DE3837800A1

DE3837800A1 - Schaltungsanordnung zur zustandsueberwachung von schmelzleitungsverbindungen

Info

Publication number: DE3837800A1
Application number: DE3837800A
Authority: DE
Inventors: Keith W Golke; Robert L Rabe
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1987-11-12
Filing date: 1988-11-08
Publication date: 1989-05-24
Also published as: NL193349B; NL8802760A; JP2628359B2; KR960001304B1; JPH021145A; KR890008849A; NL193349C; US4837520A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Zustandsüberwachung von Schmelzleitungsverbindungen, zuweilen auch Sicherungen genannt. Bei der Herstellung hochgradig integrierter Schaltungen treten mitunter Fehler auf. Um hierdurch bedingten Ausschuß möglichst gering zu halten, ist es üblich, in einem Schaltkreismodul redundante Schaltelemente vorzusehen, welche im Falle eines Fehlers an die Stelle des fehlerhaften Schaltelements treten. Beispielsweise werden in Speicherschaltkreisen zusätzliche Spalten und Zeilen von Speicherelementen vorgesehen. Wird beim Testen des Schaltkreises festgestellt, daß ein Speicherelement fehlerhaft ist, so trennt man entsprechende Schmelzleitungsverbindungen, wodurch das fehlerhafte Speicherelement durch ein redundantes fehlerfreies Speicherelement ersetzt wird. Eine weitere Anwendung derartiger redundanter durch Schmelzleitungsverbindungen aktivierbarer Schaltkreiselemente sind logische Funktionskreise. Abhängig vom Zustand einer programmierbaren Schmelzleitungsverbindung arbeitet der Logikschaltkreis in einer bestimmten Betriebsweise.

Die üblichen Schmelzleitungsverbindungen in integrierten Schaltkreisen lassen sich durch Laserstrahl entweder verdampfen oder ausglühen oder sie werden durch einen elektrischen Strom zum Schmelzen gebracht. Unabhängig von der Art der Schmelzleitungsverbindung und ihrer Programmierung bzw. Unterbrechung muß vor dem Programmieren der jeweilige Zustand der Schmelzleitungsverbindungen feststellbar sein, um die gewünschte Funktion zu erzielen. Die meisten herkömmlichen Schaltungsanordnungen zur Zustandsüberwachung von Schmelzleitungsverbindungen umfassen Klemmschaltungen zum Ausschließen undefinierter Potentiale an internen Verbindungspunkten. Diese Schaltungen sind komplex und benötigen vielfach zusätzliche Verfahrensschritte bei der Herstellung. Bei einigen dieser Schaltkreise fließt in Abhängigkeit vom Zustand der Schmelzleitungsverbindung ein Gleichstrom, wodurch in unerwünschter Weise elektrische Leistung verbraucht und Wärme erzeugt wird.

Aus US-PS 46 13 959 ist ein mit derartigen Schmelzleitungsverbindungen ausgestatteter praktisch leistungsloser CMOS-Redunanzstromkreis bekannt, welcher die Merkmale des Gattungsbegriffs im Anspruch 1 aufweist. Durch Zerstörung der Schmelzleitungsverbindungen wird ein Schaltungspunkt der vorher auf "1" lag auf "0" sowie ein zweiter Schaltungspunkt in umgekehrter Richtung logisch umgeschaltet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung dieser Art in ihrer Wirkungsweise und Zuverlässigkeit zu verbessern und hierdurch eine sowohl von äußeren Einflüssen, als auch von Versorgungsspannungs- und Temperaturschwankungen im integrierten Schaltkreis unabhängige Zustandsüberwachung der Schmelzleitungsverbindungen zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Schaltungsanordnung zur Zustandsüberwachung von Schmelzleitungsverbindungen gemäß der Erfindung ist in erster Linie für rekonfigurierbare integrierte Schaltkreise, Speicher- und Logikschaltungen gedacht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schmelzleitungsstruktur derart in den Schaltkreis eingebaut, daß ein Flip-Flop entsteht, wobei die Anwendung der CMOS-Technologie in bekannter Weise die Leistungsaufnahme minimiert. Der Zustand der Schmelzleistungsverbindungen wird selbsttätig beim Einschalten des Schaltkreises ermittelt, ohne daß hierzu besondere Taktimpulse erforderlich wären. Der Schaltkreis ist stabil und von der angewandten Schmelzleitungstechnologie unabhängig. Er ist außerdem unempfindlich gegen ionisierende Strahlung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 das Schaltschema einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform und

