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Die
Erfindung betrifft eine nichtflüchtige
Speicherzelle zum Speichern eines Datums in einer integrierten Schaltung,
insbesondere zum nichtflüchtigen Speichern
von Reparaturinformation, Kalibrierinformation und dergleichen in
einer integrierten Schaltung.
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In
integrierten Halbleiterbauelementen wird oftmals eine kleine Anzahl
nichtflüchtiger
Speicherzellen benötigt,
um beispielsweise Reparaturdaten, Kalibrierdaten, Konfigurationsdaten
und ähnliches dauerhaft
zu speichern. Des weiteren kann es auch notwendig sein, sich veränderte Größen zwischenzuspeichern,
so dass diese auch nach einem Ausschalten und einem erneuten Wiedereinschalten
des Halbleiterbauelements zur Verfügung stehen.
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Bei
Halbleiterspeichern werden üblicherweise
Adressinformationen zur Reparatur defekter Speicherzellen in sogenannten
Fuse-Elementen abgespeichert. Solche Fuse-Elemente sind typischerweise
als sogenannte Laser-Fuse ausgebildet, die leitende Verbindungen
darstellen, die mit einem Laserstrahl irreversibel aufgetrennt werden
können.
Weitere Anwendungen sind z. B. das Festlegen bestimmter dauerhafter
Betriebsmodi oder das Zuweisen einer Identifikationsnummer für eine integrierte
Schaltung. Weiterhin kann es auch nötig sein, den Inhalt der Speicherzellen
im Betrieb des Bausteins noch zu verändern, was bei Verwendung von
Laser-Fuse nicht möglich
ist.
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Zum
Abspeichern unveränderlicher
Daten werden derzeit meist Laser-Fuse verwendet, die mithilfe eines
fokussierten Laserstrahls aufgetrennt werden können. Weiterhin sind auch elektrisch
programmierbare Fuses bekannt, bei denen eine Leiterbahn durch einen
hohen Stromfluss zerstört
wird, oder Anti- Fuses,
bei denen eine isolierende Oxidschicht durch Anlegen einer Programmierspannung
zerstört wird
und damit leitfähig
gemacht wird. Das Auftrennen der Laser-Fuse kann nur im unzersägten Zustand
der integrierten Bausteine vor dem Einbau in ein Gehäuse angewendet
werden, während
die elektrischen Fuse auch dann programmiert werden können, wenn
das Bauelement bereits in das Gehäuse eingebaut ist. In beiden
Fällen
wird allerdings die Information irreversibel geschrieben.
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Weiterhin
sind sogenannte Flash-Zellen bekannt, mit denen veränderliche
Daten so gespeichert werden können,
dass sie auch nach einem Abschalten und erneutem Einschalten der
integrierten Schaltung zur Verfügung
stehen. Dabei wird die Information in Form von Ladungsträgern auf
einer isolierten Elektrode gespeichert. Die Ladungsträger können zerstörungsfrei
durch ein dielektrisches Material zu der Elektrode hin bzw. von
der Elektrode weg tunneln, so dass die Flash-Speicherzelle zwischen zwei Zuständen geschaltet
werden kann. Für
den Programmiervorgang der Flash-Zelle sind jedoch relativ hohe
Programmierspannungen erforderlich, die in der Regel mithilfe von
Ladungspumpen in der integrierten Schaltung erzeugt werden müssen. Die
Ladungspumpen benötigen
eine große
Fläche
der integrierten Schaltung, was insbesondere bei einer kleinen Anzahl
benötigter
nichtflüchtiger
Speicherzellen einen erheblichen zusätzlichen Flächenbedarf darstellt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine nichtflüchtige Speicherzelle
für eine
integrierte Schaltung zur Verfügung
zu stellen, die mit einem geringen Aufwand programmiert werden kann
und die bei Bedarf erneut beschrieben werden kann. Weiterhin ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine nichtflüchtige Speicherzelle
zur Verfügung
zu stellen, die eine geringe Stromaufnahme aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch die nichtflüchtige Speicherzelle
nach Anspruch 1 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist eine
nichtflüchtige Speicherzelle
zum Speichern eines Datums in einer integrierten Schaltung vorgesehen.
Die nichtflüchtige Speicherzelle
umfasst ein resistives Speicherelement, das abhängig von dem gespeicherten
Datum verschiedene Leitfähigkeitszustände aufweisen kann.
