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DRAM-Speicherschaltung mit einer
Einrichtung zum Justieren der Refresh-Frequenz und Verfahren zur
Durchführung
der Justierung Die Erfindung betrifft eine DRAM-Speicherschaltung,
die Mittel enthält,
um die Wiederholfrequenz der im Betrieb automatisch ablaufenden
Refreshzyklen zu justieren, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Gegenstand der Erfindung sind Schaltungsmittel
und auch ein Verfahren zur Durchführung der Justierung. Bevorzugtes,
jedoch nicht ausschließliches
Anwendungsgebiet sind synchronisierte DRAMs (S-DRAMs), insbesondere
Ausführungsformen
mit vervielfachter Datenrate (DDR-DRAMus, DDR-II-DRAMs, etc.).
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Das allgemein gebräuchliche
Akronym DRAM bezeichnet dynamische Digitalspeicher mit wahlfreiem
Zugriff (Dynamic Random Access Memory), deren Speicherzellen ihre
Information auch bei bleibender Stromversorgung nur begrenzte Zeit
zuverlässig
behalten können,
so dass die gespeicherten Daten regelmäßig aufgefrischt werden müssen. Insbesondere
bei den derzeit meistgebräuchlichen kapazitiven
DRAMs verlieren die als Speicherelemente verwendeten Kondensatoren
ihre informationsbeschreibende Ladung relativ schnell. Die sogenannte
Retentionszeit Tr, die angibt, wie lange eine frisch geschriebene
Information an einer Zelle noch eindeutig lesbar ist, kann von Zelle
zu Zelle innerhalb des selben DRAM sehr unterschiedlich sein; oft
reicht die Spanne von einigen Sekunden bis herunter zu einigen zehn
Millisekunden. Die empirisch feststellbare untere Grenze dieser
Spanne, also die Mindest-Retentionszeit
Tr(min), gehört
zu den wichtigen Spezifikationen eines DRAM.
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Der zum Auffrischen notwendige "Refresh"-Betrieb
besteht üblicherweise
darin, dass, verschachtelt mit dem Nutzbetrieb des DRAM, alle Zellen
in Zeitabständen,
die kürzer
sind als die Mindest-Retentionszeit Tr(min), automatisch angesteuert
werden, um an jeder Zelle den Speicherzustand zu fühlen, das
betreffende Speicherdatum zu erkennen und neu in die betreffende
Zelle zurückzuschreiben.
Jeder Refresh-Vorgang ähnelt
einem normalen Lesevorgang, bei dem ebenfalls ein automatisches Rückschreiben
des Lesedatums erfolgt, nur dass beim Refresh die Selektion und
Weitergabe der Lesedaten an den Datenausgang des DRAM entfällt.
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DRAM-Speicherschaltungen enthalten
somit neben den Speicherzellen-Feldern und den diversen Einrichtungen,
die zur Bereitstellung verschiedener Versorgungsspannungen und -ströme und zum
Steuern des selektiven Zellenzugriffs für das Schreiben und Lesen von
Speicherdaten im Nutzbetrieb erforderlich sind, eine Einrichtung
zur automatischen Durchführung
der Refreshzyklen. Diese Einrichtung enthält einen sogenannten Refresh-Oszillator,
von dessen Arbeitsfrequenz die Wiederholfrequenz für die Refreshzyklen
abgeleitet wird, meist durch Frequenzteilung um einen festen Divisor.
Die Oszillatorfrequenz sollte innerhalb eines eng begrenzten Bereichs
gehalten werden. Eine vorgegebene untere Grenze ist unbedingt einzuhalten,
um zu garantieren, dass der Abstand zwischen den Refreshzyklen nicht größer wird
als die Mindest-Retentionszeit. Andererseits sollte die Oszillatorfrequenz
nicht sehr viel höher
sein als diese Untergrenze, um zu vermeiden, dass die Refreshzyklen
häufiger
durchgeführt
werden, als es eigentlich notwendig ist. Jeder Refresh-Zyklus blockiert
nämlich
vorübergehend
den Nutzbetrieb, zumindest teilweise.
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Als Refresh-Oszillatoren für DRAMs
werden üblicherweise
digitale Oszillatoren benutzt, vorzugsweise in Form einer rückgekoppelten
ungeradzahligen Inverterkette, was den Vorteil einer einfachen und
platzsparenden Integrierbarkeit auf dem Chip der Speicherschaltung
hat. Die Schwingfrequenz wird bestimmt von der Anzahl der hintereinander
geschalteten Inverter und von der Gatterdurchlaufzeit der einzelnen
Inverter, wobei letztere stark von der Höhe der Versorgungsspannung
bzw. des Versorgungsstroms abhängt.
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Diese Abhängigkeit, die übrigens
auch bei Oszillatoren anderen Typs nicht immer auszuschließen ist,
bedeutet kein Problem bei den herkömmlichen "regulierten" DRAM-Chips.
Solche Chips sind für
einen Betrieb mit eng spezifizierter externer Chip-Versorgungsspannung
VDD konzipiert und enthalten einen übergeordneten Spannungsregler,
der aus dieser VDD-Spannung unter Verwendung einer Bandabstands-Referenz
("Bandgap") eine hochstabile interne Referenzspannung Vint ableitet,
die dann ihrerseits als Referenz für die Stabilisierung der sekundären Nutz-
und Versorgungsspannungen oder -ströme des DRAM verwendet wird.
