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Die
Vorliegende Erfindung betrifft integrierte Schaltkreise mit Speicherelementen
zum permanenten Speichern von Daten. Die vorliegende Erfindung betrifft
weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Speicherelementes
in einer integrierten Schaltung.
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Speicherelemente
zum permanenten Speichern von Daten in integrierten Schaltungen
werden verwendet, um Einstellungsdaten und im Fall einer Speichervorrichtung
Reparaturdaten zu speichern, die ein Ersetzen von fehlerhaften Speicherzellen
mit redundanten Speicherzellen bestimmen. Es ist bekannt, Laserfuse-Elemente
zu verwenden, um solche Daten zu speichern, die mit Hilfe eines
Laserfusing-Prozesses programmiert werden können. Ein Laserfusing-Prozess
kann nur auf nicht gehäuste Chips
(bare dies) angewendet werden, da er freien, direkten Zugang zur
Oberfläche
der integrierten Schaltung erfordert.
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Um
die Verwendung eines solchen Speicherelementes in gehäusten Vorrichtungen
zu ermöglichen,
ist aus der
US
2005/0122759 A1 und der
US 2006/0044049 A1 bekannt, eine elektrisch
programmierbare Fuse, sogenannte E-fuses, in die integrierte Schaltung
zu integrieren, die elektrisch durch Anlegen einer Programmierspannung
programmiert werden können.
Die Zuverlässigkeit
der elektrischen Fuses ist jedoch reduziert, da der Widerstand in
dem programmierten Zustand der elektrischen Fuse in einem breiten
Bereich variiert und darüber
hinaus von einem Auslesestrom abhängt, der zum Auslesen des Widerstandzustands
der elektrischen Fuse verwendet wird. Während des Programmierens verringert sich
die Programmierspannung üblicherweise
in dem Maße
wie der Widerstand der elektrischen Fuse abfällt. Dadurch kann es manchmal
vorkommen, dass eine Programmierspannung zusammenbricht, bevor die
elektrische Fuse auf einen Wider stand gebracht worden ist, der ausreichend
niedrig ist, um diesen eindeutig einem logischen Zustand zuzuordnen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Speicherelement zum permanenten
Speichern einer Information zur Verfügung zu stellen, das zuverlässiger in
einen logischen Zustand gebracht werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch das Speicherelement nach Anspruch 1 sowie durch
das Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist ein Speicherelement zum permanenten Speichern
einer Information in einer Speichervorrichtung vorgesehen. Das Speicherelement
umfasst eine erste elektrisch Fuse und eine zweite elektrische Fuse,
einen Verbindungsschaltkreis, um die erste und die zweite Fuse parallel
mit einer Programmierleitung zu verbinden und eine Programmiereinheit,
um den Verbindungsschaltkreis abhängig von einem gemeinsamen Schreibdatum
zu steuern, um nacheinander die erste und die zweite Fuse über die
Programmierleitung mit einem Programmierpotenzial zu verbinden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Speicherelement zum permanenten Speichern
einer Information in einer Speichervorrichtung vorgesehen. Das Speicherelement
umfasst einen ersten Fuseschaltkreis, der eine erste Fuse umfasst,
die mit einem ersten steuerbaren Fuseschalter verbunden ist; einen
zweiten Fuseschaltkreis, der eine zweite Fuse aufweist, die mit
einem zweiten steuerbaren Fuseschalter verbunden ist; eine Programmierleitung,
die mit sowohl dem ersten, als auch dem zweiten Fuseschaltkreis
verbunden ist, sodass die Fuseschaltkreise parallel miteinander
verbunden sind; eine Programmierquelle, um eine Programmierspannung
bereit zu stellen; einen Programmierschalter, um den erste und den
zweiten Fuseschaltkreis mit der Programmierquelle zu verbinden;
und einen Program mierschaltkreis, der mit dem Programmierschalter, dem
