high voltage 20v 0.13um_soc_ieee ispsd2006

8/7/2019 High Voltage 20V 0.13um_SOC_IEEE ISPSD2006

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P r o c e e d i n g so ft he 1 8 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo n P o w e rS em i c o n d u c t o rD e v i c e s& I C ' sJ u n e4 - 8 ,2 0 0 6Na p l e s ,I t a l y

H i g hVo l t a g e( up t o2 0 V )D e v i c e sI m p l e m e n t a t i o ni n 0 . 1 3un BiCMOS P r o c e s sTe c h n o l o g yf o r

S y s t e m - O n - C h i p( S O C )D e s i g nR o b e r tP a n ,B o bTo d d ,P i n g h a iHa o , R ob e r tH i g g i n s ,D e r e kRo b i n s o n ,V l a dD r o b n y ,We i d o n gT i a n , J i an g l i nWa n g ,

J o z e fM i t r o s ,M i k eHub e r ,S a t e e s hP i l l a ia n dS am e e rP e n d h a r k a r

Te x a sI n s t r um e n t sI n c . ,1 2 5 0 0T I Bou l e v a r d ,MS 9 7 1 ,Da l l a s ,TX 7 5 2 4 3 ,USAP h o n e :( 9 7 2 ) 9 9 5 - 9 3 3 8 ;F a x :( 9 7 2 ) 9 9 5 - 9 0 1 0 ;Ema i l :r p a n@ t i . c o m

A b s t r a c t p r o c e s s wi t h o u t c h a n g i n g t h e b a s e l i n eCMOSp e r f o rm a n c e .Wi t ht h ec omp a t i b l eCMOS p r o p e r t i e s ,

Th i s p a p e r d es c r i b e s t hei n t e g r a t i o no f t h e20V t h ee x i s t i n gd i g i t a ll i b r a r yc a nb e r e u s e d .Th i sa l l o w e dc om p l em e n t a r yd r a i n - e x t e n d e dMOS (DECMOS) a n d t h ed e s i g n st o a c h i e v et h es t r i n g e n tr e q u i r em e n to f

f u l l yi s o l a t e dd r a i n - e x t e n d e dNMOS (DENMOS) f u n c t i o n s ,p o w e rm a n a g e m e n t ,a n dc o s ti nt h es h o r t e s tt r a n s i s t o r si n t o a h i g h - v o l ume0 .13um CMOS t i m e t o ma r k e ts c h e d u l e .T h ed u a l - g a t eo x i d e ,s i n g l et e c h n o l o g yw i t ht w oa d d i t i o n a lma s k s .T h e20V d e v i c e sP o l y BiCMOS t e ch n o l o gy pr ov id es1 . 5 V,1 . 8 Va n dw e r e o p t im i z e df o rR s p - B V d s sp e r f o rm a n c ewi t h o u t 3 . 3 VCMOS, 5V , 9 V , 1 5 Va n d 20V D r a i n - e x t e n d e dc om p r om i s i n gt h ea d va n ce d 1 . 5VCMOS p e r f o rm a n c e MOS, P o l yR e s i s t o r s ,B ipo l a rTr a n s i s t o r s ,h i g hv o l t a g ei n t h e0 . 3 5 u mp i t c hcoppe r, l o w - Kd i e l e c t r i cp r o c e s s d i o d e s ,EEPROM, OTP EPROM, a n d h i g hf l o w.Th i sc o s t - e f f e c t i v ep r o c e s si s v e r y c o mp et i t i vef o r p e r f o rm a n c ec a p a c i t o r s .Ta b l e 1 l i s t ss o m e o f t h et h ep o w e rm a n a g e m e n t( PM )c h i pd e s i g no f p o r t a b l ec r i t i c a lp a r am e t e r s o f t h e p r i ma ry c ompo n e n t sd e v i c e s . s u ppo r t e di nt h i st e c h n o l o g y .

