JP2009111110A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】特定の配線層に電流集中が起こってしまっていた。
【解決手段】半導体装置は、それぞれがソース領域あるいはドレイン領域に接続され、ソース領域あるいはドレイン領域と相似形状に形成されている複数の下層配線層と、複数の下層配線層に電気的に接続され、下層配線層と相似形状に形成された複数の第1の領域、及び当該第1の領域と同一層で形成され複数の第1の領域を電気的に接続する連結部を有する中間配線層と、中間配線層に電気的に接続される上層配線層を有する。
【選択図】図4

Description

本発明は、半導体装置に関し、特にパワートランジスタを含む半導体装置。
大電力用のトランジスタでは、半導体基板上に複数のMOSトランジスタを形成し、複数のトランジスタのソース、ドレインなどを共通接続した状態として大電力用トランジスタを形成する場合がある。特許文献1にはHブリッジ回路に用いる場合を例としてこのようなパワートランジスタが示されている。特許文献1ではHブリッジ回路で示されている図のみ示されているため、簡略化のため1つのパワーMOSFETとした場合の例を図15〜図17に示す。以下。図15乃至図17を適宜参照してパワートランジスタの構成について説明する。
図15は、半導体基板100上にソース領域1、ドレイン領域3、ゲート電極2を形成した場合のレイアウトを示す図である。なお、図15は、半導体基板や半導体チップ全体を示すものではなく、半導体基板100上にパワートランジスタを配置したときのレイアウトの一部を模式的に示したものである。図15に示すように、半導体基板100上にパワートランジスタを形成する場合、ソース領域(SOURCE)、ゲート電極(GATE)、ドレイン領域(DRAIN)、ゲート電極(GATE)の順で繰り返す繰り返し構造とされるのが一般的である。ソース領域1、ドレイン領域3は半導体基板100に形成された拡散層であるが、ゲート電極2は半導体基板100上にゲート酸化膜(不図示)などを介して形成されたポリシリコン配線である。
図15に示すようにゲート電極2は共通接続され図示していないゲート配線などに電気的に接続される。複数のソース領域1は、後に図16、図17を用いて説明する下層のソース配線10にコンタクトなどを介して接続され、更に上層のソース配線11を介してソースパッド101に接続される。同様に、複数のドレイン領域3も下層のドレイン配線30、上層のドレイン配線31を介してドレインパッド102に接続されている。
ここで、図16、図17を用いて、一般的なパワートランジスタの配線構造について説明する。図16は下層のソース配線10、下層のドレイン配線30、上層のソース配線11、上層のドレイン配線31、下層配線10、30と上層配線11、31の間のコンタクト80、90を示した上面図である。なお、図16では図15に示したソース領域1、ドレイン領域3、および拡散領域と下層の配線を接続するコンタクトは省略している。図17は、図16におけるP−P線にそった断面図を模式的に示すものである。
図17に示すように半導体基板100上には層間絶縁膜20が形成されている。そして図16に示すように、この層間絶縁膜上20に、ソース領域1とほぼ平行なソース配線10、ドレイン領域とほぼ平行なドレイン配線30が形成されている。ソース領域1とソース配線10、ドレイン領域3とドレイン配線30は、図17に示す拡散領域と下層配線を接続するコンタクト21で接続されている。
下層のソース配線10、ドレイン配線30上には第2の層間絶縁膜22が形成され、層間絶縁膜22上に上層のソース配線11及びドレイン配線31が形成されている。図16に示すように、上層のソース配線11及びドレイン配線31は、MOSトランジスタの形成領域の略半分を覆う極めて広い配線層(以後、ベタ配線と称す)で形成されている。上層のソース配線層11は、ソースパッド101と電気的に接続されている。上層のドレイン配線層31は、ドレインパッド102と電気的に接続されている。上層ソース配線(ベタ配線)11が形成される領域下の層間絶縁膜22にはコンタクト80が形成されている。このコンタクト80により、下層のソース配線10は、上層のソース配線11と電気的に接続されている。上層ドレイン配線(ベタ配線)31が形成される領域下の層間絶縁膜22にはコンタクト90が形成されている。このコンタクト90により、下層のドレイン配線30は、上層のドレイン配線31と電気的に接続されている。図17は、上層のドレイン配線31が形成される部分に対応する断面図であるため、コンタクト90のみが示されているが、上層のソース配線11が形成される領域下では、コンタクト80のみが形成され、コンタクト90は形成されない。
