DE2557359C2 - Gegen Datenverlust bei Netzausfall gesichertes dynamisches Speichersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichersystem mit integrierten Huibleiterspeicherzellen, die je aus einem kapazitiven Ladungsspeicherelement bestehen, das über ein in Reihe dazu angeordnetes und vom Potential einer ersten Auswahlieitung steuerbares Ladungsübertragungselement vom Feldeffekttyp mit einer zweiten Auswahlleitung verbindbar ist, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei den im Rahmen einer Datenverarbeitungsanlage eingesetzten Speichersysternen liegt im allgemeinen eine hierarchische Anordnung von verschiedenen, nach Kosten- und Leistungsgesichtspunkten ausgewählten Speichertypen vor. Kleine, d. h. mit relativ geringem Fassungsvermögen ausgestattete, jedoch sehr schnelle Halbleiterspeicher werden normalerweise als Arbeitsspeicher eingesetzt, zu denen der Zugriff direkt von der Zentraleinheit des Rechners erfolgt. Die außerordentliche Schnelligkeit solcher Speicher muß dabei mit beträchtlichen Kosten pro Bit gespeicherter Information erkauft werden. Hinsichtlich des Fassungsvermögens größer ausgelegte, jedoch langsamere und weniger teure Halbleiterspeicher und/oder magnetische Speichermedien bilden in einer solchen Hierarchie meist eine Art Zwischenstufe, während relativ langsame, aber bezogen auf die Kosten für ein Speicherbit sehr billige bewegte magnetische Speicher, wie z. B. Magnetplatten und -bänder, als ausgesprochene Massenspeicher (Hintergrundspeicher) zur Anwendung gelangen.

Mit fortschreitender Entwicklung relativ billiger, hochleistungsfähiger Halbleiter-Speichereinheiten wurde es für die mit der Entwicklung von Speichersysternen auf der Grundlage solcher Speichereinheiten befaßten Kreise zunehmend attraktiver, die Anwendung solcher Halbleiterspeicher für ein im Rahmen der oben beschriebenen Hierarchie größeres Feld zu versuchen. Bei dem in der US-PS 33 87 286 beschriebenen Feldeffekttransistor-Speicher wird für eine Speicherzelle lediglich ein einzelner FET sowie ein Speicherkondensator benötigt. Aspekte des Leistungsbedarfs, der

Kosten pro Bit, sowie d^r Schaltgeschvvindigkeit lassen diese Speicher nahezu ideal für billige Massenspeicher-Anwendungen erscheinen. Diese Ein-FET-Speicherzelle hat jedoch mit vielen Halbleiter-Speicherzellen gemeinsam, daß die Daten in fluchtiger Form gespeichert werden, d. h., daß zur Regenerierung der Speicherinformation eine konstante äußere Leistungszufuhr und damit eine dauernde Betriebsspannungsversorgung erforderlich ist Magnetische Speicher, die hinsichtlich Massenspeicheranwendungen mit solchen Halbleiterspeichern konkurrieren, sind die permanenten Speicher, die keine dauernde äußere Energiezufuhr benötigen. Die Systemfachleute und Anwender, zögern aber derartige permanente magnetische Speichermedien durch Halbleiterspeicher mit flüchtiger, d.h. von dauernder äußerer Energiezufuhr abhängiger Speicherung zu ersetzen.

Zwar sind auch Halbleiterspeicher mit permanenten Speichereigenschaften im oben erläuterten Sinne bekannt, sie eignen sich jedoch nicht für den Einsatz in Arbeitsspeichern. So sind Transistorstrukturen bekannt, die aus einer Schichtenfolge Metall-Faugschicht-Oxid-Halbleiter (MXOS) bestehen und bei denen unterschiedliche Schwellenspannungswerte eingestellt werden können. Bei diesen Transistoren fehlt jedoch die für Speicheranwendungen der besagten Art erforderliche hohe Schallgeschwindigkeit Darüber hinaus erfordern diese Bauelemente zum Einstellen der jeweiligen Schwellenspannung, daß hohe Spannungen auf dem Halbleiterplättchen, in dem diese Bauelemente ausgebildet sind, zugeführt und geschaltet werden. Die daraus resultierenden Anforderungen an den Herstellungsprozeß bedeuten erhebliche Probleme.

