JP2876694B2 - 電流検出端子を備えたmos型半導体装置 - Google Patents
電流検出端子を備えたmos型半導体装置Info
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Description
トランジスタ),IGBT(伝導度変調型トランジスタ)や
これらを出力段に備えるパワーIC等に適用できるMOS型
半導体装置に関し、特に、負荷電流を検出セルで分流し
て検出抵抗の電圧降下で当該負荷電流の検出を可能とす
る電流検出端子を備えたMOS型半導体装置に関する。
イッチ素子として、第4図に示す電流検出端子付きNチ
ャネルパワーMOSFETが知られている。このMOSFET1は、
セル(単位構造)数比がm/nであって並列接続された検
出単位素子(MOSFET)QSEと主単位素子(MOSFET)Q0と
からなり、共通ドレイン端子D及び共通ゲート端子Gを
有し、外付けの検出抵抗RSEを接続すべき主単位素子Q0
のソース端子Sと検出単位素子QSEのソース端子たる検
出端子SENSEとを備えるものである。検出単位素子QSEと
主単位素子Q0を構成する各MOSFETのMOS構造(チャネル
長さ及びチャネル幅など)はすべて同等に形成されてお
り、検出単位素子QSEのセル数NSEと主単位素子Q0のセル
数N0の比は、次式で与えられる。
6図に示すような構造を有している。これは次のような
工程により製造される。
フォトリソグラフィーと硼素のイオン注入の後、高温処
理を施すことによりn-エピタキシャル層3の表面側に深
いPウェル4を形成する。なお、この熱処理と同時にn-
エピタキシャル層3の表面を熱酸化させて厚い酸化膜を
形成する。次に、フォトリソグラフィーによりチップ外
周を除いて厚い酸化膜を除去する。なお、図示しないチ
ップ外周の厚い酸化膜は高電圧が印加された場合の信頼
性を維持するために必要とされる。再び熱酸化を行い、
ゲート酸化膜6を形成する。次にCVD法などによりポリ
シリコンを堆積してから燐を拡散し、フォトリソグラフ
ィーにより不要部を除去してゲート電極7を形成する。
そしてこのゲート電極7をマスクとして硼素のイオン注
入と熱処理により浅いPウェル8を深いPウェル4の上
に重ねて形成する。続いてフォトリソグラフィーと燐の
イオン注入によりn+のソース層9を形成する。そしてCV
D法により燐ガラスからなる層間絶縁膜10を堆積してか
ら、フォトリソグラフィーにより電極接続のための窓開
けを行い、Al−Siを蒸着した後、フォトリソグラフィー
によりパターニングしてソース電極11と検出電極12を形
成する。この後、裏面に金属蒸着を施し、共通ドレイン
電極13を形成する。以上の各工程はNチャネルMOSFETの
例であるが、n+基板2をp+形に代えて同様の工程を行う
ことにより検出端子付のIGBTが得られる。
正電位が印加すると、ゲート電極7直下の浅いPウェル
8の表面に電子が誘起し、チャネル反転層が形成される
ため、n+のソース層9とn-エピタキシャル層3がチャネ
ル反転層を介して導通し、ドレイン電極13とソース電極
11及び検出電極12との間に電流が流れる。この際、検出
電極12に接続された単位MOS構造(セル)はソース電極1
1に接続された単位MOS構造と相等しく形成されているた
め、ソース電流に流れる電流I0と検出電極12に流れる電
流ISEの比率はそれぞれに接続されるセル数の比に等し
いと期待され、電流ISEは、 ISE=m/n・I0 … (2) である。
電圧VSEは次式で与えられる。
電流I0を知ることが可能である。
れた電流I0には誤差が紛れ込むことが判明した。
ルとが隣接している領域を示す拡大断面図である。ゲー
ト電極7に正電位が印加すると、第7図に示す如く、浅
いPウェル8のうちゲート電極7直下の部分に電子が誘
起されると同時に、n-エピタキシャル層3のうちゲート
電極7直下の部分にも電子が高濃度に蓄積される。この
ため検出単位素子QSEのソース層9は主単位素子Q0のソ
