DE60315399T2

DE60315399T2 - Auf Speicherzellen basierter monotoner Zähler

Info

Publication number: DE60315399T2
Application number: DE60315399T
Authority: DE
Inventors: Luc Wuidart
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2023-10-17
Also published as: DE60315399D1; US20040090839A1; EP1416498B1; EP1416498A1; FR2846463A1; US7352606B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Zähler, insbesondere das Gebiet der monotonen Zähler mit einer unumkehrbaren Zählerstandsänderung in eine einzige Richtung.
Um monotone Vorwärtszähler zu bilden, müssen derzeit Sicherungs- bzw. Schmelzelemente benutzt werden, die den großen Nachteil haben, dass sie eine zerstörerische Programmierung verursachen, die oft unverträglich mit einer Programmierung während des Betriebs der integrierten Schaltung ist, die das Sicherungselement enthält. Ein anderes Beispiel betrifft EPROM- oder EEPROM-Speicher, deren Herstellung Schritte erfordert, die mit einer CMOS-Technologie nicht direkt verträglich sind.
Außerdem ist der erreichte Programmierzustand in beiden Fällen entweder löschbar (im Fall von EEPROMs) oder optisch sichtbar, was in Sicherheitsanwendungen nachteilig ist, in denen die Verfügbarkeit einer unantastbaren Zählung erwünscht ist.
Ein Anwendungsbeispiel besteht im Zählen der Anzahl von Ereignissen in Bezug auf eine einschränkende Ereignisschwelle (Anzahl der Nutzungen eines Programms oder Dauer der Nutzung). In dieser Anwendungsart ist es allgemein erwünscht, einen Zähler zu haben, in dem jedes Bit in unumkehrbarer Weise jeweils den Zustand 0 oder 1 annimmt, um eine Binärwortdarstellung der Anzahl der Ereignisse bereitzustellen, die aufgetreten sind. Beispielsweise kann die Anzahl der Zugriffe auf einen Flash-Speicher gezählt werden. Um in dieser Anwendung diese Zählfunktion durch den derzeitigen Flash-Speicher auszuführen, muss eine sehr große Oberfläche des Speichers für diesen Zweck reserviert werden, da die "Granularität", das heißt, die minimale Anzahl von Zellen, die für ein unumkehrbares Programmieren adressiert werden müssen, erheblich ist. In der Praxis muss zur Benutzung eines Gebiets eines Flash-Speichers als einmalbeschreibbarer Speicher eine Kapazität in der Größenordnung von einem Kilobit reserviert werden, um acht einmalbeschreibbare Speicherbits zu erhalten.
Die anderen Zellentechniken für einmalbeschreibbare Speicher, die wahrscheinlich in monotonen Zählvorgängen genutzt werden, sind gebrauchsuntauglich. Beispielsweise erfordern Sicherungszellen und Anti-Sicherungszellen eine Programmierung durch zerstörerische Ströme, die oft nicht mit dem Produkt vereinbar sind, das hergestellt wird.
US-A-4 559 637 offenbart einen monotonen Zähler (Fahrzeugzähler), dessen Inhalt unumkehrbar gemacht wird, indem jedes Mal, wenn der Zähler erhöht wird, ein Bit in einem PROM-Speicher vom Sicherungstyp gespeichert wird.
US-A-5 418 738 offenbart einen redundanten Speicher, der eine Speicherzelle mit programmierbaren Widerständen aus polykristallinem Silizium benutzt.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen monotonen Zähler bereitzustellen, der die Nachteile herkömmlicher Zähler überwindet.
Die vorliegende Erfindung zielt insbesondere darauf ab, eine Lösung anzugeben, die ein Reservieren einer großen Oberfläche eines Flash-Speichers nicht erfordert, um eine einmalprogrammierbare Zählerfunktion zu verrichten.
Die vorliegende Erfindung zielt auch darauf ab, eine Lösung zum Bau eines monotonen Zählers bereitzustellen, dessen Zählen mit dem Betrieb einer integrierten Schaltung vereinbar ist.
Die vorliegende Erfindung zielt auch darauf ab, den Bau eines monotonen Zählers mittels herkömmlicher MOS-Herstellungstechnologien bereitzustellen.
Um diese und andere Ziele zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen monotonen Zähler bereit, der aus einer integrierten Schaltung gebildet ist, wobei jedes Zähl-Bit von einer Speicherzelle bereitgestellt wird, die mindestens eine Speichereinheit beinhaltet, die aus einem Widerstand aus poly kristallinem Silizium gebildet ist, wobei der Widerstand durch unumkehrbare Verringerung seines Werts programmierbar ist, was die Zählerstandsänderung unumkehrbar macht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Programmierung des Widerstands durch vorübergehendes Unterwerfen desselben unter einen eingeprägten Strom beziehungsweise Zwangsstrom ausgeführt, dessen Wert ein Maximum darstellt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Zähler eine Schaltung zur Decodierung der in den Speicherzellen enthaltenen Zustände, um das Zählergebnis bereitzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jede Zelle zwischen zwei Anschlüssen zum Zwecke einer Spannungsversorgung, zwei parallele Zweige auf, von denen jeder einen ersten Programmierwiderstand aus polykristallinem Silizium umfasst, der zwischen einem ersten Versorgungsanschluss und einem Anschluss zum differentiellen Auslesen des Speicherzellenzustands verbunden ist; wobei jede Speicherzelle mindestens einen Programmierschalter umfasst, der einen der Leseanschlüsse mit dem zweiten Versorgungsanschluss verbindet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jeder Zweig einen Programmierschalter auf.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Programmierwiderstände zwei Widerstände aus polykristallinem Silizium, die hinsichtlich Größe und möglicher Dotierung identisch sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jede Speicherzelle einen Programmiertransistor in Serie mit einem Programmierwiderstand auf.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Zähler zur Steuerung der Programmierung einer jeden Speicherzelle außerdem eine Schaltung auf, die fähig ist, den Programmierschaltern individuelle Steuerungssignale bereitzustellen.
