-
Die Erfindung betrifft elektrisch programmierbare Speicher in
Form integrierter Schaltungen, die allgemein unter der
Bezeichnung "EEPROM-Speicher" oder "EPROM-Speicher" bekannt
sind, wonach sie elektrisch löschbar sind oder nicht, oder
auch als "flash EPROM" bezeichnet werden, wenn sie in Blöcken
löschbar sind.
-
Um diese Speicher zu programmieren, ist es allgemein
erforderlich, in der integrierten Schaltung eine als "Programmier-
spannung" bezeichnete Spannung Vpp anzulegen, die deutlich
über der normalen Versorgungsspannung Vcc der Schaltung
liegt. Beispielsweise beträgt Vcc gewöhnlich 5 Volt und Vpp
15 Volt oder mehr.
-
Bei bestimmten Speichern wird die Programmierspannung Vpp
durch eine äußere Versorgung geliefert. Dies erfordert nun
aber eine besondere, zusätzliche Versorgungsklemme für die
integrierte Schaltung. Die zusätzlichen Klemmen erhöhen die
Kosten der integrierten Schaltungen in hohem Maße, und man
zieht es vor, diese zu vermeiden.
-
Daher hat man integrierte Speicher vorgeschlagen, bei denen
die Programmierspannung Vpp ausgehend von der normalen
Versorgungsspannung Vcc im Inneren der integrierten Schaltung
selbst erzeugt wird. Man verwendet dazu eine herkömmliche,
als Ladungspumpe oder Spannungserhöher bezeichnete Schaltung,
die Vcc empfängt und eine Spannung Vpp erzeugt, die höher als
Vcc ist.
-
Bei den Erhöhungsschaltungen werden auf einer ganz einfachen
Basis Schalter, zwei Kapazitäten und ein Takt mit zwei Phasen
zur Betätigung der Schalter verwendet. Bei einem ersten
Arbeitstakt lädt man die erste Kapazität auf 5 Volt auf, dann
entlädt man diese in die zweite. Dann beginnt von neuem ein
Zyklus: erster Arbeitstakt, Laden der ersten Kapazität auf 5
Volt, und zweiter Arbeitstakt, Entladen in die zweite (dieses
Mal ist die zweite bereits teilweise aufgeladen); die
Spannung an den Klemmen der zweiten Kapazität steigt dann an.
Wird dies so weitergeführt, so erhält man nach einigen
Taktimpulsen des 2 Phasen-Taktes an der zweiten Kapazität eine
Spannung, die doppelt so hoch wie Vcc ist. Mit zwei Stufen
multipliziert man die Spannung Vcc während einiger
Taktimpulse mit 4.
-
Die Ausgangsspannung der mehrstufigen Erhöhungsschaltung wird
durch einen Regler geregelt, wie er in Fig. 1 dargestellt
ist. Dieser Regler ist durch eine Kette von Transistoren
gebildet, die als Dioden geschaltet sind, um jeweils zwischen
dem Source-Anschluß und dem Drain-Anschluß des betreffenden
Transistors eine Spannung zu erzeugen, die gleich seiner
Schwellenspannung ist. Die Schwellenspannung variiert je nach
der verwendeten Technologie, und über die Anzahl von in Serie
geschalteten Transistoren ist es möglich, die geregelte
Spannung am Ausgang des Reglers festzulegen.
-
Beispielsweise bei einer in der Größenordnung von 1 Volt
liegenden Schwellenspannung der in Serie und als Dioden
geschalteten Transistoren sind 16 Transistoren erforderlich, um eine
geregelte Spannung Vpp in der Größenordnung von 16 Volt zu
erzeugen.
-
Eines der Probleme, die bei diesen Schaltungen zur Erzeugung
von Vpp im Inneren der integrierten Schaltung auftreten,
ergibt sich aus dem folgenden: Die Spannung am Ausgang des
Spannungserhöhers und an den Klemmen des Reglers nimmt zu
schnell zu: Bei einer Taktfreguenz im Megahertz-Bereich
werden nur einige Mikrosekunden, z.B. 20 Mikrosekunden benötigt,
damit die Spannung den Wert Vpp erreicht. Man hat nun
festgestellt, daß dann, wenn Vpp zu schnell ansteigt, die
Lebensdauer der Zellen des durch Vpp programmierten Speichers
beträchtlich herabgesetzt wird. Vpp wird nämlich nur zu dem
Zeitpunkt der Programmierung einer Zelle erzeugt, und die
Anstiegsflanke von Vpp wird im Verlauf der Programmierung
unmittelbar an die Speicherzelle angelegt. Die zu schnelle
Anstiegszeit von Vpp erzeugt elektrische Felder, die zu einer
Beschädigung des Oxids des Steuergates der den Speicher
bildenden Transistoren mit schwebendem Steuergate führen.
