DE10159882B4

DE10159882B4 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Programmieren einer Fuse einer integrierten Schaltung

Info

Publication number: DE10159882B4
Application number: DE2001159882
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: DE10159882A1

Abstract

Verfahren zum Programmieren einer Fuse einer integrierten Schaltung, bei dem zum Programmieren der Fuse ein Strom durch die Fuse geleitet oder eine Spannung an die Fuse angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel während des Programmierens der Fuse den Strom durch die Fuse bzw. die an der Fuse anliegende Spannung überwachen und das Ergebnis der Überwachung zum Regeln des Programmiervorgangs verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Programmieren einer Fuse einer integrierten Schaltung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Schaltungsanordnung zum Programmieren einer Fuse einer integrierten Schaltung nach dem Oberbegriff von Anspruch 11.
Zur einmaligen Programmierung einer integrierten Schaltung (IC: Integrated Circuit) werden in jenen Fällen, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, insbesondere in automotiven Anwendungsbereichen, oftmals sogenannte Hohlraumfuses (auch als fusible links bezeichnet) verwendet. Bei einer Hohlraumfuse wird eine Polysiliziumbrücke durch einen starken Programmierpuls zum Schmelzen gebracht. Die hohe Zuverlässigkeit dieser Programmiermethode rührt daher, dass das Abschmelzen der Brücke anlässlich der Programmierung irreversibel ist. Dies steht in Gegensatz zu EPROMs (Electrical Programmable Read Only Memories) oder EEPROMs (Electrical Erasable and Programmable Read Only Memories), deren Programmier-Ladung sich u.U. während der Lebensdauer des Bausteins verflüchtigen kann.
Eine weitere Möglichkeit zum Programmieren besteht in der Verwendung von Aluminimum-Fuses. Diese funktionieren ähnlich den Hohlraumfuses. Durch einen starken Programmierpuls wird eine dünne Aluminimumleitung zum Schmelzen gebracht. Dafür sind außerordentlich hohe Stromstärken erforderlich (von typischerweise ca. 0.5 A), da die dünne Aluminiumleitung nur durch ein dünnes Dielektrikum vom Substrat getrennt ist und somit in sehr innigem thermischen Kontakt zum gut wärmeleitenden Silizium steht. Um dennoch die nötige Energiedichte in der Fusestrecke zu erzeugen, muss daher ein hoher Strom fließen.
Neben der Programmierung durch Hohlraumfuses wird in gleichen Anwendungen auch das sogenannte Zener-Zapping verwendet. Dabei wird während der Programmierung an eine Zener-Diode eine hohe Spannung angelegt, so dass die Zener-Diode kurzgeschlossen wird und danach niederohmig bleibt. Dieses traditionelle Verfahren hat wie die Aluminium-Fuses den Nachteil, dass verhältnismäßig große Ströme zum Programmieren notwendig sind (typischerweise ca. 200 mA). In Anwendungen, in denen aus Schutzgründen ein Serienwiderstand in der Versorgungsleitung liegt, ist es daher nicht möglich, die integrierte Schaltung in der Applikationsschaltung zu programmieren (sogenanntes In-Circuit Programming).
Zum Programmieren einer integrierten Schaltung auf Scheibenebene (d.h. bevor die Schaltung in Form eines Halbleiterplättchens in ein Gehäuse montiert wurde) verwendet man häufig ebenfalls Polysiliziumbrücken, die allerdings durch Beschuss mit einem Laser programmiert werden. Diese Methode hat allerdings den Nachteil, dass die integrierte Schaltung nach Montage in das Gehäuse nicht mehr getrimmt werden kann. Durch die Montage der integrierten Schaltung verursachte Ungenauigkeiten können demnach nicht mehr herauskalibriert werden. Insbesondere bei Analog-ICs ist es aber oftmals unerlässlich, dass man Offsets und Temperaturgänge, die beispielsweise durch mechanische Verspannungen des Chips im Gehäuse stark beeinflusst werden, nach der Gehäusemontage trimmt.
Die Hohlraumfuses zeichnen sich im Unterschied zum Zener-Zapping durch den wesentlich geringeren Programmierstrom aus: sie benötigen nur typischerweise ca. 50 mA, also ca. 25% des Zener-Programmierstroms. Dieser niedrige Programmierstrom wird dadurch erreicht, dass die Poly(silizium)-Brücke nicht in unmittelbarem thermischen Kontakt mit dem Chip steht: Sie ist nicht, wie alle übrigen Bauelemente in den IC eindiffundiert bzw. auf der Oberfläche des ICs aufgewachsen, sondern sie befindet sich in einem Hohlraum. Dadurch ist jene Stelle, die beim Programmieren aufschmilzt, nur von schlecht wärmeleitender Luft umgeben und der thermische Kontakt zum restlichen IC gering. Erreicht wird das, indem die Poly-Fuse auf eine sogenannte Opferschicht (sacrificial layer) aufgewachsen wird, darüber kommt eine weitere Opferschicht, die mit einem Deckel abgedeckt wird. Dieser Deckel enthält Löcher, durch die eine Säure die Opferschichten auflösen kann. Sobald die Opferschichten vollständig aufgelöst sind, schwebt die Poly-Fuse wie eine Brücke in der Luft. Daher auch die Bezeichnung Poly-Brücke.
Gelegentlich wird der Deckel auch weggelassen. Zudem kann auch eine der beiden Opferschichten durch eine säurebeständige Schicht ersetzt werden, so dass die resultierende Fuse als Halbraum-Fuse bezeichnet wird. Vornehmlich für Forschungszwecke wird die Fuse auch komplett in Vollmaterial eingebettet.
Bei Hohlraumfuses kommt es gelegentlich zum Problem der Oszillationen: Wenn an die Fuse eine hohe Spannung angelegt wird, so steigt zunächst der Strom durch diese Fuse für einige Mikrosekunden stark an. Danach bricht der Stromfluss abrupt ab. In einer Vielzahl der Fälle ist die Fuse zu diesem Zeitpunkt bereits einwandfrei aufgeschmolzen und bleibt auch weiterhin hochohmig. Gelegentlich jedoch zeigt sich, dass die Fuse nicht einwandfrei aufgeschmolzen ist. Wenn man den Fusevorgang zu diesem Zeitpunkt abbricht, so zeigt die Fuse nach ca. 10 μs wiederum einen niederohmigen Kontakt zwischen ihren beiden Elektroden.
Wenn der Fusevorgang nicht abgebrochen wird – d.h. die hohe Programmierspannung bleibt unverändert an der Anode der Fuse anliegen, selbst wenn der Stromfluss abbricht – dann setzt der Stromfluss nach einigen weiteren Mikrosekunden wieder ein. Dieser Vorgang wiederholt sich zumeist viele Male: Der Stromfluss dauert nur wenige Mikrosekunden an und wird sodann unterbrochen für eine ähnlich lange Zeit, danach wiederholt sich dieser Vorgang. Diese Oszillationen scheinen dadurch zu entstehen, dass die Fuse kurzzeitig aufschmilzt, dabei durch die Oberflächenspannung des Schmelztropfens der Kontakt unterbrochen wird, sodann aufgrund der fehlenden Energieeinkopplung die Schmelze im amorphen, ungeordneten Zustand sehr schnell erstarrt und es dadurch zu einer Volumenvergrößerung kommt (Poly-Si zeigt ähnlich wie Wasser eine Anomalie, indem es beim Übergang vom flüssigen zum festen Aggregatzustand zu einer Volumensvergrößerung kommt), so dass sich der Kontakt wiederum schließt.
Durch Optimierung der Geometrie der Fusestrecke kann die Auftrittswahrscheinlichkeit stark reduziert werden, jedoch gelang es bisher in manchen Technologien noch nicht, derartige Oszillationen gänzlich zu vermeiden. Deshalb war man bislang genötigt, den Fusepuls bei Hohlraumfuses für eine hinreichend lange Zeit zu applizieren. Es zeigt sich nämlich, dass bei einem 100 ms langen Fusepuls sämtliche Oszillationen noch vor Ende des Pulses abbrechen und diese Fuses einwandfrei aufgeschmolzen sind. Im optimalen Fall jedoch, wenn die Fuse nicht oszilliert, benötigt man für einen Programmierpuls nur ca. 10 μs. D.h. durch die Oszillationen muss die Programmierdauer um 4 Zehnerpotenzen vergrößert werden, will man die hohe Zuverlässigkeit der Programmierung gewährleisten.

