JP6413719B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

この発明は、ステッピングモータなどの相互インダクタンス負荷に流れる負荷電流を制御するパワー半導体素子と、負荷の異常を検出しパワー半導体素子を保護する集積回路を同一半導体基板に集積した半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which a power semiconductor element for controlling a load current flowing in a mutual inductance load such as a stepping motor and an integrated circuit for detecting a load abnormality and protecting the power semiconductor element are integrated on the same semiconductor substrate.

図7(a)は、ステッピングモータの要部の全体構成を示す図である。図7(b)はステッピングモータのロータ97とコイル90の配置を示す図である。ステッピングモータはロータ97とロータ97を回す4つのコイル90(91〜94)を備える。図7(a)に示されるように、制御回路501a〜501dは、それぞれ出力段nMOSFET51a〜51dを備える。出力段nMOSFET51a〜51dは、それぞれに接続された前記のコイル91〜94に流れる各電流を制御する。出力段nMOSFET51a〜51dにはまた、それぞれに寄生ダイオード(参照数字なし)が並列に接続されている。さらに、制御回路501a〜501dは、それぞれ図示しない各種検出回路(過熱検出回路、過電流検出回路など)および保護回路を備える。この他に、電源としてのバッテリーBが必要になる。   FIG. 7A is a diagram illustrating an overall configuration of a main part of the stepping motor. FIG. 7B shows the arrangement of the rotor 97 and the coil 90 of the stepping motor. The stepping motor includes a rotor 97 and four coils 90 (91 to 94) that rotate the rotor 97. As shown in FIG. 7A, the control circuits 501a to 501d include output stage nMOSFETs 51a to 51d, respectively. The output stage nMOSFETs 51a to 51d control currents flowing through the coils 91 to 94 connected thereto. Parasitic diodes (without reference numerals) are connected in parallel to the output stage nMOSFETs 51a to 51d, respectively. Furthermore, each of the control circuits 501a to 501d includes various detection circuits (such as an overheat detection circuit and an overcurrent detection circuit) and a protection circuit (not shown). In addition, a battery B as a power source is required.

図7(b)に示されるように、前記の4つのコイル91〜94はロータ97の周りに配置されている。対向する2つのコイル91,93は一つの例えば鉄心95に巻かれて相互インダクタンスを有する鉄心入りコイルである。同様に、対向する2つのコイル92,94は一つの例えば鉄心96に巻かれて相互インダクタンスを有する鉄心入りコイルである。そのため、各鉄心入りコイル91,93を相互インダクタンス負荷と称し、各鉄心入りコイル92,94もまた相互インダクタンス負荷と称する。また、一つの鉄心95に巻かれた2つのコイル(1対のコイル91,93)にそれぞれ接続する1対の出力段nMOSFET51a,51cは互いにコンプリメンタリー動作(一方がオンするとき、他方はオフするように二者の間で行われる動作のこと)する。また、一つの鉄心96に巻かれた2つのコイル(1対のコイル92,94)にそれぞれ接続する1対の出力段nMOSFET51b,51dも互いにコンプリメンタリー動作する。この4つのコイル91〜94がロータ97の周りに配置されてロータ97に回転力を与える。   As shown in FIG. 7B, the four coils 91 to 94 are arranged around the rotor 97. The two opposing coils 91 and 93 are, for example, iron core-containing coils wound around one iron core 95 and having mutual inductance. Similarly, the two coils 92 and 94 facing each other are coils with an iron core wound around one iron core 96 and having mutual inductance. Therefore, the iron cored coils 91 and 93 are referred to as mutual inductance loads, and the iron cored coils 92 and 94 are also referred to as mutual inductance loads. In addition, a pair of output stage nMOSFETs 51a and 51c connected to two coils (a pair of coils 91 and 93) wound around one iron core 95 are complementary to each other (when one is turned on, the other is turned off. So that the actions performed between the two). A pair of output stage nMOSFETs 51b and 51d connected to two coils (a pair of coils 92 and 94) wound around one iron core 96 also perform complementary operations. These four coils 91 to 94 are arranged around the rotor 97 to give a rotational force to the rotor 97.

前記の1つのコイル90と1つの制御回路501の出力段nMOSFET51で1つのアームを構成する。尚、参照数字90はコイル91〜94を総称する際に用いられるものであり、参照数字51は出力段nMOSFET51a〜51dを総称する際に用いられるものである。また、同様に、参照数字501は制御回路501a〜501dを総称する際に用いられるものである。   The one coil 90 and the output stage nMOSFET 51 of one control circuit 501 constitute one arm. Reference numeral 90 is used when generically referring to the coils 91 to 94, and reference numeral 51 is used when generically referring to the output stage nMOSFETs 51a to 51d. Similarly, reference numeral 501 is used to collectively refer to the control circuits 501a to 501d.

このステッピングモータは第1アーム〜第4アームの4つのアームで制御される。第1アーム〜第4アームには相互インダクタンス負荷であるコイル91〜94をそれぞれ通る負荷電流が流れる。各アームにはそれぞれ1つの制御回路501が設けられている。これらのアームを備えたステッピングモータは、例えば、自動車の排ガス再循環などに用いられる。そのため、以下、アームのことをEGRと称す。EGRとはExaust Gas Recirculation(排ガス再循環)の略である。また、前記の第1アーム〜第4アームは、ここではEGR1〜EGR4と称し、それぞれはコイル91〜94と出力段nMOSFET51a〜51dで構成される。   This stepping motor is controlled by four arms, the first arm to the fourth arm. Load currents flowing through the coils 91 to 94, which are mutual inductance loads, flow through the first to fourth arms. Each arm is provided with one control circuit 501. Stepping motors equipped with these arms are used, for example, for exhaust gas recirculation of automobiles. Therefore, hereinafter, the arm is referred to as EGR. EGR is an abbreviation for Exhaust Gas Recirculation. The first to fourth arms are referred to herein as EGR1 to EGR4, and each of the first to fourth arms includes coils 91 to 94 and output stage nMOSFETs 51a to 51d.

制御回路501は入力端子であるIN端子(IN)、出力端子であるOUT端子(OUT)、ステータス端子(状態出力端子)であるST端子(ST)、グランド端子であるGND端子(GND)の4つの端子を有している。   The control circuit 501 includes an IN terminal (IN) as an input terminal, an OUT terminal (OUT) as an output terminal, an ST terminal (ST) as a status terminal (state output terminal), and a GND terminal (GND) as a ground terminal. Has two terminals.

図8は、図7(a)に示した第1アームEGR1と第3アームEGR3を、その構成を簡略化して示すブロック図である。第1アームEGR1がオフして第3アームEGR3がオンすると、相互インダクタンス負荷である鉄心95入りコイル93に誘導起電力が生じる。この誘導起電力により、点線の矢印で示す経路で、図7(a)に示す出力段nMOSFET51cに並列に接続された寄生ダイオード(符号なし)を介して、バッテリー電源Bを充電する向きに電流が流れる。このとき、OUT3端子の極性が負となる。その後定常状態になると、既にオン状態となっている第3アームEGR3の出力段nMOSFET51cを介して、正規の電流が鉄心入りコイル93(インダクタンス負荷)に流れて正常動作に移行する。ここで、タイミングジェネレータからの信号により制御回路501aと501cとが駆動される。   FIG. 8 is a block diagram showing a simplified configuration of the first arm EGR1 and the third arm EGR3 shown in FIG. When the first arm EGR1 is turned off and the third arm EGR3 is turned on, an induced electromotive force is generated in the coil 93 containing the iron core 95 which is a mutual inductance load. Due to this induced electromotive force, current flows in the direction of charging the battery power supply B through a parasitic diode (not shown) connected in parallel to the output stage nMOSFET 51c shown in FIG. Flowing. At this time, the polarity of the OUT3 terminal becomes negative. Thereafter, when a steady state is reached, a normal current flows through the iron-core-equipped coil 93 (inductance load) via the output stage nMOSFET 51c of the third arm EGR3 that is already in the on state, and a normal operation is performed. Here, the control circuits 501a and 501c are driven by a signal from the timing generator.

図9は、図7(a)に示す制御回路501(501a〜501d)の詳細回路図である。制御回路501a〜501dの回路構成は全て同じである。制御回路501は、OUT端子の電圧を分圧する分圧抵抗64,65、nMOSFET部52と寄生ダイオード部53で構成される出力段nMOSFET51を備える。また、制御回路501は、出力段nMOSFET501のドレイン52bとゲート52aの間に接続されるダイナミッククランプツェナーダイオード54を備える。このダイナミッククランプツェナーダイオード54は、互いに逆直列接続するツェナーダイオード54a,54bで構成される。   FIG. 9 is a detailed circuit diagram of the control circuit 501 (501a to 501d) shown in FIG. The circuit configurations of the control circuits 501a to 501d are all the same. The control circuit 501 includes an output stage nMOSFET 51 including voltage dividing resistors 64 and 65 that divide the voltage at the OUT terminal, an nMOSFET portion 52 and a parasitic diode portion 53. The control circuit 501 also includes a dynamic clamp Zener diode 54 connected between the drain 52b and the gate 52a of the output stage nMOSFET 501. The dynamic clamp Zener diode 54 is composed of Zener diodes 54a and 54b connected in reverse series with each other.

また、制御回路501は、出力段nMOSFET51のゲート52aに接続し、後述する保護動作時ゲート電荷引き抜き回路55を構成するnMOSFET55aを備える。制御回路501は、さらに、nMOSFET55aのドレイン(符号なし)に接続する抵抗63と、抵抗63に接続し定電流源56a(デプレッションMOSFET56b)からなる通常動作時ゲート電荷引き抜き回路56を備える。また、制御回路501は、定電流源56aと抵抗63の接続点63aに接続し、過熱検出回路59、過電流検出回路60のそれぞれに接続するロジック回路57を備える。   Further, the control circuit 501 includes an nMOSFET 55a that is connected to the gate 52a of the output stage nMOSFET 51 and constitutes a gate charge extraction circuit 55 for protection operation described later. The control circuit 501 further includes a resistor 63 connected to the drain (not shown) of the nMOSFET 55a, and a gate charge extraction circuit 56 in normal operation which is connected to the resistor 63 and includes a constant current source 56a (depletion MOSFET 56b). The control circuit 501 includes a logic circuit 57 that is connected to the connection point 63a of the constant current source 56a and the resistor 63 and is connected to each of the overheat detection circuit 59 and the overcurrent detection circuit 60.

ST端子には、ツェナーダイオード66bと、負荷が正常に接続されているかあるいは断線等で異常開放されているかの状態を検知(断線検知)するためのnMOSFET58aとが接続される。ST端子には、さらに、ロジック回路57から異常信号が出たときに、ST端子に異常信号を伝達するnMOSFET58bからなるST−MOS回路58が接続される。   The ST terminal is connected to a Zener diode 66b and an nMOSFET 58a for detecting (disconnection detection) whether the load is normally connected or abnormally opened due to disconnection or the like. Further connected to the ST terminal is an ST-MOS circuit 58 comprising an nMOSFET 58b for transmitting an abnormal signal to the ST terminal when an abnormal signal is output from the logic circuit 57.

また、IN端子は、ツェナーダイオード66cのカソードとロジック回路57に接続され、GND端子は各nMOSFETのソースに接続され、OUT端子は出力段nMOSFET51のドレインおよび分圧抵抗64,65に接続される。   The IN terminal is connected to the cathode of the Zener diode 66c and the logic circuit 57, the GND terminal is connected to the source of each nMOSFET, and the OUT terminal is connected to the drain of the output stage nMOSFET 51 and the voltage dividing resistors 64 and 65.

ST−MOS回路58は以下のように断線を検知する。負荷(コイル90)に異常が無いときでは、出力段のnMOSFET51がオフすると、負荷を介してバッテリーBに接続されているOUT端子の電圧は上昇する。そのため、2つの抵抗65の接続点から取り出される電圧も上昇して、nMOSFET58aはオンする。nMOSFET58aのドレイン電極はST端子に接続しているため、負荷に異常が無い(正常である)ときの状態検出信号が、ST端子に出力される。   The ST-MOS circuit 58 detects disconnection as follows. When there is no abnormality in the load (coil 90), when the nMOSFET 51 in the output stage is turned off, the voltage at the OUT terminal connected to the battery B through the load increases. Therefore, the voltage taken out from the connection point of the two resistors 65 also rises and the nMOSFET 58a is turned on. Since the drain electrode of the nMOSFET 58a is connected to the ST terminal, a state detection signal when there is no abnormality (normal) in the load is output to the ST terminal.

一方、OUT端子に接続する負荷(コイル90)が焼切れるあるいはコネクタが外れるといった断線が生じた場合、負荷はOUT端子から開放され、バッテリーBの電圧は負荷の部分で保持される。そのため、OUT端子の電圧は上昇せず、分圧抵抗65の2つの抵抗の接続点から引き出され、断線検出ライン69のリードを通じてnMOSFET58aのゲートに与えられる電圧も上昇しない。このときnMOSFET58aはオフ状態のままであり、負荷が開放され断線されている状態を示す状態検出信号を、ST端子から出力することができる。   On the other hand, when a disconnection occurs such that the load (coil 90) connected to the OUT terminal is burned out or the connector is disconnected, the load is released from the OUT terminal, and the voltage of the battery B is held at the load portion. For this reason, the voltage at the OUT terminal does not rise, and is pulled out from the connection point of the two resistors of the voltage dividing resistor 65, and the voltage applied to the gate of the nMOSFET 58a through the lead of the disconnection detection line 69 does not rise. At this time, the nMOSFET 58a remains in the OFF state, and a state detection signal indicating a state in which the load is opened and disconnected is output from the ST terminal.

