JPWO2017033642A1 - 半導体装置、半導体集積回路、及び負荷駆動装置 - Google Patents

半導体装置、半導体集積回路、及び負荷駆動装置 Download PDF

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Abstract

２次元に拡がって配置されたトランジスタの全域で電流密度を均一にできない欠点がある。ドレインとソースとゲートとを有するトランジスタ１が多数並列に配置されたトランジスタ層の上に、各トランジスタ１のドレインが接続される入力側配線層であるメタル配線層１０と各トランジスタのソースが接続される出力側配線層であるメタル配線層１１とが並設されている。更に、入力側配線層であるメタル配線層１０と各トランジスタのドレインとを接続し、出力側配線層であるメタル配線層１１と各トランジスタのソースとを接続する複数のスルーホール２、３を備える。そして、複数のスルーホール２、３の抵抗値を、入力側配線層及び出力側配線層の並び方向に沿って変える。これにより、２次元に拡がって配置されたトランジスタの電流密度を均一にすることができる。

Description

本発明は、半導体装置、半導体集積回路、及び負荷駆動装置に関する。
車両の電子制御において、負荷を駆動する負荷駆動装置が広く使用されている。この負荷駆動装置は、スイッチング素子をＯＮ/ＯＦＦ制御するもので、スイッチング素子として使用されるトランジスタには大電流が流れる。そして、トランジスタは集積回路化されており、多数のトランジスタが密に並び、個々のトランジスタのドレインがドレイン用パッドに共通に接続され、且つ、個々のトランジスタのソースがソース用パッドに共通に接続されている。
一方、負荷駆動装置のコストの低減のためには、トランジスタのサイズを縮小することが求められる。しかし、トランジスタの縮小により、個々のトランジスタを接続するメタル配線層の電流密度が高くなり、メタル配線層の電流密度が高い個所がエレクトロマイグレーションにより劣化することが懸念される。したがって、トランジスタ上の電流密度を均一にする必要がある。このような電流密度の均一化を目的とした、特許文献１に記載された技術がある。特許文献１に記載の半導体装置は、各トランジスタのドレイン端子と第１の導電体層とを接続するドレイン用スルーホールを有する。更に、各トランジスタのソース端子と第２の導電体層とを接続するソース用スルーホールを有する。そして、このソース用スルーホール及びドレイン用スルーホールの配置分布を、ソース用パッド及びドレイン用パッドからの距離に応じて変えている。
特開２００６−２７８６７７号公報
上述した、特許文献１に記載の方法では、第１の導電体層と第２の導電体層が対向する境界付近の領域で電流密度が高くなり、２次元に拡がって配置されたトランジスタの全域で電流密度を均一にできない欠点がある。
本発明による半導体装置は、入力部と出力部と制御部とをそれぞれ有する複数のトランジスタが２次元状に配置されたトランジスタ層と、入力端子および出力端子に接続され、複数のトランジスタの入力部を入力端子に電気的に接続し、出力部を出力端子に電気的に接続するための複数の配線層と、複数の配線層およびトランジスタ層の間をそれぞれ接続する複数の層間接続導体群と、を備え、複数の配線層は、入力端子に接続された少なくとも１つの入力側配線層と出力端子に接続された少なくとも１つの出力側配線層とが所定の配列方向に沿って配列された第１配線層を有し、複数の層間接続導体群の抵抗値は、配列方向の位置に応じて互いに異なる。
本発明による半導体集積回路は、半導体装置を少なくとも一つ、同一の半導体チップに実装したものである。
本発明による負荷駆動装置は、半導体装置をスイッチング素子として、スイッチング素子の制御部に電圧を印加して、スイッチング素子に接続された負荷を駆動する。
本発明によれば、２次元に拡がって配置されたトランジスタの電流密度を均一にすることができる。
半導体装置の平面図である。 図１の半導体装置のＡ−Ａ’の断面図である。 図１の半導体装置のＢ−Ｂ’の断面図である。 メタル配線層とスルーホールの等価回路である。 実施形態と比較するための半導体装置の平面図である。 図５の半導体装置のＥ−Ｅ’の断面図である。 図５の半導体装置のＦ−Ｆ’の断面図である。 第２の実施形態における半導体装置の平面図である。 図８の半導体装置のＪ−Ｊ’の断面図である。 図８の半導体装置のＫ−Ｋ’の断面図である。 第３の実施形態における半導体装置の平面図である。 負荷駆動装置の回路構成を示す図である。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。
