Brevet FR2773277A1 — publié le 19990702

PROTECTION D'UN TRANSISTOR MOS VERTICAL ASSOCIÉ A DES CELLULES DE MESURE La présente invention concerne les transistors MOS ver- ticaux de puissance et plus particulièrement la protection d'un transistor MOS vertical de puissance couplé à un transistor MOS vertical de mesure de courant. Un transistor MOS vertical de puissance est générale- ment constitué d'un grand nombre de cellules élémentaires identiques en parallèle. Pour mesurer le courant dans ce transis- tor il est usuel de lui associer un transistor de mesure constitué d'un plus petit nombre des mêmes cellules élémentaires, soumises aux mêmes conditions de polarisation. Lorsque la charge du transistor de puissance est une charge inductive, une tension négative apparaît aux bornes de la charge lors de l'ouverture du transistor de puissance. Cette tension est susceptible de déclen- cher la conduction d'éléments parasites et d'endommager le transistor de puissance. La figure 1 représente un circuit comportant un tran- sistor MOS vertical de puissance T1 composé de n cellules élémentaires Tll à Tln, associé à un transistor MOS vertical de mesure T2 comprenant m cellules élémentaires T21 à T2m avec m très inférieur à n. Les drains D des cellules élémentaires du transistor de puissance et du transistor de mesure sont connectés ensemble à un potentiel haut d'alimentation Vcc. Les grilles G des cellules élémentaires du transistor de puissance et du tran- sistor de mesure sont connectées ensemble à une borne de commande G. Les sources Si des cellules élémentaires du transistor de puissance sont interconnectées et reliées par une charge induc- tive L à la masse. Les sources S2 des cellules élémentaires du transistor de mesure sont interconnectées et reliées à une source de courant Iref. La différence de tension entre les bornes Si et S2 donne une indication du fait que le courant dans le transistor de puissance est supérieur ou inférieur à un seuil égal à (n/m)Iref On remarquera que dans certaines applications, la source de courant Iref peut être remplacée par une résistance R, lorsque le circuit est destiné à mesurer une résistance de charge au lieu d'un courant de charge. La figure 2 représente de manière schématique une vue en coupe verticale d'une partie d'une plaquette de silicium 2 dans laquelle sont réalisés les transistors Tl et T2. Le drain d'une cellule élémentaire correspond au substrat 21 de la pla- quette. La zone 21 est connectée par l'intermédiaire d'une zone fortement dopée de type N (N+) à une métallisation 22 reliée à la borne de drain D du circuit de la figure 1. La source d'une cellule élémentaire correspond à un anneau 25 de type N+ formé dans un caisson 23 de type P. Le caisson 23 comprend généralement une zone centrale 24 fortement dopée de type P (P+). Une métallisation de source 26 est en contact avec la partie centrale de chaque caisson 23 et avec l'anneau 25. La grille d'une cellule élémentaire est formée par une couche de silicium polycristallin 27, isolée de la surface de la plaquette par un diélectrique, qui recouvre une zone de canal comprise entre la périphérie externe de l'anneau 25 et la péri- phérie externe du caisson 23. Les grilles 27 sont interconnectées à un noeud de grille G. On a représenté en figure 2 trois cellules élémentaires du transistor de puissance T1. Les métallisations 26 de ces cellules élémentaires sont connectées à un même noeud de source Si. De même, on a représenté deux cellules élémentaires du tran- sistor de mesure T2, les métallisations 26 de ces cellules étant connectées à un même noeud de source S2. La figure 3 représente à plus grande échelle une partie de la figure 2 sur laquelle on fait figurer des éléments parasi- tes existant entre deux cellules élémentaires adjacentes. Classiquement, la grille 27 recouvre également la zone du subs- trat 21 comprise entre deux cellules élémentaires. Cette métallisation, isolée du substrat 21, correspond à une grille d'un transistor parasite T3 de type PMOS formé d'un caisson 23 de type P d'une première cellule élémentaire, d'une portion de substrat 21 de type N et d'un deuxième caisson 33 de type P d'une deuxième cellule élémentaire. D'autre part, l'association d'une zone 25 de type N+, d'un caisson 23 de type P et du substrat 21 faiblement dopé de type N, forme un transistor parasite bipolaire