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JP2001274402A - パワー半導体装置 - Google Patents

パワー半導体装置

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Publication number
JP2001274402A
JP2001274402A JP2000085422A JP2000085422A JP2001274402A JP 2001274402 A JP2001274402 A JP 2001274402A JP 2000085422 A JP2000085422 A JP 2000085422A JP 2000085422 A JP2000085422 A JP 2000085422A JP 2001274402 A JP2001274402 A JP 2001274402A
Authority
JP
Japan
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gate
source
power
resistor
semiconductor device
Prior art date
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Pending
Application number
JP2000085422A
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English (en)
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JP2001274402A5 (ja
Inventor
Tatsuo Yoneda
辰雄 米田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Priority to TW090105993A priority patent/TW478027B/zh
Priority to KR1020010013614A priority patent/KR100362218B1/ko
Priority to US09/811,452 priority patent/US6507088B2/en
Priority to CNB011118717A priority patent/CN1162910C/zh
Priority to DE60133851T priority patent/DE60133851D1/de
Priority to EP01106461A priority patent/EP1137068B1/en
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    • H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
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    • H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/64—Double-diffused metal-oxide semiconductor [DMOS] FETs
    • H10D30/66—Vertical DMOS [VDMOS] FETs
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    • H10D84/811—Combinations of field-effect devices and one or more diodes, capacitors or resistors
    • H—ELECTRICITY
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    • H10D89/601—Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD] for devices having insulated gate electrodes, e.g. for IGFETs or IGBTs

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】パワーＭＯＳＦＥＴのゲート電位が固定されな
い状態になった場合に、パワーＭＯＳＦＥＴが熱破壊さ
れるのを防止できるパワー半導体装置を提供する。 【解決手段】パワーＭＯＳＦＥＴ１１と、パワーＭＯＳ
ＦＥＴ１１のドレインとソースとの間に、直列接続され
た抵抗Ｒ１及びツェナーダイオード１４と、パワーＭＯ
ＳＦＥＴ１１のゲートとソースとの間に接続された抵抗
Ｒ２と、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のゲートとソースとの
間に、直列接続された抵抗Ｒ３及びＭＯＳトランジスタ
