JP2002176108A - 半導体装置及びリチウムイオン電池パック - Google Patents
半導体装置及びリチウムイオン電池パックInfo
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Abstract
イスとすることにより小型にすると共に実装コストを低
下させる。 【解決手段】 P型シリコン基板30にドレインとなる
N型ウエル拡散層32が形成されており、そのウエル拡
散層32内に互いに分離した2つのP型拡散層34aと
34bが形成されている。各P型拡散層34a,34b
内にはそれぞれソースとなるN型拡散層36a,36b
が形成され、ウエル拡散層32とそれぞれのソース拡散
層36a,36bの間のP型拡散層領域34a,34b
がチャネル領域38a,38bとなっている。各チャネ
ル領域38a,38b上にはゲート絶縁膜を介してそれ
ぞれのゲート電極40a,40bが形成されて、ドレイ
ン拡散層を共通とする2つのNチャネルDMOSトラン
ジスタが構成されている。2つのP型拡散層34a,3
4bの間の耐圧が低下するのを防ぐために、P型拡散層
34a,34b間に高濃度のN型拡散層33が形成され
ている。
Description
電池(リチウムイオン電池という)用の保護回路などに
用いるのに適した半導体装置と、その半導体装置をスイ
ッチ回路内蔵の保護回路として備えたリチウムイオン電
池パックに関するものである。リチウムイオン電池は充
電が可能な乾電池であり、携帯電話その他の携帯機器の
電源として利用されている。
ータなどの携帯機器には、電源として充電可能なリチウ
ムイオン電池が搭載されている。リチウムイオン電池
は、定電流定電圧で充電が行われるが、充電が進むにつ
れて電圧が上昇しつづけ、過充電状態になるとガスが発
生したり、内部ショートを起こす可能性がある。そのた
め、常に電池の電圧を監視し、電池の電圧が所定の電圧
以上になると充電を停止するように制御している。
放電してしまうと、サイクル寿命などの特性が劣化した
り、再度充電したときにショートを起こしたのすること
があるため、過放電に対しても電池の電圧を監視し、電
池の電圧が所定の電圧以下になると放電を停止するよう
に制御している。
パック内には、充放電を制御する制御回路とスイッチ回
路含む保護回路を備えている。このスイッチ回路は、例
えば携帯電話のように充電中でも着信や画面表示が必要
であり、放電しきった時の再充電が必要である。このた
め、充電中でも放電が、また放電完了時でも充電が可能
である必要がある。
回路の一例を示したものである(「電子技術」誌199
9年11月号43〜46頁参照)。2は過充電と過放電
とから電池を保護するためのスイッチ回路であり、2つ
のMOSトランジスタ4a,4bと、それぞれに並列に
挿入されたダイオード6a,6bとを備えている。一方
の端子8aにはリチウムイオン電池10−極側が接続さ
れ、他方の端子8bには負荷12又はさらに充電器の−
極側が接続される。電池10の+極側は負荷12又はさ
らに充電器の+極側と接続される。MOSトランジスタ
4a,4bのゲート電極には制御回路14から過充電と
過放電を制御するための制御信号が印加される。この例
では充電電流は矢印で示されるように右方向に流れ、放
電電流は左方向に流れる。
続される。充電電流は充電器の+極から電池10を通
り、ダイオード6aからMOSトランジスタ4bを通っ
て充電器の−極へと流れる。過充電状態になると制御回
路14からMOSトランジスタ4bをオフにする制御電
圧が印加されて充電が停止される。充電中でも電池10
の+極から負荷12を通り、ダイオード6bからMOS
トランジスタ4aを通って放電電流は流れることがで
き、負荷を作動させることができる。また、放電が過放
電状態になると、制御回路14からMOSトランジスタ
4aをオフにする制御電圧が印加されて放電が停止させ
られる。
は、抵抗が高いと電池消耗に直結するので、充電電圧に
耐え、かつ抵抗値の低いトランジスタとして、図5に示
されるように、2つの個別のNチャネル型DMOSトラ
ンジスタ(二重拡散MOSトランジスタ)を使ってい
る。2つのDMOSトランジスタ2aと2bは同じ構造
であり、ドレインとなるN型シリコン基板20にP型拡
散層22が形成され、その拡散層22内にソースとなる
N型拡散層24が形成されて、拡散層24と基板20の
間の拡散層22がチャネル領域となっている。チャネル
