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Dokumentenidentifikation DE69122065T2 23.01.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0491490
Titel Programmierbare integrierte Schaltung
Anmelder AT & T Corp., New York, N.Y., US
Erfinder Smith, Bill Wiley, Emmaus, Pennsylvania 18049, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69122065
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 02.12.1991
EP-Aktenzeichen 913111951
EP-Offenlegungsdatum 24.06.1992
EP date of grant 11.09.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.01.1997
IPC-Hauptklasse G11C 17/18

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft programmierbare integrierte Schaltungen und das zur Programmierung der Schaltung benutzte Verfahren.

Stand der Technik

Obwohl die meisten integrierten Schaltungen heute Universalschaltungen wie beispielsweise Speicher, Prozessoren usw. sind, werden häufig für bestimmte Anwendungen integrierte Spezialschaltungen benötigt. Zur Herstellung derartiger Schaltungen sind mehrere Verfahren entwickelt worden. In einem Verfahren wird eine vollständige Menge von Masken für die zur Herstellung der Schaltung notwendige lithografische Strukturierung hergestellt, das heißt es folgt den für die Universalschaltungen benutzten Verfahren. Dieses Verfahren wird dazu benutzt, gewöhnlich als anwendungsspezifische integrierte Schaltungen bezeichnete Schaltungen herzustellen. Diese Schaltungen werden üblicherweise mit dem Kürzel ASIC (Application Specific Integrated Circuits) bezeichnet. Solche Schaltungen lassen sich vorteilhafterweise in vielen verschiedenen Anwendungen einsetzen.

Während ASIC für viele Anwendungen vollkommen ausreichen, erfordert ihre Herstellung die Fertigung eines vollständigen Maskensatzes, die häufig mit bedeutendem Kostenaufwand verbunden ist. Zusätzlich kann der Herstellungsvorgang sehr zeitaufwendig sein. Bei der Herstellung einer großen Anzahl von integrierten Schaltungen sind diese Faktoren häufig nicht von Bedeutung. Für Schaltungen, die in relativ geringen Anzahlen hergestellt werden oder die schnell hergestellt werden müssen, sind jedoch andere Verfahren wünschenswert, die entweder billiger oder schneller als das für ASIC beschriebene Verfahren sind. Bei einem solchen Verfahren werden als feldprogrammierbare Schaltungen bezeichnete Schaltungen hergestellt. Solche Schaltungen können entweder logische Anordnungen oder Gate-Arrays sein und werden häufig mit den Kürzeln FPLA (Field Programmable Logic Array) bzw. FPGA (Field Programmable Gate Array) bezeichnet. In IEEE 1988 Custom Integrated Circuits Conference, Mai 1988, Rochester NY USA, Seiten 15.4.1-15.4.4 von EL. Gamal et al.,"An architecture for electrically configurable gate arrays" (Eine Architektur für elektrisch konfigurierbare Gate-Arrays) wird ein Gate-Array offenbart, das als programmierbare Verbindungselemente zwischen verschiedenen Logikmodulen Antischmelzsicherungen benutzt.

Diese Schaltungen werden für ihre bestimmten Verwendungen durch gezieltes Schließen von elektrischen Wegen in der Schaltung, d.h. durch Programmierung der Schaltung, nach Kundenwunsch ausgelegt. Das zum Schließen der elektrischen Schaltung benutzte Element wird als Antischmelzsicherung bezeichnet und ist ein Element, das bei Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung von einem AUS-Zustand mit hohem Widerstand zu einem EIN- Zustand mit niedrigem Widerstand wechselt. In der gewöhnlichen Schaltung befinden sich die Antischmelzsicherungen direkt in der Speicher- oder Logikschaltung. Das heißt die Antischmelzsicherung kann das Speicherelement darstellen oder kann zur gezielten Verbindung von verschiedenen Bauelementen benutzt werden. Dieses Verfahren zur Programmierung der Schaltung ist einfach und unkompliziert. Zusätzlich zu der einzigen Antischmelzsicherung sind für jedes Bit Programmierschaltungen einschließlich von zwei Hochspannungstransistoren erforderlich. Hochspannung bedeutet in diesem Zusammenhang eine Spannung, die bedeutend höher als die gewöhnlich in integrierten Schaltungen benutzten 5 Volt ist.