Bekannte Lösungen des Problems, in dynamischer Form gespeicherte Daten in Halbleiterspeichern auch bei einem Netzausfall gegen Verlust zu sichern, sehen z. B. den Einsatz einer Notbatterie zur Sicherung der fortlaufenden Leistungszufuhr vor, vgl. US-PS 35 62 555. Die Möglichkeit Netzausfälle durch Batterieeinsatz zu überbrücken, ist jedoch auf relativ kurze Ausfallzeiten beschränkt und kann sich dann als schwierig erweisen, wenn der Speicher nicht mit einem kompletten System verbunden ist, wie das beispielsweise beim Transport und Ablagern von Speichereinheiten der Fall sein kann.

Andere Lösungen des genannten Problems, bei denen eine Kombination der permanenten MXOS-Technologie mit einer dynamischen Speicherzelle vorliegt, finden sich in den US-Patentschriften 37 61 901, 37 71 148 und 37 74 177. Darnach ist bekannt, daß ein MXOS-Element an die Stelle eines der FET-Steuerelemente in einer konventionellen dynamischen Speicherzelle tritt. Die US-PS 37 71 '.48 gibt beisp^;elsweise die Lehre, den einzelnen FET in der Speicherzelle nach der US-PS 33 87 286 durch ein mit variabler Schwelle ausgestattetes MXOS-Transistorelement zu ersetzen. Obwohl diese bekannten Maßnahmen einige der mit dem Einsatz von Notbatterien verbundene Probleme lösen und insbesondere auch längerfristige Ausfälle überbrükken können, da nach dem Umsetzen der Speicherinformation in permanente Speicherzustände keine weitere Leistungszufuhr erforderlich ist, bleiben jedoch all die übrigen mit derartigen MXOS-Elementen verbundenen Verfahrensprobleme bestehen. Insbesondere erfordern alle diese Techniken, daß die normalen logischen Halbleiterschaltkreise, sowohl die normalen, relativ niedrigen Betriebsspannungen der dynamischen Speicher als auch die hohen Umschaltspannungen der Permanent-Elemente führen. Um ein solche? System aufzubauen, sind demnach besondere Schaltkreiselemente und Isolationsmaßnahmen erforderlich. Darüber hinaus wird die Maßnahme zur Übertragung der anfänglich als Kondensatorladung gespeicherten Daten auf die Permanent-Speicherelemente in dem Maße uneffizienter, in dem die Größe der Speicheranordnung und die Kapazität der Bitleitungen zunehmen. Da weiterhin das nicht-permanente Übertragungselement

in an eine Bitleitung angeschlossen ist und zum Einschreiben des permanenten Speicherzustandes leitend gemacht werden muß, kann zur Aufrechterhaltung einer wirksamen Isolation zwischen verschiedenen, mit derselben Bitleitung verbundenen Wortleitungen ledig-Hch eine einzige Wortleitung in einem Zeitabschnitt umgespeichert werden. Dadurch wird die Zeit zwischen der Entdeckung eines Netzausfalls und dem Abschluß der Umspeicherung infolge der zusätzlichen Anzahl benötigter Speicherzyklen beträchtlich verlängert

Aus der genannten US-PS 37 61 901 ist ein Speichersystem mit integrierten Halbleiterspeicherzellen bekannt, die je ein kapazitives Ladungotpeicherelement aufweisen, das über ein in Reihe dazu angeordnetes und vom Potential einer ersten Auswahlleitung steuerbares Ladungsübertragungselement vom Feldeffekttyp mit einer zweiten Auswahlleitung verbindbar ist. Bei diesem Speichersystem sind die kapazitiven Speicherelemente als MNOS-Elemente ausgeführt und haben zwei unterschiedlich einstellbare Schwellenwerte, wobei sie

jo je mit einer von der Gate-Elektrode des zugeordneten Ladungsübertragungselement getrennten Speicher-Gate-Elektrode ausgestattet sind, an die ebenfalls eine umschaltbare Spannungsquelle für einen Normalbetrieb (dynamischer Setrieb) und einen Spannungsausfallbe-

j-> trieb (permanenter Betrieb), und zwar über eine allen Speicherelementen gemeinsame Leitung und gesteuert von einer Speicherschutzschaltung, die den Ausfall der normalen Betriebsspannung feststellt, angeschlossen ist Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Maßnahme zur Übertragung der anfänglich als Kondensatorladung gespeicherten Daten auf die Permanent-Speicherelemente in dem Maße uneffizient wird, in dem die Größe der Speicheranordnung und die Kapazität der Bitleitungen zunehmen. Da weiterhin hier auch das nicht

