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JP2015076510A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2015076510A
JP2015076510A JP2013211803A JP2013211803A JP2015076510A JP 2015076510 A JP2015076510 A JP 2015076510A JP 2013211803 A JP2013211803 A JP 2013211803A JP 2013211803 A JP2013211803 A JP 2013211803A JP 2015076510 A JP2015076510 A JP 2015076510A
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JP
Japan
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circuit
semiconductor device
temperature
soi substrate
silicon layer
Prior art date
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Pending
Application number
JP2013211803A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
巧 増渕
Takumi Masubuchi
巧 増渕
隆弘 川田
Takahiro Kawada
隆弘 川田
純之 荒田
Sumiyuki Arata
純之 荒田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Astemo Ltd
Original Assignee
Hitachi Automotive Systems Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve flexibility of circuit layout in a semiconductor device.SOLUTION: A semiconductor device comprises: an SOI substrate 101 composed of first and second silicon layers 1012, 1011 with an insulation layer 1013 being sandwiched; circuits 1, 2 formed in the first silicon layer on the SOI substrate; and thermal coupling part 3 which pierces the first silicon layer and the insulation layer to extend to the second silicon layer, for thermally coupling the circuits with the second silicon layer.

Description

本発明は、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いた半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device using an SOI (Silicon On Insulator) substrate.

SOI構造を有する半導体基板において、素子を形成する領域同士の分離には、絶縁膜によるトレンチを形成して行われることが知られている。たとえば、スイッチング素子がトレンチ分離部によって絶縁分離された半導体装置が知られている。この半導体装置では、SOI構造を有する半導体基板の一方面側(主面側)にスイッチング素子と、所定の動作を行うように構成された内部回路とが形成されている。内部回路は、例えば、入力電力から必要とされる出力電力を生成する電源回路や、設定周波数の搬送波を出力する発振回路などから構成されている(特許文献1参照)。   In a semiconductor substrate having an SOI structure, it is known that a region for forming an element is separated by forming a trench made of an insulating film. For example, a semiconductor device in which switching elements are insulated and isolated by a trench isolation part is known. In this semiconductor device, a switching element and an internal circuit configured to perform a predetermined operation are formed on one surface side (main surface side) of a semiconductor substrate having an SOI structure. The internal circuit includes, for example, a power supply circuit that generates output power required from input power, and an oscillation circuit that outputs a carrier wave having a set frequency (see Patent Document 1).

特開2012−243801号公報JP2012-243801A

しかし、上述した特許文献には、スイッチング素子が急激に発熱すると、スイッチング素子の配置領域近傍も急激に温度が高くなる旨の記載がある。すなわち、スイッチング素子が急激に発熱すると、半導体基板の主面側の温度分布が不均一となる。そのため、温度変動に対して特性が変動する回路をスイッチング素子から離して配設する必要があり、回路レイアウトに制約が生じてしまう。   However, the above-described patent document describes that when the switching element generates heat rapidly, the temperature in the vicinity of the arrangement area of the switching element also increases rapidly. That is, when the switching element generates heat rapidly, the temperature distribution on the main surface side of the semiconductor substrate becomes non-uniform. For this reason, it is necessary to dispose a circuit whose characteristics fluctuate with respect to temperature fluctuations away from the switching element, which restricts the circuit layout.

本発明による半導体装置は、第1および第2シリコン層を絶縁層を介在して成るSOI基板と、SOI基板上の第1シリコン層に形成された回路と、第1シリコン層と絶縁層とを貫通して第2シリコン層に延在し、回路を第2シリコン層に熱的に結合する熱的結合部とを備える。   A semiconductor device according to the present invention includes an SOI substrate comprising first and second silicon layers with an insulating layer interposed therebetween, a circuit formed on the first silicon layer on the SOI substrate, and the first silicon layer and the insulating layer. A thermal coupling portion extending through the second silicon layer and thermally coupling the circuit to the second silicon layer.

本発明によれば、半導体装置における回路レイアウトの自由度を向上できる。   According to the present invention, the degree of freedom of circuit layout in a semiconductor device can be improved.

本発明の第1の実施の形態である半導体装置の模式的なレイアウト図である。1 is a schematic layout diagram of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 図1に示した半導体装置の模式的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG. 1. 第1回路および第2回路の全体構成を示す図の一例である。It is an example of the figure which shows the whole structure of a 1st circuit and a 2nd circuit. 過温度検知回路の回路図の一例である。It is an example of the circuit diagram of an over temperature detection circuit. プリドライバの回路図の一例である。It is an example of the circuit diagram of a predriver. 従来技術を説明する図の一例である。It is an example of the figure explaining a prior art. 半導体装置内の配置の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of arrangement | positioning in a semiconductor device. 第2の実施の形態の半導体装置の模式的なレイアウト図である。FIG. 6 is a schematic layout diagram of a semiconductor device according to a second embodiment. 第1A回路および第1B回路の全体構成を示す図の一例である。It is an example of the figure which shows the whole structure of a 1A circuit and a 1B circuit. 発振回路の回路図の一例である。It is an example of the circuit diagram of an oscillation circuit. 温度検出回路の回路図の一例である。It is an example of the circuit diagram of a temperature detection circuit. 半導体装置内の配置の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of arrangement | positioning in a semiconductor device. 半導体装置内の配置の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of arrangement | positioning in a semiconductor device.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として本発明の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Since the drawings are simplified, the technical scope of the present invention should not be interpreted narrowly based on the description of the drawings. Moreover, the same code | symbol is attached | subjected to the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.

