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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
irreversiblen Verriegelung des Zugriffs zu einem integrierten
Schaltkreis, die in sämtlichen Gebieten verwendbar ist, wo
es zu einem gegebenen Zeitpunkt erforderlich ist, auf
irreversible Weise den Zugriff zu bestimmten Bereichen oder
Funktionen des integrierten Schaltkreises zu untersagen.
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Diese Vorrichtung ist besonders wichtig, um beim Herausgehen
aus der Fertigung die Zugänglichkeit eines integrierten
Schaltkreises nach Tests zu begrenzen. Nach der Fertigung
muß nämlich ein integrierter Schaltkreis mit einer Abdeckung
getestet werden, nach deren Verbesserung ständig getrachtet
wird. Es ist insbesondere erforderlich, daß die interne
Zugänglichkeit des integrierten Schaltkreises während des
Tests maximal ist. Diese Zugänglichkeit muß dann jedoch
beschränkt werden, denn ein Benutzer des Schaltkreises soll
nach diesen Tests lediglich Zugriff zu einer sogenannten
Anwendungsebene haben. Es müssen somit bestimmte Zugriffswege
untersagt werden.
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Im übrigen soll ein Anwender eines programmierbaren
integrierten Schaltkreises diesen integrierten Schaltkreis durch
Programmierung einer Anwendung an seine Wünsche anpassen
können. Es kann nun besonders wichtig sein, die
Modifikationen oder sogar das externe Lesen von in bestimmten
Speicherbereichen enthaltenen Informationen zu untersagen. Es kann
ebenso bedeutsam sein, sich gegen eventuelle äußere
Störungen
zu sichern, die die Speicherzonen beeinträchtigen
könnten. Verriegelungsvorrichtungen gestatten derartige
Schutzmaßnahmen. Diese Vorrichtungen sind beispielsweise in
gesicherten integrierten Schaltkreisen, wie den
Schaltkreisen der Monetärerzeugnisse, erforderlich.
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Im Stand der Technik befinden sich diese
Verriegelungsvorrichtungen beim Herausgehen aus der Fertigung in einem nicht
verriegelten Zustand und sind zu geschlossenen Schaltern
äquivalent. Diese Vorrichtungen sind einmal auf irreversible
Weise programmierbar. Einmal nach den Tests programmiert,
sind sie zu offenen Schaltern äquivalent. Diese
Vorrichtungen sind sogar mit dem Schaltkreis integriert, damit es
keine Möglichkeit gibt, sie aufs neue kurzzuschließen. Ihre
Zustände sind in den logischen Gleichungen für den Zugriff
zu Speicherbereichen oder Funktionen berücksichtigt, die sie
kontrollieren. Es ist aus dem Dokument WO-A-88/00372 eine
Verriegelungsvorrichtung bekannt, die einen Steuerkreis für
Zellen umfaßt, um diese nichtlöschbar zu machen.
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Es sind ebenfalls Verriegelungsvorrichtungen mit
programmierbaren Sicherungen bekannt. Jede Sicherung, die
beispielsweise durch eine sehr feine Schicht aus
polykristallinem Silicium ausgeführt ist, wird durch einen Transistor
stromversorgt. Wenn während einer bestimmten Zeit ein Strom
fließt, erfolgt eine lokale Erwärmung, die durch den sehr
feinen Querschnitt der Sicherung hervorgerufen wird. Diese
Erwärmung reicht aus, um das Metall zu verdampfen: Die
Sicherung wird als durchgebrannt bezeichnet. Es kommt in der
Tat vor, daß die Sicherung nicht durchbrennt. In der Praxis
ist also eine Vorrichtung mit Sicherungen nicht sehr
zuverlässig.
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Die Erfindung hat daher das Ziel, eine
Verriegelungsvorrichtung auszuführen, die diesen Nachteil nicht aufweist. Sie
macht von bekannten Merkmalen der EEPROM-Zellen Gebrauch, an
die erinnert werden muß.
