JP2005079425A

JP2005079425A - 半導体集積回路

Info

Publication number: JP2005079425A
Application number: JP2003309718A
Authority: JP
Inventors: Takuya Okubo; 卓也大久保; Masaru Sakai; 優酒井
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24
Also published as: TW200518271A; CN100369250C; CN1591828A; US20050046013A1; US7148573B2; KR20050024186A

Abstract

【課題】温度が変化することにより、回路素子の特性が変化しても、本来の動作精度を維持することができる半導体集積回路を提供する。
【解決手段】パワートランジスタ２とトランジスタ３，４とをシリコンの熱伝導率よりも高い金の膜７で覆って構成したので、パワートランジスタ２から発生した熱がトランジスタ３，４に効率良く熱伝導され、パワートランジスタ２を過熱から保護することができる。トランジスタ３，４も、金の膜７で覆われているので、各トランジスタ３，４には均等に熱が伝導され、温度変化があっても本来の動作精度を維持でき、半導体集積回路の温度特性を含む動作の精度が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、動作時に比較的に高い熱を発生し所定の動作を行う熱源系回路素子と、動作時に温度に依存して特性値が一定の関係を有し所定の動作を行う複数の温度依存系回路素子とを含み構成された半導体集積回路に関する。

例えば、音響機器では、電源回路の出力電圧が不安定になると、出力音声の再生精度が低下するので、出力電圧の安定化を図るため、電源回路としては例えばスイッチングレギュレータやＤＣ／ＤＣコントローラなどが用いられている。このような電源回路は、大出力を発生するためのパワートランジスタと、このパワートランジスタを制御するための複数のトランジスタを含み構成される制御回路とを備え、前記パワートランジスタと前記制御回路は、半導体集積回路で構成され、１チップ内に混在するものが普及している。

図５は例えば電源回路を構成する従来の半導体集積回路の回路レイアウト図である。図５に示すように、従来の半導体集積回路は、シリコンウェハ１上に、パワートランジスタ２と、このパワートランジスタ２を過熱から保護するための過熱保護回路の一部を構成する一対のトランジスタ３，４と、パワートランジスタ２を制御するための一対のトランジスタ５，６とを備えている。

過熱保護回路は過熱温度を検出するためのコンパレータを含み構成され、このコンパレータは一対のトランジスタ３，４などにより温度に関する入力電圧と基準電圧との比較動作を行う。また、制御回路は、カレントミラー回路を構成する一対のトランジスタ５，６を備え、パワートランジスタ２の出力を安定させるための制御を行う。
特許第３４０００９８号公報

ところで、上記のような構成の半導体集積回路において、パワートランジスタ２は、他の回路素子に比べて発生する熱がかなり大きいので、その発生熱による熱伝導によってトランジスタ３，４，５，６などにも熱が加わり、動作精度が低下するようなことが起きる。

その原因は、コンパレータを構成する一対のトランジスタ３，４は、それぞれ同じ特性であるが、温度により特性が変わり、パワートランジスタ２の熱源からの距離がトランジスタ３とトランジスタ４とでは異なり、この結果、トランジスタ３の温度とトランジスタ４の温度が異なることになり、特性もそれぞれ異なるようになる。

したがって、特性がそれぞれ異なるトランジスタ３とトランジスタ４とを使用している状態と同じになり、コンパレータの比較精度が低下してパワートランジスタ２の過熱から保護する過熱保護回路の本来の機能が阻害されることになり、半導体集積回路が過熱により破壊される虞も生じることになる。

また、カレントミラー回路を構成する一対のトランジスタ５，６はそれぞれ同じ特性であるが、温度により特性が変わり、パワートランジスタ２の熱源からの距離がトランジスタ５とトランジスタ６とでは異なり、この結果、トランジスタ５の温度とトランジスタ６の温度が異なることになり、特性もそれぞれ異なるようになる。

したがって、特性がそれぞれ異なるトランジスタ５とトランジスタ６とを使用している状態と同じになり、カレントミラー回路の本来の機能が阻害され、パワートランジスタ２を制御する制御回路の精度が低下し、この結果、パワートランジスタ２の出力電圧が不安定になり、例えば、音響機器の音声の再生精度が低下することになる。