−−−第1の実施の形態−−−
本発明の第1の実施の形態では、温度変動に対して特性が変動する回路と、時間的に発熱量が変動する回路との位置関係に依存せず、レイアウトの自由度を向上できる半導体装置の構成及び動作について説明する。
--- First embodiment ---
In the first embodiment of the present invention, a semiconductor device capable of improving the degree of freedom of layout without depending on the positional relationship between a circuit whose characteristics fluctuate with respect to temperature fluctuations and a circuit whose heat generation amount fluctuates with time. The configuration and operation will be described.

図1は本発明の第1の実施の形態である半導体装置の模式的なレイアウト図であり、図2は、図1に示した半導体装置の模式的な断面図である。図1,2に示す半導体装置100は、たとえば、SOI基板チップ101を樹脂封止した半導体パッケージであり、SOI基板チップ101と、SOI基板チップ101に形成された第1回路1と、第2回路2と、熱的結合部3と、素子分離膜4と、不図示の封止樹脂を備えている。   FIG. 1 is a schematic layout diagram of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG. A semiconductor device 100 shown in FIGS. 1 and 2 is, for example, a semiconductor package in which an SOI substrate chip 101 is sealed with a resin. The SOI substrate chip 101, a first circuit 1 formed on the SOI substrate chip 101, and a second circuit are illustrated. 2, a thermal coupling portion 3, an element isolation film 4, and a sealing resin (not shown).

SOI基板チップ101は、第1シリコン層である活性層1012と、第2シリコン層である基材1011と、基材1011と活性層1012との間に介在する絶縁層である絶縁膜1013とを有する。第1回路1および第2回路2は、活性層1012に形成されている。   The SOI substrate chip 101 includes an active layer 1012 that is a first silicon layer, a base material 1011 that is a second silicon layer, and an insulating film 1013 that is an insulating layer interposed between the base material 1011 and the active layer 1012. Have. The first circuit 1 and the second circuit 2 are formed in the active layer 1012.

第1回路1は、温度変動に対して特性が変動する回路である。第2回路2は、発熱量が一定でなく時間と共に変動する回路である。第1回路1および第2回路2の具体的な構成については、後述する。   The first circuit 1 is a circuit whose characteristics fluctuate with respect to temperature fluctuations. The second circuit 2 is a circuit in which the amount of generated heat is not constant and varies with time. Specific configurations of the first circuit 1 and the second circuit 2 will be described later.

熱的結合部3は、第1回路1と基材1011とを熱的に結合する部位であり、第1回路1に隣接して設けられた貫通孔31と、貫通孔31内に充填された伝熱材32とを有する。貫通孔31は、活性層1012と絶縁膜1013を貫通して基材1011まで達している貫通孔である。貫通孔31の内側に充填された伝熱材32は、熱伝導率が高く、かつ、電気絶縁性に優れた材料からなる。素子分離膜4は、第2回路2の周囲に形成された絶縁膜である。   The thermal coupling portion 3 is a portion that thermally couples the first circuit 1 and the base material 1011. The thermal coupling portion 3 is filled in the through hole 31 and the through hole 31 provided adjacent to the first circuit 1. And a heat transfer material 32. The through hole 31 is a through hole that reaches the base material 1011 through the active layer 1012 and the insulating film 1013. The heat transfer material 32 filled inside the through hole 31 is made of a material having high thermal conductivity and excellent electrical insulation. The element isolation film 4 is an insulating film formed around the second circuit 2.

第1回路1は、たとえば図3(a)に示すように、電源電圧VDDを入力とし、基準電圧Vrefを出力する基準電圧生成回路11から構成される。第2回路2は、たとえば図3(a)に示すように信号ENを出力する過温度検知回路21と、信号ENと信号Vctrlを入力信号とするプリドライバ22と、プリドライバ22が出力する電圧Vgateによりオンオフが制御される高耐圧NMOSトランジスタ23から構成される。また、高耐圧NMOSトランジスタ23の駆動対象として負荷5を記載している。負荷5はたとえば、インダクタ素子から構成される。負荷5はたとえば、電源電圧VDDよりも大きい、高圧電源VHと高耐圧NMOSトランジスタ23との間に接続される。   For example, as shown in FIG. 3A, the first circuit 1 includes a reference voltage generation circuit 11 that receives a power supply voltage VDD and outputs a reference voltage Vref. For example, as shown in FIG. 3A, the second circuit 2 includes an overtemperature detection circuit 21 that outputs a signal EN, a pre-driver 22 that receives the signal EN and the signal Vctrl as input signals, and a voltage that the pre-driver 22 outputs. The high voltage NMOS transistor 23 is controlled to be turned on and off by Vgate. In addition, the load 5 is described as a driving target of the high breakdown voltage NMOS transistor 23. The load 5 is composed of an inductor element, for example. The load 5 is connected, for example, between the high voltage power supply VH and the high voltage NMOS transistor 23 which are larger than the power supply voltage VDD.