特開2000−311953号公報
このようなパワートランジスタを構成する半導体チップであっても、1つの半導体チップに1つのパワートランジスタのみを形成せずに、複数の素子を搭載して1つの半導体チップとする場合がある。このような場合、上記に説明したような配線層2層でパワートランジスタを構成する半導体チップを構成するのは困難となり複数の配線層を用いてパワートランジスタを含む半導体チップを形成する必要性が生じる。
このような半導体チップでは、パワートランジスタの下層の配線層と上記で言う上層、つまり最上層のベタ配線層の間に形成される配線層の形状、面積などにより、パワートランジスタに対する下層配線への電流集中やパッド近傍への電流集中が生じてしまい素子寿命が短くなってしまう場合があった。
そのため、パワートランジスタを含む半導体装置の下層配線、パッドに接続される上層配線との間に位置する中間配線層の形状を考慮することで、配線の一部に対する電流密度が高くなることを緩和することが望まれていた。
本発明の1態様による半導体装置は、それぞれがソース領域あるいはドレイン領域に接続され、ソース領域あるいはドレイン領域と相似形状に形成されている複数の下層配線層と、複数の下層配線層に電気的に接続され、下層配線層と相似形状に形成された複数の第1の領域、及び当該第1の領域と同一層で形成され複数の第1の領域を電気的に接続する連結部を有する中間配線層と、中間配線層に電気的に接続される上層配線層を有する。
この構成により、下層配線層あるいは上層配線層に対する電流集中を防止することが可能である。
特定の配線層に対する電流集中を防ぐことが可能である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図1乃至図4において背景技術において説明した部位と同等の働きをする部分には同じ符号を付して説明している。
図1は、半導体基板100上にソース領域1、ドレイン領域3、ゲート電極2を形成した場合のレイアウトを示す図である。以降、図1乃至図4を用いて詳細に説明するが、本実施の形態では半導体基板(あるいはウェル)100に形成された、ソース領域1、ゲート電極2、ドレイン領域3で電界効果型トランジスタを形成している。ソース領域1及びドレイン領域3は第1導電型の半導体基板(ウェル)100に第2導電型の不純物拡散領域を形成することによって形成されている。ゲート電極2は半導体基板100上にゲート酸化膜(不図示)などを介して形成されたポリシリコン配線による電極である。
図1は、半導体基板100や半導体チップ全体を示すものではなく、半導体基板100上にパワートランジスタを配置したときのレイアウトの一部を模式的に示したものである。図1に示すように、半導体基板上で、拡散領域、ゲート電極は、第1の方向(図面X方向)に延在している。拡散領域、ゲート電極の配置は、第2の方向(図面Y方向)に沿って、ソース領域(SOURCE)、ゲート電極(GATE)、ドレイン領域(DRAIN)、ゲート電極(GATE)、ソース領域(SOURCE)の順を繰り返す、繰り返し構造とされる。
図1に示すようにゲート電極2は共通接続され図示していないゲート配線などに電気的に接続される。複数のソース領域1は、後に図2、図3、図4を用いて説明する1層目(下層配線層)のソース配線10にコンタクトを介して接続される。後述するが、この1層目のソース配線10は、さらに2層目(中層配線層)のソース配線12、3層目(上層配線層)のソース配線11に接続され、ソースパッド101とソース領域1を電気的に接続している。同様に、複数のドレイン領域3も1層目のドレイン配線30、2層目のドレイン配線32、3層目のドレイン配線31を介してドレインパッド102に電気的に接続されている。
ここで、図2、図3を用いて、本実施の形態のパワートランジスタの配線構造について説明する。図2は1層目のソース配線10、ドレイン配線30を示す図である。なお、図2では図1に示したソース領域1、ゲート電極2、ドレイン領域3、および拡散領域と1層目の配線を接続するコンタクトは省略している。図3は、図2におけるIII−III線に沿った断面図を模式的に示すものである。
