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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der integrierten MOS-Schaltkreise,
Metall/Oxid/Halbleiter, und insbesondere auf eine Verwendung einer elektrisch
programmierbaren MOS-Zelle als Schmelzsicherung.
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Die Verwendung von Schmelzsicherungen in integrierten Schaltkreisen ist sehr
verbreitet, insbesondere für die Programmierung von Festspeichern oder zur
Erzielung einer Schaltkreiskonfiguration nach dem Durchschlag der einen oder mehreren
Schmelzsicherungen, die von der anfänglichen Konfiguration unterschiedlich ist.
Dies ist z.B. der Fall bei integrierten Schaltkreisen für Chipkarten, bei denen die
Schmelzsicherungen nach dem Durchschlag es ermöglichen, den Zugriff zu
gewissen Schaltkreisbereichen zu blockieren. Es ist im allgemeinen nicht möglich, diese
Konfiguration während der Herstellung des Schaltkreises festzulegen, da der
Zugriff zu diesen Bereichen für die Prüfung des Schaltkreises und seine
Personalisierung möglich sein muß. Erst danach muß der Zugriff auf diese Bereiche verboten
werden. Für diese Anwendung ist die Sicherheit der Karte eng mit einem guten
Durchschlag der Schmelzsicherungen verbunden.
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Weitere Anwendungen für die Schmelzsicherungen in integrierten Schaltkreisen
werden z.B. in Speichern großer Kapazität für die Redundanz eingesetzt, wobei die
defekten Spalten (oder Zeilen) nach dem Durchschlag durch eine entsprechende
Schmelzsicherung mittels zusätzlicher Spalten (oder Zeilen) ersetzt werden.
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Es sind unterschiedliche Arten von Schmelzsicherungen bekannt, die in integrierten
Schaltkreisen, insbesondere in programmierbaren Speichern, Verwendung finden
können, bei denen der Schreibvorgang mit Hilfe eines Durchschlags einer
Schmelzsicherung oder eines Übergangs durchgeführt wird. Die Schmelzsicherung wird in
Form einer dünnen Metallschicht aus Nickel- und Chromlegierung oder vor allem
aus polykristallinem Silizium mit besserer Zuverlässigkeit hergestellt, die durch
Anlegen einer großen Leistung zerstört wird. Auch der Übergangsdurchschlag
erfordert eine sichere Handhabung der Durchschlagsbedingungen mit ziemlich
starken Strömen.
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Die hauptsächliche Begrenzung der herkömmlichen Schmelzsicherungen liegt
somit in der Notwendigkeit, große Durchschlagsleistungen zu verwenden, wie z.B.
Ströme von 100 bis 200 mA bei 10 bis 20 V. Dies ist nun mit der Entwicklung der
Technologie integrierter Schaltkreise nicht vereinbar, bei denen eine Tendenz zur
Verringerung des Verbrauchs der Schaltkreise und zur Verringerung der internen
Spannungen und der Durchschlagsspannungen der Dioden oder der Übergänge
besteht.
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Daher ist es mit der gegenwärtigen Technologie schwieriger, eine
Schmelzsicherung in integrierten CMOS-Schaltkreisen korrekt durchbrennen zu lassen als in den
einige Jahre alten Schaltkreisen, und zwar vor allem aufgrund der Tatsache, daß die
während des Durchschlags angelegte Spannung viel niedriger sein muß als früher.
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Weitere Probleme sind ebenfalls schlecht gelöst, wie z.B. parasitäre Durchschläge
von Schmelzsicherungen, die parallel zu den durchzubrennenden
Schmelzsicherungen geschaltet sind. In der Tat kann es während des Durchschlags einer
Schmelzsicherung aufgrund des Leitens des Durchschlag-Steuertransistors zu einem
"parasitären" Durchschlag einer nicht gewünschten Schmelzsicherung kommen.
Die einzige Art zur Lösung dieses Problems besteht in der Verringerung der
Durchschlagsspannung, doch erschwert dies den Durchschlag der gewünschten
Schmelzsicherung.
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Ein weiteres Problem ergibt sich aus dem Durchschlag der Schmelzsicherung
mittels elektrostatischer Entladung. Dieser Durchschlag tritt in der Tat bei
Bedingungen auf, die sich heutzutage den Kenndaten annähern, die für die
Eingänge/Ausgänge der Schaltkreise erforderlich sind. So kann es zu einem Durchschlag durch
elektrostatische Entladung bei 500 V kommen, während die
Eingangs-/Ausgangsspannungen
häufig 5000 V erreichen. Somit ist die Verwendung von
Schmelzsicherungen an den Eingangs-/Ausgangsanschlüssen und ihr Durchschlag während
des Anlegens unmöglich.
