JPH01262667A - 保護機能を備えた半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、°、負荷に供給される電力を制御する能動
機能を有する半導体スイッチ手段を備えると共に、この
半導体スイッチ手段を自己発熱から保護する機能をも備
えた半導体装置に関する。

［従来の・技術］ 負荷を制御するスイッチング用の半導体素子を備えた半
導体装置にあっては、例えば負荷に短絡障害等が生じた
ときに、負荷制御用の半導体素子に大電流が流れて、こ
の半導体素子の接合温度が急上昇し、破壊に至ることが
ある。このような半導体素子の破壊を防止するために、
この半導体素子と同一基板内に、この基板の温度を検出
するサイリスタ等の感熱素子を形成し、この感熱素子が
半導体基板の異常温度上昇を検知したと寺に、上記半導
体素子も制御し、この半導体素子を破壊から保護するこ
とが考えられている。

第４図はこのような保護機能を有する半導体装置の回路
例を示しているもので、パワー領域Ｍに、能動素子とな
るＭＯＳトランジスタ１１が設定されるもので、このト
ランジスタ１１のドレインＤおよびソースＳに電源ＶＤ
および負荷ＲＬを接続して、このＭＯＳ）ランシスタ１
１により負荷ＲＬが制御されるようにする。このトラン
ジスタ１１のゲートＧには、抵抗１２ａを介して制御入
力端子１３からの制御電圧Ｖｌｎを供給し、この制御電
圧Ｖｌｎによって、トランジスタ１１がオン・オフ制御
される。

制御領域Ｃには、半導体基板の温度を検出するための、
例えば複数のダイオードを直列接続して構成した感熱素
子１４、および抵抗１２ｂが設定される。この感熱素子
１４の動作電圧は、制御入力端子１３からの制御電圧Ｖ
１ｎが抵抗１２ｃを介して供給されるツェナーダイオー
ド１５によって設定される。

そして、基板温度によって変化する感熱素子１４に直列
にした抵抗１２ｂの端子電圧によって、制御用ＭＯＳト
ランジスタ１ＢのゲートＧ１を制御し、基板温度が異常
に上昇したときに、ＭＯＳトランジスタ１１のゲートＧ
を接地電位とし、このトランジスタ１１を強制的にオフ
とするようにしている。

そのスイッチが電源の正側に接続されるようなハイサイ
ドスイッチでは、スイッチ素子としてＮチャンネルある
いはＰチャンネルのＭＯＳトランジスタが考えられる。

この両者を比較検討してみると、コスト／パフォーマン
スよりＮチャンネルＭＯ３）ランシスタが優位に立つこ
とは明らかである。しかし、ハイサイドスイッチとして
ＮチャンネルＭＯＳトランジスタを使用した場合、その
ゲートを制御するためには、昇圧回路によって制御電圧
Ｖｌｎを電源電圧ＶＤより１０Ｖ程度昇圧する必要があ
る。そして、同時にこの電圧Ｖｉｎが感熱素子１４部の
電源としても使用されている。

具体的には、この半導体装置が自動車用として使用され
、電源が自動車用バッテリである場合、ＶＤは１２Ｖで
あり、Ｖｌｎは２２Ｖとなる。ココで、ツェナーダイオ
ード１５で設定される電圧ｖｚを６Ｖ、抵抗１２ｃの抵
抗値は一定であるとし、さらに昇圧された電源の出力イ
ンピーダンスが充分に低いものと仮定すると、上記感熱
素子１４部を電源電圧ＶＤで駆動するようにした場合に
比較して、抵抗Ｌ２ｃで消費する電力は７倍程度となる
。このため、抵抗１２ｃ部で消費される電力が増大し、
この抵抗１２ｅ部の発熱が無視できないようになる。

このような問題点を考慮して、第５図で示すように抵抗
Ｌ２ｃを電源ＶＤの正側に接続し、感熱素子１４を駆動
する電源として、電源ＶＤを使用することが考えられる
。しかし、この回路では過熱保護回路は常時電源ＶＤに
接続されているようになり、負荷がオフ状態とされてい
るときも、電流がこの保護回路部に流れる。すなわち、
この電流は車両としての暗電流となり、車両用バッテリ
を無駄に消費して、バッテリ上がりの原因とされるよう
になる。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、負荷
短絡等の障害発生時に効果的にパワー素子・となる半導
体スイッチ素子を破壊から保護することができるように
なると共に、例えば自動車用等に使用した場合にバッテ
リ上がりとなるような暗電流が存在せず、信頼性を持っ
て効果的に使用できるようにする保護機能を備えた半導
体装置を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る保護機能を備えた半導体装置にあっでは
、第１の電極に電源の正側を接続し第２の電極に負荷を
接続した第１の半導体スイッチ手段、この第１の半導体
スイッチ手段と同一の半導体基板に形成された過熱保護
回路、および上記第１の半導体スイッチ手段と同時に制
御されるよう１：　ナル第２　（７）スイッチ手段を備
え、この第２のスイッチ手段を介して上記過熱保護回路
に電源が供給されるようにしている。