Die vorstehenden Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Einzelnen in der folgenden, nicht einschränkenden Beschreibung der speziellen Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen dargelegt, in den Zeichnungen zeigt:
1 in einer perspektivischen Teilansicht eine Ausführungsform eines Widerstands aus polykristallinem Silizium, der eine Speichereinheit einer Zählzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung bildet;
2 in einem Kurvennetz die Programmierung einer wie in 1 dargestellten Zelle;
3 eine erste Ausführungsform einer Zählzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung;
4 eine zweite Ausführungsform einer Zählzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung;
5 eine dritte Ausführungsform einer Zählzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung;
6 eine Ausführungsform einer Decodierungsschaltung eines Vier-Bit-Zählers entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
7 ein Beispiel einer Anwendung eines Zählers der vorliegenden Erfindung auf eine Schaltung, die einen Flash-Speicher benutzt.
Dieselben Bauteile wurden in den verschiedenen Zeichnungen mit denselben Bezugszahlen versehen. Zur Klarheit wurden nur diejenigen Bauteile, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig sind, in den Zeichnungen gezeigt und im Folgenden beschrieben. Insbesondere wurde nicht notwendigerweise im Einzelnen darauf eingegangen, welcher Nutzen aus den Zählergebnissen gezogen wird, zumal die vorliegende Erfindung – was auch immer das Ziel des Zählergebnisses sein mag – ausführbar ist, vorausgesetzt, dass ein unumkehrbarer monotoner Zähler erwünscht ist.
Eine Eigenschaft der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen monotonen Zähler aufbauend auf so vielen Zählzellen zu bilden wie der Zähler Bits umfasst. Des Weiteren ist – gemäß der vorliegenden Erfindung – die Speichereinheit jeder Zählzelle aus einem Widerstand aus polykristallinem Silizium gebildet, der durch unumkehrbare Verringerung seines Werts programmierbar ist. Diese Eigenschaft der vorliegenden Erfindung wird durch die folgende Erörterung der 1 und 2 dargelegt, die die Programmiermöglichkeiten eines Widerstands aus polykristallinem Silizium zeigt, wie sie von der vorliegenden Erfindung ausgenutzt werden.
Die 1 zeigt in einer sehr vereinfachten, perspektivischen Teilansicht ein Beispiel eines Widerstands aus polykristallinem Silizium in der Art, in der er in einer Zählzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
So ein Widerstand 1 ist aus einer Bahn (auch Stab genannt) aus polykristallinem Silizium gebildet, die durch Ätzen einer auf einem isolierenden Substrat aufgebrachten Schicht geschaffen wird. Das Substrat 2 ist unterschiedslos aus dem Substrat der integrierten Schaltung gebildet oder aus einer isolierenden Schicht, die ein isolierendes Substrat oder dergleichen für Widerstand 1 bildet. Der Widerstand 1 ist mit seinen beiden Enden mit leitenden Bahnen (zum Beispiel Metallbahnen) 3 und 4 verbunden, die dazu vorgesehen sind, den Widerstandsstab mit den anderen integrierten Schaltungselementen gemäß der Anwendung zu verbinden. Die vereinfachte Darstellung der 1 macht keine Aussagen über die verschiedenen isolierenden und leitenden Schichten, die allgemein die integrierte Schaltung bilden. Zur Vereinfachung wurde nur der Widerstandsstab 1 gezeigt, der auf dem isolierenden Substrat 2 liegt und über die Enden seiner oberen Oberfläche Kontakt mit den zwei Metallbahnen 3 und 4 hat. In der Praxis erhält man die Verbindungen des Widerstandselementes 1 mit den anderen integrierten Schaltungskomponenten durch breitere Bahnen aus polykristallinem Silizium, die von den Enden des Stabs 1 in dessen Fluchtlinie ausgehen. Mit anderen Worten, im Allgemeinen wird das Widerstandselement 1 gebildet, indem man einen Abschnitt der Bahn aus polykristallinem Silizium schmäler macht als den Rest der Bahn.
Der Widerstand R des Elements 1 ist durch die folgende Formel gegeben: R = ρ(L/s),wobei ρ den spezifische Widerstand des Werkstoffs (polykristallines Silizium, positiv dotiert) bezeichnet, der die Bahn bildet, in die das Element 1 geätzt ist, wobei L die Länge des Elements 1 bezeichnet und wobei s seinen Querschnitt bezeichnet, das heißt, seine Breite 1 multipliziert mit seiner Dicke e. Der spezifische Widerstand ρ des Elements 1 hängt unter anderem von der möglichen Dotierung des polykristallinen Siliziums ab, das das Element bildet. In bestimmten Fällen ist das Element aus polykristallinem Silizium mit einer Metallschicht überzogen, wobei das Widerstandselement dann das polykristalline Silizium mit dem darüberliegenden Metall verbindet.
Sehr häufig werden die Widerstände beim Bilden einer integrierten Schaltung geplant, indem vom Begriff eines sogenannten Quadratwiderstands R_☐ (square resistance) Gebrauch gemacht wird. Dieser Quadratwiderstand ist definiert als spezifischer Widerstand des Werkstoffs geteilt durch die Dicke, mit dem er aufgebracht ist. Wenn man die obige Beziehung nimmt, die den Widerstand eines Elements 1 liefert, ist der Widerstand also durch die folgende Beziehung gegeben: R = R☐·L/l.
Der Quotient L/l entspricht dem, was als Anzahl der Quadrate, die das Widerstandselement 1 bilden, bezeichnet wird. Dieser stellt die von der Technologie abhängige Anzahl der Quadrate gegebener Größe dar, die von oben gesehen Seite an Seite gelegt das Element 1 bilden.
