DE3900798A1 - Verfahren zum loeschen und programmieren eines elektrisch loeschbaren und programmierbaren nur-lese-speichers - Google Patents
Verfahren zum loeschen und programmieren eines elektrisch loeschbaren und programmierbaren nur-lese-speichersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf elektrisch programmierbare und
elektrisch löschbare MOS-Nur-Lese-Speicher (EEPROMs) und auf
elektrisch programmierbare Nur-Lese-Speicher (EPROMs) mit auf
schwebendem Potential befindlichen Gate-Elektroden.
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 36
60 819). Spätere Ausführungen von EPROMs machten zum Aufladen
der schwebenden Gate-Elektrode von der Kanalinjektion Gebrauch
(US-PS′n 41 42 926, 41 14 255 und 44 12 310). Diese EPROMs
wurden dadurch gelöscht, daß man sie ultravioletter Strahlung
aussetzt.
Auch sind 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
durchtunnelt (US-PS 42 03 158). In anderen Fällen wird Ladung
über eine obere Elektrode entfernt (US-PS 40 99 196).
Diese EEPORM-Zellen eignen sich im Gegensatz zu den EPROM-Zel
len nicht zu einer Reduktion der Substratfläche. Es wurden
verschiedene Verfahren zum Reduzieren der Größe der Speicher
matrix mit Hilfe dichterer Zellenanordnungen entwickelt. Ein
solches Verfahren ist in der US-PS 44 32 075 beschrieben. Die
US-PS 42 66 283 beschreibt die Anordnung eines EEPROM in einer
Matrix und die Auswahl verschiedener auf der Speichermatrix
durchzuführender Funktionen.
EEPROM-Speicher werden häufig zum Löschen als auch zum Pro
grammieren 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 Program
mierens werden Elektronen zum schwebenden Gate übertragen,
wodurch die Zellen weniger leitfähig werden. Der Betrieb die
ser 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 Spei
cher benutzt wird. Dies bedeutet, daß eine spezielle Program
miereinrichtung nicht benötigt wird. In einigen Fällen werden
"on-chip"-Schaltungen dazu benutzt, die richtige Ausführung
der Programmierung zu verifizieren. Die US-PS 44 60 982 be
schreibt ein intelligentes EEPROM mit Mitteln sowohl zum Pro
grammieren als auch zum Löschen.
In jüngster Zeit entstand eine neue Kategorie von elektrisch
löschbaren EPROMs/EEPROMs, und diese Bauelemente werden manch
mal als "Flash"O-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-Tech
nologie", von Masuoka u.a., IEEE Journal of Solid-State Cir
cuits, Bd. SC-22, Nr. 4, August 1987. Die vorliegende Erfin
dung 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 das Bauteil "ver
armungs-artig" wird. Es kann erforderlich werden, die Zellen
nach dem Löschen zu Testen, um zuverlässig festzustellen, daß
die schwebende Gate-Elektrode gelöscht, jedoch nicht zu posi
tiv geladen ist.
Ein anderes Problem entsteht, wenn das Löschen in der Schal
tung bei Flash-Speichern verwendet wird. Zusätzliche Si
gnal/Befehls-Leitungen werden benötigt, um den Flash-Speicher
zu löschen und zu programmieren. Zusätzliche Leitungen mit
entsprechenden zusätzlichen Stiften 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
Stift-zu-Stift-Kompatibilität eine notwendige Bedingung. Da
zusätzliche Steuerleitungen zum Löschen und Programmieren
benötigt werden, kann eine direkte Stift-zu-Stift-Kompatibili
tät nur dann erreicht werden, wenn gewisse Architekturänderun
gen innerhalb des Flash-Speicherbauelements durchgeführt wer
den, die das Löschen und Neuprogrammieren ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Programmieren
und Löschen von Flash-Speichergeräten zu verbessern und zu
vereinfachen.