図2に示すように1層目配線(下層配線)10、30は、ソース領域1あるいはドレイン領域3と相似形状とされ複数形成されている。
図3に示すように半導体基板100上には層間絶縁膜20が形成されている。そして図2に示すように、この層間絶縁膜20上に、ソース領域1とほぼ平行なソース配線10、ドレイン領域3とほぼ平行なドレイン配線30が配置されている。図4は、2層目のソース配線(中間配線層)12、2層目のドレイン配線(中間配線層)32、および1層目配線10、30と2層目配線12、32の間のコンタクト40、50を示した上面図である。図面の簡略化のため、1層目のソース配線10およびドレイン配線30などは省略されている。また、図5は、図4のV−V線における断面図、図6は、図4のVI−VI線における断面図を示す図である。1層目のソース配線10、ドレイン配線30上には第2の層間絶縁膜22が形成され、層間絶縁膜22上に2層目のソース配線12及びドレイン配線32が形成されている。
図4に示すように、本実施の形態では、2層目の配線層が、特殊な形状をしている。2層目のドレイン配線32に着目して具体的に説明すると、2層目のドレイン配線32は、トランジスタが並んで形成される方向(図面Y方向、第2の方向)のほぼ全域に渡って形成される部分(矩形状配線層)と、1層目のドレイン配線30と同様に、ドレイン領域3にほぼ並行に形成される部分(短冊状配線層)を有している。つまり、下層配線層と相似形状に形成された複数の第1の領域、及び当該第1の領域と同一層で形成され前記複数の第1の領域を電気的に接続する連結部を有している。2層目のソース配線12も同様に、トランジスタが並んで形成される方向(図面Y方向、第2の方向)のほぼ全域に渡って形成される部分と、ソース領域1にほぼ並行に形成される部分を有している(以下、2層目のソース・ドレイン配線を半ベタ配線と称す)。
図5は、2層目のドレイン配線32が図面Y方向のほぼ全域に渡って形成される領域(ベタ領域、2層目配線の連結部を含む領域)における断面図である。図4のV-V線に対応する断面図であるため、1層目ドレイン配線30と2層目ドレイン配線32を接続するコンタクト50のみが示されている。図6に示す断面ではVI−VI線(図面Y方向)で、2層目のソース配線12、2層目のドレイン配線32が交互に配置されている。そのため、1層目のソース配線10と2層目のソース配線12を接続するコンタクト40と上記したコンタクト50が交互に配置されている。
図7は、2層目のソース配線12、ドレイン配線32、および3層目(上層配線層)のソース配線11、ドレイン配線31と、2層目と3層目の配線を接続するコンタクトを上面からみた模式図である。また、図8は、図7におけるVIII−VIII線における断面図、図9は、図7におけるIX−IXにおける断面図を示す図である。図8に示すように2層目の配線上には第3の層間絶縁膜23が形成されている。
図7においては太い鎖線で示された領域が3層目の配線を示している。図7に示すように、3層目のソース配線11及びドレイン配線31は、図面X方向に関してMOSトランジスタの形成領域の略半分を覆う極めて広い配線層(以後、ベタ配線と称す)で形成されている。ドレイン配線31を例に説明すると、3層目のドレイン配線31はドレイン領域が延在する方向(図面X方向)の約半分に渡って全面に形成され、トランジスタが並んで形成される方向(図面Y方向)のほぼ全域に渡って形成される。3層目のソース配線11もドレイン配線31と左右対称な位置にほぼ同様なベタ配線で形成される。
図8は、2層目のドレイン配線32が図面Y方向のほぼ全域にわたって形成される領域における断面図である。2層目のドレイン配線32と3層目のドレイン配線31を接続するコンタクト70は、連結部(矩形状配線層)では、図面Y方向(第2の方向)について、第1の領域(短冊状配線層)よりも多数形成することができる。図9に示す断面では、2層目のソース配線12、2層目のドレイン配線32が交互に配置されているため、2層目のドレイン配線32と3層目のドレイン配線31を接続するコンタクト70は、2層目のドレイン配線32に対応する位置に形成されている。