ersten steuerbaren Fuseschalter und dem zweiten steuerbaren Fuseschalter
verbunden ist. Zum Schreiben eines Datenwertes macht die Programmierschaltung
den Programmierschalter und den ersten Fuseschalter leitend, um
die erste Fuse zu programmieren und nach dem Enden des Programmiervorgangs
der ersten Fuse wird der erste Fuseschalter geöffnet (nicht leitend gemacht)
und der zweite Fuseschalter wird leitend gemacht, um die zweite
Fuse zu programmieren.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum permanenten Speichern einer
Information in einem Speicherelement in einer Speichervorrichtung
vorgesehen. Das Speicherelement umfasst einen ersten Fuseschaltkreis,
der eine erste Fuse umfasst, die mit einem ersten steuerbaren Schalter verbunden
ist; einen zweiten Fuseschaltkreis, der eine zweite Fuse umfasst,
die mit dem zweiten steuerbaren Schalter verbunden ist; eine Programmierleitung,
mit sowohl dem ersten, als auch dem zweiten Fuseschaltkreis verbunden
ist, sodass die Fuseschaltkreise parallel miteinander verbunden
sind; eine Programmierquelle, um eine Programmierspannung bereitzustellen;
einen Programmierschalter, um den ersten und den zweiten Fuseschaltkreis
mit der Programmierquelle zu verbinden. Das Verfahren umfasst die
Schritte des Leitfähigmachens
des Programmierschalters und des ersten Fuseschalters, um die erste
Fuse zu programmieren und nach dem Beenden des Programmierens der
ersten Fuse wird der erste Fuseschalter nichtleitend gemacht (geöffnet) und
der zweite Fuseschalter wird leitfähig gemacht, um die zweite
Fuse zu programmieren.
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Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden einem Fachmann mit Bezug auf die
nachfolgende Beschreibung und die beigefügten Figuren offensichtlich.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche
Elemente.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Speicherelements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 zeigt
die elektrischen Fuseschaltkreise, die in dem Speicherelement der 1 verwendet werden;
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3 zeigt
das Signaldiagramm der Steuersignale für das Speicherelement der 1;
und
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4 zeigt
ein Signalzeitdiagramm, das ein Signal-Timing-Diagramm beim Programmieren eines Speicherelementes
der 1 darstellt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert.
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Als
eine Ausführungsform
zeigt 1 einen integrierten Speicherschaltkreis 1 mit
einem Speicherzellenfeld 2, in dem Speicherzellen (nicht
gezeigt) an Wortleitungen und Bitleitungen (nicht gezeigt) angeordnet
sind. Das Speicherzellenfeld 2 weist einen redundanten
Abschnitt 3 auf, in dem redundante Speicherzellen (nicht
gezeigt) angeordnet sind, um wahlweise Speicherzellen aus dem Speicherzellenfeld 2 zu
er setzen, wenn diese als fehlerhaft dedektiert worden sind. Die
Arbeitsweise der integrierten Speicherschaltung 1 wird
durch einen Steuerschaltkreis 4 gesteuert, dessen Funktionen aus
dem Stand der Technik allgemein bekannt sind und daher keiner weiteren
Erläuterung
bedarf. Um anzugeben, welche Speicherzellen in dem Speicherzellenfeld 2 durch
die redundanten Speicherzellen ersetzt werden sollen, wird eine
Reparaturinformation permanent in Speicherelementen einer Reparatureinheit 5 gespeichert.
Zusätzlich
oder optional können
weitere Speicherelemente zum permanenten Speichern von Einstellungsdaten
in einer Einstellungseinheit 6 vorgesehen werden. Anstelle
einer Speicherschaltung kann ein anderer integrierter oder elektronischer
Schaltkreis mit einer Einstelleinheit vorgesehen werden, der Speicherelemente
zum permanenten Speichern von Einstellungsinformationen aufweist.