ース層9と寄生抵抗Rp(=Rch+Racc+Rch)を介して接
続される。但しRchはチャネル抵抗,Raccは蓄積層抵抗
である。そしてこの寄生抵抗Rpの値は検出抵抗RSEのそ
れに比して小さい。この寄生抵抗Rpを考慮した回路図を
第5図に示す。このように多数セル構造をとる電流検出
端子付きMOSFET1では、寄生抵抗Rpがソース電極11と検
出電極12との間で内部的に存在するので、この寄生抵抗
Rpを介してリーク電流Ipが流れ、検出抵抗RSEに流れる
電流ISE′は(2)式の電流ISEよりも小さくなる。
0のオン抵抗をRQ0とすると、すべてセル構造が等しいの
で、 RQSE/RQ0=n/m …(5) が成立するものと期待される。しかし、現実には検出抵
抗RSE(≠0)が電流制限抵抗として機能するので、 (RQSE+RSE)/RQ0>n/m …(6) であり、 ISE′<m/n・I0 …(7) で、検出抵抗RSEにはセル数の比に比例した電流が流れ
ない。
その課題は、上記寄生抵抗Rpをなくし、検出素子に流れ
る電流のすべてを検出抵抗に流すと共に、主単位素子と
検出単位素子を等しいセル構造として形成するのではな
く、直列に介入する検出抵抗自身による所定の抵抗値分
だけ検出単位素子のオン抵抗を低下させるよう検出単位
素子を主単位素子に比して大規模に形成することによ
り、検出抵抗に対して主単位素子のセル数と検出単位素
子のセル数との比に比例する検出電流を流し、検出誤差
を除去した電流検出端子を備えたMOS型半導体装置を提
供することにある。
の主単位素子と、各ソース電極に導電接触する検出電極
を持つ1又は2以上の検出単位素子とを備え、各単位素
子は、第1導電形の半導体基体上にゲート絶縁膜を介し
て形成されたゲート電極と、このゲート電極をマスクと
して2重拡散により該半導体基体の表面に形成された第
2導電形ウェル及びこのウェル内の第1導電形の該ソー
ス層とを有する縦型MOS構造であり、各ゲート電極が共
通接続されている電流検出端子を備えたMOS型半導体装
置において、上記課題を解決するために、本発明は以下
のような種々の手段を講じた。
る該主単位素子と該検出単位素子の間で跨がるゲート電
極の直下において、当該ゲート絶縁膜に比して厚い絶縁
膜を形成するものである。また第2の手段は、該ゲート
電極のうち隣接する該主単位素子と該検出単位素子の間
で跨がるゲート電極の直下において、該半導体基体表面
に第2導電形のストッパ層を形成するものである。更に
第3の手段は、隣接する該主単位素子と該検出単位素子
における第2導電形ウェル相互の距離を隣接する該主単
位素子同士における第2導電形ウェル相互の距離に比し
て長くしたものである。そして、第1乃至第3の手段に
おいては、電流検出端子と共通ソース電極との間に接続
された検出抵抗が半導体基体上に形成されたポリシリコ
ン抵抗又は拡散抵抗であることを特徴とする。また更に
第4の手段は、前記検出単位素子のオン抵抗を前記主単
位素子のそれに比して低くしたものである。
と検出単位素子のゲート絶縁膜に挟まれた部分の絶縁膜
が厚く形成されているので、この厚い絶縁膜下の半導体
基体表面に蓄積される電荷密度は同一の厚さである場合
に比して小さくなるため、蓄積層抵抗の値が大きくな
り、実質上、半導体装置のオン状態下においては隣接す
る主単位素子と検出単位素子のソース層相互の導通を無
視することができ、リーク電流が従来に比して低減す
る。このリーク電流の低減によって、共通ソース電極と
検出電極との間に予め形成され又は接続した検出抵抗に
は負荷電流の分岐した電流の大部分が検出電流として流
れる。したがって検出電流は主単位素子のセル数と検出
単位素子のセル数との比に比例する。
との間の半導体基体表面に第2導電形のストッパ層が形
成されているので、隣接する主単位素子と検出単位素子
のソース層相互の導通を阻止でき、この間におけるリー
ク電流の発生が防止される。
素子のウェル相互間の距離が長く、ドリフト長さが大き