また、同じST−MOS回路58において、nMOSFET58aと並列に接続されたnMOSFET58bの動作については、以下の通りである。ロジック回路57が出力段nMOSFET51の過熱あるいは過電流といった異常状態を検知したときは、ロジック回路57は異常信号(論理ハイ、H)をnMOSFET58bのゲート電極に出力する。これにより、nMOSFET58bがオンとなり、状態検出信号(異常信号)がST端子に出力される。   In the same ST-MOS circuit 58, the operation of the nMOSFET 58b connected in parallel with the nMOSFET 58a is as follows. When the logic circuit 57 detects an abnormal state such as overheating or overcurrent of the output stage nMOSFET 51, the logic circuit 57 outputs an abnormal signal (logic high, H) to the gate electrode of the nMOSFET 58b. As a result, the nMOSFET 58b is turned on, and a state detection signal (abnormal signal) is output to the ST terminal.

ST端子には図示しない制御装置(マイコン等)が外部から接続される。タイミングジェネレータから出力される出力段nMOSFET51へのゲート信号の論理値と、ST端子から出力される信号の論理値との組合せによって、OUT端子に接続される負荷が異常の無い状態か、あるいは上記のいずれかの異常状態にあるかを、制御装置が判断する。   A control device (such as a microcomputer) not shown is connected to the ST terminal from the outside. Depending on the combination of the logic value of the gate signal to the output stage nMOSFET 51 output from the timing generator and the logic value of the signal output from the ST terminal, the load connected to the OUT terminal is in an abnormal state or the above The control device determines which of the abnormal states is present.

図10は、図6に示す制御回路501(501a〜501d)をn半導体基板70に形成した、従来の半導体装置500(500a〜500d)の要部を示す断面図である。半導体装置500a〜500dそれぞれにおける制御回路501a〜501dの回路構成は全て同じである。また、制御回路501を構成するバッテリーBは外付けである。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing a main part of a conventional semiconductor device 500 (500a to 500d) in which the control circuit 501 (501a to 501d) shown in FIG. The circuit configurations of the control circuits 501a to 501d in the semiconductor devices 500a to 500d are all the same. The battery B constituting the control circuit 501 is externally attached.

半導体装置500は、縦型の出力段nMOSFET51を備える。また、半導体装置500には、n半導体基板70の表面層に複数のpウェル領域71,73,76が形成される。また、半導体装置500は、前記の複数のpウェル領域のうちの一つのpウェル領域76の表面層に形成されるロジック回路57、図示しない過熱検出回路59、図示しない過電流検出回路60を備える。pウェル領域76の表面層には、さらに、保護動作時ゲート電荷引き抜き回路55の横型nMOSFET55aおよび通常動作時ゲート電荷引き抜き回路56を備える。   The semiconductor device 500 includes a vertical output stage nMOSFET 51. In the semiconductor device 500, a plurality of p well regions 71, 73, 76 are formed in the surface layer of the n semiconductor substrate 70. The semiconductor device 500 also includes a logic circuit 57 formed on the surface layer of one p-well region 76 of the plurality of p-well regions, an overheat detection circuit 59 (not shown), and an overcurrent detection circuit 60 (not shown). . The surface layer of the p-well region 76 is further provided with a lateral nMOSFET 55a of the gate charge extraction circuit 55 for protection operation and a gate charge extraction circuit 56 for normal operation.

GND配線と接続するn+型の領域として、他のpウェル領域の一つであるpウェル領域71の表面層に形成される出力段nMOSFET51のnソース領域72(ソース52c)を備える。さらに残りの一つのpウェル領域であるpウェル領域73の表面層に形成されるダイナミッククランプツェナーダイオード54を構成するツェナーダイオード54a(n半導体基板70内に形成)のnカソード領域74を備える。他に、n半導体基板70の表面層に形成されて、グランドGNDと接続するn+領域75を備える。 As an n + type region connected to the GND wiring, an n source region 72 (source 52c) of the output stage nMOSFET 51 formed in the surface layer of the p well region 71 which is one of the other p well regions is provided. Further, an n cathode region 74 of a Zener diode 54a (formed in the n semiconductor substrate 70) constituting the dynamic clamp Zener diode 54 formed in the surface layer of the p well region 73 which is the remaining one p well region is provided. In addition, an n + region 75 is formed on the surface layer of the n semiconductor substrate 70 and connected to the ground GND.

ST端子(ST)は、前記のpウェル領域76に形成されてST−MOS回路58を構成する横型のnMOSFET58bのnドレイン領域79に、抵抗67eを介して接続される。IN端子(IN)は、ゲート配線68により、出力段nMOSFET51のゲート52aに抵抗67b、63および67aを介して接続される。OUT端子(OUT)は、n半導体基板70の裏面全体に形成された電極に接続される。n半導体基板70の裏面全体に形成された電極は、出力段nMOSFET51のドレイン電極となる。   The ST terminal (ST) is connected to an n drain region 79 of a lateral nMOSFET 58b formed in the p well region 76 and constituting the ST-MOS circuit 58 via a resistor 67e. The IN terminal (IN) is connected to the gate 52a of the output stage nMOSFET 51 through the resistors 67b, 63 and 67a by the gate wiring 68. The OUT terminal (OUT) is connected to an electrode formed on the entire back surface of the n semiconductor substrate 70. The electrode formed on the entire back surface of the n semiconductor substrate 70 becomes the drain electrode of the output stage nMOSFET 51.

GND端子(GND)は、保護動作時ゲート電荷引き抜き回路55を構成する横型nMOSFET55aのnソース領域(符号なし)に接続する。また、GND端子は、通常動作時ゲート電荷引き抜き回路56を構成する定電流源56aとなるデプレッションMOSFET56bのnソース領域78に接続する。さらに、GND端子はロジック回路57の横型nMOSFET57aのnソース領域(符号なし)と、nドレイン領域79がST端子(ST)に接続するnMOSFET58b(58a)のnソース領域(符号なし)およびpウェル領域76と、それぞれ接続する。   The GND terminal (GND) is connected to the n source region (no symbol) of the lateral nMOSFET 55a that constitutes the gate charge extraction circuit 55 during the protection operation. Further, the GND terminal is connected to the n source region 78 of the depletion MOSFET 56b serving as the constant current source 56a constituting the gate charge extracting circuit 56 in the normal operation. Further, the GND terminal includes an n source region (not indicated) of the lateral nMOSFET 57a of the logic circuit 57, an n source region (not indicated) of the nMOSFET 58b (58a) in which the n drain region 79 is connected to the ST terminal (ST), and a p well region. 76, respectively.

他に、横型のnMOSFET55aのnドレイン領域(符号なし)およびデプレッションMOSFET56bのnドレイン領域77はゲート配線68に接続される。また、IN端子とGND端子との間に接続されるサージ保護用のツェナーダイオード81と、GND端子とST端子との間に接続されるツェナーダイオード82を備える。   In addition, the n drain region (not shown) of the lateral nMOSFET 55 a and the n drain region 77 of the depletion MOSFET 56 b are connected to the gate wiring 68. In addition, a surge protection Zener diode 81 connected between the IN terminal and the GND terminal and a Zener diode 82 connected between the GND terminal and the ST terminal are provided.

出力段nMOSFET51のpウェル領域71とnソース領域72(ソース52c)も共にグランドGNDに接続する。このpウェル領域71とn半導体基板70で出力段nMOSFET51の寄生ダイオード部53を形成する。   Both the p-well region 71 and the n-source region 72 (source 52c) of the output stage nMOSFET 51 are connected to the ground GND. The p well region 71 and the n semiconductor substrate 70 form a parasitic diode portion 53 of the output stage nMOSFET 51.

図9に示される過熱検出回路59、過電流検出回路60、ロジック回路57、保護動作時ゲート電荷引き抜き回路55および通常動作時ゲート電荷引き抜き回路56は、図10のpウェル領域内76に形成され、それぞれが一定の距離離すことで自己分離されている。   The overheat detection circuit 59, the overcurrent detection circuit 60, the logic circuit 57, the protection operation gate charge extraction circuit 55, and the normal operation gate charge extraction circuit 56 shown in FIG. 9 are formed in the p-well region 76 of FIG. , Each is self-separated by a certain distance apart.

図11は、図7(a)に示す第1アームEGR1〜第4アームEGR4への入力電圧VIN1〜VIN4の波形をそれぞれ示す動作波形図である。   FIG. 11 is an operation waveform diagram showing waveforms of input voltages VIN1 to VIN4 to the first arm EGR1 to the fourth arm EGR4 shown in FIG.

第1アームEGR1への入力電圧VIN1、第2アームEGR2への入力電圧VIN2および第3アームEGR3への入力電圧VIN3の位相に対して、第2アームEGR2への入力電圧VIN2、第3アームEGR3への入力電圧VIN3および第4アームEGR4への入力電圧VIN4の位相は、それぞれ入力電圧VINのパルス幅の半分の時間だけの遅れがある。この入力電圧VINはゲート配線68を伝達されて出力段nMOSFET51のゲート電圧となる。このVINがHレベルのときに、アームEGRの出力段nMOSFET51には負荷電流が流れて、アームEGRがオン状態になる。EGR1〜EGR4が順にオン状態になることでロータ97が回転し、コイル90とロータ97からなるステッピングモータが回転動作する。このステッピングモータが回転動作することで、例えば、図示しない自動車の排ガスを流す経路に設けられた弁の開閉が行なわれ、排ガスの再循環が行なわれる。   With respect to the phase of the input voltage VIN1 to the first arm EGR1, the input voltage VIN2 to the second arm EGR2, and the input voltage VIN3 to the third arm EGR3, the input voltage VIN2 to the second arm EGR2 and the third arm EGR3 The phases of the input voltage VIN3 and the input voltage VIN4 to the fourth arm EGR4 are delayed by half the pulse width of the input voltage VIN. This input voltage VIN is transmitted through the gate wiring 68 and becomes the gate voltage of the output stage nMOSFET 51. When VIN is at H level, a load current flows through the output stage nMOSFET 51 of the arm EGR, and the arm EGR is turned on. When the EGR1 to EGR4 are sequentially turned on, the rotor 97 is rotated, and the stepping motor including the coil 90 and the rotor 97 is rotated. By rotating this stepping motor, for example, a valve provided in a route for flowing exhaust gas of an automobile (not shown) is opened and closed, and exhaust gas is recirculated.

第1アームEGR1を構成する出力段nMOSFET51aと、第3アームEGR3を構成する出力段nMOSFET51cは、一方がオン状態のとき他方はオフ状態となるコンプリメンタリー動作(相補動作)をする。つまり、第1アームEGR1と第3アームEGR3は相補関係にある。そのため、第1アームEGR1の入力電圧VIN1の立下り時点が、第3アームEGR3の入力電圧VIN3の立ち上がり時点となる(Cの箇所)。また、EGR2とEGR4も同様にコンプリメンタリー動作をする。   The output stage nMOSFET 51a constituting the first arm EGR1 and the output stage nMOSFET 51c constituting the third arm EGR3 perform a complementary operation (complementary operation) in which when one is turned on, the other is turned off. That is, the first arm EGR1 and the third arm EGR3 are in a complementary relationship. Therefore, the falling point of the input voltage VIN1 of the first arm EGR1 is the rising point of the input voltage VIN3 of the third arm EGR3 (location C). Similarly, EGR2 and EGR4 perform complementary operations.

図12は、第3アームEGR3の制御回路501cにおける入力電圧VIN3、電圧VST3,電圧VOUT3および電流IOUT3の波形と、第1アームEGR1の制御回路501aにおける入力電圧VIN1、電圧VST1,電圧VOUT1および電流IOUT1の波形とを示す波形図である。ここで、符号VINで表される入力電圧は、符号INで表される入力端子であるIN端子への入力電圧(ゲート電圧、制御電圧とも言う)であり、符号VSTで表される電圧は、符号STで表されるステータス端子であるST端子の電圧であり、符号VOUTで表される電圧は、符号OUTで表される出力端子であるOUT端子の電圧である出力段nMOSFET51のドレイン電圧であり、符号IOUTで表される電流は、OUT端子に流れる電流、すなわち出力段nMOSFET51に流れるドレイン電流である。この電流IOUTはまた、アームEGRのコイル90(相互インダクタンス負荷)に流れる負荷電流でもある。   12 shows the waveforms of the input voltage VIN3, voltage VST3, voltage VOUT3 and current IOUT3 in the control circuit 501c of the third arm EGR3, and the input voltage VIN1, voltage VST1, voltage VOUT1 and current IOUT1 in the control circuit 501a of the first arm EGR1. It is a wave form diagram which shows these waveforms. Here, the input voltage represented by the symbol VIN is an input voltage (also referred to as a gate voltage or a control voltage) to the IN terminal which is an input terminal represented by the symbol IN, and the voltage represented by the symbol VST is: The voltage of the ST terminal which is a status terminal represented by the symbol ST, and the voltage represented by the symbol VOUT is the drain voltage of the output stage nMOSFET 51 which is the voltage of the OUT terminal which is the output terminal represented by the symbol OUT. , IOUT is a current flowing through the OUT terminal, that is, a drain current flowing through the output stage nMOSFET 51. This current IOUT is also a load current flowing through the coil 90 (mutual inductance load) of the arm EGR.

