JP2014225610A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置に関し、たとえば、発振回路を含む種々の回路を内蔵する半導体装置に好適に用いられるものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and is suitably used for a semiconductor device incorporating various circuits including an oscillation circuit, for example.
発振回路を含む種々の回路を内蔵する半導体装置の一例として、国際公開第2012/073007A1号(特許文献1)には、発振回路等を内蔵させた半導体チップを樹脂材料によって封止してパッケージ化した樹脂封止型の半導体装置が開示される。 As an example of a semiconductor device incorporating various circuits including an oscillation circuit, International Publication No. 2012 / 073007A1 (Patent Document 1) encapsulates a semiconductor chip incorporating an oscillation circuit and the like with a resin material and is packaged. A resin-encapsulated semiconductor device is disclosed.
この種の半導体装置においては、樹脂材料と半導体基板との間の熱膨張係数の違いにより、半導体チップに応力が発生する。そして、半導体チップに応力が加わると、その応力を受けて発振回路に含まれる基準抵抗が変形することによって基準抵抗の抵抗値が変動する。これにより、発振回路の発振周波数が変動してしまうことになる。特許文献1には、基準抵抗を構成する導電体パターンが半導体チップに発生する応力の影響をできるだけ受けないようにするために、導電体パターンの延在方向を、半導体チップの主面に発生する応力が小さくなる方向に設定することが開示されている。
In this type of semiconductor device, stress is generated in the semiconductor chip due to the difference in thermal expansion coefficient between the resin material and the semiconductor substrate. When stress is applied to the semiconductor chip, the resistance value of the reference resistor varies due to deformation of the reference resistor included in the oscillation circuit in response to the stress. As a result, the oscillation frequency of the oscillation circuit varies. In
上記の特許文献1に記載される半導体装置は、基準抵抗の抵抗値の変動をできる限り抑えることによって、発振回路の発振周波数の安定化を図るものである。しかしながら、基準抵抗の抵抗値の変動は半導体チップを封止するパッケージの構造(樹脂材料の物性、パッケージの形状および寸法など)に依存するため、発振周波数の精度もパッケージの構造によって異なったものとなってしまう。そのため、上記特許文献1の半導体装置においては、発振周波数などの回路の特性の精度保証値は、一連のパッケージのラインナップにおいて最も精度が劣化するパッケージに律則されることになる。なお、パッケージの構造は回路特性の精度に大きく影響するため、その変更は容易でない。したがって、半導体装置においては、パッケージの構造によらず、内蔵される回路の特性を高精度に保証することが大きな課題となる。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
The semiconductor device described in
一実施の形態による半導体装置は、半導体基板の主表面に形成される複数の回路と、半導体基板の主表面に形成され、上記複数の回路に働く応力を検出する応力センサとを備える。応力センサは、半導体基板の主表面に形成され、第1の不純物濃度を有する第1導電型の第1の半導体抵抗と、半導体基板の主表面に形成され、第1の不純物濃度よりも低い第2の不純物濃度を有する前記第1導電型の第2の半導体抵抗とを含む。 A semiconductor device according to an embodiment includes a plurality of circuits formed on a main surface of a semiconductor substrate and a stress sensor that is formed on the main surface of the semiconductor substrate and detects stress acting on the plurality of circuits. The stress sensor is formed on the main surface of the semiconductor substrate and has a first conductivity type first semiconductor resistor having a first impurity concentration, and is formed on the main surface of the semiconductor substrate and has a first impurity concentration lower than the first impurity concentration. And a second semiconductor resistor of the first conductivity type having an impurity concentration of 2.
上記の一実施の形態によれば、半導体チップを封止するパッケージの構造によらず、半導体チップに内蔵される回路の特性を高精度に保証することができる。 According to the above-described embodiment, the characteristics of the circuit built in the semiconductor chip can be ensured with high accuracy regardless of the structure of the package for sealing the semiconductor chip.
以下、一実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。 Hereinafter, an embodiment will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
(半導体装置の回路構成)
図1は、実施の形態1による半導体装置を構成する半導体チップの平面レイアウト図である。同図には、半導体チップCPに内蔵された回路ブロックなどのレイアウトの一例が示されている。
[Embodiment 1]
(Circuit configuration of semiconductor device)
FIG. 1 is a plan layout diagram of a semiconductor chip constituting the semiconductor device according to the first embodiment. In the figure, an example of a layout of circuit blocks and the like built in the semiconductor chip CP is shown.
図1を参照して、半導体チップCPの主面には、発振回路およびその他の回路が形成されている。具体的には、半導体チップCPは、矩形状の平面形状を有しており、発振回路が形成された発振回路領域OSCと、発振回路以外の回路が形成された領域とを有している。例えば、半導体チップCPは、RAM(Random Access Memory)が形成されたRAM領域RAMと、論理回路が形成された論理回路領域LOGと、フラッシュメモリ(不揮発性メモリ)が形成されたフラッシュメモリ領域FLAとを有している。半導体チップCPはさらに、A/D(アナログ/デジタル)コンバータおよびD/Aコンバータが形成されたAD/DA領域ADと、I/F回路が形成されたI/F回路領域IFと、電源回路が形成された電源回路領域PCとを有している。 Referring to FIG. 1, an oscillation circuit and other circuits are formed on the main surface of semiconductor chip CP. Specifically, the semiconductor chip CP has a rectangular planar shape, and includes an oscillation circuit region OSC in which an oscillation circuit is formed and a region in which a circuit other than the oscillation circuit is formed. For example, the semiconductor chip CP includes a RAM area RAM in which a RAM (Random Access Memory) is formed, a logic circuit area LOG in which a logic circuit is formed, and a flash memory area FLA in which a flash memory (nonvolatile memory) is formed. have. The semiconductor chip CP further includes an AD / DA area AD in which A / D (analog / digital) converters and D / A converters are formed, an I / F circuit area IF in which I / F circuits are formed, and a power supply circuit. And a formed power supply circuit area PC.
半導体チップCPの主面の外周部には、半導体チップCPの主面の四辺に沿って複数のパッド電極PDが配置されている。各パッド電極PDは、半導体チップCPの内部配線層を介して、発振回路領域OSC、RAM領域RAM、論理回路領域LOG、フラッシュメモリ領域FLA、AD/DA領域AD、I/F回路領域IF、電源回路領域PCなどと電気的に接続されている。 On the outer periphery of the main surface of the semiconductor chip CP, a plurality of pad electrodes PD are arranged along the four sides of the main surface of the semiconductor chip CP. Each pad electrode PD is connected to an oscillation circuit area OSC, a RAM area RAM, a logic circuit area LOG, a flash memory area FLA, an AD / DA area AD, an I / F circuit area IF, a power supply via an internal wiring layer of the semiconductor chip CP. It is electrically connected to the circuit area PC or the like.
(発振回路の構成)
図2は、半導体チップCPに形成される発振回路の一例を示す回路図である。図3は、発振部13の発振信号(周波数F)と、スイッチSW1のオン・オフの切り替えと、容量C1の電圧との関係を模式的に示す説明図である。
(Configuration of oscillation circuit)
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of an oscillation circuit formed in the semiconductor chip CP. FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the relationship between the oscillation signal (frequency F) of the oscillating
図2を参照して、発振回路は、電圧電流変換部11と、電圧生成部12と、発振部13とから構成される。
With reference to FIG. 2, the oscillation circuit includes a voltage-
電圧電流変換部11は、基準抵抗Rstを利用して入力電圧である基準電圧VrefIを電流(基準電流)Irefに変換する。具体的には、電圧電流変換部11のオペアンプOP1に基準電圧VrefIが入力されると、基準電圧VrefIが基準抵抗Rstに印加されることによって基準電流Irefが生成される。なお、基準抵抗Rstの抵抗値をRとすると、基準電流Irefは、Iref=VrefI/Rとなる。すなわち、基準抵抗Rstは、基準電圧VrefIを基準電流Irefに変換するための抵抗とみなすことができる。基準電流Irefは、トランジスタT1,T2で構成されたカレントミラー回路によってコピーされて電圧生成部12に供給される。
The voltage-
電圧生成部12は、電圧電流変換部11からの入力電流Irefを用いて、発振部13の発振周波数Fに応じた電圧Voを生成する。具体的には、電圧電流変換部11から供給された電流Irefは、電圧生成部12のスイッチSW1に入力される。スイッチSW1は、容量C1およびスイッチSW2に接続されており、発振部13の発振周波数Fに対して1/Fの時間だけスイッチSW1がオン(導通)する。スイッチSW1がオンする直前において、スイッチSW2がオフ(非導通)されて容量C1が放電されており、容量C1の充電電圧は0Vとなっている。スイッチSW2がオフされた状態でスイッチSW1をオンすることにより、スイッチSW1を介して容量C1に流れ込む電流(基準電流Iref)を受けて容量C1の充電が開始される。すなわち、スイッチSW1がオンされる時間(1/Fの時間)、容量C1が基準電流Irefにより充電される。このとき容量C1に蓄えられる電荷をQとすると、Q=Iref×(1/F)となる。よって、容量C1の容量値をCとし、電圧をVとすると、電圧Vは、電荷Qおよび容量Cを用いて、下記式(1)で表わされる。
The
ここで、基準電流Irefは、上述のように、基準電圧VrefIおよび基準抵抗Rstにより決まるため(Iref=VrefI/Rst)、上記式(1)は、下記式(2)のように変形できる。 Here, since the reference current Iref is determined by the reference voltage VrefI and the reference resistance Rst as described above (Iref = VrefI / Rst), the above equation (1) can be transformed into the following equation (2).
容量C1の電圧VはオペアンプOP2の反転入力端子(−端子)に入力される。オペアンプOP2の非反転入力端子(+端子)には、基準電圧Vrefcが入力される。オペアンプOP2は、入力された電圧Vと基準電圧Vrefcとの電圧差を増幅した電圧Voを出力する。 The voltage V of the capacitor C1 is input to the inverting input terminal (− terminal) of the operational amplifier OP2. The reference voltage Vrefc is input to the non-inverting input terminal (+ terminal) of the operational amplifier OP2. The operational amplifier OP2 outputs a voltage Vo obtained by amplifying the voltage difference between the input voltage V and the reference voltage Vrefc.