Die Erfindung schafft eine Befehlsportarchitektur zum Program
mieren und Löschen von Flash-Speichergeräten über einen Daten
port. Um in der Schaltung selbst Löschen, Programmieren und
die Lösch/Programmier-Verifikation zu ermöglichen, sind Schal
tungsmittel auf dem den Speicher enthaltenden Halbleiterchip
integriert. Ein Befehlsport-Steuergerät ist so angeordnet, daß
es Befehle von einer mit einem zugehörigen Prozessor gekoppel
ten 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 Be
fehlsport-Steuergerät enthält Befehls- und Zustandsregister,
die zur Aufnahme von Befehlsinstruktionen von einem Mikropro
zessor 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.
Außerdem liefert das Steuergerät einen Löschalgorithmus und
einen Programmieralgorithmus zum Löschen bzw. Programmieren
des Speichers. Der Löschalgorithmus liefert die notwendigen
Spannungen zum Löschen der Flash-Speicherzellen und verifi
ziert danach, daß der Speicher gelöscht ist. Der Löschzyklus
wird überwacht und wiederholt bei jedem Löschimpuls einer
vorgegebenen Pulsbreite, der inkrementiert wird, bis die Lö
schung 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 Pro
grammierens des Speichers für das Programmieren jedes Spei
cherplatzes und das Verifizieren des Speicherinhalts nach dem
Programmieren. Der Programmierzyklus wird überwacht und bei
jedem Programmierimpuls einer vorgegebenen Impulsbreite wie
derholt, bis die Programmierung erreicht ist. Wenn die Pro
grammierung jedoch nach einer vorgegebenen maximalen Impuls
zählung nicht erreicht werden kann, so wird ein Programmier
fehler festgestellt.
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 A 0- A 14 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 23 a und durch ein Datenlatch 22 übertragen werden. Ande
rerseits werden Daten aus dem Speicher 11 über den Bus 23 b und
Abtastschaltungen 101 zum I/O-Puffer 21 zur Ausgabe auf den
Datenbus 20 übertragen. Einlaufende Daten werden auch von dem
Bus 23 a 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 23 a werden zum Zustandsregister 35 übertragen, dessen
Ausgang mit dem Zustandsdecodierer 36 und einem Befehlstaktge
nerator 34 a gekoppelt ist. Der Ausgang des Befehlstaktgenera
tors 34 a ist mit einem Befehlsregister 37 verbunden. Das Be
fehlsregister 37 erhält außerdem Daten vom Datenbus 23 a, 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 34 b 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 34 a, während das Befehlsregister 37 über keine derartige
Rückkopplung verfügt.
In einem von den Signalen und kontrollierten Schreibzy
klus werden Funktionen über den Datenbus 23 a 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 VPP abgeleitete Verifizierspannungen werden über die
X-Decodierer während des Programmierverifizierens und Löschve
rifizierens an die Wortleitungen angelegt, um den Programmier
und Löschrand 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
beschriebene 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 R 3, R 5, R 6
und R 7. Die Register R 5, R 6 und R 7 dienen zur Modenselektion,
d.h. zur Betriebsartenauswahl, und das R 3-Register dient zum
Decodieren und Verriegeln ungültiger Eingaben. Es gibt zwei
Register im Zustandsregister 35. Register R 2 wird mit Rück
kopplungssteuerung zum Aktivieren des Löschens und das Pro
grammierzustandsregister R 1 zum Steuern des Eingabedatenstroms
in die Datenlatches oder Befehlsregister verwendet. Die Be