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Eine
Ausführungsform
eines Speicherelements gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 2 gezeigt. Das Speicherelement 10 der 2 umfasst eine
erste elektrische Fuse 11 und eine zweite elektrische Fuse 12,
die mit einem dielektrischen Material ausgebildet sein können, in
dem ein elektrisch leitfähiger
Pfad ausgebildet werden kann. Der elektrisch leitfähige Pfad
wird durch das Anlegen einer Programmierspannung gebildet, die zu
einem Durchbruch in dem dielektrischen Material führt. Die
elektrische Fuse kann auch als Feldeffekttransistor ausgebildet
sein oder allgemein gesprochen als eine MOS-Transistorstruktur mit
einem Gateoxid und dergleichen, das als das dielektrisches Material
für die elektrische
Fuse verwendet wird.
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Die
elektrische Fuse 11, 12 ist zum Schalten in Reihe
mit einem entsprechenden Feldeffekttransistor 13, 14,
verbunden, der z.B. als ein p-Kanal-Feldeffekttransistor vorgesehen
sein kann. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Feldeffekttransistoren 13, 14 als
Fuseschalter verwendet und werden daher nachfolgend als der erste
und der zweite Fuseschalter 13, 14 bezeichnet.
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Die
erste elektrische Fuse 11 und der erste Fuseschalter 13 bilden
einen ersten Fuseschaltkreis 15 und die zweite Fuse 12 und
der zweite Fuseschalter 14 bilden einen zweiten Fuseschaltkreis 16.
Der erste und der zweite Fuseschaltkreis 15, 16 sind
parallel miteinander zwischen einer Programmierleitung 17 und
einem Referenzpotential VNEG, das ein niedriges
Versorgungspotential, z.B. ein Massepotential, sein kann verbunden.
Die Programmierleitung 17 ist über einen Programmierschalter 18 mit
einem Programmierpotential VDD verbunden,
das ein hohes Versorgungspotential des integrierten Schaltkreises oder
dergleichen sein kann.
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Ein
Programmierschaltkreis 20 ist vorgesehen, um mit einem
Auswahlsignal SELECT den Programmierschalter 18 zu steuern,
der als ein p-Kanalfeldeffekttransistor ausgebildet sein kann, und um den
ersten und den zweiten Fuseschalter 13, 14 mit Hilfe
eines ersten und eines zweiten Steuersignals F1, F2, die nachfolgend
beschrieben werden, zu steuern. Um die Fuseschalter 13, 14 vollständig zu öffnen, kann
der Programmierschaltkreis 20 einen Pegelshifter umfassen,
um das Potential des ersten und zweiten Fusesignals F1, F2 zu erhöhen, sodass die
Fusetransistoren (p-Kanal) vollständig durch den Programmierschaltkreis 20 geöffnet werden
können. Bei
Verwendung von p-Kanal-Transistoren kann das Steuerpotential mithilfe
eines Pegelshifters verringert werden.
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Eine
Leseeinheit 21 ist vorgesehen, die mit der Programmierleitung 17 verbunden
ist und die einen Ausgang aufweist, um einen Logikpegel, der das gespeicherte
Datum des Speicherelementes angibt, auszugeben. Die Leseeinheit 21 weist
einen ersten Lesetransistor 22 und einen zweiten Lesetransistor 23 sowie
einen Operationsverstärker 24 auf.
Anstelle eines Operationsverstärkers
kann auch ein Komperator verwendet werden. Im Detail wird ein nicht
invertierender Eingang des Operationsverstärkers 24 mit einem
Referenzpotential VREF verbunden, das ein Schwellpotential
zum Unterscheiden der Logikpegel, die als Widerstandszustand in
den Fuses 11, 12 gespeichert sind, angibt. Der
erste Lese-Transistor 22 ist mit einem Aktivierungsanschluss 25 verbunden, über den
ein Auslesen des Speicherelementes durch Anlegen eines Aktivierungssignals
gestartet werden kann.
