(57)【要約】【課題】電流検出機能を内蔵する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体基板（１１）の表面の配線層で形成され、機能回路１３の電源に直列に接続されたループ形状を有する導体パターン５２と、導体パターン５２を形成する配線層の直上の配線層であって、導体パターン５２とほぼ同様な形状をなし、導体パターン５２と並行に配置された電流検出導体パターン５４と、電流検出導体パターン５４と接続されたボンディングパッド１３とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面の配線層で形成され、機能回路の電源または接地に直列に接続された導体パターンと、
前記配線層に隣接した別の配線層で形成され、前記導体パターンとほぼ同様な形状をなし、前記導体パターンと並行に配置された電流検出導体パターンと、
前記電流検出導体パターンとそれぞれ接続されたボンディングパッドと、
を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面の配線層で形成され、機能回路の電源または接地に直列に接続された導体パターンと、
前記配線層に隣接した別の配線層で形成され、前記導体パターンとほぼ同様な形状をなし、前記導体パターンと並行に配置された電流検出導体パターンと、
前記電流検出導体パターンと接続され、検出される電流を電圧に変換する電源変圧回路と、
前記電源変圧回路からの出力、及び、前記電圧と比較される基準電圧が入力される比較器と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記機能回路は、外付けの発振回路に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記導体パターン及び前記電流検出導体パターンは、矩形に形成された部分を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面の配線層で形成され、機能回路の電源または接地に直列に接続された導体パターンと、
前記配線層で形成され、前記導体パターンとほぼ同様な形状をなし、前記導体パターンと並行に配置された電流検出導体パターンと、
前記電流検出導体パターンとそれぞれ接続されたボンディングパッドと、
を備えていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導体を流れる電流を電磁誘導により検出する機能を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置や各種の電気素子あるいは電気回路等において、導線あるいは導体を流れる電流を検出する電流検出装置が要求されている。比較的大きな電流を検出する電流検出装置は半導体モジュールに内装されている。
【０００３】
一方、比較的小さな直流電流の変化を検出する電流検出装置として、例えば、半導体基板上に微小に作成した磁気検出コイルと、磁気検出コイルと同一半導体基板上に磁気検出コイルに近接してなる増幅回路とからなる磁気センサヘッドと、磁気センサヘッドを被測定集積回路チップ上に移動させる移動ユニットと、移動ユニットを制御する制御ユニットを有して構成され、被測定集積回路チップの各配線の電流を観測することで、被測定集積回路チップの故障箇所を特定することを特徴とする故障診断装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
この開示された電流検出装置は故障診断装置ということで、被測定の半導体チップは、例えば、封止樹脂が除去されて、半導体チップの表面保護膜上に置かれた磁気センサヘッドで、被測定半導体チップの配線の電流が観測されることになる。すなわち、半導体チップは、収められた適用製品の電気回路から取り外されて、半導体チップのパッケージが除去される。そのため、適用製品の電気回路の中で機能している半導体チップまたは半導体装置の中の電流を検出することはできないという問題を有している。
【特許文献１】特開平１０−１７７０６２号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、電流検出機能を内蔵する半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面の配線層で形成され、機能回路の電源または接地に直列に接続された導体パターンと、前記配線層に隣接した別の配線層で形成され、前記導体パターンとほぼ同様な形状をなし、前記導体パターンと並行に配置された電流検出導体パターンと、前記電流検出導体パターンとそれぞれ接続されたボンディングパッドとを備えていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の別態様の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面の配線層で形成され、機能回路の電源または接地に直列に接続された導体パターンと、前記配線層に隣接した別の配線層で形成され、前記導体パターンとほぼ同様な形状をなし、前記導体パターンと並行に配置された電流検出導体パターンと、前記電流検出導体パターンと接続され、検出される電流を電圧に変換する電源変圧回路と、