DE19755737A1 - Pufferschaltung und integrierte Speicherschaltung mit einer Pufferschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pufferschaltung für eine Versor­ gungsspannung einer integrierten Schaltung. Außerdem betrifft sie eine integrierte Speicherschaltung mit einer solchen Puf­ ferschaltung.

Um Einbrüche bei Versorgungsspannungen von integrierten Schaltungen bei plötzlich auftretenden starken Belastungen oder infolge des kurzzeitigen Versagens der Spannungsversor­ gungen entgegenzuwirken, ist es bekannt, Pufferkondensatoren zum Puffern der Versorgungsspannung vorzusehen. Diese werden in der Regel so angeordnet, daß die gesamte zu puffernde Ver­ sorgungsspannung über dem Pufferkondensator abfällt. Aufgrund von Herstellungsfehlern oder aufgrund von während des Be­ triebs auftretender Überspannungen kann es vorkommen, daß die Kondensatorelektroden nicht vollständig voneinander isoliert sind, so daß ein von der Versorgungsspannung getriebener Leck- bzw. Kurzschlußstrom über den Kondensator fließt. Dies kann zum Einbrechen der Versorgungsspannung führen. Ein der­ artiger Defekt kann bewirken, daß die gesamte integrierte Schaltung unbrauchbar wird.

Das Problem verschärft sich noch, wenn die für das Puffern notwendige Kapazität durch die Parallelschaltung zahlreicher Kondensatoren erzielt wird. Dann reicht bereits der Defekt eines einzigen der Kondensatoren aus, um den gesamten Chip wegen des damit verbundenen Kurzschlusses der Versorgungs­ spannung unbrauchbar zu machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pufferschal­ tung für die Versorgungsspannung einer integrierten Schaltung anzugeben, bei der eine Beeinträchtigung der integrierten Schaltung auf Grund eines in der Pufferschaltung auftretenden Defektes weitestgehend vermieden wird.

Diese Aufgabe wird mit einer Pufferschaltung gemäß Anspruch 1 und eine integrierte Speicherschaltung mit einer solchen Puf­ ferschaltung gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Pufferschaltung weist eine Reihenschal­ tung aus einem hochohmigen Widerstandselement und einem Puf­ ferkondensator auf, an der die zu puffernde Versorgungsspan­ nung anliegt. Kommt es zu einem Defekt des Pufferkondensa­ tors, ergibt sich der Gesamtwiderstand der Pufferschaltung aus der Summe des Kurzschlußwiderstandes des Kondensators und des Widerstandswertes des Widerstandelementes. Ist der Wider­ standswert des Widerstandelements ausreichend hoch gewählt, wird verhindert, daß im Defektfall ein zu großer Strom über die Pufferschaltung fließt. Das Widerstandselement ist so di­ mensioniert, daß der bei einem Defekt des Kondensators auf­ tretende Leckstrom auf einen gewünschten Maximalwert begrenzt ist. Daher kann auch dann, wenn die Pufferschaltung ihre Puf­ ferfunktion auf Grund eines Defekts des Kondensators nicht mehr ausüben kann, die Versorgungsspannung vor dem Zusammen­ bruch bewahrt werden, so daß die integrierten Schaltung wei­ terhin eingesetzt werden kann.

Das hochohmige Widerstandselement kann beispielsweise ein ohmscher Widerstand oder ein Transistor sein. Der Widerstand­ wert des Widerstandselementes kann über einen Steueranschluß veränderbar sein. Ein solches Widerstandselement kann z. B. durch einen Transistor oder einen veränderlichen ohmschen Wi­ derstand realisiert sein.

Im letztgenannten Fall sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß die Pufferschaltung eine Steuerschaltung aufweist, die den Widerstandswert des Widerstandselementes über seinen Steueranschluß steuert. Dies hat den Vorteil, daß sein Wider­ standswert an bestimmte Wünsche oder auftretende Defekte des Kondensators anpaßbar ist.

In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung ein Span­ nungsregler, der den Widerstandswert des Widerstandselementes in Abhängigkeit vom Potential am zweiten Potentialknoten steuert. In diesem Fall wird günstigerweise bei einem Ein­ bruch der Versorgungsspannung aufgrund eines Defekts des Puf­ ferkondensators der Widerstandswert solange erhöht, bis der durch die Reihenschaltung fließende Leckstrom die Versor­ gungsspannung nicht mehr nennenswert beeinträchtigt.