Das direkte Einschließen der Antischmelzsicherung in der Logik- oder Speicherschaltung nach der Beschreibung ist jedoch mit Nachteilen behaftet. Beispielsweise ist für die beiden für jedes Bit benötigten Hochspannungstransistoren eine bedeutende Chipfläche erforderlich. Zusätzlich ist der Widerstand der Antischmelzsicherung beim EIN-Zustand ein kritischer Schaltungsparameter und kann entweder zu hoch sein oder ist nicht leicht regelbar.

Beschreibung der Erfindung

Eine programmierbare integrierte Schaltung mit ersten und zweiten Mehrzahlen von Transistoren jeweils mit Gatter-, Source- und Drain-Elektroden und einer Mehrzahl von programmierbaren Schaltungen; dadurch gekennzeichnet, daß die besagte programmierbare integrierte Schaltung weiterhin Spalten- und Zeilen-Adreßansteuerungsschalter aufweist; wobei die besagten Gatter der besagten ersten und besagten zweiten Mehrzahlen von Transistoren mit den besagten Spalten- bzw. Zeilen- Adreßansteuerungsschaltern verbunden sind; wobei jede programmierbare Schaltung mit den Source-/Drain-Elektroden eines Transistors der besagten ersten Mehrzahl und eines Transistors der besagten zweiten Mehrzahl verbunden ist; und daß jede programmierbare Schaltung einen Transistor mit Gatter-, Source- und Drain-Elektroden und erste und zweite in Reihe geschaltete programmierbare Elemente umfaßt; wobei die besagte Gatter-Elektrode des besagten Transistors der besagten programmierbaren Schaltung mit der gemeinsamen Verbindung der besagten ersten und zweiten programmierbaren Elemente verbunden ist und die besagten Source- und Drain-Elektroden des besagten Transistors der besagten programmierbaren Schaltung mit dem Logikweg der besagten programmierbaren integrierten Schaltung verbunden sind. Die ersten und zweiten programmierbaren Elemente sind mit den Source/Drain-Elektroden von Transistoren der besagten ersten bzw. zweiten Mehrzahlen verbunden. Die Logikwege durchlaufen die programmierbaren Elemente. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die programmierbaren Elemente Antischmelzsicherungen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Schaltung weiterhin einen zwischen Gatter und Drain des besagten Transistors geschalteten Widerstand.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

FIG. 1 ist eine schematische Darstellung einer feldprogrammierbaren Schaltung nach der vorliegenden Erfindung;

FIG. 2 ist eine schematische Darstellung der Antischmelzsicherungs-Programmierschaltung für eine integrierte Schaltung nach der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung

FIG. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer programmierbaren Matrix nach der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind eine erste Mehrzahl von Transistoren 101, 102, 103,..., 10n und eine zweite Mehrzahl von Transistoren 201, 202,..., 20n. Jeder Transistor weist Gatter-, Source- und Drain-Elektroden auf. Die ersten und zweiten Mehrzahlen werden zur Ansteuerung der Spalten und Zeilen benutzt; d.h. die Gatter der ersten und zweiten Mehrzahlen sind mit Spalten- bzw. Zeilenadreßschaltern verbunden. Für jedes Bit gibt es eine programmierbare Schaltung 301, die ausführlich anhand der FIG. 2 beschrieben werden wird. Durch die programmierbaren Schaltungen 301 laufen Logikwege 302. Jede programmierbare Schaltung stellt ein Bit dar und jede Schaltung ist mit der Source-/Drain-Elektrode sowohl eines Zeilen- als auch eines Spalten-Transistors verbunden.

