JP2015035578A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置が、n型半導体領域32と、裏面電極33と、p型ベース領域34、35と、n+拡散層36、37と、ゲート絶縁膜40と、ゲート電極41と、電圧検出回路24とを具備する。n+拡散層36は、出力MOSトランジスタ21のソースとして機能し、n+拡散層36は、センスMOSトランジスタ22のソースとして機能する。ゲート電極41は、ゲート絶縁膜40を挟んでn型半導体領域32、p型ベース領域34、35と対向するように設けられている。負荷電流IOUTは、裏面電極33とn+拡散層36との間で流される。電圧検出回路24は、n+拡散層36に接続されたノードn1と、裏面電極33の電位に対応する電位を有する電位取出電極43に接続されたノードn2との間の電圧に応答して検出信号SDETを生成する。
【選択図】図3
Description
図1は、第1の実施形態の半導体装置の構成を示す回路図である。図1に示されているように、第1の実施形態の半導体装置は、直流電源2と負荷3との間に設けられて使用されるハイサイドドライバIC(integrated circuit)として機能する半導体チップ1として構成されている。半導体チップ1は、直流電源2から電源電圧VCCの供給を受け、該電源電圧VCCの負荷3への供給をスイッチングする機能を有している。直流電源2としては、例えば、バッテリーが用いられる。
図1を参照して、初期状態において、外部制御信号INがLowレベルに設定されているとする。この場合、ロジック回路25によって制御信号SCTRLがLowレベルに設定され、チャージポンプ26は、出力MOSトランジスタ21及びセンスMOSトランジスタ22のゲート電極41の駆動を行わない。よって、出力MOSトランジスタ21及びセンスMOSトランジスタ22は、いずれもオフされ、負荷電流IOUTは流れない。
出力MOSトランジスタ21のチャネル抵抗RCH: 1Ω
出力MOSトランジスタ21の基板抵抗RSUB: 9Ω
センスMOSトランジスタ22のチャネル抵抗RCH_n1: 100Ω
センスMOSトランジスタ22の基板抵抗RSUB_n1: 900Ω
蓄積層抵抗RACC: 10Ω
VTH=IOUT *×RSUB ・・・(1)
のように設定することで、負荷電流IOUTが、特定の設定値IOUT *よりも大きくなったこと、又は、小さくなったことを検出できることになる。
一方、特許文献3では、負荷電流に比例したセンス電流をセンスMOSトランジスタにて生成し、それをバイポーラトランジスタのカレントミラー回路で受けて、センス電流のミラー電流を生成する。そして、定電流電源により設定された電流のミラー電流を基準電流として生成し、センス電流のミラー電流との比較を行うことで、パワーMOSトランジスタの電流を検出している。更に、特許文献3では、センスMOSトランジスタに直列接続されたバイポーラトランジスタのベース−エミッタ間電圧がセンス電流の精度を低下させるため、これを打ち消すような電流源を挿入し、検出精度を向上するとしている。しかし、特許文献3では、センス電流の精度は向上していると考えられるが、基準電流の精度、即ち定電流電源の精度が検出精度に直接影響する。一般的な半導体製造ラインでは、半導体基板上に形成した定電流電源のバラツキ(製造バラツキ)は±30%程度と見込まれ、基板抵抗RSUBのバラツキと同程度の±3%に抑えるように製造することは、相当な困難を伴う。
図18は、第2の実施形態の半導体装置の構成を示すブロック図である。本実施形態では、半導体チップ1Aが、図1に図示されているようなハイサイドドライバICではなく、負荷3と接地端子4の間に設けられて使用される、いわゆるローサイドドライバICとして構成されている。以下、半導体チップ1Aの構成について詳細に説明する。
図20は、第3の実施形態の半導体装置1Bの構成を示す断面図であり、図21は、半導体装置1Bの構成を示す平面図である。図20、図21に図示されているように、本実施形態の半導体装置1Bは、2つのチップ:出力素子チップ5と制御回路チップ6とを備えている。出力素子チップ5は、第1及び第2実施形態における出力素子部14と同様の構造及び機能を有する半導体チップであり、制御回路チップ6は、第1又は第2実施形態における制御回路部(15又は15A)と同様の構造及び機能を有する半導体チップである。
図24は、第4の実施形態の半導体装置の構成を示す回路図である。図1に示されているように、第4の実施形態の半導体装置は、第1の実施形態の半導体装置の変形であり、基板抵抗RSUBの電圧降下をセンスMOSトランジスタ22を用いて精度良く取り出すことで負荷電流IOUTを高精度で検出する点では類似している。ただし、第4の実施形態の半導体装置は、ノードn1に取り出した電位が、高精度な電流センス出力機能の実現、即ち、負荷電流IOUTに比例したセンス電流ISの生成に用いられる点において第1の実施形態の半導体装置と相違している。以下、第4の実施形態の半導体装置について詳細に説明する。
図24を参照して、初期状態において、外部制御信号INがLowレベルに設定されているとする。この場合、ロジック回路25によって制御信号SCTRLがLowレベルに設定され、チャージポンプ26は、出力MOSトランジスタ21及びセンスMOSトランジスタ22のゲート電極41の駆動を行わない。よって、出力MOSトランジスタ21及びセンスMOSトランジスタ22は、いずれもオフされ、負荷電流IOUTは流れない。