［作用］ 上記のような半導体装置にあっては、制御入力によって
負荷がオフされるように第１の半導体スイッチ手段がオ
フ制御される状態では、第２の半導体スイッチ手段にあ
ってもオフ制御され、したがって過熱保護回路部に電流
が流されることがない。このため、この半導体装置を例
えば自動車用として使用したような場合であっても、自
動車用エンジンスイッチがオフされる停車状態にあって
は、この半導体装置における保護機能部に暗電流が流れ
るようなことがなく、例えば自動車のバッテリ上がりが
なくなる。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図は等価的な回路構成を示したもので、半導体基板
のパワー領域Ｍには、パワーＭＯ８となるＭｏ８）ラン
シスタ１１が形成される。

尚、この図では１個のＭｏＳトランジスタを示している
が、実際の半導体装置にあっては、適宜複数のパワーＭ
ＯＳが設定されるようになる。そして、これら複数のパ
ワーＭＯ８はマルチソース構造をなし、この複数のパワ
ーＭ　ＯＳ　ニよっテパワー領域Ｍが形成される。

このＭｏ８）ランシスタ１１は、負荷制御用の第１の半
導体スイッチとされるもので、そのドレイン電極りは外
部電源ＶＤに接続され、ソース電極Ｓに負荷ＲＬが接続
されるようになる。また、ゲート電極Ｇには抵抗１２ａ
を介して制御入力端子１３からの制御電圧Ｖｌｎを供給
し、このＭｏ８）ランシスタ１１がハイサイドスイッチ
として使用されるようにする。ここで、この半導体装置
が自動車用に使用される場合は、上記電源ＶＤは自動車
に搭載されるバッテリで構成される。

制御領域Ｃに設定される過熱からの保護回路部は、複数
のダイオードを直列接続した感熱素子１４を備えるもの
で、この感熱素子１４は抵抗１２ｂと直列に接続し、こ
の感熱素子１４と抵抗１２ｂの直列回路には、ツェナー
ダイオード１５で設定される電圧が印加されるようにす
る。そして、感熱素子１４と抵抗１２ｂとの接続点の電
圧を、制御用のＭＯＳ）ランシスタｌＢのゲートＧｌに
供給する。このＭｏ８）ランシスタ１ＢのドレインＤ１
は、スイッチング用ＭＯ８）ランシスタ１１のゲート回
路に接続し、ソース電極Ｓ１は接地するもので、このＭ
ＯＳトランジスタ１６がオンされたときに、ＭＯＳトラ
ンジスタ１１のゲートＧの電位は接地電位とされ、この
ＭＯＳトランジスタ１１が強制的にオフされるようにす
る。

そして、上記ツェナーダイオード１５には、第２の半導
体スイッチとされる保護回路の電源制御用のＭｏ８）ラ
ンシスタ２０、および抵抗１２ｃを介して電源が供給さ
れるもので、このＭＯＳトランジスタ２０のドレイン電
極Ｄ２は電源ＶＤに接続すると共に、ソース電極Ｓ２は
抵抗１２ｃに接続するもので、ゲート電極Ｇは制御入力
端子１３に接続する。

すなわち、保護回路部の感熱素子１４部には、ＭＯＳ）
ランシスタ２０を介して電源ＶＤから供給されるように
なるものであり、このＭｏ３）ランシスタ２０は負荷制
御用のＭＯＳ）ランシスタ１１と共に、制御入力端子１
３からの制御電圧Ｖ１ｎによってオン−オフ制御される
。したがって、ＭＯＳトランジスタ１１がオフされて負
荷ＲＬに電力が供給されない状態では、ＭＯＳトランジ
スタ２０もオフされ、抵抗１２ｃを介して感熱素子１４
に電流が流されることがないようになっている。