Dies gilt dann auch für
die Versorgung des Refresh-Oszillators, dessen
Frequenz somit genügend
fest ist.
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Die Verwendung immer neuerer Technologien
führt zur
Senkung der Versorgungsspannung. Während ein DRAM, das mit einer
Datenrate gleich der einfachen Taktfrequenz betrieben wird (SDR-DRAM
= Single Data Rate DRAM), noch eine externe Spannung von 3,3 Volt
erforderte, benötigt ein
mit verdoppelter Datenrate betriebener Typ (DDR-DRAM = Double Data
Rate DRAM) nur 2,5 Volt und ein mit vervierfachter Datenrate betriebener
Typ (DDR-II-DAM) sogar nur 1,8 Volt. Bei den weiteren Entwicklungen
(DDR-III, usw.) wird die externe Versorgungsspannung nochmals geringer
zu bemessen sein.
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Schon bei den DDR-II-DRAMs ist es
aufgrund der niedrigen externen Versorgungsspannung kaum noch möglich, mittels
einer Bandgap-Referenz eine interne Referenzspannung Vint abzuleiten,
die als gemeinsame Referenz für
die Regelung aller internen Versorgungsspannungen auf dem Chip dienen
könnte.
Infolgedessen läßt man den
Chip "unreguliert", d.h. man erlaubt, dass sich die internen Spannungen
mit der externen Versorgungsspannung ändern. Im Grunde funktioniert
der eigentliche Nutzbetrieb eines DRAM meist zufriedenstellend über einen
relativ weiten Bereich der internen Versorgungsspannun gen, so dass
der überwiegende
Teil der Schaltungskomponenten nicht neu entworfen werden muss,
um das DRAM an eine verminderte VDD-Spannung anzupassen.
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Änderungen
in der Versorgungsspannung des Refresh-Oszillators können aber
zu unannehmbaren Änderungen
der Refresh-Frequenz führen.
Um dem zu begegnen, ist es üblich
geworden, auf unregulierten Chips eine Trimmschaltung für den Refresh-Oszillator
zu integrieren, die es erlaubt, die Oszillatorfrequenz durch Laserbeschuss
von Schmelzbrücken
(so genannte "Fuse"-Elemente
oder kurz "Fuses") zu justieren. Diese Trimmung wird im "Front End"
durchgeführt,
d.h. wenn der Chip noch am Wafer ist. Im Wafer-Testgerät wird mindestens
einer der Chips als Vertreter ausgewählt, und an diesen Chip wird
der Nennwert der externen Versorgungsspannung, mit welcher alle
Chips später
betrieben werden sollen, angelegt. Dann wird die Frequenz des Refresh-Oszillators
gemessen, und aus einer Abweichung der gemessenen Frequenz von der
Sollfrequenz ermittelt das Testgerät z.B. anhand einer Nachschlagetabelle
eine Information, die angibt, welche Fuses geschossen werden müssen, um
die Oszillatorfrequenz zur Kompensation der Abweichung nachzustellen.
Entsprechend dieser Information werden dann die betreffenden Fuses
an allen Chips des Wafers durch Laserstrahl geschossen.
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Bekanntlich werden die einzelnen
Chips nach vollendetem Wafertest abgeschnitten und in Gehäusen verkapselt.
Es folgen dann üblicherweise noch
die Einzelprüfungen,
bevor die Chips mit den Spezifikationen, die unter anderem auch
den Toleranzbereich für
die externe Versorgungsspannung VDD nennen, an die Kunden ausgeliefert
werden. Bezüglich
der externen Versorgungsspannung von DRAM-Chips werden jedoch die
Kundenwünsche
immer differenzierter. Für
den Einbau der Chips in netzbetriebene Geräte werden meist höhere Versorgungsspannungen
gewünscht
oder toleriert als für den
Einbau in Mobilgeräte
wie Notebooks oder Funktelefone, die mit Batterien oder Akkus betrieben
werden, denn dort gilt es insbesondere, den Ener gieverbrauch durch
möglichst
niedrige Versorgungsspannung zu senken. Die Anpassung der Spezifikation
an verschiedene Kundenwünsche
erfordert aber eine Umrüstung
der oben beschriebenen Front-End-Trimmung am Wafer und lohnt sich
wirtschaftlich nur für relativ
große
Stückzahlen
(ein Wafer umfasst viele hundert Chips). Des weiteren ergibt sich
durch die Anpassung zwangsläufig
auch eine Lieferverzögerung,
denn ab der Trimmung dauert es meist Wochen, bis die einzelnen Chips
in verkapselter Form für
die Abschlussprüfung
und die anschließende Auslieferung
vorliegen. Aus diesen Gründen
ist der Chip-Hersteller nur begrenzt flexibel, um differenzierte
Kundenwünsche
hinsichtlich der externen Versorgungsspannung kostengünstig und
schnell zu befriedigen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, die Flexibilität
bei der Bereitstellung von DRAM-Speicherschaltungen hinsichtlich
der Anpassung an eine gewünschte
externe Versorgungsspannung zu erhöhen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die im Patentanspruch 1 beschriebene Ausgestaltung einer DRAM-Speicherschaltung
und durch das im Patentanspruch 15 angegebene Justierverfahren gelöst.