IS=IOUT×RSUB/RSUB’ ・・・(2)
ここで、RSUBは、出力MOSトランジスタ21を流れる負荷電流IOUTが流れる経路における基板抵抗であり、RSUB’は、センス電流ISが流れる経路における基板抵抗である。式(2)は、負荷電流IOUTに比例したセンス電流ISを生成することができることを意味している。ここで、基板抵抗RSUB、RSUB’は、いずれも、n+基板31及びn型半導体領域32の物理的性質で決まる固定値であり、それらの比RSUB/RSUB’の精度は高い。よって、本実施形態の半導体装置によれば、負荷電流IOUTに比例したセンス電流ISを高精度で生成することができる。
RSUB’/RSUB = 1000 ・・・(3)
例えば、基板抵抗RSUBが5mΩである場合には、基板抵抗RSUB’は5Ωである。
近年の車載用電子システム(自動車等の車両に搭載される電子システム)では、機能安全の要求が高まっており、負荷の状態をより高精度で検出することが望まれている。したがって、負荷の状態をより高精度で検出できる上述の半導体装置は、車載用電子システムに適用することが有用である。この場合、駆動すべき負荷としては、例えば、車両用ランプ、ファンモータ、シートヒータが挙げられる。
IOUT2 *<IOUT1 * ・・・(4)
この場合、
VTH2<VTH1 ・・・(5)
が成立することになる。
1B、1C:半導体装置
2 :直流電源
3 :負荷
4 :接地端子
5 :出力素子チップ
6、6A :制御回路チップ
7 :ダイパッド
8 :接地端子
11 :制御入力端子
12 :電源端子
12A :接地端子
13、13A:負荷端子
14、14D:出力素子部
15、15A、15D、15E:制御回路部
16 :センス電流端子
21 :出力MOSトランジスタ
22 :センスMOSトランジスタ
23、23A:制御回路ブロック
24 :電圧検出回路
25 :ロジック回路
26 :チャージポンプ
27、27a、27b:設定しきい値電圧生成部
28、28a、28b:コンパレータ
29、29a、29b:診断端子
30 :半導体基板
30a :表側主面
31 :基板
31a :表側主面
31b :裏側主面
31c :コレクタ領域
31d :ドレイン領域
32 :n型半導体領域
33 :裏面電極
34、35:p型ベース領域
36、37:n+拡散層
38 :ソース電極
39 :ソース電極
40 :ゲート絶縁膜
41、41a、41b:ゲート電極
42 :拡散層
43 :電位取出電極
44 :層間絶縁膜
45 :矢印
46、48:p型ベース領域
47、49:n+拡散層
51 :ゲート絶縁膜
52 :ゲート電極
53 :n+領域
54 :共通ドレイン電極
55 :出力ゲート配線
56 :リング配線
57 :出力ソース配線
58 :電位取出電極
58a :金属部分
58b :ポリシリコン部分
59 :矢印
61 :絶縁膜
71 :ゲート抵抗
72 :入力回路
73 :NMOSトランジスタ
74 :センスアンプ回路
75 :センスアンプ
76 :PMOSトランジスタ
80 :半導体基板
80A :半導体基板
81 :基板
81A :p型基板
82 :n型半導体領域
83 :裏面電極
84〜90:パッド
91〜94:ボンディングワイヤ
95 :配線構造
101、102:定電流源
103、104:電源線
105 :定電流源
107 :接地線
110 :車両
111 :電子制御ユニット
112 :インストルメントクラスタ
113 :車載故障診断装置
114 :スイッチ
115 :ハンドル角度センサ
116 :負荷
116a :ランプ
117 :CAN
118 :ECU
119 :他のECU
121 :MCU
122 :ドライバIC
123 :CANトランシーバ
MN11、MN12、MN13:NMOSトランジスタ
MP11、MP12、MP13、MP14:PMOSトランジスタ
n1、n2、n3:ノード
NA、NB:接続ノード
NG :ゲート接続ノード
Claims (26)
- 負荷に負荷電流を供給するために用いられる半導体装置であって、
第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域と電気的に接続された共通ドレイン電極と、
前記第1半導体領域に接合された、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域に形成され、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされており、第1トランジスタのソースとして機能する第1拡散層と、
前記第1半導体領域に接合された、前記第2導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域に形成され、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされており、第2トランジスタのソースとして機能する第2拡散層と、
ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域と対向するように設けられたゲート電極と、