領域上にはゲート酸化膜を介してゲート電極26が形成
されている。
拡散層22が短絡されて端子Bとなり、リチウムイオン
電池側に接続される。一方MOSトランジスタ2bでも
同様にしてソース24と拡散層22が短絡されて端子E
となり負荷側又はさらに充電器側に接続される。ダイオ
ード6a,6bは拡散層22と基板20の間のPN接合
により形成される。
ジスタ2a,2bはP型拡散層22とN型基板20で形
成される寄生PNダイオードがダイオード6a,6bと
なって好都合であるが、チップを2個実装させるため、
面積が大きくなる点と実装コストアップとなる問題があ
った。更に、コストダウンの要求により、このスイッチ
回路2を制御回路14の半導体チップ内部へ搭載したい
が、このままでは不可能であった。
の個別MOSトランジスタで構成されていた保護回路の
スイッチ回路を単一のMOSデバイスとすることにより
小型にすると共に実装コストを低下させることである。
本発明の第2の目的は、そのスイッチ回路を制御回路と
同一の半導体チップに形成することにより更にコスト低
下を図ることである。本発明の第3の目的は、そのよう
な保護回路を備えてリチウムイオン電池パックのコスト
低下を図ることである。
請求項1の半導体装置により達成することができる。す
なわち、本発明の半導体装置は、半導体基板のドレイン
となるN型ウエル拡散層内に互いに分離した2つのP型
拡散層が形成され、それらの各P型拡散層内にそれぞれ
ソースとなるN型拡散層が形成されて、それぞれのソー
ス拡散層と前記ウエル拡散層との間のP型拡散層領域を
チャネル領域としており、各チャネル領域上にはゲート
絶縁膜を介して互いに分離されたそれぞれのゲート電極
が形成されて、ドレイン拡散層を共通とする2つのNチ
ャネルDMOSトランジスタが構成されているMOSデ
バイスを備えたものである。
ドレインとして2つのNチャネル型LDMOSトランジ
スタ(横型DMOSトランジスタ)を含んだ単一のMO
Sデバイスを形成し、2つのDMOSトランジスタのゲ
ート電極を別々に制御できるようにして、そのMOSデ
バイスを保護回路のスイッチ回路とすることにより、保
護回路が小型になると共に実装コストが低下する。
ダイオード以外に、チャネル拡散となるP型拡散層領域
とその間にあるN型ウエル拡散層で構成される寄生PN
Pバイポーラトランジスタが存在する。その寄生PNP
バイポーラトランジスタのベースとなるN型ウエル拡散
層が開放(どこにも接続されていない)状態の場合に
は、チャネル拡散層の耐圧はバイポーラトランジスタの
ベース開放状態の耐圧と同じとなり、約1/2から1/
3に低下する。これは、寄生バイポーラ構造のhFE(電
流増幅率)に関連するパラメータである。
ルとなる互いのP型拡散層の距離を離すことが考えられ
るが、それでは微細化が困難となり、小さな面積で抵抗
値の低いスイッチ回路とすることに支障が出る。そこ
で、1つの方法として、2つのチャネル領域間のウエル
拡散層にそのウエル拡散層よりも高濃度のN型拡散層を
形成した(請求項2)。これにより、2つのチャネル領
域間を離す距離を小さくすることができる。チャネル拡
散層の耐圧を上げる他の方法として、両P型拡散層とN
型ウエル拡散層との間に接続され、そのN型ウエル拡散
層をそれらのP型拡散層のうちの高電圧側のP型拡散層
に接続する電圧判定回路をさらに備えた(請求項3)。
型ウエル拡散層を共用する構造では別の電圧がかかるチ
ャンネル拡散層間でPNP寄生バイポーラトランジスタ
が形成されるが、ドレインとなるN型ウエル拡散層の電
圧を高電圧側のソース(P型拡散層)電圧と同じ電圧に
することにより、寄生バイポーラトランジスタのベース
電圧とエミッタ電圧が同じになるため、バイポーラトラ
ンジスタの動作がなくなる。そのため、2つのチャネル
領域間を離す距離は、ドレインとなるN型ウエル拡散層
とP型チャンネル拡散領域との接合での逆方向電圧印加
の空乏層距離の広がり幅の距離マージンでよいこととな
る。
エル拡散層の濃度を1×1016/cm3程度の濃度にし
た場合、30V程度の印加電圧であれば、2つのチャネ
ル領域間を離す距離は3μm程度でよく、非常に微細化
が可能となる。さらに、寄生バイポーラトランジスタの
ベース部分にドレインとなるN型ウエル拡散層よりも濃
度の濃いN型拡散層を配置することにより、逆方向電圧
印加時の空乏層の伸びが減少し、2つのチャネル領域間
を離す距離はさらに縮小することができ、また寄生バイ
ポーラトランジスタのベースとエミッタ電位を同じ電圧