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Um diesen Unzulänglichkeiten abzuhelfen, haben Entwickler integrierter
Schaltkreise elektrisch programmierbare MOS-Speicherzellen oder "Speicherpunkte"
(EPROM oder EEPROM) entwickelt, deren logischer Zustand, Schaltkreis offen
(1) oder durchlassend (0), durch das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein von
Ladungen bestimmt wird, die sich an einem (nicht angeschlossenen) erdfreien
Gitter bzw. einem Floating-Gate angesammelt haben. Die Programmierung einer
derartigen Zelle, d.h. der Übergang vom Zustand "Schaltkreis offen" zum Zustand
"Schaltkreis durchlassend" entspricht einer Verschiebung der Leitungsschwelle
durch Ladungen, die sich an dem Floating-Gate angesammelt haben.
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Eine derartige Zelle mit zwei logischen Zuständen ist äquivalent zu einer
Schmelzsicherung bis auf die Tatsache der Unumkehrbarkeit. In der Tat können die an dem
Floating-Gate angesammelten Ladungen entfernt werden, z.B. durch Erwärmen
des Schaltkreises, durch Radioaktivität, durch elektromagnetische Wellenwirkung
oder auch durch Kompensation dieser Ladungen mit Hilfe von Ladungen, die in
dem dünnen Oxid der Zellen zwischen der Source-Elektrode und der Drain-
Elektrode und der Floating-Gate-Elektrode gespeichert sind. Für Chipkarten-
Anwendungen beruht nun die gesamte Sicherheit auf der Tatsache, daß es nach
dem Durchschlag der Schmelzsicherung unmöglich sein muß, sie in den vor dem
Durchschlag bestehenden logischen Zustand zurückzuführen.
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Man kann sich auch andererseits auf den Stand der Technik beziehen, der durch
das Dokument IEEE-1985 mit dem Titel "A new programmable cell utilizing
insulator breakdown", Seiten 639 bis 642 von N - SATO et al., gebildet wird, bei dem
eine BIC-Zelle (Breakdown Insulator Cell) beschrieben wird.
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Diese Zelle umfaßt eine feine Isolierschicht, die einen Kontaktbereich auf einer
(N+)-Diflüsionsschicht abdeckt, und eine Elektrode aus Aluminium, die mit der
Isolationsoberfiäche verbunden ist.
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Die Programmierung der Zelle geschieht durch Anlegen von Impulsen an die
Aluminiumelektrode dergestalt, daß die Isolierschicht durchgebrannt wird, wodurch
die Elektrode dann mit dem (N+)-Gebiet verbunden wird. Diese Zelle ist für die
Herstellung von PROM-Speichern bestimmt.
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Es kann auch auf den Stand der Technik hingewiesen werden, der durch das
Dokument Patent Abstracts of Japan, Bd. 9, Nr. 170 vom 16. Juli 1985 gebildet wird,
bei dem FET-Transistoren einer ROM-Speicherebene einen Floating-Gate-
Anschluß haben, die mit dem gleichen Potential wie der Steuer-Gate-Anschluß
verbunden sind.
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Die Aufgabe der Erfindung ist die Verwendung einer Schmelzsicherung mit
Metall/Oxid/Halbleiter-Struktur, welche die Nachteile der herkömmiichen
Schmelzsicherungen hinsichtlich der notwendigen Durchschlagsleistungen nicht aufweist und
welche die Nachteile der von einem Anfangszustand zu einem anderen Zustand
durch Speicherung von Ladungen programmierbaren MOS-Zellen im Hinblick auf
die Sicherheit nicht aufweist.
