JP3557019B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体記憶装置に係わり、特にメモリセルアレイ内の不良救済機能を備えた半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
今日、半導体の微細加工技術により、ダイナミック型半導体記憶装置(DRAM)の集積度は上がり、量産では4M,16Mビット、研究開発では1GビットクラスのDRAMが製作できるようになってきた。しかしながら、世代が進み集積度が上がるに伴い、チップ内部の配線などの加工ピッチが次第に小さくなり、加工を行うクリーンルーム内部のごみ(ダスト)や、プロセス上の加工ばらつきに起因する配線のショートや、或いはメモリセルの保持特性が悪いといった不良の発生確率が大きくなってきている。さらにまた、1チップ当たりの面積も次第に大きくなる傾向にあるため、このような不良がチップ内部に混入する確率は益々高くなり、不良を置き換える救済回路なしでは動作良品を取得できなくなっている。
【0003】
一方、このような救済回路は、チップ面積を増大させる要因となる。この面積成分には二つの要素がある。このうちの一つは救済用の冗長アレイ、即ちワード線不良を置き換えるためのワード線を含むアレイなどの面積である。もう一つは冗長アレイを制御するための外部回路の面積であり、これにはアクセスされるアドレスが不良の発生したアドレスであるか否かを判定して、冗長アレイを用いるかどうかを決定する判定回路を含む。
【0004】
従来より様々な救済回路が提案されてきている。図10は最も基本的なワード線の救済回路であり、メモリセルアレイ毎に救済用の冗長ワード線(以下では救済ワード線と呼ぶ)と不良ワード線の判定回路が配置されている。
【0005】
この例では、各メモリセルアレイ(MA0 ,MA1 ,MA2 ,MA3 )にそれぞれ2本ずつの救済ワード線(SW00,01 ,SW10,11 ,SW20,21 ,SW30,31 )が配置され、それぞれに判定回路(SD0,1 ,SD2,3 ,SD4,5 ,SD6,7 )が接続されている。
【0006】
各アレイの救済ワード線は、このアレイ内部のワード線に不良が発生した場合にこれを置き換えることができる。例えば、この例ではメモリセルアレイMA0 内部のワード線W0 が、判定回路SD0 によってSW00に置き換えられ、W1 がSD1 によって置き換えられ、MA1 内部のW2 がSD2 によってSW11に置き換えられ、MA2 内部のW3 がSD4 によってSW20に置き換えられている。即ち、不良の存在するワード線W0 に対するアクセスが発生した場合にこれを判定回路SD0 により検知し、W0 を活性化する代わりにSW00を活性化するわけである。この例では、最大で1つのアレイに2本の不良ワード線が生じた場合を救済することができる。
【0007】
これに対し図11に示した回路では、判定回路を4つのアレイで共有化して判定回路の占める面積を減少している。この方式では、各メモリセルアレイに含まれる救済ワード線は2本で、判定回路は4つ配置されている。この例でも1つのアレイに2本救済ワード線が含まれており、これらは各アレイ内部に生じた不良を置き換えることができる。従ってこの例でも、最大で1つのアレイに2本の不良ワード線が生じた場合を救済することができる。但し、4つのアレイ全体に生じる不良の総数が4を越える場合には救済することができない。
【0008】
図12に示す回路では、4つのメモリセルアレイに加えて、1つの冗長アレイを配置し、救済ワード線は全てこの冗長アレイに含まれており、4つのメモリセルアレイには救済ワード線は含まれていない。この例では、判定回路が図11の例と同様に4つのメモリセルアレイによって共有されており、さらに救済ワード線もこれら4つのメモリセルアレイによって共有されている。
【0009】
この回路により、4つのメモリセルアレイ内部で発生した任意の4箇所の不良を置き換えることができ、1つのメモリセルアレイ内部に2本よりも多い不良ワード線がある場合には救済できなかった図11の場合に比べて救済効率が向上している。またこの例においては、救済ワード線の総数は4本であり、図11の例の場合の救済ワード線総数の8本よりも少なくなっているにも拘わらず、救済効率が向上している。
【0010】
以上に述べた従来技術の例では、全て不良ワード線の置き換え単位を1本として説明したが、実際の不良は、1本のワード線を置き換えれば救済できるものから、複数の連続したワード線を一度に置き換えなければできないものまで、その大きさが分布している。このような事情により、一般には救済ワード線の単位は1よりも大きい数になっており、例えば4本の連続したワード線を4本の救済ワード線に置き換えるという方法が用いられる。
【0011】
この例を図13に示す。4つのアドレス判定回路と、16本の救済ワード線を含む1つの冗長アレイが4つのメモリセルアレイと共に配置されている。救済ワード線SWは、4本ずつ組となって1つずつの判定回路に接続されおり、メモリセルアレイに発生した不良を含む4本のワード線を4本の救済ワード線によって置き換えている。
【0012】
この方式では、救済ワード線の総数(16本)に対して判定回路の総数(4つ)が少ないため、救済用の外部回路による面積の増加を小さくできる。しかしながら、以下に示すような問題がある。
【0013】
図13の回路例では、救済単位が4本ずつと固定されているために、例えば不良の大きさが小さく、1本のワード線を置き換えれば救済できる不良でも4本まとめて置き換えることになる。一方、チップ内部の加工ピッチが次第に微細化していくと、クリーンルーム内部のごみの分布による不良の大きさは、相対的に大きくなっていくので、4本以上の連続したワード線を一度に置き換えなければ救済できない不良が発生する確率も高まってくる。