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Demnach wird die Erfindung realisiert
an einer integrierten DRAM-Speicherschaltung, die folgendes enthält: eine
Vielzahl von Speicherzellen und eine Zugriff-Steuereinrichtung zum
selektiven Ansteuern der Speicherzellen, um Daten in die angesteuerten
Zellen zu schreiben und gespeicherte Daten an den angesteuerten
Zellen zu lesen; eine Refresh-Einrichtung, die einen Refresh-Oszillator
aufweist und in Ansprache auf periodisch wiederkehrende, von der
Schwingfrequenz des Refresh-Oszillators
abgeleitete Refreshbefehle die Zugriff-Steuereinrichtung veranlasst,
den Inhalt jeder Speicherzelle in regelmäßigen Zeitabständen durch
Lesen des gespeicherten Datums und Wiedereinschreiben dieses Datums
aufzufrischen, wobei die Schwingfrequenz des Refresh-Oszillators
auf einem durch die Speichertechnologie diktierten Sollwert gehalten
sein muss; eine Trimmeinrichtung zum Justieren der Schwingfrequenz
des Refresh-Oszillators auf den diktierten Sollwert durch selektive
Beaufschlagung von Fuse-Elementen in einem die Schwingfrequenz bestimmenden
Netzwerk. Die Erfindung besteht darin, dass die Trimmeinrichtung
eine elektrische programmierbare Trimmschaltung aufweist, in welcher die
Fuse-Elemente des frequenzbestimmenden Netzwerkes selektiv durch
Anlegen einer Überspannung
bleibend überführbar sind
aus einem ungesetzten Zustand vorbestimmter erster Impedanz in einen gesetzten
Zustand vorbestimmter zweiter Impedanz, und dass eine Fuse-Selektionseinrichtung
vorgesehen ist zum Verbinden einer die Überspannung liefernden Quelle
mit einer durch eine Stellinformation bestimmten Auswahl der Fuse-Elemente.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung einer DRAM-Speicherschaltung
erweitert die Möglichkeiten
für den
Zeitpunkt der Anpassung an die jeweils gewünschte externe Versorgungsspannung.
Die bisher ausschließlich
verwendeten laserprogrammierbaren Fuse-Elemente, kurz als "Laser-Fuses" bezeichnet,
können
nur geschossen werden, wenn die Oberfläche des Chip offenliegt und
der Chip mikrometergenau in einer zugehörigen Aufspannvorrichtung positioniert
ist. Dies ist praktisch nur im Front-End zu realisieren, also am Wafer, für den hochgenaue
Aufspannvorichtungen ohnehin existieren. Elektrisch setzbare Fuse-Elemente,
kurz als "elektrische Fuses" bezeichnet, sind hingegen über elektrische
Leitungen programmierbar, die nicht nur im Front-End sondern auch
später
noch zugänglich sein
können,
sogar an den fertig verkapselten Chips. Elektrische Fuses sind an
sich bekannt aus der Technik programmierbarer Festwertspeicher (PROMs), ihre
Verwendung zur Trimmung in DRAM-Speicherschaltungen ist bisher nicht
nahegelegt worden.
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Mit einer erfindungsgemäß ausgestatteten Speicherschaltung
ist der Hersteller also flexibel nicht nur in seiner Entscheidung,
ob und welchem Maß er
die Frequenz des Refresh-Oszillators
justieren soll, sondern auch in seiner Entscheidung, wann dies erfolgen
soll, d.h. an welchem Punkt der Fertigunglinie. Hierzu den spätestmöglichen
Punkt zu nehmen, also beim Vorliegen des verkapselten Chips, hat
den Vorteil, dass sich Kundenwünsche schnell
befriedigen lassen. Somit eröffnet
eine erfindungsgemäße Ausbildung
einer DRAM-Speicherschaltung die Möglichkeit eines neuen vorteilhaften Justierverfahrens,
welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektrischen Fuses
erst dann gesetzt werden, wenn der die DRAM-Speicherschaltung enthaltende
Chip verkapselt ist.
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Ein Chip, der mit der erfindungsgemäßen Trimmschaltung
elektrisch justierbar ist, aber noch nicht justiert ist, kann ein
marktfähiger
Gegenstand sein. Der Hersteller eines derart justierbaren Chips könnte einem
Kunden nämlich
erlauben, die Justierung am verkapselten gelieferten Chip selbst
vorzunehmen und diesen somit flexibel in seinen Verwendungsmöglichkeiten
für den
erworbenen Chip zu machen. Andererseits kann sich der Hersteller
vorbehalten, die Justierung vor Auslieferung des Chips an einen
Kunden vorzunehmen. Ein derart kundenspezifisch fertiggestellter
Chip hat somit den Vorteil wirtschaftlicher Herstellbarkeit insbesondere
bei kleineren Stückzahlen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der
Erfindung enthält
die Speicherschaltung zusätzlich
eine weitere Trimmschaltung, in welcher die Frequenz des Refresh-Oszillators
ebenfalls durch Setzen von Fuse-Elementen justiert werden kann.