Die DE 199 20 721 C2 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Programmierung einer Fuse, die eine Kontrollschaltung aufweist, an deren Ausgang ein Strom abgegriffen werden kann, der einer gemessenen elektrischen Kenngröße proportional ist. Gemäß DE 199 20 721 C2 wird lediglich eine elektrische Kenngröße gemessen, in der sich der sich ein abrupter Wechsel der elektrischen Eigenschaften der Schaltung, wie er durch das Durchschmelzen der Fuse erfolgt, niederschlägt.

Die US 6,268,760 beschreibt eine Schaltung zur Programmierung einer Fuse. Bei der Fuseprogrammierung gemäß US 6,268,760 wird während der Dauer des BLOW-Signals eine Programmierspannung an die Fuse angelegt, so daß bei Herstellung eines elektrischen Kontakts aufgrund von Filamentbildung ein Programmierstrom durch die Fuse fließt. Jedoch werden keinerlei Mittel zum Überwachen des während der Programmierung durch die Fuse fließenden Stroms bereitgestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Programmieren einer Fuse einer integrierten Schaltung anzugeben, welche die Programmierzeit der Fuse verringern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Programmieren einer Fuse einer integrierten Schaltung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch eine entsprechende Schaltungsanordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 11 gelöst. weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Eine der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass Mittel zur Verfügung gestellt werden, die während des Programmierens der Fuse einen Strom durch die Fuse bzw. eine an der Fuse anliegende Spannung überwachen und das Ergebnis der Überwachung zum Regeln des Programmiervorgangs verwenden. Das Ergebnis der Überwachung kann insbesondere als analoge Spannung ausgegeben werden, die linear proportional zum Stromfluss durch die Fuse bzw. zur an der Fuse anliegenden Spannung ist. Die Mittel können insbesondere beim Programmieren einer Fuse eventuell auftretende Oszillationen erkennen und einen Fusepuls so lange aufrecht erhalten, bis diese unerwünschten Oszillationen abgeklungen sind und die Fuse einwandfrei programmiert ist.