【0014】
ここで、例えば1本のワード線を置き換えれば済む不良が2箇所、10本の連続したワード線を置き換えなければ救済できない不良が1箇所発生した場合を考える。この場合、置き換えればすむワード線の総数は12本で、図13で配置されている16本の救済ワード線の数よりも少なく、不良している箇所の総数も3箇所で、アドレス判定回路の総数の4よりも少ないにも拘わらず、救済不可能である。
【0015】
これは、10本の連続したワード線を置き換えるためには、4本単位の置き換えが少なくとも3箇所以上必要であり、さらに1本単位の置き換えが2箇所必要であるため、合計5個のアドレス判定回路を必要としてしまうためである。この様子を、図14に示した。
【0016】
このように不良箇所の数がアドレス判定回路の総数よりも少ない場合、或いは置き換える必要のあるワード線の総数が救済アレイに含まれるワード線の総数よりも少ない場合、或いはこれらが同時に満たされる場合においても、結果として救済できないということがありうる。
【0017】
一方、この問題を回避するためには、不良ワード線の置き換えを、全て1本のワード線単位で行えば良い。即ち、例えば10本のワード線が連続して不良しているような場合には、1本単位で10箇所の不良を救済すれば良い。これを説明するのが図15である。
【0018】
この例では、16本の救済ワード線SWのそれぞれに、アドレス判定回路SD0 ,SD2 ,…,SD15が対応している。しかしながらこの方法では、アドレスの判定回路を救済ワード線の数だけ用意しなければならず、従ってこの回路面積の増加によってチップ面積が大きくなってしまう。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、ワード線の救済単位を1本単位で行う場合は、不良したワード線の数が救済ワード線の総数よりも少ない場合には必ず不良の置き換えができるが、一方不良ワード線のアドレス判定回路の数が増え、チップ面積が増加するという問題がある。
【0020】
これに対して、救済単位を1よりも大きくした場合には、判定回路の数は少なくなるものの、不良したワード線の数が救済用の余剰ワード線の総数よりも少ない場合にも救済できないことがあり、救済効率が低下してしまうという問題があった。
【0021】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、冗長アレイや不良アドレス判定回路などの救済回路のチップ面積に占める割合を大きくすることなく、救済効率を効果的に向上させることのできる半導体記憶装置を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
(構成)
本発明の骨子は、メモリセルアレイにおける不良部分の置き換えのための救済単位を可変とすることにある。
【0023】
即ち本発明は、複数本のワード線と複数本のビット線との各交点にメモリセルを逐一又は選択的に配置してなる正規メモリセルアレイと、この正規メモリセルアレイと基本構成を同様とし、該メモリセルアレイのワード線,ビット線,或いはメモリセルの不良を置き換えるための冗長メモリセルアレイと、正規メモリセルアレイの不良部分に対するアクセスを検知し、これを冗長メモリセルアレイに対するアクセスへと置き換える複数の置き換え手段とを備えた半導体記憶装置であって、前記各置き換え手段は、前記正規メモリセルアレイ中の不良部分を含む単位整数のワード線或いはビット線へのアクセスを、前記冗長メモリセルアレイの同数のワード線或いはビット線へのアクセスへと置き換えるものであり、かつ単位整数の値が2種類以上設定されることを特徴とする。
(作用)
本発明によれば、不良部分の置き換えのための単位整数の値を2種類以上設定し、救済単位を可変としているので、不良部分の大きさに応じて最適な救済単位を設定することができる。従って、冗長アレイや不良アドレス判定回路などの救済回路チップ面積に占める割合を大きくすることなく、救済単位を一律に固定した従来の方式に比べて救済効率が大幅に向上する。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる半導体記憶装置のアレイ構成を示す図である。
【0025】
本実施形態では、ワード線の不良救済のため、メモリセルアレイ(正規メモリセルアレイ)MA0 ,MA1 ,MA2 ,MA3 とは別に、16本の救済ワード線SW0 ,SW1 ,SW2 ,…,SW15を含む冗長アレイ(冗長メモリセルアレイ)SAを用意し、不良が発生したワード線Wを救済ワード線SWで置き換えている。
【0026】
メモリセルアレイは、1トランジスタ/1キャパシタのDRAMセルをマトリックス状に配列したものである。オープンBL方式では、ワード線とビット線の各交点にメモリセルが配置され、フォールデッドBL方式では上記交点に選択的にメモリセルが配置される。冗長アレイは、基本的構成はメモリセルアレイと同様であるが、冗長ワード線の数が少ないものである。
【0027】
ワード線の不良とは、ワード線材料の電気的な切断によりワード線全体につながるメモリセルのデータが読み出せないといったものから、1ビットのメモリセルのキャパシタにリークがあるために起こるなどの単ビット不良、或いはメモリセルの特定の領域が連続して不良する場合も含まれる。ワード線全体ではない、メモリセルの不良に起因した不良は、必ずしもワード線の置き換えによって救済されなくてはならないわけではなく、例えばビット線の不良救済回路によって置き換えを行っても良いし、ワード線の救済回路とビット線の救済回路を組み合わせて救済することも可能である。
【0028】