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 liegt eine positive Versorgungsgleichspannung VDD am einen Ende der im folgenden als Sicherung bezeichneten ersten Schmelzleitungsverbindung 1, gleichzeitig an der Quellenelektrode S eines p-Kanal-Transistors QP und an der einen Belegung des als Initialisierungselement dienenden Kondensators Cc. Der andere Anschluß der Sicherung 1, nämlich der Knotenpunkt A, steht mit der Senkenelektrode D eines zweiten Transistors, nämlich eines n-Kanaltransistors QN, sowie mit der Steuerelektrode des Transistors QP in Verbindung. Die Senkenelektrode des Transistors QP liegt am Knotenpunkt B und ist damit an die Steuerelektrode des Transistors QN und ferner auch an die andere Belegung des Kondensators Cc sowie an die Ausgangsklemme V angeschlossen. Die Quellenelektrode S des Transistors QN liegt an Masse, d. h. am anderen Versorgungsspannungsanschluß VSS. Die Sicherung 2 liegt zwischen Steuerelektrode des Transistors QN und Masse, die Ausgangsklemme V am Knotenpunkt A.

Zweck des Initialisierungselements ist die Einschaltung der Transistoren beim Anschalten der Stromversorgung. Durch die Herstellung eines Stromweges zwischen der Steuerelektrode des Transistors QN und der Stromversorgung bzw. zwischen der Steuerelektrode des Transistors QP und Masse während der Einschaltung der Stromversorgung erreichen die Transistoren die ihre Durchsschaltung bewirkende Schwellspannung. Sobald die Transistoren durchgeschaltet sind, nimmt der Schaltkreis einen stabilen Schaltzustand ein, der vom Zustand der Sicherungen abhängt. Es entsteht nämlich eine positive Rückkopplungsschleife, wie dies später noch erläutert wird. Während in Fig. 1 der Initialisierungskondensator Cc dem Transistor QP parallelgeschaltet ist, liegt er in Fig. 2 parallel zum Transistor QN. In der Ausführungsform nach Fig. 3 ist beiden Transistoren je ein Kondensator Cc parallelgeschaltet. Eine zuverlässige Feststellung des Zustands der Sicherungen setzt voraus, daß das Initialisierungselement ordnungsgemäß die Transistoren steuert. Es werden deshalb als Initialisierungselemente Dünnschichtkondensatoren verwendet, welche gegenüber anderen Kondensatoren, beispielsweise Verbindungskondensatoren, eine bessere Stabilität und Unabhängigkeit von äußeren Einflüssen haben. In einer Umgebung, die Elektronen/Löcher-Paare im Silicium erzeugt, beispielsweise infolge von Bestrahlung oder Wärmeeinwirkung wird der hierdurch hervorgerufene Strom über eine p-n-Verbindungsstelle eines Verbindungskondensators die Nettokapazität verringern oder sogar beseitigen. Dies ist nicht der Fall bei Dünnschichtkondensatoren, weil die Dünnfilm- Metallelektrode von der darunterliegenden dotierten Halbleiterregion durch eine dielektrische Zwischenschicht getrennt ist. Darüber hinaus hängt ein Verbindungskondensator von der Raumladung oder Verdünnungsregion in der Nachbarschaft der Verbindungsstelle ab, um eine Kapazität zu bilden. Die Weite dieser Verdünnungsregion ist von der angelegten Spannung sowie von der Temperatur abhängig. Demgegenüber ist die Kapazität eines Dünnschichtkondensators praktisch von solchen Einflüssen unabhängig. Dünnfilmkondensatoren können darüber hinaus leicht auf bestimmte Kapazitätswerte eingestellt werden.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Transistoren QN und QP als MOS-Transistoren in CMOS-Technologie hergestellt. Die Sicherungen 1 und 2 können Streifen leitfähigen Polysilikons sein, die durch Laserbestrahlung verdampfen. Unter dem Einfluß einer solchen Laserbestrahlung gehen diese Sicherungen von einem leitfähigen in einen nichtleitenden Zustand über. Für eine ordnungsgemäße Betriebsweise der Schaltunganordnung müssen beide Sicherungen 1 und 2 den gleichen Zustand haben, also entweder beide stromleitend oder beide nichtleitend sein. Im Normalbetrieb ist der Anschluß VDD an eine positive Spannungsquelle von etwa 5V angeschlossen, und der andere Anschluß VSS liegt an Masse. Sind beide Sicherungen 1 und 2 leitend, so steht der Knotenpunkt A über die Sicherung 1 mit der positiven Versorgungsspannung VDD in Verbindung, wodurch der Transistor QP an seiner Steuerelektrode in einer die seine Stromleitfähigkeit des Kondensators verringernden Richtung beaufschlagt wird. Verringert sich Strom durch den Transistor QP, so nimmt die Spannung am Knotenpunkt B, hervorgerufen durch den Spannungsabfall an der Sicherung 2, ab, wodurch der Transistor QN ebenfalls in Richtung auf eine geringere Stromdurchlässigkeit gesteuert wird. Dies hat zur Folge, daß am Knotenpunkt A die Spannung weiter ansteigt und damit der Transistor QP noch weiter in Richtung auf eine verringerte Stromleitung gesteuert wird. Dieser positive Rückkopplungseffekt hat schließlich zur Folge, daß beide Transistoren QP und QN gänzlich gesperrt werden und damit die statische Leistungsaufnahme auf den Wert parasitärer Leckströme verringert wird. Sind beide Transistoren QP und QN gesperrt, so liegt der Knotenpunkt A praktisch auf Potential VDD und der Knotenpunkt B auf Massepotential VSS.

