JP2013161509A - 半導体装置の冗長救済方法 - Google Patents

半導体装置の冗長救済方法 Download PDF

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祐子 岡部
Takamasa Washino
孝政 鷲野
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智之 今野
Toshiaki Osakabe
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Abstract

【課題】最もデータ保持時間の短いメモリセルを特定し、特定されたメモリセルを冗長メモリセルに置き換えて信頼性を向上させた半導体装置を提供する。
【解決手段】内部クロック発生回路401、コマンドデコーダ402、制御回路403、モードレジスタ404、ロウアドレスバッファ・リフレッシュカウンタ405、カラムアドレスバッファ・バーストカウンタ406、BIST制御回路407、救済回路408、ロウデコーダ409、カラムデコーダ410、メモリセルアレイ411、センスアンプ412、データ制御回路413、ラッチ回路414、データ(DQ)入出力回路415、及びDLL(Delay Locked Loop)416を含み、複数のメモリセルの中から最もデータ保持時間の短いメモリセルを特定し、特定されたメモリセルを冗長メモリセルに置き換える。
【選択図】図4

Description

本発明は、半導体装置の冗長救済方法に関する。
DRAM(Dynamic Random Access Memory)に代表される半導体装置は、特性の劣る不良メモリセルを冗長メモリセルに置き換えることにより、歩留まりの向上を実現している(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−162191号公報
全ての不良メモリセルを冗長メモリセルを用いて救済しようとすると、冗長メモリセルの数が増加し、半導体装置の小型化、高集積化の要請に応えられない。それゆえ、冗長メモリセルの数には制限が設けられる。そして、限られた数の冗長メモリセルを有効利用するには、不良メモリセルのうち最も特性の悪いものから順番に救済していくことが望ましい。
関連する半導体装置の冗長救済方法は、アドレス順にメモリセルの優劣判定を行い、その順番に従って不良メモリセルを救済するようにしている。
本発明の一実施の形態に係る半導体装置の冗長救済方法は、複数のメモリセルの中から最もデータ保持時間の短いメモリセルを特定し、特定されたメモリセルを冗長メモリセルに置き換える。
本発明によれば、複数のメモリセルの中から最もデータ保持時間の短いメモリセルを特定し、特定されたメモリセルを冗長メモリセルに置き換えるようにしたことで、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
複数のメモリセルのデータ保持時間の測定結果の一例を示す図である。 (a)は、図1に示す特性を持つメモリセルに対して判別結果を行った結果を示す図、(b)は、(a)の結果を用いる本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の冗長救済方法の概略を説明するための図である。 図2(b)に示す半導体装置の動作を説明するための図である。 本発明の第1の実施の形態に係る冗長救済方法が適用される半導体装置の一例を示すブロック図である。 図4の半導体装置に含まれる救済用予備アドレスレジスタの内部構成を示す論理回路図である。 図4の半導体装置に含まれるBIST回路、救済用予備アドレスレジスタ及び救済用アドレスレジスタの接続関係を示す図である。 図4の半導体装置に含まれる救済用アドレスレジスタの内部構成を示す論理回路図である。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の冗長救済方法を説明するための図である。
本発明の理解を容易にするため、まず、関連する半導体装置の冗長救済方法について説明する。
図1は、半導体装置の一つであるDRAMに含まれる複数(ここでは16個)のメモリセルのデータ保持時間の測定結果例を示している。