発振部13は、電圧生成部12からの入力電圧Voに応じた周波数で発振する。具体的には、電圧生成部12から出力された電圧Voは、VCO(Voltage Control Oscillator:電圧制御発振器)20に入力される。VCO20は、入力電圧Voに応じた周波数Fで発振信号を出力する。VCO20は、電圧で発振周波数を制御する発振器であり、VCO20に入力する電圧Voが変化すると、それに応じてVCO20が出力する発振信号の周波数Fも変化する。
The
発振部13は、周波数Fの発振信号を出力するとともに、制御信号発生器30に対して周波数フィードバック信号を出力する。制御信号発生器30は、周波数フィードバック信号をスイッチSW1,SW2のオン・オフを制御するためのスイッチング制御信号に変換する。具体的には、制御信号発生器30は、発振部13の発振周波数Fに応じて、スイッチSW1のオンされる時間が1/Fとなるように、スイッチSW1のスイッチング制御信号を生成する。また、スイッチSW1,SW2が相補的かつ交互にオン・オフするように、スイッチSW2のスイッチング制御信号を生成する。
The
このように、発振回路は、電圧生成部12において、電圧電流変換部11からの入力電流Irefおよび発振部13の発振周波数Fに応じて電圧Voを生成し、その生成した電圧Voを発振部13に入力して、それに応じた周波数で発振部13が発振するように構成される。電圧生成部12で生成される電圧Voは、発振部13の発振周波数Fに応じて制御され、かつ、その制御された電圧Voに応じて発振周波数Fが制御されるため、発振周波数Fが変動しても、その変動をフィードバックして発振部13の発振周波数Fを制御することができる。これにより、発振部13の発振周波数Fの変動を抑えることができ、安定した周波数で発振部13を発振させることができる。
As described above, in the
ここで、発振部13の発振周波数Fは、容量C1の電圧Vと基準電圧Vrefcとが一致したときに安定する。すなわち、発振周波数Fが安定した状態では、下記式(3)に示す関係が成立している。この関係を用いると、発振部13の発振周波数Fは、下記式(4)のように表わすことができる。
Here, the oscillation frequency F of the
上記式(4)から分かるように、発振周波数Fは、基準電圧VrefI,Vrefc、容量C1の容量値C、および基準抵抗Rの抵抗値Rに応じて変化する。したがって、これらの値のうちのいずれかが変動した場合には、発振周波数Fも変動してしまう。なお、基準電圧VrefI,Vrefcによる変動については、回路の工夫等により相殺することができる。一方、容量C1の容量値および基準抵抗Rstの抵抗値が変動すると、電圧生成部12で生成される電圧Voが変動するため、発振部13の発振周波数Fの変動を招いてしまう。特に、基準抵抗Rstの抵抗値が変動した場合には、電圧電流変換部11で生成される基準電流Irefが変動するため、電圧生成部12に入力される電流Irefも変動し、その結果、電圧生成部12から出力される電圧Voを変動させることとなる。
As can be seen from the above equation (4), the oscillation frequency F changes according to the reference voltages VrefI and Vrefc, the capacitance value C of the capacitor C1, and the resistance value R of the reference resistor R. Therefore, if any of these values changes, the oscillation frequency F also changes. It should be noted that fluctuations caused by the reference voltages VrefI and Vrefc can be canceled out by designing the circuit. On the other hand, when the capacitance value of the capacitor C1 and the resistance value of the reference resistor Rst vary, the voltage Vo generated by the
なお、基準抵抗Rstの抵抗値が変動する主な要因としては、半導体チップCPを樹脂封止した樹脂封止型の半導体装置において、樹脂封止により半導体チップCPに応力が発生することが挙げられる。その一方で、この応力の発生によって容量C1の容量値はほとんど変動しないことが実験データ等により確認されている。 A main factor that causes the resistance value of the reference resistor Rst to fluctuate is that stress is generated in the semiconductor chip CP due to resin sealing in a resin-sealed semiconductor device in which the semiconductor chip CP is resin-sealed. . On the other hand, it has been confirmed by experimental data and the like that the capacitance value of the capacitor C1 hardly fluctuates due to the generation of this stress.
本実施の形態1では、半導体チップCPを樹脂封止したことに起因して発生する応力を検出し、その検出した応力に応じて電圧生成部12から出力される電圧Voを補正することによって発振周波数Fの変動を補償する。これにより、発振部13の発振周波数Fを安定させる。また、発振回路以外の回路についても同様に、半導体チップCPに発生する応力に応じて特性値を補正することにより、応力に起因した特性値の変動を補償する。
In the first embodiment, the stress generated due to the resin-sealing of the semiconductor chip CP is detected, and the oscillation is performed by correcting the voltage Vo output from the
再び図1を参照して、半導体チップCPの主表面には、半導体チップCPに生じる応力を検出するための構成として、応力センサ10が形成されている。発振回路領域OSCを含む複数の回路領域では、応力センサ10の検出値を受けて各回路の特性値を補正する。
Referring to FIG. 1 again, a
以下、実施の形態1による半導体装置の具体的な構成について説明する。
(半導体装置の全体構成)
最初に、実施の形態1による半導体装置の全体構成について説明する。実施の形態1による半導体装置は、樹脂封止された半導体チップCP(図1)を備えた、樹脂封止型の半導体装置(半導体パッケージ)である。
Hereinafter, a specific configuration of the semiconductor device according to the first embodiment will be described.
(Overall configuration of semiconductor device)
First, the overall configuration of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. The semiconductor device according to the first embodiment is a resin-encapsulated semiconductor device (semiconductor package) provided with a resin-encapsulated semiconductor chip CP (FIG. 1).
図4は、実施の形態1による半導体装置の断面図である。図5は、実施の形態1による半導体装置の上面側から半導体装置の内部を見た透視図である。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 5 is a perspective view of the inside of the semiconductor device as viewed from the upper surface side of the semiconductor device according to the first embodiment.
図4および図5を参照して、実施の形態1による半導体装置PKGは、半導体チップCPと、半導体チップCPを支持または搭載するダイパッド(チップ搭載部)DPと、導電体によって構成された複数のリードLDと、複数のリードLDと半導体チップCPの表面の複数のパッド電極PDをそれぞれ電気的に接続する複数のボンディングワイヤBWと、これらを一体的に封止する封止樹脂部MRとを備える。 4 and 5, semiconductor device PKG according to the first embodiment includes a semiconductor chip CP, a die pad (chip mounting portion) DP that supports or mounts semiconductor chip CP, and a plurality of conductors. A lead LD, a plurality of leads LD, and a plurality of bonding wires BW that electrically connect the plurality of pad electrodes PD on the surface of the semiconductor chip CP, respectively, and a sealing resin portion MR that seals these together are provided. .
封止樹脂部MRは、例えば、熱硬化性樹脂材料などの樹脂材料などを用いて形成される。一例として、フィラーを含むエポキシ樹脂が用いられる。あるいは、低応力化を図るために、フェノール系硬化剤、シリコーンゴムおよびフィラー等が添加されたビフェニル系の熱硬化性樹脂を用いてもよい。封止樹脂部MRによって半導体チップCP、リードLDおよびボンディングワイヤBWが封止されて電気的および機械的に保護される。封止樹脂部MRは、その厚さと交差する平面形状(外形形状)は、例えば矩形状とされている。なお、この平面矩形の角に丸みを帯びさせることもできる。 The sealing resin portion MR is formed using a resin material such as a thermosetting resin material, for example. As an example, an epoxy resin containing a filler is used. Alternatively, a biphenyl thermosetting resin to which a phenolic curing agent, silicone rubber, filler, and the like are added may be used in order to reduce stress. The semiconductor chip CP, the lead LD, and the bonding wire BW are sealed by the sealing resin portion MR, and are electrically and mechanically protected. The sealing resin portion MR has a planar shape (outer shape) intersecting with its thickness, for example, a rectangular shape. The corners of the plane rectangle can be rounded.
半導体チップCPは、単結晶シリコン等からなる半導体基板(半導体ウエハ)の主面に種々の半導体素子または半導体集積回路を形成した後、ダイシング等によって半導体基板を各半導体チップに分離して製造したものである。 The semiconductor chip CP is manufactured by forming various semiconductor elements or semiconductor integrated circuits on the main surface of a semiconductor substrate (semiconductor wafer) made of single crystal silicon or the like and then separating the semiconductor substrate into each semiconductor chip by dicing or the like. It is.
半導体チップCPの一方の主面であり、かつ半導体素子が形成される側の主面1には、複数のパッド電極PDが形成されている。各パッド電極PDは、半導体チップCPの内部または表層部分に形成された半導体素子または半導体集積回路に電気的に接続されている。複数のパッド電極PDは、半導体チップCPの主面1の周辺に沿って配置されている。以下の説明では、半導体チップCPにおいて、半導体素子が形成される側の主面1を主面1と表記し、主面1とは反対側の主面2を裏面2と表記する。
A plurality of pad electrodes PD are formed on one main surface of the semiconductor chip CP and on the
半導体チップCPは、主面1が上方を向くようにダイパッドDPの上面上に搭載される。半導体チップCPの裏面2は、ダイパッドDPの上面に接着材3を介して接着されて固定されている。接着材3は、導電性または絶縁性の接着材を必要に応じて用いることができる。また、半導体チップCPは、封止樹脂部MR内に封止されており、封止樹脂部MRから露出されない。
The semiconductor chip CP is mounted on the upper surface of the die pad DP so that the
リードLDは、導電体で構成されており、代表的に銅または銅合金などの金属材料からなる。各リードLDは、リードLDのうちの封止樹脂部MR内に位置する部分であるインナリード部と、リードLDのうちの封止樹脂部MR外に位置する部分であるアウタリード部とからなる。アウタリード部は、封止樹脂部MRの側面から封止樹脂部MR外に突出している。複数のリードLDは、半導体チップCPの周囲に、各リードLDのインナリード部の一方端部が半導体チップCPと対向するように配置されている。 The lead LD is made of a conductor and is typically made of a metal material such as copper or a copper alloy. Each lead LD includes an inner lead portion which is a portion located in the sealing resin portion MR of the lead LD and an outer lead portion which is a portion located outside the sealing resin portion MR of the lead LD. The outer lead portion protrudes outside the sealing resin portion MR from the side surface of the sealing resin portion MR. The plurality of leads LD are arranged around the semiconductor chip CP so that one end portion of the inner lead portion of each lead LD faces the semiconductor chip CP.
