DE69012017T2

DE69012017T2 - Löschverfahren für Speicherzellen, Ausführungsvorrichtung hierfür und seine Anwendung in einer stromlosen Speichervorrichtung.

Info

Publication number: DE69012017T2
Application number: DE69012017T
Authority: DE
Inventors: Gerard Binguy; Augustin Farrugia
Original assignee: Gemplus Card International SA
Current assignee: Gemplus SA
Priority date: 1989-06-06
Filing date: 1990-06-06
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: EP0409672B1; EP0409672A1; JPH0395798A; JP2641147B2; FR2647941B1; FR2647941A1; US5138580A; ES2063306T3; DE69012017D1

Description

Die Erfindung betrifft integrierte Speicherschaltungen, genauer programmierbare und elektrisch löschbare Speicher (EEPROM) und hier insbesondere den Löschvorgang.
Ein programmierbarer und elektrisch löschbarer EEPROM ist ein "toter" Speicher, der selbst ohne Versorgungsspannung die in ihm gespeicherte Information erhält. Ein solcher Speicher kann auch byteweise, z.B. durch einen elektrischen Impuls, gelöscht werden. Die Ausdrücke "Programmieren" und "Löschen" werden im Folgenden mit der im Zusammenhang mit EPROMS üblichen Bedeutung verwendet.
Wie weiter unten noch erklärt werden wird, wird das Beschreiben und elektrische Löschen durch ein Ansaugen der Ladungen aus dem Substrat und deren Speicherung in einem Gate ohne festes Potential, bzw. durch die Rückbewegung dieser selben Ladungen in das Substrat unter Ausnutzung des Tunneleffekts bewerkstelligt. Diese Vorgänge sind aber, wie hinten noch genauer ausgeführt wird, nicht beliebig oft wiederholbar. Nach einer bestimmten Anzahl von Schreib- und Lesezyklen verschlechtern sich die physikalischen Eigenschaften der Speicherzelle, also der Elementarspeichereinheit, dergestalt, daß ein einwandfreies Funktionieren der Schreib- und Lesevorgänge nicht mehr gewährleistet werden kann.
Bisher wurden solche Fehler in EEPROM - Anwendungen mit hoher Auffrischhäufigkeit nach einer sehr variablen und statistisch unbestimmbaren Anzahl von Benutzungen festgestellt. Wenn ein solches Problem entsteht, vor allem in der laufenden Anwendung, kann großer Schaden daraus resultieren. Um das Übereinstimmen der veränderten Informationen nach einem Schreib- oder Löschzyklus zu überprüfen, muß die Anwendung systematisch ein Auslesen durchführen. Wenn das Wiederauslesen nach einem Schreibvorgang einen Fehler aufdeckt, veranlaßt man ein Wiedereinschreiben der veränderten Information, bis schließlich das Auslesen keine Fehler mehr aufzeigt. Es ist bekannt, den Schreibzyklus bestimmt oft zu wiederholen. Die Anzahl der Wiederholungen hängt von der Technologie des Speichers ab. Ein gleiches Problem besteht beim Löschen: Das Löschen muß ebenfalls wiederholt werden. Hier jedoch erhöht sich die Anzahl der notwendigen Wiederholungen mit der Zeit und der Benutzung des Speichers.
Um stets geeignete Betriebsbedingungen zu erlangen, könnte man sich vorstellen, mit einem Zähler die Zahl der Lösch/Schreibzyklen zu zählen und eine Überprüfung einzurichten, die das Bauteil für unbrauchbar erklärt, sobald diese Zahl einen Schwellenwert, d.h. eine vorher bestimmte kritische Anzahl von Löschzyklen, übersteigt, die in diesem Fall so niedrig sein müßte, daß jedes Ausfallrisiko vermieden wird. Allerdings finden diese Speichertypen meist in nicht stromversorgtem Umfeld Anwendungen, wie z.B. Chipkarten, tragbare Geräte, Konfigurationspuffer ..., man müßte den Zähler auf dem EEPROM selbst integrieren, und der Zähler wäre dann mehr beansprucht, als das was er zählt. Dieser in der gleichen Technologie wie die Speicherzellen realisierte Zähler ist natürlich den gleichen Fehlermechanismen unterworfen.
