DE3430803C2

DE3430803C2 -

Info

Publication number: DE3430803C2
Application number: DE19843430803
Authority: DE
Inventors: Elroy M. San Jose Calif. Us Lucero
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1983-08-31
Filing date: 1984-08-22
Publication date: 1992-05-27
Also published as: FR2551579A1; GB8416782D0; DE3430803A1; GB2146502A; GB2146502B; FR2551579B1; JPS6074558A; JPH0566680B2

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung eines integrierten Schaltkreises zur Regelung der Anstiegszeit einer internen Spannung mit einem integrierten Schaltkreis, der einen ersten Schaltungsknotenpunkt enthält, der eine Spannung von einer Energiequelle außerhalb des integrierten Schaltkreises zugeführt erhält und davon eine interne Spannung für den integrierten Schaltkreis bildet, wie sie aus der DE 28 50 933 B2 bekannt ist.

Festkörperspeicher wie z. B. E²PROM-Vorrichtungen, die nach einer Dünnoxidtunneltechnik hergestellt werden, können einem zufälligen Oxiddurchbruch unterworfen sein, wenn eine Schreib- oder Löschspannung, die an die Dünnoxidschicht angelegt wird, z. B. zwischen dem Substrat und dem frei schwebenden Gate, einem maximal zulässigen Toleranzbetrag überschreitet. Um einen solchen Störungsfall zu vermeiden, wird ein externes Programmiersignal hoher Spannung (Vpp) mittels einer externen Schaltung oder Einrichtung derart bearbeitet, daß ein pulsierendes Signal mit einer Exponentialwellenform und einer Zeitkonstante RC von 600 Millisekunden (a pulsed signal having a 600 Msec RC exponential waveform) gebildet wird. Das dem Stande der Technik entsprechende Vorgehen zur Verhinderung eines unerwünschten Oxiddurchbruchs besteht also darin, die externe hohe Spannung Vpp mit Hilfe eines externen Stromkreises zu verformen, der aus einer vom Verwender gelieferten Schaltung besteht, um die Anstiegszeit einer internen Spannung Vpp, die aus der externen Spannung erzeugt wird, zu begrenzen.

Eine solche Signalformungsschaltung erhöht die Komplexität der Gesamtschaltung wegen des Erfordernisses zusätzlicher Bestandteile und zusätzlichen Bauraumes für die Schaltung. Demgemäß erhöhen sich auch der Energiebedarf und der Aufwand für den Anfangsaufbau der Schaltung und deren Wartung. Dies ist besonders deswegen der Fall, weil die früheren Wellenformungsstromkreise in aller Regel RC-Schaltungen mit veränderlichen Kondensatoren oder veränderlichen Widerständen waren, die optimal bemessen bzw. eingestellt werden mußten, um eine einwandfreie Arbeitsweise der Schaltung zu gewährleisten. Solche Schaltungen sind außerdem nicht sehr genau und unterliegen der Möglichkeit einer Verschlechterung bei sich ändernden Umgebungsbedingungen.

Bei Anwendung einer E²PROM-Vorrichtung, bei der üblicherweise die hohe externe Spannung Vpp 21 V beträgt, muß die maximal zulässige Spannung an den dünnen Oxidflächen der Vorrichtung auf etwa 11,4 V begrenzt sein.

Bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art, wie sie aus der DE 28 50 933 B2 bekannt ist, wird der Anstieg der Spannung der externen Quelle begrenzt, indem die Spannung am Kondensator einfach durch Kurzschluß wieder abgebaut wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Hierbei ist vorgesehen, daß die Spannung der externen Quelle dem ersten Schaltungsknotenpunkt mit einer vorbestimmten, geregelten Geschwindigkeit zugeführt wird. Mit Hilfe einer linearen Rampe, deren Steilheit 16 V/Millisekunden beträgt, wird, wenn die externe hohe Spannung Vpp 21 V beträgt, eine interne hohe Spannung Vpp an den Oxidflächen des Schaltkreises auf etwa 11,5 V begrenzt. Es wurde gefunden, daß eine intern erzeugte lineare Rampensteilheit von 16 V/Millisekunden beispielsweise statt der extern erzeugten Exponentialwelle mit einer Zeitkonstanten RC von 600 Millisekunden verwendet werden kann und noch immer in zufriedenstellender Weise die an der dünnen Oxidtunnelfläche des Schaltkreises anliegende Spannung begrenzt. Diese Erkenntnis macht es möglich, die externe Programmierschaltung hoher Spannung in vorteilhafter Weise durch eine interne Schaltung zu ersetzen.