I n t r o d u c t i o n P r oc e s s f l o wa n dD e v i c eD i s c u s s i o n

Tod a y' s mo b i l ep h o n ema r k e th a s b e c o m eo n e o f T h ep r o c e s sf l o ws t a r t e dwi t ht h es a m ef l o wa st h et h e f a s t e s tg r ow i n ga n d l a r g es c a l es em i c o n d u c t o r 0 . 1 3 u md i g i t a lCMOS f l o w.T h eh i g hv o l t a g ed e v i c e sma r k e t s[ 1 ] .T h ec ompe t i t i o ni s e xt r eme l y h i ghd u e t o w e r ei n t e g r a t e di n t ot h ed i g i t a lCMOS f l o wb y a d d i n gt h e c o n s t a n t d e m a n d so f m o r e f u n c t i o n a l i t ywh i l e t w om a s kl e v e l sa n di m p l a n t st of o r mt h e N - d r i f ta n dP -ma i n t a i n i n gl o n g b a t t e r yl i f e t im e ,s h o r t e rt i m e t o d r i f tr e g i o n s .T h eN - d r i f ta n dP - dr i f t l e ve l sw e r ed o n ema r k e ts c h e d u l e ,a n dl o w e rc o s t[ 2 ][ 3 ] . a f t e rt h eN - r e g i o na n d P - r e g i o nl e v e l st o a v o i d a n y

p r o c e s sd e v i a t i o nf r o mt h eCMOS p r o c e s sc o n d i t i o n s .T h ee v o l u t i o no f t h ec e l l u l a rp h o n eo v e rt h ep a s t1 0 A m a s kl e v e l( N - b u r i e d )i s n e e d e dt o s u p p o r t t h e

y e a r s h a s i n c r e a s e dt h ep e r f o r m a n c e ,f e a t u r e ,a n d i s o l a t e d20V DENMOS,20V DEPMOSa n d v e r t i c a lf u n c t i o n a l i t yd e m a n d si nt h es a m eo r s m a l l e rd i ea r e a . NPN b i p o l a rt r a n s i s t o r .To a v o i dt h es c r e e n i n go x i d eT h ep o w e rm a n a g e m e n t( P M )d i ei n a t y p i c a lc e l l u l a r l o s sd u r i n gmu l t i p l ei m p l a n t sa n dp h o t or e s i s tc l e a n - u pp h o n ei s r e s p o n s i b l ef o rt h ep ow e ru p c o n t r o la sw e l la s p r o c e s s e s ,u l t r a - l o wo x i d el o s sp r o c e s s e sw e r eu s e d .p r o v i d i n gv a r i o u sv o l t a g e st o o t h e rd i e si n t h ep h o n ea n df o rc o n v e r t i n gt h ea u d i ot od i g i t a ls i g n a l sa n dv i c e A f t e ra b o v ei m p l a n t st h ep r o c e s ss t e p sf o l l o wt h ev e r s a .Th i sn e c e s s i t a t e st h ei n t e g r a t i o no f h i g hd e n s i t ys a m ep r o c e s sf l o wa s t h ed i g i t a lCMOS f l o ww i t h o u tl o g i cc i r c u i t sa l o n gwi t hh i g hv o l t a g ea n dp o w e ra n a l o ga d d i n g e x t r at h e rm a l c y c l e .T h e S i l i c i d eB l o c kc i r c u i t s .P r e s e n td a y d e m a n d sr e q u i r et h ePM d i et o p r o c e s s e sw e r eu s e dt op r e v e n ts i l i c i d a t i o no f t h ed r a i n -h a v em o r et h a n l 0 0 K g a t e so f l o g i cf o ra u d i od i g i t a l e x t e n d e dr e g i o no f t h eDEMOS t r a n s i s t o r sa n dt h eb o d yp r o c e s s i n ga n d 20V d e v i c e sf o r h i g h v o l t a g ep a r to f t h e n on - s i l i c i de dPOLY r e s i s t o r s .A l o wa p p l i c a t i o n sl i k et h ewh i t eLED a n db a t t e ry c h a r g er .S o t em p e r a t u r eTEOS wa s us e da st h es i l i c i d eb l o c kf i l mh i g h l yi n t e g r a t e dc i r c u i t sb e c o m ea v e r y a t t r a c t i v ewi t h o u ta d d i n ge x t r at h e rm a lb u d g e tt ot h ef l o w.Due t os o l u t i o n[ 4 ] . t h ev er y s h al l ows o u r c ea n dd r a in j u n c t i on st h es i l i c i d e

b l o c ke t c hp r o c e s sh a s t ob e o p t i m i z e dt oa v o i ds i l i c o nTo t a k ea d v a n t a g eo f t h eh i g hg a t e d e n s i t yo f d e e p l o s sw h i c hw i l lc a u s es o u r c ea n dd r a i nj u n c t i o nl e a k a g e

s u bm i c r o nCMOS t e c h n o l o g i e sf o r n ex t g en er a t io n p r o b l em s .T h eb a c ke n dp r o c e s s e sa r et h es a m ea st h emo b i l ep h o n e p ow e rm a n a g e m e n tc i r c u i td e s i g n s ,20V b a s e 0 . 13 um t e c h no l o gy w i thl o w - k d i e l e c t r i ca n dd e v i c e sh a v eb e e na d d e di n t oa 0 . 13 um CMOS d i g i t a l c o p p e rp r o c e s s e s .

