JP6266219B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、例えば基準電位が互いに異なる第1回路及び第2回路を有する半導体装置に適用可能な技術である。
基準電圧が異なる2つの回路の間で信号を送受信する場合、一般的にはフォトカプラが用いられている。これに対して近年は、2つのインダクタを誘導結合又は容量結合させることにより、2つの回路の間で信号を送受信する技術が開発されている(特許文献1参照)。この技術を用いると、例えば特許文献2に記載されているように、一つの半導体チップに上述した2つの回路を搭載することができる。
特開2011−142175号公報 特開2009−295804号公報
本発明者は、基準電位の差が大きい2つの回路を、一つのSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて形成することを検討した。この場合、相対的に基準電位が大きい回路(以下、第1回路と記載)に入ってくるノイズは、相対的に基準電位が小さい回路(以下、第2回路と記載)にとっては非常に大きな値になる。このため、SOI基板の半導体層において、第1回路が形成される領域と第2回路が形成される領域とを絶縁しても、ベースとなる半導体基板を介して第1回路から第2回路にノイズが伝播することが判明した。そこで本発明者は、このノイズの伝播を抑制することを検討した。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及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、半導体装置の基板は、半導体基板、半導体基板上に形成された埋込絶縁層、及び埋込絶縁層上に形成された半導体層を有している。半導体層には、半導体層に埋込絶縁層に達するように埋め込まれ、半導体層の第1回路形成領域と第2回路形成領域との間を絶縁する分離用絶縁層が、埋め込み絶縁層に達するように埋め込まれている。第1回路は、第1回路形成領域を用いて形成されており、第2回路は、第2回路形成領域を用いて形成されている。第1回路形成領域は第1電極パッドに接続しており、第2回路形成領域には第2電極パッドが接続している。半導体基板は、第1電極パッド及び第2電極パッドに電気的に接続していない。
前記一実施の形態によれば、半導体基板を介して、第1回路から第2回路にノイズが伝播することを抑制できる。
第1の実施形態に係る半導体装置の構成を示す平面図である。 図1のA−A´断面図である。 図1のB−B´断面図である。 半導体チップの構造を説明するための断面図である。 図4の変形例を示す断面図である。 第2の実施形態に係る半導体装置の構成を示す平面図である。 図6のA−A´断面図である。 第3の実施形態に係る半導体装置の構成を示す平面図である。 図8のA−A´断面図である。
以下、実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る半導体装置SDの構成を示す平面図である。図2は図1のA−A´断面図であり、図3は図1のB−B´断面図である。半導体装置SDは、リードフレームのダイパッドDP(基板搭載部材の一例)の上に矩形の半導体チップSCを搭載し、さらにダイパッドDP及び半導体チップSCを封止樹脂MDRで封止したものである。リードフレームは、例えば銅などの導電性の材料によって形成されている。
リードフレームは、リード端子LD1,LD2を有している。複数のリード端子LD1は半導体チップSCの第1辺に対向しており、複数のリード端子LD2は半導体チップSCのうち第1辺とは逆側の辺(第2辺)に対向している。リード端子LD1,LD2と半導体チップSCは、ボンディングワイヤWIRを用いて接続されている。なお、ボンディングワイヤWIRも封止樹脂MDRで封止されている。
