DE3900798C2 - Verfahren zum Programmieren eines elektrisch löschbaren und programmierbaren Nur-Lese-Speichers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrischen Programmieren einer Vielzahl von Speicherzellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4.

Verfahren der eingangs genannten Art finden bei elektrisch programmierbaren und elektrisch löschbaren MOS-Nur-Lese-Speichern (EEPROMs) und bei elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speichern (EPROMs) mit auf schwebendem Potential befindlichen Gate- Elektroden Anwendung.

Die am häufigsten benutzte EPROM-Zelle hat ein elektrisch schwebendes Gate, das von Isoliermaterial vollständig umgeben ist und generell zwischen einer Source- und einer Drain-Zone angeordnet ist, die in einem Siliziumsubstrat gebildet sind. Bei früheren Ausführungen dieser Zellen wurde Ladung durch die Isolierschicht durch Avalanche-Injektion injiziert (US-PS 3 660 819). Spätere Ausführungen von EPROMs machten zum Aufladen der schwebenden Gate- Elektrode von der Kanalinjektion Gebrauch (US-PS′n 4 142 926, 4 114 255 und 4 412 310). Diese EPROMs wurden dadurch gelöscht, daß man sie ultravioletter Strahlung aussetzt.

Im "Hitachi IC Memory Data Book", Seiten 280-283, vom März 1984 ist ein UV-löschbarer und programmierbarer ROM mit einem Hochleistungs-Programmieralgorithmus beschrieben. Der Hochleistungs- Programmieralgorithmus gestattet ein schnelleres Programmieren ohne große Spannungsbelastungen des Bauelements oder geringere Zuverlässigkeit der programmierten Daten.

Es sind auch elektrisch löschbare EPROMs (EEPROMs) im Handel erhältlich. In einigen Fällen wird Ladung auf die und von der schwebenden Gate-Elektrode dadurch überführt, daß man die Ladung durch eine auf dem Substrat gebildete dünne Oxidschicht hindurchtunnelt (US-PS 4 203 158). In anderen Fällen wird Ladung über eine obere Elektrode entfernt (US-PS 4 099 196).

Diese EEPORM-Zellen eignen sich im Gegensatz zu den EPROM-Zellen nicht zu einer Reduktion der Substratfläche. Es wurden verschiedene Verfahren zum Reduzieren der Größe der Speichermatrix mit Hilfe dichterer Zellenanordnungen entwickelt. Ein solches Verfahren ist in der US-PS 4 432 075 beschrieben. Die US-PS 4 266 283 beschreibt die Anordnung eines EEPROM in einer Matrix und die Auswahl verschiedener auf der Speichermatrix durchzuführender Funktionen.

EPROM-Speicher werden häufig zum Löschen als auch zum Programmieren von ihren gedruckten Schaltungsplatinen entfernt. Eine spezielle Programmiereinrichtung dient zum Programmieren der Zellen. Diese Einrichtung verifiziert auch, daß die Zellen geeignet gelöscht und programmiert sind. Während des Programmierens werden Elektronen zum schwebenden Gate übertragen, wodurch die Zellen weniger leitfähig werden. Der Betrieb dieser EPROM- Einrichtungen ist bekannt.

EEPROMs unterscheiden sich dadurch von EPROMs, daß erstere typischerweise programmiert und gelöscht werden, während sie in derselben Schaltung (z. B. einer gedruckten Schaltungskarte) installiert sind, die auch zum Lesen von Daten aus dem Speicher benutzt wird. Dies bedeutet, daß eine spezielle Programmiereinrichtung nicht benötigt wird. In einigen Fällen werden "on- chip"-Schaltungen dazu benutzt, die richtige Ausführung der Programmierung zu verifizieren. Die US-PS 4 460 982 beschreibt ein intelligentes EEPROM mit Mitteln sowohl zum Programmieren als auch zum Löschen.

In jüngster Zeit entstand eine neue Kategorie von elektrisch löschbaren EPROMs/EEPROMs, und diese Bauelemente werden manchmal als "Flash"-EPROMs oder -EEPROMs bezeichnet. In diesen Flash- Speichern wird das gesamte Speicherfeld bzw. die Matrix gleichzeitig elektrisch gelöscht. Die Zellen selbst verwenden nur ein einziges Bauelement pro Zelle. Relevant ist in diesem Zusammenhang ein Artikel mit der Bezeichnung "Ein 256-kBit- Flash-E²PROM unter Verwendung der Triple-Polysilizium-Technologie", von Masuoka u. a., IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. SC-22, Nr. 4, August 1987. Die vorliegende Erfindung ist auf die Verwendung dieser Zellen gerichtet.

Elektrisch löschbare Flash-Speicherbauteile unterliegen einem anderen Problem, insbesondere der übermäßigen Löschung. Dabei kann zuviel Ladung entfernt werden, wodurch ein Bauelement vom "Verarmungstyp" wird. Es kann erforderlich werden, die Zellen nach dem Löschen zu testen, um zuverlässig festzustellen, daß die schwebende Gate-Elektrode gelöscht, jedoch nicht zu positiv geladen ist.