Dieser Idee liegt insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Nach Applikation eines kurzen Strom- oder Spannungsimpulses mit einer Zeitdauer von beispielsweise etwa 100 μs zum Programmieren einer Fuse könnte überprüft werden, ob die Fuse hochohmig geblieben ist. Wenn nicht, würde der Impuls wiederholt, gegebenenfalls mit einer längeren Zeitdauer.

Dieses Verfahren hätte jedoch folgenden gravierenden Nachteil: Wenn die Fuse kurzzeitig mit einem Strom- oder Spannungsimpuls beansprucht wird (wie dies im ersten Fuseversuch geschieht) und sie sich danach wieder abkühlt, so wird sie durch die Überprüfung elektrisch getrimmt. Das bedeutet insbesondere, dass sie irreversibel vorgeschädigt wird, indem sich ihr Widerstand erhöht. Da beim Programmieren der Fuse eine bestimmte Spannung angelegt wird, wird eine Energie U²/R (U: Programmierspannung, R: Fuse-Innenwiderstand) aufgebracht. Wenn der Fuse-Innenwiderstand R allerdings unzulässig steigt, reicht die Energie nicht mehr aus, um die Fuse nochmals aufzuschmelzen. In der Praxis heißt das, dass bei beispielsweise einer Hohlraumfuse, die nicht gleich beim ersten Versuch (d.h. beim ersten Programmier- oder Fusepuls) einwandfrei programmiert wird, die Wahrscheinlichkeit für eine einwandfreie Programmierung bei nachfolgenden Impulsen wesentlich sinkt.

Daher muss bei auftretenden Oszillationen während des Programmierens der Fuse die Entscheidung über einwandfreie und nicht einwandfreie Programmierung sehr schnell („online") getroffen werden, noch bevor die geschmolzene Fusestrecke erstarrt. Dies ist ein wesentlicher Gedanke der Erfindung.

Konkret betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Programmieren einer Fuse einer integrierten Schaltung, bei dem zum Programmieren der Fuse ein Strom durch die Fuse geleitet oder eine Spannung an die Fuse angelegt wird. Mittel überwachen während des Programmierens der Fuse den Strom durch die Fuse bzw. die an der Fuse anliegende Spannung und verwenden das Ergebnis der Überwachung zum Regeln des Programmiervorgangs. Insbesondere durch die Überwachung kann vermieden werden, dass eine Fuse beim Programmieren irreversibel vorgeschädigt und daher "unsauber" programmiert wird. Insgesamt wird somit eine zuverlässige und sichere Programmierung der Fuse erreicht. Das Ergebnis der Überwachung wird ferner verwendet, um den weiteren Programmiervorgang der Fuse zu regeln, beispielsweise den Fusepuls in die Fuse für eine längere Zeit aufrecht zu erhalten.

Zum Überwachen kann eine Abnahme des Stromes durch die Fuse bzw. ein Absinken der an der Fuse anliegenden Spannung während einer vorgebbaren Zeitdauer kontrolliert werden. Eine Überwachung dieser physikalischen Größen kann vorteilhafterweise mit einfachen Mitteln bei ausreichender Genauigkeit erfolgen.

Vorzugsweise wird diese Zeitdauer derart vorgegeben, dass sie länger als die längste Periodendauer einer Oszillation ist, die typischerweise beim Programmieren der Fuse auftreten kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine beim Programmieren auftretende Oszillation durch die Überwachung sicher festgestellt wird. Durch anschließende Auswertung des Programmiervorgangs kann dann auf einfache Art und Weise ermittelt werden, ob eine Oszillation aufgetreten und daher die Fuse u.U. "schlecht" programmiert worden ist.

In einer konkreten, bevorzugten Ausführungsform wird die Zeitdauer derart vorgegeben, dass die Fuse während der Zeitdauer sicher programmiert und der Strom bzw. die Spannung unter einen vorgebbaren Wert absinken können.

Die Beendigung der Programmierung kann signalisiert werden. Diese Signalisierung kann insbesondere über einen Anschluss erfolgen, der einfach ausgewertet werden kann. Der Anschluss kann beispielsweise ein Pad einer integrierten Schaltung sein, so dass über einen mit diesem Pad konnektierten Pin eine einfache Auswertung erfolgen kann.

Nach Signalisieren der Beendigung der Programmierung kann der Strom bzw. die Spannung zum Programmieren abgeschaltet werden.

Vorzugsweise wird eine erfolgreiche oder erfolglose Programmierung nach Beendigung derselben signalisiert. Dies erleichtert die insbesondere automatische Auswertung des Ergebnisses der Programmierung wesentlich.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Anzahl von Oszillationen des Stromes bzw. der Spannung zum Programmieren während des Programmiervorgangs gezählt. Dies ermöglicht beispielsweise eine Beurteilung der Güte der Programmierung.