１５とを有し、抵抗Ｒ１とツェナーダイオード１４との
接続点がＭＯＳトランジスタ１５のゲートに接続されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、パワー半導体装
置に関し、特に電力用に使用される電圧駆動型のパワー
ＭＯＳＦＥＴに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】前記電圧駆動型のパワーＭＯＳＦＥＴ
（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）は、モータ駆動用の
スイッチとして一般的に使用されている。例えば、車載
用のＡＢＳポンプモータ駆動用のスイッチなどはその代
表的な用途である。
【０００３】前記ポンプモータ駆動用のスイッチでは、
一般的に、複数のＭＯＳＦＥＴのゲートに、ゲート電位
をコントロールするコントロール用ＩＣが取り付けられ
る。そして、このスイッチを備えたポンプモータ駆動回
路が構成される。なお、コントロール用ＩＣを内蔵した
ＩＰＤ（Intelligent Power Device）、ＩＰＭ（Intell
igent Power Module）も存在する。
【０００４】従来、このような回路構成では、コントロ
ール用ＩＣが何らかの理由で破壊されたり、もしくは不
具合が発生すると、ＭＯＳＦＥＴのゲート電位が固定さ
れない状態（フローティング状態）になり、不完全なオ
ン状態を招いてしまう。不完全なオン状態とは、複数の
ＭＯＳＦＥＴのうち、オンする素子とオンしない素子と
ができることをいう。
【０００５】このように、オンする素子とオンしない素
子とが発生すると、オン状態になった素子に集中的に電
流が流れ、その素子を熱破壊に至らせる不良が発生す
る。素子が熱破壊され、ショート状態になると、ポンプ
モータにフルパワーが掛かることになり、モータをも破
壊してしまう危険性を持つ。
【０００６】また、この素子破壊は常温では起こりにく
く、破壊されるまでは不安定な状態を続けるのが常であ
る。よって、車載用などの高温下での信頼性が要求され
る用途においては、この問題の解決が必須である。
【０００７】解決策としては、簡単な回路を内蔵した、
ＩＰＤ、ＩＰＭなどの採用が考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｉ
ＰＤ、ＩＰＭなどを採用した場合、コストパフォーマン
スが悪くなってしまう。
【０００９】そこでこの発明は、前記課題に鑑みてなさ
れたものであり、部品点数を増やすことなく、またコス
トアップを招くＩＰＤ、ＩＰＭなどを採用することな
く、パワーＭＯＳＦＥＴを有する半導体装置に簡単な回
路を内蔵することにより、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート
電位が固定されない状態になった場合に、パワーＭＯＳ
ＦＥＴが熱破壊されるのを防止できるパワーＭＯＳＦＥ
Ｔを有する半導体装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明に係るパワー半導体装置は、半導体基板上
に形成され、ゲート、ソース、及びドレインを有する電
圧駆動型のパワーＭＯＳＦＥＴと、前記半導体基板上に
形成され、前記パワーＭＯＳＦＥＴの前記ドレインと前
記ソースとの間の電圧がその両端に供給される、直列接
続された第１の抵抗及びツェナーダイオードと、前記半
導体基板上に形成され、前記パワーＭＯＳＦＥＴの前記
ゲートと前記ソースとの間の電圧がその両端に供給され
る第２の抵抗と、前記半導体基板上に形成され、前記パ
ワーＭＯＳＦＥＴの前記ゲートと前記ソースとの間の電
圧がその両端に供給される、直列接続された第３の抵抗
及びゲート、ソース、ドレインを有するＭＯＳトランジ
スタとを具備し、前記第１の抵抗とツェナーダイオード
との接続点が前記ＭＯＳトランジスタのゲートに接続さ
れていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
実施の形態について説明する。
【００１２】図１は、この発明の実施の形態のパワー半
導体装置の構成を示す回路図である。
【００１３】このパワー半導体装置は、ｎチャネルのパ
ワーＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）１
１、アクティブクランプダイオード１２、ゲート保護用
のダイオード１３、ツェナーダイオード１４、横型のｎ
チャネルＭＯＳトランジスタ１５、及び抵抗Ｒ１、Ｒ
２、Ｒ３から構成されている。
【００１４】前記ＭＯＳＦＥＴ１１のドレインにはドレ
イン端子ＤＴが接続され、ＭＯＳＦＥＴ１１のゲートに
はゲート端子ＧＴ、ＭＯＳＦＥＴ１１のソースにはソー
ス端子ＳＴがそれぞれ接続されている。
【００１５】前記ドレイン端子ＤＴとゲート端子ＧＴと
の間には、アクティブクランプダイオード１２が接続さ
れている。また、ドレイン端子ＤＴとソース端子ＳＴと
の間には、抵抗Ｒ１とツェナーダイオード１４が直列に