In einer anderen Ausführungsform ist die Steuerschaltung ein Stromregler, der den Widerstandswert des Widerstandselementes in Abhängigkeit vom Stromfluß durch die Reihenschaltung steu­ ert. Die Wirkung entspricht derjenigen der zuvor geschilder­ ten Ausführungsform. Beide Ausführungsformen heben den Vor­ teil, daß die Pufferschaltung flexibel aufauftretende Defek­ te ihres Kondensators reagiert. Es kann vorgesehen sein, daß der Spannungs- bzw. Stromregler den Widerstandswert des Wi­ derstandselementes erst erhöht, wenn das Potential am zweiten Knoten um einen Mindestbetrag gefallen ist bzw. wenn der Leckstrom eine Mindeststärke erreicht hat.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerschaltung ei­ ne einstellbare Spannungsquelle, die an ihrem Ausgang eine über einen Steuereingang einstellbare Ausgangsspannung er­ zeugt, wobei der Ausgang mit dem Steueranschluß des Wider­ standselementes verbunden ist. Die Ausgangsspannung der Span­ nungsquelle ist entweder einmalig oder wiederholt einstell­ bar. Sie kann nach dem oder im Verlauf des Herstellprozesses der Pufferschaltung bzw. der sie beinhaltenden integrierten Schaltung so gewählt werden, daß der Widerstandswert des Transistors an zuvor festgestellte herstellungsbedingte Ein­ flüsse oder an festgestellte Defekte des Pufferkondensators angepaßt wird. Auf diese Weise lassen sich herstellungsbe­ dingte Einflüsse auf die Funktion der Pufferschaltung aus­ schließen und festgestellte Defekte kompensieren. Die ein­ stellbare Spannungsquelle kann z. B. programmierbar sein.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Pufferschaltung wenigstens zwei Reihenschaltun­ gen mit je einem Pufferkondensator und einem hochohmigen Wi­ derstandselement aufweist, wobei alle diese Reihenschaltungen einander parallel geschaltet sind, und die zu puffernde Ver­ sorgungsspannung über dieser Parallelschaltung abfällt. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, daß bei Defekt einzelner der Kondensatoren deren Kurzschlußstrom jeweils durch das ihnen zugeordnete Widerstandselement begrenzt wird. Es entsteht al­ so aufgrund des Widerstandelementes kein niederohmiger Kurz­ schluß parallel zu den intakten Reihenschaltungen. Daher bleibt die Wirkung der intakten Pufferkondensatoren vom Aus­ fall der defekten Pufferkondensatoren unbeeinflußt. Die Ver­ sorgungsspannung wird dann durch die noch intakten Pufferkon­ densatoren gepuffert. Handelt es sich um eine große Zahl von parallel geschalteten Reihenschaltungen und fallen nur wenige dieser aus, ergibt sich eine kaum reduzierte Gesamtkapazität der Parallelschaltung gegenüber dem Fall, in dem alle Konden­ satoren intakt sind.

Handelt es sich bei der integrierte Speicherschaltung, deren Versorgungsspannung gepuffert werden soll, um eine integrier­ te Speicherschaltung, die Speicherzellen aufweist, die je ei­ nen Auswahltransistor und einem Speicherkondensator beinhal­ ten (wie dies beispielsweise bei DRAMs der Fall ist), ist es besonders vorteilhaft, die Pufferschaltung genau so zu dimen­ sionieren wie die Speicherzellen, wobei sich die einzelnen Reihenschaltungen der Pufferschaltung von den Speicherzellen nur durch die Art und Weise ihrer elektrischen Verbindung un­ terscheiden. Da die Speicherzellen von Speicherschaltungen stets flächenoptimiert gestaltet werden, erhält man auf diese Weise ohne großen Aufwand eine flächenoptimierte Anordnung der Pufferschaltung. Die Herstellung der Pufferschaltung kann mit nur geringen Änderungen unter Verwendung des Layouts der Speicherzellen erfolgen.