第２図は上記のような半導体回路が形成される半導体装
置の平面構造を示しているもので、半導体基板２１の最
も放熱し難く温度が高くなり易い領域である、基板２１
のほぼ中央部分に位置して制御領域Ｃが設定される。そ
して、この制御領域Ｃを取り囲むようにしてパワー領域
Ｍが設定されるものであり、さらにこの半導体基板２１
のつの縁部に近接して、外部から制御用電源Ｖ１ｎを取
り込むボンディングバット部Ｂが形成されている。

そして上記制御領域Ｍには、感熱素子１４、ツェナーダ
イオード１５、さらにＭＯＳトランジスタ１６等の過熱
からの保護動作を実行制御する回路要素が形成される。

またパワー領域Ｍは、この半導体装置の大部分の領域を
占めるようになるもので、この領域Ｍには能動素子であ
る複数のパワーＭＯＳトランジスタ（第１図に代表的に
１つのＭＯＳ）ランシスタ１１が示されている）が形成
されるもので、この複数のパワーＭＯＳ）ランシスタは
例えば並列接続してマルチソース構造とされている。

第３図は上記制御領域Ｃを中心にした第２図の■−■線
に対応する部分の断面構造を示すもので、半導体基板２
１はＮ小型のシリコン基板によって構成される。この半
導体基板２１はパワー領域に形成される縦型ＭＯ８）ラ
ンシスタの共通ドレインＤとされるもので、その裏面部
にはドレイン電極２２が形成され、この電極２２からド
レイン端子２３が取り出されている。

半導体基板２１の上面側には、Ｎ−型のシリコンエピタ
キシャル層２４が形成される。このエピタキシャル層２
４の表面部には、深く拡散した複数のＰ型の拡散層２５
、同じく深く拡散したＰ型の拡散層２５１が形成される
もので、特に拡散層２５１は制御領域Ｃに対応して形成
される。上記Ｐ型拡散層２５それぞれに対応しては、浅
く拡散したＰ型の拡散層２Ｂが形成されるもので、上記
拡散層２Ｂそれぞれに対応してそれぞれ１対のＮ小型の
拡散層２７が形成され、またＰ型拡散層２５１の領域内
には同じＮ＋型の拡散層２７１〜２７３が形成される。

上記Ｐ型拡散層２５および２５１　、２Ｂ、Ｎ十型拡散
層２７および２７１〜２７３は、この半導体装置の製造
工程において、それぞれ同時に拡散形成される。そして
、上記Ｎ十型拡散層２７１に隣接するようにして、さら
にＰ＋型の拡散層２８が形成される。

半導体基板２１のパワー領域Ｍには、負荷ＲＬの制御用
のＭＯＳ）ランシスタ１１が形成されるものであるが、
このトランジスタ１１はシリコンエピタキシャル層２４
と基板２１とドレイン電極２２からなるドレインＧを備
え、さらにエピタキシャル層２４の表面にゲート酸化膜
２９を介して形成した多結晶シリコン層３０により構成
されるゲートＧ、およびこのゲートＧの表面に層間絶縁
膜３１を介して、この領域を覆うように形成されたアル
ミニウム電極３２からなるソースＳによって構成される
。上記ゲートＧおよびソースＳからはそれぞれ端子３３
および３４が導出される。すなわち、このＭＯＳ）ラン
シスタ１１は縦型パワーＭＯＳを構成している。

制御領域Ｃにおいては、保護回路の電源制御用のＭＯＳ
）ランシスタ２０が形成されるもので、このＭｏＳトラ
ンジスタ２０は上記ＭＯＳ）ランシスタ１１と同様に縦
型に構成される。すなわち、シリコンエピタキシャル層
２４の表面にゲート酸化膜を介して多結晶シリコン層に
よってゲートＧ２を形成し、アルミニウム電極によって
ソースＳ２が形成されるものであり、ドレインＤ２はパ
ワー領域ＭのＭＯＳ）ランシスタ１１と共通に形成され
るようになる。そして、ゲートＧ２およびソースＳ２そ
れぞれから、端子３５および３６が導出されるようにな
る。

上記ＭＯＳ）ランシスタ１１および２０においては、そ
れぞれゲートＧおよびＧ２の制御電圧が印加されると、
図のｃｈおよびｃｈ２の部分にＮ型チャンネルが形成さ
れ、それぞれソースＳおよびＧ２とドレインＤ　（Ｄ２
　）との間に電流が流れるようになる。

尚、上記ＭＯＳ）ランシスタ１１および２０において、
Ｐ型拡散層２５および２Ｂが一部重なるようになり、し
かも拡散層２５が深く拡散されるようにしているのは、
過電圧保護のためであり、ブレークダウン電圧を所定値
に設定するためである。

