JPH0529999B2 - - Google Patents

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JPH0529999B2
JPH0529999B2 JP62325688A JP32568887A JPH0529999B2 JP H0529999 B2 JPH0529999 B2 JP H0529999B2 JP 62325688 A JP62325688 A JP 62325688A JP 32568887 A JP32568887 A JP 32568887A JP H0529999 B2 JPH0529999 B2 JP H0529999B2
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memory cell
voltage
memory
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • G11C11/412Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices using transistors forming static cells with positive feedback, i.e. cells not needing refreshing or charge regeneration, e.g. bistable multivibrator or Schmitt trigger using field-effect transistors only
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
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    • G11C5/145Applications of charge pumps; Boosted voltage circuits; Clamp circuits therefor
    • G11C5/146Substrate bias generators
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B10/00Static random access memory [SRAM] devices
    • H10B10/15Static random access memory [SRAM] devices comprising a resistor load element

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • For Increasing The Reliability Of Semiconductor Memories (AREA)
  • Static Random-Access Memory (AREA)
  • Techniques For Improving Reliability Of Storages (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は多結晶シリコンで構成された高抵抗
をメモリセル内の負荷素子として使用し、特にポ
ーズ不良のメモリセルを検出する手段が設けられ
たスタテイツク型ランダムアクセスメモリに関す
る。
(従来の技術) 高抵抗を負荷素子、エンハンスメント型の
MOSトランジスタを駆動素子とするインバータ
を2個用意し、この両インバータの入出力間を交
差接続して構成されたフリツプフロツプ回路を用
いたメモリセルはE/R型SRAM(スタテイツ
ク・ランダムアクセス・メモリ)セルとして知ら
れている。このE/R型SRAMセルは従来、第
6図の等価回路図に示すように構成されている。
第6図において、多結晶シリコンで構成された高
抵抗R1,R2それぞれの一端は電源電圧Vccに
接続されている。上記高抵抗R1,R2それぞれ
の他端にはMOSトランジスタQ1,Q2それぞ
れのドレインが接続され、両トランジスタQ1,
Q2のソースは接地電圧Vssに共通に接続されて
いる。また、上記トランジスタQ1のゲートはト
ランジスタQ2のドレインに、トランジスタQ2