Also ist der Wert des Widerstands aus polykristallinem Silizium für die Herstellung basierend auf obigen Parametern bestimmt. Allgemein ist die Dicke e des polykristallinen Siliziums durch andere Herstellungsparameter der integrierten Schaltung festgelegt. Beispielsweise wird diese Dicke durch die Dicke festgelegt, die für die Gates der MOS-Transistoren der integrierten Schaltung erwünscht ist.
In neuen Technologien ist die Nutzung von Widerständen aus polykristallinem Silizium auf Widerstände beschränkt, die dazu vorgesehen sind, im Betrieb von Strömen durchflossen zu werden, die kleiner als 100 μA sind. Für größere Ströme wird im Allgemeinen ein Diffusionswiderstand benutzt. Polykristallines Silizium wird jedoch gegenüber einer Dotierdiffusion bevorzugt, da so das Auftreten von Streukapazitäten mit dem Substrat vermieden wird.
Um den Wert eines Widerstands aus polykristallinem Silizium unumkehrbar abzusenken, wird zeitweise ein sogenannter eingeprägter Strom oder Zwangsstrom angelegt, für den der Widerstand einen Maximalwert überschreitet, wobei dieser Strom über dem normalen Arbeitsstrombereich dieses Widerstands liegt. Mit anderen Worten, der spezifische Widerstand des polykristallinen Siliziums im Arbeitsstrombereich wird in gleichbleibender und unumkehrbarer Weise durch Einprägen eines Stromflusses auf das entsprechende Widerstandselement verringert, der jenseits des Arbeitsstrombereichs liegt.
Der Strom, der benutzt wird, den Widerstand zu verringern, ist – im Gegensatz zu einem Sicherungs- bzw. Schmelzelement – nicht zerstörerisch für das Element aus polykristallinem Silizium.
Die 2 zeigt anhand eines Kurvennetzwerks, das den Widerstand eines Elements aus polykristallinem Silizium in der in 1 gezeigten Art angibt, die Weise mit der der Widerstand des Elements entsprechend dem das Element durchfließenden Strom verringert wird.
Es wird angenommen, dass das zur Herstellung des Widerstandselements 1 verwendete polykristalline Silizium einen nominellen spezifischen Widerstand aufweist, der dem Element 1 für die gegebenen Dimensionen l, L und e einen Widerstand R_nom verleiht. Dieser nominelle (ursprüngliche) Wert des Widerstands entspricht dem Wert, der in gleichbleibender Weise von dem Widerstandselement 1 in dem Arbeitsstrombereich des Systems angenommen wird, das heißt allgemein bei Strömen, die kleiner als 100 μA sind.
Um den Widerstand zu verringern und in einer unumkehrbaren und gleichbleibenden Weise zu schalten, zum Beispiel auf einen Wert R1 kleiner als R_nom, wird ein sogenannter eingeprägter Strom oder Zwangsstrom (zum Beispiel I1) dem Widerstandselement 1 eingeprägt, der größer ist als ein Strom Im, für den der Wert des Widerstands R des Elementes 1 maximal ist, ohne aber unendlich zu sein. Wie die 2 zeigt, wird ein gleichbleibender Widerstand mit dem Wert R1 im Rahmen A1 von Arbeitsströmen der integrierten Schaltung erreicht, nachdem ein Strom I1 an das Widerstandselement 1 angelegt wurde. In der Tat ist die Widerstandskurve S_nom entsprechend dem Strom für verhältnismäßig schwache Ströme (kleiner als 100 μA) gleichbleibend. Diese Kurve beginnt für wesentlich höhere Ströme in der Größenordnung einiger Milliampere oder sogar mehr (Bereich A2) anzusteigen. In diesem Strombereich schneidet die Kurve S_nom ein Maximum für den Wert Im. Der Widerstand nimmt dann fortschreitend ab. In der 2 wurde ein dritter Bereich A3 von Strömen gezeigt, der dem Bereich entspricht, der allgemein verwendet wird, um Sicherungen herzustellen. Dies sind Ströme in der Größenordnung eines zehntel Ampere, wo der Widerstand plötzlich ansteigt, bis er unendlich wird. Entsprechend kann angenommen werden, dass die vorliegende Erfindung den mittleren Bereich A2 von Strömen zwischen dem Arbeitsbereich A1 und dem zerstörerischem Bereich A3 nutzt, um den Widerstand oder genauer, den spezifische Widerstand des Elements aus polykristallinem Silizium zu verringern.
In der Tat ist, nachdem das Maximum der Kurve S_nom des spezifischen Widerstands entsprechend dem Strom überschritten wurde, der Wert, den der Widerstand im Arbeitsbereich des Stroms annimmt, kleiner als der Wert R_nom. Der neue Wert – zum Beispiel R1 – hängt von dem höheren Wert des Stroms (hier I1) ab, der während der unumkehrbaren Stromphase angelegt wurde. Es sollte allerdings angemerkt werden, dass die unumkehrbare Verringerung, die von der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, in einer bestimmten Programmierphase außerhalb der normalen Lesebetriebsart (Bereich A1) der integrierten Schaltung auftritt, das heißt außerhalb des normalen Widerstandbetriebs.
Nachdem der Wert des Widerstands aus polykristallinem Silizium auf einen niedrigeren Wert (zum Beispiel R1 in der 2) abgesenkt wurde, kann noch eine unumkehrbare Verringerung dieses Wertes ausgeführt werden. Um dies zu erreichen, ist es ausreichend, den Maximalstrom I1 der neuen Kurve S1 des Widerstands entsprechend dem Strom zu überschreiten. Zum Beispiel kann der Strom erhöht werden, um einen Wert I2 zu erreichen. Wenn der Strom dann wieder verringert wird, wird für den Widerstand ein Wert R2 in seinem normalen Betriebsbereich erzielt. Der Wert von R2 ist kleiner als der Wert R1 und natürlich kleiner als der Wert R_nom.