図1において、“スペック値”は、半導体装置の設計仕様において定められるリフレッシュ値、即ち、その時間が経過する以前(スペック内)にリフレッシュ動作を行わなければならない時間を表す。
測定したデータ保持時間がスペック値を超えていても、その値がスペック値に近い場合には、実際の使用時には何らかの原因で測定したデータ保持時間が経過する以前にデータが失われる可能性がある。即ち、そのような特性の劣る不安定メモリセルの存在は、半導体装置の信頼性を低下させる。そこで、スペック値に近いデータ保持時間を持つ不安定メモルセルを検出して冗長メモリセルに置き換え、半導体装置の信頼性を高めることが行われる。なお、データ保持時間がスペック値よりも短い不良メモリセルについては、別の方法で救済したり、半導体装置全体を不良品としたりするので、ここでは救済の対象としない。
実際の半導体装置は、数M〜数Gビットのメモリセルを有している。したがって、各メモリセルのデータ保持時間がスペック値に近いか否かを判定するために、全てのメモリセルのデータ保持時間を測定することは現実的ではない。そこで、スペック値よりも大きい“選別テスト値”を用いて、各メモリセルのデータ保持時間がスペック値に近いか否かを判定する。この判定により、選別テスト値よりも短いデータ保持時間を有すると判定されたメモリセルを、ここでは不安定メモリセルと呼ぶ。図1の例では、アドレス“3”,“8”,“13”及び“15”の4個のメモリセルが、不安定メモリセルと判定されている。
冗長メモリセルの数が限られている場合、これらの不安定メモリセルのうちデータ保持時間の短いものから順番に冗長メモリセルと置き換えることが望ましい。例えば、冗長メモリセルが1個の場合、アドレス“15”のメモリセルを冗長メモリセルに置き換えることが望ましい。
しかしながら、関連する半導体装置の冗長救済方法では、検査時間の短縮等のため、最初に不安定メモリセルと判定されたメモリセルを冗長メモリセルに置換する。通常、テストや判定は、アドレス順に行われるので、図1の場合は、アドレス“3”のメモリセルが冗長メモリセルに置き換えられる。しかしながら、アドレス“3”のメモリセルは、不安定メモリセルと判定された4個のメモリセルの中で最も長いデータ保持時間を有しており、最悪メモリセルではない。このように、関連する半導体装置の冗長救済方法では、必ずしもデータ保持時間の最も短い最悪メモリセルが冗長メモリセルに置換されるわけではない。
なお、選別テスト値を段階的に変化させて選別テストを繰り返せば、データ保持時間の最も短い最悪メモリセルを特定することは可能と思われる。しかしながら、そのような方法はテストに長時間を要し、試験効率が非常に悪い。
そこで、本発明では、1回の選別テストで不安定メモリセルと判定された複数のメモリセルの中から最もデータ保持時間の短い最悪メモリセルを効率よく特定し、特定された最悪メモリセルを救済する方法を提供する。
次に、図2を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の冗長救済方法の概略について説明する。以下の説明においても、図1の測定結果例を利用する。
図2(a)は、図1に示すデータ保持時間を持つ16個のメモリセルに対する選別テストの結果を表す図である。即ち、図2(a)は、選別テストにより、不安定メモリセルとして、アドレス“3”,“8”,“13”及び“15”の4個のメモリセルが検出されたことを示している。
選別テストは、図2(b)に示すように、半導体装置200にプローブ等を用いて電気的に接続されたメモリテスタ300により行われる。なお、全てのメモリセルがスペック値(例えば、64ms)よりも長いデータ保持時間を有していることは、予め別の試験により確認されているとする。
メモリテスタ300は、まず、選別テスト値(例えば、95ms)を用いて全てのメモリセルの選別テストを行う。そして、メモリテスタ300は、図2(a)に示す選別テストの結果を得る。
次に、メモリテスタ300は、半導体装置200に対して、最悪メモリセルを特定する特定テストを開始するため、BIST(Built-In Self Test)/BISR(Built-In Self Repair)スタートを指示する。同時に、メモリテスタ300は、特定テストの対象となるメモリセルのアドレス“3”,“8”,“13”及び“15”を、半導体装置200に通知する。
