JPS6055595A - 不揮発性ｒａｍメモリセル - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＲＡＭのメモリセルに関し、特に、電気的にプ
ログラム可能な不揮発性メモリエレメントを備えたＲＡ
Ｍメモリセルに関する。

〔従来の技術〕

使用状態において、電源が切断された場合、あるいは、
適正な制御装置の動作の後はどのような場合でも、ＲＡ
Ｍのメモリセルに記憶された情報が保持されることは必
要なことである。

（４） ライン電圧低下が生じた後のこの保持！１１１能は、例
えば蓄電素子を用いてりえられた電荷を保持することに
よって、充分に長い時間、適当な不揮発性メモリエレメ
ントの中の情報の移動や保管を行うことが実現される。

不揮発性メモリエレメントを備えたＴ？　Ａ　Ｍセルは
、例えばｔＪｓ勅許Ｎ０．４，２０７，６１５等に示さ
れるように既に知られている。しかしながら、それらは
とても満足できるものではない。とりわけ、それらは低
電圧回路における使用の互換性のない、非常に高いプロ
グラミング用の電流を必要とし、その結果、内部の増幅
器をｊｍした特別の容量の電流供給が、不揮発性エレメ
ントの要求する高電圧で必要となるので、それらは満足
できるものではないのである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、電気的にプロゲラＪ・可能であり、プ
ログラミング作用が顕著な電流の吸収なしに行える、不
揮発性メモリエレメントを備えたＲＡＭメモリセルを実
現することである。

（５） 〔発明の構成〕 前記目的を達成する本発明のＴ？ＡＭメモリセルは、交
互に導通となったり非導通となったりする２つの相互に
連絡する分岐回路を備えた双安定メモリセルであって、
前記分岐回路の１つは不揮発性メモリエレメントを含ん
でおり、そのメモリエレメントは２つの異なった電気的
状態の一方もしくは他方の状態のもとてプログラム可能
であり、その状態は前記双安定回路が電源ラインが切断
した瞬間の状態であるか、または適正な制御装置が作動
された時の状態であり、またメモリエレメントは前記電
源ラインがターンオンした瞬間の双安定回路の前記状態
への復帰を引き起こすことも可能であって、前記双安定
回路のどちらの分岐回路も制御スイッチエレメントを含
んでおり、それらは電源の状態と双安定回路の他方の分
岐回路の状態によって制御され、その結果前記電源の切
断により、双安定回路の非導通状態の分岐回路が、電流
吸収なしに前記不揮発性エレメントのプログラミングの
（６） ために同じ双安定回路の導通１Ｌ：、態の分岐回１１に
の非導通を引き起こすことを特徴としている。

〔実施例〕

以下添付図面を用いて本発明の詳細な説明する。

図にはメタル−オキ１トイドーセミコンダクタ（ＭＯＳ
）技術により実現される不揮発性ランダムアクセスメモ
リ　（ＲＡＭ）が示されている。

上述の回路では、セルは実質的にはＡとＢとの２つの部
分から構成されており、Ａ部分は不揮発性メモリエレメ
ントを備えた双安定回路を示し、Ｂ部分は通常の双安定
動作状態から不揮発性エレメントのプログラミング状態
への変更を行う部分である（双安定回路の状９ジおよび
記憶された情報の復帰状態に関した必然的な情報の保管
を行う）。

双安定回路、即ちへ部分Ｉｔ°通常２つの連絡された分
岐回路から構成されており、これらは電源ラインＶとア
ースとの間に展開されている。

分岐回路の一方は直列に接続されたトランジス（７） り３，８．９を含んでおり、トランジスタ８は“デプレ
ッシコン”型であり、双安定回路の負荷トランジスタの
うちの一つを構成している。

一方、トランジスタ９は同回路の駆動トランジスタを構
成している。ところが、トランジスタ３は後述されるプ
ログラミングゲートプにおける制御トランジスタとして
動作する。

双安定回路の他方の分岐回路はｌ・ランジスタ４．５，
７．１１を含んでおり、１−ランジスタ４゜７．１１は
それぞれもう一方の分岐回路のトランジスタ３．９．８
に連絡されている。双安定回路の相互連絡は、トランジ
スタ９のゲーｉ・と、他方の分岐回路のトランジスタ７
とトランジスタ１１との間にある回路結合点１６との間
の交差接続と、トランジスタ１１のゲー１〜と、他方の
分岐回路の１〜ランジスタ８とトランジスタ９との間に
ある回路結合点１５との間の交差接続によって実現され
る。

