Toshiba / ISPDP 2017 Zielkonflikt zwischen ESD und Durchbruchspannung überwunden

Querschnitt durch die neue voll isolierte LDMOS-Struktur
Querschnitt durch die neue voll isolierte LDMOS-Struktur

Toshiba hat eine vollständig isolierte n-Kanal-LDMOS-Technologie entwickelt, die den Zielkonflikt zwischen Durchbruchspannung bei negativer Bias-Spannung (BVnb) und ESD-Robustheit überwindet. Dies präsentierte Tosiba auf der ISPSD 2017 in Sapporo (Japan).

Im Automobilbereich ist in den letzten Jahren der Bedarf an Analog- und Power-ICs mit voll isolierten n-Kanal-LDMOS-Strukturen und hoher BVnb (Breakdown Votage negative bias) stark gestiegen. Die betrifft vor allem Komponenten, die Spannungen von 40 V und mehr unterstützen. Um eine höhere BVnb zu erreichen, musste man bislang einen Kompromiss hinsichtlich der HBM-Robustheit (Human Body Model) finden.

Dies bedeutete, einen relativ großen Halbleiterchip einzusetzen, um das Substrat von der eigentlichen Schaltung elektrisch zu isolieren. Dies hat jedoch Fortschritte bei der Miniaturisierung und Kostenreduzierung behindert. Da zudem die HBM-Robustheit ein Parameter ist, der schwer zu schätzen ist, war es bislang nötig, dies mithilfe realer Komponenten zu bestimmen. Darum war ein neuer Parameter zur Schätzung der HBM-Robustheit dringend erforderlich.

Um diesen Zielkonflikt zu überwinden und gleichzeitig die Chipgröße zu minimieren, führte Toshiba zweidimensionale TCAD-Simulationen zahlreicher Parameter durch und stellte fest, dass die Stromflusskonzentration, die dem Spitzenwert des elektrischen Feldes unter der Drain-Region (EUD) entspricht, von der HBM-Robustheit abhängt. Das Unternehmen nutzte diese Erkenntnis, um die Die-Eigenschaften durch Anpassen verschiedener Parameter zu optimieren und gleichzeitig die HBM-Robustheit bei einer Nennspannung von 25 V bis 96 V zu verbessern. Dadurch ließ sich auch die Chipgröße für vollständig isolierte n-Kanal-LDMOS-Komponenten für 80 V Durchbruchspannung fast halbieren (46 %) und gleichzeitig die Anforderungen des ±4-kV-HBM-Modells erfüllen.

Toshiba hat Prototypen auf Basis des BiCD-0.13G3-Prozesses mit der neuen Technologie produziert. Die Massenproduktion soll im Geschäftsjahr 2018 starten.