de type NPN dont l'émetteur est la zone 25, le collecteur la zone 21 et la base le caisson 23. On considère une cellule élémentaire Tli du transistor de puissance adjacente à une cellule élémentaire T2j du transis- tor de mesure, dont les sources sont respectivement Si et S2. Un transistor bipolaire T4 de type NPN est connecté entre la source Si et le drain D de la cellule du transistor Tl. La base du transistor T4 est connectée au drain d'un transistor PMOS para- site T3. De même, un transistor bipolaire T5 de type NPN est connecté entre la source S2 et le drain D de la cellule du tran- sistor T2, la base du transistor T5 est connectée à la source du transistor MOS T3. Le transistor MOS T3 est commandé par la grille G commune aux transistors T1 et T2. Comme l'illustre la figure 1, si la charge L du tran- sistor Tl est une charge inductive, la tension aux bornes de la charge, c'est-à-dire sur la source Si, va devenir négative lors- que le transistor de puissance sera ouvert. La grille G, qui correspond à la grille du transistor T3 est alors négative mais à une tension supérieure à la source Si, et la source S2 est à un potentiel voisin de la masse. Si la tension est très négative sur la source Si, le transistor MOS T3 qui est alors passant laisse passer un courant important entre les bornes S2 et Si. Quand ce courant, qui circule notanmment sous la région N+ 25 dépasse un certain seuil, le transistor bipolaire T4 devient passant. Ceci crée un court-circuit entre les bornes de source 26 et de drain 22 de la cellule T2i. La borne 26 étant à un potentiel très négatif et la borne 22 au potentiel Vcc, il peut en résulter un claquage destructif de la structure. Le courant qui traverse le transistor T4 dépend du gain de ce transistor. Or, dans le cadre des technologies modernes, la taille des caissons 23 diminue et le niveau de dopage des zones 24 est réduit. Il en résulte que le gain des transistors bipolaires parasites T4 augmente et donc que le risque de claquage destructif augmente. Les inventeurs ont donc recherché des moyens pour sup- primer les effets destructifs liés à la mise en conduction des transistors bipolaires parasites par les transistors MOS parasi- tes susmentionnés. La figure 4 représente très schématiquement une vue de dessus d'un dispositif tel que celui représenté en figure 1. Le bloc Ti représente la surface occupée par les cellules élémen- taires du transistor de puissance T1 et le bloc T2 représente la surface occupée par les cellules élémentaires du transistor de mesure T2. T3 symbolise les transistors MOS parasites existant entre les cellules adjacentes du transistor de puissance et du transistor de mesure. La figure 5 représente une vue en coupe verticale d'une première solution pour éviter les claquages destructifs susmen- tionnés. La structure est très proche de la structure représentée en figure 2, et de mêmes références désignent de mêmes éléments. Entre deux cellules élémentaires adjacentes Tli et T2j apparte- nant respectivement au transistor de puissance et au transistor de mesure, est intercalée une cellule tampon B. On peut réaliser une telle cellule tampon en supprimant l'implantation N+ des sources dans une cellule élémentaire de T1. Il n'existe alors plus de transistors bipolaires parasites. La figure 6 représente de manière extrêmement schéma- tique une vue de dessus d'un dispositif tel que celui de la figure 5. Le bloc T1 représente la surface occupée par les cellules élémentaires du transistor de puissance Tl, le bloc T2 représente la surface occupée par les cellules élémentaires du transistor de mesure T2, et le bloc B représente la surface occupée par les cellules tampons placées entre le transistor de puissance et le transistor de mesure. Le transistor T3 représente les transistors MOS parasites existant entre les cellules élémen- taires du transistor de mesure T2 et les cellules tampons B adjacentes. En figure 5, on a représenté par des flèches les courants passant en fonctionnement normal du drain vers la source de cellules élémentaires des transistors de puissance et de mesure. Les cellules élémentaires adjacentes aux cellules tampons B reçoivent en fonctionnement normal une plus forte densité de courant que les autres cellules élémentaires. Le rapport entre les courants traversant les transistors Tl et T2 varie avec la valeur des courants. Ce