接続されている。
【００１６】また、ゲート端子ＧＴとソース端子ＳＴと
の間には、抵抗Ｒ２が接続されている。さらに、ゲート
端子ＧＴとソース端子ＳＴとの間には、抵抗Ｒ３とｎＭ
ＯＳトランジスタ１５が直列に接続され、さらにゲート
保護用のダイオード１３が接続されている。また、前記
抵抗Ｒ１とツェナーダイオード１４の接続点には、ｎＭ
ＯＳトランジスタ１５のゲートが接続されている。
【００１７】なお、前記ｎＭＯＳトランジスタ１５のし
きい値電圧は、７Ｖより低い。また、前記アクティブク
ランプダイオード１２のブレークダウン電圧はＶＺ＝３
３Ｖ〜４３Ｖである。
【００１８】このパワー半導体装置では、ＭＯＳＦＥＴ
１１のゲート電位をコントロールする外部にあるコント
ロール用ＩＣが破壊され、ＭＯＳＦＥＴのゲートがフロ
ーティング状態になった場合に、ＭＯＳＦＥＴが駆動し
なければ前述した問題、すなわちＭＯＳＦＥＴが破壊さ
れるという問題を解決できる。そこで、この実施の形態
では、ゲートに可変抵抗手段を接続している。
【００１９】以下に、車載用のＡＢＳポンプモータを駆
動するスイッチを例として回路動作について説明する。
【００２０】まず、ＭＯＳＦＥＴ１１のゲート電位をコ
ントロールするコントロール用ＩＣが破壊され、ＭＯＳ
ＦＥＴ１１のゲートがフローティング状態になった場合
を述べる。
【００２１】前記スイッチでは、ＭＯＳＦＥＴ１１のオ
ン時にドレインとソース間に１４Ｖのバッテリ電圧が印
加される。ＭＯＳＦＥＴ１１のオン時、すなわちゲート
電位がＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧以上のときに、ゲー
トがフローティング状態になった場合、以下のようにな
る。
【００２２】この場合、抵抗Ｒ１及びツェナーダイオー
ド１４には、７μＡの電流が流れる。なお、抵抗Ｒ１の
抵抗値は１ＭΩ程度である。ツェナーダイオード１４の
ブレークダウン電圧はＶＺ＝７Ｖである。よって、抵抗
Ｒ１とツェナーダイオード１４との間の接続点には７Ｖ
の電圧が発生する。
【００２３】前記接続点の電圧がｎＭＯＳトランジスタ
１５のゲートに供給されると、ｎＭＯＳトランジスタ１
５のしきい値電圧が７Ｖより低いため、ｎＭＯＳトラン
ジスタ１５がオンする。これにより、ゲート端子ＧＴと
ソース端子ＳＴとの間に接続された抵抗Ｒ３に電流が流
れる。抵抗Ｒ３の抵抗値は、２０ＫΩ〜１００ＫΩ程度
であり、低抵抗である。このため、ＭＯＳＦＥＴ１１の
ゲート電位が低下して、しきい値電圧以下に固定され
る。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１１のゲートがフローテ
ィング状態になった場合、微少電流でＭＯＳＦＥＴ１１
がオンするのを防止できる。
【００２４】次に、コントロール用ＩＣでＭＯＳＦＥＴ
１１のゲート電位をコントロールし、ＭＯＳＦＥＴ１１
をオンさせる場合を説明する。
【００２５】ゲート電位がＭＯＳＦＥＴ１１のしきい値
電圧以上のとき、ゲート端子ＧＴとソース端子ＳＴとの
間に接続された抵抗Ｒ２に電流が流れる。抵抗Ｒ２の抵
抗値は、２ＭΩであり低抵抗である。このため、ＭＯＳ
ＦＥＴ１１のゲート電位は低下せず、しきい値電圧より
高い電圧に固定される。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１１
のゲート電位をコントロールし、ＭＯＳＦＥＴ１１をオ
ンさせる場合、微少電流でＭＯＳＦＥＴ１１をオンさせ
ることができる。
【００２６】以上説明したようにこの実施の形態では、
部品点数を増やすことなく、またコストアップを招くＩ
ＰＤ、ＩＰＭなどを採用することなく、パワーＭＯＳＦ
ＥＴを有する半導体装置に簡単な回路を内蔵することに
より、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート電位が固定されない
状態になった場合に、パワーＭＯＳＦＥＴが熱破壊され
るのを防止できる。
【００２７】次に、この発明の実施の形態のパワー半導
体装置におけるＭＯＳＦＥＴ１１と横型のｎチャネルＭ
ＯＳトランジスタ１５の構造について説明する。
【００２８】図２は、前記ＭＯＳＦＥＴ１１とｎチャネ
ルＭＯＳトランジスタ１５の構造を示す模式的な断面図
である。ここでは、ＭＯＳＦＥＴ１１には、トレンチ型
を用いている。
【００２９】図２に示すように、ｎ＋半導体基板２１の
一方の面上には、ｎ−エピタキシャル層２２が形成され
ている。このｎ−エピタキシャル層２２上には、ｐベー
ス層２３が形成されている。
【００３０】前記ｎ−エピタキシャル層２２及びｐベー
ス層２３には、トレンチが形成され、このトレンチ内に
はゲート絶縁膜２４、及びゲート２５が形成されてい
る。ゲート２５には、ゲート端子ＧＴが接続されてい
る。例えば、前記ゲート絶縁膜２４にはシリコン酸化膜
を用い、ゲート２５にはポリシリコンを用いる。
【００３１】前記ゲート絶縁膜２４の近傍のｐベース層
２３内には、ｎ＋ソース層２６が形成され、このｎ＋ソ
ース層２６上にはソース電極２７が形成されている。ソ
