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Hintergrund
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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiter und insbesondere
programmierbare Antischmelzverbindungs-Elemente in Halbleiter-Speicheranordnungen.
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Stand der Technik
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Integrierte
Schaltungen erfordern häufig
selektiv programmierbare elektrische Verbindungen zwischen Schaltungsknoten.
Solche Verbindungen können
durch die Verwendung einer Antischmelzverbindungsbrücke, welche
zum Verbinden von Elektroden programmierbar ist, eingerichtet werden.
Beispielsweise werden Antischmelzverbindungen häufig in Speicherzellenfeldern,
wie z.B. dynamischen Speichern mit wahlfreiem Zugriff (DRAN), verwendet,
in welchen fehlerhafte Zelladressen durch selektives Programmieren
von Antischmelzverbindungen funktionsfähigen Zelladressen neu zugeordnet
werden.
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Im
allgemeinen werden Antischmelzverbindungen mit durch eine dielektrische
Schicht getrennten, elektrisch leitfähigen Anschlüssen hergestellt.
In einem ausgeschalteten Zustand („off” state) weist die Antischmelzverbindung
einen hohen Widerstand zwischen ihren Anschlüssen auf. Die Antischmelzverbindung
kann in einen eingeschalteten Zustand („on” state) (d.h. ein niedriger
Widerstand) programmiert werden, indem das eingeschobene Dielektrikum
zur Ausbildung einer leitenden Brücke zwischen den Anschlüssen der
Antischmelzverbindung durchbrochen wird, wie im
US Patent US 5,257,222 mit dem Titel „Antifuse
Programming By Transistor Snap-Back" beschrieben.
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Andere
derzeit verwendete Arten von Antischmelzverbindungen sind Strukturen,
die auf einem herkömmlichen
MOS-Transistor basieren. Hierbei wird der MOS-Transistor nicht im
herkömmli chen Sinne,
weder als ein Verstärker
noch als ein Schaltelement, sondern als eine Anordnung zur Realisierung einer
zwischen dem Gate, der Source und dem Drain eingeschobenen, dielektrischen
Schicht (Gate-Oxid) verwendet. Eine solche Transistor-Antischmelzverbindung
wird durch Anlegen eines ausreichenden Feldes oder einer Durchschlagspannung
(„blow” voltage)
an das Gate-Oxid des MOS-Transistors programmiert oder „durchgebrannt". Der Durchschlagsprozess
führt zu
einem beschädigten
Dielektrikum, wodurch sich der elektrische Widerstand über das
Dielektrikum reduziert. Obwohl diese Durchschlagspannung einen Schwellenwert
erreichen muss, damit eine Schädigung
des Dielektrikums auftritt, wird der aus dieser Schädigung resultierende,
endgültige Widerstand
verringert, wenn dem Dielektrikum der Antischmelzverbindung mehr
Energie zugeführt
wird.
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Es
werden an die Antischmelzverbindung angeschlossene Auswerteschaltungen
verwendet, um zwischen dem hohen Widerstand des intakten Oxids (Roff) und dem verringerten Widerstand des
geschädigten
Oxids (Ron) zu unterscheiden. Je größer der
Widerstand einer programmierten Antischmelzverbindung in einer Speicherzelle
ist, umso schwieriger wird es, den Zustand der Antischmelzverbindung (durchgebrannt
im Vergleich zu nicht durchgebrannt) zu bestimmen.
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Typische
Werte für
Roff liegen im Bereich von 1012 Ohm.
Der Bereich für
Ron hängt
größtenteils
von den Parametern während
des Durchschlagprozesses ab. Eine hohe Durchschlagspannung und ein
hoher Durchschlagstrom führen üblicherweise
zu geringeren Ron-Widerständen. Es
ist jedoch beabsichtigt, diese beiden Parameter zu minimieren, um
die Größe der zugehörigen Schaltungen
(z. B. Durchschlagspannungs-Generator, Durchschlag-Transistor, Verdrahtung,
usw.) zu verkleinern. In herkömmlichen Bauarten
wird bezüglich
der Handhabung dieses Stroms ein Kompromiss eingegangen, um den
minimalen, zum zuverlässigen
Durchbrennen der Antischmelzverbindung benötigten Strom und den Flächenbedarf
der Durchschlagtransistor-Anord nung abzuwägen. Aus dieser Sicht sind
Werte für
Ron im Bereich von 105 Ohm
bis 108 Ohm üblich. Jedoch sind herkömmlich verwendete
Auswerteschaltungen in diesem Bereich von Ron nicht
in der Lage, eine nicht durchgebrannte Antischmelzverbindung und eine
durchgebrannte Antischmelzverbindung, welche die relativ hohen Ron Werte aufweist, sicher zu unterscheiden.