Bei der zuletzt genannten Ausführungsform der Erfindung ist das hochohmige Widerstandselement ein entsprechend geschalte­ ter Transistor. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann es sich auch beispielsweise um einen ohmschen Widerstand handeln.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren ge­ zeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 bis 3 zeigen Ausführungsbeispiele der erfindungs­ gemäßen Pufferschaltung;

Fig. 4 zeigt eine DRAM-Speicherzelle;

Fig. 5 bis 7 zeigen Ausführungsformen der Pufferschal­ tung mit verschiedenen Steuerschaltungen.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Pufferschal­ tung, bei dem zwischen einem ersten Potentialknoten 1 und ei­ nem zweiten Potentialknoten 2 eine zu puffernde Versorgungs­ spannung U einer integrierten Schaltung abfällt, deren Be­ standteil die Pufferschaltung ist. Zwischen den beiden Poten­ tialknoten 1, 2 ist eine Vielzahl von einander parallel ge­ schalteten Reihenschaltungen angeordnet, die jeweils einen hochohmigen ohmschen Widerstand R und einen Pufferkondensator C aufweisen. In Fig. 1 ist der erste Potentialknoten 1 mit Masse verbunden und der zweite Potentialknoten 2 mit einem positiven Versorgungspotential. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Potential des zweiten Potentialknotens negativ sein, oder die Potentialzuordnung der beiden Potenti­ alknoten 1, 2 kann vertauscht sein.

Wenn die Kapazität der einzelnen Pufferkondensatoren C in Fig. 1 sehr gering ist, benötigt man eine große Anzahl der dargestellten Reihenschaltungen, um eine ausreichend große Gesamtkapazität zur Pufferung der Versorgungsspannung U zu erzielen. Beträgt die Kapazität jedes der Kondensatoren C beispielsweise 50 fF benötigt man 500 000 Reihenschaltungen, um eine Gesamtkapazität von etwa 25 nF zu erzielen. Bei ande­ ren Ausführungsformen ist es natürlich auch möglich, ledig­ lich eine der gezeigten Reihenschaltung zur Realisierung der Pufferschaltung vorzusehen.

Der hochohmige Widerstand R dient dazu, bei einem Defekt des ihm zugeordneten Kondensators C, der beispielsweise darin be­ stehen kann, daß dessen Dielektrikum durch eine Überspannung durchschlagen worden ist, den Strom durch die entsprechende Reihenschaltung zu begrenzen. Der Widerstand der Reihenschal­ tung ergibt sich dann aus der Summe des Widerstandswertes des Widerstands R, sowie des Kurzschlußwiderstandes des defekten Kondensators C. Haben die Kondensatoren C eine Kapazität von 50 fF, hat es sich als günstig erwiesen, für den Widerstand R einen Widerstandswert von ca. 500 kΩ vorzusehen, um im De­ fektfall eine ausreichende Strombegrenzung zu erreichen.

Durch die erfindungsgemäße hochohmige Strombegrenzung im De­ fektfall durch die Widerstände R beeinträchtigen die defekten Reihenschaltungen die Funktionsweise der intakten Reihen­ schaltungen nicht, so daß die Versorgungsspannung U weiterhin durch die intakten Reihenschaltungen und ihre Pufferkondensa­ toren C gepuffert wird.

Dadurch, daß man den Wert des Widerstands R sehr groß wählt, ist der im Defektfall über den Kondensator C fließende Strom nahezu unabhängig von dessen in der Regel niedrigen Kurz­ schlußwiderstand. Allein der hochohmige Widerstand R sorgt für eine signifikante Kurzschlußstrombegrenzung.

Fig. 2 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel der Puffer­ schaltung eine der Reihenschaltungen aus Fig. 1, bei der der ohmsche Widerstand R durch einen n-Kanal-Transistor T_n er­ setzt ist, dessen Gate mit dem ersten Potentialknoten 1 ver­ bunden ist. Der Transistor T_n ist so dimensioniert, daß er sehr hochohmig ist. Die Pufferschaltung nach Fig. 2 eignet sich zur Pufferung von Versorgungsspannungen U, bei denen das Potential am ersten Potentialknoten 1 größer als am zweiten Potentialknoten 2 ist.

