智能功率模块用550V厚膜SOI-LIGBT短路特性的研究与优化

摘要

近年来，智能功率模块因其高集成度、高可靠性、低成本等优势已经被广泛应用于工业设备、航模航拍、新能源交通工具等领域。绝缘体上硅绝缘栅双极型晶体管(Silicon on insulator-lateral insulated gate bipolartransistor，SOI-LIGBT)作为智能功率模块中最基本的元器件之一，具有绝缘性能好、寄生电容小、泄漏电流小和集成度高等优点，然而，其结构中埋氧层的热传导率较低，顶层硅中器件工作时产生的热量难以及时散出，器件内部强烈的自热效应易导致其短路失效，此缺点阻碍了整个芯片品质的整体提升，因此研究SOI-LIGBT器件的短路能力具有重要意义。
　　本论文对SOI-LIGBT器件的短路特性进行了深入研究，从器件的结构和版图角度分别进行了设计。首先，本论文根据短路测试和模拟仿真结果确定了传统器件短路失效的原因为器件鸟嘴区电场与电流过于集中导致的该区域提前热击穿。然后，通过建立SOI-LIGBT器件在短路状态下的热模型，由此得到了器件关键结构参数和掺杂浓度对器件内部热分布的影响。进而，根据建模结果提出了一种载流子积累层槽栅蛇形沟道SOI-LIGBT器件(Carrier Storage Trench Snake-LIGBT，CSTS-LIGBT)，该器件采用了槽栅蛇形沟道结构和载流子积累层结构，最终实现了较强的短路能力。最后，本文对CSTS-LIGBT器件的工艺和版图进行了设计，以适应智能功率模块的应用。
　　流片测试结果表明:本论文所设计的CSTS-LIGBT器件在25℃条件下和200℃条件下，短路时间分别达到了27.4μs和7.6μs(Vge=5V，Vce=300V)，并且其它静态和动态参数相比于传统器件没有发生退化，满足了智能功率模块中的应用要求。

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摘要

第一章 绪论

1．1 智能功率模块与SOI-LIGBT

1．2 厚膜SOI-LIGBT器件短路特性优化设计的必要性与挑战

1．2．1 厚膜SOI-LIGBT器件短路特性优化设计的必要性

1．2．2 厚膜SOI-LIGBT器件短路特性优化设计的挑战

1．3 厚膜SOI-LIGBT器件结构国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文的主要工作与论文组织结构

1．4．1 主要工作及指标

1．4．2 论文组织结构

第二章 厚膜SOI-LIGBT工作原理及短路特性优化设计理论

2．1 厚膜SOI-LIGBT器件工作原理

2．1．1 耐压原理

2．1．2 导通原理

2．1．3 开关原理

2．2 厚膜SOI-LIGBT器件短路失效

2．2．1 厚膜SOI-LIGBT器件短路定义及过程

2．2．2 厚膜SOI-LIGBT器件短路失效机理

2．3 厚膜SOI-LIGBT器件短路特性优化设计理论

2．3．1 抗闩锁能力的提高

2．3．2 热特性的提高

2．3．3 抗过冲能力的提高

2．4 SOI-LIGBT器件短路能力提升的常见结构

2．4．1 PN间隔结构仿真分析

2．4．2 SB-PSOI结构仿真分析

2．4．3 U型沟道结构仿真分析

2．5 本章小结

第三章 550V厚膜SOI-LIGBT器件短路特性优化设计

3．1 550V厚膜SOI-LIGBT器件基本电学参数

3．1．1 击穿电压特性

3．1．2 电流能力特性

3．1．3 闩锁特性

3．1．4 高温及其可靠性特性

3．2 550V厚膜SOI-LIGBT器件短路测试结果与分析

3．2．1 短路测试及结果

3．2．2 模拟分析

3．3 550V厚膜SOI-LIGBT器件短路失效建模与改进结构

3．3．1 热失效建模

3．3．2 载流子积累层沟槽蛇形(CSTS-LIGBT)结构的提出

3．4 CSTS-LIGBT器件的设计与仿真分析

3．4．1 阈值设计

3．4．2 耐压设计

3．4．3 电流与短路折中设计

3．5 本章小结

第四章 550V厚膜CSTS-LIGBT器件结构的流片及测试

4．1 550V厚膜CSTS-LIGBT器件的工艺流程设计

4．2 550V厚膜CSTS-LIGBT器件的版图设计

4．3 550V厚膜CSTS-LIGBT器件的测试结果

4．3．1 阈值电压测试

4．3．2 耐压测试

4．3．3 电流测试

4．3．4 闩锁测试

4．3．5 短路测试

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的成果和发表的论文