図１は第１の実施形態における半導体装置の平面図である。図１の半導体装置では、トランジスタ層１の上に複数の配線層が重ねられている。トランジスタ層１は、多数のＭＯＳトランジスタを２次元状に配置して形成されている。トランジスタ層１の各トランジスタは、制御部である複数のゲート電極Ｇと、入力部である複数のドレイン電極Ｄと、出力部である複数のソース電極Ｓとを有している。トランジスタ層１の上には、１層目の配線層であるメタル配線層１０及びメタル配線層１１が複数ずつ交互に並設されている。複数のメタル配線層１０は、複数のスルーホールによって構成される層間接続導体であるスルーホール群２を介して、トランジスタ層１の複数のトランジスタのドレイン電極Ｄと接続されている。複数のメタル配線層１１も同様に、複数のスルーホールによって構成される層間接続導体であるスルーホール群３を介して、トランジスタ層１の複数のトランジスタのソース電極Ｓと接続されている。なお図１では、スルーホール群２、３をそれぞれ構成する各スルーホールを正方形でそれぞれ示している。
メタル配線層１０及びメタル配線層１１の上には、２層目の配線層であるメタル配線層２０及びメタル配線層２１が設けられている。メタル配線層２０は、層間接続導体である複数のスルーホール４を介して１層目のメタル配線層１０に接続されている。メタル配線層２１も同様に、層間接続導体である複数のスルーホール５を介して１層目のメタル配線層１１に接続されている。なお図１では、各スルーホール４、５を枡記号でそれぞれ示している。また、メタル配線層２０は、ドレイン電流を注入する入力端子用パッド７が設けられており、この入力端子用パッド７を介して半導体装置の入力端子に接続される。メタル配線層２１は、ソース電流を取り出す出力端子用パッド８が設けられており、この出力端子用パッド８を介して半導体装置の出力端子に接続される。このように、２層目の配線層は、ドレイン用のメタル配線層２０とソース用のメタル配線層２１に２分割されている。
図1において、メタル配線層２０と２１は図１に示すＹ方向に延伸し、メタル配線層１０及び１１はＸ方向に延伸している。２次元的に広がってトランジスタを配置したトランジスタ層１の全体を覆うように、これらの配線層を配置する。なお、メタル配線層２０とメタル配線層２１とは、Ｘ方向を配列方向として、この配列方向に沿って配列される。
図２は、図１の半導体装置のＡ−Ａ’断面図であり、ドレイン電極Ｄに接続されている複数のメタル配線層１０のうちの１つに沿った断面図である。なお、図１及び図２では、前述のスルーホール群２のうちこれらの図面で共通に示されたものを、スルーホール群２０１〜２０６として示している。図３は、図１の半導体装置のＢ−Ｂ’断面図であり、ソース電極Ｓに接続されている複数のメタル配線層１１のうちの１つに沿った断面図である。なお、図１及び図３では、前述のスルーホール群３のうちこれらの図面で共通に示されたものを、スルーホール群３１１〜３１６として示している。
図２において、入力端子用パッド７（図１参照）からトランジスタ層１へ流れる電流経路Ｉｄは、メタル配線層２０を通り、複数のスルーホール４を通り１層目のメタル配線層１０に流れる。更に、メタル配線層１０から複数のスルーホール群２０１〜２０６を介してトランジスタ層１の各ドレイン電極に流れる。ここで、複数のスルーホール群２０１〜２０６は、メタル配線層１０に等間隔に配置されている。
図２に示すように、トランジスタ層１に配置された複数のトランジスタのうちスルーホール４の下方にあるトランジスタは、メタル配線層１０を通る電流経路が短い。反対に、スルーホール４から遠い位置にあるトランジスタは、メタル配線層１０を通る電流経路が長い。メタル配線層１０に電流が流れる際の配線抵抗による電圧降下はメタル配線層１０を通る経路が長いほど大きいため、スルーホール群２０１〜２０３の上面の電位は、スルーホール群２０１が最も低く、２０２、２０３の順で高くなる。スルーホール群２０４、２０５、２０６は、いずれもメタル配線層２０とメタル配線層１０を接続するスルーホール４の直下にあるため、これらのスルーホール群２０４、２０５、２０６の上面の電位は同程度である。
図３において、トランジスタ層１から出力端子用パッド８（図１参照）へ流れる電流経路Ｉｓは、トランジスタ層１の各ソース電極から複数のスルーホール群３１１〜３１６を介してメタル配線層１１に流れる。更に、メタル配線層１１から複数のスルーホール５を通りメタル配線層２１を介して出力端子用パッド８（図１参照）へ流れる。ここで、複数のスルーホール群３３１１〜３１６はメタル配線層１１に等間隔に配置されている。