Ein anderes Problem entsteht, wenn das Löschen in der Schaltung bei Flash-Speichern verwendet wird. Zusätzliche Signal/Befehls- Leitungen werden benötigt, um den Flash-Speicher zu löschen und zu programmieren. Zusätzliche Leitungen mit entsprechenden zusätzlichen Pins auf einem Speicherchip sind dann kein Problem, wenn neue Schaltungen, Karten, Systeme usw. konstruiert werden. Bei Flash-Speichern, die anstelle existierender EPROMs/EEPROMs verwendet werden sollen, ist eine Pin-Kompatibilität eine notwendige Bedingung. Da zusätzliche Steuerleitungen zum Löschen und Programmieren benötigt werden, kann eine direkte Pin-Kompatibilität nur dann erreicht werden, wenn gewisse Architekturänderungen innerhalb des Flash-Speicherbauelements durchgeführt werden, die das Löschen und Neuprogrammieren ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Programmieren und Löschen von Flash-Speichergeräten zu verbessern und zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum elektrischen Programmieren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4 gelöst.

Die Erfindung schafft einen Löschalgorithmus und einen Programmieralgorithmus zum Löschen bzw. Programmieren des Speichers. Der Löschalgorithmus liefert die notwendigen Spannungen zum Löschen der Flash-Speicherzellen und verifiziert danach, daß der Speicher gelöscht ist. Der Löschzyklus wird überwacht und wiederholt, wobei jeder Löschimpuls eine vorgegebene Pulsbreite hat, die inkrementiert wird, bis die Löschung erreicht ist. Es wird jedoch ein Fehler festgestellt, wenn eine maximale Impulszählung erreicht ist und der Speicher noch nicht vollständig gelöscht worden ist.

In äquivalenter Weise sorgt der Algorithmus während des Programmierens des Speichers für das Programmieren jedes Speicherplatzes und das Verifizieren des Speicherinhalts nach dem Programmieren. Der Programmierzyklus wird überwacht und mit einem Programmierimpuls einer vorgegebenen Impulsbreite wiederholt, bis die Programmierung erreicht ist. Wenn die Programmierung jedoch nach einer vorgegebenen maximalen Impulszählung nicht erreicht werden kann, so wird ein Programmierfehler festgestellt.

Bei der Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Befehlsportarchitektur zum Programmieren und Löschen von Flash- Speicherbauelementen über einen Datenport verwendet. Um in der Schaltung selbst Löschen, Programmieren und die Lösch/Programmier-Verifikation zu ermöglichen, sind Schaltungsmittel auf dem den Speicher enthaltenden Halbleiterchip integriert. Ein Befehlsport-Steuergerät ist so angeordnet, daß es Befehle von einer mit einem zugehörigen Prozessor gekoppelten Datenleitung akzeptiert. In das Befehlsport-Steuergerät geschriebene Befehle sorgen für den notwendigen Befehl zur Erzeugung von Steuersignalen zum Löschen und Programmieren des Speichers sowie zum Verifizieren des Inhalts nach Durchführung der Lösch- und Programmieroperationen.

Der Befehlsport besteht aus einem Befehlsport-Steuergerät, Datenregistern, die mit einem Datenbus zum Akzeptieren von Programmierdaten gekoppelt sind, und aus mit dem Adreßbus gekoppelten Adreßregistern, welche während des Programmierens und des Verifizierens Adreßinformationen aufnehmen. Das Befehlsport- Steuergerät enthält Befehls- und Zustandsregister, die zur Aufnahme von Befehlsinstruktionen von einem Mikroprozessor mit einem Datenbus gekoppelt sind, Taktgeneratoren zur Erzeugung der notwendigen Taktfrequenzen und Zeitgaben und einen Zustandsdecodierer zum Decodieren der den Befehls- und Zustandsregistern eingegebenen Instruktionen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Flash-Speichergeräts;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Befehlsport-Steuerge­ räts nach der Erfindung;

Fig. 3 ein Zeitdiagramm für einen Lesezyklus des be­ schriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 ein Zeitdiagramm eines Löschzyklus bei dem be­ schriebenen Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 ein Zeitdiagramm eines Programmierzyklus bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm für einen Löschzyklus bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel;

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm für einen Programmieralgorith­ mus bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel; und

Fig. 8A, 8B, 8C, 8D und 8E Teilschaltbilder des Befehls­ port-Steuergeräts gemäß Fig. 2.

Beschrieben wird eine Befehlsport-Architektur, die für eine Mikroprozessorsteuerung von Programmier-, Lösch-, Programmve­ rifizier-, Löschverifizier- und Lesemoden zur Verwendung in einem Flash-Speicher sorgt. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Einzelheiten, beispielsweise spe­ zielle Schaltungskonfigurationen, Komponenten usw. angegeben, um die Erfindung leichter verständlich zu machen. Es ist je­ doch für den Fachmann klar, daß die Erfindung ohne diese be­ sonderen Einzelheiten realisiert werden kann. In anderen Fäl­ len werden bekannte Verfahrensweisen, Architekturen und Schal­ tungen nicht im einzelnen beschrieben, um die Erfindung nicht mit unnötigen Einzelheiten zu belasten.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Ver­ bindung mit einem besonderen Doppelpoly-, Einzeltransistor-, elektrisch löschbaren und programmierbaren Flash-Speicher verwendet, der auch als Flash-EPROM bezeichnet wird. Es han­ delt sich dabei um einen nicht-flüchtigen Flash-Speicher hoher Dichte, der für Mikroprozessor-gesteuerte Umprogrammierung aktiviert ist. Dieser spezielle Flash-EPROM macht von einer weiterentwickelten komplementären Metalloxidhalbleiter- (CMOS-)1,5 µm-Technologie Gebrauch, die auf einer 6 µm mal 6 µm Zelle, hergestellt auf einem 4,88 mm quadratischen Scheib­ chen, 32 768×8 Bits zur Verfügung stellt. Obwohl ein speziel­ ler 256 KBit-Flash-EPROM beschrieben wird, ist es klar, daß andere Speichergrößen und andere Speichertechnologien unter Verwendung der Erfindung angewandt werden können.