Weiterhin ist eine Speichereinheit vorgesehen, um das gespeicherte
Datum an einen integrierten Schaltkreis bereitzustellen. Die nichtflüchtige Speicherzelle
umfasst weiterhin eine Ausleseinheit, die aktivierbar ist, um ein
Datum abhängig
von dem Leitfähigkeitszustand
des Speicherelements zum Speichern in der Speichereinheit bereitzustellen.
Mithilfe einer Steuereinheit wird die Ausleseinheit aktiviert, so
dass das bereitzustellende Datum in der Speichereinheit gespeichert
wird und um nach dem Speichern des Datum in der Speichereinheit
die Ausleseeinheit zu deaktivieren, so dass das Speicherelement
von der Speichereinheit getrennt wird.
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Die
nichtflüchtige
Speicherzelle gemäß der Erfindung
hat den Vorteil, dass sie durch die Verwendung eines resistiven
Speicherelementes dauerhaft Daten unabhängig von dem Anliegen einer
Spannungsversorgung speichern kann, wobei das Datum durch verschiedene
Leitfähigkeitszustände des
resistiven Speicherelementes repräsentiert wird. Da ein in der
Speicherzelle gespeichertes Datum in der Regel während der gesamten Betriebszeit
der integrierten Schaltung bereitgestellt werden muss, ist eine
Speichereinheit vorgesehen, in die das dem Zustand des resistiven
Speicherelement entsprechende Datum gespeichert werden kann. Dies
erfolgt mithilfe einer durch eine Steuereinheit gesteuerten Ausleseeinheit, die,
z. B. zu Beginn des Betriebs der integrierten Schaltung, das Datum
aus dem resistiven Speicherelement ausliest und in der Speichereinheit
speichert und anschließend
das resistive Speicherelement von der Speichereinheit trennt. Auf
diese Weise kann vermieden werden, ständig einen Betriebsstrom durch das resistive
Speicherelement fließen
zu lassen, um deren Leitfähigkeitszustand,
d.h. das darin gespeicherte Datum, zu detektieren. Ein solcher Betriebsstrom
hätte eine
erhöhte
Leistungsaufnahme der gesamten integrierten Schaltung zur Folge,
die bei der Erfindung vermieden wird.
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Vorzugsweise
wird nach dem Deaktivieren der Ausleseeinheit das Speicherelement
stromlos geschaltet. Auf diese Weise kann die Stromaufnahme der
integrierten Schaltung reduziert werden, da kein Auslesestrom durch
das resistive Speicherelement fließt, wenn die Ausleseeinheit
deaktiviert ist.
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Das
resistive Speicherelement kann vorzugsweise ein PMC-Bauelement (auch CB-RAM-Bauelement
genannt) und/oder ein Phasenwechselbauelement aufweisen.
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Vorzugsweise
weist die Ausleseeinheit einen Auswahltransistor auf, der in Reihe
mit dem resistiven Speicherelement gespeichert ist. Dies stellt
eine besonders einfach Weise dar, die Ausleseeinheit zu realisieren.
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Vorzugsweise
ist die Speichereinheit mit zwei Invertern gebildet, deren jeweiliger
Eingang mit dem Ausgang des jeweils anderen Inverter verbunden ist.
Ein erster der Inverter gibt an seinem Ausgang das gespeicherte
Datum und ein zweiter der Inverter gibt an seinem Ausgang ein zu
dem gespeicherten Datum invertiertes Datum aus, wobei die Speichereinheit
beschrieben wird, in dem an den Ausgang des ersten Inverters das
zu speichernde Datum angelegt wird, so dass die Speichereinheit das
angelegte Datum speichert.
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Die
Ausleseeinheit kann so gestaltet sein, dass an den Ausgang des ersten
Inverters bei aktivierter Ausleseeinheit ein durch den Leitfähigkeitszustand
des Speicherelementes bestimmter logischer Pegel angelegt wird,
um die Speichereinheit zu beschreiben. Die Ausleseeinheit kann weiterhin
so gestaltet sein, dass die Speichereinheit beschrieben wird, indem
an den Ausgang des zweiten Inverters ein zu dem zu speichernden
Datum invertiertes Datum angelegt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann das Speicherelement mit einer Programmiereinheit
verbunden sein, um einen gewünschten
Leitfähigkeitszustand
einzustellen, so dass ein gewünschtes
Datum gespeichert wird.
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Weiterhin
kann eine Schreibeinheit vorgesehen sein, um bei deaktivierter Ausleseeinheit
ein Datum in die Speichereinheit zu schreiben.
