Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung eines inte
grierten Halbleiterspeichers zur Reparatur von defekten Spei
cherzellen.
Integrierte Halbleiterspeicher weisen im allgemeinen zur Re
paratur fehlerhafter Speicherzellen redundante Wortleitungen
oder redundante Bitleitungen auf, die reguläre Leitungen mit
defekten Speicherzellen adressenmäßig ersetzen können. Dabei
wird der integrierte Speicher beispielsweise mit einer exter
nen Prüfeinrichtung oder einer Selbsttesteinrichtung geprüft
und anschließend eine Programmierung der redundanten Elemente
vorgenommen. Eine Redundanzschaltung weist dann programmier
bare Elemente z. B. in Form von Laser-Fuses oder elektrisch
programmierbaren Fuses auf, die zum Speichern der Adresse ei
ner zu ersetzenden Leitung dienen. Die Laser-Fuses und die
elektrisch programmierbaren Fuses sind elektrische Verbin
dungselemente, die beispielsweise im Laufe des Herstellungs
prozesses des Speichers mittels eines Laserstrahls bzw. einer
sogenannten Brennspannung in ihrem Leitungswiderstand verän
derbar sind.
Die Programmierung der Laser-Fuses erfolgt üblicherweise mit
tels einer externen Programmiervorrichtung, die einen Laser
strahl generiert und auf die betreffende integrierte Schal
tung richtet. Dies setzt allerdings voraus, daß der Halblei
terbaustein mit der integrierten Schaltung noch nicht in ein
Gehäuse verpackt ist. Zur Programmierung von elektrisch pro
grammierbaren Fuses wird von einer entsprechenden externen
Programmiervorrichtung, die sich in aller Regel von der oben
genannten unterscheidet, an der Schaltung eine Brennspannung
mit einem hohen Potentialpegel angelegt. Der Programiervor
gang erfolgt dann z. B. mittels eines hohen Stromes, der zu
einer dauerhaften Veränderung des Leiterbahnwiderstands der
Fuse führt, beispielsweise indem er die entsprechende Fuse
zum Schmelzen bringt.
Eine Funktionsüberprüfung eines Halbleiterspeichers mit einer
anschließenden Reparatur erfolgt üblicherweise in mehreren
Schritten: In einer ersten Prüfanordnung werden Funktions
tests an einem ungehäusten Halbleiterbaustein vorgenommen
(Wafer-Level-Test) und festgestellte Defekte mittels einer
Programmierung der Laser-Fuses repariert. In einer weiteren
Prüfanordnung werden Funktionstests an dem gehäusten Halblei
terbaustein vorgenommen (Bausteintest). Diese dienen zur Er
fassung von Defekten, die mittels der Tests an dem ungehäu
sten Halbleiterbaustein nicht festgestellt werden konnten.
Derartige Defekte können jedoch, im Gegensatz zu Defekten,
die in einem Wafer-Level-Test festgestellt werden, nicht mit
tels Laser-Fuses repariert werden, auch wenn eine hinreichen
de Anzahl ungenutzter redundanter Elemente auf dem Halblei
terbaustein vorhanden ist.
Eine Reparatur an dem gehäusten Halbleiterbaustein kann in
der entsprechenden Prüfanordnung über eine Programmierung von
elektrischen Fuses erfolgen, da diese auch nach dem Einbau
des Halbleiterbausteins in ein Gehäuse über elektrische Kon
taktierung programmierbar sind. Elektrisch programmierbare
Fuses weisen jedoch im Vergleich zu Laser-Fuses den Nachteil
eines deutlich höheren Platzbedarfs auf dem Halbleiterbau
stein auf, der insbesondere bedingt ist durch eine relativ
aufwendige Ansteuerungsschaltung. Die Folge ist ein erhebli
cher Flächenmehrbedarf von Redundanzschaltungen mit rein
elektrisch programmierbaren Fuse-Bänken. Da bisherige Redun
danzschaltungen mit Laser-Fuse-Bänken im allgemeinen in das
Layoutraster eines Speicherzellenfeldes eines Halbleiterspei
chers eingepaßt sind, wäre bei einer Redundanzschaltung mit
rein elektrisch programmierbaren Fuse-Bänken an Stelle von
Laser-Fuse-Bänken eine Layoutänderung im Designprozeß die
Folge.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schal
tungsanordnung eines integrierten Halbleiterspeichers zur Re
paratur von defekten Speicherzellen anzugeben, mit der eine
Reparatur an dem ungehäusten und an dem gehäusten Halbleiter
speicher durchführbar ist, und die einen insgesamt möglichst
geringen Flächenbedarf der vorzusehenden Redundanzschaltungen
ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen integrierten Halbleiter
speicher nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteil
hafte Aus- und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger An
sprüche.