前記電源変圧回路からの出力、及び、前記電圧と比較される基準電圧が入力される比較器とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の別態様の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面の配線層で形成され、機能回路の電源または接地に直列に接続された導体パターンと、前記配線層で形成され、前記導体パターンとほぼ同様な形状をなし、前記導体パターンと並行に配置された電流検出導体パターンと、前記電流検出導体パターンとそれぞれ接続されたボンディングパッドとを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電流検出機能を内蔵する半導体装置を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。各図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１に係る半導体装置について、図１乃至図３を参照しながら説明する。図１は半導体装置の導体パターンを模式的に示す図で、図１（ａ）は平面的な図、図１（ｂ）は斜視図である。図２は半導体装置の機能回路等の配置を模式的に示す平面図である。図３は半導体装置の配線層を模式的に示す断面図である。
【００１２】
図１に示すように、半導体装置（後述の半導体装置１）は、半導体基板表面の配線層で形成され、機能回路１３の電源に直列に接続されたループ形状を有する導体パターン５２、導体パターン５２の直上の配線層であって、導体パターン５２と並行に走るようなループ形状に形成された電流検出導体パターン５４、及び、電流検出導体パターン５４と接続されたボンディングパッド１５を備えている。
【００１３】
図２に示すように、半導体装置１は、半導体基板１１の表面に、能動素子及び受動素子等を有するＭＰＵ（Micro Processor Unit）、メモリ、Ｉ／Ｏ（Input/Output）、その他の各種制御回路等である機能回路１３が形成され、半導体基板１１の周辺部に、外部と接続するためのボンディングパッド１５が配置され、ボンディングパッド１５を介して、機能回路１３に電源、接地、信号等の配線が接続されている。図１に示す導体パターン等は、図２に示す半導体装置１の一部に相当する。
【００１４】
図３に示すように、半導体装置１は、表面に垂直方向に、アルミニウム、ポリシリコン、または、銅等からなる導体で形成された配線が積層された構造を有している。半導体基板１１の表面側から、第１配線層３３、最外側（最上側とも言う）の第ｎ配線層３６（ｎは２以上の自然数）、最外側から１つ内側の第ｎ−１配線層３５等が配置され、各配線層は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等からなる層間絶縁膜４１で分離されている。
【００１５】
なお、例えば、シリコンからなる半導体基板１１表面には、ウェル２１が形成され、拡散層２４及びゲート電極２８等で構成されるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）２３が、素子分離領域２６で分離されて形成されている。ボンディングパッド１５に接続されるＶｄｄ配線５１ａ及びＶｓｓ配線５１ｂ等の電源配線は、最外側またはそれに最近接の配線層が使用されることが多く、例えば、第ｎ−１配線層３５からコンタクト３１を介して、ＭＯＳＦＥＴ２３のドレイン側の拡散層２４に接続され、接地配線は第ｎ−１配線層３５から同様に、ＭＯＳＦＥＴ２３のソース側の拡散層２４に接続され、信号配線は、より内側の配線層を介して、ＭＯＳＦＥＴ２３のゲート電極２８に接続される。第ｎ配線層３６は、その外側をシリコン窒化膜等からなるパシベーション膜４３で覆われている。
【００１６】
図１に示すように、太線で示される導体パターン５２は、Ｖｄｄ配線５１ａの一部をなし、ボンディングパッド１５と選択された機能回路１３との中間に矩形状のループをなして配置されている。すなわち、導体パターン５２は、Ｖｄｄ配線５１ａの機能回路１３への途中において引き出されて、矩形状のループを形成し、引き出された近傍に戻されている。Ｖｄｄ配線５１ａは、導体パターン５２を通り、機能回路１３にＶｄｄ電圧を供給することが可能である。Ｖｓｓ配線５１ｂは接地配線となっている。図１及び図３に示すように、導体パターン５２を含むＶｄｄ配線５１ａ及びＶｓｓ配線５１ｂは、例えば、第ｎ−１配線層３５に形成されている。
【００１７】
電流検出導体パターン５４は、導体パターン５２が形成された第ｎ−１配線層３５に隣接する、例えば、上側の第ｎ配線層３６にあって、導体パターン５２とほぼ重なる矩形状ループに形成され（図面上のずれ及び太さは、それぞれを区別するための便宜的な表示）、両端をボンディングパッド１５に接続されている。すなわち、電流検出導体パターン５４は、導体パターン５２の半導体基板１１に対して反対側の第ｎ配線層３６に位置し、ボンディングパッド１５から引き出し線５３ａで引き出され、平面図的には、導体パターン５２と同様なループ状の矩形に形成され、引き出し線５３ｂで別のボンディングパッド１５に接続されている。導体パターン５２と電流検出導体パターン５４とは、隣り合う配線層間隔だけ離れている。なお、導体パターン５２及び電流検出導体パターン５４のループ形状は、矩形にこだわる必要はなく、他の多角形、円形、楕円形等が可能である。また、導体パターン５２及び電流検出導体パターン５４の形成されたそれぞれの配線層位置は、上下逆転して、導体パターン５２が第ｎ配線層３６であり、電流検出導体パターン５４が第ｎ−１配線層３５であってもよい。