Sind beide Sicherungen 1 und 2 stromleitend und ist ihre Leitfähigkeit groß im Vergleich zur Leitfähigkeit der Transistoren QP und QN, so ergibt sich als einziger stabiler Schaltzustand derjenige, bei dem der Knotenpunkt A auf Potential VDD und der Knotenpunkt B auf Massepotential liegt. Wird beispielsweise als Schmelzleitungsmaterial Polysilikon mit einem Flächenwiderstand von 100 Ohm pro Flächeneinheit benutzt, so kann der Gesamtwiderstand der Sicherung durch Variieren der Anzahl der hintereinandergeschalteten Flächeneinheiten derart eingestellt werden, daß die Leitfähigkeit der Sicherung größer ist als die maximale Leitfähigkeit des Transistors. Liegen beispielsweise 5 Flächeneinheiten hintereinander, so beträgt der Gesamtwiderstand der Sicherung 500 Ohm. Die Transistoren sollten einen Widerstand von dem 2- bis 4-fachen von 500 Ohm haben. Ein typischer Transistor hätte dann ein Breiten/Längenverhältnis von weniger als 10. Das genaue Verhältnis hängt von den Prozeßgegebenheiten ab und ist entsprechend der gewählten Herstellungsmethode auszuwählen.

Sind im Gegensatz zur bisherigen Annahme beide Sicherungen nicht leitend, so nimmt bei Einschaltung der Stromversorgung die Spannung VDD von 0 ausgehend auf ihren Wert VDD zu. Die Spannung am Knotenpunkt B wächst infolge der Wirkung des Initialisierungselements, d. h. der kapazitiven Kopplung dieses Knotenpunkts über den Kondensator Cc an die Versorgungsspannung VDD ebenfalls an. Bemißt man den Kondensator derart, daß die Spannung am Knotenpunkt B ausreicht, um den Transistor QN einzuschalten, so entlädt sich der Knotenpunkt A, wodurch auch der Kondensator QP eingeschaltet wird. Damit wächst die Spannung am Knotenpunkt B in Richtung auf VDD an, und die erwähnte positive Rückkopplungswirkung tritt auch in dieser Betriebsweise in Erscheinung. Beide Transistoren QP und QN bleiben durchgeschaltet mit einem Senkenstrom, der fast auf 0 absinkt; wobei der Knotenpunkt A das Potential von VDD und der Knotenpunkt B praktisch Massepotential VSS annimmt. Die gleiche Art der Initialisierung könnte eingeleitet werden durch Entladen des Knotenpunkts A, so daß zunächst der Transistor QP einschaltet. Dann lädt der Transistor QP den Knotenpunkt B auf, der Transistor QN wird ebenfalls eingeschaltet, und es ergibt sich wiederum der positive Rückkopplungskreis. Im Ergebnis ergibt sich folglich in Abhängigkeit vom Zustand beider Sicherungen 1 und 2 folgender Zustand

Das Ausgangssignal wird vom Senkenanschluß der beiden Transistoren entnommen. Es können die Signale V oder oder auch beide zur Steuerung redundanter Schaltungen benutzt werden. Die Flip-Flop- oder bistabile Detektorschaltung für den Sicherungszustand erzeugt also entweder ein Ausgangssignal VDD oder Masse, allein abhängig vom Zustand der Sicherungen, ohne daß hierzu Taktimpulse oder Auffrischimpulse erforderlich wären oder eine nennenswerte elektrische Leistung verbraucht wird. Die beschriebenen Detektorschaltkreise sind stabil und ihre Funktion unabhängig von der angewandten Schmelzleitertechnologie.