Es ist ersichtlich, dass alle Widerstandskurven, sich entsprechend dem Strom auf der abfallenden Flanke des Widerstandswerts treffen, nachdem sie das Maximum der Kurve überschritten haben. Demnach sind für ein gegebenes Widerstandselement (ρ, L, s) die Ströme I1 und I2 usw., die erreicht werden müssen, um auf einen niedrigeren Widerstandswert umzuschalten, unabhängig von dem Widerstandswert (R_nom, R1, R2), von dem die Verringerung verursacht wird.
Was zuvor als Widerstandswert ausgedrückt wurde, entspricht tatsächlich einer Verringerung des spezifischen Widerstands des polykristallinen Siliziums, aus dem das Widerstandselement gebildet ist. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bedacht, dass die kristalline Struktur des polykristallinen Siliziums in einer gleichbleibenden Weise abgeändert wird und dass der Werkstoff sozusagen wieder zum Fließen gebracht oder verflüssigt wird, wobei die endgültige kristalline Struktur in Abhängigkeit von dem maximal erreichten Strom entsteht. In der Tat verursacht der eingeprägte Strom beziehungsweise Zwangsstrom einen Temperaturanstieg des Siliziumelementes, der ein Verfließen oder Verflüssigen desselben verursacht.
Natürlich wird sichergestellt werden, dass der Programmierstrombereich A2 (in der Größenordnung von einigen Milliampere) nicht überschritten wird, um zu vermeiden, dass der Widerstand aus polykristallinem Silizium zerstört wird. Diese Vorsichtsmaßnahme wird in der Praxis kein Problem bereiten, da die Verwendung von polykristallinem Silizium zur Herstellung einer Sicherung viel höhere Ströme (in der Größenordnung von einem zehntel Ampere) erfordert, die nicht verfügbar sind, nachdem die Schaltung hergestellt wurde.
Das tatsächliche Herstellen eines Widerstands aus polykristallinem Silizium entsprechend der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich nicht vom Herstellen eines herkömmlichen Widerstands. Ausgehend von einem isolierenden Substrat wird eine polykristalline Siliziumschicht aufgebracht und entsprechend der gewünschten Abmessungen des Widerstands geätzt. Da die Dicke des aufgebrachten polykristallinen Siliziums allgemein durch die Technologie bestimmt wird, sind die zwei Dimensionen, die angepasst werden können, die Breite und die Länge. Im Allgemeinen wird auf dem so gewonnenen Stab aus polykristallinem Silizium wieder ein Isolator aufgebracht. Im Falle einer angeschlossenen Verbindung in Serie wird man die Breite 1 im Hinblick auf die breiteren Zugangsbahnen abändern, damit sie leitfähiger sind. Im Falle eines wie in der 1 gezeigten Zugriffs auf die Stabenden von oben werden im darüberliegenden (nicht gezeigten) Isolator Durchkontaktierungen aus dem Stab aus polykristallinen Silizium hergestellt werden, um Kontaktmetallbahnen 3 und 4 zu verbinden.
In der Praxis wird, um die höchste Widerstandsanpassungsfähigkeit mit einem minimalen eingeprägten Strom beziehungsweise Zwangsstrom zu erhalten, eine minimale Dicke und minimale Breite für die Widerstandselemente erwünscht sein. In diesem Fall legt nur die Länge L den Nennwert des Wi derstands fest, nachdem die polykristalline Siliziumstruktur einmal festgelegt wurde. Das mögliche Dotieren des polykristallinen Siliziums, welcher Art es auch immer ist, behindert nicht die Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der einzige Unterschied der mit dem Dotieren verbunden ist, sind der Nennwert des spezifischen Widerstands vor Schaffen der Zwangsbedingung und die spezifischen Widerstände, die sich für die gegebenen eingeprägten Ströme beziehungsweise Zwangsströme ergeben. Mit anderen Worten: Dies bestimmt für ein Element mit gegebenen Abmessungen den Anfangspunkt des Widerstandwertes und dementsprechend die Widerstandswerte, die für gegebene eingeprägte Ströme beziehungsweise Zwangsströme erzielt werden.
Um von einem Nennwert auf einen niedrigeren Widerstand oder Wert eines spezifischen Widerstands zu schalten, können – gemäß der vorliegenden Erfindung – mehrere Verfahren angewendet werden.
Zum Beispiel wird der Strom fortschreitend (Schritt für Schritt) in dem Widerstand erhöht. Nach jeder Anwendung eines höheren Stroms, wird er wieder in den Arbeitsstrombereich zurückgeführt, und der Widerstandswert wird gemessen. Solange ein Strompunkt Im nicht erreicht wurde, wird dieser Widerstandswert beim Wert Rom bleiben. Sobald der Strompunkt Im überschritten wurde, gibt es eine Kurvenänderung (Kurve S), und der gemessene Wert wird, wenn wieder zu den Arbeitsströmen zurückgekehrt wurde, einen Wert annehmen, der kleiner als der Wert R_om ist. Wenn dieser neue Wert zufriedenstellend ist, endet der Ablauf hier. Wenn nicht, werden wieder höhere Ströme angewendet, um den neuen Maximalwert der Stromkurve zu überschreiten. In diesem Fall ist es nicht nötig, wieder mit den Minimalströmen zu beginnen, wie wenn mit dem Nennwiderstand begonnen wird. In der Tat ist der Wert des Stroms, für den der Widerstand wieder abnehmen wird, notwendigerweise größer als der Wert des eingeprägten Stroms beziehungsweise Zwangsstroms I1, der angewendet wurde, um zur gegenwärtigen Stromkurve zu gelangen. Die Festlegung der Steigung, die angewendet wird, liegt innerhalb der Fähigkeiten der Fachleute und ist nicht so ausschlaggebend, als dass sie die Anzahl der möglichen Absenkungen wesentlich begrenzen könnte. Je höher die Steigung, desto höher werden die Sprünge zwischen den Werten sein.