図12に示されるように、時刻t0で入力電圧VIN3としてオン信号が入力され、入力電圧VIN1としてオフ信号が入力されたとする。そうすると、第1アームEGR1の出力段nMOSFET51aはオフされて、ミラー容量の存在による時間遅れの後の時刻t1において、電流IOUT1はゼロとなり、電圧VOUT1は電源電圧であるバッテリーBの電圧となる。第1アームEGR1の出力段nMOSFET51aの状態がオン状態からオフ状態に変わる時刻t1で、第3アームEGR3の出力段nMOSFET51cの状態はオフ状態からオン状態に移行する。これにより、電圧VOUT3が立ち下がる。時刻t1の後の過程では、第3アームEGR3のコイル93と第1アームEGR1のコイル91との間の相互インダクタンスの影響により、グランドGNDからバッテリーBに向かって第3アームEGR3のコイル93に逆向きに電流(逆電流)が流れる。この逆電流は相互インダクタンスの値によって定まる期間続き、その後、順電流が逆電流を上回った時刻t2で、第3アームEGR3を流れる電流はバッテリーBからグランドGNDに向う電流(順電流)に切り替る。この逆電流は回生電流としてバッテリーBを充電する。 As shown in FIG. 12, the ON signal as the input voltage VIN3 at time t 0 is input, the OFF signal is inputted as an input voltage VIN1. Then, the output stage nMOSFET51a of the first arm EGR1 is turned off at time t 1 after due to the presence of the Miller capacitance of the time delay, current IOUT1 becomes zero, voltage VOUT1 becomes the voltage of the battery B is a power supply voltage. At time t 1 when the state of the output stage nMOSFET 51a of the first arm EGR1 changes from the on state to the off state, the state of the output stage nMOSFET 51c of the third arm EGR3 shifts from the off state to the on state. As a result, the voltage VOUT3 falls. In the process after time t 1 , due to the mutual inductance between the coil 93 of the third arm EGR 3 and the coil 91 of the first arm EGR 1, the coil 93 of the third arm EGR 3 moves from the ground GND toward the battery B. A current (reverse current) flows in the opposite direction. The reverse current period lasts determined by the mutual inductance value, then, at time t 2 when the forward current exceeds the reverse current, the current flowing through the third arm EGR3 is switched to the current (forward current) toward the ground GND from the battery B The This reverse current charges the battery B as a regenerative current.

また、それを防止するために相互インダクタンス負荷に還流ダイオードを設ける場合がある。   In order to prevent this, a free-wheeling diode may be provided in the mutual inductance load.

また、特許文献1に開示されている半導体装置は、負荷装置をスイッチング制御するためのパワー半導体素子、および負荷装置の異常を検出する半導体集積回路を備える。さらにパワー半導体素子の出力端子電圧を、直列に接続されたプルダウン用抵抗で分圧するプルダウン用の分圧回路、分圧回路から電源電圧が供給されて負荷装置の開放検出を行うMOSFET、および半導体集積回路から出力される異常信号によってオン、あるいはオフ動作するMOSFETが内蔵されている。また、負荷装置の開放状態の検出結果を外部に出力する状態出力端子を備えている。この構成とすることで、半導体集積回路への電源供給がなくても、負荷駆動システムにおける負荷開放状態が検出できる半導体装置を提供できる。この場合の負荷装置としては、ソレノイドやコイルなどの自己インダクタンス負荷を用いることを想定している。   The semiconductor device disclosed in Patent Document 1 includes a power semiconductor element for switching control of the load device, and a semiconductor integrated circuit for detecting an abnormality of the load device. Further, a pull-down voltage dividing circuit that divides the output terminal voltage of the power semiconductor element by a pull-down resistor connected in series, a MOSFET that detects the opening of a load device when a power supply voltage is supplied from the voltage dividing circuit, and a semiconductor integrated circuit There is a built-in MOSFET that is turned on or off by an abnormal signal output from the circuit. Further, a state output terminal for outputting the detection result of the open state of the load device to the outside is provided. With this configuration, it is possible to provide a semiconductor device that can detect the load release state in the load driving system without supplying power to the semiconductor integrated circuit. As the load device in this case, it is assumed that a self-inductance load such as a solenoid or a coil is used.

特許文献2には、負荷に流す電流をオン、オフする第一のスイッチング手段と、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段と負荷との接続を開閉するためにオン、オフを行う第二のスイッチング手段と、この第二のスイッチング手段と前記第一のスイッチング手段とを制御する制御手段とをもつ半導体装置が記載されている。この半導体装置において、前記制御手段は、負荷の駆動開始時には前記第一のスイッチング手段をオンした後に前記第二のスイッチング手段をオンし、前記電流検出手段は、過電流を検出したとき、前記第一のスイッチング手段のみをオフする。さらにこの構成により、負荷短絡時に半導体素子を確実かつ迅速にオフさせ、負荷短絡から半導体素子を保護する半導体装置を提供できることが記載されている。この場合もソレノイドやコイルなどの自己インダクタンス負荷を用いることを想定している。   Patent Document 2 discloses a first switching unit that turns on and off a current flowing through a load, a current detection unit that detects a current flowing through the load, and an on / off unit that opens and closes a connection between the current detection unit and the load. A semiconductor device having second switching means for turning off and control means for controlling the second switching means and the first switching means is described. In this semiconductor device, the control means turns on the second switching means after turning on the first switching means at the start of driving the load, and the current detecting means detects the overcurrent when the current detecting means detects the overcurrent. Only one switching means is turned off. Further, it is described that this configuration can provide a semiconductor device that reliably and quickly turns off the semiconductor element when the load is short-circuited, and protects the semiconductor element from the load short-circuit. Also in this case, it is assumed that a self-inductance load such as a solenoid or a coil is used.

特許文献3では、誘導負荷の逆電流に起因して半導体装置の出力の電位よりも接地GNDの電位が高くなったとき、自己診断出力が繋がるMOSFETの寄生トランジスタがオンしないように、常時オンのデプレッション型MOSFETのドレインから前記のMOSFETのバックゲートに電圧を供給することが記載されている。この場合はステッピングモータなどの相互インダクタンス負荷を用いることを想定している。   In Patent Document 3, when the potential of the ground GND becomes higher than the potential of the output of the semiconductor device due to the reverse current of the inductive load, the MOSFET's parasitic transistor connected to the self-diagnosis output is not always turned on. It is described that a voltage is supplied from the drain of the depletion type MOSFET to the back gate of the MOSFET. In this case, it is assumed that a mutual inductance load such as a stepping motor is used.

特開2010−110093号公報JP 2010-110093 A 特開2000−12853号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2000-12853 特開2011−239242号公報JP2011-239242A

図13(a)は、第1アームEGR1の出力段nMOSFET51aのオフ期間に、出力段nMOSFET51cがオンとなっている第3アームEGR3の半導体装置500cに流れる逆電流の経路P1、P2を示す該半導体装置500cの断面図である。図12に示される時刻t1とt2の間の期間では、第3アームEGR3のコイル93と第1アームEGR1のコイル91との間の相互インダクタンスの存在によりコイル93に発生した誘起起電力(逆起電力)に起因する逆電流が半導体装置500cに流れる。出力段nMOSFET51cの寄生ダイオード部53を通る経路P1とpウェル領域76からn半導体基板70を通る経路P2が第3アームEGR3の半導体装置500cに流れる逆電流の経路になる。 FIG. 13A shows the paths P1 and P2 of the reverse current flowing through the semiconductor device 500c of the third arm EGR3 in which the output stage nMOSFET 51c is on during the off period of the output stage nMOSFET 51a of the first arm EGR1. It is sectional drawing of the apparatus 500c. In the period between the times t 1 and t 2 shown in FIG. 12, the induced electromotive force generated in the coil 93 due to the presence of the mutual inductance between the coil 93 of the third arm EGR 3 and the coil 91 of the first arm EGR 1 ( A reverse current caused by (back electromotive force) flows to the semiconductor device 500c. A path P1 passing through the parasitic diode portion 53 of the output stage nMOSFET 51c and a path P2 passing from the p-well region 76 to the n semiconductor substrate 70 are paths of a reverse current flowing through the semiconductor device 500c of the third arm EGR3.

一方、pウェル領域76表面には、複数のn+型の領域が形成されており、その一部はゲート配線68を介してIN3端子へ、あるいは抵抗67eを介してST3端子に接続する。この一部のn+型の領域(nコレクタ領域)は、pウェル領域76(pベース領域)およびn半導体基板70(nエミッタ領域)とともに、寄生トランジスタ88を形成している。図13(b)は、この寄生トランジスタ88の模式断面図である。コイル93に発生した誘起起電力(逆起電力)により、およそ0VのGND3端子に接続されたpウェル領域76とOUT3端子に接続されたn半導体基板70とのpn接合には、順方向バイアス電圧が印加されて、GND3端子からOUT3端子に逆電流が流れる。この場合、OUT3端子には、GND3端子に対してpウェル領域76とn半導体基板70とのpn接合における内蔵電位差(Vbi)である例えば−0.6Vの分だけ電圧降下V1が生じる。これにより、図13(b)のように、pウェル領域76から半導体基板70に正孔が注入される。 On the other hand, a plurality of n + -type regions are formed on the surface of the p-well region 76, and some of them are connected to the IN3 terminal via the gate wiring 68 or to the ST3 terminal via the resistor 67e. The partial n + -type region (n collector region) forms a parasitic transistor 88 together with the p well region 76 (p base region) and the n semiconductor substrate 70 (n emitter region). FIG. 13B is a schematic cross-sectional view of this parasitic transistor 88. Due to the induced electromotive force (back electromotive force) generated in the coil 93, a forward bias voltage is applied to the pn junction between the p well region 76 connected to the GND3 terminal of approximately 0 V and the n semiconductor substrate 70 connected to the OUT3 terminal. Is applied, and a reverse current flows from the GND3 terminal to the OUT3 terminal. In this case, a voltage drop V1 is generated at the OUT3 terminal by an amount of, for example, −0.6 V, which is a built-in potential difference (Vbi) at the pn junction between the p well region 76 and the n semiconductor substrate 70 with respect to the GND3 terminal. Thereby, holes are injected from the p-well region 76 into the semiconductor substrate 70 as shown in FIG.

また、順バイアスされているpn接合では、n半導体基板70からpウェル領域76に電子が注入される。IN3端子には、GND3端子に対して何らかの正の電圧が印加されているので、IN3端子に接続するn+型の領域とpウェル領域76とのpn接合には逆バイアス電圧が印加されている。そのため、pウェル領域76(pベース領域)に注入された電子は、濃度を減少させつつも、その一部がIN3端子に接続するn+型の領域に達する。このように電子がn+型の領域に達することにより、IN3端子からOUT3端子に向かって、寄生トランジスタ88のコレクタ電流Inpnが流れることになる。 In the forward-biased pn junction, electrons are injected from the n semiconductor substrate 70 into the p-well region 76. Since some positive voltage is applied to the IN3 terminal with respect to the GND3 terminal, a reverse bias voltage is applied to the pn junction between the n + -type region connected to the IN3 terminal and the p-well region 76. . Therefore, electrons injected into the p-well region 76 (p-base region) reach an n + -type region where a part of the electrons is connected to the IN3 terminal while the concentration is reduced. Thus, when the electrons reach the n + -type region, the collector current Inpn of the parasitic transistor 88 flows from the IN3 terminal toward the OUT3 terminal.

ST3端子に接続するn+型の領域にもIN3端子への電子と同様に電子は到達する。このため、ST3端子からOUT3端子に向かって、コレクタ電流Inpnが流れる。このST3端子からのコレクタ電流Inpnにより、ST3端子の電圧はn半導体基板70の電圧と等しくなる。そのため、逆電流が流れている期間は、ST3端子の電圧のレベルはn半導体基板70と同じLレベルとなる。このようにST端子の電圧は、本来Hレベルであるべき期間にLレベルになるため、ST3端子の電圧が入力されるマイコン(MC)に誤検出を生じさせる。 The electrons reach the n + -type region connected to the ST3 terminal as well as the electrons to the IN3 terminal. For this reason, the collector current Inpn flows from the ST3 terminal toward the OUT3 terminal. Due to the collector current Inpn from the ST3 terminal, the voltage of the ST3 terminal becomes equal to the voltage of the n semiconductor substrate 70. Therefore, during the period in which the reverse current flows, the voltage level of the ST3 terminal is the same L level as that of the n semiconductor substrate 70. In this way, the voltage at the ST terminal is at the L level during a period that should originally be at the H level, which causes erroneous detection in the microcomputer (MC) to which the voltage at the ST3 terminal is input.

また、還流ダイオードを前記したように設けると部品点数が増加しコストアップになる。   Further, if the free wheel diode is provided as described above, the number of parts increases and the cost increases.

