WO2004086512A1 - Semiconductor memory - Google Patents

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WO2004086512A1
WO2004086512A1 PCT/JP2003/003682 JP0303682W WO2004086512A1 WO 2004086512 A1 WO2004086512 A1 WO 2004086512A1 JP 0303682 W JP0303682 W JP 0303682W WO 2004086512 A1 WO2004086512 A1 WO 2004086512A1
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semiconductor memory
gate
memory device
internal node
circuit
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PCT/JP2003/003682
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Ayako Sato
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Fujitsu Limited
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    • G11CSTATIC STORES
    • G11C16/00Erasable programmable read-only memories
    • G11C16/02Erasable programmable read-only memories electrically programmable
    • G11C16/04Erasable programmable read-only memories electrically programmable using variable threshold transistors, e.g. FAMOS
    • G11C16/0466Erasable programmable read-only memories electrically programmable using variable threshold transistors, e.g. FAMOS comprising cells with charge storage in an insulating layer, e.g. metal-nitride-oxide-silicon [MNOS], silicon-oxide-nitride-oxide-silicon [SONOS]
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
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    • 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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    • G11C14/00Digital stores characterised by arrangements of cells having volatile and non-volatile storage properties for back-up when the power is down
    • G11C14/0054Digital stores characterised by arrangements of cells having volatile and non-volatile storage properties for back-up when the power is down in which the volatile element is a SRAM cell
    • G11C14/0063Digital stores characterised by arrangements of cells having volatile and non-volatile storage properties for back-up when the power is down in which the volatile element is a SRAM cell and the nonvolatile element is an EEPROM element, e.g. a floating gate or MNOS transistor

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device configured by connecting a volatile memory circuit and a nonvolatile memory circuit.
  • non-volatile memory cell configured by combining a non-volatile bright memory element using a ferroelectric substance and a volatile memory cell.
  • a nonvolatile random access memory constructed by connecting a ferroelectric capacitor to an SRAM (Static Random Access Memory) type volatile memory cell is disclosed.
  • SRAM Static Random Access Memory
  • the conventional non-volatile memory cell configured as described above has problems such as that a long time is required for a re-read operation or the like, and that a predetermined start-up process must be executed at the start-up after power-on. Was.
  • the size of one storage unit of a nonvolatile memory cell (the circuit scale required to store one data) is large.
  • the conventional nonvolatile memory cell is a normal logic unit including a volatile memory cell.
  • the use of a special material (ferroelectric material) that is different from non-volatile memory elements greatly increases the number of steps in the manufacturing process.
  • Patent Document 1
  • the present invention has been made in order to solve such a problem, and has a semiconductor memory including a volatile memory circuit and a nonvolatile memory circuit, which has a high operation speed and a small circuit scale required for storing one data. It is intended to provide a device.
  • the electric charge is stored in the trap region in the nitride film to store the electric charge.
  • a non-volatile semiconductor storage circuit that holds a state, and a volatile storage circuit that latches an output of the non-volatile semiconductor storage circuit. The output node of the non-volatile semiconductor storage circuit and the internal node of the volatile storage circuit Connect.
  • the present invention it is possible to realize a nonvolatile data holding function of holding data even when power is not supplied, and to store data by a nonvolatile semiconductor memory circuit having a size of one transistor, and to store the stored data in a volatile manner.
  • the signal can be output in a short time by the storage circuit.
  • FIGS. 1A to 1C are diagrams for explaining a MONOS type storage element.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a timing chart showing a data read operation from the MONOS element in the semiconductor memory device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a timing chart showing a data programming operation to the MONOS element in the semiconductor memory device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a timing chart showing a data erasing operation of the MONOS element in the semiconductor memory device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating another configuration example of the memory cell according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a timing chart showing a data read operation of the MONOS element in the semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
  • FIGS. 11 to 16 are diagrams showing another configuration example of the memory cell according to the fourth embodiment. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIGS. 1A to 1C illustrate a MONO S (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) storage element (hereinafter also referred to as a “MOMO S element”), which is one of nonvolatile storage elements.
  • MONO S element Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon storage element
  • CMO S process standard Si process
  • adds several steps to the logic process for forming a normal logic section without using special materials for example, adding a mask. It can be made by simply adding two).
  • FIG. 1A is a device cross-sectional view showing an example of the structure of the MONOS element.
  • the MON OS element includes a semiconductor (silicon) substrate 1, a first gate oxide film 2, a nitride film 3, a second gate oxide film 4, a metal gate 5, and a first diffusion layer 6. And a second diffusion layer 7.
  • the first gate oxide film 2, the nitride film 3, the second gate oxide film 4, and the gate 5 are sequentially formed in a predetermined region on the semiconductor substrate 1. Further, if the semiconductor substrate 1 is, for example, a p-type silicon substrate, the diffusion layers 6 and 7 are formed by introducing an n-type impurity into a predetermined region of the semiconductor substrate 1. (S), the second diffusion layer 7 becomes the drain (D).
  • the MONOS element is illustrated using the symbols (circuit diagram notation) shown in FIG. 1B.
  • G is a gate
  • S is a source
  • D is a drain.
  • the MONOS element can store at least one data in the structure shown in FIG. 1A, that is, one transistor size, and has a charge accumulation region 8 (a nitride trap, a first trap, a trapping center of a silicon nitride film).
  • the data is stored by accumulating electric charges in the gate oxide film 2 and the nitride film 3 at the interface region.
  • charge storage area 8 Since the threshold value of the MONOS element changes according to the state of charge accumulation, the storage state (storage data) of the MONOS element can be determined by detecting a current flowing under a predetermined potential condition.
  • FIG. 1C is a diagram showing an example of a potential condition in each operation of the MONOS element, and shows potentials respectively applied to the gate G, the source S, and the drain D of the MONOS element.
  • a positive potential V2 is applied to the gate G, and a positive potential V3 lower than the potential V2 is applied to the source S. At this time, the potential applied to the drain D is 0 V.
  • the potentials applied to the gate G, the source S, and the drain D of the MONOS element are different depending on the operation as described above.
  • the values of the potentials V1 to V4, HV, and NV are set to appropriate values according to the manufacturing conditions of the MONOS element and the like.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention.
  • the memory cell shown in FIG. 2 has an arbitrary number in the direction in which the signal lines DSL 1 and DSL r extend. Connected to form a semiconductor memory device. '
  • reference numeral 10 denotes a latch circuit (flip-flop circuit), which includes four transistors (two P-channel MOS transistors PT 1 and PT 2 and two N-channel transistors NT 1 and NT 2). .
  • the latch circuit 10 is composed of a CMOS transistor composed of transistors PT1 and NT1, and a CMOS transistor composed of transistors PT2 and NT2, each of which constitutes an inverter. Are cross-coupled (cross-coupled) to form an SRAM-type volatile storage circuit. Power is supplied to the latch circuit 10 via a P-channel MOS transistor PT 3 and an N-channel MOS transistor NT 3.
  • the transistor PT 3 has a source connected to the power supply voltage V ii, a drain connected to the latch circuit 10 (sources of the transistors PT 1 and PT 2), and a gate connected to the signal line LE n via the inverter circuit 11. Is done.
  • the transistor NT3 has a source connected to ground (reference potential: ground GND), a drain connected to the latch circuit 10 (sources of the transistors NT1 and NT2), and a gate connected to the signal line LEn.
  • MT1 and MT2 are MONOS elements constituting a nonvolatile memory circuit.
  • the source of the MO NO S element MT 1 is connected to the internal node N 1 (drain of the transistors PT 1 and NT 1) of the latch circuit 10, the drain is connected to the signal line SL n, and the gate is connected to the signal line DSL 1.
  • the source is connected to the internal node N2 (the drain of the transistor PT2,) 2) of the latch circuit 10, the drain is connected to the signal line SL ⁇ , and the gate is connected to the signal line DSL.
  • the MONOS elements MT1 and MT2 store data in a complementary relationship (the state is maintained).
  • a signal line (output data line) DATAn is connected to the internal node N2.
  • n is a suffix and n is an arbitrary integer.
  • the normal operation of latching (holding) data in the memory cell in the semiconductor memory device according to the first embodiment is a data read operation in the MONOS element.
  • the MONOS elements MT1 and MT2 have data written in advance in a complementary relationship and hold the complementary state.
  • FIG. 3 is a timing chart showing a data read operation from the MONOS element in the semiconductor memory device according to the first embodiment.
  • the potential of the signal line SL n is set to a low level (0 V, hereinafter referred to as “L”).
  • the potentials of the signal lines DSL1, DSLr, and LEn are 0 V ("L").
  • the internal nodes Nl and N2 are charged to a positive potential V3 in advance by a circuit (not shown). (Floating) before the signal line SL n is set to “L”. Therefore, when the potential of the signal line S Ln is set to “L”, the potential of the signal line DAT An is V 3, and the potentials of the gate, source, and drain of the MONOS elements MT 1 and MT 2 are 0 V, respectively. , V3, 0V.
  • a pair of signal lines DSL1 and DSLr (hereinafter, also referred to as "DSL signal line pair”) are simultaneously driven to a positive potential V2 higher than the potential V3. That is, the potential V2 is applied to the gates of the MONOS elements MT1 and MT2.
  • the MONO S elements IvIT 1 and MT 2 one of the MONO S elements MT 1 and MT 2 flows in the seawater (turns on), and the other does not flow the current (off). State). Therefore, one of the internal nodes N 1 and N 2 (the node connected to the MONOS element through which current flows) decreases in potential, and the other node maintains the potential V 3.
  • FIG. 3 shows a case where a current flows in the MONOS element MT1 as an example.
  • the latch circuit 10 is activated by setting the potential of the signal line LE n to a high level (power supply voltage V ii, hereinafter referred to as “H”) at a time T 2 after a predetermined time has elapsed from the time T 1. Is done. As a result, the potential difference between the internal nodes Nl and N2 is amplified, the potential becomes “H” or “L”, and the potential of the signal line DATAn is determined to be "H” or "L".
  • H power supply voltage
  • the potential of the signal line LEn is set to "L" to cut off the power supply to the latch circuit 10, and the internal nodes N1 and N2 are precharged to the potential V3 by a circuit (not shown). . Thereafter, the DSL signal line pair and the signal line SLn are deactivated, and the data read operation is completed.
  • the potential of the signal line SL n is set to “L”, and then the potential of the DSL signal line pair is set to V 2, but almost simultaneously, the potential of the signal line SL n and the potential of the DSL signal line are set.
  • the potential of the pair may be changed.
  • the potential of the signal line LEn may be held at "H” even after the DSL signal line pair and the signal line SLn are inactivated.
  • FIG. 4 is a timing chart showing a data program operation in the semiconductor memory device according to the first embodiment.
  • the signal line SLn is driven to a positive potential V1.
  • the signal line DSL 1 connected to one of the MONOS elements MT 1 and MT 2 to which "0" is written so that no current flows during data read operation (in a non-conducting state).
  • DSLr are driven from the potential V1 to ⁇ ⁇ high potential HV.
  • the other potentials of the signal lines DS L1 and DS Lr connected to the other MONO S elements MT 1 and MT 2 maintain 0 ⁇ T.
  • FIG. 5 is a timing chart showing a data erase operation in the semiconductor memory device according to the first embodiment, and shows a case where the storage states of the MONOS elements MTl and MT2 are erased collectively. I have.
  • the signal line SLn is driven to a positive potential V4, and the potentials of the internal nodes Nl and N2 are set to the potential V4 by a circuit (not shown).
