JPH11260878A - Semiconductor device and its defect prediction mechanism - Google Patents
Semiconductor device and its defect prediction mechanismInfo
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- JPH11260878A JPH11260878A JP10056405A JP5640598A JPH11260878A JP H11260878 A JPH11260878 A JP H11260878A JP 10056405 A JP10056405 A JP 10056405A JP 5640598 A JP5640598 A JP 5640598A JP H11260878 A JPH11260878 A JP H11260878A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関する
ものであり、主に半導体装置の構造とそれを利用した電
子機器装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a structure of a semiconductor device and an electronic apparatus using the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体装置の不良予測方法としては、加
速試験を実施し、寿命を予測する方法があるが、試験を
実施するために半導体装置毎にテスト回路/プログラム
等を用意する必要が有る。また、試験の結果が出るまで
に膨大な時間がかかり、新しい部品を早期に使わなくて
は、製品の競争力が失われるような、PC(パーソナル
コンピュータ)や家電製品では、長時間の試験は省略さ
れるようになってきた。一方、半導体装置は、パッケー
ジの小型化/プロセスの微細化が進み、新たな信頼性の
問題が出てきている。2. Description of the Related Art As a method of estimating a defect of a semiconductor device, there is a method of estimating a life by performing an accelerated test, but it is necessary to prepare a test circuit / program for each semiconductor device in order to execute a test. . In addition, it takes an enormous amount of time to obtain test results, and long-term testing is not possible for PCs (personal computers) and home appliances, where the competitiveness of the product is lost unless new parts are used early. It has begun to be omitted. On the other hand, in semiconductor devices, the miniaturization of packages and the miniaturization of processes have progressed, and new reliability problems have emerged.
【0003】現在、不良の発見は検査工程もしくはユー
ザで使用中にPC等の製品が動作異常を起こすという現
象が出て初めて分かり、その不良が発生した半導体装置
を特定することも容易ではない。[0003] At present, it is known only when a defect is found that a product such as a PC causes an abnormal operation during an inspection process or during use by a user, and it is not easy to identify a semiconductor device in which the defect has occurred.
【0004】半導体装置の信頼性不良を予測し、回避す
る方法として、特開平9−162359号公報がある
が、この方法はMOS回路部にインバータもしくはMO
Sキャパシタ等で構成する信頼性評価用素子を設け、こ
の検出信号によって不良予測/回避するものである。Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-162359 discloses a method for predicting and avoiding a reliability failure of a semiconductor device.
A reliability evaluation element composed of an S capacitor or the like is provided, and a failure is predicted / avoided based on the detection signal.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】近年、半導体装置はパ
ッケージの小型化、プロセスの微細化が進み、これらに
よる信頼性の問題が深刻化してきている。In recent years, semiconductor devices have been increasingly miniaturized in packages and finer in process, and the reliability problems due to these have become more serious.
【0006】その1つは耐湿性の問題である。現在、チ
ップ上の配線に使われる金属は、低抵抗率/シリコン
(Si)や二酸化シリコン(SiO2)層との密着性/
パターン加工性/蒸着の容易性/入手性/低コストなど
の面から、アルミニウム(Al)が使われている。この
ような長所の一方、アルミ配線は水分による腐食で断線
するという欠点を持っている。水分からアルミ配線を保
護する目的で、図6のようにチップの上層部に耐湿性に
優れたパシベーション層19で覆っている。One of them is a problem of moisture resistance. Currently, the metal used for wiring on the chip is low resistivity / adhesion with silicon (Si) or silicon dioxide (SiO2) layer /
Aluminum (Al) is used in terms of pattern workability / ease of vapor deposition / availability / low cost. On the other hand, aluminum wiring has a disadvantage that it is broken by corrosion due to moisture. For the purpose of protecting the aluminum wiring from moisture, the upper layer of the chip is covered with a passivation layer 19 having excellent moisture resistance as shown in FIG.
【0007】半導体装置のパッケージの小型化という面
で、従来から多く使われている図3のようなQFP(Q
uad Flat Package)は薄型化/小型化
が進み、また図4のようなBGA(Ball Grid
Array)が近年多く使われる様になった。これら
のパッケージはチップ4を機械的に保護しているパッケ
ージ樹脂1の樹脂厚が薄いため、基板への実装時の熱ス
トレスで、図3/図4のように、パッケージ1にクラッ
ク2が発生したり、チップ自体にクラックが入ることが
ある。In view of the miniaturization of the package of a semiconductor device, a QFP (QP) as shown in FIG.
The uad Flat Package is becoming thinner and smaller, and a BGA (Ball Grid) as shown in FIG.
Array) has recently become widely used. In these packages, since the resin thickness of the package resin 1 that mechanically protects the chip 4 is small, cracks 2 are generated in the package 1 as shown in FIGS. Or the chips themselves may crack.
