Der MH74S287 ist ein PROM von Tesla mit einer Speichertiefe von 1024Bit. Es handelt sich um einen Bipolar-Schottky-Festwertspeicher mit Tristate Ausgängen.
Das Datenblatt zeigt den grundsätzlichen Aufbau des MH74S287. Der Speicher (IV) beinhaltet 32x32 Speicherzellen. Der erste Adressdecoder (I) erzeugt aus den ersten drei Adressleitungen acht Steuersignale, die aus vier Speichergruppen jeweils eine Zeile aktivieren. Der zweite Adressdecoder (II) erzeugt aus den verbleibenden fünf Adressleitungen 32 Steuersignale, die eine der 32 Spalten aktiviert. So werden die Inhalte von vier Speicherzellen zum Ausgangsverstärker (V) übertragen. Die Ausgabe der Daten lässt sich über die Steuersignale S1 und S2 steuern.
Der IEEE-Artikel "A Reliability Assessment of Bipolar PROMs" zeigt, wie die Speicherzellen eines bipolareren PROMs grundsätzlich aufgebaut sind. An den Knotenpunkten von Zeilen und Spalten befinden sich Sicherungselemente, die beim Programmieren mit einem Stromstoß ausgelöst werden. Wird bei der hier zu sehenden Schaltung eine Zeile auf Low-Potential gelegt, so hängt es vom Zustand des Sicherungselements ab, ob das Low-Potential zum Transistor der jeweiligen Spalte übertragen wird. Der Transistor, der über sein Basispotential aktiv geschaltet ist, leitet den Zustand der aktiven Speicherzelle zum Ausgang weiter. Die Dioden sorgen dafür, dass wirklich nur die gewünschte Zelle ausgelesen wird und sich keine ungewollten Stromflüsse über andere Bereiche einstellen.
PROMs enthalten meist eine Testzeile und eine Testspalte. Das ist notwendig, da die Funktion eines PROM nach der Herstellung nicht ohne Weiteres getestet werden kann. Existiert nur eine unprogrammierte Matrix, so kann man nicht einmal die Auswahl- und Auswerteschaltung testen. Aus diesem Grund werden üblicherweise eine Testzeile und Testspalte integriert, die es ermöglichen sowohl das Schreiben als auch das Lesen zu testen, ohne den Nutzbereich des Speichers beeinflussen zu müssen.
Der obige IEEE-Artikel verschafft auch einen Überblick über die gesamte Schaltung eines PROMs. Der grundsätzliche Aufbau des dort gezeigten PROMs ist dem MH74S287 sehr ähnlich. Der MH74S287 arbeitet allerdings mit einer inversen Logik. Hier legt der Adressdecoder eine Zeile auf Masse. Der Spaltendecoder wählt aus vier 8er-Gruppen jeweils eine Spalte aus. Wird der Ausgang aktiviert, so geben die aktiven Transistoren die gespeicherten Informationen weiter.
Das Programmieren erfolgt hier, indem man an einen Enable-Pin ein hohes Potential anlegt, das über den Transistor in der Spaltenauswahl und die Konfiguration des Zeilendecoders das zugehörige Sicherungselement auslöst.
Das Die des MH74S287 ist 3,6mm x 2,6mm groß.
Die Typbezeichnung S287 ist in der oberen linken Ecke des Dies dargestellt.
In der unteren rechten Ecke ist das Logo von Tesla abgebildet. Außerdem finden sich dort die Revisionen von sieben Masken, die teilweise sehr oft überarbeitet wurden.
Etwas weiter links sind Quadrate integriert, die es ermöglichen die Ausrichtung der Masken gegeneinander zu überprüfen.
Die einzelnen Schaltungsteile sind auf dem Die gut zu erkennen. In der Mitte befindet sich der 32x32 große Speicher (rot), der an der oberen Kante zusätzlich eine Testzeile und an der rechten Kante zusätzlich eine Testspalte besitzt.
Die Adressleitungen A4 bis A8 werden im linken Bereich ausgewertet (türkis) und inklusive ihrer komplementären Werte dem Spaltendecoder (gelb) zugeführt. Der Spaltendecoder schaltet daraufhin das Ucc-Potential auf eine der 33 Spalten.
Für die Auswahl einer der 32 Spalten benötigt man bereits alle fünf Adresseingänge. Um dennoch die Testspalte auswählen zu können, hat man den Adresseingang A4 mit der zusätzlichen Schaltung A4* erweitert. Dabei handelt es sich üblicherweise um eine Schaltung, die erst bei einer Spannung aktiv wird, die im normalen Betrieb nicht anliegt. Will man den PROM testet, so legt man an den Pin A4 ein etwas höheres Potential an und erreicht damit die Testspalte.
