JPH033315B2 - - Google Patents

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JPH033315B2
JPH033315B2 JP59038832A JP3883284A JPH033315B2 JP H033315 B2 JPH033315 B2 JP H033315B2 JP 59038832 A JP59038832 A JP 59038832A JP 3883284 A JP3883284 A JP 3883284A JP H033315 B2 JPH033315 B2 JP H033315B2
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capacitor
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Priority to EP84306978A priority patent/EP0147019B1/en
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    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C14/00Digital stores characterised by arrangements of cells having volatile and non-volatile storage properties for back-up when the power is down

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は不揮発性ランダムアクセスメモリ装置
に関し、特に揮発性メモリセルにフローテイング
ゲート回路素子を用いた不揮発性メモリセル部を
組合わせて構成された不揮発性ランダムアクセス
メモリ装置に関する。
技術の背景 最近、スタテイツク形ランダムアクセスメモリ
装置において、揮発性メモリセルにフローテイン
グゲート回路素子を組合わせることにより不揮発
性メモリセルを作成し、このような不揮発性メモ
リセルを用いて不揮発性メモリ装置を構成するこ
とが行われている。このようなスタテイツクラン
ダムアクセスメモリ装置においては、各メモリセ
ルの回路構成が複雑になり各メモリセルの大きさ
が大きくなる傾向にある。このような傾向はメモ
リ装置の信頼性および集積度の低下を招くので、
回路構成の工夫によつて、その改善が望まれる。
従来技術と問題点 第1図には従来形の不揮発性スタテイツクラン
ダムアクセスメモリ装置に用いられているメモリ
セルが示される。このメモリセルは揮発性のスタ
テイツクメモリセル部1および不揮発性メモリセ
ル部2を具備する。
揮発性スタテイツクメモリセル部1は通常の揮
発性スタテイツクランダムアクセスメモリ装置に
用いらえているものと同様なフリツプフロツプ形
の構成である。スタテイツクメモリセル部1はノ
ードN1およびN2に接続されたトランスフアゲー
ト用トランジスタを介して、データの書き込みお
よび読み出しが行われる。
不揮発性メモリセル部2は、MIS(金属−絶縁
物−金属)トランジスタT5,T6およびT7、キヤ
パシタモジユールCM1、キヤパシタC1,C2およ
びC3、およびフローテイングゲート回路素子と
してのトンネルキヤパシタTC1を具備する。キヤ
パシタモジユールCM1は電極D1と他の電極D2
よびD3の間に静電容量を有する。キヤパシタモ
ジユールCM1の電極間容量およびキヤパシタC3
の容量はトンネルキヤパシタTC1の静電容量に比
べて充分大きく選択されている。ここに、電極間
に電圧を印加するとトンネル効果を生ずるキヤパ
シタとトンネルキヤパシタと言う。
第1図の回路において、揮発性スタテイツクメ
モリセル部1のデータを不揮発性メモリセル部2
へ転送する場合の動作を説明する。例えば、ノー
ドN1が低レベル、ノードN2が高レベルであると
する。この状態で、電源VHHを0Vから20ないし
30Vに引き上げる。この時、ノードN1が低レベ
ルであるからトランジスタT7はカツトオフ状態
のなつており、ノードN2が高レベルであるから
トランジスタT5はオン状態となつている。従つ
