JP2017069412A - 半導体装置 - Google Patents

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圭太 高田
Keita Takada
圭太 高田
信也 小池
Shinya Koike
信也 小池
明宏 中原
Akihiro Nakahara
明宏 中原
田中 誠
Makoto Tanaka
田中  誠
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Abstract

【課題】半導体装置の性能を向上させる。【解決手段】半導体チップCP1内に、パワーMOSFETと、パワーMOSFETの電流を検出するためのセンスMOSFETとが形成され、パワーMOSFET用のソース電極ES1によりソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKが形成されている。ソースパッドPDS1aは、パワーMOSFETに流れる電流を出力するためのパッドであり、ケルビンパッドPDKは、パワーMOSFETのソース電位を検出するためのパッドである。ソース電極ES1は、スリットSL1を有し、平面視において、スリットSL1の少なくとも一部は、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間に配置されている。【選択図】図3

Description

本発明は、半導体装置に関し、例えば、パワートランジスタと電流検出用トランジスタとを有する半導体装置に好適に利用できるものである。
特開平8−334534号公報(特許文献1)、特表2006−500780号公報(特許文献2)、米国特許第5034796号(特許文献3)および非特許文献1には、電流検出回路を備えるパワー半導体装置に関する技術が記載されている。
特開平8−334534号公報 特表2006−500780号公報 米国特許第5034796号明細書
パワートランジスタと電流検出用トランジスタとを有する半導体装置において、性能を向上させることが望まれる。
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。
一実施の形態によれば、パワーMOSFETと、前記パワーMOSFETの電流を検出するためのセンスMOSFETとを有する半導体装置は、前記パワーMOSFET用のソース電極により形成された第1ソースパッドおよび第2ソースパッドを有している。前記第1ソースパッドは、前記パワーMOSFETに流れる電流を出力するためのパッドであり、前記第2ソースパッドは、前記パワーMOSFETのソース電位を検出するためのパッドである。前記ソース電極は、スリットを有し、平面視において、前記スリットの少なくとも一部は、前記第1ソースパッドと、前記第2ソースパッドとの間に配置されている。
一実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。
一実施の形態の半導体チップを用いた電子装置の一例を示す回路図である。 一実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 一実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 一実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 一実施の形態の半導体チップの部分拡大平面図である。 一実施の形態の半導体チップの要部断面図である。 一実施の形態の半導体チップの要部断面図である。 一実施の形態の半導体装置の上面図である。 一実施の形態の半導体装置の下面図である。 一実施の形態の半導体装置の平面透視図である。 一実施の形態の半導体装置の断面図である。 一実施の形態の半導体装置の断面図である。 検討例の半導体チップの平面図である。 検討例の半導体チップの電流センス特性を示すグラフである。 検討例の半導体チップの要部断面図である。 一実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 一実施の形態の半導体チップの電流センス特性を示すグラフである。 パワーMOSFETをターンオンしたときのタイミングチャートを示すグラフである。 一実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 半導体チップの接続構造を示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 半導体チップの接続構造を示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。 他の実施の形態の半導体チップのチップレイアウトを示す平面図である。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その言及した数に限定されるものではなく、言及した数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
また、本願においては、電界効果トランジスタをMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)または単にMOSと記載するが、ゲート絶縁膜として酸化膜を用いる場合だけでなく、ゲート絶縁膜として酸化膜以外の絶縁膜を用いる場合も含むものとする。
(実施の形態1)
<回路構成について>
図1は、本発明の一実施の形態の半導体チップ(半導体装置)CP1を用いた電子装置の一例を示す回路図である。
図1に示される電子装置に用いられている半導体チップCP1は、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)1と、パワーMOSFET1に流れる電流を検知するためのセンスMOSFET2と、を有している。すなわち、図1において、符号1を付した点線で囲まれた部分が、半導体チップCP1で構成されている。
半導体チップCP1は、パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2を内蔵するとともに、ドレイン端子DTと、ゲート端子GTと、ソース端子ST1と、ソース端子ST2と、ケルビン端子KTと、を有している。なお、ドレイン端子DTは、後述の裏面電極BEに対応し、ゲート端子GTは、後述のゲートパッドPDGに対応し、ソース端子ST1は、後述のソースパッドPDS1a,PDS1bに対応し、ソース端子ST2は、後述のソースパッドPDS2に対応し、ケルビン端子KTは、後述のケルビンパッドPDKに対応している。
半導体チップCP1内に形成されたパワーMOSFET1のドレイン、ソースおよびゲートは、それぞれ、ドレイン端子DT、ソース端子ST1およびゲート端子GTに接続されている。また、半導体チップCP1内に形成されたセンスMOSFET2のドレイン、ソースおよびゲートは、それぞれ、ドレイン端子DT、ソース端子ST2およびゲート端子GTに接続されている。また、半導体チップCP1内に形成されたパワーMOSFET1のソースは、ケルビン端子KTにも接続されている。
半導体チップCP1のドレイン端子DT(裏面電極BE)は、電源(バッテリ)BATの高電位側に接続され、電源BATから半導体チップCP1のドレイン端子DTに電源電位(電源電圧)VINが供給されるようになっている。半導体チップCP1のソース端子ST1は、負荷LODの一端に接続され、負荷LODの他端は、グランド電位(接地電位、固定電位)GNDに接続されている。すなわち、半導体チップCP1のソース端子ST1とグランド電位GNDとの間に、負荷LODが介在している。このため、パワーMOSFET1のソースは、ソース端子ST1を経由して、負荷LODに接続されている。従って、電源電位VIN(電源BATの高電位側)とグランド電位GNDとの間に、パワーMOSFET1と負荷LODとが直列に接続された状態になっている。負荷LODとしては、例えば、ランプ、ソレノイド、あるいはモータなどを例示できる。
半導体チップCP1のゲート端子GTは、ドライバ回路(駆動回路)DRに電気的に接続されている。ドライバ回路DRは、パワーMOSFET1のゲートの電位を制御し、パワーMOSFET1の動作を制御する回路である。ドライバ回路DRは、制御回路部CLCに接続されており、制御回路部CLCによって制御される。制御回路部CLCに制御されたドライバ回路DRは、半導体チップCP1のゲート端子GTにゲート信号(ゲート電圧)を供給し、それによって、パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2の各ゲートにゲート信号(ゲート電圧)が供給される。ドライバ回路DRからパワーMOSFET1およびセンスMOSFET2の各ゲートに供給されるゲート信号によって、パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2のオン/オフが制御される。なお、ゲート端子GTには、パワーMOSFET1のゲートとセンスMOSFET2のゲートとが接続されているため、パワーMOSFET1のゲートとセンスMOSFET2のゲートとには、ドライバ回路DRから共通のゲート信号が供給される。また、半導体チップCP1のゲート端子GTとドライバ回路DRとの間に、抵抗素子(図示せず)を介在させ、その抵抗素子を介して、ドライバ回路DRから半導体チップCP1のゲート端子GTにゲート信号を供給する場合もあり得る。
パワーMOSFET1は、スイッチング用のトランジスタ(スイッチング素子)である。パワーMOSFET1のゲートにオン電圧(しきい値電圧以上のゲート電圧)が印加されて、パワーMOSFET1がオン状態(導通状態)になると、電源電位VINとグランド電位GNDとの間に直列に接続されたパワーMOSFET1および負荷LODに、電流が流れる。一方、パワーMOSFET1のゲートにオフ電圧(しきい値電圧未満のゲート電圧)が印加されて、パワーMOSFET1がオフ状態(非導通状態)になれば、直列に接続されたパワーMOSFET1および負荷LODに、電流が流れないようにすることができる。このため、パワーMOSFET1を制御することにより、負荷LODに流れる電流を制御することができる。
パワーMOSFET1は、半導体チップCP1に形成されている。また、このパワーMOSFET1は、例えばnチャネル型の電界効果トランジスタにより形成されている。ここでは、この電界効果トランジスタのチャネルが半導体チップCP1の厚さ方向に形成される。この場合、半導体チップCP1の主面(半導体チップCP1の厚さ方向に直交する面)に沿ってチャネルが形成される電界効果トランジスタに比べて単位面積あたりのチャネル幅を増加でき、オン抵抗を低減することができるので、半導体チップの小型化を実現することができ、半導体パッケージを小型化することができる。
センスMOSFET2は、パワーMOSFET1に流れる電流を検知するための電界効果トランジスタである。また、図1に示される電子装置は、センスMOSFET2に流れる電流を検出する電流検出回路部DKCを有している。電流検出回路部DKCは、トランジスタTR1と、抵抗(センス抵抗)RSTと、差動増幅器として演算増幅器(差動増幅器、アンプ回路)AMP1と、を有している。パワーMOSFET1に流れる電流は、センスMOSFET2および電流検出回路部DKCにより間接的に検出することができる。
センスMOSFET2は、パワーMOSFET1とともに、半導体チップCP1内に形成されている。一方、電流検出回路部DKCは、半導体チップCP1の外部に形成されている。センスMOSFET2は、半導体チップCP1内でパワーMOSFET1とカレントミラー回路を構成するように形成され、例えば、パワーMOSFET1の1/20000のサイズを備えている。このサイズ比は必要に応じて変更可能であるが、このサイズ比を1/20000として以下説明する。
センスMOSFET2は、ドレインおよびゲートがパワーMOSFET1と共通とされている。すなわち、センスMOSFET2とパワーMOSFET1とは、ドレイン同士が電気的に接続されて共通とされており、この共通ドレインがドレイン端子DTに接続されて、センスMOSFET2のドレインとパワーMOSFET1のドレインとに同じ電位(電源電位VIN)が供給されるようになっている。また、センスMOSFET2とパワーMOSFET1とは、ゲート同士が電気的に接続されて共通とされており、この共通ゲートがゲート端子GTに接続されて、センスMOSFET2のゲートとパワーMOSFET1のゲートとに同じゲート信号(ゲート電圧)が入力されるようになっている。
一方、センスMOSFET2のソースは、パワーMOSFET1のソースと共通ではない。パワーMOSFET1のソースがソース端子ST1に接続され、そのソース端子ST1に負荷LODが接続されているのに対して、センスMOSFET2のソースは、ソース端子ST2に接続され、そのソース端子ST2は、トランジスタTR1のソースに接続されている。このため、センスMOSFET2のソースは、ソース端子ST2を経由して、トランジスタTR1(のソース)に接続されている。トランジスタTR1は、pチャネル型MOSFETである。トランジスタTR1は、演算増幅器AMP1によって制御される抵抗素子(可変抵抗素子)として機能することができる。
トランジスタTR1のドレインは、抵抗RSTに接続されており、この抵抗RSTは、電流・電圧変換用の抵抗素子である。具体的には、トランジスタTR1のドレインが抵抗RSTの一端に接続され、抵抗RSTの他端がグランド電位GNDに接続されている。つまり、トランジスタTR1のドレインは、抵抗RSTを介してグランド電位GNDに接続されている。従って、電源電位VIN(電源BATの高電位側)とグランド電位GNDとの間に、センスMOSFET2とトランジスタTR1と抵抗RSTとが、電源電位VIN側からこの順で直列に接続された状態になっている。
演算増幅器AMP1の2個の入力ノード(N1,N2)にケルビン端子KTおよびソース端子ST2がそれぞれ接続されている。具体的には、パワーMOSFET1のソースが、ケルビン端子KTを経由して、演算増幅器AMP1の正転入力のノード(第1入力ノード)N1に接続され、また、センスMOSFET2のソースが、ソース端子ST2を経由して、演算増幅器AMP1の反転入力のノード(第2入力ノード)N2に接続されている。そして、演算増幅器AMP1の出力ノードN3に、トランジスタTR1のゲートが接続されている。演算増幅器AMP1の出力ノードN3からトランジスタTR1のゲートに供給されるゲート電圧により、トランジスタTR1のゲートが駆動され、それによってトランジスタTR1の抵抗(ソース・ドレイン間の抵抗)が制御される。
センスMOSFET2は、パワーMOSFET1に流れる電流IPWを検出するための素子である。センスMOSFET2には、センスMOSFET2のソース電圧とパワーMOSFET1のソース電圧とが等しい場合に、前述したカレントミラー構成によって、電流IPWの所定の比率(ここでは1/20000)の電流が流れる。すなわち、パワーMOSFET1に電流IPWが流れるとき、センスMOSFET2に流れる電流ISEが電流IPWの1/20000となる(すなわちISE=IPW/20000となる)ように、パワーMOSFET1とセンスMOSFET2とのサイズ比が設定されている。このセンスMOSFET2のソース電圧とパワーMOSFET1のソース電圧とを等しくし、パワーMOSFET1の電流IPWを高精度に検出するために、演算増幅器AMP1およびトランジスタTR1が設けられている。
すなわち、ノードN1の電位とノードN2の電位とが等しくなるように、演算増幅器AMP1によってトランジスタTR1のゲート電圧が調整され、それによってトランジスタTR1の抵抗値(ソース・ドレイン間の抵抗値)が制御される。つまり、トランジスタTR1のゲート電圧を調整することによって、トランジスタTR1の抵抗値を制御することができ、また、トランジスタTR1の抵抗値を調整することによって、ソース端子ST2の電位を制御することができる。このため、トランジスタTR1のゲート電圧によって、ソース端子ST2の電位を制御することができることになる。そして、演算増幅器AMP1は、ノードN1の電位とノードN2の電位とが等しくなるように、従って、ノードN1に接続されたケルビン端子KTの電位とノードN2に接続されたソース端子ST2の電位とが等しくなるように、トランジスタTR1のゲートに供給するゲート電圧を制御する。これにより、ケルビン端子KTの電位とソース端子ST2の電位とが等しくなり、パワーMOSFET1とセンスMOSFET2の動作点が等しくなるため、パワーMOSFET1に流れる電流IPW(従って負荷LODに流れる負荷電流)を、センスMOSFET2に流れる電流ISEに、所定の比率(ここでは1/20000)で正確にコピーすることができる。
センスMOSFET2に流れる電流ISEは、トランジスタTR1を介して抵抗RSTに流れ、抵抗RSTにより電流−電圧変換が行われる。すなわち、トランジスタTR1のドレインに抵抗RSTを接続したことで、センスMOSFET2を流れる電流値(ISE)を、トランジスタTR1のドレインと抵抗RSTとの間の端子(センス端子)TE1の電圧値に変換することができる。このため、センスMOSFET2を流れる電流値(ISE)は、端子TE1で電圧(センス電圧)として出力される。なお、端子TE1は、トランジスタTR1のドレインと抵抗RSTとの間に介在しており、トランジスタTR1のドレインは、端子TE1を介して抵抗RSTの一端に接続されている。
センスMOSFET2を流れる電流ISEが大きくなるほど端子TE1の電圧値が大きくなり、具体的には端子TE1の電圧値はセンスMOSFET2を流れる電流ISEの値にほぼ比例する。例えば、端子TE1の電圧値は、抵抗RSTの抵抗値と電流ISEの電流値との積にほぼ対応した値になる。このため、端子TE1の電圧値を検知またはモニタすることによって、センスMOSFET2を流れる電流値(ISE)を検知またはモニタすることができる。なお、センスMOSFET2に流れる電流ISEは、ソース端子ST2およびトランジスタTR1を経由して抵抗RSTに流れるため、抵抗RSTに流れる電流は、センスMOSFET2に流れる電流ISEと実質的に同じである。
パワーMOSFET1とセンスMOSFET2とのサイズ比(ここでは1/20000)が既知であれば、端子TE1の電圧値を検知またはモニタすることによって、パワーMOSFET1に流れる電流IPWを算出(逆演算)することができ、従って、負荷LODに流れる電流を算出(逆演算)することができる。すなわち、端子TE1の電圧値を検知し、その電圧値からセンスMOSFET2を流れる電流値(ISE)を算出すれば、その電流値(ISE)の20000倍の電流(IPW)が、パワーMOSFET1に流れていることになり、従って、負荷LODに流れていることになる。なお、パワーMOSFET1に流れる電流IPWは、ソース端子ST1を経由して負荷LODに流れるため、負荷LODに流れる電流は、パワーMOSFET1に流れる電流IPWと実質的に同じである。
演算増幅器AMP1、トランジスタTR1および抵抗RSTにより、電流検出回路部DKCが構成され、この電流検出回路部DKCによって、センスMOSFET2を流れる電流ISEを検出することができる。半導体チップCP1内にパワーMOSFET1とともに設けられたセンスMOSFET2と、この電流検出回路部DKCとにより、パワーMOSFET1に流れる電流IPWを間接的に検出することができ、従って、負荷LODに流れる電流を間接的に検出することができる。