fehls- und Datentaktgeneratoren 34 a und 34 b 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 R 5, R 6 und R 7 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 A 14
unterzogen. Wenn VPP auf 5 Volt ist, liest der A 14/-Stift
das am höchsten bewertete Adreßbit (A 14), 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 A 14/-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 Löschen eines elektrisch löschbaren und
elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speichers, der auf einem
Siliziumsubstrat aufgebaut und mit einer Vielzahl von Spei
cherzellen mit jeweils einer schwebenden Gate-Elektrode verse
hen ist, wobei Programmier- und Löschinstruktionen als Daten
in ein Befehlsregister eingegeben werden, das geeignete Steu
ersignale für die Speicherzellen erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß
- (a) ein Lösch-Aufbaubefehl während eines ersten Schreibzy klus im das Register geschrieben wird;
- (b) ein Löschbefehl während eines zweiten Schreibzyklus in das Register geschrieben wird;
- (c) die Speicherzellen während eines Löschzyklus gelöscht werden;
- (d) ein Lösch-Verifizierbefehl während eines dritten Schreibzyklus in das Register geschrieben und eine bezeichnete Adresse zum Zugriff auf einen Speicherplatz erzeugt wird;
- (e) der Inhalt des Speicherplatzes gelesen wird, um festzu stellen, ob der Speicherplatz gelöscht worden ist; und wenn die Daten nicht gelöscht worden sind, die Dauer des Löschzy klus verlängert und die Schritte (a) bis (e) solange wieder holt werden, bis der Speicherplatz gelöscht ist; und
- (f) die Schritte (d) und (e) bis zum Löschen und Löschungs verifizieren aller Adreßplätze wiederholt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Fehler festgestellt wird, wenn der Löschzyklus eine vorge
gebene Dauer übersteigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man in einem Adreßregister den im Schritt (e) zuletzt
verifizierten Speicherplatz beibehält und die Verifizierung
von verifizierten Plätzen nicht dupliziert.
4. Verfahren zum Programmieren eines elektrisch löschbaren
und elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speichers, der auf
einem Siliziumsubstrat aufgebaut und mit einer Vielzahl von
Speicherzellen mit jeweils einer schwebenden Gate-Elektrode
versehen ist, wobei Programmier- und Löschinstruktionen als
Daten in ein Befehlsregister eingegeben werden, das geeignete
Steuersignale für die Speicherzellen erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß
- (a) ein Programmier-Aufbaubefehl während eines ersten Schreibzyklus in das Register geschrieben wird;
- (b) Adresse und Daten zu dem Speicher während eines zweiten Schreibzyklus verriegelt werden, in welchem die Daten gleich 00 sind;
- (c) der Speicher während eines Programmierzyklus program miert wird;
- (d) ein Programmier-Verifizierbefehl während eines dritten Schreibzyklus in das Register geschrieben wird;
- (e) der Inhalt eines zuvor im Schritt (c) mit Daten pro grammierten Speicherplatzes zu dessen Verifizieren gelesen wird, wobei die Schritte (a) bis (e) bis zum Programmieren des Speicherplatzes wiederholt werden, wenn der Speicherplatz als unprogrammiert verifiziert wird; und
- (f) die Schritte (a) bis (e) für jede neue Adresse wieder holt werden, bis alle Adreßplätze programmiert und verifiziert sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Fehler festgestellt wird, wenn ein Programmierzyklus einer
vorgegebene Anzahl von Wiederholungszyklen unterworfen worden
ist.