但し、以下では不良は全てワード線の置き換えによって置き換えることを前提とし、不良の大きさも隣り合った何本のワード線を連続して置き換えれば救済できるかという数によって表わすことにする。
【0029】
本実施形態における冗長メモリセルの最小単位は1本のワード線であり、不良の置き換えはこの最小単位の整数倍で行われる。即ち、最小単位の1倍の1本の救済ワード線によって、1本のワード線不良であるW0 が置き換えられている。また、最小単位の10倍の10本の救済ワード線SW1 ,SW2 ,SW3 ,…,SW10によって、10本の連続したワード線の不良W10,W11,W12,…,W19が置き換えられている。さらに、最小単位の1倍の1本の救済ワード線によって、1本のワード線不良であるW2 が置き換えられている。
【0030】
なお、本実施形態では救済回路は具体的に示していないが、後述する各実施形態と同様に同様に不良の救済単位を可変にできるようになっている。また、図中のXはロウデコーダ、Yはカラムデコーダ、SXは冗長ロウデコーダを示している。
(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態を示す図である。本実施形態は、第1の実施形態で説明したようなメモリセルの冗長セルによる置き換えを実現するための救済回路を具体的に示したものであり、メモリセルアレイ及び冗長アレイの構成は第1の実施形態と同様である。
【0031】
ワード線の不良アドレスの判別は、4つの判定回路SD0 ,SD1 ,SD2 ,SD3 によって行う。これらの判定回路には、ヒューズ回路F0 ,F1 ,F2 ,F3 がそれぞれ接続されており、これらのヒューズ回路には不良の発生したワード線のアドレスが記憶できるようになっている。複数のワード線が連続して不良している場合には、ヒューズ回路にはその不良の始まるアドレスと、何本のワード線を置き換えればよいかという数(以下では「不良の大きさ」と呼ぶ)が記憶されている。
【0032】
ヒューズ回路に不良の情報を記憶させるためには、一般には加工後にチップの動作試験を行い、不良が発生している場合には、外部からの操作によってヒューズ回路に対する書き込みを行う。一般に用いられている方法としては、レーザビームを用いて特定の配線(ヒューズ)を切断し、この配線が断線しているか否かによってヒューズ回路に情報が記憶されているかどうかを判定する回路が用いられる。
【0033】
それぞれの判定回路は、ヒューズ回路に記憶されている不良ワード線の情報と、アクセスされるワード線のアドレスを比べて、不良しているワード線に対するアクセスが発生したときに冗長アレイ内部の救済ワード線を活性化し、メモリセルアレイ内部のワード線の活性化を停止する。
【0034】
本実施形態では、ワード線W0 が1本だけ不良しており、互いにとなり合うワード線W10,W11,W12,…,W19が連続して不良している。また、ワード線W2 が1本だけ不良している。これを救済するために、ヒューズ回路F0 には、W0 のアドレスと不良の大きさ即ち1が記憶されている。また、ヒューズ回路F1 には、W10〜W19の連続10本のワード線不良の開始アドレス、即ちW10のアドレスと、不良の大きさ10が記憶されている。さらに、ヒューズ回路F2 には、W2 のアドレスと不良の大きさ1が記憶されている。
【0035】
W0 ,W10〜W19及びW2 の、合計12本の不良ワード線が、冗長アレイ内部のどの救済ワード線によって置き換えられるかは、ヒューズ回路の出力結果を基に演算回路Aが決定する。演算回路Aは、大きさの異なる救済単位を冗長アレイの内部で無駄が生じないように詰めて配置するように、冗長アレイ内部のアドレスを計算するためのものである。この回路によって、不良ワード線の置き換えを、冗長アレイ内部の16本の救済ワード線SW0 ,SW1 ,SW2 ,…,SW15に詰めて行うようにする。
【0036】
即ち、1本だけ不良しているW0 をSW0 に対応させ、W0 に対応するアクセスが発生した場合にはSW0 を活性化させる。また、10本連続して不良しているW10〜W19については、それぞれSW1 ,SW2 ,…,SW10に対応させる。即ち、W10に対するアクセスはSW1 の活性化となり、W11に対するアクセスはSW2 ,W12に対するアクセスはSW3 が活性化され、以下W19に対するアクセスがSW10の活性化となるまで同様である。さらに、1本だけ不良しているW2 はSW11に置き換えられる。このように演算回路Aは、ヒューズ回路F0 ,F1 ,F2 ,F3 に記憶されている不良の大きさから、不良しているワード線と救済ワード線SW0 ,SW1 ,SW2 ,…,SW15の対応を決定している。
【0037】
本発明の主旨として、様々な大きさの不良(N本のワード線の連続不良、N>1)に対して、1箇所の不良をできるだけ1組のヒューズ回路によって救済し、かつ不良していないワード線を無駄に置き換える数を減らすことが望ましい。
【0038】
従って本実施形態では、3箇所の不良のそれぞれを、第1の不良W0 については救済ワード線SW0 に割り当て、連続10本のワード線が不良している第2の不良SW10〜SW19は、第1の不良の数が1であるから、2番目の救済ワード線SW1 から連続10本の救済ワード線によって置き換えている。第3の不良W2 は、第1,第2の不良の総数が11であるので、12番目の救済ワード線SW11によって置き換えられている。
【0039】
図3及び図4はヒューズ回路を具体的に説明するための図である。ここでは、レーザビームやイオン収束ビーム(FIB)などでチップの加工後に回路を部分的に切断し、この切断が行われたか否かの情報を用いてアドレスの一致を検知する例を示している。
【0040】