さらに、特許文献1、2にそれぞれ開示された半導体装置では、自己インダクタンス負荷を用いることを想定している。したがって、前記した相互インダクタンス負荷に接続するパワー半導体素子において、OUT端子の極性が負になった時に引き起こされる寄生トランジスタの誤動作については記載されていない。   Further, in the semiconductor devices disclosed in Patent Documents 1 and 2, it is assumed that a self-inductance load is used. Therefore, the malfunction of the parasitic transistor caused when the polarity of the OUT terminal becomes negative in the power semiconductor element connected to the mutual inductance load is not described.

また、特許文献3に開示された半導体装置では、デプレッションMOSFET内の寄生トランジスタの動作は、例えば、pウェル領域の不純物濃度の分布にばらつきが生じた場合には不安定になり易い。このため、デプレッションMOSFET内の寄生トランジスタが動作しない場合には、自己診断出力が入力されるMOSFETの寄生トランジスタが誤動作してDIAG端子(ST端子に相当する)を、常時正規の電圧を維持することができない。   Further, in the semiconductor device disclosed in Patent Document 3, the operation of the parasitic transistor in the depletion MOSFET is likely to become unstable when, for example, variation in the impurity concentration distribution in the p-well region occurs. For this reason, when the parasitic transistor in the depletion MOSFET does not operate, the parasitic transistor of the MOSFET to which the self-diagnosis output is input malfunctions and the DIAG terminal (corresponding to the ST terminal) is always maintained at a normal voltage. I can't.

この発明の目的は、前記の課題を解決して、相互インダクタンス負荷に接続し、半導体装置内に形成される寄生トランジスタの誤動作を抑制し、ST端子の電圧を常時正規の電圧に維持することができる半導体装置を提供することにある。   The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, connect to a mutual inductance load, suppress malfunction of a parasitic transistor formed in the semiconductor device, and maintain the voltage of the ST terminal at a regular voltage at all times. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can be used.

相互インダクタンスを有する負荷に流れる電流を制御する出力段スイッチング素子と、
該出力段スイッチング素子の異常を検出する検出回路と、
前記検出回路の出力により前記出力段スイッチング素子の状態を判断するロジック回路と、前記負荷と前記出力段スイッチング素子の接続状態および前記ロジック回路の判断結果を状態出力端子に出力する状態検知回路と、
前記状態検知回路にカソードを接続し、グランドにアノードを接続して該状態検知回路に直列接続される分圧ダイオードと、を有する制御回路を備え、前記出力段スイッチング素子は、第2導電型の半導体層の表面層に該半導体層を該出力段スイッチング素子の高電位側として形成され、前記半導体層は前記制御回路の出力端子に接続され、前記検出回路と前記ロジック回路は、前記第2導電型の半導体層の表面層に形成された第1導電型の第1ウェル領域に形成され、前記状態検知回路は、前記第2導電型の半導体層の表面層に、前記第1導電型の第1ウェル領域と離間して形成された第1導電型の第2ウェル領域表面に形成された第2導電型の横型MOSFETで構成され、前記第1導電型の第1ウェル領域および前記出力段スイッチング素子の低電位側は前記制御回路のグランド端子に接続され、前記第1導電型の第2ウェル領域は前記第2導電型の横型MOSFETのバックゲートを構成し、該バックゲートには前記分圧ダイオードのカソードが接続されて、前記第1導電型の第2ウェル領域を前記分圧ダイオードのアノードを介して前記グランド端子に接続された半導体装置とする。
An output stage switching element for controlling a current flowing in a load having a mutual inductance;
A detection circuit for detecting an abnormality of the output stage switching element;
A logic circuit that determines a state of the output stage switching element based on an output of the detection circuit; a state detection circuit that outputs a connection state of the load and the output stage switching element and a determination result of the logic circuit to a state output terminal;
A voltage divider diode connected in series to the state detection circuit by connecting a cathode to the state detection circuit, an anode connected to the ground, and the output stage switching element of the second conductivity type The semiconductor layer is formed on the surface layer of the semiconductor layer as a high potential side of the output stage switching element, the semiconductor layer is connected to an output terminal of the control circuit, and the detection circuit and the logic circuit are connected to the second conductive layer. Formed in a first well region of a first conductivity type formed in a surface layer of a semiconductor layer of a type, and the state detection circuit is provided on a surface layer of the semiconductor layer of the second conductivity type. A first conductivity type lateral MOSFET formed on the surface of a first conductivity type second well region formed apart from the one well region, the first conductivity type first well region and the output stage switch; N The low potential side of the element is connected to the ground terminal of the control circuit, the second well region of the first conductivity type constitutes the back gate of the lateral MOSFET of the second conductivity type, and the divided voltage is applied to the back gate. The semiconductor device is configured such that a cathode of a diode is connected, and the second well region of the first conductivity type is connected to the ground terminal via an anode of the voltage dividing diode .

前記出力端子が前記負荷を介して電源の高電位側に接続され、前記グランド端子が前記電源の低電位側に接続されていると好ましい。
Preferably, the output terminal is connected to the high potential side of the power supply via the load, and the ground terminal is connected to the low potential side of the power supply .

また、前記第1ウェル領域と前記半導体層との第1pn接合に印加された順バイアス電圧が、前記分圧ダイオードの第2pn接合に印加された電圧と、前記第2ウェル領域と前記半導体層との第3pn接合に印加された電圧との和に等しくなるようにすると好ましい。   A forward bias voltage applied to the first pn junction between the first well region and the semiconductor layer is a voltage applied to a second pn junction of the voltage dividing diode, and the second well region and the semiconductor layer It is preferable to be equal to the sum of the voltage applied to the third pn junction.

また、前記第2pn接合に印加された電圧を、該第2pn接合のビルトイン電圧より小さくすると好ましい。   The voltage applied to the second pn junction is preferably smaller than the built-in voltage of the second pn junction.

また、前記第3pn接合に印加された電圧を、該第3pn接合のビルトイン電圧より小さくすると好ましい。   The voltage applied to the third pn junction is preferably smaller than the built-in voltage of the third pn junction.

また、前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域との離間距離を、10μm以上500μm以下にすると好ましい。   The distance between the first well region and the second well region is preferably 10 μm or more and 500 μm or less.

また、前記分圧ダイオードが、前記半導体層の表面側に形成された酸化膜上に形成されると好ましい。   The voltage dividing diode is preferably formed on an oxide film formed on the surface side of the semiconductor layer.

また、前記酸化膜は、前記第1ウェル領域および第2ウェル領域の両方と離間するように前記半導体層表面に形成された第1導電型の第3ウェル領域上に形成されると好ましい。   The oxide film is preferably formed on a third well region of the first conductivity type formed on the surface of the semiconductor layer so as to be separated from both the first well region and the second well region.

また、前記第2ウェル領域と第3ウェル領域との離間距離、および第2ウェル領域と第3ウェル領域との離間距離が、それぞれ10μm以上500μm以下であると好ましい。   Preferably, the distance between the second well region and the third well region and the distance between the second well region and the third well region are 10 μm or more and 500 μm or less, respectively.

また、前記出力段スイッチング素子が、第2導電型の縦型のMOSFETであると好ましい。   The output stage switching element is preferably a vertical MOSFET of the second conductivity type.

また、前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域との離間距離が、前記第1ウェル領域から前記半導体層に注入される少数キャリアの拡散長より長いと好ましい。   In addition, it is preferable that a separation distance between the first well region and the second well region is longer than a diffusion length of minority carriers injected from the first well region into the semiconductor layer.

また、前記第2ウェル領域と前記第3ウェル領域との離間距離が、前記第1ウェル領域から前記半導体層に注入される少数キャリアの拡散長より長いと好ましい。   In addition, it is preferable that a separation distance between the second well region and the third well region is longer than a diffusion length of minority carriers injected from the first well region into the semiconductor layer.

また、前記分圧ダイオードが、ポリシリコンで形成されると好ましい。   The voltage dividing diode is preferably formed of polysilicon.

また、前記分圧ダイオードが横型の拡散接合型ダイオードであり、該横型の拡散接合型ダイオードが、前記第1ウェル領域の拡散深さより深く、前記第1ウェル領域の不純物濃度より高く、かつ前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域から離して形成される第1導電型の第3ウェル領域の表面層に形成されると好ましい。   The voltage dividing diode is a lateral diffusion junction diode, and the lateral diffusion junction diode is deeper than a diffusion depth of the first well region, higher than an impurity concentration of the first well region, and Preferably, it is formed on the surface layer of the third well region of the first conductivity type formed separately from the 1 well region and the second well region.

また、第1導電型の第4ウェル領域が、前記第1導電型の第2ウェル領域表面に形成された前記状態検知回路を構成する前記第2導電型の横型MOSFETを形成する領域の内の少なくともソース領域に重なるように前記第1導電型の第2ウェル領域に形成され、
前記第4ウェル領域は、前記第2ウェル領域の拡散深さより深い拡散深さと、前記第2ウェル領域の不純物濃度より高い不純物濃度とを有し、かつ、前記分圧ダイオードのカソードに接続される構成にすると好ましい。
A fourth well region of the first conductivity type is formed in the region of forming the second conductivity type lateral MOSFET constituting the state detection circuit formed on the surface of the second well region of the first conductivity type. Formed in the second well region of the first conductivity type so as to overlap at least the source region;
The fourth well region has a diffusion depth deeper than the diffusion depth of the second well region and an impurity concentration higher than the impurity concentration of the second well region, and is connected to the cathode of the voltage dividing diode. A configuration is preferable.

この発明によれば、相互インダクタンス負荷に接続する半導体装置において、グランドのGND端子にダイオードのアノードを接続し、カソードを、状態検知回路であるST−MOS回路を構成する横型nMOSFETのバックゲートに接続する。これにより、横型nMOSFETの寄生トランジスタが誤動作することを抑制できて、ST−MOS回路の出力端子であるST端子の電圧は常時正規の電圧に維持されることができる。   According to the present invention, in the semiconductor device connected to the mutual inductance load, the anode of the diode is connected to the ground GND terminal, and the cathode is connected to the back gate of the lateral nMOSFET constituting the ST-MOS circuit which is the state detection circuit. To do. Thereby, it is possible to suppress the malfunction of the parasitic transistor of the lateral nMOSFET, and the voltage of the ST terminal, which is the output terminal of the ST-MOS circuit, can always be maintained at a normal voltage.

この発明の半導体装置100,あるいは200を用いた制御回路101の要部を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a main part of a control circuit 101 using a semiconductor device 100 or 200 of the present invention. この発明の実施の形態1に係る半導体装置100の要部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part of the semiconductor device 100 which concerns on Embodiment 1 of this invention. 第3アームEGR3の制御回路101cにおける入力電圧VIN3、電圧VST3,電圧VOUT3および電流IOUT3の波形と、第1アームEGR1の制御回路101aにおける入力電圧VIN1、電圧VST1,電圧VOUT1および電流IOUT1の波形とを示す波形図である。The waveforms of the input voltage VIN3, voltage VST3, voltage VOUT3 and current IOUT3 in the control circuit 101c of the third arm EGR3, and the waveforms of the input voltage VIN1, voltage VST1, voltage VOUT1 and current IOUT1 in the control circuit 101a of the first arm EGR1 are shown. FIG. (a)は第1アームEGR1の出力段nMOSFET1aがターンオフし、第3アームEGR3の出力段nMOSFET1cがターンオンする場合を説明した半導体装置100cの断面図であり、(b)は分圧ダイオード40による電圧分担を模式的に示す断面図である。(A) is sectional drawing of the semiconductor device 100c explaining the case where the output stage nMOSFET1a of the 1st arm EGR1 turned off and the output stage nMOSFET1c of the 3rd arm EGR3 turned on, (b) is the voltage by the voltage dividing diode 40 It is sectional drawing which shows a sharing typically. この発明の実施の形態2に係る半導体装置200の要部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part of the semiconductor device 200 concerning Embodiment 2 of this invention. 半導体装置200の変形例の要部を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a main part of a modification of the semiconductor device 200. ステッピングモータの要部を示す構成図であり、(a)は要部の全体構成を示す図であり、(b)はステッピングモータのロータ97とコイル90の配置図である。It is a block diagram which shows the principal part of a stepping motor, (a) is a figure which shows the whole structure of a principal part, (b) is a layout drawing of the rotor 97 and the coil 90 of a stepping motor. 図7(a)に示した第1アームEGR1と第3アームEGR3の構成を簡略化して示すブロック図である。FIG. 8 is a block diagram showing a simplified configuration of the first arm EGR1 and the third arm EGR3 shown in FIG. 図7(a)で示す制御回路501の詳細回路図である。FIG. 8 is a detailed circuit diagram of the control circuit 501 shown in FIG. n半導体基板70に図6に示す制御回路501を形成した従来の半導体装置500の要部を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a main part of a conventional semiconductor device 500 in which a control circuit 501 shown in FIG. 図7(a)に示す第1アームのEGR1〜第4アームEGR4への入力電圧VIN1〜入力電圧VIN4の波形をそれぞれ示す波形図である。FIG. 8 is a waveform diagram showing waveforms of an input voltage VIN1 to an input voltage VIN4 to the first arm EGR1 to the fourth arm EGR4 shown in FIG. 第3アームEGR3の制御回路501cにおける入力電圧VIN3、電圧VST3,電圧VOUT3および電流IOUT3の波形と、第1アームEGR1の制御回路501aにおける入力電圧VIN1、電圧VST1,電圧VOUT1および電流IOUT1の波形とを示す波形図である。The waveforms of the input voltage VIN3, voltage VST3, voltage VOUT3 and current IOUT3 in the control circuit 501c of the third arm EGR3, and the waveforms of the input voltage VIN1, voltage VST1, voltage VOUT1 and current IOUT1 in the control circuit 501a of the first arm EGR1 FIG. (a)は第1アームEGR1の出力段nMOSFET51aのオフ期間に、出力段nMOSFET51cがオンとなっている第3アームEGR3の半導体装置500cに流れる逆電流の経路P1、P2を示す該半導体装置500cの断面図であり、(b)は寄生トランジスタの動作を示す模式断面図である。(A) shows the paths P1 and P2 of the reverse current flowing in the semiconductor device 500c of the third arm EGR3 in which the output stage nMOSFET 51c is on during the off period of the output stage nMOSFET 51a of the first arm EGR1. It is sectional drawing, (b) is a schematic cross section which shows operation | movement of a parasitic transistor. この発明の実施の形態1にかかる分圧ダイオード40を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the voltage dividing diode 40 concerning Embodiment 1 of this invention.