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Das
Referenzpotential wird von einer Referenzspannungsquelle 26 bereitgestellt.
Der Aktivierungsanschluss 25 ist mit einem ersten Anschluss des
ersten Lese Transistors 22 verbunden. Ein zweiter Anschluss
des ersten Lese Transistors 22 ist mit dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 24 verbunden.
Ein Gateanschluss des ersten Lese-Transistors 22 ist mit
dem Bezugspotential VREF verbunden, das
heißt
mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 24 entspricht
dem Ausgang der Leseeinheit 21. Ein erster Anschluss des zweiten Lese-Transistors 23 ist
mit der Programmierleitung 17 verbunden und ein zweiter
Anschluss des zweiten Lesetransistors 23 ist mit dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 24 verbunden. Ein
Gateanschluss des zweiten Lesetransistors 23 ist mit dem
Aktivierungsanschluss 25 verbunden.
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Die
Leseeinheit 21 ist von extern mithilfe des Aktivierungssignals
gesteuert. Abhängig
von dem Aktivierungssignal wird der zweite Lese-Transistor 23 geschlossen
und die in den Fuseschaltkreisen 15 und 16 gespeicherte
Information ausgelesen. Ein Ausgangsspannungspegel wird an dem Ausgang des
Operationsverstärkers 24 ausgegeben,
der den Logikpegel des gespeicherten logischen Zustands angibt.
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In
den Fuseschaltkreisen 15 und 16 wird der logische
Zustand (Information) als ein Widerstand der elektrischen Fuse 11, 12 gespeichert.
Um die Zuverlässigkeit
des Speicherns einer Information in den Fuseschaltkreisen zu erhöhen, werden
zwei Fuseschaltkreise 15, 16 parallel miteinander
verbunden, um den Fall zu kompensieren, dass eine der elektrischen
Fuses 11, 12 nicht auf einen Widerstand soweit
programmiert werden kann, der ausreichend niedrig ist, um eindeutig
die entsprechende Information anzugeben. Die Programmierung der
elektrischen Fuses 11, 12 wird durch den Programmierschaltkreis 20 vorgenommen,
der das Programmiersignal SELECT für die Programmierschalter 18 sowie das
erste und das zweite Fusesignal F1, F2 für den ersten Fuseschalter 13 bzw.
den zweiten Fuseschalter 14 bereitstellt.
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Anfänglich sind
die elektrischen Fuses 11, 12 mit einem dielektrischen
Material versehen, in dem kein Durchbruchspfad ausgebildet ist,
sodass die elektrischen Widerstände
solcher elektrischen Fuses anfänglich
hoch sind. Wenn der erste logische Zustand in dem Speicherelement
gespeichert werden soll, bleiben die erste und zweite elektrische
Fuse 11, 12 unverändert, das heilt keine Programmierspannung
wird an die elektrischen Fuses angelegt, um ihre elektrischen Widerstände zu verändern.
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Wenn
ein zweiter logischer Zustand in dem Speicherelement gespeichert
werden soll, wird die Programmierung wie folgt vorgenommen. Der
Programmierschaltkreis 20 legt ein Programmiersignal SELECT
an den Gateanschluss des Programmierschalters 18 an, sodass
die Programmierspannung VDD an die Programmierleitung 17 angelegt
wird. Weiterhin legt den Programmierschaltkreis 20 das erste
Fusesignal F1 an den Gateanschluss des ersten Fuseschalters 13 an,
um den ersten Fuseschalter 13 leitend zu machen. Dadurch
wird die Programmierspannung von ungefähr VDD-VNEG an
die erste Fuse 11 angelegt, sodass das Programmieren erfolgt,
bei dem ein Durchbruchspfad in dem dielektrischem Material der elektrischen
Fuse 11 ausgebildet wird. Als Ergebnis nimmt der Widerstand
der elektrischen Fuse ab.