【0008】この時の衝撃でチップ上面を覆っている、
パシベーション膜19が破壊されれば、クラック2から
水分が浸入し、チップパターン間ショートやAl配線の
腐食により断線する。仮にパッケージ樹脂1にクラック
2が発生しなくても、パッシベーション膜19に欠陥が
ある場合は、パッケージ樹脂1の素材がプラスチックパ
ッケージの場合は、水分を透過するので、同様の腐食が
進行することが考えられる。[0008] The impact at this time covers the upper surface of the chip,
If the passivation film 19 is destroyed, moisture penetrates through the cracks 2 and breaks due to short circuit between chip patterns or corrosion of Al wiring. Even if the crack 2 does not occur in the package resin 1, if the passivation film 19 has a defect, if the material of the package resin 1 is a plastic package, moisture permeates, so that similar corrosion may progress. Conceivable.
【0009】半導体素子の小型化という点では、図5の
ようなFC(フリップチップ)実装がある。FC実装は
半導体素子4をバンプ16により、プリント基板17に
直接実装しているため、熱膨張係数差による応力の影響
を受けやすい。プリント基板17の熱膨張係数は半導体
素子4の約4倍有り、FC実装の場合、直接この応力が
バンプ16や半導体素子4にかかるため、エポキシ系の
封止樹脂15で応力を分散している。しかし応力の繰り
返し的な印加や封止樹脂15の劣化等で、封止樹脂15
にクラックが発生した場合は、前述と同様に水分による
アルミ配線の腐食が起きる。また、応力の繰り返しで、
ストレスマイグレーションといわれるAl配線の疲労断
線が起こることも有る。In terms of miniaturization of semiconductor elements, there is FC (flip chip) mounting as shown in FIG. In the FC mounting, since the semiconductor element 4 is directly mounted on the printed circuit board 17 by the bumps 16, the semiconductor element 4 is easily affected by stress due to a difference in thermal expansion coefficient. The thermal expansion coefficient of the printed circuit board 17 is about four times that of the semiconductor element 4. In the case of FC mounting, the stress is directly applied to the bump 16 and the semiconductor element 4. Therefore, the stress is dispersed by the epoxy-based sealing resin 15. . However, due to repeated application of stress or deterioration of the sealing resin 15, the sealing resin 15
In the case where cracks occur, corrosion of the aluminum wiring due to moisture occurs as described above. Also, by repeating the stress,
Fatigue disconnection of the Al wiring called stress migration may occur.
【0010】もう一つはエレクトロマイグレーションの
問題である。エレクトロマイグレーションのメカニズム
は良く知られていて、Al配線に電流が流れると、電子
の流れる方向にAlイオンが移動し、長時間この状態を
継続すると、陰極側にボイドが発生し、更に進行すると
最終的に断線するものである。逆に陽極側ではホイスカ
が発生し、進行すると最終的には絶縁破壊(短絡)す
る。この現象はAl配線の電流密度が大きい程、進行す
る。Another problem is electromigration. The mechanism of electromigration is well known. When a current flows through the Al wiring, Al ions move in the direction in which electrons flow, and if this state is continued for a long time, voids are generated on the cathode side. It is a disconnection. Conversely, whiskers are generated on the anode side, and when the whiskers progress, eventually, dielectric breakdown (short circuit) occurs. This phenomenon progresses as the current density of the Al wiring increases.
【0011】半導体装置は年々集積度を上げる為、プロ
セスの微細化が進み、それに伴いAl配線も細く/断面
積も小さくなるので、電流密度も増加する傾向にある。
この為、エレクトロマイグレーションの問題もクローズ
アップされてきている。[0013] In order to increase the degree of integration of semiconductor devices year by year, the miniaturization of the process is progressing. As the Al wiring becomes thinner and the cross-sectional area becomes smaller, the current density tends to increase.
For this reason, the problem of electromigration has been highlighted.
【0012】以上のAl配線に関する、水分による腐食
とエレクトロマイグレーションの2つの問題に対し、不
良の予測と不良箇所の特定を複雑な回路やプログラムを
使うことなく実現するものである。With respect to the above-mentioned two problems relating to the Al wiring, namely, corrosion due to moisture and electromigration, it is possible to predict a defect and specify a defective portion without using a complicated circuit or program.
【0013】尚、半導体装置の信頼性不良を予測し、回
避する方法として、特開平9−162359号公報があ
るが、この方法はMOS回路部にインバータもしくはM
OSキャパシタ等で構成する信頼性評価用素子を設け、
この検出信号によって不良予測/回避するものである。
このような信頼性評価用素子は図6/図7のようなMO
S構造自体を使っているため、検出率はすなわち、全体
のチップ面積に対する検出回路に使用するチップ面積と
なり、検出率を上げるためには検出回路が膨大に必要に
なり実用的でない。As a method of predicting and avoiding a reliability failure of a semiconductor device, there is Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-162359.
A reliability evaluation element composed of an OS capacitor or the like is provided.
This detection signal is used to predict / avoid defects.
Such an element for evaluating reliability is an MO as shown in FIGS.
Since the S structure itself is used, the detection rate is, in other words, the chip area used for the detection circuit with respect to the entire chip area. In order to increase the detection rate, an enormous number of detection circuits are required, which is not practical.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明の代表的なものの
概略を簡単に説明すれば、半導体装置において、半導体
素子中央部に半導体素子回路部を有し、半導体素子回路
からAl配線/検出信号作成回路/抵抗素子などから成
る、不良予測回路を介し外部端子に不良予測信号端子を
提供する。To briefly explain the outline of a typical one of the present invention, a semiconductor device has a semiconductor element circuit portion in the center of a semiconductor element, and an Al wiring / detection signal from the semiconductor element circuit. A failure prediction signal terminal is provided to an external terminal via a failure prediction circuit including a creation circuit / resistance element.