Entsprechend einem anderen bevorzugten Beispiel, sind die verschiedenen Ströme, die anzuwenden sind, um von den unterschiedlichen Widerstandswerten zu kleineren Werten zu kommen, vorherbestimmt, zum Beispiel durch Messungen. Diese Vorherbestimmung berücksichtigt natürlich die Art des verwendeten polykristallinen Siliziums genauso wie – vorzugsweise – den Quadratwiderstand, das heißt den spezifischen Widerstand des Werkstoffs und die Dicke, mit der er aufgebracht ist. Da die in der 2 dargestellten Kurven auch als Kurven des Quadratwiderstands gelesen werden können, können die berechneten Werte in der Tat in die verschiedenen Widerstände einer integrierten Schaltung umgerechnet werden, die durch Breiten und Längen der Widerstandsquerschnitte festgelegt ist. Entsprechend dieser zweiten Ausführungsform kann dann der Wert des eingeprägten Stroms beziehungsweise Zwangsstroms vorherbestimmt werden, der an das Widerstandselement anzulegen ist, um seinen Wert in einer unumkehrbaren und gleichbleibenden Weise zu verringern.
Die Kurvenänderung, das heißt, die Verringerung im Widerstandswert im Normalbetrieb tritt fast sofort auf, sobald der entsprechende eingeprägte Strom beziehungsweise Zwangsstrom angewendet wird. Mit "fast sofort" ist eine Dauer von einigen zehn oder sogar einigen hundert Mikrosekunden gemeint, die ausreichend sind, um die entsprechende Zwangsbedingung auf den Stab aus polykristallinem Silizium anzuwenden und den Wert seines Widerstands zu verringern. Dieser Erfahrungswert hängt von der (physikalischen) Größe des Stabes ab. Aus Sicherheitsgründen kann eine Dauer von einigen Millisekunden gewählt werden. Des Weiteren kann berücksichtigt werden, dass, wenn die Minimaldauer einmal erreicht wurde, jede zusätzliche Dauer der Anwendung des eingeprägten Stroms beziehungsweise Zwangsstroms den erreichten Widerstand – zumindest in erster Näherung – nicht ändert. Außerdem, selbst wenn für eine spezielle Anwendung davon ausgegan gen wird, dass der Einfluss der Dauer der Anwendung des eingeprägten Stroms beziehungsweise Zwangsstroms nicht vernachlässigt werden kann, sind die zwei Verfahren vollkommen vereinbar, indem die Dauer der Anwendung des eingeprägten Stroms beziehungsweise des Zwangsstroms berücksichtigt wird.
Die 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer einmalbeschreibbaren Programmierzählzelle (oder Speicherzelle) gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Zelle 11 weist – in Serie mit einem ersten Anschluss 12 zum Anwenden einer positiven Versorgungsspannung und einem zweiten Anschluss 13 zum Anwenden einer negativeren Versorgungsspannung oder einer Bezugsversorgungsspannung V^- (üblicherweise der Masse) – einen Widerstand Rp auf, der mittels unumkehrbarer Verringerung seines Wertes – so wie zuvor mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben – programmierbar ist, und einen Programmierschalter, hier ein n-Kanal-MOS-Transistor (MN). Der Widerstand Rp bildet die Speichereinheit der Zelle 11. Der in der Zelle gespeicherte Zustand wird vom Knotenpunkt 14 des Widerstands Rp mit dem Transistor MN gelesen. Das Lesen der gespeicherten Stufe wird durch Vergleich mit einer Vergleichsstufe ausgeführt.
Um das Lesen des in der Zelle 11 gespeicherten Zustandes zu ermöglichen, ist ein (in der 3 mit gepunkteten Linien gezeigten) Widerstand Rb vorgesehen, der, wenn der Transistor MN ausgeschaltet ist, mit dem Widerstand Rp einen Spannungsteiler bildet. Der Widerstand Rb wurde mit gepunkteten Linien dargestellt, um zu zeigen, dass er wahlweise vorgesehen ist. Tatsächlich kann er durch den Transistor MN gebildet werden, wobei er dann im linearen Teil seiner Charakteristik und nicht in Sättigung betrieben wird.
Wenn der Transistor MN eingeschaltet ist, schließt er (zumindest funktional) den festen Widerstand Rb kurz und wird benutzt, um den Widerstand Rp durch Einprägen eines hindurchfließenden Stroms zu programmieren. Der Programmierstrom des Widerstands Rp ist größer als der Strom, für den dieser Widerstand einen Maximalwert aufweist, der so bestimmt ist, wie zuvor in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben wurde.
Der Nennbereich der Arbeitsströme eines Widerstands aus polykristallinen Silizium, wie er gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird, ist kleiner als einige hundert Mikroampere und meistens kleiner als einige zehn Mikroampere. Die Amplitude des Programmierstroms liegt in der Größenordnung eines Milliampere.
Das Programmieren einer Zelle, wie sie die 3 zeigt, wird durch Bereitstellen einer Auswahl der positiven Versorgungsspannung, die am Anschluss 12 zwischen einer Lesespannung Vr (angepasst zur Erzeugung eines Stroms in der Größenordnung von einem Mikroampere) und einer Programmierspannung Vp (angepasst zur Erzeugung eines Stroms in der Größenordnung von einem Milliampere) angelegt wird. Die Auswahl wird mittels eines Schalters K von einer Steuerungsschaltung 15 (CTRL) gesteuert, die außerdem das Steuerungssignal liefert, das an den Transistor MN angepasst ist.