第2回路2の周囲には、第2回路2を取り囲み、絶縁層を有するトレンチ構造の素子分離膜4が形成されている。素子分離膜4を設ける理由の一つとして、第2回路2に搭載された高耐圧NMOSトランジスタ23の動作時に発生するノイズが、周囲の回路へ伝搬することを抑制するノイズ伝播抑制が挙げられる。素子分離膜4は、たとえば二酸化シリコン(SiO2)で構成される。SiO2の熱伝導率は、SOI基板の材料であるシリコン(Si)と比較しておよそ1/100である。そのため、第2回路2で発生した熱は素子分離膜4の内部に籠もり易くなる。   Around the second circuit 2, an element isolation film 4 having a trench structure surrounding the second circuit 2 and having an insulating layer is formed. One reason for providing the element isolation film 4 is to suppress noise propagation that suppresses noise generated during the operation of the high voltage NMOS transistor 23 mounted in the second circuit 2 from propagating to surrounding circuits. The element isolation film 4 is made of, for example, silicon dioxide (SiO2). The thermal conductivity of SiO2 is about 1/100 compared with silicon (Si) which is a material of the SOI substrate. Therefore, the heat generated in the second circuit 2 is easily trapped inside the element isolation film 4.

第2回路2の過温度検知回路21は、たとえば図4に示すように、ダイオード211と、定電流源212と、基準電圧Vrefとを入力信号とし、信号ENを出力信号とするコンパレータ回路213とから構成される。   As shown in FIG. 4, for example, the overtemperature detection circuit 21 of the second circuit 2 includes a comparator 211 that receives a diode 211, a constant current source 212, and a reference voltage Vref as input signals and a signal EN as an output signal. Consists of

過温度検知回路21は、ダイオード211の順方向電圧Vfと基準電圧Vrefをコンパレータ213で比較した結果を、ハイないしローレベルの信号ENとして出力する。Vf>Vrefの状態にある場合には信号ENはハイレベルを示し、Vf<Vrefの状態にある場合には信号ENはローレベルを示す。   The overtemperature detection circuit 21 outputs the result of comparing the forward voltage Vf of the diode 211 and the reference voltage Vref by the comparator 213 as a high or low level signal EN. The signal EN indicates a high level when Vf> Vref, and the signal EN indicates a low level when Vf <Vref.

ここでVfの温度係数は負の値を持ち、温度の上昇に伴ってVfは低下する。ある温度T1においてVf>VrefからVf<Vrefの状態に遷移すると、出力ENの電圧レベルはハイレベルからローレベルへと遷移する。すなわちこの場合、T1が過温度検知の閾値となる。   Here, the temperature coefficient of Vf has a negative value, and Vf decreases as the temperature increases. When a transition is made from Vf> Vref to Vf <Vref at a certain temperature T1, the voltage level of the output EN transitions from a high level to a low level. That is, in this case, T1 is a threshold value for overtemperature detection.

第2回路2のプリドライバ22は、たとえば図5に示すように、NAND回路221と、レベルシフト回路222と、インバータ回路223とから構成される。NAND回路221は、信号Vctrlとイネーブル信号ENとの否定論理積信号を出力するNAND回路である。レベルシフト回路222は、NAND回路221のハイレベル出力の電圧値をVDDからVHに変換して出力するレベルシフト回路である。インバータ回路223は、P型トランジスタ223HおよびN型トランジスタ223Lからなるインバータ回路である。ここでたとえば、VDD=3.3V、VH=14Vとする。なお、信号Vctrlは、図示しない他のコントローラから出力される負荷駆動信号である。   For example, as shown in FIG. 5, the pre-driver 22 of the second circuit 2 includes a NAND circuit 221, a level shift circuit 222, and an inverter circuit 223. The NAND circuit 221 is a NAND circuit that outputs a NAND signal of the signal Vctrl and the enable signal EN. The level shift circuit 222 is a level shift circuit that converts the voltage value of the high level output of the NAND circuit 221 from VDD to VH and outputs it. The inverter circuit 223 is an inverter circuit composed of a P-type transistor 223H and an N-type transistor 223L. Here, for example, VDD = 3.3V and VH = 14V. The signal Vctrl is a load drive signal output from another controller (not shown).

プリドライバ22は、信号ENがハイレベルの場合には信号Vctrlの信号の極性をそのまま信号Vgateへ出力する。ただし、VctrlとVgateのハイレベル電圧は異なり、Vctrlのハイレベル電圧がVDDであるのに対して、Vgateのハイレベル電圧はVHである。そのためプリドライバ22の内部にはレベルシフト回路222を有している。信号ENがローレベルの場合には、プリドライバ22の内部に有するNAND回路221の出力は信号Vctrlの状態によらず必ずハイレベルとなり、信号Vgateには常にローレベルが出力される。   When the signal EN is at a high level, the pre-driver 22 outputs the signal polarity of the signal Vctrl as it is to the signal Vgate. However, the high level voltages of Vctrl and Vgate are different, and the high level voltage of Vctrl is VDD, whereas the high level voltage of Vgate is VH. Therefore, a level shift circuit 222 is provided inside the pre-driver 22. When the signal EN is at a low level, the output of the NAND circuit 221 included in the pre-driver 22 is always at a high level regardless of the state of the signal Vctrl, and a low level is always output as the signal Vgate.

以下では、過温度検知状態でない場合における、第1回路1および第2回路2おける電力損失について説明する。ここで過温度検知状態でない場合とは、上記で説明したように、過温度検知回路21の閾値温度T1未満の状態であり、過温度検知回路21が出力する信号ENがハイレベルを示す。   Below, the power loss in the 1st circuit 1 and the 2nd circuit 2 when not in an over-temperature detection state is demonstrated. Here, the case of not being in the overtemperature detection state is a state below the threshold temperature T1 of the overtemperature detection circuit 21, as described above, and the signal EN output from the overtemperature detection circuit 21 indicates a high level.