電圧検出回路
とを具備し、
前記負荷電流は、前記共通ドレイン電極と前記第1拡散層との間で流され、
前記電圧検出回路は、前記共通ドレイン電極の電位と同一の電位、又は、前記共通ドレイン電極の電位に対応する電位を有するように形成された電位取出電極と前記第2拡散層との間の電圧に応答して検出信号を生成する
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置であって、
更に、前記第1半導体領域に形成された、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされた第3拡散層を具備し、
前記電位取出電極は、前記第3拡散層に接合されている
半導体装置。 - 請求項1又は2に記載の半導体装置であって、
前記電圧検出回路は、前記電位取出電極と前記第2拡散層の間の電圧が、所定の設定しきい値電圧よりも高いか低いかに応じて前記検出信号を生成する
半導体装置。 - 請求項3に記載の半導体装置であって、
更に、
外部制御信号に応答して前記ゲート電極の電位を制御するロジック回路を具備し、
前記ロジック回路は、前記検出信号に応答して、前記電位取出電極と前記第2拡散層の間の電圧が前記設定しきい値電圧よりも大きいときに前記外部制御信号に関わらず前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタをオフするように前記ゲート電極の電位を制御する
半導体装置。 - 請求項3に記載の半導体装置であって、
更に、
前記検出信号に応答して、前記電位取出電極と前記第2拡散層の間の電圧が前記設定しきい値電圧よりも低い場合に特定の外部端子にエラー信号を出力するロジック回路を具備する
半導体装置。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域が、同一の半導体基板に集積化され、
前記電圧検出回路が、前記半導体基板の表面部に集積化された回路素子を備えている
半導体装置。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の半導体装置であって、
更に、
前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされており、前記第1半導体領域に接合された第4半導体領域と、
前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされた第5半導体領域
とを具備し、
前記第1半導体領域、前記第2半導体領域、前記第3半導体領域、前記第4半導体領域及び、前記第5半導体領域が、同一の半導体基板に集積化され、
前記第4半導体領域は、前記半導体基板の裏側主面に位置しており、
前記第5半導体領域が、前記半導体基板の表側主面から前記第1半導体領域を貫通して前記第4半導体領域に到達するように設けられ、
前記電位取出電極が、前記第5半導体領域に接合された
半導体装置。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の半導体装置であって、
更に、
直流電源が接続される電源端子と、
前記負荷が接続される負荷端子
とを具備し、
前記電源端子が前記共通ドレイン電極に接続され、
前記負荷端子が前記第1拡散層に接続された
半導体装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置であって、
更に、
前記負荷が接続される負荷端子と、
接地端子
とを具備し、
前記負荷端子が前記共通ドレイン電極に接続され、
前記接地端子が前記第1拡散層に接続された
半導体装置。 - 請求項9に記載の半導体装置であって、
更に、
外部制御信号が入力される制御入力端子と、
前記ゲート電極と前記制御入力端子の間に接続されるゲート抵抗と、
入力回路と、
前記ゲート電極と前記接地端子の間に接続された短絡スイッチ
とを具備し、
前記電圧検出回路は、前記電位取出電極と前記第2拡散層の間の電圧が、所定の設定しきい値電圧よりも高いか低いかに応じて前記検出信号を生成し、
前記入力回路は、前記検出信号に応答して、前記電位取出電極と前記第2拡散層の間の電圧が前記設定しきい値電圧よりも大きいときに前記短絡スイッチをオン状態にする
半導体装置。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域が、第1半導体基板に集積化され、
前記電位取出電極と前記電圧検出回路とが、第2半導体基板に集積化されている
半導体装置。 - 請求項11に記載の半導体装置であって、
更に、前記第1半導体基板と前記第2半導体基板とが接合されるダイパッドを具備し、
前記第1半導体基板は、更に、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされており、前記第1半導体領域に接合された第4半導体領域を具備しており、
前記共通ドレイン電極は、第4半導体領域に接合されており、
前記第2半導体基板は、
前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされた第6半導体領域と、
前記第6半導体領域に接合された、前記第1導電型の第7半導体領域と、