端子TE1は、例えば制御回路部CLCに接続され、端子TE1の電圧値は、制御回路部CLCによって検出またはモニタされる。制御回路部CLCは、端子TE1の電圧値を検出またはモニタすることにより、センスMOSFET2に流れる電流ISEを検出またはモニタすることができ、それによって、パワーMOSFET1に流れる電流IPW(従って負荷LODに流れる電流)を間接的に検出またはモニタすることができる。
例えば、負荷LODがランプの場合は、端子TE1の電圧値をモニタすることにより、パワーMOSFET1に流れる電流値(従って負荷LODに流れる電流値)を間接的にモニタすることによって、ランプに断線などが生じた際にそれを速やかに検知することができる。また、負荷LODがモータ(モータ用のコイル)の場合は、端子TE1の電圧値をモニタすることにより、パワーMOSFET1に流れる電流値(従って負荷LODに流れる電流値)を間接的にモニタすることによって、モータの回転速度などを検出することができる。
制御回路部CLCは、ドライバ回路DRを制御する制御回路と、端子TE1の電圧値を検出またはモニタする制御回路とを含んでいる。また、制御回路部CLCは、電源BATから供給された電源電位VINを所定の動作電圧(動作用の電源電圧)に変換する電圧生成回路(レギュレータ)を更に含むこともできる。制御回路部CLCは、単数または複数の電子部品により形成することができる。また、電流検出回路部DKCは、単数または複数の電子部品により形成することができる。制御回路部CLCの一部または全部と、電流検出回路部DKCの一部または全部とを、共通の電子部品(半導体チップ)内に形成することもできる。
このように、センスMOSFET2を流れる電流ISEから、パワーMOSFET1に流れる電流IPWを間接的に検出することができる。このため、センスMOSFET2を流れる電流ISEとパワーMOSFET1に流れる電流IPWとの比(センス比)に生じる様々なばらつき要因を除去できれば、パワーMOSFET1に対する高精度な電流検出を行うことができる。
<半導体チップの構成について>
次に、上記パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2が形成された半導体チップCP1の構成について説明する。なお、半導体チップCP1は、半導体装置とみなすことができる。
図2〜図4は、半導体チップCP1のチップレイアウトを示す平面図であり、図5は、半導体チップCP1の部分拡大平面図(要部平面図)であり、図6および図7は、半導体チップCP1の要部断面図である。このうち、図2は、半導体チップCP1の上面図に対応しており、半導体チップCP1の表面側(すなわちボンディングパッドが形成された側の主面)が示されている。なお、図2は平面図であるが、図面を見やすくするために、ボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)にハッチングを付してある。また、図3は、半導体チップCP1における金属層(ゲート電極EG、ゲート配線EGWおよびソース電極ES1,ES2)をハッチングを付して示し、また、ボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)の位置を点線で示してある。また、図4は、半導体チップCP1におけるメインMOS領域RG1およびセンスMOS領域RG2をハッチングを付して示し、また、ボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)の位置を点線で示してある。なお、図3および図4において点線で示したボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)の位置は、図2においてハッチングを付して示した領域に対応している。図5は、図4において二点鎖線で囲まれた領域RG3を拡大した部分拡大平面図であり、メインMOS領域RG1およびセンスMOS領域RG2におけるトレンチゲート電極TG、n型半導体領域NRおよびp型半導体領域PR2のレイアウトが示されている。なお、図面を見やすくするために、図5ではトレンチゲート電極TGにハッチングを付してある。また、図6は、図5のA1−A1線の断面図にほぼ対応しており、図6において、符号RG1で示された部分(範囲)がメインMOS領域RG1の要部断面図に対応し、図6において、符号RG2で示された部分(範囲)がセンスMOS領域RG2の要部断面図に対応している。また、図7は、メインMOS領域RG1の要部断面図と、ゲート配線EGWおよびゲート電極EGが形成されている領域の要部断面図とが示されている。なお、各平面図には、X方向とY方向とが示されているが、X方向とY方向とは、互いに交差する方向であり、好ましくは、互いに直交する方向である。また、各平面図において、X方向およびY方向は共通である。半導体チップCP1は、X方向に平行な2つの辺とY方向に平行な2つの辺とで形成された四角形状の平面形状を有している。
上記パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2は、半導体チップCP1を構成する半導体基板SBの主面に形成されている。図6および図7に示されるように、半導体基板SBは、例えばヒ素(As)などのn型不純物が導入されたn型の単結晶シリコンなどからなる。
半導体基板SBとして、いわゆるエピタキシャルウエハを用いることもできる。半導体基板SBとしてエピタキシャルウエハを用いる場合には、例えばヒ素(As)などのn型不純物が導入されたn型の単結晶シリコンなどからなる基板本体(半導体基板)と、その基板本体の主面上に形成された、例えばn型のシリコン単結晶からなるエピタキシャル半導体層とにより構成される。
半導体基板SBの主面には、例えば酸化シリコン膜などからなるフィールド絶縁膜(ここでは図示されない)が、必要に応じて形成されている。このフィールド絶縁膜は、活性領域を規定(画定)するための素子分離領域として機能することができる。
メインMOS領域RG1において、半導体基板SBに、パワーMOSFET1を構成する複数の単位トランジスタセルが形成されており、パワーMOSFET1は、メインMOS領域RG1に設けられたこれら複数の単位トランジスタセルが並列に接続されることで形成されている。また、センスMOS領域RG2において、半導体基板SBに、センスMOSFET2を構成する複数の単位トランジスタセルが形成されており、センスMOSFET2は、センスMOS領域RG2に設けられたこれら複数の単位トランジスタセルが並列に接続されることで形成されている。
メインMOS領域RG1に形成される個々の単位トランジスタセルと、センスMOS領域RG2に形成される個々の単位トランジスタセルとは、基本的には同じ構造(構成)を有しているが、メインMOS領域RG1とセンスMOS領域RG2とは、その面積が相違しており、メインMOS領域RG1はセンスMOS領域RG2よりも面積が大きい。換言すれば、センスMOS領域RG2はメインMOS領域RG1よりも面積が小さい。このため、単位トランジスタセルの接続数は、パワーMOSFET1とセンスMOSFET2とで異なり、センスMOSFET2を構成する並列接続された単位トランジスタセルの数は、パワーMOSFET1を構成する並列接続された単位トランジスタセルの数よりも少ない。このため、センスMOSFET2とパワーMOSFET1とでソース電位が同じであれば、センスMOSFET2には、パワーMOSFET1に流れる電流よりも小さな電流が流れるようになっている。メインMOS領域RG1およびセンスMOS領域RG2の各単位トランジスタセルは、例えばトレンチゲート構造のnチャネル型のMOSFETで形成されている。
半導体基板SBは、上記単位トランジスタセルのドレイン領域としての機能を有している。半導体基板SBの裏面(すなわち半導体チップCP1の裏面)には、ドレイン用の裏面電極(裏面ドレイン電極、ドレイン電極)BEが形成されている。この裏面電極BEは、半導体基板SBの裏面全体に、従って半導体チップCP1の裏面全体に、形成されている。裏面電極BEは、例えば半導体基板SBの裏面から順にチタン(Ti)層、ニッケル(Ni)層および金(Au)層を積み重ねて形成されている。裏面電極BEは、上記図1のドレイン端子DTに対応している。
また、メインMOS領域RG1およびセンスMOS領域RG2において、半導体基板SB中に形成されたp型半導体領域(p型ボディ領域)PR1は、上記単位トランジスタセルのチャネル形成領域としての機能を有している。さらに、そのp型半導体領域PR1の上部に形成されたn型半導体領域NRは、上記単位トランジスタセルのソース領域としての機能を有している。従って、n型半導体領域NRはソース用の半導体領域である。つまり、メインMOS領域RG1に形成されているn型半導体領域NRは、上記パワーMOSFET1のソース用の半導体領域であり、センスMOS領域RG2に形成されているn型半導体領域NRは、上記センスMOSFET2のソース用の半導体領域である。
また、メインMOS領域RG1およびセンスMOS領域RG2において、半導体基板SBには、その主面から半導体基板SBの厚さ方向に延びる溝TRが形成されている。溝TRは、n型半導体領域NRの上面からn型半導体領域NRおよびp型半導体領域PR1を貫通し、半導体基板SB中で終端するように形成されている。別の見方をすると、隣り合う溝TRの間に、p型半導体領域PR1が形成され、p型半導体領域PR1の上部で、かつ、溝TRに隣接する位置に、ソース用のn型半導体領域NRが形成されている。
溝TRの底面および側面には、酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜GFが形成されている。また、溝TR内には、上記ゲート絶縁膜GFを介してトレンチゲート電極TGが埋め込まれている。トレンチゲート電極TGは、例えばn型不純物(例えばリン)が導入された多結晶シリコン膜からなる。トレンチゲート電極TGは、上記単位トランジスタセルのゲート(ゲート電極)としての機能を有している。従って、メインMOS領域RG1に形成されているトレンチゲート電極TGは、上記パワーMOSFET1のゲートとして機能し、センスMOS領域RG2に形成されているトレンチゲート電極TGは、上記センスMOSFET2のゲートとして機能する。
また、メインMOS領域RG1の周辺部とセンスMOS領域RG2の周辺部とにおいて、半導体基板SB上に、トレンチゲート電極TGと同一層の導電性膜からなるゲート引き出し用の配線部TGLが形成されており、トレンチゲート電極TGとゲート引き出し用の配線部TGLとは、一体的に形成されて互いに電気的に接続されている。なお、トレンチゲート電極TGは、溝TRに埋め込まれており、一方、ゲート引き出し用の配線部TGLは、溝TR内ではなく、半導体基板SB上に配置されて延在している。ゲート引き出し用の配線部TGLは、それを覆う絶縁膜ILに形成されたコンタクトホール(開口部、貫通孔)CT1を通じてゲート配線EGWと電気的に接続されている。
ゲート配線EGWは、メインMOS領域RG1に形成されている複数のトレンチゲート電極TGにゲート引き出し用の配線部TGLを通じて電気的に接続されるとともに、センスMOS領域RG2に形成されている複数のトレンチゲート電極TGにゲート引き出し用の配線部TGLを通じて電気的に接続されている。このため、ゲート配線EGWは、メインMOS領域RG1のトレンチゲート電極TGとセンスMOS領域RG2のトレンチゲート電極TGとに、電気的に接続されている。ゲート配線EGWは、半導体チップCP1の主面において、外周に沿うように延在している。ゲート電極EGは、ゲートパッドPDGを形成するための電極部(導体部)であり、ゲート電極EGの幅は、ゲート配線EGWの幅よりも大きい。ゲート電極EGとゲート配線EGWとは、一体的に形成されており、従って、ゲート電極EGとゲート配線EGWとは、互いに電気的に接続されている。このため、ゲート電極EGは、ゲート配線EGWおよびゲート引き出し用の配線部TGLを介して、メインMOS領域RG1に形成されている複数のトレンチゲート電極TGと、センスMOS領域RG2に形成されている複数のトレンチゲート電極TGとに、電気的に接続されている。
一方、ソース電極ES1は、メインMOS領域RG1の絶縁膜ILに形成されたコンタクトホール(開口部、貫通孔)CT2を通じて、メインMOS領域RG1に形成されているソース用のn型半導体領域NRと電気的に接続されている。また、このソース電極ES1は、メインMOS領域RG1において、p型半導体領域PR1の上部であってn型半導体領域NRの隣接間に形成されたp型半導体領域PR2に電気的に接続され、これを通じてメインMOS領域RG1におけるチャネル形成用のp型半導体領域PR1と電気的に接続されている。p型半導体領域PR2は、p型半導体領域PR1よりも不純物濃度(p型不純物濃度)が高く、p型半導体領域PR2を設けたことにより、ソース電極ES1のコンタクト抵抗を低減することができる。平面視において、ソース電極ES1は、メインMOS領域RG1のほぼ全体にわたって形成されている。すなわち、平面視において、ソース電極ES1は、メインMOS領域RG1のほぼ全体を覆うように形成されている。
また、ソース電極ES2は、センスMOS領域RG2の絶縁膜ILに形成されたコンタクトホールCT2を通じて、センスMOS領域RG2に形成されているソース用のn型半導体領域NRと電気的に接続されている。また、このソース電極ES2は、センスMOS領域RG2において、p型半導体領域PR1の上部であってn型半導体領域NRの隣接間に形成されたp型半導体領域PR2に電気的に接続され、これを通じてセンスMOS領域RG2におけるチャネル形成用のp型半導体領域PR1と電気的に接続されている。平面視において、ソース電極ES2は、センスMOS領域RG2のほぼ全体にわたって形成されている。すなわち、平面視において、ソース電極ES2は、センスMOS領域RG2のほぼ全体を覆うように形成されている。
ゲート電極EG、ゲート配線EGWおよびソース電極ES1,ES2は、コンタクトホールCT1,CT2が形成された絶縁膜IL上にコンタクトホールCT1,CT2を埋めるように導電体膜CDを形成し、この導電体膜CDをパターニングすることにより形成されている。すなわち、ゲート電極EG、ゲート配線EGWおよびソース電極ES1,ES2は、パターニングされた導電体膜CDにより形成されている。導電体膜CDは、金属膜からなり、好ましくはアルミニウム膜またはアルミニウム合金膜からなる。このため、ゲート電極EG、ゲート配線EGW、ソース電極ES1およびソース電極ES2は、同層の導電体膜CDからなるが、ゲート電極EGとゲート配線EGWとが一体的に形成されていることを除いて、互いに分離されている。
なお、図6の場合は、コンタクトホールCT1を埋め込む部分(プラグ部)のゲート配線EGWが、コンタクトホールCT1外のゲート配線EGWと一体的に形成されているが、別々に形成することもできる。同様に、図6および図7の場合は、コンタクトホールCT2を埋め込む部分(プラグ部)のソース電極ES1が、コンタクトホールCT2外のソース電極ES1と一体的に形成されているが、別々に形成することもできる。同様に、図7の場合は、コンタクトホールCT2を埋め込む部分(プラグ部)のソース電極ES2が、コンタクトホールCT2外のソース電極ES2と一体的に形成されているが、別々に形成することもできる。すなわち、コンタクトホールCT1,CT2内に導電性のプラグを形成した後に、プラグが埋め込まれた絶縁膜IL上に導電体膜CDを形成し、その導電体膜CDをパターニングすることにより、ゲート電極EG、ゲート配線EGWおよびソース電極ES1,ES2を形成することもできる。
導電体膜CD(ゲート電極EG、ゲート配線EGWおよびソース電極ES1,ES2)は、ポリイミド樹脂などからなる絶縁性の保護膜(絶縁膜、パッシベーション膜)PAにより覆われている。すなわち、絶縁膜IL上に、導電体膜CD(ゲート電極EG、ゲート配線EGWおよびソース電極ES1,ES2)を覆うように、保護膜PAが形成されている。この保護膜PAは、半導体チップCP1の最上層の膜(絶縁膜)である。保護膜PAは、絶縁膜からなるため、絶縁膜とみなすこともできる。保護膜PAには複数の開口部OPが形成されており、各開口部OPからは、導電体膜CDの一部が露出されている。開口部OPから露出する導電体膜CDが、パッド電極(ボンディングパッド)となっており、ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDKは、それぞれ、開口部OPから露出する導電体膜CDにより形成されている。
すなわち、開口部OPのうちのゲート用開口部OPGから露出するゲート電極EGによって、上記パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2用のゲートパッド(パッド電極)PDGが形成されている。また、開口部OPのうちのソース用開口部OPS1a,OPS1bから露出するソース電極ES1によって、上記パワーMOSFET1用のソースパッド(パッド電極)PDS1a,PDS1bが形成されている。また、開口部OPのうちのケルビン用開口部OPKから露出するソース電極ES1によって、上記パワーMOSFET1用のケルビンパッド(パッド電極)PDKが形成されている。また、開口部OPのうちのソース用開口部OPS2から露出するソース電極ES2によって、上記センスMOSFET2用のソースパッド(パッド電極)PDS2が形成されている。ゲートパッドPDGは、上記図1のゲート端子GTに対応し、ソースパッドPDS1a,PDS1bは、上記図1のソース端子ST1に対応し、ケルビンパッドPDKは、上記図1のケルビン端子KTに対応し、ソースパッドPDS2は、上記図1のソース端子ST2に対応している。
ソースパッドPDS1aとソースパッドPDS1bとケルビンパッドPDKとは、最上層の保護膜PAによって分離されているが、ソース電極ES1を通じて互いに電気的に接続されている。このため、ソースパッドPDS1aとソースパッドPDS1bとケルビンパッドPDKとは、ソース電極ES1を通じて、メインMOS領域RG1に形成されている複数の単位トランジスタセルのソース領域(n型半導体領域NR)と電気的に接続されている。ソースパッドPDS1a,PDS1bと同様に、ケルビンパッドPDKも、保護膜PAの開口部OPから露出するソース電極ES1によって形成されているため、ソースパッドとみなすこともできる。但し、ソースパッドPDS1a,PDS1bとケルビンパッドPDKとは、用途が異なっており、ソースパッドPDS1a,PDS1bは、パワーMOSFET1を流れる電流を出力するためのパッドであり、ケルビンパッドPDKは、パワーMOSFETのソース電位を検出するためのパッドである。図2〜図4の場合は、平面視において、ケルビンパッドPDKは、半導体チップCP1の主面の角部近傍に配置されている。
一方、ソース電極ES2は、ソース電極ES1とは分離されているため、ソースパッドPDS2は、ソースパッドPDS1a、ソースパッドPDS1bおよびケルビンパッドPDKとは短絡されずに電気的に分離されている。ソースパッドPDS2は、ソース電極ES2を通じて、センスMOS領域RG2に形成されている複数の単位トランジスタセルのソース領域(n型半導体領域NR)と電気的に接続されている。
各パッド(PDG,PDK,PDS1a,PDS1b,PDS2)の表面には、すなわち開口部OPの底部で露出する部分の導電体膜CD上には、めっき層MEを形成する場合もある。このめっき層MEは、例えば、下から順に形成された銅(Cu)膜とニッケル(Ni)膜と金(Au)膜との積層膜や、あるいは、下から順に形成されたチタン(Ti)膜とニッケル(Ni)膜と金(Au)膜との積層膜などからなる。めっき層MEを形成したことにより、導電体膜CDのアルミニウムの表面の酸化を抑制または防止することができる。