しかしながら、トランジスタフの容量はトランジスタ８
の容量の約半分であり、それゆえ上（８） 述のトランジスタ７は伯の分岐回路の電流に対゛　して
自分の分岐回路の電流を２倍の値にセットする傾向にあ
るということば注意しなければならない。その」二、ト
ランジスタ１１はトランジスタ９より容量が大きく、従
って、同じゲート電圧とドレイン電流ではトランジスタ
１１のドレイン電圧がトランジスタ９のドレイン電圧よ
りも高くなることになる。

この左右の非対称性は双安定回路の作用を乱すことがな
いが、後述するよ・）にそれは双安定回路がオンされる
時に双安定回路の状態に影響を与える。

エンハンスメント型のトランジスタ５は、そのドレイン
結合点２０とソース結合点１９とが、電気的にプログラ
ム可能な不揮発性メモリエレメント６に並列に接続され
ており、このメモリエレメント６はそのフローティング
ゲート１８とプログラミングゲート２１とがトランジス
タ３と他の分岐回路のトランジスタ８との間の中間結合
点１７に接続された例として描かれてい（９） る。

さらに詳しく述べると、不揮発性メモリエレメント６は
実施例としてＵＳ特許ＮＯ，４，２０３，１５８号公報
に示されるトランジスタから構成されると考えることが
できる。即ち、このトランジスタはドレイン２０とフロ
ーティングゲート１８との間に挿入されたシリコンオキ
サイドの非常に薄い層（１００人）の存在に基づくもの
であり、これは導電性になる能力と適度な強さの電界に
よって降伏させられると（ファウラー・ノードハイム効
果）、フローティングゲートＩ８を充電（正にも負にも
）する能力とを備えている。

フローティングゲート１８の充電においては、一方では
後述する現象により不揮発止エレメント６がほとんどト
ランジスタ５を短絡することができるか否かに依存して
いる。

ところが、トランジスタ５が短絡されないとトランジス
タ５はその電圧降下により双安定回路の動作に影響を与
えないが、トランジスタ５（１０） は結合点１６における高電位（ロジソクレ・＼ル“１”
）を低下させることだけば行う。

交換制御ばツー１゛ライン２４に制御されるゲートを備
えたトランジスタ１０と１２をｉ！Ｔｉ　ｅてビットラ
イン２２と２３とから双安定回路にそれぞれり、えられ
る。

ＲＡＭセルのＢ部分、即ち、プログラミングまたはプリ
チャージＱｌじＨ１１１ランジスタ３と４のゲートとプ
ログラミングまたはプリチャージラインＷとの間に挿入
された並列に接続された２１１１のトランジスタ１−２
と１３−１４を備えている。トランジスタ１と１３のゲ
ートＧ才双安定回路の駆動ｌ・ランジスタ９と１１のゲ
ートにそれぞれ接続されている。トランジスタ２と１４
はエンハンスメント型であり、それぞれのドレイン電極
に接続されたゲートを持っている。

給電ライン■とプログラミングツトたしオプリチャージ
ラインＷと、主給電ラインｌ、との■旧コニｆ最終的に
は色々な種類の装置Ｍ、Ｎが１ｉｌｔ人され、それらは
主給電ラインＩ、の状態に応じてライン■とＷの電位を
変更する機能を備えたものである。さらに詳しく述べる
と、主給電ラインＩ、が通常の電圧状態では通常のスタ
ティックセルとしてのＲＡＭセルが通常動作状態になる
ようにラインＷは約１８Ｖを給電し、ラインＶは約５■
を給電する。ところが、主給電ラインＩ、が切断した場
合、またはプログラミング動作に影響を及ぼずを思われ
るどんな場合でも、ラインＷの電圧がＯｖに降下し、一
方、ライン■が瞬時に約２０Ｖまで上昇し、その値は少
な（とも約１０ｍ５保持され、それから徐々に０まで降
下する。