【0015】また、本発明によれば不良予測回路を構成
する、Al配線は半導体素子の最外周に出来るだけ近接
した部位を通るように配線され、ほぼ一周半導体素子を
囲むように、一本または複数本接触することなく並列に
提供される。Further, according to the present invention, the Al wiring, which constitutes the failure prediction circuit, is wired so as to pass through a portion as close as possible to the outermost periphery of the semiconductor element. Multiple pieces are provided in parallel without contact.
【0016】また本発明によれば上記Al配線は抵抗素
子を介し、半導体素子回路の電源またはグランドに接続
され、常に一定方向に電流が流れるように設定されてい
る。不良予測回路を構成するAl配線の太さ及び電流密
度は、半導体素子部に使用されているAl配線の太さ及
び電流密度とほぼ同一になるように提供される。Further, according to the present invention, the Al wiring is connected to the power supply or the ground of the semiconductor element circuit via the resistance element, and is set so that a current always flows in a fixed direction. The thickness and the current density of the Al wiring constituting the failure prediction circuit are provided to be substantially the same as the thickness and the current density of the Al wiring used in the semiconductor element portion.
【0017】Al配線の終端部にはロジックで構成する
検出信号作成回路が設けられその出力として検出信号が
提供されている。Al配線の電圧は検出信号作成回路の
スレッシュホルド電圧領域を外すように、すなわちロジ
ックレベルで“H”又は“L”に設定され、かつAl配
線がオープン又は近接するAl配線とショートした場
合、ロジックレベルで“H→L”または“L→H”に変
化するように提供されている。この変化によって検出信
号作成回路から検出信号が出力されるように提供され
る。A detection signal generation circuit composed of logic is provided at the terminal end of the Al wiring, and a detection signal is provided as an output thereof. The voltage of the Al wiring is set to be "H" or "L" at the logic level so as to leave the threshold voltage region of the detection signal generation circuit, and if the Al wiring is open or short-circuited with the adjacent Al wiring, It is provided to change from “H → L” or “L → H” at the level. It is provided that the detection signal is output from the detection signal generation circuit by this change.
【0018】検出回路はそのまま半導体装置の入出力端
子によっ外部に出力されるか、または半導体装置の内部
レジスタの不良予測ビットに一旦格納する方法がある。
不良予測ビットに一旦格納する方法の場合、検出信号は
検出信号読み込みコントローラから出力されるラッチ信
号によって、検出信号ラッチ回路に格納され、特定のレ
ジスタ内の不良予測ビットに入る。このレジスタの情報
は他のレジスタの読み出しと同様に外部から読み出し命
令で出力されるよう提供される。There is a method in which the detection circuit is directly output to the outside through an input / output terminal of the semiconductor device or temporarily stored in a failure prediction bit of an internal register of the semiconductor device.
In the case of the method of temporarily storing in the failure prediction bit, the detection signal is stored in the detection signal latch circuit by the latch signal output from the detection signal reading controller, and enters the failure prediction bit in a specific register. The information of this register is provided so as to be output by a read command from outside similarly to the reading of other registers.
【0019】本発明によれば、この不良予測ビットは製
品のファームウエアによって定期的に監視され複数の半
導体装置のうち一つでも不良予測ビットが変化した場
合、モニター等を介してアラームを出力するよう構成さ
れる。According to the present invention, the failure prediction bit is periodically monitored by the firmware of the product, and if any one of the plurality of semiconductor devices changes the failure prediction bit, an alarm is output via a monitor or the like. It is configured as follows.
【0020】[0020]
【発明の実施の形態】(実施の形態1)図1及び図2は
本発明の一実施例に基づく半導体装置の半導体素子部を
示す図である。半導体素子回路部は半導体の動作回路を
構成する部分で、以下一般的なCMOS構造で説明を行
うが、本発明は半導体素子のプロセス構造はこれに限定
されない。一般的なCMOS構造は、図6/図7のよう
な断面構造をしており、このCMOS構造を基に半導体
の機能を実現する回路を構成している。(Embodiment 1) FIGS. 1 and 2 are views showing a semiconductor element portion of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. The semiconductor element circuit portion is a part constituting a semiconductor operation circuit, and will be described below with a general CMOS structure. However, the present invention is not limited to the semiconductor device process structure. A general CMOS structure has a cross-sectional structure as shown in FIGS. 6 and 7, and forms a circuit that realizes a semiconductor function based on the CMOS structure.
【0021】図6/図7のCMOS構造はn型シリコン
23上にPMOSを構成するG(ゲート)25、S(ソ
ース)26、D(ドレイン)27を有し、pウエル24
上にNMOSを構成するG(ゲート)25、S(ソー
ス)26、D(ドレイン)27を有し、PMOS−NM
OS間を層間絶縁膜22とアルミ配線20で必要な部分
だけ、電気的接続をしたものである。アルミ配線は低抵
抗率/シリコン(Si)や二酸化シリコン(SiO2)
層との密着性/パターン加工性/蒸着の容易性/入手性
/低コストなどの面から、アルミニウム(Al)が使わ
れている。このような長所の一方、アルミ配線は水分に
よる腐食で断線するという欠点を持っている。水分から
アルミ配線を保護する目的で図6/図7のようにチップ
の上層部に耐湿性に優れたパシベーション層19で覆っ
ている。The CMOS structure shown in FIGS. 6 and 7 has a G (gate) 25, an S (source) 26, and a D (drain) 27 constituting a PMOS on an n-type silicon 23, and a p-well 24.
