CN102565508B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于得到一种在不增大芯片面积的情况下就能提高电流检测精度的半导体装置。半导体元件（1）具有发射极电极（7）。引出线（10）与发射极电极（7）电连接并且通过发射极电极（7）的上方向侧面引出。电流传感器（11）具有磁阻元件（12），对流过引出线（10）的电流进行检测。磁阻元件（12）配置在发射极电极（7）上且引出线（10）的下方。磁阻元件（12）的电阻值相对于由电流产生的磁场线性地变化。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及具有电流传感器的半导体装置，特别涉及在不使芯片面积增大的情况下就能够提高电流检测精度的半导体装置。
背景技术
为了对在半导体元件中流过的电流进行检测而使用电流传感器。提出如下的半导体装置：在与半导体元件相同的芯片内形成电流感应区域作为电流传感器(例如，参照专利文献1)。此外，提出如下的半导体装置：作为电流传感器，使用AMR(Anitorpic Magneto Resistance：各向异性磁阻)元件代替电流感应区域(例如，参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开平9－162391号公报；
专利文献2：日本特开平9－127161号公报。
在专利文献1中，根据芯片内的电流感应区域的形成位置，在主单元区域和电流感应区域的边界区域产生载流子的相互干涉，存在流过彼此的区域的电流的比例发生变化等的问题。因此，存在电流传感器的电流检测精度较低这样的问题。
在专利文献2的使用了AMR元件的电流传感器中不产生这样的问题。但是，AMR元件的电阻值的针对磁场的特性为专利文献2的图3所示的反向V字型特性。因此，在将AMR元件应用于电流传感器时，为了使反向V字型特性线性化，需要附加专利文献2的图1所示的恒定电流电路。因此，存在芯片面积增大这样的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的是得到在不使芯片面积增大的情况下就能够提高电流检测精度的半导体装置。
本发明提供一种半导体装置，其特征在于，具有：半导体元件，具有表面电极；引出线，与所述表面电极电连接，通过所述表面电极的上方向侧面引出；以及电流传感器，对在所述引出线中流过的电流进行检测，所述电流传感器具有配置在所述表面电极上且所述引出线的下方的磁阻元件，所述磁阻元件的电阻值相对于由所述电流产生的磁场线性地变化。
根据本发明，在不增大芯片面积的情况下就能够提高电流检测精度。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的半导体装置的平面图。
图2是沿图1的A-A’的剖面图。
图3是示出旋转阀（spin valve）型磁阻元件的自由层和固定层的磁化方向的图。
图4是示出针对外部磁场的磁阻元件的电阻值的图。
图5是示出本发明的实施方式1的半导体装置的变形例的平面图。
图6是示出本发明的实施方式2的半导体装置的平面图。
图7是示出本发明的实施方式3的半导体装置的平面图。
图8是沿图7的A-A’的剖面图。
图9是示出本发明的实施方式4的半导体装置的平面图。
图10是示出本发明的实施方式5的半导体装置的一部分的平面图。
图11是示出本发明的实施方式5的半导体装置的变形例的一部分的平面图。
图12是示出本发明的实施方式6的半导体装置的平面图。
图13是沿图12的A-A’的剖面图。
具体实施方式
参照附图，对本发明的实施方式的半导体装置进行说明。对相同或者对应的结构要素标注相同的附图标记，有时省略重复说明。
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的半导体装置的平面图。图2是沿图1的A-A’的剖面图。半导体元件1是在变换器装置等的功率变换装置中应用的绝缘栅型双极晶体管(IGBT： Insulated Gate Bipolar Transistor)。在半导体基板2的表面附近设置有p阱基极区域3。以贯通p阱基极区域3的方式设置有沟槽栅极4。在p阱基极区域3的周围设置有保护环P阱区域5和N+沟道截断环6。在芯片表面侧设置有发射极电极7和栅极电极8。发射极电极7被绝缘隔离膜9覆盖。
引出线10电连接到发射极电极7。引出线10通过发射极电极7的上方向侧面引出。引出线10一般是引线键合，但是，并不限于此，也可以是正面金属（front metal）。电流传感器11具有磁阻元件12，对流过引出线10的电流进行检测。磁阻元件12隔着绝缘隔离膜9配置在发射极电极7上且引出线10的下方。磁阻元件12被绝缘隔离膜13覆盖。