基準電圧生成回路11は、上述のように電源電圧VDDを入力し、基準電圧Vrefを出力する。基準電圧生成回路11の内部消費電流をI1A、外部への出力電流をI1Bとすると、基準電圧生成回路11における電力損失P11は以下の(1)式で表される。
P11=VDD×I1A+(VDD−Vref)×I1B ・・・(1)
(1)式より、P11がVDDに比例することが分かる。
The reference voltage generation circuit 11 receives the power supply voltage VDD as described above and outputs the reference voltage Vref. When the internal current consumption of the reference voltage generation circuit 11 is I1A and the output current to the outside is I1B, the power loss P11 in the reference voltage generation circuit 11 is expressed by the following equation (1).
P11 = VDD × I1A + (VDD−Vref) × I1B (1)
From equation (1), it can be seen that P11 is proportional to VDD.

プリドライバ回路22は、信号Vctrlに従って信号Vgateを出力する。信号Vgateは後段の高耐圧NMOSトランジスタ23のゲート駆動電圧となっており、すなわち高耐圧NMOSトランジスタ23はVgateに従ってオンないしオフ動作を行う。   The pre-driver circuit 22 outputs a signal Vgate according to the signal Vctrl. The signal Vgate is the gate drive voltage of the high breakdown voltage NMOS transistor 23 in the subsequent stage, that is, the high breakdown voltage NMOS transistor 23 is turned on or off according to Vgate.

図3(a)において高耐圧NMOSトランジスタ23がオフ状態にある場合、リーク電流を無視すればNMOS23における電力損失P23はゼロである。   In FIG. 3A, when the high breakdown voltage NMOS transistor 23 is in the OFF state, the power loss P23 in the NMOS 23 is zero if the leakage current is ignored.

高耐圧NMOSトランジスタ23がオン状態にある場合、負荷5のインピーダンスZと、NMOSのオン抵抗Ronと、電圧値VHと、NMOS23のドレイン電流IDとを用いて、NMOS23における電力損失P23は以下の(2)式で表わされる。
P23=Ron/(Z+Ron)×VH×ID ・・・(2)
(2)式より、P23がVHに比例することが分かる。
When the high breakdown voltage NMOS transistor 23 is in the on state, the power loss P23 in the NMOS 23 is expressed as follows using the impedance Z of the load 5, the NMOS on resistance Ron, the voltage value VH, and the drain current ID of the NMOS 23: 2) It is expressed by the formula.
P23 = Ron / (Z + Ron) × VH × ID (2)
From equation (2), it can be seen that P23 is proportional to VH.

以上から、信号Vctrlにより高耐圧NMOSトランジスタ23における電力損失P23が変動する。また、P11はVDD(=3.3V)に比例し、P23はVH(=14V)に比例する。従って、電力損失P23はP11よりも大きく、時間に伴って変動する。   From the above, the power loss P23 in the high voltage NMOS transistor 23 varies with the signal Vctrl. P11 is proportional to VDD (= 3.3V), and P23 is proportional to VH (= 14V). Therefore, the power loss P23 is larger than P11 and fluctuates with time.

次に、第1回路1と第2回路2のレイアウトについて説明する。
図6(a)に示すように、熱的結合部3が存在せず、第1回路1が第2回路2および素子分離膜4の近傍に配置されている場合を考える。上述したように、第2回路2の発熱量は第1回路1よりも大きく、かつ時間と共に変動する。この時、第2回路2で生じた熱変動に伴う熱エネルギーの増減は、素子分離膜4を通じて周囲に伝搬し、近傍に配置されている第1回路1は熱変動の影響を受けて、出力特性も変動する。
Next, the layout of the first circuit 1 and the second circuit 2 will be described.
As shown in FIG. 6A, consider a case where the thermal coupling portion 3 does not exist and the first circuit 1 is disposed in the vicinity of the second circuit 2 and the element isolation film 4. As described above, the heat generation amount of the second circuit 2 is larger than that of the first circuit 1 and fluctuates with time. At this time, the increase / decrease in the thermal energy caused by the thermal fluctuation generated in the second circuit 2 propagates to the surroundings through the element isolation film 4, and the first circuit 1 disposed in the vicinity is affected by the thermal fluctuation and outputs Characteristics also vary.

これを防止する従来の手法は図6(b)に示すように、回路1の配置を回路2から離すというものである。しかしながら、半導体装置100における配線領域や配置面積の増加を招いてしまう。   A conventional method for preventing this is to separate the circuit 1 from the circuit 2 as shown in FIG. However, an increase in wiring area and arrangement area in the semiconductor device 100 is caused.

これに対して、図1に示した本実施の形態では、第1回路1の近傍に熱的結合部3を設けるものである。以下、説明する。熱的結合部3は、SOI基板の裏面の基材1011に到達しており、これにより第1回路1と基材1011とを熱的に結合している。基材1011はSOI基板チップ101の全面に亘って広がっていることから、その総熱容量は大きい。それゆえに基材1011の温度は局所的な発熱に左右されず、半導体装置100の平均温度を示す。   In contrast, in the present embodiment shown in FIG. 1, the thermal coupling portion 3 is provided in the vicinity of the first circuit 1. This will be described below. The thermal coupling unit 3 reaches the base material 1011 on the back surface of the SOI substrate, and thereby thermally couples the first circuit 1 and the base material 1011. Since the base material 1011 extends over the entire surface of the SOI substrate chip 101, its total heat capacity is large. Therefore, the temperature of the base material 1011 does not depend on local heat generation, and indicates the average temperature of the semiconductor device 100.