FIG. 2 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform einer programmierbaren Schaltung nach der vorliegenden Erfindung für eine Einzelbitstelle. Zusätzlich zu den anhand der FIG. 1 beschriebenen Elemente zählen zu den dargestellten Elementen die Elemente der Schaltung 301. Die Elemente der gezeigten Schaltung enthalten eine Reihenschaltung des ersten programmier baren Elements 3 und zweiten programmierbaren Elements 5, die eine gemeinsame Verbindung aufweisen und mit den Source-/Drain-Elektroden von Transistoren der ersten bzw. zweiten Mehrzahlen verbunden sind. In der gezeigten Ausführungsform umfassen die programmierbaren Elemente Antischmelzsicherungen. Transistor 1 der ersten Mehrzahl ist mit seiner Drain/Source entweder mit Vpp oder Vss verbunden und Transistor 7 der zweiten Mehrzahl ist mit seiner Source/Drain mit Erde verbunden. Die Gatter-Elektroden der Transistoren der ersten und zweiten Mehrzahlen sind mit Vss verbunden, wenn keine Programmierung durchgeführt wird. Auch enthält die Schaltung einen dritten Transistor 9 und der Logikweg läuft durch diesen Transistor, dessen Gate-Elektrode mit der gemeinsamen Verbindung der ersten und zweiten Antischmelzsicherungen 3 und 5 verbunden ist. Mit der Gatter- und der Drain-Elektrode des dritten Transistors ist ein Lastwiderstand 11 verbunden. Der dritte Transistor, dessen Source- und Drain- Elektroden mit dem Logikweg verbunden sind, ist das einzige auf dem Logikweg dargestellte Element.

Programmierung der Antischmelzsicherung ist leicht durchzuführen. Die Source des ersten Transistors wird mit der Programmierspannung Vpp verbunden. Diese beträgt typischerweise zwischen 10 und 20 Volt, obwohl der genaue Wert von der Antischmelzsicherungsstruktur abhängig sein wird. Das gewünschte Bit wird durch Ansteuern der Adressen sowohl der gewünschten Zeile als auch der gewünschten Spalte ausgewählt, d.h. die Zeilenadreßansteuerung und die Spaltenadreßansteuerung werden mit einer positiven Spannung Vss verbunden. Dadurch wird eine Spannung an die Gatter der ersten und zweiten Transistoren angelegt, wodurch sie EIN-geschaltet werden, d.h. an den Elementen der Reihenschaltung wird eine Spannung aufgebaut und beide Antischmelzsicherungen sind programmiert. Die Antischmelzsicherungen werden Widerstände aufweisen, die nach der Programmierung typischerweise im Bereich von Tausenden von Ohm liegen.

Die Gatter der Transistoren der ersten und zweiten Mehrzahlen und auch die Source des ersten Transistors sind nunmehr direkt mit Vss verbunden. Diese Transistoren sind jetzt EIN-geschaltet und die ersten und zweiten Antischmelzsicherungen fungieren als Spannungsteiler und legen eine Spannung an das Gatter des dritten Transistors an, die ihn EIN-schaltet. Wenn die Antischmelzsicherungen nicht programmiert worden sind, wird durch den Lastwiderstand eine erdnahe Spannung an das Gatter des dritten Transistors angelegt. Dies ist wünschenswert, da dadurch die Möglichkeit eines EIN-Schaltens des dritten Transistors durch Rauschen reduziert wird. Der Wert des Lastwiderstandes wird so ausgewählt, daß damit der Stromverbrauch des programmierten Bits reduziert wird.