  • the DS Lm signal line pair is simultaneously driven to the negative potential NV.
  • the electrons stored in the charge storage region 8 in the MONOS elements MT1 and MT2 are released, and the storage state is erased.
  • the DSL signal line pair and the signal line SLn are deactivated, and the data erasing operation ends.
  • the potential of the signal line LEn is set to "L" when performing the data erase operation.
  • the sources of the MONOS elements MT1 and MT2 which are nonvolatile storage circuits, are connected to the internal nodes Nl and Nl of the SRAM type latch circuit 10. Connect to N2 to configure non-volatile storage circuit like SRAM.
  • N2 connects to N2 to configure non-volatile storage circuit like SRAM.
  • MONOS elements MT1 and MT2 as the nonvolatile memory circuit, it is possible to fabricate a semiconductor memory device using only a CMOS process that adds several steps to a normal logic process without using special materials. it can.
  • it can be widely used as a circuit having a register function of a semiconductor circuit, and can be used as a nonvolatile register circuit or a storage circuit of a look-up table (a truth table of logic of a programmable device). Further, for example, since it has a non-volatile data holding function, it can be applied to a programmable device that does not require an external non-volatile memory (EEPROM or the like) or an instant-on system.
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.
  • the memory cells shown in FIG. A storage device is configured. 6 circuit components and the like having the same functions as the circuit components and the like shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
  • the memory cell according to the second embodiment includes a latch circuit including two P-channel MOS transistors PT 4 and PT 5 instead of the latch circuit 10 according to the first embodiment. 20 is used.
  • the latch circuit 20 two transistors PT4 and PT5 are cross-coupled to form a volatile storage circuit.
  • the sources of the MONOS elements MT1 and MT2 that constitute the nonvolatile memory circuit are the internal nodes N3 (the drain of the transistor PT4), N4 (the transistor PT4) of the latch circuit 20. 4 drain).
  • the drain of the transistor NT3 is connected to the drains of the MONOS elements MT1 and MT2. Connected to
  • the data read, data write, and data erase operations for the MONOS element in the semiconductor memory device according to the second embodiment are the same as those in the first embodiment.
  • the operation of the cross-coupled transistors PT4 and PT5 causes The potentials of the internal nodes N3 and N4 become “H” or "L”, and the potential of the signal line DATAn becomes "H” or "L".
  • the memory cell in the semiconductor memory device according to the first and second embodiments described above has a pair of MONOS elements MT 1 and MT 2 in which data is stored in a complementary relationship. Holds two data.
  • the memory cell in the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention described below is provided with a plurality of pairs of two MONOS elements in which data is stored in a complementary relationship, and a plurality of data are stored in one memory cell. Can be held.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a memory cell according to the third embodiment. An arbitrary number of the memory cells shown in FIG. 7 are connected in the direction in which the DSL signal line pair extends, to configure a semiconductor memory device. 7, circuit components and the like having the same functions as the circuit components and the like shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
  • the MONOS element MT 1 j has a source connected to the internal node FN 1 of the latch circuit 10, a drain connected to the signal line SL n, and a gate connected to the signal line DS L 1 j. It is.
  • the MONOS element MT 2 j has a source connected to the internal node N 2 of the latch circuit 10, a drain connected to the signal line SL n, and a gate connected to the signal line DSL rj.
  • FIG. 8 is a diagram showing another configuration example of the memory cell according to the third embodiment.
  • the semiconductor memory device is configured by connecting an arbitrary number of the memory cells shown in FIG. 8 in the direction in which the DSL signal line pairs extend.
  • circuit components and the like having the same functions as the circuit components and the like shown in FIGS. 2, 6, and 7 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
  • the memory cell shown in FIG. 8 has the same configuration as the memory cell in the second embodiment, and is provided with a plurality of MONOS elements MT ij.
  • the memory cell shown in FIG. 8 has a DSL signal line pair corresponding to each set of two M ⁇ NOS elements MT 1 j and MT 2 j, similarly to the memory cell shown in FIG.
  • Two MONO S elements MT 1 j and MT 2 j are paired and store data in a complementary relationship.
  • the sources of the MONO S elements MT 1 j and MT 2 i are connected to the internal nodes N 3 and N 4 of the latch circuit 20, and the drain of the transistor NT 3 is connected to the drain of the MONO S element MT i j.
  • a plurality of MONOS elements M ij are connected as shown in FIGS. Therefore, in the data erase operation, the signal line SL n
  • the signal line SL n By setting the potentials of the internal nodes Nl and N2 (N3, N4) to V4 and simultaneously driving a plurality of DSL signal line pairs to a negative potential NV, the connection to the plurality of DSL signal line pairs is achieved.
  • the stored state of the MONOS element M ij can be simultaneously erased.
  • FIGS. 7 and 8 the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • circuit components and the like having the same functions as the circuit components and the like shown in FIG. 2 are given the same reference numerals, and overlapping descriptions will be omitted.
  • the memory cell according to the fourth embodiment shown in FIG. 9 is different from the memory cell shown in FIG. 2 in that an N-channel MOS transistor NT4 is newly provided as an output control gate and is connected to an internal node N2 via a transistor NT4.
  • Signal line DAT An is connected. That is, the transistor NT4 has a source connected to the internal node N2 of the latch circuit 1 ⁇ , a drain connected to the signal line DATAn, and a gate connected to the signal line (output control signal line) CLn.
  • the signal line CLn controls the transistor NT4 by turning on and off a predetermined timing signal such as a close signal of an external circuit that receives the potential of the signal line DATAn as data. It is for supply.
  • a predetermined timing signal is not limited to a clock signal, but may be an arbitrary synchronous signal or an asynchronous signal.
  • FIG. 10 shows a data read operation in the semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
  • the operation up to time T12 is the same as the operation up to time T2 in the above-described first embodiment.
  • the transistor NT4 is turned on by setting the potential of the signal line CLn to "H", and the potential of the internal node N2 is changed to the signal line. It is transmitted to DAT An. Thereafter, the potential of the signal line CL n is set to, and the transistor NT4 is turned off, so that the signal line DAT An becomes a floating state.
  • the operation after time T14 is the same as the operation after time T3 in the above-described first embodiment.
  • the output timing of the data latched in the memory cell can be controlled by the potential of the signal line CLn.
  • CLn the potential of the signal line
  • data latched in the memory cell can be output in synchronization with the clock signal.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating another configuration example of the memory cell according to the fourth embodiment.
  • the wiring connecting the source of the MON OS element MT2 and the internal node N2 is different from the wiring connecting the source of the transistor NT4 and the internal node N2 'of the latch circuit 10.
  • the only difference from the memory cell shown in FIG. Note that the internal nodes N 2 and N 2 ′ are electrically connected.
  • the load such as the parasitic capacitance of the M ⁇ NOS element can be avoided.
  • the data latched in the memory cell by the signal line DAT An can be output. Therefore, it is possible to reduce a wiring delay when outputting data latched in a memory cell by the signal line DATAn.
  • FIGS. 12 to 16 are diagrams C ′ to showing another configuration example of the memory cell in the fourth embodiment.
  • FIGS. 12, 13, and 15 illustrate the memory cells shown in FIGS. 6, 7, and 8.
  • a transistor NT4 is provided as an output control gate.
  • FIGS. 14 and 16 show a transistor NT4 as an output control gate in the memory cell shown in FIGS. 7 and 8 in the same manner as the memory cell shown in FIG.
  • the source and the source of the transistor NT4 are connected to the internal node of the latch circuit by different wiring.
  • the configuration and operation of the memory cell shown in FIGS. 12 to 16 are the same as those of the memory cell in each of the above-described embodiments except that the transistor NT4 as an output control gate and the operation related thereto are different. ⁇ Operation is the same.
  • an N-channel MOS transistor NT 4 is newly provided as an output control gate, and the internal node of the latch circuit is connected via the transistor NT 4.
  • the data output timing can be controlled by connecting the signal line DAT An to the power supply. For example, if the signal line DAT An is long, connecting the signal line DAT An to the internal node without providing the transistor NT 4 will increase the load on one circuit when the latch circuit is activated. However, by providing the transistor NT4, an increase in the load due to the signal line DAT An can be suppressed, and the latch circuit can operate stably.
  • the determined data can be maintained even when the transistor NT4 is in the off state. It is possible to reduce the influence of noise and the like.
  • the data output by the signal line DAT An is changed. If a plurality of these are arranged to form a data pattern, it is possible to selectively output a plurality of data patterns.
  • the timing of changing the DSL signal line pair may be at the time of startup immediately after power-on or at any time during operation.
  • two MONOS elements connected to different internal nodes are stored as a set and data is stored in a complementary relationship. It may be possible to memorize in one MONO S Hatako instead of the relationship. In this case, the MONOS element is selectively driven by one DSL signal line, instead of selectively driving the MONOS element by the DSL signal line pair. .
  • the difference in the manufacturing method of the MONOS element and the so-called 2-bit / cell that stores two data in one MONOS element by localizing and accumulating charge in the charge accumulation region 8 of the nitride film 3 It is also conceivable to use the MONOS element. In this case, data reading, writing, and erasing characteristics in the MONOS element, potential conditions to be applied, and the like may be different, but may be appropriately set according to the MONOS element.
  • the MONOS element is used as the nonvolatile memory circuit.
  • the MONOS element is not limited to the MONOS element.
  • SONOS type storage elements Semiconductor-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon type storage elements and MNO S (Metal-Nitride-Oxide-Silicon) type storage elements may be used.
  • a first gate oxide film, a nitride film, a second gate oxide film, and a gate made of a semiconductor are sequentially stacked in a predetermined region on a semiconductor substrate, and a lower region of the gut is sandwiched therebetween.
  • a diffusion layer is formed in a surface region in a semiconductor substrate.
  • a gate made of a gate oxide film, a nitride film, and a metal is sequentially stacked in a predetermined region on the semiconductor substrate, and a diffusion layer is formed in a surface region in the semiconductor substrate so as to sandwich the gate lower region. Is formed.
  • an output node of a non-volatile semiconductor storage circuit that stores electric charge in a trap region in a nitride film to maintain a storage state, and a volatile that latches an output of the non-volatile semiconductor storage circuit
  • a circuit configuration that connects the internal nodes of the volatile memory circuit
  • data is held by a nonvolatile semiconductor memory circuit of one transistor size, and the data held by the volatile memory circuit is signaled in a short time.
  • a nonvolatile data holding function can be realized, and a circuit scale required for storing one data can be reduced.
  • the present invention can be applied to a programmable logic device which does not require an external non-volatile memory, an instant-on system, and the like.
  • an output signal can be changed by providing a plurality of nonvolatile semiconductor memory circuits and selectively driving the same, desired data can be arbitrarily selected from a plurality of data and output. it can.

Abstract

A semiconductor memory in which the unit memory size is reduced while increasing the operating speed and a nonvolatile data retaining function for retaining data even if power is not supplied can be realized by connecting the output nodes of nonvolatile semiconductor memory circuits MT1 and MT2 for retaining the memory state by storing in the trap area in a nitride film charges with the internal nodes N1 and N2 of a volatile memory circuit (10) for latching the output of the nonvolatile semiconductor memory circuits MT1 and MT2.