のゲートはトランジスタQ1のドレインにそれぞ
れ接続されている。すなわち、上記高抵抗R1,
R2それぞれとトランジスタQ1,Q2それぞれ
とでインバータが構成され、かつ両インバータの
入出力間が交差接続されてフリツプフロツプ回路
Fが構成されている。そして、このフリツプフロ
ツプ回路Fの記憶ノードN1,N2とビツト線
BL,との間には、データの読出し、書込みを
制御するためのトランスフアゲート用のMOSト
ランジスタQ3,Q4が接続されており、両トラ
ンジスタQ3,Q4のゲートはワード線WLに共
通に接続されている。なお、上記トランジスタQ
1〜Q4は全てエンハンスメント型でNチヤネル
のものである。
上記構成でなるメモリセルにおいて、フリツプ
フロツプ回路Fは双安定回路であるから、記憶ノ
ードN1,N2には一対の相補データ、すなわち
“1”、“0”が記憶される。例えば、いま記憶ノ
ードN1に“1”が、N2に“0”がそれぞれ記
憶されているとすると、トランジスタQ1はオ
フ、Q2はオン状態になつている。高抵抗R1,
R2は線型の受動素子であるから、オン状態のト
ランジスタQ2に接続された高抵抗R2には定常
電流が流れる。ここで、トランジスタQ2のオン
抵抗に比べて高抵抗R2の値が桁違いに大きいた
め、トランジスタQ2に流れる電流の値はR2の
値で決定される。この電流は各メモリセル毎に必
ず流れ、全メモリセルの電流がE/R型SRAM
の静止時電流を決定する。
第7図は上記第6図に示すメモリセルのフリツ
プフロツプ回路Fのみの素子構造を示すものであ
り、第7図Aはそのパターン平面図、第7図Bは
同図Aのa−a′線に沿つた断面図である。このフ
リツプフロツプ回路はP型のウエル領域50に形
成されており、51はそれぞれ前記Nチヤネル
MOSトランジスタQ1〜Q4のソースもしくは
ドレイン領域となるN+型拡散領域、52はそれ
ぞれ前記NチヤネルMOSトランジスタQ1〜Q
4のゲート電極並びに配線を構成する第1層目の
多結晶シリコン層、53はそれぞれ前記高抵抗R
1,R2並びに配線を構成する第2層目の多結晶
シリコン層である。ここで、第2層目の多結晶シ
リコン層53の高抵抗R1,R2となるべき領域
53Aは通常、不純物をほとんど含んでいない。
ところで、上記構成でなるE/R型SRAMセ
ルは、他のSRAMセル、例えば6個のMOSトラ
ンジスタで構成された完全CMOSセルに比べ、
セルの占有面積を小さくできるという利点があ
る。しかし反面、高抵抗R1,R2を通して常
時、静止時電流が流れるという問題がある。この
ため、高抵抗R1,R2の抵抗値をさらに高くす
ることが必要になり、例えば第2層目の多結晶シ
リコン層53の厚みを薄くする等の技術によつて
静止時電流を削減するようにしている。第8図は
種々のメモリ容量のE/R型SRAMにおいて、
静止時電流をその典型的な値である1μAに押さえ
るために必要な前記高抵抗R1,R2の値をまと
めて示す図である。
ところで、前記記憶ノードN1,N2にはトラ
ンジスタQ1,Q2のドレインであるN+拡散領
域とP型ウエル領域とからなるPN接合が存在し
ており、このPN接合における現実的な逆方向接
合リーク電流の値は10-14A程度であり、抵抗に
換算すると100テラ(Tera)Ω程度になる。従つ
て、負荷用の高抵抗R1,R2と上記逆方向接合
リークによる等価抵抗との比は、例えば256Kビ
ツトのメモリ容量の場合には100倍、1Mビツトの
場合には25倍、4Mビツトの場合には約6倍、
16Mビツトの場合には約1.6倍となる。この比の
値が大きい程メモリセルの動作に余裕があること
になるが、メモリ容量の大容量化に伴つてこの余
裕は減少していく。
上記の説明は前記記憶ノードN1,N2に接続
されたPN接合に異常リーク成分が含まれない場
合にのみ適用される。ところが、現実のメモリで
はある確率で欠陥性のリーク電流や汚染性のリー
ク電流が発生する。これらの異常リーク電流の値
が高抵抗R1,R2を流れ得る電流に比べて圧倒
的に大きい場合には、異常リーク電流が存在する
メモリセルの記憶ノードで“1”データの保持が
不能となり、フリツプフロツプ回路として機能し
なくなる。このようなメモリセルを含むSRAM
チツプは不良チツプとなるので、上記のような異
常リーク電流が存在するメモリセルは製造歩留り