半導体チップCPの主面1の各パッド電極PDは、各リードLDのインナリード部に、導電性接続部材であるボンディングワイヤBWを介して電気的に接続されている。ボンディングワイヤBWは導電性のワイヤであり、好ましくは金線や銅線などの金属細線からなる。ボンディングワイヤBWは、樹脂封止部MR内に封止されており、封止樹脂部MRから露出されない。
Each pad electrode PD on the
各リードLDのアウタリード部は、アウタリード部の端部近傍の下面が封止樹脂部MRの下面よりも若干下に位置するように折り曲げ加工されている。リードLDのアウタリード部は、半導体チップCPの外部接続用端子として機能する。 The outer lead portion of each lead LD is bent so that the lower surface near the end of the outer lead portion is positioned slightly below the lower surface of the sealing resin portion MR. The outer lead portion of the lead LD functions as an external connection terminal of the semiconductor chip CP.
なお、本実施の形態では、半導体装置PKGがQFP(Quad Flat Package)形態の半導体装置である場合について説明したが、半導体チップCPを樹脂封止した樹脂封止型の半導体装置であれば、半導体装置PKGを他の形態の半導体装置とすることもできる。一例として、半導体装置PKGを、リードフレームを用いて製造した半導体装置であるQFN(Quad Flat Non-leaded package)形態、SOP(Small Outline Package)形態、あるいはDIP(Dual Inline Package)形態とすることもできる。 In this embodiment, the case where the semiconductor device PKG is a QFP (Quad Flat Package) type semiconductor device has been described. However, if the semiconductor device is a resin-encapsulated semiconductor device in which the semiconductor chip CP is resin-encapsulated, the semiconductor device The device PKG can be a semiconductor device of another form. As an example, the semiconductor device PKG may be in the form of a QFN (Quad Flat Non-leaded package), SOP (Small Outline Package), or DIP (Dual Inline Package) that is a semiconductor device manufactured using a lead frame. it can.
ここで、半導体チップCP、ダイパッドPD、複数のリードLDおよび複数のボンディングワイヤBWを樹脂封止するモールド工程後においては、半導体チップCPに応力が発生する。これは、封止樹脂部MRの熱膨張係数が、半導体チップCPを構成する半導体基板の熱膨張係数に比べて大きいことによる。詳細には、モールド工程においては、封止樹脂部MR形成用のモールド金型のキャビティ内に樹脂材料を注入してから、注入した樹脂材料を硬化することで封止樹脂部MRを形成する。樹脂材料を硬化するときの温度は例えば150〜200℃程度と高温であり、樹脂材料の硬化後に室温まで冷却される。この冷却の際の封止樹脂部MRの収縮量は、半導体チップCPの収縮量よりも大きいため、半導体チップCPには、図5の矢印で示すような応力(特に圧縮応力)が加わることになる。 Here, stress is generated in the semiconductor chip CP after the molding process of resin-sealing the semiconductor chip CP, the die pad PD, the plurality of leads LD, and the plurality of bonding wires BW. This is because the thermal expansion coefficient of the sealing resin portion MR is larger than the thermal expansion coefficient of the semiconductor substrate constituting the semiconductor chip CP. Specifically, in the molding process, the resin material is injected into the cavity of the mold for forming the sealing resin portion MR, and then the injected resin material is cured to form the sealing resin portion MR. The temperature at which the resin material is cured is as high as about 150 to 200 ° C., for example, and is cooled to room temperature after the resin material is cured. Since the shrinkage amount of the sealing resin portion MR at the time of cooling is larger than the shrinkage amount of the semiconductor chip CP, stress (particularly, compressive stress) as shown by an arrow in FIG. 5 is applied to the semiconductor chip CP. Become.
半導体チップCPに応力が加わると、その応力によって半導体チップCPに内蔵されている基準抵抗Rstの抵抗値が変動する可能性がある。これは、図6に示すように、基準抵抗Rstを構成する抵抗配線が応力によって変形すると、その変形に起因して抵抗値が変動してしまうためである。 When stress is applied to the semiconductor chip CP, the resistance value of the reference resistor Rst built in the semiconductor chip CP may vary due to the stress. This is because, as shown in FIG. 6, when the resistance wiring constituting the reference resistance Rst is deformed by stress, the resistance value fluctuates due to the deformation.
図6は、応力による抵抗配線の抵抗値の変化を説明する図である。
図6には、基準抵抗Rstを構成する抵抗配線の概要が示されている。抵抗配線の延在方向(配線方向)の寸法を配線長さLとし、配線方向に垂直な方向の寸法を配線幅Wとし、配線方向に垂直な方向の断面積を導体断面積Aとし、抵抗配線の抵抗率を抵抗率ρとし、抵抗配線の抵抗値を抵抗値Rとする。
FIG. 6 is a diagram for explaining a change in the resistance value of the resistance wiring due to the stress.
FIG. 6 shows an outline of the resistance wiring constituting the reference resistance Rst. The dimension of the resistance wiring in the extending direction (wiring direction) is the wiring length L, the dimension perpendicular to the wiring direction is the wiring width W, the cross-sectional area perpendicular to the wiring direction is the conductor cross-sectional area A, and the resistance Let the resistivity of the wiring be the resistivity ρ, and let the resistance value of the resistive wiring be the resistance value R.
抵抗配線の抵抗の変化率ΔR/Rは、式(5)で近似される。すなわち、応力による抵抗配線の抵抗の変化率ΔR/Rは、応力による配線長さLの変化率ΔL/Lと、応力による導体断面積Aの変化率ΔA/Aと、応力による抵抗率ρの変化率Δρ/ρとによって規定される。 The resistance change rate ΔR / R of the resistance wiring is approximated by the equation (5). That is, the resistance change rate ΔR / R of the resistance wiring due to stress is the change rate ΔL / L of the wiring length L due to stress, the change rate ΔA / A of the conductor cross-sectional area A due to stress, and the resistivity ρ due to stress. It is defined by the change rate Δρ / ρ.
上記式(5)から分かるように、配線抵抗の抵抗値の変動は、応力によって配線抵抗の形状(配線長さLや断面積A)が変化すること、および、配線抵抗の抵抗率ρが変化することによって発生する。なお、応力による抵抗率ρの変化は、ピエゾ抵抗効果によるものである。このピエゾ抵抗効果は、配線抵抗をシリコン膜で形成した半導体抵抗とした場合に、配線抵抗を金属膜で形成した金属抵抗とした場合と比較して、非常に大きくなる。したがって、配線抵抗を金属抵抗とした場合、配線抵抗の抵抗値の変動は、主に配線抵抗の形状の変化に起因して発生する。これに対して、配線抵抗を半導体抵抗とした場合、配線抵抗の抵抗値の変動は、主に抵抗率ρの変化に起因して発生する。 As can be seen from the above equation (5), the fluctuation of the resistance value of the wiring resistance is caused by the change of the wiring resistance shape (wiring length L and cross-sectional area A) due to the stress and the resistivity ρ of the wiring resistance. It is generated by doing. Note that the change in resistivity ρ due to stress is due to the piezoresistance effect. This piezoresistive effect is much greater when the wiring resistance is a semiconductor resistance formed of a silicon film than when the wiring resistance is a metal resistance formed of a metal film. Therefore, when the wiring resistance is a metal resistance, the variation in the resistance value of the wiring resistance mainly occurs due to a change in the shape of the wiring resistance. On the other hand, when the wiring resistance is a semiconductor resistance, the variation of the resistance value of the wiring resistance occurs mainly due to the change in the resistivity ρ.
このように、半導体チップCPに発生する応力による配線抵抗の抵抗値の変動量は、配線抵抗の構造によって異なってくる。また、発生する応力そのものの大きさは、封止樹脂部MRを構成する樹脂材料の熱膨張係数等によって異なったものとなる。したがって、半導体装置PKGにおいては、封止樹脂部MRの材料や基準抵抗Rstを構成する配線抵抗の構造が変わると、配線抵抗の抵抗値の変動量が異なるため、半導体チップCPに形成される回路の特性値の変動量も変わってしまう。そのため、半導体装置PKGのバリエーションを豊富化させるためには、半導体装置PKGごとに、応力による回路の特性値の変動量を把握してその変動量を適切に補償する必要が生じる。これには、多大な労力およびコストを費やすことになる。したがって、信頼性の高い半導体装置を低コストで実現するためには、応力に左右されない回路特性を保証することが必要となる。 As described above, the variation amount of the resistance value of the wiring resistance due to the stress generated in the semiconductor chip CP varies depending on the structure of the wiring resistance. Further, the magnitude of the generated stress itself varies depending on the thermal expansion coefficient of the resin material constituting the sealing resin portion MR. Therefore, in the semiconductor device PKG, if the material of the sealing resin portion MR and the structure of the wiring resistance that constitutes the reference resistance Rst are changed, the amount of variation in the resistance value of the wiring resistance differs, so that the circuit formed in the semiconductor chip CP. The amount of fluctuation of the characteristic value will also change. Therefore, in order to enrich the variation of the semiconductor device PKG, it is necessary to grasp the variation amount of the characteristic value of the circuit due to the stress and appropriately compensate the variation amount for each semiconductor device PKG. This can be labor intensive and costly. Therefore, in order to realize a highly reliable semiconductor device at low cost, it is necessary to guarantee circuit characteristics that are not influenced by stress.