にしやすくなる。
のMOSデバイスの2つのNチャネルDMOSトランジ
スタのそれぞれにおいてソース拡散層とP型拡散層とを
短絡させてそれぞれの端子とし、それぞれのDMOSト
ランジスタのゲート電極にそれぞれの制御電圧を印加し
て各DMOSトランジスタを独立して制御するようにす
る。
し、基板から独立にしたことにより、制御回路と共に共
通の半導体チップに搭載できるようになった。そして、
本発明の第2の目的は、スイッチ回路としたこのMOS
デバイスを制御回路とともに共通の半導体チップに搭載
し、このMOSデバイスの両端子をリチウムイオン電池
と負荷又はさらに充電器との間に接続されるものとし、
一方のDMOSトランジスタのゲート電極にはその制御
回路から過充電時にこのDMOSトランジスタをオフに
する信号が制御信号として印加され、他方のDMOSト
ランジスタのゲート電極にはその制御回路から過放電時
にこのDMOSトランジスタをオフにする信号が制御信
号として印加されてリチウムイオン電池保護回路を構成
することにより達成される。
池と、保護回路としての本発明の半導体装置とを組み合
わせたリチウムイオン電池パックとすることにより達成
することができる。
スの一実施例を示したものである。(A)は装置の断面
図、(B)はその等価回路図である。P型シリコン基板
30にドレインとなるN型ウエル拡散層32が形成され
ており、そのウエル拡散層32内に互いに分離した2つ
のP型拡散層34aと34bが形成されている。各P型
拡散層34a,34b内にはそれぞれソースとなるN型
拡散層36a,36bが形成されている。ウエル拡散層
32とそれぞれのソース拡散層36a,36bの間のP
型拡散層領域34a,34bがチャネル領域38a,3
8bとなっている。各チャネル領域38a,38b上に
はゲート絶縁膜を介してそれぞれのゲート電極40a,
40bが形成されて、ドレイン拡散層を共通とする2つ
のNチャネルDMOSトランジスタが構成されている。
41は素子分離用フィールド酸化膜である。
ンジスタ42a,42bは、装置図(A)の左右の2つ
のDMOSトランジスタに対応したものである。それぞ
れのMOSトランジスタのソース拡散層36a,36b
とP型拡散層34a,34bが短絡していることによ
り、P型拡散層34a,34bとN型ウエル32の間の
PN接合による2つのダイオード44a,44bがそれ
ぞれのMOSトランジスタ42a,42bに並列に形成
されている。
N型ウエル32の間には寄生PNPトランジスタ46が
形成されている。この寄生バイポーラトランジスタ46
が形成されることにより、2つのP型拡散層34a,3
4bの間の耐圧が低下するのを防ぐための1つの方法と
して、図1(A)に破線で示されるように、高濃度のN
型拡散層33を形成してもよい。P型シリコン基板30
を接地して使用すれば、このスイッチ回路部分はこの領
域部分のみで動作できるために、同じ基板30の他の部
分に別の回路を形成することが可能となる。
スイッチ回路として備えた保護回路の一実施例を示す。
鎖線で囲まれた領域50が1つの半導体チップ内に形成
された保護回路用のLSI(大規模集積回路)である。
図1の実施例のスイッチ回路としてのMOSデバイス
は、破線の円で囲まれた領域48内に示されている。リ
チウムイオン電池52は+電極側がVDD端子54に接
続され、−電極側がVSS端子56に接続される。ま
た、携帯電話などの負荷58はVDD端子54とV−端
子60の間に接続される。充電するときは、充電器もV
DD端子54とV−端子60の間に接続される。
ジスタ42a側の端子BがVSS端子56に接続され、
MOSトランジスタ42b側の端子EがV−端子60に
接続されている。MOSトランジスタ42aが放電用M
OSトランジスタ、MOSトランジスタ42bが充電用
MOSトランジスタである。
DD端子54とVSS端子56の間には過充電検知回路
62が設けられており、過充電検知回路62は電池52
の電圧が設定電圧以上になるとレベルシフト回路64を
介してMOSトランジスタ42bのゲート電極に制御電
圧を供給し、MOSトランジスタ42bをオフとする。
レベルシフト回路64は充電用MOSトランジスタ42
bをオフにするために、MOSトランジスタ42bのゲ
ート電極に供給する制御電圧の電位を充電器に接続され
ているMOSトランジスタ42bのソース電位と同じ電
位にすめためのものである。過充電検知回路62につな
がるCT端子66は遅延用コンデンサを外付けするため