半導体装置200は、メモリセル210のほかに、BIST回路220、救済用予備アドレスレジスタ(RG1〜4)230、救済用アドレスレジスタ(KR)240、及び、アンチフューズを用いてメモリセル210のいずれかと置き換えられる冗長メモリセル(AB)250等を備えている。
半導体装置200は、メモリテスタ300からのBIST/BISRスタートの指示を受け、通知された4個のアドレスが割り当てられた4個のメモリセル210に対してデータを書き込む。また、半導体装置200は、通知された4個のアドレスを4個の救済用予備アドレスレジスタ230にそれぞれラッチさせる。さらに、半導体装置200は、データを書き込んだ4個のメモリセル210からデータを読み出し、BIST回路220へ供給する。
BIST回路220は、救済用予備アドレスレジスタ230をリセットするリセット回路として動作する。具体的には、BIST回路220は、救済用予備アドレスレジスタ230にラッチされているアドレスに対応する4個のメモリセルから読み出されたデータを受ける。そして、それらのデータの最初のレベル変化に応じて、レベル変化したデータが書き込まれていたメモリセル210のアドレスをラッチしている救済用予備アドレスレジスタ(ここでは、RG4)を除く全ての救済用予備アドレスレジスタ(ここでは、RG1,2,3)230をリセットする。これにより、最悪メモリセルのアドレス(ここでは“15”)が、依然、救済用予備アドレスレジスタ230のいずれかにラッチされたままであり、残りの救済用予備アドレスレジスタ230がリセットされた状態となる。
救済用アドレスレジスタ240は、救済予備アドレスレジスタ230にラッチされている4つのアドレスのうちの1つ、即ち、最悪メモリセルのアドレスをラッチする。
救済用アドレスレジスタ240にラッチされたアドレスは、救済アドレスを記憶する記憶素子として利用されるアンチヒューズの破壊・非破壊に利用される。即ち、救済用アドレスレジスタ240にラッチされたアドレスは、アンチヒューズを用いた記憶素子に格納される。これにより、最悪メモリセルが冗長メモリセル250に置き換えられる。
図3に、上述した特定テストの一連の流れを示す。
図3に示すように、救済用予備アドレスレジスタ(RG1〜4)230に不安定メモリセルのアドレス“3”,“8”,“13”及び“15”が格納される。また、これらのアドレス“3”,“8”,“13”及び“15”に対応するメモリセルにレベル“H”のデータが書き込まれる。なお、各メモリセルへのデータの書き込みは順次行われるが、データ保持期間(msオーダー)に比べ、データの書き込み要する時間はきわめて短い(nsオーダー)ので、データの書き込みは全ての不安定メモリに対して同時に行われたとみなしてよい。
レベル“H”のデータが書きこまれたメモリセルからそれぞれ読み出されたデータは、リフレッシュ動作を行わなければ、やがてロウレベル“L”に変化する。最初のレベル変化に応じて、対応する救済用アドレスレジスタ(RG4)を除く他の救済用予備アドレスレジスタ(RG1〜3)を全てリセットすることで、救済用予備アドレスレジスタ230には、最悪メモリセルのアドレス“15”だけがラッチされた状態となる。この最悪メモリセルのアドレス“15”が救済用アドレスレジスタ240にラッチされ、さらにアンチヒューズを用いた記憶素子に書き込まれる。これにより、最悪メモリセルは冗長メモリセル250に置き換えられる。
次に、図4及び図5を参照して、さらに半導体装置200について詳細に説明する。
図4は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置200の概略構成を示すブロック図である。
半導体装置200は、図示のように、内部クロック発生回路401、コマンドデコーダ402、制御回路403、モードレジスタ404、ロウアドレスバッファ・リフレッシュカウンタ405、カラムアドレスバッファ・バーストカウンタ406、BIST制御回路407、救済回路408、ロウデコーダ409、カラムデコーダ410、メモリセルアレイ411、センスアンプ412、データ制御回路413、ラッチ回路414、データ(DQ)入出力回路415、及びDLL(Delay Locked Loop)416を含む。
本発明は、特にBIST制御回路407に関するものである。BIST制御回路407以外の構成は、公知のもの利用することができるので、以下ではその説明を省略する。なお、図4では、制御回路403から各部へ供給される制御信号のうちの一部が示され、残りは省略されている。
