JP6539225B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

車両の電子制御において、機械運転や油圧制御などで電動アクチュエータが広く使用されている。電動アクチュエータでは半導体を用いたスイッチング素子で駆動電流が制御される。これらの半導体装置は製造コスト低減を目的として微細化が進んでいるが、電動アクチュエータの制御には高電流を流す必要があり、半導体装置の縮小化に伴い電流密度が増加する。

また、車載半導体はエンジンルーム内等の150℃を超える高温環境下で使用される場合がある。このような高温環境下において、半導体装置内のトランジスタ、ダイオード、抵抗などの素子を接続する金属配線に高電流を流すと、エレクトロマイグレーションにより抵抗増加や断線に至る場合がある。

エレクトロマイグレーションによりIC内の配線が高抵抗化、断線または短絡を起こすと、ECU、アクチュエータ等が誤動作し、信頼性不良を引き起こす。そのため、IC設計において、エレクトロマイグレーション耐性を十分確保する必要がある。エレクトロマイグレーション対策には、半導体装置の金属配線の電流密度を増加させないことが必要である。

高耐圧トランジスタの配線に関し、単層で配線寿命を満足させ、かつチップ面積の増加を最小限に抑えることができる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、「電源供給配線及び前記出力信号配線の一方の線幅が次第に広くなり、他方の線幅が次第に狭くなる階段状に形成され、互いの階段状の段差が組み合わされている」と記載されている（請求項４参照）。

また、配線のコーナー部における電流密度低減に関し、ボイドの発生を抑制でき、配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる技術が知られている（例えば、特許文献２参照)。特許文献2には、「ボンディングパッドに向かって徐々に幅広くなるテーパー形状を有することを特徴とする半導体装置」と記載されている（請求項１参照）。

特開2000-252367号公報 特開平06-077224号公報

特許文献１に開示されるような技術では、配線上にビア（上層配線に接続するビア等）を配置する場合、ビアの設置面積を確保しにくい。

一方、特許文献２に開示されるような技術では、後述するように、配線の凹部において電流密度が高くなる。そのため、配線のエレクトロマイグレーション耐性が低下するおそれがある。

本発明の目的は、ビアの設置面積を確保しつつ、配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、第１の配線幅の第１の領域、前記第１の配線幅より大きい第２の配線幅の第２の領域、及び前記第１の領域と前記第２の領域を繋ぐ第３の領域を含む配線を備える半導体装置であって、前記半導体装置の中心側の前記第３の領域のエッジを示す傾斜エッジは、隣接する前記第１の領域のエッジに接続される第１の曲線を含み、前記第１の曲線の第１の接線と前記第１の領域から前記第２の領域へ向かう方向とのなす第１の角は、前記第１の曲線と前記第１の接線の接点が前記第１の領域に近づくにつれて小さくなり、前記傾斜エッジは、前記傾斜エッジの両端を通り、隣接する前記第1の領域のエッジに接線連続な円弧よりも外側に位置する。

本発明によれば、ビアの設置面積を確保しつつ、配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１の比較例である半導体装置を示す平面図である。 第２の比較例である半導体装置に用いられる配線を示す平面図である。 図２に示す配線における電流の流れの説明図である。 第３の比較例である半導体装置に用いられる配線を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態による半導体装置に用いられる配線を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例による半導体装置に用いられる配線を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態による半導体装置に用いられる配線を示す平面図である。 傾斜部を１個の円弧で形成した例（第３の比較例）における配線幅、ビアサイズを示す図である。 傾斜部を２個の円弧により形成した例（第２の実施形態）における配線幅、ビアサイズを示す図である。 傾斜部を正弦曲線で形成した例（第１の実施形態）における配線幅、ビアサイズを示す図である。 図８Ａ〜図８Ｃのビア端からの距離に応じた配線幅を示す図である。 図８Ａ〜図８Ｃのビア端からの距離に応じた電流密度を示す図である。 変形例を示す図である。

以下、図面を用いて、本発明の第１〜第２の実施形態による半導体装置の構成及び作用効果について説明する。

（第１の比較例）
初めに、本発明の第１〜第２の実施形態による半導体装置との第1の比較例として、図１にトランジスタ上の金属配線の電流密度増加を抑制する配線の例を示す。図１は、第１の比較例である半導体装置１００Ｐを示す平面図（上面図）である。