以−にのことから図示された不揮発止ＲＡＭセルの以下
の動作手順を引き出すことができる。

通常状態における双安定回路の動作においては、１８Ｖ
のラインＷの電圧が約２Ｖのトランジスタ２と４　（エ
ンハンスメント型）による電圧降下を伴ってトランジス
タ３と４のゲーＩ・に与えられている。

その結果、１６Ｖの電圧はトランジスタ３と４とを極め
て導電性のある状態にし、この場合、ラインＶ（５Ｖ）
に不揮発性トランジスタ６の電極２１と２０とを接続す
る実質的な短絡回路として動作する。この状態では回路
は普通の双安定回路風に動作し、前述したようにトラン
ジスタ５の存在によっては影響を受りない。

ラインＩ、の電圧が切断された場合、またば外部制御装
置Ｍ、　Ｎに適当な制御が！テえられた場合は、これに
反して１べ下のような動作手順となり、双安定回路の状
態に関した情報が保持される、即ち、不揮発性メモリエ
１／メントロのプログラミングと呼ばれる動作が行われ
る。

ライン■、の電圧降下または装置ＭとＮに与えられた適
当な制御はプログラミングラインＷに同じ電圧の低下を
生じさせ、その後直ちに電源ライン■の電圧を瞬時に立
ち］二がらせる。双安定回路の置かれた電気的状態（即
ち、分岐回路のトランジスタ７．１１を非環；ｍでその
結果、結合点１６は高電位であり、分岐回路の！・ラン
ジスタ８，９は導通しており、その結果結合点（１３） １５は低電位である状態、逆もまた同様）によれば、ト
ランジスタ１．１３の内の１つはしかしながらそのゲー
トが高電位で、もう１つはゲートが低電位である。即ち
、１つは導通しており、もう１つは非導通である。トラ
ンジスタ３゜４のうちの１つはそのゲートが２１固のト
ランジスタ１．１３のうちの１つの導通状態にあるもの
を通じてアース（ラインＷのＯ電位）されており、それ
故非導通である。

一方、他の１つは実質的には（同じトランジスタのゲー
ト容量と、関係する回路の結合点に組合された拡散容量
によって）そのゲートの電荷を保持するので導通する。

トランジスタ２と１４はこの動作に影響を与えない、と
いうのはそれらはＯｖに等しいゲート−ソース間電圧を
備え、反ダイオードとして動作するからである。両方の
分岐回路のトランジスタ３，８．９とトランジスタ４，
７．ＩＩはそれ故非導通であり、そしてその結果、現時
点では約２０Ｖのライン■からの電流の吸収は（１４） 全く生じない。

この状態で不揮発性メモリエＩノメント６のプログラミ
ング動作は以下のよ・うＧに起こる。

供給電圧がすｊ断された■！目ｊ１では、双安定ｌｉ旧
洛ば分岐回路の１−ランジスタ４．７．１１が非導通状
態にあり、分岐回Ｉｚ＆のトランジスタ３．８゜９が導
ｊｉ１１状態にあって、結合＋：、ｉ　１７　ｌこ［ν
続する不揮発性工１ノメントのプログラミングゲートは
アース電（）７に２ｈす、これに反して１１？１じ不揮
発性エレメントのＦレイン電極２０１１、トランジスタ
４に前記トランジスタ４のゲート電位を高電位に保つこ
とに、１、って保証された導；ｍによりライン■の電位
まで十昇する。

この結果、もし不揮発性エレメント６のフローティング
ゲート１８が予め負に充電されていると、ドレイン２０
からフｌ−１−ティングゲート１８への電流の流れがη
゛じ、それが７１１−ティングゲー１−１８を正に充電
し、これに反してフローティングゲー１１８が既に正に
充電されているとすると、全てのものし、ｉ前と同様の
状態のままである。それは通過電流が起こらないからで
ある。

これは導電性に変化があり、その結果薄い酸化層を通っ
て電荷が流れる時は常に起こる不揮発止エレメントのエ
ージング現象を制限する非常に重要なことである。

これに反して、もし、電源が切断された瞬間は、双安定
回路は枝分枝回路のトランジスタ４゜７．１１が導通状
態にあり、分岐回路のトランジスタ３，８．９が非導通
である状態にあり、不揮発止エレメント６のプログラミ
ングゲート２１はトランジスタ３を通じてラインＶの電
位まで」−昇する（この場合導通状態）という状態にあ
る。