の端子であり、過充電を検出するときの遅延時間を設定
するためのものである。この遅延時間は、ノイズなどに
より誤動作が起こるのを防ぐためのものである。
の間には過放電を検知するための過放電検知回路68が
設けられている。遅延回路70は負荷変動などによる瞬
間的な電圧変動で誤動作しないように遅延時間を設定す
るものであり、過放電検知回路68が電池52の電圧が
設定電圧以下に低下して過放電であることを検知したと
きに、その遅延回路70を経て設定された遅延時間の後
に、MOSトランジスタ42aのゲート電極に制御電圧
を供給し、MOSトランジスタ42aをオフにする。制
御回路は過充電検知回路62、レベルシフト回路64、
過放電検知回路68及び遅延回路70を含んでいる。
器から電池52を通り、スイッチ回路のダイオード44
aからMOSトランジスタ42bを経て矢印で示される
ように右方向に流れる。過充電状態になると、過充電検
知回路62からの信号によりレベルシフト回路64を経
てMOSトランジスタ42bに制御信号が供給されて充
電用MOSトランジスタ42bがオフになる。充電の際
にも放電電流は、電池52から負荷58を通り、スイッ
チ回路のダイオード44bから放電用MOSトランジス
タ42aを経て矢印で示されるように左方向に流れるこ
とができる。一方、過放電状態になると、過放電検知回
路68から遅延回路70を経てMOSトランジスタ42
aのゲート電極に制御電圧が供給され、放電用MOSト
ランジスタ42aがオフになって放電が停止させられ
る。
ジスタ46が形成されることにより、2つのP型拡散層
34a,34bの間の耐圧が低下するのを防ぐための他
の方法として、両P型拡散層34a,34bとN型ウエ
ル拡散層32との間に接続され、そのN型ウエル拡散層
32をそれらのP型拡散層のうちの高電圧側のP型拡散
層に接続する電圧判定回路72を備えている。電圧判定
回路72はP型拡散層34aの電圧を検知するためにV
SS端子56に接続され、P型拡散層34bの電圧を検
知するためにV−端子60に接続されている。
6の方が高電圧になるため、N型ウエル拡散層32をV
SS端子56に接続して寄生バイポーラトランジスタ4
6がオンになるのを阻止する。充電を行なわずに放電の
みを行なっているときは、VSS端子56よりもV−端
子60の方が高電圧になるため、N型ウエル拡散層32
をV−端子60に接続して寄生バイポーラトランジスタ
46がオンになるのを阻止する。
回路及び電圧判定回路72と共に1つの半導体チップ内
に形成されて保護回路50を形成している。保護回路5
0をN型シリコン基板に形成するときは、図1に示され
たP型基板30の領域をP型ウエルとすればよい。ま
た、P型シリコン基板を使用するときは、他の回路もウ
エル内に形成するようにすればよい。
方法を説明する。 (A)P型シリコン基板30(抵抗率20Ωcm)にリ
ンを150KeVのエネルギーで5×1012/cm2程
度注入し、その後1180℃で8時間程度の熱処理をし
てN型ウエル拡散層32を形成する。 (B)そのNウエル拡散領域32を活性化領域とするよ
うに、LOCOS酸化法でそれ以外の部分に厚さが80
0nm程度のフィールド酸化膜41を形成する。
m程度の厚さに形成し、その上にポリシリコン層を約5
00nmの厚さに堆積し、リン堆積やリン注入によりそ
のポリシリコン層の抵抗を約100Ω/□以下に下げ
る。そのポリシリコン層を写真製版とエッチングにより
パターン化して互いに離れた2つのゲート電極40a,
40bに仕上げる。
た後、ポリシリコン電極40a,40bをマスクとして
ソース領域になる部分にボロンを30KeVのエネルギ
ーで3×1013/cm2程度の注入する。34はボロン
が注入された領域である。また、2つのP型拡散層の間
の耐圧が低下するのを防ぐために図1(A)に示される
ように高濃度のN型拡散層33を配置する場合には、ゲ
ート電極40aと40bの間にリンを注入する。このリ
ンの注入は、ゲート電極端から導入する場合には100
KeVのエネルギーで5×1012/cm2程度の注入と
し、ゲート電極端より1μm以上離して注入する場合に
は100KeVのエネルギーで5×1013/cm2程度
の注入とする。
行ない、これらの拡散層を所定の深さにする。 (F)ソース領域となる部分に写真製版で注入領域を限
定し、ゲート電極40a,40bをマスクとしてN型ソ
ース用にヒ素を50KeVのエネルギーで6×1015/