上述したようなパワートランジスタを内蔵した半導体集積回路においては、内部に高い精度を必要とするコンパレータなどは、パワートランジスタの熱による動作のバラツキの影響を受ける。それは、レイアウトにおけるパワートランジスタとの距離や集積回路自体の材質の熱伝導率が原因の一つに挙げられる。したがって、半導体集積回路では、コンパレータなどの動作が熱によってバラツキがあれば、スレッショルド電圧のズレが生じ、これがオフセット電圧として影響が出てしまうため、レイアウトに関しても非常に注意を払わなければならない。

そこで、上記のような課題を解決するために、特許文献１に記載の従来技術では、温度依存素子（温度依存系回路素子）の温度依存特性に基づいて、各温度依存素子（温度依存系回路素子）毎に、熱源素子に対する温度依存素子の距離又は向き又はその双方を設定して配置し、二以上の温度依存素子の温度が変化した場合にも、特性値が相互に一定の関係を維持するよう構成している。したがって、熱源素子の発熱量又は吸熱量の多少にかかわらず、二以上の温度依存素子の特性値は、相互に一定の関係を維持する。

しかしながら、この従来技術では、熱源素子に対する温度依存素子の距離又は向き又はその双方を設定して配置により、二以上の温度依存素子の温度が変化した場合にも、特性値が相互に一定の関係を維持すると言うことであるが、熱源素子からの熱伝導が、半導体集積回路の周囲の環境などにより、二以上の温度依存素子の特性値が一定の関係を維持するようには必ずしも行われず、このため本来の動作精度が低下すると言う課題が生じる。また、熱源素子に対する温度依存素子の距離又は向き又はその双方を設定して配置により、二以上の温度依存素子の温度が変化した場合にも、特性値が相互に一定の関係を維持するようにしているが、回路素子のレイアウトに制約が生じるという言う課題も生じる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、温度が変化することにより、回路素子の特性が変化しても、本来の動作の精度を維持することができ、また、回路素子のレイアウトが制約されない半導体集積回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、動作時に比較的に高い熱を発生し所定の動作を行う１個以上の熱源系回路素子と、動作時に温度に依存して特性値が一定の関係を有し所定の動作を行う２個以上の温度依存系回路素子とが半導体基板上の所定箇所にそれぞれ配置されて構成された半導体集積回路において、前記１個以上の熱源系回路素子と前記２個以上の温度依存系回路素子とを半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆って構成したことを特徴とする半導体集積回路を提供する。

この構成によれば、熱源系回路素子と温度依存系回路素子とが半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆われているので、熱源系回路素子から発生した熱が温度依存系回路素子に効率良く熱伝導され、これにより、例えば温度依存系回路素子が熱源系回路素子を過熱から保護するためのものであった場合、温度依存系回路素子は熱源系回路素子の過熱温度を精度良く検出することが可能になって、熱源系回路素子を過熱から保護することができ、半導体集積回路の過熱保護に対する信頼性が向上する。

また、２個以上の温度依存系回路素子も、半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆われていることになるので、各温度依存系回路素子には均等に熱が伝導され、これにより、各温度依存系回路素子の特性値が一定の関係を維持し、熱による動作のバラツキを抑えることができ、したがって、温度変化があっても本来の動作精度を維持でき、半導体集積回路の温度特性を含む動作の精度が向上する。また、各温度依存系回路素子は、半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆われて温度が均等になるので、回路素子のレイアウトは制約されず、回路設計の自由度が高まる。

また、本発明は、動作時に比較的に高い熱を発生し所定の動作を行う１個以上の熱源系回路素子と、動作時に温度に依存して特性値が一定の関係を有し所定の動作を行う２個以上の温度依存系回路素子とが半導体基板上の所定箇所にそれぞれ配置されて構成された半導体集積回路において、前記２個以上の温度依存系回路素子を半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆って構成したことを特徴とする半導体集積回路を提供する。

この構成によれば、２個以上の温度依存系回路素子が半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆われているので、各温度依存系回路素子には均等に熱が伝導され、これにより、各温度依存系回路素子の特性値が一定の関係を維持し、熱による動作のバラツキを抑えることができ、したがって、温度変化があっても本来の動作精度を維持でき、半導体集積回路の温度特性を含む動作の精度が向上する。