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Insbesondere
kann die Programmiereinheit so gestaltet sein, um abhängig von
einem Steuersignal einen dem in der Speichereinheit gespeicherten Datum
entsprechende Leitfähigkeitszustand
in dem Speicherelement einzustellen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert, in
denen:
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1 ein
Schaltbild einer nichtflüchtigen Speicherzelle
gemäß einer
ersten Ausführungsform der
Erfindung darstellt;
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2A bis 2D Signalzeitdiagramme
darstellen, die die Funktion der Ausleseeinheit veranschaulichen;
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3A und 3B Blockschaltbilder
von weiteren Ausführungsbeispielen
für nichtflüchtige Speicherzellen;
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4 eine
nichtflüchtige
Speicherzelle gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung mit einer Programmiereinheit zum Beschreiben des resistiven
Speicherelements darstellt; und
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5 eine
nichtflüchtige
Speicherzelle gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung mit einer Programmiereinheit und mit einer Schreibeinheit
zeigt.
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In 1 ist
ein Schaltbild einer nichtflüchtigen
Speicherzelle zum Speichern eines Datums in einer integrierten Schaltung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
gezeigt. Die nicht flüchtige
Speicherzelle weist ein Speicherelement 1 auf, das mit
einem ersten Inverter 2 und einem zweiten Inverter 3 aufgebaut
ist. Der erste Inverter 2 und der zweite Inverter 3 sind
gegengekoppelt, d. h. ein Eingang eines der Inverter ist jeweils
mit einem Ausgang des jeweils anderen Inverters verbunden. Die Ausgänge der
beiden Inverter 2, 3 stellen die Datenausgänge DATA,
/DATA der Speichereinheit 1 dar. Die gegengekoppelten Inverter 2, 3 bilden
ein Latch, das einem (nicht gezeigten) Schaltkreis der integrierten
Schaltung ein gespeichertes Datum zur Verfügung stellt.
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Zum
nichtflüchtigen
Speichern eines Datums sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei resistive Speicherelemente
vorgesehen, wobei ein erstes resistives Speicherelement 4 über eine
Ausleseeinheit 6 mit dem Eingang des ersten Inverters 2 und
ein zweites resistives Speicherelement 5 über die
Ausleseinheit 6 mit dem Eingang des zweiten Inverters 3 gekoppelt
ist. Die Ausleseeinheit 6 weist einen ersten Schalttransistor 7 auf,
um das erste Speicherelement 4 mit dem Eingang des ersten
Inverters 2 zu koppeln, und einen zweiten Schalttransistor 8 um
das zweite Speicherelement 5 mit dem Eingang des zweiten
Inverters 3 zu koppeln. Die beiden Schalttransistoren 7, 8 werden über ein
Steuersignal SET aktiviert bzw. deaktiviert, welches durch eine
Steuereinheit 9 bereitgestellt wird. Die Steuereinheit
dient dazu, der integrierten Schaltung das gespeicherte Datum bereitzustellen,
indem der Inhalt des in den Speicherelementen als Leitfähigkeitszustand
gespeicherten Datum in die Speichereinheit 1 geschrieben
wird.
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Die
resistiven Speicherelemente 4, 5 sind vorzugsweise
als PMC-Bauelemente (auch CB-RAM-Bauelemente genannt) und/oder als
Phasenwechsel-Bauelemente vorgesehen. Kennzeichen der resistiven
Speicherelemente 4, 5 ist, dass ihr Leitfähigkeitszustand
veränderlich
ist, und dass dieser durch Anlegen einer elektrischen Größe zum Programmieren
eingestellt werden kann.
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Die
resistiven Speicherelemente 4, 5 werden beim Speichern
eines Datums vorzugsweise mit zueinander komplementären Leitfähigkeitszuständen versehen,
d. h. der Leitfähigkeitszustand
des ersten Speicherelements 4 wird hoch und der Leitfähigkeitszustand
des zweiten Speicherelements niedrig eingestellt, um z.B. eine logische „0" zu speichern, und entsprechend
umgekehrt, um eine logische „1" zu speichern.
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Die
Speichereinheit 1 wird beschrieben, indem die Schalttransistoren 7, 8 aktiviert
(geschlossen) werden, so das der Ausgang des ersten Inverters 2 über den
durchgeschalteten zweiten Schalttransistor 8 und über das
zweite Speicherelement 5 mit einem Massepotential bzw.
einem Potential, dass einer „logischen
0" entspricht, verbunden
wird. Der Ausgang des zweiten Inverters 3 ist dann über den ersten
Schalttransistor 7 und über
das erste Speicherelement 4ebenfalls mit dem Massepotential GND
verbunden.