一方、同じ不揮発止エレメントのドレイン２０は、トラ
ンジスタ７と１１を通じてアース電位まで電圧降下する
。

その結果、もし既に充電されていなげれば、同じフロー
ティングゲート１８とドレイン２０間を流れる電流によ
って、フローティングゲート１８ば負に充電される。

結論として、双安定回１１３の状態に応じて、不揮発止
ニレメン１６は、既に述べた、トうに電流の吸収なしに
そして強制的な充電と導電性の変化なしに、それ０月の
フローティングゲー１−１８を正に充電したり、負に充
電したりする。

（これら電流の吸収および強制的な充電と導電性の変化
は、従来技術に例を見るように、先の充電状態を仮に取
り消すことが必要な場合に起こるものである。） 不揮発止エレメント６によって１７１「実にされる充電
状態は、双安定回路がプログラミング機能を持つ状態で
あり、ターンオンの時）ｊ′１における同じ状態の回復
に依存する。もし、フローティングゲート１８が正に充
電されると、実際には不揮発性エレメント６はトランジ
スタ５を短絡し、大きな容量の（そして当然大きな抵抗
でもある）トランジスタ１１を結合して負荷トランジス
タフの電流を確実に高（し、それが結合点１６の電位を
結合点１５よりも」−昇さｌｏる。そ（１７） の結果、双安定回路は分岐回路のトランジスタ８．９が
導通で、分岐回路のトランジスタ７゜１１が非導通であ
る最初の状態に復帰する。

これと番才逆に、もし、プログラミングステップにおい
て、フローティングゲートＩＢが負に充電されると、ト
ランジスタ５は不揮発性ｌ・ランジスタロによって短絡
されず、わずかな遅延をもってターンオンする。（ドレ
イン２０からソース１９への電圧の流れが必要である。

）結合点１５の電圧を結合点１６の電圧よりも早く上昇
させ、このようにして双安定回路は分岐回路のトランジ
スタ７．１１が導通、分岐回路のトランジスタ８．９が
非導通である初期状態に戻るのである。

既に述べたように不揮発性ＲＡＭセルの主たる利点は、
本発明によればプログラミングステップにおいて電流の
吸収が０（または約Ｏ）に等しいということである。

これより電圧逓倍器のような装置や供給電圧が低くて電
流供給が限られている装置と組合せ（１８） て、セルを使用する可能性がこれより（ＩＩられ、また
、セルをその他の適正な制御量１−８と一緒に使用する
ことも可能であり、その場合には、使用時にセルの消費
が０に近くなるよ・うに、適正にプリチャージされた容
購の小さいコンデンサの電荷を使用し、？ｆｌ源ライン
の電圧降下の後に、不揮発性エレメントのプログラミン
グゲートプが実施されるようにする。

このことは従来技術では不可能であった。従来は、プロ
グラミング動作を行わ一１！るのに必要な時間だけ給電
ラインの電圧を高電位に保つことが必要だった。

不揮発性メモリエレメントを予め変化させておくことは
以前は見られず、充電の変化はある状態から他の状態へ
変換される場合にのみ要求され、従ってエージング現象
ば限られたもので・あった、ということは既に説明され
ている。

最後につけ加えるとすれば、図示されている回路中のト
ランジスタ５，６は、双安定回路の外側にあり、不揮発
性メモリエレメントノメンドレイン２０とプログラミン
グゲート２１間の電圧およびこのプログラミングゲート
２１の状態は双安定回路からどのような影響も受けない
。