いので、蓄積層抵抗の値が増大し、第1の手段と同様に
リーク電流が低減する。
とで、蓄積層抵抗の値を増大させ、リーク電流を抑制し
て検出電流をセル数比に比例させるものである。
第1導電形の半導体基体におけるストッパ層の形成又は
隣接する主単位素子と検出単位素子の距離の拡大によ
り、相隣接する主素子と検出素子との間の第2導電形ウ
ェルの寄生抵抗の値を増大して、リーク電流を低減し、
その分、検出抵抗を介して流れる検出電流を増やすこと
ができる。ここに、検出抵抗が外付け抵抗であれば、検
出単位素子のオン抵抗値よりも低い抵抗器を自由に選定
可能であり、その低抵抗の検出抵抗を外付けすれば、主
単位素子と検出単位素子との間の寄生抵抗によるリーク
電流は相対的にさほど問題とはならない。しかし、検出
抵抗が半導体基体上に形成されたポリシリコン抵抗又は
拡散抵抗では、既定抵抗値の低抵抗の形成はコスト的に
不向きである。そこで、本発明では、主単位素子と検出
単位素子との間のリーク電流が抑制された構造とするこ
とで、検出抵抗の抵抗値選定の自由度を高めた上、検出
抵抗を半導体基体上の拡散抵抗又はポリシリン抵抗とし
て形成することにより、外付け抵抗の不要化を図り、低
コスト化を実現する。
に流れる電流を制限するので、各素子に流れる電流値は
等しくならず、検出電流はセル数比に比例しない。第4
の手段によれば、検出単位素子のオン抵抗を主単位素子
のオン抵抗より小さくすることで、すべての単位素子に
流れる電流値を等しくすることができ、かかる点は検出
電流をセル数比に比例させることが可能となる。
る。
半導体装置の第1実施例の構造を示す縦断面図である。
なお、第1図において第6図に示す部分と同一部分には
同一参照符号を付し、その説明は省略する。
ウェル4,4上に跨がる絶縁膜16は主単位素子Q0のゲート
絶縁膜6と同一の膜厚のゲート絶縁膜16a,16aとこの膜
厚に比して厚い絶縁膜16bとからなる。厚い絶縁膜16bは
Pウェル4,4に挟まれたn-エピタキシャル層3の上に形
成されている。絶縁膜16の上にはゲート電極7′が形成
され、またこのゲート電極7′の上には層間絶縁膜10′
が形成されている。
方法と同様に、n+基板2上にn-エピタキシャル層3を積
層し、フォトリソグラフィーと硼素のイオン注入の後、
高温処理を施すことによりn-エピタキシャル層3の表面
側に深いPウェルを形成するが、この熱処理と同時にn-
エピタキシャル層3の表面を熱酸化させて厚い酸化膜を
形成する。次に、フォトリソグラフィーによりチップ外
周を除いて厚い酸化膜を除去するが、ここで厚い絶縁膜
16bを残す。この後の各工程は従来と同様に行う。
転層が形成され、検出単位素子QSE及び主単位素子Q0が
オン状態となる。ここで、ゲート絶縁膜16a下のチャネ
ル抵抗Rchの値は従来と同じであるが、検出単位素子QSE
とこれに隣接する主単位素子Q0との間の厚い絶縁膜16b
の存在により、n-エピタキシャル層3の表面に蓄積され
る電荷密度は従来に比して低く抑制される。このため、
蓄積抵抗Racc′の値は、絶縁膜が均一の厚さの場合に比
して大きくなり、 Racc′>Racc …(8) となり、したがって寄生抵抗Rpは、 Rp′>Rp …(9) となる。
は大きくなり、第3図に示す如く、寄生抵抗Rp′を無視
することができる。したがって寄生抵抗Rp′を流れるリ
ーク電流の値が僅少となるので、検出素子QSEに流れる
検出電流の殆どが検出抵抗RSEを流れ、それ故検出電圧
がセル数比に比例するようになる。
内に拡散抵抗又はポリシリコン抵抗として形成すること
も可能である。
半導体装置の第2実施例の構造を示す縦断面図である。
なお、第2図において第6図に示す部分と同一部分には
同一参照符号を付し、その説明は省酪する。
接する主単位素子Q0のPウェル4,4上とに挟まれたn-エ
ピタキシャル層3の表面にはp+のストッパ層17が形成さ
れている。このストッパ層17は深Pウェル4の形成と同
時に形成される。またPウェル4,4の間の距離は第1実