Description

半導体記憶装置 技術分野  Semiconductor storage device technology
本発明は、 半導体記憶装置に関し、 特に、 揮発性記憶回路と不揮発性記憶回路 とを接続して構成した不揮発性の半導体記憶装置に関する。 背景技術  The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device configured by connecting a volatile memory circuit and a nonvolatile memory circuit. Background art
• 従来、 強誘電体を用いた不揮発性明メモリ素子と、 揮発性メモリセルとを組み合 わせて構成した不揮発性メモリセルがあった。 例えば、 特開平 8— 2 6 4 7 2 8 号公報に開示されているように、 S R A M 書 (Stati c Random Access Memory) 型 の揮発性メモリセルに強誘電体キャパシタを接続して構成した不揮発性メモリセ ルがあった。  • Conventionally, there has been a non-volatile memory cell configured by combining a non-volatile bright memory element using a ferroelectric substance and a volatile memory cell. For example, as disclosed in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. Hei 8-246472, a nonvolatile random access memory constructed by connecting a ferroelectric capacitor to an SRAM (Static Random Access Memory) type volatile memory cell is disclosed. There was a memory cell.
しかしながら、 上述のように構成された従来の不揮発性メモリセルは、 再読み 込み動作等に多大な時間を要する、 電源投入後の起動時に所定の起動処理を実行 しなければならない等の問題があった。 また、 不揮発性メモリセルの 1記憶単位 のサイズ ( 1つのデータの記憶に要する回路規模) が大きいという問題があった また、 従来の不揮発性メモリセルは、 揮発性メモリセルを含む通常のロジック 部とは異なる特殊な材料 (強誘電体材料) を用いて不揮発性メモリ素子を形成す るために、 製造プロセスにおける工程数が多大に増加する。  However, the conventional non-volatile memory cell configured as described above has problems such as that a long time is required for a re-read operation or the like, and that a predetermined start-up process must be executed at the start-up after power-on. Was. In addition, there is a problem that the size of one storage unit of a nonvolatile memory cell (the circuit scale required to store one data) is large. In addition, the conventional nonvolatile memory cell is a normal logic unit including a volatile memory cell. The use of a special material (ferroelectric material) that is different from non-volatile memory elements greatly increases the number of steps in the manufacturing process.
特許文献 1  Patent Document 1
特開平 8 - 2 6 4 7 2 8号公報 発明の開示  Unexamined Japanese Patent Application Publication No. Hei 8-2,64,728
本発明は、 このような問題を解決するためになされたものであり、 動作速度が 速く 1つのデータの記憶に要する回路規模が小さい、 揮発性記憶回路と不揮発性 記憶回路とで構成した半導体記憶装置を提供することを目的とする。  The present invention has been made in order to solve such a problem, and has a semiconductor memory including a volatile memory circuit and a nonvolatile memory circuit, which has a high operation speed and a small circuit scale required for storing one data. It is intended to provide a device.
本発明の半導体記憶装置は、 窒化膜内のトラップ領域に電荷を蓄積して記憶状 態を保持する不揮発性半導体記憶回路と、 上記不揮発性半導体記憶回路の出力を ラッチする揮発性記憶回路とを有し、 上記不揮発性半導体記憶回路の出力ノード と上記揮発性記憶回路の内部ノードとを接続する。 According to the semiconductor memory device of the present invention, the electric charge is stored in the trap region in the nitride film to store the electric charge. A non-volatile semiconductor storage circuit that holds a state, and a volatile storage circuit that latches an output of the non-volatile semiconductor storage circuit. The output node of the non-volatile semiconductor storage circuit and the internal node of the volatile storage circuit Connect.
本発明によれば、 電源が供給されなく ともデータが保持される不揮発なデータ 保持機能を実現できるとともに、 1 トランジスタのサイズの不揮発性半導体記憶 回路によりデータを記憶し、 記憶されたデータを揮発性記憶回路により短時間で 信号を出力することができるようになる。  According to the present invention, it is possible to realize a nonvolatile data holding function of holding data even when power is not supplied, and to store data by a nonvolatile semiconductor memory circuit having a size of one transistor, and to store the stored data in a volatile manner. The signal can be output in a short time by the storage circuit.
また、 複数の不揮発性半導体記憶回路を有し、 当該複数の不揮発性半導体記憶 回路を選択的に駆動することで出力信号を変更できるようにした場合には、 複数 のデータを記憶しておくことができ、 選択信号を制御するだけで出力信号を容易 かつ任意の時点で変更することができるようになる。 図面の簡単な説明  In the case where a plurality of nonvolatile semiconductor memory circuits are provided and an output signal can be changed by selectively driving the plurality of nonvolatile semiconductor memory circuits, a plurality of data are stored. The output signal can be changed easily and at any time only by controlling the selection signal. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1 A〜図 1 Cは、 M O N O S型記憶素子を説明するための図である。  1A to 1C are diagrams for explaining a MONOS type storage element.
図 2は、 本発明の第 1の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルの 構成例を示す図である。  FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention.
図 3は、 第 1の実施形態による半導体記憶装置での M O N O S素子からのデー タ読み出し動作を示すタイミングチャートである。  FIG. 3 is a timing chart showing a data read operation from the MONOS element in the semiconductor memory device according to the first embodiment.
図 4は、 第 1の実施形態による半導体記憶装置での M O N O S素子へのデータ プログラム動作を示すタイミングチャートである。  FIG. 4 is a timing chart showing a data programming operation to the MONOS element in the semiconductor memory device according to the first embodiment.
図 5は、 第 1の実施形態による半導体記憶装置での M O N O S素子のデータ消 去動作を示すタイミングチャートである。  FIG. 5 is a timing chart showing a data erasing operation of the MONOS element in the semiconductor memory device according to the first embodiment.
図 6は、 本発明の第 2の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルの 構成例を示す図である。  FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention.
図 7は、 本発明の第 3の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルの 構成例を示す図である。  FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention.
図 8は、 第 3の実施形態におけるメモリセルの他の構成例を示す図である。 図 9は、 本発明の第 4の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルの 構成例を示す図である。 図 1 0は、 第 4の実施形態による半導体記憶装置での MONO S素子のデータ 読み出し動作を示すタイミングチャートである。 FIG. 8 is a diagram illustrating another configuration example of the memory cell according to the third embodiment. FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 10 is a timing chart showing a data read operation of the MONOS element in the semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
図 1 1〜図 1 6は、 第 4の実施形態におけるメモリセルの他の構成例を示す図 である。 発明を実施するための最良の形態  FIGS. 11 to 16 are diagrams showing another configuration example of the memory cell according to the fourth embodiment. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図 1 A〜図 1 Cは、 不揮発性記憶素子の 1つである MONO S (Metal-Oxide - Nitride-Oxide-Silicon) 型記憶素子 (以下、 「MOMO S素子」 とも称す。 ) を説明するための図である。 MONO S素子は、 CMO Sプロセス (標準的な S iプロセス) との整合性が高く、 特殊な材料を用いることなく、 通常のロジック 部を形成するためのロジックプロセスに数工程加える (例えばマスクを 2枚追加 する) だけで作製することができる。  FIGS. 1A to 1C illustrate a MONO S (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) storage element (hereinafter also referred to as a “MOMO S element”), which is one of nonvolatile storage elements. FIG. The MONO S element has high compatibility with the CMO S process (standard Si process), and adds several steps to the logic process for forming a normal logic section without using special materials (for example, adding a mask). It can be made by simply adding two).
図 1 Aは、 MONO S素子の構造の一例を示すデバイス断面図である。 MON O S素子は、 半導体 (シリ コン) 基板 1と、 第 1のゲート酸化膜 2と、 窒化膜 3 と、 第 2のゲート酸化膜 4と、 金属からなるゲート 5と、 第 1の拡散層 6と、 第 2の拡散層 7とを有する。  FIG. 1A is a device cross-sectional view showing an example of the structure of the MONOS element. The MON OS element includes a semiconductor (silicon) substrate 1, a first gate oxide film 2, a nitride film 3, a second gate oxide film 4, a metal gate 5, and a first diffusion layer 6. And a second diffusion layer 7.
図 1 Aに示したように、 第 1のゲート酸化膜 2、 窒化膜 3、 第 2のゲート酸化 膜 4、 及びゲート 5は、 半導体基板 1上の所定領域に順次積層形成される。 また 、 拡散層 6、 7は、 例えば半導体基板 1が p型シリ コン基板であれば、 半導体基 板 1の所定領域に n型不純物を導入して形成され、 例えば第 1の拡散層 6がソー ス (S) 、 第 2の拡散層 7がドレイン (D) になる。  As shown in FIG. 1A, the first gate oxide film 2, the nitride film 3, the second gate oxide film 4, and the gate 5 are sequentially formed in a predetermined region on the semiconductor substrate 1. Further, if the semiconductor substrate 1 is, for example, a p-type silicon substrate, the diffusion layers 6 and 7 are formed by introducing an n-type impurity into a predetermined region of the semiconductor substrate 1. (S), the second diffusion layer 7 becomes the drain (D).
以下に説明する各実施形態において、 MONO S素子は、 図 1 Bに示す記号 ( 回路図表記) を用いて図示する。 図 1 Bにおいて、 Gはゲート、 Sはソース、 D はドレインである。  In each of the embodiments described below, the MONOS element is illustrated using the symbols (circuit diagram notation) shown in FIG. 1B. In FIG. 1B, G is a gate, S is a source, and D is a drain.
MONO S素子は、 図 1 Aに示した構造、 すなわち 1 トランジスタのサイズで 少なくとも 1つのデータを記憶することができ、 シリコン窒化膜の捕獲中心であ る電荷蓄積領域 8 (ナイ トライ ドトラップ、 第 1のゲート酸化膜 2と窒化膜 3と の界面領域) に電荷を蓄積することでデータを記憶する。 電荷蓄積領域 8におけ る電荷の蓄積状態に応じて、 MONO S素子の閾値は変化するので、 所定の電位 条件にて流れる電流を検出することにより MONO S素子の記憶状態 (記憶デー タ) を判別することができる。 The MONOS element can store at least one data in the structure shown in FIG. 1A, that is, one transistor size, and has a charge accumulation region 8 (a nitride trap, a first trap, a trapping center of a silicon nitride film). The data is stored by accumulating electric charges in the gate oxide film 2 and the nitride film 3 at the interface region. In charge storage area 8 Since the threshold value of the MONOS element changes according to the state of charge accumulation, the storage state (storage data) of the MONOS element can be determined by detecting a current flowing under a predetermined potential condition.
図 1 Cは、 M O N O S素子の各動作における電位条件の一例を示す図であり、 MONO S素子のゲート G、 ソース S、 ドレイン Dにそれぞれ印加される電位を 示している。  FIG. 1C is a diagram showing an example of a potential condition in each operation of the MONOS element, and shows potentials respectively applied to the gate G, the source S, and the drain D of the MONOS element.
データ読み出し動作においては、 正の電位 V 2がゲート Gに印加され、 電位 V 2より低い正の電位 V 3がソース Sに印加される。 このとき、 ドレイン Dに印加 される電位は 0 Vである。  In the data read operation, a positive potential V2 is applied to the gate G, and a positive potential V3 lower than the potential V2 is applied to the source S. At this time, the potential applied to the drain D is 0 V.
