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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Widerstands in einer integrierten Schaltung. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Schaltungsaufbau.
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In integrierten Schaltungen werden Widerstände benötigt, deren Widerstandswerte mehr oder weniger genau eingestellt werden müssen. Die Widerstände werden beispielsweise in der integrierten Schaltung implementiert, indem Kanäle mit einer entsprechenden Dotierung verwendet werden. Dies führt zu einem großflächigen, schlecht kontrollierbaren Festwiderstand.
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Des Weiteren ist es möglich, Transistoren als Widerstandselemente zu verwenden, indem die Transistoren nicht vollständig durchgeschaltet werden. Dies führt zu einem nicht-linearen Widerstandsverlauf und zu einem verhältnismäßig großen Flächenbedarf für diesen Widerstand.
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Darüber hinaus können hochohmige Leiterbahnen verwendet werden, die mittels Laser auf einen gewünschten Wert getrimmt werden können. Dies ist nur so lange möglich, wie die Oberfläche der integrierten Schaltung zugänglich ist, also nur bei ungehäusten Bausteinen.
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In der gattungsbildenden
US 6 436 738 B1 ist eine Fuse-Struktur offenbart, deren Widerstand durch einen Programmierstrom verändert werden kann. Der Widerstand der Fuse-Struktur kann durch einen Programmierstrom eingestellt werden, sodass man den Widerstandswert der Fuse-Struktur von einem ersten Widerstand auf einen zweiten Widerstand ändert, um so eine bausteininterne Einstellung vornehmen zu können.
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US 5 696 404 A beschreibt ein Verfahren und eine Schaltung zum Einstellen einer Fuse. Dort ist dargestellt, die Fuse mit Hilfe eines durch das Programmierpotential VPP vorgegebenen Programmierstroms zu programmieren.
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Die Druckschrift
DE 101 03 298 A1 zeigt eine Anti-Fuse-Struktur, bei der eine Degradation der Fuse-Struktur durch ein Ausheilen dadurch vermieden wird, dass eine Aluminiumschicht innerhalb der Antifuse-Struktur vorgesehen wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Widerstandsbauelement zur Integration in eine integrierte Schaltung vorzusehen, dessen Widerstandswert einfach und genau einstellbar ist und dessen Flächenbedarf gering ist.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 bzw. 2 und den Schaltungsaufbau nach Anspruch 5 bzw. 6 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Einstellen eines Widerstands in einer integrierten Schaltung vorgesehen. Der Widerstand weist einen ersten leitenden Bereich und einen zweiten leitenden Bereich auf, zwischen denen ein Widerstandsbereich angeordnet ist. Eine solche Struktur kann eine Antifuse-Struktur oder eine Migrations-Fuse-Struktur sein. Es wird ein Programmierstrom durch den Widerstand geleitet, wobei der Programmierstrom so gewählt wird, um einen aus einem Widerstandsbereich ausgewählten, von dem Programmierstrom abhängigen Widerstandswert des Widerstands einzustellen.
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Bisher ist es üblich, eine Antifuse-Struktur oder eine Migrations-Fuse-Struktur zum Einstellen von digitalen Einstellungswerten in der integrierten Schaltung zu verwenden. Dazu sind die Fuse-Strukturen mit Auswerteschaltungen verbunden, die je nach Zustand der Fuse-Struktur einen digitalen Wert liefern.
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Anfänglich ist eine Antifuse-Struktur nicht leitend. Zum Programmieren der Antifuse-Struktur wird ein Programmierstrom durch die Antifuse-Struktur geleitet oder nicht. Daraus ergeben sich zwei Zustände der Antifuse-Struktur: einen ersten Zustand, in dem die Antifuse-Struktur nicht leitet und einen zweiten Zustand, in dem die Antifuse-Struktur im Wesentlichen niederohmig ist. Die beiden Zustände entsprechen den Schaltzuständen des nachgeordneten Schalters.