トランジスタ1の各端子４（コンタクト）を接続する配線３０及び配線３１を流れる電流２は、ソースビア５１及びドレインビア５２に近いほど大きく（高く）なる。本比較例では、電流密度が高くなる箇所ができないよう、ドレインビアまたはソースビアに近いほど配線幅を広くするように配線幅を徐々に変えている。

しかし、図１において、ソースビア５１をｙ軸正方向に拡張し、ドレインビア５２をｙ軸負方向に拡張しようとすると配線３０又は配線３１の傾斜部（傾斜領域）をはみ出してしまうおそれがある。

（第２の比較例）
次に、第２の比較例として、図２に配線幅が変化する配線３４、３５のみを示す。図２は、第２の比較例である半導体装置１００Ｑに用いられる配線３４、３５を示す平面図である。

図２では、図１の第１の比較例と対比して、ソースビア５１をｙ軸正方向に拡張し、ドレインビア５２をｙ軸負方向に拡張しやすい。

図２に示すように、細い配線から太くなる配線は傾斜部Ｃ（傾斜領域）をもつ。配線３４、３５において、傾斜部Ｃの配線幅が細い側の端部Ａでは凹形状になる。

このような配線傾斜部をもつ配線における電流の流れを図３に示す。図３の矢印は電流の流線を表している。図３に示すように、配線が凹になる箇所Ａにおいては、電流密度が高くなり、凸部になるＢは電流密度が低くなる。このため、図３のＡにおける電流密度がエレクトロマイグレーション寿命から要求される電流密度上限値を超えないようにする必要がある。

（第３の比較例）
図４は、第３の比較例である半導体装置１００Ｒに用いられる配線３６、３７を示す平面図である。

図４では、図２の第２の比較例と対比して、配線傾斜部の配線幅を徐々に広くすることによりコーナー部Ａの電流密度を低減できる。

しかし、図４に示すように、このような配線形状をトランジスタ上に対向して配置される配線３６、３７に適用した場合、対向する配線間のスペースＳ１が広くなり、配線幅Ｗ１が狭くなる。配線幅Ｗ１が狭くなる傾斜部Ｃの中央付近は、上層配線への接続ビアＶ1及び、図示していない下層配線への接続ビアを配置できる面積が小さくなる。また、配線幅が狭くなることにより、傾斜部Ｃの中央付近は電流密度が高くなる。

（第１の実施形態）
図５は、本発明の第１の実施形態による半導体装置１００Ａに用いられる配線３２、３３を示す平面図である。図５に示すように、配線３３の傾斜領域Ｃ（傾斜部）を、配線幅が細い側の端部(図中Ａ)において配線端縁部Ｅ４に接し、太い側の端部(図中Ｂ)で配線端縁部Ｅ５に接する略正弦曲線Ｃ２とする。Ｂ側の端部は対抗する配線３２のＡとのスペースが一定となるよう、配線形状を決める。配線３２の傾斜部Ｃ４は配線３３の傾斜形状（略正弦曲線Ｃ２）を１８０度回転させた形状である。これにより、傾斜部の幅が狭くならない。

換言すれば、半導体装置１００Ａは、図５に示すように、トランジスタ１（図１参照）が有する特性の異なる端子４（例えば、ソース用端子、ドレイン用端子等）がそれぞれ接続される複数の配線３２、３３を有する。複数の配線３２、３３が端縁部同士を対向させて所定の配線方向ｄｉｒ（長手方向）に沿って配置される。

配線３２、３３は配線方向ｄｉｒに対して配線幅が変化する。配線３２、３３の端縁部は、配線方向ｄｉｒに対して傾斜する傾斜領域Ｃを有する。傾斜領域Ｃは、傾斜領域Ｃにおける配線方向ｄｉｒの両端部Ｃｅ側ほど、傾斜領域Ｃの配線方向ｄｉｒの中間部Ｃｃ側よりも、前記配線方向ｄｉｒに対する傾斜が小さくなるように形成される。これにより、配線３２、３３の電流密度が小さくなる。そのため、配線３２、３３のエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。