Fig. 3 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel der Puffer­ schaltung eine Realisierung, die sich von derjenigen in Fig. 2 nur hinsichtlich des Typs des hochohmigen Transistors un­ terscheidet. In Fig. 3 handelt es sich um einen P-Kanal-Tran­ sistor T_p. Diese Schaltung eignet sich zum Puffern einer positiven Versorgungsspannung U zwischen den zweiten Potenti­ alknoten 2 und dem ersten Potentialknoten 1.

Fig. 4 zeigt eine Speicherzelle M eines dynamischen Spei­ chers (DRAM). Diese weist zwischen einer Bitleitung BL und Masse eine Reihenschaltung aus einem Auswahltransistor T_M und einem Speicherkondensator C_M auf. Im gezeigten Fall ist der Auswahltransistor T_M vom n-Kanal-Typ. Sein Gate ist mit einer Wortleitung WL des Speichers verbunden. Es ist nun besonders vorteilhaft, wenn die Pufferschaltung gemäß Fig. 2 unter Zu­ hilfenahme des Designs für die Speicherzelle M in Fig. 4 hergestellt wird. Es ist dann lediglich notwendig, die exter­ nen Verbindungen der Speicherzelle M mit der Bitleitung BL, der Wortleitung WL und mit Masse durch die der Fig. 2 ent­ nehmbaren elektrischen Verbindungen zu ersetzen. Dabei bleibt die äußere Form des Transistors und des Kondensators sowie deren elektrischen Verbindung zur Herstellung der Reihen­ schaltung unverändert. Wenn nun die in Fig. 4 gezeigte Spei­ cherzelle M bereits elektrisch optimiert und flächenmäßig mi­ nimiert worden ist, ergibt sich bei Verwendung ihres nur leicht modifizierten Layouts zur Herstellung der Pufferschal­ tung in Fig. 2 eine ebenfalls elektrisch und flächenmäßig optimierte Pufferschaltung.

Die weiter oben beispielhaft angegebenen Werte (Kapazität des Kondensators C = 25 fF, Widerstand des Transistors T_n = 500 kΩ) lassen sich auch beim in Fig. 2 gezeigten Gegenstand realisieren. Zur Erzielung einer Gesamtkapazität von 25 nF werden wiederum 500 000 der in Fig. 2 gezeigten Reihenschal­ tungen parallel geschaltet.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Pufferschaltung, bei der der Widerstandswert des Transistors T_n über einen Spannungsregler U-CTR gesteuert wird, dessen Eingang mit dem zweiten Potentialknoten 2 und dessen Ausgang mit dem Steuer­ anschluß des Transistors verbunden ist. Bei einem Defekt des Kondensators C, also bei Auftreten eines Leckstromes in der Reihenschaltung, erhöht der Spannungsregler solange den Wi­ derstandswert, bis der Leckstrom vernachlässigbar klein ge­ worden ist und die zu puffernde Spannung U nicht mehr nen­ nenswert beeinflußt. Im Extremfall sperrt der Spannungsreg­ ler den Transistor vollständig, so daß kein Leckstrom mehr durch die Reihenschaltung fließen kann.

Fig. 6 zeigt eine Pufferschaltung, bei der der Widerstands­ wert des Transistors T_n von einem Stromregler I-CTR gesteuert wird. Die Reihenschaltung zwischen den beiden Potentialknoten 1, 2 weist einen Meßwiderstand R1 auf, dessen Widerstandswert sehr genau bekannt ist. Ein solcher genau eingestellter Meß­ widerstand läßt sich z. B. durch metallische Leiterbahnen rea­ lisieren. Der Stromregler erfaßt die über dem Meßwiderstand abfallende Spannung und ermittelt aus dieser und dem (bekannten) Wert des Meßwiderstandes den durch die Reihen­ schaltung fließenden Strom. Stellt er dabei einen unzulässig hohen Strom fest, der nur von einem Defekt des Kondensators C herrühren kann, erhöht er den Widerstandswert des Transistors solange, bis der Strom einen festgelegten Maximalwert nicht mehr überschreitet. Im Extremfall sperrt der Stromregler den Transistor vollständig.

