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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung, insbesondere
einen integrierten Speicher, mit einer Selbstreparaturschaltung
zur Durchführung
eines Selbsttestund Selbstreparaturbetriebs zur Funktionsüberprüfung und
Reparatur von defekten Schaltungsteilen der integrierten Schaltung.
Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zum Betrieb einer solchen
integrierten Schaltung.
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Integrierte
Schaltungen, insbesondere integrierte Speicher beispielsweise in
Form von DRAMs (Dynamic Random Access Memory) werden im Herstellungsprozeß im allgemeinen
umfangreichen Funktionstests unterzogen. Unter anderem dienen diese
Funktionstests dazu, fehlerhafte Schaltungsteile wie fehlerhafte
Speicherzellen, fehlerhafte Bitleitungen oder fehlerhafte Wortleitungen
zu identifizieren. Mit zunehmender Speichergröße nehmen dabei die Kosten
von Funktionstests einen immer größeren Anteil an den gesamten
Produktionskosten eines Speichers ein. Um die Testkosten zu senken,
werden daher zunehmend spezielle Techniken eingesetzt, beispielsweise
in Form zusätzlicher
Testlogik, welche beispielsweise als sogenannte BIST-Einheit (Built-In Self-Test)
ausgeführt
ist.
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Integrierte
Speicher weisen im allgemeinen zur Reparatur fehlerhafter Speicherzellen
redundante Speicherzellen auf, die meist zu redundanten Wortleitungen
oder redundanten Bitleitungen zusammengefaßt sind, die reguläre Leitungen
mit defekten Speicherzellen adressenmäßig ersetzen können. Dadurch
ist es möglich,
integrierte Speicher, insbesondere in Form von DRAMs, bei den heute
erreichten Integrationsdichten noch wirtschaftlich herzustellen.
Ein Speicher wird beispielsweise mit einer externen Prüfeinrichtung
geprüft
und anschließend
anhand einer sogenannten Redundanzanalyse eine Programmierung von
redundanten Elementen vorgenommen. Dabei werden die Adressen jener
getesteter Speicherzellen, welche als fehlerhaft detektiert wurden,
in einem Fehleradreßspeicher
gespeichert, um in einem anschließenden Schritt anhand der gespeicherten
Adressen diese Speicherzellen durch fehlerfreie redundante Speicherzellen
zu ersetzen. Alternativ kann ein solcher Speichertest von einer Selbstreparaturschaltung
(BIST-Einheit) des
Speichers zur Durchführung
eines Selbsttest- und Selbstreparaturbetriebs zur Funktionsüberprüfung und
Reparatur von defekten Speicherzellen des Speichers in analoger
Weise durchgeführt
werden.
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Wenngleich
auf Wafer- und Komponenten-Ebene üblicherweise intensiv getestet,
repariert und selektiert wird, kommt es immer wieder vor, daß nach dem
Aufbringen, insbesondere Auflöten
von getesteten integrierten Speichern auf ein Modulsubstrat Speicherzellen
ausfallen, beispielsweise aufgrund der thermischen Belastung im
Lötschritt.
Dies kann kostspielige nachträgliche
Reparaturen verursachen oder sogar den Gesamtverlust des Moduls
bedeuten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte
Schaltung, insbesondere einen integrierten Speicher, anzugeben,
durch die es ermöglicht
ist, zuverlässige
Funktionstests und eine Reparatur der integrierten Schaltung auch
zu späteren
Zeitpunkten kostengünstig
durchzuführen.
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Des
weiteren sollen Verfahren zum Betrieb einer solchen integrierten
Schaltung angegeben werden, die effektive Test- und Reparaturmöglichkeiten eröffnen.