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Eine Migrations-Fuse-Struktur ist anfänglich zunächst leitend. Zur Programmierung der Migrations-Fuse-Struktur wird ein Programmierstrom durch die Migrations-Fuse-Struktur geleitet oder nicht. In einem ersten Zustand, wenn kein Programmierstrom angelegt worden ist, leitet dann die Migrations-Fuse-Struktur und in einem zweiten Zustand, wenn ein Programmierstrom angelegt worden ist, ist die Migrations-Fuse-Struktur im Wesentlichen hochohmig. Die beiden Zustände entsprechen den Schaltzuständen des nachgeordneten Schalters.
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Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, dass je nach angelegtem Programmierstrom bzw. Dauer des Programmierstroms verschiedene Widerstandswerte der Fuse-Struktur eingestellt werden können. D. h. die Widerstandswerte sind frei wählbar in einem Bereich einer guten Leitfähigkeit bis zu einem Bereich einer Isolation.
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Dadurch, dass der Programmierstrom bestimmt, welchen Widerstandswert die Fuse-Struktur annimmt, lässt sich ein Widerstandswert für die Fuse-Struktur aus einem Widerstandsbereich beliebig auswählen. Es ist also möglich, sowohl die Antifuse-Struktur als auch die Migrations-Fuse-Struktur als wertkontinuierliches Widerstandselement zu verwenden, und nicht lediglich als Einstellungselement zum Einstellen von diskreten Einstellungswerten in einer integrierten Schaltung.
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In dem Bereich der einstellbaren Widerstände bei der Antifuse-Struktur gibt es einen Bereich, in dem der einstellbare Widerstand im Wesentlichen von einem Betriebsstrom unabhängig ist. Der Betriebsstrom ist der Strom, der von einer Schaltung, in der der Widerstand eingesetzt ist, in den Widerstand einprägt. Auf diese Weise kann auch bei einem sich ändernden Strom durch den Widerstand ein gleichbleibender Widerstand gewährleistet werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Programmierstrom an einen externen Anschluss der integrierten Schaltung angelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass eine in der integrierten Schaltung interne Generierung eines Programmierstroms entfällt und somit eine dazu notwendige Programmierschaltung in der integrierten Schaltung eingespart werden kann.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Programmierstrom intern in der integrierten Schaltung generiert wird, so dass das Einstellen der Widerstandswerte ohne äußeres Zutun beispielsweise bei der ersten Inbetriebnahme durchgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltung zum Einstellen eines Widerstands in einer integrierten Schaltung vorgesehen. Der Widerstand ist, wie oben beschrieben, als eine Fuse-Struktur ausgebildet. Es ist weiterhin eine Programmierschaltung vorgesehen, um einen definierten Programmierstrom durch den Widerstand zu leiten, um einen aus einem Widerstandsbereich ausgewählten Widerstandswert einzustellen.
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Die Programmierschaltung dient dazu, einen Programmierstrom zur Verfügung zu stellen, der von dem einzustellenden Widerstand abhängt.
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Vorzugsweise ist die Fuse-Struktur als Antifuse-Struktur ausgebildet, die als Widerstandsbereich einen dielektrischen Bereich aufweist. Dazu kann vorgesehen sein, dass die Programmierschaltung eine Stromquelle aufweist, um einen über die Zeit anwachsenden Programmierstrom durch den Widerstand zu leiten. Bei Erreichen des vorbestimmten Widerstandswerts ist die Stromquelle abschaltbar, um den eingestellten Widerstandswert beizubehalten. Während des anwachsenden Programmierstroms wird der jeweils eingestellte, sich ändernde Widerstandswert kontinuierlich gemessen und festgestellt, ob der eingestellte Widerstandswert dem gewünschten einzustellenden Widerstandswert entspricht. Ist der gewünschte Widerstandswert erreicht, kann durch Abschalten der Stromquelle der Widerstandswert, der soeben erreicht worden ist, beibehalten werden. Auf diese Weise kann eine möglichst einfache Programmierschaltung realisiert werden, mit der ein aus einer Antifuse-Struktur gebildeter Widerstand eingestellt werden kann.