て、ノードN4の電位な低レベル(ほぼVSSに等し
い)になつており、電源VHHはキヤパシタモジユ
ールCM1の電極D1とD2の間の容量、電極D1とD3
の間の容量およびトンネルキヤパシタTC1の容量
の直列回路に印加される。前述のようにキヤパシ
タモジユールCM1の静電容量はトンネルキヤパ
シタTC1の静電容量より充分大きいから、電源
VHHの大部分の電圧はトンネルキヤパシタTC1
印加される。従つて、トンネル効果によりノード
FG1へ電子が注入され、トランジスタT6のフロ
ーテイングゲート回路に負の電荷が充電され、ト
ランジスタT6がオフ状態となり、揮発性スタテ
イツクメモリセル部1から不揮発性メモリセル部
2へのデータの退避が完了する。
これに対して、揮発性スタテイツクメモリセル
部1のノードN1が高レベル、ノードN2が低レベ
ルの場合は、トランジスタT7がオン、トランジ
スタT5がオフ状態になる。従つて、キヤパシタ
C3、トンネルキヤパシタTC1およびキヤパシタモ
ジユールCM1の電極D3とD1の間の容量の直列回
路に電源VHHが印加され、各キヤパシタの容量関
係から電源VHHの電圧の大部分はトンネルキヤパ
シタTC3に印加される。この場合は、ノードN4
が側がノードFG1側より高電圧であるから、トン
ネル効果によりトランジスタT6のフローテイン
グゲート回路の電子がノードN7側に抜き取られ
る。従つて、フローテイングゲート回路すなわち
ノードFG1が正電荷で充電されトランジスタT6
がオン状態となり、揮発性スタテイツクメモリセ
ル部1から不揮発性メモリセル部2への退避が完
了する。
次に、不揮発性メモリセル部2のデータを揮発
性スタテイツクメモリセル部1に転送する場合の
動作を説明する。まず、電源VCCおよびVHHが共
に0Vの状態から電源VCCのみを5Vに上昇させる。
もしノードFG1に負電荷が充電されておればトラ
ンジスタT6がノードN2とキヤパシタC2の間を遮
断する。一方ノードN1はキヤパシタC1が接続さ
れているため、電源VCCの引き上げによつて負荷
容量の大きいノードN1側が低レベル、ノードN2
側が高レベルにフリツプフロツプ回路がセツトさ
れる。
逆に、もしトランジスタT6のフローテイング
ゲートから電子が抜き取られており、正電荷で充
電されておれば、トランジスタT6がオン状態と
され、ノードN2とキヤパシタC2とが接続されて
いる。キヤパシタC2の容量はキヤパシタC1の容
量より大きく選もであるから、電源VCCの引き上
げによつてノードN2が低レベル、ノードN1が高
レベルになるよう揮発性スタテイツクメモリセル
部1のフリツプフロツプ回路がセツトされる。上
述の不揮発性スタテイツクランダムアクセスメモ
リ装置については、特願昭58−191039号の明細書
に記載されている。
しかしながら前述の第1図の不揮発性メモリセ
ル部は大きい静電容量を必要とするキヤパシタを
3個必要とし、このため基板上にこのメモリセル
部を形成する際大きな面積を必要とし、セルサイ
ズが大きくなるという問題点があつた。
発明の目的 本発明の目的は、前述の従来形の装置における
問題点にかんがみ、高電圧電源として電圧供給タ
イミングの異なる2つの電源を用いるという着想
に基づき、不揮発性メモリセル部に用いるキヤパ
シタの数を1個とし、それによりメモリセルの大
きさを小さくすることにある。
発明の構成 本発明においては、揮発性メモリセル部と、該
揮発性メモリセル部の記憶情報を待避させるため
の不揮発性メモリセル部とが対になつて1つのメ
モリセルが構成され、前記不揮発性メモリセル部
は、前記揮発性メモリセル部の記憶情報に応じて
オン、オフする第1のトランジスタと、電極間で
トンネル効果を生ずる第1のキヤパシタと、該第
1のキヤパシタの一方の電極にゲートが接続され
かつ該ゲートがフローテイング状態である第2の
トランジスタと、該第2のトランジスタのゲート
に接続された第2のキヤパシタと、該第1のキヤ
パシタの他方の電極に接続されたダイオード素子
と、該ダイオード素子と該第1のトランジスタと
の間に接続された第3のトランジスタとを具備
し、前記ダイオード素子を介して前記第1のキヤ
パシタに第1の書込み電圧を印加し、しかる後前
記第3のトランジスタを導通せしめて前記第2の
キヤパシタへ第2の書込み電圧を印加すること