Der integrierte Halbleiterspeicher weist Speicherzellen auf,
die zu einzeln adressierbaren normalen Einheiten und redun
danten Einheiten zum Ersetzen von normalen Einheiten zusam
mengefaßt sind. Eine nicht flüchtige erste Speichereinheit
dient zum Speichern einer von außerhalb der integrierten
Schaltung, dessen Bestandteil der integrierte Halbleiterspei
cher ist, mittels eines dort erzeugten Energiestrahls zuge
führten Adresse einer zu ersetzenden normalen Einheit. Eine
nicht flüchtige zweite Speichereinheit dient zum Speichern
einer über elektrische Kontaktierung der integrierten Schal
tung zuführbaren Adresse. Die erste und die zweite Spei
chereinheit sind mit einer Auswahlschaltung zur Auswahl einer
der redundanten Einheiten verbunden zum Übertragen der in der
ersten bzw. der in der zweiten Speichereinheit gespeicherten
Adresse in die Auswahlschaltung.
Die erste Speichereinheit umfaßt beispielsweise eine Laser-
Fuse-Bank oder eine Fuse-Bank mit vergleichbaren kompakten
programmierbaren Elementen, die mittels eines von extern zu
geführten Energiestrahls auftrennbar sind. Hierzu zählen z. B.
auch mechanisch auftrennbare Fuses. Die zweite Speicherein
heit umfaßt beispielsweise eine Fuse-Bank mit elektrisch pro
grammierbaren Fuses. Die Auswahlschaltung kann mittels eines
Adreßdekoders realisiert sein, der bei einem Speicherzugriff
die Adresse der fehlerhaften normalen Einheit durch die
Adresse der zugeordneten fehlerfreien redundanten Einheit er
setzt.
Die Erfindung eignet sich für beliebige Speicher, bei denen
eine Reparatur von defekten Einheiten durch redundante Ein
heiten erfolgt. Bei den normalen Einheiten handelt es sich
beispielsweise um reguläre Wort- oder Bitleitungen, bei den
redundanten Einheiten um redundante Wort- oder Bitleitungen.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, statt einzelner Wort-
oder Bitleitungen größere Einheiten von Speicherzellen, bei
spielsweise einzelne Speicherzellenblöcke, durch entsprechen
de redundante Einheiten zu ersetzen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sieht also eine Aus
wahlschaltung vor, die sowohl durch die erste Speichereinheit
als auch durch die zweite Speichereinheit mit Daten beschrie
ben werden kann. Eine Reparaturinformation für das zugehörige
redundante Element kann demzufolge entweder aus einer Laser-
Fuse-Bank oder aus einer elektrisch programmierbaren Fuse-
Bank eingelesen werden. Dazu sind zunächst weitere Komponen
ten für die betreffende Redundanzschaltung nötig. Um den Flä
chenbedarf für alle vorzusehenden Redundanzschaltungen insge
samt möglichst gering zu halten, ist es zweckmäßig, nur für
einen hinreichend kleinen Teil der redundanten Elemente neben
einer Laser-Fuse-Bank eine zusätzliche elektrisch program
mierbare Fuse-Bank vorzusehen.