【００１８】
次に、電流検出導体パターン５４の動作について説明する。半導体装置１に電源電圧等が印加され、動作状態になると、Ｖｄｄ配線５１ａには、それを中心とした同心円状に磁界が発生する。Ｖｄｄ配線５１ａは、機能回路１３等の充放電により電流の変化が起こり、電圧の変化が引き起こされる場合もある。Ｖｄｄ配線５１ａがループ状に形成された導体パターン５２の内部では磁束が同一方向となって強められる。導体パターン５２で発生した強められた磁界は、上側に配置されたループ状電流検出導体パターン５４の内部を貫き、電磁誘導により、電流検出導体パターン５４に起電力を発生させる。電流検出導体パターン５４も、ループ状をなしているので、ループを形成してない場合より大きな電流が発生することになる。
【００１９】
電流検出導体パターン５４に発生した電流は、ボンディングパッド１５に接続された計測器で測定することが可能である。Ｖｄｄ配線５１ａは、通常の機能回路１３等の動作においては、ほぼ一定の充放電電流等の変化が起こるので、電流検出導体パターン５４はほぼ一定の電流の変化及び値を検出できる。
【００２０】
上述したように、半導体装置１は、配線層に形成されたループ状の導体パターン５２、導体パターン５２の上側の配線層に、導体パターン５２と同様のループ状に形成された電流検出導体パターン５４、及び、電流検出導体パターン５４と接続されたボンディングパッド１５を備えているので、電磁誘導により、Ｖｄｄ配線５１ａを流れる動作中の電流を検出することが可能となる。この検出は、ボンディングパッド１５を介して、半導体装置１の外側で行うことができる。
【００２１】
その結果、半導体装置１のＶｄｄ配線５１ａに接続された機能回路１３等が正常か異常かを、半導体装置１を破壊することなく判断可能となる。また、機能回路１３に起こる故障モードと電流検出導体パターン５４に発生する電流とを関係付けておけば、電流検出導体パターン５４に発生した電流により、機能回路１３の状況を捉えることが可能となる。電流検出導体パターン５４に発生した電流により、対象となる機能回路１３は特定されるので、正確で迅速な故障の判断が可能となる。また、導体パターン５２と電流検出導体パターン５４は、上下配線層の関係にあり接近配置がなされているので、電流検出感度は高いものとなっている。
【実施例２】
【００２２】
本発明の実施例２に係る半導体装置について、図４を参照しながら説明する。図４は半導体装置の導体パターンを模式的に示す斜視図である。実施例１とは、電流検出導体パターンのループが２重に形成されている点が異なっている。以下、実施例１と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
【００２３】
図４に示すように、半導体装置は、上下２層の配線層に形成された２重のループ形状を有する電流検出導体パターン６４が配置されている。電流検出導体パターン６４は、１層増やした第ｎ＋１配線層（図示略）に形成されたループ形状を有する電流検出導体パターン６４ａ、第ｎ配線層３６に形成されたループ形状を有する電流検出導体パターン６４ｂを有して、電流検出導体パターン６４ａ、６４ｂが、配線層にほぼ垂直なコンタクト６５により、直列に接続されて、同じ方向に巻かれた構成となっている。
【００２４】
電流検出導体パターン６４は、第ｎ＋１配線層で取り出されてボンディングパッド１５と接続されている。平面図的には、第ｎ−１配線層３５にある導体パターン５２と、その上部にある電流検出導体パターン６４ａ、６４ｂとは、ループの部分がほぼ重なっている。電流検出導体パターン６４以外の構成は、実施例１の半導体装置１と同様であり、ループ形状を変形したり、相対的な上下関係を取ることは、実施例１の半導体装置１と同様に可能である。
【００２５】
上述したように、本実施例の半導体装置は、配線層を１層増やしたことにより、電流検出導体パターン６４が２重のループ形状となっているので、電磁誘導により発生する起電力が、実施例１の電流検出導体パターン５４に比較して大きい。その結果、導体パターン５２に発生するより微小な電流の変化をより正確に捉えて、正常か異常か、また、どの位異常かの判断が、より迅速になされ得る。その他の効果は、実施例１の半導体装置１と同様である。
【実施例３】
【００２６】
本発明の実施例３に係る半導体装置について、図５を参照しながら説明する。図５は半導体装置の導体パターンを模式的に示す平面的な図である。実施例１とは、導体パターン及び電流検出導体パターンが直線状に形成されて点が異なっている。以下、実施例１と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
【００２７】
図５に示すように、半導体装置は、直線状に形成された導体パターン７２と同じ配線層に直線状に形成された電流検出導体パターン７４が配置されている。導体パターン７２は、第ｎ−１配線層３５に直線状に形成されており、連続するＶｄｄ配線５１ａと形状的な差はない（図面状は太線としてある）。一方、電流検出導体パターン７４は、第ｎ−１配線層３５に、導体パターン７２と並行するように直線状に形成されている。なお、電流検出導体パターン７４は、導体パターン７２の直上の配線層である第ｎ配線層３６に配置することは可能である。