A PMOS-NM has a G (gate) 25, an S (source) 26, and a D (drain) 27 which constitute an NMOS on the top.
Only the necessary portions of the OS are electrically connected by the interlayer insulating film 22 and the aluminum wiring 20. Aluminum wiring has low resistivity / silicon (Si) or silicon dioxide (SiO2)
Aluminum (Al) is used in terms of adhesion to the layer / pattern processability / ease of deposition / availability / low cost. On the other hand, aluminum wiring has a disadvantage that it is broken by corrosion due to moisture. As shown in FIGS. 6 and 7, the upper layer of the chip is covered with a passivation layer 19 having excellent moisture resistance for the purpose of protecting the aluminum wiring from moisture.
【0022】上記CMOS構造から図1の半導体素子回
路部12が構成されており、図2のように抵抗素子14
a〜14d及び検出信号作成回路がこの半導体素子回路
部12に有り、半導体素子4の最外周に出来るだけ近接
した部位をAl配線9が通る様に配線され、ほぼ一周半
導体素子4を囲むように、一本または複数本接触するこ
となく並列に提供されている。抵抗素子14a〜14d
の抵抗値及びAl配線は次のような点で設定されたもの
が望ましい。The semiconductor element circuit section 12 shown in FIG. 1 is constructed from the above CMOS structure, and the resistance element 14 shown in FIG.
a to 14d and a detection signal generation circuit are provided in the semiconductor element circuit section 12, and are arranged so that the Al wiring 9 passes through a portion as close as possible to the outermost periphery of the semiconductor element 4 so as to substantially surround the semiconductor element 4 around the circumference. , One or more are provided in parallel without contact. Resistance elements 14a to 14d
It is desirable that the resistance value and the Al wiring are set in the following points.
【0023】図1のAl配線9は半導体素子回路部1
2に配線している図7のAl配線20と配線の幅を同一
にする。図1のAl配線9を複数配線する場合には、
半導体素子回路部12に配線している図7のAl配線2
0で配線している間隔と同一にする。図1のAl配線
9には一定方向に電流が一定値流れるようにし、電流値
は図7のAl配線20の電流密度の最大値に近似させた
値とする。図1のAl配線9の電圧は検出信号作成回
路29のスレシュホルド電圧領域を外すように、すなわ
ちロジック“H”又は“L”に設定され、かつAl配線
9がオープンまたは近接するAl配線9どうしがショー
トした場合、ロジックレベルで“H→L”または“L→
H”に変化するように設定する。The Al wiring 9 shown in FIG.
The width of the wiring is the same as that of the Al wiring 20 of FIG. When wiring a plurality of Al wirings 9 in FIG.
Al wiring 2 of FIG. 7 wired to the semiconductor element circuit section 12
0 is the same as the wiring interval. A constant current flows in the Al wiring 9 in FIG. 1 in a fixed direction, and the current value is a value approximating the maximum value of the current density of the Al wiring 20 in FIG. The voltage of the Al wiring 9 in FIG. 1 is set so as to be outside the threshold voltage region of the detection signal generation circuit 29, that is, set to logic “H” or “L”, and the Al wiring 9 in which the Al wiring 9 is open or close to each other. When short-circuited, the logic level changes from “H → L” or “L →
H ”.
【0024】上記項を図2を例に、図2の検出信号作
成回路29の入力特性をVIH(入力High電圧)、
VIL(入力Low電圧)として、Al配線に流れる電
流をI(A)、電源電圧をVcc(V)とすると、例と
して下記式を満足する抵抗値が考えられる。Taking the above term as an example in FIG. 2, the input characteristics of the detection signal creation circuit 29 in FIG. 2 are VIH (input high voltage),
Assuming that the current flowing through the Al wiring is I (A) and the power supply voltage is Vcc (V) as VIL (input low voltage), a resistance value that satisfies the following equation can be considered as an example.
【0025】電流値からVcc/(Ra+Rb)=
I、Vcc/(Rc+Rd)=I RcとRd間のA
l配線の電圧をVIL以下に設定すると、Rc/(Rc
+Rd)×Vcc≦VIL RaとRb間のAl配線
の電圧をVIH以上に設定するとRb/(Ra+Rb)
×Vcc≧VIH Al配線間がショートしたとき、
Al配線の電圧をVIH以上になるように設定すると、
((Rb//Rc)/(Rb//Rc)+(Ra//R
d))×Vcc≧VIHとなる。またショート時にAl
配線に過電流が流れることが考えられるので、発熱等で
破壊しないように考慮して抵抗値を決定すべきである。From the current value, Vcc / (Ra + Rb) =
I, Vcc / (Rc + Rd) = I A between Rc and Rd
When the voltage of the l wiring is set to VIL or less, Rc / (Rc
+ Rd) × Vcc ≦ VIL When the voltage of the Al wiring between Ra and Rb is set to VIH or more, Rb / (Ra + Rb)
× Vcc ≧ VIH When a short circuit occurs between Al wirings,
When the voltage of the Al wiring is set to be equal to or higher than VIH,
((Rb // Rc) / (Rb // Rc) + (Ra // R
d)) × Vcc ≧ VIH. When short circuit
Since it is conceivable that an overcurrent flows in the wiring, the resistance value should be determined so as not to be damaged by heat generation or the like.