半導体チップSCは、第1回路CIR1(詳細は後述)及び第2回路CIR2(詳細は後述)を有している。第1回路CIR1及び第2回路CIR2は、互いに基準電位(接地電位)が異なっている。第1回路CIR1の基準電位である第1電位は、複数のリード端子LD1のいずれかを介して半導体チップSCに印加されており、第2回路CIR2の基準電位である第2電位は、複数のリード端子LD2のいずれかを介して半導体チップSCに印加されている。本図に示す例では、第1電位を印加するリード端子LD1及び第2電位を印加するリード端子LD2は、半導体チップSCを基準に互いに点対称な位置に配置されている。例えば、第1電位は、ダイパッドDPの角(第1角)に最も近いリード端子LD1を介して半導体チップSCに印加されており、第2電位は、第1角とは点対称の位置にある角(第2角)に最も近いリード端子LD2を介して半導体チップSCに印加されている。
リードフレームは、さらに、吊りリードLD3及び基板電位用リード端子LD4(導通部材の一例)を有している。吊りリードLD3及び基板電位用リード端子LD4は、ダイパッドDPに接続している。本図に示す例では、吊りリードLD3及び基板電位用リード端子LD4は、ダイパッドDPと一体になっている。
吊りリードLD3は、一端がダイパッドDPの角に接続しており、他端が封止樹脂MDRの端面に位置している。例えばダイパッドDPの平面形状が矩形である場合、吊りリードLD3はダイパッドDPの4つの角それぞれに設けられている。
基板電位用リード端子LD4は、一端がダイパッドDPに接続しており、他端が封止樹脂MDRの外に位置しており、外部接続用の端子になっている。基板電位用リード端子LD4はダイパッドDPに基準電位を印加するための端子である。また、基板電位用リード端子LD4は、ダイパッドDPの4つの辺のうちリード端子LD1及びリード端子LD2のいずれも対向していない2つの辺に設けられている。基板電位用リード端子LD4は、これら2つの辺のそれぞれの中央に接続している。このようにすると、リード端子LD1,LD2から基板電位用リード端子LD4にノイズが伝播することを抑制できる。なお、基板電位用リード端子LD4の数は本図に示す例に限定されない。例えば基板電位用リード端子LD4の数を増やすと、基板SUBの半導体基板BSBの電位は安定し、後述するノイズの伝達抑制効果は大きくなる。
なお、ダイパッドDPを基準とした場合、基板電位用リード端子LD4が有する外部接続用の端子は、リード端子LD1,LD2が有する外部接続用の端子と同一の高さに位置しているのが好ましい。
図4は、半導体チップSCの構造を説明するための断面図である。半導体チップSCは、基板SUBを用いて形成されている。基板SUBは、SOI基板など、半導体基板BSBの上に埋込絶縁層INL及び第1導電型(例えばp型)の半導体層SLをこの順に形成した構造を有している。半導体基板BSBの厚さは、例えば100μm以下、好ましくは50μm以下である。また半導体基板BSBの厚さは、後述する第1ウェルWEL1と第2ウェルWEL2の間の幅より小さくなるように薄くなっている。
半導体基板BSBには、ダイパッドDP及び基板電位用リード端子LD4を介して固定電位が印加されている。この固定電位は、後述する第1電位及び第2電位とは異なる経路で半導体チップSCに印加される。すなわち半導体基板BSBは、第1電極パッドPAD1(後述)及び第2電極パッドPAD2(後述)には電気的に接続していない。また、基板SUB上には多層配線層MINCが形成されている。最上層の配線層には、電極パッドが形成されている。これら電極パッドには、ボンディングワイヤWIRが接続している。
半導体チップSCは、第1回路CIR1及び第2回路CIR2を有している。第1回路CIR1は埋込絶縁層INL上の半導体層SLの第1回路形成領域AR1を用いて形成されており、第2回路CIR2は埋込絶縁層INL上の半導体層SLの第2回路形成領域AR2を用いて形成されている。
第1回路CIR1は、第2導電型(例えばn型)のトランジスタTR1及び第1導電型のトランジスタTR3を有している。トランジスタTR1は半導体層SLの第1ウェルWEL1を用いて形成されており、トランジスタTR3は半導体層SLの第3ウェルWEL3を用いて形成されている。第1ウェルWEL1は第1導電型であり、第3ウェルWEL3は第2導電型である。
第1ウェルWEL1は、拡散層DFL1並びにコンタクト、ビア、及び配線を介して、第1電極パッドPAD1に接続している。第1ウェルWEL1は半導体層SLと同じ導電型を有しているため、第1回路形成領域AR1に位置する半導体層SLには、第1ウェルWEL1及び第1電極パッドPAD1を介して、第1回路の基準電位(第1電位)が印加される。
