DE3430972C2 - Integrierte Schaltung - Google Patents

Description

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

Die auf dem Halbleiterplättchen (on-chip) in einer als integrierter Schaltkreis ausgebildeten Speicherschal­ tung erzeugte Programmierspannung ist eine Funktion der Anzahl der Spannungsvervielfältigerstufen, die in dem internen Hochspannungsgenerator benutzt wird, und der Spannungsquelle (V_cc). Manchmal kann die Programmier­ spannung größer werden als die Durchbruchsspannungen einiger Transistoren in den Hochspannungskreisen in­ nerhalb der integrierten Schaltung. Wenn diese Durch­ bruchsspannung überschritten wird, können die Speicher­ inhalte Störungen erfahren. Im Ergebnis wird die Ver­ läßlichkeit eines jeden Systems, das eine solche in­ tegrierte Schaltung enthält, verschlechtert. Beim Einsatz einer Datenverarbeitung kann ein solcher Ver­ läßlichkeitsmangel den Verlust wertvoller Informati­ onen zur Folge haben. Außerdem können solche Über­ spannungen den integrierten Schaltkreis oder die Ge­ samtanordnung, in welcher er benutzt wird, be­ schädigen.

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 Spannungsregelein­ richtung außerhalb des Halbleiterplättchens von den Leitungen sowie von Ausgleichsvorgängen herrührenden Spannungen unterworfen, welche die Genauigkeit und Wirksamkeit der Regelschaltung nachteilig beein­ trächtigen können.

In der EP-A2-0 053 273 wird eine integrierte Schal­ tung mit nichtflüchtig programmierbaren Halbleitern offenbart, bei der neben der Versorgungsspannung V_dd selbst eine hohe, über der Versorgungsspannung V_dd liegende Programmierspannung V_p von einer Über­ wachungsschaltung überwacht wird. Hierzu wird in einer ersten Stufe (I) eine aus der Programmierspan­ nung abgeleitete konstante Referenzspannung U₁ er­ zeugt. Mit dieser Referenzspannung werden jeweils in einer eigenen Vergleichsstufe (II bzw. III) mit nach­ geordnetem Schwellwertschalter die Spannungen V_dd und V_p 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 regula­ tor" in Form einer integrierten Schaltung bekannt, die als einstufige, vollkommen separate Schaltung ausge­ bildet ist und keinerlei Bezug zu einer integrierten Hochspannungsregelung für ein mit Hochspannung ver­ sorgtes Funktions-IC aufweist.

Auch eine weitere Druckschrift, Sol D. Prensky, Arthur H. Seidman, Linear Integrated Circuits, Reston Pub­ lishing 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 Hochspan­ nung ergibt.

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

Durch die Erfindung wird es möglich, die in einem inte­ grierten Schaltkreis erzeugte interne Spannung (V_pp) durch Begrenzung der Spannung auf einen Größtwert zu regeln, der die feldgestützte Durchbruchsspannung der Transistoren auf dem Plättchen und/oder die Feldtran­ sistorschwellspannung nicht überschreitet. Die Er­ findung findet hauptsächlich Anwendung bei einer als integrierter Schaltkreis ausgebildeten Speichervorrich­ tung, und zwar bei Anordnung zwischen einer Hochspan­ nungsgeneratorschaltung und einer Programmierschal­ tung. Die Spannungsregelung erfolgt dabei in der Weise, daß die von der Hochspannungsgeneratorschal­ tung der Programmierschaltung zugeführte Spannung niemals auf einen kritischen Schwellenwert gelangt, der eine Störung der Inhalte der Speichervorrich­ tung verursachen würde.

Gemäß der Erfindung werden mehrere unter­ schiedliche Arten und Größen von Regeltransistoren und anderen Festkörperbauelementen in einen Regel­ kreis 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 Feldeffekt­ transistoren als auch bipolare Arten von Transisto­ ren 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 Schalt­ kreises - hergestellt sind, haben sie die gleichen Eigenschaften wie andere Transistoren derselben Art, die auf dem Halbleiterplättchen angeordnet sind. Gemäß der Erfindung wird jeder der repräsen­ tativen 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 integrier­ ten Schaltkreises zugeführt werden. Auf diese Weise wird eine genaue Spannungsregelung aufrechterhalten und die Inhalte einer dazugehörenden Speicherschal­ tung erfahren keine Störung.