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Vorzugsweise ist eine Messschaltung vorgesehen, die das Erreichen des vorbestimmten Widerstands detektiert und die Stromquelle abschaltet.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Widerstandsbereich einen Leiterbereich aufweist, der als Migrationsbereich dient. Die Programmierschaltung wählt den definierten Programmierstrom so aus und legt diesen für eine bestimmte Zeitdauer an, um eine definierte Abnahme eines Querschnitts des Leiterbereichs durch Elektromigration zu erreichen. Auf diese Weise kann der Widerstand des Widerstandsbereichs durch Abnahme des Querschnitts erhöht werden. Der Betrag des Widerstands ist dabei von dem angelegten Programmierstrom, sowie von der Zeitdauer, die der Programmierstrom angelegt ist, ab.
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Die Programmierschaltung kann vorzugsweise eine Stromquelle aufweisen, um den Programmierstrom, bei dem eine Elektromigration in dem Widerstandsbereich auftritt, durch den Widerstand zu leiten, wobei die Stromquelle bei Erreichen des vorbestimmten Widerstandswerts abschaltbar ist, um den eingestellten Widerstandswert beizubehalten. Auf diese Weise wird die Zeitdauer, in der der Programmierstrom angelegt ist, festgelegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verwendung eines Antifuse-Bauelements als Widerstandselement mit einem in einem Widerstandsbereich durch einen Programmierstrom frei einstellbaren Widerstand vorgesehen. Dies ermöglicht den Einsatz von Antifuse-Bauelementen nicht nur als dauerhaften Einstellungsspeicher für Einstellungswerte, sondern auch für Widerstandselemente, die in einer integrierten Schaltung verwendet werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine mögliche Struktur eines Antifuse-Bauelements;
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2 die Funktion des Widerstands des Antifuse-Bauelements abhängig von dem durchgeleiteten Strom und dem Parameter des Programmierstroms;
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3a, 3b einen Migrations-Fuse-Widerstand;
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4 eine Programmierschaltung für einen Antifuse-Widerstand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine Programmierschaltung für einen Migrations-Fuse-Widerstand gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Antifuse-Struktur dargestellt. Sie weist eine erste leitende Schicht 1 auf, die vorzugsweise aus einer Metallisierungsschicht aufgebaut ist. Darüber ist eine dielektrische Schicht aufgebracht, die z. B. eine Dielektrizitätskonstante εR = 5,5 aufweist. Selbstverständlich können auch dielektrische Schichten mit anderen Dielektrizitätskonstanten verwendet werden. Die dielektrische Schicht 2 kann Siliziumnitrid aufweisen, in das Sauerstoffmoleküle implantiert sind.
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Darüber wird eine zweite leitende Schicht 3 abgeschieden, die über eine Leiterverbindung 4 kontaktiert ist. Die zweite leitende Schicht 3 weist vorzugsweise Wolframsilikat auf, kann jedoch auch andere Materialien, die leitend sind, aufweisen. Die Leiterverbindung 4 ist vorzugsweise aus Wolfram ausgebildet, es sind jedoch aus andere elektrisch leitende Materialien dafür geeignet, wie z. B. Aluminium, Kupfer u. s. w.
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Nach der Herstellung einer solchen Antifuse-Struktur ist die Antifuse-Struktur zunächst nicht leitend, da zwischen der ersten leitenden Schicht 1 und der dritten leitenden Schicht 3 ein nicht-leitendes Dielektrikum angeordnet ist. Wird ein Programmierstrom in die Antifuse-Struktur eingeprägt, so wird die Durchbruchsspannung über der dielektrischen Schicht 2 überschritten, und es bildet sich ein Durchbruchskanal aus, der die dielektrische Schicht 2 so verändert, dass sie einen Zustand beibehält, in dem sie leitend wird. Abhängig von der Stärke des Programmierstroms bestimmt sich die Größe des Durchbruchskanals. Der Widerstand, der über der Antifuse-Struktur eingestellt ist, ist abhängig von der Größe des Durchbruchkanals.