そこで、本実施の形態1では、応力センサ10を半導体チップCPに形成し、半導体チップCPに発生する応力を検出する。そして、検出された応力に応じて当該半導体チップCP内部の回路の特性を補正する。これにより、応力に依存しない回路特性を実現する。
Therefore, in the first embodiment, the
(応力センサの構成)
次に、実施の形態1による半導体装置に搭載される応力センサ10の具体的構成について説明する。
(Configuration of stress sensor)
Next, a specific configuration of the
図7〜図9は、応力センサ10の構成例を説明するための回路図である。図7〜図9を参照して、応力センサ10は、ピエゾ抵抗式の応力センサであって、応力に対する抵抗値の変動量が互いに異なる2種類の抵抗素子R1,R2を組合せて構成される。
7 to 9 are circuit diagrams for explaining a configuration example of the
図7では、応力センサ10は、電源電圧VDDと接地電圧GNDとの間に接続された抵抗ブリッジ回路を含む。この抵抗ブリッジ回路は、2種類の抵抗素子R1,R2を2個ずつ、計4個の抵抗素子により構成される。
In FIG. 7, the
具体的には、抵抗素子R1は、応力の影響を受けにくい抵抗素子であり、抵抗素子R2は、応力の影響を受けやすい抵抗素子である。したがって、抵抗素子R1は、抵抗素子R2と比較して、同一の応力に対する抵抗値の変動量が小さくなる。 Specifically, the resistance element R1 is a resistance element that is not easily affected by stress, and the resistance element R2 is a resistance element that is easily affected by stress. Therefore, the resistance element R1 has a smaller variation in resistance value with respect to the same stress than the resistance element R2.
応力センサ10は、応力に応じて各抵抗素子の抵抗値が変化することに伴ない、2つの出力端子間に電位差Voが生じる。抵抗素子R1の抵抗値をR1とし、抵抗素子R2の抵抗値をR2とすると、2つの出力端子間に生じる電位差Voは、下記式(6)によって示される。
In the
応力センサ10は、出力端子に生じた電圧信号Voを図示しない増幅器を介して出力する。
The
図8では、応力センサ10は、オペアンプ32および抵抗素子R1,R2からなる反転増幅回路を含む。反転増幅回路は、反転入力端子(−端子)に抵抗R1を介して入力電圧Vrefを加え、非反転入力端子(+端子)を接地する。そして、フィードバック抵抗R2によって出力端子から反転入力端子に負帰還を掛ける。出力端子に生じる電位差Voは、下記式(7)によって示される。応力センサ10は、出力端子に生じた電圧信号Voを図示しない増幅器を介して出力する。
In FIG. 8, the
図9では、応力センサ10は、差動増幅器34と、抵抗素子R1,R2とを含む。抵抗素子R1,R2にはそれぞれ、図示しない定電流源から一定の電流Ioが供給される。差動増幅器34は、抵抗素子R1の端子間電圧V1(=Io×R1)と、抵抗素子R2の端子間電圧V2(=Io×R2)との電圧差を所定の増幅率Aで増幅する。出力端子に生じる電圧信号Voは、下記式(8)によって示される。
In FIG. 9, the
このように、応力センサ10は、同一の圧力に対する抵抗値の変動量が互いに異なる2つの抵抗素子R1,R2を組合せて構成される。これにより、応力センサ10からは、2つの抵抗素子R1,R2の抵抗値の比(=R2/R1)または抵抗値の差(=R2−R1)に比例した電圧信号Voが出力される。
As described above, the
[抵抗素子の構成]
以下、応力センサ10に適用される抵抗素子の具体的な構成について説明する。
[Configuration of resistance element]
Hereinafter, a specific configuration of the resistance element applied to the
本実施の形態1において、応力センサ10を構成する抵抗素子R1,R2は、半導体抵抗または金属抵抗により形成される。このうちの半導体抵抗には、半導体基板内に不純物を導入して形成した拡散抵抗、および多結晶シリコン(ポリシリコン)膜で形成したポリシリコン抵抗が含まれる。
In the first embodiment, the resistance elements R1 and R2 constituting the
図10は、応力センサ10の抵抗素子に用いられる拡散抵抗の断面図である。図10には、P型拡散抵抗(P+拡散抵抗)の断面図が示される。
FIG. 10 is a cross-sectional view of the diffusion resistance used for the resistance element of the
図10を参照して、P型拡散領域104は、P型の単結晶シリコンなどからなる半導体基板100の主面から所定の深さに亘って形成されたN側ウェル(N型半導体領域)102に、例えばIn(インジウム)やB(硼素)などのP型不純物をイオン注入することにより形成される。このP型拡散領域104を覆うように半導体基板100上に絶縁膜108を堆積し、この絶縁膜108をドライエッチングすることにより、P型拡散領域104の上部にコンタクトホールを形成する。このコンタクトホールを導電体膜で埋めることによって、電極110が形成される。これによりP型拡散抵抗が形成される。
Referring to FIG. 10, P-
P型拡散抵抗が形成される領域である抵抗形成領域は、半導体基板100の主面に形成された素子分離領域106によって規定される。なお、この素子分離領域106は、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法などによって、素子分離溝に酸化シリコンなどからなる絶縁体を埋め込むことによって形成される。
A resistance formation region, which is a region where a P-type diffusion resistor is formed, is defined by an
図11は、P型拡散抵抗におけるP型不純物濃度とピエゾ抵抗係数との関係を示す図である。図11を参照して、P型拡散抵抗のピエゾ抵抗係数は、P型不純物濃度に応じて変化する。ピエゾ抵抗係数は、P型不純物濃度が高くなるに従って小さくなる。すなわち、P型拡散抵抗は、P型不純物濃度が高くなるほど、応力に対する抵抗値の変動量が小さくなる。 FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the P-type impurity concentration and the piezoresistance coefficient in the P-type diffusion resistor. Referring to FIG. 11, the piezoresistance coefficient of the P-type diffused resistor changes according to the P-type impurity concentration. The piezoresistance coefficient decreases as the P-type impurity concentration increases. That is, in the P-type diffused resistor, the amount of fluctuation of the resistance value with respect to stress decreases as the P-type impurity concentration increases.
したがって、図7〜図9に示した応力センサ10の2つの抵抗素子R1,R2に、P型不純物濃度が互いに異なる2つのP型拡散抵抗を適用する構成とすれば、同一の応力に対する抵抗値の変動量を異ならせることができる。具体的には、応力の影響を受けにくい抵抗素子R1として、P型不純物濃度が高い方のP型拡散抵抗を用いる。一方、応力の影響を受けやすい抵抗素子R2として、P型不純物濃度が低い方のP型拡散抵抗を用いる。
Therefore, if two P-type diffused resistors having different P-type impurity concentrations are applied to the two resistance elements R1 and R2 of the
なお、応力センサ10の抵抗素子にN型拡散抵抗(N+拡散抵抗)を用いる構成においても、上記と同様のことがいえる。図12は、N型拡散抵抗の断面図である。図12を参照して、N型拡散領域112は、P型の単結晶シリコンなどからなる半導体基板100の主面に、例えばP(リン)As(ヒ素)などのN型不純物をイオン注入することなどによって形成される。このN型拡散領域112を覆うように絶縁膜108を堆積した後、絶縁膜108をドライエッチングしてN型拡散領域112の上部にコンタクトホールを形成する。そして、このコンタクトホールを導電体膜で埋めることによって電極110を形成する。これにより、N型拡散抵抗が形成される。
The same applies to the configuration using an N-type diffusion resistance (N + diffusion resistance) as the resistance element of the
図11には、N型拡散抵抗におけるN型不純物濃度とピエゾ抵抗係数との関係が併せて示される。N型拡散抵抗を用いた場合、P型拡散抵抗の応力に対する抵抗変動の傾向が逆転する。N型拡散抵抗においても、P型拡散抵抗と同様に、N型不純物濃度が高くなるに従って、ピエゾ抵抗係数が小さくなるため、応力に対する抵抗値の変動量が小さくなる。したがって、応力センサ10の抵抗素子R1にN型不純物濃度が高い方のN型拡散抵抗を用いる一方で、抵抗素子R2にN型不純物濃度が低い方のN型拡散抵抗を用いる構成とする。なお、抵抗素子R1,R2における不純物濃度の違いは、例えば、不純物のイオン注入量を異ならせることで実現できる。
FIG. 11 also shows the relationship between the N-type impurity concentration and the piezoresistance coefficient in the N-type diffused resistor. When the N-type diffusion resistance is used, the tendency of the resistance variation with respect to the stress of the P-type diffusion resistance is reversed. In the N-type diffused resistor as well, as the N-type impurity concentration increases, the piezoresistance coefficient decreases as the N-type impurity concentration increases, so that the amount of change in resistance value with respect to stress decreases. Therefore, an N-type diffused resistor having a higher N-type impurity concentration is used for the resistive element R1 of the
図13は、応力センサ10に用いられるポリシリコン抵抗の断面図である。図13には、P型ポリシリコン抵抗の断面図が示される。
FIG. 13 is a cross-sectional view of a polysilicon resistor used in the
図13を参照して、P型ポリシリコン抵抗は、半導体基板100の主面に形成された素子分離領域116上に堆積されたポリシリコン膜118を、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いてパターニングすることによって形成される。
Referring to FIG. 13, in the P-type polysilicon resistor, the
ポリシリコン抵抗の側壁上には、サイドウォールスペーサ120が形成される。サイドウォールスペーサ120は、例えば、半導体基板100上に酸化シリコン膜または窒化シリコン膜あるいはそれらの積層膜を堆積し、この酸化シリコン膜または窒化シリコン膜あるいはそれらの積層膜をRIE(Reactive Ion Etching)法などにより異方性エッチングすることにより形成することができる。サイドウォールスペーサ120の形成後、ポリシリコン膜118にP型不純物をイオン注入する。そして、ポリシリコン膜118を覆うように半導体基板100上に絶縁膜108を堆積し、この絶縁膜108をドライエッチングすることにより、ポリシリコン膜118の上部にコンタクトホールを形成する。このコンタクトホールを導電体膜で埋めることによって、電極110が形成される。これによりP型ポリシリコン抵抗が形成される。
なお、図示は省略するが、N型ポリシリコン抵抗は、図13のポリシリコン膜118にN型不純物をイオン注入することにより形成することができる。
Although not shown, the N-type polysilicon resistor can be formed by ion-implanting N-type impurities into the
P型ポリシリコン抵抗およびN型ポリシリコン抵抗においても、上述した拡散抵抗と同様に、ポリシリコン膜118に注入される不純物の濃度に応じてピエゾ抵抗係数が変化する。具体的には、図10に示した不純物濃度とピエゾ抵抗係数との関係と同様に、不純物濃度が高くなるに従ってピエゾ抵抗係数が小さくなる。
Also in the P-type polysilicon resistor and the N-type polysilicon resistor, the piezoresistance coefficient changes according to the concentration of the impurity implanted into the
したがって、図7〜図9に示した応力センサ10の2つの抵抗素子R1,R2に、不純物濃度が互いに異なる2つのポリシリコン抵抗を適用する構成とすれば、同一の応力に対する抵抗値の変動量を異ならせることができる。一例として、応力の影響を受けにくい抵抗素子R1として、P型不純物濃度が高い方のP型ポリシリコン抵抗を用いる。一方、応力の影響を受けやすい抵抗素子R2として、P型不純物濃度が低い方のP型ポリシリコン抵抗を用いる。あるいは、応力の影響を受けにくい抵抗素子R1として、N型不純物濃度が高い方のN型ポリシリコン抵抗を用いる一方で、応力の影響を受けやすい抵抗素子R2として、N型不純物濃度が低い方のN型ポリシリコン抵抗を用いる。
Therefore, if two polysilicon resistors having different impurity concentrations are applied to the two resistance elements R1 and R2 of the
あるいは、応力センサ10の2つの抵抗素子R1,R2に、不純物濃度が互いに異なる2つの半導体抵抗を適用する構成に代えて、金属抵抗および半導体抵抗をそれぞれ適用する構成としてもよい。上述したように、半導体抵抗は、金属抵抗と比較してピエゾ抵抗効果が非常に大きいため、応力に対する抵抗値の変動量が大きくなる。したがって、応力の影響を受けにくい抵抗素子R1として金属抵抗を用いる一方で、応力の影響を受けやすい素子R2として半導体抵抗を用いることができる。
Alternatively, instead of a configuration in which two semiconductor resistors having different impurity concentrations are applied to the two resistance elements R1, R2 of the
または、単結晶シリコンからなる半導体基板(半導体ウエハ)において、結晶軸によってピエゾ抵抗係数の大きさが異なることを利用して、2つの抵抗素子R1,R2を、互いに異なる2つの結晶軸にそれぞれ形成された2つの拡散抵抗を用いて構成することも可能である。 Alternatively, in a semiconductor substrate (semiconductor wafer) made of single crystal silicon, two resistance elements R1 and R2 are formed on two different crystal axes by utilizing the fact that the piezoresistance coefficient varies depending on the crystal axes. It is also possible to configure using two diffused resistors.