まず、回路構成の例を図3(a)に示す。この例では、pMOSトランジスタとnMOSトランジスタが直列に接続され、pMOSトランジスタのソースは電源電位Vccに接続され、nMOSトランジスタのソースと接地電位Vss間にヒューズが挿入されている。そして、共通接続された各トランジスタのドレインが出力ノードOUTとなっている。
【0041】
pMOSトランジスタのゲートにはコントロール信号φが入力され、nMOSトランジスタのゲートにはアドレス信号Aが入力される。コントロール信号φは、待機状態において“L”(Vss)レベルになっている。また、アドレス信号Aは“L”に固定されている。これにより、出力ノードOUTは、“H”(Vcc)にプリチャージされている。
【0042】
動作時(アドレスの判定時)には、コントロール信号φが“H”に変化し、アドレス信号Aが“H”に変化する。このとき、ヒューズが切断されていないと、出力ノードOUTに蓄えられている電荷は、信号Aが“H”となりnMOSトランジスタが導通するために接地に流れ出し、出力ノードOUTは“L”に変化する(図3(b))。一方、ヒューズが切断されている場合には、出力ノードOUTの電位は変化しないので、出力ノードOUTの電位は“H”のままである(図3(c))。
【0043】
このように、ヒューズが切断されている場合はこの回路の出力ノードOUTの電位が“H”、切断されていない場合には“L”となり、ヒューズが切断されているか否かを判定できる。
【0044】
図4はレーザビーム等によって切断することができるヒューズの断面図(a)及び平面図(b)の例である。この図では、参考のためにメモリセルの断面図(c)も合わせて示した。この例では、ヒューズはメモリセル内部のビット線と同じ配線層で形成されている。ヒューズ領域では、ビット線の加工後に形成される層間絶縁材料を削って、外部からヒューズ材料に達するまでの膜の厚さを薄くし、レーザビーム等でヒューズを切断しやすくしている。
【0045】
一方、ここでは明示していないが、同様にレーザビームなどで切断することができる部分を図中のAl材料によって形成することも可能である。
このように本実施形態によれば、判定回路を4つのメモリセルアレイで共有化して判定回路の占める面積を減少し、さらに救済ワード線の総数(16本)に対して判定回路の総数(4つ)が少ないため、救済回路による面積の増加を小さくできる。これに加えてワード線の救済単位を可変としているので、不良部分の大きさに応じて最適な救済単位を設定することができ、不良箇所が判定回路の総数4以内で、不良ワード線の総数が救済ワード線の総数16本以内であれば、確実に救済することができる。つまり、冗長アレイや不良アドレス判定回路などの救済回路のチップ面積に占める割合を大きくすることなく、救済効率を効果的に向上させることができる。
(第3の実施形態)
図5は、本発明の第3の実施形態を示す図である。
【0046】
本実施形態では、第2の実施形態と同様に、ワード線の不良救済のため、メモリセルアレイとは別に冗長アレイを用意し、不良が発生したワード線を冗長アレイ内部のワード線で置き換えている。また、アドレス判定回路も第2の実施形態と同様である。
【0047】
但し本実施形態では、アドレス情報,大きさの情報と共に、冗長アレイのアドレスの情報も判定回路内部のヒューズ回路に記憶させている。即ち、ヒューズ回路F0 には、不良ワード線W0 のアドレス情報及び不良の大きさの情報に加え、F0 が使用する冗長アレイ内部の救済ワード線のアドレスSW0 が記憶されている。これにより、W0 に対するアクセスが発生した場合には、W0 の代わりにSW0 が活性化する。
【0048】
またヒューズ回路F1 には、10本のアドレスの連続した不良ワード線W10〜W19のうち、最初のワード線W10のアドレスと、不良の大きさ即ち10と、これらを置き換える救済ワード線のうち最初の救済ワード線であるSW1 のアドレスが記憶されている。これにより、W10〜W19のいずれかに対するアクセスが発生した場合には、SW1 〜SW10の対応する救済ワード線が活性化する。さらにヒューズ回路F2 には、不良ワード線W2 のアドレス、不良の大きさ即ち1と、救済ワード線SW11のアドレスが記憶されている。これにより、W2 に対するアクセスが発生した場合には、救済ワード線SW11が活性化する。
【0049】
本実施形態では、第2の実施形態に説明したような冗長アレイ内部のアドレス演算回路Aが不必要となる。従って、第2の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、回路面積をより小さくし、かつ冗長アレイを用いるかどうかの判定速度を向上させることができる。
(第4の実施形態)
図6は、本発明の第4の実施形態を示す図である。
【0050】
本実施形態では、ヒューズ回路とアドレス判定回路の組毎に、救済を行うワード線の数が一定となっている。即ち、第1のヒューズ回路F0 及びアドレス判定回路SD0 ではアドレスの連続した2本のワード線を置き換えることができ、第2のヒューズ回路F1 及びアドレス判定回路SD1 ではアドレスの連続した2本のワード線を置き換えることができ、第3のヒューズ回路F2 及びアドレス判定回路SD2 ではアドレスの連続した4本のワード線を置き換えることができ、第4のヒューズ回路F3 及びアドレス判定回路SD3 ではアドレスの連続した8本のワード線を置き換えることができる。
【0051】
ここで、メモリセルアレイに発生する不良が、ワード線WA0 (1本ワード線不良)、WB1 〜WB10(アドレスの連続した10本のワード線不良)及びWC1 (1本ワード線不良)の場合とする。
【0052】