cm2を注入し、その後の熱処理を経てソース拡散層3
6a,36bとする。
ト電極を別々の電圧で制御できるようにして、同じドレ
イン領域を共用している。そのため、従来のように2個
の個別トランジスタを使うものに比べてチップ面積が縮
小されて小型になると共に実装コストが低下する。
エル拡散層にそのウエル拡散層よりも高濃度のN型拡散
層を形成したことにより、寄生PNPバイポーラトラン
ジスタ存在にもかからわず、2つのチャネル領域間を離
す距離を小さくすることができる。
拡散層との間に接続され、そのN型ウエル拡散層をそれ
らのP型拡散層のうちの高電圧側のP型拡散層に接続す
る電圧判定回路をさらに備えた。これにより、寄生バイ
ポーラトランジスタがオンとなるのを抑えることがで
き、2つのチャネル領域間を離す距離を小さくすること
ができる。
のNチャネルDMOSトランジスタのそれぞれにおいて
ソース拡散層とP型拡散層とを短絡させてそれぞれの端
子とし、それぞれのDMOSトランジスタのゲート電極
にそれぞれの制御電圧を印加して各DMOSトランジス
タを独立して制御するようにした。これにより、各DM
OSトランジスタに並列に寄生ダイオードが接続され、
リチウムイオン電池保護回路のスイッチ回路とすること
ができる。
いるため、基板と関係がなくなり、この領域のみでのス
イッチ動作が可能となり、別の場所に制御回路の配置も
可能となる。そこで、請求項5では、スイッチ回路とし
たこのMOSデバイスを制御回路とともに共通の半導体
チップに搭載してリチウムイオン電池保護回路を構成し
たことにより、更にコスト低下を図ることができる。
護回路としての本発明の半導体装置とを組み合わせたリ
チウムイオン電池パックとしたことにより、リチウムイ
オン電池パックのコストを低下させることができる。
施例を示したものであり、(A)は装置の断面図、
(B)はその等価回路図である。
として備えた保護回路の一実施例を示すブロック図であ
る。
である。
の一例を示す回路図である。
る2つのMOSトランジスタを示す断面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 半導体基板のドレインとなるN型ウエル
拡散層内に互いに分離した2つのP型拡散層が形成さ
れ、前記各P型拡散層内にそれぞれソースとなるN型拡
散層が形成されて、それぞれのソース拡散層と前記ウエ
ル拡散層との間の前記P型拡散層領域をチャネル領域と
しており、 各チャネル領域上にはゲート絶縁膜を介して互いに分離
されたそれぞれのゲート電極が形成されて、ドレイン拡
散層を共通とする2つのNチャネルDMOSトランジス
タが構成されているMOSデバイスを備えた半導体装
置。 - 【請求項2】 前記2つのチャネル領域間の前記ウエル
拡散層にそのウエル拡散層よりも高濃度のN型拡散層が
形成されている請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項3】 前記両P型拡散層と前記N型ウエル拡散
層との間に接続され、そのN型ウエル拡散層をそれらの
P型拡散層のうちの高電圧側のP型拡散層に接続する電
圧判定回路をさらに備えている請求項1に記載の半導体
装置。 - 【請求項4】 前記MOSデバイスは、2つのNチャネ
ルDMOSトランジスタのそれぞれにおいてソース拡散
層とP型拡散層とが短絡されてそれぞれの端子となり、
それぞれのDMOSトランジスタのゲート電極にそれぞ
れの制御電圧が印加されて各DMOSトランジスタが独
立して制御されるスイッチ回路となっている請求項1か
ら3のいずれかに記載の半導体装置。 - 【請求項5】 前記MOSデバイスと制御回路とが共通
の半導体チップに搭載され、前記MOSデバイスの前記
両端子がリチウムイオン電池と負荷又はさらに充電器と
の間に接続されるものであり、一方のDMOSトランジ
スタのゲート電極には前記制御回路から過充電時にこの
DMOSトランジスタをオフにする信号が制御信号とし
て印加され、他方のDMOSトランジスタのゲート電極
には前記制御回路から過放電時にこのDMOSトランジ
スタをオフにする信号が制御信号として印加されてリチ
ウムイオン電池保護回路を構成している請求項4に記載
の半導体装置。 - 【請求項6】 リチウムイオン電池と、保護回路として
の請求項5に記載の半導体装置とを組み合わせたリチウ
ムイオン電池パック。
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