で、前記揮発性メモリセル部の記憶情報を前記不
揮発性メモリセル部へ書込み、前記第2のトラン
ジスタからの信号を前記揮発性メモリセル部へ与
えることによつて前記不揮発性メモリセル部の記
憶情報をリコールする様にしたことを特徴とする
不揮発性ランダムアクセスメモリ装置が提供され
る。
発明の実施例 本発明の第1の実施例としての不揮発性ランダ
ムアクセスメモリ装置に用いられるメモリセルの
回路図が第2図aに示される。このメモリセルは
揮発性スタテイツクメモリセル部1および不揮発
性メモリセル部3を具備する。
揮発性スタテイツクメモリセル部1は従来形の
スタテイツクメモリセルと同様であるので説明を
省略する。
不揮発性メモリセル部3は、第1のトランジス
タとしてのMISトランジスタT14、第2のトラン
ジスタとしてのMISトランジスタT11、第3のト
ランジスタとしてのMISトランジスタT13、ダイ
オード素子として用あられるMISトランジスタ
T12、第1のキヤパシタとしてのトンネルキヤパ
シタTC11、第2のキヤパシタとしてのキヤパシ
タC13、キヤパシタC11、およびキヤパシタC12
具備する。
揮発性スタテイツクメモリセル部1のフリツプ
フロツプの交差接続された1つの接続点、すなわ
ち第1のノードN1はトランジスタT11およびキヤ
パシタC11を介して電源VSS(通常接地)へ接続さ
れる。該フリツプフロツプの交差接続された他方
の接続点すなわち第2のノードN2はキヤパシタ
C12を介して電源VSSへ接続される。トンネルキヤ
パシタTC11の一方の電極からはキヤパシタC13
他の電極およびトランジスタT11のゲートへ接続
される。第1の高電圧電源VH1からは、トランジ
スタT12のゲートおよびドレインへ電圧が供給さ
れ、トランジスタT12のソースからはトンネルキ
ヤパシタTC11の他方の電極へ接続される。トン
ネルキヤパシタTC11の他方の電極はさらにトラ
ンジスタT13のドレインへ接続される。トランジ
スタT13のソースはトランジスタT14を介して電
源VSSへ接続される。トランジスタT14のゲート
はノードN1に接続され、トランジスタT13のゲー
トにはプログラム信号PGMが供給される。第2
の高電圧電源VH2からの電圧はキヤパシタC13
一方の電極に印加される。トランジスタT11のゲ
ートに通ずるノードをノードFG11とする。キヤ
パシタC13の静電容量はフローテイングゲート回
路素子としてのトンネルキヤパシタTC11の静電
容量よりも充分大きく選択される。キヤパシタ
C11はキヤパシタC12よりも静電容量が大きくなる
よう決められている。
上述のメモリセルの動作を説明する。まず揮発
性スタテイツクメモリセル部1のデータを不揮発
性メモリセル部3に転送する場合は次のように行
われる。信号PGMを低レベル(ほぼ0V)、電源
VH2を低レベルとし、電源VH1を0から約20Vへ上
昇する。これにより約20Vの電圧はトランジスタ
T12を通つてトンネルキヤパシタTC11とキヤパシ
タC13の直列回路に印加される。トンネルキヤパ
シタTC12とキヤパシタC13の静電容量の大きさの
関係から電圧の大部分はトンネルキヤパシタ
TC11に印加される。トンネルキヤパシタTC11
は、その両電極間に20V程度の電圧が印加される
と、約150オングストロームの絶縁層に10MV/
cm以上の電界が加わることになりトンネル効果を
生ずる。トンネル効果によりトランジスタT11
フローテイングゲート回路、すなわちノード
FG11から電子が抜き取られ、ノードFG11は正電
荷で充電される。
次に、電源VH1を低レベルとし、信号PGMを
高レベル(約5V)とすると、トランジスタT14
ゲートすなわちノードN1が高レベルであれば前
述のトランジスタT12のソースおよびトランジス
タT13のドレインのノードに充電された約20Vの
電荷はT14を通つて抜け、トンネルキヤパシタ
TC11の電極のバルク側は低レベル(0V)とな
る。ノードN1が低レベルであればトランジスタ
T14はオフ状態であるからトンネルキヤパシタ
TC11のバルク側の電極の電圧はほぼ20Vを保持
する。この時同時に電源VH2を0から約20Vに上
昇させると、ノードN1が高レベルであればトン
ネルキヤパシタTC11には前述の場合と逆極性の