図14は、P型シリコン基板におけるピエゾ抵抗係数の結晶軸依存性を示す図である。図14を参照して、P型シリコン基板の結晶面方位(100)面上の<110>軸は、<100>軸とよりもピエゾ抵抗係数が大きくなる。したがって、<110>軸は、<100>軸と比較して、応力の影響を受けやすいことが分かる。 FIG. 14 is a diagram showing the crystal axis dependence of the piezoresistance coefficient in a P-type silicon substrate. Referring to FIG. 14, the <110> axis on the crystal plane orientation (100) plane of the P-type silicon substrate has a larger piezoresistance coefficient than the <100> axis. Therefore, it can be seen that the <110> axis is more susceptible to stress than the <100> axis.
そこで、図15に示すように、結晶面方位(100)面上の、<110>軸に抵抗素子R2を形成するとともに、<110>軸に対して45°の方向に抵抗素子R1を形成する。 Therefore, as shown in FIG. 15, the resistance element R2 is formed on the <110> axis on the crystal plane orientation (100) plane, and the resistance element R1 is formed in the direction of 45 ° with respect to the <110> axis. .
なお、このようなピエゾ抵抗係数の結晶軸依存性は、N型シリコン基板においても見られる。よって、N型シリコン基板においても、ピエゾ抵抗係数の大きさが互いに異なる2つの結晶軸に2つの抵抗素子R1,R2をそれぞれ形成することによって、応力センサ10を形成することができる。
Such a dependency of the piezoresistance coefficient on the crystal axis is also observed in the N-type silicon substrate. Therefore, even in the N-type silicon substrate, the
以上に述べたように、半導体抵抗のピエゾ抵抗係数の大きさは、不純物濃度や結晶軸の方向によって異なる。さらに半導体抵抗は、不純物の導電型が異なると、応力に対する抵抗値の変化の方向が逆になるという特性を有する。図16は、P型ポリシリコン抵抗およびN型ポリシリコン抵抗における、応力に対する抵抗値の変化の様子を説明するための図である。図16において、横軸は各ポリシリコン抵抗に発生する応力(圧縮応力)を示し、縦軸は各ポリシリコン抵抗における抵抗値の変動率を示す。なお、抵抗値の変動率は、抵抗値Rおよび初期値Roを用いて、(R−Ro)/Roにより算出される。 As described above, the magnitude of the piezoresistance coefficient of the semiconductor resistor varies depending on the impurity concentration and the direction of the crystal axis. Furthermore, the semiconductor resistance has a characteristic that when the conductivity type of the impurity is different, the direction of change of the resistance value with respect to the stress is reversed. FIG. 16 is a diagram for explaining a change in resistance value with respect to stress in a P-type polysilicon resistor and an N-type polysilicon resistor. In FIG. 16, the horizontal axis indicates the stress (compressive stress) generated in each polysilicon resistor, and the vertical axis indicates the variation rate of the resistance value in each polysilicon resistor. The variation rate of the resistance value is calculated by (R−Ro) / Ro using the resistance value R and the initial value Ro.
図16を参照して、P型ポリシリコン抵抗は、圧縮方向の応力が大きくなるに従って、変動率が負の方向に増加する。すなわち、P型ポリシリコン抵抗は、応力が大きくなるに従って抵抗値が小さくなるという負の応力依存性を有する。 Referring to FIG. 16, the rate of variation of the P-type polysilicon resistor increases in the negative direction as the stress in the compression direction increases. That is, the P-type polysilicon resistor has a negative stress dependency that the resistance value decreases as the stress increases.
これに対して、N型ポリシリコン抵抗は、圧縮方向の応力が大きくなるに従って、変動率が正の方向に増加する。すなわち、N型ポリシリコン抵抗は、応力が大きくなるに従って抵抗値が大きくなるという正の応力依存性を有する。 On the other hand, the variation rate of the N-type polysilicon resistor increases in the positive direction as the stress in the compression direction increases. In other words, the N-type polysilicon resistor has a positive stress dependency that the resistance value increases as the stress increases.
このように、P型ポリシリコン抵抗とN型ポリシリコン抵抗とは、逆の応力依存性を有する。なお、同じ特性がP型拡散抵抗とN型拡散抵抗とにも当てはまる。そこで、応力センサ10の抵抗素子R1,R2の一方を、P型ポリシリコン抵抗(またはP型拡散抵抗)により形成し、かつ、他方をN型ポリシリコン抵抗(またはN型拡散抵抗)により形成する。これら2つの抵抗素子R1,R2は、応力が大きくなるほど抵抗値の差が大きくなることから、検出精度の高い応力センサ10を実現できる。
As described above, the P-type polysilicon resistance and the N-type polysilicon resistance have opposite stress dependencies. Note that the same characteristics apply to the P-type diffusion resistance and the N-type diffusion resistance. Therefore, one of the resistance elements R1 and R2 of the
なお、図11に示したように、P型ポリシリコン抵抗(またはP型拡散抵抗)およびN型ポリシリコン抵抗(またはN型拡散抵抗)はいずれも、不純物濃度が低くなるほど、応力に対する抵抗値の変動量が大きくなる。したがって、P型ポリシリコン抵抗(またはP型拡散抵抗)およびN型ポリシリコン抵抗(N型拡散抵抗)の各々の不純物濃度を低くすることで、さらに検出精度を向上することができる。 As shown in FIG. 11, both the P-type polysilicon resistance (or P-type diffusion resistance) and the N-type polysilicon resistance (or N-type diffusion resistance) have resistance values against stress as the impurity concentration decreases. The amount of fluctuation increases. Therefore, the detection accuracy can be further improved by lowering the impurity concentration of each of the P-type polysilicon resistor (or P-type diffused resistor) and the N-type polysilicon resistor (N-type diffused resistor).