施例の場合に比して長い。更に絶縁膜16′のゲート絶縁
膜16a,16aの厚さは主単位素子Q0の絶縁膜7のそれと等
しいが、ゲート絶縁膜16a,16aの連結する部分は厚い絶
縁膜16b′とされている。そしてこの検出単位素子QSEの
規模(平面占有面積)は主単位素子Q0のそれに比して大
きく、特にチャネル幅が長い。換言すれば主単位素子Q0
のセル積み込み密度が高い。
寄生抵抗の値は大きいが、この外にストッパ層17が作り
込まれているため、ストッパ層17の表面側に蓄積される
電荷密度は殆ど零に近い。また更に検出単位素子QSEと
これに隣接するPウェル4,4の間の距離が長いので、寄
生抵抗の値が従来に比して圧倒的に大きい。したがっ
て、寄生抵抗自体を無視することができ、リーク電流が
無くなる。
て大きいので、チャネル幅が長いことは勿論、第2図の
破線で示す如く、主単位素子Q0の制限されたドレイン電
流路に比して検出単位素子QSEのドレイン電流路が拡大
されている。これは検出単位素子QSEのオン抵抗の方が
主単位素子Q0のそれよりも小さいことを意味する。厳密
に言えば、主単位素子Q0のオン抵抗よりmRSEだけ低い値
に検出単位素子QSEのオン抵抗を最適化することができ
る。検出単位素子QSEの数がm個であれば、検出抵抗RSE
は抵抗mRSEの並列合成抵抗とみることができるから、検
出単位素子QSEのオン抵抗を主単位素子Q0のオン抵抗よ
りmRSEだけ小さく設定すると、検出電流の値はセル数の
比に比例することになる。
内に拡散抵抗又はポリシリコン抵抗として形成すること
も可能である。
加、第1導電形の半導体基体におけるストッパ層の形成
又は隣接する主素子と検出素子の距離の拡大により、第
1導電形の半導体基体における隣接する主単位素子と検
出単位素子の第2導電形ウェル間の寄生抵抗を従来に比
して増大させた点に特徴を有するものであるから、次の
効果を奏する。
絶縁膜が両端のゲート絶縁膜に比して厚く形成されてい
るので、その厚絶縁膜下に蓄積される電荷密度は従来に
比して低く抑えられる。したがって、検出単位素子のソ
ースと主単位素子のソース間に介在する寄生抵抗の値が
大きくなるので、リーク電流を抑制することができ、検
出単位素子に流れる電流の殆どを検出抵抗に流すことが
でき、それ故、検出電圧がセル数比に精度良く比例す
る。
間の第1導電形の半導体基体表面に形成されているの
で、半導体基体表面に形成される蓄積層抵抗がストッパ
層で分離され、寄生抵抗の値を実質上無限大にまで高め
ることができ、それ故、リーク電流の低減が達成され
る。
大きくすることで、検出単位素子のソースと主素子のソ
ース間に介在する寄生抵抗の電流経路の長さが大きくな
るので、寄生抵抗の値が大きくなり、リーク電流の抑制
を図ることができる。
きくし、検出単位素子のオン抵抗を主単位素子のそれよ
り小さくすることで、直列に加わる検出抵抗を含めた検
出単位素子側のオン抵抗と主単位素子のオン抵抗とを実
質上等しくすることができ、したがって検出電流がセル
数比に精度良く比例する。
のリーク電流が抑制された構造を採用すると共に、検出
抵抗を半導体基体上の拡散抵抗又はポリシリコン抵抗と
して形成することにより、外付け抵抗の不要化を図り、
低コスト化を実現する。
導体装置の第1実施例の構造を示す縦断面図である。 第2図は、本発明に係る電流検出端子を備えたMOS型半
導体装置の第2実施例の構造を示す縦断面図である。 第3図は第1及び第2実施例における等価回路を示す回
路図である。 第4図は理想的な電流検出端子付きNチャネルパワーMO
SFETの等価回路を示す回路図である。 第5図は従来の電流検出端子付きNチャネルパワーMOSF
ETの等価回路を示す回路図である。 第6図は、従来の電流検出端子付きNチャネルパワーMO
SFETの構造を示す縦断面図である。 第7図は同従来例における主単位素子Q0のセルと検出単
位素子QSEのセルとが隣接している領域を示す拡大断面