図３に示すように、トランジスタ層１に配置された複数のトランジスタのうちスルーホール５の下方にあるトランジスタは、メタル配線層１１を通る電流経路が短い。反対に、スルーホール５から遠い位置にあるトランジスタは、メタル配線層１１を通る電流経路が長い。メタル配線層１１に電流が流れる際の配線抵抗による電圧降下はメタル配線層１１を通る経路が長いほど大きいため、図３における複数のスルーホール群３１１〜３１３の上面の電位は、スルーホール群３１１が最も高く、３１２、３１３の順で低くなる。スルーホール群３１４、３１５、３１６は、いずれもメタル配線層２１とメタル配線層１１を接続するスルーホール５の直下にあるため、これらのスルーホール群３１４、３１５、３１６の上面の電位は同程度である。
次に、ドレイン電極Ｄに接続するスルーホール群２０１〜２０６の上面とこれにゲート電極を挟んで反対側のソース電極Ｓに接続するスルーホール群３１１〜３１６の上面との電位差を比較する。具体的には、図１及び図２に示すスルーホール群２０１と、図１及び図３に示すスルーホール群３１６との電位差を比較する。以下同様に、図１及び図２に示すスルーホール群２０２と、図１及び図３に示すスルーホール群３１５との電位差を比較する。図１及び図２に示すスルーホール群２０３と、図１及び図３に示すスルーホール群３１４との電位差を比較する。図１及び図２に示すスルーホール群２０４と、図１及び図３に示すスルーホール群３１３との電位差を比較する。図１及び図２に示すスルーホール群２０５と、図１及び図３に示すスルーホール群３１２との電位差を比較する。図１及び図２に示すスルーホール群２０６と、図１及び図３に示すスルーホール群３１１との電位差を比較する。
この比較の結果、図２に示す左端のスルーホール４Ａから最も遠い位置にあるスルーホール群２０１と、これに対応するスルーホール群３１６との間の電位差が最も小さい。同様に、図３に示す右端のスルーホール５Ａから最も遠い位置にあるスルーホール群３１１と、これに対応するスルーホール群２０６との間の電位差が最も小さい。一方、図２に示すスルーホール４Ａから最も近い位置にあるスルーホール群２０３と、これに対応するスルーホール群３１４との間の電位差が最も大きい。同様に、図３に示すスルーホール５Ａから最も近い位置にあるスルーホール群３１３と、これに対応するスルーホール群２０４との間の電位差が最も大きい。その他のスルーホール群の上面の間の電位差は、これらの中間値となる。
このように、スルーホール群２０１〜２０６と、スルーホール群３１１〜３１６との上面の電位差は、トランジスタ層１上でのこれらの位置により異なる。したがって、トランジスタ層１の各トランジスタに流れる電流値を均一化するには、各ドレイン電極Ｄとこれにゲート電極Ｇを挟んで反対側にあるソース電極Ｓとの電位差をトランジスタ層１上の位置で均一にする必要がある。
本実施形態では、電位差をトランジスタ層１上の位置で均一にするために、図２に示す左右両端のスルーホール群２０１、２０６と図３に示す左右両端のスルーホール群３１６、３１１の抵抗値が他のスルーホール群よりも低くなるように、これらのスルーホール群におけるスルーホールの分布密度を高密度にする。その他のスルーホール群２０２〜２０５、３１２〜３１５は、抵抗値が高くなるように、これらのスルーホール群におけるスルーホールの分布密度を低密度にする。これにより、スルーホール群２０２〜２０５、３１２〜３１５は、それぞれ隣接するドレイン電極Ｄとソース電極Ｓの電位差が、スルーホール群２０１の底面とスルーホール群３１６の底面の間の電位差、及びスルーホール群２０６の底面とスルーホール群３１１の底面の間の電位差と同等になる。すなわち、本実施形態では、ゲート電極Ｇを挟むドレイン電極Ｄとソース電極Ｓの間の電位差が各トランジスタで同等になるように、メタル配線層１０、１１とメタル配線層２０、２１とを接続するスルーホール４Ａ及び５Ａからの距離により、スルーホール群２０１〜２０６、３１１〜３１６の抵抗値を変える。換言すると、メタル配線層２０とメタル配線層２１との境界に近いほど、スルーホール群２０１〜２０６、３１１〜３１６の抵抗値が高くなるように、これらのスルーホール群を構成するスルーホールの分布密度を変化させる。なお、図２及び図３で示したスルーホール群２０１〜２０６、３１１〜３１６以外のスルーホール群２、３についても同様である。
図４は、半導体装置におけるスルーホール群２、３と、メタル配線層１０、１１の配線抵抗を示す等価回路である。但し、図４には図１のメタル配線層１０、１１とメタル配線層２０、２１とを接続するスルーホール４、５に対応する抵抗は省略している。また、ゲート電極Ｇの接続も省略している。
図４において、抵抗２０１１〜２０５１は、スルーホール群２０１〜２０６の抵抗であり、抵抗３１６１〜３１１１は、スルーホール群３１６〜３１１の抵抗である。また、配線抵抗１０１は、スルーホール４によりメタル配線層２０と接続されている部分に対応するメタル配線層１０の配線抵抗であり、図２の右半分に相当する。配線抵抗１０２は、メタル配線層１０の左半分の配線抵抗であり、図２の左半分に相当する。また、配線抵抗１１１は、スルーホール５によりメタル配線層２１と接続されている部分に対応するメタル配線層１１の配線抵抗であり、図３の左半分に相当する。配線抵抗１１２は、メタル配線層１１の右半分の配線抵抗であり、図３の右半分に相当する。
