高温環境下でも高い信頼性を保持するLDMOS搭載の車載用アナログパワーIC向けプロセス技術を開発

東芝デバイス＆ストレージ株式会社（以下、東芝デバイス＆ストレージ）と株式会社ジャパンセミコンダクター（以下、ジャパンセミコンダクター）は、高温環境下でも高い信頼性を実現する低耐圧NチャネルLDMOS^注１を搭載した0.13μm世代の車載用アナログパワーIC向けプロセス技術を開発しました。本技術により、LDMOSの製造プロセスにおいて結晶欠陥が原因で発生するリーク電流の増加を抑制し、150℃以上の高温下における寿命^注２を当社従来技術に比較して10倍以上^注３に改善しました。本技術の詳細を、中国・上海で開催されたパワー半導体国際学会「ISPSD2019」にて、5月22日（現地時間）に発表しました。

自動車の電動化や電子化を背景に、車載半導体はさらなる市場の伸長が見込まれています。車載半導体は高温状態で長期間使用されるため、そのような厳しい条件下でも、信頼性を保持することが求められます。NチャネルLDMOSは、産業機器や民生機器のモーター制御ICなどに使用されており、近年、車載分野における需要拡大も期待されています。

LDMOSの製造プロセスでは、Siに拡散層を作るために不純物を打ち込む際、Siの結晶性が乱れます。不純物濃度が高いほど結晶欠陥が発生しやすくなり、初期リーク電流^注４の増加など、製品の特性に悪影響を及ぼします。従来のLDMOSには、大面積化すると初期リーク電流が増加して歩留まりが低下するという問題と、車載用途を想定した厳しい温度や時間で信頼性試験（HTRB^注４）を実施した場合、使用時間が長くなるにつれてリーク電流が増加するという問題（HTRB変動）がありました。

そこで、東芝デバイス＆ストレージが培ってきたシミュレーション技術、デバイス設計技術と、ジャパンセミコンダクターが持つ半導体プロセス技術を活用することで、信頼性を向上させたプロセス技術を開発し、これらの問題を解決しました。

まず、製造プロセスにおける結晶欠陥に起因する初期リーク電流の増加には、LDMOSの製法変更で対応しました。従来技術では、LDMOS末端部のSTI^注５を埋め込む際、HDP-CVD^注６という製法を用いていましたが、今回開発した技術では、SA-CVD^注７を採用しました。後者は前者よりもSiに対するSTIからの応力^注８が小さく、不純物濃度が高くても結晶性が乱れにくいため、初期リーク電流の増加を抑制できます。

また、HTRB変動のメカニズムを解析した結果、LDMOSの末端部の構造に原因があることを発見しました。HTRB変動は、イオン注入でSTI領域とSi領域の境界に発生した欠陥が、その後の熱工程で欠陥に水素イオンが結合することで見えなくなるものの、高温状態で長時間が経過すると水素イオンが欠陥から外れてしまうことで発生します。そのため、今回の技術で用いるLDMOSでは、ゲートポリでSi領域とSTI領域の境界面を覆うことで、STIからの最も大きな応力を受けるSi領域とイオン注入の過程でダメージを受ける領域を遠ざけて結晶欠陥の発生を抑制し、HTRB変動の特性を改善しました。

両社は、今回開発したプロセス技術を採用した車載向け製品を2019年7月から量産する予定です。

なお、東芝デバイス＆ストレージでは、今回のLDMOSに加えて、耐圧や用途に応じて多様なLDMOSをラインアップしており、現在は、既存のLDMOSよりもオン抵抗を半減した第四世代LDMOS開発にも注力しています。両社は今後も、低オン抵抗なLDMOSをはじめとした素子の開発を促進し、機器の低消費電力化や小型化に貢献していきます。