Der Zählbetrieb besteht in der Bewirkung einer unumkehrbaren Verringerung des Wertes des Widerstands Rp, indem ein eingeprägter Strom beziehungsweise Zwangsstrom auf ihn angewendet wird. In der Lesebetriebsart ermöglicht der Vergleich einer Kathodenspannung in Bezug auf einen Bezugswert eine Feststellung, ob die Zählzelle einen Zustand 0 oder einen Zustand 1 enthält.
Die 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Zählzelle 11' gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Zelle unterscheidet sich von der Zelle der 3 durch die Tatsache, dass der verwendete Programmiertransistor MP ein p-Kanal-MOS-Transistor ist. Der Transistor MP ist zwischen dem Anschluss 12 und dem Lesepunkt 14 angeschlossen. Der Programmierwiderstand Rp ist zwischen Punkt 14 und Anschluss 13 der Anwendung der Bezugsspannung angeschlossen. In der 4 wurden der Schalter K und die Steuerungsschaltung 15 nicht gezeigt, obwohl sie noch vorhanden sind. Der Widerstand Rb in gepunkteten Linien wurde parallel zum Transistor MP dargestellt.
Der Betrieb einer Zelle 11', wie in der 4 gezeigt, ist ähnlich zu dem der Zelle 11 der 3. Letztere stellt jedoch aufgrund der geringeren Größe des n-Kanal-MOS-Transistors gegenüber dem p-Kanal-MOS-Transistor eine bevorzugte Ausführungsform dar.
Die 5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Zelle 11'' mit unumkehrbarer Zählung gemäß der vorliegenden Erfindung. Der in Bezug auf die in den 3 und 4 gezeigten Zählzellen wesentliche Unterschied ist, dass die Struktur der 5 eine Differenzstruktur ist, die keine Bezugsspannung benutzt, um den Vergleich durchzuführen, der es ermöglicht, den in der Zelle gespeicherten Zustand zu ermitteln.
Die Zelle 11'' der 5 weist auf: zwei parallele Widerstandszweige zwischen zwei Versorgungsanschlüssen 12 und 13, zwei Programmiertransistoren MN1 und MN2 (in diesem Beispiel n-Kanal-MOS-Transistoren), eine Steuerungsschaltung 25 (CTRL) und einen Wähler K zwischen zwei Versorgungsspannungen, wobei die erste Vr zum Lesen und die zweite Vp zum Programmieren vorgesehen ist. Das Programmieren einer wie in der 5 gezeigten Zelle erfolgt ähnlich wie bei den Zellen der 3 und 4. Was sich hier ändert, ist die Zellstruktur, die das Lesen ermöglicht.
In der Ausführungsform der 5 weist ein erster – in der Orientierung der Zeichnung linksseitiger – Zweig in Serie einen ersten Widerstand Rp1, einen Lese-MOS-Transistor MNR1 und einen Auswahl-MOS-transistor MNS1 auf. Die Verbindung zwischen Widerstand Rp1 und Transistor MNR1 bildet einen ersten Ausgangsanschluss S, der willkürlich als direkter Ausgangsanschluss (nicht invertiert) bezeichnet wird. Der Anschluss S entspricht auch dem Punkt 24 der Verbindung des Widerstands Rp1 mit dem Programmiertransistor MN1. Ein zweiter – in der Orientierung der Zeichnung rechtsseitiger – Zweig weist in Serie einen zweiten Widerstand Rp2, einen Lese-MOS-Transistor MNR2 und einen Auswahl-MOS-Transistor MNS2 auf. Die Verbindung zwischen dem Widerstand Rp2 und dem Transistor MNR2 (und damit der Senke dieses Transistors) bildet einen zweiten Ausgangsanschluss NS, der in Bezug zu Anschluss S invertiert ist. Der Ausgang NS entspricht auch dem Punkt 26 der Verbindung des Widerstands Rp2 mit dem Programmiertransistor MN2. Der Anschluss [grille] des Transistors MNR2 ist mit dem Anschluss 24 verbunden, während der Anschluss [grille] des Transistors MNR1 mit dem Anschluss 26 verbunden ist, um die Wirkung eines Flipflop zu erhalten. Die Anschlüsse [grilles] der Transistoren MNS1 und MNS2 sind miteinander mit einem Anschluss R verbunden, der dazu vorgesehen ist, ein Leseauswahlsignal der Zählzelle zu empfangen. Dieses Signal entspricht vorzugsweise dem Zählzellenauswahlsignal in einer einseitigen Anordnung mehrerer Zellen. Es wird dann von dem angepassten Spalten- und Zeilendecodierer bereitgestellt. In dem gezeigten Beispiel haben alle Transistoren N-Kanäle.
Der Lesebetrieb einer Zelle gemäß dieser Erfindung ist wie folgt. Schaltung 25 verursacht das Schalten des Wählers K auf die Spannung Vr. Vorzugsweise ist dies sein Ruhezustand, da der andere Zustand nur zum Programmieren benutzt wird (und somit, im Prinzip, nur einmal pro Zelle). Der Eingangsanschluss R erhält das Zellenauswahl-(oder Lesekonfigurations-)signal (aktiv in dem hohen Zustand), das die Transistoren MNS1 und MNS2 einschaltet.
Im Ergebnis sieht einer der MNS-Anschlüsse seine Spannung schneller ansteigen als der andere. Dieses Ungleichgewicht kommt von dem Werteunterschied zwischen den Widerständen Rp1 und Rp2. Er verursacht das Leiten eines der Transistoren MNR1 und MNR2. Wegen des Überkreuzens der Anschlüsse [grilles] dieser Transistoren, ist derjenige, der zuerst leitet, derjenige dessen Anschluss [grille] in dem elektrischen Weg (von Anschluss 12) teilnimmt mit der kleinsten Zeitkonstante (der Widerstand mit dem kleinsten Wert erzeugt eine kleinere Zeitkonstante), und somit derjenige mit einer Senkenspannung, die langsamer ansteigt als die andere. Einmal eingeschal tet zwingt dieser MNR-Transistor seine Senke (und somit den entsprechenden Ausgangsanschluss S oder NS) auf Masse 13, der den ausgeschalteten Zustand des MNR-Transistors des anderen Zweiges bestätigt und somit den hohen Zustand auf dem entsprechenden Ausgangsanschluss.