déséquilibre des courants ne permet plus de déterminer simplement le courant dans le transistor T1 de puissance à partir du courant traversant le transistor T2 de mesure. Un objet de la présente invention est de réaliser la protection d'un dispositif tel que celui représenté en figure 1. Un objet de la présente invention est de réaliser un dispositif comprenant un transistor de puissance et un transistor de mesure dans lequel il existe en fonctionnement normal un rapport constant entre le courant traversant le transistor de mesure et le courant traversant le transistor de puissance. Un autre objet de la présente invention consiste à proposer une solution peut coûteuse et facile à mettre en oeuvre aux problèmes rencontrés dans l'art antérieur. Ces objets ainsi que d'autres sont atteints par un dispositif de protection d'un composant monolithique comprenant un transistor de puissance de type MOS vertical diffusé composé d'un grand nombre de cellules identiques, et un transistor de mesure composé d'un plus faible nombre de cellules identiques à celles du transistor de puissance, les drains et les grilles de toutes les cellules étant communs, une charge inductive étant connectée à la source du transistor de puissance, et comprenant: un moyen de mise en court-circuit connecté entre la source du transistor de puissance et la source du transistor de mesure, et un moyen de commande susceptible de mettre en conduc- tion ledit moyen de mise en court-circuit à l'ouverture du transistor de puissance. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de mise en court-circuit est un transistor MOS. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de commande est un pont diviseur connecté aux bornes de la charge inductive. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de commande consiste en une diode dont l'anode est connectée à la grille du transistor de mise en court-circuit et dont la cathode est connectée à la cathode d'une diode à ava- lanche, dont l'anode est connectée à la source du transistor de puissance, et une résistance connectée entre la grille du tran- sistor de mise en court-circuit et la masse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le substrat et la source du transistor de mise en court-circuit sont connectés l'un à l'autre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de mise en court-circuit est un transistor latéral réalisé dans le même composant monolithique que les transistors verticaux de puissance et de mesure. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente un dispositif selon l'art anté- rieur; la figure 2 représente une vue partielle en coupe du dispositif représenté en figure 1; la figure 3 représente des composants parasites dans un détail de la figure 2; la figure 4 représente très schématiquement une vue de dessus du mode de réalisation représenté en figure 1; la figure 5 représente la vue en coupe d'un autre mode de réalisation selon l'art antérieur; la figure 6 représente très schématiquement une vue de dessus du mode de réalisation représenté en figure 5; la figure 7 représente un schéma sous forme de blocs selon la présente invention; la figure 8 représente très schématiquement un mode de réalisation selon la présente invention; la figure 9 représente très schématiquement une vue en coupe du mode de réalisation représenté en figure 8; la figure 10 représente très schématiquement une vue de dessus du mode de réalisation représenté en figure 8; et la figure 11 représente très schématiquement un autre mode de réalisation selon la présente invention. Dans les diverses figures, de mêmes références dési- gnent de mêmes éléments. En outre, comme cela est classique dans le domaine de la représentation des composants semiconducteurs, les diverses vues en coupe et de dessus ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 7 représente un schéma simplifié d'un circuit selon la présente invention. On a représenté une cellule Tli parmi les n cellules élémentaires Tll à Tln d'un transistor de puissance Tl, et une cellule élémentaire T2j parmi les m cellules élémentaires T21 à T2m d'un transistor de mesure, la cellule Tli étant adjacente à la cellule T2j. Les drains des cellules élémen- taires Tli et T2j sont connectés à une borne D comtune à toutes les cellules, elle-même connectée à un potentiel haut d'alimenta- tion Vcc. Les