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Dokumentenidentifikation DE3430972C2 20.04.1995
Titel Integrierte Schaltung
Anmelder National Semiconductor Corp., Santa Clara, Calif., US
Erfinder Lucero, Elroy M., San Jose, Calif., US
Vertreter Richter, J., Dipl.-Ing., 10719 Berlin; Gerbaulet, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 20354 Hamburg
DE-Anmeldedatum 23.08.1984
DE-Aktenzeichen 3430972
Offenlegungstag 21.03.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.04.1995
IPC-Hauptklasse G11C 16/06

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die auf dem Halbleiterplättchen (on-chip) in einer als integrierter Schaltkreis ausgebildeten Speicherschaltung erzeugte Programmierspannung ist eine Funktion der Anzahl der Spannungsvervielfältigerstufen, die in dem internen Hochspannungsgenerator benutzt wird, und der Spannungsquelle (Vcc). Manchmal kann die Programmierspannung größer werden als die Durchbruchsspannungen einiger Transistoren in den Hochspannungskreisen innerhalb der integrierten Schaltung. Wenn diese Durchbruchsspannung überschritten wird, können die Speicherinhalte Störungen erfahren. Im Ergebnis wird die Verläßlichkeit eines jeden Systems, das eine solche integrierte Schaltung enthält, verschlechtert. Beim Einsatz einer Datenverarbeitung kann ein solcher Verläßlichkeitsmangel den Verlust wertvoller Informationen zur Folge haben. Außerdem können solche Überspannungen den integrierten Schaltkreis oder die Gesamtanordnung, in welcher er benutzt wird, beschädigen.

Als bisher bekannte Maßnahme, die zur Regelung der Programmierspannung integrierter Schaltungen getroffen werden konnte, kam eine Spannungsregelung außerhalb des Halbleiterplättchens (off-chip) in Betracht, durch die eine Erhöhung des Aufwandes an Einzelteilen, an Energie sowie für den Schaltungsraumbedarf notwendig wurde. Außerdem ist eine solche Spannungsregeleinrichtung außerhalb des Halbleiterplättchens von den Leitungen sowie von Ausgleichsvorgängen herrührenden Spannungen unterworfen, welche die Genauigkeit und Wirksamkeit der Regelschaltung nachteilig beeinträchtigen können.

In der EP-A2-0 053 273 wird eine integrierte Schaltung mit nichtflüchtig programmierbaren Halbleitern offenbart, bei der neben der Versorgungsspannung Vdd selbst eine hohe, über der Versorgungsspannung Vdd liegende Programmierspannung Vp von einer Überwachungsschaltung überwacht wird. Hierzu wird in einer ersten Stufe (I) eine aus der Programmierspannung abgeleitete konstante Referenzspannung U&sub1; erzeugt. Mit dieser Referenzspannung werden jeweils in einer eigenen Vergleichsstufe (II bzw. III) mit nachgeordnetem Schwellwertschalter die Spannungen Vdd und Vp verglichen. Es handelt sich daher lediglich um eine Überwachungsschaltung für zwei maßgebliche Spannungen ohne jegliche Regelfunktion für die im Speicherteil verwendete Hochspannung.

Aus der US-A-4,103,219 ist ein "shunt voltage regulator" in Form einer integrierten Schaltung bekannt, die als einstufige, vollkommen separate Schaltung ausgebildet ist und keinerlei Bezug zu einer integrierten Hochspannungsregelung für ein mit Hochspannung versorgtes Funktions-IC aufweist.

Auch eine weitere Druckschrift, Sol D. Prensky, Arthur H. Seidman, Linear Integrated Circuits, Reston Publishing Co., Inc., 1981, Seiten 194-199, geht in ihrer Offenbarung nicht über die Erläuterung des Prinzips eines einfachen Shunt-Spannungsreglers hinaus.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Schaltung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sich eine störungssichere, auf die Bedürfnisse der Funktionsschaltung abgestimmte Regelung der Hochspannung ergibt.

Die Aufgabe wird bei einer Schaltung der eingangs genannten Art durch die Merkmale aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird es möglich, die in einem integrierten Schaltkreis erzeugte interne Spannung (Vpp) durch Begrenzung der Spannung auf einen Größtwert zu regeln, der die feldgestützte Durchbruchsspannung der Transistoren auf dem Plättchen und/oder die Feldtransistorschwellspannung nicht überschreitet. Die Erfindung findet hauptsächlich Anwendung bei einer als integrierter Schaltkreis ausgebildeten Speichervorrichtung, und zwar bei Anordnung zwischen einer Hochspannungsgeneratorschaltung und einer Programmierschaltung. Die Spannungsregelung erfolgt dabei in der Weise, daß die von der Hochspannungsgeneratorschaltung der Programmierschaltung zugeführte Spannung niemals auf einen kritischen Schwellenwert gelangt, der eine Störung der Inhalte der Speichervorrichtung verursachen würde.