1 - 4 2 4 4 - 9 7 15 - 0 / 0 6 / $ 2 0 . 0 0 ) 2 0 0 6IEEE


2/4

F i g u r e1 i l l u s t r a t e st h e c r o s s - s e c t i o na lv ie ws o ft h e Ta b l e1 :E l e c t r i c a lp a r am e t e r sf o r1 . 5 VCMOS, h i g h20V DENMOS a n dDEPMOS.T h eN - b u r i e dimp l a n ti s v o l t a g e( 5t o2 0 V )D r a i n - e x t e n d e dMOS, Ve r t i c a lNPN,u s e d f o r DEPMOS a n d i s o l a t e dd e v i c e s .T h e P o l yR e s i s t o r ,a n dP l a t eCa p a c i t o rR s p / B V d s sf i g u r e - o f - m e r i ta r e0 . 1 9mQ - cm 2 / 2 6 Vf o rb o t ht h ei s o l a t e da n d t h en o n - i s o l a t e d20V DENMOS CMOS V t l I o n I o f fa n d0 . 6 mQ - c m 2 / 3 2 Vf o rt h e20V DEPMOS. F i g u r e3 ( vo l t ) ( u A / u m ) l o g ( A / um )a n d5 s h o wt h eg o o da g r e em e n tb e t w e e nt h eme a s u r e d 1 . 5 V 0 . 5 9 5 5 0 - 1 1 . 2a n ds imu l a t e dB V d s sp l o t s .An e p i t a x i a lg r ow t hp r o c e s s NMOSwa sn o t u s e dd u e t o t h ee x t r at h e rm a lc y c l ea n dc o s t . 1 . 5 V 0 . 5 2 2 0 0 - 1 1 . 2T h eN - d r i f ta n dP - r e g i o np r o f i l e sh a v et ob e e n g i n e e r e d PMOSt o m e e t k e y p a r am e t e rr e q u i r emen t sa n d wa f e rl e v e lr e l i a b i l i t yr e q u i r em e n t s( F i g u r e6 )f o rb o t hi s o l a t e da n d DEMOS V t l BVds s Rspn o n - i s o l a t e d20V DENMOS. ( v o l t ) ( v o l t ) (mQ* cm2 )

20V 0 . 8 5 2 6 0 . 1 9T h e N - b u r i e dp r o f i l ewa s o p t im i z e df o r b o t h DENMOS

i s o l a t e d20V DENMOS a n d20V DEPMOS.T h eP - d r i f t 20V 0 . 8 5 3 2 0 . 6 0a n dN - r e g i o nw e r ee n g i n e e r e df o rDEPMOSf o rb e s t DEPMOSd e v i c e p e r f o rm a n c e .F i g u r e s2 a n d 4 s h o wt h eI -V 20V I s o . 0 . 8 5 2 6 0 . 1 9c u r v e o f 20V DENMOS a n d DEPMOS. Wi t h t h e DENMOSi m p l em e n t a t i o no f 20V d ev i c e s , o t h e rd e v i c e ss u c ha s 1 5V 0 . 8 5 2 1 0 . 1 35V i s o l a t e dDENMOS,1 5 VDECMOS,9V S ymme t r i c DENMOSDENMOS a n dDEPMOS,Ve r t i c a lNPN, P o l yR e s i s t o r s ,1 5 V 0 . 8 5 2 2 0 . 4 2EEPROM, a n d OTP EPROM a r er e a l i z e da s w e l l . DEPMOSC o m b i n e dwi t ha h i g hp e r f o rm a n c ep l a t ec a p a c i t o r( o n e 9V Sym 0 . 7 0 2 1 0 . 2 8e x t r am a s k l e v e l ,SEM p i c t u r ei n F i g u r e 7 ) , t h i s DENMOSt e c h n o l o g yp r o v i d e so n eo f t h eb e s tc o m p o n e n ts e t sa n d 9V Sym 0 . 7 0 2 2 0 . 9 8c o s t - e f f e c t i v ef l ow sf o rSOC d e s i g n . DEPMOS