Es entfällt zum einen die Notwendigkeit, dedizierte redundan
te Einheiten für eine Reparatur nach dem Verpacken in ein Ge
häuse bereitzustellen. Die vorhandene Redundanz ist für eine
Reparatur an dem ungehäusten Baustein vollständig nutzbar, da
alle Redundanzschaltungen eine Laser-Fuse-Bank aufweisen. Ei
ne an einen Wafer-Level-Test anschließende Redundanzanalyse
wird dadurch vereinfacht, da die gesamte auf dem Halbleiter
baustein vorhandene Redundanz in eine Reparaturstrategie ein
bezogen werden kann. Zum anderen wird der erhebliche Flächen
mehrbedarf von Reparaturlösungen mit rein elektrisch program
mierbaren Fuse-Bänken vermieden. Die vorzusehenden elektrisch
programmierbaren Fuse-Bänke, die wie beschrieben in ihrer An
zahl begrenzt sind, können vorteilhafterweise in einem Be
reich untergebracht werden, in welchem das Layout der Schal
tung nicht durch Leitungsabstände im Speicherzellenfeld be
stimmt ist. Derartige Bereiche befinden sich beispielsweise
unter Leitungsbussen der integrierten Schaltung. Die Unter
bringung erfolgt in diesem Fall flächenneutral. Eine Layout
änderung des Speicherzellenfeldes ist nicht erforderlich.
In einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Spei
chereinheit über eine flüchtige dritte Speichereinheit mit
der Auswahlschaltung verbunden. Eine flüchtige Speicherein
heit, wie beispielsweise ein Adreßregister oder Adreß-Latch,
läßt sich problemlos z. B. durch eine Selbsttesteinheit mit
Informationen beschreiben, da hierfür keine über die normalen
Signalpegel des Speichers hinausgehende Spannungen oder große
Ströme notwendig sind. Die flüchtige Speichereinheit beinhal
tet flüchtige Speicherelemente, welche beim Abschalten der
Spannungsversorgung die gespeicherte Information verlieren.
Das Vorsehen der vorgenannten nicht flüchtigen Speicherein
heiten hat den Zweck, daß in diesem Fall der Selbsttest des
Speichers nicht jedesmal wiederholt werden muß, wenn die
flüchtige Speichereinheit die in ihr gespeicherte Adresse
verloren hat. Bei Vorsehen nur einer flüchtigen Speicherein
heit müßte ansonsten, beispielsweise bei jeder Initialisie
rung des Speichers mittels eines Selbsttests, die Adresse der
zu ersetzenden normalen Einheiten wieder neu ermittelt wer
den. Die Adresse wird folglich permanent in einer nicht
flüchtigen Speichereinheit gespeichert. Anschließend muß zur
Wiederherstellung des Speicherinhalts der flüchtigen Spei
chereinheit, beispielsweise bei jeder auf das Anlegen der
Versorgungsspannung folgenden Initialisierung des Speichers,
die in einer nicht flüchtigen Speichereinheit gespeicherte
Adresse in die flüchtige Speichereinheit übertragen werden.
Bei dieser Schaltungsanordnung kann die bereits existierende
flüchtige dritte Speichereinheit sowohl von der ersten als
auch von der zweiten Speichereinheit genutzt werden, wodurch
der Flächenaufwand gering gehalten wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Schaltungsanordnung
sind die erste Speichereinheit und die zweite Speichereinheit
in Serie zueinander geschaltet, so daß die in der zweiten
Speichereinheit gespeicherte Adresse über die erste Spei
chereinheit in die Auswahlschaltung übertragen wird. Voraus
setzung hierfür ist, daß die Speicherelemente der ersten
Speichereinheit noch nicht programmiert sind, d. h. daß das
der betreffenden Fuse-Bank zugehörige redundante Element noch
nicht zur Reparatur eines Defektes verwendet wurde. Die Spei
cherelemente der ersten Speichereinheit stellen in diesem
Fall in ihrem nicht programmierten Zustand eine niederohmige
Verbindung dar, so daß die Information durch diese Spei
cherelemente hindurch übertragen wird.