Folglich kann eine Antischmelzverbindung irrtümlicherweise als nicht-programmiert
erfasst werden, wenn der Widerstand der durchgebrannten Antischmelzverbindung
ausreichend hoch ist.
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Eine
Vorrichtung mit einer Antischmelzverbindung entsprechend dem Oberbegriff
von Patentanspruch 7 und ein Verfahren zur Programmierung der Antischmelzverbindung
entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sind aus der Patentschrift
US A 5,896,041 bekannt.
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Folglich
wird ein verbesserter Ansatz zur Programmierung einer Antischmelzverbindung
benötigt,
welcher eine leicht nachprüfbare
und von einer nicht-programmierten Antischmelzverbindung unterscheidbare,
robustere elektrische Verbindung bereitstellt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die Ansprüche 1 und 7 definiert.
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Die
vorliegende Erfindung erzielt technische Vorteile als eine Vorrichtung,
ein System und ein Verfahren zur Programmierung einer Antischmelzverbindung,
welche ein zwischen zwei leitenden Elementen eingeschobenes Dielektrikum
umfasst. Eines der leitenden Elemente ist an einen Kondensator angeschlossen,
welcher auf eine voreingestellte Spannung vorgeladen wird. Die Antischmelzverbindung wird
in einen eingeschalteten Zustand programmiert, indem das eingeschobene
Dielektrikum durch das Anlegen einer Programmierspannung über die leitenden
Elemente zur Ausbildung einer leitenden Brücke zwischen den Anschlüssen der
Antischmelzverbindung durchgebrannt wird. Infolge der angelegten Programmierspannung
entsteht ein Feld in dem Dielektrikum, welches zur Ausbildung von
leitenden Brücken
durch es hindurch führt.
Im Kondensator gespeicherte elektrische Energie wird, infolge der
Ausbildung dieser leitenden Brücken,
unverzüglich
durch die Brücken
entladen, was eine robustere elektrische Verbindung zwischen den
leitenden Elementen verursacht. Eine bestimmte Antischmelzverbindung kann
innerhalb eines Feldes solcher Anordnungen zum Programmieren ausgewählt werden,
indem die Programmierspannung nur an die leitenden Elemente der
ausgewählten
Antischmelzverbindung angelegt wird. Ferner kann eine Mehrzahl von
Antischmelzverbindungen einen gemeinsamen Kondensator aufweisen,
wobei die im Kondensator gespeicherte Energie an eine aus der Mehrzahl
von Antischmelzverbindungen ausgewählte Antischmelzverbindung angelegt
wird, welche durch das Anlegen der Programmierspannung an die leitenden
Elemente der ausgewählten
Antischmelzverbindung betriebsbereit gemacht ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung
in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen,
in welchen:
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1 eine
Feldeffekt-Transistor-Antischmelzverbindung und elektrische Verbindungen
zum Anlegen einer Programmierspannung über das Oxid-Dielektrikum darstellt;
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2A das
Ausbilden eines Fadens nach dem Anlegen einer Programmierspannung
an dem Dielektrikum darstellt;
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2B eine
Graphik des Oxid-Stroms über der
Zeit während
des Anlegens einer Programmierspannung zeigt;
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3 einen
Feldeffekt-Transistor mit zugehöriger
Schaltung zum Anlegen einer Programmierspannung an dem Dielektrikum
in Übereinstimmung
mit einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung darstellt; und
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4 eine
Anordnung zum Anlegen einer Programmierspannung an dem Dielektrikum
eines aus einer Mehrzahl von Feldeffekt-Transistoren ausgewählten Feldeffekt-Transistors
in Übereinstimmung
mit einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
beispielhafter Ausführungsbeispiele
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Die
zahlreichen neuen Lehren der vorliegenden Anmeldung werden mit besonderem
Bezug auf die derzeit bevorzugten beispielhaften Ausführungsbeispiele
dargestellt. Dennoch sollte wahrgenommen werden, dass diese Gruppe
von Ausführungsbeispielen
nur ein paar Beispiele der vielen vorteilhaften Verwendungen und
neuen Lehren darin bereitstellt. Allgemein beschränken in
der Beschreibung der vorliegenden Anmeldung getätigte Aussagen nicht unbedingt
irgendeine der verschiedenen beanspruchten Erfindungen. Darüber hinaus
können
einige Aussagen für
einige erfinderische Merkmale, jedoch nicht für andere gelten.