5 . 5 VI s o . 0 . 4 3 9 0 . 0 5C o n c l u s i o n DENMOS

H i g hv o l t a g e( 5t o2 0V )d e v i c e sw e r es u c c e s s f u l l yB i p o l a r H f e Va BVceoi m p l em e n t e di na 0 . 1 3 u mBiCMOS f l o wwi t ho n l yt w o ( v o l t ) ( v o l t )e x t r am a s kl e v e l sa n d w i t h o u ti n t r o d u c i n ga d d i t i o n a l ( v o l t ) ( o tt h e rm a lc y c l i n g .Be s i d e st h eh i g hv o l t a g ed e v i c e so t h e r N V P N c a l5 0 2 0 4 . 5a n a l o gc o m p o n e n t sa r es u ppo r t e di nt h i st e c h n o l o g yf o rt h eb e s td e s i g ni n t e g r a t i o na n d ma r ke tf l e x i b i l i t y.

R e s i s t o r R e s .A c k n o w l e d g m e n t ( Q / L )

P o l yHSR 4 8 0T h ea u t h o r swo u l dl i k et ot h a n kS h e l b yDunn f o r

h i sb e n c ht e s t i n gs uppo r ta n dt h eMSTD DCL t e a mi n C a p a c i t o rD e n s i t yBVd e v i c ec h a r a c t e r i z a t i o n .

( f F / uM2 )( vo l t )

P l a t e 1 . 4 25VR e f e r e n c e s C a p a c i t o r

[ 1 ]T .E f l a n de ta l . ,IEEE I S P SD ' 0 3 ,p p .2 -9[ 2 ]M. A n n e s ee ta l . ,IEEE I S P SD ' 0 5 ,p p .3 6 3 - 3 6 6[ 3 ]T .L e t a v i c ,e ta l . ,IEEE I S P SD ' 0 5 ,p p .3 6 7 - 3 7 0[ 4 ]5 .P e n d h a r k a re ta l . ,IEEE I S P SD ' 0 4 ,p p .4 1 9 - 4 2 2


3/4

BG S D BG 4 0 E 0 3' "~~~~~F i g .1- A

PR gio

1 . 0 E - 0 3 t --BG S D BG

0 . o E + 0 0| | | G a t e 0 - 5 -1 0 - 1 5 - 20

Vd ( V )[ -D r i f t X e U F i g u r e4 : 20V DEPMOSI -V c u r v e s ,V g sf r o m0 t o -

N - R e g i o n 3 . 3 V,s t e p- 0 . 3V.

F i g .1 - B N -B u r i e d

2 0VDEPMOSBV Measured v s S i m u l a t e dF i g u r e1 :C r o s s - s e c t i o n a lv i ew so f 20V DENMOS ( F i g . 91 - A ) ,20V DEPMOS( F i g .1 - B ) . - 1 0 o Mea s u r e d

-1 1 S imu l a t e d

. 2 - 1 25 . O E - 0 3- o _ 1 3 _ 2

- 1 50 - 1 0 - 2 0 - 3 0 - 4 0

2 . O E 0 3 - V d( V )1 . O E 0 3 F i g u r e5 : 20V DEPMOSB V d s sp l o t sme a s u r e dv s .

s im u l a t e dr e s u l t s .0 . O E + 0 00 5 1 0 1 5 2 0

Vd ( V )

F i g u r e2 :20V I s o l a t e dDENMOS I -Vc u r v e s ,V g sf r o m 1 0 0 . 0 0 %0 t o3 . 3 V,s t e p0 . 3 V. * d I d l i n

* d gm* I d s a t( f o rwa r d )

2 0VDENMOSBVMeasured v s S im u l a t e d10.00%

- 1 0 0 Me a s u r e d- , , ,-

- 121 -

x -13 , 1 . 0 0 %-1 4 X 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

-1 5 T im e( S e c )0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0

V d(V )1 0 2 0 2 5 3 0

F i g u r e 6 : 20V DENMOS wo r s t - c a s eb i a ss t r e s sVd(V ) ( V g s =1 . 5 V,V d s = 2 0 V )d e g r a d a t i o nf o rI d l i n ,I d s a t ,a n d

F i g u r e 3 : 20V DENMOS B V d s sp l o t sm e a s u r e dv s . Gm.s im u l a t e dr e s u l t s .


4/4

- ~~~~~~~~~~~ I

F i g u r e7 :SEMc r o s s - s e c t i o n a lv i e wo f aP l a t eCa p a c i t o rwh i c hi s o n t o p o f t h es h a l l o wt r e n c hi s o l a t i o n( ST I )s t r u c t u r ef o r b e t t er s u bs t r a t en o i s ei s o l a t i o n .

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