を落とす要因となる。すなわち、異常リーク電流
の値が高抵抗負荷を流れる電流と同程度の場合
は、“1”データを記憶している側の記憶ノード
の電圧が高抵抗負荷と異常リーク電流による等価
抵抗との抵抗分割で決まる電圧まで下降し、フリ
ツプフロツプ回路としては極めて不安定な回路状
態に陥る。このようなメモリセルが存在すると、
電源電圧マージン、温度マージンがなくなり、デ
ータ保持が長時間続くとデータが破壊するといつ
たSRAMとしては致命的な不良が発生する。さ
らに事態を悪くするのは、この種の不良セルを検
出することが極めて難しいということである。周
知のように、マージン性の不良、あるいは十分に
長い時間を設定しないと検出できない不良をスク
リーニング(Screening)するためのテストは時
間がかかり、場合によつては温度関係も各種設定
してテストしなければならず、現実的な時間では
検出不可能な場合すら有り得る。
第9図は前記記憶ノードN1,N2にそれぞれ
リーク電流経路が存在する場合の、前記第6図に
示すE/R型SRAMセルのフリツプフロツプ回
路部分の等価回路図である。図において、Rj,
Rj′はリーク電流経路を等価的に示した抵抗であ
り、Rjは記憶ノードN1に接続されたPN接合に
正常な逆方向リーク電流のみが存在する場合の抵
抗であり、Rj′は記憶ノードN2に接続されたPN
接合に異常リーク成分を含む場合の抵抗である。
典型的なR1,R2,Rj,Rj′の値の温度特性は
第10図の特性図に示す通りである。すなわち、
多結晶シリコン層で構成されている高抵抗R1,
R2の活性化エネルギーは大きく、温度に対する
依存性が大きい。他方、抵抗Rjは記憶ノードN
1の接合面積で決り、抵抗値に換算すると100テ
ラΩ前後の値になり、また温度依存性はR1,R
2に比べて小さい。この抵抗Rjにさらに接合の
異常リーク成分が加わつたものが抵抗Rj′である。
このRj′の値が第10図に示すようにRjよりも約
2桁程度が低下すると、保証温度範囲内でR1,
R2と交点を持つようになる。そしてこの交点温
度T1よりも低温度側でR1,R2と抵抗値の大
小関係が逆転する。すなわち、Rj′がR1,R2
よりも小さくなる。
次に、記憶ノードN1,N2における静止時の
データ保持電圧を求めてみる。
まず、記憶ノードN1の“1”データ保持電圧
V1(1)は次の式で与えられる。
V1(1)={(Rj・Rn(off)/Rj+Rn(off))/(Rj・R
n(off)/Rj+Rn(off)+R1)}・Vcc…(1) また、記憶ノードN2の“1”データ保持電圧
V2(1)は次の式で与えられる。
V2(1)={(Rj′・Rn(off)/Rj′+Rn(off))/
(Rj′・Rn(off)/Rj′+Rn(off)+R2)}・Vcc…(
2) 他方、記憶ノードN1の“0”データ保持電圧
V1(0)は次の式で与えられる。
V1(0)={(Rj・Rn(on)/Rj・Rn(on))/(Rj・
Rn(on)/Rj+Rn(on)+R1)}・Vcc…(3) さらに、記憶ノードN2の“0”データ保持電
圧V2(0)は次の式で与えられる。
V2(0)={(Rj′・Rn(on)/Rj′+Rn(on))/(
Rj′・Rn(on)/Rj′+Rn(on)+R2)}・Vcc…(4) ここで、Rn(off)はフリツプフロツプ回路F
を構成するトランジスタQ1,Q2のオフ状態に
おけるチヤネルリーク電流の等価抵抗であり、
Rn(on)はオン状態での等価抵抗である。正常な
トランジスタでは、Rn(off)は1014Ω以上の極め
て大きな値であるから、上記1〜4式は次のよう
に書き直することができる。
V1(1)≒Vcc …(5) V2(1)≒Rj′/Rj′+R2・Vcc …(6) V1(0)=V2(0)≒0 …(7) メモリセルの“1”、“0”記憶電圧はそれぞれ
Vcc、0Vであることが望ましいが、記憶ノード
N2の“1”データ保持電圧V2(1)のみがR2と
Rj′の抵抗分割で決定され、Vccよりも低下する。
この場合、Rj′がR2よりも小さくなる程、“1”
記憶電圧は低下し、これがNチヤネルMOSトラ
ンジスタの閾値電圧Vthn以下にまで降下すると、
上記3式におけるRn(on)がRn(off)に変わり、
記憶ノードN1の“0”データ保持電圧V1
(0)がR1×CAの時定数でVccレベルまで充電