メタル配線層２０、２１の配線抵抗は、メタル配線層１０、１１の配線抵抗と比較し低抵抗である。この場合は、メタル配線層１０の右半分の配線抵抗１０１とメタル配線層１１の左半分の配線抵抗１１１の部分はスルーホール４、５を介してメタル配線層２０、２１に接続しているため、これらの配線抵抗による電圧降下は小さい。一方、メタル配線層１０の左半分の配線抵抗１０２とメタル配線層１１の右半分の配線抵抗１１２による電圧降下は、大面積のトランジスタ層１に配置された各トランジスタのドレイン、ソース間電圧の面内分布を発生させる。したがって、これらの配線抵抗による電圧降下が均一でない場合には、トランジスタ層１における電流密度の面内分布を不均一にする原因になる。
本実施形態では、前述のようにスルーホール４、５からの距離、すなわちメタル配線層２０、２１の配列方向である図１のＸ方向の位置に応じて、スルーホール群２、３を構成するスルーホールの分布密度を変えている。これにより、メタル配線層１０の左半分の配線抵抗１０２と、メタル配線層１１の右半分の配線抵抗１１２とによる電圧降下を相殺し、トランジスタ層１の面内電流密度が均一化するように、ドレイン側のスルーホール群２に対応する抵抗２０１１〜２０６４と、ソース側のスルーホール群３に対応する抵抗３１１１〜３１６４との抵抗値をそれぞれ調整している。
次に、図５、６、７を参照して、スルーホール群２、３の抵抗値を変えずにトランジスタ層１上で均一にした場合について、本実施形態と比較するために説明する。図５はスルーホール群２、３の抵抗値を変えずにトランジスタ層１上で均一にした場合の半導体装置の平面図である。図１と同一箇所には同一の符号を附してその説明は省略する。また、図６は、図５のＥ−Ｅ’断面図であり、複数のメタル配線層１０のうちの１つに沿った断面図である。なお、図５及び図６では、スルーホール群２のうちこれらの図面で共通に示されたものを、スルーホール群６２１〜６２６として示している。図７は、図５のＦ−Ｆ’断面図であり、複数のメタル配線層１１のうちの１つに沿った断面図である。なお、図５及び図７では、スルーホール群３のうちこれらの図面で共通に示されたものを、スルーホール群６３１〜６３６として示している。
図６において、入力端子用パッド７（図５参照）からトランジスタ層１へ流れる電流経路Ｉｄ’は、メタル配線層２０を通り、複数のスルーホール４を通りメタル配線層１０に流れる。更に、メタル配線層１０から複数のスルーホール群６２１〜６２６を介してトランジスタ層１の各ドレイン電極に流れる。スルーホール４Ａとの間にあるメタル配線層１０の配線長が長いほど配線抵抗による電圧降下が大きく、電流経路Ｉｄ’を流れる電流は低電流となる。
図７において、トランジスタ層１から出力端子用パッド８（図５参照）へ流れる電流経路Ｉｓ’は、トランジスタ層１の各ソース電極から複数のスルーホール群６３１〜６３６を介してメタル配線層１１に流れる。更に、メタル配線層１１から複数のスルーホール５を通りメタル配線層２１を介して出力端子用パッド８（図５参照）へ流れる。この電流経路Ｉｓ’を流れる電流も電流経路Ｉｄ’と同様に、スルーホール５Ａとの間にあるメタル配線層１１の配線長が長いほど配線抵抗による電圧降下が大きく、低電流となる。
図５、６、７に示すように、スルーホール群６２１〜６２６、及びスルーホール群６３１〜６３６の抵抗値を変えていないので、この場合にトランジスタ層１の各ドレイン、ソースに流れる電流値は均一ではない。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について、図８、図９、図１０を参照して説明する。
図８は、第２の実施形態における半導体装置の平面図である。この例では、２層目の配線層が３つのメタル配線層２０、２１、２２に分割されて並設された構成であり、メタル配線層２０、２２にはそれぞれ入力端子用パッド７を設けている。また、メタル配線層２１には出力端子用パッド８を設けている。ソース側のメタル配線層２１は、ドレイン側のメタル配線層２０、２２に両側から挟まれた構成である。また、１層目のメタル配線層１０及びメタル配線層１１は、２層目のメタル配線層２０、２１、２２と交差するように配置されている。