【0026】以上で設定した図2の回路では、Al配線
が正常な場合、V1=“H” V2=“L”に設定さ
れ、Vo=“H”が出力されているが、Ra−Rb間の
Al配線が断線した場合、V1=“H→L”に変わり、
Vo=“L”が出力される。Rc−Rd間のAl配線が
断線した場合は、V1=“L→H”に変わり、Vo=
“L”が出力される。Al配線間でショートした場合は
V1=V2=“H”になりVo=“L”が出力される。
すなわち図2の回路の場合、Vo=“H”の時は正常で
“L”の時は異常が発生したということが判別可能にな
る。In the circuit of FIG. 2 set as described above, when the Al wiring is normal, V1 = “H”, V2 = “L”, and Vo = “H” is output. V1 = “H → L” when the Al wiring is disconnected,
Vo = “L” is output. When the Al wiring between Rc and Rd is broken, V1 changes from “L → H” and Vo =
“L” is output. When a short circuit occurs between the Al wirings, V1 = V2 = “H” and Vo = “L” is output.
That is, in the case of the circuit of FIG. 2, when Vo = "H", it is possible to determine that it is normal and when "L", it is possible to determine that an abnormality has occurred.
【0027】半導体素子4を機械的に保護する目的で、
図3のSOP/QFPや図4のBGAのように、パッケ
ージ樹脂1によってモールドされている。年々薄型化/
小型化が進み、パッケージ樹脂1の樹脂厚が薄くなって
きており、基板実装時の熱(主にリフローの熱)によっ
て図3や図4のようにクラック2が発生することがあ
る。このクラック2は半導体素子4やダイ5とパッケー
ジ樹脂1の熱膨張係数差による応力が原因であり、半導
体素子4やダイ5とパッケージ樹脂1のエッジ部分に沿
って発生する。For the purpose of mechanically protecting the semiconductor element 4,
Like the SOP / QFP in FIG. 3 and the BGA in FIG. Every year thinner /
As the miniaturization progresses, the resin thickness of the package resin 1 is becoming thinner, and cracks 2 may occur as shown in FIGS. 3 and 4 due to heat at the time of mounting the substrate (mainly heat of reflow). The crack 2 is caused by a stress due to a difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor element 4 or the die 5 and the package resin 1 and is generated along an edge portion between the semiconductor element 4 or the die 5 and the package resin 1.
【0028】この時の衝撃でチップ上面を覆っている、
パシベーション膜19が破壊されることが有り、クラッ
ク2から水分が浸入し、チップパターン間ショートやA
l配線の腐食により断線する。仮にパッケージ樹脂1に
クラック2が発生しなくても、パッシベーション膜19
に欠陥がある場合は、パッケージ樹脂1の素材がプラス
チックパッケージの場合は、水分を透過するので、同様
の腐食が進行することが考えられる。このような腐食
は、クラック2が発生しやすい半導体素子4の外周部
が、一番先に進行する可能性が高いため、図1のAl配
線9が先に腐食断線すると考えられる。そのため、半導
体内部が腐食したかどうかは図3の検出信信号が“L”
になったかどうか確認するだけで良いことになる。The impact at this time covers the upper surface of the chip.
In some cases, the passivation film 19 may be destroyed.
l Disconnection due to corrosion of wiring. Even if the crack 2 does not occur in the package resin 1, the passivation film 19
In the case where there is a defect, if the material of the package resin 1 is a plastic package, moisture permeates, so that similar corrosion may proceed. It is considered that such corrosion has a high possibility that the outer peripheral portion of the semiconductor element 4 in which the crack 2 is likely to occur proceeds first, so that the Al wiring 9 in FIG. Therefore, the detection signal of FIG.
All you have to do is check if it has become.
【0029】図5のようなFC(フリップチップ)実装
では半導体素子4をバンプ16により、プリント基板1
7に直接実装しているため、熱膨張係数差による応力の
影響を受けやすい。プリント基板17の熱膨張係数は半
導体素子4の約4倍有り、FC実装の場合、直接この応
力がバンプ16や半導体素子4にかかるため、エポキシ
系の封止樹脂15で応力を分散している。しかし応力の
繰り返し的な印加や封止樹脂15の劣化等で、封止樹脂
15にクラックが発生した場合は、前述と同様に水分に
よるアルミ配線の腐食が起きる。また、応力の繰り返し
で、ストレスマイグレーションといわれるAl配線の疲
労断線が起こることも有る。この場合も封止樹脂15の
劣化で水分が浸入ときは、半導体素子4の外周部分から
入ると考えられるので、図1のAl配線9が先に腐食断
線すると考えられる。また応力の繰り返しで、ストレス
マイグレーションが発生した場合でも、図1のAl配線
9が断線すると考えられるので、図3の検出信号が
“L”になったかどうか確認するだけで不良予測が出来
る。In the case of FC (flip chip) mounting as shown in FIG.