Das Programmieren einer Zelle gemäß der Ausführungsform wird mittels eines der Transistoren MN1 und MN2 in derselben Weise wie für die ersten zwei Ausführungsformen ausgeführt. Die Transistoren MN1 und MN2 der Zählzelle müssen jedoch während des Programmierens ausgeschaltet sein (Eingang R niedrig). Sie werden verwendet, um die Lesetransistoren MNR1 und MNR2 zu schützen, indem ihre Quellen in einen Float-Zustand gebracht werden beziehungsweise deren Ausgang hochohmig gemacht wird, womit das Auftreten zerstörerischer Anschlussquellenspannungen durch die Versorgungsspannung Vp vermieden wird. Des Weiteren werden die MNR-Transistoren durch das Lösen der Verbindung der MNR-Transistoren von ihren Quellen daran gehindert, dass sie zwischen Senke und Quelle die hohe Spannung Vp zu sehen. Dementsprechend können die MNR- und MNS-Transistoren entsprechend der Lesespannung Vr dimensioniert werden. Nur die Programmiertransistoren MN müssen so dimensioniert werden, dass sie die Spannung Vp halten und dem verhältnismäßig hohen Strom (im Vergleich zum Lesebetriebsbereich) standhalten, der benutzt wird, um die Zelle zu programmieren.
Wie für die Ausführungsform der 3 bezieht sich die der 5 auch auf p-Kanal-MOS-Transistoren. Das Übertragen der Ausführungsform der 5 auf p-Kanal-MOS-Transistoren liegt innerhalb der Fähigkeiten der Fachleute.
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, eine einzige Versorgungsspannung für die Zählzelle anzuwenden. Die Wahl der Versorgungsspannung zwischen den Pegeln Vp und Vr ist damit vermieden. In diesem Fall wird eine ausreichende Versorgungsspannung zum Einprägen des erwünschten eingeprägten Stroms beziehungsweise Zwangsstroms zum Programmieren der Widerstände Rp1 und Rp2 (5) oder der Widerstände Rp (3 und 4) gewählt. Die Transistorgrößen werden dann entsprechend gewählt.
Die 6 zeigt eine Ausführungsform eines Zählers über vier Bits, der mit seiner Decodierungsschaltung verbunden ist.
Die vier Bits B1, B2, B3 und B4 des Zählers werden von einer Zelle 11 (oder 11' oder 11'') einzeln bereitgestellt, wobei deren Speichereinheit von mindestens einem – wie oben beschriebenen – Widerstand aus polykristallinen Silizium gebildet wird. In der 6 wurden weder die Zählzellenstruktur noch die verschiedenen Programmier- und Auswahlsteuerungssignale CTRL im Einzelnen beschrieben. In dem Beispiel der 6 kann angenommen werden, dass die vier Bits in einer Reihe von Zellen 11 angeordnet sind, die alle gleichzeitig gelesen werden, damit jede, ihrem entsprechenden Ausgang S1 bis S4, den Wert 0 oder 1 des in der Zelle gespeicherten Bit bereitstellt.
Die Anzahl der Zellen im Zustand 0 oder im Zustand 1 wird von einer Decodierungsschaltung 30 ermittelt. Die Schaltung 30 kann – entsprechend der Verwendung der Zählergebnisse – in unterschiedlicher Weise gebildet werden. Die 6 veranschaulicht ein praktisches Beispiel, um die Machbarkeit einer solchen Schaltung zu zeigen.
In diesem Beispiel sind die vier jeweiligen Ausgänge der Zählzellen mit den entsprechenden Eingängen von zehn Logikgattern mit [jeweils] vier Eingängen verbunden, von denen eines ein NAND-Gatter 31 und [die anderen] neun Und-Gatter 32 bis 40 sind. Das Gatter 31 erhält die Zustände der Ausgänge S1 bis S4 direkt, und das Gatter 40 erhält die Zustände der Ausgänge S1 bis S4 direkt. Die Gatter 32 bis 35 erhalten drei der Ausgänge S1 bis S4 invertiert und den übrigen Ausgang direkt, wobei sich der Rang des direkten Ausgangs für jedes Gatter ändert. Die Gatter 36 bis 39 erhalten drei der Ausgänge S1 bis S4 direkt und den letzten Ausgang invertiert, wobei sich der Rang des invertierten Ausgangs an jedem der Gatter 36 bis 39 ändert.
Der Ausgang CO des Gatters 31 zeigt bei einem hohen Zustand, dass alle Zellen 11 einen niedrigen Status und somit einen Zählerstand Null speichern.
Die Ausgänge der Gatter 32 bis 35 sind mittels eines vier Eingänge aufweisenden OR-Gatters 41 verbunden, dessen Ausgang einen Zählerstand C1 bereitstellt, der anzeigt, dass beziehungsweise ob eine einzige der Zählzellen den Zustand 1 hat.
Die Ausgänge der Gatter 36 bis 39 sind mit vier entsprechenden Eingängen eines OR-Gatters 42 verbunden, wobei dessen Ausgang einen Zählerstand C3 bereitstellt, der anzeigt, dass beziehungsweise ob drei der vier Zellen den Zustand 1 haben.
Der Ausgang des Gatters 40 liefert direkt einen Zählerstand C4, der einen Zustand 1 der vier Zellen anzeigt.
Die entsprechenden Ausgänge der Gatter 31, 41, 42 und 40 sind durch das NOR-Gatter 43 verbunden, dessen Ausgang eine Zählung C2 bereitstellt, die anzeigt, dass beziehungsweise ob zwei der Zellen im Zustand 1 sind.