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Nach
dem Einschalten der Versorgungsspannung an der integrierten Schaltung,
die die nichtflüchtige
Speicherzelle gemäß 1 aufweist,
befindet sich die Speichereinheit in einen unbestimmten Zustand,
d.h. entweder ist eine logische „0" oder eine logische „1" gespeichert. Die Steuereinheit 9 aktiviert nun
die Ausleseeinheit 6, so dass die Schalttransistoren 7, 8 durchgeschaltet
werden und die Ausgänge der
Inverter über
das jeweilige Speicherelement 4, 5 mit dem Massepotential
verbunden wird. Das Speicherelement 4, 5 mit dem
niedrigeren Widerstandswert zieht nun den entsprechenden Ausgang
der Speichereinheit stärker
in Richtung des Massepotentials GND als das Speicherelement 4, 5 mit
dem höheren
Widerstandswert. Es ergibt sich ein Schaltverhalten, das in den
Signalzeitdiagrammen der 2 dargestellt ist. Dabei zeigt 2A den Stromverlauf des Versorgungsstroms
für die
nichtflüchtige
Speicherzelle, die 2B die Signalverläufe an den
Ausgängen
der Speichereinheit; die 2C den Signalverlauf
des Steuersignals SET und 2D den Spannungsverlauf
beim Einschalten der integrierten Schaltung.
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Die
gezeigten Signalverläufe
beschreiben einen Fall, bei dem die Speichereinheit 1 unmittelbar mit
dem Einschalten der integrierten Schaltung, d. h. bei Anlegen der
Versorgungsspannung entsprechend der Leitfähigkeitszustände der
Speicherelemente 4, 5 programmiert werden. Die
Versorgungsspannung Vint wird während der
Einschaltphase von 0 Volt auf den Endwert (hier 1,8 Volt) hochgefahren. Im
gezeigten Beispiel weist das erste resistive Speicherelement 4 einen
kleinen Widerstandswert Rcell0 (z. B. 10
kΩ) und
das zweite Speicherelement 5 den großen Widerstandswert Rcell1 (z. B. 1 MΩ) auf. Beim Erreichen eines
bestimmten Spannungswertes der Versorgungsspannung Vint kippt
das Latch in den vorgegebenen Zustand hier DATA=1 und /DATA=0. Der Versorgungsstrom
steigt mit der Versorgungsspannung an. Der Strom ergibt sich aus
dem Widerstandswert des zweiten Speicherelementes und der Spannung
am Ausgang des ersten Inverters 2. Der Versorgungsstrom
wird durch das Deaktivieren der Ausleseeinheit 6 durch
die Steuereinheit 9 im Wesentlichen auf 0 reduziert, da
die Speichereinheit 1 zum Speichern des Datum im Wesentlichen
keinen Strom benötigt.
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In 3A und 3B sind
weitere Ausführungsbeispiele
für eine
nichtflüchtige
Speicherzelle gemäß der Erfindung
dargestellt. Die beiden dargestellten Ausführungsbeispiele unterscheiden
sich von der Ausführungsform
der 1 dadurch, dass nur ein resistives Speicherelement
zum Speichern des Datums notwendig ist. Die Ausführungsform der 3A unterscheidet
sich von der Ausführungsform der 1 dadurch,
dass anstelle des ersten resistiven Speicherelementes 4 ein
Referenzwiderstandselement 10 vorgesehen ist, dass einen
festgelegten Widerstandswert Rref aufweist.
Der festgelegte Widerstandswert Rref entspricht
im Wesentlichen einem Widerstandswert, der zwischen den Widerstandswert der
Leitfähigkeitszustände des
zweiten resistiven Speicherelements liegt. Je nach dem, ob der Widerstandswert
Rcell1 des Zustandes des zweiten resistiven
Speicherelementes 5 größer oder
kleiner ist, als der Widerstandswert Rref des
Referenzwiderstandselementes 10 wird, die Speichereinheit 1 entsprechend
mit einer logischen "0" oder einer logischen „1" beschrieben, wenn
die Ausleseeinheit 6 aktiviert ist.