Gemäß der Erfindung werden mehrere unterschiedliche Arten und Größen von Regeltransistoren und anderen Festkörperbauelementen in einen Regelkreis einbezogen. Jeder Transistor entspricht einem anderen der verschiedenen Arten und Größen von Transistoren, die auf dem integrierten Schaltkreis verwendet sind, an welchem die Erfindung verkörpert ist. Wenn z. B. die Schaltung sowohl Feldeffekttransistoren als auch bipolare Arten von Transistoren enthält, sind die repräsentativen Feldeffekt- und Bipolartransistoren in dem Regelkreis enthalten. Da die Transistoren alle zur gleichen Zeit - nämlich auf dem gleichen Substrat des integrierten Schaltkreises - hergestellt sind, haben sie die gleichen Eigenschaften wie andere Transistoren derselben Art, die auf dem Halbleiterplättchen angeordnet sind. Gemäß der Erfindung wird jeder der repräsentativen Regeltransistoren in der Regelschaltung derart räumlich angeordnet, daß die Transistoren erstmals im Falle einer Überspannung zum Durchbruch gelangen und dadurch die Spannungen begrenzen, die den Arbeits- und Speicherkomponenten des integrierten Schaltkreises zugeführt werden. Auf diese Weise wird eine genaue Spannungsregelung aufrechterhalten und die Inhalte einer dazugehörenden Speicherschaltung erfahren keine Störung.

Gemäß der Erfindung bildet ein erster Transistor eine geregelte Spannung, die nicht größer ist als die Feldschwellspannung des Transistors an einem ersten Schaltungsknotenpunkt. Die so gebildete geregelte Spannung liegt regelmäßig höher als die niedrigste Durchbruchsspannung der Schaltungsbauteile des Stromkreises. Die geregelte Spannung wird über in Reihe geschaltete Regeltransistoren und danach jedem einzelnen der verschiedenen in dem integrierten Schaltkreis verwendeten Transistorarten zugeführt. Wenn einer der repräsentativen Regeltransistorarten durchbricht, wird die Überspannung an Erde oder Masse der Schaltung geleitet. Die Überspannung wird daher nicht der inneren integrierten Programmier- und Arbeitsschaltung angelegt. Die in Reihe geschalteten Transistoren bilden einen Spannungsabfall, der hinreichend groß ist, um eine angemessene Energiezufuhr zu den inneren Bauteilen der integrierten Schaltung zu bilden und eine Unterbrechung des Betriebs der Schaltvorrichtung infolge des Durchbruchs eines der Regeltransistoren zu verhindern. Auf diese Weise wird eine Störung der Speicherinhalte vermieden.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschema einer integrierten Schaltung gemäß der Erfindung als Ausführungsbeispiel und

Fig. 2 ein Schaltschema eines Spannungsreglers für einen integrierten Schaltkreis gemäß der Erfindung.

Das in Fig. 1 als Blockschema dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung eignet sich vor allem für einen mit 256 Bit elektrisch löschbaren Programmier-Festwertspeicher (E²PROM), größere E²PROM&min;s oder eine andere als integrierter Schaltkreis ausgebildete Speicherschaltung 10. In dem E²PROM-Schaltkreis erzeugt ein in aller Regel außerhalb des E²PROM-Halbleiterplättchens angeordneter Hochspannungsgenerator 11 eine Programmierspannung, die mit einer Programmierschaltung 13 über den gemäß der Erfindung ausgebildeten Regler 12 verbunden ist. Der auf dem E²PROM-Halbleiterplättchen angeordnete Regler 12 regelt die interne Programmierspannung (Vpp) durch Begrenzung des Größtwertes der Spannung Vpp auf einen Betrag, der nicht größer ist als die feldgestützte Durchbruchsspannung der E²PROM-Schaltungstransistoren und/oder der Feldtransistorschwellenspannung, die der Programmierschaltung 13 zugeführt wird.

In Fig. 2 ist der Schaltkreis 12 dargestellt, dessen Eingangsanschluß mit einem Hochspannungsgenerator von in der Regel 24 bis 30 V Gleichspannung verbunden ist und dessen Ausgangsanschluß eine Spannung Vpp führt, die der internen Programmierschaltung zugeführt wird. Die Spannung am Schaltungsknotenpunkt A ist begrenzt auf die Feldschwelle VT des Transistors T1, die bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung etwa 25 V Gleichspannung beträgt. Diese Spannung ist zu hoch für den Gebrauch in der Programmierschaltung, wo die feldgestützte Durchbruchsspannung in der Regel 21 V Gleichspannung beträgt. Die Spannung am Schaltungsknotenpunkt B wird durch den Transistor T2 nach der Spannung am Schaltungsknotenpunkt A hin gezogen. Die Spannung am Schaltungsknotenpunkt C folgt derjenigen am Schaltungsknotenpunkt B über den Transistor T3.