Gemäß der Erfindung bildet ein erster Transi­ stor eine geregelte Spannung, die nicht größer ist als die Feldschwellspannung des Transistors an ei­ nem ersten Schaltungsknotenpunkt. Die so gebildete geregelte Spannung liegt regelmäßig höher als die niedrigste Durchbruchsspannung der Schaltungsbau­ teile des Stromkreises. Die geregelte Spannung wird über in Reihe geschaltete Regeltransistoren und danach jedem einzelnen der verschiedenen in dem integrierten Schaltkreis verwendeten Transi­ storarten zugeführt. Wenn einer der repräsenta­ tiven Regeltransistorarten durchbricht, wird die Überspannung an Erde oder Masse der Schaltung geleitet. Die Überspannung wird daher nicht der inneren integrierten Programmier- und Arbeits­ schaltung angelegt. Die in Reihe geschalteten Transistoren bilden einen Spannungsabfall, der hinreichend groß ist, um eine angemessene Ener­ giezufuhr zu den inneren Bauteilen der integrier­ ten Schaltung zu bilden und eine Unterbrechung des Betriebs der Schaltvorrichtung infolge des Durch­ bruchs eines der Regeltransistoren zu verhindern. Auf diese Weise wird eine Störung der Speicherin­ halte vermieden.

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

Fig. 1 ein Blockschema einer integrier­ ten Schaltung gemäß der Erfindung als Ausführungs­ beispiel und

Fig. 2 ein Schaltschema eines Spannungs­ reglers 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′s oder eine andere als integrierter Schalt­ kreis ausgebildete Speicherschaltung 10. In dem E²PROM-Schaltkreis erzeugt ein in aller Regel außerhalb des E²PROM-Halbleiterplättchens angeord­ neter Hochspannungsgenerator 11 eine Programmier­ spannung, die mit einer Programmierschaltung 13 über den gemäß der Erfindung ausgebildeten Regler 12 verbunden ist. Der auf dem E²PROM-Halbleiter­ plättchen angeordnete Regler 12 regelt die in­ terne Programmierspannung (V_pp) durch Begrenzung des Größtwertes der Spannung V_pp auf einen Betrag, der nicht größer ist als die feldgestützte Durch­ bruchsspannung 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 Hochspannungs­ generator von in der Regel 24 bis 30 V Gleichspan­ nung verbunden ist und dessen Ausgangsanschluß eine Spannung V_pp führt, die der internen Program­ mierschaltung zugeführt wird. Die Spannung am Schaltungsknotenpunkt A ist begrenzt auf die Feld­ schwelle V_T des Transistors T1, die bei dem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung etwa 25 V Gleich­ spannung 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 V_c am Schaltungsknotenpunkt C auf das Durchbruchspotential der Transistoren T5-T7 ansteigt (welche als Repräsentanten den ver­ schiedenen Transistorarten innerhalb der integrier­ ten Schaltung, der die geregelte Spannung zugeführt wird, entsprechen), beendet die Spannung am Schal­ tungsknotenpunkt C ihren Anstieg, und die Spannung V_b am Schaltungsknotenpunkt B wird dadurch auf dem Wert V_b = V_c + V_T3 gehalten, wobei V_T3 der Span­ nungsabfall am Transistor T3 ist. Es fließt zwar ein kleiner Strom I_sub durch den Transistor T2, aber der Hochziehvorgang durch die Langkanal-Verarmung (the long channel depletion pullup) macht nur 2 bis 3 V V_ds aus, und dementsprechend beträgt I_sub weniger als 0,1 Mikroampere. Die interne Spannung V_pp am Stromkreisknotenpunkt D (V_d) steigt an auf V_d = V_b - V_T4 = V_c + V_T3 - V_T4; dabei ist V_T4 der Spannungsabfall am Transistor T4. Die Transistoren T3 und T4 sind einander gleich und daher ist V_T3 = V_T4. Infolgedessen beträgt V_d = V_c = Durchbruch­ potential der Transistoren T5, T6 und T7.

Die Transistoren T5-T7 sind nicht direkt an den Knotenpunkt A angeschlossen, weil der Durch­ bruchstrom an dem Punkt I_sub 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 auf­ weist) mit einem Abstand zwischen Drain und Source, der das für den Prozeß erlaubte Mindestmaß dar­ stellt; der Transistor T6 ist ein Schein-Speicher­ zellentransistor (a "dummy memory cell"-Transistor), dessen schwebende Elektrode und Gate-Anschluß an Erde gebunden sind, was dem ungünstigeren Fall be­ züglich der Durchbruchsbedingungen für das ganze Speicherzellenfeld entspricht; und der Transistor T7 ist ein Anreicherungstransistor (an enhancement mode transistor), dessen Gate-Anschluß an Erde ge­ bunden ist, was dem ungünstigeren Fall der Durch­ bruchsbedingung für diese Transistorenart ent­ spricht.