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Eine EEPROM-Zelle ist eine elektrisch löschbare und
programmierbare Zelle. Sie umfaßt einen Transistor mit schwebendem
Gate. Das zwischen einem Steuergate des Transistors und
einer Kanal-Zone des Transistors mit Leitfähigkeit angeordnete
schwebende Gate kann elektrische Ladungen aufnehmen. Diese
Ladungen können einen leitenden Zustand des Transistors
unabhängig von einem auf das Steuergate gegebenen Befehl
aufprägen. In einer EEPROM-Zelle werden die elektrischen
Ladungen durch Anwendung eines beträchtlichen elektrischen Feldes
in das schwebende Gate injiziert. Eine solche Zelle weist
die Besonderheit auf, daß sie eine Schwellwertspannung Null
beim Herausgehen aus der Fertigung aufweist. Sie ist
jungfräulich. Man erinnert sich, daß die Schwellwertspannung die
im Absolutwert minimale Spannung ist, die auf das Steuergate
gegeben werden muß, damit sich in der Kanal-Zone ein Kanal
mit Leitfähigkeit ausbildet. Eine EEPROM-Zelle mit Kanal vom
N-Typ hat eine positive Schwellwertspannung in der Größe von
5 Volt, wenn die Zelle gelöscht ist. Wenn die Zelle
programmiert ist, ist ihre Schwellwertspannung in der Größe von -2
Volt negativ.
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Die Lesekreise der Speicherzellen umfassen einen
Auswahlkreis, der einen Steuerimpuls auf das Steuergate der
Transistoren der Speicherzellen jeder Zeile gibt. Für einen
herkömmlichen Gate-Spannungswert in der Größe von 1,5 Volt
leitet die beschriebene EEPROM-Zelle Strom, wenn sie
programmiert ist, denn es wird an sie eine Gatespannung angelegt,
die größer als ihre Schwellwertspannung ist. Die EEPROM-
Zelle leitet Strom nicht, wenn sie gelöscht ist.
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Bei der Erfindung wird die Tatsache vorteilhaft genutzt, daß
die EEPROM-Zelle, wenn sie jungfräulich ist, sich so
verhält, als ob sie programmiert wäre. Gemäß der Erfindung
richtet man sich auch darauf ein, die Programmierung der
EEPROM-Zelle zu untersagen. Unter diesen Bedingungen leitet
sie nur Strom, wenn sie jungfräulich ist. Sowie sie einmal
gelöscht worden ist, leitet sie nicht mehr. Wenn sie nicht
mehr programmiert werden kann, bleibt sie in diesem Zustand:
Man hat die gesuchte Verriegelungsvorrichtung.
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Ziel der Erfindung ist daher eine Vorrichtung zur
Verriegelung des Zugriffs insgesamt oder teilweise zu einem
integrierten Schaltkreis, der eine nie programmierbare EEPROM-
Zelle mit einer Vorrichtung zur Verriegelung des Zugriffs
insgesamt oder teilweise zu einem integrierten Schaltkreis
umfaßt, wobei die nie programmierbare EEPROM-Zelle einen
Transistor mit schwebendem Gate umfaßt, der mit einem
Spannungsbegrenzer an seiner Drain-Zone und/oder seiner Source-
Zone versehen ist.
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Die Merkmale einer EEPROM-Zelle gemäß der Erfindung sind in
der Beschreibung gegeben, die folgt und die unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen ausgeführt ist. Diese
Beschreibung und die Figuren sind lediglich zu Beispielzwecken
und keinesfalls als die Erfindung einschränkend ausgeführt.
In den Figuren:
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Figur 1 zeigt ein Beispiel einer
Verriegelungsvorrichtung, die mit einer EEPROM-Zelle gemäß der
Erfindung versehen ist,
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Figur 2.a zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild einer
EEPROM-Zelle gemäß der Erfindung,
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Figur 2.b ist eine schematische Schnittansicht einer Zelle
gemäß Figur 2.a.
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Figur 1 zeigt eine Verriegelungsvorrichtung gemäß der
Erfindung. Eine EEPROM-Zelle 1 weist eine mit Masse verbundene
Source-Zone 4 auf. Eine Drain-Zone 3 wird durch einen
Polarisationsstromgenerator versorgt, der durch einen
Auswahlkreis der Zelle gesteuert ist. Bei einer dualen Technologie
werden die entsprechenden Rollen der Source- und Drain-Zonen
umgekehrt. Es wird eine durch einen nicht dargestellten
Auswahlkreis gesteuerte Lesespannung V1 auf das Steuergate 2
der EEPROM-Zelle gegeben. Die Zelle wird beispielsweise
durch die Dekodierung einer Basisadresse einer Speicherzone
ausgewählt, die sie schützt. Nun wird eine Lesespannung in
der Größe von 1,5 Volt auf das Gate 2 gegeben. Vor der
Auswahl wird eine Bitleitung 30, mit der die Zelle verbunden
ist, durch einen Generator 31 mit einer Spannung in der
Größe von 5 Volt versorgt. Ein Lesekreis 20 (in der
angelsächsischen Literatur: sense), der auf eine
Schwellwertspannung einschließlich zwischen 0 und 5 Volt ausgerichtet
ist, allgemein wird der Mittelwert 2,5 Volt genommen, erfaßt
eine "1", wenn die Zelle jungfräulich ist, und eine "0",
wenn die Zelle gelöscht ist. Wenn die Zelle jungfräulich
ist, ist ihre Schwellwertspannung nämlich gleich 0 Volt. Sie
verhält sich im Zeitpunkt der Auswahl wie ein geschlossener
Schaltkreis. Unter diesen Bedingungen fällt die Spannung auf
der Bitleitung 30 ab. Dieser Abfall wird im Kreis 20 erfaßt.