また、図10は、図7におけるX−X線における断面を示す図である、図7及び図10を用いて示されるように2層目のドレイン配線32は、3層目のソース配線11の下部にも一部形成されるが、その部分においては2層目の配線と3層目のソース配線間にコンタクトは形成されず、ソース・ドレイン間の短絡は起こらない。図10に示すように、1つの下層配線(ソース配線10あるいはドレイン配線30)の任意の1本の直上のみに関して着目すれば、1層目−2層目間のコンタクトよりも2層目−3層目間のコンタクトが少なくなる。
ここで、パワートランジスタを有する半導体装置が多層配線とされた場合に、中間層配線(本実施の形態では2層目配線)を上記に説明したような形状とする理由について説明する。
パワートランジスタの場合、流す電流が大きい為、その配線経路中の電流密度が高くなることなどが問題となってくる。仮に、本実施の形態における2層目の配線を3層目の配線と同様のベタ配線、つまり図面X方向でソース形成領域、あるいはドレイン形成領域のほぼ半分全域に渡る、(図面Y方向でトランジスタ形成領域全域に渡るような配線(例えば、図7における3層目配線11、31と同形状)とした場合、ソース及びドレインパッド101、102近辺に最大電流が流れても、その先における電流密度が低く抑えられ,
ソースパッド101、ドレインパッド102におけるパッド近辺の電流密度に対する余裕度は大きくなる。しかし、2層目、3層目をベタ配線とした場合は、その電流がソース領域1あるいはドレイン領域3に相似した形状とされている1層目のソース配線10、ドレイン配線30に集中することとなる。そのため、1層目配線に電流密度が集中し、1層目配線の配線寿命の劣化などを招いてしまう。
一方、本実施の形態における2層目の配線を1層目の配線と同様に、ソース領域1、ドレイン領域3とほぼ平行な形状の配線とした場合、ソースパッド、ドレインパッド101、102に最大電流が流れた場合は、2層目にベタ配線部分がないため3層目の配線(ベタ配線)のみに流れてしまい、パッド近傍への電流の集中が大きく、3層目の配線の電流密度が大きくなり、配線寿命の劣化を招いてしまう恐れが有る。
そのため、本実施の形態では、2層目の配線層を、MOSトランジスタを形成する領域(図面X方向)全域にまたがる部分と、ソース領域、ドレイン領域にほぼ平行な形状となる部分を有する構成とし、配線層全体としての電流密度が高くなることを緩和する構成としている。
以下に、配線層全体として、電流密度が高くなることを緩和するための2層目の配線層の構成を詳細に説明する。
図1乃至図10を用いて説明したように、ソースパッド101、ドレインパッド102に接続される配線を11、31のようにベタ配線構造、ソース領域1、ドレイン領域3に接続される配線をソース領域1、ドレイン領域3とほぼ平行な細線が平行に並べられるような構造としている。
上記した図1から図10では発明の実施の形態の構造を説明するための模式図であったが、図11に1層目の配線から3層目の配線までのレイアウト図をより詳細に示す。仮に。2層目の配線層を図7の11、31に示すようなベタ配線とした場合、最大電流が流れる時に最も電流密度が高くなるのは、ソース領域1、ドレイン領域3が形成される幅(図11(a)にTで示す)のほぼ中央付近、つまり3層目配線(ベタ配線)におけるソース配線11とドレイン配線31の境目付近である。2層目がベタ配線であればこの部分の1層目配線にドレイン電流全体の1/2の電流が集中してしまう。よって、その近辺においては1層目の配線10、30に対する電流密度を出来るだけ緩和することが好ましい。
そのため、本実施の形態では、図11(b)に示すように上層(本実施の形態の3層目)配線同士の境目付近(図11(c)参照)に対応する領域の中層配線(本実施の形態の2層目)は、トランジスタを形成する領域全体にまたがる構造(上記した半ベタ構造)ではなく、1層目配線の形状に追尾した形状であることが好ましい。
そのため、本実施の形態では2層目のソース配線12(あるいはドレイン配線32)は、図面X方向にみた場合、全体として、ソース領域1、ドレイン領域3を形成する図面X方向の幅Tに対し、ほぼ(T×2/3)に対応する幅を有している。ここで、ほぼ(T×2/3)とするのはソース配線32とドレイン配線が接触してしまうことを防ぐ為である。そして、2層目の配線は、ソース領域端(あるいはドレイン領域端)からT×1/3に対応する領域において、図面Y方向のトランジスタを形成する領域全体にまたがるベタ配線構造とされている。そして、残りのT×1/3に相当する部分は1層目のソース配線10(ドレイン配線30)同様にソース領域1あるいはドレイン領域3の形状に相似した形状とされている。つまり、ソース配線層は、図面X方向に関して、T×2/3の長さにわたって延在し、その延在する長さ(T×2/3)に対して、約1/2(T×1/3)がベタ配線(連結部)とされている。