第1のヒューズ回路F0 には不良ワード線WA0 を含むように2本単位の置き換えを行うため、WA0 のアドレスが記憶される。このため、第1のアドレス判定回路SD0 によって、ワード線WA0 に対するアクセスが発生すると救済ワード線SW0 が、またワード線WA1 に対するアクセスが発生すると救済ワード線SW1 がそれぞれ活性化する。
【0053】
また、第2のヒューズ回路F1 には、不良ワード線WC1 を含むように2本単位の置き換えを行うため、WC0 のアドレスが記憶される。このため、第2のアドレス判定回路SD1 によって、ワード線WC0 に対するアクセスが発生すると救済ワード線SW2 が、またワード線WC1 に対するアクセスが発生すると救済ワード線SW3 がそれぞれ活性化する。
【0054】
アドレスの連続した10本のワード線の不良WB1 〜WB10は、第3及び第4のヒューズ回路F2 ,F3 及びアドレス判定回路SD2 ,SD3 を用いて救済される。即ち、まず10本の不良ワード線のうちWB1 ,WB2 ,WB3 を救済するために、これらを含むように4本単位の置き換えを行うため、第3のヒューズ回路F2 にアドレスWB0 が記憶され、アドレス判定回路SD2 によって、メモリセルアレイ内部のワード線WB0 ,WB1 ,WB2 ,WB3 にアクセスが発生した場合には、それぞれ救済ワード線SW4 ,SW5 ,SW6 ,SW7 が活性化する。
【0055】
また、残りの不良ワード線WB4 〜WB10を救済するため、これらを含む8本単位の置き換えを行うように、第4のヒューズ回路F3 にワード線のアドレスWB4 が記憶される。このため、アドレス判定回路SD3 によって、メモリセルアレイ内部のワード線WB4 〜WB11に対するアクセスが発生すると、救済ワード線SW8 〜SW15がそれぞれ活性化する。
【0056】
このように本実施形態では、複数の救済回路すなわちヒューズ回路とアドレス判定回路の組毎に救済ワード線の本数を異なる値に固定することにより、救済効率を効果的に向上させている。本実施形態で示したように救済回路毎に救済ワード線の本数を固定することによって、第2の実施形態で説明したような救済アレイ内部のアドレスを計算する演算回路や、第3の実施形態で説明したような救済アレイ内部のアドレスを記憶するヒューズ回路が不要となる。つまり、救済回路が簡単になり、かつ小さい面積で実現できるようになることが本実施形態の特長である。
(第5の実施形態)
図7は、本発明の第5の実施形態を示す図である。
【0057】
本実施形態では、256本のワード線を含む8つのメモリセルアレイMA0 〜MA7 に対して、64本の救済ワード線を含む1つの冗長アレイSAが配置されている。
【0058】
ワード線の総数は2048本であり、これは11ビットのアドレス(000 0000
0000 〜 111 1111 1111)によって表わすことができる。
ヒューズ回路とアドレス判定回路は16個(F0 〜F15、SD0 〜SD15)あり、第4の実施形態と同様に、それぞれで置き換えることができるワード線の単位は予め決まっている。即ち、FD0 ,SD0 〜FD7 ,SD7 のそれぞれは1本単位の置き換えを行うことができ、FD8 ,SD8 〜FD11,SD11のそれぞれは2本単位の置き換えを行うことができ、FD12,SD12及びFD13,SD13のそれぞれは4本単位の置き換えを行うことができ、FD14,SD14は8本単位の置き換えを行うことができ、FD15,SD15は32本単位の置き換えを行うことができる。
【0059】
また、それぞれのアドレス判定回路の使用する救済ワード線は決まっており、1 本単位の置き換えを行うSD0 〜SD7 はそれぞれSW0 〜SW7 を使用し、2本単位の置き換えを行うSD8 はSW8 とSW9 、SD9 はSW10とSW11、SD10はSW12とSW13、SD11はSW14とSW15を使用する。さらに、4本単位の置き換えを行うSD12はSW16〜SW19を、SD13はSW20〜SW23を使用し、8本単位の置き換えを行うSD14はSW24〜SW31を、16本単位の置き換えを行うSD15はSW32〜SW63を使用する。
【0060】
また、ヒューズ回路に記憶されるアドレスは、1本単位の置き換えを行うF0 〜F7 のそれぞれは2048本のワード線のうちそれぞれ任意の1 本を置き換える可能性があるため11ビットのアドレスを記憶する。
【0061】
2本単位の置き換えを行うF8 〜F11のそれぞれは、下位1ビットを除いた上位10ビットのアドレスを記憶する。これによって、メモリセル内部のワード線のアドレスが XXX XXXX XXX0〜XXX XXXX XXX1 (X=0 or 1)である連続した2本のワード線を、SD8 〜SD11のいずれかによって置き換えることができる。そして、アクセスされるワード線のアドレスが、ヒューズ回路に記憶された上位10ビットと一致した場合に救済ワード線を活性化し、メモリセル内部のワード線の選択を中止する。本実施形態ではまた、このときの下位1ビットが、冗長アレイ内部の下位1ビットのアドレスと一致している。
【0062】
即ち、例えばSD8 による置き換えを行う場合には、SW8 (冗長アレイ内部のアドレス 001000 )及びSW9 (同じく 001001 )が、メモリセルアレイ内部のワード線のアドレス XXX XXXX XXX0及び XXX XXXX XXX1のそれぞれに対応し、下位1ビットが一致している。
【0063】
4本単位の置き換えを行うF12,F13のそれぞれは、下位2ビットを除いた上位9ビットのアドレスを記憶する。これによって、メモリセル内部のワード線のアドレスが XXX XXXX XX00〜XXX XXXX XX11 である連続した4本のワード線をSD12或いはSD13によって置き換えることができる。また、下位2ビットのアドレスは、置き換えられるメモリセルアレイ内部のワード線のアドレスのもとの、置き換えた後の救済ワード線のものが一致している。