詳細には、端縁部同士を対向させる配線３２、３３は、それぞれ、第１の配線幅ｄ１の第１の領域Ａｒ１、第１の配線幅ｄ１より大きい第２の配線幅ｄ２の第２の領域Ａｒ２、及び第１の領域Ａｒ１と第２の領域Ａｒ２を繋ぐ第３の領域Ａｒ３を含む。傾斜領域Ｃは、隣接する第１の領域Ａｒ１のエッジに接続される第１の曲線と、隣接する第２の領域Ａｒ２のエッジに接続される第２の曲線を含む。本実施形態では、第１の曲線及び第２の曲線は、１つの正弦曲線である。

第１の曲線は、隣接する第１の領域Ａｒ１のエッジと接線連続（Ｇ１連続）であり、第２の曲線は、隣接する第２の領域Ａｒ２のエッジと接線連続である。接線連続の代わりに曲率連続（Ｇ２連続）としてもよい。

本実施形態では、傾斜領域Ｃは、傾斜領域Ｃの中央に関し点対称である。また、端縁部同士を対向させる配線３２、３３は、点対象になるように配置される。これにより、配線３２と配線３３の隙間を小さくすることができ、配線幅を広くすることができる。

なお、端部Ａ、Ｂ付近のみを略正弦曲線とし、傾斜部中央付近はこれらの略正弦曲線と接する直線としても良い。

（変形例）
図６は、本発明の第１の実施形態の変形例による半導体装置１００Ａ１に用いられる配線を示す平面図である。

本変形例では、傾斜領域Ｃにおいて配線方向ｄｉｒの中間部Ｃｃ側から配線方向ｄｉｒの配線幅が太い側は略直線Ｌで形成される点が第１の実施形態と異なる。凸部になるＢは凹部になるＡに比べてもともと電流密度が低いため略直線Ｌで代替できる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態による半導体装置１００Ｂに用いられる配線３８、３９を示す平面図である。図７に示すように、配線３９の傾斜領域Ｃ（傾斜部）を、２個の略円弧Ｃ３、Ｃ４により構成する。

1つめの円弧Ｃ３は、配線幅が細い側の端部(図中Ａ)から傾斜部の中央までで、Ａ点で細い側の配線端縁部Ｅ４に接する略円弧とする。２つめの円弧Ｃ４は、傾斜領域Ｃ（傾斜部）の中央から太い側の端部Ｂまでで、対抗する配線形状Ｅ５に合わせた略円弧とする。配線３８の傾斜部は配線３９の傾斜部Ｃ（傾斜領域）を１８０度回転させた形状である。

換言すれば、第１の領域Ａｒ１側の傾斜領域Ｃ（第１の曲線）は、円弧Ｃ３（第１の円弧）であり、第２の領域Ａｒ２側の傾斜領域Ｃ（第２の曲線）は、円弧Ｃ４（第２の円弧）である。これにより、第３の領域Ａｒ３の配線幅が広くなり電流密度が小さくなる。その結果、エレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。

（各実施形態の効果）
以下に、第１の実施形態及び第２の実施形態の効果をさらに説明する。

図８Ａは、傾斜部を１個の円弧で形成した例（第３の比較例）であり、図８Ｂは傾斜部を２個の円弧により形成した例（第２の実施形態）であり、図８Ｃは傾斜部を正弦曲線で形成した例（第１の実施形態）である。図８Ａ〜図８Ｃにおいて、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は上層配線と接続するビアを示し、Ｖ１０、Ｖ２０、Ｖ３０はそれぞれのビアのｙ軸方向の幅を示す。Ｖ２０及びＶ３０は、Ｖ１０よりも大きい。

図９に図８Ａ〜図８Ｃのそれぞれの配線幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３のビアＶ１、Ｖ２、Ｖ３からの距離依存性を示す。また、図１０に各配線の電流密度の計算値を示す。

傾斜部を1個の円弧で形成した場合と比較し、２個の円弧、正弦曲線の場合では、傾斜部の配線幅が広いため、電流密度の上昇が抑制される。特に、正弦曲線は1個の円弧の形状の場合と比較し、電流密度の最大値が約５％低減した。この場合、エレクトロマイグレーション寿命は約８％改善する。