図９は、図８の半導体装置のＪ−Ｊ’の断面図であり、図１０は、図８の半導体装置のＫ−Ｋ’の断面図である。図９に示すように、メタル配線層１０は、複数のスルーホールによって構成される層間接続導体であるスルーホール群２を介して、トランジスタ層１の複数のトランジスタの入力部である複数のドレイン電極Ｄと接続される。図１０に示すように、メタル配線層１１は、複数のスルーホールによって構成される層間接続導体であるスルーホール群３を介して、トランジスタ層１の複数のトランジスタの出力部である複数のソース電極Ｓと接続される。
このように、本実施形態では、上層にある２層目の配線層を、第１の実施形態と比べてより多くのメタル配線層２０、２１、２２に分割している。そして、異なる種類の電極に接続されたこれらの配線層を、配列方向（図８の上下方向）に沿って交互に配置する。これにより、下層にある１層目のメタル配線層１０、１１において、スルーホール群２とスルーホール群３の間の配線長が短くなるため、１層目のメタル配線層１０、１１の配線抵抗による電圧降下分を低減することができる。また、１層目のメタル配線層１０、１１において、各々のスルーホール群２とスルーホール群３との間の配線には、各スルーホール群２、３を介して、これらの間に接続されたトランジスタ層１の各トランジスタの電流が流れる。このため、メタル配線層１０、１１の配線長が長い場合には、多くのトランジスタの電流がこの配線を流れることになる。これらの電流を合計した電流がスルーホール４、５を介してメタル配線層２０、２１、２２に流れる。このため、スルーホール４、５付近のメタル配線層１０、１１の電流密度が高くなる。しかし、スルーホール４とスルーホール５の間のメタル配線層１０、１１の配線長が短いので、電流密度を低減することができる。
図９に示すように、ドレイン側のメタル配線層２０、２２からトランジスタ層１に流れる電流Ｉｄはスルーホール４を通り、メタル配線層１０を通りスルーホール群２からトランジスタ層１へ流れる。スルーホール群２の上面の電位は、メタル配線層１０の配線抵抗による電圧降下により、ドレイン側のスルーホール４Ａからの距離が長いメタル配線層１０の中央部分に近いほど、低くなる。よって、ソース側のメタル配線層２１において、メタル配線層２０、２１、２２の配列方向（図８の上下方向）に直交する中心線Ｃに近いほどスルーホール群２の分布密度を高密度にし、両側のドレイン側のメタル配線層２０、２２に接続するスルーホール４Ａに近いほどスルーホール群２の分布密度を低くして、抵抗値を調整する。
図１０に示すように、トランジスタ層１からスルーホール群３を通り、メタル配線層１１に流れる電流Ｉｓは、スルーホール５を通り、ドレイン側のメタル配線層２１へ流れる。ドレイン側のメタル配線層２１の下のメタル配線層１１は、メタル配線層２１に接続するスルーホール５Ｂに近いほどスルーホール群３の分布密度を低くし、遠いほどスルーホール群３の分布密度を高くする。このようなスルーホール群３の分布密度の調整により、トランジスタ層１の電流密度を均一化できる。なお、上述の第２の実施形態では、入力端子用パッド７が設けられた２つのメタル配線層２０、２２の間に、出力端子用パッド８が設けられた１つのメタル配線層２１を配置した場合の例を説明した。しかし、これとは反対に、出力端子用パッドが設けられた２つのメタル配線層の間に、入力端子用パッドが設けられた１つのメタル配線層を配置した場合でも、同様の方法でスルーホール群の分布密度を調整することにより、トランジスタ層１の電流密度を均一化できる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について、図１１を参照して説明する。
図１１は、メタル配線層を３層で構成した第３の実施形態における半導体装置の平面図である。３層目のドレイン側メタル配線層３０と３層目のソース側メタル配線層３１が向き合う方向に、ドレイン側の２層目のメタル配線層２０及びソース側の２層目のメタル配線層２１が延伸している。２層目のメタル配線層２０、２１と交差するように１層目のメタル配線層１０、１１が並設されている。
トランジスタ層１の入力部である複数のドレイン電極Ｄは、複数のスルーホールによって構成される層間接続導体であるスルーホール群２、メタル配線層１０、複数のスルーホールによって構成される層間接続導体であるスルーホール群４、メタル配線層２０、スルーホール３５、メタル配線層３０を介して入力端子用パッド７に接続している。トランジスタ層１の出力部である複数のソース電極Ｓは、複数のスルーホールによって構成される層間接続導体であるスルーホール群３、メタル配線層１１、複数のスルーホールによって構成される層間接続導体であるスルーホール群５、メタル配線層２１、スルーホール３６、メタル配線層３１を介して出力端子用パッド８に接続する。