Darüber hinaus ist es unmöglich, die kritische Zyklenzahl, nach der ein EEPROM defekt ist, im vornhinein zu bestimmen: sie ist veränderlich je nach Fabrikationstechnologie, verschieden von einem Produkt zum anderen innerhalb einer Technologie, von einem Bauteil zum anderen innerhalb eines Produktes. Die Parameter, die diese Schwankungen verursachen, sind unter Umständen bekannt, aber nicht beherrschbar, wie z.B. Temperatur, Programmierzeit oder -spannung ...
Versuche haben aber gezeigt, daß das Verhalten der Speicherzellen nach den Ausfällen im wesentlichen immer das gleiche ist.
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum Löschen von EEPROM-Speicherzellen, welches die obigen Fehler berücksichtigt, um zum einen in jedem Fall die gewünschte Löschung zu erreichen und zum anderen die Anwendung, die den Speicher benutzt, bei fehlerhaftem Löschzyklus zu warnen.
Gemäß der Erfindung verwendet man ein Löschverfahren für EEPROM-Speicherzellen, das darin besteht:
- einen Zähler in einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff, welcher einem Löschsteuerprozessor zugeordnet ist, am Anfang einer jeden Löschoperation zu setzen und zu initialisieren,
- einen Löschzyklus, dann einen Lesezyklus sowie einen Vergleich der gelesenen Spannung mit einer erwarteten Spannung, die dem gelöschten Zustand entspricht, auszuführen,
- dann, wenn beide Spannungen verschieden sind, die Iteration des Zählers und einen neuen Lösch- und Lesezyklus und dann einen Vergleich auszulösen, solange der Inhalt des Zählers kleiner als eine vorgegebene Zahl bleibt,
- die Sendung eines Rückkehrcodes zur Anwendung in Abhängigkeit vom Inhalt des Zählers und daher von der Anzahl der für die Löschoperation notwendigen Löschzyklen zu steuern, wenn die gelesene Spannung nach wenigstens 2 Löschzyklen die erwartete Spannung ist und wenn der Inhalt des Zählers die vorgegebene Zahl erreicht hat.
Die Erfindung hat auch eine Vorrichtung zur Umsetzung dieses Löschverfahrens zum Gegenstand (Patentanspruch 3), sowie die Benutzung dieses Speicherzellenlöschverfahrens in nicht stromversorgten Anwendungen (Patentanspruch 4).
Mit Hilfe der folgenden Beschreibung und den beifügten Figuren wird die Erfindung besser verstanden, und charakteristische Merkmale treten zu Tage.
Figur 1 schematisiert eine MOS-Speicherzelle im Schreibzustand ;
Figur 2 schematisiert eine MOS-Speicherzelle im Löschzustand ;
Figur 3 schematisiert eine MOS-Speicherzelle, in der ein Löschfehler vorliegt ;
Figur 4 stellt ein Flußdiagramm des Löschverfahrens einer EEPROM-Speicherzelle gemäß der Erfindung dar.
Figur 5 schematisiert eine Vorrichtung zur Umsetzung des Löschverfahrens gemäß der Erfindung.
Die Figuren 1,2 und 3 stellen den gleichen Querschnitt durch eine Speicherzellenstruktur dar, und zwar das Halbleitersubstrat ,1, und die (S)ource- und (D)rain-Elektroden, die durch einen Kanal im Substrat getrennt werden. Diese Anordnung ist beschichtet mit einem isolierenden Oxid, darüber befindet sich ein potentialfreies Gate (GF) ohne jegliche Verbindung zu einer anderen leitenden Struktur, das wiederum durch eine Oxidschicht von dem Steuergate (G) isoliert ist. Über dem Steuergate liegt eine weitere Oxidisolation. Während des Schreibvorgangs (Fig. 1) erlaubt ein Impuls mit hoher Amplitude, auf dem Steuergate Elektronen aus dem Substrat herauszuziehen und sie unter dem potentialfreien Gate zu speichern, wobei die Elektronen unter Ausnutzung des Tunneleffekts auf der Drain-Elektrode die sie vom potentialfreien Gate trennende Oxidbarriere durchqueren.