メインMOS領域RG1に形成されている複数の単位トランジスタセルのトレンチゲート電極TGと、センスMOS領域RG2に形成されている複数の単位トランジスタセルのトレンチゲート電極TGとは、ゲート引き出し用の配線部TGL、ゲート配線EGWおよびゲート電極EGを通じて互いに電気的に接続されている。このため、ゲートパッドPDGから、ゲート配線EGWおよび配線部TGLを通じて、パワーMOSFET1のゲート(メインMOS領域RG1に形成された複数の単位トランジスタセルのトレンチゲート電極TG)と、センスMOSFET2のゲート(センスMOS領域RG2に形成された複数の単位トランジスタセルのトレンチゲート電極TG)とに、共通のゲート電圧が供給される。
また、メインMOS領域RG1に形成されている複数の単位トランジスタセルのドレイン領域と、センスMOS領域RG2に形成されている複数の単位トランジスタセルのドレイン領域とは、半導体基板SBおよび裏面電極BEを通じて、互いに電気的に接続されている。なお、メインMOS領域RG1に形成されている複数の単位トランジスタセルのドレイン領域と、センスMOS領域RG2に形成されている複数の単位トランジスタセルのドレイン領域とは、p型半導体領域PR1の下でn型を維持している部分の半導体基板SBにより構成されている。このため、裏面電極BEから、パワーMOSFET1(メインMOS領域RG1に形成されている複数の単位トランジスタセル)のドレイン領域と、センスMOSFET2(センスMOS領域RG2に形成されている複数の単位トランジスタセル)のドレイン領域とに、共通のドレイン電圧(上記電源電位VIN)が供給される。
また、メインMOS領域RG1に形成されている複数の単位トランジスタセルのソース領域(n型半導体領域NR)は、ソース電極ES1に電気的に接続されるとともに、そのソース電極ES1を通じて互いに電気的に接続されている。また、センスMOS領域RG2に形成されている複数の単位トランジスタセルのソース領域(n型半導体領域NR)は、ソース電極ES2に電気的に接続されるとともに、そのソース電極ES2を通じて互いに電気的に接続されている。ソースパッドPDS1a,PDS1bは、上記負荷LODに接続され、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS2とは、上記電流検出回路部DKCに接続される。
また、メインMOS領域RG1とセンスMOS領域RG2とは、それぞれアクティブ領域となっており、メインMOS領域RG1の外周領域と、センスMOS領域RG2の外周領域とは、非アクティブ領域となっている。ここで、アクティブ領域とは、電流経路として機能し得る領域に対応し、非アクティブ領域とは、電流経路としては機能しない領域に対応している。平面視において、メインMOS領域RG1とセンスMOS領域RG2とは、それぞれ、非アクティブ領域によって囲まれている。このため、平面視において、メインMOS領域RG1とセンスMOS領域RG2との間には、非アクティブ領域が介在する。
図5に示されるように、メインMOS領域RG1の溝TR(トレンチゲート電極TG)とセンスMOS領域RG2の溝TR(トレンチゲート電極TG)とは、互いに連結されている。しかしながら、メインMOS領域RG1のソース領域(n型半導体領域NR)と、センスMOS領域RG2のソース領域(n型半導体領域NR)とは、つながってはおらず、間に配置された溝TRとp型半導体領域PR1とによって、電気的に分離されている。
このような構成の半導体チップCP1においては、上記パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2の単位トランジスタの動作電流は、ドレイン用の半導体基板SBとソース用のn型半導体領域NRとの間をトレンチゲート電極TGの側面(すなわち溝TRの側面)に沿って半導体基板SBの厚さ方向に流れるようになっている。すなわち、チャネルが半導体チップCP1の厚さ方向に沿って形成される。
このように、半導体チップCP1は、トレンチ型ゲート構造を有する縦型のMOSFETが形成された半導体チップであり、上記パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2は、それぞれ、トレンチゲート型MOSFETによって形成されている。ここで、縦型のMOSFETとは、ソース・ドレイン間の電流が、半導体基板(SB)の厚さ方向(半導体基板の主面に略垂直な方向)に流れるMOSFETに対応する。
また、半導体チップCP1のソースパッドPDS1a,PDS1bとケルビンパッドPDKとは、いずれもパワーMOSFET1(メインMOS領域RG1に形成されている複数の単位トランジスタセル)のソースに電気的に接続されているが、パッド電極としての用途(機能)は、ソースパッドPDS1a,PDS1bとケルビンパッドPDKとで異なっている。
すなわち、半導体チップCP1のソースパッドPDS1a,PDS1bは、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)を出力するためのパッド電極である。このため、半導体チップCP1のソースパッドPDS1a,PDS1bは、上記負荷LODに電気的に接続され、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)が、ソースパッドPDS1a,PDS1bを経由して上記負荷LODに流れるようになっている。
一方、半導体チップCP1のケルビンパッドPDKは、パワーMOSFET1のソース電位(ソース電圧)を測定(検出)するためのパッド電極である。このため、半導体チップCP1のケルビンパッドPDKは、上記負荷LODではなく上記電流検出回路部DKC(より特定的には電流検出回路部DKCの演算増幅器AMP1)に電気的に接続されている。パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)は、ケルビンパッドPDKからはほとんど出力されずに、ソースパッドPDS1a,PDS1bを経由して上記負荷LODに流れる。
つまり、半導体チップCP1において、ソースパッドPDS1a,PDS1bは電流出力用のパッド電極であり、ケルビンパッドPDKは電圧測定(電圧検出)用のパッド電極である。
<半導体パッケージの構造について>
次に、上記半導体チップCP1を用いた半導体装置(半導体パッケージ)PKGの一例について説明する。
図8は、半導体装置PKGの上面図であり、図9は、半導体装置PKGの下面図である。図10は、半導体装置PKGの平面透視図であり、封止部MRを透視したときの半導体装置PKGの上面側の平面透視図が示されている。図10では、封止部MRの外周位置を、点線で示してある。図11および図12は、半導体装置PKGの断面図(側面断面図)である。図8のB1−B1線の断面図が、図11にほぼ対応し、図8のB2−B2線の断面図が、図12にほぼ対応している。
図8〜図12に示される半導体装置PKGは、スイッチング用のパワーMOSFET1と電流検出用のセンスMOSFET2とを内蔵する半導体チップCP1を含む半導体パッケージである。
半導体装置PKGは、ダイパッド(タブ、チップ搭載部)DPと、そのダイパッドDPの上面(主面)上に搭載された半導体チップCP1と、複数のリードLDと、複数のボンディングワイヤ(以下、単にワイヤという)WAと、これらを封止する封止部(封止樹脂部、封止体)MRとを有している。
封止部MRは、例えば熱硬化性樹脂材料などの樹脂材料などからなり、フィラーなどを含むこともできる。例えば、フィラーを含むエポキシ樹脂などを用いて封止部MRを形成することができる。エポキシ系の樹脂以外にも、低応力化を図る等の理由から、例えば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ール系の熱硬化性樹脂を、封止部MRの材料として用いても良い。
半導体装置PKGは、ここでは一例として、面実装型の半導体パッケージを挙げる。半導体装置PKGは、具体的には、HSON(Small Outline No Lead Package with Heat Sink)型の面実装型の半導体パッケージである。但し、半導体装置PKGの構成は、これに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばQFN(Quad Flat Non-leadedpackage)構成、QFP(Quad Flat Package)構成またはSOP(Small Out-line Package)構成等のような別のフラットパッケージ構成としてもよい。
上述のように、半導体チップCP1の表面側には、ゲートパッドPDGと、ソースパッドPDS1a,PDS1bと、ケルビンパッドPDKと、ソースパッドPDS2とが形成され、半導体チップCP1の裏面側には、裏面電極BEが形成されている。半導体チップCP1は、表面側を上方に向け、裏面電極BEがダイパッドDPの上面に対向する向きで、ダイパッドDPの上面上に導電性の接合材BDを介して搭載されて接合されている。すなわち、半導体チップCP1の裏面電極BEが、ダイパッドDPの上面に導電性の接合材BDを介して接合されている。このため、半導体チップCP1の裏面電極BEは、導電性の接合材BDを介して、ダイパッドDPに電気的に接続されている。
半導体装置PKGが有する複数のリードLDは、ゲート用リードLDGと、ソース用リードLDS1a,LDS1b,LDS2と、ケルビン用リードLDKとを含んでいる。
半導体チップCP1のゲートパッドPDGは、ゲート用リードLDGとワイヤWAを介して電気的に接続されている。すなわち、半導体チップCP1のゲートパッドPDGにワイヤWAの一端が接続され、そのワイヤWAの他端がゲート用リードLDGに接続されている。また、半導体チップCP1のソースパッドPDS1aは、ソース用リードLDS1aとワイヤWAを介して電気的に接続されている。すなわち、半導体チップCP1のソースパッドPDS1aにワイヤWAの一端が接続され、そのワイヤWAの他端がソース用リードLDS1aに接続されている。また、半導体チップCP1のソースパッドPDS1bは、ソース用リードLDS1bとワイヤWAを介して電気的に接続されている。すなわち、半導体チップCP1のソースパッドPDS1bにワイヤWAの一端が接続され、そのワイヤWAの他端がソース用リードLDS1bに接続されている。また、半導体チップCP1のケルビンパッドPDKは、ケルビン用リードLDKとワイヤWAを介して電気的に接続されている。すなわち、半導体チップCP1のケルビンパッドPDKにワイヤWAの一端が接続され、そのワイヤWAの他端がケルビン用リードLDKに接続されている。また、半導体チップCP1のソースパッドPDS2は、ソース用リードLDS2とワイヤWAを介して電気的に接続されている。すなわち、半導体チップCP1のソース用パッドPDS2にワイヤWAの一端が接続され、そのワイヤWAの他端がソース用リードLDS2に接続されている。
このため、ゲートパッドPDGは、半導体チップCP1におけるゲート端子とみなすことができ、ゲート用リードLDGは、半導体装置PKGにおけるゲート端子とみなすことができ、ゲートパッドPDGとゲート用リードLDGのいずれも、上記パワーMOSFET1のゲートと上記センスMOSFET2のゲートとに電気的に接続されている。また、ソースパッドPDS1a,PDS1bは、半導体チップCP1におけるソース端子とみなすことができ、ソース用リードLDS1a,LDS1bは、半導体装置PKGにおけるソース端子とみなすことができ、ソースパッドPDS1a,PDS1bとソース用リードLDS1a,LDS1bのいずれも、上記パワーMOSFET1のソースに電気的に接続されている。また、ケルビンパッドPDKは、半導体チップCP1におけるケルビン端子とみなすことができ、ケルビン用リードLDKは、半導体装置PKGにおけるケルビン端子とみなすことができ、ケルビンパッドPDKとケルビン用リードLDKのいずれも、上記パワーMOSFET1のソースに電気的に接続されている。また、ソースパッドPDS2は、半導体チップCP1におけるソース端子とみなすことができ、ソース用リードLDS2は、半導体装置PKGにおけるソース端子とみなすことができ、ソースパッドPDS2とソース用リードLDS2のいずれも、上記センスMOSFET2のソースに電気的に接続されている。また、裏面電極BEは、半導体チップCP1におけるドレイン端子とみなすことができ、ダイパッドDPは、半導体装置PKGにおけるドレイン端子とみなすことができ、裏面電極BEとダイパッドDPのいずれも、上記パワーMOSFET1のドレインと上記センスMOSFET2のドレインとに電気的に接続されている。
なお、図10では、ソース用リードLDS1aと半導体チップCP1のソースパッドPDS1aとを1本のワイヤWAで接続し、ソース用リードLDS1bと半導体チップCP1のソースパッドPDS1bとを1本のワイヤWAで接続した場合が示されている。大電流が流れることを考慮して、ソース用リードLDS1aと半導体チップCP1のソースパッドPDS1aとを複数本のワイヤWAで接続する場合もあり得、また、ソース用リードLDS1bと半導体チップCP1のソースパッドPDS1bとを複数本のワイヤWAで接続する場合もあり得る。また、大電流が流れることを考慮して、ソース用リードLDS1aと半導体チップCP1のソースパッドPDS1aとをワイヤWAではなく金属板(導体板)で接続する場合もあり得、また、ソース用リードLDS1bと半導体チップCP1のソースパッドPDS1bとをワイヤWAではなく金属板(導体板)で接続する場合もあり得る。
ダイパッドDPから−Y方向に離間する位置に、ゲート用リードLDGとソース用リードLDS1bとソース用リードLDS1aとケルビン用リードLDKとが配置され、ダイパッドDPから+Y方向に離間する位置に、ソース用リードLDS2を含む複数(ここでは4つ)のリードLDが配置されている。ゲート用リードLDGとソース用リードLDS1bとソース用リードLDS1aとケルビン用リードLDKとは、この順で+X方向に並んでいる。また、ダイパッドDPから+Y方向に離間する位置に配置された、ソース用リードLDS2を含む複数(ここでは4つ)のリードLDは、+X方向に並んでいるが、図8〜図10の場合は、+X方向の端部側にソース用リードLDS2が配置されている。
なお、X方向とY方向とは、互いに交差する方向であり、好ましくは、互いに直交する方向である。また、Y方向は、+Y方向または−Y方向であり、+Y方向と−Y方向とは、互いに反対方向である。また、X方向は、+X方向または−X方向であり、+X方向と−X方向とは、互いに反対方向である。
封止部MRの平面形状は、略矩形であり、Y方向に平行でかつX方向に対向する辺(側面)SD1,SD3と、X方向に平行でかつY方向に対向する辺(側面)SD2,SD4と、を有している。ゲート用リードLDGとソース用リードLDS1bとソース用リードLDS1aとケルビン用リードLDKとは、辺SD2側に配置され、ソース用リードLDS2を含む複数(ここでは4つ)のリードLDは、辺SD4側に配置されている。
ダイパッドDPおよび複数のリードLD(ゲート用リードLDGとソース用リードLDS1a,LDS1b,LDS2とケルビン用リードLDKとを含む)は、封止部MRによって封止されている。但し、ダイパッドDPおよび複数のリードLD(ゲート用リードLDGとソース用リードLDS1a,LDS1b,LDS2とケルビン用リードLDKとを含む)の各下面は、封止部MRの下面から露出され、半導体装置PKGの外部接続端子となっている。
ダイパッドDPと複数のリードLDは、互いに分離されており、間に封止部MRの一部が介在している。
半導体装置PKGを上記図1の電子装置に用いた場合、上記電源BATから半導体装置PKGのダイパッドDPに電源電位VINが供給され、ダイパッドDPおよび導電性の接合材BDを介して、半導体チップCP1の裏面電極BE(上記ドレイン端子DT)に電源電位VINが供給される。また、上記ドライバ回路DRから、半導体装置PKGのゲート用リードLDGにゲート信号(ゲート電圧)が供給され、ゲート用リードLDGおよびワイヤWAを介して半導体チップCP1のゲートパッドPDG(上記ゲート端子GT)にゲート信号が供給される。また、半導体装置PKGのソース用リードLDS1a,LDS1bが、上記負荷LODの一端に接続され、その負荷LODの他端がグランド電位GNDに接続される。このため、パワーMOSFET1に流れる上記電流IPWは、半導体チップCP1のソースパッドPDS1a,PDS1bからワイヤWAおよびソース用リードLDS1a,LDS1bを介して半導体装置PKG外に出力され、負荷LODを流れる。また、半導体装置PKGのソース用リードLDS2が、上記トランジスタTR1のソースに接続され、かつ、上記演算増幅器AMP1の反転入力のノードN2にも接続される。また、半導体装置PKGのケルビン用リードLDKが、演算増幅器AMP1の正転入力のノードN1に接続される。
<検討例について>
図13は、本発明者が検討した検討例の半導体チップCP101を示す平面図であり、上記図3に対応するものである。
図13に示される検討例の半導体チップCP101が上記図3の半導体チップCP1と相違しているのは、上記図3の半導体チップCP1の場合は、ソース電極ES1にスリットSL1が形成されているのに対して、図13の検討例の半導体チップCP101の場合は、ソース電極ES1にスリットSL1が形成されていないことである。図13の検討例の半導体チップCP101の他の構成は、上記図3の半導体チップCP1とほぼ同様である。
本発明者は、図13の検討例の半導体チップCP101を用いた場合には、半導体チップCP101内のセンスMOSFET2に流れる電流(ISE)を利用して半導体チップCP101内のパワーMOSFET1に流れる電流(IPW)を間接的に検出する際に、検出誤差を生じる虞があることを見出した。以下、このことについて、具体的に説明する。
図14は、検討例の半導体チップCP101の電流センス特性を示すグラフである。図14のグラフの横軸は、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧(より特定的にはゲート・ソース間電圧)に対応し、図14のグラフの縦軸は、センス比に対応している。
ここで、センス比とは、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)に対するパワーMOSFET1に流れる電流(IPW)の比である。パワーMOSFET1に流れる電流をIPWと表し、センスMOSFET2に流れる電流をISEと表し、センス比をSRと表すと、IPW/ISEがセンス比SRに対応し、SR=IPW/ISEが成り立つ。
図14のグラフからも分かるように、検討例の半導体チップCP101では、センス比のゲート電圧に対する依存性が存在している。すなわち、図14のグラフに示されるように、ゲート・ソース間電圧がある程度大きくなると(図14の場合は、概ね9V以上になると)、センス比は飽和し、ほぼ一定の値になる。しかしながら、ゲート電圧が小さいと(図14の場合は、概ね9V未満)、センス比は、飽和値よりも大きな値となる。
ゲート電圧の値にかかわらずセンス比が一定(ここでは20000と仮定する)であれば、ゲート電圧にかかわらず、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)は、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)の20000倍になるため、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)を利用してパワーMOSFET1に流れる電流(IPW)を間接的に検出する際に、検出誤差は生じにくい。なぜなら、ゲート電圧の値にかかわらずセンス比が20000であることが事前に分かっていれば、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)をモニタすれば、そのセンスMOSFET2に流れる電流(ISE)の20000倍の電流が、パワーMOSFET1に流れていると正しく判断することができるからである。