Wenn die Spannung Vc am Schaltungsknotenpunkt C auf das Durchbruchspotential der Transistoren T5-T7 ansteigt (welche als Repräsentanten den verschiedenen Transistorarten innerhalb der integrierten Schaltung, der die geregelte Spannung zugeführt wird, entsprechen), beendet die Spannung am Schaltungsknotenpunkt C ihren Anstieg, und die Spannung Vb am Schaltungsknotenpunkt B wird dadurch auf dem Wert Vb = Vc + VT3 gehalten, wobei VT3 der Spannungsabfall am Transistor T3 ist. Es fließt zwar ein kleiner Strom Isub durch den Transistor T2, aber der Hochziehvorgang durch die Langkanal-Verarmung (the long channel depletion pullup) macht nur 2 bis 3 V Vds aus, und dementsprechend beträgt Isub weniger als 0,1 Mikroampere. Die interne Spannung Vpp am Stromkreisknotenpunkt D (Vd) steigt an auf Vd = Vb - VT4 = Vc + VT3 - VT4; dabei ist VT4 der Spannungsabfall am Transistor T4. Die Transistoren T3 und T4 sind einander gleich und daher ist VT3 = VT4. Infolgedessen beträgt Vd = Vc = Durchbruchpotential der Transistoren T5, T6 und T7.

Die Transistoren T5-T7 sind nicht direkt an den Knotenpunkt A angeschlossen, weil der Durchbruchstrom an dem Punkt Isub beträchtlich größer ist und daher eine Störung der Datenzustände in dem zugeordneten Speicher verursachen könnte. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist T5 ein Feldtransistor (d. h. einer, der Feld-Oxid anstelle des normalen Gate-Oxid aufweist) mit einem Abstand zwischen Drain und Source, der das für den Prozeß erlaubte Mindestmaß darstellt; der Transistor T6 ist ein Schein-Speicherzellentransistor (a "dummy memory cell"-Transistor), dessen schwebende Elektrode und Gate-Anschluß an Erde gebunden sind, was dem ungünstigeren Fall bezüglich der Durchbruchsbedingungen für das ganze Speicherzellenfeld entspricht; und der Transistor T7 ist ein Anreicherungstransistor (an enhancement mode transistor), dessen Gate-Anschluß an Erde gebunden ist, was dem ungünstigeren Fall der Durchbruchsbedingung für diese Transistorenart entspricht.

Die Transistoren T5-T7 sind so ausgebildet, daß sie den verschiedenen Arten von Transistoren entsprechen, die in dem integrierten Schaltkreis vorgesehen sind, dem gemäß der Erfindung eine geregelte Energie zugeführt wird. Die Transistoren TS-T7 sind alle in einer auf den ungünstigsten Fall zugeschnittenen Form und Ausbildung hergestellt. Daher sind die Durchbruchseigenschaften dieser Transistoren die gleichen oder noch ungünstiger als die der von ihnen zu schützenden Transistoren, d. h. der Transistoren in der Funktionsschaltung. Wenn mehr als drei Arten, Größen oder sonstige gewünschte Eigenschaften von Transistoren in der Schaltung enthalten sind, können noch zusätzliche stellvertretende Transistoren mit dem Schaltungsknotenpunkt C verbunden sein, als es hier für die Transistoren T5-T7 gezeigt ist.

Wenn im Betrieb eine Überspannung von einem gewählten Höchstwert an den Reglerkreis angelegt wird, wird die überschüssige Spannung mittels des Durchbruchs eines der Transistoren T5-T7 zur Erde abgeleitet. Dies geschieht ohne Störung für die interne Programmierspannung, die der Programmierschaltung 13 durch den Reglerkreis zugeleitet wird. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die stellvertretenden Transistoren T5- T7 sämtlich zugleich mit allen anderen Transistoren in der integrierten Schaltung hergestellt sind. Weil alle Transistoren gleichzeitig und auf dem gleichen Substrat der integrierten Schaltung hergestellt werden, haben sie gemeinsame Charakteristiken wie alle anderen und können daher so ausgebildet sein, daß sie praktisch gleiche Durchbruchscharakteristiken aufweisen. Diese nahezu gleichen Charakteristiken ermöglichen es, den stellvertretenden oder repräsentativen Regeltransistoren T5-T7 Überspannungen von einem gewünschten Maximalwert an abzufangen und den Energieüberschuß zur Erde abzuleiten, wogegen bei normalen internen Programmierstromkreisen der Betrieb durch die geregelte Spannung Vpp aufrechterhalten wird, die der internen Programmierschaltung durch den Transistor T4 zugeführt wird.