基材1011と熱的に結合した第1回路1もまた同様に、半導体装置100の平均温度によって動作することができ、近傍に配置された第2回路2からの熱変動の影響を受けにくくすることができる。これにより、温度変動に対して特性が変動する回路と時間的に発熱量が変動する回路との位置関係に依存せず、半導体装置100における回路レイアウトの自由度を向上できる。   Similarly, the first circuit 1 that is thermally coupled to the base material 1011 can also operate according to the average temperature of the semiconductor device 100 and is less susceptible to thermal fluctuations from the second circuit 2 disposed in the vicinity. be able to. Thus, the degree of freedom of circuit layout in the semiconductor device 100 can be improved without depending on the positional relationship between the circuit whose characteristics change with respect to temperature fluctuations and the circuit whose heat generation amount changes with time.

基材1011と熱的に結合された基準電圧生成回路11から出力される基準電圧Vrefが過温度検知回路21に入力されるように構成したので、過温度検知回路21の動作精度が向上し、プリドライバ22の温度上昇による不具合の発生を効果的に抑制できる。したがって、半導体装置100の信頼性を向上できる。   Since the reference voltage Vref output from the reference voltage generation circuit 11 thermally coupled to the base material 1011 is input to the overtemperature detection circuit 21, the operation accuracy of the overtemperature detection circuit 21 is improved, The occurrence of problems due to the temperature rise of the pre-driver 22 can be effectively suppressed. Therefore, the reliability of the semiconductor device 100 can be improved.

上述した半導体装置100は、図1に示したような第1回路1と第2回路2と熱的結合部3と素子分離膜4とを形成したSOI基板チップ101を樹脂封止した半導体パッケージとした。しかし、半導体装置100は、SOI基板チップ101を直接プリント基板に実装したものでも良い。   The semiconductor device 100 described above includes a semiconductor package in which an SOI substrate chip 101 formed with the first circuit 1, the second circuit 2, the thermal coupling portion 3, and the element isolation film 4 as shown in FIG. did. However, the semiconductor device 100 may be one in which the SOI substrate chip 101 is directly mounted on a printed board.

また、図7に示すように、半導体装置100は、SOI基板チップ101だけでなく、他のモジュール102と共に封止する半導体パッケージであっても良い。この時、モジュール102はSOI基板チップである必要はなく、他の真性半導体ないし化合物半導体から構成される基板チップであっても良い。または受動素子を集積したモジュールであっても良い。SOI基板チップ101の実装の形態に関わらず、上述した作用効果と同様の作用効果を奏する。   As shown in FIG. 7, the semiconductor device 100 may be a semiconductor package that is sealed together with other modules 102 as well as the SOI substrate chip 101. At this time, the module 102 does not need to be an SOI substrate chip, and may be a substrate chip made of another intrinsic semiconductor or compound semiconductor. Alternatively, a module in which passive elements are integrated may be used. Regardless of the form of mounting of the SOI substrate chip 101, the same effects as the above-described effects can be obtained.

なお、上述の説明では、図1に示すように熱的結合部3が第1回路1と第2回路2との間の領域に、第1回路1に隣接して設けられているが、本発明はこれに限定されない。熱的結合部3が第1回路1と基材1011とを熱的に結合するのであれば、第1回路1と第2回路2との間の領域以外の領域に熱的結合部3を設けてもよい。   In the above description, as shown in FIG. 1, the thermal coupling portion 3 is provided adjacent to the first circuit 1 in the region between the first circuit 1 and the second circuit 2. The invention is not limited to this. If the thermal coupling unit 3 thermally couples the first circuit 1 and the base material 1011, the thermal coupling unit 3 is provided in a region other than the region between the first circuit 1 and the second circuit 2. May be.

また、熱的結合部3を第1回路1の近傍に設け、第1回路1と基材1011とを熱的に結合するのであれば、熱的結合部3を必ずしも第1回路1に隣接させなくてもよい。   Further, if the thermal coupling portion 3 is provided in the vicinity of the first circuit 1 and the first circuit 1 and the base material 1011 are thermally coupled, the thermal coupling portion 3 is not necessarily adjacent to the first circuit 1. It does not have to be.

なお、第2回路2には、高耐圧NMOSトランジスタ23が搭載されているが、たとえば図3(b)に示すように、高耐圧NMOSトランジスタ23に代えて高耐圧PMOSトランジスタ24を搭載してもよく、上述の作用効果と同様の作用効果を奏する。   Although the high breakdown voltage NMOS transistor 23 is mounted on the second circuit 2, for example, as shown in FIG. 3B, a high breakdown voltage PMOS transistor 24 may be mounted instead of the high breakdown voltage NMOS transistor 23. Well, there are the same effects as the above-mentioned effects.

−−−第2の実施の形態−−−
図8〜13を参照して、本発明による半導体装置の第2の実施の形態を説明する。以下の説明では、第1の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第1の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、複数の回路間で温度情報を共有する点で、第1の実施の形態と異なる。
--- Second Embodiment ---
A second embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and different points will be mainly described. Points that are not particularly described are the same as those in the first embodiment. This embodiment is different from the first embodiment mainly in that temperature information is shared among a plurality of circuits.