grilles G des cellules Tli et T2j sont connectées ensemble à une borne de commnande G commune à toutes les cellules. La source de la cellule Tli est reliée à une borne Si commune à toutes les cellules du transistor de puissance T1, elle-même reliée à la masse par une charge inductive L. La source de la cellule T2j est reliée à une borne S2 commune à toutes les cellu- les du transistor de mesure T2, elle-même reliée à une source de courant Iref. Comme dans l'art antérieur, la différence de ten- sion entre les bornes Si et S2 donne une indication du fait que le courant dans le transistor de puissance est supérieur ou inférieur à un seuil égal à (n/m)Iref. On remarquera que la figure 7 est très simplifiée, et qu'une résistance est classique- ment mise en série avec la source de courant Iref, par exemple pour limiter le courant dans T3 lorsqu'il conduit, et pour faire chuter la tension sur S2 lorsque Si devient négatif. Ceci permet de limiter la tension VGS2 de T2 lorsque Si et G deviennent négatifs et ainsi d'éviter un claquage de l'oxyde de grille de T2. On a également représenté en figure 7 des transistors parasites qui sont associés aux cellules Tli et T2j. Un transis- tor parasite bipolaire T4 est connecté en parallèle sur la cellule Tli. Un transistor parasite bipolaire T5 est connecté en parallèle sur la cellule T2j. Les bases des transistors T4 et T5 sont respectivement reliées au drain et à la source d'un transis- tor MOS parasite T3. La grille du transistor MOS parasite T3 est reliée à la grille G du circuit. Ces éléments parasites sont tels que décrits en relation avec la figure 3. Selon l'invention, un moyen de mise en court-circuit T6 est connecté entre les bornes cormmunes de source Si et S2. Le moyen de mise en courtcircuit T6 est commandé par un moyen de commande C qui est susceptible de mettre le moyen T6 en conduc- tion à l'ouverture du transistor de puissance Ti. La figure 8 présente un mode de réalisation du moyen de mise en court-circuit T6 et du moyen de conmmande C. Le moyen de mise en court-circuit est un transistor MOS T6 dont la source S6 est connectée à la borne de source Si et dont le drain D6 est connecté à la borne de source S2. Deux résistances Ri et R2 sont connectées en série aux bornes de la charge L, le point de connexion de ces deux résistances est connecté à la grille G6 du transistor T6. Les résistances Rl et R2 forment un pont diviseur relié aux bornes de la charge L. Les résistances Ri et R2 sont choisies pour déclencher la conduction du transistor T6 lorsque le tran- sistor de puissance T1 est ouvert, et que la tension aux bornes de la charge L dépasse un seuil négatif prédéterminé. Ce seuil négatif prédéterminé peut par exemple être choisi supérieur au seuil négatif pour lequel le courant traversant les éléments parasites susmentionnés est susceptible de déclencher le transis- tor parasite T4. Quand il est mis en conduction, le transistor T6 court- circuite les bornes de source Si et S2 du circuit et supprime tout risque de traversée du transistor MOS parasite T3 et donc de mise en conduction du transistor bipolaire parasite T4. On évite ainsi tout risque de claquage de la structure. En mode de fonctionnement normal, la tension aux bornes de la charge L est telle que le transistor T6 reste bloqué, la présente invention n'affecte donc pas le fonctionnement en mode normal. La figure 9 représente une vue en coupe simplifiée d'une partie du circuit selon la présente invention. La partie droite du circuit illustre des cellules de transistors MOS verti- caux T1 et T2 décrites en relation avec la figure 2. En outre, dans la partie gauche de la figure 9, on a représenté une réali- sation d'un transistor de mise en court-circuit T6, sous forme d'un transistor MOS de type latéral. Le drain du transistor T6 est constitué d'une zone fortement dopée 40 de type N+ formée dans un caisson dopé 42 de type P. Le drain D6 du transistor T6 est connecté à la borne de source S2 du transistor de mesure. La source du transistor T6 est constituée d'une zone fortement dopée 41 de type N+ formée dans le caisson 42. La source S6 du transis- tor T6 est connectée à la borne de source Si du transistor de puissance. Le caisson 42 est polarisé par une zone 43 très dopée de type P+, également formée dans le caisson 42, et connectée à la borne Si. La grille G6 du transistor T6 est