しかしながら、図14のグラフのようにセンス比のゲート電圧に対する依存性が存在する場合には、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)を利用してパワーMOSFET1に流れる電流(IPW)を間接的に検出する際に、検出誤差が生じてしまう。例えば、図14のグラフにおいて、ゲート電圧が6Vのときのセンス比が21000であり、ゲート電圧が9V以上のときのセンス比が20000であると仮定する。この場合、ゲート電圧が9V以上のときは、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)をモニタすれば、そのセンスMOSFET2に流れる電流(ISE)の20000倍の電流が、パワーMOSFET1に流れていると正しく判断することができる。しかしながら、ゲート電圧が6Vのときに、センスMOSFET2に流れる電流値がISEであれば、その電流値(ISE)の20000倍の電流(ISE×20000)がパワーMOSFET1に流れていると判断するのは誤りであり、実際には、その電流値(ISE)の21000倍(ISE×21000)の電流がパワーMOSFET1に流れている。その差(ISE×21000−ISE×20000=ISE×1000)が、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)の検出誤差となってしまう。
つまり、図14のグラフのようにセンス比のゲート電圧に対する依存性が存在する場合には、ゲート電圧が9V以上のときは、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)からパワーMOSFET1に流れている電流(IPW)を正しく算出することができる。しかしながら、ゲート電圧が低いときには、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)から算出したパワーMOSFET1の電流は、実際にパワーMOSFET1に流れている電流からずれてしまい、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)の検出誤差が生じてしまう。
このため、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)の検出誤差をできるだけ小さくするには、センス比のゲート電圧に対する依存性をできるだけ抑制することが必要になる。本実施の形態では、詳細は後述するが、ソース用配線ESにスリットSL1(図3参照)を形成することにより、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制し、それによって、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)を利用してパワーMOSFET1に流れる電流(IPW)を間接的に検出する際に、検出誤差が生じるのを抑制または防止している。
ここで、図14のグラフのようにセンス比のゲート電圧に対する依存性が発生する原因について、図15を参照して説明する。図15は、検討例の半導体チップCP101の要部断面図であり、上記図6と同じ断面が示されている。
上記ゲートパッドPDGに、パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2をオン状態(導通状態)にするオン電圧を供給した場合には、パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2のそれぞれにおいて、縦方向(半導体基板SBの主面に略垂直な方向)に電流が流れる。パワーMOSFET1のチャネル幅(合計のチャネル幅)をWとし、センスMOSFET2のチャネル幅(合計のチャネル幅)をWとしたときに、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)と、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)とは、理想的にはWとWとの比で配分され、理想的なセンス比は、W/Wとなる。
しかしながら、実際には、メインMOS領域RG1の外周やセンスMOS領域RG2の外周の非アクティブ領域の影響により、メインMOS領域RG1の外周付近や、センスMOS領域RG2の外周付近では、図15に示されるように、溝TRの底部近傍において、斜め方向に流れ込む電流(IP2,IS2)が発生する。
すなわち、図15に示されるように、メインMOS領域RG1には電流IP1,IP2が流れ、センスMOS領域RG2には電流IS1,IS2が流れる。ここで、電流IP1は、メインMOS領域RG1において、半導体基板SBを縦方向(半導体基板SBの主面に略垂直な方向)に流れる電流であり、電流IS1は、センスMOS領域RG2において、半導体基板SBを縦方向に流れる電流である。また、電流IP2は、メインMOS領域RG1の外周部(非アクティブ領域)からメインMOS領域RG1側に斜め方向(半導体基板SBの主面の法線方向から傾斜した方向)に流れ込む電流である。また、電流IS2は、センスMOS領域RG2の外周部(非アクティブ領域)からセンスMOS領域RG2側に斜め方向(半導体基板SBの主面の法線方向から傾斜した方向)に流れ込む電流である。
つまり、メインMOS領域RG1の内側では、縦方向の電流IP1が流れるが、メインMOS領域RG1の外周部近傍では、非アクティブ領域からメインMOS領域RG1側に斜め方向に流れ込む電流IP2が発生する。また、センスMOS領域RG2の内側では、縦方向の電流IS1が流れるが、センスMOS領域RG2の外周部近傍では、非アクティブ領域からセンスMOS領域RG2側に斜め方向に流れ込む電流IS2が発生する。
この斜め方向の電流IP2,IS2が発生しなければ、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)と、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)との比(IPW/ISE)は、チャネル幅の比(W/W)とほぼ同じ値になる。しかしながら、この斜め方向の電流IP2,IS2が発生すると、その影響で、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)と、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)との比(IPW/ISE)は、チャネル幅の比(W/W)とは異なる値になってしまう。
ここで、センスMOS領域RG2の面積は、メインMOS領域RG1の面積よりも小さい。このため、メインMOS領域RG1(パワーMOSFET1)よりもセンスMOS領域RG2(センスMOSFET2)の方が、外周部(非アクティブ領域)の影響を受けやすく、非アクティブ領域からの斜め方向の電流(IP2,IS2)の影響を受けやすい。すなわち、センスMOS領域RG2における縦方向の電流IS1に対する斜め方向の電流IS2の割合(IS2/IS1)は、メインMOS領域RG1における縦方向の電流IP1に対する斜め方向の電流IP2の割合(IP2/IP1)よりも大きくなる。つまり、IS2/IS1>IP2/IP1が成り立ち、従って、
(IS1+IS2)/IS1>(IP1+IP2)/IP1 ・・・(式1)
が成り立つ。
また、斜め方向の電流IP2,IS2の発生状況は、ゲート電圧に大きく依存する。具体的には、パワーMOSFET1とセンスMOSFET2とがオン状態(導通状態)になったとしても、ゲート電圧が小さいときには、斜め方向の電流IP2,IS2は、あまり発生せず、ゲート電圧が大きいときに、斜め方向の電流IP2,IS2は、顕著に発生する。なぜなら、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が小さいときには、半導体基板SBに形成した各単位トランジスタセルのチャネル抵抗が高いため、ドレイン領域の電位差は比較的小さく、斜め方向の電流IP2,IS2はほとんど発生せずに、メインMOS領域RG1およびセンスMOS領域RG2には、縦方向の電流(IP1,IS1)のみが流れるからである。そして、ゲート電圧が大きいときには、半導体基板SBに形成した各単位トランジスタセルのチャネル抵抗が低いため、ドレイン領域の電位差は比較的大きくなるので、縦方向の電流(IP1,IS1)だけでなく斜め方向の電流IP2,IS2も流れやすくなり、縦方向の電流(IP1,IS1)に対する斜め方向の電流(IP2,IS2)の割合が大きくなるからである。
このため、センスMOS領域RG2は、センスMOS領域RG2の外周部(非アクティブ領域)からの斜め方向の電流(IS2)の影響を受けやすく、その斜め方向の電流(IS2)は、ゲート電圧が小さいときにはあまり発生しないが、ゲート電圧が大きいときに大きくなる。従って、ゲート電圧が小さい場合に比べてゲート電圧が大きい場合は、センスMOS領域RG2における縦方向の電流IS1に対する斜め方向の電流IS2の割合(IS2/IS1)が、ある程度大きい。一方、メインMOS領域RG1は、メインMOS領域RG1の外周部(非アクティブ領域)からの斜め方向の電流(IP2)の影響を受けにくいため、ゲート電圧が小さい場合とゲート電圧が大きい場合とで、メインMOS領域RG1における縦方向の電流IP1に対する斜め方向の電流IP2の割合(IP2/IP1)は、ほとんど変わらない。
センス比は、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)に対するパワーMOSFET1に流れる電流(IPW)の比である。そして、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)は、縦方向の電流IS1と斜め方向の電流IS2との和であり(すなわちISE=IS1+IS2)、また、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)は、縦方向の電流IP1と斜め方向の電流IP2との和である(すなわちIPW=IP1+IP2)。従って、センス比をSRとすると、センス比SRは、
SR=IPW/ISE=(IP1+IP2)/(IS1+IS2) ・・・(式2)
と表される。
ゲート電圧が小さいときには、斜め方向の電流(IP2,IS2)はほとんど流れず、ほぼゼロとみなせるので、上記式1は、
SR=IPW/ISE=IP1/IS1=W/W ・・・(式3)
となる。すなわち、ゲート電圧が小さいときには、センス比SRは、チャネル幅の比(W/W)にほぼ等しくなる。
一方、ゲート電圧が大きいときには、斜め方向の電流(IP2,IS2)が流れるとともに、上記式1が成り立つ。上記式1を変形すると、
P1/IS1>(IP1+IP2)/(IS1+IS2) ・・・(式4)
となる。ゲート電圧によらず、IP1/IS1=W/Wがほぼ成り立つため、上記式2と上記式4とにより、
SR=IPW/ISE=(IP1+IP2)/(IS1+IS2)<W/W ・・・(式5)
が成り立つことになる。すなわち、ゲート電圧が大きいときには、センス比SRは、チャネル幅の比(W/W)よりも小さくなる。
つまり、ゲート電圧が小さいときには、斜め方向の電流IP2,IS2がほとんど発生しないため、センス比SRは、チャネル幅の比(W/W)とほぼ同じ値になる。それに対して、ゲート電圧が大きいときには、斜め方向の電流IP2,IS2が発生し、その影響はメインMOS領域RG1よりもセンスMOS領域RG2で相対的に大きくなるため、センス比SRは、チャネル幅の比(W/W)よりも小さな値になってしまう。このため、ゲート電圧が小さいときのセンス比SRよりも、ゲート電圧が大きいときのセンス比SRが小さくなり、言い換えると、ゲート電圧が大きいときのセンス比SRよりも、ゲート電圧が小さいときのセンス比SRが大きくなり、上記図14のグラフのように、センス比のゲート電圧に対する依存性が発生してしまう。これは、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)を利用してパワーMOSFET1に流れる電流(IPW)を間接的に検出する際に、検出誤差を招いてしまう。
<主要な特徴と効果について>
本実施の形態の半導体チップ(半導体装置)CP1は、半導体基板SBと、半導体基板SBの主面のメインMOS領域RG1(第1領域)に形成されたパワーMOSFET1(第1MOSFET)と、半導体基板SBの主面のセンスMOS領域RG2(第2領域)に形成されたセンスMOSFET2(第2MOSFET)と、を有している。半導体チップCP1は、更に、メインMOS領域RG1の上方に形成されかつパワーMOSFET1のソースと電気的に接続されたソース電極ES1(第1ソース電極)と、半導体基板SBの主面の上方に形成されかつセンスMOSFET2のソースと電気的に接続されたソース電極ES2(第2ソース電極)と、を有している。半導体チップCP1は、更に、半導体基板SBの主面の上方に形成されかつパワーMOSFET1のゲートとセンスMOSFET2のゲートとに電気的に接続されたゲート電極EGと、半導体基板SBの裏面に形成されかつパワーMOSFET1のドレインとセンスMOSFET2のドレインとに電気的に接続された裏面電極BE(ドレイン電極)と、を有している。半導体チップCP1は、更に、半導体基板SBの主面の上方に形成され、かつ、ソース電極ES1、ソース電極ES2およびゲート電極EGを覆う保護膜PA(絶縁膜)を有している。半導体チップCP1は、更に、保護膜PAのソース用開口部OPS1a(第1開口部)から露出されたソース電極ES1により形成されたソースパッドPDS1a(第1ソースパッド)と、保護膜PAのケルビン用開口部OPK(第2開口部)から露出されたソース電極ES1により形成されたケルビンパッドPDK(第2ソースパッド)と、を有している。半導体チップCP1は、更に、保護膜PAのソース用開口部OPS2(第3開口部)から露出されたソース電極ES2により形成されたソースパッドPDS2(第3ソースパッド)と、保護膜PAのゲート用開口部OPG(第4開口部)から露出されたゲート電極EGにより形成されたゲートパッドPDGと、を有している。
センスMOSFET2は、パワーMOSFET1に流れる電流検出用の素子であり、半導体基板SBの主面において、センスMOS領域RG2はメインMOS領域RG1よりも面積が小さい。ソースパッドPDS1aおよびケルビンパッドPDKは、メインMOS領域RG1の上方に配置されており、ソースパッドPDS1aは、パワーMOSFET1に流れる電流を出力するためのパッドであり、ケルビンパッドPDKは、パワーMOSFET1のソース電位を検出するためのパッドである。
本実施の形態の主要な特徴のうちの一つは、ソース電極ES1が、スリットSL1を有していることである。そして、平面視において、スリットSL1の少なくとも一部は、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間に配置されている。スリットSL1は、上記図3に示されている。
スリットSL1は、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間に電位差を生じさせるために設けられている。スリットSL1を設けたことにより、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間に電位差を生じさせ、それによって、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができる。以下に、この点について、具体的に説明する。
図16は、半導体チップCP1のチップレイアウトを示す平面図であり、上記図3に対応するものである。上記図3と同様に、図16においても、半導体チップCP1における金属層(ゲート電極EG、ゲート配線EGWおよびソース電極ES1,ES2)の平面レイアウトが示されている。但し、上記図3では、金属層にハッチングを付していたが、図16では、金属層にハッチングを付していない。また、上記図3と同様に、図16においても、ボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)の位置を点線で示してある。
上記図1からも分かるように、半導体チップCP1のソースパッドPDS1a,PDS1bに負荷LODが接続され、パワーMOSFET1に流れる電流がソースパッドPDS1a,PDS1bから出力されて、負荷LODに流れるようになっている。ケルビンパッドPDKは、パワーMOSFET1のソース電位を検出するためのパッドであり、メインMOS領域RG1の上方に配置されている。このため、メインMOS領域RG1のうち、ケルビンパッドPDKの直下に位置する領域に形成されている単位トランジスタセルのソース領域(n型半導体領域NR)の電位が、ケルビンパッドPDKの電位として検出される。
しかしながら、メインMOS領域RG1のうち、ケルビンパッドPDKの直下に位置する領域の半導体基板SBに形成されている単位トランジスタセルに流れる電流は、ソース電極ES1を経由して、ソースパッドPDS1a,PDS1bから出力される。すなわち、ケルビンパッドPDKの直下に位置する領域の半導体基板SBに形成されている単位トランジスタセルに流れる電流は、ケルビンパッドPDKからソースパッドPDS1a,PDS1bに、ソース電極ES1を通って流れることになり、その電流経路を図16において、符号DN1を付して示してある。スリットSL1は、ソース電極ES1が存在していない領域である。このため、電流経路DN1は、スリットSL1を横切ることはできない。電流経路DN1は、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1a,PDS1bとを、スリットSL1を迂回してつなぐ経路である。
また、本実施の形態とは異なり、スリットSL1が無い場合(上記図13の検討例の半導体チップCP101の場合に対応)には、ケルビンパッドPDKの直下に位置する領域の半導体基板SBに形成されている単位トランジスタセルに流れる電流は、ケルビンパッドPDKからソースパッドPDS1aに、図16において二点鎖線で示す電流経路DN2でソース電極ES1を通って流れる。電流経路DN2は、ケルビンパッドPDKと、ソースパッドPDS1a,PDS1bのうちのケルビンパッドPDKに近い側のソースパッドPDS1aとを、最短経路でつなぐ経路である。
すなわち、図16において、スリットSL1が形成されている場合には、ケルビンパッドPDKからソースパッドPDS1aにソース電極ES1を通って電流経路DN1で電流が流れ、一方、スリットSL1が形成されていない場合には、ケルビンパッドPDKからソースパッドPDS1aにソース電極ES1を通って電流経路DN2で電流が流れる。図16からも分かるように、電流経路DN2よりも電流経路DN1の方が、長くなっており、電流経路DN2の抵抗よりも、電流経路DN1の方が、大きくなる。