前記第7半導体領域に形成された、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされた第4拡散層を具備し、
前記第6半導体領域には裏面電極が接合され、
前記共通ドレイン電極と前記裏面電極とが前記ダイパッドに接合され、
前記電位取出電極は、前記第4拡散層に接合されている
半導体装置。 - 請求項11に記載の半導体装置であって、
更に、前記第1半導体基板と前記第2半導体基板とが接合されるダイパッドを具備し、
前記第1半導体基板は、更に、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされており、前記第1半導体領域に接合された第4半導体領域を具備しており、
前記共通ドレイン電極は、第4半導体領域に接合されており、
前記第2半導体基板は、配線構造を具備し、
前記電位取出電極は、前記配線構造に設けられ、
前記ダイパッドと前記電位取出電極とがボンディングワイヤによって接続されている
半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置であって、
前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域が、半導体基板に集積化され、
前記半導体基板には、前記半導体基板の表側主面から前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域の間を通って前記第1半導体領域に到達する第1トレンチと、前記半導体基板の表側主面から前記第2半導体領域を貫通して前記第1半導体領域に到達する第2トレンチとが形成され、
前記ゲート絶縁膜は、前記第1トレンチを被覆するように形成され、
前記電位取出電極は、前記第2トレンチの内部において前記第1半導体領域に接合される
半導体装置。 - 請求項14に記載の半導体装置であって、
更に、
前記電位取出電極から引き出されたセンス電流を外部に出力するセンス電流端子と、
前記電圧検出回路を含むセンス電流制御回路
を具備し、
前記センス電流制御回路は、前記検出信号に応答して前記電位取出電極の電位と前記第2拡散層の電位とが一致するように前記センス電流を制御する
半導体装置。 - 請求項14に記載の半導体装置であって、
更に、
前記電位取出電極から引き出されたセンス電流を外部に出力するセンス電流端子と、
ソースが前記電位取出電極に接続され、ドレインが前記センス電流端子に接続され、ゲートに前記検出信号が供給されるPMOSトランジスタを備える
半導体装置。 - 請求項15又は16に記載の半導体装置であって、
更に、
前記第1半導体領域に形成された、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされた第3拡散層と、
前記第3拡散層に接合されている第2電位取出電極と、
前記第2電位取出電極と前記第2拡散層の間の電圧が、所定の設定しきい値電圧よりも高いか低いかに応じて第2検出信号を生成する第2電圧検出回路
とを具備する
半導体装置。 - 請求項17に記載の半導体装置であって、
更に、
外部制御信号に応答して前記ゲート電極の電位を制御するロジック回路を具備し、
前記ロジック回路は、前記第2検出信号に応答して、前記第2電位取出電極と前記第2拡散層の間の電圧が前記設定しきい値電圧よりも大きいときに前記外部制御信号に関わらず前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタをオフするように前記ゲート電極の電位を制御する
半導体装置。 - 請求項1乃至18のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記ゲート電極に、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタがオン状態になるようなゲート電圧が印加されたとき、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域との境界の位置が、前記第1半導体領域の前記ゲート電極に対向する面に形成される蓄積層と前記第3半導体領域の前記ゲート電極に対向する面に形成される反転層とを介して前記第2拡散層に電気的に接続される
半導体装置。 - 請求項1乃至6、14乃至19のいずれかに記載の半導体装置であって、
更に、
前記第1半導体領域に接合された、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされた第4半導体領域を更に具備し、
前記共通ドレイン電極が、前記第4半導体領域に接合された
半導体装置。 - 請求項1乃至5、14乃至19のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域が、半導体基板に集積化され、
前記半導体基板の表側主面から前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域の間を通って前記第1半導体領域に到達するトレンチが形成され、
前記ゲート絶縁膜は、前記第1トレンチを被覆するように形成されている
半導体装置。 - 請求項1乃至5、14乃至19のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域が、半導体基板に集積化され、