そして、トランジスタ層１における各トランジスタの電流密度が均一となるように、メタル配線層３０、３１が対向する位置のメタル配線層１０、１１において、スルーホール群２、３を構成するスルーホールの分布密度を低くし、この位置から遠いほど、スルーホール群２、３を構成するスルーホールの分布密度を高くする。更に、メタル配線層３０、３１が対向する位置のメタル配線層２０、２１においても同様に、スルーホール群４、５を構成するスルーホールの分布密度を低くし、この位置から遠いほど、スルーホール群４、５を構成するスルーホールの分布密度を高くする。本実施形態では、スルーホール群２、３及びスルーホール群４、５により抵抗値の調整を行うので、第１、第２の実施形態と比べて、スルーホール群による抵抗値の調整可能範囲を大きくすることができる。このため、メタル配線層１０、１１及びメタル配線層２０、２１の抵抗による電圧降下が大きい場合にもスルーホール群により抵抗値を調整することができる。
上述の第１〜第３の実施形態において、メタル配線層が２層または３層の場合の例で説明したが、メタル配線層は４層以上であっても同様に実施することができる。また、各メタル配線層に配置したスルーホールの数や形状は実施形態を解り易くするため模式的に示したものであり、上述の実施形態に限定されるものではない。
上述の第１〜第３の実施形態では、ＭＯＳトランジスタを例に説明した。しかし、ＭＯＳトランジスタに限定されるものではなく、バイポーラトランジスタでも良く、複数のトランジスタは絶縁体により分離されていても良い。
上述の第１〜第３の実施形態では、同一の半導体チップに一つの半導体装置を実装した例について説明した。しかし、同一の半導体チップに二つ以上の上述した半導体装置を実装した半導体集積回路であっても同様に実施することができる。
上述の第１〜第３の実施形態では、以下の効果を有する。
(１)トランジスタ層上の電流密度を均一化することにより、トランジスタ層の入力部または出力部に接続されるメタル配線層に対し、局所的な電流密度上昇を抑えることができ、エレクトロマイグレーションによる劣化を抑制できる。一般に、トランジスタ層の電流密度が均一でない場合、トランジスタ層において電流密度が高い領域に配置されたトランジスタに接続しているメタル配線層は電流密度が高くなるため、このメタル配線層はエレクトロマイグレーションにより寿命が低下する。一方、本実施形態では、トランジスタ層の電流密度を均一化することにより、メタル配線層のエレクトロマイグレーションに起因する寿命を長くすることができ、半導体装置としての信頼性を向上することができる。
(２)半導体装置において、エレクトロマイグレーションによる配線寿命の低下を抑え、チップ面積を縮小化できるので、半導体装置のコストを低減できる。一般に、エレクトロマイグレーションに起因する寿命を確保するためには、メタル配線層の電流密度は許容値以下にする必要がある。しかし、トランジスタのコストを低減するため、チップサイズの縮小化が求められ、チップサイズの縮小化により電流密度が増加する。このため、許容電流密度の制限により、チップサイズの縮小化には限界があったが、本実施形態では、トランジスタ層上の電流密度を均一化できるため、トランジスタ層上のメタル配線層における最大電流密度を許容電流密度以下に抑え、トランジスタ層全体の平均電流密度を高くすることができ、チップ面積を縮小することが可能になる。
（３）トランジスタ層の電流密度を均一化することにより、ドレイン端子とソース端子間のメタル配線層とトランジスタを含んだ抵抗値を低減できる。ここで、ドレイン端子は図１の入力端子用パッド７に相当し、ソース端子は図１の出力端子用パッド８に相当する。トランジスタ層の電流密度が不均一の場合、電流値が高いメタル配線層の領域では電圧降下が大きく、トランジスタにかかる電圧が低下する。また、電流密度が不均一のため、有効に使用されないトランジスタがある。トランジスタ層の電流密度を均一化することにより、ドレイン端子とソース端間の抵抗値を低減できる。
（４)スルーホール群の抵抗値が低くなるように、スルーホールの分布密度を高密度にする、あるいはスルーホール群の抵抗値が高くなるように、スルーホールの分布密度を低密度にすることにより電流密度の調整が可能である。このため、スルーホールの分布密度の変更を行うのみで、半導体製造工程における変更は不要であり、既存の半導体製造工程に容易に適用可能である。
（第４の実施形態）
次に、第１〜第３の実施形態で示した半導体装置を負荷駆動装置に適用した例を説明する。図１２は、負荷駆動装置９１の回路構成を示す図である。同図において、第１〜第３の実施形態で示した半導体装置はスイッチング素子９２に相当する。
図１２に示すように、スイッチング素子９２の入力端子には電源ＶＢに接続されている。また、スイッチング素子９２の出力端子には負荷９４が接続されている。更に、スイッチング素子９２の制御端子にはゲート駆動回路９３が接続されている。