Vorzugsweise wird bei Erreichen einer vorgebbaren Anzahl von Oszillationen während des Programmierens das Programmieren abgebrochen. Dadurch kann ein ohnehin erfolgloser Programmiervorgang u.U. stark verkürzt werden. In einer Produktionslinie für integrierte Schaltungen, in der Fuses auf den Schaltungen programmiert werden, kann dies eine wertvolle Zeiteinsparung beim Herstellen bewirken.

Im Falle einer Vielzahl von Fuses werden diese vorzugsweise sequentiell programmiert; anschließend wird die Beendigung des Programmierens der letzten Fuse signalisiert und der Strom bzw. die Spannung zum Programmieren abgeschaltet. Dies ermöglicht eine komfortable Programmierung mehrer Bits bzw. Fuses, da erst nach Programmierung des letzten Bits bzw. der letzten Fuse über den erfolgreichen Abschluss des Programmiervorgangs berichtet wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Programmieren einer Fuse einer integrierten Schaltung, wobei zum Programmieren der Fuse ein Strom durch die Fuse geleitet oder eine Spannung an die Fuse angelegt wird. Es sind Mittel vorgesehen, die derart ausgebildet sind, dass sie während des Programmierens der Fuse den Strom durch die Fuse bzw. die an der Fuse anliegende Spannung überwachen und das Ergebnis der Überwachung zum Regeln des Programmiervorgangs verwenden.

Vorzugsweise können die Mittel einen Stromwächter in Form eines insbesondere kleinen Widerstandes umfassen; dies kann insbes. der Widerstand der Zuleitungsdrähte von einem Pad zur Fuse sein.

Die Mittel können auch eine Spannungsquelle und einen Komparator umfassen, der die an einem Anschluss der Fuse anliegende Spannung mit der Spannung der Spannungsquelle vergleicht. Die Spannung der Spannungsquelle gibt hier sozusagen eine Schwelle für die Steuerung des Programmiervorgangs vor.

Um eine "intelligente" Schaltungsanordnung zum Programmieren von Fuses zu schaffen, umfassen die Mittel vorzugsweise eine Auswertelogik, die zum Auswerten des Ausgangssignals des Komparators ausgebildet ist.

Die Auswertelogik kann einen ersten Zähler umfassen, der durch ein Taktsignal angesteuert ist und durch das Ausgangssignal des Komparators zurück gesetzt werden kann. Der erste Zähler dient sozusagen zum Protokollieren des Programmiervorgangs der Fuse, indem sein Zählwert der Zeitdauer entspricht, in der die Fuse programmiert ist.

Vorzugsweise ist der erste Zähler zum Erzeugen eines Zeitdauersignals ausgebildet, das zum Beenden des Programmierens über eine Steuerlogik vorgesehen ist. Beispielsweise kann das Zeitdauersignal durch ein Overflow- Bit oder -Signal des Zählers gebildet werden. Das Zeitdauersignal kann sehr einfach durch Logikschaltungen ausgewertet und zum Steuern des Programmierens der Fuse eingesetzt werden.

Zum Ansteuern des ersten Zählers kann das Ausgangssignal des Komparators mit einem Programmiersteuersignal logisch verknüpft und dem Rücksetzeingang des ersten Zählers zugeführt sein.

Ferner kann zum Steuern des Programmiervorganges das Zeitdauersignal mit dem Programmiersteuersignal logisch verknüpft und einem Schaltelement zugeführt sein, über welches das Programmieren ein- und ausgeschaltet werden kann.

Diese Schaltelement ist vorzugsweise ein Schalter, insbesondere ein Bipolartransistor.

Schließlich kann ein zweiter Zähler zum Zählen von Fusepulsen vorgesehen sein, der durch das Ausgangssignal des Komparators getaktet ist, durch das Programmiersteuersignal zurück gesetzt werden kann und zum Erzeugen eines Ausgangssignals zum Ein- und Ausschalten des Programmierens nach einer vorgebbaren Zahl von Fusepulsen ausgebildet ist.

