JP6722101B2 - 半導体装置および過電流保護装置 - Google Patents
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Description
[過電流保護装置および半導体装置の概略構成]
図1は、第1の実施形態の半導体装置を備えた過電流保護装置の構成を示す回路図である。図1では、過電流保護装置111を充電池パック1に適用した例について示している。
以下、過電流保護装置111の動作について説明する。以下の説明において、抵抗素子17に生じる電圧が閾値を超えていない場合を通常状態と称し、抵抗素子17に生じる電圧が閾値を超えている場合を過電流状態と称する。
通常状態の場合には、制御IC11からゲート端子GT1,GT2にそれぞれ出力された制御信号に従って、メインMOSトランジスタMQ1およびメインMOSトランジスタMQ2は両方ともオン状態であり、センスMOSトランジスタSQ1およびセンスMOSトランジスタSQ2は両方ともオン状態である。
通常状態の場合には、制御IC11からゲート端子GT1,GT2にそれぞれ出力された制御信号に従って、メインMOSトランジスタMQ1およびメインMOSトランジスタMQ2は両方ともオン状態であり、センスMOSトランジスタSQ1およびセンスMOSトランジスタSQ2は両方ともオン状態である。
以下、半導体装置100の具体的構造の一例について説明する。以下の例では、ゲート電極としてトレンチゲート構造を採用した例について説明するが、それ以外のゲート電極構造を採用しても構わない。たとえば、ゲート電極は基板面に沿った板状の形状であってもよい。また、以下の説明では半導体基板に平行な方向をX方向およびY方向とし、半導体基板に垂直な方向をZ方向とする。
図4および図5に示す半導体装置100の構造において、メインMOSトランジスタMQ1を流れる主電流は、ソース用パッド21が高電位側の場合には、ソース用パッド21から、コンタクト45、P−型ベース拡散層36、N−型ドリフト層33、N+型ドレイン層34を順に介して金属ドレイン電極35に到達する。ソース用パッド21が低電位側の場合には、主電流は、金属ドレイン電極35から、N+型ドレイン層34、N−型ドリフト層33、P−型ベース拡散層36に形成されたチャネル領域、N+型ソース拡散層25、コンタクト45を順に介してソース用パッド21に到達する。メインMOSトランジスタMQ2についても同様である。一方、メインMOSトランジスタMQ1とメインMOSトランジスタMQ2との間を流れる主電流のほとんどは、低抵抗である金属ドレイン電極35を介して流れる。十分な電流を流すために金属ドレイン電極35は、たとえば、3μm以上の厚みに形成される。
以下、本実施形態の半導体装置100の製造方法の一例について簡単に説明する。
上記のとおり、第1の実施形態の半導体装置は、互いに逆直列に接続された縦型構造のメインMOSトランジスタMQ1,MQ2と互いに逆直列に接続された縦型構造のセンスMOSトランジスタSQ1,SQ2とが同一基板に形成された構造を有する。センスMOSトランジスタSQ1,SQ2を設けることによって、電流検出のためのシャント抵抗をメインMOSトランジスタMQ1,MQ2と直列に接続する必要がない。したがって、オン状態のときの主電流の経路での抵抗の増大を抑制することができる。
第2の実施形態の半導体装置は、ソース用パッド21,121、センス用パッド22,122、およびゲート用パッド24,124の配置を、第1の実施形態の場合の配置から変更したものである。以下、図面を参照して具体的に説明する。
第3の実施形態の半導体装置102は、互いに逆直列に接続されたセンスMOSトランジスタSQB1,SQB2をさらに含む点で、第1の実施形態の半導体装置100と異なる。以下、図面を参照して具体的に説明する。
図11は、第3の実施形態の半導体装置を備えた過電流保護装置の構成を示す図である。図11を参照して、充電池パック2は、電源ノード15,16と、電源ノード15,16間に接続された充電池12と、過電流保護装置112とを備える。過電流保護装置112は、外部接続端子であるノードND1,ND2と、ノードND1,ND2間に接続された半導体装置102と、抵抗素子17,18,19と、制御IC(Integrated Circuit)11Bとを備える。
以下、過電流保護装置112の動作について説明する。以下の説明において、抵抗素子17に生じる電圧と抵抗素子19に生じる電圧のいずれも閾値を超えていない場合を通常状態と称し、抵抗素子17に生じる電圧および抵抗素子19のいずれかに生じる電圧が閾値を超えている場合を過電流状態と称する。
通常状態の場合には、制御IC11からゲート端子GT1,GT2にそれぞれ出力された制御信号に従って、メインMOSトランジスタMQ1,MQ2は両方ともオン状態であり、センスMOSトランジスタSQA1,SQA2,SQB1,SQB2はいずれもオン状態である。
通常状態の場合には、制御IC11からゲート端子GT1,GT2にそれぞれ出力された制御信号に従って、メインMOSトランジスタMQ1,MQ2は両方ともオン状態であり、センスMOSトランジスタSQA1,SQA2,SQB1,SQB2はいずれもオン状態である。