6. Verfahren zum Löschen und Programmieren eines elektrisch
löschbaren und elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speichers,
der auf einem Siliziumsubstrat aufgebaut und mit einer Viel
zahl von Speicherzellen mit jeweils einer schwebenden Gate
-Elektrode versehen ist, wobei Programmier- und Löschinstruk
tionen als Daten in ein Befehlsregister eingegeben werden, das
geeignete Steuersignale für die Speicherzellen erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß
- (1a) ein Lösch-Aufbaubefehl während eines ersten Schreibzy klus in das Register geschrieben wird;
- (1b) ein Löschbefehl während eines zweiten Schreibzyklus in das Register geschrieben wird;
- (1c) die Speicherzellen während eines Löschzyklus gelöscht werden;
- (1d) ein Lösch-Verifizierbefehl während eines dritten Schreibzyklus in das Register geschrieben und eine bezeichnete Adresse zum Zugriff auf einen Platz in dem Speicher erzeugt wird;
- (1e) der Inhalt des Speicherplatzes ausgelesen wird, um festzustellen, ob der Speicherplatz gelöscht wurde, und falls die Daten nicht gelöscht wurden, die Dauer des Löschzyklus verlängert und die Schritte (1a) bis (1e) solange wiederholt werden, bis der Platz gelöscht ist;
- (1f) die Schritte (1d) und (1e) solange wiederholt werden, bis alle Adreßplätze gelöscht und verifiziert sind;
- (2a) ein Programmier-Aufbaubefehl während eines vierten Schreibzyklus in das Register geschrieben wird;
- (2b) Adresse und Daten zu dem Speicher während eines fünf ten Schreibzyklus verriegelt werden;
- (2c) der Speicher während eines Programmierzyklus program miert wird;
- (2d) ein Programmier-Verifizierbefehl während eines sech sten Schreibzyklus in das Register geschrieben wird;
- (2e) der Inhalt eines zuvor im Schritt (2c) mit Daten pro grammierten Speicherplatzes zu dessen Verifizieren gelesen wird, wobei die Schritte (2a) bis (2e) bis zum Programmieren des Speicherplatzes wiederholt werden, wenn der Speicherplatz als unprogrammiert verifiziert wird; und
- (2f) die Schritte (2a) bis (2e) für jede neue Adresse wie derholt werden, bis alle Adreßplätze programmiert und verifi ziert sind.
7. Verfahren zum Vorkonditionieren, Löschen und Programmie
ren eines elektrisch löschbaren und elektrisch programmierba
ren Nur-Lese-Speichers, der auf einem Siliziumsubstrat aufge
baut und mit einer Vielzahl von Speicherzellen mit jeweils
einer schwebenden Gate-Elektrode versehen ist, wobei Program
mier- und Löschinstruktionen als Daten in ein Befehlsregister
eingegeben werden, das geeignete Steuersignale für die Spei
cherzellen erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß
- (1) der Speicher durch Programmieren von Bytes auf einen vorgegebenen Wert vorkonditioniert wird;
- (2a) ein Lösch-Aufbaubefehl während eines ersten Schreibzy klus in das Register geschrieben wird;
- (2b) ein Löschbefehl während eines zweiten Schreibzyklus in das Register geschrieben wird;
- (2c) die Speicherzellen während eines Löschzyklus gelöscht werden;
- (2d) ein Lösch-Verifizierbefehl während eines dritten Schreibzyklus in das Register geschrieben und eine bezeichnete Adresse zum Zugriff auf einen Platz in dem Speicher erzeugt wird;
- (2e) der Inhalt des Speicherplatzes ausgelesen wird, um festzustellen, ob der Speicherplatz gelöscht wurde, und falls die Daten nicht gelöscht wurden, die Dauer des Löschzyklus verlängert und die Schritte (2a) bis (2e) solange wiederholt werden, bis der Platz gelöscht ist;
- (2f) die Schritte (2d) und (2e) solange wiederholt werden, bis alle Adreßplätze gelöscht und verifiziert sind;
- (3a) ein Programmier-Aufbaubefehl während eines vierten Schreibzyklus in das Register geschrieben wird;
- (3b) Adresse und Daten zu dem Speicher während eines fünf ten Schreibzyklus verriegelt werden;
- (3c) der Speicher während eines Programmierzyklus program miert wird;
- (3d) ein Programmier-Verifizierbefehl während eines sech sten Schreibzyklus in das Register geschrieben wird;
- (3e) der Inhalt eines zuvor im Schritt (3c) mit Daten pro grammierten Speicherplatzes zu dessen Verifizieren gelesen wird, wobei die Schritte (3a) bis (3e) bis zum Programmieren des Speicherplatzes wiederholt werden, wenn der Speicherplatz als unprogrammiert verifiziert wird; und
- (3f) die Schritte (3a) bis (3e) für jede neue Adresse wie derholt werden, bis alle Adreßplätze programmiert und verifi ziert sind.
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