データ書き込み (プログラム) 動作においては、 "0" を書き込む際には正の 高電位 HVがゲート Gに印加され、 電位 HVより低い正の電位 V 1がドレイン D に印加される。 このとき、 ソース Sに印加される電位は 0 Vである。 書き込むデ ータが " 1" の場合には、 ソース S、 ドレイン Dともに 0 Vが印加される。 データ消去動作においては、 負の電位 NVがゲート Gに印加され、 正の電位 V 4がソース S及ぴドレイン Dに印加される。  In the data write (program) operation, when writing "0", a positive high potential HV is applied to the gate G, and a positive potential V1 lower than the potential HV is applied to the drain D. At this time, the potential applied to the source S is 0 V. When the data to be written is "1", 0 V is applied to both source S and drain D. In the data erase operation, a negative potential NV is applied to the gate G, and a positive potential V4 is applied to the source S and the drain D.
MONO S素子のゲート G、 ソース S、 ドレイン Dに印加する電位は、 上述の ように動作に応じてそれぞれ異なる。 なお、 電位 V 1〜V4、 HV、 NVの値は 、 MONO S素子の製造条件等により適切な値に設定される。  The potentials applied to the gate G, the source S, and the drain D of the MONOS element are different depending on the operation as described above. The values of the potentials V1 to V4, HV, and NV are set to appropriate values according to the manufacturing conditions of the MONOS element and the like.
(第 1の実施形態)  (First Embodiment)
図 2は、 本発明の第 1の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルの 構成例を示す図であり、 図 2に示すメモリセルが、 信号線 D S L 1、 D S L rが 延びる方向に任意の数接続され半導体記憶装置が構成される。 '  FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. The memory cell shown in FIG. 2 has an arbitrary number in the direction in which the signal lines DSL 1 and DSL r extend. Connected to form a semiconductor memory device. '
図 2において、 1 0はラッチ回路 (フリップフロップ回路) であり、 4つのト ランジスタ ( 2つの Pチャネル MO S トランジスタ P T 1、 PT 2及び 2つの N チャネルトランジスタ NT 1、 NT 2) で構成される。 具体的には、 ラツチ回路 1 0は、 トランジスタ P T 1 と NT 1からなる CMO S トランジスタ、 及ぴトラ ンジスタ PT 2と NT 2からなる CMOS トランジスタが、 ィンバータをそれぞ れ構成し、 この 2つのインバータが交差結合 (クロス力ップル) されて SRAM 型の揮発性記憶回路を構成する。 ラッチ回路 1 0は、 Pチャネル MO S トランジスタ P T 3、 Nチャネル MOS トランジスタ NT 3を介して電源が供給される。 トランジスタ PT 3は、 ソース が電源電圧 V i iに接続され、 ドレインがラッチ回路 1 0 (トランジスタ PT 1 、 PT 2のソース) に接続され、 ゲートがインバータ回路 1 1を介して信号線 L E nに接続される。 トランジスタ NT 3は、 ソースが接地 (基準電位: グランド GND) に対して接続され、 ドレインがラツチ回路 1 0 (トランジスタ NT 1、 NT 2のソース) に接続され、 ゲートが信号線 L E nに接続される。 In FIG. 2, reference numeral 10 denotes a latch circuit (flip-flop circuit), which includes four transistors (two P-channel MOS transistors PT 1 and PT 2 and two N-channel transistors NT 1 and NT 2). . Specifically, the latch circuit 10 is composed of a CMOS transistor composed of transistors PT1 and NT1, and a CMOS transistor composed of transistors PT2 and NT2, each of which constitutes an inverter. Are cross-coupled (cross-coupled) to form an SRAM-type volatile storage circuit. Power is supplied to the latch circuit 10 via a P-channel MOS transistor PT 3 and an N-channel MOS transistor NT 3. The transistor PT 3 has a source connected to the power supply voltage V ii, a drain connected to the latch circuit 10 (sources of the transistors PT 1 and PT 2), and a gate connected to the signal line LE n via the inverter circuit 11. Is done. The transistor NT3 has a source connected to ground (reference potential: ground GND), a drain connected to the latch circuit 10 (sources of the transistors NT1 and NT2), and a gate connected to the signal line LEn. You.
MT 1、 MT 2は、 不揮発性記憶回路を構成する MONO S素子である。 MO NO S素子 MT 1は、 ソースがラッチ回路 1 0の内部ノード N 1 (トランジスタ PT 1、 NT 1のドレイン) に接続され、 ドレインが信号線 S L nに接続され、 ゲートが信号線 D S L 1に接続される。 同様に、 MONO S素子 MT 2は、 ソー スがラッチ回路 10の内部ノード N 2 (トランジスタ PT 2、 ΝΤ 2のドレイン ) に接続され、 ドレインが信号線 S L ηに接続され、 ゲートが信号線 D S L rに 接続される。 なお、 MONOS素子 MT 1、 MT 2には相補の関係でデータが記 憶される (状態が保持される) 。  MT1 and MT2 are MONOS elements constituting a nonvolatile memory circuit. The source of the MO NO S element MT 1 is connected to the internal node N 1 (drain of the transistors PT 1 and NT 1) of the latch circuit 10, the drain is connected to the signal line SL n, and the gate is connected to the signal line DSL 1. Connected. Similarly, in the MONOS element MT2, the source is connected to the internal node N2 (the drain of the transistor PT2,) 2) of the latch circuit 10, the drain is connected to the signal line SLη, and the gate is connected to the signal line DSL. Connected to r. The MONOS elements MT1 and MT2 store data in a complementary relationship (the state is maintained).
また、 内部ノード N 2には、 信号線 (出力データ線) DATA nが接続される 。 なお、 信号線 LE n、 S L n、 DATA nにおいて、 nは添え字であり、 nは 任意の整数である。  In addition, a signal line (output data line) DATAn is connected to the internal node N2. In the signal lines LE n, S L n, and DATA n, n is a suffix and n is an arbitrary integer.
次に、 動作について説明する。  Next, the operation will be described.
<データ読み出し動作 > <Data read operation>
第 1の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルにデータをラッチ ( 保持) させる通常動作は、 MONO S素子においてはデータ読み出し動作である 。 なお、 MONOS素子 MT 1、 MT 2は、 予め相補の関係でデータが書き込ま れており、 相補の状態を保持しているものとする。  The normal operation of latching (holding) data in the memory cell in the semiconductor memory device according to the first embodiment is a data read operation in the MONOS element. The MONOS elements MT1 and MT2 have data written in advance in a complementary relationship and hold the complementary state.
図 3は、 第 1の実施形態による半導体記憶装置での MONO S素子からのデー タ読み出し動作を示すタイミングチヤ一トである。  FIG. 3 is a timing chart showing a data read operation from the MONOS element in the semiconductor memory device according to the first embodiment.
まず、 信号線 S L nの電位をロウレベル (0V、 以下 "L" と記す。 ) にする 。 このとき、 信号線 D S L 1、 D S L r、 LE nの電位は 0 V ( " L" ) である 。 また、 内部ノード N l、 N 2は、 図示しない回路により正の電位 V 3に予め充 電 (プリチャージ) しておき、 信号線 S L nの電位を "L" にする前にフローテ イング状態にする。 したがって、 信号線 S Lnの電位を "L" にするとき、 信号 線 DAT Anの電位は V 3であり、 MONOS素子 MT 1、 MT 2のゲート、 ソ ース、 ドレインの電位は、 それぞれ 0 V、 V 3、 0 Vである。 First, the potential of the signal line SL n is set to a low level (0 V, hereinafter referred to as “L”). At this time, the potentials of the signal lines DSL1, DSLr, and LEn are 0 V ("L"). The internal nodes Nl and N2 are charged to a positive potential V3 in advance by a circuit (not shown). (Floating) before the signal line SL n is set to “L”. Therefore, when the potential of the signal line S Ln is set to “L”, the potential of the signal line DAT An is V 3, and the potentials of the gate, source, and drain of the MONOS elements MT 1 and MT 2 are 0 V, respectively. , V3, 0V.
次に、 時刻 T 1にて、 1対の信号線 D S L 1、 D S L r (以下、 「D S L信号 線対」 とも称す。 ) を、 同時に電位 V 3より高い正の電位 V 2まで駆動する。 す なわち、 MONOS素子 MT 1、 MT 2のゲートに電位 V 2を印加する。 これに より、 MONO S素子 IvIT 1、 MT 2の記憶状態に応じて、 MONO S素子 MT 1、 MT 2の一方は鱸流が流れ (オン状態になり) 、 他方は電流が流れない (ォ フ状態である) 。 したがって、 内部ノード N 1、 N 2のうち一方のノ一ド (電流 が流れる MONO S素子に接続されているノード) は電位が下がっていき、 他方 のノードは電位 V 3を維持する。 図 3においては、 一例として MONO S素子 M T 1にて電流が流れる場合を示している。  Next, at time T1, a pair of signal lines DSL1 and DSLr (hereinafter, also referred to as "DSL signal line pair") are simultaneously driven to a positive potential V2 higher than the potential V3. That is, the potential V2 is applied to the gates of the MONOS elements MT1 and MT2. Thus, depending on the storage state of the MONO S elements IvIT 1 and MT 2, one of the MONO S elements MT 1 and MT 2 flows in the seawater (turns on), and the other does not flow the current (off). State). Therefore, one of the internal nodes N 1 and N 2 (the node connected to the MONOS element through which current flows) decreases in potential, and the other node maintains the potential V 3. FIG. 3 shows a case where a current flows in the MONOS element MT1 as an example.
時刻 T 1から所定の時間経過後の時刻 T 2にて、 信号線 L E nの電位をハイレ ベル (電源電圧 V i i、 以下 "H" と記す。 ) にすることで、 ラッチ回路 10が 活性化される。 これにより、 内部ノード N l、 N 2の電位差が増幅されて電位が "H" 又は "L" になり、 信号線 DAT Anの電位が "H" 又は "L" に確定す る。  The latch circuit 10 is activated by setting the potential of the signal line LE n to a high level (power supply voltage V ii, hereinafter referred to as “H”) at a time T 2 after a predetermined time has elapsed from the time T 1. Is done. As a result, the potential difference between the internal nodes Nl and N2 is amplified, the potential becomes "H" or "L", and the potential of the signal line DATAn is determined to be "H" or "L".
時刻 T 3にて、 信号線 L E nの電位を "L" にして、 ラッチ回路 10への電源 供給を遮断するとともに、 図示しない回路により内部ノード N 1、 N 2を電位 V 3にプリチャージする。 その後、 D S L信号線対及び信号線 S L nを不活性化状 態にしてデータ読み出し動作を終了する。  At time T3, the potential of the signal line LEn is set to "L" to cut off the power supply to the latch circuit 10, and the internal nodes N1 and N2 are precharged to the potential V3 by a circuit (not shown). . Thereafter, the DSL signal line pair and the signal line SLn are deactivated, and the data read operation is completed.
なお、 上述した説明では、 信号線 S L nの電位を "L" にした後、 D S L信号 線対の電位を V 2にするようにしているが、 ほぼ同時に信号線 S L nの電位及び D S L信号線対の電位を変化させても良い。  In the above description, the potential of the signal line SL n is set to “L”, and then the potential of the DSL signal line pair is set to V 2, but almost simultaneously, the potential of the signal line SL n and the potential of the DSL signal line are set. The potential of the pair may be changed.
また、 信号線 DATAnの出力状態を保持する場合には、 D S L信号線対及ぴ 信号線 S L nを不活性化した後も信号線 L E nの電位を "H" に保持しておけば 良い。  When the output state of the signal line DATAn is to be held, the potential of the signal line LEn may be held at "H" even after the DSL signal line pair and the signal line SLn are inactivated.
<データ書き込み (プログラム) 動作 > 次に、 MONO S素子へのデータプログラム動作について説明する。 <Data write (program) operation> Next, a data programming operation for the MONOS element will be described.