図13は、図11の等価回路に対応する半導体装置の平面図である。図14は、図13のXIV−XIV線に沿った断面構造を模式的に示した図である。図13および図14のセンスMOSトランジスタSQA1,SQA2は、図9および図10のセンスMOSトランジスタSQ1,SQ2に対応する。図13および図14の場合には、さらに、センスMOSトランジスタSQB1,SQB2が設けられている。
第3の実施形態の半導体装置102では、図11および図12で説明したように、ノードND1とノードND2との間にメインMOSトランジスタMQ1,MQ2が逆直列に接続されるとともに、センスMOSトランジスタSQA1,SQA2が逆直列に接続され、さらに、センスMOSトランジスタSQB1,SQB2が逆直列に接続される。これらのメインMOSトランジスタMQ1,MQ2およびセンスMOSトランジスタSQA1,SQA2,SQB1,SQB2は、基板の裏面に共通のドレイン電極を有する。
第4の実施形態の半導体装置103は第1の実施形態の半導体装置100を変形したものである。具体的に、半導体装置103では、メインMOSトランジスタMQ1,MQ2側とセンスMOSトランジスタSQ1,SQ2側とで、金属ドレイン電極35が分離されるとともに、N+型ドレイン層34が分離されている。以下、図面を参照して具体的に説明する。
Claims (12)
- 基板と、
前記基板の主面側に形成された第1のソース電極および前記基板の裏面側に形成された第1のドレイン電極を含む第1のメインMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)と、
前記基板の前記主面側に形成された第2のソース電極を有し、前記第1のドレイン電極を前記第1のメインMOSFETと共有する第2のメインMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第1のセンス電極および前記基板の裏面側に形成された第2のドレイン電極を含み、前記第1のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第1のセンスMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第2のセンス電極を有し、前記第2のドレイン電極を前記第1のセンスMOSFETと共有し、前記第2のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第2のセンスMOSFETと、
前記第1のメインMOSFETのゲート電極および前記第1のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、前記基板の前記主面側に形成された第1のゲートパッドと、
前記第2のメインMOSFETのゲート電極および前記第2のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、前記基板の前記主面側に形成された第2のゲートパッドとを備え、
前記第1のドレイン電極と前記第2のドレイン電極とは共通の金属層によって構成され、
前記第1のセンスMOSFETのソース拡散層と前記第2のメインMOSFETのソース拡散層との間の最短距離および前記第2のセンスMOSFETのソース拡散層と前記第1のメインMOSFETのソース拡散層との間の最短距離の各々は、前記第1のセンスMOSFETのソース拡散層と前記第2のセンスMOSFETのソース拡散層との間の最短距離の3倍以上である、半導体装置。 - 基板と、
前記基板の主面側に形成された第1のソース電極および前記基板の裏面側に形成された第1のドレイン電極を含む第1のメインMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)と、
前記基板の前記主面側に形成された第2のソース電極を有し、前記第1のドレイン電極を前記第1のメインMOSFETと共有する第2のメインMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第1のセンス電極および前記基板の裏面側に形成された第2のドレイン電極を含み、前記第1のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第1のセンスMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第2のセンス電極を有し、前記第2のドレイン電極を前記第1のセンスMOSFETと共有し、前記第2のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第2のセンスMOSFETと、
前記第1のメインMOSFETのゲート電極および前記第1のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、前記基板の前記主面側に形成された第1のゲートパッドと、
前記第2のメインMOSFETのゲート電極および前記第2のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、前記基板の前記主面側に形成された第2のゲートパッドとを備え、
前記第1のドレイン電極と前記第2のドレイン電極とは互いに分離されている、半導体装置。 - 前記第1のメインMOSFETおよび前記第2のメインMOSFETは、前記第1のドレイン電極に隣接する不純物半導体層である第1のドレイン層を共有し、