Der nicht-flüchtige Flash-EPROM nach der Erfindung basiert auf der EPROM-Technologie. Die Speicherzelle verwendet einen äqui­ valenten Programmiermechanismus wie ein EPROM, kann jedoch elektrisch gelöscht werden. Elektrisches Löschen des Flash- Speichers wird durch Verwendung einer Tunneloxidschicht hoher Qualität unter einer Einzeltransistorzelle mit schwebender Polysilizium-Gate-Elektrode erreicht. Die Flash-Zelle erfor­ dert eine 12 V Betriebsspannung zum Löschen und Programmieren. Der Löschmechanismus benutzt ein Fowler-Nordheim-Durchtunneln zur Elektronenbewegung von dem schwebenden Gate zum Zellen- Sourceübergang. Das Programmieren wird mit dem EPROM-Stan­ dardverfahren der Injektion heißer Elektronen von dem Zellen- Drainübergang zur schwebenden Gate-Elektrode erreicht. Die Flash-EPROM-Zelle, wie sie bei der Erfindung Verwendung fin­ det, ist als solche bekannt aus den in der Beschreibungsein­ leitung bezeichneten Druckschriften.

Ohne die Verwendung einer speziellen Schaltung kann keine direkte Stift-zu-Stift-Kompatibilität zwischen dem Flash-EPROM und bekannten Speicherbauelementen hergestellt werden. Um die Stift-zu-Stift-Kompatibilität zwischen dem Flash-EPROM und bekannten EPROM-Bauelementen zu erreichen, sieht die Erfindung eine spezielle Befehlsport-Architektur vor, die ein Löschen und Programmieren in der Schaltung selbst ermöglicht. Die Befehlsport-Architektur nach der Erfindung ermöglicht die Mikroprozessorsteuerung von Programmier-, Lösch-, Programm/- Lösch-Verifizier- und Lesemoden bei gleichzeitiger Aufrechter­ haltung der Stift-zu-Stift-Kompatibilität mit den bekannten EPROMs/EEPROMs. Diese spezielle Architektur wird in einer Schaltung implementiert, die in ein den Flash-Speicher enthal­ tendes Halbleiterchip eingebaut wird.

In Fig. 1, auf die im folgenden Bezug genommen wird, ist ein Flash-EPROM-Halbleitergerät 10 gezeigt. Ein Adreßbus 12 kop­ pelt Adreßbits A0-A14 zum Adreßlatch 13. Wenn auch in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 15 Bits für eine Adresse auf dem Bus 12 benutzt werden, ist die tatsächliche Zahl von Adreßbits willkürlich. Adreßlatch 13 ist mit einem X-Decodie­ rer 14 und einem Y-Decodierer 15 verbunden. X-Decodierer 14 ist mit einer Speichermatrix 11 und Y-Decodierer 15 mit einer Y-Gatterschaltung 16 gekoppelt. Der Speicher 11 ist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine 256 K Bitzellenmatrix­ struktur, wobei der X-Decodierer 14 die Decodierung zum Zu­ griff der X(Zeilen)-Adressierung und Y-Decodierer 15 die Deco­ dierung für die Y(Spalten)-Adressierung der X-Y-Matrix des Speicherfeldes 11 bewirkt. Die Anordnung der Speichermatrix 11 und das Zugreifen auf eine Matrix unter Verwendung von X- und Y-Decodierern 14 und 15 und Spaltengatterschaltung 16 sind auf dem Gebiete der EPROM-Technik bekannt.

Über einen 8-Bit-bidirektionalen Datenbus 20 werden Daten zum Gerät 10 übertragen; jedoch ist auch hier die Bitanzahl über den Datenbus 20 der Wahl des Konstrukteurs überlassen. Der Datenbus 20 ist mit einem Eingabe/Ausgabe-(I/O)Puffer 21 ge­ koppelt, wobei in den Speicher 11 eingegebene Daten über einen Bus 23a und durch ein Datenlatch 22 übertragen werden. Ande­ rerseits werden Daten aus dem Speicher 11 über den Bus 23b und Abtastschaltungen 101 zum I/O-Puffer 21 zur Ausgabe auf den Datenbus 20 übertragen. Einlaufende Daten werden auch von dem Bus 23a an ein Befehlsport-Steuergerät 30 angelegt. Das Be­ fehlsport-Steuergerät 30 erhält auch externe Signale und und liefert Steuersignale zum Adressieren des Latch 13, Daten­ latch 22, Löschspannungsgenerators 24, Programmierspannungsge­ nerators 25 und Lösch/Programm-Verifiziergenerators 26. Ex­ terne Signale und werden an eine Chip/Ausgabeaktivie­ rungslogikschaltung 27 angelegt. Diese Daten, Adreß- und Steu­ ersignale kommen von einem Mikroprozessor, der in typischer Ausführung in Verbindung mit den Halbleiterspeichern verwendet wird.

Betriebsspannung VCC und deren Rückleitung VSS werden ebenso an das Gerät 10 angelegt, wie die Programmierspannung VPP, deren Spannungswert bestimmt, ob das Befehlsport-Steuergerät 30 zur Auswahl der Lese-, Lösch- oder Programmierfunktionen aktiviert wird. VPP wird an das Befehlsport-Steuergerät 30, den Löschspannungsgenerator 24, den Programmierspannungsgene­ rator 25 und den Lösch/Programmier-Verifiziergenerator 26 angelegt. Der Ursprung dieser Spannung ist für die Verwirkli­ chung der vorliegenden Erfindung ohne Bedeutung.

