JPH11163074A - 半導体装置およびその寿命推定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体装置の実使用条件を的確に反映した寿命
推定を可能にする。 【解決手段】クロック信号により時系列的動作が決定付
けられる集積回路１０と同じ半導体チップ上に集積回路
の寿命を推定するための寿命推定回路２０が形成されて
おり、寿命推定回路は、集積回路と同じクロック信号が
入力し、その周期に比例した断続電流が一定方向に供給
され、断続電流により物理的・化学的変化を生じる配線
を用いた電気伝導路２２と、電気伝導路に流れる電流に
より充電され、かつ、電流を微分するコンデンサ２３
と、クロック信号により制御され、コンデンサの蓄積電
荷を断続電流の切断時間に放電するスイッチ素子２４
と、電気伝導路の抵抗値の変化を検出する検出回路２５
とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置および
その寿命推定方法に係り、特に時系列的動作を決定付け
るクロック信号を使用する半導体集積回路（ＩＣ）の寿
命を推定するための寿命推定回路および寿命推定方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣの長期信頼性の推定（寿命の推定）
に関して、従来は、寿命推定専用のＩＣを用いて加速寿
命試験を実施し、その結果に基づいて実際のＩＣの寿命
を間接的に推定する手法が採用されていた。この場合、
寿命推定専用のＩＣを用いる都合上、多岐に亘る各種の
ＩＣに対してその代表値としての寿命を提示している。

【０００３】しかし、前記したように寿命推定専用のＩ
Ｃを用いた加速寿命試験の結果を多岐に亘る各種のＩＣ
の代表寿命値として用いることは、ＩＣの実使用条件を
的確に反映した加速寿命試験とはいえない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
半導体装置の寿命推定方法は、半導体装置の実使用条件
を的確に反映した寿命推定が不可能であるという問題が
あった。本発明は上記の問題点を解決すべくなされたも
ので、半導体装置の実使用条件を的確に反映した寿命推
定が可能になる半導体装置およびその寿命推定方法を提
供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明の半導体装置
は、半導体チップ上に形成され、前記半導体チップの外
部から供給されるクロック信号あるいは前記半導体チッ
プの内部で生成されるクロック信号が入力され、このク
ロック信号により時系列的動作が決定付けられる所定の
集積回路と、前記所定の集積回路の寿命を推定するため
に前記所定の集積回路と同一半導体チップ上に形成さ
れ、前記集積回路に入力するクロック信号と同じクロッ
ク信号が入力され、このクロック信号に応じた断続電流
を電気伝導路に一定方向に供給し、半導体装置の使用開
始後における電気伝導路の抵抗値の変化を検出する寿命
推定回路とを具備することを特徴とする。

【０００６】第２の発明の半導体装置は、第１の発明の
半導体装置の寿命推定回路として、前記クロック信号が
入力され、このクロック信号の周期に比例した断続電流
を生成する第１のスイッチ素子と、前記断続電流が一定
方向に供給されることにより物理的・化学的変化を生じ
る配線を用いた電気伝導路と、前記電気伝導路に接続さ
れ、前記電気伝導路に流れる電流により充電されるとと
もに当該電流を微分するコンデンサと、前記クロック信
号により制御され、前記コンデンサの蓄積電荷を前記第
１のスイッチ素子の切断時間に放電する第２のスイッチ
素子と、前記電気伝導路の抵抗値の変化を検出する検出
回路とを具備することを特徴とする。

【０００７】また、本発明の半導体装置の寿命推定方法
は、半導体チップ上に形成された所定の集積回路に、前
記半導体チップの外部からクロック信号が供給される、
あるいは、前記半導体チップの内部で生成されるクロッ
ク信号が供給される半導体装置の寿命を推定する方法で
あって、前記所定の集積回路と同一の半導体チップ上に
形成された電気伝導路に前記クロック信号に応じて断続
電流を一定方向に供給するステップと、当該半導体装置
の使用開始後における前記電気伝導路の抵抗値の変化を
検出し、その検出結果に基づいて当該半導体装置の寿命
を推定するステップとを具備することを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の半導体装
置の第１の実施の形態の一例を示している。この半導体
装置は、所定の集積回路（例えば論理集積回路）１０
と、前記所定の集積回路の寿命を推定するための寿命推
定回路２０とが同一半導体チップ上に形成されている。