7, it is easily affected by stress due to a difference in thermal expansion coefficient. The thermal expansion coefficient of the printed circuit board 17 is about four times that of the semiconductor element 4. In the case of FC mounting, the stress is directly applied to the bump 16 and the semiconductor element 4. Therefore, the stress is dispersed by the epoxy-based sealing resin 15. . However, when cracks occur in the sealing resin 15 due to repeated application of stress, deterioration of the sealing resin 15, and the like, corrosion of the aluminum wiring due to moisture occurs as described above. Further, due to repetition of stress, fatigue disconnection of the Al wiring called stress migration may occur. Also in this case, when moisture enters due to deterioration of the sealing resin 15, it is considered that the moisture enters from the outer peripheral portion of the semiconductor element 4, so that the Al wiring 9 in FIG. Further, even if stress migration occurs due to repetition of stress, it is considered that the Al wiring 9 in FIG. 1 is disconnected, so that a failure can be predicted only by checking whether the detection signal in FIG. 3 has become “L”.
【0030】また、半導体装置は年々集積度を上げる
為、プロセスの微細化が進み、それに伴いAl配線も細
く/断面積も小さくなるので、電流密度も増加する傾向
にある。この為、エレクトロマイグレーションの問題も
クローズアップされてきている。エレクトロマイグレー
ションのメカニズムは良く知られていて、Al配線に電
流が流れると、電子の流れる方向にAlイオンが移動
し、長時間この状態を継続すると、陰極側にボイドが発
生し、更に進行すると最終的に断線するものである。逆
に陽極側ではホイスカが発生し、進行すると最終的には
絶縁破壊(短絡)する。この現象はAl配線の電流密度
が大きい程、進行する。図1のAl配線9には定常一定
方向に電流を流しており、電流密度も図7のAl配線2
0の電流密度の最大値に近似させた値としており、近接
してAl配線9を並列配線しているので、エレクトロマ
イグレーションが発生しやすい状態である。以上から図
3の検出信号が“L”になったかどうか確認すること
で、エレクトロマイグレーションの不良予測ができる。In addition, as the degree of integration of semiconductor devices increases year by year, the miniaturization of the process progresses. As the Al wiring becomes thinner and the cross-sectional area decreases, the current density tends to increase. For this reason, the problem of electromigration has been highlighted. The mechanism of electromigration is well known. When a current flows through the Al wiring, Al ions move in the direction in which electrons flow, and if this state is continued for a long time, voids are generated on the cathode side. It is a disconnection. Conversely, whiskers are generated on the anode side, and when the whiskers progress, eventually, dielectric breakdown (short circuit) occurs. This phenomenon progresses as the current density of the Al wiring increases. A current is constantly flowing in the Al wiring 9 in FIG. 1 in a constant direction, and the current density is the same as the Al wiring 2 in FIG.
Since the Al density is set to a value approximated to the maximum value of the current density of 0 and the Al wirings 9 are arranged in parallel in proximity to each other, electromigration is likely to occur. From the above, the failure of electromigration can be predicted by checking whether the detection signal in FIG. 3 has become “L”.
【0031】図1のように検出信号30を半導体装置の
外部端子として出し、状態を監視することで不良予測が
可能になる。As shown in FIG. 1, the detection signal 30 is output as an external terminal of the semiconductor device, and the failure can be predicted by monitoring the state.
【0032】(実施の形態2)図8及び図9は本発明の
一実施例に基づく不良予測データの監視方法を示す図で
ある。図8の信号検出作成回路29からは実施形態1で
記述した、図3検出信号30が出てきている。すなわ
ち、正常時には“H”不良予測時には“L”が出力され
ている。この信号は定期的に検出信号ラッチ回路32に
取り込まれ、半導体素子内部の特定レジスタ33の不良
予測ビット34に設定される。この格納は検出読み込み
コントローラ36によって行われるが、外部からの命令
や半導体装置内部のタイマーによって行っても良く、こ
の格納方法は特定しない。不良予測ビット34の情報は
通常のレジスタリード動作でデータBUS38から出力
可能である。(Embodiment 2) FIGS. 8 and 9 are diagrams showing a method for monitoring failure prediction data according to an embodiment of the present invention. The detection signal 30 shown in FIG. 3 described in the first embodiment is output from the signal detection creation circuit 29 in FIG. That is, "H" is output when normal and "L" is output when failure is predicted. This signal is periodically taken into the detection signal latch circuit 32 and set in the failure prediction bit 34 of the specific register 33 inside the semiconductor device. This storage is performed by the detection and reading controller 36, but may be performed by an external command or a timer inside the semiconductor device, and the storage method is not specified. The information of the failure prediction bit 34 can be output from the data BUS 38 by a normal register read operation.
【0033】この不良予測ビットは製品のファームウエ
アによって定期的に監視され複数の半導体装置のうち一
つでも不良予測ビットが変化した場合、モニター等を介
してアラームを出力するよう構成される。The failure prediction bit is periodically monitored by the firmware of the product, and when any one of the plurality of semiconductor devices changes the failure prediction bit, an alarm is output via a monitor or the like.