BIST制御回路407は、少なくとも図2に示したBIST回路220と救済用予備アドレスレジスタ(KYR)230とを含む。図4では、救済回路408に救済用アドレスレジスタ(KR)240が含まれているが、救済用アドレスレジスタ(KR)240は、BIST制御回路407に含まれていてもよい。
次に、半導体装置200の動作について説明する。
予め、メモリテスタ300を用いて、メモリセルアレイ411に含まれるメモリセルの選別テストが行われ、不安定メモリセルが選別される。選別テストの際、BIST制御回路407は動作しない。
次に、半導体装置200は、メモリテスタ300からのBIST/BISRスタート命令を受け、指定されるアドレスに対応するメモリセルへ順次データを書き込む。指定されるアドレスには、不安定メモリセルと判断されたメモリセルのアドレスと、予め設定されている参照メモリセルのアドレスが含まれる。以下の説明では、図2の例と同様に、アドレス“3”,“8”,“13”及び“15”のメモリセルを不安定メモリセルとする。また、アドレス“1”のメモリセルを参照メモリセルとする。
次に、半導体装置200は、メモリテスタ300からの読み出し命令を受け、指定されるアドレスに対応するメモリセルからデータを読み出し、BIST制御回路407に含まれるBIST回路220へ供給する。指定されるアドレスは、上述した不安定メモリセルと参照メモリセルのアドレスである。
BIST制御回路407は、不安定メモリセルにデータを書き込む際、又は、不安定メモリセルからデータを読み出す際に、指定されるアドレスを救済用予備アドレスレジスタ230に格納する特殊モードに設定される。これにより、救済用予備アドレスレジスタ230に、指定されるアドレスが順次ラッチされる。
救済用予備アドレスレジスタ230のアドレスラッチは、データ書き込みの際に指定されるアドレスをラッチするようにしても、データ読み出しの際に指定されるアドレスをラッチするようにしてもよい。以下の説明では、データ読み出しの際に指定されるアドレスをラッチするものとする。
救済用予備アドレスレジスタ230は、例えば、図5に示すように、アドレスにビット毎に対応する複数(ここでは4個)のラッチ回路510を含む。各ラッチ回路510は、SRラッチ回路と、そのリセット(R)端子に接続されたOR回路(NOR+NOT)とを有している。ラッチ回路510は、セット(S)端子に入力されたアドレスA0、A1,A2又はA3をラッチし、OR回路の入力のいずれかにリセット信号が入力されるまで保持する。
救済用予備アドレスレジスタ230は、図6に示されるようにBIST回路220に接続され、また、タイミング調整回路610を介して救済用アドレスレジスタ240に接続されている。
BIST回路220は、図6に示すように、参照メモリセル及び不安定メモリセルから読み出されたデータに応じて、救済用予備アドレスレジスタ230へリセット信号を出力するように構成されている。
この構成では、メモリセルから読み出したデータがBIST回路220に供給されるまで、救済用予備アドレスレジスタ230は、リセット状態となるため、アドレスをラッチすることができない。したがって、半導体装置200は、メモリセルから読み出したデータがBIST回路220へ供給された後(リセット信号がロウレベル“L”となった後)に、指定されたアドレスが救済用予備アドレスレジスタ230に順次ラッチされるように、救済用予備アドレスレジスタ230へのアドレス供給のタイミングを調整する。
また、半導体装置200は、救済用予備アドレスレジスタ230にラッチされるアドレスと、メモリセルから読み出されたデータのBIST回路220への供給先とが、図6に示す関係となるように、データ制御回路113を制御する。