Vorzugsweise ist die Fuse eine Hohlraum-Fuse oder eine Anti-Fuse, insbesondere eine Zener-Diode.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier unterschiedlicher Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Programmieren einer Fuse einer integrierten Schaltung, und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Programmieren einer Fuse einer integrierten Schaltung.
Im folgenden sind gleiche und funktionell gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Programmieren einer Fuse 10, beispielsweise einer Hohlraum-Fuse. Die Fuse 10 ist zwischen den Emitter eines Bipolartransistors 26, der als Schaltelement zum Ein- und Ausschalten des Programmierens dient, und einen Widerstand 12 geschaltet, der als Stromwächter dient. Über den Widerstand 12 ist die Fuse 10 mit einem ersten Pad 14 verschaltet, das zum Programmieren auf ein Bezugspotential wie beispielsweise 0 V oder GND gelegt wird. Ferner ist die Fuse 10 über die Kollektor-Emitter-Strecke des Bipolartransistors 26 mit einem zweiten Pad 24 verschaltbar, an das zum Programmieren ein hohes Potential in Bezug auf das Bezugspotential gelegt wird, beispielsweise eine Versorgungsspannung VDD.
Die Verbindung zwischen Fuse 10 und Widerstand 12 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Komparators 18 verschaltet, dessen invertierender Eingang wiederum mit einer Gleichspannungsquelle 16 verschaltet ist. Die Gleichspannungsquelle 16 stellt eine vorgegebene Schwelle dar, anhand der beurteilt wird, ob ein Programmieren erfolgreich war.
Das Ausgangssignal des Komparators 18 wird mit einem Programmiersteuersignal "FuseInhibit" über ein OR-Gatter 20 logisch verknüpft. Das so gebildete Signal wird einerseits einem Rücksetz- oder Reset-Eingang 36 eines ersten Zählers 22 und andererseits einem Takteingang eines zweiten Zählers 32 zugeführt. Der zweite Zähler 32 dient zum Zählen der Fusepulse-Oszillationen und wird hierzu vom Programmiersteuersignal "FuseInhibit" zurück gesetzt.
Der erste Zähler 22 wird durch ein vorgegebenes Taktsignal CLK getaktet. Er ist zum Erzeugen eines Zeitdauersignals ausgebildet, das über ein NOR-Gatter 30 mit dem Programmiersteuersignal "FuseInhibit" und mit dem Ausgangssignal des zweiten Zählers 32 logisch verknüpft wird. Das so gebildete Signal wird einerseits einem dritten Pad 28 zum Auswerten zugeführt und steuert anderseits die Basis des Bipolartransistors 26 an. Dadurch wird der Bipolartransistor 26 durch das Ausgangssignal des NOR-Gatters 30 ein- oder ausgeschaltet.
Der Programmiervorgang der Fuse 10 wird im folgenden erläutert: Vor der eigentlichen Programmierung ist das Programmiersteuersignal „FuseInhibit" logisch „HIGH", so dass der durch den Bipolartransistor 26 gebildete Schalter ausgeschaltet ist und der erste und zweite Zähler 22 bzw. 32 zurück gesetzt sind.
Die Programmierung der Fuse 10 wird durch Setzen des Programmiersteuersignals „FuseInhibit" auf logisch „LOW" gestartet. Da unmittelbar zuvor beide Zähler 22 und 32 noch zurück gesetzt waren, ist das als Zeitdauersignal genutzte Overflow-Signal bzw. -Bit des Zählers logisch „LOW". Somit sind alle Eingänge des NOR-Gatters 30 auf logisch „LOW", womit der Ausgang des NOR-Gatters 30 logisch „HIGH" wird. Dadurch wird die Basis des Bipolartransistors 26 aufgesteuert und der dadurch gebildete Schalter „eingeschaltet": ein über das zweite Pad 24 eingeprägter Programmierstrom beginnt zu fließen.
Gleichzeitig indiziert das dritte Pad 28, dass eine integrierte Schaltung, welche die Schaltungsanordnung aufweist, programmiert wird. Durch Setzen des Programmiersteuersignals „FuseInhibit" auf logisch „LOW" wird der erste Zähler 22 für eine kurze Zeit (max. etwa 1 μs) nicht zurück gesetzt wird; er zählt daher geringfügig hoch, erreicht jedoch noch nicht seinen Endwert Overflow OV. Sobald der Stromfluss durch die Fuse 10 nennenswert groß ist, d.h. die über den Widerstand 12 abfallende Spannung größer als die Spannung des Gleichspannungsquelle 16 ist, schaltet der Ausgang des Komparators 18 auf logisch „HIGH", so dass der erste Zähler 22 wieder zurück gesetzt wird.
Erst wenn der Stromfluss durch die Fuse 10 aussetzt (und das Programmiersteuersignal „FuseInhibit" nach wie vor logisch „LOW" bleibt), schaltet der Komparator 18 auf logisch „LOW", wodurch der erste Zähler 22 nicht mehr zurück gesetzt ist. Somit wird der Zählerstand des ersten Zählers 22 im Takt des Taktsignals CLK hochgezählt. Bleibt der Strom durch die Fuse 10 längere Zeit (z.B. etwa 100 μs, d.h. wesentlich länger, als dies bei Oszillationen beim herkömmlichen Programmieren der Fuse 10 der Fall wäre) verschwindend klein, dann erreicht der erste Zähler 22 seinen maximalen Zählstand, der durch das Overflow-Bit gekennzeichnet ist. Das durch das Overflow-Bit gebildete Zeitdauersignal schaltet über das NOR-Gatter 30 den Bipolartransistor 26 aus und indiziert das Ende der Programmierung, indem das Ausgangsignal des NOR-Gatters 30 am dritten Pad 28 logisch „LOW" wird. Beide Zähler 22 und 32 sollten überlaufgeschützt sein, d.h. das Overflow-Bit der beiden Zähler 22 und 32 wird erst durch ein nachfolgendes Rücksetzsignal gelöscht.