-
Um die Anstiegszeit herabzusetzen, verwendet man am Ausgang
des Reglers allgemein eine analoge Schaltungsanordnung, die
komplex und platzraubend, schwierig einzustellen und
gegenüber technologischen Parametern und der Temperatur
empfindlich ist. Diese Schaltungsanordnung erzeugt eine Spannung
Vpp, die gemäß einer Rampe ansteigt, deren Anstiegszeit in
der Größenordnung von 1 bis 2 Millisekunden liegt, was
wesentlich besser geeignet ist und es zuläßt, daß die
Lebensdauer der Zellen von 1000 Programmiervorgängen auf 100 000
Programmiervorgänge verlängert wird.
-
Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltung zu schaffen, die
wesentlich einfacher einsetzbar ist, um die Anstiegszeit von
Vpp zu begrenzen und damit die Lebensdauer der programmierten
Zellen zu erhöhen. Anstatt am Ausgang des Reglers eine
analoge Rampe zu bilden, steuert man auf digitale Weise den
Anstieg der durch den Regler selbst erzeugten Spannung mittels
eines digitalen Zählers, dessen Zählfrequenz so gewählt ist,
daß die geregelte Spannung mit der gewünschten Langsamkeit
zunimmt.
-
Hierzu wird ein elektrisch löschbarer Speicher mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
-
Der Regler enthält vorzugsweise eine Gruppe von in Serie
geschalteten Transistoren, wobei das digitale Steuermittel
aufeinanderfolgend einen, dann zwei, dann drei, usw.,
Transistoren des Reglers unter der Steuerung eines Zählers in Serie
schaltet, der von einem Takt angesteuert ist, so daß die
Spannung an den Klemmen der Serienschaltung im Rhythmus des
Taktes zunehmend erhöht wird.
-
Die Transistoren sind als Dioden geschaltet und erzeugen
zwischen Source und Drain eine Spannung, die gleich ihrer
Schwellenspannung ist; das digitale Steuermittel enthält
vorzugsweise einen Zähler, der nacheinander an jedem seiner
Ausgänge einen vorgegebenen Logikzustand erzeugen kann, und von
den Ausgängen des Zählers gesteuerte Schalter, um die
Transistoren anfänglich kurzzuschließen und dann nach Maßgabe der
Zählung fortschreitend an einem nach dem anderen den
Kurzschluß zu entfernen. Es ist auch möglich, daß der Zähler die
Transistoren selbst unmittelbar ansteuert, um diese zunächst
in einen Zustand zu versetzen, in dem sie vollständig leitend
sind, und dann in einen Zustand zu versetzen, in dem sie eine
Schwellenspannung zwischen Source und Drain (Diodenschaltung)
erzeugen.
-
Die Transistoren sind vorzugsweise jeweils in einer
getrennten diffundierten Wanne in einem Halbleitersubstrat gebildet.
-
Der Zähler ist eine Schaltung mit k Ausgängen, die mit jedem
Takt an einem neuen Ausgang einen vorbestimmten Logikpegel
erzeugt, wobei jedesmal der am vorangehenden Ausgang erzeugte
Pegel beibehalten wird. Der Zähler kehrt am Ende der
Aktivierung der k Ausgänge nicht nach Null zurück: Die aktivierten
Pegel, die dazu dienen, den Kurzschluß an den Transistoren zu
entfernen, bleiben solange aktiviert, wie die
Programmierspannung Vpp weiter vorliegen muß.
-
Der Regler enthält vorzugsweise noch einen zusätzlichen
Transistor vom gegenüber den anderen entgegengesetzten Typ,
dessen Steuergate mit dessen Drain verbunden ist.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden detaillierten Beschreibung, in der auf die
Zeichnung Bezug genommen wird; in dieser zeigt:
-
- Fig. 1 ein Blockschema einer herkömmlichen Schaltung zum
Erzeugen der Programmierspannung Vpp;
-
- Fig. 2 ein detaillierteres Schema der Schaltung der
Figur 1;
-
- Fig. 3 eine Ausführungsform der Erfindung;
-
- Fig. 4 ein Zeitdiagramm von der Schaltung der Fig. 3
entsprechenden elektrischen Signalen.