■n permanente Übertragungselement an eine Bitleitung angeschlossen ist und zum Einschreiben der permanenten Speicherzustände leitend gemacht werden muß, kann zur Aufrechterhaltung einer wirksamen Isolation zwischen verschiedenen, mit derselben Bitleitung verbundenen Wortleitungen lediglich eine einzige Wortleitung in einem Zeitabschnitt umgespeichert werden. Hieraus ergaben sich große Zeitabstände zwischen der Entdeckung des Netzausfalls und dem Abschluß der Umspeicherung, weshalb viele zusätzliche Speiche· Zyklen zur Umspeicherung benötigt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Speichersystem

sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb anzugeben, mit dem die in einem dynamischen Halbleiterspeicher mit wahlfreiem Zugriff nicht-permanent gespeicherten

f>o Daten relativ schneil. möglichst in etwa einem einzigen Speicherzyklus, in Speicherzustände umgesetzt werden können, die von äußerer Energiezufuhr nicht mehr abhängig sind. Die zum Umsetzen derSpeirherinformation in unterschiedliche Schwellenwertzustände benö-

^h"> tigten hohen Schreibpotentiale sollen dabei nicht über im Halbleiterkörper ausgebildete Feldeffekttransisw)-ren geschaltet werden müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im

Patentanspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Umeransprüchen bezeichnet. Zusammengefaßt sieht die Erfindung bei einer aus einem Ladungsübertragungselement und einem kapazitiven Speicherelement bestehenden Speicherzelle vor, daß das kapazitive Speicherelement zwischen dem Zustand eines hohen und niedrigen Schwellenwertes in Abhängigkeit von der im Kondensatorbereich gespeicherten Ladung umgeschaltet wird. Das Ladungs-Übertragungselement, über das im Normalbetrieb der Zugang zur Speicherzelle erfolgt, wird dabei benutzt, um die gespeicherte Ladung an dem jeweiligen Speicherplatz von den Bitleitungen zu isolieren, um in einem einzigen, etwas ausgedehnten Speicherzyklus die Umsetzung der Speicherinformation in von äußerer Energiezuführung unabhängige Schwellenwertzustände zu bewerkstelligen. Nach der Wiederaufnahme der normalen Betriebsspannungsversorgung werden vorzugsweise die an den einzelnen Spcnjlicipläi/.cii gespeicherten Informationen kurzzeitig an anderer Stelle zwischengespeichert, um die kapazitiven Speicherelemente der genannten Art wieder auf ihren anfänglichen Zustand des niedrigen Schwellenwertes umzuschalten. Danach können die gespeicherten Daten endgültig in die Speicherplätze rückgespeichert werden. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des Speichersystems nach der Erfindung, aus dem das Zusammenwirken der Speicherelemente und Steuereinrichtungen deutlich werdensoll;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine integrierte Schaltungsstruktur nach der Erfindung, aus der der physikalische Aufbau einer einzelnen Speicherzelle hervorgeht und

F i g. 3 verschiedene Spannungsverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise des Speichersystems.

Eine aus einem einzelnen Element bestehende Speicherzelle nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung arbeitet in an sich bekannter Art. Eine umfassendere Beschreibung der Arbeitsweise einer derartigen Speicherzelle kann dem oben bereits erwähnten US-Patent 33 87 286 entnommen werden.

In Fig. 1 ist eine Speichereinheit 10 mit einem allgemein mit' 12 bezeichneten Datenverarbeitungssystem gekoppelt. Die Speichereinheit 10 enthält beispielsweise ein Feld von vier Ein-Element-Speicherzellen, die in Matrixform, d. h. in Spalten und Reihen, angeordnet sind. Jede Speicherzelle enthält einen MOS-Schalter bzw. ein Übertragungselement Tn, von dessen stromführenden Anschlüssen einer mit einer Seite eines Speicherkondensators Cn mit variabler Schwelle verbunden ist Obwohl aus Gründen der besseren Klarheit das Übertragungselement sowie der Speicherkodensator schematisch als diskrete Elemente in Form eines MOSFEP sowie eines Kondensators dargestellt sind, ist in Wirklichkeit bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung der mit dem Kondensator verbundene stromführende Anschluß des MOSFET ein gemeinsamer Spannungsknoten, was im Zusammenhang mit F i g. 2 noch näher erläutert werden wird Mit der anderen Seite jedes Kondensators Cn ist eine normalerweise an eine Referenzspannung angeschlossene, mit SG bezeichnete Leitung verbunden. Die Steuer- oder Gate-Elektrode jedes Übertragungselements in einer gemeinsamen Zeile ist über eine mit W/L bezeichnete Wortleitung mit einem Wort-Decoder 14 verbunden, der konventionell aufgebaut sein und beispielsweise dynamische FET-NOR-Verknüpfungsglieder verwenden kann. Der jeweils andere stromführende Anschluß jedes Übertragungselementes Tn in einer gemeinsamen Spalte ist an eine mit B/L bezeichnete Bitleitung angeschlossen, die mit einem Leseverstärker und Bit-Treiber 16 verbunden ist. Für den Schaltungsaufbau eines derartigen Leseverstärkers sowie Bit-Treibers 16 kann auf die /ahlreiche technische, insbesondere Patentliteratur zu derartigen Schaltungen hingewiesen werden. Beispielsweise kann als Leseverstärker nd Bit-Treiber eine Ladungsiibertragungseinrichtung der im US-Patent 37 64 906 beschriebenen Art Verwendung finden.