前記第1半導体領域の一部が、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域の間を通過して、前記半導体基板の表側主面に到達しており、
前記ゲート絶縁膜が、前記半導体基板の表側主面の上に形成された
半導体装置。 - 請求項22に記載の半導体装置であって、
更に、
前記第1半導体領域に接合された、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされた第4半導体領域と、
前記第4半導体領域に接合された、前記第2導電型の不純物が高濃度ドープされた第5半導体領域
とを更に具備し、
前記共通ドレイン電極が、前記第5半導体領域に接合された
半導体装置。 - 負荷に負荷電流を供給する半導体装置と、
コントローラ
とを具備し、
前記半導体装置が、
第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域と電気的に接続された共通ドレイン電極と、
前記第1半導体領域に接合された、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域に形成され、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされており、第1トランジスタのソースとして機能する第1拡散層と、
前記第1半導体領域に接合された、前記第2導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域に形成され、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされており、第2トランジスタのソースとして機能する第2拡散層と、
ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域と対向するように設けられたゲート電極と、
電圧検出回路
とを備え、
前記負荷電流は、前記共通ドレイン電極と前記第1拡散層との間で流され、
前記電圧検出回路は、前記共通ドレイン電極の電位と同一の電位、又は、前記共通ドレイン電極の電位に対応する電位を有するように形成された電位取出電極と前記第2拡散層との間の電圧に応答して検出信号を生成し、
前記コントローラは、前記検出信号を前記半導体装置から受け取り、前記検出信号に基づいて前記負荷の異常を検出する
車載用電子システム。 - 負荷に負荷電流を供給する半導体装置と、
コントローラ
とを具備し、
前記半導体装置が、
第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域と電気的に接続された共通ドレイン電極と、
前記第1半導体領域に接合された、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域に形成され、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされており、第1トランジスタのソースとして機能する第1拡散層と、
前記第1半導体領域に接合された、前記第2導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域に形成され、前記第1導電型の不純物が高濃度ドープされており、第2トランジスタのソースとして機能する第2拡散層と、
ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域と対向するように設けられたゲート電極と、
センス電流端子と、
センス電流制御回路
とを備え、
前記負荷電流は、前記共通ドレイン電極と前記第1拡散層との間で流され、
前記センス電流制御回路は、前記共通ドレイン電極の電位と同一の電位、又は、前記共通ドレイン電極の電位に対応する電位を有するように形成された電位取出電極と前記第2拡散層との間の電圧に応答して検出信号を生成し、
前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域が、半導体基板に集積化され、
前記半導体基板には、前記半導体基板の表側主面から前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域の間を通って前記第1半導体領域に到達する第1トレンチと、前記半導体基板の表側主面から前記第2半導体領域を貫通して前記第1半導体領域に到達する第2トレンチとが形成され、
前記ゲート絶縁膜は、前記第1トレンチを被覆するように形成され、
前記電位取出電極は、前記第2トレンチの内部において前記第1半導体領域に接合され、
前記センス電流端子は、前記電位取出電極から引き出されたセンス電流を外部に出力し、
前記センス電流制御回路は、前記検出信号に応答して前記電位取出電極の電位と前記第2拡散層の電位とが一致するように前記センス電流を制御し、
前記コントローラは、前記センス電流に基づいて前記負荷の異常を検出する
車載用電子システム。 - 請求項24又は25に記載の車載用電子システムを具備する
車両。
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