図 4は、 第 1の実施形態による半導体記憶装置でのデータプログラム動作を示 すタイミングチヤ一トである。  FIG. 4 is a timing chart showing a data program operation in the semiconductor memory device according to the first embodiment.
まず、 信号線 S L nを正の電位 V 1まで駆動する。 次に、 D S L信号線対にお いて、 データ読み出し動作時に電流が流れないように (非導通状態に) " 0" を 書き込む一方の MONO S素子 MT 1、 MT 2に接続された信号線 D S L 1、 D S L rの一方を、 電位 V 1より髙ぃ高電位 HVまで駆動する。 他方の MONO S 素子 MT 1、 MT 2に接続された信号線 D S L 1、 D S L rの他方の電位は 0ヽ T を維持する。  First, the signal line SLn is driven to a positive potential V1. Next, in the DSL signal line pair, the signal line DSL 1 connected to one of the MONOS elements MT 1 and MT 2 to which "0" is written so that no current flows during data read operation (in a non-conducting state). , DSLr are driven from the potential V1 to 髙 ぃ high potential HV. The other potentials of the signal lines DS L1 and DS Lr connected to the other MONO S elements MT 1 and MT 2 maintain 0 ヽ T.
これにより、 一方の MONO S素子 MT 1、 MT 2における電荷蓄積領域 8に のみ電子が蓄積され、 MONO S素子 MT 1、 MT 2は相補の状態を保持する。 その後、 D S L信号線対及ぴ信号線 S L nの電位を 0 Vにしてデータプログラム 動作を終了する。  As a result, electrons are accumulated only in the charge accumulation region 8 in one of the MONOS elements MT1 and MT2, and the MONOS elements MT1 and MT2 maintain a complementary state. Thereafter, the potential of the DSL signal line pair and the potential of the signal line SLn are set to 0 V, and the data programming operation is completed.
なお、 データプログラム動作の期間中は、 信号線 L E nの電位を "L" にする ことで、 貫通電流等が発生することがない。 また、 データプログラム動作を行つ ている際は、 内部ノード N l、 N 2の電位は、 図示しない回路により 0 Vに維持 する。  Note that during the data programming operation, by setting the potential of the signal line L En to “L”, a through current or the like does not occur. During the data programming operation, the potentials of the internal nodes Nl and N2 are maintained at 0 V by a circuit (not shown).
くデータ消去動作〉 Data erase operation>
次に、 MONO S素子のデータ消去動作について説明する。  Next, the data erase operation of the MONOS element will be described.
図 5は、 第 1の実施形態による半導体記憶装置でのデ一タ消去動作を示すタイ ミングチャートであり、 MONO S素子MT l、 MT 2の記憶状態を一括して消 去する場合を示している。  FIG. 5 is a timing chart showing a data erase operation in the semiconductor memory device according to the first embodiment, and shows a case where the storage states of the MONOS elements MTl and MT2 are erased collectively. I have.
まず、 信号線 S L nを正の電位 V 4まで駆動するとともに、 内部ノード N l、 N 2の電位を図示しない回路により電位 V 4にする。 次に、 D S Lm信号線対を 、 同時に負の電位 NVまで駆動する。 これにより、 MONO S素子 MT 1、 MT 2における電荷蓄積領域 8に蓄積されている電子が放出され、 記憶状態が消去さ れる。 その後、 D S L信号線対及ぴ信号線 S L nを不活性化状態にしてデータ消 去動作を終了する。 なお、 データ消去動作を行う際も、 信号線 L E nの電位は " L" にする。 以上、 説明したように第.1の実施形態によれば、 不揮発性記憶回路である MO NO S素子 MT 1、 MT 2のソースを、 S RAM型のラッチ回路 1 0の内部ノー ド N l、 N 2に接続して不揮発性記憶回路を S RAMのように構成する。 これに より、 動作速度が速いとともに 1記憶単位のサイズが小さく、 電源が供給されな く ともデータを消失せずにデータを保持する不揮発なデータ保持機能を実現する ことができる。 また、 不揮発性記憶回路として MONO S素子 MT 1、 MT 2を 用いることで、 特殊な材料を用いることなく、 通常のロジックプロセスに数工程 加えた CMO Sプロセスのみで半導体記憶装置を作製することができる。 First, the signal line SLn is driven to a positive potential V4, and the potentials of the internal nodes Nl and N2 are set to the potential V4 by a circuit (not shown). Next, the DS Lm signal line pair is simultaneously driven to the negative potential NV. As a result, the electrons stored in the charge storage region 8 in the MONOS elements MT1 and MT2 are released, and the storage state is erased. Thereafter, the DSL signal line pair and the signal line SLn are deactivated, and the data erasing operation ends. Note that the potential of the signal line LEn is set to "L" when performing the data erase operation. As described above, according to the first embodiment, the sources of the MONOS elements MT1 and MT2, which are nonvolatile storage circuits, are connected to the internal nodes Nl and Nl of the SRAM type latch circuit 10. Connect to N2 to configure non-volatile storage circuit like SRAM. As a result, it is possible to realize a nonvolatile data retention function that retains data without losing data even when power is not supplied, with a high operation speed and a small storage unit size. In addition, by using MONOS elements MT1 and MT2 as the nonvolatile memory circuit, it is possible to fabricate a semiconductor memory device using only a CMOS process that adds several steps to a normal logic process without using special materials. it can.
例えば、 半導体回路のレジスタ機能を有する回路として幅広く利用することが でき、 不揮発なレジスタ回路や、 ルックアップテーブル (プログラマブルデバィ スのロジックの真理値表等) の記憶回路として使用することができる。 また、 例 えば、 不揮発なデータ保持機能を有すること等から、 外付けの不揮発性メモリ ( EE PROM等) が不要なプログラマブルデバイスや、 インスタントオンのシス テム等に適用することができる。  For example, it can be widely used as a circuit having a register function of a semiconductor circuit, and can be used as a nonvolatile register circuit or a storage circuit of a look-up table (a truth table of logic of a programmable device). Further, for example, since it has a non-volatile data holding function, it can be applied to a programmable device that does not require an external non-volatile memory (EEPROM or the like) or an instant-on system.
(第 2の実施形態)  (Second embodiment)
次に、 第 2の実施形態について説明する。  Next, a second embodiment will be described.
図 6は、 本発明の第 2の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルの 構成例を示す図であり、 図 6に示すメモリセルが、 D S L信号線対が延びる方向 に任意の数接続され半導体記憶装置が構成される。 この図 6において、 図 2に示 した回路構成要素等と同一の機能を有する回路構成要素等には同一の符号を付し 、 重複する説明は省略する。  FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention. The memory cells shown in FIG. A storage device is configured. 6, circuit components and the like having the same functions as the circuit components and the like shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
第 2の実施形態におけるメモリセルは、 図 6に示すように、 第 1の実施形態に おけるラッチ回路 1 0に替えて、 2つの Pチャネル MO S トランジスタ P T 4、 P T 5で構成されるラッチ回路 20を用いたものである。 ラッチ回路 20は、 2 つのトランジスタ P T 4と P T 5が交差結合されて揮発性記憶回路を構成する。 また、 第 2の実施形態においては、 不揮発性記憶回路を構成する MONO S素 子 MT 1、 MT 2のソースは、 ラッチ回路 20の内部ノード N 3 (トランジスタ PT 4のドレイン) 、 N4 (トランジスタ P T 4のドレイン) に接続される。 ま た、 トランジスタ NT 3のドレインは、 MONO S素子 MT 1、 MT 2のドレイ ンに接続される。 As shown in FIG. 6, the memory cell according to the second embodiment includes a latch circuit including two P-channel MOS transistors PT 4 and PT 5 instead of the latch circuit 10 according to the first embodiment. 20 is used. In the latch circuit 20, two transistors PT4 and PT5 are cross-coupled to form a volatile storage circuit. In the second embodiment, the sources of the MONOS elements MT1 and MT2 that constitute the nonvolatile memory circuit are the internal nodes N3 (the drain of the transistor PT4), N4 (the transistor PT4) of the latch circuit 20. 4 drain). The drain of the transistor NT3 is connected to the drains of the MONOS elements MT1 and MT2. Connected to
なお、 第 2の実施形態による半導体記憶装置での MONO S素子に関するデー タ読み出し、 データ書き込み、 及ぴデータ消去の各動作は、 上述した第 1の実施 形態での各動作と同様である。 第 2の実施形態におけるデータ読み出し動作にお いては、 信号線 L E iiの電位を "H" にしてラッチ回路 20を活性化した際、 交 差結合されたトランジスタ P T 4、 P T 5の作用により、 内部ノード N 3、 N 4 の電位が "H" 又は "L" になり、 信号線 DAT Anの電位が "H" 又は "L" に する。  The data read, data write, and data erase operations for the MONOS element in the semiconductor memory device according to the second embodiment are the same as those in the first embodiment. In the data read operation in the second embodiment, when the potential of the signal line LEii is set to "H" to activate the latch circuit 20, the operation of the cross-coupled transistors PT4 and PT5 causes The potentials of the internal nodes N3 and N4 become "H" or "L", and the potential of the signal line DATAn becomes "H" or "L".
第 2の実施形態によれば、 上述した第 1の実施形態と同様の効果が得られると ともに、 第 1の実施形態と比較して回路規模をより小さくすることができる。 (第 3の実施形態)  According to the second embodiment, the same effects as those of the above-described first embodiment can be obtained, and the circuit scale can be made smaller than that of the first embodiment. (Third embodiment)
次に、 第 3の実施形態について説明する。  Next, a third embodiment will be described.
上述した第 1及ぴ第 2の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルは 、 相補の関係でデータが記憶される 1組の MONO S素子 MT 1、 MT 2を有し 、 1つのメモリセルに 1つのデータを保持している。 以下に説明する本発明の第 3の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルは、 相補の関係でデータ が記憶される 2つの MONO S素子からなる組を複数設け、 1つのメモリセルに 複数のデータを保持できるようにしたものである。  The memory cell in the semiconductor memory device according to the first and second embodiments described above has a pair of MONOS elements MT 1 and MT 2 in which data is stored in a complementary relationship. Holds two data. The memory cell in the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention described below is provided with a plurality of pairs of two MONOS elements in which data is stored in a complementary relationship, and a plurality of data are stored in one memory cell. Can be held.
図 7は、 第 3の実施形態におけるメモリセルの構成例を示す図であり、 図 7に 示すメモリセルが、 D S L信号線対が延びる方向に任意の数接続され半導体記憶 装置が構成される。 図 7において、 図 2に示した回路構成要素等と同一の機能を 有する回路構成要素等には同一の符号を付し、 重複する説明は省略する。  FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a memory cell according to the third embodiment. An arbitrary number of the memory cells shown in FIG. 7 are connected in the direction in which the DSL signal line pair extends, to configure a semiconductor memory device. 7, circuit components and the like having the same functions as the circuit components and the like shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
第 3の実施形態におけるメモリセルは、 複数の MONO S素子 MT i j ( i、 j は添え字であり、 i = l又は 2、 j は任意の自然数) を有し、 2つの MONO S素子 MT 1 j と MT 2 j とが対になり相補の関係でデータを記憶する。 したが つて、 D S L信号線対も、 2つの MONO S素子 MT 1 j 、 MT 2 j からなる各 組にそれぞれ対応して設けられる。  The memory cell according to the third embodiment has a plurality of MONO S elements MT ij (i and j are suffixes, i = l or 2, j is an arbitrary natural number), and two MONO S elements MT 1 j and MT 2 j form a pair and store data in a complementary relationship. Therefore, the DSL signal line pair is also provided corresponding to each set of two MONOS elements MT1j and MT2j.