される。ただし、CAは記憶ノードN1の記憶容
量である。このことは、メモリセルの記憶状態
が、初期ではノードN1が“0”、ノードN2が
“1”の状態から、ノードN1が“1”、ノードN
2が“0”の状態に変わつたことになり、データ
が破壊されたことを意味する。第10図の関係で
言替えれば、R1,R2とRj′との交点温度T1
以下で記憶データが破壊されることになる。この
現象は静止時に低温側で起り易いことから、低温
ポーズ破壊と呼ばれている。この種の不良の検出
が困難な理由として、低温でのテストが必要であ
ること、ポーズ性の不良であり長いテスト時間が
必要なこと、静止時に完全なセル破壊に至るまで
の間に様々の不安定動作に起困した特性不良の段
階が存在すること等があり、これらの不良を早期
に、特にウエハ状態でのテストで容易かつ確実に
検出する手段が求められている。
(発明が解決しようとする問題点) このように従来ではリーク電流に起因するセル
不良の検出に際し、外側からメモリセルの動作特
性を調べることにより行なうようにしているの
で、不安定動作するメモリセルの検出が極めて困
難であり、かつテスト時間も長くなるという欠点
がある。
この発明は上記のような事情を考慮してなされ
たものであり、その目的は、ポーズ不良が存在し
ているメモリセルの不良を加速検出することによ
つて不良セルの存在を容易にかつ短時間で検出す
ることができるスタテイツク型ランダムアクセス
メモリを提供することにある。
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) この発明のスタテイツク型ランダムアクセスメ
モリは、メモリセル及びメモリセル以外の周辺回
路とをそれぞれ異なるウエル領域に形成し、上記
メモリセルが形成されているウエル領域に任意の
バイアス電圧を供給するバイアス電圧供給手段を
設けたことを特徴とする。
(作用) この発明のメモリでは、メモリセルが形成され
ているウエル領域に任意のバイアス電圧を供給す
ることによりメモリセル内の記憶ノードにおける
“1”データの保持電圧を低く設定し、これによ
りポーズ不良セルにおけるデータ破壊を加速する
ようにしている。これにより不良セルの存在を容
易にかつ短時間で発見することができる。
(実施例) 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説
明する。第1図はこの発明のスタテイツク型ラン
ダムアクセスメモリで使用される1個のメモリセ
ルの構成を示す回路図である。このメモリセル
は、従来と同様にエンハンスメント型でNチヤネ
ルのMOSトランジスタQ1〜Q4と高抵抗R1,
R2とで構成されている。そして、トランジスタ
Q1,Q2と高抵抗R1,R2とからなるフリツ
プフロツプ回路F内のトランジスタQ1とQ2の
共通ソースは接地電圧Vssに接続され、トランス
フアゲート用のトランジスタQ3,Q4の各ゲー
トはワード線WLに共通に接続され、このトラン
ジスタQ3,Q4の一端はビツト線BL,それ
ぞれに接続されている。
また、この実施例におけるメモリセルが前記第
6図に示す従来のものと異なつている点は、この
メモリセル内のトランジスタQ1〜Q4のバツク
ゲート、すなわちこれらトランジスタQ1〜Q4
が形成されているウエル領域(前記第7図B中の
領域50)が、このメモリセルを含むメモリセル
以外の図示しない周辺回路が形成されているウエ
ル領域とは電位的に分離されており、かつトラン
ジスタQ1〜Q4が形成されているウエル領域に
所定のバイアス電圧Vsubが独立して供給できる
ようにしたことにある。このバイアス電圧Vsub
としては、ポーズ不良の検出時には接地電圧Vss
よりも低い、すなわち負極性の電圧が供給され、
通常のメモリ動作を行なわせる場合には接地電圧
Vccと同じ電圧が供給される。なお、周辺回路が
形成されているウエル領域には接地電圧Vssが常
時供給されている。
これは、メモリセルのウエル領域と接続される
ボンデイングパツドを、周辺回路のウエル領域と
接続されるボンデイングパツドは別に設け、テス
ト時には両パツドに独立した電圧を印加し、テス
トの終了後には両パツドをボンデイング・ワイヤ
等により接続することで実現することができる。
このような構成において、いま記憶ノードN1