Wenn die Zelle 1 hingegen gelöscht worden ist, verhält sie
sich wie ein offener Schaltkreis, was auch der angelegte
Befehl zeigt. Es gibt nun keinen erfaßten Spannungsabfall
mehr. Diese Information am Ausgang des Detektors 20 gibt die
Dekodierung der Speicherzone frei oder nicht.
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Man kann so einen nicht programmierbaren Speicherblock
EEPROM in einem integrierten Schaltkreis haben, wobei jede
Zelle eine spezielle Funktion verriegelt.
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Die Figuren 2.a und 2.b zeigen eine nie programmierbare
EEPROM-Zelle gemäß der Erfindung. Die EEPROM-Zelle 1 wird
auf ihrem Steuergate 2 durch eine Spannung V1 gesteuert.
Zwischen der Drain-Zone 3 und Masse ist ein
Spannungsbegrenzer
5 vorhanden, der die Spannung zwischen dem Drain und
Masse auf 5 Volt begrenzt. Zwischen der Source-Zone 4 und
Masse ist ein weiterer Spannungsbegrenzer 6 vorhanden, der
dieselbe Rolle spielt. In Figur 2.b sind die Drain-Zone 3
und die Source-Zone 4 Bereiche mit Dotierung von einem
gegebenen Typ, beispielsweise N, in einem Substrat vom
entgegengesetzten Typ, beispielsweise P. Der Spannungsbegrenzer 5
bzw. 6 ist eine Zener-Diode, die vorzugsweise (Figur 2.b)
ausgeführt ist, indem die Drain-Zone 3 bzw. Source-Zone 4
mit einer Zone mit entgegengesetzter Dotierung 7 bzw. 8
außerhalb der Kanal-Zone 9 verbunden wird. Die Zonen mit
entgegengesetzter Dotierung 7 und 8 sind mit Masse
verbunden. Die Zonen 7 und 8 haben eine Dotierung vom selben Typ
wie diejenige des Substrats L. Wenn die Zelle in einer Hülle
ausgeführt ist, sind die Zonen 7 und 8 mit einem selben Typ
von Verunreinigungen wie diejenige der Hülle dotiert, in der
die Zelle ausgeführt ist. Es ist außerdem erforderlich, daß
die Zonen stärker als das Substrat oder ggfs. die Hülle
dotiert sind.
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Im Beispiel von Figur 2b sind die Zonen 7 und 8 P-dotiert.
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Um die umgesetzten physikalischen Phänomene zu erläutern,
sei an die Lösch- und Programmierprinzipien einer EEPROM-
Zelle erinnert.
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Es sei beispielsweise eine EEPROM-Zelle mit Kanal-Zone vom
N-Typ genommen. Diese Zelle 1 wird gelöscht, indem ihr
Steuergate 2 auf ein sehr positives Potential in der Größe
von 15 Volt und dann ihre Drain-Zone 3 auf Masse gesetzt
wird: Elektronen werden unter dem schwebenden Gate 10 unter
der Wirkung eines elektrischen Feldes eingefangen, das auf
diese Weise erzeugt werden kann. Sie induzieren eine
Potentialbarriere, die sich der Bildung eines leitenden Kanals in
der Kanal-Zone 9 entgegensetzt: Die Schwellwertspannung der
Zelle wird erhöht. Die Schwellwertspannung nimmt gewöhnlich
einen Wert in der Größe von 5 Volt an.