磁阻元件12是线性输出型的磁阻元件，其电阻值相对于由电流产生的磁场线性地变化。具体地说，磁阻元件12是旋转阀型TMR(tunnel Magneto Resistance：隧道磁阻)元件(隧道磁阻元件)、旋转阀型GMR(Giant Magneto Resistance：巨磁阻)元件(巨磁阻元件)以及附加了螺旋条状纹（barber pole）电极的AMR(Anitorpic Magneto Resistance：各向异性磁阻)元件(各向异性磁阻元件)的任意一种。
接着，对本实施方式的半导体装置的动作进行说明。作为开关器件的半导体元件1根据栅极电位对在发射极电极集间流过的电流进行抑制。在半导体元件1为Nch-IGBT的情况下，在导通时，电流从发射极电极7经由引出线10流向芯片外。在引出线10的正下方配置的磁阻元件12的电阻值相对于由该电流产生的磁场的强度线性地变化。因此，测定在磁阻元件12中流过的电流或者所施加的电压，对磁场的强度进行检测，由此，能够检测流过引出线10的电流。
此处，参照附图，具体地对使用旋转阀型磁阻元件作为磁阻元件12的情况下的检测动作进行说明。图3是示出旋转阀型磁阻元件的自由层和固定层的磁化方向的图。自由层的磁化方向和固定层的磁化方向所成的角度为90°。当在沿着该固定层的磁化方向的方向施加外部磁场时，自由层的磁化方向发生变化。根据该变化后的自由层的磁化方向和固定层的磁化方向所成的角度θ，磁阻元件的电阻值线性地变化。具体地说，磁阻元件的电阻值与cosθ成反比。
在自由层是具有单轴各向异性的软磁性膜的情况下，成为cosθ＝|Hk|/H。因此，在施加了比|Hk|大的外部磁场的情况下，变化后的自由层的磁化方向被固定为与固定层的磁化方向平行或者反平行，此外元件电阻不变化。即，Hk为自由层的饱和磁场。
图4是示出相对于外部磁场的磁阻元件的电阻值的图。在自由层的磁化方向和固定层的磁化方向所成的角度为90°的情况下，磁阻元件的电阻值R为R＝Rm+ΔR/2×H/|Hk|(其中，－|Hk|≤H≤|Hk|)。此处，Rm是无磁场内的磁阻元件的电阻值，是磁阻元件能够取得的最大电阻值和最小电阻值的中间值。ΔR是磁阻元件的电阻值的变化率。
如上述那样，磁阻元件的电阻值R与外部磁场成比例，所以，如果得到在磁阻元件中流过的电流或者所施加的电压，则能够检测外部磁场的大小。并且，检测到的外部磁场是固定层的磁化方向的方向分量。此外，该方向分量的能够检测的范围即电流传感器的能够工作的范围是－|Hk|≤H≤|Hk|。
此外，将磁阻元件的电阻值相对于外部磁场的强度而变化的现象称为磁阻效应。对如铁磁体那样具有自发磁化的物质施加磁场，电阻率与磁化状态相对应地发生变化，将这样的现象称为异常磁阻效应。其中，对于坡莫合金等的铁磁性薄膜，电阻依赖于自发磁化的方向而变化，将这样的现象特别地称为各向异性磁阻效应(AMR效应)或者取向效应。对F/N/F的金属晶格（metallic lattice）或者将其叠层进行重复的多层薄膜施加磁场，平行地进行磁化，从而电阻减小，将这样的现象称为巨磁阻效应(GMR效应)。该效应具有如下特征：与AMR相比较，变化率较大。此外，在用铁磁体夹着绝缘体的结合中，隧道电流依赖于两铁磁体的磁化的相对角度而发生变化，将这样的现象称为隧道磁阻效应(TMR效应)。关于GMR效应和TMR效应，都确认了依赖于铁磁性层的磁化的相对角度的电阻的变化。在GMR效应中，在流过与叠层面平行的电流的情况下和垂直的情况下，确认了依赖性。在TMR效应中，仅在垂直的情况下确认了依赖性。
如以上那样，在本实施方式中，使用线性输出型的磁阻元件作为电流传感器。因此，与使用电流感应区域作为电流传感器的情况相比，能够提高电流检测精度。此外，线性输出型的磁阻元件的电阻值相对于磁场线性地变化。因此，不需要附加使磁阻元件的特性线性化的电路，所以，不使芯片面积增大。
图5是示出本发明的实施方式1的半导体装置的变形例的平面图。引出线10a、10b向彼此不同的方向引出。在引出线10a、10b的下方分别配置有磁阻元件12a、12b。由此，能够对各引出线10a、10b所分担的电流的分流比进行传感检测（sensing）。因此，能够对芯片内的电流密度的均匀性和其变动进行管理。
并且，半导体元件1并不限于IGBT，也可以是功率MOSFET(power Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)或二极管等的纵型功率器件。
实施方式2