図1は、この発明の半導体装置100あるいは101を用いた制御回路101(101a〜101d)の要部を示す回路図である。制御回路101は、OUT端子の電圧を分圧する分圧抵抗14,15、nMOSFET部2と寄生ダイオード部3で構成される出力段nMOSFET1を備える。また、制御回路101は、出力段nMOSFET1のドレイン2bとゲート2aの間に接続されるダイナミッククランプツェナーダイオード4を備える。このダイナミッククランプツェナーダイオード4は、互いに逆直列接続するツェナーダイオード4a,4bで構成される。制御回路101は、前述の第1アームEGR1、第2アームEGR2、第3アームEGR3、第4アームEGR4にそれぞれ備えられる制御回路101a、制御回路101b、制御回路101c、制御回路101dを代表する。   FIG. 1 is a circuit diagram showing a main part of a control circuit 101 (101a to 101d) using a semiconductor device 100 or 101 of the present invention. The control circuit 101 includes an output stage nMOSFET 1 including voltage dividing resistors 14 and 15 that divide the voltage at the OUT terminal, an nMOSFET portion 2 and a parasitic diode portion 3. The control circuit 101 includes a dynamic clamp Zener diode 4 connected between the drain 2b and the gate 2a of the output stage nMOSFET 1. The dynamic clamp Zener diode 4 is composed of Zener diodes 4a and 4b that are connected in reverse series with each other. The control circuit 101 represents the control circuit 101a, the control circuit 101b, the control circuit 101c, and the control circuit 101d provided in the first arm EGR1, the second arm EGR2, the third arm EGR3, and the fourth arm EGR4, respectively.

制御回路101は、出力段nMOSFET1のゲート2aに接続し保護動作時ゲート電荷引き抜き回路5を構成する横型nMOSFET5aを備える。制御回路101はさらに、横型nMOSFET5aのドレイン(符号なし)に接続する抵抗13と、抵抗13に接続し定電流源6aからなる通常動作時ゲート電荷引き抜き回路6を備える。   The control circuit 101 includes a lateral nMOSFET 5a that is connected to the gate 2a of the output stage nMOSFET 1 and constitutes the gate charge extraction circuit 5 during the protection operation. The control circuit 101 further includes a resistor 13 connected to the drain (not shown) of the lateral nMOSFET 5a and a gate charge extraction circuit 6 in normal operation which is connected to the resistor 13 and includes a constant current source 6a.

また、制御回路101は定電流源6aとなるデプレッションMOSFET6bと抵抗13の接続点13aに接続し、過熱検出回路9、過電流検出回路10のそれぞれに接続するロジック回路7を備える。過電流検出は、分圧抵抗14の接続点14aから引き出された検出ラインを過電流検出回路10に接続することにより行う。   The control circuit 101 includes a logic circuit 7 connected to the connection point 13a between the depletion MOSFET 6b serving as the constant current source 6a and the resistor 13 and connected to the overheat detection circuit 9 and the overcurrent detection circuit 10, respectively. The overcurrent detection is performed by connecting the detection line drawn from the connection point 14 a of the voltage dividing resistor 14 to the overcurrent detection circuit 10.

ST端子には、ツェナーダイオード16bと、負荷が正常に接続されているかあるいは断線等で異常開放されているかの状態を検知(断線検知)するための横型nMOSFET8aが接続される。断線検知は、分圧抵抗15の接続点15aから引き出される断線検出ライン19のリードを横型nMOSFET8aのゲートに接続することによって、前述の図9に示される構成と同様の構成により行われる。さらに、ST端子には、ロジック回路7から異常信号が出たときに、ST端子に異常信号を伝達する横型nMOSFET8bが接続される。異常検出も、前述の図9に示される構成と同様の構成により行われる。このように制御回路101は、これらの横型nMOSFET8a、8bからなるST−MOS回路8とを備える。   The ST terminal is connected to a Zener diode 16b and a lateral nMOSFET 8a for detecting whether the load is normally connected or abnormally opened due to disconnection or the like (disconnection detection). The disconnection detection is performed by a configuration similar to the configuration shown in FIG. 9 described above by connecting the lead of the disconnection detection line 19 drawn from the connection point 15a of the voltage dividing resistor 15 to the gate of the lateral nMOSFET 8a. Further, a lateral nMOSFET 8b that transmits an abnormal signal to the ST terminal when an abnormal signal is output from the logic circuit 7 is connected to the ST terminal. Abnormality detection is also performed by a configuration similar to the configuration shown in FIG. As described above, the control circuit 101 includes the ST-MOS circuit 8 including the lateral nMOSFETs 8a and 8b.

また、制御回路101はツェナーダイオード16cのカソードとロジック回路7に接続するIN端子、各nMOSFETのソースに接続するGND端子、出力段nMOSFET1のドレインおよび分圧抵抗14,15に接続するOUT端子を備える。   The control circuit 101 also includes an IN terminal connected to the cathode of the Zener diode 16c and the logic circuit 7, a GND terminal connected to the source of each nMOSFET, a drain of the output stage nMOSFET 1 and an OUT terminal connected to the voltage dividing resistors 14 and 15. .

ST−MOS回路8を構成する横型nMOSFET8aおよび横型nMOSFET8bのバックゲートには、分圧ダイオード40がアノードをGND端子に接続して直列に接続される。   A voltage dividing diode 40 is connected in series to the back gates of the lateral nMOSFET 8a and the lateral nMOSFET 8b constituting the ST-MOS circuit 8 with the anode connected to the GND terminal.

つぎに、この本発明に係る半導体装置を、以下の実施の形態について具体的に説明する。尚、下記において、第1導電型はp型、第2導電型はn型で示したが、逆の場合もある。   Next, the semiconductor device according to the present invention will be specifically described in the following embodiments. In the following description, the first conductivity type is p-type, and the second conductivity type is n-type.

(実施の形態1)
図2は、この発明の実施の形態1に係る半導体装置100の要部を示す断面図である。図1に示す制御回路101が、同一のn型半導体基板20の表面に形成される。制御回路101を構成するバッテリーBなどは外付けである。半導体装置100は、前述の第1アームEGR1、第2アームEGR2、第3アームEGR3、第4アームEGR4に、それぞれ半導体装置100a、半導体装置100b、半導体装置100c、半導体装置100dを代表する。
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a main part of the semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention. A control circuit 101 shown in FIG. 1 is formed on the surface of the same n-type semiconductor substrate 20. The battery B and the like constituting the control circuit 101 are externally attached. In the semiconductor device 100, the first arm EGR1, the second arm EGR2, the third arm EGR3, and the fourth arm EGR4 represent the semiconductor device 100a, the semiconductor device 100b, the semiconductor device 100c, and the semiconductor device 100d, respectively.

半導体装置100は、縦型の出力段nMOSFET1を備える。半導体装置100は、n型半導体基板20の表面層に形成される複数のpウェル領域21,23,26,26aを備える。半導体装置100はさらに、前記の複数のpウェル領域のうちの一つのpウェル領域26の表面層に形成されるロジック回路7、図示しない過熱検出回路9、過電流検出回路10を備える。pウェル領域26の表面層には、さらに、保護動作時ゲート電荷引き抜き回路5の横型nMOSFET5aおよび通常動作時ゲート電荷引き抜き回路6を備える。   The semiconductor device 100 includes a vertical output stage nMOSFET 1. The semiconductor device 100 includes a plurality of p-well regions 21, 23, 26, 26 a formed in the surface layer of the n-type semiconductor substrate 20. The semiconductor device 100 further includes a logic circuit 7, an overheat detection circuit 9 (not shown), and an overcurrent detection circuit 10 formed on the surface layer of one p-well region 26 among the plurality of p-well regions. The surface layer of the p-well region 26 is further provided with a lateral nMOSFET 5a of the gate charge extraction circuit 5 during protection operation and a gate charge extraction circuit 6 during normal operation.

ST−MOS回路8を構成するpウェル領域26aの表面層には、横型nMOSFET8a,8bを備える。pウェル領域26aは分圧ダイオード40のカソード40aに接続し、そのアノード40bはGND端子に接続する。pウェル領域26aは横型nMOSFET8a,8bに共通のバックゲートになる。   Lateral nMOSFETs 8a and 8b are provided on the surface layer of the p-well region 26a constituting the ST-MOS circuit 8. The p-well region 26a is connected to the cathode 40a of the voltage dividing diode 40, and its anode 40b is connected to the GND terminal. The p-well region 26a serves as a back gate common to the lateral nMOSFETs 8a and 8b.

GND配線と接続するn+型の領域として、他のpウェル領域の一つであるpウェル領域21の表面層に形成される出力段nMOSFET1のnソース領域22(ソース2c)を備える。さらに残りの一つのpウェル領域であるpウェル領域23の表面層に形成されるダイナミッククランプツェナーダイオード4を構成するツェナーダイオード4a(n型半導体基板20内に形成)のnカソード領域24を備える。ダイナミッククランプツェナーダイオード4のツェナーダイオード4bのカソードは、抵抗17a、抵抗13、抵抗17b等を介してIN端子に接続する。IN端子は、抵抗17cを介してGND端子に接続する。他に、n型半導体基板20の表面層に形成されるGNDと接続するn+領域25を備える。 As an n + type region connected to the GND wiring, an n source region 22 (source 2c) of the output stage nMOSFET 1 formed in the surface layer of the p well region 21 which is one of the other p well regions is provided. Furthermore, an n cathode region 24 of a Zener diode 4a (formed in the n-type semiconductor substrate 20) constituting the dynamic clamp Zener diode 4 formed on the surface layer of the p well region 23 which is the remaining one p well region is provided. The cathode of the Zener diode 4b of the dynamic clamp Zener diode 4 is connected to the IN terminal via the resistor 17a, the resistor 13, the resistor 17b, and the like. The IN terminal is connected to the GND terminal via the resistor 17c. In addition, an n + region 25 connected to GND formed on the surface layer of the n-type semiconductor substrate 20 is provided.

ST端子(ST)は、前記のpウェル領域26aに形成されてST−MOS回路8を構成する横型nMOSFET8bのnドレイン領域29に、抵抗17eを介して接続する。また、ST端子は抵抗17dを介して電源Bの高電位側端子に接続し、電源Bの低電位側端子はグランド(GND)に接続される。IN端子(IN)は、ゲート配線18により、出力段nMOSFET1のゲート2aに抵抗17b、13および17aを介して接続される。ST端子はさらに、断線検知の信号あるいは異常信号を処理するためのマイコン等に接続される。   The ST terminal (ST) is connected to the n drain region 29 of the lateral nMOSFET 8b formed in the p well region 26a and constituting the ST-MOS circuit 8 via the resistor 17e. The ST terminal is connected to the high potential side terminal of the power supply B via the resistor 17d, and the low potential side terminal of the power supply B is connected to the ground (GND). The IN terminal (IN) is connected to the gate 2a of the output stage nMOSFET 1 by the gate wiring 18 via the resistors 17b, 13 and 17a. The ST terminal is further connected to a microcomputer or the like for processing a disconnection detection signal or an abnormal signal.

OUT端子(OUT)は、n型半導体基板20の裏面全体に形成された電極に接続される。n型半導体基板20の裏面全体に形成された電極は、出力段nMOSFET1のドレイン電極となる。   The OUT terminal (OUT) is connected to an electrode formed on the entire back surface of the n-type semiconductor substrate 20. The electrode formed on the entire back surface of the n-type semiconductor substrate 20 serves as the drain electrode of the output stage nMOSFET 1.

GND端子(GND)は、保護動作時ゲート電荷引き抜き回路5を構成する横型nMOSFET5aのnソース領域(符号なし)が接続する。さらに、GND端子(GND)は、通常動作時ゲート電荷引き抜き回路6を構成する定電流源6aとなるデプレッションMOSFET6bのnソース領域28、およびロジック回路7の横型nMOSFET7aのnソース領域(符号なし)に接続する。また、GND端子には、nドレイン領域29がST端子(ST)に接続する横型nMOSFET8bのnソース領域(符号なし)およびpウェル領域26とがそれぞれ接続する。   The GND terminal (GND) is connected to the n source region (not shown) of the lateral nMOSFET 5a constituting the gate charge extracting circuit 5 during the protection operation. Further, the GND terminal (GND) is connected to the n source region 28 of the depletion MOSFET 6b which becomes the constant current source 6a constituting the gate charge extracting circuit 6 in the normal operation and the n source region (not indicated) of the lateral nMOSFET 7a of the logic circuit 7. Connecting. The GND terminal is connected to the n source region (not shown) and the p well region 26 of the lateral nMOSFET 8b in which the n drain region 29 is connected to the ST terminal (ST).