制御領域の上記Ｐ型拡散層２５１が形成される領域には
、横型パワーＭＯ３構造の制御用ＭＯＳトランジスタ１
Ｂが形成される。このＭＯＳトランジスタ１Ｂは、Ｎ十
型拡散層２７１および２７２にそれぞれに対応したアル
ミニウム電極よりなるソースＳｌおよびドレインＤ１備
え、さらにその相互間にゲート絶縁膜を介して多結晶シ
リコン膜によるゲートＧｌが形成されるようにして構成
される。

そして、上記ソースＳ１、ドレインＤＩ、およびゲート
Ｇｌからそれぞれ端子３７〜３９が導出されているもの
で、ゲートＧ１に制御電圧が印加されるとＮ型のチャン
ネルＣＨＩが形成されて、ソースＳ１とドレインＤｉと
の間に電流が流れるようになる。

ツェナーダイオード１５は、同じく上記Ｐ型拡散ＪＷ２
５１の領域内に形成されるもので、拡散層２７３と２８
によって形成される。そして、これら拡散層２７３およ
び２８それぞれに対応してアルミニウム電極を形成し、
これら電極それぞれから導出端子４０および４１が取り
出されるものである。

Ｐ型拡散層２５１の上記ＭＯＳトランジスタ１６および
ツェナーダイオード１Ｂが形成された領域を除く領域に
は、エピタキシャル層２４の表面を熱酸化することによ
り得られた５ｉｏ２による酸化膜４２が形成される。こ
の酸化膜４２の表面には、多結晶シリコン抵抗１２およ
び多結晶シリコンダイオードによる感熱素子１４を形成
するもので、感熱素子１４は多結晶シリコン層を選択的
に拡散してＰＮ接合を構成させることにより形成される
。

そして、このＰＮ接合を形成したＰおよびＮ領域それぞ
れにアルミニウム電極を形成し、感熱素子１４の端子４
２および４３を導出するものであり、さらに抵抗１２部
から端子４４および４５が導出されるようにしている。

このように構成される半導体装置にあっては、シリコン
エピタキシャル層２４の表面に形成されるゲート酸化膜
、多結晶シリコン層、アルミニウム電極等は、それぞれ
同一の工程で形成されるものであり、この半導体装置は
簡易な工程で製造される。

第１図で示した回路図にしたがって、この半導体装置の
動作を説明すると、半導体基板２１の温度が正常な状態
にあるときは、制御入力端子１３から入力される制御電
圧Ｖｉｎにより、ＭＯＳトランジスタ１１はオン状態に
制御される。ここで、制御電圧Ｖ１ｎは通常に知られて
いる昇圧回路によって、電源電圧ＶＤより１０ｖ程度高
い電位に設定される。

このような状態で、例えば負荷ＲＬが短絡障害等を起こ
し、ＭＯＳトランジスタ１．１に大電流が流れてその接
合温度が異常に上昇するようになると、半導体基板２１
の温度も急上昇され、その温度が異常に高い状態となる
。このように基板２１の温度が異常に高い温度状態とな
ると、感熱素子１４を構成する複数のダイオードの順方
向電圧は、これらダイオードが負の温度計数を有するも
のであるため低下する。したがって、抵抗１２ｂの両端
間の電位差は上昇し、制御用ＭＯＳトランジスタ１６の
ゲー）ＧｌとソースＳ１との間の電位差が上昇する。

そして、この電位差がＭＯＳ）ランシスタｌＢの閾値電
圧を越えると、このトランジスタ１６のソースＳｌとド
レインＤｌとの間が導通するオン状態となる。

ここで抵抗１２ａの抵抗値をＭＯＳ）ランシスタＩＢの
オン時の抵抗値より充分に大きな値となるように設定し
ておく。ここで、負荷制御用ＭＯＳトランジスタ１１の
接合温度により、半導体基板２１の温度が異常温度と判
定する所定の温度設定値を越えたときに、制御用ＭＯ３
）ランシスタ１Ｂがオンとされるように、感熱素子１４
を構成するダイオードの数、抵抗！２ｂの値、トランジ
スタ１６の閾値電圧等が予め設定されている。このため
、感熱素子■４で半導体基板２１の温度が異常温度状態
まで上昇したことを検知したときには、制御用ＭＯＳト
ランジスタ１ＢのソースＳ１　・ドレインＤ１間の電圧
は、急峻にほぼＯｖまで低下し、負荷制御用Ｍ、ＯＳト
ランジスタｌｌは強制的にオフ状態とされ。