電圧が印加され、ノードFG11は負電荷で充電さ
れる。ノードN1が低レベルであれば、トンネル
キヤパシタTC11のバルク側の電圧を約20Vであ
るほで、ノードFG11の状態に変化はなく、正電
荷が充電された状態である。すなわち、ノード
N1が高レベルであればノードFG11に負電荷が充
電され、ノードN1が低レベルであればノード
FG11に正電荷が充電される。上記充電された電
荷は電源が遮断されても長期間保持される。
不揮発性メモリセル部3からデータが揮発性ス
タテイツクメモリセル部1へ転送される場合は次
のように行われる。電源VCCが0から5Vへ上昇さ
れると、ノードFG11の状態によつて次のように
フリツプフロツプがセツトされる。すなわち、ノ
ードFG11が正電荷で充電されていれば、トラン
ジスタT11がオン状態となり、キヤパシタC11
ノードN1に接続され、ノードFG11が負電荷で充
電されていると、トランジスタT11がオフ状態と
なり、キヤパシタC11がノードN1から切離され
る。キヤパシタC11の静電容量はキヤパシタC12
静電容量よりも大きいから、キヤパシタC11がノ
ードN1に接続されている時はノードN1の負荷容
量が大きく、フリツプフロツプはノードN1が低
レベルにセツトされ、キヤパシタC11がノードN1
に接続されていない時は、ノードN2の負荷容量
が大きく、フリツプフロツプはノードN1が高レ
ベルにセツトされる。結局ノードFG11が正電荷
で充電されている時は、ノードN1が低レベルに
セツトされ、負電荷で充電されている時はノード
N1が高レベルにセツトされる。
第2図bには第1の実施例の変形が示される。
この回路はキヤパシタC11の代りにトランジスタ
T15をトランジスタT11とノードN1との間に設け、
トランジスタT15のゲートにアレイリコール信号
ARを加えるようにしたものである。トランジス
タT15は不揮発性メモリセル部のデータを揮発性
メモリセル部へ転送する場合に短時間だけオンに
される。すなはち、アレイリコール用信号は電源
VCCの投入時に短時間だけ印加される。これによ
り、不揮発性メモリセル部のデータを揮発性メモ
リセル部に転送する場合、もしトランジスタT11
のゲート回路に正電荷が充電されており該トラン
ジスタT11がオンとなつている場合にはトランジ
スタT15が短時間だけオンすることによつてノー
ドN1の電圧を引き下げる働きとする。このよう
な動作により、リコール用キヤパシタC11を省略
することができる。これにより半導体基板上にお
けるメモリセルの専有面積を少なくすることが可
能になる。またトランジスタT15がカツトオフし
ている時はトランジスタT11のドレイン電圧が低
レベルとなるためドレインからゲートにホツトエ
レクトロンが飛び込むことがなくなりフローテイ
ングゲート回路の電荷量の変動が防止され長時間
にわたり安定にデータ保持を行うことが可能とな
る。
本発明の第2の実施例としての不揮発性ランダ
ムアクセスメモリ装置に用いられるメモリセルの
回路図が第3図に示される。このメモリセルは揮
発性ダイナミツクメモリセル部4および不揮発性
メモリセル部5を具備する。
揮発性ダイナミツクメモリセル部4はワード線
からゲートに接続されたトランスフアゲートとし
てのMISトランジスタT21、およびダイナミツク
メモリのキヤパシタ部および第1のトランジスタ
として機能するMISトランジスタT22を具備す
る。ビツト線BLからはトランジスタT21を介し
てトランジスタT22のゲートへ接続される。
不揮発性メモリセル部5は第2のトランジスタ
そしてのMISトランジスタT23、アレイリコール
用MISトランジスタT24、ダイオード素子として
用いられるMISトランジスタT25、第3のトラン
ジスタそしてのMISトランジスタT26、キヤパシ
タC21、およびフローテイングゲート素子として
のトンネルキヤパシタTC21を具備する。キヤパ
シタC21の静電容量はトンネルキヤパシタTC21
静電容量よりも充分大きい値に選択されている。
電源VCC(通常5V)はトランジスタT23およびト
ランジスタT24を介してトランジスタT21とT22
接続点であるノードN21に接続される。トランジ
スタT24のゲートにはアレイリコール信号ARが
供給される。第1の高電圧電源VH1からの電圧