Diese weitere Trimmschaltung braucht nicht am verkapselten Chip einstellbar
zu sein, sondern kann wie die herkömmlichen Trimmschaltung Laser-Fuses
enthalten, um eine Justierung wie bisher schon am Front-End vorzunehmen.
Dies eröffnet
die Möglichkeit,
am Front-End eine Anpassung der Oszillatorfrequenz an eine "Standard"-Versorgungsspannung
vorzunehmen, die für
relativ große
Stückzahlen
gefordert sein mag. Aus den entsprechend getrimmten "Standard"-Chips,
die auf Vorrat hergestellt und gekapselt werden können, lässt sich
dann eine womöglich
eng begrenzte Anzahl von Einzelstücken an spezielle Kundenwünsche anpassen,
indem eine entsprechende Justierung an der anderen Trimmschaltung mit
ihren elektrischen Fuses vorgenommen wird.
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Einzelheiten dieser und anderer besonderer Ausgestaltungen
einer erfindungsgemäßen DRAM-Speicherschaltung
sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Zur näheren
Erläuterung
der Erfindung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
in einer Blockdarstellung den Aufbau einer DRAM-Speicherschaltung
mit einer erfindungsgemäßen Anordnung
zur Justierung der Schwingfrequenz des Refresh-Oszillators;
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2 zeigt
nähere
Einzelheiten der Anordnung zur Justierung der Schwingfrequenz des
Refresh-Oszillators.
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Die in 1 innerhalb
eines gestrichelten Rahmens fragmentarisch dargestellte DRAM-Speicherschaltung 10,
bei der es sich beispielsweise um ein S-DRAM handelt, ist auf einem
einzigen Halbleiterchip integriert und hat äußere Anschlüsse 11 bis 15 für Datenbits,
Adressenbits und externe Steuersignale und einen äußeren Anschluss 16 zum
Anlegen einer externen Versorgungsspannung VDD. Die matrixförmig in
einzelnen Zellenfeldern 21 angeordneten Speicherzellen
(nicht einzeln dargestellt) sind selektiv über eine Zugriff-Steuereinrichtung 22 zugänglich,
um Daten über
den Datenanschluss 11 einzuschreiben oder auszulesen, wobei
die jeweilige Zellenauswahl abhängig
von Adressenbits erfolgt, die am Adressenanschluss 12 angelegt
werden. Die Zugriff-Steuereinrichtung 22 enthält Decoder
zur Decodierung der Adressenbits und ein schaltbares Netz von Datenwegen,
um die Verbindungen zwischen den jeweils ausgewählten Speicherzellen und dem Datenanschluss 11 herzustellen.
Dies erfolgt in der wohlbekannten Weise zeitgesteuert unter dem
Einfluss von Steuersignalen, die im Falle eines S-DRAMs von einem
Befehlsdecoder 23 geliefert werden, der ein äußeres Taktsignal
CLK an einem äußeren Taktanschluss 13 und
Kommandobits CMB an einem äußeren Kommandoanschluss 14 empfängt.
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Zum periodischen Auffrischen der
Inhalte der Speicherzellen ist eine Refresh-Einrichtung 24 vorgesehen,
die einen Refresh-Oszillator 25 und eine Refresh-Steuereinrichtung 28 enthält, um die
Zugriffsteuereinrichtung 22 zu veranlassen, den Inhalt
jeder Speicherzelle in regelmäßigen Zeitabständen aufzufrischen,
wie an sich bekannt. Diese Zeitabstände sollten in engen Grenzen
konstant gehalten werden; sie dürfen
die Mindest-Retentionszeit der Speicherzellen, die durch die verwendete
Speichertechnologie bestimmt ist, auf keinen Fall überschreiten.
Das Zeitnormal für
die besagten Zeitabstände
wird abgeleitet aus der Schwingfrequenz des Refresh-Oszillators 25,
die also ebenfalls innerhalb enger Grenzen auf einem Sollwert gehalten
werden muss.
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Die Versorgungsspannung V25 des Oszillators 25 wird
ebenso wie verschiedene andere interne Versorgungsspannungen der
Speicherschaltung 10 aus einer Versorgungseinheit 17 abgeleitet,
die ihrerseits von der externen Versorgungsspannung VDD gespeist
wird. Wenn die internen Versorgungsspannungen aus den weiter oben
beschriebenen Gründen ungeregelt
sind, was hier vorausgesetzt wird, ändern sie sich mit der externen
Spannung VDD, was demnach auch Einfluss auf die Frequenz des Oszillators 25 hat.
Um also die Speicherschaltung 10 an irgendeine speziell
gewählte
externe Versorgungsspannung anpassen zu können, muss eine Trimmeinrichtung
vorgesehen sein, um die Oszillatorfrequenz zu justieren durch Manipulation
am frequenzbestimmenden Netzwerk des Oszillators. Es hängt natürlich von
der Bauart des Oszillators ab, welche elektrische Betriebsgrößen oder
Schaltungsparameter für
eine geeignete Manipulation in Frage kommen.