(半導体チップにおける回路特性の補正)
以下に、応力センサ10による応力の検出値を用いた回路特性の補正について説明する。実施の形態1では、一例として、図17に示すように、応力センサ10の検出値を受けて発振回路(高速発振回路OSC1および低速発振回路OSC2)および温度センサTHSの特性値をそれぞれ補正する場合について説明する。
(Correction of circuit characteristics in semiconductor chip)
Hereinafter, correction of circuit characteristics using the detected stress value by the
最初に、高速発振回路OSC1および低速発振回路OSC2の発振周波数の補正について説明する。図18は、発振回路の回路図である。図18に示す発振回路は、図2に示す発振回路において、補正部22および加算部24をさらに設けたものである。すなわち、電圧電流変換部11、電圧生成部12および発振部13については、上述の図2に示す構成と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
First, correction of the oscillation frequency of the high-speed oscillation circuit OSC1 and the low-speed oscillation circuit OSC2 will be described. FIG. 18 is a circuit diagram of the oscillation circuit. The oscillation circuit shown in FIG. 18 is obtained by further providing a
補正部22は、応力センサ10の検出値に基づいて、VCO20に入力する電圧Voを補正する。具体的には、補正部22は、半導体チップCPに生じる応力と発振部13の発振周波数Fの変動量との関係を予め実験等により取得するとともに、取得した関係をマップ形式で格納する。そして、応力センサ10の検出値を受けると、格納したマップを参照し、検出値に対応する発振周波数Fの変動量を取得する。そして、取得した変動量に基づいて、入力電圧Voの補正量ΔVoを算出する。
The
加算部24は、入力電圧Voに補正量ΔVoを加算してVCO20へ出力する。VCO20は、補正後の入力電圧Voに応じた周波数Fで発振信号を出力する。
The
図19は、温度センサTHSの回路図である。図19を参照して、温度センサTHSは、温度センサ素子40と、A/Dコンバータ42と、補正部44とを含む。
FIG. 19 is a circuit diagram of the temperature sensor THS. Referring to FIG. 19, temperature sensor THS includes a
温度センサ素子40は、半導体チップCPの温度を検知して電気信号に変換する。A/Dコンバータ42は、温度センサ素子40により生成されたアナログ信号である電気信号をデジタル信号に変換する。
The
補正部44は、応力センサ10の検出値に基づいて、A/Dコンバータ42から出力されるデジタル信号を補正する。具体的には、補正部44は、半導体チップCPに生じる応力と温度センサTHSの出力値の変動量との関係を予め実験等により取得するとともに、取得した関係をマップ形式で格納する。そして、応力センサ10の検出値を受けると、格納したマップを参照し、検出値に対応する出力値の変動量を取得する。そして、取得した変動量に基づいて、温度センサTHSの出力値を補正する。
The
このようにして、半導体チップCPに搭載される回路において、応力センサ10の検出値に基づいた特性値の補正が行なわれる。これにより、応力に依存しない回路特性を実現する。
In this way, in the circuit mounted on the semiconductor chip CP, the characteristic value is corrected based on the detection value of the
(半導体チップにおける応力センサの配置例)
以下に、半導体チップCPにおける応力センサ10の配置例について説明する。
(Example of stress sensor placement on a semiconductor chip)
Below, the example of arrangement | positioning of the
図20は、半導体チップCPの平面図(上面図)である。図20には半導体チップCPの主面1側が示されている。なお、図示は省略するが、半導体チップCPの主面1の周辺部には、四辺に沿って複数のパッド電極PD(図1参照)が配置されている。
FIG. 20 is a plan view (top view) of the semiconductor chip CP. FIG. 20 shows the
半導体チップCPの平面形状は四角形状である。この半導体チップCPを樹脂封止した半導体装置PKGにおいては、上述したように、半導体チップCPを樹脂封止したことに起因して、半導体チップCPに応力が発生する。半導体チップCP内に形成された応力センサ10は、半導体チップCPに発生する応力を検出する。
The planar shape of the semiconductor chip CP is a square shape. In the semiconductor device PKG in which the semiconductor chip CP is sealed with resin, as described above, stress is generated in the semiconductor chip CP due to the resin sealing of the semiconductor chip CP. The
図21は、半導体チップCPに発生する応力をシミュレーションした結果を示す図である。図21には、図20における実線L1に沿った位置での応力が示されている。図21の横軸は、実線L1に沿った位置における半導体チップCPの主面1の中心CTからの距離に対応し、図21の縦軸は、実線L1に沿った位置で発生している応力に対応する。実線L1は、半導体チップCPの主面1の中心CTと、辺S1の中心とを結ぶ点に対応している。また、図21において、四角印で示されたσxは、辺S1に平行な方向の応力に対応し、ダイヤ印で示されたσyは、辺S1に垂直な方向の応力に対応する。
FIG. 21 is a diagram showing the result of simulating the stress generated in the semiconductor chip CP. FIG. 21 shows the stress at a position along the solid line L1 in FIG. The horizontal axis in FIG. 21 corresponds to the distance from the center CT of the
図21を参照して、図20における実線L1に沿った位置での応力は、辺S1に平行な方向の応力σxよりも、辺S1に垂直な方向の応力σyの方が小さい。なお、半導体チップCPに発生している応力は圧縮応力(応力は負値)であるが、本実施の形態において、「応力が小さい」とは「応力の絶対値が小さい」ことを意味している。 Referring to FIG. 21, the stress at the position along solid line L1 in FIG. 20 is smaller in stress σy in the direction perpendicular to side S1 than in stress σx in the direction parallel to side S1. The stress generated in the semiconductor chip CP is a compressive stress (stress is a negative value). In this embodiment, “small stress” means “small absolute value of stress”. Yes.
図21から分かるように、辺S1に垂直な方向の応力σyは、半導体チップCPの主面1の中心CTからの距離が大きくなるに従って小さくなり、辺S1の位置に近付くと増加に転じている。一方、辺S1に平行な方向の応力σxは中心CTからの距離が大きくなってもほとんど変化せず、辺S1の位置に近付くと増加し始める。すなわち、辺S1に垂直な方向の応力σyは、辺S1に平行な方向の応力σxと比較して、中心CTからの距離による変化量が大きい。
As can be seen from FIG. 21, the stress σy in the direction perpendicular to the side S1 decreases as the distance from the center CT of the
このように半導体チップCPに発生する応力は、半導体チップCPの主面1の中心CTからの距離によって大きさが異なる。そのため、応力センサ10と回路との相対的な位置関係によっては、応力センサ10による応力の検出値と、実際に回路に働く応力との間にずれが生じる可能性がある。例えば、図20における実線L1に沿って、中心CTからの距離が小さい位置に応力センサ10を配置し、中心CTからの距離が大きい位置に回路を配置した場合、応力センサ10による応力の検出値よりも実際に回路に働く応力の方が大きくなる。この結果、応力センサ10の検出値に基づいた特性値の補正を正確に行なうことができなくなる虞がある。
The stress generated in the semiconductor chip CP in this way varies in magnitude depending on the distance from the center CT of the
そこで、本実施の形態1では、応力センサ10を回路に近接させて配置する。これにより、応力センサ10の検出値と回路に働く応力とのずれを小さくする。
Therefore, in the first embodiment, the
図22は、応力センサ10および回路ブロックの配置の一例を示す平面レイアウト図である。図22では、一例として、応力センサ10、高速発振回路OSC1、低速発振回路OSC2、温度センサTHSおよび論理回路LOGの配置について説明する。
FIG. 22 is a plan layout diagram showing an example of the arrangement of the
図22を参照して、応力センサ10を、半導体チップCPの主面の中心CTを含む中心領域に配置する。そして、この応力センサ10を囲うように発振回路OSC1,OSC2、温度センサTHSおよび論理回路LOGを配置する。
Referring to FIG. 22,
図21に示したように、半導体チップCPの主面の中心CT付近においては、中心CTからの距離による応力σx,σyの変化量が小さい。したがって、この中心CT付近の領域に、応力センサ10と半導体チップCPに発生する応力の影響を受けやすい回路とを集めて配置することで、1つの応力センサ10の検出値を用いて、各回路の特性値の変動を補償することができる。
As shown in FIG. 21, in the vicinity of the center CT of the main surface of the semiconductor chip CP, the amount of change in stress σx, σy due to the distance from the center CT is small. Therefore, by collecting and arranging the
図23は、応力センサ10および回路ブロックの配置の他の例を示す平面レイアウト図である。図23では、応力センサ10と、高速発振回路OSC1および低速発振回路OSC2との配置について説明する。
FIG. 23 is a plan layout view showing another example of the arrangement of the
図23を参照して、応力センサ10を、半導体チップCPの主面の中心CTを含む中心領域に配置する。一方、高速発振回路OSC1および低速発振回路OSC2は、半導体チップCPの主面の外周に近い、すなわち、端部の領域に配置される。
Referring to FIG. 23,
図23のように、半導体チップCPにおけるレイアウト上、発振回路OSC1,OSC2を応力センサ10に近接させて配置することができない場合には、各発振回路に含まれる基準抵抗Rstを、半導体チップCPの辺S1に平行な方向に配置する。
As shown in FIG. 23, when the oscillation circuits OSC1 and OSC2 cannot be disposed close to the
図21に示したように、辺S1に平行な方向の応力σxは中心CTからの距離によってほとんど変化しない一方で、辺S1に垂直な方向の応力σyは中心CTからの距離によって変化する。基準抵抗Rstを辺S1に平行な方向に配置することで、基準抵抗Rstの抵抗値は、主に辺S1に平行な方向の応力σxを受けて変動することになる。この応力σxは、応力センサ10が検出する応力とほとんど変わらないため、応力センサ10の検出値に基づいた発振周波数Fの補正が可能となる。また、図23においても、図22と同様に、1つの応力センサ10の検出値を用いて、各回路の特性値の変動を補償することができる。
As shown in FIG. 21, the stress σx in the direction parallel to the side S1 hardly changes with the distance from the center CT, while the stress σy in the direction perpendicular to the side S1 changes with the distance from the center CT. By disposing the reference resistor Rst in a direction parallel to the side S1, the resistance value of the reference resistor Rst mainly varies in response to the stress σx in the direction parallel to the side S1. Since the stress σx is almost the same as the stress detected by the
図24は、応力センサ10および回路ブロックの配置の他の例を示す平面レイアウト図である。図24では、一例として、応力センサ10、高速発振回路OSC1、低速発振回路OSC2および温度センサTHSの配置について説明する。
FIG. 24 is a plan layout diagram showing another example of the arrangement of the
図24を参照して、発振回路OSC1,OSC2および温度センサTHSはそれぞれ、半導体チップCPの主面1の外周に近い、すなわち、端部の領域に配置される。
Referring to FIG. 24, each of oscillation circuits OSC1 and OSC2 and temperature sensor THS is arranged near the outer periphery of
半導体チップCPのレイアウト上、応力センサ10を半導体チップCPの主面の中心CT付近に配置することができない場合には、図24に示すように、回路ごとに応力センサを内蔵する。
When the
高速発振回路OSC1に応力センサ10Aを内蔵することにより、応力センサ10Aは、高速発振回路OSC1内部の基準抵抗Rstに働く応力を正確に検出できる。これにより、応力センサ10Aの検出値に基づいて、高速発振回路OSC1の発振周波数Fの補正を正確に行なうことができる。低速発振回路OSC2および温度センサTHSも同様に、内蔵する応力センサ10B、10Cの検出値に基づいて特性値の補正を正確に行なうことができる。
By incorporating the
このように、実施の形態1による半導体装置によれば、応力センサを半導体チップに形成して半導体チップに発生する応力を検出し、その検出された応力に応じて半導体チップに内蔵される回路の特性を補正する。これにより、半導体チップを封止するパッケージの構造によらず、内蔵される回路の特性を高精度に保証することができる。 As described above, according to the semiconductor device according to the first embodiment, the stress generated in the semiconductor chip is detected by forming the stress sensor on the semiconductor chip, and the circuit built in the semiconductor chip is detected according to the detected stress. Correct the characteristics. Thereby, it is possible to guarantee the characteristics of the built-in circuit with high accuracy irrespective of the structure of the package for sealing the semiconductor chip.