An obiger Decodierungsschaltung 30 kann gesehen werden, dass mit vier Zählzellen, die einem Widerstand aus polykristallinem Silizium aufweisen, fünf Zählzustände erhältlich sind (von 0 bis 4). Für jede zusätzliche Zählzelle 11 wird eine Zähleinheit hinzugefügt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie es ermöglicht, einen zuverlässigen monotonen Zähler zu bilden, dessen Programmierung nicht mit einer Zerstörung der Zählzellen einhergeht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Zählzellenaufbau insofern unsichtbar ist, als dass er nicht optisch ermittelbar ist, wie es für einen aus Sicherungszellen gebildeten Zähler der Fall wäre. Die ser Vorteil und der unumkehrbare Charakter des Zählers sind insbesondere in Sicherheitsanwendungen vorteilhaft.
Das Beispiel der 6 zeigt den Fall eines ansteigenden monotonen Zählers. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass entsprechend der benutzten Decodierungsschaltung eine abfallende Zählung erreicht werden kann.
Die 7 zeigt ein Beispiel einer Anwendung eines Zählers 40 entsprechend der vorliegenden Erfindung in einer Schaltung, die einen Flash-Speicher 41 verwendet. In der 7 wurde nur eine CPU 42 gezeigt, von der mindestens ein Teil eines Betriebsprogramms in einem ROM 43 gespeichert ist und mindestens einige Daten in einem RAM 44 gespeichert sind, als auch drei gemeinsam genutzte Adress-, Daten- und Steuerungsbusse ADD, DATA, und CTRL.
Die verschiedenen Elemente 40 bis 44 verständigen sich miteinander über die Adress-, Daten- und Steuerungsbusse. In diesem Anwendungsbeispiel wird der Zähler 40 (OPT COUNT) der vorliegenden Erfindung verwendet, um unumkehrbar abwärts zu zählen oder Ereignisse zu zählen, anstelle dessen was herkömmlicherweise von einem Flash-Speicher 41 erledigt wird. Ein beträchtlicher Vorteil besteht dann darin, dass das Zählen 40 Bit für Bit durchgeführt wird, was eine viel kleinere Oberfläche erfordert als das unumkehrbare Programmieren eines Flash-Speichers.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass im Unterschied zu einer Programmierung des Flash-Speichers, der umkehrbar ist, der Zähler der Erfindung eine Unumkehrbarkeit der erfolgten Programmierung mit sich bringt.
Natürlich weist die vorliegende Erfindung wahrscheinlich vielfältige Änderungen, Abwandlungen und Verbesserungen auf, die den Fachleuten sofort bewusst werden. Insbesondere gilt die vorliegende Erfindung unabhängig davon, welcher Nutzen auch immer aus der gewonnenen Zählung gezogen wird. Des Weiteren liegt die zu erfolgende Bemessung der verschiedenen Widerstände, Transistoren, Versorgungs- und Lesespannungen innerhalb der Fähigkeiten der Fachleute auf der Grundlage der zuvor erfolgten funktionalen Hinweise und der erwünschten Anwendung. Des Weiteren ist die Anzahl der Bits des Zählers unbeschränkt. Schließlich können andere Zählzellenstrukturen als die in den 3 und 5 vorgesehen werden, vorausgesetzt, dass mindestens ein widerstandsbehaftetes Speicherelement aus polykristallinem Silizium angewendet wird, das mittels unumkehrbarer Verringerung seines Werts programmierbar ist. Insbesondere kann man sich bei der Anpassung einer solchen Speichereinheit an die Anwendung von einer herkömmlichen Speicherzellenstruktur beeinflussen lassen.

Claims

Ein monotoner Zähler, der als eine integrierte Schaltung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Zähl-Bit durch eine Speicherzelle (11, 11'; 11'') vorgesehen ist, die mindestens ein Speicherelement (Rp; Rp1, Rp2) enthält, das aus einem Widerstand aus polykristallinem Silizium gebildet ist, der durch eine irreversible Verringerung seines Werts programmierbar ist, was die Zählvariation irreversible macht.
Zähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Programmierung des Widerstands (Rp; Rp1, Rp2) durchgeführt wird, indem er zeitweise einem eingeprägten Strom bzw. einem Zwangsstrom unterworfen wird, der größer ist als ein Strom für den sein Wert ein Maximum darstellt.
Zähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Schaltung (30) aufweist zum Decodieren der Zustände die in den Speicherzellen (11, 11'; 11'') enthalten sind, um den resultierenden Zählerstand bereitzustellen.
Zähler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Speicherzelle (11'') parallel zwischen zwei Anschlüssen (12, 13) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (Vp, Vr) zwei Zweige aufweist, die jeweils einen ersten Programmierwiderstand (Rp1, Rp2) aus polykristallinen Silizium aufweisen, der zwischen einem ersten Versorgungsanschluss (12) und einem Anschluss zum differentiellen Ablesen (24, 26) des Speicherzellenzustands verbunden ist; und wobei jede Speicherzelle wenigstens einen Programmierschalter (MN1, MN2) aufweist, der einen der Leseanschlüsse mit dem zweiten Versorgungsanschluss (13) verbindet.
Zähler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zweig einen Programmierschalter aufweist.
Zähler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Programmierwiderstände (Rp1, Rp2) zwei Widerstände aus polykristallinem Silizium sind, die identisch bezüglich der Größe und möglicher Dotierung sind.
Zähler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Speicherzelle (11, 11') einen Programmiertransistor (MN, MP) in Serie mit einem Programmierwiderstand (Rp) aufweist.
Zähler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine Schaltung zum Steuern der Programmierung von jeder der Speicherzellen (11, 11'; 11'') aufweist, die geeignet ist individuelle Steuersignale für die Programmierschalter vorzusehen.