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Es sei hier der Beispielsfall betrachtet,
dass der Refresh-Oszillator 25 eine
rückgekoppelte
Kette 26 aus einer ungeraden Anzahl von Invertern enthält, wie
an sich bekannt und in digitalen integrierten Schaltungen allgemein üblich und
wie es im Detailschaltbild des Oszillators 25 nach 2 gezeigt ist. Die einzelnen
Inverter der Kette 26 werden von der internen Oszillator-Versorgungsspannung
V25 gespeist; die entsprechenden Versorgungsanschlüsse an den
einzelnen Invertern sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Die Schwingfrequenz wird bestimmt durch die Gesamtlaufzeit
entlang der Kette 26, sie hängt also ab von der Summe der
Gatterlaufzeiten in den Invertern, die ihrerseits stark von der
Versorgungsspannung V25 abhängen. Die
Gesamtlaufzeit der Kette 26 lässt sich z.B. dadurch justieren,
dass man zusätzliche
verzögernde Elemente
an der Kette 26 selektiv wirksam oder unwirksam macht.
Das Ausgangssignal FR des Oszillators 25 wird an irgendeinem
beliebigen Knoten der Inverterkette 26 abgeleitet.
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In der 2 sind
diese verzögernden
Elemente dargestellt als vier parallele Kondensatoren CO bis C3
innerhalb eines Kapazitätsnetzwerkes 27, das
zwischen irgendeinem beliebigen Knoten der Inverterkette 26 und
Massepotential liegt. Die vier Kondensatoren C[0:3] können durch
Leitendmachung zugeordneter Transistorschalter S[0:3] selektiv in
den Stromkreis geschaltet werden, um die wirksame Gesamtkapazität und somit
das Maß der
Verzögerungswirkung
des Kapazitätsnetzwerkes 27 einzustellen und
dadurch die Oszillatorfrequenz zu justieren. Die Transistorschalter
S[0:3] sind als MOS-Feldeffekttransistoren mit n-leitendem Kanal
(N-FETs) dargestellt, d.h. sie sind nur dann leitend, wenn an der Gate-Elektrode
positives Potential ("hohes" oder "1"-Potential) gegenüber Masse
("niedriges" oder "0"-Potential) anliegt. Vorzugsweise sind die
Kapazitätswerte
der vier Kondensatoren C[0:3] nach dem Dualzahlensystem abgestuft,
so dass das Bündel
der vier Gate-Zuleitungen
der Transistorschalter S[0:3] durch ein 4-Bit-Stellsignal in Parallelform angesteuert werden
kann, um zwischen 24 = 16 verschiedenen Gesamtkapazitäten und
somit 16 verschiedenen Frequenz-Einstellungen auszuwählen.
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Die vier Gate-Zuleitungen der Transistorschalter
S[0:3], also die Stelleingänge
des Oszillators 25, sind über eine Umschalteinrichtung,
als Multiplexer 80 dargestellt, wahlweise mit vier Ausgängen einer
ersten Trimmschaltung 30 oder mit vier Ausgängen einer
zweiten Trimmschaltung 40 verbindbar. Jede Trimmschaltung 30, 40 enthält vier
Fuse-Schaltungen 30 [0:3] bzw. 40 [0:3]. Das Steuersignal
für den
Multiplexer 80 wird von einer gesonderten Fuse-Schaltung 90 geliefert.
Die Fuse-Schaltungen 30 [0:3] und 90 enthalten
jeweils ein elektrisch setzbares Fuse-Element EF und sind gleichartig
ausgebildet, so dass es genügt,
nur die Fuse-Schaltung 30 [0] zu beschreiben: Das elektrisch
setzbare Fuse-Element EF ist im nichtgesetzten Zustand hochohmig
und wird in einen bleibend niederohmigen Zustand gesetzt durch einmaliges
Anlegen einer Überspannung,
die einen bestimmten Wert übersteigen
muss, um das Element "durchzubrennen". Ein Ende des Fuse-Elementes
EF ist mit dem 0-Potential (Masse) verbunden, und sein anderes Ende
ist über
den Kanal eines P-FET (MOS-Feldeffekttransistor mit p-Kanal) P4
mit einer Potentialquelle für
die besagte Überspannung (Brennspannung)
VBR verbunden. Zum Setzen des Fuse-Elementes EF wird ein Impuls SET mit
0-Potential an das Gate von P4 gelegt, so dass dieser Transistor
vorübergehend
leitet und das Fuse-Element EF in einen niederohmigen Permanentzustand
stand geht.
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Das masse-ferne Ende des Fuse-Elementes ist
ferner über
den Kanal eines N-FET (MOS-Feldeffekttransistor mit n-Kanal) N1
und dann den Kanal eines P-FET P1 mit dem 1-Potential (VDD+) verbunden.
Der Knoten K zwischen N1 und P1 ist über zwei hintereinander geschaltete
Inverter, jeweils enthaltend einen N-FET N2 bzw. N3 und einen P-FET P2 bzw.
P3 mit dem Ausgang verbunden, der zum Multiplexer 80 führt. Der
Ausgang ist zudem auf den Knoten K rückgekoppelt, so dass die beiden
Inverter als Verriegelungsschaltung (Latch) wirken.