また第3ウェルWEL3は、拡散層DFL3並びにコンタクト、ビア、及び配線を介して第3電極パッドPAD3に接続している。第3電極パッドPAD3には、第1回路の電源電位が印加される。
第2回路CIR2は、第2導電型のトランジスタTR2及び第1導電型のトランジスタTR4を有している。トランジスタTR2は半導体層SLの第2ウェルWEL2を用いて形成されており、トランジスタTR4は半導体層SLの第4ウェルWEL4を用いて形成されている。第2ウェルWEL2は第1導電型であり、第4ウェルWEL4は第2導電型である。
第2ウェルWEL2は、拡散層DFL2並びにコンタクト、ビア、及び配線を介して、第2電極パッドPAD2に接続している。第2ウェルWEL2は半導体層SLと同じ導電型を有しているため、第2回路形成領域AR2に位置する半導体層SLには、第2ウェルWEL2及び第2電極パッドPAD2を介して、第2回路の基準電位(第2電位)が印加される。
また第4ウェルWEL4は、拡散層DFL4並びにコンタクト、ビア、及び配線を介して第4電極パッドPAD4に接続している。第4電極パッドPAD4には、第2回路の電源電位が印加される。
なお、半導体基板BSBの厚さは、第1ウェルWEL1と第2ウェルWEL2の間隔、すなわちこれらの間に位置する領域の幅Wより小さい。半導体基板BSBの厚さは、幅Wの最小値よりも小さいのが好ましい。このように、本実施形態では、半導体基板BSBの厚さは薄く構成される。そしてこれにより、半導体基板BSBを介して第1ウェルWEL1と第2ウェルWEL2の間でノイズが伝播する前に、半導体基板BSBの外にノイズが逃げる。
また、第1電極パッドPAD1、第2電極パッドPAD2、第3電極パッドPAD3、及び第4電極パッドPAD4は、半導体装置SD内では互いに絶縁している。また、第1ウェルWEL1及び第2ウェルWEL2は形成されていなくても良い。
半導体層SLのうち第1回路形成領域AR1と第2回路形成領域AR2の間の領域(インダクタ形成領域AR3)には、分離用絶縁層SIEが形成されている。分離用絶縁層SIEは、上端が半導体層SLの上面に位置しており、下端が埋込絶縁層INLに達している。このため、半導体層SLのうち第1回路形成領域AR1と第2回路形成領域AR2は、分離用絶縁層SIEおよび埋込絶縁層INLによって互いに絶縁されるともに、互いに分離されている。このため、第1回路CIR1の基準電位である第1電位と第2回路CIR2の基準電位である第2電位の差が大きく(例えば100V以上)ても、第1回路CIR1と第2回路CIR2とがショートしない。本図に示す例では、分離用絶縁層SIEは、インダクタ形成領域AR3と第1回路形成領域AR1の間、及びインダクタ形成領域AR3と第2回路形成領域AR2の間のそれぞれに設けられている。
そして、多層配線層MINCのうちインダクタ形成領域AR3の上に位置する部分には、第1インダクタIND1及び第2インダクタIND2が形成されている。第1インダクタIND1及び第2インダクタIND2は、互いに異なる配線層に位置しており、平面視で互いに重なっている。本図に示す例において、第1インダクタIND1は最も下の配線層に形成されており、第2インダクタIND2は最上層の配線層に位置している。ただし、第1インダクタIND1及び第2インダクタIND2は、これら以外の配線層に形成されていても良い。また、インダクタの構造は、本実施の形態に限定されるものでないことは勿論である。
第1インダクタIND1は第1回路CIR1及び第2回路CIR2の一方に接続しており、第2インダクタIND2は第1回路CIR1及び第2回路CIR2の他方に接続している。そして第1回路CIR1及び第2回路CIR2の間の信号の伝達は、第1インダクタIND1及び第2インダクタIND2を介して行われる。なお、第1インダクタIND1及び第2インダクタIND2は、互いに誘導結合してもよいし、容量結合しても良い。
図5は、図4の変形例を示す断面図である。本図に示す例では、分離用絶縁層SIEは、インダクタ形成領域AR3と第1回路形成領域AR1の間、及びインダクタ形成領域AR3と第2回路形成領域AR2の間のいずれか一方に設けられている。