【００２８】
電流検出導体パターン７４は、第ｎ−１配線層３５で取り出されてボンディングパッド１５と接続されている。導体パターン７２と電流検出導体パターン７４以外の構成は、実施例１の半導体装置１と同様である。なお、導体パターン７２と電流検出導体パターン７４は、並行に走る部分は直線であったが、互いに一定の角度、例えば、９０度の曲がりを有して並行に走る直線であってもよいし、あるいは、並行に走る曲線等であってもよい。
【００２９】
上述したように、本実施例の半導体装置は、導体パターン７２と電流検出導体パターン７４が直線となっているので、電磁誘導により発生する起電力が、実施例１の電流検出導体パターン５４に比較して小さい。その結果、導体パターン７２に発生する微小な電流の変化を捉えにくくなるが、導体パターン７２と電流検出導体パターン７４を同じ配線層上に形成できるので、配線層を１層少なくでき、また、直線なので、ループ形状に比較して、占有面積を小さくできるので、実施例１の半導体装置１と比較して、半導体装置製造プロセスの短縮、コストの低減が可能となる。その他の効果は、実施例１の半導体装置１と同様である。
【実施例４】
【００３０】
本発明の実施例４に係る半導体装置について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は半導体装置の導体パターンを模式的に示す平面的な図である。図７は半導体装置の図６に示す導体パターンを模式的に示す平面的な図で、図６に示す導体パターンを複数個配置してある。実施例１とは、電流検出導体パターンの出力に基づく電圧を基準電圧と比較して出力する点が異なっている。以下、実施例１と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
【００３１】
図６に示すように、半導体装置は、実施例１の電流検出導体パターン６４と同じ配線層に形成されて、同じ形状をなし、下層の導体パターン５２に対しても同じ位置関係になる電流検出導体パターン８４を有している。電流検出導体パターン８４は、ボンディングパッド１５と接続されることはなく、電圧変換回路８１に接続されている。電流検出導体パターン８４で検出された電流は、電圧変換回路８１で電圧に変換されて、比較器８３に出力される。
【００３２】
比較器８３には、基準電圧８２が接続されており、基準電圧８２と比較した電圧変換回路８１の電圧の大小が、例えば、半導体装置の外部の回路を介して出力される。基準電圧８２は、例えば、Ｖｄｄ電圧を分圧して供給される。機能回路１３等が故障したときに、電流検出導体パターン８４で検出されて変換されると予想される電圧値を、異常値として基準電圧８２として設定しておく。また、その他の、検出を必要とする電圧値を、基準電圧８２として設定しておくことは可能である。
【００３３】
また、図７に示すように、図６に示す電流検出導体パターン８４、電圧変換回路８１、基準電圧８２、及び比較器８３等からなる回路が、半導体装置の中に複数組、例えば３組、並列に配置されている。Ｖｄｄ配線５１ａから分かれて接続される機能回路１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、それぞれ、電流検出導体パターン８４ａ、８４ｂ、８４ｃで検出され、機能回路１３ａ、１３ｂ、１３ｃの故障を判断する電圧に合わせて、基準電圧８２ａ、８２ｂ、８２ｃが設定されて、比較器８３ａ、８３ｂ、８３ｃで、それぞれ、比較して、出力される。
【００３４】
上述したように、本実施例の半導体装置は、電流検出導体パターン８４、８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、電圧変換回路８１、８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、基準電圧８２、８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、及び、比較器８３、８３ａ、８３ｂ、８３ｃ等からなる回路を、１組または複数組有することにより、電流検出導体パターン８４、８４ａ、８４ｂ、８４ｃで検出された電流に基づく電圧値を比較器８３、８３ａ、８３ｂ、８３ｃにおいて、基準電圧８２、８２ａ、８２ｂ、８２ｃとの比較値として、出力することが可能である。その結果、導体パターン５２、５２ａ、５２ｂ、５２ｃが接続された回路の正常または異常を知ることが可能となる。
【００３５】
また、比較器８３の出力をＭＰＵに接続しておき、異常時の対応を、予め作成しておいたプログラムにより、実行することは可能である。その結果、半導体装置自体、及び、接続されている周辺回路等への影響を最小限に抑えることが可能となる。
【実施例５】
【００３６】
本発明の実施例５に係る半導体装置について、図８を参照しながら説明する。図８は半導体装置の導体パターンを模式的に示す平面的な図である。実施例４とは、機能回路が半導体装置の外部の回路に接続されて、外部の回路の動作状況が電源電圧により大きな変化を与える点が異なっている。以下、実施例１及び実施例４と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