は、トランジスタT25のゲートおよびドレインへ
供給される。トランジスタT25のソースはキヤパ
シタC21の一方の電極へ接続される。キヤパシタ
C21の一方の電極はさらにトランジスタT26およ
びT22を介して電源VSS(通常0V)へ接続される。
トランジスタT25のゲートにはプログラム信号
PGMが供給される。トンネルキヤパシタTC21
一方の電極はキヤパシタC21の他方の電極および
トランジスタT23のゲートへ接続され、第2の高
電圧電源VH2からの電圧はトンネルキヤパシタ
TC21の他方の電極に供給される。
第3図のメモリセルの動作を説明する。揮発性
ダイナミツクメモリセル部4は、ワード線および
ビツト線からの信号のよりノードN21を充電して
高レベルとするか、または充電しないで低レベル
の状態を保持するかによつて1ビツトのデータを
蓄積する。まず上述の蓄積されたデータを不揮発
性メモリセル部5へ転送する場合について説明す
る。
信号PGMおよび電源VH2の電圧を低レベル
(ほぼ0V)にしておき、電源VH1の電圧を0から
約20Vに上昇させる。これにより、トランジスタ
T25はオン状態となり、トランジスタT26はオフ
状態となる。従つて約20Vの電圧はキヤパシタ
C21とトンネルキヤパシタTC21の直列回路に印加
される。2つのキヤパシタの静電容量の大小の関
係から約50Vの電圧は大部分トンネルキヤパシタ
TC21の両極間に印加される。この結果、トンネ
ル効果により電子が、トランジスタT23のゲート
に通じるノードFG1へ注入され、ノードFG21
負電荷で充電される。次に、電源VH1を0Vに降下
すると、トランジスタT25はオフ状態となりトラ
ンジスタT25のソースおよびトランジスタT26
ドレインのノードは約20Vの電荷で充電された状
態を続ける。次いで、信号PGMを高レベルにす
ると、ノードN21が高レベルであれば前記電荷は
抜け、キヤパシタC21の一方の電極は低レベルと
なる。ノードN21が低レベルであればトランジス
タT22がオフ状態であるから電荷の充電状態はそ
のまま保持される。この時、同時に電源VH2の電
圧を0から約20Vへ上昇させると、ノードN21
高レベルであればキヤパシタC21の一方の電極
(バルク側)の電圧は0Vであるから、電源VH2
電圧はTC21とC21の直列回路に印加され、C21
容量がTC21の容量より充分大きいので、ほとん
どの電圧はTC21に印加されるから、先ほどとは
逆のトンネルが起こり、ノードFG21の電子が抜
き取られ、ノードFG21は正電荷で充電される。
ノードN21が低レベルであればC21の一方の電極
も約20VのままであるからノードFG21は負電荷
の充電状態を続ける。結局ノードN21が高レベル
であればノードFG21が正電荷で充電され、ノー
ドN21が低レベルであればノードFG21が負電荷で
充電される。この充電された電荷は電源が遮断さ
れても長期間保持される。
不揮発性メモリセル部5に蓄積されたデータを
揮発性ダイナミツクメモリセル部4へ転送する場
合は次のように行なわれる。ノードFG21が正電
荷で充電されていれば、トランジスタT23はオン
状態となり、アレイリコール信号ARが高レベル
になるとトランジスタT24もオン状態となり、電
源VCCがノードN21に供給されダイナミツクメモ
リセルのキヤパシタを充電し、ノードN21を高レ
ベルにする。ノードFG21が負電荷で充電されて
いれば、トランジスタT23はオフ状態となり、信
号ARが高レベルになつても電源VCCがノードN21
の供給されず、ダイナミツクメモリセルのキヤパ
シタが充電されず、ノードN21は低レベルを続け
る。
なお第2の実施例においては、トランジスタ
T22を第1のトランジスタおよびダイナミツクメ
モリセルのキヤパシタ部(ゲートの静電容量を利
用)として共用したが、トランジスタT22は第1
のトランジスタ専用とし別に第3図破線で示すよ
うにキヤパシタを加えてもよい。
第2の実施例のメモリセルは第1の実施例に比
較して、揮発性メモリセル部の構成要素が少なく
てすみ、さらに回路の簡単化、セルの面積の縮少
を図ることができる。
発明の効果 本発明によれば、揮発性メモリセル部と不揮発
性メモリセル部を組合わせることによつて構成さ
れる不揮発性ランダムアクセスメモリ装置におい
て、不揮発性メモリセル部に用いるキヤパシタの