例えば、２個の温度依存系回路素子が高い精度を必要とするコンパレータに用いられるものであった場合、各温度依存系回路素子には均等に熱が伝導され、これにより、各温度依存系回路素子の特性値が一定の関係を維持し、熱による比較動作のバラツキを抑えることができ、したがって、温度変化があっても本来の比較精度を維持でき、半導体集積回路の温度特性を含む動作の精度が向上する。

また、本発明では、前記熱源系回路素子はパワートランジスタであり、前記温度依存系回路素子はトランジスタであるので、例えば、２個のトランジスタが１個のパワートランジスタを過熱から保護するためのものであった場合、２個のトランジスタは１個のパワートランジスタの過熱温度を精度良く検出することが可能になる。

また、本発明においては、半導体基板がシリコンウェハであり、半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜とは、シリコンよりも熱伝導率が高い金の膜であるであるので、熱伝導率は金の膜が無い場合に比べて約２倍になり、これにより、熱による動作のバラツキが少なくなり、半導体集積回路の動作精度の安定度も約２倍になる。

また、本発明において、前記金の膜を、回路素子の配線を兼ねて構成した場合は、金が節約できると共に、金層を別に設ける必要がないので、チップ構成が簡単化し、半導体集積回路が低価格で実現できる。

以上のように本発明によれば、１個以上の熱源系回路素子と２個以上の温度依存系回路素子とを、半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆って構成したので、熱源系回路素子から発生した熱が温度依存系回路素子に効率良く熱伝導され、これにより、例えば温度依存系回路素子が熱源系回路素子を過熱から保護するためのものであった場合、温度依存系回路素子は熱源系回路素子の過熱温度を精度良く検出することが可能になって、熱源系回路素子を過熱から保護することができ、半導体集積回路の過熱保護に対する信頼性が向上する。

また、２個以上の温度依存系回路素子も、半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆われていることになるので、各温度依存系回路素子には均等に熱が伝導され、各温度依存系回路素子の特性値が一定の関係を維持し、本来の動作精度を維持でき、半導体集積回路の動作に対する信頼性が向上する。また、各温度依存系回路素子は、半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆われて温度が均等になるので、回路素子のレイアウトは制約されず、回路設計の自由度が高まる。

また、本発明によれば、２個以上の温度依存系回路素子を半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆って構成したので、各温度依存系回路素子には均等に熱が伝導され、これにより、各温度依存系回路素子の特性値が一定の関係を維持し、したがって、温度変化があっても本来の動作精度を維持でき、半導体集積回路の温度特性を含む動作の精度が向上する。

また、本発明によれば、前記熱源系回路素子はパワートランジスタであり、前記温度依存系回路素子はトランジスタであるので、例えば２個のトランジスタが１個のパワートランジスタを過熱から保護するためのものであった場合、２個のトランジスタは１個のパワートランジスタの過熱温度を精度良く検出することが可能になる。

また、本発明によれば、半導体基板がシリコンウェハであり、半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜とは、シリコンよりも熱伝導率が高い金の膜であるであるので、熱伝導率は金の膜が無い場合に比べて約２倍になり、これにより、熱による動作のバラツキが少なくなり、半導体集積回路の動作精度の安定度も約２倍になる。

また、本発明によれば、前記金の膜を、回路素子の配線を兼ねて構成した場合は、金が節約できると共に、金層を別に設ける必要がないので、チップ構成が簡単化し、半導体集積回路が低価格で実現できる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る半導体集積回路の回路レイアウト図である。この半導体集積回路は、シリコンウェハ１上に、パワートランジスタ２と、このパワートランジスタ２を過熱から保護するための過熱保護回路の一部を構成する一対のトランジスタ３，４と、パワートランジスタ２を制御するための一対のトランジスタ５，６とを備えている。

過熱保護回路は過熱温度を検出するためのコンパレータを含み構成され、このコンパレータは一対のトランジスタ３，４などにより温度に関する入力電圧と基準電圧との比較動作を行う。また、制御回路は、カレントミラー回路を構成する一対のトランジスタ５，６を備え、パワートランジスタ２の出力を安定させるための制御を行う。パワートランジスタ２と一対のトランジスタ３，４とは、金の膜７で覆われている。また、一対のトランジスタ５，６は、金の膜８で覆われている。