Während des in Fig. 2 gezeigten Löschvorgangs kommen die im potentialfreien Gate gespeicherten Ladungen durch das Anlegen eines Impulses in umgekehrter Polarität wiederum unter Ausnutzung des Tunneleffekts in das Substrat zurück. Die Speicherzelle befindet sich in einem stabilen Zustand, zum einen, wenn nach einem Schreibvorgang die Ladungen im potentialfreien Gate gefangen sind, und zum anderen, nach dem Löschen, wenn die Ladungen ins Substrat zurückgebracht wurden. Aber dabei entstehen aufgrund der Alterung durch eine große Anzahl von Lösch- und Schreibzyklen Elektronenfallen in der Oxidschicht zwischen dem potentialfreien Gate und dem Substrat, so daß zum Zeitpunkt des Löschens Elektronen gefangen bleiben. Dies ist in Figur 3 dargestellt. Die Speicherzelle tendiert also dazu, immer noch durch die Ladungen, die im Isolator geblie- ben sind, programmiert zu erscheinen, obwohl sie tatsächlich gelöscht worden ist, was wiederum dazu führt, daß die Schwellenspannung des Transistors erhöht wird.
Wie oben angeführt, ist die Zahl der Funktionszyklen, nach der ein solcher Fehlermechanismus auftritt, normalerweise hoch, und Versuche haben gezeigt, daß bei diesem Fehlertyp das Fehlerverhalten immer das gleiche ist:
- die Fehler treten systematisch bei Löschvorgängen in Richtung EPROM , d.h. bei der Rückkehr der Ladungen ins Substrat auf,
- die bei aufeinanderfolgenden Schreib- / Löschvorgängen an einer Zelle entdeckten Fehler sind nicht sofort zerstörerisch.
Wenn ein Wiedereinlesen unmittelbar nach einer Löschung zeigt, daß die Löschung nicht den erwarteten Effekt hatte, zeigt das Experiment, daß es genügt, einen zweiten Löschvorgang zu erzeugen, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Darüber hinaus ist dies sehr oft reproduzierbar, d.h. nachdem eine Zelle einen ersten Fehler aufzeigt, benötigt sie danach regelmäßig zwei Zyklen, um korrekt gelöscht zu werden.
Entsprechend der Beanspruchung der Speicherzelle häufen sich die Löschfehler derart, daß nach einer Phase mit zwei Löschungen drei Löschzyklen benötigt werden, um das gewünschte Resultat zu erzielen. Danach ist es noch eine große Anzahl von Löschvorgängen möglich, drei Löschzyklen zu benutzen, bevor vier Löschzyklen benötigt werden, usw... Der Speicherzellenlöschvorgang gemäß dieser Erfindung benutzt diese Eigenschaften, um die Funktion der Speicherzelle beim Löschen zu optimieren und gleichzeitig eine charakteristische Information bei jeder Funktion nach außen zu geben.
Die Figur 4 zeigt den Löschvorgang gemäß dieser Erfindung. Wie oben erwähnt, entstehen die Fehler beim Löschen. Demzufolge beginnt jeder Löschvorgang systematisch mit einem Löschzyklus, wie er von der Produktbeschreibung empfohlen wird, gefolgt von einem Lesezyklus. Ein Zähler für diese Speicherzelle wird dabei im Prozessor der Anwendung mit einem Wert von C=0 am Anfang einer jeden Löschoperation eingerichtet. Wenn die eingelesene Spannung VL gleich der erwarteten Referenzspannung VR ist, erlaubt ein Vergleich mit dem Zähler C&sub1; festzustellen, daß ,wenn C=0 ist, in dieser Löschoperation dieser Zelle keine andere Löschung stattgefunden hat, und das Löschen wird dann als korrekt angenommen.
Wenn hingegen die eingelesene Spannung VL verschieden ist von der erwarteten Referenzspannung VR , dann wird der Zähler im Prozessor der Anwendung inkrementiert: C = C + 1 . Der Wert von C wird dann mit der maximal möglichen Anzahl der Löschzyklen verglichen, z.B. mit sechs, ab der die Zelle für definitiv unlöschbar gehalten wird. Solange der Inhalt des Zählers kleiner als oder gleich sechs ist , wird ein neuer Schreib- und Lesezyklus für diese Zelle gestartet. Wenn nach dem zweiten, dritten oder vierten Zyklus die gelesene Spannung mit der erwarteten übereinstimmt, gibt ein Test von C einen Wert ungleich null zurück, was bedeutet, daß mehrere Löschzyklen nötig waren, um die richtige Referenzspannung zu erreichen, und das Senden eines Rückkehrcodes an die Anwendung, die den Prozessor benutzt, wird veranlaßt, wobei der Rückkehrcode charakteristisch ist für die Anzahl der Löschungen, die notwendig waren, um die Referenzspannung eines korrekten Löschvorgangs zu messen. Die Löschung wird dann als korrekt ausgeführt angenommen.