このトランジスタ１１がオフされれば、負荷ＲＬに供給
される電流はほぼ０となり、このＭＯＳトランジスタ１
１の接合温度は低下し、このトランジスタ１１の破壊を
回避するようになる。

このような過熱からの保護動作を行なう保護回路を備え
た半導体装置にあっては、第４図および第５図で示した
ように、この保護回路に外部から電源を供給する必要が
ある。これに対して第４図で示した従来例にあっては、
前述したように消費電力が増大するものであり、第５図
の例では暗電流が流れて、例えば自動車用として使用さ
れる場合には、バッテリ上がりの問題があった。

これに対して、上記実施例に示した半導体装置にあって
は、負荷制御用のＭＯＳ）ランシスタｔｉと同一の工程
で製造した縦型ＭＯＳトランジスタ２０を設け、このト
ランジスタ２０が電源ＶＤと保護回路との間に挿入され
るようにしている。すなわち、このＭＯＳ）ランシスタ
２０のドレインＤ２をＭＯＳ）ランシスタ１１のドレイ
ンＤと共通にして電源ＶＤの正側に接続し、ゲー）Ｇ２
を制御入力端子１３に接続して、制御電圧Ｖｌｎが供給
されるようにしている。

したがって、このＭＯＳ）ランシスタ２０は負荷制御用
のＭＯＳトランジスタ１１とほぼ同じ制御電圧で、しか
も同じタイミングでスイッチング動作されるようになり
、負荷ＲＬに電力を供給するＭＯＳ）ランシスタ１１が
オン状態のときのみに、過熱保護機能が設定されるよう
になる。そして、制御電圧ＶｌｎがほぼＯｖの状態のと
きは、このＭＯＳトランジスタ２０はオフ状態とされる
が、この時ＭＯＳ）ランシスタ１１もオフであり、保護
動作が要求されない状態である。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る半導体装置にあっては、負
荷制御用のスイッチ素子となるＭＯＳトランジスタがハ
イサイドスイッチとして作動されるようにした場合、そ
の過熱保護回路部の動作が確実に実行されるものであり
、特に負荷がオフ状態とされるようなときにおいて、保
護動作のために暗電流が流れるようなことが、確実に阻
止される。したがって、無用な電源の消費がないもので
あり、例えば自動車用等に用いられる過熱保護機能を備
えた負荷制御用半導体装置として、画期的な効果が発揮
されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る半導体装置の等価的
な回路を示す図、第２図は上記半導体装置の平面的な構
成図、第３図は第２図の■−■線に対応する部分の断面
構成図、第４図および第５図はそれぞれ従来のこの種半
導体装置の回路の例を示す図である。 １１・・・ＭＯＳ）ランシスタ（負荷制御用）、１２．
１２ａ〜１２ｃ・・・抵抗、１４・・・感熱素子、１５
・・・ツェナーダイオード、１Ｂ・・・ＭＯＳトランジ
スタ（制御用）、Ｍ・・・パワー領域、Ｃ・・・制御領
域。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の電極に電源の正側を接続すると共に第２の
   電極に負荷を接続し、上記電源より与えられる電圧より
   高い制御電圧を制御電極に与えることによって、上記第
   １および第２の電極間がオン制御されるようにした、半
   導体基板上に形成される負荷制御用の第１の半導体スイ
   ッチ手段と、この第１の半導体スイッチ手段とは絶縁分
   離した状態で同一半導体基板上に形成された上記半導体
   基板の温度を検出する感熱素子、およびこの感熱素子で
   上記基板の温度上昇が検知された状態で上記制御電圧を
   低下させ、上記第１の半導体スイッチ手段をオフ制御す
   る制御素子を含み構成される過熱保護回路と、 この過熱保護回路の少なくとも上記感熱素子部と上記電
   源との間に接続設定され、上記感熱素子に動作電源を供
   給する第２の半導体スイッチ手段とを具備し、 この第２の半導体スイッチ素子は、上記第１の半導体ス
   イッチ素子と共に上記制御電圧によってオン・オフ制御
   されるようにしたことを特徴とする保護機能を備えた半
   導体装置。
2. （２）上記第１の半導体スイッチ手段、および第２の半
   導体スイッチ手段は、同一の半導体基板に同一の拡散工
   程によって形成される半導体素子によって構成されるよ
   うにした特許請求の範囲第１項記載の保護機能を備えた
   半導体装置。