作動はこのように正確に確実に行われる。

〔発明の効果〕

以１・説明したように本発明のセルは不揮発セＩメモリ
エレメントを備えた構造の双安定回路により実現され、
通常の動作状態ではこの構造の双安定回路は不揮発性エ
レメントが除外されたスタティックＲＡＭとして動作し
、電源ラインが切断された時、あるいは適正な制御信号
があった時には、独特の回路配列となって不揮発性エレ
メントのプログラミング動作を行わせることができ、電
流を消費せずに情報を記憶することが可能となり、また
、電源のオン時には、自動的に記憶した情報が回復され
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の構成を示す回路図である。 １〜５・・・トランジスタ、６・・・メモリエレメント
、７〜１４・・・トランジスタ、１５・・・回路結合点
、１６・・・結合ａ、１７・・・中間結合）：、（，１
８・・・フローティングゲート、１９・・・ソース接続
点、２０・・・ドレイン接続点、２１・・・プログラミ
ングゲート、２２．２３・・・ビットライン、２４・・
・ワードライン、■・・・電源ライン、Ｗ・・・プログ
ラミングまたはプリチャージライン、■、・・・主給電
ライン。 代理人　弁理士　小　川　信　− 弁理士　野　「１　ｗ　照 弁理士斎下和彦 （２１） （ ４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交互に導通となったり非導通となったりする２つの
   相互に連絡する分岐回路を備えた双安定メモリセルであ
   って、前記分岐回路の１つは不揮発性メモリエレメント
   を含んでおり、そのメモリエレメントは２つの異なった
   電気的状態の一方もしくは他方の状態のもとてプログラ
   ム可能であり、その状態は前記双安定回路が電源ライン
   が切断した瞬間の状態であるか、または適正な制御装置
   が作動された時の状態であり、またメモリエレメントは
   前記電源ラインがターンオンした瞬間の双安定回路の前
   記状態への復帰を引き起こすことも可能であって、前記
   双安定回路のどちらの分岐回路も制御スイッチエレメン
   トを含んでおり、それらは電源の状態と双安定回路の（
   一方の分岐回路の状態によって制御さく１） れ、その結果前記電源の切断により、双安定回路の非導
   通状態の分岐回路が、電流吸収なしに前記不揮発性エレ
   メントのプログラミングのために同じ双安定回路の導通
   状態の分岐回路の非環ｊｍを引き起こすことを特徴する
   プログラム可能な不揮発性メモリエレメントを備えたＲ
   ＡＭメモリセル。 ２、前記制御スイッチエレメントが前記双安定回路のそ
   れぞれの分岐回路の間に挿入されたトランジスタと、電
   源ラインの切断に反応して一時的に高い電圧に切り換わ
   る低電圧ラインとから構成され、前記制御トランジスタ
   は、電源ラインが切断した瞬間に切り換わってアース電
   位となることができる高電圧の電源ラインに接続するゲ
   ートとを備えており、前記接続はそのゲート電圧が双安
   定回路の前記他方の分岐回路の状態に依存する状態検出
   トランジスタを含んでいることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項のプログラム可能な不揮発性メモリエレメン
   トを備えたＲＡＭメモリセル。 （２） ３、前記不揮発１１１メモリニレメンＬ　ｔｉｔ、その
   フローティングゲーＩ・が、双安定回路の分岐回に’ｉ
   Ｍと直列に位置する回路結合点に田続されたプ１：ｌグ
   ラミングゲ−１・と、双安定回路の他方の分岐回路に挿
   入された短絡可能なトランジスタの、１つになった１」
   ／インとソース電極に、並列に接続された２つのドレイ
   ンとソース電極との間に挿入されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項のプログラム可能な不揮発性メ
   モリエレメントを備えたＲＡＭメモリセル。 ４、前記双安定回路のどの分岐回ｖＫも直列に接続され
   た負荷ｌ・ランジスタと駆動トランジスタとを含んでお
   り、そのゲート電極は双安定回路の他方の分岐回路の負
   荷ｌ・ランジスタと駆動１−ランジスタのｒｌＪ間結合
   点に接続しており、前記結合点と前記短絡可能なトラン
   ジスタばそれぞれ前記直列の負荷トランジスタと駆動ト
   ランジスタと、前記制御トランジスタとの間の双安定回
   路の前記分岐回路に挿入されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第３１’ｉ記載のプログラム（３） 可能な不揮発性メモリエレメントを備えたＲＡＭメモリ
   セル。 ５、前記短絡可能なトランジスタを含んでいる分岐回路
   の９荷トランジスタと駆動トランジスタは、不釣り合い
   の双安定回路を作るために、それぞれ他方の分岐回路の
   同じトランジスタよりも小さいあるいは大きい容量をも
   っていることを特徴とする特許請求の範囲第４項のプロ
   グラム可能な不揮発性メモリエレメントを備えたＲＡＭ
   メモリセル。