MONO S素子 MT 1 j は、 ソースがラツチ回路 1 0の内部ノー FN 1に接続 され、 ドレインが信号線 S L nに接続され、 ゲートが信号線 DS L 1 j に接続さ れる。 同様に、 MONO S素子 MT 2 j は、 ソースがラッチ回路 10の内部ノー ド N 2に接続され、 ドレインが信号線 S L nに接続され、 ゲートが信号線 D S L r j に接続される。 The MONOS element MT 1 j has a source connected to the internal node FN 1 of the latch circuit 10, a drain connected to the signal line SL n, and a gate connected to the signal line DS L 1 j. It is. Similarly, the MONOS element MT 2 j has a source connected to the internal node N 2 of the latch circuit 10, a drain connected to the signal line SL n, and a gate connected to the signal line DSL rj.
図 8は、 第 3の実施形態におけるメモリセルの他の構成例を示す図であり、 図 8に示すメモリセルが、 D S L信号線対が延びる方向に任意の数接続され半導体 記憶装置が構成される。 図 8において、 図 2、 図 6、 及ぴ図 7に示した回路構成 要素等と同一の機能を有する回路構成要素等には同一の符号を付し、 重複する説 明は省略する。  FIG. 8 is a diagram showing another configuration example of the memory cell according to the third embodiment. The semiconductor memory device is configured by connecting an arbitrary number of the memory cells shown in FIG. 8 in the direction in which the DSL signal line pairs extend. You. 8, circuit components and the like having the same functions as the circuit components and the like shown in FIGS. 2, 6, and 7 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
図 8に示すメモリセルは、 第 2の実施形態におけるメモリセルと同様の構成で 、 複数の MO NO S素子 MT i j を設けたものである。 図 8に示すメモリセルは 、 図 7に示したメモリセルと同様に、 2つの M〇 NO S素子 MT 1 j 、 MT 2 j からなる各組にそれぞれ対応して D S L信号線対が設けられ、 2つの MONO S 素子 MT 1 j と MT 2 j とが対になり相補の関係でデータを記憶する。  The memory cell shown in FIG. 8 has the same configuration as the memory cell in the second embodiment, and is provided with a plurality of MONOS elements MT ij. The memory cell shown in FIG. 8 has a DSL signal line pair corresponding to each set of two M〇NOS elements MT 1 j and MT 2 j, similarly to the memory cell shown in FIG. Two MONO S elements MT 1 j and MT 2 j are paired and store data in a complementary relationship.
MONO S素子 MT 1 j 、 MT 2 i のソースはラッチ回路 20の内部ノード N 3、 N 4に接続され、 トランジスタ NT 3のドレインは MONO S素子 MT i j のドレインに接続される。  The sources of the MONO S elements MT 1 j and MT 2 i are connected to the internal nodes N 3 and N 4 of the latch circuit 20, and the drain of the transistor NT 3 is connected to the drain of the MONO S element MT i j.
なお、 図 7及ぴ図 8に示した第 3の実施形態による半導体記憶装置での MON O S素子に関するデータ読み出し、 データ書き込み、 及びデータ消去の各動作は 、 上述した第 1、 第 2の実施形態での各動作と同様である。  Note that the data read, data write, and data erase operations for the MON OS element in the semiconductor memory device according to the third embodiment shown in FIGS. 7 and 8 are performed in the first and second embodiments described above. The operations are the same as those described above.
第 3の実施形態における MONO S素子のデータ読み出し動作においては、 該 当データを保持している MONO S素子 M 1 j , M 2 j が接続された 1つの D S L信号線対のみを活性化し (正の電位 V 2まで駆動し) 、 他の D S L信号線対は 非活性状態 (電位 0V) にする。 これにより、 活性化された 1つの D S L信号線' 対とそれに接続された MONO S素子 Ml j 、 M2 j が第 1、 第 2の実施形態と 同様に動作する。 このとき、 非活性状態の D S L信号線対に接続された MONO S素子 M i j は、 記憶状態にかかわらずオフ状態であるので、 活性化される MO NOS素子 M i j に影響を及ぼすことはない。  In the data read operation of the MONOS element according to the third embodiment, only one DSL signal line pair to which the MONOS elements M 1 j and M 2 j holding the data are connected is activated (positive Of the DSL signal line pair to the inactive state (potential 0 V). Thereby, one activated DSL signal line 'pair and the MONOS elements Ml j and M2 j connected thereto operate in the same manner as in the first and second embodiments. At this time, the MONOS element M ij connected to the inactive DSL signal line pair is in the off state regardless of the storage state, and thus does not affect the activated MONOS element M ij.
また、 第 3の実施形態では、 図 7、 図 8に示したように複数の MONO S素子 M i j が接続されている。 したがって、 データ消去動作において、 信号線 S L n 、 内部ノード N l、 N 2 (N 3、 N 4) の電位を V4にして、 複数の D S L信号 線対を同時に負の電位 NVまで駆動することで、 当該複数の D S L信号線対に接 続されている MONO S素子 M i jの記憶状態を同時に消去することができる。 図 7、 図 8に一例を示した第 3の実施形態によれば、 上述した第 1及び第 2の 実施形態と同様の効果がそれぞれ得られる。 さらに、 1つのメモリセルに複数の データ (データパターン) を保持しておき、 活性化状態にする D S L信号線対を 適宜選択するだけで、 複数のデータから所望のデ一タを選択し、 信号線 DAT A nを介して出力するデータの変更が可能な、 いわゆるマルチコンテキスト機能を 容易に実現することができる。 このようにデータの変更を動作中であっても容易 に行うことができるので、 例えば、 プログラマブルデバイスにて、 オンチップの メモリを用いマルチコンテキストを適用することで性能の向上を図ることができ る。 In the third embodiment, a plurality of MONOS elements M ij are connected as shown in FIGS. Therefore, in the data erase operation, the signal line SL n By setting the potentials of the internal nodes Nl and N2 (N3, N4) to V4 and simultaneously driving a plurality of DSL signal line pairs to a negative potential NV, the connection to the plurality of DSL signal line pairs is achieved. The stored state of the MONOS element M ij can be simultaneously erased. According to the third embodiment, an example of which is shown in FIGS. 7 and 8, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained. Furthermore, by holding a plurality of data (data patterns) in one memory cell and selecting an appropriate DSL signal line pair to be activated, desired data is selected from the plurality of data and a signal is selected. It is possible to easily realize a so-called multi-context function in which data output via the line DAT An can be changed. In this way, data can be easily changed even during operation, so performance can be improved by applying multi-context using on-chip memory in a programmable device, for example. .
(第 4の実施形態)  (Fourth embodiment)
次に、 第 4の実施形態について説明する。  Next, a fourth embodiment will be described.
図 9は、 本発明の第 4の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルの 構成例を示す図である。 図 9において、 図 2に示した回路構成要素等と同一の機 能を有する回路構成要素等には同一の符号を付し、 重複する説明は省略する。 図 9に示す第 4の実施形態におけるメモリセルは、 図 2に示したメモリセルに 出力制御ゲートとして Nチャネル MO S トランジスタ NT 4を新たに設け、 トラ ンジスタ NT 4を介して内部ノード N 2に信号線 DAT Anが接続される。 すなわち、 トランジスタ NT4は、 ソースがラッチ回路 1 ◦の内部ノード N 2 に接続され、 ドレインが信号線 DAT Anに接続され、 ゲートが信号線 (出力制 御信号線) C L nに接続される。  FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a memory cell in the semiconductor memory device according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 9, circuit components and the like having the same functions as the circuit components and the like shown in FIG. 2 are given the same reference numerals, and overlapping descriptions will be omitted. The memory cell according to the fourth embodiment shown in FIG. 9 is different from the memory cell shown in FIG. 2 in that an N-channel MOS transistor NT4 is newly provided as an output control gate and is connected to an internal node N2 via a transistor NT4. Signal line DAT An is connected. That is, the transistor NT4 has a source connected to the internal node N2 of the latch circuit 1 ◦, a drain connected to the signal line DATAn, and a gate connected to the signal line (output control signal line) CLn.
信号線 C L nは、 トランジスタ NT 4をオン ' オフ制御するために、 例えば信 号線 DAT A nの電位をデータとして受ける外部回路等のク口ック信号等の所定 のタイミング信号をトランジスタ N T 4に供給するためのものである。 なお、 所 定のタイミング信号は、 ク口ック信号に限られず、 任意の同期信号で良いし、 非 同期の信号であっても良い。  The signal line CLn controls the transistor NT4 by turning on and off a predetermined timing signal such as a close signal of an external circuit that receives the potential of the signal line DATAn as data. It is for supply. Note that the predetermined timing signal is not limited to a clock signal, but may be an arbitrary synchronous signal or an asynchronous signal.
図 1 0は、 第 4の実施形態による半導体記憶装置でのデータ読み出し動作を示 すタイミングチヤ一トである。 時刻 T 1 2までの動作は上述した第 1の実施形態 における時刻 T 2までの動作と同様である。 時刻 T 1 2から所定の時間経過後の 時刻 T 1 3にて、 信号線 C L nの電位を "H" にすることでトランジスタ N T 4 がオン状態になり、 内部ノード N 2の電位が信号線 DAT A nに伝達される。 その後、 信号線 CL nの電位を にしトランジスタ NT4をオフ状態にす ることで、 信号線 DAT A nがフローティング状態になる。 時刻 T 14以降の動 作は、 上述した第 1の実施形態における時刻 T 3以降の動作と同様である。 このように第 4の実施形態におけるメモリセルにラッチされたデータを読み出 す際には、 信号線 C L nの電位によりメモリセルにラッチされたデータの出カタ イミングを制御することができる。 例えば、 信号線 C L nにより外部回路等のク 口ック信号をトランジスタ NT 4のゲートに供給することにより、 当該クロック 信号に同期してメモリセルにラッチされたデータを出力することができる。 また 、 例えば、 信号線 DAT Anによりメモリセルにラッチされたデータを出力する か否かを制御することができる。 FIG. 10 shows a data read operation in the semiconductor memory device according to the fourth embodiment. This is a timing chart. The operation up to time T12 is the same as the operation up to time T2 in the above-described first embodiment. At time T13 after a predetermined time has elapsed from time T12, the transistor NT4 is turned on by setting the potential of the signal line CLn to "H", and the potential of the internal node N2 is changed to the signal line. It is transmitted to DAT An. Thereafter, the potential of the signal line CL n is set to, and the transistor NT4 is turned off, so that the signal line DAT An becomes a floating state. The operation after time T14 is the same as the operation after time T3 in the above-described first embodiment. As described above, when reading the data latched in the memory cell in the fourth embodiment, the output timing of the data latched in the memory cell can be controlled by the potential of the signal line CLn. For example, by supplying a clock signal of an external circuit or the like to the gate of the transistor NT4 through the signal line CLn, data latched in the memory cell can be output in synchronization with the clock signal. Further, for example, it is possible to control whether to output data latched in the memory cell by the signal line DATAn.
