550V厚膜SOI-LIGBT器件可靠性研究.pdf

1、厚膜絕緣體上硅(SOI)工藝具有隔離性能好、抗輻射能力強和寄生參數(shù)小等優(yōu)點，而橫向絕緣柵極極型晶體管(LIGBT)器件具有擊穿電壓高、電流能力強及可集成的特點，因此厚膜SOI-LIGBT器件受到了功率集成電路的青睞，在智能家電、電動汽車、工業(yè)控制和顯示驅(qū)動等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，成為未來智能功率集成電路的核心元件之一。然而，厚膜SOI-LIGBT器件實際工作過程中的外部靜電沖擊、高工作電壓、大電流密度、功耗帶來的自熱效應(yīng)等問題導(dǎo)致器件在實

2、際工作過程中面臨著嚴峻的可靠性問題。這些可靠性問題決定了芯片的可靠性等級和應(yīng)用范圍，限制了智能功率集成電路的進一步發(fā)展。因此，本文針對厚膜SOI-LIGBT器件最為關(guān)鍵的靜電泄放(ESD)沖擊、熱載流子(HCI)損傷和閂鎖效應(yīng)(Latch-up)三個方面的可靠性問題進行了系統(tǒng)的研究。該研究對厚膜SOI-LIGBT器件和相應(yīng)功率集成電路的可靠性評估具有實際參考意義，對厚膜SOI-LIGBT的可靠性優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。本文的主要工

3、作和創(chuàng)新如下:
　　1、研究了厚膜SOI-LIGBT器件在ESD沖擊下柵極耦合階段、電壓回滯階段和電壓維持階段的響應(yīng)特性，揭示了器件在ESD沖擊下的失效機理?；陧憫?yīng)特性和失效機理的研究建立了厚膜SOI-LIGBT器件的ESD響應(yīng)特性的行為模型，模型誤差在10％以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種高魯棒性的柵電極分段接地結(jié)構(gòu)SOI-LIGBT器件。該器件在損失一定電流能力(5-10％)的情況下顯著提升了器件的ESD能力（大于20％）。

4、r>　　2、揭示了厚膜SOI-LIGBT器件的HCI退化機理，并指出漂移區(qū)的損傷對厚膜SOI-LIGBT性能退化幾乎沒有影響。研究發(fā)現(xiàn)，器件的最壞HCI應(yīng)力為高柵極電壓應(yīng)力，最壞應(yīng)力下的HCI退化主要由器件溝道區(qū)的界面態(tài)產(chǎn)生和熱電子注入主導(dǎo)。研究了器件開關(guān)轉(zhuǎn)換階段的損傷在整個應(yīng)力過程中的作用，從而建立了器件在動態(tài)應(yīng)力下的HCI退化壽命模型，模型的最大誤差小于7％。
　　3、提出了兩種高HCI可靠性的SOI-LIGBT新結(jié)構(gòu)。其中陽

5、極N+環(huán)結(jié)構(gòu)可以通過折中器件電流能力的方式有效降低器件的HCI退化，而鳥嘴處帶有額外P型區(qū)結(jié)構(gòu)器件可以在不影響器件其它性能的情況下顯著提升器件的HCI可靠性。
　　4、分析了厚膜SOI-LIGBT器件的閂鎖機理。建立了器件中空穴電流的模型，所建空穴電流模型的均方根誤差小于1％，最大誤差小于3％。進而完成了器件的閂鎖電壓模型，該模型考慮了溫度對器件閂鎖安全工作區(qū)的影響。
　　5、提出了兩種高抗閂鎖能力SOI-LIGBT器件結(jié)構(gòu)