例えば、救済用予備アドレスレジスタRG1にアドレス“3”をラッチさせる場合、入力端子IN1にアドレス“3”のメモリセルから読み出されたデータを供給するようにデータ制御回路113を制御する。これにより、アドレス“3”のメモリセルから読み出されたデータに応じて、救済用予備アドレスレジスタRG2〜4をリセットすることができる。また、救済用予備アドレスレジスタRG2にアドレス“8”をラッチさせる場合、入力端子IN2にアドレス“8”のメモリセルから読み出されたデータを供給するようにデータ制御回路113を制御する。これにより、アドレス“8”のメモリセルから読み出されたデータに応じて、救済用予備アドレスレジスタRG1,3,4をリセットすることができる。また、救済用予備アドレスレジスタRG3にアドレス“13”をラッチさせる場合、入力端子IN3にアドレス“13”のメモリセルから読み出されたデータを供給するようにデータ制御回路113を制御する。これにより、アドレス“13”のメモリセルから読み出されたデータに応じて、救済用予備アドレスレジスタRG1,2,4をリセットすることができる。さらに、救済用予備アドレスレジスタRG4にアドレス“15”をラッチさせる場合、入力端子IN4にアドレス“15”のメモリセルから読み出されたデータを供給するようにデータ制御回路113を制御する。これにより、アドレス“15”のメモリセルから読み出されたデータに応じて、救済用予備アドレスレジスタRG1,2,3をリセットすることができる。
救済用予備アドレスレジスタRG1〜4にラッチされたアドレスは、ビット毎にタイミング調整回路610を介して救済アドレスレジスタ240に供給される。
救済用アドレスレジスタ240は、図7に示すように、救済用予備アドレスレジスタ230と同様に構成される。タイミング調整回路610を介して救済用予備アドレスレジスタ230から供給されるアドレスは、各ビットに対応するラッチ回路710のセット(S)端子に供給される。
タイミング調整回路610は、BIST回路220から最初のリセット信号が出力された後、4つの救済用予備アドレスレジスタ230にラッチされているアドレスを合成し(論理和を求め)、救済用アドレスレジスタ240へ供給する。
最初のリセット信号で、4つの救済用予備アドレスレジスタ230のいずれかに最悪メモリセルのアドレスがリセットされずに残るので、この最悪メモリセルのアドレスが、救済用アドレスレジスタ240にラッチされる。その後、全ての救済用予備アドレスレジスタ230がリセットされても、救済用アドレスレジスタ240は、その状態を維持する。
救済用アドレスレジスタ240にラッチされたアドレスは、その後、救済回路408におけるアンチフューズの切断・非切断設定に利用される。
以上のように、本実施の形態では、メモリテスタが行う判定試験により不安定と判定された複数のメモリセルの中から最もデータ保持時間の短い最悪メモリセルを、短時間で容易に特定することができる。これにより、最悪メモリセルを冗長メモリセルに置き換えることができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
なお、上記説明では、救済用予備アドレスレジスタの数と不安定メモリセルの数が一致するかのように説明したが、これらは必ずしも一致するとはかぎらない。不安定メモリセルの数が救済用予備アドレスレジスタの数よりも多い場合には、選別テストにて所定の下図の不安定メモリセルが検出された段階で選別テストを終了するようにしてよい。そのようにしても、単純にアドレス順に救済する場合に比べて、信頼性を高めることができる。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の冗長救済方法について説明する。
第1の実施の形態では、1回の特定試験で、複数の不安定メモリセルの中から最悪メモリセルを特定している。これに対して、本実施の形態では、トーナメント形式により、最悪メモリセルを特定する。
図8に示すように、複数の救済用予備アドレスレジスタ(RG1〜6)を2個一組となるように組み合わせる。そして、第1の実施の形態と同様に、救済用予備アドレスレジスタにラッチさせるアドレスに対応するメモリセルから読み出したデータに応じて、1つの救済用予備アドレスレジスタを除いて他の救済用予備アドレスレジスタがリセットされるように構成する。また、各組の救済世予備アドレスレジスタにリセットされずに保持されているアドレスを、次段の救済用予備アドレスレジスタ(RG15,RG6)又は救済用アドレスレジスタ(KR)にラッチさせるよう構成する。
本実施の形態においても、メモリテスタが行う判定試験により不安定と判定された複数のメモリセルの中から最もデータ保持時間の短い最悪メモリセルを、短時間で容易に特定することができる。これにより、最悪メモリセルを冗長メモリセルに置き換えることができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