図 1 1は、 第 4の実施形態におけるメモリセルの他の構成例を示す図である。 図 1 1に示すメモリセルは、 MON O S素子 MT 2のソースと内部ノード N 2 とを接続する配線とは異なる配線により、 トランジスタ NT 4のソースとラッチ 回路 1 0の内部ノード N2 ' とを接続することのみが図 1 0に示したメモリセル と異なるだけである。 なお、 内部ノード N 2と N 2 ' とは電気的に接続されてい る。  FIG. 11 is a diagram illustrating another configuration example of the memory cell according to the fourth embodiment. In the memory cell shown in FIG. 11, the wiring connecting the source of the MON OS element MT2 and the internal node N2 is different from the wiring connecting the source of the transistor NT4 and the internal node N2 'of the latch circuit 10. The only difference from the memory cell shown in FIG. Note that the internal nodes N 2 and N 2 ′ are electrically connected.
このように、 MONOS素子 MT 2のソース及びトランジスタ NT4のソース をラッチ回路 1 0の内部ノードに接続する配線を異なる配線とすることで、 M〇 NO S素子の寄生容量等の負荷を介さずに、 信号線 DAT Anによりメモリセル にラッチされたデータを出力することができる。 したがって、 信号線 DAT An によりメモリセルにラッチされたデータを出力する際の配線遅延を軽減すること ができる。  In this manner, by using different wiring for connecting the source of the MONOS element MT2 and the source of the transistor NT4 to the internal node of the latch circuit 10, the load such as the parasitic capacitance of the M〇NOS element can be avoided. The data latched in the memory cell by the signal line DAT An can be output. Therefore, it is possible to reduce a wiring delay when outputting data latched in a memory cell by the signal line DATAn.
図 1 2〜図 1 6は、 第 4の実施形態におけるメモリセルの他の構成例を示す図 C' to 。  FIGS. 12 to 16 are diagrams C ′ to showing another configuration example of the memory cell in the fourth embodiment.
図 1 2、 図 1 3、 及び図 1 5は、 図 6、 図 7、 及び図 8に示したメモリセルに 図 9に示したメモリセルと同様にして出力制御ゲートとしてのトランジスタ NT 4を設けたものである。 また、 図 14、 図 1 6は、 図 7、 図 8に示したメモリセ ルに図 1 1に示したメモリセルと同様にして出力制御ゲートとしてのトランジス タ NT 4を設けるとともに、 MONO S素子のソース及びトランジスタ NT 4の ソースを異なる配線でラッチ回路の内部ノードに接続したものである。 図 1 2〜 図 1 6に示したメモリセルの構成及び動作は、 出力制御ゲ一トとしてのトランジ スタ NT 4及ぴそれに関わる動作が異なるだけで、 上述した各実施形態における メモリセルの構成及ぴ動作と同様である。 FIGS. 12, 13, and 15 illustrate the memory cells shown in FIGS. 6, 7, and 8. In the same manner as the memory cell shown in FIG. 9, a transistor NT4 is provided as an output control gate. FIGS. 14 and 16 show a transistor NT4 as an output control gate in the memory cell shown in FIGS. 7 and 8 in the same manner as the memory cell shown in FIG. The source and the source of the transistor NT4 are connected to the internal node of the latch circuit by different wiring. The configuration and operation of the memory cell shown in FIGS. 12 to 16 are the same as those of the memory cell in each of the above-described embodiments except that the transistor NT4 as an output control gate and the operation related thereto are different.ぴ Operation is the same.
第 4の実施形態によれば、 上述した各実施形態にて得られる効果に加え、 出力 制御ゲートとして Nチャネル MO S トランジスタ NT 4を新たに設け、 トランジ スタ NT 4を介してラッチ回路の内部ノードに信号線 DAT Anを接続するよう にすることで、 データの出力タイミングを制御することができる。 また、 例えば 信号線 DAT Anの配線が長い場合、 トランジスタ NT 4を設けずに内部ノード に信号線 DAT Anを接続すると、 ラツチ回路を活性化した際に片側の回路の負 荷が大きくなつてしまうが、 トランジスタ NT 4を設けることで信号線 DAT A nによる負荷の増大を抑制しラッチ回路を安定して動作させることができる。 また、 MONO S素子のソースとラツチ回路の内部ノードとを接続する配線と は異なる配線により、 トランジスタ NT 4のソースとラツチ回路の内部ノードと を接続することで、 信号線 DATAnによりデータを出力する際の MONO S素 子の寄生容量等による配線遅延を軽減することができる。 特に、 MONO S素子 の組を複数設けたときにより大きな効果を得ることができる。  According to the fourth embodiment, in addition to the effects obtained in the above embodiments, an N-channel MOS transistor NT 4 is newly provided as an output control gate, and the internal node of the latch circuit is connected via the transistor NT 4. The data output timing can be controlled by connecting the signal line DAT An to the power supply. For example, if the signal line DAT An is long, connecting the signal line DAT An to the internal node without providing the transistor NT 4 will increase the load on one circuit when the latch circuit is activated. However, by providing the transistor NT4, an increase in the load due to the signal line DAT An can be suppressed, and the latch circuit can operate stably. Also, by connecting the source of the transistor NT4 and the internal node of the latch circuit with a different wiring from the wiring connecting the source of the MONOS element and the internal node of the latch circuit, data is output via the signal line DATAn. In this case, wiring delay due to the parasitic capacitance of the MONOS element can be reduced. In particular, a greater effect can be obtained when a plurality of sets of MONOS elements are provided.
なお、 第 4の実施形態において、 信号線 DAT Anの出力の先にフリ ップフロ ップ回路等を設けることで、 トランジスタ NT 4がオフ状態のときであっても確 定したデータを維持することができ、 ノイズ等の影響を受けにく くすることも可 能である。  In the fourth embodiment, by providing a flip-flop circuit or the like at the output of the signal line DATAn, the determined data can be maintained even when the transistor NT4 is in the off state. It is possible to reduce the influence of noise and the like.
ここで、 上述した図 7、 図 8、 図 1 3〜図 1 6に示したメモリセルでは、 所望 の D S L信号線対を活性化することにより、 信号線 DAT Anにより出力するデ —タの変更が可能であり、 これらを複数個配列してデータパターンとすれば、 複 数のデータパターンを選択的に出力することが可能になる。 なお、 活性化状態に する D S L信号線対を変更するタイミングは、 電源投入直後の起動時であっても 良いし、 動作中の任意の時点であっても良い。 Here, in the memory cells shown in FIG. 7, FIG. 8, and FIG. 13 to FIG. 16 described above, by activating a desired DSL signal line pair, the data output by the signal line DAT An is changed. If a plurality of these are arranged to form a data pattern, it is possible to selectively output a plurality of data patterns. In addition, in the activated state The timing of changing the DSL signal line pair may be at the time of startup immediately after power-on or at any time during operation.
なお、 上述した第 1〜第 4の実施形態においては、 異なる内部ノードに対して 接続される 2つの MONO S素子を 1組として相補の関係でデータを記憶してい るが、 1つのデータを相補の関係でなく 1つの MONO S秦子に記憶するように しても良い。 このようにした場合には、 D S L信号線対で MONO S素子を選択 的に駆動するのではなく、 1つの D S L信号線で MONO S素子を選択的に駆動 する。 .  In the first to fourth embodiments described above, two MONOS elements connected to different internal nodes are stored as a set and data is stored in a complementary relationship. It may be possible to memorize in one MONO S Hatako instead of the relationship. In this case, the MONOS element is selectively driven by one DSL signal line, instead of selectively driving the MONOS element by the DSL signal line pair. .
また、 MONO S素子の製造方法の違いや、 窒化膜 3の電荷蓄積領域 8に電荷 を局在させて蓄積することで 1つの MONO S素子に 2つのデータを記憶する、 いわゆる 2 ビッ ト /セルの MONO S素子を使用して実現する場合も考えられる 。 その際には、 MONO S素子におけるデータの読み出し、 書き込み及び消去特 性、 印加する電位条件等が異なる場合もあるが、 MONO S素子に応じて適宜設 定すれば良い。  Also, the difference in the manufacturing method of the MONOS element and the so-called 2-bit / cell that stores two data in one MONOS element by localizing and accumulating charge in the charge accumulation region 8 of the nitride film 3 It is also conceivable to use the MONOS element. In this case, data reading, writing, and erasing characteristics in the MONOS element, potential conditions to be applied, and the like may be different, but may be appropriately set according to the MONOS element.
また、 上述した第 1〜第 4の実施形態においては、 不揮発性記憶回路として M ONO S素子を用いているが、 MONO S素子に限らず、 S ONO S (  In the first to fourth embodiments described above, the MONOS element is used as the nonvolatile memory circuit. However, the MONOS element is not limited to the MONOS element.
Semiconductor-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 型記憶素子や MNO S (Metal- Nitride-Oxide-Silicon) 型記憶素子を用いるようにしても良い。 ここで、 S O NO S型記憶素子は、 第 1のゲート酸化膜、 窒化膜、 第 2のゲート酸化膜、 及び 半導体からなるゲートを半導体基板上の所定領域に順次積層し、 グート下部領域 を挟むように半導体基板内の表面領域に拡散層を形成したものである。 また、 M NO S型記憶素子は、 ゲート酸化膜、 窒化膜及び金属からなるゲートを半導体基 板上の所定領域に順次積層し、 ゲート下部領域を挟むように半導体基板内の表面 領域に拡散層を形成したものである。 Semiconductor-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) type storage elements and MNO S (Metal-Nitride-Oxide-Silicon) type storage elements may be used. Here, in the SONOS type storage element, a first gate oxide film, a nitride film, a second gate oxide film, and a gate made of a semiconductor are sequentially stacked in a predetermined region on a semiconductor substrate, and a lower region of the gut is sandwiched therebetween. Thus, a diffusion layer is formed in a surface region in a semiconductor substrate. In the MNOS type memory device, a gate made of a gate oxide film, a nitride film, and a metal is sequentially stacked in a predetermined region on the semiconductor substrate, and a diffusion layer is formed in a surface region in the semiconductor substrate so as to sandwich the gate lower region. Is formed.
また、 上記実施形態は、 何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの —例を示したものに過ぎず、 これらによつて本発明の技術的範囲が限定的に解釈 されてはならないものである。 すなわち、 本発明はその技術思想、 またはその主 要な特徴から逸脱することなく、 様々な形で実施することができる。 産業上の利用可能性 Further, all of the above embodiments are merely examples of the embodiment of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be interpreted in a limited manner. It is. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof. Industrial applicability
以上のように、 本発明によれば、 窒化膜内のトラップ領域に電荷を蓄積して記 憶状態を保持する不揮発性半導体記憶回路の出力ノードと、 不揮発性半導体記憶 回路の出力をラッチする揮発性記憶回路の内部ノードとを接続した回路構成にす ることで、 1 トランジスタのサイズの不揮発性半導体記憶回路によりデータを保 持し、 揮発性記憶回路により保持しているデータを短時間で信号を出力すること ができる。 これにより、 不揮発なデータ保持機能を実現できるとともに、 1つの データの記憶に要する回路規模を小さくすることができる。 例えば、 不揮発な半 導体記憶装置として、 外付けの不揮発性メモリが不要なプログラマブルロジック デバイスゃ、 インスタントオンのシステム等に適用することができる。  As described above, according to the present invention, an output node of a non-volatile semiconductor storage circuit that stores electric charge in a trap region in a nitride film to maintain a storage state, and a volatile that latches an output of the non-volatile semiconductor storage circuit By using a circuit configuration that connects the internal nodes of the volatile memory circuit, data is held by a nonvolatile semiconductor memory circuit of one transistor size, and the data held by the volatile memory circuit is signaled in a short time. Can be output. As a result, a nonvolatile data holding function can be realized, and a circuit scale required for storing one data can be reduced. For example, as a non-volatile semiconductor memory device, the present invention can be applied to a programmable logic device which does not require an external non-volatile memory, an instant-on system, and the like.