この実施形態によれば、パワートランジスタ２とトランジスタ３，４とが、シリコンの熱伝導率よりも高い金の膜７で覆われているので、パワートランジスタ２から発生した熱がトランジスタ３，４に効率良く伝導され、トランジスタ３，４を含み構成される過熱保護回路は、パワートランジスタ２の過熱温度を精度良く検出することが可能になって、パワートランジスタ２を過熱から保護することができ、半導体集積回路の過熱保護に対する信頼性が向上する。

また、トランジスタ３，４も、シリコンの熱伝導率よりも高い金の膜７で覆われていることになるので、各トランジスタ３，４には均等に熱が伝導され、これにより、各トランジスタ３，４の特性値が一定の関係を維持し、熱による動作のバラツキを抑えることができ、したがって、温度変化があっても本来の動作精度を維持でき、半導体集積回路の温度特性を含む動作の精度が向上する。

なお、この実施形態では、トランジスタ５，６は、カレントミラー回路を構成する一対のトランジスタとして説明したが、これに限らず、動作時に温度に依存して特性値が一定の関係を有する必要のある高い動作精度が要求される２個以上の温度依存系回路素子から成る回路であっても良い。また、この実施形態では、パワートランジスタ２とトランジスタ３，４とトランジスタ５，６しか示していないが、実際はそれ以外にも複数個の回路素子がシリコンウェハ１上に配置されている。また、シリコンウェハ１上の回路素子のレイアウトは、図１に示すようなものに限ることはない。

熱伝導率λ[Ｗ／ｍ・ｋ]の物質にＱ[Ｗ]の熱量が流れている時の温度差ΔＴは、ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２＝（Ｑ／λ）・（Ｌ／Ｓ）[℃] という関係式から求められる。但し、Ｓは熱伝導物質の断面積 [ｍ²]、Ｌは熱伝導の距離 [ｍ]である。シリコンの場合、熱伝導率λは１５７Ｗ／ｍ・ｋであり、金の場合、熱伝導率λは３１９Ｗ／ｍ・ｋである。したがって、金の熱伝導率はシリコンの約２倍であるので、本実施形態の半導体集積回路は熱影響による安定度も約２倍の向上が見込める。

図２は本実施形態における例えばＮチャンネルＭＯＳトランジスタの半導体集積回路の断面図である。図２において、２１はＰ形シリコンウェハ、２２はフィールド酸化膜、２３は酸化ポリシリコン、２４は二酸化珪素からなる層間絶縁膜、２５はソース、２６はドレイン、２７はゲート、２８はアルミ電極、２９は二酸化珪素からなる層間絶縁膜、３０はプラズマ窒化膜、３１は熱伝導を高めるための金の膜（金層）である。

この実施形態におけるＮチャンネルＭＯＳトランジスタの半導体集積回路の特徴としては、プラズマ窒化膜３０の上面に金の膜３１が張られている。この金の膜３１が、トランジスタが形成された部分の上方に設けられたプラズマ窒化膜３０の部分、およびＰ形シリコンウェハ２１上に形成された図示しない他の回路素子の部分の上方に設けられたプラズマ窒化膜の部分に張られていることにより、このトランジスタの熱を他の回路素子に高い熱伝導率で伝導することができる。

図３は本発明の他の実施形態に係る半導体集積回路の回路レイアウト図である。この半導体集積回路は、シリコンウェハ１上に、パワートランジスタ２と、このパワートランジスタ２を過熱から保護するための過熱保護回路の一部を構成する一対のトランジスタ３，４と、パワートランジスタ２を制御するための一対のトランジスタ５，６とを備えている。

過熱保護回路は過熱温度を検出するためのコンパレータを含み構成され、このコンパレータは一対のトランジスタ３，４などにより温度に関する入力電圧と基準電圧との比較動作を行う。また、制御回路は、カレントミラー回路を構成する一対のトランジスタ５，６を備え、パワートランジスタ２の出力を安定させるための制御を行う。パワートランジスタ２と一対のトランジスタ３，４とは、金の膜９で覆われている。また、一対のトランジスタ５，６は、金の膜８で覆われている。

この実施形態では、パワートランジスタ２の発熱箇所が図３から見て右側に集中している場合を示し、金の膜９はパワートランジスタ２の右側に対応する部分に張られている。したがって、この実施形態では、図１に示す実施形態と同様な効果が得られると共に、金の膜７の面積が少なくて済み、金を節約することができる。