Sobald die Programmierung beendet ist (z.B. indem eine am zweiten Pad 24 anliegende Programmierspannung auf einen niedrigeren Betriebsspannungswert gesetzt worden ist) wird das Programmiersteuersignal „FuseInhibit" logisch „HIGH", wodurch der erste Zähler 22 wieder zurück gesetzt wird, die Fuse 10 mittels des Bipolartransistors 26 von der über das zweite Pad 24 anliegenden Programmierspannung entkoppelt wird und das Ausgangsignal des NOR-Gatters 30 auf logisch „LOW" bleibt.
Als Erweiterung kann noch der zweite Zähler 32 vorgesehen sein, der die Anzahl der Fusepulse zählt. Auch er setzt bei Erreichen seines Zählstand-Maximalwerts ein Overflow-Bit. Das Overflow-Bit kann ebenfalls dem NOR-Gatter 30 zugeführt werden und somit das Ausgangssignal des NOR-Gatters 30 auf logisch „LOW" setzen und dadurch den Bipolartransistor 26 hochohmig schalten. Dadurch wird der Programmiervorgang bei Überschreiten einer maximalen Anzahl an Oszillationen abgebrochen.
Wie bereits oben erläutert worden ist, kann die analoge, am Widerstand 12 abfallende Spannung insbesondere von dem Komparator 18 mit einer vorgegebenen Schwelle verglichen werden. Der Vergleich setzt den ersten Zähler 22 zurück, der mit einer insbesondere festen Taktfrequenz des Taktsignals CLK hochgezählt wird. Sobald der Strom durch die Fuse 10 unter einen Grenzwert sinkt, schaltet der Komparator 18 seinen Ausgang auf logisch „LOW", wodurch der erste Zähler 22 nicht mehr zurückgesetzt wird und mit der festen Taktfrequenz des Taktes CLK hoch zählt. Wenn der Stromfluss für genügend lange Zeit unter der Komparatorschwelle bleibt (z.B. 50 μs), erreicht der erste Zähler 22 einen Endwert, der die erfolgreiche Programmierung der Fuse indiziert. Wenn jedoch die Fuse 10 beim Programmieren oszilliert, dann beginnt typischerweise nach beispielsweise ca. 5..20 μs wiederum ein starker Strom durch die Fuse 10 zu fließen, wodurch der Komparatorausgang auf logisch „HIGH" geht und den ersten Zähler 22 zurücksetzt.
Durch geeignete Wahl von Taktfrequenz am Zählereingang und der Zählertiefe des ersten Zählers 22 können beliebige Beobachtungszeiten des Stromwächters eingestellt werden; somit kann die Schaltung an die Oszillations-Eigenschaften der Fuse in der jeweiligen Technologie angepasst werden, in der die Schaltung implementiert wird.
Im einfachen Fall der Programmierung eines einzelnen Bits (entsprechend einer einzelnen Fuse) kann bei Erreichen des Zählerendwerts des ersten Zählers 22 (entsprechend etwa OV, d.h. Overflow) – also nach erfolgreicher Programmierung des Bits – über ein (nicht dargestelltes) Dateninterface die erfolgreiche Programmierung mitgeteilt werden. Dann kann der Fusepuls, typischerweise eine hohe Spannung, beendet werden.
Um definierte zeitliche Verhältnisse bei der Beendigung des Fusepulses zu erzielen, kann es vorteilhaft sein, wenn zusätzlich bei Erreichen des Zählerendwerts des ersten Zählers 22 der chip-interne Schalter 26 geöffnet wird, so dass die Fuse 10 von der Fusespannung sicher entkoppelt ist.
Im komfortablen Fall der Programmierung mehrerer Bits (entsprechend mehreren Fuses) kann nach erfolgter Programmierung eines Bits mit der Programmierung des folgenden Bits fortgefahren werden (sequentielle Programmierung). Erst nach dem letzten Bit kann dann die Mitteilung erfolgen, dass die Programmierung erfolgreich beendet wurde.
In beiden Fällen kann es zweckmäßig sein, auch dann (beispielsweise via Dateninterface) zu informieren, wenn sich zumindest ein Bit bzw. eine Fuse nicht programmieren ließ, also der Programmiervorgang nicht erfolgreich oder überhaupt nicht abgeschlossen werden konnte. Es kann beispielsweise vorkommen, dass die Oszillationen auch nach etwa 100 ms nicht aufhören. Deshalb empfiehlt es sich, während eines Programmiervorgangs einen (nicht dargestellten) Ausgangspin auf logisch „HIGH" zu legen. Solange dieser Ausgangspin logisch „HIGH" ist, gilt der Programmiervorgang als nicht abgeschlossen. Wenn der Programmiervorgang abgeschlossen ist, wird dieser Ausgangspin logisch „LOW". Dies vereinfacht die Auswertung der Programmierung wesentlich. Es braucht dann nämlich lediglich überprüft zu werden, wann dieser Ausgangspin logisch „LOW" wird; die erfolglose Programmierung kann auch nach einer maximalen Zeitdauer abgebrochen werden.
Ferner ist es möglich, durch den zweiten Zähler 32, dessen Zähl- oder Takt-Eingang an den Ausgang des Komparators 20 gelegt wird, zu ermitteln, aus wie vielen Oszillationen ein Fusevorgang besteht. Dieses Datum kann insbesondere auch über das Dateninterface dem Anwender mitgeteilt werden. Dadurch lassen sich in besonders sicherheitsrelevanten Anwendungen verdächtige Bausteine, d.h. solche, bei denen während der Programmierung eine maximale Anzahl an Oszillationen überschritten wurde, ausmustern. Auch kann bei Erreichen einer vorgegebenen Obergrenze der Programmiervorgang chip-intern abgebrochen werden, indem z.B. ein (nicht dargestellter) chip-interner Schalter die betreffende Fuse von der anliegenden Programmierspannung trennt. In diesem Fall sollte über ein bestimmtes Signal, das logisch „LOW" wird, mitgeteilt werden, dass die Programmierung beendet ist. An einem weiteren (nicht dargestellten) Pin kann via einem logischen „LOW" mitgeteilt werden, dass die Programmierung erfolglos beendet wurde. Über einen nachfolgenden Datentransfer kann ferner ausgewertet werden, bei welchem Bit der Programmiervorgang erfolglos abgebrochen wurde.