Die Schaltungsanordnung ist ferner in hohem Maße unempfindlich gegen zeitabhängige Strahlungseinflüsse, die Ladungen erzeugen, welche sich an Knotenpunkten der Schaltungsanordnung ansammeln könnten. Infolge der hohen Leitfähigkeit der Sicherungen wird eine sehr starke Strahlung benötigt, um überhaupt die Spannungen an den Knotenpunkten merklich zu verändern. Sind die Sicherungen unterbrochen, so ist der Schaltzustand der Schaltungsanordnung automatisch derart, daß keine Halbleiter-p-n-Verbindungsstellen in Gegenrichtung vorgespannt sind. Da die Ansammlung von Ladungen infolge Bestrahlung die Vorspannung einer p-n-Verbindungsstelle in Gegenrichtung zu reduzieren trachtet, hat jegliche Ansammlung von Ladungen auf Grund von Strahlungseinflüssen lediglich zur Folge, daß der stabile Zustand der Schaltungsanordnung noch verstärkt wird. Die Knotenpunkte A und B sind also in ihrem stabilen Zustand eigensicher. Damit ist die gesamte Schaltungsanordnung eigensicher unempfindlich gegen den Einfluß ionisierender Bestrahlung.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Zustandsüberwachung von zwei Schmelzleitungsverbindungen in integrierten Schaltkreisen, Speicher- oder Logikschaltungen mit

a) einer an einen ersten Versorgungsspannungsanschluß (VDD) angeschlossenen ersten Eingangsklemme sowie einer an einen zweiten Versorgungsspannungsanschluß (VSS) angeschlossenen zweiten Eingangsklemme;
b) einer aus der ersten Schmelzleitungsverbindung (1) und einem ersten Transistor (QN) bestehenden, zwischen die beiden Versorgungsanschlüsse eingeschalteten ersten Reihenschaltung;
c) einer aus einem zweiten Transistor (QP) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und der zweiten Schmelzleitungsverbindung (2) bestehenden ebenfalls zwischen die beiden Versorgungsanschlüsse eingeschalteten zweiten Reihenschaltung;
d) einer ersten elektrischen Verbindung zwischen dem Knotenpunkt (A) von erstem Transistor (QN) und erster Schmelzleitungsverbindung (1) einerseits und der Steuerelektrode des zweiten Transistors (QP) andererseits;
e) einer zweiten elektrischen Verbindung zwischen dem Knotenpunkt (B) von zweitem Transistor (QP) und zweiter Schmelzleitungsverbindung (2) einerseits und der Steuerelektrode des ersten Transistors (QN) andererseits;
f) einer an die erste elektrische Verbindung angeschlossenen ersten Ausgangsklemme () sowie einer an die zweite elektrische Verbindung angeschlossenen zweiten Ausgangsklemme (V); wobei
g) an jeder der beiden Ausgangsklemmen (, V) ein erstes vorgegebenes Signal steht, wenn beide Schmelzleitungsverbindungen leitend sind, und ein zweites vorgegebenes Signal steht, wenn beide Schmelzleitungsverbindungen nicht stromleitend sind;

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem der Transistoren (QP, QN) als Initialisierungselement ein Dünnschichtkondensator (Cc) parallelgeschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (Cc) eine Metallschicht aufweist, welche durch eine Isolierschicht von einer darunterliegenden dotierten Halbleiterzone getrennt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzleitungsverbindungen (1, 2) aus leitfähigem Polysilikon bestehen.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Transistor (QP) ein p-Kanal-MOS-Transistor und der andere Transistor (QN) ein n-Kanal-MOS-Transistor ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren CMOS- Transistoren sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei jeder Transistor eine Quellenelektrode (S), eine Senkenelektrode (D) sowie eine Steuerelektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Senkenelektrode (D) des ersten Transistors (QN) an die Steuerelektrode des zweiten Transistors (QP) und die Senkenelektrode (D) des zweiten Transistors (QP) an die Steuerelektrode des ersten Transistors (QN) angeschlossen ist;
b) die erste Schmelzleitungsverbindung (1) zwischen Quellenelektrode (S) und Steuerelektrode des zweiten Transistors (QP) und die zweite Schmelzleitungsverbindung (2) zwischen Quellenelektrode (S) und Steuerelektrode des ersten Transistors (QN) liegt;
c) der positive Pol (VDD) der Versorgungsspannung mit der Quellenelektrode (S) des zweiten Transistors (QP) und Massepotential (VSS) mit der Quellenelektrode (S) des ersten Transistors (QN) in Verbindung steht.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen (, V) an die Senkenelektroden (D) der beiden Transistoren (QN, QP) angeschlossen sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste vorgegebene Ausgangssignal praktisch dem Potential des einen Versorgungsanschlusses (VDD) und das zweite vorgegebene Ausgangssignal praktisch dem Potential des anderen Versorgungsspannungsanschlusses (VSS) entspricht.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Transistoren (QN, QP) ein Dünnschichtkondensator (Cc) als Initialisierungselement parallelgeschaltet ist (Fig. 3).