[実施の形態2]
上記の実施の形態1による半導体装置において、応力センサ10における抵抗素子R1,R2の抵抗値と応力との関係は、半導体チップCPの温度に応じて変化する。そのため、温度の影響を受けて応力センサ10の検出精度が劣化してしまう虞がある。
[Embodiment 2]
In the semiconductor device according to the first embodiment described above, the relationship between the resistance values of the resistance elements R1 and R2 and the stress in the
実施の形態2では、応力センサの検出値を半導体チップCPの温度に依存しないようにするための応力センサの構成について説明する。 In the second embodiment, the configuration of the stress sensor for making the detection value of the stress sensor independent of the temperature of the semiconductor chip CP will be described.
図25は、実施の形態2による半導体装置を構成する半導体チップCPの回路図である。 FIG. 25 is a circuit diagram of the semiconductor chip CP constituting the semiconductor device according to the second embodiment.
図25を参照して、実施の形態2による半導体チップCPは、実施の形態1による半導体チップCPにおいて、応力センサ10に代えて、応力センサ10Aを設けたものである。
Referring to FIG. 25, the semiconductor chip CP according to the second embodiment is obtained by providing a
応力センサ10Aは、半導体チップCPに発生する応力を検出し、その検出値を半導体チップCPに内蔵される各回路へ出力する。図25には、応力センサ10Aの検出値を受けて発振回路(高速発振回路OSC1および低速発振回路OSC2)および温度センサTHSの特性値をそれぞれ補正する場合が例示されている。
The
温度センサTHSは、図19に示した構成を用いて応力センサ10Aの検出値に基づいて出力値を補正する。そして、温度センサTHSは、その補正した出力値を応力センサ10Aにフィードバックする。応力センサ10Aは、温度センサTHSの出力値に基づいて、応力の検出値を補正する。
The temperature sensor THS corrects the output value based on the detection value of the
図26は、応力センサ10Aの構成例を説明するための回路図である。
図26を参照して、実施の形態2による応力センサ10Aは、図7に示す応力センサ10と同様に、ピエゾ抵抗式の応力センサであって、応力に対する抵抗値の変動量が互いに異なる2種類の抵抗素子R1,R2を組合せて構成される。
FIG. 26 is a circuit diagram for explaining a configuration example of the
Referring to FIG. 26,
抵抗素子R1,R2には、上記の実施の形態1で示したように、不純物濃度が互いに異なる2つの同一導電型の半導体抵抗(拡散抵抗またはポリシリコン抵抗)、または、結晶軸の方向が互いに異なる2つの同一導電型の拡散抵抗を用いることができる。 As shown in the first embodiment, the resistance elements R1 and R2 have two identical conductivity type semiconductor resistors (diffused resistors or polysilicon resistors) having different impurity concentrations, or the directions of crystal axes are mutually different. Two different diffusion resistors of the same conductivity type can be used.
または、抵抗素子R1,R2の一方に金属抵抗を用いるとともに、他方に半導体抵抗を用いてもよい。あるいは、抵抗素子R1,R2に、導電型が互いに異なる2つの半導体抵抗を用いてもよい。 Alternatively, a metal resistor may be used for one of the resistance elements R1 and R2, and a semiconductor resistor may be used for the other. Alternatively, two semiconductor resistors having different conductivity types may be used for the resistance elements R1 and R2.
抵抗素子R1,R2の抵抗値が応力に応じて変化することにより、応力センサ10Aの出力端子間に電位差Voが生じる。抵抗素子R1の抵抗値をR1とし、抵抗素子R2の抵抗値をR2とすると、電位差Voは下記式(9)によって示される。
When the resistance values of the resistance elements R1 and R2 change according to the stress, a potential difference Vo is generated between the output terminals of the
本実施の形態2では、半導体チップCPに応力が発生していない状態において、2つの抵抗素子R1,R2の抵抗値の差(=R2−R1)が、半導体チップCPの温度に依存せず零となるように、抵抗素子R1,R2を形成する。具体的には、抵抗素子R1,R2のいずれか一方を、不純物濃度が互いに異なる2つの半導体抵抗を用いて形成する。図27を用いて、抵抗素子R1を、不純物濃度が互いに異なる2つの半導体抵抗Ra,Rbを用いて形成する構成について説明する。 In the second embodiment, in a state where no stress is generated in the semiconductor chip CP, the difference between the resistance values of the two resistance elements R1 and R2 (= R2−R1) is zero regardless of the temperature of the semiconductor chip CP. Resistive elements R1 and R2 are formed so that Specifically, one of the resistance elements R1 and R2 is formed using two semiconductor resistors having different impurity concentrations. A configuration in which the resistance element R1 is formed using two semiconductor resistors Ra and Rb having different impurity concentrations will be described with reference to FIG.
図27を参照して、抵抗素子R1は、直列接続された2つの半導体抵抗Ra,Rbにより構成される。半導体抵抗Raについて、ある基準温度Toにおける抵抗値をRaoとし、1次温度係数をKaとすると、温度Tにおける抵抗値Raの温度特性は、下記式(10)で近似できる。 Referring to FIG. 27, resistance element R1 includes two semiconductor resistors Ra and Rb connected in series. With respect to the semiconductor resistance Ra, when the resistance value at a certain reference temperature To is Rao and the primary temperature coefficient is Ka, the temperature characteristic of the resistance value Ra at the temperature T can be approximated by the following equation (10).
ただし、ΔT=T−Toとする。
半導体抵抗Rbについても同様に、基準温度Toにおける抵抗値をRboとし、1次の温度係数をKbとすると、温度Tにおける抵抗値Rbは、下記式(11)で近似できる。
However, ΔT = T−To.
Similarly, for the semiconductor resistor Rb, when the resistance value at the reference temperature To is Rbo and the primary temperature coefficient is Kb, the resistance value Rb at the temperature T can be approximated by the following equation (11).
抵抗素子R1は、これら2つの半導体抵抗Ra,Rbをα:βの比率で組み合わせて形成する。なお、α:βの比率は、半導体抵抗Raの配線長さLaおよび配線幅Waと、半導体抵抗Rbの配線長さLbおよび配線幅Wbとによって調整可能である。 The resistance element R1 is formed by combining these two semiconductor resistors Ra and Rb at a ratio of α: β. Note that the ratio of α: β can be adjusted by the wiring length La and wiring width Wa of the semiconductor resistor Ra and the wiring length Lb and wiring width Wb of the semiconductor resistor Rb.
抵抗素子R1の温度Tにおける抵抗値R1は、上記式(10),(11)を用いることにより、下記式(12)のように表わすことができる。 The resistance value R1 at the temperature T of the resistance element R1 can be expressed as the following formula (12) by using the above formulas (10) and (11).
一方、抵抗素子R2を構成する半導体抵抗Rcについて、基準温度Toにおける抵抗値をRcoとし、1次の温度係数をKcとすると、温度Tにおける抵抗値R2は、下記式(13)で近似できる。 On the other hand, regarding the semiconductor resistance Rc constituting the resistance element R2, the resistance value R2 at the temperature T can be approximated by the following equation (13), where Rco is the resistance value at the reference temperature To and Kc is the primary temperature coefficient.
ここで、上述したように、半導体チップCPに応力が発生していない状態で、抵抗素子R1,R2の抵抗値の差(=R2−R1)を温度Tによらず零にするためには、上記式(12)に示すR1と、上記式(13)に示すR2とが等しくなるように、変数α,βを決定すればよい。なお、変数α,βは、下記の式(14),(15)を解くことで算出することができる。 Here, as described above, in order to make the difference between the resistance values of the resistance elements R1 and R2 (= R2−R1) zero regardless of the temperature T in a state where no stress is generated in the semiconductor chip CP, The variables α and β may be determined so that R1 shown in the above equation (12) is equal to R2 shown in the above equation (13). The variables α and β can be calculated by solving the following equations (14) and (15).
このようにして、上記式(9)に示す電位差Voのうち、抵抗素子R1,R2の抵抗値の差(=R2−R1)は、半導体チップCPの温度によらず零となる。したがって、残りのVDD/(R1+R2)が温度によらず一定となるように、温度センサTHSの出力値に応じて電源電圧VDDの大きさを補正することにより、電位差Voを温度に依存しない値とすることができる。 In this way, of the potential difference Vo shown in the above formula (9), the difference between the resistance values of the resistance elements R1 and R2 (= R2−R1) becomes zero regardless of the temperature of the semiconductor chip CP. Therefore, by correcting the magnitude of the power supply voltage VDD according to the output value of the temperature sensor THS so that the remaining VDD / (R1 + R2) is constant regardless of the temperature, the potential difference Vo is set to a value that does not depend on the temperature. can do.
(実施の形態2の変更例)
抵抗素子R1,R2の抵抗値を2次の温度特性まで考慮して近似する場合には、抵抗素子R1,R2の各々を、不純物濃度が互いに異なる2つの半導体抵抗を用いて形成する。具体的には、抵抗素子R1を、2つの半導体抵抗Ra,Rbをα:βの比率で組み合わせて形成するとともに、抵抗素子R2を、2つの半導体抵抗Rc,Rdを1:γの比率で組み合わせて形成する。
(Modification of Embodiment 2)
When the resistance values of the resistance elements R1 and R2 are approximated considering the secondary temperature characteristics, each of the resistance elements R1 and R2 is formed using two semiconductor resistors having different impurity concentrations. Specifically, the resistor element R1 is formed by combining two semiconductor resistors Ra and Rb at a ratio of α: β, and the resistor element R2 is combined with two semiconductor resistors Rc and Rd at a ratio of 1: γ. Form.
半導体抵抗Raについて、ある基準温度Toにおける抵抗値をRaoとし、1次の温度係数をKa1とし、2次の温度係数をKa2とすると、温度Tにおける抵抗値Raの温度特性は、下記式(16)で近似できる。 With respect to the semiconductor resistance Ra, when the resistance value at a certain reference temperature To is Rao, the primary temperature coefficient is Ka1, and the secondary temperature coefficient is Ka2, the temperature characteristic of the resistance value Ra at the temperature T is expressed by the following formula (16 ).