【0064】
即ち、SD12による置き換えを考えた場合、ワード線のアドレスは XXX XXXX XX00〜XXX XXXX XX11 であるがこれに対応する救済ワード線のアドレスは、010000(SW16)〜 010011 (SW19)であり下位2ビット(00〜11)が一致している。
【0065】
8本単位の置き換えを行うF14,SD14及び32本単位の置き換えを行うF15,SD15の場合も同様に、それぞれ上位8ビット、上位6ビットを用いてアドレスの判定を行う。また、それぞれ下位3ビット、5ビットのアドレスは、ワード線のアドレスのものと救済ワード線のものが一致している。
【0066】
本発明の主旨として、冗長アレイ全体をヒューズ回路の各組に対して均等に割り当てた従来の技術に対して、不良の発生確率に即したように救済単位の数が分布していれば、救済効率は向上する。例えばロウの救済に関しては、最低1本のワード線を置き換えれば救済できる不良の発生確率が最も多く、不良の大きさ、即ちその不良を救済するために何本のワード線を置き換えなければならないかという数が大きくなるほど、その発生確率は小さくなる。
【0067】
本実施形態はこの事情を鑑みたものであり、1本単位の救済回路が8個、2本単位が4個、4本単位が2個、8本単位が1個などという分布になっており、より小さい単位の置き換え回路を、大きな単位の置き換え回路よりも多く用意している。どのような大きさの救済単位が幾つ必要であるかという分布は、実際の不良の大きさの分布によって決めればよい。
【0068】
但し、一般には小さい単位の不良が発生する確率は、大きな単位の不良が発生する確率よりも高い。例えば、文献(U.S. Fed. Std. 209E )では、クリーンルーム内部のダストの大きさの分布は、大きさの−2.2乗に比例しているとしている。ダストの大きさが不良の大きさに比例すると仮定すると、不良の分布も−2.2乗に比例し、従って1本単位の救済を行えば救済できる不良が発生する確率が最も大きく、大きさが大きくなるに従って発生確率が指数的に小さくなっていく。従って救済単位の数の分布は、大きさが2倍になると、その数が2の−x乗倍となる(x>0)ことが望ましい。
【0069】
また救済の単位は、1本,2本,4本,8本,…のように、2の乗数の大きさとなっている。これは、アドレスが2進数で表わされているため、例えば8(2の3乗)本単位の救済を行う場合には、ヒューズ回路にアドレスの下位3ビットを除いた上位アドレスを書き込めば置き換えの判定が容易に行えるためである。
(第6の実施形態)
図8は本発明の第6の実施形態に係わる半導体記憶装置のアレイ配置と救済回路を示す図であり、図9は図8の一部(破線で囲んだ部分)を拡大して示す図である。本実施形態は、ワード線ではなくビット線毎の救済の例である。
【0070】
本実施形態では、ビット線をメモリセルアレイ内部で共通データ線に接続してビット線とアレイ外部のI/O回路とのデータのやり取りをするための制御信号であるカラム選択線を基本単位とした救済を行っている。
【0071】
図に示したように、このカラム選択線の制御によって2組4本のビット線がそれぞれデータ線に接続される。本実施形態におけるメモリセルアレイには、512本のカラム選択線が含まれ、従って2048本のビット線が含まれている。
【0072】
カラム選択線の制御はカラムデコーダによって行われる。これに対して、不良が発生した場合の置き換え用の冗長アレイには、16本のスペアカラム選択線と64本のスペアビット線が含まれている。
【0073】
それぞれのカラム選択線或いはスペアカラム選択線によって、4本のビット線或いは4本のスペアビット線のデータ線への接続が制御される。スペアカラム選択線の制御は、4組の判定回路及びヒューズ回路によって制御される冗長カラムデコーダによって行われる。
【0074】
これまでのワード線の置き換えについての実施形態と同様に、ヒューズ回路には、不良の発生したアドレス及び一度に置き換えられるカラム選択線の数、さらにスペアアレイ内部のカラム選択線のアドレスを記録できるようになっており、これに基づいて外部から入力されるアドレスが不良箇所に一致した場合にスペアに対する置き換えが発生する。
【0075】
従ってこれまでの実施形態と同様に、不良部分の大きさに応じて最適な救済単位を設定することができ、冗長アレイや不良アドレス判定回路などの救済回路のチップ面積に占める割合を大きくすることなく、救済効率を効果的に向上させることができる。
【0076】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。第1〜第5の実施形態では4つのメモリセルアレイに対して1つの冗長アレイを設けたが、メモリセルアレイの数は4個に限らず仕様に応じて適宜変更可能である。救済回路におけるヒューズ回路は、必ずしもヒューズの切断を利用するものに限られず、不良部分に相当するアドレスや不良の大きさを記憶すると共に長期に保持できるものであればよい。例えば、EEPROM等の不揮発性半導体メモリを用いて不良のアドレス等を記憶することも可能である。また、メモリセルはDRAMに限るものではなく、EPROMやEEPROMに適用することも可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【0077】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、不良の大きさに応じて救済アレイによる置き換え単位の大きさを変え、また不良の大きさの分布に従って置き換えを行う単位の大きさを分布させることによって、メモリセルアレイ内部の不良を置き換えるのと同時に、そのまわりの不良していない部分を冗長アレイによって置き換える数が減り、従って冗長アレイによる無駄な置き換えの数が減って効率良く不良を置き換えることができるようになる。