ここで、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が小さいときには、半導体基板SBに形成した各単位トランジスタセルのチャネル抵抗が高く、それに比べると、ソース電極ES1の抵抗は非常に小さいため、ソース電極ES1において、電位はほぼ均一であり、電位勾配はほとんど発生しない。このため、ゲート電圧が小さいときには、スリットSL1の有無にかかわらず、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間に電位差はほとんど発生しない。なお、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧は、ゲートパッドPDGに供給されるゲート電圧に対応し、従って、パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2の各ゲートに供給されるゲート電圧に対応している。
一方、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が大きいときには、半導体基板SBに形成した各単位トランジスタセルのチャネル抵抗は低いため、半導体チップの全抵抗(導通抵抗)に占めるソース電極ES1の抵抗の比率が高まるため、ソース電極ES1において、電位は均一ではなくなり、電位勾配が発生する。このため、ゲート電圧が大きいときには、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間に電位差が発生し、その電位差は、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間の抵抗が大きいほど、大きくなる。ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間の抵抗は、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間の電流経路(DN1,DN2)が長くなるほど大きくなる。従って、ゲート電圧が大きいときには、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間に電位差が発生し、その電位差は、スリットSL1が無い場合(電流経路DN2の場合)よりも、スリットSL1がある場合(電流経路DN1の場合)の方が、大きくなる。
つまり、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が小さいときには、ケルビンパッドPDKの電位とソースパッドPDS1aの電位とは、ほぼ等しいが、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が大きいときには、スリットSL1を設けたことにより、ケルビンパッドPDKの電位をソースパッドPDS1aの電位よりも高くするとともに、その電位差を大きくすることができる。
このように、スリットSL1を形成したことにより、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間の電流経路の抵抗を大きくし、それによって、ゲート電圧が大きいときに、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間に電位差を生じさせることができ、その電位差を大きくすることができる。
次に、ゲート電圧が大きいときに、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間に電位差を生じさせることが、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することにつながることについて、説明する。
半導体チップCP1のケルビンパッドPDKは、パワーMOSFET1のソース電位を検出するためのパッドであり、上記図1からも分かるように、半導体チップCP1の外部に設けられた電流検出回路部DKCに接続され、より特定的には、電流検出回路部DKCの演算増幅器AMP1(差動増幅器)の2つの入力ノードの一方(ノードN1)に電気的に接続される。そして、電流検出回路部DKCの演算増幅器AMP1(差動増幅器)の2つの入力ノードの他方(ノードN2)には、半導体チップCP1のソースパッドPDS2が電気的に接続される。電流検出回路部DKCの演算増幅器AMP1は、ノードN1とノードN2の電位が等しくなるように、従って、ノードN1に接続されたケルビンパッドPDKの電位と、ノードN2に接続されたソースパッドPDS2の電位とが等しくなるように、トランジスタTR1(より特定的にはトランジスタTR1のゲートに供給するゲート電圧)を制御する。これにより、ケルビンパッドPDKの電位とソースパッドPDS2の電位とが等しくなり、このときにセンスMOSFET2に流れている電流(ISE)を電流検出回路部DKCで検出することにより、パワーMOSFET1に流れる電流IPWを間接的に検出することができる。
ここで、電流検出回路部DKCの演算増幅器AMP1(差動増幅器)は、ケルビンパッドPDKの電位とソースパッドPDS2の電位とを等しくするように機能する。このため、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS2とを電流検出回路部DKC(より特定的には電流検出回路部DKCの演算増幅器AMP1)に電気的に接続すれば、ソースパッドPDS2の電位は、ケルビンパッドPDKの電位と等しくなる。このため、ケルビンパッドPDKの電位がソースパッドPDS1aの電位と等しい場合は、ソースパッドPDS2の電位も、ソースパッドPDS1aの電位と等しくなるが、ケルビンパッドPDKの電位がソースパッドPDS1aの電位よりも高い場合は、ソースパッドPDS2の電位も、ソースパッドPDS1aの電位よりも高くなる。
上述のように、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が小さいときには、ソース電極ES1において電位勾配はほとんど発生しないため、スリットSL1の有無にかかわらず、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間に電位差はほとんど発生しない。このため、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が小さいときには、ソースパッドPDS2とソースパッドPDS1aとの間にも電位差はほとんど発生せず、ソースパッドPDS2の電位とソースパッドPDS1aの電位とは、ほぼ等しくなる。
一方、上述のように、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が大きいときには、ソース電極ES1において電位勾配が発生するため、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間に電位差が発生し、その電位差は、スリットSL1を設けることによって大きくなる。このため、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が大きいときには、ソースパッドPDS2とソースパッドPDS1aとの間にも電位差が発生し、ソースパッドPDS2の電位はソースパッドPDS1aの電位よりも高くなり、ソースパッドPDS2とソースパッドPDS1aの電位差は、スリットSL1を設けることによって大きくなる。
ここで、ソースパッドPDS2の電位をソースパッドPDS1aの電位よりも高くすることは、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)を小さくすることにつながる。
例えば、ゲートパッドPDGに所定のゲート電圧が印加され、半導体チップCP1の裏面電極BEに供給されるドレイン電圧(電源電位VIN)が12Vであり、かつ、ソースパッドPDS1aの電位が10Vである場合を仮定する。そのとき、もしもソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間に電位差が無ければ、ソースパッドPDS2の電位も、ソースパッドPDS1aの電位と同じ10Vになる。しかしながら、ゲート電圧がある程度大きく、かつ、スリットSL1を設けた場合は、上述のようにケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間に電位差が生じるため、ソースパッドPDS2の電位は、ソースパッドPDS1aの電位(10V)よりも高くなり、例えば10.2Vになる。裏面電極BEに供給されるドレイン電圧とトレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧は変えずに、ソースパッドPDS1aの電位が10Vの場合と10.2Vの場合とで、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)を比較すると、次にようになる。すなわち、ソースパッドPDS1aの電位が10Vの場合にセンスMOSFET2に流れる電流(ISE)よりも、ソースパッドPDS1aの電位が10.2Vの場合にセンスMOSFET2に流れる電流(ISE)の方が小さくなる。これは、ゲート電圧が同じであれば、ソース・ドレイン間の電圧(電位差)が小さい方が、ソース・ドレイン間に流れる電流は小さくなるからである。
このため、半導体チップCP1(スリットSL1を設けた場合)と半導体チップCP101(スリットSL1を設けなかった場合)とを比べると、半導体チップCP1の方が、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が大きいときのソースパッドPDS2とソースパッドPDS1aとの間の電位差を大きくすることができる。従って、半導体チップCP1と半導体チップCP101とを比べると、半導体チップCP1の方が、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が大きいときに、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)を小さくすることができる。一方、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が小さいときには、スリットSL1の有無にかかわらず、ソースパッドPDS2とソースパッドPDS1aとの間に電位差はほとんど発生しないため、ゲート電圧が小さいときにセンスMOSFET2に流れる電流(ISE)は、半導体チップCP1と半導体チップCP101とで、ほぼ同じである。
従って、ゲート電圧が小さいときにセンスMOSFET2に流れる電流(ISE)は、半導体チップCP1(スリットSL1を設けた場合)と半導体チップCP101(スリットSL1を設けなかった場合)とで同じであるが、ゲート電圧が大きいときにセンスMOSFET2に流れる電流(ISE)は、半導体チップCP101よりも半導体チップCP1の方が小さくなる。
このように、スリットSL1を設けることは、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が大きいときに、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)を減少させるように作用する。センスMOSFET2に流れる電流(ISE)を減少させることは、センス比(IPW/ISE)を大きくすることにつながる。このため、スリットSL1を設けることは、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が大きいときのセンス比(IPW/ISE)を増加させるように作用する。
図17は、本実施の形態の半導体チップCP1の電流センス特性を示すグラフである。図17のグラフの横軸は、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧(より特定的にはゲート・ソース間電圧)に対応し、図17のグラフの縦軸は、センス比に対応している。なお、図17のグラフには、比較のために、検討例の半導体チップCP101の電流センス特性(上記図14のグラフに対応するもの)を、点線で示してある。
検討例の半導体チップCP101の場合、上述のように、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が大きいときには、上述した斜め方向の電流IP2,IS2が発生し、その影響はメインMOS領域RG1よりもセンスMOS領域RG2で相対的に大きくなる。このため、上記半導体チップCP101の場合、上記図14(あるいは図17の点線のグラフ)に示されるように、ゲート電圧が小さいときのセンス比SRに比べて、ゲート電圧が大きいときのセンス比SRが小さくなってしまう。
それに対して、本実施の形態では、スリットSL1を設けることにより、スリットSL1を設けなかった場合(検討例の半導体チップCP101の場合)に比べて、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が大きいときにセンスMOSFET2に流れる電流(ISE)を減少させることができ、それによって、ゲート電圧が大きいときのセンス比SRを増加させることができる。従って、図17に示されるように、本実施の形態のようにスリットSL1を設けることにより、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができ、ゲート電圧に依存せず、ほぼ一定のセンス比を得ることができる。
つまり、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が小さいときには、上述した斜め方向の電流IP2,IS2はほとんど発生せず、かつ、ソースパッドPDS2とソースパッドPDS1aとの間に電位差はほとんど発生しないため、ゲート電圧が小さいときのセンス比SRは、チャネル幅の比(W/W)とほぼ同じ値とすることができる。一方、トレンチゲート電極TGに供給されるゲート電圧が大きいときには、上述した斜め方向の電流IS2による電流増加がセンスMOS領域RG2において顕著に発生するが、その電流増加を、スリットSL1を設けたことによるセンスMOSFET2の電流(ISE)の減少によって相殺することができる。このため、ゲート電圧が大きいときのセンス比SRも、チャネル幅の比(W/W)に近い値にすることができる。従って、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができ、ゲート電圧に依存せず、ほぼ一定のセンス比を得ることができる。
このように、スリットSL1を設けた場合(本実施の形態の半導体チップCP1)と、スリットSL1を設けなかった場合(検討例の半導体チップCP101)とを比べると、スリットSL1を設けた場合(半導体チップCP1)の方が、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができる。
従って、本実施の形態では、スリットSL1を設けたことにより、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができるため、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)を利用してパワーMOSFET1に流れる電流(IPW)を間接的に検出する際に、検出誤差が生じるのを抑制または防止することができる。すなわち、ゲート電圧にかかわらず、センスMOSFET2に流れる電流(ISE)を利用してパワーMOSFET1に流れる電流(IPW)を、より正確に検出することができる。これにより、半導体チップCP1の性能を向上させることができる。また、半導体チップCP1の信頼性を向上させることができる。また、半導体チップCP1を用いた電子装置の性能や信頼性を向上させることができる。
図18は、パワーMOSFET1をターンオンしたときのタイミングチャートを示すグラフである。
図18に示される5つのグラフのうち、一番上のグラフは、上記制御回路部CLCから上記ドライバ回路DRへの入力電圧(制御信号)を示すグラフに対応し、上から二番目のグラフは、ソースパッドPDS1a,PDS1bの出力電圧に対応し、上から三番目のグラフは、ソースパッドPDS1a,PDS1bの出力電流に対応している。また、図18に示される5つのグラフのうち、上から四番目のグラフは、上記ドライバ回路DRからゲートパッドPDGに入力されるゲート電圧に対応し、一番下のグラフは、センス電圧(上記端子TE1の電圧)に対応している。
パワーMOSFET1をターンオンしたときの初期時間(図18に示されるマスク時間MSK)は、上記端子TE1の電圧(センス電圧)がモニタ(出力)されないように、マスク処理をしている。図18に示される5つのグラフのうち、一番下のグラフからわかるように、パワーMOSFET1をターンオンしてから、所定のマスク時間MSKが経過した後に、センス電圧がアクティブになり、センス電圧のモニタが可能になり、それによって、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)の間接的なモニタが可能になる。
一般に、パワーMOSFETの駆動では、スイッチングノイズの低減のため、スロースイッチングが望まれる。スロースイッチングでは、ゲート電圧の電圧上昇速度が遅いため、ゲート電圧が飽和電圧値に達する前に、センス電圧のモニタを開始することが望まれる。
しかしながら、上記図14のようにセンス比のゲート電圧に対する依存性が存在する場合には、所定のマスク時間MSKが経過してからゲート電圧が飽和電圧値に達するまでの期間においては、センス比が変化するため、センス電圧は、出力電流(ソースパッドPDS1a,PDS1bの出力電流)に比例した値にはならなくなる。これは、所定のマスク時間MSKが経過してからゲート電圧が飽和電圧値に達するまでの期間において、センス電圧のモニタによる、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)の間接的なモニタに、誤差が生じることを意味する。
それに対して、本実施の形態では、スリットSL1を設けたことにより、上記図17のようにセンス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができる。このため、所定のマスク時間MSKが経過してからゲート電圧が飽和電圧値に達するまでの期間においても、センス比はほぼ一定になるため、センス電圧は、出力電流(ソースパッドPDS1a,PDS1bの出力電流)に比例した値になる。これにより、所定のマスク時間MSKが経過してからゲート電圧が飽和電圧値に達するまでの期間においても、センス電圧のモニタによる、パワーMOSFET1に流れる電流(IPW)の間接的なモニタを、誤差を少なくしてより正確に行うことができるようになる。
<スリットの形成位置について>
次に、スリットSL1の形成位置について説明する。
図19は、半導体チップCP1のチップレイアウトを示す平面図であり、上記図3や図16に対応するものである。上記図3や図16と同様に、図19においても、半導体チップCP1における金属層(ゲート電極EG、ゲート配線EGWおよびソース電極ES1,ES2)の平面レイアウトが示されている。但し、上記図3では、金属層にハッチングを付していたが、図19では、金属層にハッチングを付していない。また、上記図3や図16では、ボンディングパッドの位置を点線で示していたが、図19では、ボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)の位置を実線で示してある。また、図19では、平面視におけるソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の領域RG4を、ドットハッチングを付して示してある。また、図19では、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間の最短経路を、符号STKを付した太線で示してある。なお、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間の最短経路STKは、平面視において、ケルビンパッドPDKにおける最もソースパッドPDS1aに近い部分と、ソースパッドPDS1aにおける最もケルビンパッドPDKに近い部分とを、直線で結ぶ経路である。