Die Steuerung der Speicheranordnung wird in erster Linie durch die mit 18 bezeichnete Speicher Adreßsteuerung durchgeführt. Dieser Schaltungsblock enthält logische Verknüpfungsschaltungen sowie andere Hilfs-

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über die Sammelleitung 20 an den Wort-Decoder 14 und über die Sammelleitung 22 an den Leseverstärker/Bit-Treiber 16 sowie zur Zuführung entsprechender Zeitsteuersignale zur Ablaufsteuerung über die Leitungen 26 und 28 erforderlich sind. In einer solchen Speichereinheit 10 ist weiterhin ein Betriebsspannungsverteiler 30 vorgesehen, der die verschiedenen, für eine exakte Arbeitsweise der Speichereinheit erforderlichen Betru.csspannungen liefert und der normalerweise aus einer Anzahl von Spannungs-Sammelleitungen besteht, im Falle eines Betriebsspannungs-Ausfalls auf der Ebene der Datenverarbeitungssystems würde normaler- ' weise daraus eine Zerstörung bzw. ein Verlust der im Speicher gespeicherten Informationen bzw. Daten resultieren.

Das in Fig. t mit 12 bezeichnete Datenverarbeitungssystem umfaßt eine DV-Einheit 32, mit der ein schneller Klein-Speicher 34 geringeren Fassungsvermögens von bekannter Art verbunden ist. Die minimale Kapazität dieses Speichers 34 sollte groß genug sein, um zumindest die in einem einzigen Speicherfeld der Speichereinheit 10 gespeicherten Daten aufnehmen zu können, was noch genauer erläutert werden wird. Die Spannungsversorgung für das Datenverarbeitungssystem wird von einem konventionellen Betriebsspannungs-Aggregat 36 geleistet. Eine in Fig. t mit 38 bezeichnete Speicher-Schutzschaltung, wie sie z. B. in der US-PS 35 62 555 beschrieben ist, überwacht die von der Spannungsquelle 36 gelieferten Spannungen und besorgt die Leitungszufuhr bzw. die Zuführung der verschiedenen Referenzspannungen an die Speichereinheit 10. Mit der Entdeckung eines Fehlers oder einer Unterbrechung im Betriebsspannungsaggregat 36 ist in der Speicherschutzschaltung 38 noch ausreichend Restenergie, z. B. aus Batterien, einem kapazitiven Energiespeicher oder einem Schwungrad-Generator vorhanden, um die dem Betriebsspannungsverteiler 30 im Speicherteil zugeführten Spannungen für eine so lange Zeit aufrechtzuerhalten, die ein Umspeichern der bis dahin flüchtig gespeicherten Daten in von Energiezufuhr unabhängiger, d. h. permanenter Weise gestattet Die Speicherschutzschaltung 38 regelt darüber hinaus im normalen dynamischen Betriebsablauf des Speichers 10 das an die Leitung SG angelegte Referenzpotential und weist ebenfalls eine Umschaltmöglichkeit für den Fall eines Betriebsspannungsausfalls sowie die anschließende Rück-Umspeicherung in den dynamischen Betriebszustand auf, indem von äußerer Energiezufuhr

unabhängige (nicht-flüchtige) Schreib- und Löschpotentiale an diese SG-Leitung angelegt werden. Bei der Wiederaufnahme des Normalbetriebs liefert dieser Schaltungsblock 38 schließlich über die Leitung 40 ein Steuersignal an die Torschaltung 42, die normalerweise eine in beiden Richtungen mögliche Datenübertragung bezüglich des schnellen kleinen Speichers 34 erlaubt. Bei einem Netzausfall sowie anschließender Wiederaufnahme d.·: Normalbetriebes wird die Torschaltung 42 so gesteuert, daß dann Daten von der Speichereinheit 10 über den Inverter 44 geleitet werden, bevor es zu einer Abspeicherung irn schnellen Kleinspeichtr 34 kommt. Darauf wird noch näher eingegangen werden.