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Es
ist zu bemerken, dass in den gesamten Zeichnungen die gleichen Bezugsziffern
oder -buchstaben zur Bezeichnung gleicher oder gleichwertiger Elemente
mit der gleichen Funktion verwendet werden. Eine ausführliche
Beschreibung bekannter Funktionen und Ausführungen, die den Kern der Erfindung
unnötig
verdecken, ist der Deutlichkeit wegen weggelassen worden.
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Mit
Bezug auf 1 ist eine Vorspannungsanordnung
für eine
MOS-Transistor-Antischmelzverbindung 11 in Übereinstimmung
mit einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Antischmelzverbindung eine Transistor-Antischmelzverbindung, wobei
ein leitendes Element durch die Source 14, das Drain 12 und
den Body 13, welche elektrisch verbunden sind, ausgebildet
ist und ein zweites leitendes Element ist durch das Gate 16 ausgebildet,
wobei das Gate-Oxid das eingeschobene Dielektrikum ausbildet. Die
Transistor-Antischmelzverbindung 11 wird programmiert oder „durchgebrannt", indem ein ausreichendes
Feld oder eine Durchschlagspannung an dem Gate-Oxid mittels des Body 13 und
des Gates 16 angelegt wird. Der Durchschlagprozess führt zu einem
beschädigten Gate-Oxid
oder Dielektrikum, das den elektrischen Widerstand über das
Dielektrikum verringert. Die Größe der zum
Programmieren der Antischmelzverbindung benötigten Spannung hängt von
mehreren Faktoren ab, von denen die Dicke des Gate-Oxids näher berücksichtigt
werden sollte.
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Wenn
die Durchschlagspannung angelegt wird, werden Quasi-Durchbruchsereignisse
im Gate-Oxid ausgelöst,
was zur Ausbildung von lokalen Ladungszentren oder Fangstellen (traps) 22 (2A)
führt.
Sobald eine ausreichende Anzahl von Fangstellen erzeugt ist, neigen
sie dazu, sich infolge des angelegten Feldes als ein leitender Faden 21, wie
in 2A beispielhaft dargestellt, zusammenzufügen. Dieser
leitende Faden ermöglicht
es, dass ein Strom fließt
und dadurch Energie von der Stromquelle in das System gezogen wird.
Manchmal kann dieser Faden infolge dieser Energieumwandlung verschwinden,
aber nur um an einer anderen Stelle wieder zu erscheinen. Nach einer
Anzahl solcher Ereignisse, tritt ein Katastrophenereignis (dargestellt
als ein Diagramm in 2B) ein, das die Ausbildung
eines stabilen Fadens verursacht, welcher zu dem endgültigen Zustand
eines niedrigen Widerstands führt.
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2B zeigt
den Oxid-Strom über
der Zeit während
eine Durchschlagspannung an das Gate und den Body angelegt ist.
Die verschiedenen Spitzen im Strom entstehen durch das Erscheinen
und anschließende
Verschwinden der Fäden.
Die letzte große
Spitze zeigt das durch das Ausbilden eines stabilen Fa dens hervorgerufene
Katastrophenereignis an. Nach dem Programmieren (Durchbrennen) ist der
Widerstand zwischen dem Gate 16 und dem Body 13 von
einem typischen Anfangswiderstand von 1012 Ohm
(nicht-programmiert oder nicht durchgebrannt) verringert. Jedoch
ist der leitende Faden 22 zwischen den Anschlüssen der
Antischmelzverbindung manchmal nur geringfügig leitend und es verbleibt
ein relativ hoher Widerstand, welcher für Auswerteschaltungen schwer
zu ermitteln ist.