Die vorstehenden Ausführungen werden nur zum Zweck der Erläuterung und beispielsweise angegeben. Darüber hinaus bestehen auch noch weitere Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Erfindung. So kann z. B. die Erfindung bei jeder Art von integrierten Schaltkreisen mit Vorteil verwendet werden, bei denen eine geregelte interne Spannung von Vorteil ist. Die Erfindung läßt sich auch bei anderen Herstellungstechniken integrierter Schaltungen verwenden, wie z. B. bei der bipolaren und der CMOS-Technik. Außerdem können Festkörper- und andere Vorrichtungen mit kritischen Durchbruchsspannungen in eine normale Schaltung zusammen mit stellvertretenden Regeltransistoren gemäß der Erfindung eingebaut werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Integrierte Schaltung zum Anschluß an eine externe Hochspannungsquelle, welche integrierte Schaltung eine Funktionsschaltung mit einem ersten aus der Hochspannungsquelle betreibbaren und eine charakteristische Durchbruchspannung aufweisenden Festkörperbauelement und eine an die Hochspannungsquelle angeschlossene Schaltung zur Überwachung der Hochspannung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. a) die Schaltung zur Überwachung der Hochspannung als interner Hochspannungsregler (12) ausgebildet ist, welcher eine interne Hochspannung erzeugt;
    2. b) der Hochspannungsregler (12) zwischen der Hochspannungsquelle (11) und der Funktionsschaltung angeordnet ist;
    3. c) der Hochspannungsregler (12) eine an die Hochspannungsquelle angeschlossene erste Reglerstufe zur Begrenzung der internen Hochspannung auf einen ersten Spannungswert umfaßt; und
    4. d) der Hochspannungsregler (12) eine zweite Reglerstufe umfaßt, welche an die erste Reglerstufe gekoppelt ist und ein zweites mit dem ersten im wesentlichen identisches Festkörperbauelement enthält, welches zweite Festkörperbauelement ein Herunterregeln der internen Hochspannung veranlaßt, wenn es mit einer internen Hochspannung beaufschlagt wird, welche die charakteristische Durchbruchspannung übersteigt, so daß die interne Hochspannung auf einen Wert begrenzt wird, der nicht größer ist, als der von den beiden Spannungen, dem ersten Spannungswert und der charakteristischen Durchbruchspannung, kleinere Wert.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    daß die erste Reglerstufe einen ersten Transistor (T1) enthält, der einen ersten Anschluß und einen Steueranschluß, der mit der externen Hochspannungsquelle gekoppelt ist, und einen zweiten, mit Erde oder Masse der Schaltung gekoppelten Anschluß aufweist,

    daß die erste Reglerstufe die interne Hochspannung auf einen Größtwert begrenzt, der die Feldschwellspannung (VT) des ersten Transistors (T1) nicht übersteigt,

    und daß der Steueranschluß und der erste Anschluß des Transistors (T1) mit einem ersten Schaltungsknotenpunkt (A) verbunden sind.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zweiten Transistor (T2) mit einem ersten Anschluß, der mit dem ersten Schaltungsknotenpunkt (A) verbunden ist, und mit einem Steueranschluß sowie mit einem zweiten, mit einem zweiten Schaltungsknotenpunkt (B) verbundenen Anschluß.
  4. 4. Schaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen dritten Transistor (T3) mit einem ersten Anschluß und einem Steueranschluß, der mit dem zweiten Schaltungsknotenpunkt (B) verbunden ist, und mit einem zweiten Anschluß, der mit einem dritten Schaltungsknotenpunkt (C) verbunden ist.
  5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen vierten Transistor (T4) mit einem ersten Anschluß, der mit dem ersten Schaltungsknotenpunkt (A) verbunden ist, und mit einem Steueranschluß, der mit dem zweiten Schaltungsknotenpunkt (B) verbunden ist, sowie mit einem zweiten Anschluß, der mit einem vierten Schaltungsknotenpunkt (D) verbunden ist, zur Beaufschlagung der Funktionsschaltung mit der internen hohen Spannung.
  6. 6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Reglerstufe mehrere Regeltransistoren (T5, T6, T7) enthält, von denen jeder eine der verschiedenen in der Funktionsschaltung vorhandenen Festkörperbauelemente darstellt oder vertritt, wobei jeder Regeltransistor einen ersten, mit dem dritten Schaltungsknotenpunkt gekoppelten Anschluß, und einen zweiten, als Nebenschluß zur Umgehung der Funktionsschaltung geschalteten zweiten Anschluß enthält, und wobei die Regeltransistoren einen Steueranschluß aufweisen, der wahlweise entweder mit dem dritten Schaltungsknotenpunkt (C) und mit Erde oder Masse verbindbar ist.
  7. 7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschaltung eine Speicherschaltung (10) umfaßt.
  8. 8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschaltung eine E²PROM-Vorrichtung umfaßt.






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