-
Mit der Fig. 1 wird nochmals an das Prinzip einer Schaltung
zur Erzeugung der Spannung Vpp bei einem herkömmlichen
elektrisch programmierbaren Speicher erinnert.
-
Die Schaltung enthält zunächst eine "Ladungspumpe" CP, bei
der es sich um eine Spannungserhöhungsschaltung handelt, die
einerseits die normale Versorgungsspannung Vcc (im
allgemeinen 5 Volt) und andererseits ein Taktsignal H empfängt und
eine zusätzlich erhöhte Spannung HIV liefert, die einem
Spannungsregler REG zugeführt wird. Die Ladungspumpe CP wird nur
zu dem Zeitpunkt aktiviert, bei dem in dem programmierbaren
Speicher ein Schreibvorgang durchgeführt werden soll. Es kann
z.B. vorgesehen sein, daß ein Schreib-Steuersignal W dem
Ladungsspeicher CP zugeführt wird, um die Erzeugung einer
Spannung HIV zu veranlassen.
-
Der Spannungsregler REG besitzt die Funktion, die Spannung
HIV auf einen vorbestimmten Wert, z.B. 16 Volt, zu begrenzen.
-
Am Ausgang des Reglers erhält man im Zeitpunkt der
Aktivierung des Lesesignals W eine mit einer hinreichend steilen
Anstiegsflanke (z.B. 20 Mikrosekunden) bis zu dem durch den
Regler bestimmten Wert HIV ansteigende Spannung. Es ist
nämlich ein Takt mit einer sehr hohen Taktzahl (z.B. ein
Megahertz oder mehr) vorgesehen, und es sind nur einige
Taktzyklen erforderlich, um zu erreichen, daß die Ladungspumpe
ein Potential von z.B. 16 Volt liefert.
-
Da man festgestellt hat, daß diese äußerst große Spannungs-
Anstiegsgeschwindigkeit die Lebensdauer der Zellen
verringert, die mittels der auf diese Weise erhaltenen Spannung HIV
programmiert sind, sieht man am Ausgang des Reglers eine
Analogschaltung
RMP vor, deren Funktion darin besteht, eine
progressiver ansteigende Rampe der Programmierspannung zu
erzeugen. Diese Schaltung RMP erhält die Spannung HIV und liefert
eine Spannung in der Form einer von 0 bis zu einem Wert Vpp
(der gleich dem Wert HIV sein kann) ansteigenden Flanke,
deren Steilheit etwa 1 bis 2 Millisekunden beträgt, um von 0
bis zu Vpp zu gelangen. Dieser Wert von 1 bis 2 Millisekunden
stellt einen Kompromiß zwischen dem Erfordernis, die Zellen
nicht zu beschädigen, und dem Erfordernis dar, die Dauer der
Programmiervorgänge zu begrenzen.
-
Die bei der herkömmlichen Technik verwendeten Schaltungen RMP
sind komplex (typischerweise mehrere zehn Transistoren) und
platzraubend (sie verwenden Kapazitäten), und sie sind in
hohem Maße von Parametern der technologischen Herstellung und
der Temperatur abhängig.
-
Fig. 2 zeigt in detaillierterer Form bestimmte Elemente der
Fig. 1; sie stellt symbolisch und zur Illustration
insbesondere die Art und Weise dar, auf die eine Ladungspumpe CP mit
einer einzigen Stufe verwirklicht werden kann; sie zeigt im
einzelnen auch den Regler REG.
-
Der Regler enthält im wesentlichen eine Gruppe von k in Serie
geschalteten Transistoren, die jeweils als Diode geschaltet
sind, wobei deren Steuergate mit deren Drain verbunden ist,
so daß sich zwischen Drain und Source eines jeden Transistors
eine Spannung einstellt, die gleich der Schwellenspannung des
jeweiligen Transistors ist; an den Klemmen der
Serienschaltung von k Transistoren stellt sich somit, sobald die
Spannung an den Klemmen dieser Schaltung diese in den
Sättigungsbereich versetzt, eine Spannung ein, die gleich der Summe der
Schwellenspannungen aller Transistoren, d.h. gleich k mal der
Schwellenspannung der Transistoren ist, wenn diese alle
dieselbe Schwellenspannung Vtp besitzen.