2 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Programmieren von Anti-Fuses, wie beispielsweise Zener-Fuses. Bei Zener-Fuses tritt das Problem der Oszillationen nicht auf, jedoch kann es auch hier zu einem Problem hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Programmierung kommen: Prinzipiell ist eine Zener-Fuse im unprogrammierten Zustand hochohmig und wird erst nach der Programmierung niederohmig, weshalb sie auch als Anti-Fuse bezeichnet wird. Im Unterschied zu (normalen) Fuses (beispielsweise Hohlraum- oder Aluminium-Fuses) wird anlässlich der Programmierung nicht eine Spannung an die Zener-Fuse angelegt, sondern ein Strom für eine gewisse Zeit (der Fusepuls-Länge) eingeprägt. Während dieser Zeit erhitzt sich der PN-Übergang der Zener-Fuse so stark, dass er irreversibel geschädigt wird und somit niederohmig wird.
Auch hier tritt die Problematik auf, dass man den Fusepuls genügend lange applizieren muss, um eine einwandfreie Programmierung zu gewährleisten. Zwar kommt es hier nicht zu einer Trimmung wie im Fall der Hohlraumfuses. Daher ist es möglich, auch geraume Zeit (mehrere Sekunden) nach der Programmierung mittels Dateninterface zu überprüfen, ob die Programmierung erfolgreich war. Eine on-chip Überwachungsschaltung kann auch hier helfen (a) unnötig lange Fusepuls-Längen zu reduzieren und somit die Energieeinbringung in eine integrierte Schaltung zu minimieren (wodurch sich die Schaltung nicht unnötig erwärmt und somit z.B. die Testzeit minimiert werden kann) und (b) die Zuverlässigkeit der Überwachung zu erhöhen, indem die Überwachung vorwiegend von einer on-chip Logik ausgeführt wird.
Die on-chip Logik müsste dann die Spannung von Kathode zu Anode der Zener-Fuse überwachen (beispielsweise mittels eines Komparators) und den Strom durch die Zener-Fuse so lange aufrechterhalten, bis diese Spannung für genügend lange Zeit einen Grenzwert unterschreitet. Dann wird der Stromfluss durch die betreffende Fuse unterbrochen und die Beendigung des Programmiervorgangs dieses Bits mitgeteilt, oder automatisch die Programmierung des nächsten Bits eingeleitet und erst die Beendigung der Programmierung des letzten zu programmierenden Bits mitgeteilt. Sollte die Spannung an der Zener-Fuse nach einer gewissen Maximaldauer noch immer nicht unter den notwendigen Grenzwert gefallen sein, so gilt die Programmierung als „verdächtig", potentiell unzuverlässig und wird erfolglos abgebrochen. Die Beendigung des Programmiervorgangs wird auch in diesem Fall mitgeteilt. Sowohl für erfolgreiche als auch erfolglose Programmierung kann über den Erfolg der Programmierung über ein weiteres Signal informiert werden; alternativ kann auch der durch die Fuses gebildete Festwertspeicher mittels eines geeigneten Lesemodus ausgelesen werden, um zu erfahren ob alle Bits erfolgreich gesetzt wurden bzw. welche Bits erfolgreich gesetzt wurden.
Das Verfahren lässt sich in analoger Weise auf die Programmierung von Alu-Fuses übertragen. Eine Programmierung eines Bits gilt als erfolgreich abgeschlossen, wenn der Spannung durch die Alu-Fuse für hinreichend lange Zeit unter ein notwendiges Limit sinkt.
Die in 2 dargestellte Schaltung ähnelt der in 1 dargestellten Schaltung. Anstelle der Fuse in 1 ist bei der Schaltung in 2 eine Anti-Fuse in Form einer Zener-Diode 38 vorgesehen. Ferner ist der nicht-invertierende Eingang des Komparators 18 mit der Kathode der Zener-Diode 38 verschaltet.
Das Programmieren der Zener-Diode 38 unterscheidet sich vom Programmieren einer normalen Fuse geringfügig (zum prinzipiellen Verlauf beim Programmieren siehe Beschreibung zu 1): Sobald der Stromfluss durch die Zener-Diode 38 beim Programmieren nennenswert groß ist, schaltet der Ausgang des Komparators 18 auf logisch "HIGH", sodass der erste Zähler 22 wieder zurück gesetzt wird. Erst wenn die Zener-Diode 38 programmiert ist, d.h. niederohmig ist und somit die Spannung an ihrer Kathode kleiner als die (Referenz-)Spannung der Gleichspannungsquelle 16 wird (und das Programmiersteuersignal "FuseInhibit" nach wie vor logisch "LOW" bleibt), schaltet der Komparator 18 auf logisch "LOW", wodurch der erste Zähler 22 nicht mehr zurück gesetzt wird. Somit wird der Zählerstand im Takt des Taktsignals CLK hochgezählt. Bleibt die Spannung an der Zener-Diode 38 hinreichend lange Zeit kleiner als die Spannung des Gleichspannungsquelle 16, dann erreicht der erste Zähler 22 seinen maximalen Zählstand, der durch das Overflow-Bit gekennzeichnet ist. Dieses Bit schaltet den Bipolartransistor 26 aus und indiziert das Ende der Programmierung