図8は、第2の実施の形態の半導体装置100Aのレイアウトの一例を模式的に示す図である。第2の実施の形態の半導体装置100Aは、たとえば第1の実施の形態と同様に、SOI基板チップ103を樹脂封止した半導体パッケージである。半導体装置100Aは、SOI基板チップ103と、第1A回路110と、第1B回路111と、第2A回路210と、熱的結合部3a,3b,3cと、素子分離膜4と、温度検出回路6とを備えている。   FIG. 8 is a diagram schematically illustrating an example of the layout of the semiconductor device 100A according to the second embodiment. The semiconductor device 100A of the second embodiment is a semiconductor package in which an SOI substrate chip 103 is sealed with a resin, for example, as in the first embodiment. The semiconductor device 100A includes an SOI substrate chip 103, a first A circuit 110, a first B circuit 111, a second A circuit 210, thermal coupling portions 3a, 3b, 3c, an element isolation film 4, and a temperature detection circuit 6. And.

第1A回路110および第1B回路111は、温度変動に対して特性が変動する回路である。第2A回路210は、発熱量が一定でなく時間と共に変動する回路である。温度検出回路6は、半導体装置100Aの平均温度を検出する回路である。熱的結合部3a,3b,3cは、第1A回路110、第1B回路111および温度検出回路6の近傍にそれぞれ設けられている。第2A回路210の周囲には、素子分離膜4が形成されている。   The first A circuit 110 and the first B circuit 111 are circuits whose characteristics fluctuate with respect to temperature fluctuations. The second A circuit 210 is a circuit in which the heat generation amount is not constant and varies with time. The temperature detection circuit 6 is a circuit that detects the average temperature of the semiconductor device 100A. The thermal coupling portions 3a, 3b, and 3c are provided in the vicinity of the first A circuit 110, the first B circuit 111, and the temperature detection circuit 6, respectively. An element isolation film 4 is formed around the second A circuit 210.

本実施の形態では、第1A回路110および第1B回路111は、たとえば図9に示すように温度情報信号TEMPを入力とし電流制御信号Ictrlを出力する電流補正回路13と、電源電圧VDDと電流制御信号Ictrlを入力とし、発振信号OSCを出力する発振回路12から構成される。ここで発振回路12は、たとえば図10に示すようにインバータ素子121a〜121cと、電流制御信号Ictrlにより電流値を調整可能な電流源122a〜122fから構成される。   In the present embodiment, the first A circuit 110 and the first B circuit 111 include, for example, a current correction circuit 13 that receives a temperature information signal TEMP and outputs a current control signal Ictrl, a power supply voltage VDD, and current control as shown in FIG. The oscillation circuit 12 is configured to receive the signal Ictrl and output the oscillation signal OSC. Here, for example, as shown in FIG. 10, the oscillation circuit 12 includes inverter elements 121a to 121c and current sources 122a to 122f whose current values can be adjusted by a current control signal Ictrl.

温度検出回路6は、たとえば図11に示すように、電流を印加することで順方向電圧を発生するダイオード61と、ダイオード61へ電流を印加する定電流源62と、ダイオード61の順方向電圧Vfを入力としてボルテージフォロアを構成し、温度情報信号TEMPを出力するオペアンプ63から構成される。   For example, as shown in FIG. 11, the temperature detection circuit 6 includes a diode 61 that generates a forward voltage by applying a current, a constant current source 62 that applies a current to the diode 61, and a forward voltage Vf of the diode 61. Is formed of an operational amplifier 63 that constitutes a voltage follower and outputs a temperature information signal TEMP.

温度検出回路6において、定電流源62からダイオード61に電流を印加することで生じるダイオード61の順方向電圧Vfを、オペアンプ63の入力とする。オペアンプ63は、上述のようにボルテージフォロアを構成しており、その出力である温度情報信号TEMPは入力するダイオード61の順方向電圧Vfに追従する。ここで、ダイオード61の順方向電圧Vfの温度係数は負の値を持ち、温度の上昇に伴ってダイオード61の順方向電圧Vfが低下する。したがって、オペアンプ63の出力である温度情報信号TEMPもまた、ダイオード61の順方向電圧Vfと同様に負の温度係数を持つ。すなわち、温度情報信号TEMPには温度情報が含まれる。   In the temperature detection circuit 6, the forward voltage Vf of the diode 61 generated by applying a current from the constant current source 62 to the diode 61 is input to the operational amplifier 63. The operational amplifier 63 forms a voltage follower as described above, and the temperature information signal TEMP that is the output follows the forward voltage Vf of the input diode 61. Here, the temperature coefficient of the forward voltage Vf of the diode 61 has a negative value, and the forward voltage Vf of the diode 61 decreases as the temperature increases. Therefore, the temperature information signal TEMP that is the output of the operational amplifier 63 also has a negative temperature coefficient, like the forward voltage Vf of the diode 61. That is, temperature information is included in the temperature information signal TEMP.