前記第2のセンスMOSFETおよび前記第2のセンスMOSFETは、前記第2のドレイン電極に隣接して前記第1のドレイン層とは分離された不純物半導体層である第2のドレイン層を共有する、請求項2に記載の半導体装置。 - 基板と、
前記基板の主面側に形成された第1のソース電極および前記基板の裏面側に形成された第1のドレイン電極を含む第1のメインMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)と、
前記基板の前記主面側に形成された第2のソース電極を有し、前記第1のドレイン電極を前記第1のメインMOSFETと共有する第2のメインMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第1のセンス電極および前記基板の裏面側に形成された第2のドレイン電極を含み、前記第1のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第1のセンスMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第2のセンス電極を有し、前記第2のドレイン電極を前記第1のセンスMOSFETと共有し、前記第2のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第2のセンスMOSFETと、
前記第1のメインMOSFETのゲート電極および前記第1のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、前記基板の前記主面側に形成された第1のゲートパッドと、
前記第2のメインMOSFETのゲート電極および前記第2のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、前記基板の前記主面側に形成された第2のゲートパッドとを備え、
前記第1のソース電極および前記第2のソース電極は、前記基板を平面視して第1の方向に沿って並んで配置され、
前記第1のゲートパッド、前記第1のセンス電極、前記第2のセンス電極、前記第2のゲートパッドは、前記基板を平面視して前記第1の方向に沿ってこの順に並んで配置される、半導体装置。 - 基板と、
前記基板の主面側に形成された第1のソース電極および前記基板の裏面側に形成された第1のドレイン電極を含む第1のメインMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)と、
前記基板の前記主面側に形成された第2のソース電極を有し、前記第1のドレイン電極を前記第1のメインMOSFETと共有する第2のメインMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第1のセンス電極および前記基板の裏面側に形成された第2のドレイン電極を含み、前記第1のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第1のセンスMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第2のセンス電極を有し、前記第2のドレイン電極を前記第1のセンスMOSFETと共有し、前記第2のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第2のセンスMOSFETと、
前記第1のメインMOSFETのゲート電極および前記第1のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、前記基板の前記主面側に形成された第1のゲートパッドと、
前記第2のメインMOSFETのゲート電極および前記第2のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、前記基板の前記主面側に形成された第2のゲートパッドとを備え、
前記第1のソース電極および前記第2のソース電極は、前記基板を平面視して第1の方向に沿って並んで配置され、
前記第1のセンス電極および前記第2のセンス電極は、前記基板を平面視して前記第1の方向に沿って並んで配置され、
前記第1のゲートパッドは、前記基板を平面視して前記第1のソース電極と前記第1のセンス電極との間に配置され、
前記第2のゲートパッドは、前記基板を平面視して前記第2のソース電極と前記第2のセンス電極との間に配置される、半導体装置。 - 前記半導体装置は、
前記基板の前記主面側に形成された第3のセンス電極を有し、前記第1および第2のセンスMOSFETと前記第2のドレイン電極を共有し、前記第1のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第3のセンスMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第4のセンス電極を有し、前記第1および第2のセンスMOSFETと前記第2のドレイン電極を共有し、前記第2のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第4のセンスMOSFETとをさらに備え、
前記第1のゲートパッドは、さらに、前記第3のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、