数を1個とすることができ、それによりメモリセ
ルの大きさを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来形の不揮発性スタテイツクランダ
ムアクセスメモリ装置に用いられるメモリセルの
回路図、第2図aは本発明の第1の実施例として
の不揮発性ランダムアクセスメモリ装置に用いら
れるメモリセルの回路図、第2図bは第2図aの
回路における変形例を示す部分的な回路図、およ
び第3図は本発明の第2の実施例としての不揮発
性ランダムアクセスメモリ装置に用いられるメモ
リセルの回路図である。 1……揮発性スタテイツクメモリセル部、2,
3……不揮発性メモリセル部、4……揮発性ダイ
ナミツクメモリセル部、5……不揮発性メモリセ
ル部、BL……ビツト線、C1,C2,C3,C11,C12
C13,C21……キヤパシタ、CM1……キヤパシタモ
ジユール、D1,D2,D3……電極、T1,T2,T3
T4,T5,T6,T7,T11,T12,T13,T14,T15
T21,T22,T23,T24,T25,T26……MISトラン
ジスタ、TC1,TC11,TC21……トンネルキヤパ
シタ、WL……ワード線。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 揮発性メモリセル部と、該揮発性メモリセル
    部の記憶情報を待避させるための不揮発性メモリ
    セル部とが対になつて1つのメモリセルが構成さ
    れ、前記不揮発性メモリセル部は、前記揮発性メ
    モリセル部の記憶情報に応じてオン、オフする第
    1のトランジスタと、電極間でトンネル効果を生
    ずる第1のキヤパシタと、該第1のキヤパシタの
    一方の電極にゲートが接続されかつ該ゲートがフ
    ローテイング状態である第2のトランジスタと、
    該第2のトランジスタのゲートに接続された第2
    のキヤパシタと、該第1のキヤパシタの他方の電
    極に接続されたダイオード素子と、該ダイオード
    素子と該第1のトランジスタとの間に接続された
    第3のトランジスタとを具備し、前記ダイオード
    素子を介して前記第1のキヤパシタに第1の書込
    み電圧を印加し、しかる後前記第3のトランジス
    タを導通せしめて前記第2のキヤパシタへ第2の
    書込み電圧を印加することで前記揮発性メモリセ
    ル部の記憶情報を前記不揮発性メモリセル部へ書
    込み、前記第2のトランジスタからの信号を前記
    揮発性メモリセル部へ与えることによつて前記不
    揮発性メモリセル部の記憶情報をリコールする様
    にしたことを特徴とする不揮発性ランダムアクセ
    スメモリ装置。 2 前記揮発性メモリセル部は、交差接続された
    一対のトランジスタを有するフリツプフロツプを
    具備し、該フリツプフロツプの一方の端子が前記
    第1のトランジスタのゲートに接続され、前記一
    方の端子が前記第2のトランジスタのオン、オフ
    に応じた信号を受ける様に構成されていることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の不揮発性
    ランダムアクセスメモリ装置。 3 前記揮発性メモリセル部は、記憶すべき情報
    に応じた電荷量を蓄積するキヤパシタ部と、該キ
    ヤパシタ部とビツト線との間に接続されたトラン
    スフアゲートトランジスタとを具備し、前記第1
    のトランジスタのゲートが該キヤパシタ部に接続
    され、前記第2のトランジスタのオン、オフに応
    じた信号がリコール用トランジスタを介して該キ
    ヤパシタ部へ与えられる様に構成されていること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の不揮発
    性ランダムアクセスメモリ装置。 4 前記キヤパシタ部は前記第1のトランジスタ
    のゲート容量で構成されることを特徴とする特許
    請求の範囲第3項記載の不揮発性ランダムアクセ
    スメモリ装置。
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