【0078】
これによって、冗長アレイやヒューズなどの救済回路のチップ面積に占める割合を大きくすることなく、救済効率が救済単位を固定した従来の方式に比べて大幅に向上した半導体記憶装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係わる半導体記憶装置のアレイ配置を示す図。
【図2】第2の実施形態に係わる半導体記憶装置のアレイ配置と救済回路を示す図。
【図3】第2の実施形態に用いたヒューズ回路の構成及びタイミングを示す図。
【図4】第2の実施形態に用いたヒューズ回路の断面図と平面図。
【図5】第3の実施形態に係わる半導体記憶装置のアレイ配置と救済回路を示す図。
【図6】第4の実施形態に係わる半導体記憶装置のアレイ配置と救済回路を示す図。
【図7】第5の実施形態に係わる半導体記憶装置のアレイ配置と救済回路を示す図。
【図8】第6の実施形態に係わる半導体記憶装置のアレイ配置と救済回路を示す図。
【図9】図8の一部を拡大して示す図。
【図10】第1の従来例のアレイ配置と救済回路を示す図。
【図11】第2の従来例のアレイ配置と救済回路を示す図。
【図12】第3の従来例のアレイ配置と救済回路を示す図。
【図13】第4の従来例のアレイ配置と救済回路を示す図。
【図14】第4の従来例の問題点を説明するための図。
【図15】第5の従来例のアレイ配置と救済回路を示す図。
【符号の説明】
MA…メモリセルアレイ(正規メモリセルアレイ)
SA…冗長アレイ(冗長メモリセルアレイ)
W…ワード線
SW…救済ワード線
X…ロウデコーダ
Y…カラムデコーダ
SX…冗長ロウデコーダ
A…演算回路
F…ヒューズ回路
SD…判定回路
Claims (29)
- 複数本のワード線と複数本のビット線との各交点にメモリセルを逐一又は選択的に配置してなる正規メモリセルアレイと、この正規メモリセルアレイと基本構成を同様とし、該メモリセルアレイのワード線,ビット線,或いはメモリセルの不良を置き換えるための冗長メモリセルアレイと、正規メモリセルアレイの不良部分に対するアクセスを検知し、これを冗長メモリセルアレイに対するアクセスへと置き換える複数の置き換え手段とを備えた半導体記憶装置であって、
前記各置き換え手段は、前記正規メモリセルアレイ中の不良部分を含む単位整数のワード線或いはビット線へのアクセスを、前記冗長メモリセルアレイの同数のワード線或いはビット線へのアクセスへと置き換えるものであり、
前記単位整数の値は2種類以上設定され、かつ前記各置き換え手段のそれぞれについて単位整数の値が固定されていることを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記各置き換え手段は、前記正規メモリセルアレイにおける不良アドレスの開始アドレスを記憶するヒューズ回路によって構成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
- 前記単位整数は、2の乗数(1,2,4,8,…)であることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体記憶装置。
- 前記冗長メモリセルアレイにおける冗長メモリセルの最小単位は、冗長メモリセルの総数を前記置き換え手段の総数で割った数よりも少ない数のメモリセルによって構成され、
前記単位整数の最小値は1であり、前記単位整数の最大値は、前記冗長メモリセルの最小単位に含まれるメモリセル数の整数倍が、前記冗長メモリセルの総数を前記置き換え手段の総数で割った数よりも多い数となるような値であることを特徴とする請求項3記載の半導体記憶装置。 - 前記ヒューズ回路は前記ビット線と同じ配線層によって形成され、チップの加工プロセスの終了後にレーザビーム或いはイオンビームを用いて該ヒューズ回路を切断することによって、冗長メモリセルへと置き換える前記不良アドレスを記憶することを特徴とする請求項2記載の半導体記憶装置。
- 前記ヒューズ回路はビット線加工よりも後に形成されるアルミニウム金属配線層によって形成され、チップの加工プロセスの終了後にレーザビーム或いはイオンビームを用いて該ヒューズ回路を切断することによって、冗長メモリセルへと置き換える前記不良アドレスを記憶することを特徴とする請求項2記載の半導体記憶装置。
- 前記冗長メモリセルの最小単位は、1本のワード線及びこれにつながるメモリセルからなることを特徴とする請求項4記載の半導体記憶装置。
- 前記冗長メモリセルの最小単位は、1本のビット線と1本の参照ビット線の組及びこれらにつながるメモリセルからなることを特徴とする請求項4記載の半導体記憶装置。
- 複数本のワード線と複数本のビット線との交点に配置された正規セルを有する正規メモリセルアレイと、
この正規メモリセルアレイと基本構成を同様とし、スペアセルを有する冗長メモリセルアレイと、
不良を救済するために、前記正規セルに繋がっている少なくとも1本のワード線又はビット線を前記スペアセルに繋がっているワード線又はビット線に置き換える複数の置き換え手段とを具備し、
前記置き換え手段の置き換え本数は複数種類設定され、かつ各置き換え手段のそれぞれについて置き換え本数の値が固定されていることを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記複数の置き換え手段は、nを正の整数として、n本のワード線又はビット線を個別に置き換える複数の第1の置き換え手段と、N>nとして、N本のワード線又はビット線を個別に置き換える複数の第2の置き換え手段とを有し、前記第1の置き換え手段は前記第2の置き換え手段より多く設けられていることを特徴とする請求項9記載の半導体記憶装置。