Unter Bezugnahme auf F i g. 2 werden nun die beiden erfindungsgemäßen Betriebsweisen der Speicherzelle, nämlich die von äußerer Energiezufuhr abhängige dynamische sowie die demgegenüber permanente Betriebsweise erläutert. F i g. 2 stellt dabei einen Querschnitt durch eine integrierte Schaltungsstruktur einer aus einem einzigen FETbc?;chcridcr; Spcichcrzc! Ie nach der Erfindung dar. In ihrem Aufbau und in ihrer Betriebsweise ist die Speicherzelle von F i g. 2 ähnlich zu der ladungsgekoppelten Ein-Element-Speicherzelle im IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 15, Nr. 5, September 1972, Seiten 1227 bis 1229.

Ein Halbleitersubstrat 46 aus beispielsweise P-Typ Silicium weist ein darin angeordnetes längliches N + Diffusionsgebiet 48 auf, das der Bitleitung B/L in F i g. 1 entspricht. Seitlich beabstandet von diesem Diffusionsgebiet 28 erstreckt sich ein Kanal- oder Übertragungsgebiet 50. Die Oberfläche des Halbleitersubstrats 46 wird von einer zusammengesetzten dielektrischen Schicht 52 mit unterschiedlichen Dickenverhältnissen bedeckt, welche eine Siliciumdioxidschicht 54 und eine Siliciumnitridschicht 56 umfaßt. Eine leitfähige Übertragungselektrode 58 ist an eine Wortleitung W/L angeschlossen und über die etwa 600 Ä dicke Schicht 52 von der Oberfläche des Substrats 46 beabstandet. Der den Kanalbereich 50 überdeckende Anteil der dielektrischen Schicht 52 bildet zusammen mit der Übertragungs-Elektrode 58 eine FET-Struktur mit festen Schwellenwert und umfaßt jeweils 300 A dicke Schichten aus Siliciumdioxid und Siliciumnitrid. Benachbart zur Elektrode 58 ist eine gemäß F i g. 1 mit der SG-Leitung verbundene Speicher-Gate-Elektrode 60 angeordnet, die in Verbindung mit dem darunterliegenden Bereich der Schicht 52 einen FET-Speicherkondensator mit variabler Schwellenspannung darstellt. Die dielektrische Schicht 52 unterhalb dieser Speicher-Gate-Elektrode 60 besteht aus einer etwa 30 Ä dicken Siliciumdioxidschicht sowie einer etwa 300 Ä dicken Siliciumnitridschicht. Die mit 58 und 60 bezeichneten Elektroden sind voneinander durch eine Isolierschicht 62 getrennt, die vorzugsweise durch Oxydation der Übertragungs-Elektrode 58 hergestellt wird.

Man erkennt nun, daß die dielektrische Schichtstruktur unter dem Speicher-Gate 60 die bekannte MNOS-Struktur darstellt, die in verschiedenen, von äußerer Energiezufuhr unabhängigen Speicherelementen verwendet wird. Eine solche Struktur gestattet es, unter dem Einfluß einer an das Gate 60 angelegten Spannung die wirksame Schwellenspannung des darunterliegenden Substratgebietes zu modifizieren, je nachdem, ob durch eine solche Spannungen Ladungen durch die dünne Siliciumdioxidschicht (zur Grenzfläche) tunneln konnten oder nicht Weitere Details eines geeigneten Herstellungsprozesses für eine solche Struktur können der US-PS 38 11 076 der Anmelderin entnommen werden.

Unter normalen Betriebsbedingungen arbeitet die Speicherzelle in F i g. 2 als eine von äußerer Energiezufuhr abhängige Speicherzelle, wie das in dem oben erwähnten TDB-Artikel beschrieben ist. Dabei wird die Ladung unter dem Speicher-Gate 60 in einer Potentialmulde 64 gespeichert, die gleichzeitig als Drain eines FET sowie als eine Seite eines Speicherkondensators wirkt. An das Gate 60 wird über die SG-Leitung ein positives Potential Vref angelegt, das ausreichend hoch zur Erzeugung der Potentialmulde 64 ist, jedoch nicht zur Änderung der Schwelle oder Flachbandspannung des Kondensators ausreicht. Die Speicherzelle wird in derselben Weise geschrieben, gelesen und aufgefrischt, wie das bei den obengenannten konventionellen Ein-FET-Speicherzellen der Fall ist.