10: Fuse
12: Widerstand
14: erstes Pad
16: Gleichspannungsquelle
18: Komparator
20: OR-Gatter
22: erster Zähler
24: zweites Pad
26: Bipolartransistor
28: drittes Pad
30: NOR-Gatter
32: zweiter Zähler
34: Reset-Eingang
36: Reset-Eingang
38: Zener-Diode

Claims

Verfahren zum Programmieren einer Fuse einer integrierten Schaltung, bei dem zum Programmieren der Fuse ein Strom durch die Fuse geleitet oder eine Spannung an die Fuse angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel während des Programmierens der Fuse den Strom durch die Fuse bzw. die an der Fuse anliegende Spannung überwachen und das Ergebnis der Überwachung zum Regeln des Programmiervorgangs verwenden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überwachen eine Abnahme des Stromes durch die Fuse bzw. ein Absinken der an der Fuse anliegenden Spannung während einer vorgebbaren Zeitdauer kontrolliert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer derart vorgegeben wird, dass sie länger als die längste Periodendauer einer Oszillation ist, die typischerweise beim Programmieren der Fuse auftreten kann.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer derart vorgegeben wird, dass die Fuse während der Zeitdauer sicher programmiert und der Strom bzw. die Spannung unter einen vorgebbaren Wert absinken können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beendigung der Programmierung signalisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Signalisieren der Beendigung der Programmierung der Strom bzw. die Spannung zum Programmieren abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erfolgreiche oder erfolglose Programmierung nach Beendigung derselben signalisiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Oszillationen des Stromes bzw. zum Programmieren während des Programmiervorgangs gezählt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer vorgebbaren Anzahl von Oszillationen während des Programmierens das Programmieren abgebrochen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Fuses sequentiell programmiert werden und die Beendigung des Programmierens der letzten Fuse signalisiert und der Strom bzw. die Spannung zum Programmieren abgeschaltet wird.
Schaltungsanordnung zum Programmieren einer Fuse (10; 38) einer integrierten Schaltung, wobei zum Programmieren der Fuse (10; 38) ein Strom durch die Fuse geleitet oder eine Spannung an die Fuse angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (16, 18, 20, 22) vorgesehen sind, die derart ausgebildet sind, dass sie während des Programmierens der Fuse (10; 50) den Strom durch die Fuse (10; 38) bzw. die an der Fuse (10; 38) anliegende Spannung überwachen und das Ergebnis der Überwachung zum Regeln des Programmiervorgangs verwenden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen Widerstand (12) umfassen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Spannungsquelle (16) und einen Komparator (18) umfassen, der die an einem Anschluss der Fuse (10; 38) anliegende Spannung mit der Spannung der Spannungsquelle (16) vergleicht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Auswertelogik (20, 36) umfassen, die zum Auswerten des Ausgangssignals des Komparators (18) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertelogik einen ersten Zähler (22) umfasst, der durch ein Taktsignal angesteuert ist und durch das Ausgangssignal des Komparators (18) zurück gesetzt werden kann.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zähler (22) zum Erzeugen eines Zeitdauersignals ausgebildet ist, das zum Beenden des Programmierens über eine Steuerlogik (30) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Komparators (18) mit einem Programmiersteuersignal logisch verknüpft ist und dem Rücksetzeingang (36) des ersten Zählers (22) zugeführt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitdauersignal mit dem Programmiersteuersignal logisch verknüpft und einem Schaltelement (26) zugeführt ist, über welches das Programmieren ein- und ausgeschaltet werden kann.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (26) ein Schalter, insbesondere ein Bipolartransistor ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Zähler (32) zum Zählen von Fusepulsen vorgesehen ist, der durch das Ausgangssignal des Komparators (20) getaktet ist, durch das Programmiersteuersignal zurück gesetzt werden kann und zum Erzeugen eines Ausgangssignals zum Ein- und Ausschalten des Programmierens nach einer vorgebbaren Zahl von Fusepulsen ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Fuse eine Hohlraum-Fuse (10) oder eine Anti-Fuse, insbesondere eine Zener-Diode (38) ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf einer integrierten Schaltung vorgesehen ist.