DE69521051T2 - Programmierbare Vorrichtung mit Basismodulen, die mittels Flash-Speicherzellen mit einander verbunden werden - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft monolithisch integrierte, programmierbare Bauelemente, insbesondere solche Bauelemente, die unter dem Akronym FPGA bekannt sind (Field Programmable Gate Array).
• In den vergangenen Jahren ist die Nachfrage an FPGAs ständig mit einer Zuwachsrate gestiegen, die man als exponentiell bezeichnen kann. Zwei Methoden dienen derzeit zur Fertigung von FPGAs. Eine erste Methode macht Gebrauch von Strukturen vom PLA-Typ (Programmable Logic Array), wonach extensive kombinatorische Logikelemente implementiert werden können, die allerdings bei Anwendungen mit intensiver sequentieller Logik auf Grund der beschränkten Anzahl zulässiger Flipflops nachteilig sind. Die zweite Methode verwendet Elementarmodulen, jeweils in der Lage, kombinatorische und sequentielle Logik zu implementieren. Solche Modulen werden in geeigneter Weise zusammengeschaltet, um die fragliche Schaltung herzustellen, indem von einer Methode Gebrauch gemacht wird, die im Wesentlichen der Klasse des Entwurfs von Gate-Arrays entspricht - wonach die Elementarzellen typischerweise durch eine zweite Metallisierungsebene im Zuge des Fertigungsprozesses verbunden werden - nur dass bei FPGAs die vorhandenen Elementarmodulen entweder zusammengeschaltet oder von der Schaltung entkoppelt werden, oder aber elektrisch neu konfiguriert werden, aber nicht während des Prozesses.
• Derzeit werden zu diesem Zweck entweder durch statische RAMs getriebene Schalter verwendet - die den Nachteil haben, dass beim Auftreten eines Versorgungsspannungsausfalls ihre Konfigurationen verloren gehen - oder sog. ,Anti-Fuses', die nur einziges Mal programmiert werden können und sämtliche für Schmelzsicherungen typischen Probleme aufweisen, einschließlich ihrer Prüfung.
• Bekanntlich sind Anti-Fuses im Allgemeinen dünne Dielektrika, die dazu ausgelegt sind, von einer hohen Spannung perforiert zu werden.
• Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die Anwendung von Anti-Fuses zusätzliche, nicht normgemäße Prozessschritte beinhaltet. Beispiel für solche Methoden sind Produkte, die von zwei FPGA-Herstellern vertrieben werden. XILINX STYLE und ACTEL.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, FPGAs mit elektrischen Zwischenverbindungen zwischen Elementarmodulen auszustatten, die verbesserte Programmierfähigkeit und Zuverlässigkeit gegenüber früheren Lösungen aufweisen.
• Die US-A-5 028 821, die die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, offenbart ein monolithisch integriertes, programmierbares Bauelement mit Elementarmodulen, die dazu ausgelegt sind, elektrisch miteinander verbunden zu werden, weiterhin umfassend elektrische Verbindungspfade zwischen Elementarmodulen, welche Flash-Speicherzellen enthalten.
• Gelöst wird die Aufgabe durch FPGAs mit einer oben umrissenen Struktur und entsprechend den Kennzeichnungsmerkmalen der dieser Beschreibung beigefügten Ansprüche.
• Die Merkmale und Vorteile einer erfindungsgemäßen FPGA-Struktur ergeben sich bei der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, die lediglich beispielhaft und ohne Beschränkung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen angeboten wird.
• In den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 eine Flash-Verbindungszelle zum elektrischen Verbinden von zwei einzelnen Signalleitungen zweier allgemeiner FPGA-Elementarmodulen;
• Fig. 2 zwei allgemeine FPGA-Elementarmodulen, jeweils dargestellt durch einige symbolische Linien, wobei elektrische Verbindungen zum Verbinden einer Leitung eines Moduls mit mehreren Leitungen des anderen Moduls dargestellt sind;
• Fig. 3 die Art und Weise, in der erfindungsgemäß mehrere Leitungen des ersten Elementarmoduls elektrisch mit mehreren Leitungen des zweiten Moduls verbindbar sind.
• Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, indem als die Verbindungselemente Flash- Speicherzellen eingesetzt werden, um dadurch eine Neuprogrammierbarkeit, verbesserte Zuverlässigkeit und Anwendbarkeit einer Technologie zu erreichen, die auf dem Gebiet der Halbleitertechnik immer populärer wird und die Möglichkeit schafft, zunehmend kleinere elektrische Verbindungszellen zu erhalten.