前記第2のゲートパッドは、さらに、前記第4のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続される、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第3のセンスMOSFETのソース拡散層と前記第2のメインMOSFETのソース拡散層との間の最短距離および前記第4のセンスMOSFETのソース拡散層と前記第1のメインMOSFETのソース拡散層との間の最短距離の各々は、前記第3のセンスMOSFETのソース拡散層と前記第4のセンスMOSFETのソース拡散層との間の最短距離の3倍以上である、請求項6に記載の半導体装置。
- 前記第1のドレイン電極の厚みは3μm以上である、請求項1に記載の半導体装置。
- 過電流検出装置であって、
第1のノードと、
第2のノードと、
半導体装置とを備え、
前記半導体装置は、
基板と、
前記基板の主面側に形成された第1のソース電極および前記基板の裏面側に形成された第1のドレイン電極を含む第1のメインMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第2のソース電極を有し、前記第1のドレイン電極を前記第1のメインMOSFETと共有する第2のメインMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第1のセンス電極および前記基板の裏面側に形成された第2のドレイン電極を含み、前記第1のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第1のセンスMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第2のセンス電極を有し、前記第2のドレイン電極を前記第1のセンスMOSFETと共有し、前記第2のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第2のセンスMOSFETと、
前記第1のメインMOSFETのゲート電極および前記第1のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、前記基板の前記主面側に形成された第1のゲートパッドと、
前記第2のメインMOSFETのゲート電極および前記第2のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、前記基板の前記主面側に形成された第2のゲートパッドとを含み、
前記第1のソース電極は、前記第1のノードに接続され、
前記第2のソース電極は、前記第2のノードに接続され、
前記第2のセンス電極は、前記第2のソース電極に接続され、
前記過電流検出装置は、さらに、
前記第1のソース電極と前記第1のセンス電極との間に接続された第1のシャント抵抗と、
前記第1のゲートパッドに第1の制御信号を出力し、前記第2のゲートパッドに第2の制御信号を出力する制御回路とを備える、過電流保護装置。 - 前記制御回路は、
前記第1のノードから前記第2のノードの方向に電流が流れている場合であり、かつ、前記第1のシャント抵抗に生じる電圧が閾値を超えた場合に、前記第2のメインMOSFETをオフするような前記第2の制御信号を出力し、
前記第2のノードから前記第1のノードの方向に電流が流れている場合であり、かつ、前記第1のシャント抵抗に生じる電圧が前記閾値を超えた場合に、前記第1のメインMOSFETをオフするような前記第1の制御信号を出力するように構成される、請求項9に記載の過電流保護装置。 - 前記半導体装置は、
前記基板の前記主面側に形成された第3のセンス電極を有し、前記第1および第2のセンスMOSFETと前記第2のドレイン電極を共有し、前記第1のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第3のセンスMOSFETと、
前記基板の前記主面側に形成された第4のセンス電極を有し、前記第1および第2のセンスMOSFETと前記第2のドレイン電極を共有し、前記第2のメインMOSFETに流れる主電流を検出するための第4のセンスMOSFETとをさらに含み、
前記第1のゲートパッドは、さらに、前記第3のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、
前記第2のゲートパッドは、さらに、前記第4のセンスMOSFETのゲート電極と電気的に接続され、
前記第3のセンス電極は、前記第1のソース電極に接続され、
前記過電流検出装置は、さらに、前記第2のソース電極と前記第4のセンス電極との間に接続された第2のシャント抵抗を備える、請求項9に記載の過電流保護装置。 - 前記制御回路は、
前記第1のシャント抵抗に生じる電圧が閾値を超えた場合に、前記第1のメインMOSFETをオフするような前記第1の制御信号を出力し、
前記第2のシャント抵抗に生じる電圧が閾値を超えた場合に、前記第2のメインMOSFETをオフするような前記第2の制御信号を出力するように構成される、請求項11に記載の過電流保護装置。
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