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Die
integrierte Schaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung, insbesondere in Form eines integrierten Speichers, weist
neben einer Selbstreparaturschaltung zur Durchführung eines Selbsttest- und Selbstreparaturbetriebs
zur Funktionsüberprüfung und
Reparatur von defekten Schaltungsteilen der integrierten Schaltung
eine Kontrollschaltung zur Feststellung eines Betriebszustandes
der integrierten Schaltung auf. Diese Kontrollschaltung ist derart
ausgebildet, daß nach
dem Anlegen einer Versorgungsspannung an die integrierte Schaltung
ein Betriebszustand der integrierten Schaltung durch die Kontrollschaltung
festgestellt wird. In Abhängigkeit
davon wird die Selbstreparaturschaltung durch die Kontrollschaltung
in selbststeuernder Weise aktiviert, um die integrierte Schaltung
in einen Selbstreparaturmodus zur Durchführung eines Selbsttest- und
Selbstreparaturbetriebs zu versetzen.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen integrierten
Schaltung ist dabei, daß die
integrierte Schaltung auch nach Auflöten auf ein Modulsubstrat auf
ihre Funktionsfähigkeit
hin getestet und unter Umständen repariert
werden kann, um diejenigen Schaltungsteile durch fehlerfreie Schaltungsteile
zu ersetzen, die aufgrund der thermischen Belastung im Lötschritt
ausgefallen sind. Weiterhin ist von großem Vorteil, daß eine Modulanordnung
auch über
längere
Zeit unter gleichen Umgebungsbedingungen wie in der Applikation
getestet werden kann. Mit der Erfindung ist es also vorteilhaft
ermöglicht,
eine integrierte Schaltung, die bereits in ein größeres Schaltungssystem
integriert ist, nochmals auf Funktionsfähigkeit zu testen und gegebenenfalls
zu reparieren, ohne weitere Lötschritte
unternehmen zu müssen.
Da außerdem
weitere Signale zur Durchführung
eines Funktionstests nicht erforderlich sind und nur die Versorgungsspannung
an die integrierte Schaltung angelegt werden muß, läßt sich die erfindungsgemäße integrierte Schaltung
durch hohe erzielbare Parallelität
sehr kostengünstig
auf Funktionsfähigkeit
hin testen und reparieren. Da nur das Anlegen der Versorgungsspannung
erforderlich ist, kann außerdem
ein vergleichsweise einfacher Temperaturofen, mit dem die Umgebungstemperatur
variiert werden kann, verwendet werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird durch die Kontrollschaltung festgestellt,
wenn innerhalb einer bestimmten Zeitspanne, beispielsweise innerhalb
der Zeit spanne von 500 μs
oder 1 s nach dem Anlegen der Versorgungsspannung kein Befehl von
der integrierten Schaltung empfangen wird. In diesem Fall wird durch
die Kontrollschaltung die Selbstreparaturschaltung aktiviert, das
heißt
die integrierte Schaltung versetzt sich automatisch in den Selbstreparaturmodus.
Wird die integrierte Schaltung in den Selbstreparaturmodus versetzt,
wird ein Selbsttest- und Selbstreparaturbetrieb der integrierten
Schaltung durchgeführt,
wobei hier Test- und Reparaturverfahren zur Anwendung kommen können, die
auf heutigen Bausteinen, beispielsweise in Form von BIST-Einheiten,
schon vorhanden sind.
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Um
sicherzustellen, daß dieser
Selbstreparaturmodus nur einmal aktiviert wird, um beispielsweise
eine versehentliche Aktivierung beim Einsatz in der Applikation
zu vermeiden, weist die integrierte Schaltung eine Speicherschaltung
auf, die von der Kontrollschaltung bei durchzuführendem Selbstreparaturmodus
mit einem Wert gesetzt wird. Beispielweise ist die Speicherschaltung
als elektrische Fuse ausgeführt,
die bei durchzuführendem
Selbstreparaturmodus programmiert wird, beispielsweise durchtrennt
wird. Die Speicherschaltung wird durch die Kontrollschaltung ausgewertet,
wobei bei gesetzter Speicherschaltung die Selbstreparaturschaltung
in jedem Falle nicht aktiviert wird.
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Um
die integrierte Schaltung unter gleichen Bedingungen wie in der
Applikation zu testen, wird nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betrieb der integrierten Schaltung diese als Baustein auf ein
Modulsubstrat aufgebracht, insbesondere aufgelötet. Diese dadurch gebildete
Modulanordnung wird mit einer Spannungsversorgung zur Bereitstellung der
Versorgungsspannung für
die integrierte Schaltung verbunden und die integrierte Schaltung
in den Selbstreparaturmodus versetzt.