ゲート駆動回路９３よりスイッチング素子９２の制御端子にゲート制御用の電圧を印加することにより、スイッチング素子９２の出力電流をオン、オフ制御し、負荷９４への電流を制御する。
スイッチング素子９２により、車載電磁アクチュエータなどの負荷を駆動する場合、スイッチング素子９２は、半導体接合温度１７５℃の高温環境下で、約１Ａの電流制御を行う。一般に、このような、高温、高電流で使用するスイッチング素子９２では、メタル配線層のエレクトロマイグレーションによる信頼性故障が懸念される。しかし、第１〜第３の実施形態で示した半導体装置をスイッチング素子９２として用いることにより、エレクトロマイグレーションに起因する故障を防ぐことができ、メタル配線層の電流密度を許容電流以下に抑えることが可能である。
また、トランジスタの面積を縮小すると平均電流密度が高くなるが、しかし、第１〜第３の実施形態で示した半導体装置をスイッチング素子９２として用いることにより、メタル配線層が局所的に高い電流密度になることを抑えることができ、その分、半導体装置の面積を縮小することができる。
車載電磁アクチュエータなどの負荷を駆動するスイッチング素子９２のように大電流を流すトランジスタは、数１００マイクロメートル以上の大きさを必要とし、半導体装置において大きな面積を占める。しかし、第１〜第３の実施形態で示した半導体装置をスイッチング素子として用いることにより、半導体装置の面積を縮小し、半導体装置のチップコストを低減することができる。
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）半導体装置は、ドレイン電極Ｄとソース電極Ｓとゲート電極Ｇとを有する複数のトランジスタが２次元状に配置されたトランジスタ層１と、トランジスタ層１の複数のトランジスタのドレイン電極Ｄを入力端子に電気的に接続し、ソース電極Ｓを出力端子に電気的に接続するための複数の配線層と、複数の配線層およびトランジスタ層１の間をそれぞれ接続する複数の層間接続導体と、を備える。複数の配線層は、２層目の配線層として、入力端子用パッド７を介して入力端子に接続される入力側配線層であるメタル配線層２０と、出力端子用パッド８を介して出力端子に接続される出力側配線層であるメタル配線層２１とが、所定の配列方向に沿って配列されている配線層を有する。そして、複数の層間接続導体の抵抗値は、メタル配線層２０、２１の配列方向の位置に応じて互いに異なる。具体的には、複数の配線層は、メタル配線層２０、２１を含む２層目の配線層と、この配線層よりもトランジスタ層１側に設けられ、複数のメタル配線層１０、１１を有する１層目の配線層とを有する。複数の層間接続導体は、メタル配線層１０、ｌ１とトランジスタ層１の複数のトランジスタのドレイン電極Ｄおよびソース電極Ｓとを接続する複数のスルーホール群２、３を有する。この複数のスルーホール群２、３の抵抗値は、メタル配線層２０、２１の配列方向の位置に応じて互いに異なる。これにより、２次元に拡がって配置されたトランジスタの電流密度を均一にすることができる。
（２）複数のスルーホール群２、３の抵抗値は、少なくともメタル配線層１０、１１の配線長に基づいて変化する。これにより、配線長による配線抵抗をスルーホール群２、３の各抵抗値により調整することができる。
（３）複数の層間接続導体は、複数のスルーホール群２、３と、メタル配線層２０、２１とメタル配線層１０、ｌ１とを接続するスルーホール４、５とを有する。メタル配線層１０、１１の配線長は、スルーホール４、５の位置を始点とする。これにより、スルーホール群２、３の各抵抗値の調整をスルーホール４、５の位置を基準に行うことができる。
（４）スルーホール群２、３の抵抗値は、入力側配線層であるメタル配線層２０と出力側配線層であるメタル配線層２１との境界に近いほど高い。これにより、スルーホール群２、３の上面の電位差をトランジスタ上の位置によらず均一にすることができる。
（５）第２の実施形態では、１層目の配線層は、入力側配線層である２つのメタル配線層２０、２２と、出力側配線層である１つのメタル配線層２１とが、図８の上下方向に示す配列方向に沿って交互に配列されている。スルーホール群２、３の抵抗値は、２つのメタル配線層２０、２２の間に配置された一つのメタル配線層２１において配列方向に直交する中心線Ｃに近いほど低い。これにより、１層目のメタル配線層が３つに分割された場合でも、スルーホール群２、３の上面の電位差を均一にすることができる。
（６）複数のスルーホール群２、３は複数のスルーホールによってそれぞれ構成され、複数のスルーホール群２、３の抵抗値は、各スルーホール群２、３を構成するスルーホールの分布密度によって変化する。これにより、スルーホール群の抵抗値を調整することができる。