Im Falle eines Netzausfalls wird das Übertragungs-Gale 58 auf OVoIt gehalten, um das Bitleitungs-Diffusionsgebiet 48 von der Potentialmulde 64 zu isolieren.

foctA Rpforpn7r\ntpntial Vrpf wird

auf den Wert des positiven Schreibpotentials + Vw angehoben, das erforderlich ist, um etwa in der Potentialmulde 64 vorhandene Minoritätsträger dazu zu veranlassen, durch die dünne Siliciumdioxidschicht 54 innerhalb der zusammengesetzten dielektrischen Schicht 52 hindurchzutunneln, um die Schwellenspannung des Kondensators zu ändern oder die Flachbandspannung an der Halbleiteroberfläche unter dem Speicher-Gate 60 aufzuladen. Der konkrete + W-Potentialwert hängt dabei von verschiedenen Faktoren ab, z. B. der gewünschten Ladungsspeicher-Charakteristik des Kondensators sowie der erwünschten Haltezeit. Ist an dem betrachteten Speicherknoten Ladung entsprechend einer nicht-permanent gespeicherten logischen »1« vorhanden, nimmt die Flachbandspannung zu, da ein ausreichend großes Potential an der dielektrischen Schicht unter dem Gate 60 anliegt, das den Tunneleffekt bewirkt. Ist jedoch entsprechend einer gespeicherten logischen »0« keine Ladung vorhanden, wird der überwiegende Teil des Feldes vom Speicher-Gate 60 über der Verarmungsschicht abfallen und die Flachbandspannung bzw. Schwelle verschiebt sich nicht. Die vorher nicht-permanent gespeicherten Daten werden dann in der MNOS-Struktur ohne Notwendigkeit einer externen Leistungszufuhr gespeichert gehalten. Wenn dann der Normalbetrieb wieder aufgenommen wird und die permanent gespeicherten Daten aus den Speicherzellen ausgelesen worden sind, was noch zu beschreiben sein wird, können alle Speicher-Kondensatoren in der Anordnung durch Anlegen des Potentials — W über die gemeinsame SG-Leitung an die Gate-Elektroden 60 in den ursprünglichen Zustand niedriger Schwelle rücküberführt werden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 3 wird im folgenden die Arbeitsweise des Speichersystems nach der Erfindung näher beschrieben werden. F i g. 3 gibt ein typisches Impulsablaufprogramm für den Betrieb des Speichers wieder.

Wie für den Zeitabschnitt Ti gezeigt ist, können Daten in eine Speicherzelle in konventioneller Weise mittels eines Steuerimpulses auf einer Wortleitung und eines dazu koinzidenten Datenimpulses auf einer Bitleitung eingeschrieben werden. Eine logische »1« wird beispielsweise in Zelle 1 durch gleichzeitiges Beaufschlagen der Leitungen W/L 1 und B/L 1 eingeschrieben. Ein normaler (nicht-permanenter) Lesevorgang der Zelle 4 ist im Zeitabschnitt T2 gezeigt, indem an W/L2 ein entsprechender Auswahlimpuls anliegt

und unter der Annahme einer gespeicherten logischen »1« in Zelle 4 auf der zugehörigen Bitleitung B/L 2 ein entsprechender Spannungsimpuls auftritt. Im Normalbetrieb werden somit Daten in beiden Richtungen zwischen der Speichereinheit 10 und der DV-Einheit 32 und/oder dem schnellen Kleinspeicher 34 über die Torschaltung 42 ausgetauscht. Die Speicherschutzschaltung 38 liefert dabei die Referenzspannung Vrcf auf die gemeinsame ^CG-Leitung.

Bei einem Netzausfall wird die Speicherschutzschaltung 38 für einen kurzen Zeitabschnitt die normalen Betriebsspannungen für die Speichereinheit 10 aufrechterhalten. Während des Zeitabschnitts 7"3 erfolgen in der Speichereinheit 10 keine not Malen Zugriffsvorgänge mehr; W/L 1 und W/L 2 wurden auf ö Volt gehalten, um jegliche Ladung auf den von den Bitleitungen isolierten Kondensatoren Cn aufrechtzuerhalten. Die Speicherschutzschaltung 38 hebt das Potential auf der SG-Leitung auf den Wert + Wan und bewirkt damit, daß in dem Speicherfeld die Daten permanent eingeschrieben werden. Die Speichereinheit 10 hält nun die Daten zeitlich unbegrenzt ohne Notwendigkeit äußerer Energiezufuhr aufrecht.