Nach der Erfindung kann ein intern angeordneter linearer Rampengeneratorkreis an der Vorrichtung vorgesehen werden, um eine lineare Rampenspannung zwischen 5 V (Vcc) und 21 V (Vpp) zu erzeugen, wobei eine Rampensteilheit von 16 V/Millisekunden aufrechterhalten wird. Der interne lineare Rampengenerator wirkt mit einem Nebenschlußkreis zusammen, mit dessen Hilfe die Programmierspannung nach dem Erdpotential hin gezogen und dabei die an der dünnen Oxidfläche anliegende Spannung begrenzt wird. Somit verhindert die Erfindung die Möglichkeit eines unerwünschten Durchbruchs der dünnen Oxidschicht während eines Schreib- oder Löschvorganges bei der Arbeitsweise Programmieren. Ein solcher Schutz wird vorteilhafterweise unabhängig von einer externen, der Vorrichtung zugeführten hohen Spannung erhalten.

Vorzugsweise ist gemäß der Erfindung ein E²PROM in einer Arbeitsweise für Programmiersperre und in einer Arbeitsweise für Programmieren betreibbar. Bei der Arbeitsweise für Programmiersperre wird ein erster interner Schaltungsknotenpunkt auf einer niedrigen internen Spannung (Vcc) gehalten, indem ein Transistor-Gate in Abhängigkeit von einem Programmiersperrsignal betätigt wird. Der erste interne Schaltungsknotenpunkt ist direkt mit der inneren Schaltung der Vorrichtung verbunden und bildet demgemäß eine interne Sammelleitung für die hohe Spannung Vpp.

Bei der Arbeitsweise für Programmieren wird die externe hohe Spannung Vpp an einem Metalloxidsilizium (MOS)-Kondensator integriert, um die interne hohe Spannung Vpp derart zu bilden, daß die so erzeugte Spannung entsprechend einer linearen Wellenform ansteigt. Wenn die interne hohe Spannung Vpp mit einer Steilheit ansteigt, welche 16 V/Millisekunden überschreitet, wird ein Transistorschalter betätigt, um den überschüssigen Strom kurzzuschließen oder ihn nach Erde oder Masse abzuleiten und auf diese Weise den übermäßigen Anstieg der inneren hohen Spannung Vpp, die der Vorrichtung zugeführt wird, zu begrenzen.

Demgemäß ist eine Steuerschaltung auf einem monolithischen Siliziumsubstrat integriert, so daß die Rampensteilheit eines internen Programmierspannungssignals auf eine vorbestimmte Anstiegsgeschwindigkeit festgelegt ist, beispielsweise auf 16 V/ Millisekunden, wobei die Rampensteilheit nicht eine Funktion der externen Programmierspannung oder der externen Spannungsanstiegszeit ist. Im Ergebnis ist es nicht erforderlich, ein externes hohes Spannungssignal zu bearbeiten oder zu pulsieren oder komplizierte Signalformungsschaltungen für das Eingangssignal vorzusehen. Dadurch werden die Zahl der Schaltungskomponenten und der Raum für die Leiterbahnenführung äußerst klein gehalten, während der Energiebedarf der Schaltung verringert wird. Außerdem ist es nicht erforderlich, anfänglich externe Wellenformungsschaltungen einzustellen oder die Einstellung aufrechtzuerhalten, noch ist eine übermäßige Wartung erforderlich, wie es bei externen Stromkreisen der Fall wäre, die einer Verschlechterung aufgrund unterschiedlicher Eingangssignal- und Umgebungsbedingungen unterliegen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit einem internen Rampenanstiegsimpulsstromkreis;

Fig. 2 ein Kurvenbild der Spannung an einer dünnen Oxidschicht als Funktion der Zeit für verschiedene Programmier-Eingangsspannungssignale eines integrierten Speicherschaltkreises;

Fig. 3 ein Kurvenbild einer linearen Rampe entsprechend einer internen Programmierspannung, wie sie mit Hilfe der Erfindung zu erhalten ist;

Fig. 4 ein Kurvenbild einer linearen Rampenspannung entsprechend einer internen Programmierspannung, wie sie entsprechend der Erfindung zu erhalten ist; und

Fig. 5 ein Kurvenbild einer linearen Rampe der internen Programmierspannung, wie sie mittels der Erfindung zu erhalten ist.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine lineare Rampe zwischen 5 V (Vcc) und 21 V (Vpp) mit einer Rampensteilheit von 16 V/Millisekunden erzeugt. Die bevorzugte Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist in Fig. 1 veranschaulicht. Sie enthält Transistoren T1-T10, die zwischen einer Spannung Vcc, einer Spannung Vpp und Erde miteinander verbunden sind.