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Bei
einem Beispiel wird dargestellt, wie die Zuverlässigkeit des Speicherns von
Informationen in dem Speicherelement der 1 erhöht werden kann.
Vorausgesetzt, dass ein erster Widerstandszustand der elektrischen
Fuses einen Widerstand von ungefähr
500 MegOhm aufweist und ein zweiter Widerstandszustand der elektrischen
Fuses einen Widerstand von ungefähr
10 MegOhm aufweist. Weiterhin wird angenommen, dass in einer verschlechterten
Fuse der Widerstand des zweiten Widerstandszustands lediglich 100
MegOhm erreicht. Mit dem Ergebnis, wird aufgrund der parallelen
Verbindung der zwei elektrischen Fuses der Gesamtwiderstand auf 50
MegOhm verringert, sogar in dem Fall, dass beide elektrischen Fuses
verschlechterte Eigenschaften aufweisen.
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Während das
Programmiersignal SELECT an dem Programmierschalter 18 noch
anliegt wird der erste Fuseschalter 13 nicht leitend gemacht
und unmittelbar danach wird ein zweites Fusesignal F2 an den zweiten
Fuseschalter 14 angelegt, sodass die Programmierspannung
VDD-VNEG über
die zweite elektrische Fuse 12 angelegt wird, um den Widerstand
der zweiten elektrischen Fuse 12 von einem hohen zu einem
niedrigen Widerstand zu ändern. Das
Aktivieren des zweiten Fuseschalters 14 (mit Hilfe des
zweiten Fusesignals F2) kann sofort, das heißt unmittelbar nach dem Öffnen des
ersten Fuseschalters 13 durchgeführt werden, oder alternativ
kann nach einer bestimmten Zeitdauer (Retention Zeit) nach dem Öffnen des
ersten Fuseschalters 13 durchgeführt werden, während sich
der Spannungsgenerator zum Bereitstellen des Programmierpotentials VDD
erholt. Nachdem die zweite Fuse 12 programmiert worden
ist, wird der zweite Fuseschalter 14 geöffnet. Weiterhin ändert sich
das Programmiersignal und der Programmierschalter 18 wird
geöffnet
und das Programmieren ist beendet.
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Üblicherweise
ist eine Vielzahl von Speicherelementen in dem Speicherschaltkreis
vorgesehen, sodass ein Programmiersignal das nächste Speicherelement sofort,
dass heißt
unmittelbar, oder nach Verstreichen der Retentionszeit des Programmierspannungsgenerators
angelegt wird. Der Gesamtwiderstand beider Fuseschaltkreise 15, 16 ergibt
sich aus der parallelen Verbindung der Fuseschaltkreise 15, 16 und
ist niedriger als der Widerstand in dem Fall, bei dem nur eine elektrische
Fuse zum Speichern der Information verwendet wird. Sogar wenn eine
der elektrischen Fuses 11, 12 beim Programmieren
nicht korrekt programmiert werden konnte, ist der Widerstand der
entsprechenden anderen elektrischen Fuse, die korrekt programmiert
worden ist, noch niedrig, um eindeutig den gespeicherten logischen
Zustand anzugeben. Auf diese Weise kann der logische Zustand durch
die Leseeinheit 21 auf sichere Weise ausgelesen werden.
Dadurch kann die Zuverlässigkeit
des Speicherelements erhöht
werden. Sogar wenn beide elektrischen Fuses nicht korrekt programmiert
werden können,
dass heißt
beide Widerstandswerte (Bereiche) die für einen programmierten Zustand
festgelegt sind, nicht erreicht worden sind, kann die parallele
Verbindung beider Fuse 11, 12 einen Widerstandspegel
bereitstellen, der dann ausreichend niedrig ist, um ein deutig durch
die Leseeinheit 21 dem logischen Zustand zugeordnet zu
werden.