また、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、当該配線上と上層配線を接続するビアの面積は、傾斜部が正弦曲線または２つの円弧からなる場合には広くできる。これにより、上層配線と接続するビアの電気抵抗を低減できる。さらに、トランジスタから配線上部への熱伝導率が大きくなるため、自己発熱によるトランジスタ破壊に耐性が向上する。

以上説明したように、各実施形態によれば、ビアの設置面積を確保しつつ、配線のエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。

特に、トランジスタ上に対向して配置された配線で、電流が流れる方向に対し、配線端縁部の形状が傾斜する配線において、傾斜部の配線幅を狭くすることなく、傾斜領域端部の電流密度の増加を抑制することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

上記実施形態において、傾斜領域Ｃは、製造上、複数の短い線分の集合で構成されてもよい。

上記実施形態において、傾斜領域Ｃを構成する第１の曲線及び第２の曲線は、円弧及び正弦曲線の任意の組合せであってもよい。

相補的にオン／オフするハイサイドトランジスタとローサイドトランジスタが直列接続される構成では、例えば、図１１に示すように、トランジスタ上の同一面に３つ配線が設けられてもよい。

また、誘導性負荷を駆動するためのスイッチング素子を備え、スイッチング素子の制御端子に電圧を印加して、誘導性負荷への通電電流を制御する負荷駆動装置において、スイッチング素子は、上記実施時形態又は変形例のいずれかに記載の半導体装置であるようにしてもよい。

なお、本発明の実施形態は、以下の態様であってもよい。

（１）第１の配線幅の第１の領域、前記第１の配線幅より大きい第２の配線幅の第２の領域、及び前記第１の領域と前記第２の領域を繋ぐ第３の領域を含む配線を備える半導体装置であって、前記半導体装置の中心側の前記第３の領域のエッジを示す傾斜エッジは、隣接する前記第１の領域のエッジに接続される第１の曲線を含み、前記第１の曲線の第１の接線と前記第１の領域から前記第２の領域へ向かう方向とのなす第１の角は、前記第１の曲線と前記第１の接線の接点が前記第１の領域に近づくにつれて小さくなり、前記傾斜エッジは、前記傾斜エッジの両端を通り、隣接する前記第1の領域のエッジに接線連続な円弧よりも外側に位置することを特徴とする半導体装置。

（２）（１）に記載の半導体装置であって、前記傾斜エッジは、隣接する前記第２の領域のエッジに接続される第２の曲線を含み、前記第２の曲線の第２の接線と前記第１の領域から前記第２の領域へ向かう方向とのなす第２の角は、前記第２の曲線と前記第２の接線の接点が前記第２の領域に近づくにつれて小さくなることを特徴とする半導体装置。

（３）（２）に記載の半導体装置であって、前記第１の曲線及び前記第２の曲線は、１つの正弦曲線であることを特徴とする半導体装置。

（４）（２）に記載の半導体装置であって、前記第１の曲線は、第１の円弧であり、前記第２の曲線は、第２の円弧であることを特徴とする半導体装置。

（５）（２）に記載の半導体装置であって、前記第１の曲線は、隣接する前記第１の領域のエッジと接線連続であり、前記第２の曲線は、隣接する前記第２の領域のエッジと接線連続であることを特徴とする半導体装置。