【0034】(実施の形態3)図10は本発明の一実施
例に基づくAl配線の配線形状を示す図である。この図
10は図1のアルミ配線9の配線形状を示した上面図で
ある。(a)は直線的に二本のAl配線9を並列に、
(b)は凹凸上に配線したもので(b)は(a)に比べ
アルミ配線の総距離が長くなるため、水分による腐食が
発生しやすくなり、検出率を増加されることが出来る。(Embodiment 3) FIG. 10 is a view showing a wiring shape of an Al wiring based on one embodiment of the present invention. FIG. 10 is a top view showing the wiring shape of the aluminum wiring 9 of FIG. (A) shows two Al wirings 9 in parallel in a straight line,
(B) is one in which wiring is performed on unevenness, and (b) has a longer total distance of the aluminum wiring than (a), so that corrosion due to moisture is likely to occur and the detection rate can be increased.
【0035】[0035]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体装置の耐湿性の不良やエレクトロマイグレーショ
ン、また応力の繰り返しで発生するストレスマイグレー
ション等の不良を予測し、回避することが可能である。
実装時の熱に弱いBGAパッケージや半導体素子に直接
応力が加わるFC実装のような半導体装置に特に有効で
ある。本発明は特別な検査環境を必要としないため、時
間的/コスト的に有用であり、特にシステムダウンが許
されない、コンピュータ製品においては利用価値は大き
いと言える。As described above, according to the present invention, it is possible to predict and avoid defects such as poor moisture resistance and electromigration of semiconductor devices, and stress migration caused by repeated stress. .
This is particularly effective for a semiconductor device such as a BGA package which is weak to heat at the time of mounting and an FC mounting in which a stress is directly applied to a semiconductor element. Since the present invention does not require a special inspection environment, it is useful in terms of time and cost, and it can be said that the present invention is particularly useful in computer products in which system down is not allowed.
【図1】本発明の一実施の形態の半導体装置の構成を示
す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention;
【図2】本発明の一実施の形態の検出回路部分の構成を
示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a detection circuit portion according to an embodiment of the present invention.
【図3】一般的なSOP/QFPパッケージを有する半
導体装置の構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a structure of a semiconductor device having a general SOP / QFP package.
【図4】一般的なBGAパッケージを有する半導体装置
の構造を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a structure of a semiconductor device having a general BGA package.
【図5】一般的なFC実装の半導体装置の実装構造を示
す図である。FIG. 5 is a diagram showing a mounting structure of a general FC-mounted semiconductor device.
【図6】一般的なCMOS半導体の構造を示す図であ
る。FIG. 6 is a diagram showing a structure of a general CMOS semiconductor.
【図7】一般的なCMOS半導体の構造を示す図であ
る。FIG. 7 is a diagram showing a structure of a general CMOS semiconductor.
【図8】本発明の一実施の形態の半導体装置の構成を示
す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention;
【図9】本発明の一実施の形態のシステムの構成を示す
図である。FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a system according to an embodiment of the present invention.
【図10】本発明の一実施の形態のAl配線の形状を示
す図である。FIG. 10 is a diagram showing a shape of an Al wiring according to an embodiment of the present invention.
1…パッケージ樹脂、 2…クラック、
3…リード、 4…半導体素
子、5…ダイ、 6…ワイ
ヤ、7…キャリア、 8…はんだ
ボール、9…アルミ配線、 10…ボ
ンディングパッド、11…検出信号作成回路、
14a〜d…抵抗素子、15…封止樹脂、
16…バンプ、17…プリント基板、
18…検出信号用ワイヤ、19…パッシベ
ーション膜、 20…アルミ配線、21…ゲー
ト酸化膜、 22…層間絶縁膜、23…
n型シリコン、 24…pウエル、25
…G(ゲート)、 26…S(ソー
ス)、27…D(ドレイン)、 28…水
分の浸入、29…検出信号作成回路、 30
…検出信号、31…半導体装置、 3
2…検出信号ラッチ回路、33…レジスタ、
34…不良予測ビット、35…I/Oコント
ローラ、 36…検出信号読み込みコントロー
ラ、37…不良予測情報、 38…デー
タBUS、39…アドレスBUS、 40
…命令信号、41…システムファームウェア、 4
2…ラッチ信号。1 ... package resin, 2 ... crack,
3 Lead, 4 Semiconductor element, 5 Die, 6 Wire, 7 Carrier, 8 Solder ball, 9 Aluminum wiring, 10 Bonding pad, 11 Detection signal generation circuit,
14a-d: resistance element, 15: sealing resin,
16: bump, 17: printed circuit board,
18: detection signal wire, 19: passivation film, 20: aluminum wiring, 21: gate oxide film, 22: interlayer insulating film, 23 ...
n-type silicon, 24 ... p well, 25
... G (gate), 26 ... S (source), 27 ... D (drain), 28 ... infiltration of water, 29 ... detection signal generation circuit, 30
... Detection signal, 31 ... Semiconductor device, 3
2 ... detection signal latch circuit, 33 ... register,
34: failure prediction bit, 35: I / O controller, 36: detection signal reading controller, 37: failure prediction information, 38: data BUS, 39: address BUS, 40
... Command signal, 41 ... System firmware, 4
2: Latch signal.