formée par une couche de silicium polycristallin 44 située au-dessus de la section du caisson 42 comprise entre les zones 40 et 41, isolée de la surface du caisson 42 par un diélectrique. La figure 10 représente une vue de dessus simplifiée d'un circuit selon la présente invention. Le transistor T6 à été implanté au voisinage des transistors Tl et T2. Les tailles respectives des transistors Tl, T2, T6 sont déterminées en fonc- tion des courants maxima qui doivent les traverser. Le transistor de mise en court-circuit T6 est, conme on l'a vu précédemment, bloqué en mode de fonctionnement normal. Le rapport entre les courants traversant le transistor de puissance Tl et le transistor de mesure T2 reste constant et déterminé (égal à n/m comme cela a été décrit en relation avec la figure 1). La présente invention permet ainsi de protéger le dispositif décrit dans l'art antérieur tout en conservant le même rapport entre courant de mesure et courant dans un transistor de puis- sance. L'ajout du transistor T6 est de surcroît peu coûteux et simple à mettre en oeuvre. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Ainsi le moyen de mise en court-circuit T6 peut être réalisé par d'autres structures qu'un transistor MOS, par exemple un transistor bipolaire ou un thyristor. De même, Le moyen de il commande C peut être un pont diviseur, mais d'autres moyens de conmmnande remplissant la même fonction pourront également être utilisés. La figure 11 représente à titre d'exemple une variante du moyen de commande du transistor T6. Au lieu d'un pont diviseur résistif, on utilise ici un circuit comprenant une diode D, une diode à avalanche Z et une résistance R. L'anode de la diode D est reliée à une première borne d'une résistance R également reliée à la grille G6 du transistor T6, sa cathode est reliée à la cathode de la diode à avalanche Z. L'anode de la diode à avalanche Z est reliée à la borne de source Sl. La seconde borne de la résistance R est reliée à la masse. La tension de conduc- tion inverse de la diode à avalanche Z2 est choisie pour que le transistor T6 soit mis en conduction lorsque la tension en Si devient plus négative qu'un seuil prédéterminé. Le moyen de commande formé par la diode à avalanche Z, la diode D et la résistance R consonmmera moins en mode de fonctionnement normal que le pont diviseur formé de la résistance Ri et de la résis- tance R2 représenté en figure 8. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection d'un composant monolithique comprenant un transistor de puissance (T1) de type MOS vertical diffusé composé d'un grand nombre de cellules identiques (Tli), et un transistor de mesure (T2) composé d'un plus faible nombre de cellules (T2j) identiques à celles du transistor de puissance, les drains (D) et les grilles (G) de toutes les cellules étant communs, une charge inductive (L) étant connectée à la source (Si) du transistor de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen (T6) de mise en court- circuit connecté entre la source (Sl) du transistor de puissance et la source (S2) du transistor de mesure, et un moyen de commnande (C) susceptible de mettre en conduction ledit moyen de mise en court- circuit à l'ouverture du transistor de puissance. 2. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de mise en court-circuit est un transistor MOS. 3. Dispositif de protection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de commande est un pont divi- seur (Ri, R2) connecté aux bornes de la charge inductive. 4. Dispositif de protection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de commande consiste en une diode (D) dont l'anode est connectée à la grille (G6) du transis- tor de mise en court-circuit et dont la cathode est connectée à la cathode d'une diode à avalanche (Z), dont l'anode est connec- tée à la source du transistor de puissance, et une résistance (R) connectée entre la grille (G6) du transistor de mise en court- circuit et la masse. 5. Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le substrat et la source du transistor de mise en court-circuit sont connectés l'un à l'autre. 6. Dispositif de protection selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de mise en court-circuit (T6) est un transistor latéral réalisé dans le même composant monolithique que les transistors verticaux de puissance (Ti) et de mesure5 (T2).