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Erfindungsgemäß schlägt man die Verwendung einer elektrisch progranmierbaren
MOS-Zelle als Schmelzsicherung vor, wobei die Zelle zwei durch Dotierung eines
Substrates gebildete Elektroden (A, S) aufweist, ein erstes Gitter (G2) aufweist,
das aus polykristallinem Silizium besteht, welches einen Teil einer (A) der beiden
Elektroden bedeckt, von der es durch eine verringerte Siliziumoxidschicht getrennt
ist, um so eine Tunnelöffiiung (F) zu erhalten, und ein zweites Gitter (G1) aufweist,
das vom ersten Gitter durch eine Oxidschicht getrennt ist, wobei die beiden Gitter
(G1, G2) miteinander verbunden sind, um die Anlegung eines elektrischen, für das
Oxid irreversiblen, die Öffhung (F) bildenden Durchschlagfeldes zu ermöglichen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
anhand der beigefügten Figuren, wobei:
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- Fig. 1a und 1b schematisch einen Schnitt einer bekannten programmierbaren
MOS-Zelle mit Floating-Gate sowie das symbolische elektrische Ersatzschaltbild
darstellen;
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- Fig. 2a und 2b schematisch die erfindungsgemäß verwendbare
Durchschlag-MOS-Schmelzsicherung sowie das symbolische elektrische Ersatzschaltbild
darstellen;
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- Fig. 3 das zum Durchschlag der Schmelzsicherung notwendige schematische
Schaltbild ist; und
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- Fig. 4 ein Zeitdiagramm der entsprechenden Steuerspannungen ist.
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Fig. 1a stellt eine bekannte, elektrisch programmierbare und löschbare
Tunneleffekt-MOS-Speicherzelle dar. Das Siliziumsubstrat wird einerseits zur Bildung des
Source-Anschlusses S und andererseits des Drain-Anschlusses D (N+)-dotiert,
woraufhin es mit einer Siliziumoxidschicht, einem Gitter FG aus polykristallinem
Silizium, das, da es nicht angeschlossen ist, als "schwebendes" bzw. erdfreies Gitter
bezeichnet wird, und einem zweiten Gitter G, auf dem ein Kontaktpunkt
vorgesehen ist, überzogen. Das schwebende Gitter bildet mit dem Drain-Anschluß über
einem Teil seiner Länge eine dünne Tunnelöffnung F, üblicherweise durch eine
Dicke von 0,01 um Oxid hindurch, das zumindest zum Teil durch Aufwachsen
gewonnen wird. Der Kontaktpunkt des Gitters G wird mit einer Wortleitung
verbunden. Wie oben angegeben, erreicht man die Programmierung einer derartigen
Zelle mittels Tunneleffekt, wobei ein starkes elektrisches Feld, typischerweise 10
MV/cm, es den elektrischen Ladungen ermöglicht, das Oxidfenster des Tunnels zu
überqueren und auf dem schwebenden Gitter FG gespeichert zu werden. Je nach
der Richtung des elektrischen Feldes sind die gespeicherten Ladungen entweder
Löcher oder Elektronen. Für eine Oxidöffnung von 0,01 um muß man eine
Spannung von 10 V an das schwebende Gitter FG anlegen, um ein ausreichendes
elektrisches Feld zu erhalten, um den Durchtritt der Ladungen mittels Tunneleffekt zu
ermöglichen.
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Hierfür ist es erforderlich, daß die über die "Wortleitung" an das Gitter G angelegte
Spannung unter Berücksichtigung des kapazitiven Koppplungskoeffzienten
zwischen den beiden Gittern G und FG bestimmt wird. Wenn z.B. der
Koppplungskoeffizient gleich 0,5 ist, muß die an G angelegte Spannung gleich 20 V sein, um
10 V durch kapazitive Kopplung an dem Gitter FG zu erhalten und den
Tunneleffekt auszulösen, wobei der Drain-Anschluß auf 0 V gehalten wird. Ebenso reicht
es aus, an den Drain-Anschluß der Zelle 20 V anzulegen und das Gitter auf 0 V zu
halten, um den Ladungstransport durch Tunneleffekt mit einem umgekehrten
elektrischen Feld auszulösen. Eine derartige Zelle hat, wenn sie "gelöscht" wird
(Elektronen auf dem schwebenden Gitter FG gespeichert), eine Schwellenspannung
VT&sub0; von ungefähr 5 V; eine "programmierte" Zelle (Löcher auf dem schwebenden
Gitter gespeichert) hat eine Schwellenspannung VT&sub1; von ungefähr 3 V Wenn zum
Lesen eine Spannung von 2 V an das Gitter G angelegt wird, so leitet die gelöschte
Zelle nicht, und die programmierte Zelle leitet.