Zu den Signalen der Adressleitungen A1 bis A3 werden ebenfalls die komplementären Potentiale erzeugt (dunkelgrün) und dem Zeilendecoder zugeführt (orange). Hier bietet der Eingang A2 die Zusatzfunktion die Testzeile zu aktivieren. Die acht Steuerleitungen des Zeilendecoders werden vier Blöcken zugeführt, wo sie in jedem Block aus acht Zeilen eine Zeile auswählen und weiterleiten (rosa). Die neunte Steuerleitung verbindet die Testzeile mit dem Ausgang Q1.
Die vier Tristate-Ausgänge (grün) sind in Paaren angeordnet und teilen sich einen kleinen Schaltungsteil. Im linken oberen Bereich befindet sich die Enable-Schaltung, die die Ausgänge aktiviert (lila).
Der Speicherbereich ist sehr niederohmig an das Vcc-Potential angebunden. Jeder der vier Blöcke ist von horizontalen Vcc-Leitungen flankiert.
Der IEEE-Artikel "A Reliability Assessment of Bipolar PROMs" enthält eine Skizze mit dem typischen Aufbau eines bipolaren PROMs. Hier handelt es sich um paarweise angeordnete Zellen. Der Kern der Speicherzellen sind die Sicherungselemente (Fuse), die meist aus einer Nickel-Chrom-Legierung bestehen. Alternativ wurde auch eine Titan-Wolfram-Legierung oder direkt das Polysilizium verwendet. Wichtig ist dabei neben der prozesssicheren Fertigbarkeit ein niedriger Widerstand im intakten Zustand und ein verlässlich hoher Widerstand nach dem Ausbrennen des Sicherungselements.
In Schaltbildern befinden sich in Serie zu den Sicherungselementen oft die Basis-Emitter-Strecken von Transistoren. Hier ist kein Emitter vorhanden. Stattdessen wurde die Basis-Kollektor-Sperrschicht als Diode verwendet. Unterhalb der Sicherungselemente befinden sich p-dotierte Quadrate in der n-dotierten Kollektorschicht. Der IEEE-Artikel betont die Robustheit dieser Umsetzung. Im Vergleich zu Basis-Kollektor-Dioden sind Basis-Emitter-Strecken anfälliger für Produktionsfehler und Ausfälle.
Vertikal (im MH74S287 horizontal) verlaufen die Bitleitungen in der Metalllage. Horizontal (im MH74S287 vertikal) verlaufen die Wortleitungen, aufgebaut mit stark n-dotierten Bereichen. Zwischen den Bitleitungen reduzieren Elemente der Metalllage den Widerstand der Wortleitungen. Ein niederohmiger Aufbau dieser Bereiche aber auch der umgebenden Schaltung ist wichtig, damit beim Auslösen der Sicherungselemente ein ausreichend hoher Strom fließen kann. Gleichzeitig muss die Schaltung aber auch der erhöhten Spannung standhalten, die beim Programmieren verwendet wird.
Der IEEE-Artikel "Reliability Assessment of a Semiconductor Memory by Design Analysis" zeigt den typischen Aufbau einer Nickel-Chrom-Sicherung. Die Verjüngung ist dort 3,8µm breit. Das entspricht den Größen im MH74S287.
Fuses der Metalllage, die zum Justieren von integrierten Schaltungen verwendet werden, besitzen Öffnungen in der Passivierungsschicht, so dass diese beim Auslösen keinen großflächigeren, undefinierten Schaden nimmt. Gut zu erkennen ist das zum Beispiel auf dem Die der LTFLU. Die Sicherungselemente eines PROM befinden sich dagegen unter der Passivierungsschicht. Das ist möglich, weil sie mit sehr viel weniger Energie ausgelöst werden.
Die Energiemenge und die Einwirkdauer, mit denen die Sicherungselemente ausgelöst werden, sind kritische Auslegungsparameter. Nicht optimal aufgeschmolzene Streifen können sich regenerieren. Der IEEE-Artikel erklärt diesen Effekt genauer. Brennt die Sicherung nicht weit genug auf, so stellt sich im Zwischenraum ein sehr hohes elektrisches Feld ein. Über die Metalloxide, die sich dort gebildet haben, kann es dann trotz der niedrigen Spannung zu einem Durchschlag kommen und die Sicherung erscheint für die Auswerteschaltung wieder intakt.