Nach Beendigung des Netzausfalls wird das Potential des 5G-Leitung wieder auf Vref gebracht und alle Bitleitungen werden hochgepulst, als wenn eine logische »1« in jede Speicherzelle des Speicherfeldes eingeschrieben werden sollte, wobei jeweils zu einem bestimmten Zeitabschnitt eine Wortleitung selektiert wird.

Wie in Fig.3 für den Zeitabschnitt 74 gezeigt ist, wird in die Zellen 1 und 2 bei ausgewählter VWL 1-Lei tu ng versucht, je eine logische »1« einzuschreiben. Während des Zeitabschnitts 75 werden die mit W/L 1 zusammenhängenden Speicherzellen ausgelesen. Dadurch werden jedoch nur bei den Speicherkondensatoren mit geringer Schwellenspannung bzw. niedriger Flachbandspannung unter den Speicher-Gates Potentialmulden (Verarmungszonenbereiche) aufgrund ihres früheren logischen »0«-Zustandes erzeugt, so daß die Leseverstärker den komplementären Wert der gespeicherten Daten feststellen. Speicherkondensatoren mit anfänglich gespeicherter logischer »1« weisen dagegen den hohen Schwellenspannungswert auf; bei ihnen wird keine Potentialmulde erzeugt, wenn an die SG-Leitung die Referenzspannung angelegt wird. Beim Auslesen im Zeitabschnitt 75 werden von diesen Speicherplätzen entsprechend logische »0«-lnformationen festgestellt.

Die Rück-Komplementierung erfolgt in der folgenden Weise. Mit Aufnahme des Normalbetriebs liefert die Speicherschutzschaltung 38 über die Leitung 40 ein entsprechendes Signal an die Torschaltung 42, die die von der Speichereinheit 10 gelesenen Daten über einen Inverter 44 leitet und somit die Daten in ihren ursprünglichen Speicherzustand komplementiert. Die Daten werden dann zeitweilig in dem schnellen Kleinspeichcr 34 abgespeichert, bis alle Wortleitungen eines Speicherndes ausgelesen sind, was in Fig. 3 mit den Zeitabschnitten 76 und 77 angedeutet ist. Es ist in diesem Zusammenhang festzustellen, daß zwar ein externer Speicher erforderlich ist. daß jedoch der Einsatz eines schnellen Kleinspeichers im Gegensat/ zu einem großen langsamen Speichermediums, wie das etwa bei einem Batterie-Notbetrieb erforderlich ist, nicht nötig ist. Da für den Rückspeichervorgang der Daten in den nicht permanenten Zustand die volle System-Betriebsspannungsversorgung vorliegt, kann auch jede Speichereinheit 10 sequentiell rückgespei chert werden. Bei anderen Systemen, die die vollständige Ausspeicherung der dynamisch gespeicherten Daten auf ein externes Medium mit Permanenl-Eigenschaften erfordern, muß der gesamte nicht-permanente Daienbestand vor dem endgültigen Betriebsspannungsausfall übertragen werden, was eine viel größere externe Speicherkapazität voraussetzt.

Der zeitliche Ablauf des Umspeichervorgangs kann durch eine besondere, in der Speicher-Adreßsteuerung 18 enthaltene Logik bzw. durch eine entsprechendes Mikroprogramm in der DV-Einheit 32 gesteuert werden.

Nachdem alle Daten auf die geschilderte Weise aus dem Speicherfeld entnommen worden sind, wird über die Speicher-Schutzschaltung 38 während des Zeitabschnitts 78 das Potential + Vw an die gemeinsame SG-Leitung angelegt, wodurch alle der mit variabler Schwelle ausgelegten Kondensatoren wieder in ihren Zustand niedriger Schwelle überführt werden. Darauf werden dann die Daten wieder in ganz normaler Weise in die Speichereinheit eingelesen, um dort in dynamischer (d. h. von äußerer Energiezufuhr abhängiger) Weise gespeichert zu werden.

Es ist besonders darauf hinzuweisen, daß durch den Einsatz einer im Normalbetrieb auf einem festen Potential liegenden Versorgungsspannungsleitung, über die die Schreib- und Löschbedingungen für den Permanent-Speicherzustand bewirkt werden, die Auslegung der Speicherschalt- und -steuerkreise nicht mehr an die für die Umspeicherung in permanenter Speicherform erforderlichen hohen Schreib- und Löschspannungen vorgenommen werden muß.