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Mit
Bezug auf 3 ist eine Feldeffekt-Transistor-
(FET, Field Effect Transistor) Antischmelzverbindung 300 mit
zugehöriger
Schaltung zum Anlegen einer Programmierspannung an das Dielektrikum
in Übereinstimmung
mit einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie gezeigt, verbindet die
Schaltung den Body 370, das Drain 320 und die
Source 340 mit einer Stromversorgung. Zusätzlich ist
ein Kondensator 350 oder eine andere ähnliche Anordnung zur Speicherung elektrischer
Energie außerhalb
der FET-Antischmelzverbindung 300 enthalten und seriell
an das Drain 320, den Body 370 und die Source 340 gekoppelt. Der
Body 370 der FET-Antischmelzverbindung 300 kann
mit einem auf dem gleichen Substrat ausgebildeten, integrierten
Kondensator verbunden sein. Ferner ist der Body 370 von
dem Substrat oder anderen Schaltungen auf dem gleichen Chip durch
eine Isolationsschicht 380 elektrisch isoliert.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die FET-Antischmelzverbindung 300 durch
das Anlegen einer positiven Spannung an das Gate 360 programmiert,
so dass ein Feld über
dem Gate-Oxid 310 entsteht. Der Kondensator 350,
welcher auf eine voreingestellte negative Spannung vorgeladen worden
ist, ist vor dem Durchschlagbetrieb ein Speicher für einige
Energie und erhöht
zusätzlich das über dem
Gate-Oxid entstehende Feld. Wenn die Gate-Spannung angelegt wird,
stellt das Erzeugen der ersten Brücken durch das Gate-Oxid 310 hindurch
einen Weg für
die unmittelbare Entladung der im Kondensator 350 gespeicherten
Energie durch das Oxid 310 hindurch bereit. Diese zusätzliche
Energie ermöglicht
das Ausbilden zusätzlicher
Brücken und/oder
erhöht
die Durchmesser der ersten Brücken,
die durch das Oxid 310 hindurch ausgebildet sind. Die Höhe der zusätzlichen
Energie ist von der Kapazität
und der Vor-Ladungs-Spannung
(pre-charge voltage) abhängig: E = ½ C
Vdd2
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Hierbei
ist E die gesamt verfügbare
Energie, C ist die Kapazität
und Vdd ist die Vor-Ladungs-Spannung. Die
Höhe der
verwendeten Vor-Ladungs-Spannung sollte so gewählt werden, dass sie das Dielektrikum
einer nicht ausgewählten
Antischmelzverbindung nicht beschädigt. Ferner ist sie von der
Art der Isolationsschicht 380 abhängig. Typische Werte könnten zwischen –1,5 V und –2,5 V liegen. Die
Höhe der
erreichbaren Kapazität
hängt von
der Fläche
und der Art des verwendeten Kondensators ab. Typische Werte liegen
zwischen 1 nF und 300 nF.
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Zusätzlich kann
der Kondensator 350 angepasst sein, um als gemeinsamer
Kondensator für
ein Feld von Antischmelzverbindungen (nachfolgend näher erörtert) zu
wirken, wodurch die durch die Antischmelzverbindungen besetzte Gesamtfläche verringert
wird. Ferner kann der Kondensator 350 mit der FET-Antischmelzverbindung
in ein zur Herstellung von integrierten Schaltungen verwendetes
Standard-CMOS-Verfahren integriert werden. Ein geeigneter Weg zur
Integration eines Kondensators mit der notwendigen Kapazität in großer Nähe zur Antischmelzverbindung
ist die Verwendung von Anordnungen wie z.B. Metall-Isolator-Metall
Kondensatoren (MIMCAP, Metal Insulator Metal Capacitor) oder Tiefen-Graben-Kondensatoren
(DT, Deep Trench).
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Für den Programmierbetrieb
wird Vdd an den Kondensator 350 angelegt,
wodurch dieser auf ein vorbestimmtes Spannungsniveau vorgeladen
wird. Der maximal erwünschte
Wert für
Vdd wird durch die Dicke des Gate-Oxids,
da eine allzu hohe Spannung das Gate-Oxid sogar vor dem Programmieren
beschädigen könnte, und
durch die Art der Isolation 380 des Transistors begrenzt.
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
umfasst Vdd einen Bereich von ungefähr –1,5 bis –2,5 V und
das Gate-Oxid liegt zwischen 2 nm (20 Angström) und 3,5 nm (35 Angström). Ferner
wird eine Vorspannung (nachstehend als Vblow bezeichnet)
an das Gate 360 angelegt, wobei Vblow vorzugsweise
einen Bereich von 5 V bis 8 V umfasst. Obwohl in dem Oxid das gleiche
Feld durch Verwenden der gleichen Spannungen, aber von entgegen gesetzter
Polarität,
erzielt werden kann, nimmt man an, dass das Programmieren durch
diese bestimmte Wahl der Polarität
verbessert wird.
