🧩 HV-CMOS（High Voltage CMOS）

📘 概要｜Overview

HV-CMOS（高耐圧CMOS） は、標準CMOSプロセスに準拠しながら高電圧動作を可能にしたMOSデバイス技術です。
HV-CMOS (High Voltage CMOS) enables high-voltage operation while maintaining compatibility with standard CMOS processes.

主に以下の用途で使用されます：
Main application areas include:

ゲートドライバ（パワーFETの制御）
Gate drivers for power FETs
アナログ制御回路（電源ライン監視など）
Analog control circuits such as power monitoring
高耐圧I/Oセル（5V〜30V駆動のインタフェース）
High-voltage I/O cells for interfaces (5V–30V)

👉 LDMOSが構造的に高耐圧化されるのに対し、HV-CMOSは標準CMOSの延長として制御性・集積性を重視
👉 Unlike LDMOS, which is structurally enhanced for high voltage, HV-CMOS extends CMOS compatibility with better control and integration.

🏗️ 構造と特徴｜Structure and Features

【HV-NMOS構造例｜Example HV-NMOS Structure】

flowchart TB
    Gate["Gate : Poly"]

    subgraph Device [HV-NMOS Structure]
        LDD["LDD領域 : Drain Extended Region"]
        Nplus["N+ Drain"]
        Nminus["N- Drift Region"]
        Psub["P- Substrate"]
    end

    Gate --> LDD
    LDD --> Nplus
    LDD --> Nminus
    Nminus --> Psub

→ 多重ウェル構造（Deep N-Well）でSub絶縁 → 厚膜酸化によるゲート耐圧向上

特徴｜Features	説明｜Description
ドレイン拡張領域 Drain Extended Region	電界集中を緩和し、BVdss向上 Reduces field crowding to increase breakdown voltage
厚ゲート酸化膜 Thick Gate Oxide	5V以上の高電圧に対応可能 Supports operation at 5V and above
多重ウェル絶縁構造 Deep Well Isolation	Substrateノイズや干渉を抑制 Suppresses substrate noise and coupling
CMOS互換性 CMOS Compatible	ロジックと同時設計が可能 Enables integration with logic design

📏 動作電圧とデバイス寸法

Operating Voltage vs Device Parameters

動作電圧｜Operating Voltage	Tox（nm）	L（μm）	備考｜Remarks
1.8 V	約 3.0〜4.0	約 0.18〜0.24	標準ロジック｜Standard Logic
3.3 V	約 7.0〜8.0	約 0.35〜0.5	IOセル｜I/O CMOS
5.0 V	約 11〜13	約 0.6〜1.0	一般HV｜General HV
20 V	約 30〜35	約 2.0〜3.0	厚酸化膜＋ドレイン拡張あり
40 V	約 55〜65	約 4.0〜6.0	NMOSのみ構成されることが多い

⚠️ 上記数値はPDKやプロセス仕様により異なる場合があります。
Values vary depending on PDK and process.

🧪 応用例｜Applications

用途	説明
ゲートドライバ Gate Driver	高電圧スイッチングFETの制御 Control of high-voltage switching FETs
電源モニタ Power Monitor	高耐圧入力で電圧を監視・検出 Voltage monitoring and detection with high-voltage input
フルブリッジ制御 H-Bridge Control	上下のHVトランジスタを対で駆動可能 Enables driving of upper and lower HV transistors in pairs

🔁 プロセスフロー順序｜Process Flow Order

✅ 熱履歴の大きいHV工程を先行
HV steps with high thermal budget (e.g., thick oxidation, drift implantation) are done first.
✅ 後段で標準CMOSロジック形成
Standard logic with thin gate oxide is fabricated after HV steps to prevent degradation.

👉 順序を誤ると、ロジックMOSの特性劣化（Vthシフト、リーク増加）が生じる
👉 Incorrect order may cause logic degradation due to thermal stress.

⚠️ 信頼性と環境耐性｜Reliability & Environmental Vulnerability

項目 Concern	説明 Description	対策 Countermeasures
COP影響 COP Defect	シリコン結晶起因の局所欠陥が、HV領域でリークや絶縁破壊を誘発 Local defects originating from silicon crystal may induce leakage or dielectric breakdown in HV regions	ウエハテストで HVスクリーニング実施 Perform HV screening in wafer test
熱ストレス Thermal Stress	厚膜酸化・ドレイン拡張が熱により劣化しやすい Thick oxide and drain extension are prone to degradation under thermal stress	HTOL試験、放熱レイアウト、SOA管理 HTOL test, thermal dissipation layout, SOA management
光感受性 Photo Sensitivity	光による光起電流で誤動作・リークが発生 Photogenerated current may cause malfunction or leakage	ALメタルガードリング、遮光樹脂使用 Al metal guard ring, use of light-shielding resin

🛡️ 耐圧設計の実装技術｜Breakdown Voltage Enhancement Techniques

🔸 ドレインオーバー構造とアニール

Drain Extension and Long-Time Anneal

耐圧確保のために、ドレイン側を広げてLDD領域を確保し、
約24時間の高温アニール（例：1000℃）を行うことで、拡散プロファイルを滑らかにする。

Smooth doping gradient in drift region reduces peak field and enhances BVdss.

🔸 GNDガードリングと遮光

GND Guard Ring and Optical Shielding

NMOSの周囲には、GND接続されたP+ガードリングを配置
光照射や基板電流を遮断する目的で、上層にAlメタルを重ねた遮光構造を施すこともある。

【レイアウト例｜Guard Ring Layout】

flowchart TB
    subgraph Metal["Metal Shield (Al)｜光遮蔽"]
        subgraph Guard["GND Guard Ring (P+)｜寄生防止"]
            Core["HV-NMOS Core"]
        end
    end

GND-tied guard ring and metal shielding suppress light-induced and parasitic effects.

📚 教材的意義｜Educational Relevance

高耐圧設計の実装構造と信頼性対策を理解できる
Understand both layout-level and process-level HV design techniques
標準CMOSとの製造順序・構造の違いを体系的に整理可能
Compare and integrate HV CMOS with baseline logic
センサ／PMIC／混載SoCのアナログ高電圧設計に必須の知識
Essential knowledge for analog and mixed-signal SoC design

🔗 関連リンク｜Related Topics

📘 応用編第2章｜高耐圧デバイス全体README：章全体の構成と関連技術の導入
Chapter 2 Top: Overview of high-voltage devices and structure of this section
ldmos.md：LDMOSによる高電流対応技術
High-current structure using LDMOS
junction_isolation.md：寄生素子を防ぐ絶縁設計
Isolation techniques to suppress parasitics
chapter5_soc_design_flow：アナログブロックとSoC設計統合
Integration of analog blocks into SoC design