• Flash-Speicherzellen, wie sie im Rahmen der Erfindung verwendet werden, sind solche Zellen, die einen doppelten Fowler-Nordheim-Effekt gemäß der jüngsten Technologie zur Schaffung von Massen-Zellen vom Flash-Typ aufweisen. Beschrieben wird die Zelle durch Anlegen einer positiven Spannung an ihre obere Steuerelektrode, während ihr Drain und/oder ihre Surce floaten gelassen werden. Unter dieser Bedingung wird eine elektrisches Feld erzeugt, das Elektronen auf das floatende Gate der Zelle zieht und den Zellen-Schwellenwert innerhalb einer Zeitspanne hochzieht, die abhängig von dem Wert der Gate-Spannung ist und typischerweise in der Größenordnung von einigen Millisekunden liegt.
• Gelöscht wird die Zelle durch Anlegen einer negativen Spannung an ihr oberes Steuer-Gate und einer positiven Spannung (5 Volt), entsprechend einem logischen Spannungspegel von '1', wie er in logischen Schaltkreisen innerhalb der Elementarmodulen definiert ist, an den Drain und/oder die Surce der Zelle.
• Der Spannungswert sollte so ausgewählt werden, dass er an der Zelle mit floatender Surce und/oder Drain oder einer dortigen Spannung von Null ausreicht, die an dem Floating-Gate vorhandenen Elektronen abzuziehen. Basierend auf dem Fowler-Nordheim-Effekt bewegt sich der Elektronenstrom bei sehr dünnem Gate Oxid durch 'Tunneln' in jede Richtung.
• Es sei der Fall einer einzelnen Flash-Verbindungszelle gemäß Fig. 1 betrachtet und angenommen, dass eine Leitung A und eine Leitung B zweier diskreter Elementarmodulen zu verbinden sind.
• An das Steuer-Gate wird eine negative Spannung (etwa -8 Volt) gelegt, und die Leitung B kann schwimmen oder wird geerdet. Bei Anlegen eines positiven Signals von 5 Volt an die Leitung A zieht das elektrische Feld Elektronen von dem schwimmenden Gate ab und bringt den Zellen-Transistor in einen Verarmungszustand: Die Leitung A wird elektrisch mit der Leitung B verbunden. Dies würde nicht geschehen, falls die Leitung A geerdet belassen würde. Um die Verbindung zu trennen, reicht es aus, eine positive Spannung (etwa +15 Volt) an das Steuer-Gate zu legen und einen der beiden Anschlüsse schwimmen zu lassen.
• Die in Fig. 1 gezeigte Flash-Zelle ist als elektrisches Verbindungselement ein Standard- Element, welches in konventioneller Weise aus Materialschichten gebildet ist, wie in der Figur zu sehen ist.
• Fig. 2 zeigt, wie Flash-Zellen als Verbindungselemente zwischen einer Signalübertragungsleitung A eines ersten Elementarmoduls und mehreren Leitung a, b, c und d eines weiteren Elementarmoduls arbeiten (eine einfach Mehrfach Verbindung).
• Flash-Zellen mit einem ersten und einem zweiten Anschluss und einem Steueranschluss werden zwischen den einzelnen Leitungen A und den mehreren Leitungen a, b, c, und d über jeweils den ersten Anschluss angeordnet, implementiert als Zone mit gemeinsamer Diffusion von N-Dotierstoffen, und die zweiten Anschlüsse.
• Die Gate-Steueranschlüsse der Zellen sind an einen gemeinsamen Spannungsgeber VG angeschlossen.
• Die Programmierung oder der Verbindungsvorgang wird folgendermaßen ausgeführt: An den gemeinsamen Gate-Anschluss wird eine negative Spannung (etwa -8 Volt) gelegt, die Leitung A wird entweder auf schwimmendes oder Massepotential gelegt, und eine positive Spannung (5 Volt) wird an jene Leitungen gelegt, die angeschlossen werden sollen, um den durch die Verbindung beeinflussten Flash-Transistor in einen stark verarmten Zustand zu bringen.
• Keine Verbindung wird für diejenige Leitung oder diejenigen Leitungen (a, b, c, d) geschaffen, an die keine positive Spannung gelegt wird.
• Andererseits erfolgt das Löschen oder der Trennvorgang, in dem eine positive Spannung (etwa +15 Volt) an den gemeinsamen Gate-Anschluss gelegt und die Leitung A auf schwimmendes Potential gebracht wird.