Eine Chip/Ausgabe-Aktivierungslogikschaltung 27 ist mit dem I/O-Puffer 21 gekoppelt. Die Schaltung 27 liefert Steuersigna­ le an den Puffer 21. Der Löschspannungsgenerator 24 ist mit dem Speicher 11 gekoppelt und liefert die notwendige Spannung zum gleichzeitigen Löschen der Speichermatrix 11. Der Ausgang des Programmierspannungsgenerators 25 ist mit den Decodierern 14 und 15 gekoppelt und liefert die Programmierspannung an den Speicher 11, wenn der Programmierfunktionsausgang des Lösch/ Programmier-Verifiziergenerators 26 mit dem X-Decodierer 14 zum Anlegen der Verifizierspannung an den Speicher 11 bei der Selektion der Lösch/Programmier-Verifizierfunktion gekoppelt ist.

Zum Zwecke des Löschens und Programmierens des Speichers 11 innerhalb der Schaltung ist das Gerät 10 des beschriebenen Ausführungsbeispiels so ausgebildet, daß es von dem mit dem Gerät 10 gekoppelten Prozessor über die Datenleitung 20 kom­ mende Befehle akzeptiert. Wenn das Gerät 10 angesteuert werden soll, wechselt das Chip-Aktivierungssignal auf den niedri­ gen Wert, und das Chip 10 ist für Modeninstruktionen über den Datenbus 20 vorbereitet. Befehle durchlaufen den I/O-Puffer 21 zum Befehlsport-Steuergerät 30. Das Befehlsport-Steuergerät 30 erhält eine der 2ⁿ Instruktionen bzw. Befehle (wobei n die Anzahl der Datenbits ist) von dem Datenbus 20, einschließlich der folgenden sechs Instruktionen: Programmieren, Programmve­ rifikation, Löschen, Löschverifikation, Lesen und Signaturle­ sen (eine spezielle Lesefunktion zur Anpassung des Speichers 11 an das geeignete externe Anlagenprotokoll). Abhängig von dem erhaltenen Instruktionswort erzeugt das Befehlsport-Steu­ ergerät 30 Steuersignale zur Erzeugung der entsprechenden Operation. Nach dem Eingang einer speziellen Instruktion an das Befehlsport-Steuergerät 30 erzeugen das Schreibaktivie­ rungssignal , das Chipaktivierungssignal und das Ausgabe­ aktivierungssignal die Erzeugung verschiedener Signale aus dem Befehlsport-Steuergerät 30 und der Logikschaltung 27 zur geeigneten Betätigung verschiedener Einheiten des Geräts 10.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Befehlsport- Steuergerät 30 aktiviert, wenn VPP auf einem Spannungswert von angenähert 12 Volt Gleichspannung ist. Wenn das Befehls­ port-Steuergerät 30 jedoch entaktiviert werden soll, so sorgt eine Verschiebung von VPP von 12 Volt auf angenähert 5 Volt für die Entaktivierung des Steuergeräts 30. Immer wenn VPP auf 5 Volt übergeht, wird das Steuergerät 30 entaktiviert, so daß eine auf dem Datenbus 20 befindliche Matrixinstruktion für das Steuergerät 30 ignoriert wird. Immer wenn sich VPP auf 5 Volt befindet und das Steuergerät 30 entaktiviert ist, arbeitet das Gerät 10 nur in einem Lesebetrieb. Dieses Entaktivierungssche­ ma des Steuergeräts 30 wurde im Chip 10 des bevorzugten Aus­ führungsbeispiels für den Fall vorgesehen, daß das Gerät 10 in unmittelbarem Ersatz eines bekannten EPROM (oder eines nur im Lesebetrieb benutzten EEPROM) verwendet wird, in welchem 12 V nicht vorhanden ist. Bei derartigen bekannten EPROMs ist VPP typischerweise auf 5 Volt, wobei ein direkter Ersatz des Ge­ räts 10 für ein bekanntes EPROM dazu führt, daß das Gerät 10 nur einen Lesemodus herbeiführt. Dieses Entaktivierungsschema des Steuergeräts gewährleistet einen absoluten Schutz gegen unbeabsichtigtes Löschen oder Programmieren des Speichers, wenn VPP auf 5 Volt liegt.