Zwei Arbeitsweisen sind bei der bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung vorgesehen - eine Arbeitsweise für Programmiersperrung und eine für Programmieren. In der Arbeitsweise für Programmiersperrung beträgt die externe Spannung Vpp=21 V und die Programmierspannung = der Spannung Vcc. Die interne Spannung Vpp (Knotenpunkt A in Fig. 1) wird durch den Transistor T1 auf dem Wert Vcc gehalten, der Transistor T2 ist ausgeschaltet, weil sein Gate (Knotenpunkt B in Fig. 1) durch den Transistor T4 auf Erdpotential gehalten wird, und der Schaltungsknotenpunkt C ist über den Transistor T8 nach Erde entladen, und der Schaltungsknotenpunkt D ist derart vorgespannt, daß er einen über den Transistor T9 nach Erde bzw. Masse abfließenden Strom ableitet.

Bei der Arbeitsweise Programmierung betragen die externe Spannung Vpp=21 V Gleichspannung und die Programmierspannung PGM=0 V (). Die Transistoren T1 und T4 sind bei Abwesenheit der Spannung PGM abgeschaltet. Im Ergebnis steigt die an dem Knotenpunkt B durch den Transistor T3 gelieferte Spannung nach dem externen Spannungswert Vpp hin an. Dieser Spannungsanstieg wiederum zieht die interne Spannung Vpp (Schaltungsknotenpunkt A) über den Transistor T2 nach dem externen Spannungswert Vpp hin. Dementsprechend erfolgt eine Spannungszunahme an dem Transistor T5 (der als MOS-Kondensator ausgebildet ist). Der zu dem Schaltungsknotenpunkt C über den Transistor T5 gelieferte Strom beträgt

i_c = C_T5 dV/dt, (1)

um eine lineare Rampensteilheit von dV/dt=16 V/ Millisekunden bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu schaffen, wobei C_T5=20 exp 10^-12F, beträgt i_c=0,32 Mikroampere. Der Stromfluß über den Transistor T8 wird durch die Transistoren T9 und T10 eingestellt und kann eine Mindestrampenhöhe oder Startpunktanhebung enthalten, die durch die Transistoren T9 und T10 bestimmt ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine 5-V-Startpunktanhebung für die Rampenspannung vorgesehen. Der durch den Transistor T9 fließende Strom ist unabhängig von der Spannung Vcc, da der Transistor T9 sich im Sättigungsbereich seines Betriebes befindet.

Wenn die Rampensteilheit an der internen Spannung Vpp (Knotenpunkt A in Fig. 1) 16 V/Millisekunde überschreitet, nimmt der Strom i_c entsprechend der obigen Gleichung (1) zu. Dementsprechend nimmt auch die Spannung an dem Schaltungsknotenpunkt C zu. Dies ist das Ergebnis davon, daß der Transistor T8 sich im Sättigungszustand befindet. Wenn die Spannung an dem Schaltungsknotenpunkt C zunimmt, wird der Transistor T6 eingeschaltet und leitet überschüssige Spannung vom Schaltungsknotenpunkt B über den Transistor T7 nach Erde oder Masse ab. Die Leitung des Transistors T2 wird entsprechend vermindert, wodurch auch die Rampensteilheit am Schaltungsknotenpunkt B herabgesetzt wird. Die Rampensteilheit der inneren Spannung Vpp (Knotenpunkt A in Fig. 1) wird gleichfalls verkleinert.