Obwohl die Erfindung im Rahmen des Ausführungsbeispiels anhand von N-Kanal MNOS Ladungsübertragungsstrukturen erläutert worden ist, können gleichermaßen bei entsprechender Anpassung der Spannungswerte P-Ka^aI Elemente und andere von äußerer Energiezufuhr unabhängige Speicherstrukturen benutzt werden. Weiterhin ist zu bemerken, daß normalerweise mehrere Speichereinheiten eingesetzt werden, von denen jede wiederum aus mehreren Speicherfeldern bestehen kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche;

1. Speichersystem mit integrierten Halbleiterspeicherzellen, die je aus einem kapazitiven Ladungsspeicherelement bestehen, das über ein in Reihe dazu angeordnetes und vom Potential einer ersten Auswahlleitung steuerbares Ladungsübertragungselement vom Feldeffekttyp mit einer zweiten Auswahlleitung verbindbar ist, bei dem die kapazitiven Ladungsspeicherelemente in MNOS-S trukturen mit zwei unterschiedlich einstellbaren Schwellenwerten ausgebildet sind, die je mit einer von der Gate-Elektrode des zugeordneten Ladungsübertragungselements getrennten Speicher-Gate-Elektrode ausgestattet sind, an die eine umschaltbare Span- ^ nungsquelle für einen Normalbetrieb und einen Spannungsausfallbetrieb, und zwar über eine allen Speicherelementen gemeinsame Leitung und gesteuert von einer Speicherschutzschaltung, die den Ausfall Her normalen Betriebsspannung feststellt, angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem durch die Speicherschutzschaltung (38) festgestellten Ausfall der normalen Betriebsspannungsversorgung für einen relativ kurzen Zeitabschnitt (T3 in Fig.3) ein gegenüber der Bezugsspannung (Vref) erhöhter Spannungsimpuls (+ Vw) zur selektiven Eins-iellung des von weiterer äußerer Energiezufuhr unabhängigen Zustands des höheren Schwellenwertes bei den Speicherelementen (Cn) abgegeben wird, bei denen entsprechend dem jeweiligen Speicherzustand eine elektrische Ladung gespeichert war.

2. Speichersystem nac'·. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dal? die feste Bezugsspannung (Vref) zum dynamischen Bivieb der Speicherelemente gerade so hoch gewählt ist, daß irr; Halbleiterkörper unterhalb der Speicher-Gate-Elektroden (60) ein räumlich begrenztes Verarmyngsgebiet bzw. eine Potentialmulde (64) gebildet wird, in dem je nach Speicherzustand Ladungsträger präsent sind oder nicht, daß diese Bezugsspannung (Vref) andererseits jedoch unter dem Wert bleibt, bei dem die etwa in der Potentialmulde (64) angesammelten Ladungen in die den Halbleiterkörper in diesem Bereich bedeckende dünne dielektrische Schicht, vorzugsweise Doppelschicht, tunneln können.

3. Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenüber der Bezugsspannung (Vref) erhöhte Spannungsimpuls (+ VV^so hoch gewählt ist, daß im Halbleiterkörper unter der Speicher-Gate-Elektrode befindliche Ladungsträger in die den Halbleiterkörper in diesem Bereich bedeckende dielektrische Schicht zur Umsetzung der Speicherinformation in unterschiedliche Schwellenwertzustände übergehen können.

4. Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Speicherelementen verbindbare Abfühlschaltungen zur Feststellung des Vorliegens eines bestimmten Sehwellenwertzustandes sowie weitere Schaltungsmittel zur Rückumsetzung der in Form von Schwellenwertzuständen gespeicherten Information vorgesehen sind.

5. Verfahren zum Betrieb eines Speichersystems b5 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückumsetzung der .Soeicherinformation für alle Speicherzellen je ein normaler Schreib- und Lesevorgang durchgeführt wird, so daß die so erhaltene Speicherinformation in einen Zwischenspeicher übertragen und währenddessen den Speicher-Gate-Elektroden ein gegenüber der Bezugsspannung (Vref) erhöhter Löschimpuls (— Vw) von gegenüber der Erstumsetzung entgegengesetzter Polarität zugeführt wird, und daß anschließend die Speicherinformation aus dem Zwischenspeicher, vorzugsweise über e'nen Inverter, in die jeweiligen Speicherzellen zurückgeschrieben wird.

6. Speichersystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper im Bereich unterhalb der Gate-Elektroden des jeweiligen Ladungsübertragungselementes sowie des Speicherelementes von einer isolierenden Doppelschicht, vorzugsweise einer Oxid-Nitridschicht bedeckt ist

7. Speichersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Halbleiterkörper bedeckende Isolationsschicht unterhalb der Speicher-Gate-Elektroden von geringerer Dicke ais unterhalb der Gate-Elektroden der Ladungsübertragungselemente und diese wiederum von geringerer Dicke als in den übrigen Bereichen ist.