Fig. 2, auf die im folgenden Bezug genommen wird, zeigt ein Blockschaltbild des Befehlsport-Steuergeräts 30 des beschrie­ benen Ausführungsbeispiels der Erfindung. Ein Chip-Aktivie­ rungssignal wird an eine Steuerlogik 31 und einen Adreß­ taktgenerator 32 angelegt. Ein Schreibaktivierungssignal wird als ein Eingangssignal an die Steuerlogik 31 angelegt. Die Steuerlogik 31 läßt eine Übertragung des Signals an den Adreßtaktgenerator 32, einen Zustandstaktgenerator 33 und Befehls/Datentaktgeneratoren 34 nur dann zu, wenn das Chip-Ak­ tivierungssignal das Chip 10 aktiviert hat. Das Ausgangssi­ gnal des Zustandstaktgenerators 33 sowie Daten auf dem Daten­ bus 23a werden zum Zustandsregister 35 übertragen, dessen Ausgang mit dem Zustandsdecodierer 36 und einem Befehlstaktge­ nerator 34a gekoppelt ist. Der Ausgang des Befehlstaktgenera­ tors 34a ist mit einem Befehlsregister 37 verbunden. Das Be­ fehlsregister 37 erhält außerdem Daten vom Datenbus 23a, und sein Ausgang ist mit einem Zustandsdecodierer 36 gekoppelt. Der Ausgang des Adreßtaktgenerators 32 liefert das Strobe-Si­ gnal für das Adreßlatch 13 der Schaltung gemäß Fig. 1 und der Datentaktgenerator 34b liefert das Strobe für das Datenlatch 22 der Fig. 1. Die Ausgänge des Zustandsdecodierers 36 sind zum Adreßtaktgenerator 32 und zum Zustandsregister 35 des Steuergeräts rückgekoppelt. Andere Ausgänge des Zustandsdeco­ dierers 36 sind für den Löschspannungsgenerator 24, den Pro­ grammierspannungsgenerator 25 und den Lösch/Programmier-Veri­ fikationsgenerator 26 in Fig. 1 vorgesehen. Das Zustandsregi­ ster 35 liefert ein Rückkopplungsignal an den Befehlstaktgene­ rator 34a, während das Befehlsregister 37 über keine derartige Rückkopplung verfügt.

In einem von den Signalen und kontrollierten Schreibzy­ klus werden Funktionen über den Datenbus 23a ausgewählt. Der Inhalt des Adreßlatchs 13 wird an der abfallenden Flanke von aktualisiert. Die ansteigende Flanke des Signals bewirkt das Laden von Instruktionen in das Zustandsregister 35 und entweder in das Befehlsregister 37 oder das Datenlatch 22. Der Zustandsdecodierer 36 decodiert neue interne Moden bzw. Be­ triebsarten und löst geeignete Operationen durch Anlegen der entsprechenden Steuersignale aus. Steuerleitungen vom Zu­ standsdecodierer 36 zu Löschspannungs-, Programmierspannungs- und Lösch/Programmier-Verifikationsgeneratoren 23, 25 bzw. 26 lassen diese Generatoren VPP-Spannungen an die in Fig. 1 dar­ gestellten X-Y-Decodierer 14 und 15 oder den Speicher 11 anle­ gen. Aus den VPP-Spannungen abgeleitete Verifizierspannungen werden vom Lösch/Programmier-Verifikationsgenerator 26 über den X-Decodierer während des Programmierverifizierens und Löschve­ rifizierens an die Wortleitungen angelegt, um eine Programmier- und Löschtoleranz zu gewährleisten.

Die Fig. 3, 4 und 5, auf die nachfolgend ebenfalls Bezug genommen wird, stellen Zeitfolgen verschiedener Signale im Gerät 10 dar. Fig. 3 zeigt eine Lesefunktion, bei der der Speicher 11 adressiert wird und Daten aus dem Speicher 11 gelesen werden, wenn das Ausgabeaktivierungssignal OE die Schaltung 27 aktiviert, die wiederum die Ausgabefunktion des Puffers 21 aktiviert.

Fig. 4 zeigt den Zeitzyklus für eine Löschoperation. Das Lö­ schen wird erreicht durch eine Zwei-Schreib-Zyklen-Folge, wobei der Löschcode in das Befehlsregister 37 und das Zu­ standsregister 35 in einem ersten Schreibzyklus 40 und der Lösch-Bestätigungscode in einem zweiten Schreibzyklus 41 in das Zustandsregister 35 geschrieben wird. Der Bestätigungscode löst an der ansteigenden Flanke des zweiten Zyklus 41 des Signals die Löschoperation aus. Der Zustandsdecodierer 36 löst einen Befehl an den Löschspannungsgenerator 24 aus, der daraufhin einen Hochspannungsschalter triggert, der 12 Volt (VPP) an die Source-Elektrode aller Matrixzellen des Speichers 11 anlegt. Ferner werden alle Wortleitungen an Erde gelegt. Die Fowler-Nordheim-Tunnelung führt zur gleichzeitigen Lö­ schung aller Zellen der Speichermatrix 11. Das Schreiben eines Löschverifiziercodes in die Register 35 und 37 während des Schreibzyklus 42 beendet das Löschen, verriegelt die Adresse des zu verifizierenden Bytes und baut interne Lösch-Grenzspan­ nungen (margin voltages) auf. Ein Mikroprozessor kann danach auf die Speicherausgabe von der zugegriffenen Adresse unter Verwendung üblicher Lesezeitgabe zugreifen, wenn das Signal während der Zeit 43 auf einen niedrigen Wert geht. Der Verifi­ ziervorgang wird dann für alle Adressen wiederholt.

Das Programmieren wird in einer in Fig. 5 veranschaulichten Weise ausgeführt. Der Programmierbefehl wird in die Register 35 und 37 während des ersten Zyklus 45 des Schreib-Aktive­ rungssignals eingegeben. Ein zweiter Zyklus 46 lädt das Adreßlatch 13 und das Datenlatch 22. Die ansteigende Flanke des zweiten Zyklus 46 initiiert die Programmierung über den Zustandsdecodierer 36, der zur Erzeugung eines Steuersignals an den Programmierspannungsgenerator 25 veranlaßt wird. Letz­ terer legt daraufhin eine hohe Spannung VPP an die Gate- und Drain-Elektroden der adressierten Zelle des Speichers 11. Das Schreiben des Programmierverifizierbefehls in die Register 35 und 37 beim Zyklus 47 beendet das Programmieren und setzt die internen Grenzspannungen zum Verifizieren des neuprogram­ mierten Byte. Auch hier kann das adressierte Byte unter Ver­ wendung üblicher Mikroprozessor-Lesezeitgaben zugegriffen werden, wenn während des Zeitabschnitts 48 auf einen nie­ drigen Wert geht.

Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm des von dem Befehlsport-Steu­ ergerät 30 benutzten Löschalgorithmus. Während der Initiali­ sierungsphase steht VPP an, alle Bytes werden auf einen spezi­ ellen Wert, in diesem Falle 00H (Vorkonditionierung) program­ miert, und es werden die Zähler auf einen vorgegebenen Initia­ lisierungswert voreingestellt. Danach wird der Aufbau-Löschbe­ fehl geschrieben, gefolgt vom Schreiben des Löschbefehls (vgl. Fig. 4 im Zeitdiagramm). Nach einer Auszeit, während der die Löschung erreicht wird, wird der Lösch-Verifizierbefehl ge­ schrieben, gefolgt von einer anderen vorgegebenen Auszeit (6 µs in dem beschriebenen Beispiel).

Danach werden Daten aus dem Speicher gelesen und überprüft, um festzustellen, ob die Daten gelöscht worden sind. Wurden die Daten nicht gelöscht, so wird die Pulsbreite zum Löschen der Daten um einen vorgegebenen Wert inkrementiert und in dem TEW-Zähler gespeichert und auf einen maximalen Grenzwert ge­ prüft (CUMTEW und TEW-Berechnungen sind in Fig. 6 gezeigt. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Pulsbreite auf einen maximalen Grenzwert für eine kumulative Löschzeit von 10 Sekunden inkrementiert. Nach jedem Inkrement wird die Folge durch den Schreib-Lösch-Aufbaubefehl und den Schreib-Lösch-Be­ fehl wiederholt. Wenn die Daten jedoch nach einer vorgegebenen Impulszählung (bei dem beschriebenen Beispiel wurde der Wert von 64 eingestellt) nicht gelöscht worden sind, so wird auf Fehler erkannt, was bedeutet, daß für diese Speicherzelle eine Löschung nicht erreicht werden kann. Wenn nach dem Lesen der Daten deren Löschung festgestellt wurde, wird die Adresse inkrementiert und die Lösch-Verifizierfolge solange wieder­ holt, bis die letzte Adresse verifiziert worden ist; in diesem Falle wird ein Lesebefehl in die Befehls- und Zustandsregister geschrieben, um diese Register für eine Leseoperation rückzu­ setzen, und der Löschzyklus ist beendet. Wenn ein Byte nicht als gelöscht verifiziert werden kann, wird die Pulsbreite TEW inkrementiert und die Löschfolge wiederholt. Die Löscheffi­ zienz wird auch dadurch erreicht, daß man einen neuen Verifi­ zierzyklus bei dem letzten gelöschten Byte beginnt und verifi­ ziert.

Im folgenden wird auf Fig. 7 Bezug genommen, in der ein Ab­ laufdiagramm für einen Programmalgorithmus gezeigt ist. Der Programmierzyklus wird durch Anlegen von VPP und Auslösen des Impulszählers initiiert. Danach wird der Aufbau-Programmierbe­ fehl in die Befehls- und Zustandsregister geschrieben, gefolgt von einem zweiten Schreibzyklus, der die Adresse und die Daten verriegelt (vgl. Zeitdiagramm gemäß Fig. 5). Nach einer vorge­ gebenen Auszeit, in der das Programmieren erreicht wird, wird der Programmierverifizierbefehl geschrieben. Wieder nach einer vorgegebenen Auszeit (6 µs bei dem beschriebenen Beispiel) werden Daten aus dem Speicher zum Verifizieren der program­ mierten Daten gelesen. Wenn die geschriebenen Daten nicht den aus dem Speicher ausgelesenen Daten entsprechen, wird die Impulszählung inkrementiert, um die Programmierzeit zu verlän­ gern und die Schreib- und Lesefolgen werden wiederholt. Bei dem beschriebenen Beispiel wird die Programmierzeit durch Wiederholen von 100 µs Impulsen auf eine maximale Impulszäh­ lung (PLSCNT) von 25 verlängert. Jeder Impulszählschritt ver­ längert die Dauer der Programmierzeit solange, bis der vorge­ gebene Wert, in diesem Falle 25, erreicht ist; an diesem Punkt wird ein Fehler festgestellt. Wenn die gelesenen Daten als richtig verifiziert sind, wird die Adresse inkrementiert, und die Folge wiederholt, um Daten an jeder der anderen Adressen zu schreiben und zu lesen. Wenn die letzte Adresse erreicht worden ist, wird ein Befehl in die Zustands- und Befehlsregi­ ster geschrieben, um die Register für eine Leseoperation rück­ zusetzen. Der Algorithmus gemäß Fig. 7 dient auch zum Laden von 00 zwecks Vorkonditionierung vor der Löschoperation gemäß Fig. 6.