また、 複数の不揮発性半導体記憶回路を設け選択的に駆動することにより出力 信号を変更できるようにした場合には、 複数のデータの中から所望のデータを任 意に選択して出力することができる。  In the case where an output signal can be changed by providing a plurality of nonvolatile semiconductor memory circuits and selectively driving the same, desired data can be arbitrarily selected from a plurality of data and output. it can.

Claims

請 求 の 範 囲 The scope of the claims
1 . 窒化膜内のトラップ領域に電荷を蓄積して記憶状態を保持する不揮発性半導 体記憶回路と、 1. A non-volatile semiconductor storage circuit that stores a charge by accumulating charges in a trap region in a nitride film,
内部ノードが上記不揮発性半導体記憶回路の出力ノードに接続され、 上記不揮 発性半導体記憶回路の出力をラッチする揮発性記憶回路とを有することを特徴と する半導体記憶装置。  A semiconductor memory device having an internal node connected to an output node of the nonvolatile semiconductor memory circuit and a volatile memory circuit for latching an output of the nonvolatile semiconductor memory circuit.
2 . 上記不揮発性半導体記憶回路は、 半導体基板上に形成される第 1のゲート酸 化膜と、 上記第 1のゲート酸化膜上に形成される窒化膜と、 上記窒化膜上に形成 される第 2のゲート酸化膜と、 上記第 2のゲート酸化膜上に形成される金属から なるゲートと、 上記グート下部領域を挟むように上記半導体基板内の表面領域に 形成される一対のソース及ぴドレインとを有することを特徴とする請求項 1に記 の半導体記憶装置。 2. The non-volatile semiconductor memory circuit is formed on a first gate oxide film formed on a semiconductor substrate, a nitride film formed on the first gate oxide film, and formed on the nitride film. A second gate oxide film, a gate made of a metal formed on the second gate oxide film, and a pair of sources and a pair formed in a surface region in the semiconductor substrate so as to sandwich the gut lower region. 2. The semiconductor memory device according to claim 1, further comprising a drain.
3 . 上記不揮発性半導体記憶回路は、 半導体基板上に形成される第 1のゲート酸 化膜と、 上記第 1のゲート酸化膜上に形成される窒化膜と、 上記窒化膜上に形成 される第 2のゲート酸化膜と、 上記第 2のゲート酸化膜上に形成される半導体か らなるゲートと、 上記ゲート下部領域を挟むように上記半導体基板内の表面領域 に形成される一対のソース及ぴドレインとを有することを特徴とする請求項 1に 記載の半導体記憶装置。 3. The nonvolatile semiconductor memory circuit is formed on a first gate oxide film formed on a semiconductor substrate, a nitride film formed on the first gate oxide film, and formed on the nitride film. A second gate oxide film; a gate made of a semiconductor formed on the second gate oxide film; and a pair of sources and a pair formed in a surface region in the semiconductor substrate so as to sandwich the gate lower region. 2. The semiconductor memory device according to claim 1, comprising a drain.
4 . 上記不揮発性半導体記憶回路は、 半導体基板上に形成されるゲート酸化膜と 、 上記ゲート酸化膜上に形成される窒化膜と、 上記窒化膜上に形成される金属か らなるゲートと、 上記グート下部領域を挟むように上記半導体基板内の表面領域 に形成される一対のソース及ぴドレインとを有することを特徴とする請求項 1に 記載の半導体記憶装置。 4. The nonvolatile semiconductor memory circuit includes a gate oxide film formed on a semiconductor substrate, a nitride film formed on the gate oxide film, and a gate made of a metal formed on the nitride film. 2. The semiconductor memory device according to claim 1, further comprising a pair of a source and a drain formed in a surface region in the semiconductor substrate so as to sandwich the gut lower region.
5 . 上記揮発性記憶回路は、 2つの内部ノードを有し、 2つの上記不揮発性半導 体記憶回路からなる組の一方の上記不揮発性半導体記憶回路の出力ノードが一方 の内部ノ一ドに接続され、 他方の上記不揮発性半導体記憶回路の出力ノードが他 方の内部ノードに接続されることを特徴とする請求項 1に記載の半導体記憶装置 5. The volatile storage circuit has two internal nodes and the two nonvolatile semiconductors. The output node of one of the nonvolatile semiconductor memory circuits in the set of body memory circuits is connected to one internal node, and the output node of the other nonvolatile semiconductor memory circuit is connected to the other internal node. 2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein:
6 . 上記 2つの不揮発性半導体記憶回路は、 相捕の関係で記憶状態を保持するこ とを特徴とする請求項 5に記載の半導体記憶装置。 6. The semiconductor memory device according to claim 5, wherein the two non-volatile semiconductor memory circuits maintain a storage state in a relation of cancellation.
7 . 上記 2つの不揮発性半導体記憶回路は、 同時駆動及び独立駆動可能な信号に より選択されることを特徴とする請求項 6に記載の半導体記憶装置。 7. The semiconductor memory device according to claim 6, wherein the two nonvolatile semiconductor memory circuits are selected by signals that can be simultaneously driven and independently driven.
8 . 上記揮発性記憶回路の內部ノードと上記半導体記憶装置の出力端子との間に 、 出力制御回路を有することを特徴とする請求項 1に記載の半導体記憶装置。 8. The semiconductor memory device according to claim 1, further comprising an output control circuit between a partial node of the volatile memory circuit and an output terminal of the semiconductor memory device.
9 . 上記出力制御回路は、 タイミング信号により制御されることを特徴とする請 求項 8に記載の半導体記憶装置。 9. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein the output control circuit is controlled by a timing signal.
1 0 . 上記揮発性記憶回路は、 交差結合された 2つの C M O S トランジスタを有 することを特徴とする請求項 1に記載の半導体記憶装置。 10. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the volatile memory circuit has two cross-coupled CMOS transistors.
1 1 . 上記揮発性記憶回路は、 上記不揮発性半導体記憶回路の出力ノードがドレ ィンに接続されるとともに、 ゲート及びドレインが交差結合された 2つの Pチヤ ネル型トランジスタを有することを特徴とする請求項 1に記載の半導体記憶装置 11. The volatile storage circuit is characterized in that the output node of the non-volatile semiconductor storage circuit is connected to a drain and has two P-channel transistors whose gate and drain are cross-coupled. 2. The semiconductor memory device according to claim 1,
1 2 . 上記揮発性記憶回路は、 制御信号に応じて活性化されることを特徴とする 請求項 1 0に記載の半導体記憶装置。 12. The semiconductor memory device according to claim 10, wherein the volatile memory circuit is activated in response to a control signal.
1 3 . 上記不揮発性半導体記憶回路を複数有し、 当該複数の不揮発性半導体記憶 回路を選択駆動することで信号の出力を変更可能であることを特徴とする請求項 1に記載の半導体記憶装置。 1 3. A plurality of the nonvolatile semiconductor memory circuits are provided, and the plurality of nonvolatile semiconductor memory circuits are provided. 2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein a signal output can be changed by selectively driving a circuit.
1 4 . 電源投入直後の起動時に、 上記出力信号の変更が行われることを特徴とす る請求項 1 3に記載の半導体記憶装置。 14. The semiconductor memory device according to claim 13, wherein the output signal is changed at startup immediately after power-on.
1 5 . 上記出力信号の変更が任意の時点で行われることを特徴とする請求項 1 3 に記載の半導体記憶装置。 15. The semiconductor memory device according to claim 13, wherein the change of the output signal is performed at an arbitrary time.
1 6 . ソースが電源電位に対して接続可能であるとともに、 ドレインが第 1の内 部ノードに接続され、 ゲートが第 2の内部ノードに接続された第 1の Pチャネル 型トランジスタと、 1 6. A first P-channel transistor having a source connectable to the power supply potential, a drain connected to the first internal node, and a gate connected to the second internal node;
ソースが基準電位に対して接続可能であるとともに、 ドレインが上記第 1の内 部ノードに接続され、 グートが上記第 2の内部ノードに接続された第 1の Nチヤ ネル型トランジスタと、  A first N-channel transistor having a source connectable to a reference potential, a drain connected to the first internal node, and a good connected to the second internal node;
ソースが上記電源電位に対して接続可能であるとともに、 ドレインが上記第 2 の内部ノードに接続され、 ゲートが上記第 1の内部ノードに接続された第 2の P チャネル型トランジスタと、  A second P-channel transistor having a source connectable to the power supply potential, a drain connected to the second internal node, and a gate connected to the first internal node;
ソースが上記基準電位に対して接続可能であるとともに、 ドレインが上記第 2 の内部ノードに接続され、 ゲートが上記第 1の内部ノードに接続された第 2の N チャネル型トランジスタと、  A second N-channel transistor having a source connectable to the reference potential, a drain connected to the second internal node, and a gate connected to the first internal node;
ソースが上記内部ノードに接続され、 ゲートが第 1の信号線に接続され、 ドレ ィンが第 2の信号線に接続された、 窒化膜内のトラップ領域に電荷を蓄積し記憶 状態を保持する不揮発性半導体記憶素子とを有することを特徴とする半導体記憶 装置。  The source is connected to the internal node, the gate is connected to the first signal line, and the drain is connected to the second signal line. A semiconductor storage device comprising: a nonvolatile semiconductor storage element.
1 7 . ソースが上記内部ノードに接続され、 ドレインが出力端子に接続され、 ゲ 一トが出力制御信号線に接続された第 3の Nチャネル型トランジスタをさらに有 することを特徴とする請求項 1 6に記載の半導体記憶装置。 17. A third N-channel transistor having a source connected to the internal node, a drain connected to the output terminal, and a gate connected to an output control signal line. 16. The semiconductor memory device according to item 16.
1 8 . ソースが電源電位に対して接続可能であるとともに、 ドレインが第 1の内 部ノードに接続され、 ゲートが第 2の内部ノードに接続された第 1の Pチャネル 型トランジスタと、 1 8. A first P-channel transistor having a source connectable to the power supply potential, a drain connected to the first internal node, and a gate connected to the second internal node;
ソースが上記電源電位に対して接続可能であるとともに、 ドレインが上記第 2 の内部ノードに接続され、 ゲ一トが上記第 1の内部ノードに接続された第 2の P チャネル型トランジスタと、  A second P-channel transistor having a source connectable to the power supply potential, a drain connected to the second internal node, and a gate connected to the first internal node;
ソースが上記内部ノードに接続され、 ゲートが第 1の信号線に接続され、 ドレ ィンが第 2の信号線に接続された、 窒化膜内のトラップ領域に電荷を蓄積し記憶 状態を保持する不揮発性半導体記憶素子とを有することを特徴とする半導体記憶 装置。  The source is connected to the internal node, the gate is connected to the first signal line, and the drain is connected to the second signal line. A semiconductor storage device comprising: a nonvolatile semiconductor storage element.
1 9 . ソースが上記内部ノードに接続され、 ドレインが出力端子に接続され、 ゲ 一トが出力制御信号線に接続された第 1の Nチャネル型トランジスタをさらに有 することを特徴とする請求項 1 8に記載の半導体記憶装置。 19. The semiconductor device further comprising a first N-channel transistor having a source connected to the internal node, a drain connected to the output terminal, and a gate connected to the output control signal line. 18. The semiconductor memory device according to item 18.
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