图6是示出本发明的实施方式2的半导体装置的平面图。电流传感器11还具有第一以及第二铁磁体14a、14b。第一以及第二铁磁体14a、14b以如下方式配置：在与电流的方向成直角的方向延伸并且夹着磁阻元件12。由此，能够使在通电时所产生的磁场会聚，所以，能够提高磁阻元件12的灵敏性。
实施方式3
图7是示出本发明的实施方式3的半导体装置的平面图。图8是沿图7的A-A’的剖面图。由铁磁体材料构成的桥形状体15与第一以及第二铁磁体14a、14b连接。桥形状体15与磁阻元件12和引出线10绝缘。能够利用该桥形状体15进一步对磁场进行会聚，所以，能够进一步提高磁阻元件12的灵敏性。
并且，在形成第一以及第二铁磁体14a、14b后，在将绝缘隔离膜形成并构图之后利用溅射形成桥形状体15也可以，也可以将预先进行壳体形成后的桥形状体15接合到第一以及第二铁磁体14a、14b。
实施方式4
图9是示出本发明的实施方式4的半导体装置的平面图。磁阻元件12具有在与磁场成直角的方向多次折返的曲折形状(弯曲（crank）形状)。由此，对于磁阻元件12来说，接受会聚后的磁场的线路长度变长，所以，容易感测磁场的变化。
实施方式5
图10是示出本发明的实施方式5的半导体装置的一部分的平面图。电阻值相对于磁性（magnetism）不发生变化的固定电阻16a～16c配置在发射极电极7上。固定电阻16a～16c连接到磁阻元件12，构成桥电路。在桥电路内的各连接点设置有电极焊盘17a～17d，能够与任意的外部电路连接。由此，能够精度良好地对磁阻元件12的电阻值的变化进行感测。
图11是示出本发明的实施方式5的半导体装置的变形例的一部分的平面图。引出线10a、10b向彼此不同的方向引出。在引出线10a、10b的下方分别配置有磁阻元件12a、12b。固定电阻16a～16c、16d～16f分别连接到磁阻元件12a、12b，构成桥电路。在桥电路内的各连接点设置有电极焊盘17a～17h，能够与任意的外部电路连接。
由此，能够对各引出线10a、10b分担的电流的分流比进行传感检测。因此，能够对芯片内的电流密度的均匀性和其变动进行管理。此外，能够精度良好地对磁阻元件12的电阻值的变化进行感测。
实施方式6
图12是示出本发明的实施方式6的半导体装置的平面图。图13是沿图12的A-A’的剖面图。对磁阻元件12的电阻值进行读取的磁阻读取电路18利用CMOSIC工艺形成在与半导体元件1相同的芯片内。磁阻元件12从IGBT主电极区域跨越保护环部延伸到磁阻读取电路18，与磁阻读取电路18连接。这样，在与半导体元件1相同的芯片内设置磁阻读取电路18，由此，能够进行迅速并且高精度的反馈控制。
附图标记说明：
1 半导体元件
7 发射极电极(表面电极)
10 引出线
11 电流传感器
12 磁阻元件
14a 第一铁磁体
14b 第二铁磁体
15 桥形状体
16a～16f 固定电阻
18 磁阻读取电路。

Claims (7)

1.一种半导体装置，其特征在于，具有：
开关器件，具有表面电极；
引出线，与所述表面电极电连接，通过所述表面电极的上方向侧面引出；以及
电流传感器，对在所述引出线中流过的电流进行检测，
所述电流传感器具有配置在所述表面电极上且所述引出线的下方的磁阻元件，
所述磁阻元件的电阻值相对于由所述电流产生的磁场线性地变化。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述磁阻元件是旋转阀型TMR元件、旋转阀型GMR元件以及附加了螺旋条状纹电极的AMR元件的任意一种。
3.如权利要求1或者2所述的半导体装置，其特征在于，
所述电流传感器还具有在与所述电流的方向成直角的方向延伸并且夹着所述磁阻元件的第一以及第二铁磁体。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，
所述电流传感器还具有与所述第一以及第二铁磁体连接的由铁磁体材料构成的桥形状体。
5.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述磁阻元件具有在与所述磁场成直角的方向多次折返的形状。
6.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述电流传感器还具有配置在所述表面电极上并且与所述磁阻元件连接而构成桥电路的固定电阻。
7.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
所述电流传感器还具有设置在与所述开关器件相同的芯片内并且对所述磁阻元件的电阻值进行读取的电路。
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