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In 2 ist ein Funktionsdiagramm dargestellt, das die Abhängigkeit des Widerstands von dem durchgeleiteten Strom darstellt. Als Parameter der mehreren Funktionskurven dient der Programmierstrom. Die Funktion F1 zeigt den Widerstandsverlauf der Antifuse-Struktur bei einer vorherigen Programmierung der Antifuse-Struktur mit einem Programmierstrom von 0,2 mA. Man erkennt in einem Bereich zwischen 0,2 mA und 0,3 mA einen weiter sinkenden Verlauf des Widerstandes, wobei ein in diesem Bereich ansteigender Programmierstrom ein Sinken des Widerstandes verursacht.
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Die zweite Kurve F2 zeigt den Widerstandsverlauf der Antifuse-Struktur bei Strömen zwischen 0,0 mA bis 0,4 mA bei einer vorherigen Programmierung mit 0,3 mA, wobei man erkennt, dass der Verlauf des Widerstands sehr stark von dem Strom abhängig ist. In dem Bereich zwischen 0,3 mA und 0,4 mA erkennt man einen weiteren Abfall des Widerstandsverlauf. In diesem Bereich wird die Antifuse-Struktur programmiert, d. h. der Durchbruchskanal in der Antifuse-Struktur wird ausgeweitet bzw. neue Durchbruchskanäle geschaffen, so dass sich der elektrische Widerstand verringert.
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Die dritte Funktion F3 zeigt dann den Widerstandsverlauf bei einem vorhergehenden Programmierstrom von 0,4 mA. In dem Bereich zwischen 0,4 mA und 0,5 mA erkennt man in der dritten Funktion F3 wiederum einen linearen Verlauf des Widerstands über dem Strom I. Der monoton fallende Verlauf zeigt auch hier an, dass in diesem Bereich die Antifuse-Struktur programmiert wurde, d. h. neue Durchbruchskanäle gebildet worden sind. So bestimmt jeweils der größte, jeweils an die Antifuse-Struktur angelegte Strom den Widerstandsverlauf in einem Bereich von 0 mA bis zu dem Wert des größten, bisher angelegten Stroms.
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In dem Schaubild nach 2 sind neun Funktionen für neun verschiedene Programmierströme dargestellt, wobei man erkennt, dass je größer der Programmierstrom war, desto konstanter ist der Verlauf des Widerstands in dem Bereich zwischen 0 mA und dem maximal angelegten Programmierstrom in Abhängigkeit von dem angelegten Betriebsstrom. Insbesondere in dem Bereich zwischen 500 und 1000 Ω und bei Programmierströmen zwischen 1,5 mA und 2,5 mA erkennt man einen nahezu konstanten Verlauf des Widerstands über dem angelegten Betriebsstrom. Gleichzeitig erkennt man einen relativ flachen Verlauf der Widerstandsabnahme über der angelegten Programmierspannung. Dies ermöglicht eine sehr genaue Einstellung des Widerstands der Antifuse-Struktur mithilfe des Programmierstroms.
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Bei der Verwendung des Antifuse-Widerstandes in einer späteren Schaltung muss lediglich darauf geachtet werden, dass der normale Betriebsstrom der integrierten Schaltung den Programmierstrom nicht überschreitet, da ansonsten der Widerstand der Antifuse-Struktur geändert würde. In dem Schaubild nach 2 ist der Betriebsstrom durch die senkrechte gestrichelte Linie bei 0,2 mA gekennzeichnet. Insbesondere in Fällen, in denen der Betriebstrom durch den Widerstand schwankt, z. B. bei Verstärkerschaltungen, ist es sinnvoll, die Antifuse-Struktur so auszulegen, dass relativ hohe Programmierströme verwendet werden können, um einen linearen Verlauf des Widerstands im Bereich des Betriebsstroms zu erreichen.