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。上記したように、第1回路CIR1の基準電位(第1電位)及び第2回路CIR2の基準電位(第2電位)は互いに異なる。以下の説明では、第1電位が第2電位よりも大きいとする。第1回路CIR1の第1電極パッドPAD1にノイズが入った場合を考える。第1電極パッドPAD1に印加されている第1電位は大きいため、第1電極パッドPAD1に入ってくるノイズの絶対値は大きい場合がある。このため、一般的な回路のように、第1電極パッドPAD1及び第2電極パッドPAD2の一方を電気的に半導体基板BSBに接続しておくと、第1電極パッドPAD1に入ってきたノイズは、半導体基板BSBを介して半導体層SLの第2回路形成領域AR2に伝播する可能性が出てくる。
これに対して本実施形態では、第1電極パッドPAD1及び第2電極パッドPAD2のいずれも、半導体基板BSBには電気的に接続していない。従って、上記した問題が生じることを抑制できる。
また、第1電極パッドPAD1に入ってくるノイズの絶対値は大きい場合、半導体層SLのうち第1回路形成領域AR1の電位がノイズによって揺らぐと、その揺らぎが埋込絶縁層INLを介して半導体基板BSBの電位にも伝播する恐れがある。半導体基板BSBの電位が揺らぐと、さらに半導体層SLの第2回路形成領域AR2の電位も揺らぎ、第2回路CIR2が誤動作する可能性が出てくる。このような問題は、第1電位と第2電位の差が大きくなるにつれて、顕著になる。
これに対して本実施形態では、半導体基板BSBには、ダイパッドDP及び基板電位用リード端子LD4を介して電位が印加される。従って、第1回路形成領域AR1に入力されたノイズが半導体基板BSBに伝播しても、半導体基板BSBの電位が揺らぐことを抑制できる。従って、第2回路形成領域AR2にノイズが伝播することを抑制できる。
また本実施形態では、半導体基板BSBは薄い。従って、第1回路形成領域AR1から半導体基板BSBにノイズが伝播してきても、そのノイズは半導体基板BSB内を伝播しにくい。従って、第2回路形成領域AR2にノイズが伝播することをさらに抑制できる。
(第2の実施形態)
図6は、第2の実施形態に係る半導体装置SDの構成を示す平面図である。図7は、図6のA−A´断面図である。本実施形態に係る半導体装置SDは、以下の点を除いて第1の実施形態に係る半導体装置SDと同様の構成である。
まず、リードフレームには基板電位用リード端子LD4が設けられていない。その代わりに、ダイパッドDPのうち半導体チップSCが搭載されている面とは逆側の面は、封止樹脂MDRから露出している。すなわち本実施形態においては、ダイパッドDPが電位伝達部になっており、半導体チップSCの半導体基板BSBには、ダイパッドDPの裏面を介して固定電位が印加される。なお、ダイパッドDPと半導体チップSCの電極パッドを接続するボンディングワイヤは設けられていない。このため、半導体基板BSBには、半導体チップSCの第1電位及び第2電位とは異なるルートで電位が印加されることになる。
本実施形態によっても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第3の実施形態)
図8は、第3の実施形態に係る半導体装置SDの構成を示す平面図である。図9は、図8のA−A´断面図である。本実施形態に係る半導体装置SDは、基板電位用リード端子LD4を有していない点を除いて、第1の実施形態に係る半導体装置SDと同様の構成である。このため、本実施形態では、ダイパッドDP及び半導体基板BSBはフローティングになる。
本実施形態によっても、第1電極パッドPAD1及び第2電極パッドPAD2のいずれも、電気的に半導体基板BSBに接続していない。従って、第1電極パッドPAD1に入ってきたノイズは、半導体基板BSBを介して半導体層SLの第2回路形成領域AR2に伝播する可能性を低くできる。
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いうまでもない。そして、上述の実施の形態によれば、基準電位の差が大きい2つの回路を、一つのSOI基板を用いて構成した半導体装置において、半導体基板を介して、第1回路から第2回路にノイズが伝播することを抑制できる。