上述のように、スリットSL1は、ゲート電圧が大きいときにソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとに電位差を生じさせるために、設けている。このため、スリットSL1を設けない場合に比べて、スリットSL1を設けた場合の方が、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗が増大するように、スリットSL1を形成する必要がある。従って、スリットSL1は、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路を阻害する(遮る、邪魔する)ように、形成する。
具体的には、平面視において、スリットSL1の少なくとも一部は、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間に配置されている。すなわち、図19において、平面視で、スリットSL1の少なくとも一部は、ドットのハッチングを付した領域RG4内に配置されている。これにより、スリットSL1を設けない場合に比べて、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を増大させることができる。
すなわち、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の領域RG4は、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路として機能する可能性がある。このため、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の領域RG4にスリットSL1の少なくとも一部が配置されるように、スリットSL1を設けることで、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路をスリットSL1によって阻害することができる。これにより、スリットSL1を設けたことで、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を増大させることができ、ゲート電圧が大きいときにソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとに電位差を生じさせることができるため、上述のように、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができるようになる。
また、平面視において、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の最短経路(STK)は、スリットSL1によって遮断されていることが好ましい。すなわち、図19において、平面視で、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の最短経路STKを、スリットSL1が横切っていることが好ましい。言い換えると、平面視において、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の最短経路STKに、スリットSL1が交差していることが好ましい。つまり、平面視において、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の最短経路STKに、スリットSL1の一部が重なっていることが好ましい。これにより、スリットSL1を設けない場合に比べて、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を、より的確に増大させることができる。
すなわち、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の最短経路STKが、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路として最も機能しやすい。このため、平面視において、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の最短経路STKが、スリットSL1によって遮断されるように、スリットSL1を設けることで、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路をスリットSL1によって、より効果的に阻害することができる。これにより、スリットSL1を設けたことで、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗をより的確に増大させることができ、ゲート電圧が大きいときにソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとに電位差をより的確に生じさせることができるため、上述のように、センス比のゲート電圧に対する依存性を、より的確に抑制することができるようになる。
また、平面視において、スリットSL1は、ソースパッドPDS1a,PDS1bよりケルビンパッドPDKに近くなるように配置されていることが、より好ましい。すなわち、スリットSL1とケルビンパッドPDKとの距離(間隔、最小間隔)は、スリットSL1とソースパッドPDS1aとの距離(間隔、最小間隔)やスリットSL1とソースパッドPDS1bとの距離(間隔、最小間隔)よりも、小さいことがより好ましい。これにより、スリットSL1の面積を抑止しながら、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を増大させることができる。
すなわち、ケルビンパッドPDKは、ソースパッドPDS1a,PDS1bに比べて平面寸法(面積)が小さい。このため、図19からも分かるように、ソースパッドPDS1aに近くなるようにスリットSL1を形成するよりも、ケルビンパッドPDKに近くなるようにスリットSL1を形成した方が、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路を阻害するのに要するスリットSL1の長さが、短くて済む。このため、平面視において、スリットSL1を、ソースパッドPDS1a,PDS1bよりケルビンパッドPDKに近くなるように配置することにより、スリットSL1の面積を抑止しながら、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を増大させることができる。スリットSL1の面積を抑止することで、スリットSL1を設けたことに伴うパワーMOSFET1のチャネル幅(合計のチャネル幅)の減少を抑制することができる。これにより、パワーMOSFET1のオン抵抗(オン電圧)を抑制することができる。
また、半導体チップCP1において、負荷LODに接続するソースパッド(パワーMOSFET1のソースパッド)が複数存在する場合がある。上記図2〜図4の場合は、負荷LODに接続するソースパッド(パワーMOSFET1のソースパッド)は、ソースパッドPDS1a,PDS1bの2つ設けられている。そのような場合は、負荷LODに接続する複数のソースパッド(ここではソースパッドPDS1a,PDS1b)のうちの最もケルビンパッドPDKに近いソースパッド(ここではソースパッドPDS1a)と、ケルビンパッドPDKとの間に、スリットSL1の少なくとも一部が配置されるようにすることが好ましい。また、負荷LODに接続する複数のソースパッド(ここではソースパッドPDS1a,PDS1b)のうちの最もケルビンパッドPDKに近いソースパッドと、ケルビンパッドPDKとの間の最短経路を、スリットSL1によって遮断することが、好ましい。これにより、負荷LODに接続する複数のソースパッド(ここではソースパッドPDS1a,PDS1b)とケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を、効率的に増大させることができる。
すなわち、負荷LODに接続するソースパッドが複数存在する場合、スリットSL1を設けなければ、そのうちの最もケルビンパッドPDKに近いソースパッド(ここではソースパッドPDS1a)と、ケルビンパッドPDKとの間の経路が、主とした電流経路となる。このため、負荷LODに接続する複数のソースパッド(ここではソースパッドPDS1a,PDS1b)のうちの最もケルビンパッドPDKに近いソースパッド(ここではソースパッドPDS1a)と、ケルビンパッドPDKとの間の電流経路をスリットSL1によって阻害するように、スリットSL1を設けることが好ましい。これにより、負荷LODに接続する複数のソースパッド(ここではソースパッドPDS1a,PDS1b)とケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を、効率的に増大させることができる。
また、負荷LODに接続する複数のソースパッド(PDS1a,PDS1b)のうちの最もケルビンパッドPDKに近いソースパッド(PDS1a)とケルビンパッドPDKとの間の最短経路だけでなく、それ以外のソースパッド(PDS1b)とケルビンパッドPDKとの間の最短経路を、スリットSL1によって遮断することもできる。これにより、負荷LODに接続する複数のソースパッド(PDS1a,PDS1b)とケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を、より確実に増大させることができる。
また、スリットSL1の幅(スリットSL1の延在方向に略垂直な方向の幅)は、小さすぎると加工が難しくなり、大きすぎると、スリットSL1の面積が大きくなって、パワーMOSFET1のチャネル幅(合計のチャネル幅)が減少してしまう。この観点で、スリットSL1の幅は、2μm〜100μm程度が好ましい。なお、スリットSL1の幅は、半導体基板SBの主面に平行でかつスリットSL1の延在方向に略垂直な方向におけるスリットSL1の寸法(幅)に対応している。
(実施の形態2)
本実施の形態2は、上記実施の形態1の変形例に対応している。
図20は、半導体チップCP1のチップレイアウトを示す平面図であり、上記図4に対応するものである。上記図4と同様に、図20においても、半導体チップCP1におけるメインMOS領域RG1およびセンスMOS領域RG2をハッチングを付して示し、また、ボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)の位置を点線で示してある。
本実施の形態2の半導体チップCP1が、上記実施の形態1の半導体チップCP1と相違しているのは、以下の点である。
本実施の形態2の半導体チップCP1においては、スリットSL1の下方は、非アクティブ領域(NAC)となっている。すなわち、パワーMOSFET1は、半導体基板SBの主面のメインMOS領域RG1に形成されて互いに並列に接続された複数の単位トランジスタセルにより形成されているが、本実施の形態2の半導体チップCP1においては、上記半導体基板SBの主面において、スリットSL1の下方には、単位トランジスタセルは形成されていない。例えば、上記半導体基板SBの主面において、スリットSL1の下方には、上記p型半導体領域(p型ボディ領域)PR1がほぼ全体にわたって形成されており、ソース用のn型半導体領域NRは形成されていない。
一方、上記実施の形態1の半導体チップCP1においては、上記図4からも分かるように、スリットSL1の下方もメインMOS領域RG1(アクティブ領域)の一部となっており、上記半導体基板SBの主面において、スリットSL1の下方にも、単位トランジスタセルが形成されている。
つまり、半導体基板SBの主面において、スリットSL1の下方にも、単位トランジスタセルが形成されているか、形成されていないかが、本実施の形態2の半導体チップCP1と上記実施の形態1の半導体チップCP1の相違点である。他の構成は、本実施の形態2の半導体チップCP1も、上記実施の形態1の半導体チップCP1とほぼ同様であるので、ここではその繰り返しの説明は省略する。
上記実施の形態1のように、半導体基板SBの主面においてスリットSL1の下方にも単位トランジスタセルが形成されている場合には、ソース電極ES1にスリットSL1を設ける仕様変更で対応することができるため、半導体チップの設計が容易で、汎用性が高い。なお、スリットSL1の下方に配置された単位トランジスタセルのソースは、ソース電極ES1に接続することが難しい。このため、スリットSL1の下方に配置された単位トランジスタセルは、パワーMOSFET1を構成する単位トランジスタセルとしては使用せずに、フローティング状態とすることができる。
一方、本実施の形態2のように、半導体基板SBの主面においてスリットSL1の下方に単位トランジスタセルが形成されていない場合には、スリットSL1の下方に、フローティング状態の単位トランジスタセルが形成されずに済むため、静電破壊に対する耐量をできるだけ向上させるという観点では、有利である。
なお、本実施の形態2の技術思想は、後述の実施の形態3〜9に適用することもできる。
(実施の形態3)
本実施の形態3は、上記実施の形態1の変形例に対応している。
図21は、半導体チップCP1のチップレイアウトを示す平面図であり、上記図3に対応するものである。上記図3と同様に、図21においても、半導体チップCP1における金属層(ゲート電極EG、ゲート配線EGWおよびソース電極ES1,ES2)をハッチングを付して示し、また、ボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)の位置を点線で示してある。
上記実施の形態1では、上記図3に示されるように、スリットSL1はX方向に延在していたが、本実施の形態3では、図21に示されるように、スリットSL1はY方向に延在している。
本実施の形態3の場合も、図21に示されるように、平面視において、スリットSL1の少なくとも一部は、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間に配置されている。これにより、スリットSL1を設けない場合に比べて、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を増大させることができる。また、平面視において、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の最短経路が、スリットSL1によって遮断されていることにより、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を、より的確に増大させることができる。また、平面視において、スリットSL1は、ソースパッドPDS1a,PDS1bよりケルビンパッドPDKに近くなるように配置されていることにより、スリットSL1の面積を抑止しながら、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を増大させることができる。
(実施の形態4)
本実施の形態4は、上記実施の形態1の変形例に対応している。
図22は、半導体チップCP1のチップレイアウトを示す平面図であり、上記図3に対応するものである。上記図3と同様に、図22においても、半導体チップCP1における金属層(ゲート電極EG、ゲート配線EGWおよびソース電極ES1,ES2)をハッチングを付して示し、また、ボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)の位置を点線で示してある。
上記実施の形態1では、上記図3に示されるように、スリットSL1はX方向に延在し、上記実施の形態3では、図21に示されるように、スリットSL1はY方向に延在していた。
それに対して、本実施の形態4では、図22に示されるように、平面視において、ケルビンパッドPDKは、半導体チップCP1の角部KD1以外の角部KD2,KD3,KD4よりも角部KD1に近くなるように配置され、半導体チップCP1の角部KD1を形成する二辺(HN1,HN2)とスリットSL1とによりケルビンパッドPDKが囲まれるように、スリットSL1が形成されている。
すなわち、図2〜図4の場合は、平面視において、ケルビンパッドPDKは、半導体チップCP1の主面の4つの角部KD1,KD2,KD3,KD4のうちの角部KD1の近傍に配置されている。そして、平面視において、半導体チップCP1の4つの辺HN1,HN2,HN3,HN4のうちの角部KD1を形成する2つの辺HN1,HN2と、ケルビンパッドPDKに沿うようにX方向およびY方向に延在するスリットSL1とによって、ケルビンパッドPDKが囲まれた状態になっている。但し、ケルビンパッドPDKは、半導体チップCP1の二辺(HN1,HN2)とスリットSL1とにより完全に囲まれているわけではなく、ケルビンパッドPDKを構成するソース電極ES1とソースパッドPDS1aを構成するソース電極ES1とは、分離されておらず、繋がっている。このため、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間の導電経路は確保することができる。
本実施の形態4では、半導体チップCP1の二辺(HN1,HN2)とスリットSL1とによりケルビンパッドPDKが囲まれるように、スリットSL1を形成したことにより、スリットSL1の長さ(面積)を抑止しながら、ソースパッドPDS1aとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を、効率的に増大させることができる。このため、スリットSL1の長さ(面積)を抑止することで、スリットSL1を設けたことに伴うパワーMOSFET1のチャネル幅(合計のチャネル幅)の減少を抑制することができ、パワーMOSFET1のオン抵抗(オン電圧)を抑制することができる。
(実施の形態5)
本実施の形態5は、上記実施の形態1の変形例に対応している。
図23〜図25は、半導体チップCP1のチップレイアウトを示す平面図であり、上記図2〜図4にそれぞれ対応するものである。なお、図24では、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1bとの間の最短経路を、符号STK1を付した二点鎖線で示してある。
本実施の形態5では、図24に示されるように、ソース電極ES1に設けたスリットSL1によって、ソース電極ES1が2つに分割されている。すなわち、ソース電極ES1が、スリットSL1によって、ソース電極ES1aとソース電極ES1bとに分割されている。ソース電極ES1aとソース電極ES1bとは、互いに分離されており、間にスリットSL1が介在している。
図23〜図25の場合、ソース用開口部OPS1aは、ソース電極ES1a上に配置され、ソース用開口部OPS1aから露出するソース電極ES1aによって、ソースパッドPDS1aが形成されている。また、ソース用開口部OPS1bは、ソース電極ES1b上に配置され、ソース用開口部OPS1bから露出するソース電極ES1bによって、ソースパッドPDS1bが形成されている。また、ケルビン用開口部OPKは、ソース電極ES1b上に配置され、ケルビン用開口部OPKから露出するソース電極ES1bによって、ケルビンパッドPDKが形成されている。
図23〜図25の場合、ソース電極ES1が、スリットSL1によって、ソース電極ES1aとソース電極ES1bとに分割され、ケルビンパッドPDKはソース電極ES1bによって形成され、ソースパッドPDS1aはソース電極ES1aによって形成されているため、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1aとの間には、ソース電極を通じた導電経路は形成されない。