このような形状とすることで、3層目のソース配線11とドレイン配線31の境目付近における1層目配線(図11(a)、点線Pで囲った領域)に集中するソース電流、ドレイン電流を、最大電流の1/2から1/3に緩和することが可能となる。また2層目の配線は上記したようにその一部(T×1/3)における領域が、いわゆるベタ配線構造となっているため、3層目のベタ配線11、31に対する電流集中も緩和され、ソースパッド、ドレインパッドなどにおける電流集中も緩和される。したがって、1層目の配線層(例えばソース配線10)1本の第1の方向(図面X方向)における長さをT、第2の方向(図面Y方向)長さをSとした場合、2層目の配線層は、第2の方向に関して1層目配線の長さSと略同一な長さを有して第1の方向に延在する部分と、第2の方向に関する1層目配線の長さSよりも長い、長さS2を有して第1の方向に延在する部分を有している。言い換えれば、2層目の配線層は1層目の配線層と相似形状に形成された領域を有し相似形状に形成された2層目配線同士を他の領域に形成された2層目配線層の連結部で互いに接続している。このような構成とすることで、1層目配線層および3層目配線層の配線寿命を延ばし、半導体装置全体として劣化する為の寿命も延ばすことが可能となる。なお、この形状は、3層目の配線層におけるソース、ドレイン配線の境目付近における電界集中を防ぐため、1層目のソース配線10(あるいはドレイン配線30)の端部から1層目ソース電極の長さの1/3程度が第2の方向に関する1層目配線の長さSよりも長い部分として形成され、それに連結される1層目ソース電極の長さの1/3程度が、1層目のソース配線と相似形状として形成されるのが良い。中間配線層の矩形状配線層の長さと短冊状配線層の長さは、それぞれ上層配線層と下層配線層との関係において互いに重なり合う長さが長いほど電流密度が高くなることを抑制できる。このため、矩形状配線層の長さと短冊状配線層の長さはその点を考慮して適宜、決定すればよい。
実施の形態2
本実施の形態は、実施の形態1で説明したパワートランジスタの構造をHブリッジ回路に適用した場合の例である。Hブリッジ回路は図12に示すように直列に接続したP型MOSトランジスタP1、N型MOSトランジスタN1と、直列に接続したP型MOSトランジスタP2、N型MOSトランジスタN2をそれぞれ並列に接続する。そしてP型トランジスタとN型トランジスタの間のノード(P1、N1のドレイン、P2,N2のドレイン)を2つの出力端子として、例えばモータなどの負荷を駆動する。P型MOSトランジスタのソースには電源電位が与えられ、N型MOSトランジスタのソースには接地電位が与えられる。
このようなHブリッジ回路を構成する場合、図13に示すようにP型のパワーMOSトランジスタ、N型のパワーMOSトランジスタを並べて形成する。図では1組のP型MOSトランジスタとN型MOSトランジスタしか示されていないがHブリッジ回路であれば図13に示した配置と同様の配置がもう1組用意される。個々のトランジスタの構成は図1乃至11を用いて説明した構成とされ、その導電型がP型かN型かによって異なるのみである。
さらに、Hブリッジ回路の場合、P型MOSトランジスタ、N型MOSトランジスタのドレインが共通接続され、出力端子となるため上記した2層目、3層目の配線を図14に示すような形状とし、出力パッドとしてのドレインパッド202を1つとすることが可能である。なお、図14に示した2層目配線においても個々のトランジスタのソース領域(あるいはドレイン領域)の第1の方向に関して延在する長さと、短冊状部分、ベタ部分の関係は同じである。つまり、ソース領域(あるいはドレイン領域)の図面X方向に関して延在する長さをTとした場合、2層目配線は図面X方向に関して、その延在する長さに対して、約1/2がベタ配線(連結部)とされている。