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In
einem weiteren vorteilhaften Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen integrierten Schaltung
wird diese einzeln oder als Teil eines Moduls innerhalb einer Umgebung
mit einer definierten Umgebungstemperatur platziert. Die integrierte Schaltung
wird mit einer Spannungsversorgung zur Bereitstellung der Versorgungsspannung
verbunden, während
des Selbstreparaturmodus wird dabei die Umgebungstemperatur auf
einen definierten Wert eingestellt. Hierbei ist es von besonderem
Vorteil, die Umgebungstemperatur während des Selbstreparaturmodus
kontinuierlich zu für
die Schaltung kritischen Werten hin zu variieren (kritische Werte
bedeutet in diesem Fall, daß bei
diesen Werten die Funktionsfähigkeit
der Schaltung zunehmend gefährdet
ist), insbesondere zu erhöhen
oder auch zu erniedrigen, wobei der Selbstreparaturmodus erst dann beendet
wird, wenn keine Reparaturmöglichkeiten der
integrierten Schaltung mehr vorhanden sind. Dadurch ist es vorteilhaft
ermöglicht,
unter der Annahme, daß die
Fehlerhäufigkeit
mit steigender Temperatur zunimmt, die Reparaturfähigkeit
der integrierten Schaltung völlig
auszuschöpfen.
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Weitere
vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Figuren, die Ausführungsbeispiele
zur vorliegenden Erfindung darstellen, näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen integrierten
Speichers,
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2 eine Ausführungsform
einer Modulanordnung mit mehreren erfindungsgemäßen integrierten Speichern
gemäß 1,
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3 ein Flußdiagramm
zur Durchführung eines
Funktionstests und eines Reparaturbetriebs eines integrierten Speichers
gemäß der Erfindung.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer integrierter
Speicher 1 gezeigt, der ein Speicherzellenfeld 2 aufweist,
in dem Spei cherzellen MC in Kreuzungspunkten von Wortleitungen WL
und Bitleitungen BL angeordnet sind. Die Speicherzellen MC weisen
dabei in bekannter Weise einen Auswahltransistor und einen Speicherkondensator
auf, die in 1 vorliegend
aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellt sind. Ein Steueranschluß des jeweiligen Auswahltransistors
ist dabei mit einer der Wortleitungen WL verbunden, der jeweilige
Speicherkondensator wird über
die gesteuerte Strecke des zugehörigen
Auswahltransistors mit einer der Bitleitungen BL verbunden. Der
Speicher 1 gemäß 1 ist beispielsweise als
DRAM ausgeführt,
bei dem die Speicherzellen MC in einem Refresh-Betrieb mit einer
bestimmten Refresh-Frequenz einer Auffrischung ihres Speicherzelleninhalts
unterzogen werden. Hierbei ist für
die Funktionsfähigkeit
des Speichers maßgebend,
daß die
Datenerhaltungszeit (Retention Time) der Speicherzellen zur Speicherung
von jeweiligen Datensignalen mit der Refresh-Frequenz korreliert. Das bedeutet, daß für einwandfreie
Funktionsfähigkeit
der Speicherzellen deren Datenerhaltungszeit im allgemeinen die
Dauer einer Refresh-Periode nicht unterschreiten darf.
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Zur
Durchführung
eines Selbsttest- und Selbstreparaturbetriebs hinsichtlich der Datenerhaltungszeit
der Speicherzellen MC weist der Speicher 1 eine Selbstreparaturschaltung 3 auf,
die insbesondere als BIST-Einheit ausgeführt ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Kontrollschaltung 4 vorgesehen,
um einen Betriebszustand des integrierten Speichers 1 festzustellen.
Insbesondere wird durch die Kontrollschaltung 4 festgestellt,
wenn innerhalb einer bestimmten Zeitspanne, beispielsweise innerhalb 500 μs oder 1
s, nach dem Anlegen der Versorgungsspannung VDD an den Speicher 1 kein
Befehl CMD von dem Speicher 1 empfangen wird. Dieser Betriebszustand
wird durch die Kontrollschaltung 4 nach dem Anlegen der
Versorgungsspannung VDD an den Speicher 1 festgestellt,
und in Abhängigkeit davon
wird die Selbstreparaturschaltung 3 durch die Kontrollschaltung 4 in
selbststeuernder Weise aktiviert. Damit wird der Speicher 1 in
einen Selbstreparaturmodus zur Durchführung eines Selbsttest- und Selbstreparaturbetriebs
versetzt, um eine Funktionsüberprüfung und
Reparatur von defekten Speicherzellen durchzuführen. Insbesondere wird für den oben
beschriebenen Fall, daß innerhalb
einer bestimmten Zeitspanne nach dem Anlegen der Versorgungsspannung
VDD kein Befehl CMD von dem Speicher 1 empfangen wird,
die Selbstreparaturschaltung 3 durch die Kontrollschaltung 4 aktiviert.