- 前記置き換え手段の置き換え本数はそれぞれ、nを整数として、2n に設定されていることを特徴とする請求項9記載の半導体記憶装置。
- 前記置き換え手段には、2本のワード線又はビット線を個別に置き換える複数の第1の置き換え手段と、4本のワード線又はビット線を個別に置き換える少なくとも1つの第2の置き換え手段とが含まれ、前記第1の置き換え手段は前記第2の置き換え手段より多く設けられていることを特徴とする請求項11記載の半導体記憶装置。
- 前記置き換え手段には、8本のワード線又はビット線を置き換える少なくとも1つの第3の置き換え手段がさらに含まれていることを特徴とする請求項12記載の半導体記憶装置。
- 前記置き換え手段には、1本のワード線又はビット線を置き換える複数の第4の置き換え手段がさらに含まれ、前記第4の置き換え手段は前記第1の置き換え手段より多く設けられていることを特徴とする請求項13記載の半導体記憶装置。
- 前記置き換え手段のそれぞれは、置き換え対象のワード線又はビット線の中の特定の1本に関するアドレスを記憶する記憶手段と、前記記憶されているアドレスとそれぞれの置き換え本数とに基づいて、アクセス対象のワード線又はビット線を置き換えるか否かを判定する判定手段とを有していることを特徴とする請求項9記載の半導体記憶装置。
- 前記記憶手段は、前記アドレスを記憶するために選択的に切断される複数のヒューズエレメントを有していることを特徴とする請求項15記載の半導体記憶装置。
- 前記ヒューズエレメントは、前記ビット線と同じ配線層によって形成されていることを特徴とする請求項16記載の半導体記憶装置。
- 前記ヒューズエレメントは、前記ビット線の上に形成されるアルミニウム金属配線層によって形成されていることを特徴とする請求項16記載の半導体記憶装置。
- 複数のワード線と複数のビット線との交点に配置された正規セルを有する正規メモリセルアレイと、
この正規メモリセルアレイと基本構成を同様とし、スペアセルを有する冗長メモリセルアレイと、
不良を救済するために、前記正規セルに繋がっている少なくとも1本のワード線又はビット線を前記スペアセルに繋がっているワード線又はビット線に置き換える少なくとも1つの第1の置き換え手段と、
他の不良を救済するために、前記正規セルに繋がっている少なくとも1本のワード線又はビット線を前記スペアセルに繋がっているワード線又はビット線に置き換える少なくとも1つの第2の置き換え手段とを具備し、
前記第1の置き換え手段の置き換え本数と前記第2の置き換え手段の置き換え本数はそれぞれ固定されていて、前記第2の置き換え手段の置き換え本数は前記第1の置き換え手段の置き換え本数より多いことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記第1の置き換え手段は前記第2の置き換え手段より多く設けられることを特徴とする請求項19記載の半導体記憶装置。
- 前記第1の置き換え手段と前記第2の置き換え手段それぞれは、置き換え対象のワード線又はビット線の中の特定の1本に関するアドレスを記憶する記憶手段と、前記記憶されたアドレスとそれぞれ固定されている置き換え本数とに基づいて、アクセス対象のワード線又はビット線を置き換えるか否かを判定する判定手段とを有していることを特徴とする請求項19記載の半導体記憶装置。
- 1本のワード線或いはビット線のアドレスを表すために必要なビット数がkであるとき、置き換え対象のワード線或いはビット線のアドレスはkと同数かkよりも少ない特定のj1或いはj2ビットによって共通に表され、
前記第1の置き換え手段或いは前記第2の置き換え手段それぞれは、kと同数かkよりも少ない特定のj1或いはj2ビットのアドレスをそれぞれ記憶する記憶手段を有し、
前記記憶された特定のj1或いはj2ビットのアドレスと、アクセス対象のワード線又はビット線のアドレスの上記特定のj1ビット或いはj2ビットが一致した場合に、アクセス対象のワード線又はビット線を置き換え、記憶された何れのアドレスにも一致しない場合には置き換えない手段を有していることを特徴とする請求項19記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の置き換え手段の置き換え本数と前記第2の置き換え手段の置き換え本数はそれぞれ、nを整数として、2n に設定されていることを特徴とする請求項19記載の半導体記憶装置。
- 前記第1の置き換え手段は2本のワード線又はビット線を個別に置き換え、前記第2の置き換え手段は4本のワード線又はビット線を個別に置き換えることを特徴とする請求項23記載の半導体記憶装置。
- 1本のワード線又はビット線を置き換える複数の第3の置き換え手段をさらに具備したことを特徴とする請求項24記載の半導体記憶装置。
- 前記第3の置き換え手段の数は、前記第2の置き換え手段と同数かそれ以上の数であることを特徴とする請求項25記載の半導体記憶装置。
- 8本のワード線又はビット線を置き換える少なくとも1つの第3の置き換え手段をさらに具備したことを特徴とする請求項24記載の半導体記憶装置。
- 前記第3の置き換え手段の数は、前記第1の置き換え手段と同数かそれ以上の数であることを特徴とする請求項27記載の半導体記憶装置。
- 前記第1の置き換え手段の置き換え本数と前記第2の置き換え手段の置き換え本数のいずれとも異なる本数のワード線又はビット線を置き換える少なくとも1つの第3の置き換え手段をさらに具備したことを特徴とする請求項19記載の半導体記憶装置。
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