Wenn der Inhalt des im Prozessor der Anwendung eingerichteten Zählers zeigt, daß die Zahl der für diese Löschoperation nötigen Zyklen den Grenzwert erreicht, sechs im obigen Beispiel, wird die Löschung nicht mehr vorgenommen, und der Prozessor sendet einen Rückkehrcode für diesen Zählerstand, um damit anzuzeigen, daß die Speicherzelle nicht gelöscht werden konnte.
Die Löschoperation wird also beendet, obwohl der ausgelesene Spannungswert unkorrekt war.
Eine zusätzliche Sicherheitslöschung könnte vorgesehen werden, nachdem mehrere Löschzyklen nötig waren, um die Speicherzelle zu löschen.
Das Senden eines Rückkehrcodes für die Anzahl der zur korrekten Löschung benötigten Löschzyklen signalisiert dem Benutzer, mit welcher Dringlichkeit er sich um den Austausch des Speichers kümmern muß. So besteht, genau gesagt, gemäß dieser Erfindung das Löschverfahren für Speicherzellen nicht in einer Modifikation der vom Hersteller vorgesehenen Löschzyklen, sondern darin, diese genau so oft zu wiederholen, bis die Löschung tatsächlich erfolgt ist, wobei dies überprüft wird durch die Aktualisierung des Inhaltes eines Zählers, der bei Benutzung des Produktes, sei es im Prozessor des Produktes selbst, wie z.B. im Prozessor einer Mikroschaltungskarte, sei es im Prozessor der Anwendung, am Anfang der Löschoperation eingerichtet wird. Eine sehr einfache logische Schaltung, die den Inhalt des Zählers verarbeitet, erlaubt es, unmittelbar nach der Löschoperation ein Rückkehrsignal als Funktion des Speicherzellenzustandes zu erzeugen.
Figur 5 zeigt die Vorrichtung zur Umsetzung des Löschvorgangs so wie oben beschrieben.
Der EEPROM-Speicher 10, bestehend aus einer Anordnung von löschbaren Speicherzellen wie oben beschrieben, ist, wenn nicht im Betrieb für die Anwendung, nicht stromversorgt. Im Betrieb und/oder zum Zeitpunkt seiner Beschreibung ist der Speicher 10 verbunden mit einer Mikroprozessorschaltung der Anwendung. Diese Schaltung beinhaltet den Prozessor 20 mit seiner UHR H, mit dem zugeordneten RAM-Speicher, mit den Daten im RAM, mit den im PROM gespeicherten Anweisungen und mit den E/A - Funktionen (E/S), der den Speicher 10, zum Beispiel eine Mikroschaltungskarte, verwaltet. Die Erzeugung der Rückkehrcodes wird durch den Prozessor gestartet, der den Zustand des Zählers im RAM überwacht. Der Zustand dieses Zählers kann sich oft ändern, von einer Speicherzelle zur nächsten, was ihm seine Technologie ja auch erlaubt.
Der Prozessor steuert auch logische Mittel zur Rückkehrcodeerzeugung , der abhängig ist von dem Zustand des im RAM eingerichteten Zählers. Diese logischen Mittel 30 können von der Speichervorrichtung selber übernommen werden, wie in Figur 5 ersichtlich. Anstatt nur eine einzige Information, nämlich die des gescheiterten Löschvorgangs nach z.B. sechs Versuchen, zu übermitteln, können die Rückkehrcodes auch einer immer eindringlicher werdenden Warnung entsprechen, während sie den Zähler im RAM erhöhen. Die Anzahl der Nachrichten wie auch ihr Inhalt unterrichten den Benutzer über die späteren Vorsichtsmaßnahmen, die er bei einem auf diese Weise kontrollierten Speicher ergreifen muß.