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Zum Auslesen der Fuse-Schaltung wird
zunächst
ein Vorladesignal PRC (preload) mit 0-Potential an das Gate von
P1 gelegt, wodurch P1 relativ niederohmig und der Knoten auf 1- Potential vorgeladen
wird. Das Vorladesignal PRC wird wieder auf 1-Potential gebracht,
und dann wird ein Auswerteimpuls EVL (evaluate) mit 1-Potential
an das Gate von N1 gelegt, so dass dieser Transistor niederohmig
und wird und als N-FET eine weit niedrigere Impedanz darstellt als
der P-FET P1. Ist das Fuse-Element EF nicht gesetzt worden und somit
hochohmig, dann bleibt der Knoten K und somit auch der Ausgang auf dem
vorgeladenen 1-Potential, das durch die gebildete Latch verriegelt
bleibt, so dass die Steuerpotentiale von den Gates der Transistoren
weggenommen werden können.
Ist das Fuse-Element
EF gesetzt worden und somit niederohmig, dann wechselt der Knoten
K und somit auch der Ausgang auf das 0-Potential, das ebenfalls
durch die gebildete Latch verriegelt wird und somit erhalten bleibt,
auch nachdem die Steuerpotentiale von den Gates der Transistoren weggenommen
worden sind.
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Alle Fuse-Schaltungen 30 [0:3]
der Trimmschaltung 30 sind in der vorstehend beschriebenen Weise
ausgebildet, ebenso die Fuse-Schaltung 90 zur Einstellung
des Multiplexers 80. Die Fuse-Schaltungen 40 [0:3]
der anderen Trimmschaltung 40 unterscheiden sich hiervon
nur dadurch, dass der P-FET P4 fehlt und dass ihre Fuse-Elemente
LF nicht elektrisch sondern durch Laserbeschuss setzbar sind. Solche
Laser-Fuses sind leitende Brücken,
die durch Laser zerstörbar
sind; sie sind also im nicht-gesetzten Zustand niederohmig und im
gesetzten Zustand hochohmig. Jede der laserprogrammierbaren Fuse-Schaltungen 40
[0:3] liefert beim Auslesen also eine "1" an ihrem Ausgang,
wenn das betreffende Fuse-Element LF gesetzt ist, andernfalls wird
eine "0" geliefert.
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Die Auslesung aller Fuse-Schaltungen 30 [0:3], 40 [0:3]
und 90 erfolgt in der oben beschriebenen Weise durch Anlegen
des Vorladesignals PRC und des Auswertesignals EVL. Diese Signale
werden vorzugsweise bei jeder Initialisierung der Speicherschaltung 10 automatisch
an alle Fuse-Schaltungen geliefert, kurz nach dem Anlegen der Versorgungsspannung
VDD. Der hierzu dienende Signalgeber und die zugehörigen Leitungsverbindungen sind
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
in den 1 und 2 nicht dargestellt.
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Die laserprogrammierbare Trimmschaltung 40 ist
in bekannter Weise auf dem Chip integriert, um die Speicherschaltung 10 im
Front-End zusammen mit den anderen Speicherschaltungen, die auf
dem selben Wafer gebildet sind, an einen Standardwert der externen
Versorgungsspannung VDD anpassen zu können. Im Front-End sind zunächst alle
Fuse-Elemente sowohl in beiden Trimmschaltungen 30 und 40 als
auch in der Multiplexer-Einstellschaltung 90 im nicht-gesetzten
Originalzustand. Nach dem Anlegen der Versorgungsspannung VDD liefert
somit die Trimmschaltung 40 an allen vier Ausgängen eine "0",
die Trimmschaltung 30 liefert an vier Ausgängen eine
"1". Auch die Multiplexer-Einstellschaltung 90 liefert
eine "1". Hierdurch wird der Multiplexer 80 in einem Schaltzustand
gehalten, bei welchem die er vier die Ausgänge der Trimmschaltung 40 mit
den vier Stelleingängen
des Refresh-Oszillators 25 verbindet. Somit kann nur die
Trimmschaltung 40 Einfluss auf den Oszillator 27 nehmen,
die Trimmschaltung 30 bleibt ohne Einfluss. In diesem Zustand
sind also alle Stelleingänge
des Oszillators 25 auf 0-Potential, somit sind alle Transistorschalter
S [0:3] im Oszillator 25 gesperrt, und alle Kondensatoren
C [0:3] im frequenzbestimmenden Kapazitätsnetzwerk 27 des
Oszillators 25 sind unwirksam.
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Im Front-End kann nun gemäß dem Stand der
Technik, wie weiter oben beschrieben, die Standard-Trimmung vorgenommen
werden, indem zunächst
eine der Speicherschaltungen auf dem Wafer als Stellvertreter ausgewählt wird
und die Standard-Versorgungsspannung angelegt wird. Die Istfrequenz
des Refresh-Oszillators 25 wird gemessen, und anhand einer
Nachschlagetabelle wird eine Stellinformation geliefert, die angibt,
welche Fuse-Elemente LF in der Trimmschaltung 40 gesetzt
werden müssen,
um genau diejenige Kombination der Kondensatoren C[0:3] wirksam
zu schalten, die den Oszillator 25 auf die diktierte Sollfrequenz
bringt. Diese Stellinformation wird dann benutzt, um die betreffenden
Fuse-Elemente LF in allen Speicherschaltungen des Wafers durch Laserbeschuss
zu setzen.
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Die Trimmschaltung 30 und
die Multiplexer-Einstellschaltung 90, die elektrisch programmierbare
Fuse-Elemente EF enthalten, ermöglichen
eine Trimmung der Oszillatorfrequenz nach dem Zerschneiden des Wafers
an den verkapselten Speicherschaltungs-Chips, insbesondere um einzelne Chips
an speziell gewählte
Versorgungsspannungen anzupassen, die sich vom Standardwert unterscheiden.