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Der
Speicher 1 weist weiterhin eine Speicherschaltung 5 auf,
die beispielsweise mindestens eine elektrisch programmierbare Fuse
aufweist. Die Speicherschaltung 5 wird von der Kontrollschaltung 4 bei
durchzuführendem
Selbstreparaturmodus mit einem Wert gesetzt, insbesondere wird die
elektrisch programmierbare Fuse durchtrennt. Damit kann sichergestellt
werden, daß der
Selbstreparaturmodus nur einmal aktiviert wird, so daß versehentliche
Aktivierung des Selbstreparaturmodus in der Applikation verhindert
werden kann. Dazu wird die Speicherschaltung 5 zunächst durch
die Kontrollschaltung 4 nach dem Anlegen der Versorgungsspannung
VDD ausgewertet, wobei die Selbstreparaturschaltung 3 bei
bereits zuvor gesetzter Speicherschaltung 5 von der Kontrollschaltung 4 in
jedem Fall nicht aktiviert wird.
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In 2 ist eine schematische
Darstellung einer Ausführungsform
einer Modulanordnung mit mehreren erfindungsgemäßen integrierten Speichern
gemäß 1 gezeigt. Mehrere gleichartige Speicher 1-1 bis 1-n,
die nach dem Prinzip des Speichers 1 gemäß 1 aufgebaut sind, sind als
jeweiliger Speicherbaustein auf das Modulsubstrat 6 aufgebracht,
insbesondere aufgelötet.
Zum Betrieb der somit gebildeten Modulanordnung 7 wird
durch eine Spannungsversorgung 9 eine Versorgungsspannung VDD
für die
Modulanordnung 7 bereitgestellt, wobei nach dem Verstreichen
einer bestimmten Zeitspanne nach dem Anlegen der Versorgungsspannung
VDD die Speicher 1-1 bis 1-n in den Selbstreparaturmodus versetzt
werden, wenn innerhalb dieser Zeitspanne kein Befehl von dem jeweiligen
Speicher empfangen wird. Damit ist es vorteilhaft ermöglicht,
die Modulanordnung 7 auch über längere Zeit unter gleichen Bedingungen
wie in der Applikation zu testen und zu reparieren, wobei die Speicher
auf der Modulanordnung belassen werden können. Weiterhin ist es ermöglicht,
durch hohe Parallelität
beim Test von mehreren Speichermodulanordnungen die Testkosten zu senken,
da für
den Test nur die Versorgungsspannung VDD angelegt werden muß.
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Ein
solcher Test kann auch in Kombination mit einem einfachen Temperaturofen
stattfinden, wobei die Speichermodulanordnung innerhalb einer Umgebung 8 mit
einer definierten Umgebungstemperatur T platziert wird. Hierbei
ist es vorteilhaft, die Umgebungstemperatur T über einen längeren Zeitraum hinweg während des
Selbstreparaturmodus kontinuierlich ansteigen zu lassen, wobei der
Selbstreparaturmodus erst dann beendet wird, wenn keine Reparaturmöglichkeiten
der integrierten Speicher mehr vorhanden sind. Dadurch läßt sich
die Reparaturfähigkeit
eines einzelnen Speichers völlig
ausschöpfen unter
der Annahme, daß die
Datenerhaltungszeit der einzelnen Speicherzellen mit steigender
Umgebungstemperatur abnimmt und somit die bezüglich Datenerhaltungszeit schwächeren Speicherzellen über den
Temperaturbereich hinweg kontinuierlich detektiert und repariert
werden.
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In 3 ist ein Flußdiagramm
zur Durchführung
eines beispielhaften Funktionstests und Reparaturbetriebs eines
Speichers gemäß der Erfindung dargestellt.