他に、横型nMOSFET5aのnドレイン領域(符号なし)およびデプレッションMOSFET6bのnドレイン領域27は、ゲート配線18に接続される。また、IN端子とGND端子との間に接続されるサージ保護用のツェナーダイオード31と、GND端子とST端子との間に接続されるツェナーダイオード32を備える。   In addition, the n drain region (not shown) of the lateral nMOSFET 5 a and the n drain region 27 of the depletion MOSFET 6 b are connected to the gate wiring 18. In addition, a surge protection Zener diode 31 connected between the IN terminal and the GND terminal and a Zener diode 32 connected between the GND terminal and the ST terminal are provided.

また、出力段nMOSFET1のpウェル領域21とnソース領域22(ソース2c)も、共にグランドGNDに接続する。このpウェル領域21とn型半導体基板20で出力段nMOSFET1の寄生ダイオード部3を形成する。   Further, the p-well region 21 and the n-source region 22 (source 2c) of the output stage nMOSFET 1 are both connected to the ground GND. The p well region 21 and the n-type semiconductor substrate 20 form a parasitic diode portion 3 of the output stage nMOSFET 1.

前記のpウェル領域26とpウェル領域26aとは、その間の間隔Lを、pウェル領域26からn型半導体基板20に注入される正孔の拡散長以上に離すと、互いの領域に形成されたMOSFET同士がほとんど干渉することなく、電気的に分離することができる。例えば、pウェル領域26とpウェル領域26aとの間隔Lは10μm程度でよい。間隔Lを20μm以上、あるいはさらに50μm以上とすると、互いが干渉しなくなるのでよい。さらに正孔の拡散長は、n型半導体基板20の濃度にもよるが、約100μm以上であるので、間隔Lを100μm以上とすると、十分干渉を抑えられる。一方、この間隔Lを大きくすると、半導体装置100のチップサイズが大きくなり好ましくないので、間隔Lは例えば500μm以下とすればよい。すなわち、間隔Lは、10μm以上500μm以下、好ましくは20μm以上200μm以下、さらには50μm以上100μm以下であるとよい。あるいは、200μm以上500μm以下であってもよい。   The p-well region 26 and the p-well region 26a are formed in each other region if the distance L between them is separated from the diffusion length of holes injected from the p-well region 26 into the n-type semiconductor substrate 20. The MOSFETs can be electrically isolated with little interference. For example, the distance L between the p well region 26 and the p well region 26a may be about 10 μm. If the distance L is set to 20 μm or more, or even 50 μm or more, they may not interfere with each other. Further, although the hole diffusion length depends on the concentration of the n-type semiconductor substrate 20, it is about 100 μm or more. Therefore, when the interval L is 100 μm or more, interference can be sufficiently suppressed. On the other hand, if this distance L is increased, the chip size of the semiconductor device 100 increases, which is not preferable. Therefore, the distance L may be set to 500 μm or less, for example. That is, the distance L is 10 μm or more and 500 μm or less, preferably 20 μm or more and 200 μm or less, and more preferably 50 μm or more and 100 μm or less. Alternatively, it may be 200 μm or more and 500 μm or less.

前記の分圧ダイオード40はn型半導体基板20上に絶縁膜を介して例えばポリシリコンで形成されたツェナーダイオードのようなダイオードである。図14は、この発明の実施の形態1にかかる分圧ダイオード40を示す断面図である。n型半導体基板20の表面層にpウェル領域26およびpウェル領域26aの両方と離間するように、pウェル領域26bが形成される。pウェル領域26の表面上には熱酸化あるいは化学気相成長(CVD)といった方法で形成された酸化膜61を備える。この酸化膜61の表面にポリシリコン膜が形成されている。このポリシリコン膜にドーパントのイオン注入およびそれに続く熱処理によって、nカソード領域42aとpアノード領域42bを有するツェナーダイオードであるポリシリコンダイオード42が形成されている。このポリシリコンダイオード42が、分圧ダイオード40である。分圧ダイオード40のnカソード領域42aは、pウェル領域26bと離間して形成されたpウェル領域26aに電気的に接続する。このpウェル領域26aは、ST−MOS回路8を構成する各横型nMOSFET8aおよび8bのバックゲートである。なお、pウェル領域26をpウェル領域26bとの離間距離およびpウェル領域26aとpウェル領域26bとの離間距離も、それぞれ前述のpウェル領域26とpウェル領域26aの間の間隔Lと同様でよい。   The voltage dividing diode 40 is a diode such as a Zener diode formed of polysilicon on the n-type semiconductor substrate 20 with an insulating film interposed therebetween. FIG. 14 is a cross-sectional view showing the voltage dividing diode 40 according to the first embodiment of the present invention. A p-well region 26b is formed in the surface layer of n-type semiconductor substrate 20 so as to be separated from both p-well region 26 and p-well region 26a. An oxide film 61 formed by a method such as thermal oxidation or chemical vapor deposition (CVD) is provided on the surface of the p-well region 26. A polysilicon film is formed on the surface of the oxide film 61. A polysilicon diode 42 which is a Zener diode having an n cathode region 42a and a p anode region 42b is formed by ion implantation of dopant into the polysilicon film and subsequent heat treatment. This polysilicon diode 42 is a voltage dividing diode 40. The n cathode region 42a of the voltage dividing diode 40 is electrically connected to a p well region 26a formed apart from the p well region 26b. This p-well region 26a is a back gate of each of the lateral nMOSFETs 8a and 8b constituting the ST-MOS circuit 8. Note that the separation distance between the p-well region 26 and the p-well region 26b and the separation distance between the p-well region 26a and the p-well region 26b are the same as the above-described distance L between the p-well region 26 and the p-well region 26a. It's okay.

出力段nMOSFETの耐圧が100V以下、あるいは300V以下といった低耐圧の場合は、前述のpウェル領域26bは無くても良い。一方、出力段nMOSFETの耐圧が300V以上であったり、出力段nMOSFETがIGBTといった600V以上の高耐圧のスイッチング素子であったりする場合は、前述のpウェル領域26bを形成するとよい。スイッチング素子が高耐圧素子の場合、pウェル領域26bが無いと、分圧ダイオード40のポリシリコンとn型半導体基板20の表面との間に、数100Vの電圧が印加される場合がある。その際、印加された電圧が酸化膜61の絶縁耐圧をこえて、絶縁破壊が発生する可能性がある。しかし、ポリシリコンの下部にpウェル領域26bを形成しておけば、空乏層はpウェル領域26bとn型半導体基板20との間のpn接合に形成されるので、酸化膜には電圧が印加されず、絶縁破壊を防ぐことができる。   When the output stage nMOSFET has a low breakdown voltage of 100 V or less, or 300 V or less, the above-described p-well region 26b may be omitted. On the other hand, when the output stage nMOSFET has a withstand voltage of 300 V or more, or when the output stage nMOSFET is a switching element having a high withstand voltage of 600 V or more, such as an IGBT, the above-described p well region 26b may be formed. When the switching element is a high breakdown voltage element, a voltage of several hundred volts may be applied between the polysilicon of the voltage dividing diode 40 and the surface of the n-type semiconductor substrate 20 without the p-well region 26b. At that time, the applied voltage may exceed the withstand voltage of the oxide film 61 and dielectric breakdown may occur. However, if the p-well region 26b is formed below the polysilicon, the depletion layer is formed at the pn junction between the p-well region 26b and the n-type semiconductor substrate 20, so that a voltage is applied to the oxide film. Insulation breakdown can be prevented.

図1に示される過熱検出回路9、過電流検出回路10、ロジック回路7、保護動作時ゲート電荷引き抜き回路5および通常動作時ゲート電荷引き抜き回路6は、全て図2のpウェル領域26内部に形成され、それぞれが他の回路から一定の距離離されて形成されることで自己分離されている。   The overheat detection circuit 9, overcurrent detection circuit 10, logic circuit 7, protection operation gate charge extraction circuit 5 and normal operation gate charge extraction circuit 6 shown in FIG. 1 are all formed in the p-well region 26 of FIG. Each is formed by being separated from other circuits by a certain distance, and is self-separated.

図1において参照数字18はIN端子と出力段nMOSFET1のゲート2aを結ぶゲート配線を示し、参照数字19は断線検出ラインを示している。   In FIG. 1, reference numeral 18 indicates a gate wiring connecting the IN terminal and the gate 2a of the output stage nMOSFET 1, and reference numeral 19 indicates a disconnection detection line.

図3は、第3アームEGR3の制御回路101cにおける入力電圧VIN3、電圧VST3,電圧VOUT3および電流IOUT3の波形と、第1アームEGR1の制御回路101aにおける入力電圧VIN1、電圧VST1,電圧VOUT1および電流IOUT1の波形とを示す波形図である。第3アームEGR3と第1アームEGR1の構成は図7(a)、図7(b)および図8に示される第3アームEGR3と第1アームEGR1の構成と同じである。   3 shows the waveforms of the input voltage VIN3, voltage VST3, voltage VOUT3 and current IOUT3 in the control circuit 101c of the third arm EGR3, and the input voltage VIN1, voltage VST1, voltage VOUT1 and current IOUT1 in the control circuit 101a of the first arm EGR1. It is a wave form diagram which shows these waveforms. The configurations of the third arm EGR3 and the first arm EGR1 are the same as the configurations of the third arm EGR3 and the first arm EGR1 shown in FIG. 7A, FIG. 7B, and FIG.

ここで、電圧VIN1,VIN3はそれぞれ入力端子であるIN1端子、IN3端子へ入力される入力電圧(ゲート電圧、制御電圧)である。電圧VST1,VST3はそれぞれステータス端子であるST1端子、ST3端子の電圧である。電圧VOUT1,VOUT3はそれぞれ出力端子であるOUT1端子、OUT3端子の電圧で、出力段nMOSFET1a,1cのドレイン電圧である。電流IOUT1,IOUT3はそれぞれ出力段nMOSFET1a,1cに流れるドレイン電流である。この電流IOUT1,3はまた、それぞれ第1アームEGR1,第3アームEGR3のコイル91,93(相互インダクタンス負荷)に流れる負荷電流である。   Here, the voltages VIN1 and VIN3 are input voltages (gate voltage and control voltage) input to the IN1 terminal and IN3 terminal which are input terminals, respectively. The voltages VST1 and VST3 are the voltages at the ST1 terminal and ST3 terminal, which are status terminals, respectively. The voltages VOUT1 and VOUT3 are the voltages at the OUT1 and OUT3 terminals, which are output terminals, respectively, and are the drain voltages of the output stage nMOSFETs 1a and 1c. Currents IOUT1 and IOUT3 are drain currents flowing through the output stage nMOSFETs 1a and 1c, respectively. The currents IOUT1 and IOUT3 are load currents flowing through the coils 91 and 93 (mutual inductance loads) of the first arm EGR1 and the third arm EGR3, respectively.

図4(a)は、第1アームEGR1の出力段nMOSFET1a(図7の51aに相当)がターンオフし、第3アームEGR3の出力段nMOSFET1c(図7の51cに相当)がターンオンする場合を説明した半導体装置100cの断面である。図4(b)は分圧ダイオード40による電圧分担を模式的に示す断面図である。
図3に示されるように、時刻t0で入力電圧VIN3としてオン信号が入力され、入力電圧VIN1としてオフ信号が入力されたとする。そうすると、第1アームEGR1の出力段nMOSFET1aはオフされて、ミラー容量の存在による時間遅れの後の時刻t1において、電流IOUT1はゼロとなり、電圧VOUT1は電源電圧であるバッテリーBの電圧となる。第1アームEGR1の出力段nMOSFET1aの状態がオン状態からオフ状態に変わる時刻t1で、第3アームEGR3の出力段nMOSFET1cの状態はオフ状態からオン状態に移行する。これにより、電圧VOUT3が立ち下がる。時刻t1の後の過程では、第3アームEGR3のコイル93と第1アームEGR1のコイル91との間の相互インダクタンスの影響により、グランドGNDからバッテリーBに向かって第3アームEGR3のコイル93(図7(a))に逆向きに電流(逆電流)が流れる。この逆電流は相互インダクタンスの値によって定まる期間続き、その後、順電流が逆電流を上回った時刻t2で、第3アームEGR3を流れる電流はバッテリーBからグランドGNDに向う電流(順電流)に切り替る。この逆電流は回生電流としてバッテリーBを充電する。
FIG. 4A illustrates a case where the output stage nMOSFET 1a of the first arm EGR1 (corresponding to 51a in FIG. 7) is turned off and the output stage nMOSFET 1c of the third arm EGR3 (corresponding to 51c in FIG. 7) is turned on. 2 is a cross section of a semiconductor device 100c. FIG. 4B is a cross-sectional view schematically showing voltage sharing by the voltage dividing diode 40.
As shown in FIG. 3, the ON signal as the input voltage VIN3 at time t 0 is input, the OFF signal is inputted as an input voltage VIN1. Then, the output stage nMOSFET1a of the first arm EGR1 is turned off at time t 1 after due to the presence of the Miller capacitance of the time delay, current IOUT1 becomes zero, voltage VOUT1 becomes the voltage of the battery B is a power supply voltage. At time t 1 when the state of the output stage nMOSFET 1a of the first arm EGR1 changes from the on state to the off state, the state of the output stage nMOSFET 1c of the third arm EGR3 shifts from the off state to the on state. As a result, the voltage VOUT3 falls. In the process after time t 1 , the coil 93 of the third arm EGR 3 (from the ground GND toward the battery B due to the influence of the mutual inductance between the coil 93 of the third arm EGR 3 and the coil 91 of the first arm EGR 1. A current (reverse current) flows in the reverse direction in FIG. The reverse current period lasts determined by the mutual inductance value, then, at time t 2 when the forward current exceeds the reverse current, the current flowing through the third arm EGR3 is switched to the current (forward current) toward the ground GND from the battery B The This reverse current charges the battery B as a regenerative current.