-
Beim dargestellten Beispiel enthält die Serienschaltung k P-
Kanal-Transistoren bei einer Verwirklichung auf einem
Substrat
P, wobei jeder Transistor in einer von den anderen
getrennten Wanne verwirklicht ist, um eine stabilere
Schwellenspannung zu erhalten (Unterdrückung des sich auf die
Schwellenspannung auswirkenden sogenannten "Substrat"-Effekts) . Der
Regler enthält darüber hinaus vorzugsweise einen zusätzlichen
Transistor vom N-Kanal-Typ, der mit der Gruppe der
P-Transistoren in Serie geschaltet und unmittelbar auf dem Substrat
verwirklicht ist. Ein Ende der Serienschaltung der
P-Transistoren ist mit dem Massepotential Vss verbunden. Das andere
Ende ist mit dem Source-Anschluß des Transistors N verbunden;
an dessen Drain-Anschluß liegt die Ausgangsspannung HIV der
Ladungspumpe.
-
Der N-Transistor ist selbst wiederum als Diode geschaltet,
wobei sein Steuergate mit seinem Drain-Anschluß verbunden
ist. Er spielt nur eine untergeordnete Rolle und kann auch
weggelassen werden, ohne dadurch am Prinzip der Erfindung
etwas zu ändern.
-
Der Regler, der somit aus einer Gruppe von zwischen der
Spannung HIV und Masse Vss in Serie geschalteten Transistoren
gebildet ist, begrenzt die Spannung HIV auf einen Wert Vtn +
kVtp. Die Anzahl k von erforderlichen Transistoren wird
entsprechend dem gewünschten Spannungswert Vpp und entsprechend
dem Wert der Schwellenspannungen der P- und N-Transistoren
gewählt.
-
Gegebenenfalls können k P-Transistoren und k' N-Transistoren
vorgesehen sein. Man würde jedoch eine weniger gute
Stabilität der geregelten Spannung erhalten.
-
Bei einem zahlenmäßigen Beispiel liegt die Schwellenspannung
Vtp in der Größenordnung von 1 Volt, und die
Schwellenspannung Vtn liegt ebenfalls in der Größenordnung von 1 Volt
(Transistor der natürlichen Art mit Substrateffekt). Etwa
fünfzehn P-Transistoren sind erforderlich, um eine Spannung
Vpp von etwa fünfzehn Volt zu erhalten.
-
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsschema einer erfindungsgemäßen
Schaltung zum Erzeugen von Vpp.
-
Diese Schaltung besitzt den Vorteil, daß genau die gleiche
Ladungspumpe und der gleiche Regler wie bei der herkömmlichen
Technik verwendet werden. Sie sieht jedoch keine
Rampenschaltung RMP mehr vor, um eine Spannung HIV mit steiler
Anstiegsflanke in eine Spannung Vpp mit einer abgeschwächteren Flanke
umzuwandeln. Die gewünschte Spannung Vpp mit abgeschwächter
Anstiegsflanke erhält man unmittelbar am Ausgang der
Ladungspumpe und des Reglers.
-
Dazu verwendet man eine durch einen Zähler CT vermittelte
digitale Steuerung, um den Regler anzusteuern und diesen zu
veranlassen, eine variable Regelspannung entsprechend einer
gewünschten Kontur zu liefern.
-
Das einfachste Beispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Bei ihm
wird genau das gleiche Reglerschema wie bei dem im
Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Beispiel verwendet; es sieht
ebenfalls einen Zähler CT mit k Ausgängen S1, S2, S3 ... Sk
vor. Der Zähler ist durch einen Takt H1 angesteuert, bei dem
es sich allgemein um einen Takt handeln wird, der ausgehend
von dem Takt H der Ladungspumpe durch Frequenzteilung
erhalten wird.
-
Die Ausgänge des Zählers steuern die Schalter I1, I2 ... Ik
an, die in der Lage sind, jeden der Transistoren der
Serienschaltung von k Transistoren des Reglers kurzzuschließen oder
von einem Kurzschluß zu befreien.
-
Damit gestattet es der Ausgang S1, den am nächsten bei Vpp
liegenden P-Transistor kurzzuschließen, der Ausgang S2, den
folgenden kurzzuschließen, usw., und der Ausgang Sk gestattet
es, den mit Masse verbundenen P-Transistor kurzzuschließen.
Die an den Ausgängen S1, S2 ... vorhandenen Logikpegel liegen
zwischen 0 Volt und der Oberspannung Vpp, wobei der Zähler in
entsprechender Weise von der erzeugten Spannung Vpp versorgt
wird.