Vergleicht man die Skizze aus dem IEEE-Artikel mit den Speicherzellen des MH74S287, so sieht man, dass Tesla immer vier Speicherzellen zusammen gruppiert hat. Ansonsten ist der Aufbau anscheinend der Gleiche.
Der vorliegende Baustein ist unprogrammiert. Man kann die hellen Sicherungselemente gut erkennen.
In der Testspalte (ganz rechts) sieht man wie ausgelöste Sicherungselemente aussehen. Die Unterbrechung bildet einen dunklen Bereich in der Mitte des Elements.
Das Datenblatt zeigt die Eingangs- und die Ausgangsbeschaltung des MH74S287. Dort kommen schnelle Schottky-Transistoren zum Einsatz.
Der Aufbau des Spaltendecoders ist gut zu erkennen. Die Kontaktierung mit den Adressleitungen und ihren komplementären Leitungen sorgt dafür, dass jede Adresse genau eine Spalte aktiviert. Die Testspalte ganz rechts und die daneben liegende Spalte erhalten zusätzlich die Signale A4*, die in der Zusatzschaltung des Adresseingangs A4 generiert werden. Wählt man die 32. Spalte aus und übersteuert den Eingang A4, so sorgt die Zusatzschaltung dafür, dass auf die 33. Spalte umgeschaltet wird.
Rechts neben der Spaltenauswahl befindet sich der Decoder der Zeilenauswahl (hier an der unteren Kante zu sehen). Dieser arbeitet nach dem gleichen Muster und gibt neun Steuersignale aus.
Acht der neun Steuersignale unterqueren bei jedem der vier Speicherblöcke die weiterführenden Leitungen. Jeder Speicherblock besitzt acht größere Transistoren, von denen einer aktiv ist. Aus jedem Block führt dann eine Sammelleitung nach oben und zu den vier Ausgangstreibern.
Wird der Adresseingang A2 übersteuert, so springt im obersten Block das Steuersignal auf den einzelnen Transistor an der oberen Kante und die Testzeile wird mit dem Ausgangstreiber Q1 verbunden.
Zwischen dem Zeilendecoder und dem GND-Bondpad befindet sich eine kleine Schaltung, die mit den beiden Decodern verbunden ist. Vermutlich wird hier ein Hilfspotential erzeugt.
Für den MH74S287 existiert eine Programmieranleitung. Demnach muss man den Baustein zuerst mit seiner normalen Betriebsspannung versorgen. Dann stellt man die Adresse ein, die man beschreiben möchte und legt an die Ausgänge das zu programmierende Muster an. Dabei werden die Ausgänge entweder über Pull-Up-Widerstände auf High-Potential gehalten oder hart auf Massepotential gezogen.
Der Programmiervorgang erfolgt mit einer erhöhten Spannung von 10V bis 11V und wird über einen der Enable-Eingänge gesteuert. Bevor man die Versorgungsspannung anhebt, deaktiviert man die Ausgänge. Liegt die richtige Spannung an, so aktiviert man die Ausgänge für 1ms. Wo dabei ein hoher Strom fließt, werden die Sicherungselemente ausgelöst. Die hohe Verlustleistung, die bei diesem Vorgang anfällt, macht es notwendig Abkühlzeiten zu definieren, die davon abhängig sind, wie lange die erhöhte Spannung am Baustein anliegt ("Y").
Auf dem Die hat man versucht den Weg, den der hohe Programmierstrom fließen muss möglichst kurz und niederohmig zu gestalten. Das Ucc-Potential wird direkt den Transistoren für die Spaltenauswahl zugeführt. Abhängig vom Zustand der Adressleitungen wird eine der Spalten aktiv, an der dann das Ucc-Potential anliegt. Auf der rechten Seite der Speichermatrix wird in jedem der vier Blöcke eine der Zeilen durchgeschaltet. Je nachdem an welchen Ausgängen ein GND-Potential anliegt, fließt darüber ein hoher Strom und die zugehörigen Sicherungselemente werden ausgelöst.
Interessant ist, dass die Ausgangsverstärker beim Programmieren anscheinend übergangen werden. Von der Zeilenauswahl führt eine Leitung über eine größere Struktur direkt zum Bondpad. Das erklärt auch, warum man mit einem Low-Potential am Ausgang die Sicherung auftrennen kann, im normalen Betrieb aber bei einer aufgetrennten Sicherung ein High-Pegel am Ausgang anliegt.