このように、第3アームEGR3に接続する相互インダクタンス負荷(図7のコイル93に相当)には、OUT3端子の極性が負、GND端子の極性が正になるように誘導起電力(逆起電力)が発生する。この起電力により、図4(a)に示すように、GND端子からOUT3端子に向かって電流IOUT3が流れる。この電流IOUT3は出力段nMOSFET1c(図7の出力段nMOSFET51cに相当)の寄生ダイオード部3に流れる電流I1、pウェル領域26を介して流れる電流I2、分圧ダイオード40を介して流れるI3に分かれる。   In this way, the mutual inductance load (corresponding to the coil 93 in FIG. 7) connected to the third arm EGR3 has an induced electromotive force (counterelectromotive force) such that the polarity of the OUT3 terminal is negative and the polarity of the GND terminal is positive. ) Occurs. Due to this electromotive force, as shown in FIG. 4A, a current IOUT3 flows from the GND terminal toward the OUT3 terminal. This current IOUT3 is divided into a current I1 flowing through the parasitic diode portion 3 of the output stage nMOSFET 1c (corresponding to the output stage nMOSFET 51c in FIG. 7), a current I2 flowing through the p-well region 26, and an I3 flowing through the voltage dividing diode 40.

前述のように図3の時刻t1〜t2では、pウェル領域26を介してGND3端子からOUT3端子に向けて流れる電流I2により、pウェル領域26とn型半導体基板20のpn接合fにpn接合fでの電圧降下に相当する立ち上がり電圧V1(内蔵電位に関係する)が発生する。この立ち上がり電圧V1は、例えば、0.6〜0.7Vである。一方GND端子に接続する分圧ダイオード40は、アノード40bとカソード40aとの間にpn接合jを有する。また、図4(b)に示すように、分圧ダイオード40のカソード40aと直列接続するpウェル領域26aとn型半導体基板20との間にもpn接合kが形成される。立ち上がり電圧V1は、pn接合jおよびpn接合kに印加される。 As described above, at times t 1 to t 2 in FIG. 3, the current I 2 flowing from the GND 3 terminal to the OUT 3 terminal through the p well region 26 causes the p well region 26 and the pn junction f between the n-type semiconductor substrate 20 to be connected. A rising voltage V1 (related to the built-in potential) corresponding to a voltage drop at the pn junction f is generated. The rising voltage V1 is, for example, 0.6 to 0.7V. On the other hand, the voltage dividing diode 40 connected to the GND terminal has a pn junction j between the anode 40b and the cathode 40a. As shown in FIG. 4B, a pn junction k is also formed between the p-type well region 26a connected in series with the cathode 40a of the voltage dividing diode 40 and the n-type semiconductor substrate 20. The rising voltage V1 is applied to the pn junction j and the pn junction k.

立ち上がり電圧V1(≒0.7V)は、分圧ダイオード40のpn接合jに印加される電圧V2と、pウェル領域26aとn型半導体基板20とのpn接合kに印加される電圧V3に分圧される(V1=V2+V3)。それぞれの電圧V2,V3は、分圧比にもよるが、例えば、電圧V1が均等に分圧されるとした場合には、V2,V3≒0.35Vとなる。尚、電圧V1,V2,V3はそれぞれpn接合f、j、kの順方向電圧である。pn接合j、kそれぞれに印加される分圧された電圧V2,V3(≒0.35V)は、分圧比によらず、ともにpn接合jとk全体に印加される立ち上がり電圧(約0.7V)より低くなる。そのため、pn接合j、kそれぞれには極めて小さな電流が流れるだけである。つまり、pn接合kにはpウェル領域26とn型半導体基板20とのpn接合fの立ち上がり電圧(約0.7V)より低い電圧が印加されるため、寄生トランジスタ38は動作しない。これにより、ST−MOS回路8は誤動作せず、ST端子には正常な信号が入力される。   The rising voltage V1 (≈0.7V) is divided into a voltage V2 applied to the pn junction j of the voltage dividing diode 40 and a voltage V3 applied to the pn junction k between the p-well region 26a and the n-type semiconductor substrate 20. Pressure (V1 = V2 + V3). Although the voltages V2 and V3 depend on the voltage dividing ratio, for example, when the voltage V1 is equally divided, V2, V3≈0.35V. The voltages V1, V2, and V3 are forward voltages at the pn junctions f, j, and k, respectively. The divided voltages V2 and V3 (≈0.35 V) applied to the pn junctions j and k are both rising voltages (about 0.7 V) applied to the entire pn junctions j and k regardless of the voltage division ratio. ) Lower. Therefore, only a very small current flows through each of the pn junctions j and k. That is, since a voltage lower than the rising voltage (about 0.7 V) of the pn junction f between the p well region 26 and the n-type semiconductor substrate 20 is applied to the pn junction k, the parasitic transistor 38 does not operate. As a result, the ST-MOS circuit 8 does not malfunction and a normal signal is input to the ST terminal.

pウェル領域26aは横型nMOSFET8a,8bに共通のバックゲートである。このバックゲートは、寄生トランジスタ38のベースqとなる。この寄生トランジスタ38がオン状態になるためには、pウェル領域26aとn型半導体基板20のpn接合kにV3=0.7Vの電圧を印加する必要がある。つまり、ベースqに0.7Vの電圧を印加する必要がある。しかし、バックゲートに分圧ダイオード40が直列に接続されているため、ベースqにはV1より小さい電圧しか印加されない。これにより、前記したように、寄生トランジスタ38はオン動作しない。その結果、OUT3端子が負極性、GND3端子が正極性になった場合にも、ST3端子の電圧への影響が抑制されて、ST端子の電圧が正規の電圧に維持される。   The p-well region 26a is a back gate common to the lateral nMOSFETs 8a and 8b. This back gate becomes the base q of the parasitic transistor 38. In order to turn on the parasitic transistor 38, it is necessary to apply a voltage of V3 = 0.7V to the pn junction k between the p-well region 26a and the n-type semiconductor substrate 20. That is, it is necessary to apply a voltage of 0.7 V to the base q. However, since the voltage dividing diode 40 is connected in series to the back gate, only a voltage smaller than V1 is applied to the base q. Thereby, as described above, the parasitic transistor 38 is not turned on. As a result, even when the OUT3 terminal has a negative polarity and the GND3 terminal has a positive polarity, the influence on the voltage of the ST3 terminal is suppressed, and the voltage of the ST terminal is maintained at a normal voltage.

分圧ダイオード40を1個でなく、複数個直列接続して形成した場合には、寄生トランジスタ38のベースqに印加される電圧は低くなり、さらに動作し難くなるので好ましい。しかし、直列に接続される分圧ダイオード40の個数を増加させるとpウェル領域26aの電位状態が不安定になり易いので、5個程度以下になるようにするのがよい。   It is preferable that a plurality of voltage dividing diodes 40 are connected in series instead of one because the voltage applied to the base q of the parasitic transistor 38 is low and further difficult to operate. However, if the number of voltage-dividing diodes 40 connected in series is increased, the potential state of the p-well region 26a tends to become unstable.

(実施の形態2)
図5は、この発明の実施の形態2に係わる半導体装置200の要部を示す断面図である。半導体装置200の図2に示す半導体装置100との違いは、半導体装置100の分圧ダイオード40をn型半導体基板20内に不純物拡散形成した横型の拡散接合型ダイオード41とした点である。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a main part of a semiconductor device 200 according to the second embodiment of the present invention. The difference between the semiconductor device 200 and the semiconductor device 100 shown in FIG. 2 is that the voltage dividing diode 40 of the semiconductor device 100 is a lateral diffusion junction diode 41 formed by impurity diffusion in the n-type semiconductor substrate 20.

実施の形態2では、図2で示すpウェル領域26とpウェル領域26aの間に新たにpウェル領域26bを設ける。このpウェル領域26bの不純物濃度をpウェル領域26,26aより高くする。このより高い不純物濃度を有するpウェル領域26b内に図2に示す分圧ダイオード40に相当する横型の拡散接合型ダイオード41を形成する。この拡散接合型ダイオード41はnカソード領域41aとpアノード領域41bを有している。   In the second embodiment, a p-well region 26b is newly provided between the p-well region 26 and the p-well region 26a shown in FIG. The impurity concentration of p well region 26b is set higher than that of p well regions 26 and 26a. A lateral diffusion junction type diode 41 corresponding to the voltage dividing diode 40 shown in FIG. 2 is formed in the p-well region 26b having a higher impurity concentration. The diffusion junction type diode 41 has an n cathode region 41a and a p anode region 41b.

pウェル領域26aには横型nMOSFET8b(8a)が形成される。また、横型nMOSFET8b(8a)のnソース領域29aに重なるようにpウェル領域26cを形成する。pウェル領域26cは、拡散深さがpウェル領域26aの拡散深さより深く、またpウェル領域26bと同程度の高い不純物濃度を有する。さらにこのpウェル領域26cにnソース領域29aから離して高濃度のpコンタクト領域26dを形成する。pコンタクト領域26dは横型nMOSFET8b(8a)のバックゲートとなる。前記の横型拡散接合型ダイオード41のnカソード領域41aとpコンタクト領域26d(バックゲート)を互いに接続する。   A lateral nMOSFET 8b (8a) is formed in the p-well region 26a. Further, a p-well region 26c is formed so as to overlap the n-source region 29a of the lateral nMOSFET 8b (8a). The p-well region 26c has a diffusion depth deeper than that of the p-well region 26a and has a high impurity concentration comparable to that of the p-well region 26b. Further, a high-concentration p contact region 26d is formed in the p well region 26c apart from the n source region 29a. The p contact region 26d becomes a back gate of the lateral nMOSFET 8b (8a). The n cathode region 41a and the p contact region 26d (back gate) of the lateral diffusion junction diode 41 are connected to each other.

図3の時刻t1とt2の間では、GND端子とOUT端子との間の電圧は、pウェル領域26とn型半導体基板20のpn接合fの電圧の約0.7Vになる。この0.7Vの電圧は、横型拡散接合型ダイオード41のpn接合jと、pウェル領域26aとn型半導体基板20のpn接合kで分圧され、pウェル領域26aとOUT端子との間の電圧(前記のV3に相当する)は、例えば、0.35Vになる。このpウェル領域26aは寄生トランジスタ38のベースqとなる。このベースqとOUT端子との間に印加される電圧が0.35Vでは寄生トランジスタ38はオン状態にならない。その結果、実施の形態1に係る前記半導体装置100におけるのと同様に、ST端子の電圧は常時正規の電圧維持されることができる。 Between times t 1 and t 2 in FIG. 3, the voltage between the GND terminal and the OUT terminal is about 0.7 V that of the pn junction f of the p-well region 26 and the n-type semiconductor substrate 20. This voltage of 0.7 V is divided by the pn junction j of the lateral diffusion junction diode 41 and the pn junction k of the p-well region 26a and the n-type semiconductor substrate 20, and the voltage between the p-well region 26a and the OUT terminal is divided. The voltage (corresponding to V3) is, for example, 0.35V. This p-well region 26 a becomes the base q of the parasitic transistor 38. When the voltage applied between the base q and the OUT terminal is 0.35 V, the parasitic transistor 38 is not turned on. As a result, as in the semiconductor device 100 according to the first embodiment, the voltage at the ST terminal can always be maintained at a normal voltage.

pウェル領域26b、26cにおける不純物濃度を高濃度にする理由は以下の通りである。不純物濃度を高くすると、このpウェル領域26bとn型半導体基板20とのpn接合、pウェル領域26cとn型半導体基板20とのpn接合との各々における立ち上がり電圧が、pウェル領域26aとn型半導体基板20とのpn接合kとの立ち上がり電圧よりも高くなる。これにより、pウェル領域26b、26cの各々からn型半導体基板20に抜ける電流を抑制することができる。また、横型の拡散接合型ダイオード41のnカソード領域41a、pウェル領域26bおよびn型半導体基板20で形成される寄生トランジスタ38aをオンし難くできる。   The reason why the impurity concentration in the p-well regions 26b and 26c is increased is as follows. When the impurity concentration is increased, the rising voltage at the pn junction between the p well region 26b and the n-type semiconductor substrate 20 and at the pn junction between the p well region 26c and the n-type semiconductor substrate 20 is increased. It becomes higher than the rising voltage of the pn junction k with the semiconductor substrate 20. Thereby, it is possible to suppress the current flowing from each of the p well regions 26b and 26c to the n-type semiconductor substrate 20. Further, it is possible to make it difficult to turn on the parasitic transistor 38a formed of the n cathode region 41a, the p well region 26b, and the n type semiconductor substrate 20 of the lateral diffusion junction diode 41.