第1A回路110および第1B回路111では、入力である温度情報信号TEMPを温度検出回路6から取得する。入力された温度情報信号TEMPは、電流補正回路13を介し、電流制御信号Ictrlとして発振回路12に入力される。発振回路12に含まれる電流源122a〜fでは、電流制御信号Ictrlにより電流値が調整可能である。ここで、発振回路12の出力である発振信号OSCの発振周波数は、電流源122a〜fの電流値によって可変である。そのため、発振信号OSCの周波数特性は電流制御信号Ictrlにより制御可能である。したがって、温度情報信号TEMPを基にして、発振信号OSCの発振周波数を補正できる。   The first A circuit 110 and the first B circuit 111 acquire the temperature information signal TEMP that is an input from the temperature detection circuit 6. The input temperature information signal TEMP is input to the oscillation circuit 12 through the current correction circuit 13 as a current control signal Ictrl. In the current sources 122a to 122f included in the oscillation circuit 12, the current value can be adjusted by the current control signal Ictrl. Here, the oscillation frequency of the oscillation signal OSC that is the output of the oscillation circuit 12 is variable depending on the current values of the current sources 122a to 122f. Therefore, the frequency characteristic of the oscillation signal OSC can be controlled by the current control signal Ictrl. Therefore, the oscillation frequency of the oscillation signal OSC can be corrected based on the temperature information signal TEMP.

本実施の形態では、第1A回路110の近傍に設けられた熱的結合部3aは、第1A回路110と基材1011とを熱的に結合する。第1B回路111の近傍に設けられた熱的結合部3bは、第1B回路111と基材1011とを熱的に結合する。温度検出回路6の近傍に設けられた熱的結合部3cは、温度検出回路6と基材1011とを熱的に結合する。   In the present embodiment, the thermal coupling portion 3 a provided in the vicinity of the first A circuit 110 thermally couples the first A circuit 110 and the base material 1011. The thermal coupling portion 3 b provided in the vicinity of the first B circuit 111 thermally couples the first B circuit 111 and the base material 1011. The thermal coupling portion 3 c provided in the vicinity of the temperature detection circuit 6 thermally couples the temperature detection circuit 6 and the base material 1011.

上述のように、基材1011の温度は局所的な発熱に左右されず、半導体装置100Aの平均温度を示す。ここで、熱的結合部3cによって基材1011と熱的に結合した温度検出回路6もまた同様に、半導体装置100Aの平均温度によって動作する。すなわち、温度検出回路6は、半導体装置100Aの平均温度を検出できる。   As described above, the temperature of the base material 1011 does not depend on local heat generation, and indicates the average temperature of the semiconductor device 100A. Here, the temperature detection circuit 6 thermally coupled to the base material 1011 by the thermal coupling portion 3c also operates according to the average temperature of the semiconductor device 100A. That is, the temperature detection circuit 6 can detect the average temperature of the semiconductor device 100A.

半導体装置100Aの平均温度は、半導体装置100Aにおけるいずれの点においても等しくなる。したがって、半導体装置100Aの平均温度を検出する温度検出回路6は少なくとも半導体装置100Aにおいて1つ存在すればよい。すなわち、半導体装置100Aに第1A回路110や第1B回路111のように温度変動に対して特性が変動する回路が複数設けられている場合でも、温度検出回路6を複数設ける必要がない。   The average temperature of the semiconductor device 100A is equal at any point in the semiconductor device 100A. Therefore, it is sufficient that at least one temperature detection circuit 6 for detecting the average temperature of the semiconductor device 100A exists in the semiconductor device 100A. That is, even when the semiconductor device 100A is provided with a plurality of circuits whose characteristics vary with respect to temperature variations, such as the first A circuit 110 and the first B circuit 111, it is not necessary to provide a plurality of temperature detection circuits 6.

上述したように、第1A回路110および第1B回路111は、温度検出回路6で検出した半導体装置100Aの平均温度の情報である温度情報信号TEMPを基にして、発振信号OSCの発振周波数を補正して出力する。これにより、半導体装置100Aの動作精度を向上できる。   As described above, the first A circuit 110 and the first B circuit 111 correct the oscillation frequency of the oscillation signal OSC based on the temperature information signal TEMP that is information on the average temperature of the semiconductor device 100A detected by the temperature detection circuit 6. And output. Thereby, the operation accuracy of the semiconductor device 100A can be improved.

なお、温度変動に対して特性が変動する回路であれば、第1A回路110と第1B回路111とが同じ回路であってもよく、異なる回路であってもよい。   Note that the first A circuit 110 and the first B circuit 111 may be the same circuit or different circuits as long as the characteristics fluctuate with respect to temperature fluctuations.

半導体装置100Aを図8に示したような第1A回路110と第4回路111と第2A回路210と熱的結合部3a〜3cと素子分離膜4と温度検出回路6とを形成したSOI基板チップ103を樹脂封止した半導体パッケージとした。しかし、本実施の形態の半導体装置100Aは、SOI基板チップ103を直接プリント基板に実装したものでも良い。   The SOI substrate chip in which the semiconductor device 100A is formed with the first A circuit 110, the fourth circuit 111, the second A circuit 210, the thermal coupling portions 3a to 3c, the element isolation film 4, and the temperature detection circuit 6 as shown in FIG. A semiconductor package 103 was sealed with resin. However, the semiconductor device 100A of the present embodiment may be one in which the SOI substrate chip 103 is directly mounted on a printed board.