-
Der Zähler wird mit dem Befehl zur Erzeugung einer Spannung
Vpp in Gang gesetzt, der z.B. von dem Signal W geliefert
wird, das auch die Ladungspumpe in Gang setzt. Am Anfang
weisen alle Ausgänge des Zählers einen solchen logischen Zustand
auf, daß sie alle Transistoren kurzschließen. Beim
dargestellten Beispiel sind die durch die Ausgänge des Zähers
angesteuerten Schalter N-Kanal-Transistoren, und sie werden
durch eine Spannung hohen Pegels an ihrem Steuergate
kurzgeschlossen. Es sei daher angenommen, daß die Ausgänge des
Zählers zu Beginn alle einen hohen logischen Zustand liefern.
-
Das Signal W autorisiert dann das Zählen durch den Zähler.
Der Zähler ist kein Binärzähler (oder, wenn er dies ist, so
folgt auf ihn ein Dekoder); er erzeugt mit dem ersten
Taktimpuls an dem Ausgang S1 einen Zustand niedrigen Pegels, dann,
mit dem zweiten Taktimpuls, einen Zustand niedrigen Pegels an
dem Ausgang S2, ohne den Zustand niedrigen Pegels von S1 zu
verändern, und so weiter, und er erzeugt einen Zustand
niedrigen Pegels an jedem der aufeinanderfolgenden Ausgänge bis
Sk, wobei jedes Mal der vorhergehende Ausgang in dem Zustand
verbleibt, in den er diesen beim vorhergehenden Taktimpuls
versetzt hat. Nach sechzehn Taktimpulsen, bei einem Beispiel
mit sechzehn P-Transistoren, sind alle Ausgänge in den
Zustand niedrigen Pegels übergegangen und alle Transistoren des
Reglers vom Kurzschluß befreit, um zu dem Reglerzustand gemäß
Fig. 2 zu gelangen.
-
Wenn der letzte Ausgang Sk in den Zustand niedrigen Pegels
übergeht, blockiert er das Zählen (z.B. durch ein Blockieren
des Taktes H1), so daß der Regler in diesem Zustand bis zum
Ende des Befehls zur Erzeugung von Vpp verbleibt, oder, in
der Praxis, auch bis zu einem neuen Befehl zur Erzeugung von
Vpp (neues Schreibsignal W).
-
Daraus folgt, daß der Regler selbst dann, wenn die
Ladungspumpe sehr rasch eine höhere Spannung erzeugt, diese Spannung
auf einen Wert begrenzt, der zunächst Vtn (Schwellenspannung
des Transistors N der Serienschaltung) sein wird, dann
Vtn+Vtp, dann Vtn+2Vtp, usw., bis zu Vtn+kVtp, d.h. bis zur
gewünschten Entspannung Vpp.
-
Die so durch den Regler mit variabler Schwelle begrenzte
Spannung Vpp steigt treppenförmig im Rhythmus des Taktes H1
an (so daß sie auf einfache Weise genau steuerbar und durch
Frequenzteilung des Taktes H der Ladungspumpe herstellbar
ist).
-
Fig. 4 zeigt diesen begrenzten Spannungsanstieg des Reglers
(und damit den Anstieg von Vpp) in Verbindung mit der
Änderung des logischen Zustandes der aufeinanderfolgenden
Ausgänge S1 bis Sk des Zählers CT.
-
Bei einem zahlenmäßigen Beispiel, das durch jenes veranlaßt
ist, wie es in herkömmlicher Technik verwendet wurde, ist
z.B. ein N-Kanal-Transistor mit 16 P-Kanal-Transistoren in
Serie geschaltet, wobei die Schwellenspannungen etwa 1 Volt
betragen. In diesem Fall besitzt der Zähler 16 Ausgänge, und
man benötigt einen Takt H1 von 10 Kilohertz, um eine Spannung
zu erhalten, die von 0 Volt in etwas weniger als ungefähr 2
Millisekunden auf 16 oder 17 Volt übergeht. Noch allgemeiner
ausgedrückt wird man einen Takt der Frequenz k/Tm verwenden,
um mit einem Zähler mit k Ausgängen und einem Regler, der k
mögliche begrenzte Spannungen aufweist, eine Anstiegszeit Tm
zu erhalten. Die Frequenz kann für eine Anstiegszeit von 1
bis 2 Millisekunden zwischen k/2 und k Kilohertz liegen.
-
Versuche zeigen, daß die Stufen der Spannung Vpp nicht sehr
störend sind; einerseits liegen sie nur während der
übergangsphase eines Anstiegs von Vpp vor; andererseits werden
diese Stufen durch die zahlreichen parasitären Kapazitäten
und Widerstände der Schaltungen, die mit Vpp zu versorgen
sind, sehr stark abgeschwächt.