ただし、ΔT=T−Toとする。
半導体抵抗Rbについても同様に、基準温度Toにおける抵抗値をRboとし、1次の温度係数をKb1とし、2次の温度係数をKb2とすると、温度Tにおける抵抗値Rbは、下記式(17)で近似できる。
However, ΔT = T−To.
Similarly, for the semiconductor resistor Rb, when the resistance value at the reference temperature To is Rbo, the primary temperature coefficient is Kb1, and the secondary temperature coefficient is Kb2, the resistance value Rb at the temperature T is expressed by the following equation (17). Can be approximated by
抵抗素子R1は、これら2つの半導体抵抗Ra,Rbをα:βの比率で組み合わせて形成する。抵抗素子R1の温度Tにおける抵抗値R1は、上記式(16),(17)を用いることにより、下記式(18)のように表わすことができる。 The resistance element R1 is formed by combining these two semiconductor resistors Ra and Rb at a ratio of α: β. The resistance value R1 at the temperature T of the resistance element R1 can be expressed as the following formula (18) by using the above formulas (16) and (17).
半導体抵抗Rcについても同様に、基準温度Toにおける抵抗値をRcoとし、1次の温度係数をKc1とし、2次の温度係数をKc2とすると、温度Tにおける抵抗値Rcの温度特性は、下記式(19)で近似できる。 Similarly, regarding the semiconductor resistance Rc, when the resistance value at the reference temperature To is Rco, the primary temperature coefficient is Kc1, and the secondary temperature coefficient is Kc2, the temperature characteristic of the resistance value Rc at the temperature T is expressed by the following equation. It can be approximated by (19).
ただし、ΔT=T−Toとする。
半導体抵抗Rdについても同様に、基準温度Toにおける抵抗値をRdoとし、1次の温度係数をKd1とし、2次の温度係数をKd2とすると、温度Tにおける抵抗値Rbは、下記式(20)で近似できる。
However, ΔT = T−To.
Similarly, for the semiconductor resistor Rd, when the resistance value at the reference temperature To is Rdo, the primary temperature coefficient is Kd1, and the secondary temperature coefficient is Kd2, the resistance value Rb at the temperature T is expressed by the following equation (20). Can be approximated by
抵抗素子R2は、これら2つの半導体抵抗Rc,Rdを1:γの比率で組み合わせて形成する。抵抗素子R2の温度Tにおける抵抗値R2は、上記式(19),(20)を用いることにより、下記式(21)のように表わすことができる。 The resistance element R2 is formed by combining these two semiconductor resistors Rc and Rd at a ratio of 1: γ. The resistance value R2 at the temperature T of the resistance element R2 can be expressed as the following formula (21) by using the above formulas (19) and (20).
ここで、上述したように、半導体チップCPに応力が発生していない状態で、抵抗素子R1,R2の抵抗値の差(=R2−R1)を温度Tによらず零にするためには、上記式(18)に示すR1と、上記式(21)に示すR2とが等しくなるように、変数α,β,γを決定すればよい。なお、変数α,β,γは、下記の式(22),(23),(24)を解くことで算出することができる。 Here, as described above, in order to make the difference between the resistance values of the resistance elements R1 and R2 (= R2−R1) zero regardless of the temperature T in a state where no stress is generated in the semiconductor chip CP, The variables α, β, and γ may be determined so that R1 shown in the equation (18) is equal to R2 shown in the equation (21). The variables α, β, and γ can be calculated by solving the following equations (22), (23), and (24).
このようにして、上記式(9)に示す電位差Voのうち、抵抗素子R1,R2の抵抗値の差(=R2−R1)は、半導体チップCPの温度によらず零となる。したがって、残りのVDD/(R1+R2)が温度によらず一定となるように、温度センサTHSの出力値に応じて電源電圧VDDの大きさを補正することにより、電位差Voを温度に依存しない値とすることができる。 In this way, of the potential difference Vo shown in the above formula (9), the difference between the resistance values of the resistance elements R1 and R2 (= R2−R1) becomes zero regardless of the temperature of the semiconductor chip CP. Therefore, by correcting the magnitude of the power supply voltage VDD according to the output value of the temperature sensor THS so that the remaining VDD / (R1 + R2) is constant regardless of the temperature, the potential difference Vo is set to a value that does not depend on the temperature. can do.
このように、実施の形態2による半導体装置によれば、半導体チップに形成された応力センサの検出精度が温度の影響を受けて劣化するのを防止できる。これにより、半導体チップに内蔵される回路の特性をより高精度に保証することが可能となる。 Thus, according to the semiconductor device according to the second embodiment, it is possible to prevent the detection accuracy of the stress sensor formed on the semiconductor chip from being deteriorated due to the influence of temperature. This makes it possible to guarantee the characteristics of the circuit built in the semiconductor chip with higher accuracy.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
1 主面、2 裏面、3 接着材、10,10A〜10C 応力センサ、11 電圧電流変換部、12 電圧生成部、13 発振部、20 VCO、22,44 補正部、24 加算部、30 制御信号発生器、40 温度センサ素子、42 A/Dコンバータ、100 半導体基板、102 N側ウェル、104 P型拡散領域、106,116 素子分離領域、108 絶縁膜、110 電極、112 N型拡散領域、118 ポリシリコン膜、120 サイドウォールスペーサ、CP 半導体チップ、OSC 発振回路領域、RAM RAM領域、LOG 論理回路領域、FLA フラッシュメモリ領域、AD AD/DA領域、IF I/F回路領域、PC 電源回路領域、PD パッド電極、PKG 半導体装置、MR 封止樹脂部、BW ボンディングワイヤ、DP ダイパッド、LD リード、Rst 基準抵抗、THS 温度センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記半導体基板の主表面に形成され、前記複数の回路に働く応力を検出する応力センサとを備え、
前記応力センサは、
前記半導体基板の主表面に形成され、第1の不純物濃度を有する第1導電型の第1の半導体抵抗と、
前記半導体基板の主表面に形成され、前記第1の不純物濃度よりも低い第2の不純物濃度を有する前記第1導電型の第2の半導体抵抗とを含む、半導体装置。 A plurality of circuits formed on the main surface of the semiconductor substrate;
A stress sensor that is formed on a main surface of the semiconductor substrate and detects stress acting on the plurality of circuits;
The stress sensor is
A first semiconductor resistor of a first conductivity type formed on a main surface of the semiconductor substrate and having a first impurity concentration;
A semiconductor device comprising: a second semiconductor resistor of the first conductivity type formed on a main surface of the semiconductor substrate and having a second impurity concentration lower than the first impurity concentration.
前記第1の半導体抵抗は、前記第1の抵抗素子を構成し、
前記第2の半導体抵抗は、前記第2の抵抗素子を構成する、請求項1に記載の半導体装置。 The stress sensor is configured to output an electrical signal in accordance with a ratio or difference between the resistance values of the first and second resistance elements having different resistance values for the same stress.
The first semiconductor resistor constitutes the first resistance element,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor resistor constitutes the second resistance element.
前記第2の半導体抵抗は、前記第2の不純物濃度を有する前記第1導電型の拡散抵抗である、請求項2に記載の半導体装置。 The first semiconductor resistor is a diffusion resistor of the first conductivity type having the first impurity concentration;
The semiconductor device according to claim 2, wherein the second semiconductor resistor is a diffusion resistor of the first conductivity type having the second impurity concentration.
前記第2の半導体抵抗は、前記第2の不純物濃度を有する前記第1導電型の多結晶シリコン抵抗である、請求項2に記載の半導体装置。 The first semiconductor resistor is a polycrystalline silicon resistor of the first conductivity type having the first impurity concentration;
The semiconductor device according to claim 2, wherein the second semiconductor resistor is a polycrystalline silicon resistor of the first conductivity type having the second impurity concentration.
前記第1の抵抗素子は、前記第1の半導体抵抗および前記第2の半導体抵抗を第1の比率で組み合わせることによって形成され、
前記第1の比率は、前記第1および第2の抵抗素子に応力が働いていないときの前記第1および第2の抵抗素子の抵抗値が、温度によらず等しい値となるように設定される、請求項1に記載の半導体装置。 The stress sensor is configured to output an electrical signal in accordance with a ratio or difference between the resistance values of the first and second resistance elements having different resistance values for the same stress.
The first resistance element is formed by combining the first semiconductor resistance and the second semiconductor resistance in a first ratio,
The first ratio is set such that resistance values of the first and second resistance elements when no stress is applied to the first and second resistance elements are equal regardless of temperature. The semiconductor device according to claim 1.
前記第1および第2の比率は、前記第1および第2の抵抗素子に応力が働いていないときの前記第1および第2の抵抗素子の抵抗値が、温度によらず等しい値となるように設定される、請求項6に記載の半導体装置。 The second resistance element is formed by combining the second conductivity type third semiconductor resistor and the fourth semiconductor resistor having different impurity concentrations in a second ratio,
The first and second ratios are such that the resistance values of the first and second resistance elements when stress is not acting on the first and second resistance elements are equal regardless of temperature. The semiconductor device according to claim 6, wherein
前記第2の抵抗素子は、前記半導体基板の主表面の前記第1導電型の不純物領域に第2の結晶軸の方向に形成された拡散抵抗である、請求項5に記載の半導体装置。 The first semiconductor resistor and the second semiconductor resistor are diffusion resistors formed in the first conductivity type impurity region on the main surface of the semiconductor substrate in the direction of the first crystal axis,
The semiconductor device according to claim 5, wherein the second resistance element is a diffused resistor formed in a direction of a second crystal axis in the impurity region of the first conductivity type on the main surface of the semiconductor substrate.
前記第3の抵抗素子は、前記半導体装置の1つのチップ辺に平行な方向に配置される、請求項11に記載の半導体装置。 At least one of the plurality of circuits includes a third resistance element formed on the main surface of the semiconductor substrate,
The semiconductor device according to claim 11, wherein the third resistance element is arranged in a direction parallel to one chip side of the semiconductor device.
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