また、図12に示すように半導体装置100Aは、SOI基板チップ103以外のモジュール102と共に封止する半導体パッケージであっても良い。この時、モジュール102はSOI基板チップである必要はなく、他の真性半導体ないし化合物半導体から構成される基板チップであっても良い。または受動部品を集積したモジュールであっても良い。あるいは図13に示すように、SOI基板チップ101とSOI基板チップ103をともに樹脂封止する形態を採ってもよい。SOI基板チップ103の実装の形態に関わらず、上述した作用効果と同様の作用効果を奏する。   Further, as illustrated in FIG. 12, the semiconductor device 100 </ b> A may be a semiconductor package that is sealed together with a module 102 other than the SOI substrate chip 103. At this time, the module 102 does not need to be an SOI substrate chip, and may be a substrate chip made of another intrinsic semiconductor or compound semiconductor. Alternatively, a module in which passive components are integrated may be used. Alternatively, as shown in FIG. 13, the SOI substrate chip 101 and the SOI substrate chip 103 may be sealed with resin. Regardless of the mounting form of the SOI substrate chip 103, the same effects as the above-described effects can be obtained.

以上説明した第2の実施の形態および変形例の半導体装置によれば、第1の実施の形態と同様に、温度変動に対して特性が変動する回路と時間的に発熱量が変動する回路との位置関係に依存せず、レイアウトの自由度を向上できる。また、複数の回路間で温度情報を共有することにより、温度検出回路の点数を削減し、回路面積を削減できる。   According to the semiconductor device of the second embodiment and the modification described above, as in the first embodiment, a circuit whose characteristics fluctuate with respect to temperature fluctuations and a circuit whose calorific value fluctuates with time. The degree of freedom in layout can be improved without depending on the positional relationship between the two. Moreover, by sharing temperature information among a plurality of circuits, the number of temperature detection circuits can be reduced, and the circuit area can be reduced.

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。たとえば、上記した実施例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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換える事が可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について他の構成の追加・削除・置換をする事が可能である。
また、制御線や信号線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や信号線を示しているとは限らない。
In addition, this invention is not limited to said Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment. In addition, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
In addition, control lines and signal lines are those that are considered necessary for the explanation, and not all control lines and signal lines are necessarily shown in the product.

1 第1回路、2 第2回路、3 熱的結合部、4 素子分離膜、6 温度検出回路、31 貫通孔、32 伝熱材、100,100A 半導体装置、101,103 SOI基板チップ、110 第1A回路、111 第1B回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st circuit, 2nd circuit, 3 thermal coupling part, 4 element isolation film, 6 temperature detection circuit, 31 through-hole, 32 heat transfer material, 100,100A semiconductor device, 101,103 SOI substrate chip, 110 1st 1A circuit, 111 1B circuit

Claims (8)

第1および第2シリコン層を絶縁層を介在して成るSOI基板と、
前記SOI基板上の前記第1シリコン層に形成された回路と、
前記第1シリコン層と前記絶縁層とを貫通して前記第2シリコン層に延在し、前記回路を前記第2シリコン層に熱的に結合する熱的結合部とを備える半導体装置。
An SOI substrate comprising first and second silicon layers with an insulating layer interposed therebetween;
A circuit formed in the first silicon layer on the SOI substrate;
A semiconductor device comprising: a thermal coupling portion that extends through the first silicon layer and the insulating layer to the second silicon layer and thermally couples the circuit to the second silicon layer.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記回路は、温度変動に対して特性が変動する第1の回路と、発熱量が時間と共に変動する第2の回路とを含み、
前記熱的結合部は、前記第1の回路を前記第2シリコン層に熱的に結合する半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The circuit includes a first circuit whose characteristics fluctuate with respect to temperature fluctuations and a second circuit whose calorific value fluctuates with time
The thermal coupling unit is a semiconductor device that thermally couples the first circuit to the second silicon layer.
請求項2に記載の半導体装置において、
前記第1の回路の出力は、前記第2の回路に入力される半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
A semiconductor device in which the output of the first circuit is input to the second circuit.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記回路は、前記SOI基板の温度を検出する温度検出回路と、発熱量が時間と共に変動する第2の回路とを含み、
前記熱的結合部は、前記温度検出回路を前記第2シリコン層に熱的に結合する半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The circuit includes a temperature detection circuit that detects the temperature of the SOI substrate, and a second circuit in which a heat generation amount varies with time,
The thermal coupling unit is a semiconductor device that thermally couples the temperature detection circuit to the second silicon layer.
請求項4に記載の半導体装置において、
前記回路は、温度変動に対して特性が変動する第1の回路をさらに含み、
前記温度検出回路の出力は、前記第1の回路に入力される半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4,
The circuit further includes a first circuit whose characteristic varies with temperature variation,
An output of the temperature detection circuit is a semiconductor device that is input to the first circuit.
請求項2に記載の半導体装置において、
前記第2の回路は、高圧電源に接続された高耐圧トランジスタを有し、グラウンドに接続された負荷を駆動する半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The second circuit is a semiconductor device having a high voltage transistor connected to a high voltage power source and driving a load connected to the ground.
請求項2に記載の半導体装置において、
前記第2の回路は、グラウンドに接続された高耐圧トランジスタを有し、高圧電源に接続された負荷を駆動する半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The second circuit includes a high voltage transistor connected to a ground, and drives a load connected to a high voltage power source.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記SOI基板は、それ単体で、または他の基板と共に樹脂封止されてパッケージ化されている半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
A semiconductor device in which the SOI substrate is packaged by itself or with other substrates by resin sealing.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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