（６）（２）に記載の半導体装置であって、前記傾斜エッジは、前記傾斜エッジの中央に関し点対称であることを特徴とする半導体装置。

（７）（６）に記載の半導体装置であって、前記配線は、２つあり、一方の配線は他方の配線と点対象になるように配置されることを特徴とする半導体装置。

（８）（１）に記載の半導体装置であって、前記傾斜エッジは、隣接する前記第２の領域のエッジに接続される直線を含むことを特徴とする半導体装置。

（９）（１）に記載の半導体装置であって、前記第３の領域は、前記傾斜エッジの両端を通る直線を超えることを特徴とする半導体装置。

（１０）（１）に記載の半導体装置であって、前記傾斜エッジは、線分の集合で構成されることを特徴とする半導体装置。

３２、３３…対向するトランジスタ上の配線、傾斜部は略正弦曲線
Ａ…配線傾斜部の細い側の端、凹部
Ｂ…配線傾斜部の太い側の端、凸部
Ｃ…配線傾斜部
１…トランジスタ
２…電流
３０…ソース配線
３１…ドレイン配線
４…トランジスタと３０または３１を接続するコンタクト
５１…配線３０と上層配線を接続するソースビア
５２…配線３１と上層配線を接続するドレインビア
３４、３５…対向するトランジスタ上の配線、傾斜部は直線
３６、３７…対向するトランジスタ上の配線、傾斜部は１個の略円弧
Ｓ1…配線３６と配線３７のスペース
Ｗ１…配線３６、３７の配線幅
Ｃ1…傾斜部を形成する略円弧
Ｃ２…傾斜部を形成する略正弦曲線
３８、３９…対向するトランジスタ上の配線、傾斜部は２個の略円弧
Ｃ３…傾斜部を形成する略円弧、配線細い側
Ｃ４…傾斜部を形成する略円弧、配線太い側
Ｗ２…配線３８、３９の配線幅
Ｗ３…配線３２、３３の配線幅
Ｅ４…配線の細い側の端縁部
Ｅ５…配線の太い側の端縁部
６１、６２、６３…配線

Claims (10)

1. トランジスタが有する特性の異なる端子がそれぞれ接続される複数の配線を有し、該複数の配線が端縁部同士を対向させて所定の配線方向に沿って配置され、かつ、該複数の配線が上層配線または下層配線と接続するビアを有する半導体装置であって、
   前記配線は前記配線方向に対して配線幅が変化し、
   前記配線の端縁部は、前記配線方向に対して傾斜する傾斜領域を有し、
   前記傾斜領域は、該傾斜領域における前記配線方向の両端部側ほど
   前記傾斜領域の前記配線方向の中間部側よりも、前記配線方向に対する傾斜が小さくなるように形成される
   ことを特徴とする半導体装置。
2. トランジスタが有する特性の異なる端子がそれぞれ接続される複数の配線を有し、該複数の配線が端縁部同士を対向させて所定の配線方向に沿って配置され、かつ、該複数の配線が上層配線または下層配線と接続するビアを有する半導体装置であって、
   前記配線は前記配線方向に対して配線幅が変化し、
   前記配線の端縁部は、前記配線方向に対して傾斜する傾斜領域を有し、
   前記傾斜領域は、該傾斜領域における前記配線方向の配線幅が細い側ほど
   前記傾斜領域の前記配線方向の中間部側よりも前記配線方向に対する傾斜が小さくなるように形成され、
   前記配線方向の中間部側から前記配線方向の配線幅が太い側は略直線で形成される
   ことを特徴とする半導体装置。
3. 誘導性負荷を駆動するためのスイッチング素子を備え、前記スイッチング素子の制御端子に電圧を印加して、前記誘導性負荷への通電電流を制御する負荷駆動装置において、
   前記スイッチング素子は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置であることを特徴とする負荷駆動装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記複数の配線のうち前記端縁部同士を対向させる配線は、それぞれ、
   第１の配線幅の第１の領域、前記第１の配線幅より大きい第２の配線幅の第２の領域、及び前記第１の領域と前記第２の領域を繋ぐ第３の領域を含み、
   前記傾斜領域は、
   隣接する前記第１の領域のエッジに接続される第１の曲線と、隣接する前記第２の領域のエッジに接続される第２の曲線を含む
   ことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置であって、
   前記第１の曲線及び前記第２の曲線は、
   １つの正弦曲線である
   ことを特徴とする半導体装置。
6. 請求項４に記載の半導体装置であって、
   前記第１の曲線は、
   第１の円弧であり、
   前記第２の曲線は、
   第２の円弧である
   ことを特徴とする半導体装置。
7. 請求項４に記載の半導体装置であって、
   前記第１の曲線は、
   隣接する前記第１の領域のエッジと接線連続であり、
   前記第２の曲線は、
   隣接する前記第２の領域のエッジと接線連続である
   ことを特徴とする半導体装置。
8. 請求項４に記載の半導体装置であって、
   前記傾斜領域は、
   前記傾斜領域の中央に関し点対称である
   ことを特徴とする半導体装置。
9. 請求項６に記載の半導体装置であって、
   前記複数の配線のうち前記端縁部同士を対向させる配線は、
   点対象になるように配置される
   ことを特徴とする半導体装置。
10. 請求項１に記載の半導体装置であって、
    前記傾斜領域は、
    線分の集合で構成される
    ことを特徴とする半導体装置。

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