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Die
Ausführungsform
der 3B vereinfacht die Ausführungsform der 3A dadurch,
dass das Referenzwiderstandselement 10 in dem Kanalwiderstand
des ersten Schalttransistors 6 integriert wird. D.h. der
erste Schalttransistor 6 ist so dimensioniert, dass im
aktivierten Zustand der Durchlasswiderstandswert dem Widerstandswert
des Referenzwiderstandbauelementes 10 der 3A entspricht.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist in 4 dargestellt. Die 4 stellt
eine Weiterbildung der Ausführungsform
der 1 dar. Zusätzlich
zu den Elementen der Ausführungsform
der 1 ist eine Programmiereinheit 11 vorgesehen, die
einen ersten Programmiertransistor 12 und einen zweiten
Programmiertransistor 13 aufweist. Die Programmiereinheit 11 ist
vorgesehen, um die resistiven Speicherelemente 4, 5 in
geeigneter Weise zu programmieren, was üblicherweise durch Anlegen
einer geeigneten Programmierspannung VPROG erfolgt.
Das Programmieren der Speicherelemente 4, 5 erfolgt gemäß Programmiersteuersignalen
PROG0, PROG1, die von der Steuereinheit 9 bereitgestellt werden
können.
In einer weiteren Ausführungsform kann
die Funktion der Programmiertransistoren 12, 13 auch
durch die Schalttransistoren 7, 8 übernommen
werden, wobei dazu an den Ausgängen
der Speichereinheit 1 die entsprechende Programmierspannung
angelegt werden muss.
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Beim
Abspeichern veränderlicher
Größen (z. B.
ein Zählerstand)
kann sich der Zustand der Speichereinheit, d. h. das gespeicherte
Datum, während des
Betriebs der integrierten Schaltung ändern, indem es durch den Schaltkreis
in der integrierten Schaltung mit einem anderen Datum beschrieben wird.
In 5 ist eine Ausführungsform gezeigt, die es
ermöglicht,
einen geänderten
Zustand der Speichereinheit 1 per manent zu speichern, so
dass dieser nach einem Abschalten der Versorgungsspannung und einem
erneuten Einschalten weiterhin zur Verfügung steht. Dazu ist eine Schreibeinheit 14 vorgesehen,
die gesteuert durch die Steuereinheit 9 kurz vor dem Ausschalten
der Betriebsspannung das Datum aus der Speichereinheit 1 ausliest
und vorzugsweise bei deaktivierter Ausleseeinheit 6 die
Programmiersteuerbefehle Prog1, Prog2 für die Programmiereinheit 11 so
generiert, dass die Leitfähigkeitszustände der
resistiven Speicherelemente 4, 5 so eingestellt werden,
dass diese bei einem Auslesen über
die Ausleseeinheit 6 in der Speichereinheit 1 zum
Speichern des zuvor ausgelesenen Datum führen. Da die Leitfähigkeitszustände ohne
Anliegen der Betriebsspannung in den resistiven Speicherelementen 4, 5 gespeichert
werden, kann somit eine nichtflüchtige Speicherzelle
bereitgestellt werden, die zum einen in Form eines herkömmlichen
Registerspeichers in der integrierten Schaltung betrieben werden
kann und zum anderen den gespeicherten Zustand permanent speichert,
da dieser z. B. kurz vor dem Ausschalten der Betriebsspannung in
die resistiven Speicherelemente gespeichert wird. Die Programmiereinheit 11, die
Schreibeinheit 14, sowie die Ausleseeinheit 6 werden
durch die Steuereinheit 9 gesteuert. Die Steuereinheit 9 kann
nach dem Einschalten der Betriebsspannung der integrierten Schaltung
unmittelbar das oder die resistiven Speicherelemente 4, 5 wie oben
in Verbindung mit 2 beschrieben wurde, auslesen
und den entsprechenden Zustand in der Speichereinheit 1 speichern.
Im Falle der Ausführungsform
der 5 kann der aktuell in der Speichereinheit 1 gespeicherte
Zustand in regelmäßigen Zeitabständen oder
zu festgelegten Zeitpunkten in das resistive Speicherelement 5 speichern,
um das in der Speichereinheit 1 gespeicherte Datum sicher
zu speichern.
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- 1
- Speichereinheit
- 2
- Erster
Inverter
- 3
- Zweiter
Inverter
- 4
- Erstes
Speicherelement
- 5
- Zweites
Speicherelement
- 6
- Ausleseeinheit
- 7
- Erster
Schalttransistor
- 8
- Zweiter
Schalttransistor
- 9
- Steuereinheit
- 11
- Programmiereinheit
- 12
- Erster
Programmiertransistor
- 13
- Zweiter
Programmiertransistor
- 14
- Schreibeinheit