さらに、横型nMOSFET8b(8a)のnドレイン領域29側にも、図5の点線で示すようにpウェル領域26cと同様の不純物濃度でpウェル領域26eを形成すれば、寄生トランジスタ38の面積が小さくなり、寄生トランジスタ38を一層オンし難くする。   Further, if the p well region 26e is formed on the n drain region 29 side of the lateral nMOSFET 8b (8a) with the same impurity concentration as the p well region 26c as shown by the dotted line in FIG. 5, the area of the parasitic transistor 38 is reduced. This makes it more difficult to turn on the parasitic transistor 38.

前記のpウェル領域26bと26cの間の距離も、pウェル領域26と26aの間の距離Lと同程度にするとよい。   The distance between the p-well regions 26b and 26c is preferably set to be approximately the same as the distance L between the p-well regions 26 and 26a.

図6は、この発明の実施の形態2に係る半導体装置200の変形例の要部を示す断面図である。さらに、図6に示すように、横型拡散接合型ダイオード41のpアノード領域41bとnカソード領域41aを接するか、あるいは十分近接させることで、図5に示す横型拡散接合型ダイオード41の横方向抵抗rを小さくする。これによって、pウェル領域26bからn型半導体基板20に抜ける電流を小さくすることができる。その結果、横型拡散接合型ダイオード41のnカソード領域41aから横型nMOSFET8b(8a)のバックゲートとなるpウェル領域26aに確実に電位を伝達することができて、寄生トランジスタ38aをオンし難くすることができる。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing a main part of a modification of semiconductor device 200 according to Embodiment 2 of the present invention. Further, as shown in FIG. 6, the lateral resistance of the lateral diffusion junction diode 41 shown in FIG. 5 is obtained by bringing the p anode region 41b and the n cathode region 41a of the lateral diffusion junction diode 41 into contact or sufficiently close to each other. Reduce r. As a result, the current flowing from the p-well region 26b to the n-type semiconductor substrate 20 can be reduced. As a result, the potential can be reliably transmitted from the n cathode region 41a of the lateral diffusion junction diode 41 to the p well region 26a serving as the back gate of the lateral nMOSFET 8b (8a), and the parasitic transistor 38a is hardly turned on. Can do.

1,1a,1c 出力段nMOSFET
2 nMOSFET部
2a ゲート
2b ドレイン
2c ソース
3 寄生ダイオード部
4 ダイナミッククランプツェナーダイオード
4a,4b,16b,16c,31,32 ツェナーダイオード
5 保護動作時ゲート電荷引き抜き回路
6 通常動作時ゲート電荷引き抜き回路
6a 定電流源
6b デプレッションMOSFET
7 ロジック回路
8 ST−MOS回路
5a,7a,7b,8a,8b 横型nMOSFET
9 過熱検出回路
10 過電流検出回路
13,17a,17b,17c,17d,17e 抵抗
13a,14a,15a 接続点
14,15 分圧抵抗
18 ゲート配線
19 断線検出ライン
20 n型半導体基板
21,23,26,26a,26b,26c,26e pウェル領域
22,28,29a nソース領域
25 n+領域
26d pコンタクト領域
27,29 nドレイン領域
38,38a 寄生トランジスタ
40 分圧ダイオード
40a カソード
40b アノード
41 拡散接合型ダイオード
24,41a,42a nカソード領域
41b,42b pアノード領域
42 ポリシリコンダイオード
61 酸化膜
90,91,93 コイル
97 ロータ
100,100a,100b,100c,100d,200 半導体装置
101,101a,101b,101c,101d 制御回路
IN IN端子
ST ST端子
OUT OUT端子
GND GND端子
1, 1a, 1c Output stage nMOSFET
2 nMOSFET portion 2a gate 2b drain 2c source 3 parasitic diode portion 4 dynamic clamp Zener diode 4a, 4b, 16b, 16c, 31, 32 Zener diode 5 gate charge extraction circuit 6 during protection operation 6 gate charge extraction circuit 6a constant current Source 6b Depletion MOSFET
7 logic circuit 8 ST-MOS circuit 5a, 7a, 7b, 8a, 8b lateral nMOSFET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Overheat detection circuit 10 Overcurrent detection circuit 13,17a, 17b, 17c, 17d, 17e Resistance 13a, 14a, 15a Connection point 14,15 Voltage dividing resistor 18 Gate wiring 19 Disconnection detection line 20 N-type semiconductor substrate 21,23 26, 26a, 26b, 26c, 26e p well region 22, 28, 29a n source region 25 n + region 26d p contact region 27, 29 n drain region 38, 38a parasitic transistor 40 voltage dividing diode 40a cathode 40b anode 41 diffusion junction Type diode 24, 41a, 42a n cathode region 41b, 42b p anode region 42 polysilicon diode 61 oxide film 90, 91, 93 coil 97 rotor 100, 100a, 100b, 100c, 100d, 200 semiconductor device 101, 101a, 101b, 101c, 101d Control circuit IN IN terminal ST ST terminal OUT OUT terminal GND GND terminal

Claims (15)

相互インダクタンスを有する負荷に流れる電流を制御する出力段スイッチング素子と、
該出力段スイッチング素子の異常を検出する検出回路と、
前記検出回路の出力により前記出力段スイッチング素子の状態を判断するロジック回路と、
前記負荷と前記出力段スイッチング素子の接続状態および前記ロジック回路の判断結果を状態出力端子に出力する状態検知回路と、
前記状態検知回路にカソードを接続し、グランドにアノードを接続して該状態検知回路に直列接続される分圧ダイオードと、
を有する制御回路を備え、
前記出力段スイッチング素子は、第2導電型の半導体層の表面層に該半導体層を該出力段スイッチング素子の高電位側として形成され、前記半導体層は前記制御回路の出力端子に接続され、
前記検出回路と前記ロジック回路は、前記第2導電型の半導体層の表面層に形成された第1導電型の第1ウェル領域に形成され、
前記状態検知回路は、前記第2導電型の半導体層の表面層に、前記第1導電型の第1ウェル領域と離間して形成された第1導電型の第2ウェル領域表面に形成された第2導電型の横型MOSFETで構成され、
前記第1導電型の第1ウェル領域および前記出力段スイッチング素子の低電位側は前記制御回路のグランド端子に接続され、
前記第1導電型の第2ウェル領域は前記第2導電型の横型MOSFETのバックゲートを構成し、該バックゲートには前記分圧ダイオードのカソードが接続されて、前記第1導電型の第2ウェル領域を前記分圧ダイオードのアノードを介して前記グランド端子に接続されたことを特徴とする半導体装置。
An output stage switching element for controlling a current flowing in a load having a mutual inductance;
A detection circuit for detecting an abnormality of the output stage switching element;
A logic circuit that determines the state of the output stage switching element based on the output of the detection circuit;
A state detection circuit that outputs a connection state of the load and the output stage switching element and a determination result of the logic circuit to a state output terminal;
A voltage dividing diode connected in series to the state detection circuit by connecting a cathode to the state detection circuit, connecting an anode to the ground, and
A control circuit having
The output stage switching element is formed on a surface layer of a semiconductor layer of a second conductivity type with the semiconductor layer as a high potential side of the output stage switching element, and the semiconductor layer is connected to an output terminal of the control circuit,
The detection circuit and the logic circuit are formed in a first conductivity type first well region formed in a surface layer of the second conductivity type semiconductor layer,
The state detection circuit is formed on the surface layer of the second conductivity type semiconductor layer and on the surface of the first conductivity type second well region formed on the surface layer of the second conductivity type semiconductor layer and spaced apart from the first conductivity type first well region. It is composed of a lateral MOSFET of the second conductivity type,
The first well region of the first conductivity type and the low potential side of the output stage switching element are connected to the ground terminal of the control circuit,
The second well region of the first conductivity type constitutes a back gate of the lateral MOSFET of the second conductivity type, and a cathode of the voltage dividing diode is connected to the back gate, and the second conductivity type of the second well region. A semiconductor device , wherein a well region is connected to the ground terminal via an anode of the voltage dividing diode .
前記出力端子が前記負荷を介して電源の高電位側に接続され、
前記グランド端子が前記電源の低電位側に接続されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The output terminal is connected to the high potential side of the power supply via the load;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the ground terminal is connected to a low potential side of the power source .
前記第1ウェル領域と前記半導体層との第1pn接合に印加された順バイアス電圧が、前記分圧ダイオードの第2pn接合に印加された電圧と、前記第2ウェル領域と前記半導体層との第3pn接合に印加された電圧との和に等しいことを特徴とする請求項に記載
の半導体装置。
The forward bias voltage applied to the first pn junction between the first well region and the semiconductor layer is equal to the voltage applied to the second pn junction of the voltage dividing diode, and the first bias voltage between the second well region and the semiconductor layer. The semiconductor device according to claim 1 , wherein the semiconductor device is equal to a sum of a voltage applied to a 3 pn junction.
前記第2pn接合に印加された電圧は、該第2pn接合のビルトイン電圧より小さいことを特徴とする請求項に記載の半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 3 , wherein a voltage applied to the second pn junction is smaller than a built-in voltage of the second pn junction. 前記第3pn接合に印加された電圧は、該第3pn接合のビルトイン電圧より小さいことを特徴とする請求項に記載の半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 3 , wherein a voltage applied to the third pn junction is smaller than a built-in voltage of the third pn junction. 前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域との離間距離が、10μm以上500μm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。 Distance between the first well region and the second well region, the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the at 10μm or 500μm or less. 前記分圧ダイオードが、前記半導体層の表面側に形成された酸化膜上に形成されてなることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。 The content pressure diode semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that formed on the semiconductor layer oxide film formed on the surface side of the. 前記酸化膜は、前記第1ウェル領域および第2ウェル領域の両方と離間するように前記半導体層表面に形成された第1導電型の第3ウェル領域上に形成されていることを特徴とする請求項に記載の半導体装置。 The oxide film is formed on a third well region of the first conductivity type formed on the surface of the semiconductor layer so as to be separated from both the first well region and the second well region. The semiconductor device according to claim 7 . 前記第1ウェル領域と第3ウェル領域との離間距離、および第2ウェル領域と第3ウェル領域との離間距離が、それぞれ10μm以上500μm以下であることを特徴とする請求項に記載の半導体装置。 9. The semiconductor according to claim 8 , wherein a separation distance between the first well region and the third well region and a separation distance between the second well region and the third well region are 10 μm or more and 500 μm or less, respectively. apparatus. 前記出力段スイッチング素子が、第2導電型の縦型のMOSFETであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 , wherein the output stage switching element is a second conductivity type vertical MOSFET. 前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域との離間距離が、前記第1ウェル領域から前記半導体層に注入される少数キャリアの拡散長より長いことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置。 Distance between the first well region and the second well region, any of the first well region of claim 1, wherein the longer than the diffusion length of the minority carriers injected into the semiconductor layer The semiconductor device according to one item. 前記第2ウェル領域と前記第3ウェル領域との離間距離が、前記第1ウェル領域から前記半導体層に注入される少数キャリアの拡散長より長いことを特徴とする請求項またはに記載の半導体装置。 Distance between the second well region and the third well region, according to claim 8 or 9, characterized in that longer than the diffusion length of the minority carriers injected into the semiconductor layer from the first well region Semiconductor device. 前記分圧ダイオードが、ポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項7〜9のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7 , wherein the voltage dividing diode is made of polysilicon. 前記分圧ダイオードが横型の拡散接合型ダイオードであり、
該横型の拡散接合型ダイオードが、前記第1ウェル領域の拡散深さより深く、前記第1ウェル領域の不純物濃度より高く、かつ前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域から離して形成される第1導電型の第3ウェル領域の表面層に形成されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。
The voltage dividing diode is a lateral diffusion junction type diode;
The lateral diffusion junction type diode is formed deeper than the diffusion depth of the first well region, higher than the impurity concentration of the first well region, and separated from the first well region and the second well region. the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that formed on the surface layer of the third well region of the first conductivity type.
第1導電型の第4ウェル領域が、前記第1導電型の第2ウェル領域表面に形成された前記状態検知回路を構成する前記第2導電型の横型MOSFETを形成する領域の内の少なくともソース領域に重なるように前記第1導電型の第2ウェル領域に形成され、
前記第4ウェル領域は、前記第2ウェル領域の拡散深さより深い拡散深さと、前記第2ウェル領域の不純物濃度より高い不純物濃度とを有し、かつ、前記分圧ダイオードのカソードに接続されることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の半導体装置。
A fourth well region of the first conductivity type is formed on the surface of the second well region of the first conductivity type. At least a source in a region forming the lateral MOSFET of the second conductivity type constituting the state detection circuit. Formed in the second well region of the first conductivity type so as to overlap the region,
The fourth well region has a diffusion depth deeper than the diffusion depth of the second well region and an impurity concentration higher than the impurity concentration of the second well region, and is connected to the cathode of the voltage dividing diode. the semiconductor device according to any one of claims 1 to 14, characterized in that.
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