【０００９】前記集積回路１０は、前記半導体チップの
外部から外部端子を介して供給されるクロック信号φあ
るいは前記半導体チップの内部（例えばチップ上に形成
される発振回路）で生成されるクロック信号φが入力
し、このクロック信号φにより時系列的動作が決定付け
られる。

【００１０】前記寿命推定回路２０は、前記集積回路１
０の寿命（半導体装置の残存寿命）を推定するために設
けられ、前記集積回路１０に入力するクロック信号φと
同じクロック信号φが入力し、前記クロック信号φに応
じた断続電流を電気伝導路２２に一定方向に供給し、半
導体装置の使用開始後における電気伝導路２２の抵抗値
の変化を検出するものである。

【００１１】前記寿命推定回路２０の一例は、前記集積
回路の時系列的動作を決定付けるクロック信号φの周期
に比例した断続電流を生成する第１のスイッチ素子２１
と、前記断続電流が一定方向に供給されることにより物
理的・化学的変化を生じる電気伝導路２２と、前記電気
伝導路２２に接続され、前記電気伝導路２２に流れる電
流を微分可能な所定値以下の容量値を有するコンデンサ
２３と、前記クロック信号φにより制御され、前記コン
デンサ２３の蓄積電荷を前記断続電流の切断時間に放電
する第２のスイッチ素子２４と、前記電気伝導路２２の
抵抗値の変化を検出する検出回路２５とを具備する。

【００１２】さらに必要に応じて、前記検出回路２５の
検出結果を集積回路外部に出力するための外部端子２６
（他の機能を有する外部端子を兼用してもよい）や、検
出結果を集積回路内部で使用して所望の適切な処理を行
うための処理回路２７を具備するようにしてもよい。

【００１３】前記第１のスイッチ素子２１は、例えばソ
ースが電源電位（Ｖcc）ノードに接続され、ゲートに前
記クロック信号φが印加されるＰＭＯＳトランジスタか
らなる。

【００１４】前記電気伝導路２２は配線が用いられてお
り、前記集積回路１０の配線と同じ材料、構造を有する
ように形成されており、その一端部が前記ＰＭＯＳトラ
ンジスタ２１のドレインに接続されている。

【００１５】上記配線の材質としては、アルミニウム、
ポリシリコン、銅、タングステン、それらの化合物など
を任意に使用可能である。また、上記配線のパターン形
状としては、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、直線状
のパターンあるいは矩形状の蛇行パターンなど任意に使
用可能である。

【００１６】また、上記配線の構造としては、単層配線
でも、図２（ｃ）に示すようにビアコンタクト２２ａを
用いた多層配線でもよい。上記配線は、前記ＰＭＯＳト
ランジスタ２１のドレインから断続電流が一定方向に長
い期間にわたって供給されることにより、電気的ストレ
スを受けて物理的・化学的変化が生じ、その抵抗値が変
化する。

【００１７】この場合、前記電気伝導路２２の配線を長
く設定する程、配線の抵抗値が大きいので、その抵抗値
の変化量が大きく現われる。これに対して、前記電気伝
導路２２の配線を短く設定する程、配線の抵抗値が小さ
いので、その変化量は小さい。

【００１８】前記コンデンサ２３は、前記電気伝導路２
２の他端部と接地電位（Ｖss）ノードとの間に接続さ
れ、前記電気伝導路２２に流れる電流により充電され
る。この場合、上記コンデンサ２３の容量値を適切に設
定しておくことにより、前記電気伝導路２２に前記集積
回路１０の実使用状態に近い電流を一定方向に流すこと
ができ、前記電気伝導路２２に直流電流が流れて消費電
力が増加することを防止している。

【００１９】即ち、図３に示すように、クロック信号φ
に応じた断続電流が供給されることにより電気伝導路２
２に流れる電流を微分する作用をコンデンサ２３に持た
せるように、コンデンサ２３の容量値は所定値以下で、
前記電気伝導路２２の配線の長さ（抵抗成分の大きさ）
との関係に応じて決定されている。