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In 3a ist eine Migrations-Fuse-Struktur mit einer dritten leitenden Schicht 10 und einer vierten leitenden Schicht 11 dargestellt. Zwischen der dritten und der vierten leitenden Schicht 10, 11 ist ein Widerstandsbereich 12 angeordnet, der leitend ist, und der einen geringeren Querschnitt als die dritte und vierte leitende Schicht 10, 11 aufweist. Beim Anlegen eines Programmierstroms ist somit die Stromdichte innerhalb des Widerstandsbereich 12 gegenüber dem dritten und dem vierten leitenden Bereich erhöht.
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Bei der Elektromigration findet bei hohen Stromdichten, die materialabhängig sind, ein Materialtransport des Leitermaterials entgegen der Stromrichtung statt. In 3b ist die Veränderung der Migrations-Fuse-Struktur nach 3a nach Anlegen eines Programmierstroms für eine bestimmte Dauer dargestellt. Man erkennt, dass sich der Querschnitt des Widerstandsbereichs 12 in der Nähe des geringeren Potentials verringert und der Querschnitt des Widerstandsbereichs 12 in der Nähe des höheren Potentials vergrößert ist. Die Verringerung des Querschnitts bewirkt eine Widerstandserhöhung, wobei der erreichte Querschnitt des Widerstandsbereichs 12 von der Stärke des Elektromigrationseffektes abhängt. Im Wesentlichen lässt sich die Stärke der Elektromigration durch die Höhe des Programmierstroms, sowie die Dauer des Anliegens des Programmierstroms über dem Widerstandsbereich festlegen. Somit ist der Widerstand der Migrations-Fuse-Struktur nahezu beliebig einstellbar.
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In 4 ist eine Schaltung zur Programmierung eines Antifuse-Widerstands R1 dargestellt. Der Antifuse-Widerstand R1 ist in Serie mit einem zweiten Widerstand R2 geschaltet. Die Reihenschaltung der beiden Widerstände ist so mit einer Komparatorschaltung 5 verbunden, dass die über dem Antifuse-Widerstand R1 und über dem zweiten Widerstand R2 abfallenden Spannungen miteinander verglichen werden. Durch die Reihenschaltung der Widerstände R1, R2 wird ein Strom I geleitet, der in einer Stromquelle 6 generiert wird.
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Ziel der Schaltung ist es, den Antifuse-Widerstand R1 mit Hilfe des Widerstandswertes des zweiten Widerstands R2 einzustellen. Dazu gibt die Stromquelle 6 einen langsam anwachsenden Strom I aus, der eine Programmierung des Antifuse-Widerstands R1 und gleichzeitig Spannungsabfälle über dem Antifuse-Widerstand R1 und dem zweiten Widerstand R2 bewirkt. Die Spannung, die über dem Antifuse-Widerstand R1 abfällt, bestimmt sich nach dem Widerstandswert des Antifuse-Widerstands R1, der von dem Programmierstrom I abhängt.
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Fällt über beiden Widerständen R1, R2 die gleiche Spannung ab, so generiert die Komparatorschaltung 5 ein Stoppsignal, das über eine Signalleitung 7 an die Stromquelle 6 angelegt wird. Dort wird in Folge des Stoppsignals das Anwachsen des Stroms angehalten. Dies kann erfolgen, indem die Stromquelle als Ganzes abgeschaltet wird, oder indem der eingeprägte Strom auf dem erreichten Niveau gehalten wird. Sobald das Stoppsignal bewirkt, dass der Strom I nicht weiter anwächst, ist der Widerstandswert des Antifuse-Widerstands R1 gleich dem Widerstandswert des zweiten Widerstands R2 bei dem erreichten Stromwert I.
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Je nach Höhe des Programmierstroms ist der Widerstandswert des Antifuse-Widerstands R1 im Wesentlichen über dem angelegten Strom konstant (siehe 2), so dass dieser programmierte Antifuse-Widerstand R1 als Festwiderstand in einer integrierten Schaltung betrieben werden kann.
