200V功率SOI-LIGBT器件热载流子退化机理及寿命模型研究

摘要

功率集成电路提高了整机系统的稳定性和可靠性，已在国民经济各领域中发挥了重要的作用。SOI(Silicon-On-Insulator, SOI)介质全隔离的实现有助于减小各种寄生效应，而横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)器件具有击穿电压高、导通电阻低且易与标准CMOS工艺兼容的特点，因此，SOI-LIGBT器件非常适用于功率集成电路。然而，SOI-LIGBT器件通常工作在高温、高压及大功率环境中，热载流子效应严重，同时，器件中特有的空穴电流分量又会加剧热载流子退化。因此SOI-LIGBT器件的热载流子可靠性问题将阻碍SOI-LIGBT器件及相关功率集成电路的进一步发展，迫切需要对其展开深入研究。
　　 本文通过借助Tsuprem4与Medici等仿真工具以及I-V特性法与电荷泵(CP)法等实测方法深入研究了PDP扫描驱动芯片用200V SOI-LIGBT器件的热载流子退化机理。研究结果表明：在低Vgs高Vds条件下的主要退化机理是热空穴注入积累区与靠近积累区的场氧化层，表现为器件导通电阻Ron在应力初期有所下降，随后又随着应力时间的增加而增加；而在高Vgs低Vds条件下的主要退化机理是热电子注入栅氧化层，表现为开启电压Vth的正向漂移。另外，本文还首次提出SOI-LIGBT器件的空穴电流分量对热载流子退化有重要影响。研究结果表明：由于空穴电流分量的存在导致SOI-LIGBT器件的热载流子退化程度明显强于具有相同工艺和结构参数的SOI-LDMOS器件。
　　 最后，本文基于SOI-LIGBT器件热载流子退化机理的研究结果建立了导通电阻Ron的热载流子退化寿命模型，并基于测试结果提取了模型中的相关参数。实验证明所建立的退化寿命模型可以较为准确地预测导通电阻的退化，从而为研制长寿命的SOI-LIGBT器件提供了可靠的理论指导。