Um diese Spezialtrimmung durchzuführen, wird die gewählte Versorgungsspannung
angelegt, und es wird das Setzsignal SET mit 0-Potential an die
Multiplexer-Einstellschaltung 90 gelegt,
um das dortige Fuse-Element EF zu setzen. Hierdurch geht das Ausgangssignal
der Schaltung 90 auf "0", so dass der Multiplexer 80 die
Stelleingänge
des Oszillators 25 von der Trimmschaltung 40 abkoppelt
und sie stattdessen mit den Ausgängen
der Trimmschaltung 40 verbindet. Da alle Fuse-Elemente
EF der Trimmschaltung 40 noch im nicht-gesetzten Originalzustand
sind (also hochohmig), sind alle Stelleingänge des Oszillators 25 auf
1-Potential, somit sind alle Transistorschalter S [0:3] im Oszillator 25 leitend,
und alle Kondensatoren C [0:3] im frequenzbestimmenden Kapazitätsnetzwerk 27 des
Oszillators 25 sind wirksam.
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Ähnlich
wie bei der beschriebenen Front-End-Trimmung wird die Istfrequenz
des Refresh-Oszillators 25 gemessen, und anhand einer Nachschlagetabelle
wird eine Stellinformation, die angibt, welche Fuse-Elemente EF
in der Trimmschaltung 30 gesetzt werden müssen, um
nur diejenige Kombination der Kondensatoren C[0:3] wirksam zu belassen,
die den Oszillator 25 auf die diktierte Sollfrequenz bringt.
Diese Stellinformation wird dann benutzt, um die betreffenden Fuse-Elemente
EF in der Trimmschaltung 30 durch Anlegen der Brennspannung
VBR zu setzen.
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Vorzugsweise ist dafür gesorgt,
dass der Trimmbetrieb am verkapselten Chip mittels der elektrische
programmierbaren Trimmschaltung 30 durchgeführt werden
kann, ohne hierfür
zusätzliche äußere Anschlüsse am Chip
zu benötigen.
Zu diesem Zweck sind gemäß der 1 auf dem Chip weitere Zusatzeinrichtungen
integriert, nämlich
eine Quelle 50 für
die Überspannung
(Brennspannung) VBR zum Setzen der Fuse-Elemente EF, ein Sollwertgeber 60 für die diktierte
Sollfrequenz des Refresh-Oszillators und eine Fuse-Selektionseinrichtung 70.
Die Überspannungsquelle 50 kann
z.B. mittels einer Ladungspumpe realisiert sein, die von der externen
Versorgungsspannung VDD gespeist wird und eine Brennspannung liefert,
die wesentlich höher
ist als VDD und zum Setzen (Durchbrennen) der elektrischen Fuses
EF ausreicht.
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Die Fuse-Selektionseinrichtung 70 ist
angeschlossen zum Empfang des Oszillator-Ausgangssignals FR und
des Frequenz-Sollwertes vom Sollwertgeber 60 und enthält Mittel
zum Messen der Istfrequenz des Oszillatorsignals FR und zum Vergleichen der
gemessenen Istfrequenz mit dem Sollwert. Sie hat vier Ausgangsleitungen,
die zu den Gates der P-FETs P4 in den vier Fuse-Schaltungen 30 [0:3]
der Trimmschaltung 30 führen
(siehe 2). Die Fuse-Selektionseinrichtung 70 enthält ferner
eine Nachschlagetabelle, die abhängig
von der Differenz zwischen Istwert und Sollwert eine Stellinformation
liefert, welche diejenigen Fuse-Elemente angibt, deren Setzen die
Schwingfrequenz des Refresh-Oszillators von dem gemessenen Istwert
auf den diktierten Sollwert bringen würde. Entsprechend dieser Information erzeugt
die Fuse-Selektionseinrichtung 70 die Setzimpulse SET mit
0-Potential auf genau denjenigen Ausgangsleitungen, die zu den betreffenden
Fuse-Schaltungen in der Trimmeinrichtung 30 führen. Hierdurch
werden genau die von der Stellinformation angegebenen Fuse-Elemente
EF mit der Überspannungsquelle 50 verbunden
und demzufolge in den niederohmigen Zustand gesetzt, was den Oszillator 25 auf
die diktierte Sollfrequenz bringt.
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Zur Initialisierung und Ablaufsteuerung
dieses Trimmbetriebs sind Steuermittel wünschenswert, die durch äußere Befehle über die üblichen
Anschlüsse
des Chip aktivierbar sind. In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist
hierzu der sogenannte Testblock 29, der in jeder integrierten DRAM-Speicherschaltung
ohnehin zu Testzwecken vorhanden ist, entsprechend ausgebildet.
Der Testblock 29 ist üblicherweise über einen
Testmodus-Anschlussstift 15 am Chip durch ein Testmodussignal TMD
einschaltbar, um die Speicherschaltung 10 in verschiedenen
programmierten Testbetriebsarten arbeiten zu lassen, die z.B. durch
extern angelegte Kommandobits CMB über den Befehlsdecoder 23 ausgewählt werden
können.