Fig. 7 zeigt eine Pufferschaltung mit einer einstellbaren Spannungsquelle U1, die an ihrem Ausgang, der mit dem Steuer­ anschluß den Transistors T_n verbunden ist, eine einstellbare Ausgangsspannung liefert. Die Spannungsquelle U1 ist ein Spannungsteiler aus zwei ohmschen Widerständen R2, R3, von denen einer einen einstellbaren Widerstandswert hat, der über einen Steuereingang S der Spannungsquelle wählbar ist. Das Signal am Steuereingang S ist vom Betreiber der Pufferschal­ tung vorgebbar. Es kann beispielsweise durch programmierbare Elemente (z. B. Fuses) eingestellt werden. Die Einstellung kann beispielsweise in Abhängigkeit vom Herstellungsprozeß erfolgen, so daß der Widerstandswert des Transistors unabhän­ gig vom Herstellprozeß ist. Der Einfluß des Herstellungspro­ zesses auf die elektrischen Eigenschaften des Transistors ist z. B. mittels auf dem gleichen Wafer wie die Pufferschaltung hergestellter Teststrukturen feststellbar.

Claims (13)

1. Pufferschaltung zum Puffern einer zwischen zwei Potential­ knoten (1, 2) anliegenden Versorgungsspannung (U) einer inte­ grierten Schaltung mit einer zwischen den beiden Potential­ knoten (1, 2) angeordneten Reihenschaltung wenigstens eines Pufferkondensators (C) und eines hochohmigen Widerstandsele­ mentes (R; T_n; T_p).

2. Pufferschaltung nach Anspruch 1, bei der das Widerstandselement ein ohmscher Widerstand (R) ist.

3. Pufferschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Widerstandelement einen über einen Steueranschluß einstellbaren Widerstandswert hat.

4. Pufferschaltung nach Anspruch 3, bei der das Widerstandselement ein Transistor (T_n; T_p) ist.

5. Pufferschaltung nach Anspruch 4, bei der der Steueranschluß des Transistors (T_n; T_p) mit dem ersten Potentialknoten (1) verbunden ist.

6. Pufferschaltung nach Anspruch 5, bei der der Transistor ein Feldeffekttransistor vom n-Kanal-Typ (T_n) ist und bei der das Potential am ersten Potential­ knoten (1) größer als am zweiten Potentialknoten (2) ist.

7. Pufferschaltung nach Anspruch 5, bei der der Transistor ein Feldeffekttransistor vom p-Kanal-Typ (T_p) ist und bei der das Potential am ersten Potential­ knoten (1) kleiner als am zweiten Potentialknoten (2) ist.

8. Pufferschaltung nach Anspruch 3, mit einer Steuerschaltung (U-CTR; I-CTR), die den Wider­ standswert des Widerstandselementes über seinen Steueran­ schluß steuert.

9. Pufferschaltung nach Anspruch 8, bei der die Steuerschaltung ein Spannungsregler (U-CTR) ist, der den Widerstandswert des Widerstandselementes in Abhängig­ keit vom Potential am zweiten Potentialknoten (2) steuert.

10. Pufferschaltung nach Anspruch 8, bei der die Steuerschaltung ein Stromregler (I-CTR) ist, der den Widerstandswert des Widerstandselementes in Abhängigkeit vom Stromfluß durch die Reihenschaltung steuert.

11. Pufferschaltung nach Anspruch 8, bei der die Steuerschaltung eine einstellbare Spannungsquelle (U1) ist, die an ihrem Ausgang eine über einen Steuereingang einstellbare Ausgangsspannung erzeugt, wobei der Ausgang mit dem Steueranschluß des Widerstandselementes verbunden ist.

12. Pufferschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der wenigstens zwei zueinander parallele Reihenschaltun­ gen zwischen den beiden Potentialknoten (1, 2) angeordnet sind, von denen jede wenigstens einen Pufferkondensator (C) und ein hochohmiges Widerstandselement (R) aufweist.

13. Integrierte Speicherschaltung mit einer Pufferschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 12,

• - die Speicherzellen (M) aufweist, die je einen Auswahltran­ sistor (T_M) und einen Speicherkondensator (C_M) beinhalten,
• - und bei der jeder Pufferkondensator (C) und sein zugehöri­ ger Transistor (T_n) bezüglich ihrer gegenseitigen Anordnung und ihren Abmessungen wie die Komponenten (C_M, T_M) einer der Speicherzellen" (M) ausgebildet sind und sich von diesen nur durch die Art und Weise ihrer elektrischen Verbindung unter­ scheiden.