【００２０】前記第２のスイッチ素子２４は、前記クロ
ック信号φにより前記第１のスイッチ素子２１の切断時
間にオン状態になるように制御されて前記コンデンサ２
３の蓄積電荷を放電するものであり、例えばドレイン・
ソース間が前記コンデンサ２３に並列接続され、ゲート
に前記クロック信号φが印加されるＮＭＯＳトランジス
タからなる。

【００２１】前記検出回路２５は、前記電気伝導路２２
の両端に接続され、例えば電気伝導路２２の両端間に直
流電圧を印加して両端間の抵抗値を検出するものであ
る。即ち、上記したような寿命推定回路２０を内蔵した
半導体装置によれば、半導体装置の使用開始時における
電気伝導路２２の両端間の抵抗値（初期値）を検出回路
２５で検出して記憶させておくように制御する。

【００２２】そして、半導体装置の使用開始後の任意の
時期（通電利用時間、クロック信号φの総印加数、使用
開始後の単なる経過時間などにより任意に決定すればよ
い）における電気伝導路２２の抵抗値を検出回路２５で
検出するように制御し、使用開始後の抵抗値を初期値と
比較して差分をとることにより、前記抵抗値の変化を検
出することが可能である。

【００２３】上記したように集積回路１０と同じ半導体
チップ上に形成されている電気伝導路２２に、前記集積
回路１０に入力するクロック信号φに応じた断続電流を
一定方向に供給した後における電気伝導路２２の抵抗値
の変化を検出するので、この抵抗値の変化の検出結果に
基づいて前記集積回路１０の実使用条件（クロック信号
φの周波数、周囲温度、電源電圧、デバイス製造プロセ
ルのばらつきなどの要因を含む）での残存寿命を推定す
ることができる。この場合、前記抵抗値の変化の検出結
果をチップ外部に出力したり、チップ内部で適切に処理
することが可能である。

【００２４】また、上記したように半導体チップ上に形
成された所定の集積回路１０に、前記半導体チップの外
部からクロック信号φが供給される、あるいは、前記半
導体チップの内部で生成されるクロック信号φが供給さ
れる半導体装置の寿命を推定する方法によれば、所定の
集積回路１０と同一の半導体チップ上に形成された電気
伝導路２２に前記クロック信号φに応じて断続電流を一
定方向に供給する断続電流供給ステップと、当該半導体
装置の使用開始後における電気伝導路２２の抵抗値の変
化を検出し、その検出結果に基づいて当該半導体装置の
寿命を推定するステップとを具備することにより、前記
集積回路１０の実使用条件での残存寿命を推定すること
ができる。

【００２５】この際、前記断続電流供給ステップは、前
記電気伝導路２２に前記断続電流を一定方向に供給する
とともに前記電気伝導路２２に流れる電流を所定値より
小さい容量値を有するコンデンサ２３で受けて微分し、
前記コンデンサ２３の蓄積電荷を前記断続電流の切断時
間に放電させることにより、前記電気伝導路２２に前記
集積回路１０の実使用状態に近い電流を流すことがで
き、前記電気伝導路２２に直流電流が流れて消費電力が
増加することを防止することができる。

【００２６】図４は、本発明の半導体装置の第２の実施
の形態の一例を示している。この半導体装置は、図１を
参照して前述した半導体装置と比べて、寿命推定回路４
０に２つの電気伝導路２２１、２２２を形成するととも
にそれぞれを選択するための切換回路２２３を形成して
おき、通常の使用時には一方の電気伝導路２２１を選択
して断続電流を供給するが他方の電気伝導路２２２は断
続電流を供給しないでおき、寿命推定のための抵抗値検
出時には２つの電気伝導路２２１、２２２を順に選択し
てそれぞれの抵抗値を検出し得るようにした点が異な
り、その他は同じであるので図１中と同一符号を付して
いる。