図である 〔符号の説明〕 1……電流検出端子付きNチャネルパワーMOSFET 2……n+基板 3……n-エピタキシャル層 4……深いPウェル 6,16a……ゲート絶縁膜 7,7′,7″……ゲート電極 8……浅いPウェル 9……n+のソース層 10,10′……層間絶縁膜 11……共通ソース電極 12……検出電極 13……共通ドレイン電極 16,16′……絶縁膜 16b,16b′……厚い絶縁膜 Q0……主単位素子 QSE……検出単位素子 RSE……検出抵抗 ISE……検出電流 VSE……検出電圧。
Claims (4)
- 【請求項1】各ソース層に導電接触する共通ソース電極
を持つ複数の主単位素子と、各ソース電極に導電接触す
る検出電極を持つ1又は2以上の検出単位素子とを備
え、各単位素子は、第1導電形の半導体基体上にゲート
絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、このゲート電
極をマスクとして2重拡散により該半導体基体の表面に
形成された第2導電形ウェル及びこのウェル内の第1導
電形の該ソース層とを有する縦型MOS構造であり、各検
出電極が共通接続されている電流検出端子と該共通ソー
ス電極との間に接続された検出抵抗を備えたMOS型半導
体装置であって、該ゲート電極のうち隣接する該主単位
素子と該検出単位素子の間で跨がるゲート電極の直下に
おいて、当該ゲート絶縁膜に比して厚い絶縁膜が形成さ
れており、該検出抵抗は前記半導体基体上に形成された
ポリシリコン抵抗又は拡散抵抗であることを特徴とする
電流検出端子を備えたMOS型半導体装置。 - 【請求項2】各ソース層に導電接触する共通ソース電極
を持つ複数の主単位素子と、各ソース電極に導電接触す
る検出電極を持つ1又は2以上の検出単位素子とを備
え、各単位素子は、第1導電形の半導体基体上にゲート
絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、このゲート電
極をマスクとして2重拡散により該半導体基体の表面に
形成された第2導電形ウェル及びこのウェル内の第1導
電形の該ソース層とを有する縦型MOS構造であり、各検
出電極が共通接続されている電流検出端子と該共通ソー
ス電極との間に接続された検出抵抗を備えたMOS型半導
体装置であって、該ゲート電極のうち隣接する該主単位
素子と該検出単位素子の間で跨がるゲート電極の直下に
おいて、該半導体基体表面に第2導電形のストッパ層が
形成されており、該検出抵抗は前記半導体基体上に形成
されたポリシリコン抵抗又は拡散抵抗であることを特徴
とする電流検出端子を備えたMOS型半導体装置。 - 【請求項3】各ソース層に導電接触する共通ソース電極
を持つ複数の主単位素子と、各ソース電極に導電接触す
る検出電極を持つ1又は2以上の検出単位素子とを備
え、各単位素子は、第1導電形の半導体基体上にゲート
絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、このゲート電
極をマスクとして2重拡散により該半導体基体の表面に
形成された第2導電形ウェル及びこのウェル内の第1導
電形の該ソース層とを有する縦型MOS構造であり、各検
出電極が共通接続されている電流検出端子と該共通ソー
ス電極との間に接続された検出抵抗を備えたMOS型半導
体装置であって、隣接する該主単位素子と該検出単位素
子における第2導電形ウェル相互の距離が隣接する該主
単位素子同士における第2導電形ウェル相互の距離に比
して長く、該検出抵抗は前記半導体基体上に形成された
ポリシリコン抵抗又は拡散抵抗であることを特徴とする
電流検出端子を備えたMOS型半導体装置。 - 【請求項4】前記検出単位素子のオン抵抗が前記主単位
素子のそれに比して低いことを特徴とする請求項第1項
乃至第3項のいずれか一項に記載の電流検出端子を備え
たMOS型半導体装置。
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