【００３７】
図８に示すように、半導体装置２は、実施例４の半導体装置と同様に、電流検出導体パターン８４、電圧変換回路８１、基準電圧９２、及び、比較器８３等からなる回路を有し、Ｖｄｄ配線５１ａに接続された機能回路９３が、半導体装置２の外部にある外付け発振回路９１に接続されている。
【００３８】
外付けの発振回路９１が異常発振を起こしたときに、電流検出導体パターン８４で検出されて変換されると予想される電圧値を、異常値として基準電圧９２に設定しておく。また、その他の、検出を必要とする電圧値を、基準電圧９２として設定しておくことは可能である。
【００３９】
上述したように、本実施例の半導体装置２は、電流検出導体パターン８４、電圧変換回路８１、基準電圧９２、及び、比較器８３等からなる回路を有することにより、電流検出導体パターン８４で検出された電流に基づく電圧値を比較器８３において、基準電圧９２との比較値として、出力することが可能である。その結果、導体パターン５２が接続された外付け発振回路９１に接続された機能回路９３の正常または異常、すなわち、発振回路９１の異常発振等を知ることが可能となる。その他、実施例４の半導体装置と同様な効果を有しているので、異常発振がもたらす周辺回路への影響を、最小限に抑制することが可能となる。
【００４０】
本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々、変形して実施することができる。
【００４１】
例えば、実施例では、導体パターンは、ボンディングパッドと機能回路との間のＶｄｄ配線に直列に形成されている例を示したが、ボンディングパッドと機能回路との間のＶｓｓ配線に直列に形成されていることは可能である。
【００４２】
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。  
（付記１）  半導体基板と、前記半導体基板の表面の配線層で形成され、機能回路の電源または接地に直列に接続された導体パターンと、前記配線層に隣接した別の配線層で形成され、前記導体パターンとほぼ同様な形状をなし、前記導体パターンと並行に配置された電流検出導体パターンと、前記電流検出導体パターンとそれぞれ接続されたボンディングパッドとを備えている半導体装置。
【００４３】
（付記２）  前記電流検出導体パターンは、前記配線層及び前記別の配線層でそれぞれ形成された複数のループが直列に接続されて、電流が前記各ループを同じ方向に流れるように形成されている付記１に記載の半導体装置。
【００４４】
（付記３）  前記導体パターンは、特定の機能回路に接続されている付記１に記載の半導体装置。
【００４５】
（付記４）  前記導体パターン及び前記電流検出導体パターンは、直線である付記１に記載の半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体装置の導体パターンを模式的に示す図で、図１（ａ）は平面的な図、図１（ｂ）は斜視図。
【図２】本発明の実施例１に係る半導体装置の機能回路等の配置を模式的に示す平面図。
【図３】本発明の実施例１に係る半導体装置の配線層を模式的に示す断面図。
【図４】本発明の実施例２に係る半導体装置の導体パターンを模式的に示す斜視図。
【図５】本発明の実施例３に係る半導体装置の導体パターンを模式的に示す平面的な図。
【図６】本発明の実施例４に係る半導体装置の導体パターンを模式的に示す平面的な図。
【図７】本発明の実施例４に係る半導体装置の複数個の導体パターンを模式的に示す平面的な図。
【図８】本発明の実施例５に係る半導体装置の導体パターンを模式的に示す平面的な図。
【符号の説明】
【００４７】
１、２  半導体装置
１１  半導体基板
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、９３  機能回路
１５  ボンディングパッド
２１  ウェル
２３  ＭＯＳＦＥＴ
２４  拡散領域
２６  素子分離領域
２８  ゲート電極
３１、６５  コンタクト
３３  第１配線層
３５  第ｎ−１配線層
３６  第ｎ配線層
３８  ビアプラグ
４１  層間絶縁膜
４３  パシベーション膜
５１ａ  Ｖｄｄ配線
５１ｂ  Ｖｓｓ配線
５２、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、７２  導体パターン
５３ａ、５３ｂ  取り出し線
５４、６４、６４ａ、６４ｂ、７４、８４、８４ａ、８４ｂ、８４ｃ  電流検出導体パターン
８１  電圧変換回路
８２  基準電圧
８３、８３ａ、８３ｂ、８３ｃ  比較器
９１  発振回路
【図１】
2009094280.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009094280.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009094280.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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