Die Übertragung der in der zweiten Speichereinheit gespei
cherten Adresse, die sich aus mehreren Adreßbits zusammen
setzt, kann seriell erfolgen oder parallel über eine entspre
chende Anzahl von Ausgängen der zweiten Speichereinheit. In
diesen Fällen folgt die Entscheidung einer Kosten-/Nutzen
abwägung. Im ersteren Fall entsteht aufgrund einer minimalen
Anzahl an benötigten Leitungen ein entsprechend geringer Flä
chenaufwand, allerdings mit der Folge von langen Übertra
gungszeiten. Im letzteren Fall erhält man relativ kurze Über
tragungszeiten, jedoch ist eine entsprechend höhere Anzahl
von Verbindungsleitungen notwendig. Es sind jedoch auch Zwi
schenlösungen möglich, beispielsweise die parallele Übertra
gung von jeweils einer Teilmenge von Adreßbits der auszule
senden Adresse.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung
dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Reparatur von defekten
Speicherzellen mit einer flüchtigen und einer nicht
flüchtigen Speichereinheit,
Fig. 2 eine detailliertere Darstellung der Schaltungsan
ordnung der Fig. 1,
Fig. 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schal
tungsanordnung.
Fig. 1 ist ein matrixförmig organisiertes Speicherzellenfeld
beispielsweise eines DRAM zu entnehmen, das reguläre Wortlei
tungen WL und Bitleitungen BL aufweist, in deren Kreuzungs
punkten Speicherzellen MC angeordnet sind. Zum besseren Ver
ständnis wird die Erfindung nur bezüglich einer einzigen red-
undanten Wortleitung RWL erläutert, so daß nur eine der regu
lären Wortleitungen WL repariert werden kann. In der Praxis
weist ein integrierter Speicher in der Regel mehrere redun
dante Wortleitungen oder allgemein redundante Einheiten zum
Ersatz von normalen Einheiten auf mit einer entsprechenden
Anzahl von Redundanzschaltungen.
Fig. 1 zeigt ferner eine Schaltungsanordnung, in der eine
Adresse einer defekten normalen Einheit, im oberen Beispiel
einer Wortleitung WL, in den Speicherelementen 3 der flüchti
gen Speichereinheit 30 gespeichert wird. Die Adresse umfaßt
in diesem Beispiel vier Adreßbits, die jeweils einem der
Speicherelemente 3 zugeordnet sind. Diese Adresse wird einer
Auswahlschaltung DEC zugeführt, die bei einem Speicherzugriff
die Adresse der fehlerhaften Einheit WL durch die Adresse der
fehlerfreien redundanten Einheit, im oberen Beispiel der red-
undanten Wortleitung RWL, ersetzt. Weiterhin wird die Adresse
in der Speichereinheit 10 permanent gespeichert und bei
spielsweise nach einer Initialisierung des Halbleiterspei
chers über die Schaltmittel T in die Speichereinheit 30 über
tragen. Die Speichereinheit 10 umfaßt nicht flüchtige Spei
cherelemente 1, die durch einen Energiestrahl programmierbare
Elemente aufweisen, hier in Form von Laser-Fuses. Diese sind
einerseits mit den Schaltmitteln T und andererseits mit einer
Leitung 50 verbunden, die an einem Potential V2, beispiels
weise einem Bezugspotential der integrierten Schaltung, an
liegt. Die nicht flüchtigen Speicherelemente 1 sind im nicht
programmierten Zustand niederohmig und im programmierten Zu
stand hochohmig.
In Fig. 2 ist ein nicht flüchtiges Speicherelement 1 in Form
einer Laser-Fuse F und ein flüchtiges Speicherelement 3, auch
als Fuse-Latch bezeichnet, in Form einer Halteschaltung be
stehend aus zwei antiparallelen Invertern I dargestellt. Mit
Hilfe des Signals auf der Leitung 80 wird über das Schaltele
ment TT das Fuse-Latch 3 zunächst mit einem Wert "log. 1",
der beispielsweise dem Wert eines internen Versorgungspoten
tials V1 entspricht, vorbelegt. Durch eine anschließende An
steuerung des Transistors T mit dem Signal auf der Leitung 70
wird das Fuse-Latch 3 abhängig vom Zustand der Fuse F auf den
Wert "log. 0", der beispielsweise dem Potential V2 ent
spricht, zurückgesetzt, oder es wird im Zustand "log. 1" be
lassen.