には正常なPN接合の逆方向リーク電流が、記憶
ノードN2には異常リーク電流成分を含む逆方向
リーク電流がそれぞれ存在する場合のフリツプフ
ロツプ回路Fの部分の等価回路を第2図に示す。
第1図のようなメモリセルを持つメモリのテス
トを行なうには、まず、Vsubとして接地電圧Vss
と等しい電圧を供給した状態でメモリセルに所定
のデータの書込んでおく、次にデータが記憶され
ている状態で上記Vsubとして負極性の電圧を供
給する。負極性の電圧VsubをトランジスタQ2
のバツクゲートに印加することにより、記憶ノー
ドN2には、トランジスタQ2のバツクゲートに
接地電圧Vssを印加した場合に比べて大きな電流
が流れる。これは、第3図の特性図に示すよう
に、ポーズ不良の原因である異常接合リーク電流
Ireakと、接合に印加される逆方向電圧Vdとの関
係からみて明らかである。Vsubとして負極性の
電圧が供給されている状態のときの記憶ノードN
2における静止時の“1”データ保持電圧V2
(1)′は、前記2式から次の式のように変化する。
V2(1)′=Rj′/Rj′+R2・(Vcc−Vsub)+Vsub …(8) ここで、V2(1)′−V2(1)を減算すると次の9式
が得られる。
V2(1)′−V2(1)=Rj′/Rj′+R2Vsub+Vsub …(9) すなわち、負極性の電圧Vsubを印加すること
で“1”データを保持している記憶ノードN2の
電圧は上記9式で与えられる値だけ低下する。一
方、ビツト線電圧を検出するセンス増幅回路(図
示せず)等からなる周辺回路が形成されているウ
エル領域には接地電圧Vssが常時供給されている
ので、その回路特性は一定である。従つて、メモ
リセル内のトランジスタQ1〜Q4のバツクゲー
トに接地電圧Vssよりも低いバイアス電圧Vsubを
供給することにより、記憶ノードN2のデータ保
持電圧の低下に起因するポーズ不良の検出が容易
になる。すなわち、電圧V2(1)′がNチヤネル
MOSトランジスタの閾値電圧以下まで低下する
とメモリセルの記憶データが破壊され始めるので
あるから、メモリセル内のトランジスタのバツク
ゲートに供給される電圧Vsubを接地電圧よりも
低下させることによりセルデータの破壊を加速さ
せることができる。
セルデータ破壊の加速が終了したならば、電圧
Vsubとして接地電圧Vssを供給し、データの読出
しを行なう。ポーズ不良によりデータが破壊され
たメモリセルにおける記憶データは、バイアス電
圧Vsubが接地電圧Vssに戻つた後でも変化しな
い。従つて、予め書込んだデータと読出しデータ
とが一致しなければ、そのメモリセルはポーズ不
良セルであることを検出することができる。しか
も、この検出はバイアス電圧Vsubを変えるとい
う操作により行われるため、従来と比べて極めて
短時間に検出することができる。
しかも、NチヤネルMOSトランジスタのバツ
クゲートに負極性の電圧を印加するとその閾値電
圧は上昇し、これは基板バイアス効果として知ら
れている。第4図はその閾値電圧Vthnが0.95Vと
なるように設計されたNチヤネルMOSトランジ
スタにバツクゲートバイアス電圧を印加した場合
の、バツクゲート、ソース間の平方根値√BS
(V1/2)とその閾値電圧の変化分ΔVthnとの関係
を示す特性図である。上記のようにトランジスタ
のバツクゲートに負極性の電圧を印加すること
は、その閾値電圧を上昇させる効果を伴うことに
なる。すなわち、上記電圧V2(1)′がNチヤネル
MOSトランジスタの閾値電圧以下に低下すると
セルデータが破壊され始めるのであるから、上記
基板バイアス効果によるトランジスタの閾値電圧
の上昇はセルデータの破壊を加速する結果につな
がるのである。
第5図は上記第1図のようなメモリセルを備え
たこの発明のメモリチツプ全体の構成を示すブロ
ツク図である。メモリチツプ20内には第1図の
メモリセルを多数備えたメモリセルアレイ21
と、このメモリセルアレイ21内のメモリセルに
おけるデータの書込み、読出し動作を制御する周
辺回路が設けられている。この周辺回路には周知
のように、チツプイネーブル信号、アウトプツト
イネーブル信号等の各種制御入力が与えられるチ
ツプ制御回路22、このチツプ制御回路22の出
力に基づいてタイミング信号を発生するタイミン
グ制御回路23、行アドレスが入力される行アド
