厚膜SOI基高压横向IGBT器件研究

摘要

单片智能功率芯片是一种功能与结构高度集成化的高低压兼容芯片，其内部集成了高压功率器件、高低压转换电路及低压逻辑控制电路等。目前，被广泛应用于智能家电、新能源交通工具及智能机器人等高端领域，成为以上系统的核心元件之一。厚膜绝缘体上硅(Silicon OnInsulator，SOI)工艺具有寄生参数小、隔离性能好及便于实现高低压集成等优点，成为单片智能功率芯片的首选工艺。在单片智能功率芯片中，基于厚膜SOI的高压横向绝缘栅双极晶体管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，LIGBT)被用作开关器件，是该芯片中的核心器件。本文针对高压厚膜SOI-LIGBT器件的关态、导通态、开关过程的特性与鲁棒性进行了深入、系统性的研究。主要研究成果如下:
　　1.在单片智能功率芯片中，高侧和低侧的高压SOI-LIGBT器件需要通过互连线来实现信号的传递，为了避免高压互连线造成的器件提前击穿，本文研究了高压互连线导致器件击穿电压下降的机理，提出了一种双沟槽高压互连线屏蔽技术。该技术采用双沟槽进行耐压，避免了在硅表面形成电场集中。实验结果表明，该技术可100％屏蔽高压互连线对击穿电压的影响，同时高压互连线下方的硅区域长度缩短了66.7％，有效节省了芯片面积。
　　2.为了降低芯片面积，大电流能力的高压SOI-LIGBT器件必不可少。本文提出了一种提升电流能力的U型沟道技术，该技术增大了注入到漂移区中的电子电流，且电子电流主要在硅表面流动，避免了多沟道技术的缺点。实验结果表明，采用U型沟道技术，SOI-LIGBT器件的电流密度提升了177％，同时闩锁电压达到了500V，击穿电压与比导通电阻的折中关系处于国际领先水平。
　　3.为了消除电流能力提升对器件关断与短路鲁棒性造成的不良影响，本文研究了SOI-LIGBT器件在多跑道并联使用时的非一致关断行为，指出关断失效的根源是边界隔离沟槽所引起的非一致耗尽行为;本文通过在各跑道之间设置隔离沟槽，解决了器件关断失效的难题，改进后的SOI-LIGBT器件可在450V、饱和电流下正常关断。同时，本文还研究了SOI-LIGBT器件的短路特性，提出了一种双沟槽栅极U型沟道SOI-LIGBT器件，在短路电流密度为590A/cm2时，器件的短路承受时间提高了49％。
　　4.为了降低单片智能功率芯片在高频工作条件下的功耗，本文提出了一种漂移区深槽氧化层耐压的快速关断技术。该技术在器件的漂移区中植入深槽氧化层，在保证耐压的同时缩短了漂移区的长度，大幅提高了的关断速度。实验结果表明，采用漂移区深槽氧化层耐压技术，SOI-LIGBT器件的关断损耗可减少59.6％，关断时间与电流密度的折中关系处于国际领先水平。

目录

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摘要

符号、变量、缩略词注释表

第一章 绪论

1．1 单片智能功率芯片与厚膜SOI工艺

1．1．1 单片智能功率芯片

1．1．2 厚膜SOI工艺与SOI-LIGBT器件

1．2 厚膜SOI-LIGBT器件的研究现状与发展

1．2．1 关断特性的研究现状与发展

1．2．2 互连线技术的研究现状与发展

1．2．3 短路特性的研究现状与发展

1．2．4 电流能力提升技术的研究现状与发展

1．3 论文的主要工作与意义

第二章 应用于高压厚膜SOI-LIGBT器件的互连线技术研究

2．1 高压互连线对击穿电压的不良影响

2．1．1 厚膜SOI-LIGBT器件的耐压原理

2．1．2 高压互连线导致击穿电压下降的机理

2．2 新型等深双沟槽互连线技术研究

2．3 新型非等深双沟槽互连线技术研究

2．4 本章小结

第三章 高压厚膜SOI-LIGBT器件的电流密度提升技术研究

3．1．1 传统单沟道SOI-LIGBT器件的导通原理

3．1．2 电流密度与闩锁电压的折中关系

3．2 新型U型沟道电流密度提升技术

3．2．1 传统多沟道电流密度提升技术

3．2．2 U型沟道技术

3．2．3 改进型U型沟道技术

3．3 本章小结

第四章 高压厚膜SOI-LIGBT器件的关断与短路鲁棒性研究

4．1．2 多跑道并联SOI-LIGBT器件的非一致性关断特性

4．1．3 非一致性关断行为的改进

4．2 高压厚膜SOI-LIGBT器件的短路鲁棒性研究

4．2．1 厚膜SOI-LIGBT器件的短路过程与失效类型

4．2．2 新型双栅控制深槽氧化层厚膜SOI-LIGBT器件及其短路能力

4．2．3 新型沟槽栅U型沟道厚膜SOI-LIGBT器件及其短路能力

4．2．4 平面栅与沟槽栅U型沟道厚膜SOI-LIGBT器件的短路特性对比

4．3 本章小结

第五章 高压厚膜SOI-LIGBT器件的快速关断技术研究

5．1 新型漂移区双沟槽SOI-LIGBT器件及其关断特性

5．2 新型漂移区三沟槽SOI-LIGBT器件及其关断特性

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

博士期间研究成果