図４は本発明の更に他の実施形態に係る半導体集積回路の回路レイアウト図である。この半導体集積回路は、シリコンウェハ１上に、パワートランジスタ２と、このパワートランジスタ２を過熱から保護するための過熱保護回路の一部を構成する一対のトランジスタ３，４と、パワートランジスタ２を制御するための一対のトランジスタ５，６とを備えている。

過熱保護回路は過熱温度を検出するためのコンパレータを含み構成され、このコンパレータは一対のトランジスタ３，４などにより温度に関する入力電圧と基準電圧との比較動作を行う。また、制御回路は、カレントミラー回路を構成する一対のトランジスタ５，６を備え、パワートランジスタ２の出力を安定させるための制御を行う。一対のトランジスタ３，４は、金の膜１０で覆われている。また、一対のトランジスタ５，６は、金の膜８で覆われている。

この実施形態によれば、一対のトランジスタ３，４が金の膜１０で覆われているので、トランジスタ３とトランジスタ４には均等に熱が伝導され、これにより、各トランジスタ３，４の特性値が一定の関係を維持し、したがって、温度変化があっても本来の動作精度を維持でき、半導体集積回路の温度特性を含む動作の精度が向上する。また、一対のトランジスタ５，６についても同様な効果が得られる。

なお、以上説明した各実施形態では、回路素子に金の膜（金層）を覆った例について説明したが、これに限らず、金の膜を、回路素子の配線を兼ねて構成しても良い。この場合は、金が節約できると共に、金層を別に設ける必要がないので、チップ構成が簡単化し、半導体集積回路が低価格で実現できる。

以上説明したようなパワートランジスタを内蔵する半導体集積回路においては動作時にパワートランジスタは、トランジスタを形成している領域に対して均等に電流が流れず、電流の偏りによる発熱の偏りも生じ、この発熱によって、高い精度を必要とする内部のコンパレータなどは影響を受け、オフセットによるバラツキが発生してしまうが、前記各実施形態のように、高い精度を必要とする温度依存系回路素子を熱伝導率の高い金の膜で覆うことによって、各トランジスタに対して熱を均等に分散させ、温度変化があっても動作精度を本来の精度に維持でき、半導体集積回路の温度特性を含む動作の精度が向上する。

また、今後、更に半導体集積回路の大電流化が進む中において、温度による動作のバラツキを抑えることが重要視されるようになるが、本発明は温度による動作のバラツキを精度高く抑えることができるので、今後の適用が期待される。

本発明の一実施形態に係る半導体集積回路の回路レイアウト図である。前記実施形態などにおける例えばＮチャンネルＭＯＳトランジスタの半導体集積回路の断面図である。本発明の他の実施形態に係る半導体集積回路の回路レイアウト図である。本発明の更に他の実施形態に係る半導体集積回路の回路レイアウト図である。従来の半導体集積回路の回路レイアウト図である。

符号の説明

１シリコンウェハ（半導体基板）
２パワートランジスタ（熱源系回路素子）
３〜６トランジスタ（温度依存系回路素子）
７〜１０，３１金の膜

Claims

動作時に比較的に高い熱を発生し所定の動作を行う１個以上の熱源系回路素子と、動作時に温度に依存して特性値が一定の関係を有し所定の動作を行う２個以上の温度依存系回路素子とが半導体基板上の所定箇所にそれぞれ配置されて構成された半導体集積回路において、前記１個以上の熱源系回路素子と前記２個以上の温度依存系回路素子とを半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆って構成したことを特徴とする半導体集積回路。
動作時に比較的に高い熱を発生し所定の動作を行う１個以上の熱源系回路素子と、動作時に温度に依存して特性値が一定の関係を有し所定の動作を行う２個以上の温度依存系回路素子とが半導体基板上の所定箇所にそれぞれ配置されて構成された半導体集積回路において、前記２個以上の温度依存系回路素子を半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜で覆って構成したことを特徴とする半導体集積回路。
前記熱源系回路素子はパワートランジスタであり、前記温度依存系回路素子はトランジスタであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体集積回路。
前記半導体基板がシリコンウェハであり、前記半導体基板の熱伝導率よりも高い物質の膜とは、シリコンよりも熱伝導率が高い金の膜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体集積回路。
前記金の膜は回路素子の配線を兼ねて構成したことを特徴とする請求項４に記載の半導体集積回路。