• Fig. 3 zeigt, wie erfindungsgemäß Flash-Zellen als Verbindungselemente zwischen einer Mehrzahl von Signal Übertragungsleitungen A, B, C und D eines ersten Elementarmoduls und einer entsprechenden Mehrzahl a, b, c, und d von Leitungen eines weiteren Elementarmoduls arbeiten (komplexe Mehrfachverbindung).
• Eine erste Mehrzahl und eine entsprechende zweite Mehrzahl von Flash-Zellen, die jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss sowie einen Steueranschluss besitzen, werden zwischen die entsprechenden Leitungen der beiden Modulen platziert.
• Zwischen jeder Leitung des ersten Moduls und einer entsprechenden Leitung des zweiten Moduls werden eine Flash-Zelle der ersten Mehrzahl und eine Zelle der zweiten Mehrzahl platziert, in Reihe zueinander über ihre jeweiligen ersten und zweiten Anschlüsse geschaltet, wobei der Verbindungsknoten (implementiert durch eine gemeinsame Diffusionszone) gemeinsam mit jenen der übrigen Zellenpaare ist.
• Die Gate-Steueranschlüsse der Zellen in jeder Gruppe werden an einen zugehörigen gemeinsamen Spannungsgeber VG bzw. Vg angeschlossen.
• Das Löschen erfolgt dadurch, dass eine positive Spannung (etwa +15 Volt) an die gemeinsamen Gates gelegt und die zu verbindende Leitung bzw. die zu verbindenden Leitungen in einem schwimmenden Zustand gehalten werden.
• Das Schreiben erfolgt durch Anlegen einer negativen Spannung (-8 Volt) an die gemeinsamen Gates und einer positiven Spannung (+5 Volt) an die zu verbindenden Leitungen. Die übrigen Leitungen werden entweder in einem schwimmenden oder auf Masse gelegten Zustand belassen.
• Keine Verbindungen werden für solche Leitungen geschaffen, die auf Masse oder in einem schwimmenden Zustand gehalten sind.
• Der Löschvorgang muss stets dem Schreibvorgang vorausgehen.
• Es sollte gesehen werden, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele zur Veranschaulichung dienen und Gegenstand von zahlreichen Modifikationen, Zusammenfassungen und Austauschungen ihrer Elemente sein können, ohne dass dadurch von dem Schutzumfang gemäß den beigefügten Ansprüchen abgewichen wird.
• Beispielsweise ist es keine strenge Bedingung, dass die Flash-Speicherzellen vom Fowler- Nordheim-Effekt-Typ sind.

Claims (3)

1. Monolithisch integriertes, programmierbares Bauelement, umfassend ein erstes (1) und ein zweites (2) Elementarmodul, jeweils mit einer Mehrzahl von signalführenden Leitungen (A-D; a-d), umfassend mindestens eine erste und eine zweite Mehrzahl von Flash- Speicherzellen, jeweils mit einem ersten und einem zweiten Anschluss und einem Steueranschluss, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen individuellen Leitungen in der Mehrzahl von signalführenden Leitungen (A-D) des ersten Elementarmoduls und individuellen Leitungen in der Mehrzahl von signalführenden Leitungen (a-d) des zweiten Elementarmoduls eine Speicherzelle der ersten Mehrzahl von Flash-Speicherzellen und eine Speicherzelle der zweiten Mehrzahl von Flash-Speicherzellen elektrisch in Reihe miteinander über ihre jeweiligen ersten und zweiten Anschlüsse verbunden angeordnet sind, wobei der Verbindungsknoten (N) zwischen den beiden Speicherzellen ein Verbindungsknoten ist, der gemeinsam von sämtlichen Paaren untereinander verbundener Speicherzellen benutzt wird, die Steueranschlüsse der Speicherzellen in der ersten Mehrzahl von Speicherzellen an einen ersten Steuersignalgeber (Vg) und die Steueranschlüsse der Speicherzellen in der zweiten Mehrzahl von Speicherzellen an einen zweiten Steuersignalgeber (Vg) angeschlossen sind.

2. Programmierbares Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flash- Speicherzellen Fowler-Nordheim-Effekt-Zellen sind.

3. Programmierbares Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Paare untereinander verbundener Speicherzellen gemeinsam verwendete Verbindungsknoten eine gemeinsame Zone von monolithisch integrierten Speicherzellen ist, wo Dotierstoffe vom N-Typ diffundiert sind.