ース電極２７には、接地されたソース端子ＳＴが接続さ
れている。例えば、前記ソース電極２７には、Ａｌなど
のメタル材を用いる。以上がＭＯＳＦＥＴ１１の構造で
ある。
【００３２】次に、前記横型のｎチャネルＭＯＳトラン
ジスタ１５は以下のような構造を有している。
【００３３】ｐベース層２３上には、シリコン酸化膜
（例えばＳｉＯ２）２８が形成されている。このシリコ
ン酸化膜２８上には、ｎ＋ドレイン層２９、ｎ＋ソース
層３０、及びｐ−層３１が形成されている。ｎ＋ドレイ
ン層２９、ｎ＋ソース層３０、及びｐ−層３１には、ポ
リシリコンを用いる。
【００３４】さらに、ｎ＋ドレイン層２９には、ドレイ
ン電極３２が形成され、このドレイン電極３２には抵抗
Ｒ３の一端が接続されている。ｎ＋ソース層３０には、
ソース電極３３が形成され、このソース電極３３にはソ
ース端子ＳＴが接続されている。例えば、前記ドレイン
電極３２及びソース電極３３には、Ａｌなどのメタル材
を用いる。
【００３５】また、ｐ−層３１上にはゲート絶縁膜（例
えばＳｉＯ２）３４が形成され、このゲート絶縁膜３４
上にはゲート電極３５が形成されている。ゲート電極３
５には、前記抵抗Ｒ１とツェナーダイオード１４の接続
点が接続されている。例えば、前記ゲート電極３５に
は、Ａｌなどのメタル材を用いる。また、ｎ＋半導体基
板には、ドレイン端子ＤＴが接続されている。
【００３６】その他の接続については、図１に示した回
路図と同様である。
【００３７】前述したように、この実施の形態では、パ
ワーＭＯＳＦＥＴ１１のゲートとソース間の抵抗値を切
り換えるための横型のｎＭＯＳトランジスタ１５の半導
体層（活性層）を、酸化膜上に配置したポリシリコンを
用いて形成している。
【００３８】これにより、素子分離などの技術が不要と
なり、回路が簡素化される。
【００３９】なお、ポリシリコンで形成したｎＭＯＳト
ランジスタ１５のｐ−領域の電位を固定しなくても、こ
のｎＭＯＳトランジスタ１５が動作することは実験的に
確認されている。
【００４０】この発明では、パワートランジスタのゲー
トに印加される電圧がしきい値電圧以下のときにはゲー
トとソース間の抵抗値を小さく、印加される電圧がしき
い値電圧より高いときはゲートとソース間の抵抗値を大
きくする可変抵抗回路を備えたことを特徴とする。
【００４１】これにより、電圧駆動型のパワートランジ
スタのゲート電位を任意に固定できなくなったとき、例
えばゲート電位をコントロールするＩＣが働かなくなっ
たとき、もしくはゲートがオープンになったとき、パワ
ートランジスタの破壊を防止する保護回路を構成するこ
とができる。
【００４２】また、可変抵抗回路の抵抗値を切り換える
スイッチ用の横型ｎＭＯＳトランジスタをポリシリコン
で形成することにより、回路を簡略化することができ
る。
【００４３】また、この発明では、電圧駆動型のパワー
トランジスタを用いたモータ駆動回路アプリケーション
において、パワートランジスタのゲート電位がフローテ
ィング状態に陥ったときに、素子に過電流が流れること
によって発生する熱破壊を防止できる。
【００４４】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、部
品点数を増やすことなく、またコストアップを招くＩＰ
Ｄ、ＩＰＭなどを採用することなく、パワーＭＯＳＦＥ
Ｔを有する半導体装置に簡単な回路を内蔵することによ
り、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート電位が固定されない状
態になった場合に、パワーＭＯＳＦＥＴが熱破壊される
のを防止できるパワーＭＯＳＦＥＴを有する半導体装置
を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態のパワー半導体装置の構
成を示す回路図である。
【図２】この発明の実施の形態のパワー半導体装置にお
けるパワーＭＯＳＦＥＴと横型のｎＭＯＳトランジスタ
の構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１１…ｎチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界
効果トランジスタ） １２…アクティブクランプダイオード １３…ゲート保護用のダイオード １４…ツェナーダイオード １５…横型のｎチャネルＭＯＳトランジスタ Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…抵抗 ＤＴ…ドレイン端子 ＧＴ…ゲート端子 ＳＴ…ソース端子 ２１…ｎ＋半導体基板 ２２…ｎ−エピタキシャル層 ２３…ｐベース層 ２４…ゲート絶縁膜 ２５…ゲート ２６…ｎ＋ソース層 ２７…ソース電極 ２８…シリコン酸化膜（例えばＳｉＯ２） ２９…ｎ＋ドレイン層 ３０…ｎ＋ソース層 ３１…ｐ−層 ３２…ドレイン電極 ３３…ソース電極 ３４…ゲート絶縁膜（例えばＳｉＯ２） ３５…ゲート電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 27/088 Ｈ０１Ｌ 29/78 ６２３Ｚ 29/786 Ｆターム(参考） 5F048 AC06 AC10 BA05 BA20 BB05 BB10 BC16 BD07 BF02 CC01 CC06 CC08 CC15 CC18 5F110 AA21 AA23 AA30 BB12 DD05 DD13 EE03 FF02 GG02 GG13 HJ07 HK03 NN71 NN74