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 ge­ regelte Energie zugeführt wird. Die Transistoren TS-T7 sind alle in einer auf den ungünstigsten Fall zugeschnittenen Form und Ausbildung herge­ stellt. Daher sind die Durchbruchseigenschaften dieser Transistoren die gleichen oder noch un­ günstiger 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, kön­ nen 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 Programmier­ schaltung 13 durch den Reglerkreis zugeleitet wird. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die stellvertretenden Transistoren T5- T7 sämtlich zugleich mit allen anderen Transisto­ ren in der integrierten Schaltung hergestellt sind. Weil alle Transistoren gleichzeitig und auf dem gleichen Substrat der integrierten Schaltung her­ gestellt werden, haben sie gemeinsame Charakte­ ristiken wie alle anderen und können daher so aus­ gebildet sein, daß sie praktisch gleiche Durch­ bruchscharakteristiken aufweisen. Diese nahezu gleichen Charakteristiken ermöglichen es, den stellvertretenden oder repräsentativen Regel­ transistoren T5-T7 Überspannungen von einem ge­ wünschten Maximalwert an abzufangen und den Ener­ gieüberschuß zur Erde abzuleiten, wogegen bei nor­ malen internen Programmierstromkreisen der Betrieb durch die geregelte Spannung V_pp aufrechterhalten wird, die der internen Programmierschaltung durch den Transistor T4 zugeführt wird.

Die vorstehenden Ausführungen werden nur zum Zweck der Erläuterung und beispielsweise angege­ ben. Darüber hinaus bestehen auch noch weitere Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Er­ findung. So kann z. B. die Erfindung bei jeder Art von integrierten Schaltkreisen mit Vorteil verwen­ det werden, bei denen eine geregelte interne Span­ nung von Vorteil ist. Die Erfindung läßt sich auch bei anderen Herstellungstechniken integrier­ ter Schaltungen verwenden, wie z. B. bei der bipo­ laren und der CMOS-Technik. Außerdem können Fest­ körper- und andere Vorrichtungen mit kritischen Durchbruchsspannungen in eine normale Schaltung zusammen mit stellvertretenden Regeltransistoren gemäß der Erfindung eingebaut werden.

Claims (8)

1. Integrierte Schaltung zum Anschluß an eine externe Hochspannungsquelle, welche integrierte Schaltung eine Funktionsschaltung mit einem ersten aus der Hochspannungsquelle betreibbaren und eine cha­ rakteristische Durchbruchspannung aufweisenden Festkörperbauelement und eine an die Hochspan­ nungsquelle angeschlossene Schaltung zur Über­ wachung der Hochspannung umfaßt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• a) die Schaltung zur Überwachung der Hochspannung als interner Hochspannungsregler (12) ausge­ bildet ist, welcher eine interne Hochspannung erzeugt;
• b) der Hochspannungsregler (12) zwischen der Hochspannungsquelle (11) und der Funktions­ schaltung angeordnet ist;
• c) der Hochspannungsregler (12) eine an die Hochspannungsquelle angeschlossene erste Reglerstufe zur Begrenzung der internen Hochspannung auf einen ersten Spannungswert umfaßt; und
• d) der Hochspannungsregler (12) eine zweite Reglerstufe umfaßt, welche an die erste Reg­ lerstufe gekoppelt ist und ein zweites mit dem ersten im wesentlichen identisches Fest­ körperbauelement enthält, welches zweite Fest­ körperbauelement ein Herunterregeln der inter­ nen Hochspannung veranlaßt, wenn es mit einer internen Hochspannung beaufschlagt wird, welche die charakteristische Durchbruchspannung über­ steigt, 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 Durch­ bruchspannung, kleinere Wert.

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 Hochspannungs­ quelle gekoppelt ist, und einen zweiten, mit Erde oder Masse der Schaltung gekoppelten Anschluß auf­ weist,
daß die erste Reglerstufe die interne Hoch­ spannung auf einen Größtwert begrenzt, der die Feldschwellspannung (V_T) 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. Schaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zweiten Transistor (T2) mit einem ersten An­ schluß, der mit dem ersten Schaltungsknotenpunkt (A) verbunden ist, und mit einem Steueranschluß sowie mit einem zweiten, mit einem zweiten Schal­ tungsknotenpunkt (B) verbundenen Anschluß.

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. Schaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen vierten Transistor (T4) mit einem ersten Anschluß, der mit dem ersten Schaltungsknoten­ punkt (A) verbunden ist, und mit einem Steueran­ schluß, der mit dem zweiten Schaltungsknoten­ punkt (B) verbunden ist, sowie mit einem zweiten Anschluß, der mit einem vierten Schaltungsknoten­ punkt (D) verbunden ist, zur Beaufschlagung der Funktionsschaltung mit der internen hohen Span­ nung.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Reglerstufe mehrere Regeltransi­ storen (T5, T6, T7) enthält, von denen jeder eine der verschiedenen in der Funktionsschaltung vor­ handenen Festkörperbauelemente darstellt oder ver­ tritt, 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 Regel­ transistoren einen Steueranschluß aufweisen, der wahlweise entweder mit dem dritten Schaltungs­ knotenpunkt (C) und mit Erde oder Masse ver­ bindbar ist.

7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Funktionsschaltung eine Spei­ cherschaltung (10) umfaßt.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Speicherschaltung eine E²PROM-Vor­ richtung umfaßt.