Claims (9)
もう一端にも抵抗素子を接続し、両抵抗素子は電位差が
生じるよう接続され、前記アルミ配線には一定の電流が
流れており、このアルミ配線の電圧を監視することで不
良発生を予測する不良予測機構を設けたことを特徴とし
た半導体装置。An aluminum wiring having a resistance element connected to one end thereof,
A resistance element is also connected to the other end, and both resistance elements are connected so as to generate a potential difference. A constant current flows through the aluminum wiring, and a failure to predict the occurrence of a failure by monitoring the voltage of the aluminum wiring. A semiconductor device comprising a prediction mechanism.
アルミ配線が接触しないよう並列にならび、前述の電圧
監視をすることで不良発生を予測する不良予測機構を設
けたことを特徴とした半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said plurality of aluminum wirings and resistance elements are provided.
A semiconductor device characterized by having a failure prediction mechanism for predicting the occurrence of a failure by monitoring the aforementioned voltage in parallel so that the aluminum wirings do not come into contact with each other.
来るだけ近接した部位を通るようにかつ、ほぼ一周半導
体素子を囲むように配線し、前述の電圧監視をすること
で不良発生を予測する不良予測機構を設けたことを特徴
とする半導体装置。3. The aluminum wiring is routed so as to pass through a portion as close as possible to the outermost periphery of the semiconductor element and so as to substantially surround the semiconductor element, and the above-described voltage monitoring is performed to predict occurrence of a defect. A semiconductor device provided with a failure prediction mechanism.
ミ配線を半導体回路部のアルミ配線の幅と同一にし、不
良に対する予測率を上げた不良予測機構を設けたことを
特徴とした半導体装置。4. A semiconductor device characterized in that an aluminum wiring wired so as to surround said semiconductor element has the same width as an aluminum wiring in a semiconductor circuit portion, and a failure prediction mechanism for increasing a failure prediction rate is provided.
ミ配線に流れる電流を半導体回路部のアルミ配線の電流
密度と同程度にし、不良に対する予測率を上げた不良予
測機構を設けたことを特徴とした半導体装置。5. A failure prediction mechanism wherein a current flowing through an aluminum wiring wired so as to surround said semiconductor element is substantially equal to a current density of aluminum wiring in a semiconductor circuit portion, and a failure prediction mechanism for increasing a failure prediction rate is provided. Semiconductor device.
ミ配線を凹凸形状にすることで、総配線距離を長くし、
不良に対する予測率を上げた不良予測機構を設けたこと
を特徴とした半導体装置。6. The total wiring distance is lengthened by forming an aluminum wiring which is wired so as to surround said semiconductor element to have an uneven shape.
A semiconductor device, comprising: a failure prediction mechanism for increasing a failure prediction rate.
1判定し、検出信号として半導体装置の外部端子に出し
た不良予測機構を設けたことを特徴とした半導体装置。7. The method according to claim 7, wherein said voltage monitoring is performed by using a logic circuit.
1. A semiconductor device, comprising: a failure prediction mechanism that makes a determination and outputs the result to an external terminal of the semiconductor device as a detection signal.
定レジスタの特定ビットに定期的に格納し、外部から汎
用インターフェースを使って、不良予測情報を読み出し
出来る不良予測機構を設けたことを特徴とした半導体装
置。8. A failure prediction mechanism which periodically stores the failure prediction signal in a specific bit of an internal specification register of the semiconductor device and externally reads defect prediction information using a general-purpose interface. Semiconductor device.
ステムのファームウエアで監視し、製品システムとして
の不良予測を行う不良予測システムを設けたことを特徴
とする電子機器装置。9. An electronic apparatus, comprising: a failure prediction system that monitors the failure prediction information of a plurality of semiconductor devices by system firmware and performs a failure prediction as a product system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10056405A JPH11260878A (en) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | Semiconductor device and its defect prediction mechanism |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10056405A JPH11260878A (en) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | Semiconductor device and its defect prediction mechanism |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11260878A true JPH11260878A (en) | 1999-09-24 |
Family
ID=13026272
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10056405A Pending JPH11260878A (en) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | Semiconductor device and its defect prediction mechanism |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11260878A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6603321B2 (en) | 2001-10-26 | 2003-08-05 | International Business Machines Corporation | Method and apparatus for accelerated determination of electromigration characteristics of semiconductor wiring |
JP2009054762A (en) * | 2007-08-27 | 2009-03-12 | Denso Corp | Multilayer wiring structure of semiconductor device, and water detecting method for semiconductor device having multilayer wiring |
JP2010038639A (en) * | 2008-08-01 | 2010-02-18 | Espec Corp | Reliability evaluation method of semiconductor device, and reliability evaluation device of semiconductor device |
US8451614B2 (en) | 2010-03-30 | 2013-05-28 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Module and electronic device |
JP2016151563A (en) * | 2015-02-19 | 2016-08-22 | 三菱電機株式会社 | Semiconductor device |
-
1998
- 1998-03-09 JP JP10056405A patent/JPH11260878A/en active Pending
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