（７）メタル配線層２０、２１の配線抵抗はメタル配線層１０、１１の配線抵抗よりも低い。これにより、メタル配線層１０、１１の配線抵抗のみを考慮してスルーホールの抵抗値を調整することができる。
（８）半導体装置を少なくとも一つ、同一の半導体チップに実装した半導体集積回路。これにより、２つ以上の半導体装置を同一の半導体チップに実装した半導体集積回路が得られる。
（９）半導体装置をスイッチング素子として、スイッチング素子のゲートに電圧を印加して、スイッチング素子に接続された負荷を駆動する負荷駆動装置。半導体装置をスイッチング素子として用いることにより、半導体装置の面積を縮小し、半導体装置のチップコストを低減することができる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。
１ トランジスタ層
２、３ スルーホール群
７ 入力端子用パッド
８ 出力端子用パッド
１０、１１ １層目のメタル配線層
２０、２１ ２層目のメタル配線層
３０、３１ ３層目のメタル配線層
Ｉｄ、Ｉｓ 電流、
Ｄ ドレイン電極、
Ｓ ソース電極、
Ｇ ゲート電極
９１ 負荷駆動装置
９２ スイッチング素子
９３ ゲート駆動回路
９４ 負荷

Claims (10)

  1. 入力部と出力部と制御部とを有する複数のトランジスタが２次元状に配置されたトランジスタ層と、
    前記複数のトランジスタの前記入力部を入力端子に電気的に接続し、前記複数のトランジスタの前記出力部を出力端子に電気的に接続するための複数の配線層と、
    前記複数の配線層および前記トランジスタ層の間をそれぞれ接続する複数の層間接続導体と、を備え、
    前記複数の配線層は、前記入力端子に接続される少なくとも１つの入力側配線層と前記出力端子に接続される少なくとも１つの出力側配線層とが所定の配列方向に沿って配列された第１配線層を有し、
    前記複数の層間接続導体の抵抗値は、前記配列方向の位置に応じて互いに異なる半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記複数の配線層は、前記第１配線層と、前記第１配線層よりも前記トランジスタ層側に設けられた第２配線層とを有し、
    前記複数の層間接続導体は、前記第２配線層と前記複数のトランジスタの前記入力部および前記出力部とを接続する複数の第１層間接続導体を有し、
    前記複数の第１層間接続導体の抵抗値は、前記配列方向の位置に応じて互いに異なる半導体装置。
  3. 請求項２に記載の半導体装置において、
    前記複数の第１層間接続導体の抵抗値は、少なくとも前記第２配線層の配線長に基づいて変化する半導体装置。
  4. 請求項３に記載の半導体装置において、
    前記複数の層間接続導体は、前記複数の第１層間接続導体と、前記第１配線層と前記第２配線層とを接続する第２層間接続導体とを有し、
    前記第２配線層の配線長は、前記第２層間接続導体の位置を始点とする半導体装置。
  5. 請求項２に記載の半導体装置において、
    前記第１層間接続導体の抵抗値は、前記入力側配線層と前記出力側配線層との境界に近いほど高い半導体装置。
  6. 請求項２に記載の半導体装置において、
    前記第１配線層は、２つの前記入力側配線層と１つの前記出力側配線層とが、または１つの前記入力側配線層と２つの前記出力側配線層とが、前記配列方向に沿って交互に配列されており、
    前記第１層間接続導体の抵抗値は、２つの前記入力側配線層の間に配置された１つの前記出力側配線層において前記配列方向に直交する中心線、または２つの前記出力側配線層の間に配置された１つの前記入力側配線層において前記配列方向に直交する中心線に近いほど低い半導体装置。
  7. 請求項２〜６のいずれか１項に記載の半導体装置において、
    前記複数の第１層間接続導体は、複数の接続導体によってそれぞれ構成され、
    前記複数の第１層間接続導体の抵抗値は、各第１層間接続導体を構成する前記接続導体の分布密度によって変化する半導体装置。
  8. 請求項２〜７のいずれか１項に記載の半導体装置において、
    前記第１配線層の配線抵抗は前記第２配線層の配線抵抗よりも低い半導体装置。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置を少なくとも一つ、同一の半導体チップに実装した半導体集積回路。
  10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置をスイッチング素子として、前記スイッチング素子の制御部に電圧を印加して、前記スイッチング素子に接続された負荷を駆動する負荷駆動装置。
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