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Beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung enthält
der Testblock 29 also zusätzlich eine Trimmprogramm-Installation 29a,
die bei Aktivierung zunächst
die Überspannungsquelle 50 einschaltet,
dann den Setzbefehl SET mit dem 0-Potential an die Fuse-Schaltung 90 zur
Umschaltung des Multiplexers 80 legt und anschließend die Fuse-Selektionseinrichtung 70 zur
Einstellung der Trimmschaltung 30 einschaltet. Die Aktivierung
der Trimmprogramm-Installation 29a im Testblock 29 erfolgt über den
Befehlsdecoder 23 in Ansprache auf eine ausgewählte Bitkombination
der Kommandobits CMB.
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Die anhand der 1 und 2 beschriebene Speicherschaltung 10 ist
nur ein Ausführungsbeispiel,
auf das die Erfindung natürlich
nicht beschränkt ist.
Innerhalb des Grundgedankens der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen
und Alternativen möglich,
von denen nachstehend nur einige erwähnt seien: Die frequenzbestimmenden
Kondensatoren an der Inverterkette des Refresh-Oszillators können auch
an mehreren verschiedenen Orten zwischen den Invertern angeschlossen
sein, und ihre Anzahl sowie die Anzahl der Fuse-Elemente in jeder
Trimmschaltung kann auch größer oder
kleiner als 4 sein, um eine größere oder
weniger große
Feinheit der Justierung zu erzielen. Statt der wahlweise einschaltbaren
Kondensatoren oder zusätzlich
können
auch selektiv einschaltbare Brücken
parallel zu einzelnen Invertern vorgesehen sein, um die Anzahl der
wirk samen Inverter, die wegen ihrer Gatterlaufzeit ebenfalls frequenzbestimmend
sind, durch das selektive Setzen der Fuse-Elemente zu ändern (paarweise, zur Bewahrung
der Ungeradzahligkeit) und somit die Schwingfrequenz des Oszillators
zu justieren. Im Grunde können
Fuse-Elemente verwendet werden, um die Wirksamkeit jeder Art von
frequenzbestimmenden Schaltungsparametern an einem Refresh-Oszillator
beliebiger Bauart zu beeinflussen und somit die Schwingfrequenz
zu justieren. Hierzu zählt
auch die Möglichkeit
einer Beeinflussung der wirksamen Oszillator-Versorgungsspannung,
etwa über
einen mittels der Fuse-Schaltungen veränderbaren Spannungsteiler.
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Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel sind
die Laser-Fuses FL im nicht-gesetzten Originalzustand niederohmig
und im gesetzten Zustand hochohmig, während für die elektrischen Fuses FE das
Gegensinnige gilt. Für
die elektrisch programmierbare Trimmschaltung können aber elektrische Fuses
verwendet werden, die im Originalzustand niederohmig sind durch
die Überspannung
zerstörbar sind.
In diesem Fall wirkt das Setzen der Fuse-Elemente in beiden Trimmschaltungen
"gleichsinnig" auf die Oszillatorfrequenz, was den Vorteil hat,
dass in beiden Fällen
die gleiche Nachschlagetabelle beim Justieren benutzt werden kann.
Eine solche "Gleichsinnigkeit" lässt
sich im Bedarfsfall aber auch bei gegensinniger Eigenschaft der
Fuses FL und FE erzielen, und zwar einfach dadurch, dass man für eine Invertierung
der Ausgänge
einer der beiden Trimmschaltungen sorgt.
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Wenn die erfindungsgemäße elektrisch
programmierbare Trimmschaltung vorgesehen ist, hat die zusätzliche
Möglichkeit
einer Trimmung am Wafer zwar gewisse Vorteile, ist aber nicht in
jedem Fall unbedingt notwendig. Will man auf die Möglichkeit
einer Lasertrimmung am Wafer verzichten, können die Trimmschaltung 40 und
der Multiplexer 80 mitsamt seiner Einstellschaltung 90 weggelassen
werden. In diesem Fall ist eine feste direkte Verbindung zwischen
den Ausgängen
der elek trisch programmierbaren Trimmschaltung 30 und den
Stelleingängen
des Refresh-Oszillators 25 vorzusehen.
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- 10
- DRAM-Speicherschaltung
(Chip)
- 11
- Datenanschlüsse
- 12
- Adressenanschlüsse
- 13
- Taktanschluß
- 14
- Kommandoanschlüsse
- 15
- Testmodus-Anschluß
- 16
- Versorgungsanschluß
- 17
- Versorgungsschaltung
- 21
- Speicherzellen-Felder
- 22
- Zugriffsteuereinrichtung
- 23
- Befehlsdecoder
- 24
- Refresheinrichtung
- 25
- Refresh-Oszillator
- 26
- Inverterkette
- 27
- Kapazitätsnetzwerk
- 28
- Refresh-Steuereinrichtung
- 29
- Testblock
- 29a
- Trimmprogramm-Installation
- 30
- Trimmschaltung
mit elektrischen Fuses
- 40
- Trimmschaltung
mit Laser-Fuses
- 50
- Überspannungsquelle
- 60
- Frequenzsollwertgeber
- 70
- Fuse-Selektionseinrichtung
- 80
- Multiplexer
- 90
- Multiplexer-Steuereinrichtung