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Zum Programmieren des Antifuse-Widerstands R1 kann vorgesehen sein, dass die übrige Programmierschaltung mit dem zweiten Widerstand der Komparatorschaltung 5 und der Stromquelle 6 außerhalb der integrierten Schaltung vorgesehen sind, und lediglich der zu programmierende Antifuse-Widerstand R1 über zwei Anschlüsse kontaktierbar sind. Auf diese Weise kann Fläche in der integrierten Schaltung eingespart werden und gleichzeitig eine sehr genaue Einstellung des Antifuse-Widerstands R1 vorgenommen werden, da der zweite Widerstand R2 beispielsweise durch Verwendung eines Shunt-Widerstands sehr genau vorgebbar ist.
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Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass die Komparatorschaltung 5 und die Stromquelle 6 intern angeordnet sind, so dass lediglich ein Abgleichwiderstand in Form des zweiten Widerstands R2 an zwei äußere Anschlüsse der integrierten Schaltung angelegt werden muss.
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Zum Einstellen einer Migrations-Fuse-Struktur auf einen gewünschten Widerstandswert kann im Wesentlichen eine ähnliche Schaltung wie die Schaltung nach 4 verwendet werden. Eine solche Schaltung ist in 5 dargestellt. Der Migrations-Fuse-Widerstand R3 ist in Serie mit einem dritten Widerstand R4 geschaltet. Die Reihenschaltung der beiden Widerstände R3, R4 ist so mit einer Komparatorschaltung 15 verbunden, das die über den Migrations-Fuse-Widerstand R3 und über dem dritten Widerstand R4 abfallenden Spannungen miteinander verglichen werden. Durch die Reihenschaltung, dessen Migrations-Fuse-Widerstand R3 und dem dritten Widerstand R4 wird ein Strom I geleitet, der in einer zweiten Stromquelle 16 generiert wird.
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Ebenso wie bei der Schaltung nach 4 ist es Ziel der Schaltung nach 5, den Migrations-Fuse-Widerstand R3 auf den Widerstandswert des dritten Widerstands R4 einzustellen. Dazu gibt die zweite Stromquelle 16 einen Strom I aus, der einen Elektromigrationseffekt in dem Migrations-Fuse-Widerstand R3 bewirkt. Der Strom I bewirkt gleichzeitig Spannungsabfälle über den Migrations-Fuse-Widerstand R3 und dem dritten Widerstand R4. Die Spannung, die über dem Migrations-Fuse-Widerstand R3 abfällt, bestimmt sich nach dem Widerstandswert des Migrations-Fuse-Widerstands R3, der von dem Programmierstrom I, der von der zweiten Stromquelle 16 abhängt.
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Fällt über beiden Widerständen R3, R4 die gleiche Spannung ab, so generiert die zweite Komparatorschaltung 15 ein Stoppsignal, das über eine zweite Signalleitung 17 an die zweite Stromquelle 16 angelegt wird. Dort wird in Folge des Stoppsignals der Programmierstrom abgeschaltet. Auf diese Weise wird der soeben erreichte Widerstandswert in dem Migrations-Fuse-Widerstand nicht weiter verändert und somit beibehalten.
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Im Gegensatz zu dem Antifuse-Widerstand sind Migrations-Fuse-Widerstände im Wesentlichen über dem angelegten Strom konstant, so dass eine Auswahl des Widerstandsbereichs, um einen möglichst konstanten Widerstandsverlauf über dem Betriebsstrom zu erreichen, entfällt.
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Der Vorteil der Verwendung einer Antifuse-Struktur als einstellbarer Widerstand besteht darin, dass der Widerstand zum einen sehr genau einstellbar ist, und zum anderen, dass eine Antifuse-Struktur einen sehr geringen Flächenbedarf hat verglichen mit hochohmigen Bahnen, die üblicherweise in eine integrierte Schaltung integriert werden. Darüber hinaus ist es möglich, den Antifuse-Widerstand auch nach dem Einhäusen der integrierten Schaltung zu programmieren.