以上、詳細に説明したように本発明によれば、中間層にいわゆるベタ配線と呼ばれる連結部(矩形状配線層)と、下層の配線層と相似形状に形成された第1領域(短冊状配線層)の両方を具備させることでパワートランジスタの配線層への電流集中を効果的に防止することが出来る。
本実施の形態のトランジスタのレイアウトを示す図。 本実施の形態の1層目配線のレイアウトを示す図 図2におけるIII−III線断面図。 本実施の形態の2層目配線、1層目配線−2層目配線間のコンタクトを示す図。 図4におけるV−V線断面図。 図4におけるVI−VI線断面図。 本実施の形態の2層目配線、3層目配線、2層目配線−3層目配線間のコンタクトを示す図。 図7におけるVIII−VIII線断面図。 図7におけるIX−IX線断面図。 図7におけるX−X線断面図。 本実施の形態における各配線層の形状を示す図。 Hブリッジ回路を示す回路図。 Hブリッジ回路における本実施の形態のトランジスタのレイアウトを示す図。 Hブリッジ回路における本実施の形態の2層目配線、3層目配線の形状を示す図。 パワートランジスタにおけるレイアウトを示す図。 パワートランジスタにおける配線、コンタクトのレイアウトを示す図。 図16におけるP−P線断面図
符号の説明
1 ソース領域
2 ゲート電極
3 ドレイン領域
10 ソース配線(下層配線)
11 ソース配線(上層配線)
12 ソース配線
21 コンタクト
20、22、23 層間絶縁膜
30 ドレイン配線
31 ドレイン配線
32 ドレイン配線
32 ライン配線
40、50、60、70 コンタクト
100 半導体基板
101 ソースパッド
102 ドレインパッド
202 ドレインパッド

Claims (10)

  1. それぞれがソース領域あるいはドレイン領域に接続され、ソース領域あるいはドレイン領域と相似形状に形成されている複数の下層配線層と、
    前記複数の下層配線層に電気的に接続され、前記下層配線層と相似形状に形成された複数の第1の領域、及び当該第1の領域と同一層で形成され前記複数の第1の領域を電気的に接続する連結部を有する中間配線層と、
    前記中間配線層に電気的に接続される上層配線層を有する半導体装置。
  2. 前記半導体装置はパワートランジスタを含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記連結部は、前記中間配線層のそれが延在する第1の方向の長さに対して、略1/2の長さを有することを特徴とする請求項1あるいは2に記載の半導体装置。
  4. 前記複数の下層配線層の任意の1配線の前記第1の方向に関する長さをT、前記第1の方向と直交する第2の方向に関する長さをSとした場合に、前記中間配線層は前記第2の方向に関して前記Sよりも長い部分を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記中間配線層は、前記第1の方向に関して前記下層配線層の当該第1の方向に関する長さTよりも短いことを特徴とする請求項3または4に記載のパワートランジスタ。
  6. 下層配線層の任意の1本の直上のみに関して着目した場合に、下層配線層と中間配線層との間のコンタクトよりも中間配線層と上層配線層との間のコンタクトが少ないことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記中間配線層は、前記下層配線層の類似パターンと、前記上層配線層の類似パターンとを併せ持つ請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記下層配線層は、短冊状配線層である請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記上層配線層は、前記ソース領域及び前記ドレイン領域の概ね半分の領域に渡って形成された矩形状配線層である請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。
  10. 前記ソース領域及び前記ドレイン領域が交互配置され、前記ソース領域及び前記ドレイン領域のそれぞれに電気的接続された前記下層配線層、前記中間配線層および前記上層配線層が、略対称かつ前記2つの中間配線層の短冊状配線層が互いに噛み合う格好で形成配置された請求項8または9のいずれか1項に記載の半導体装置。
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