【００２７】このようにすれば、２つの電気伝導路２２
１、２２２のそれぞれの抵抗値の差分をとることによ
り、通常使用される一方の電気伝導路２２１の抵抗値の
変化を検出し、その検出結果に基づいて前記集積回路１
０の実使用条件での残存寿命（当該半導体装置の残存寿
命）を推定することができる。

【００２８】上記第２の実施の形態によれば、第１の実
施の形態と比べて、所望の時期に２つの電気伝導路２２
１、２２２を順に選択してそれぞれの抵抗値を検出すれ
ばよく、通常使用される一方の電気伝導路２２１の抵抗
値の初期値を検出しておく必要がないという利点があ
る。

【００２９】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、半導体
装置の実使用条件を的確に反映した寿命推定が可能にな
る半導体装置およびその寿命推定方法を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の一例を示す回路
図。

【図２】図１中の電気伝導路の配線のパターン形状、配
線の構造の一例を示す平面図および断面図。

【図３】図１の動作を示すタイミング波形図。

【図４】本発明の第２の実施の形態の一例を示す回路
図。

【符号の説明】

１…半導体チップ、 ２…外部端子、 １０…論理集積回路、 ２０…寿命推定回路、 ２１…第１のスイッチ素子、 ２２…電気伝導路、 ２３…コンデンサ、 ２４…第２のスイッチ素子、 ２５…検出回路、 ２６…外部端子、 ２７…処理回路。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体チップ上に形成され、前記半導体
   チップの外部から供給されるクロック信号あるいは前記
   半導体チップの内部で生成されるクロック信号が入力さ
   れ、このクロック信号により時系列的動作が決定付けら
   れる所定の集積回路と、 前記所定の集積回路の寿命を推定するために前記所定の
   集積回路と同一半導体チップ上に形成され、前記集積回
   路に入力するクロック信号と同じクロック信号が入力さ
   れ、このクロック信号に応じた断続電流を電気伝導路に
   一定方向に供給し、半導体装置の使用開始後における電
   気伝導路の抵抗値の変化を検出する寿命推定回路とを具
   備することを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置において、 前記寿命推定回路は、 前記クロック信号が入力され、このクロック信号の周期
   に比例した断続電流を生成する第１のスイッチ素子と、 前記断続電流が一定方向に供給されることにより物理的
   ・化学的変化を生じる電気伝導路と、 前記電気伝導路に接続され、前記電気伝導路に流れる電
   流を微分可能な所定値以下の容量値を有するコンデンサ
   と、 前記クロック信号により制御され、前記コンデンサの蓄
   積電荷を前記第１のスイッチ素子の切断時間に放電する
   第２のスイッチ素子と、 前記電気伝導路の抵抗値の変化を検出する検出回路とを
   具備することを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の半導体装置において、 前記寿命推定回路の検出回路の検出結果を集積回路外部
   に出力するための外部端子をさらに具備することを特徴
   とする半導体装置。
4. 【請求項４】 請求項２記載の半導体装置において、 前記寿命推定回路の検出回路の検出結果を集積回路内部
   で使用して所望の適切な処理を行うための処理回路をさ
   らに具備することを特徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】 半導体チップ上に形成された所定の集積
   回路に、前記半導体チップの外部からクロック信号が供
   給される、あるいは、前記半導体チップの内部で生成さ
   れるクロック信号が供給される半導体装置の寿命を推定
   する方法であって、 前記所定の集積回路と同一の半導体チップ上に形成され
   た電気伝導路に前記クロック信号に応じて断続電流を一
   定方向に供給する断続電流供給ステップと、 当該半導体装置の使用開始後における前記電気伝導路の
   抵抗値の変化を検出し、その検出結果に基づいて当該半
   導体装置の寿命を推定するステップとを具備することを
   特徴とする半導体装置の寿命推定方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載の半導体装置の寿命推定方
   法において、 前記断続電流供給ステップは、前記電気伝導路に前記断
   続電流を一定方向に供給するとともに前記電気伝導路に
   流れる電流を所定値より小さい容量値を有するコンデン
   サで受けて微分し、前記コンデンサの蓄積電荷を前記断
   続電流の切断時間に放電させることを特徴とする半導体
   装置の寿命推定方法。