An sich können verschiedene bekannte Schaltungen zum Aufbau des in Fig. 2 gezeigten Blockschaltbilds implementiert werden; Fig. 8A bis E zeigen eine besondere Schaltung, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel zur Realisierung der ver­ schiedenen Blöcke in Fig. 2 verwendet wird. Die Bezugszeichen der verschiedenen Blöcke der Fig. 2 entsprechen den Bezugszei­ chen in den Fig. 8A-E. Außerdem sind eine Rücksetzschaltung 50 und Seitenregisterschaltungen 51 gezeigt. Die Rücksetz­ schaltung dient zum Rücksetzen der Befehls- und Zustandsregi­ ster, so während des Spannungsaufbaus (power up) oder wenn sich VPP auf 5 V befindet. Die Seitenregisterschaltung 51 dient zur Steuerung der Seitenmodenadressierung des Speichers. Die Steuerschaltung 31 ist in der Detailschaltung nicht ge­ zeigt, da sie die Chip-Aktivierungs- und die Schreib-Aktivie­ rungssignale grundsätzlich einer UND-Verknüpfung unterwirft. Das resultierende Signal ist als CWE bezeichnet und darge­ stellt.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet eine Reihe von Invertern zur verzögerten Erzeugung des Strobe des Adressen­ latch vom Adressentaktgenerator 32. In der beschriebenen Schaltungskonfiguration des Ausführungsbeispiels besteht das Befehlsregister 37 aus vier getrennten Registern R3, R5, R6 und R7. Die Register R5, R6 und R7 dienen zur Modenselektion, d.h. zur Betriebsartenauswahl, und das R3-Register dient zum Decodieren und Verriegeln ungültiger Eingaben. Es gibt zwei Register im Zustandsregister 35. Register R2 wird mit Rück­ kopplungssteuerung zum Aktivieren des Löschens und das Pro­ grammierzustandsregister R1 zum Steuern des Eingabedatenstroms in die Datenlatches oder Befehlsregister verwendet. Die Be­ fehls- und Datentaktgeneratoren 34a und 34b dienen zur Erzeu­ gung der nicht-überlappenden Taktphasen, die von den Registern und den Datenlatches gebraucht werden. Diese Taktsignale steu­ ern das Verriegeln von Eingangsdaten während eines Schreibzy­ klus in die Programmierdatenlatches, Befehlsregister und Zu­ standsregister.

Der Adressentaktgenerator ist für die Steuerung des Adressen­ informationsflusses zu den Adreßlatches verantwortlich. Die Zustandsregister 35 und Befehlsregister 37 bilden das Herz der Befehlsportarchitektur, erhalten Eingaben vom Dateneingabepuf­ fer und speichern die Daten zum Decodieren von Betriebsmoden für das Chip. Die Befehlsinstruktionen werden von drei Daten­ bits an die Register R5, R6 und R7 bestimmt, und die Wahr­ heitstabelle zur Bestimmung des Operationsmodes aus diesen Bits ist in Fig. 8E gezeigt. Die Befehlsregister haben keine Rückkopplung von ihren Ausgängen und verfolgen einzelne Schreibmoden und wählen die Eingabe zu Mehrfach-Schreibmoden aus. Die Zustandsregister haben einen Rückkopplungsweg von ihrem Ausgang zu ihren Eingängen und verfolgen die Folgeopera­ tion des Chips, wenn es die verschiedenen Stufen der Mehrfach­ schreibmoden durchläuft.

Wenn das Gerät 10 mit existierenden EPROM-Geräten kompatibel gemacht werden soll, wird das Schreibaktivierungssignal einer Multiplexoperation mit dem am höchsten bewerteten Adreßbit A14 unterzogen. Wenn VPP auf 5 Volt ist, liest der A14/-Stift das am höchsten bewertete Adreßbit (A14), das in einigen Fäl­ len zur Auswahl des Seitenmodes verwendet wird. Wenn jedoch VPP auf einer Programmierspannung (im beschriebenen Falle 12 Volt) liegt, wird das Signal auf dem A14/-Stift als Schreib­ aktivierungssignal gelesen. Daher ermöglicht das Multiplex­ schema durch Multiplexen des am höchsten bewerteten Adreßbits mit dem Schreibaktivierungssignal die Stift-zu-Stift-Kompati­ bilität des Geräts 10 nach der vorliegenden Erfindung mit existierenden EPROM-Geräten.

Claims (7)

1. Verfahren zum elektrischen Programmieren einer Vielzahl von Speicherzellen eines elektrisch löschbaren und programmierbaren Nur-Lese-Speichers, der auf einem einzigen Siliziumsubstrat aufgebaut ist und eine Steuerschaltung zur Erzeugung geeigneter Steuersignale zm elektrischen Löschen der Speicherzellen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zum Löschen der Speicherzellen

• (A) ein Lösch-Aufbaubefehl während eines ersten Schreibzyklus über eine Vielzahl von Datenpins des Speichers an die Steuerschaltung eingegeben (geschrieben) wird;
• (B) ein Löschbefehl während eines zweiten Schreibzyklus über die Datenpins an die Steuerschaltung eingegeben wird, die in Abhängigkeit vom Lösch-Aufbaubefehl und dem Löschbefehl Steuersignale erzeugt;
• (C) die Speicherzellen während eines Löschzyklus unter Steuerung des Steuersignals durch das Anlegen eines Löschimpulses an die Speicherzellen gelöscht werden, wobei der Löschimpuls eine vorgegebene Pulsbreite hat;
• (D) ein Lösch-Verifizierbefehl während eines dritten Schreibzyklus an die Steuerschaltung eingegeben wird und eine Adresse zum Zugriff auf eine Anzahl Speicherzellen (Speicherzellenmengen) aus den Speicherzellen erzeugt wird;
• (E) von der Steuerschaltung gesteuerte Verifizierspannungen in Abhängigkeit vom Lösch-Verifizierbefehl und der Adresse für die Speicherzellenmenge erzeugt werden, um den Inhalt der Speicherzellenmengen zu lesen und zu bestimmen, ob jede Speicherzelle aus der Speicherzellenmenge gelöscht ist, wobei die Verifizierspannungen als auf vorgegebene Pegel eingestellte Referenzspannungen wirken;
• (F) wenn eine Speicherzelle aus der Speicherzellenmenge nicht gelöscht ist, die Impulsbreite des Löschimpulses vergrößert wird und die Schritte (A) bis (E) wiederholt werden, bis jede Speicherzelle aus der Speicherzellenmenge gelöscht ist;
• (G) wenn jede Speicherzelle aus der Speicherzellenmenge gelöscht ist, die Schritte (D) bis (E) wiederholt werden, bis jede der Speicherzellen gelöscht und verifiziert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (E) die Adresse mit einer in einem Adreßregister gespeicherten, zuletzt verifizierten Adresse verglichen wird, um ein Duplizieren der Verifizierung der Speicherzellen zu vermeiden, wobei die letzte verifizierte Adresse unter Steuerung der Steuerschaltung in dem Adreßregister gespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher vor dem Schritt (A) durch die Programmierung der Speicherzellen derart vorkonditioniert wird, daß jede der Speicherzellen in einem programmierten Zustand ist.