ケルビンパッドPDKはソース電極ES1bによって形成され、ソースパッドPDS1bもソース電極ES1bによって形成されているため、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1bとの間には、ソース電極ES1bを通じた導電経路が形成される。このため、スリットSL1によってソース電極ES1をソース電極ES1aとソース電極ES1bとに分割する場合も、ゲート電圧が大きいときにソースパッドPDS1bとケルビンパッドPDKとに電位差が生じるように、ソースパッドPDS1bとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗が増大するように、スリットSL1を形成することが好ましい。
このため、本実施の形態5の場合も、図24に示されるように、平面視において、スリットSL1の少なくとも一部は、ソースパッドPDS1bとケルビンパッドPDKとの間に配置されている。これにより、ソースパッドPDS1bとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を増大させることができる。また、平面視において、ソースパッドPDS1bとケルビンパッドPDKとの間の最短経路STK1が、スリットSL1によって遮断されていることにより、ソースパッドPDS1bとケルビンパッドPDKとの間の電流経路の抵抗を、より的確に増大させることができる。
また、ソースパッドPDS1aを形成するソース電極ES1aと、ソースパッドPDS1bを形成するソース電極ES1bとが、スリットSL1によって分離されているため、ソースパッドPDS1a,PDS1bにそれぞれ接続した上記ワイヤWAの断線を、検出しやすくなる。
(実施の形態6)
本実施の形態6では、上記実施の形態1〜5の半導体チップCP1と他の半導体チップCP2との接続例について説明する。図26は、半導体チップCP1と半導体チップCP2との接続構造を示す平面図である。
図26に示される半導体チップCP1は、上記実施の形態1〜5のいずれかの半導体チップCP1に対応している。図26に示される半導体チップCP2には、上記電流検出回路部DKCの一部または全部と、上記ドライバ回路DRとが内蔵されている。上記電流検出回路部DKCのうち、少なくとも演算増幅器AMP1は、半導体チップCP2に内蔵されている。また、上記制御回路部CLCの一部または全部を、半導体チップCP2が更に内蔵していてもよい。
図26に示されるように、半導体チップCP2は、パッドPD2a,PD2b,PD2cを含む複数のパッド(パッド電極)PD2を有している。半導体チップCP1のケルビンパッドPDKは、導電性の接続部材BWを介して、半導体チップCP2のパッドPD2aに電気的に接続され、半導体チップCP1のソースパッドPDS2は、導電性の接続部材BWを介して、半導体チップCP2のパッドPD2bに電気的に接続されている。半導体チップCP1のゲートパッドPDGは、導電性の接続部材BWを介して、半導体チップCP2のパッドPD2cに電気的に接続されている。接続部材BWは、例えばボンディングワイヤである。半導体チップCP1のソースパッドPDS1a,PDS1bは、上記負荷LODに電気的に接続されるため、半導体チップCP2とは接続されていない。
半導体チップCP2において、パッドPD2aは、半導体チップCP2内に形成された演算増幅器AMP1の2つの入力ノードのうちの一方に、半導体チップCP2の内部配線を介して電気的に接続され、パッドPD2aは、その演算増幅器AMP1の2つの入力ノードのうちの他方に、半導体チップCP2の内部配線を介して電気的に接続されている。また、パッドPD2cは、半導体チップCP2内に形成されたドライバ回路DRに、半導体チップCP2の内部配線を介して電気的に接続されている。
このため、半導体チップCP1のケルビンパッドPDKは、接続部材BW、半導体チップCP2のパッドPD2a、および半導体チップCP2の内部配線を介して、演算増幅器AMP1の一方の入力ノードに電気的に接続されている。また、半導体チップCP1のソースパッドPDS2は、接続部材BW、半導体チップCP2のパッドPD2b、および半導体チップCP2の内部配線を介して、演算増幅器AMP1の他方の入力ノードに電気的に接続されている。これにより、演算増幅器AMP1を含む上記電流検出回路部DKCによって、半導体チップCP1のケルビンパッドPDKの電位と半導体チップCP1のソースパッドPDS2の電位とを互いに等しくなるように制御しながら、センスMOSFET2の電流を検出することができる。
(実施の形態7)
図27〜図30は、本実施の形態7の半導体チップCP1のチップレイアウトを示す平面図であり、上記図2〜図4および図19にそれぞれ対応するものである。
上記図2と同様に、図27においても、ボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)にハッチングを付してある。また、上記図3と同様に、図28においても、半導体チップCP1における金属層(ゲート電極EG、ゲート配線EGW、ソース電極ES1,ES2および配線W1)をハッチングを付して示し、また、ボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)の位置を点線で示してある。また、上記図4と同様に、図29においても、半導体チップCP1におけるメインMOS領域RG1およびセンスMOS領域RG2をハッチングを付して示し、また、ボンディングパッド(ゲートパッドPDG、ソースパッドPDS1a,PDS1b、ソースパッドPDS2、およびケルビンパッドPDK)の位置を点線で示してある。また、上記図19と同様に、図30においても、半導体チップCP1における金属層(ゲート電極EG、ゲート配線EGW、ソース電極ES1,ES2および配線W1)の平面レイアウトを示すとともに、平面視におけるソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の領域RG5aと、ソースパッドPDS1bと接続部SZ1との間の領域RG5bとに、ドットハッチングを付して示してある。また、図30では、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の最短経路を、符号STK2aを付した太線で示し、ソースパッドPDS1bと接続部SZ1との間の最短経路を、符号STK2bを付した太線で示してある。
上記実施の形態1〜6の場合は、ケルビンパッドPDKは、ソース電極ES1により形成されており、従って、ケルビンパッドPDKは、メインMOS領域RG1の上方に配置されていた。すなわち、平面視において、ケルビンパッドPDKは、メインMOS領域RG1に内包される位置に配置されていた。
それに対して、本実施の形態7の場合は、ケルビンパッドPDKは、メインMOS領域RG1の上方には配置されておらず、平面視において、ケルビンパッドPDKは、メインMOS領域RG1とは異なる位置に配置されている。すなわち、平面視において、ケルビンパッドPDKは、メインMOS領域RG1に重なっていない。このため、ケルビンパッドPDKは、ソース電極ES1ではなく、ケルビンパッドPDKを形成するための電極(ケルビン電極、ソース電極)EKにより形成されている。電極EKは、配線W1を介してソース電極ES1と電気的に接続されている。
すなわち、本実施の形態7の場合は、ケルビンパッドPDKを形成するための電極EKを、メインMOS領域RG1やセンスMOS領域RG2とは異なる平面位置に形成しておき、この電極EKに平面視で内包される位置にケルビン用開口部OPKを設け、ケルビン用開口部OPKから露出する電極EKによって、ケルビンパッドPDKを形成している。そして、電極EKとソース電極ES1とを配線(接続配線)W1でつなぐことにより、ケルビンパッドPDKを、電極EKおよび配線W1を介して、ソース電極ES1に電気的に接続している。電極EKおよび配線W1は、ソース電極ES1と一体的に形成されており、電極EKとソース電極ES1との間に配線W1が介在している。配線W1の幅は、電極EKの幅よりも小さい。電極EKおよび配線W1は、ソース電極ES1、ソース電極ES2、ゲート電極EGおよびゲート配線EGWと同層に形成されている。すなわち、共通の導電体膜(CD)をパターニングすることにより、ゲート電極EG、ゲート配線EGW、ソース電極ES1、ソース電極ES2、電極EKおよび配線W1が形成されている。
また、本実施の形態7の場合も、ソース電極ES1にスリットSL1を設けており、このスリットSL1の役割は、上記実施の形態1〜6の場合と同様である。すなわち、スリットSL1を形成したことにより、ケルビンパッドPDKとソースパッドPDS1a,PDS1bとの間の電流経路の抵抗を大きくし、それによって、ゲート電圧が大きいときにソースパッドPDS1a,PDS1bとケルビンパッドPDKとに電位差を生じさせることができる。これにより、上記実施の形態1で説明したように、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができる。すなわち、スリットSL1を設けることの効果については、本実施の形態7の場合も、上記実施の形態1で説明したものと同様である。
但し、本実施の形態7の場合は、スリットSL1の形成位置についての考え方が、上記実施の形態1の場合と若干相違している。
すなわち、本実施の形態7の場合は、ソース電極ES1は、メインMOS領域RG1の上方には配置されているが、電極EKおよび配線W1は、メインMOS領域RG1の上方には配置されておらず、平面視において、メインMOS領域RG1とは異なる位置に配置されている。このため、ソース電極ES1は、メインMOS領域RG1に形成されたパワーMOSFET1に流れる電流の経路になるが、電極EKおよび配線W1は、メインMOS領域RG1に形成されたパワーMOSFET1に流れる電流の経路とはならない。
このため、本実施の形態7の場合は、スリットSL1を設けない場合に比べて、スリットSL1を設けた場合の方が、ソースパッドPDS1a,PDS1bと接続部SZ1との間の電流経路の抵抗が増大するように、スリットSL1を形成する。ここで、接続部SZ1は、配線W1とソース電極ES1との接続部(接続箇所)である。スリットSL1を設けることで、配線W1とソース電極ES1との接続部SZ1と、ソースパッドPDS1a,PDS1bと、の間の電流経路の抵抗を増大させることにより、ゲート電圧が大きいときにソースパッドPDS1a,PDS1bと接続部SZ1とに電位差を生じさせ、それによって、ソースパッドPDS1a,PDS1bとケルビンパッドPDKとに電位差を生じさせることができる。これにより、上記実施の形態1で説明したように、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができる。
このため、本実施の形態7の場合は、スリットSL1は、ソースパッドPDS1a,PDS1bと接続部SZ1との間の電流経路を阻害するように形成する。なお、図28の場合は、スリットSL1を2つ(スリットSL1a,SL1b)設けている。すなわち、接続部SZ1とソースパッドPDS1aとの間の電流経路の抵抗を増大させるために、スリットSL1aを設け、接続部SZ1とソースパッドPDS1bとの間の電流経路の抵抗を増大させるために、スリットSL1bを設けている。このため、上記実施の形態1で行った、「<スリットの形成位置について>」に関する説明は、「ケルビンパッドPDK」を「接続部SZ1」に読み替えることで、本実施の形態7にも適用することができる。その一部を再度説明すると、次のようになる。
すなわち、平面視において、スリットSL1aの少なくとも一部は、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間に配置されていることが好ましい。すなわち、図30において、平面視で、スリットSL1aの少なくとも一部は、ドットのハッチングを付した領域RG5a内に配置されていることが好ましい。これにより、スリットSL1aを設けない場合に比べて、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の電流経路の抵抗を増大させることができる。また、平面視において、スリットSL1bの少なくとも一部は、ソースパッドPDS1bと接続部SZ1との間に配置されている。すなわち、図30において、平面視で、スリットSL1bの少なくとも一部は、ドットのハッチングを付した領域RG5b内に配置されている。これにより、スリットSL1bを設けない場合に比べて、ソースパッドPDS1bと接続部SZ1との間の電流経路の抵抗を増大させることができる。なぜなら、領域RG5aは、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の電流経路として機能する可能性があるため、その領域RG5aにスリットSL1aの少なくとも一部が配置されるように、スリットSL1aを設けることで、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の電流経路をスリットSL1aによって阻害することができるからである。領域RG5bおよびスリットSL1bについても同様である。
また、平面視において、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の最短経路STK2aは、スリットSL1aによって遮断されていることが好ましい。すなわち、図30において、平面視で、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の最短経路STK2aを、スリットSL1aが横切っていることが好ましい。つまり、平面視において、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の最短経路STK2aに、スリットSL1aの一部が重なっていることが好ましい。これにより、スリットSL1aを設けない場合に比べて、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の電流経路の抵抗を、より的確に増大させることができる。なぜなら、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の最短経路STK2aが、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の電流経路として最も機能しやすいため、その最短経路STK2aをスリットSL1aによって遮断することが、ソースパッドPDS1aと接続部SZ1との間の電流経路の抵抗を増大させるのに特に有効だからである。
また、同様に、平面視において、ソースパッドPDS1bと接続部SZ1との間の最短経路(STK2b)は、スリットSL1bによって遮断されていることが好ましい。すなわち、図30において、平面視で、ソースパッドPDS1bと接続部SZ1との間の最短経路STK2bを、スリットSL1bが横切っていることが好ましい。つまり、平面視において、ソースパッドPDS1bと接続部SZ1との間の最短経路STK2bに、スリットSL1bの一部が重なっていることが好ましい。これにより、スリットSL1bを設けない場合に比べて、ソースパッドPDS1bと接続部SZ1との間の電流経路の抵抗を、より的確に増大させることができる。
このようなスリットSL1a,SL1bを設けたことで、ソースパッドPDS1a,PD1bと接続部SZ1との間の電流経路の抵抗を増大させることができ、ゲート電圧が大きいときにソースパッドPDS1a,PDS1bとケルビンパッドPDKとに電位差を生じさせることができるため、上述のように、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができるようになる。
また、本実施の形態7では、メインMOS領域RG1とは異なる平面位置に、ケルビンパッドPDKを形成するための電極EKを設け、その電極EK上にケルビン用開口部OPKを設けてケルビンパッドPDKを形成するとともに、その電極EKを配線W1を介してソース電極ES1に電気的に接続している。同様の技術を、ソースパッドPDS2に適用することもできる。
すなわち、センスMOS領域RG2とは異なる平面位置に、ソースパッドPDS2を形成するための電極を設け、その電極上にソース用開口部OPS2を設けてソースパッドPDS2を形成するとともに、その電極を配線を介してソース電極ES2に電気的に接続することもできる。ソースパッドPDS2を形成するための電極と、その電極とソース電極ES2とを電気的に接続する配線とは、ソース電極ES2と同層に、ソース電極ES2と一体的に形成することができる。なお、この技術は、本実施の形態7だけではなく、上記実施の形態1〜6に適用することもでき、適用した場合は、平面視において、ソースパッドPDS2は、センスMOS領域RG2とは異なる位置に配置されることになる。
(実施の形態8)
本実施の形態8では、上記実施の形態7の半導体チップCP1と他の半導体チップCP2との接続例について説明する。図31は、半導体チップCP1と半導体チップCP2との接続構造を示す平面図である。
図31に示される半導体チップCP1は、上記実施の形態7の半導体チップCP1に対応している。図31に示される半導体チップCP2は、上記実施の形態6(図26)の半導体チップCP2と基本的には同じであるので、ここではその繰り返しの説明は省略する。
図31の場合は、半導体チップCP1上に、半導体チップCP2が搭載されており、いわゆるチップオンチップ構造である。半導体チップCP2は、半導体チップCP1の上面上に、接合材(図示されない)を介して搭載されて接合されている。平面視において、半導体チップCP1の上面のうち、半導体チップCP1のパッド(PDG,PDK,PDS1a,PDS1b)には重ならない位置に、半導体チップCP2が搭載されている。
半導体チップCP1のパッド(PDG,PDK,PDS1a,PDS1b,)と半導体チップCP2のパッドPD2との接続関係については、図31の場合も、上記図26の場合と同様である。すなわち、図31の場合も、半導体チップCP1のケルビンパッドPDKは、導電性の接続部材BWを介して、半導体チップCP2のパッドPD2aに電気的に接続され、半導体チップCP1のソースパッドPDS2は、導電性の接続部材BWを介して、半導体チップCP2のパッドPD2bに電気的に接続されている。半導体チップCP1のゲートパッドPDGは、導電性の接続部材BWを介して、半導体チップCP2のパッドPD2cに電気的に接続されている。接続部材BWは、例えばボンディングワイヤである。半導体チップCP1のソースパッドPDS1a,PDS1bは、上記負荷LODに電気的に接続されるため、半導体チップCP2とは接続されていない。
このため、図31の場合も、半導体チップCP1のケルビンパッドPDKは、接続部材BW、半導体チップCP2のパッドPD2a、および半導体チップCP2の内部配線を介して、演算増幅器AMP1の一方の入力ノードに電気的に接続されている。また、半導体チップCP1のソースパッドPDS2は、接続部材BW、半導体チップCP2のパッドPD2b、および半導体チップCP2の内部配線を介して、演算増幅器AMP1の他方の入力ノードに電気的に接続されている。これにより、演算増幅器AMP1を含む上記電流検出回路部DKCによって、半導体チップCP1のケルビンパッドPDKの電位と半導体チップCP1のソースパッドPDS2の電位とを互いに等しくなるように制御しながら、センスMOSFET2の電流を検出することができる。
(実施の形態9)