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Das Oxid der Tunnelöffnung zwischen dem Gitter FG und dem Drain-Anschluß ist
wegen seiner geringen Dicke ein sehr brüchiges Element. Diese Dünnschicht-
Oxidstruktur zwischen dem Drain-Anschluß und dem Gitter zur Bildung der
Öffnung ist notwendig, damit die Leitung mittels Tunneleffekt auftreten kann. Dieser
Effekt findet statt, kurz bevor es zu dem elektrostatischen Durchbruch des Oxids
kommt. Wenn der Tunneleffekt durch ein elektrisches Feld zwischen 8 und 10
MV/cm ausgelöst wird, tritt z.B. der Durchschlag des Oxids für ein elektrisches
Feld von ungefähr 12 MV/cm oder sogar weniger auf, wenn das elektrische Feld
schlagartig angelegt wird. In EEPROM-Zellen dieser Bauart wird die notwendige
Spannung während der Programmierung sehr langsam um 20 V/ms erhöht, um den
Durchschlag des Oxids zu vermeiden. Fig. 1b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild
dieser Zelle mit Source-Anschluß S, Drain-Anschluß D, Gitter G und
schwebendem Zwischengitter FG in einer sehr geringen Entfernung (0,01 um) von dem
Drain-Anschluß über einem Teil seiner Lange.
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Die Erfindung verwendet zur Ausbildung der Schmelzsicherung einen sehr
ähnlichen Aufbau, doch läßt man anstelle der oben beschriebenen Programmierung der
Zelle das Tunneloxid "durchschlagen", wodurch ein Widerstand geringen Wertes
zwischen dem Drain-Anschluß und dem Gitter FG erzeugt wird. Hierfür sind die
beiden Gitter G und FG miteinander verbunden, und anstatt die
Programmierspannung langsam anzuheben, wird diese Spannung vorzugsweise schnell angehoben.
Die Verbindung der beiden Gitter miteinander gestattet es, die kapazitive Kopplung
zwischen den beiden Gittern zu beseitigen, indem man zwischen ihnen eine direkte
Verbindung herstellt. Darüber hinaus kann einer der Anschlüsse des durch das
Tunneloxid gebildeten Widerstands geerdet werden. Somit erhält man unter den
gleichen Bedingungen für die angelegte Spannung wie für die oben beschriebene,
als Speicher verwendete Zelle ein elektrisches Feld von 20 MV/cm zwischen G
(und FG) und dem Drain-Anschluß D, was völlig ausreicht, um den Durchschlag
des Oxids in der Öffnung zu erreichen. Darüber hinaus kann man durch das
schnelle Anlegen der Spannung einen sehr guten Durchschlag des Tunneloxids und
somit den geringstmöglichen Widerstand zwischen dem Drain-Anschluß und dem
Gitter erzielen. Die Bedingung des schnellen Anlegens der Durchschlagsspannung
ist nicht unbedingt notwendig, da das Tunneloxid bei Spannungen dieser Amplitude
auf jeden Fall einen Durchschlag erfährt; wenn die Spannung langsamer angelegt
wird, ist jedoch der Durchschlag weniger scharf, und es verbleibt ein geringfügig
höherer Widerstand zwischen dem Drain-Anschluß und dem Gitter.
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Fig. 2a zeigt im Schnitt den entsprechenden Aufbau der Schmelzsicherung, der
demjenigen der Speicherzelle ähnlich ist, bei dem jedoch die beiden Gitter
miteinander verbunden sind. Sie sind in dieser Figur mit G1 und G2 bezeichnet, da es
kein "schwebendes" Gitter mehr gibt. Die Durchschlagsspannung wird zwischen
dem Anschluß B (Gitter) und dem Anschluß A (Drain-Anschluß D in Fig. 1a)
angelegt. Der dem Source-Anschluß S entsprechende dotierte Bereich der Fig. 1a ist
nicht angeschlossen. Fig. 2b ist das symbolische elektrische Ersatzschaltbild.
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Fig. 3 zeigt die Schaltungsanordnung, die für den Durchschlag des Oxids
verwendet wird, wodurch die Schmelzsicherung bei Bedarf von ihrem anfänglichen
"offenen" in ihren "durchlassenden" Zustand gebracht wird, wobei diese
Umwandlung unumkehrbar ist: Die wie in Fig. 2b gezeigt dargestellte Schmelzsicherung F1
hat somit einen nicht angeschlossenen Anschluß, wobei ihr Anschluß A an eine
Versorgungsspannung Vpp über einen Transistor T1 angeschlossen ist, dessen
Gitter mit einem Steueranschluß COMVpp verbunden ist, und wobei ihr Anschluß
B über einen Transistor T2 geerdet ist, dessen Gitter mit einem Steueranschluß
COMVss verbunden ist. Um diese "Schmelzsicherung" durchzuschlagen, wird das
Steuersignal COMVpp von T2 bis zur Versorgungsspannung Vpp erhöht, während
das Steuersignal COMVss, das anfänglich im hohen Zustand ist, auf 0
zurückgebracht wird. Zum Zeitpunkt t1 in dem Zeitdiagramm von Fig. 4 sperrt der
Transistor T2, und T1 wird leitend. Die Spannung am Knoten B bleibt schwebend. Es
wird somit kein elektrisches Feld durch das Tunneloxid hindurch erzeugt. Zum
Zeitpunkt t2 ist die Spannung Vpp am Knoten A gleich 20 V, und die Spannung
am Knoten B ist 0 V. Es besteht somit ein starkes elektrisches Feld von 20 MV/cm
in der Tunnelöffnung, die schnell durchschlägt. Es tritt somit ein Leck zur Masse
des Stromdetektors auf, dies führt dazu, daß das Potential am Knoten A absinkt.