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Selbstverständlich können mehr
als zwei Fuseschaltkreise verwendet werden, die parallel miteinander
verbunden sind, wobei ein Programmieren durchgeführt wird, indem die jeweiligen
Fuseschalter nacheinander aktiviert werden und dadurch das Programmieren
der entsprechenden elektrischen Fuse vorgenommen wird. Das Auslesen
wird immer durch gleichzeitiges Aktivieren der Fuseschalter durchgeführt, um
zu ermöglichen,
dass der zu bewertende Gesamtwiderstand ein Ergebnis der parallelen
Verbindung der Fuseschaltkreise ist.
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In 3 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Integration von Fuseelementen
dargestellt. Wie oben beschrieben sind die Fuseelemente als Transistorstrukturen
ausgebildet, die Dotierbereiche 41, 42, 43 aufweisen,
die auf dieselbe Weise und in den selben Prozessschritten wie die
Source- und Drainbereiche
der Schalter und Transistoren, die weiterhin in dem Speicherelement
vorgesehen sind, ausgebildet sein können. Zwischen dem ersten und zweiten
Dotierbereich 41, 42 ist ein Gateoxyd und ein Gateanschluss
vorgesehen, der mit dem ersten Fuseschalter 13 verbunden
ist und zwischen dem zweiten und dem dritten Dotierbereich 42, 43 ist
ein zweites Gateoxyd und ein zweiter Gateanschluss vorgesehen, der
mit dem zweiten Fuseschalter 14 verbunden ist. Die Dotierbereiche 41, 42, 43 sind
miteinander kurzgeschlossen und mit einem niedrigen Versorgungspotential
VNEG verbunden. Die Gateanschlüsse sind
wie oben angegeben über
die Fuseschalter 13, 14 mit der Programmierleitung 17 verbunden.
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In 4 ist
ein Signal Zeitdiagramm dargestellt, das die Programmiersignale
SELECT 1, SELECT 2, SELECT 3 zum steuern einer Vielzahl von Programmierschaltern
angibt, die jeweils für
ein Speicherelement vorgesehen sind und die Fusesignale F1, F2 zum
Steuern des ersten bzw. zweiten Fuseschalters 13, 14.
Man kann sehen, dass beim Aktivieren des entsprechenden Fuseschalters
eines Speicherelementes der erste und der zweite Fuseschalter 13, 14 nacheinander
geschlossen werden, während
zwischen den geschlossenen Zuständen eine
Retentionszeit vorgesehen wird, um der Quelle für das Programmierpotential
zu ermöglichen,
sich zu erholen.
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Das
vorgeschlagene Speicherelement stellt eine verbesserte Zuverlässigkeit
zum Speichern eines logischen Zustands dar (programmierter Zustand,
Wiederstand niedriger als bei dem Anfangszustand). Das vorgeschlagene
Speicherelement stellt weiterhin ein verbessertes Niedrig-Temperatur-Verhalten
zur Verfügung.
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- 1
- Speicherschaltkreis
- 2
- Speicherzellenfeld
- 3
- redundanter
Abschnitt
- 4
- Steuerschaltkreis
- 5
- Reparatureinheit
- 6
- Einstellungseinheit
- 11
- erste
elektrische Fuse
- 12
- zweite
elektrische Fuse
- 13
- erster
Fuseschalter
- 14
- zweiter
Fuseschalter
- 15
- erster
Fuseschaltkreis
- 16
- zweiter
Fuseschaltkreis
- 17
- Programmierleitung
- 18
- Programmierschalter
- 20
- Programmierschaltkreis
- 21
- Leseeinheit
- 22
- erster
Lesetransistor
- 23
- zweiter
Lesetransistor
- 24
- Operationsverstärker
- 25
- Aktivierungsanschluss
- 41,
42, 43
- Dotierbereiche
- Select
1, Select 2, Select 3
- Programmmiersignale
- F1,
F2
- Fusesignale