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Im
Anschluss an das Anlegen von Vblow werden
die ersten leitenden Brücken
in dem Gate-Oxid 310 ausgebildet. Es ist wichtig zu beachten,
dass die Spannung Vdd an sich, ohne Vblow, nicht hoch genug ist, um diesen Prozess
zu starten, da in diesem Fall die Möglichkeit zur Auswahl einer
bestimmten Antischmelzverbindung verloren gehen würde. Die
im Kondensator 350 gespeicherte Energie wird augenblicklich
durch das geschädigte
Gate-Oxid 310 hindurch entladen, welches zusätzliche
leitende Brücken
ausbildet und/oder die Erhöhung
der Durchmesser der zuerst ausgebildeten leitenden Brücken verursacht.
Mit diesem Ansatz zur Programmierung wird der Widerstand der Antischmelzverbindung 300 auf
einen Bereich von ungefähr
103 bis 109 Ohm
verringert, während
ohne den Kondensator typische endgültige Widerstände von
106 bis 108 Ohm
reichen. Die zusätzlichen
leitenden Brücken
und/oder erhöhten
Durchmesser der zuerst ausgebildeten leitenden Brücken verbessern
ebenso die Zuverlässigkeit
und Stetigkeit des Durchschlagbetriebs.
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Mit
Bezug auf 4 wird eine Anordnung zum Anlegen
einer Programmierspannung an das Dielektrikum einer aus einer Mehrzahl
von Feldeffekt-Transistor-Antischmelzverbindungen ausgewählten Antischmelzverbindung
in Übereinstimmung mit
einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Schaltung ist angepasst,
um eine Mehrzahl von FET Antischmelzverbindungen parallel mit einem
gemeinsamen Kondensator 350 zu koppeln. Vblow und
Vdd sind so gewählt, dass nur diejenigen Antischmelzverbindungen,
an die Vblow angelegt ist, programmiert
werden. Vdd wird an den Body 370 von
allen Antischmelzverbindungen angelegt und dient außerdem zum
Vorladen des Kondensators 350. Vdd kann
durch einen Schalter 410 angelegt werden. Vblow kann
selektiv an verschiedene der FET-Gates 360 (z.B. durch
geeignete Logik-Schaltung) angelegt werden, so dass nur diejenigen
Antischmelzverbindungen, die ausgewählt sind, durchgebrannt werden.
Man beachte, dass nur zwei Antischmelzverbindungen explizit gezeigt
sind, jedoch viele weitere Antischmelzverbindungen, wie in 4 angedeutet,
enthalten sein können.
In der programmierten Antischmelzverbindung werden leitende Fäden ausgebildet,
während
in den verbleibenden Antischmelzverbindungen keine ausgebildet werden,
weil das Feld über
ihren Gate-Oxiden niedriger ist.
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Die
oben beschriebenen Kondensator-Anordnungen können leicht in das bei der
Herstellung von CMOS-Speicheranordnungen verwendete Standard-Verfahren
integriert werden. Im allgemeinen sind solche Speicheranordnungen
aus einzelnen Speicherzellen hergestellt und weisen redundante Zellen
für den
Austausch fehlerhafter Speicherzellen auf. Ein Testprogramm kann
fehlerhafte Speicherzellen lokalisieren und nachfolgend werden entsprechend
verbundene Antischmelzverbindungen, wie oben beschrieben, durchgebrannt,
so dass sie den Austausch von fehlerhaften Zellen durch die redundanten
Zellen ermöglichen.
Eine Sammlung von Antischmelzverbindungen kann ebenso für programmierbare
Nur-Lese-Speicher-Elemente (PROM, Programable Read Only Memory)
oder für
anpassbare Chips (Field Programmable Gate Arrays) verwendet werden.
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Man
beachte, dass die vorliegende Erfindung, obwohl die vorliegenden
Ausführungsbeispiele im
Zusammenhang mit dem Programmieren einer FET-Transistor-Antischmelzverbindung
beschrieben wurden, mit anderen Arten von Antischmelzverbindun gen,
in denen ein Dielektrikum zwischen leitenden Elementen eingeschoben
ist, ausgeführt
werden kann.
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Obwohl
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens, der Vorrichtung und des Systems der vorliegenden
Erfindung in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt wurde und in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung
beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele
zu beschränken,
sondern ist für zahlreiche
Neuanordnungen, Modifikationen und Substitutionen innerhalb des
in den folgenden Ansprüchen
definierten Umfangs geeignet.