Die Einzelheiten der Antischmelzsicherungen brauchen nicht beschrieben werden, da sie dem Fachmann gut bekannt sind. Beispielsweise kann in den Antischmelzsicherungen amorphes Silizium mit hohem spezifischen Widerstand neben einer Schicht von z.B. Ti:W oder Schichten von Ti:W und Ti benutzt werden. Wenn eine Spannung hoch genug ist, wird dadurch die Antischmelzsicherung leitend. Es wird theoretisiert, daß Silizidgebiete gebildet werden. Die Antischmelzsicherungen und die dargestellten und beschriebenen Schaltungen werden leicht vom Fachmann hergestellt.

Die gezeigte Schaltung weist gegenüber der oben in Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen Schaltung mehrere Vorteile auf. Das Konzept der vorliegenden Erfindung benutzt die Antischmelzsicherungen zur Herstellung einer Spannung am Gatter des dritten Transistors mit sehr hohem Widerstand. Dadurch wird der Stromverbrauch verringert. Dementsprechend ist nur ein relativ niedriger Strom zur Programmierung der Bit erforderlich. Die zur Programmierung benotigte hohe Spannung wird nur vom ersten Transistor gesehen, während der zweite Transistor eine normale Durchbruchsspannung aufweist. Die für den zweiten Transistor benötigte Chipfläche wird verringert, da ein hoher Widerstand typischerweise mit einer großen Fläche erreicht wird. Wie vom Fachmann leicht ersichtlich wird eine noch bedeutendere Verringerung der Chipfläche erreicht, da die Programmiertransistoren, d.h. die ersten und zweiten Transistoren, nur für jede Zeile und für jede Spalte und nicht für jedes Bit benötigt werden.

Es werden veränderungen der beschriebenen Ausführungsform in Betracht gezogen. Beispielsweise könnten die programmierbaren Elemente Schmelzsicherungen umfassen.


Anspruch[de]

1. Programmierbare integrierte Schaltung mit ersten (101, 102, 103, 10n) und zweiten (201, 202, 20n) Mehrzahlen von Transistoren jeweils mit Gatter-, Source- und Drain-Elektroden und einer Mehrzahl von programmierbaren Schaltungen (301); dadurch gekennzeichnet, daß die besagte programmierbare integrierte Schaltung weiterhin Spalten-(CAS) und Zeilen-(RAS) Adreßansteuerungsschalter aufweist, wobei die besagten Gatter der besagten ersten (101, 102, 103, 10n) und besagten zweiten (201, 202, 20n) Mehrzahlen von Transistoren mit den besagten Spalten- (CAS) bzw. Zeilen-(RAS) Adreßansteuerungsschaltern verbunden sind, wobei jede programmierbare Schaltung (301) mit den Source-/Drainelektroden eines Transistors der besagten ersten Mehrzahl (101, 102, 103, 10n) und eines Transistors der besagten zweiten Mehrzahl (201, 202, 20n) verbunden ist; und daß jede programmierbare Schaltung einen Transistor (9) mit Gatter-, Source- und Drainelektroden und erste und zweite in Reihe geschaltete programmierbare Elemente (3, 5) umfaßt, wobei die besagte Gatterelektrode des besagten Transistors der besagten programmierbaren Schaltung (301) mit der gemeinsamen Verbindung der besagten ersten und zweiten programmierbaren Elemente (3, 5) verbunden ist und die besagten Source- und Drainelektroden des besagten Transistors der besagten programmierbaren Schaltung (301) mit dem Logikweg (302) der besagten programmierbaren integrierten Schaltung verbunden sind.

2. Programmierbare integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei die besagten programmierbaren Elemente Antischmelzsicherungen umfassen.

3. Programmierbare integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2 mit einem zwischen die besagten Gatterund Drainelektroden des besagten Transistors (9) in jeder der besagten programmierbaren Schaltungen geschalteten Widerstand (11).

4. Programmierbare integrierte Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einer Mehrzahl von Logikwegen (302), die die besagten Transistoren durchlaufen und mit den besagten Source- und Drainelektroden der besagten Transistoren der besagten programmierbaren Schaltungen verbunden sind.







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