4. Verfahren zum elektrischen Programmieren eines elektrisch löschbaren und programmierbaren Nur-Lese-Speichers, der auf einem einzigen Siliziumsubstrat aufgebaut ist und eine Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Speicherzellen hat, wobei der Speicher eine Steuerschaltung zur Erzeugung geeigneter Steuersignale zur elektrischen Programmierung des Speichers enthält, dadurch gekennzeichnet, daß

• (A) ein Programmier-Aufbaubefehl während eines ersten Schreibzyklus über eine Vielzahl von Datenpins des Speichers an die Steuerschaltung eingegeben wird, wobei die Steuerschaltung in Abhängigkeit vom Programmier-Aufbaubefehl Steuersignale erzeugt;
• (B) Adresse und Daten zu dem Speicher während eines zweiten Schreibzyklus unter der Steuerung der Steuersignale der Steuerschaltung über die Datenpins latch-zwischengespeichert werden, wobei die Adresse auf einen Speicherplatz des Speichers zugreift;
• (C) der Speicherplatz des Speichers während eines Programmierzyklus mit den empfangenen Daten unter Steuerung der Steuersignale der Steuerschaltung programmiert wird;
• (D) ein Programmier-Verifizierbefehl während eines dritten Schreibzyklus an die Steuerschaltung eingegeben wird;
• (E) auf den Speicherplatz unter Steuerung der Steuerschaltung in Abhängigkeit vom Programmier-Verifizierbefehl zugegriffen wird, um den Inhalt des Speicherplatzes zu lesen und zu bestimmen, ob die Daten im Speicherplatz des Speichers programmiert sind; und
• (F) bei Feststellung fehlender Programmierung des Speicherplatzes die Schritte (A) bis (E) unter Steuerung durch die Steuerschaltung wiederholt werden, bis jeder der Speicherplätze zur Speicherung der Daten programmiert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher mit einer Vielzahl von Speicherplätzen verwendet wird und die Schritte (A) bis (E) für jede neue Adresse und alle empfangenen Daten solange wiederholt werden, bis alle Speicherplätze programmiert und verifiziert sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher vor der Eingabe des Programmier-Aufbaubefehls elektrisch gelöscht wird, wobei das elektrische Löschen des Speichers außerdem die Schritte enthält, daß

• (I) ein Lösch-Aufbaubefehl während eines vierten Schreibzyklus vor dem ersten Schreibzyklus über die Datenpins an die Steuerschaltung eingegeben wird;
• (II) ein Löschbefehl während eines fünften Schreibzyklus vor dem ersten Schreibzyklus über die Datenpins an die Steuerschaltung eingegeben wird;
• (III) die Speicherzellen während eines Löschzyklus dadurch gelöscht werden, daß von der Steuerschaltung zweite Steuersignale in Abhängigkeit vom Lösch-Aufbaubefehl und vom Löschbefehl zum Anlegen eines Löschimpulses an die Speicherzellen erzeugt werden, wobei der Löschimpuls eine vorgegebene Pulsbreite hat;
• (IV) ein Lösch-Verifizierbefehl während eines sechsten Schreibzyklus vor dem ersten Schreibzyklus in die Steuerschaltung geschrieben wird und eine Löschadresse zum Zugriff auf eine Anzahl von Speicherzellen (Speicherzellenmenge) erzeugt wird;
• (V) von der Steuerschaltung gesteuerte Verifizierspannungen (für die Speicherzellenmenge) in Abhängigkeit vom Lösch-Verifizierbefehl und der Löschadresse (1) erzeugt werden, um den Inhalt der Speicherzellenmenge zu lesen und zu bestimmen, ob jede Speicherzelle aus der Speicherzellenmenge gelöscht ist, wobei die Verifizierspannungen als auf vorgegebene Pegel eingestellte Referenzspannungen wirken;
• (VI) wenn eine Speicherzelle aus der Speicherzellenmenge nicht gelöscht ist, die Pulsbreite des Löschimpulses vergrößert wird und die Schritte (I) bis (V) wiederholt werden, bis alle Speicherzellen aus der Anzahl von Speicherzellen gelöscht sind;
• (VII) wenn jede Speicherzelle aus der Speicherzellenmenge gelöscht ist, die Schritte (IV) bis (V) wiederholt werden, bis jede der Speicherzellen gelöscht und verifiziert ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher beim elektrischen Löschen durch die Programmierung einiger der Speicherzellen derart vorkonditioniert wird, daß jede Speicherzelle in einem programmierten Zustand ist.