Der Speicher wird zu Beginn mit einer Spannungsversorgung zur Bereitstellung
der Versorgungsspannung VDD verbunden. Sobald die Versorgungsspannung
VDD angelegt wird, werden alle internen Spannungen des Speichers
auf den Zielwert eingestellt und der Chip in den Bereitschaftszustand versetzt,
insbesondere wenn alle Daten- und Befehlsregister und dergleichen
initialisiert sind. Anschließend
wird von der Kontrollschaltung 4 festgestellt, ob ein Befehl
von dem Speicher empfangen wird bzw. ob die programmierbare Fuse
der Speicherschaltung 5 sich im gesetz ten Zustand befindet. Für den Fall,
daß einer
dieser Betriebszustände
eintritt, wird der Normalbetrieb ausgeführt.
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Für den Fall,
daß nach
definierter Zeitspanne, beispielsweise nach der Zeitspanne von 500 μs oder bis
1 s nach dem Anlegen der Versorgungsspannung VDD kein Befehl vom
Speicher empfangen wird, wird die Selbstreparaturschaltung 3 durch die
Kontrollschaltung 4 in selbststeuernder Weise aktiviert.
Dadurch wird ein automatischer Start der Selbstreparatur ausgeführt. Um
sicherzustellen, daß dieser
Modus nur einmal aktiviert wird, wird nachfolgend die elektrisch
programmierbare Fuse in der Speicherschaltung 5 programmiert.
Damit wird festgelegt, daß nur
ein einmaliger Reparaturmodus erlaubt ist.
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Mit
Hilfe eines internen On-Chip-Oszillators werden auf dem Speicher
vorgesehene Schreibdaten-Register mit definierten Datentopologien
beschrieben, welche beispielsweise nach Durchlaufen eines sogenannten
Scramblers in das Speicherzellenfeld 2 eingeschrieben werden.
Beispielsweise werden die Speicherzellen mit datenerhaltungszeit-kritischen
physikalischen Einsen beschrieben. Anschließend wird der Speicher, beispielsweise
für eine
Minute, mit Hilfe eines internen Refresh-Timers in den sogenannten
Self-Time-Refresh-Modus (STR-Modus)
versetzt, in dem die in den Speicherzellen gespeicherten Datensignale
mit einer voreingestellten Refresh-Frequenz aufgefrischt werden. Nachfolgend
wird der Speicher ausgewertet, wobei die eingeschriebenen Datensignale über einen
sogenannten De-Scrambler auf dem Speicher vorgesehenen Lesedaten-Registern zugeführt werden.
Nachfolgend wird ausgewertet, welche der Speicherzellen die Vorgaben
hinsichtlich Datenerhaltungszeit nicht erfüllt haben, wozu ein Solldatenvergleich
durchgeführt
wird. Die Adressen der fehlerhaften Speicherzellen (Fehleradressen)
werden in einem Fehleradreßspeicher
gespeichert, der als Ausgangsbasis dazu dient, eine anschließende Reparatur
durchzuführen.
Hierbei werden fehlerbehaftete Speicherzellen durch fehlerfreie
redundante Speicherzellen ersetzt.
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Dieser
Testzyklus vom Schreiben von Datensignalen in das Speicherzellenfeld
bis zur Reparatur von fehlerhaften Speicherzellen wird in einer
Endlosschleife so lange ausgeführt,
bis ein sogenannter Interrupt-Befehl zur Unterbrechung dieses Ablaufs empfangen
wird oder eine Abschaltung des Speichers erfolgt. Die einzelnen
Schritte vom Schreiben von Testdaten bis zur Reparatur der Speicherzellen werden
mit Hilfe eines auf dem Speicher vorgesehenen Kommando-Sequenzers
durchgeführt.
Die zeitlichen Abläufe
bezüglich
des Autostarts der Selbstreparatur und des STR-Modus werden von
einer Zeitsteuerung überwacht
bzw. gesteuert.
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- 1
- integrierter
Speicher
- 1-1
bis 1-n
- integrierte
Speicher
- 2
- Speicherzellenfeld
- 3
- Selbstreparaturschaltung
- 4
- Kontrollschaltung
- 5
- Speicherschaltung
- 6
- Modulsubstrat
- 7
- Modulanordnung
- 8
- Umgebung
- 9
- Spannungsversorgung
- MC
- Speicherzellen
- BL
- Bitleitungen
- WL
- Wortleitungen
- VDD
- Versorgungsspannung
- CMD
- Befehl
- T
- Temperatur