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功率绝缘体上硅的绝缘栅双极型晶体管(SOI-LIGBT)器件兼有双极型三极管(BJT)电流能力强和横向扩散金属氧化物半导体管(LDMOS)开关速度快的双重优势,是多个中高压功率集成电路中的重要功率器件,更是新一代等离子显示板(PDP)行驱动芯片中的核心器件。然而SOI-LIGBT器件自身面临的许多可靠性问题却制约着其进一步发展,可惜的是,目前关于SOI-LIGBT器件可靠性的研究报道却还十分有限,因此,对功率SOI-LIGBT器件可靠性机理的研究至关重要。
论文基于新一代等离子显示板(PDP)中行驱动芯片国产化过程中的核心器件可靠性攻关需求,重点研究了SOI-LIGBT器件的热载流子退化特性、静电/过电泄放(ESD/EOS)响应特性、温度效应及槽介质耐压退化等可靠性问题,基于研究结果提出了高可靠的SOI-LIGBT器件,成功应用于PDP行驱动芯片,并通过了国内外多家整机用户的系统可靠性考核。该芯片目前累计已销售超百万颗。在课题的研究过程中,先后在IEEETED、IEEETDMR及IEEEISPSD等国内外核心期刊和国际会议上发表论文十余篇,先后取得授权发明专利15项,另申请国家发明专利10项,国际专利1项。论文取得的主要创新成果如下:
1、研究并揭示了SOI-LIGBT器件在低栅压高阳极电压、高栅压低阳极电压两种典型工作应力条件下的热载流子退化机理及抑制方法。在低栅压高阳极电压应力条件下,器件热载流子退化主要为积累区及其附近场氧区的热空穴注入,导致导通电阻先降后升;在高栅压低阳极电压应力条件下,器件退化主要为沟道区的热电子注入,导致开启电压和导通电阻增大。研究还发现器件阳极下方埋氧化层表面的热空穴注入会导致击穿电压的正向漂移。基于以上研究结果提出了SOI-LIGBT器件中热载流子退化的抑制方法,使器件寿命提升近10倍;
2、提出了一套SOI-LIGBT器件热载流子寿命的建模方法,建立了SOI-LIGBT器件导通电阻的热载流子寿命模型,模型误差小于20%。该模型可用于电路级热载流子寿命仿真,以预测全芯片在工作条件下的热载流子寿命;
3、研究了静电应力下SOI-LIGBT器件在正向阻断区、回滞区、维持区和二次击穿区的响应特性,证明了SOI-LIGBT器件在静电应力下具有触发电压低、响应速度快等优势,并由此提出了一种同时满足高电流密度和高ESD鲁棒性要求的SOI-LIGBT器件,电流能力提升12%、ESD鲁棒性提升27%;
4、研究了SOI-LIGBT器件在过电应力下的扩展安全工作区特性,证明了SOI-LIGBT器件的电导率调制效应抑制了器件Kirk效应的发生,并由此提出了采用深P阱替代传统的P型体区结构,有效提升了器件扩展安全工作区可靠性;
5、提出了一种双槽隔离结构中的电压分布模型,并基于相关分析提出了一种槽介质隔离底部埋氧化层过刻蚀的优化工艺。该工艺有效抑制了槽隔离的局部击穿,使介质隔离的耐压提升30%左右,从而有效提升了SOI-LIGBT器件的集成可靠性。