Claims

1. Verfahren zum Löschen von EEPROM-Speicherzellen (10), dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht:

- einen Zähler in einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff, welcher einem Löschsteuerprozessor (20) zugeordnet ist, am Anfang einer jeden Operation des Löschens einer Speicherzelle zu setzen und zu initialisieren,

- einen Löschzyklus, dann einen Lesezyklus sowie einen Vergleich der gelesenen Spannung (VL) mit einer erwarteten Spannung (VR), die dem gelöschten Zustand entspricht, auszuführen,

- dann, wenn die beiden Spannungen verschieden sind, die Iteration des Zählers und einen neuen Lösch- und Lesezyklus und dann einen Vergleich auszulösen, solange der Inhalt des Zählers kleiner als eine vorgegebene Zahl bleibt,

- die Sendung eines Rückkehrcodes zur Anwendung in Abhängigkeit vom Inhalt des Zählers und daher von der Anzahl der für die Löschoperation notwendigen Löschzyklen zu steuern, wenn die gelesene Spannung nach wenigstens 2 Löschzyklen die erwartete Spannung ist und wenn der Inhalt des Zählers die vorgegebene Zahl erreicht hat.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Senden des Rückkehrcodes ein zusätzlicher Sicherheits-Löschzyklus befohlen wird, wenn die gelesene Spannung die erwartete Spannung ist und der Inhalt des Zählers verschieden von Null ist, sofern mehrere Löschzyklen notwendig gewesen sind, um die erwartete Spannung zu erhalten.

3. Einrichtung, die für die Ausführung des Verfahrens zum Löschen von EEPROM-Speicherzellen (10) gemäß den Ansprüchen 1 und 2 bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie den Speicher (10) enthält, der aus Speicherzellen vom EEPROM-Typ gebildet ist und bei seiner Verwendung in einer Anwendung einem Prozessor (20) zugeordnet ist, daß der Zähler am Anfang einer jeden Löschoperation im Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) des Prozessors gesetzt wird und daß sie außerdem Logikmittel (30) enthält, um gegebenenfalls das Senden eines Rückkehrcodes in Abhängigkeit vom Zustand des Zählers am Ende der Löschoperation auszulösen.

4. Verwendung des Löschverfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 und 2 für eine Speichereinrichtung, die aus EEPROM- Speicherzellen (10) gebildet ist und außerhalb der Betriebsphasen nicht versorgt wird.

5. Verwendung des Löschverfahrens gemäß Anspruch 4 für eine Speichereinrichtung des Typs einer Mikroschaltungskarte.