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, die neben der Spei
chereinheit 10 eine weitere nicht flüchtige Speichereinheit
20 vorsieht zum Speichern einer Adresse einer zu ersetzenden
normalen Einheit WL. Die Speichereinheit 20 umfaßt nicht
flüchtige Speicherelemente 2, die durch elektrische Kontak
tierung programmierbare Elemente aufweisen, hier in Form von
elektrisch programmierbaren Fuses. Die Ausgänge A2 der Spei
chereinheit 20 sind über die Leitungen 60 und 61 mit einer
Steuerschaltung 40 verbunden. Diese ist über die Leitungen 51
und 52 an den Eingängen E1 der Speichereinheit 10 angeschlos
sen. Die Ausgänge A1 der Speichereinheit 10 sind jeweils über
Schaltmittel T an den Eingängen E3 der Speichereinheit 30 an
geschlossen. Die Ausgänge A3 der Speichereinheit 30 sind mit
Eingängen ED der Auswahlschaltung DEC verbunden.
Im folgenden wird die Funktionsweise der dargestellten Schal
tungsanordnung näher erläutert:
Die Funktionseinheit 90 bestimmt mit ihrem Zustand, ob sich
die Schaltungsanordnung wie die in Fig. 1 dargestellte
Schaltungsanordnung zur Reparatur von defekten Speicherzellen
verhält. In diesem Fall werden die Signale auf den Leitungen
70 und 71 von der Steuerschaltung 40 gemeinsam und identisch
angesteuert. Weiterhin bewirkt die Steuerschaltung 40, daß
die Signalpegel auf den Leitungen 51 und 52 den Wert "log. 0"
annehmen, hier den Wert des Potentials V2. Die Schaltung ver
hält sich dementsprechend wie die in Fig. 1 dargestellte
Schaltung, in der die in den Speicherelementen 1 programmier
te Information parallel in die Speicherelemente 3 der Spei
chereinheit 30 übernommen werden.
Nimmt die Funktionseinheit 90 einen entsprechenden anderen
Zustand ein, wird diejenige Adresse einer zu ersetzenden nor
malen Einheit WL in die Speichereinheit 30 eingeschrieben,
die in der Speichereinheit 20 abgelegt ist. Voraussetzung
hierfür ist, daß die Speicherelemente 1 der Speichereinheit
10 niederohmig, d. h. nicht programmiert sind. Die Übertra
gung der in der Speichereinheit 20 gespeicherten Information
erfolgt in diesem Beispiel parallel in Teilen zu jeweils 2
Bit. Die Daten werden von der Speichereinheit 20 über die
Steuerschaltung 40 auf die Leitungen 51 und 52 geführt. Dabei
ist es zweckmäßig, zur Verstärkung der Signale zwei lokale
Verstärker V vorzusehen. Dies hat zur Folge, daß die Leitun
gen 51 und 52 relativ schwach ausgelegt werden können, auch
wenn mehrere Speicherelemente 1 gleichzeitig zu schalten
sind. Zur Übertragung der in der Speichereinheit 20 gespei
cherten Information in die Speichereinheit 30 werden die
schaltbaren Elemente T von der Steuerschaltung 40 über die
Leitungen 70 und 71 entsprechend angesteuert. Weiterhin kann
eine Schaltung 100 vorgesehen werden, die beispielsweise in
Form eines Taktgebers oder einer Synchronisationsschaltung
den beschriebenen Ablauf der Informationsübertragung zeitlich
koordiniert.
In dem Schaltungskonzept nach Fig. 3 wird die in Fig. 1 be
reits vorgesehene Speichereinheit 30 zur Zwischenspeicherung
der Information aus der Speichereinheit 20 genutzt. Eine In
formationsübertragung kann über relativ lange Leitungen 60,
61, 51 und 52 erfolgen. So kann die Speichereinheit 20 derart
in einem Bereich der integrierten Schaltung untergebracht
werden, daß keine Layoutänderung der Schaltung notwendig und
der Flächenaufwand insgesamt möglichst gering ist.