レスバツフア回路24、チツプ外部との間で入出
データの授受を行なう入出力回路25、上記行ア
ドレスバツフア回路24の出力が与えられる行デ
コーダ回路26、データ書込み時には上記メモリ
セルアレイ21にデータを書き込み、データ読出
し時にはメモリセルアレイ21からの読出しデー
タを検出するセンス増幅回路/書き込み回路2
7、列アドレスが入力される列アドレスバツフア
回路28、上記列アドレスバツフア回路28の出
力が与えられる列デコーダ回路29、この列デコ
ーダ回路29の出力に基づいて上記メモリセルア
レイ21内のワード線を選択駆動するワード線駆
動回路30等が設けられている。
さらに、31ないし33はそれぞれこのメモリ
チツプ20に電源電圧Vcc、接地電圧Vss及びテ
スト時に使用される電圧Vsubが印加されるボン
デイングパツドである。ボンデイングパツド31
に印加される電源電圧Vccはメモリセルアレイ2
1を含む回路に供給される。また、ボンデイング
パツド32に印加される接地電圧Vssはメモリセ
ルアレイ21は除く周辺回路に供給される。さら
に、ボンデイングパツド33に印加されるバイア
ス電圧Vsubはメモリセルアレイ21のみに供給
される。
ここで、テスト時には前記のように各ボンデイ
ングパツド31〜33をボンデイング・ワイヤで
リードフレームとは接続せず、独立してそれぞれ
のボンデイングパツドに所定の電圧を供給するこ
とによりテストを行ない、テスト後は図示のよう
にボンデイングパツド31をVcc用のリードフレ
ーム34と接続し、ボンデイングパツド32と3
3をVss用のリードフレーム35とそれぞれ接続
する。
[発明の効果] 以上説明したようにこの発明によれば、ポーズ
不良セルの存在を容易かつ短時間で検出すること
ができることができるスタテイツク型ランダムア
クセスメモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例によるメモリセル
の構成を示す回路図、第2図は第1図のメモリセ
ルの等価回路図、第3図及び第4図はそれぞれ上
記実施例を説明するための特性図、第5図はこの
発明のメモリの全体の構成を示すブロツク図、第
6図は従来のE/R型SRAMセルの回路図、第
7図は上記従来のE/R型SRAMセルの一部の
素子構造を示すパターン平面図及びその断面図、
第8図はメモリ容量と負荷用高抵抗の値との関係
をまとめて示す図、第9図は第6図に示す従来の
E/R型SRAMセルの一部の等価回路図、第1
0図は第6図に示す従来のE/R型SRAMセル
における各種抵抗の温度特性を示す特性図であ
る。 Q1〜Q4…NチヤネルMOSトランジスタ、
R1,R2…高抵抗、F…フリツプフロツプ回
路、Rj,Rj′…等価抵抗、BL,…ビツト線、
WL…ワード線。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 ウエル領域に形成されたメモリセルと、 上記メモリセルとは異なるウエル領域に形成さ
    れたメモリセル以外の周辺回路と、 上記メモリセルが形成されているウエル領域に
    通常動作時と不良検出時とで異なる値のバイアス
    電圧を供給する第1のバイアス供給手段と、 上記周辺回路が形成されているウエル領域に常
    時一定のバイアス電圧を供給する第2のバイアス
    供給手段と を具備したことを特徴とするスタテイツク型ラン
    ダムアクセスメモリ。 2 前記メモリセルが、負荷素子として抵抗を用
    い、駆動素子としてMOSトランジスタを用いた
    2個のインバータで構成されたフリツプフロツプ
    回路を備えている特許請求の範囲第1項に記載の
    スタテイツク型ランダムアクセスメモリ。 3 前記第1のバイアス供給手段は、通常動作時
    にそのメモリに供給される最低電源電圧よりも低
    いバイアス電圧を前記ウエル領域に供給するよう
    にした特許請求の範囲第1項に記載のスタテイツ
    ク型ランダムアクセスメモリ。 4 前記第1、第2のバイアス供給手段がボンデ
    イングパツドで構成されている特許請求の範囲第
    1項に記載のスタテイツク型ランダムアクセスメ
    モリ。
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