Fig. 2 ist ein Kurvenbild der Spannung an einer dünnen Oxidschicht in einer als integrierter Schaltkreis ausgebildeten Speichervorrichtung als Funktion der Zeit für verschiedene Programmierspannungs-Eingangssignale. In Fig. 2 ist die übliche Exponentialwellenform mit der 600 Millisekunden betragenden Zeitkonstante RC verglichen mit verschiedenen anderen Wellenformen, insbesondere der linearen Rampe mit einer Steilheit von 16 V/Millisekunden wie sie durch die bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung erzeugt wird. Aus dem Kurvenbild ist zu ersehen, daß verschiedene Rampenwerte je nach den Erfordernissen der dünnen Oxidschicht des entsprechenden integrierten Schaltkreises gewählt werden können. Dementsprechend ist die Erfindung gut geeignet für den Gebrauch in jeder als integrierter Schaltkreis ausgebildeten Speichervorrichtung, die eine dünne Oxidschicht nach dem Tunnelverfahren zum Schreiben und Löschen verwendet. Es folgt, daß die Rampenwerte, die bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen sind, leicht verändert werden können, um verschiedenen Schaltungsparametern entsprechen zu können.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen verschiedene Leistungs- und Arbeitscharakteristiken der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In den Fig. 3 bis 5 bezieht sich der Ausdruck _x auf eine Schaltungsauslöse- oder Freigabeleitung. Wenn die Leitung _x auf niedrig geschaltet ist, wird die interne lineare Rampe der Spannung V_PPI eingeleitet; wenn die Leitung _x sich im Zustand Hoch befindet, wird die interne Spannung V_PPI auf ihren Anfangszustand mit 5 V DC (Vcc) entladen oder zurückgeführt. Die Ausdrücke V_PPI=Vppi=V_IP beziehen sich sämtlich auf das interne Spannungssignal Vpp (Schaltungsknotenpunkt A in Fig. 1). Das angefügte "i" soll anzeigen, daß es sich um ein intern erzeugtes Signal handelt. Der Ausdruck T_A bezieht sich auf die Umgebungstemperatur, bei der die dargestellten Messungen aufgenommen wurden - in diesem Fall die Raumtemperatur oder angenähert 25°C. Schließlich bezieht sich der Ausdruck Vppx auf das Eingangssignal, das bei einer Exponentialwellenform mit der Zeitkonstante RC=600 Millisekunden bei den bereits bekannten Schaltungen benutzt wurde. Die Anfügung "x" dient hier zur Anzeige, daß es sich um ein extern angelegtes Signal handelt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Rampensteilheit der internen Spannung Vpp an verschiedenen Ausführungsformen gemäß der Erfindung. Im einzelnen zeigen die Fig. 3 und 4 Kurvenbilder einer linearen Rampe entsprechend einer internen Programmierspannung gemäß dem Ausführungsbeispiel.

Fig. 5 ist ein Kurvenbild einer linearen Rampe entsprechend einer internen Programmierspannung V_PPI, wobei die externe Spannung Vpp (Vppx) bei 21 V und 15 V liegt. Die Darstellung von Fig. 5 veranschaulicht, daß die interne Rampensteilheit beim Ausführungsbeispiel der Erfindung unabhängig von der externen Spannung Vpp ist.

Es ist zu sehen, daß bei Anwendung der Erfindung auf eine integrierte Speicherschaltung die Rampensteilheit des internen Spannungssignals Vpp auf 16 V/Millisekunden (oder gewünschtenfalls anders bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung) gehalten wird und daher nicht eine Funktion der externen Spannung Vpp oder der Spannung Vcc ist. Daher ist es nicht erforderlich, die externe Spannung Vpp zu pulsieren oder komplizierte externe Synchronisations- und Wellenformstromkreise vorzusehen wie sie bei den bekannten Vorrichtungen benötigt wurden. Die Erfindung stellt also eine überlegene Wirtschaftlichkeit der funktionellen Elemente und einen Schaltungsbetrieb mit verbesserter Zuverlässigkeit zur Verfügung, während sie andererseits gegen Oxiddurchbruch aufgrund überhöhten Spannungsabfalls während einer Schreib- oder Löschprogrammierungs-Arbeitsweise eines integrierten Festkörper-Speicherschaltkreises schützt.

Die Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Erfindung beschränken sich nicht auf die hier lediglich zur Erläuterung im einzelnen beschriebenen und dargestellten beispielhaften Möglichkeiten. So kann man z. B. auch eine unterschiedliche Rampensteilheit durch Verändern der Kapazität des Transistors T5 entsprechend der gewünschten Rampensteilheit für eine spezielle Technologie oder Vorrichtung vorsehen.