Der Durchschlagvorgang kommt somit zum Stillstand.
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Bei der Erfassung ist die an das Gitter von T1 angelegte Spannung COMVpp = 0
V und der Transistor T1 sperrt. Die an das Gitter von T2 angelegte Spannung
COMVss = 5 V (man muß T2 gerade eben leitend machen), wodurch die Gitter
(Knoten B) der Schmelzsicherungszelle F1 auf Vss (0 V) gebracht werden.
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- Wenn das Oxid der Tunnelöffnung intakt ist, gibt es in der
Schmelzsicherungszelle F1 keinen Strom, und der Stromdetektor zeigt dieses Nichtvorhandensein von
Strom an;
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- wenn das Oxid durchgeschlagen ist, besteht ein geringer Widerstand zwischen A
und B, wodurch ein Strom I zu der Masse des Detektors hin erzeugt wird und
somit ein unterschiedlicher Zustand erfaßt wird.
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Dieses Durchschlagphänomen ist unumkehrbar. Keine Erwärmung (Nachglühen)
des Schaltkreises kann den Aufbau des durchgeschlagenen Oxids verändern. Da
der Effekt keine Speicherung von Ladungen ist, kann darüber hinaus kein Versuch
zur Entladung oder Speicherung von Ladungen in dem dünnen Oxid der Zelle den
Zustand der Schmelzsicherungszelle beeinträchtigen. Dieser Durchschlag, der eine
Millisekunde dauert, ist im Vergleich zu der Programmierdauer einer Zelle (Fig. 1a)
von etwa fünf Millisekunden oder der für den Durchschlag einer herkömmlichen
Schmelzsicherung notwendigen Dauer von etwa 100 ms schnell. Es ist keinerlei
Leistung notwendig, und da der innere Generator der Spannung Vpp für den
Durchschlag des Oxids verwendet wird, ist es im Rahmen einer Anwendung bei
integrierten Schaltkreisen für Karten möglich, eine oder mehrere
Schmelzsicherungen des Schaltkreises durchbrennen zu lassen, sobald man eine Anomalie feststellt,
ohne daß es ein möglicher Fälscher verhindern könnte.
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Eine solche Struktur kann auch verwendet werden, um EEPROM-Speicher zur
einmaligen Programmierung zu entwerfen. Somit können Speicherkarten durch
unumkehrbare Veränderungen in der Struktur der Schaltkreise mittels
Oxiddurchschlag personalisiert werden. Wie oben gezeigt, erfordert die Personalisierung
gewöhnlicherweise, wenn sie durch besondere Maßnahmen während der
Herstellung erzielt wird, teure Maskierungsschritte, die langsam und wenig flexibel sind,
und wenn die Personalisierung durch elektrische Programmierung von EPROM-
oder EEPROM-Zellen durchgeführt wird, sind die sich ergebenden Strukturen
anfällig. Um eine Zelle, wie sie in Fig. 1a dargestellt ist, in eine Schmelzsicherung,
wie sie in Fig. 2a dargestellt ist, umzuwandeln, reicht es in der Praxis aus, während
des Auftragens des Siliziumoxids auf das schwebende Gitter, einen Bereich für den
Kontakt zwischen den beiden Gittern bereitzustellen, wobei der Kontakt erzielt
wird, wenn das polykristalline Silizium des zweiten Gitters auf dem bereitgestellten
Bereich aufgetragen wird. Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, auf dem
schwebenden Gitter aller Zellen dieser Bauart zugängliche Kontaktpunkte
bereitzustellen und diese Punkte mit den Wortzeilen der einzigen, als
Schmelzsicherungen verwendeten Zellen zu verbinden.