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Die Programmierung einer gelöschten EEPROM-Zelle besteht
darin, die Elektronen des schwebenden Gates 10 austreten zu
lassen. Hierfür wird das Steuergate auf Masse und die Drain-
Zone auf ein sehr positives Potential in der Größe von 15
Volt und größer gebracht. Die im schwebenden Gate
eingefangenen Elektroden werden nun abgezogen. Die
Schwellwertspannung der Zelle wird verringert. Die Schwellwertspannung
nimmt gewöhnlich einen Wert in der Größe von -2 Volt an. Der
Grund für diese negative Schwellwertspannung rührt von der
Tatsache her, daß die Programmieroperation während einer
Zeitdauer beibehalten wird, die größer als diejenige ist,
die erforderlich ist, damit lediglich die vorher
eingefangenen Elektronen zum Austreten gebracht werden, um sicher zu
sein, daß die Zelle gut programmiert worden ist. Indem dies
ausgeführt wird, wird ebenso bewirkt, daß die freien
Elektronen das schwebende Gate verlassen, die zur elektrischen
Neutralität des Materials des schwebenden Gates beitragen.
Auf diese Weise werden gewissermaßen Löcher importiert.
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In der Tat ist die Potentialdifferenz wichtig, die die
Richtung des elektrischen Feldes und damit der Bewegung der
Elektronen vorgibt. Für die Programmierung könnte man so das
Steuergate auf ein sehr negatives Potential und die Drain-
Zone auf Masse setzen: Die Potentialdifferenz wäre
unverändert. Aber in der Praxis ist es nicht möglich, das
Steuergate auf ein negatives Potential zu setzen, denn die
Befehlslogik der Zellen, die mit dem integrierten Schaltkreis
verknüpft ist, wird sich dem stets entgegensetzen.
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In bestimmten Fällen kann die Zelle auf dieselbe Weise
gelöscht und programmiert werden, indem die Source-Zone 4
anstelle der Drain-Zone 3 verwendet wird, da zwischen diesen
beiden Zonen nicht unterschieden wird. Aus diesem Grunde
wird bei der Erfindung ein Spannungsbegrenzer an jeder
Source- und Drain-Zone angeordnet.
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Es muß außerdem festgestellt werden, daß es möglich ist, die
Zelle zu programmieren, indem sie einer
Ultraviolettstrahlung ausgesetzt wird. Dies ist nur möglich, wenn das
schwebende Gate nicht durch eine optische Maske geschützt ist.
Diese optische Maske kann beispielsweise in der Form eines
Metallbelages 12 ausgeführt sein, der auf dem integrierten
Schaltkreis angeordnet ist.
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Wenn ein Spannungsbegrenzer 5 bzw. 6 auf der Drain-Zone 3
bzw. Source-Zone 4 angeordnet wird, wird die elektrische
Programmierung verhindert, denn es kann ein sehr positives
Potential nicht mehr an diese Zonen angelegt werden und es
ist nicht möglich, ein sehr negatives Potential auf das
Steuergate zu bringen, wie weiter oben ersichtlich war. Wenn
außerdem ein Metallbelag 12 auf das Steuergate gebracht
wird, wird die Programmierung durch Ultraviolettstrahlung
verhindert: Man hat eine nie programmierbare EEPROM-Zelle.
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Die gerade ausgeführte Beschreibung und Beurteilung für eine
EEPROM-Zelle mit Kanal-Zone vom N-Typ kann auf dieselbe
Weise auf eine EEPROM-Zelle mit Kanal-Zone vom P-Typ
angewendet werden, indem die Polaritäten und der Ladungstyp
umgekehrt werden.
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Der Spannungsbegrenzer 5 bzw. 6 ist beispielsweise als
Zener-Diode ausgeführt, wie bereits weiter oben ersichtlich
war, indem mit der Drain-Zone 3 bzw. Source-Zone 4 eine Zone
mit entgegensetzter Dotierung 7 bzw. 8 außerhalb der Kanal-
Zone 9 verbunden wird. Die Zonen mit entgegengesetzter
Dotierung 7 und 8 sind mit Masse verbunden. Es wird ein
umgekehrt polarisierter Zonenübergang PN erhalten, von dem
gezeigt werden kann, daß er eine Zener-Diode ist,
gekennzeichnet durch eine Zener-Spannung, die einen Wert
einschließlich
zwischen 5 und 6 Volt aufweist. Für die
praktische Ausführung der Zener-Dioden kann bei der
Dotierungsimplantation eine leichte Überdeckung der später
dotierten Zone (7 oder 8) in der vorher dotierten benachbarten
Zone (3 oder 4) mit einem entgegengesetzten Typ zugelassen
werden.