AR1 第1回路形成領域
AR2 第2回路形成領域
AR3 インダクタ形成領域
BSB 半導体基板
CIR1 第1回路
CIR2 第2回路
DP ダイパッド
IND1 第1インダクタ
IND2 第2インダクタ
INL 埋込絶縁層
LD1 リード端子
LD2 リード端子
LD3 リード
LD4 基板電位用リード端子
MDR 封止樹脂
MINC 多層配線層
PAD1 第1電極パッド
PAD2 第2電極パッド
PAD3 第3電極パッド
PAD4 第4電極パッド
SC 半導体チップ
SD 半導体装置
SIE 分離用絶縁層
SL 半導体層
SUB 基板
TR1 トランジスタ
TR2 トランジスタ
TR3 トランジスタ
TR4 トランジスタ
WEL1 第1ウェル
WEL2 第2ウェル
WEL3 第3ウェル
WEL4 第4ウェル
WIR ボンディングワイヤ

Claims (5)

  1. 第1主面を有する基板搭載部材と、
    前記基板搭載部材から離間した第1リードと、
    前記基板搭載部材から離間した第2リードと、
    第1端及び前記第1端の反対側の第2端を有する導通部材と、
    第1面を有し、前記第1面が前記第1主面に対向するように前記基板搭載部材に搭載された半導体チップと、
    前記半導体チップを封止する封止樹脂と、
    を備え、
    前記半導体チップは、
    前記第1面を有する半導体基板、前記半導体基板上に形成された埋込絶縁層、及び前記埋込絶縁層上に形成された半導体層を有する基板と、
    前記半導体層に前記埋込絶縁層に達するように埋め込まれ、前記半導体層の第1回路形成領域と第2回路形成領域との間を絶縁する分離用絶縁層と、
    前記第1回路形成領域を用いて形成された第1回路と、
    前記第2回路形成領域を用いて形成された第2回路と、
    前記第1回路形成領域に接続する第1電極パッドと、
    前記第2回路形成領域に接続する第2電極パッドと、
    を備え、
    前記半導体基板は、前記基板搭載部材に電気的に接続し、
    前記第1電極パッドは、前記第1リードに電気的に接続し、
    前記第2電極パッドは、前記第2リードに電気的に接続し、
    前記導通部材の前記第1端は、前記基板搭載部材に接続し、
    前記導通部材の前記第2端は、前記封止樹脂の外側にあり、
    前記第1リードには、前記半導体チップ及び前記第1リードの外部から第1電位が与えられ、
    前記第2リードには、前記半導体チップ及び前記第2リードの外部から第2電位が与えられ、
    前記導通部材には、前記半導体チップ及び前記導通部材の外部から第3電位が与えられ、
    前記第1電位は、前記第1回路の基準電位であり、
    前記第2電位は、前記第2回路の基準電位であり、
    前記第3電位は、前記第1電位及び前記第2電位のいずれとも異なる固定電位である半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第1回路形成領域に形成された第1ウェルと、
    前記第2回路形成領域に形成された第2ウェルと、
    を備え、
    前記半導体基板の厚さは前記第1ウェルと前記第2ウェルの間の距離よりも小さい半導体装置。
  3. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記半導体基板の厚さは100μm以下である半導体装置。
  4. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第1電極パッドに印加される第1電位と前記第2電極パッドに印加される第2電位の差は100V以上である半導体装置。
  5. 請求項4に記載の半導体装置において、
    前記第1回路に接続している第1インダクタと、
    前記第2回路に接続しており、且つ前記第1インダクタに対向している第2インダクタと、
    を備える半導体装置。
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