図32〜図35は、本実施の形態9の半導体チップCP1のチップレイアウトを示す平面図であり、上記図2〜図4および図19にそれぞれ対応するものである。
上記図2と同様に、図32においても、ボンディングパッド(パッドPD1およびソースパッドPDS1a,PDS1b)にハッチングを付してある。また、上記図3と同様に、図33においても、半導体チップCP1における金属層(ゲート配線EGW、ソース電極ES1,ES2および配線W2,W3)をハッチングを付して示し、また、ボンディングパッド(PD1およびソースパッドPDS1a,PDS1b)の位置を点線で示してある。また、上記図4と同様に、図34においても、半導体チップCP1におけるメインMOS領域RG1およびセンスMOS領域RG2をハッチングを付して示し、また、ボンディングパッド(パッドPD1およびソースパッドPDS1a,PDS1b)の位置を点線で示してある。また、図34においては、ドライバ回路DRや電流検出回路部DKCなどが形成された制御回路領域RG6も、ハッチングを付して示してある。また、上記図19と同様に、図35においても、半導体チップCP1における金属層(ゲート配線EGW、ソース電極ES1,ES2および配線W2,W3)の平面レイアウトを示すとともに、平面視におけるソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の領域RG7に、ドットハッチングを付して示してある。また、図35では、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の最短経路を、符号STK3を付した太線で示してある。
上記実施の形態1〜8の場合は、上記電流検出回路部DKCは、半導体チップCP1の外部に形成されており、半導体チップCP1内には、上記電流検出回路部DKCは形成されていなかった。
それに対して、本実施の形態9の場合は、半導体チップCP1には、パワーMOSFET1およびセンスMOSFET2だけでなく、上記電流検出回路部DKCの一部または全部と、上記ドライバ回路DRも、内蔵されている。上記電流検出回路部DKCのうち、少なくとも演算増幅器AMP1は、半導体チップCP1に内蔵されている。また、上記制御回路部CLCの一部または全部を、半導体チップCP1が更に内蔵する場合もあり得る。
このため、本実施の形態9の場合は、半導体チップCP1には、ゲートパッドPDG、ケルビンパッドPDKおよびソースパッドPDS2は形成されていない。
その代りに、本実施の形態9の場合は、ゲート配線EGWが、半導体チップCP1内のドライバ回路DRに電気的に接続されている。また、半導体チップCP1内に形成された演算増幅器AMP1の2つの入力ノードのうちの一方(上記図1のノードN1に対応)は、半導体チップCP1内に形成された配線W2を介して、ソース電極ES1と電気的に接続されている。また、半導体チップCP1内に形成された演算増幅器AMP1の2つの入力ノードのうちの他方(上記図1のノードN2に対応)は、半導体チップCP1内に形成された配線W3を介して、ソース電極ES2と電気的に接続され、従って、センスMOSFET2のソースに電気的に接続されている。すなわち、半導体チップCP1内において、ソース電極ES1は、配線W2を介して、演算増幅器AMP1の一方の入力ノードに電気的に接続され、ソース電極ES2は、配線W3を介して、演算増幅器AMP1の他方の入力ノードに電気的に接続されている。これにより、演算増幅器AMP1を含む上記電流検出回路部DKCによって、半導体チップCP1の接続部SZ2の電位と半導体チップCP1のソース電極ES2の電位とを互いに等しくなるように制御しながら、センスMOSFET2の電流を検出することができる。ここで、接続部SZ2は、配線W2とソース電極ES1との接続部(接続箇所)である。
配線W2は、少なくとも、配線W2とソース電極ES1との接続部SZ2の近傍の部分は、ソース電極ES1と同層に形成されて、ソース電極ES1と一体的に形成されている。配線W2は、半導体チップCP1内において、ソース電極ES1と演算増幅器AMP1の一方の入力ノードとを電気的に接続する配線である。また、配線W3は、少なくとも、配線W3とソース電極ES2との接続部の近傍の部分は、ソース電極ES2と同層に形成されて、ソース電極ES2と一体的に形成されている。配線W3は、半導体チップCP1内において、ソース電極ES2と演算増幅器AMP1の他方の入力ノードとを電気的に接続する配線である。
本実施の形態9の場合も、ソース電極ES1にスリットSL1を設けており、このスリットSL1の役割は、上記実施の形態1〜8の場合と基本的には同じである。但し、本実施の形態9の場合は、ケルビンパッドPDKが無いため、若干考え方が相違しており、上記実施の形態7の場合に近い。
すなわち、本実施の形態9の場合は、ケルビンパッドPDKが無く、ソース電極ES1は、配線W2を介して電流検出回路部DKC(より特定的には演算増幅器AMP1)に電気的に接続されている。ソース電極ES1は、メインMOS領域RG1の上方には配置されているが、配線W2は、メインMOS領域RG1の上方には配置されておらず、平面視において、メインMOS領域RG1とは異なる位置に配置されている。このため、ソース電極ES1は、メインMOS領域RG1に形成されたパワーMOSFET1に流れる電流の経路になるが、配線W2は、メインMOS領域RG1に形成されたパワーMOSFET1に流れる電流の経路とはならない。
このため、本実施の形態9の場合は、スリットSL1を設けない場合に比べて、スリットSL1を設けた場合の方が、ソースパッドPDS1a,PDS1bと接続部SZ2との間の電流経路の抵抗が増大するように、スリットSL1を形成する。スリットSL1を設けることで、配線W2とソース電極ES1との接続部SZ2と、ソースパッドPDS1a,PDS1bと、の間の電流経路の抵抗を増大させることにより、ゲート電圧が大きいときにソースパッドPDS1a,PDS1bと接続部SZ2とに電位差を生じさせることができる。これにより、ソースパッドPDS1a,PDS1bの電位と、接続部SZ2から配線W2を介して電流検出回路部DKC(より特定的には演算増幅器AMP1)に入力される電位とに、電位差を生じさせることができる。これにより、上記実施の形態1で説明したように、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができる。すなわち、スリットSL1を設けることの効果については、本実施の形態9の場合も、上記実施の形態1で説明したものと同様である。
このため、本実施の形態9の場合は、スリットSL1は、ソースパッドPDS1a,PDS1bと接続部SZ2との間の電流経路を阻害するように形成する。このため、上記実施の形態1で行った、「<スリットの形成位置について>」に関する説明は、「ケルビンパッドPDK」を「接続部SZ2」に読み替えることで、本実施の形態9にも適用することができる。その一部を再度説明すると、次のようになる。
すなわち、平面視において、スリットSL1の少なくとも一部は、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間に配置されていることが好ましい。すなわち、図35において、平面視で、スリットSL1の少なくとも一部は、ドットのハッチングを付した領域RG7内に配置されていることが好ましい。これにより、スリットSL1を設けない場合に比べて、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の電流経路の抵抗を増大させることができる。なぜなら、領域RG7は、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の電流経路として機能する可能性があるため、その領域RG7にスリットSL1の少なくとも一部が配置されるように、スリットSL1を設けることで、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の電流経路をスリットSL1によって阻害することができるからである。なお、ソースパッドPDS1a,PDS1bのうち、接続部SZ2により近いのは、ソースパッドPDS1aである。
また、平面視において、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の最短経路STK3は、スリットSL1によって遮断されていることが好ましい。すなわち、図35において、平面視で、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の最短経路STK3を、スリットSL1が横切っていることが好ましい。つまり、平面視において、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の最短経路STK3に、スリットSL1の一部が重なっていることが好ましい。これにより、スリットSL1を設けない場合に比べて、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の電流経路の抵抗を、より的確に増大させることができる。なぜなら、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の最短経路STK3が、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の電流経路として最も機能しやすいため、その最短経路STK3をスリットSL1によって遮断することが、ソースパッドPDS1aと接続部SZ2との間の電流経路の抵抗を増大させるのに特に有効だからである。
このようなスリットSL1を設けたことで、ソースパッドPDS1a,PD1bと接続部SZ2との間の電流経路の抵抗を増大させることができ、ゲート電圧が大きいときにソースパッドPDS1a,PDS1bと接続部SZ2とに電位差を生じさせることができるため、上述のように、センス比のゲート電圧に対する依存性を抑制することができるようになる。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前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言うまでもない。
CP1 半導体チップ
ES1 ソース電極
PDK ケルビンパッド
PDS1a ソースパッド
SL1 スリット

Claims (13)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の主面の第1領域に形成された第1MOSFETと、
    前記半導体基板の前記主面の第2領域に形成された第2MOSFETと、
    前記第1領域の上方に形成され、前記第1MOSFETのソースと電気的に接続された第1ソース電極と、
    前記半導体基板の前記主面の上方に形成され、前記第2MOSFETのソースと電気的に接続された第2ソース電極と、
    前記半導体基板の前記主面の上方に形成され、前記第1MOSFETのゲートと前記第2MOSFETのゲートとに電気的に接続されたゲート電極と、
    前記半導体基板の前記主面とは反対側の裏面に形成され、前記第1MOSFETのドレインと前記第2MOSFETのドレインとに電気的に接続されたドレイン電極と、
    前記半導体基板の前記主面の上方に形成され、前記第1ソース電極、前記第2ソース電極および前記ゲート電極を覆う絶縁膜と、
    前記絶縁膜の第1開口部から露出された前記第1ソース電極により形成された第1ソースパッドと、
    前記絶縁膜の第2開口部から露出された前記第1ソース電極により形成された第2ソースパッドと、
    前記絶縁膜の第3開口部から露出された前記第2ソース電極により形成された第3ソースパッドと、
    前記絶縁膜の第4開口部から露出された前記ゲート電極により形成されたゲートパッドと、
    を有し、
    前記第2MOSFETは、前記第1MOSFETに流れる電流検出用の素子であり、
    前記半導体基板の前記主面において、前記第2領域は第1領域よりも面積が小さく、
    前記第1ソースパッドおよび前記第2ソースパッドは、前記第1領域の上方に配置され、
    前記第1ソースパッドは、前記第1MOSFETに流れる電流を出力するためのパッドであり、
    前記第2ソースパッドは、前記第1MOSFETのソース電位を検出するためのパッドであり、
    前記第1ソース電極は、スリットを有し、
    平面視において、前記スリットの少なくとも一部は、前記第1ソースパッドと、前記第2ソースパッドとの間に配置されている、半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    平面視において、前記第1ソースパッドと前記第2ソースパッドとの間の最短経路は、前記スリットによって遮断されている、半導体装置。
  3. 請求項2に記載の半導体装置において、
    平面視において、前記スリットは、前記第1ソースパッドより前記第2ソースパッドに近くなるように、配置されている、半導体装置。
  4. 請求項2に記載の半導体装置において、
    平面視において、前記第2ソースパッドは、前記半導体装置の第1角部以外の角部よりも前記第1角部に近くなるように配置され、
    平面視において、前記半導体装置の前記第1角部を形成する二辺と、前記スリットとにより前記第2ソースパッドが囲まれるように、前記スリットが形成されている、半導体装置。
  5. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第1MOSFETは、前記半導体基板の前記主面の前記第1領域に形成されて互いに並列に接続された複数の単位トランジスタセルにより形成されている、半導体装置。
  6. 請求項5に記載の半導体装置において、
    前記半導体基板の前記主面において、前記スリットの下方には、前記単位トランジスタセルは形成されていない、半導体装置。
  7. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第2ソースパッドと前記第3ソースパッドとは、前記第2MOSFETに流れる電流を検出するための電流検出回路部に電気的に接続され、
    前記電流検出回路部は前記半導体装置の外部に設けられている、半導体装置。
  8. 請求項7に記載の半導体装置において、
    前記電流検出回路部は差動増幅器を有し、
    前記第2ソースパッドは、前記電流検出回路部の前記差動増幅器の第1入力ノードに電気的に接続され、
    前記第3ソースパッドは、前記電流検出回路部の前記差動増幅器の第2入力ノードに電気的に接続される、半導体装置。
  9. 半導体基板と、
    前記半導体基板の主面の第1領域に形成された第1MOSFETと、
    前記半導体基板の前記主面の第2領域に形成された第2MOSFETと、
    前記第1領域の上方に形成され、前記第1MOSFETのソースと電気的に接続された第1ソース電極と、
    前記半導体基板の前記主面の上方に形成され、前記第2MOSFETのソースと電気的に接続された第2ソース電極と、
    前記半導体基板の前記主面の上方に形成され、第1配線を介して前記第1ソース電極と電気的に接続された第3ソース電極と、
    前記半導体基板の前記主面の上方に形成され、前記第1MOSFETのゲートと前記第2MOSFETのゲートとに電気的に接続されたゲート電極と、
    前記半導体基板の前記主面とは反対側の裏面に形成され、前記第1MOSFETのドレインと前記第2MOSFETのドレインとに電気的に接続されたドレイン電極と、
    前記半導体基板の前記主面の上方に形成され、前記第1ソース電極、前記第2ソース電極および前記ゲート電極を覆う絶縁膜と、
    前記絶縁膜の第1開口部から露出された前記第1ソース電極により形成された第1ソースパッドと、
    前記絶縁膜の第2開口部から露出された前記第3ソース電極により形成された第2ソースパッドと、
    前記絶縁膜の第3開口部から露出された前記第2ソース電極により形成された第3ソースパッドと、
    前記絶縁膜の第4開口部から露出された前記ゲート電極により形成されたゲートパッドと、
    を有し、
    前記第2MOSFETは、前記第1MOSFETに流れる電流検出用の素子であり、
    前記半導体基板の前記主面において、前記第2領域は第1領域よりも面積が小さく、
    前記第1ソースパッドは、前記第1領域の上方に配置され、
    前記第2ソースパッドは、前記第1領域の上方以外に配置され、
    前記第1ソースパッドは、前記第1MOSFETに流れる電流を出力するためのパッドであり、
    前記第2ソースパッドは、前記第1MOSFETのソース電位を検出するためのパッドであり、
    前記第1ソース電極は、スリットを有し、
    平面視において、前記スリットの少なくとも一部は、前記第1配線と前記第1ソース電極との接続部と、前記第1ソースパッドとの間に配置されている、半導体装置。
  10. 請求項9に記載の半導体装置において、
    平面視において、前記接続部と前記第1ソースパッドとの間の最短経路は、前記スリットによって遮断されている、半導体装置。
  11. 半導体基板と、
    前記半導体基板の主面の第1領域に形成された第1MOSFETと、
    前記半導体基板の前記主面の第2領域に形成された第2MOSFETと、
    前記半導体基板の前記主面の第3領域に形成された電流検出回路部と、
    前記第1領域の上方に形成され、前記第1MOSFETのソースと電気的に接続された第1ソース電極と、
    前記半導体基板の前記主面とは反対側の裏面に形成され、前記第1MOSFETのドレインと前記第2MOSFETのドレインとに電気的に接続されたドレイン電極と、
    前記半導体基板の前記主面の上方に形成され、前記第1ソース電極を覆う絶縁膜と、
    前記絶縁膜の第1開口部から露出された前記第1ソース電極により形成された第1ソースパッドと、
    を有し、
    前記第1MOSFETおよび前記第2MOSFETは、ドレイン同士が電気的に接続されかつゲート同士が電気的に接続され、
    前記第2MOSFETは、前記第1MOSFETに流れる電流検出用の素子であり、
    前記半導体基板の前記主面において、前記第2領域は第1領域よりも面積が小さく、
    前記第1ソースパッドは、前記第1MOSFETに流れる電流を出力するためのパッドであり、前記第1領域の上方に配置され、
    前記電流検出回路部は、前記第2MOSFETに流れる電流を検出するための回路であり、
    前記第1ソース電極は、第1配線を介して前記電流検出回路部と電気的に接続され、
    前記第2MOSFETのソースは、前記電流検出回路部と電気的に接続され、
    前記第1ソース電極は、スリットを有し、
    平面視において、前記スリットの少なくとも一部は、前記第1配線と前記第1ソース電極との接続部と、前記第1ソースパッドとの間に配置されている、半導体装置。
  12. 請求項11に記載の半導体装置において、
    平面視において、前記接続部と前記第1ソースパッドとの間の最短経路は、前記スリットによって遮断されている、半導体装置。
  13. 請求項11に記載の半導体装置において、
    前記電流検出回路部は、差動増幅器を有し、
    前記第1ソース電極は、前記第1配線を介して前記電流検出回路部の前記差動増幅器の第1入力ノードに電気的に接続され、
    前記第2MOSFETのソースは、前記電流検出回路部の前記差動増幅器の第2入力ノードに電気的に接続されている、半導体装置。
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