Claims

1. Schaltungsanordnung eines integrierten Schaltkreises zur Regelung der Anstiegszeit einer internen Spannung mit einem integrierten Schaltkreis, der einen ersten Schaltungsknotenpunkt enthält, der eine Spannung von einer Energiequelle außerhalb des integrierten Schaltkreises zugeführt erhält und davon eine interne Spannung für den integrierten Schaltkreis bildet, mit
einem Kondensator, dessen einer Anschluß mit dem ersten Schaltungsknotenpunkt verbunden ist und dazu dient, einen von der Spannung der externen Quelle aufgenommenen Strom mit einer Geschwindigkeit zu integrieren, die einer vorbestimmten Spannungsanstiegszeit entspricht,
einer Stromsenke, die mit dem zweiten Anschluß des Kondensators verbunden ist und ein Signal zur Steuerung oder Regelung der Anstiegszeit als Funktion der Integration des aus der externen Quellenspannung von dem Kondensator aufgenommenen Stromes bildet und einer Schaltvorrichtung mit einem Steueranschluß, der das Spannungsanstiegssteuersignal aufnimmt und betätigbar ist, um den Anstieg der Spannung der externen Quelle in Abhängigkeit von dem Anstiegszeitsteuersignal zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg der Spannung der externen Quelle so begrenzt wird, daß die Spannung der externen Quelle dem ersten Schaltungsknotenpunkt mit einer vorbestimmten, geregelten Geschwindigkeit zugeführt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsenke zusätzlich die Quelle einer niedrigen Bezugsspannung zur Herstellung einer minimalen Anfangsrampengeneratorspannung aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis eine Speichervorrichtung in Form einer integrierten Schaltung aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum wahlweisen Wählen und Nichtwählen des Rampengeneratorschaltungsbetriebs während einer entsprechenden Schaltungsarbeitsweise für Programmieren und einer Schaltungsarbeitsweise für Programmierverhinderung aufweist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Speichervorrichtung, gekennzeichnet durch
einen internen Rampengenerator zur Erzeugung einer internen linearen Rampenspannung, deren Spannungsanstiegzeit von einer externen Spannungsquelle unabhängig ist,
mit einem ersten Transistor, dessen einer, erster Anschluß mit der externen Spannungsquelle verbunden ist, und der einen zweiten Anschluß und einen mit einem ersten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt verbundenen Steueranschluß aufweist;
einem zweiten Transistor, dessen erster Anschluß mit der externen Spannungsquelle verbunden ist und der einen mit dem ersten Rampensignalgenerator-Knotenpunkt verbundenen Steueranschluß sowie einen zweiten, mit einem zweiten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt verbundenen Anschluß aufweist;
einem Integrationskondensator, dessen einer, erster Anschluß mit dem zweiten Rampengeneratorsignal- Knotenpunkt verbunden ist und der so geschaltet ist, daß er eine Spannung integriert, die über den zweiten Transistor als eine Funktion des ersten Transistors zugeführt und von der externen Spannungsquelle abgeleitet ist, um die interne lineare Rampenspannung an dem zweiten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt zu bilden, wobei der zweite Anschluß des Kontensators mit einem dritten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt verbunden ist;
einem dritten Transistor, der einen ersten, mit dem dritten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt verbundenen Anschluß und einen zweiten, mit einem Rampengenerator- Erdungspunkt verbundenen Anschluß sowie einen Steueranschluß aufweist, der mit einem vierten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt verbunden ist;
einen mit dem vierten Rampengeneratorsignal- Knotenpunkt verbundenen Bezugsspannungsquellentransistor, der dazu dient, den dritten Transistor auf einem gewählten Sättigungsverhältnis entsprechend einer Anfangsrampenspannungsanhebung zu halten; und
einem fünften Transistor, dessen erster Anschluß mit dem ersten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt verbunden ist und der einen zweiten Anschluß, der mit dem Rampengenerator-Erdungspunkt verbunden ist, und außerdem einen Steueranschluß hat, der mit dem dritten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt verbunden ist, so daß eine von dem Kondensator integrierte und der internen linearen Rampenspannung am zweiten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt entsprechende Ladung die Sättigung des fünften Transistors steuert, der wiederum die Sättigung des zweiten Transistors steuert, die dementsprechend eine von der externen Spannungsquelle gelieferte Spannung von dem zweiten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt abführt und alternativ diese externe Spannung über den fünften Transistor zu dem Rampengenerator-Erdungspunkt ableitet.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der interne Rampengenerator folgende weitere Merkmale aufweist:
einen sechsten Transistor, dessen erster Anschluß mit einer internen Spannungsquelle verbunden ist, mit einem zweiten Anschluß, der mit dem zweiten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt verbunden ist, und mit einem Steueranschluß, der zur Aufnahme eines Steuersignals für Programmieren oder für Verhinderung des Programmierens dient; und
einem siebten Transistor, dessen erster Anschluß mit dem ersten Rampengeneratorsignal-Knotenpunkt verbunden ist, mit einem zweiten Anschluß, der mit dem Rampengenerator-Erdungspunkt verbunden ist, und mit einem Steueranschluß, der zur Aufnahme des Signals für Programmieren bzw. Programmierungsverhinderung dient, so daß der interne Rampengenerator als linearer Rampenspannungsgenerator betreibbar ist, wenn mittels eines Steuersignals für Programmieren die Arbeitsweise Programmieren gewählt ist, und so daß der interne Rampengenerator gesperrt ist, wenn mittels eines Steuersignals für Programmierungsverhinderung die Arbeitsweise Nichtprogrammieren gewählt ist.