以上、本発明について、いくつかの実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、救済用予備アドレスレジスタの数は4に限らず任意に設定することができる。また、BIST回路についても、その目的を達成できれば、図6の構成に限らず種々の回路構成を採用することができる。
200 半導体装置
210 メモリセル
220 BIST回路
230 救済用予備アドレスレジスタ
240 救済用アドレスレジスタ
250 冗長メモリセル
300 メモリテスタ
401 内部クロック発生回路
402 コマンドデコーダ
403 制御回路
404 モードレジスタ
405 ロウアドレスバッファ・リフレッシュカウンタ
406 カラムアドレスバッファ・バーストカウンタ
407 BIST制御回路
408 救済回路
409 ロウデコーダ
410 カラムデコーダ
411 メモリセルアレイ
412 センスアンプ
413 データ制御回路
414 ラッチ回路
415 データ入出力回路
416 DLL
510 ラッチ回路
610 タイミング調整回路
710 ラッチ回路

Claims (7)

  1. 複数のメモリセルの中から最もデータ保持時間の短いメモリセルを特定し、特定されたメモリセルを冗長メモリセルに置き換える、ことを特徴とする半導体装置の冗長救済方法。
  2. 前記複数のメモリセルに同一のデータを書き込み、
    前記複数のメモリセルに書き込まれたデータのレベル変化を検出し、
    前記複数のメモリセルのうち、書き込まれたデータが最初にレベル変化したメモリセルを前記特定されたメモリセルとする、
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の冗長救済方法。
  3. 前記複数のメモリセルにそれぞれ割り当てられているアドレスを複数の予備レジスタにそれぞれラッチさせ、
    前記複数のメモリセルの各々に書き込まれたデータのレベル変化に応じて、レベル変化したデータが書き込まれていたメモリセルのアドレスをラッチする予備レジスタを除き前記複数の予備レジスタを全てリセットさせ、
    前記複数のメモリセルに書き込まれたデータの最初のレベル変化に応じたリセットの後に、前記複数の予備レジスタのいずれかに依然ラッチされているアドレスを、救済レジスタにラッチさせることで、前記特定されたメモリセルを冗長メモリセルに置き換える、
    ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の冗長救済方法。
  4. 前記複数のレジスタにラッチされているアドレスの論理和を、前記救済レジスタのセット信号として用いることを特徴とする請求項3に記載に半導体装置の冗長救済方法。
  5. 前記複数のメモリセルは、予め行われた選別判定の結果、不安定と判定されたメモリセルであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の半導体装置の冗長救済方法。
  6. トーナメント方式により段階的に前記複数のメモリセルの中から最もデータ保持時間の短いメモリセルを特定することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の冗長救済方法。
  7. メモリセルアレイと、
    前記メモリセルアレイに含まれる複数のメモリセルに割り当てられたアドレスをそれぞれラッチする複数の予備レジスタと、
    前記複数の予備レジスタにそれぞれ関連付けられ、関連付けされた予備レジスタに格納されているアドレスが割り当てられたメモリセルから読み出されたデータのレベル変化に応じて、前記関連付けされた予備レジスタを除く前記複数の予備レジスタを全てリセットする複数のリセット回路と、
    前記複数の予備レジスタの出力の論理和を所定のタイミングで出力するタイミング調整回路と、
    前記タイミング調整回路の出力を救済アドレスとしてラッチする救済レジスタと、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
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