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上に形成され、ゲート、ソー
    ス、及びドレインを有する電圧駆動型のパワーＭＯＳＦ
    ＥＴと、 前記半導体基板上に形成され、前記パワーＭＯＳＦＥＴ
    の前記ドレインと前記ソースとの間の電圧がその両端に
    供給される、直列接続された第１の抵抗及びツェナーダ
    イオードと、 前記半導体基板上に形成され、前記パワーＭＯＳＦＥＴ
    の前記ゲートと前記ソースとの間の電圧がその両端に供
    給される第２の抵抗と、 前記半導体基板上に形成され、前記パワーＭＯＳＦＥＴ
    の前記ゲートと前記ソースとの間の電圧がその両端に供
    給される、直列接続された第３の抵抗及びゲート、ソー
    ス、ドレインを有するＭＯＳトランジスタとを具備し、 前記第１の抵抗とツェナーダイオードとの接続点が前記
    ＭＯＳトランジスタのゲートに接続されていることを特
    徴とするパワー半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記第３の抵抗は、前記第２の抵抗より
    抵抗値が小さいことを特徴とする請求項１に記載のパワ
    ー半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記パワーＭＯＳＦＥＴの前記ゲートと
    前記ソースとの間の電圧がその両端に供給されるゲート
    保護用のダイオードをさらに具備することを特徴とする
    請求項１に記載のパワー半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記パワーＭＯＳＦＥＴは、前記半導体
    基板に対して垂直方向に、前記ドレインと前記ソースが
    配列された縦型のトランジスタであり、前記ＭＯＳトラ
    ンジスタは、前記半導体基板に対して水平方向に、前記
    ドレインと前記ソースが配列された横型のトランジスタ
    であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体
    装置。
  5. 【請求項５】 前記ＭＯＳトランジスタの活性層は、ポ
    リシリコンで形成されていることを特徴とする請求項４
    に記載のパワー半導体装置。
  6. 【請求項６】 前記ポリシリコンは、絶縁膜の表面上に
    形成されていることを特徴とする請求項５に記載のパワ
    ー半導体装置。
  7. 【請求項７】 前記絶縁膜は、シリコン酸化膜であるこ
    とを特徴とする請求項６に記載のパワー半導体装置。
JP2000085422A 2000-03-24 2000-03-24 パワー半導体装置 Pending JP2001274402A (ja)

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JP2000085422A JP2001274402A (ja) 2000-03-24 2000-03-24 パワー半導体装置
TW090105993A TW478027B (en) 2000-03-24 2001-03-14 Power semiconductor device having a protection circuit
KR1020010013614A KR100362218B1 (ko) 2000-03-24 2001-03-16 전력 반도체장치
US09/811,452 US6507088B2 (en) 2000-03-24 2001-03-20 Power semiconductor device including voltage drive type power MOS transistor
CNB011118717A CN1162910C (zh) 2000-03-24 2001-03-22 电力半导体装置
DE60133851T DE60133851D1 (de) 2000-03-24 2001-03-23 Leistungshalbleiterbauelement mit Schutzschaltkreis
EP01106461A EP1137068B1 (en) 2000-03-24 2001-03-23 Power semiconductor device having a protection circuit

Applications Claiming Priority (1)

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