック
毎の一括書き込みを行うため、一括書き込み電圧WHL
2をワード線WLに転送する。各ブロックに接続された
トランスファゲートを他のブロックのゲートと独立的に
駆動するため、第1一括書き込み回路WH1を、メモリ
セルアレイのブロックB1〜Blに対応させてl分割し
てl個の一括書き込み回路WH11〜WH1lとし、そ
れぞれの回路WH11〜WH1lの出力端をメモリセル
アレイのブロックB1〜BlのトランスファゲートWT
211〜WT21l,WT2m1〜WT2mlに接続し
ている。
【0043】図7に示される本発明の第4の実施例は、
通常の書き込み時、読み出し時、一括書き込み時のワー
ド線電位を同一回路〔ロウデコーダRD(B)〕でつく
るようにしたものである。この回路構成としたときに
は、第1及び第2一括書き込み回路WH1,WH2はな
くても良い。さらに、この回路は、一括書き込み回路、
書き込み/読み出し回路を備えず、ワード線にもトラン
スファゲートを用いず、従来タイプと同じ構成である。
この構成で、一括書き込みを行えるように、SW昇圧回
路BS(B)とロウデコーダRD(B)を回路的及びプ
ロセス的に対策を施した実施例である。SW昇圧回路B
S(B)及びロウデコーダRD(B)の具体例は、図
8、9にそれぞれ示される。ロウデコーダRD(B)の
回路構成はロウデコーダRD(A)と同じである。ただ
し、後述のように、18v印加時にも酸化膜が破壊する
のを防止するため、酸化膜を厚くしている。出力SW
(B)は第2表に示される。
【0044】図8において、出力SW(B)は、図9の
ロウデコーダRD(B)の最終段バッファのP−chト
ランジスタのソース等に加えられる。この回路では、一
括書き込み時にはVCG=18vかかる。この際のロウデ
コーダRD(B)のバッファ部のジャンクション耐圧及
びゲート酸化膜耐圧が問題となる。耐圧向上のため、各
トランジスタのジャンクション部分は高耐圧構造とす
る。即ち、図9に破線の丸で囲んだ高電圧のかかるトラ
ンジスタのゲート酸化膜を他のトランジスタより厚く作
っている。
【0045】これにより、図7に示す従来例の様な構成
のメモリ装置においても、各電圧を通常書き込み、一括
書き込みの電圧にすることにより、メカニズムの異なる
書き込みが可能となる。
【0046】なお、図9中において、RDMはロウデコ
ーダメイン部であり、RAi ,RBi ,RCi ,RDi
はロウアドレスに基づいて決まるプレデコーダからの信
号である。
【0047】本発明の実施例によれば、消去前における
全ビットに対する書き込みを、全ビット一括同時書き込
みができるようにしたので、消去時間の大幅な短縮が可
能である。例えば、1Mのセルで15秒かかっていた消
去時間を、約1秒に短縮することができる。これによ
り、高速でのデータ書き換えができ、電気的書き換えが
出来るE2 PROMの利点にさらに付加価値が加わる。
【0048】
【発明の効果】本発明によれば、過電流を流すことなく
複数のメモリセルに対して一括書き込みができ、これに
より過消去状態の発生を防ぎつつも一括消去に要する総
時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の回路図。
【図2】一括書き込みのメカニズム説明図。
【図3】書き込み電流を示すグラフ。
【図4】2層セルの消去フローチャート。
【図5】図1の具体例。
【図6】本発明の第2実施例の回路図。
【図7】第3実施例の回路図。
【図8】図7の一部の具体例。
【図9】図7の一部の具体例。
【図10】2層セルの平面図。
【図11】図10のA−A′断面図。
【図12】通常書き込みのメカニズム説明図。
【符号の説明】
C(C11〜Cmn) メモリセル RD(A),RD(B) ロウデコーダ BS(A),BS(B) SW昇圧回路 WH1,WH2 第1、第2一括書き込み回路

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】フローティングゲート、コントロールゲー
    ト、ソース及びドレインを有する不揮発性のメモリセル
    の複数がアレイ状に配置されてメモリセルアレイを構成
    しており、選択した前記メモリセルに対する通常書き込
    み及び読み出しと、複数の前記メモリセルに対する一括
    消去を可能とした不揮発性半導体メモリ装置において、 前記一括消去に先立って、複数の前記メモリセルのコン
    トロールゲートに高電圧を印加して、前記各メモリセル
    において、前記ソースと前記ドレイン間のチャネル領域
    からフローティングゲートに流れるトンネル電流によ
    り、一括書き込みを行わせる、一括書込電圧出力手段を
    有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。
  2. 【請求項2】複数のメモリセルブロックを有し、前記各
    ブロックは、フローティングゲート、コントロールゲー
    ト、ソース及びドレインを有する不揮発性のメモリセル
    の複数がアレイ状に配置されたものであり、前記各ブロ
    ック毎において、選択した前記メモリセルに対する通常
    書き込み及び読み出し並びに複数の前記メモリセルに対
    する一括消去を可能とした不揮発性半導体メモリ装置に
    おいて、 前記各ブロック毎の前記一括消去に先立って、前記複数
    のブロックのうちの選択した任意のブロック中の複数の
    前記メモリセルのコントロールゲートに高電圧を印加し
    て、前記任意のブロック中の前記各メモリセルにおい
    て、前記ソースと前記ドレイン間のチャネル領域からフ
    ローティングゲートに流れるトンネル電流により、一括
    書き込みを行わせる、一括書込電圧出力手段を有するこ
    とを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。
  3. 【請求項3】前記通常書き込み時に、前記メモリセルの
    コントロールゲートに通常書き込み電圧を加える、通常
    書込電圧出力手段を、前記一括書込電圧出力手段とは別
    体に設けた、請求項1又は2に記載の不揮発性半導体メ
    モリ装置。
  4. 【請求項4】前記通常書き込み時に、前記メモリセルの
    コントロールゲートに通常書き込み電圧を加える通常書
    込電圧出力手段を、前記一括書込電圧出力手段と一体に
    設けて、前記通常書込電圧と前記一括書込電圧とを切り
    換え出力する複合書込電圧出力手段とした、請求項1又
    は2に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
  5. 【請求項5】前記通常書込電圧出力手段は、前記メモリ
    セルのドレイン近傍に発生したホットエレクトロンがフ
    ローティングゲートに注入される電圧値の前記通常書込
    電圧を出力するものとして構成されている、請求項3又
    は4に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
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