功率集成电路中高压MOS器件及其可靠性的研究

摘要

功率集成电路将低压控制电路、保护电路和高压功率MOS器件集成在一起，显著提高了整机的集成度和稳定性，降低了成本。功率MOS器件是功率集成电路的核心，直接影响电路的性能和质量。因此，对功率MOS器件及其可靠性进行研究很有意义。本论文的工作主要分为两部分：NLDMOS的可靠性问题研究和PDP扫描驱动芯片中PEDMOS的优化设计研究。
　　 本文研究的NLDMOS的可靠性问题主要包括热载流子效应和关态雪崩击穿下性能参数的退化。NLDMOS的热载流子效应已经有大量的研究报导，但不同研究人员的实验现象与结论有所不同，还有待于深入探讨。而NLDMOS器件在关态雪崩击穿下的退化，则是UIS状态下一种特殊的可靠性问题，目前研究尚少。因此，本文的研究对器件的可靠性设计及其评估体系具有参考价值。
　　 PDP扫描驱动芯片的研发是浙江省科技计划项目。针对研发过程中出现的芯片HV—PEDMOS器件击穿电压偏低，限制了整体电路耐压性能的情况，本论文研究了提高该高压器件耐压的解决方案，并获得了良好的实测改进结果。
　　 本论文的主要工作包括：
　　 1、采用直流电压应力实验、TCAD仿真、电荷泵测试等方法，分别对UG—NLDMOS和SG—NLDMOS两种不同结构器件的热载流子效应进行了详细的研究，揭示了这两种器件存在着的不同退化机制： UG—NLDMOS的热载流子效应主要发生在靠近漏极的侧墙区，界面态的增加是退化的主要机制。SG—NLDMOS的热载流子效应与栅压相关，中等栅压时发生在多晶硅场板台阶下的积累区，界面态和氧化层陷阱正电荷同时发生作用；高栅压时退化主要发生在靠近漏极的侧墙区，界面态起主导作用。退化机制不同，需要采用的优化设计方法也不同。本文的研究表明，UG—NLDMOS和SG—NLDMOS的热载流子效应主要发生在漂移区，导通电阻是最敏感的退化参数；沟道区的热载流子效应可以忽略，阈值基本不发生变化。NLDMOS的热载流子效应与普通的NMOS存在显著的差别。
　　 2、对NLDMOS在关态雪崩击穿下的退化现象进行了研究。采用电流脉冲应力实验、TCAD仿真、电荷泵测试等方法，分析了UG—NLDMOS和SG—NLDMOS在关态雪崩击穿下的退化现象、影响因素，提出了退化机制，比较了与热载流子效应的区别与联系。
　　 3、对一种应用于PDP扫描驱动芯片中的高压PEDMOS器件进行了优化设计。原芯片中驱动管NVDMOS的击穿电压为180V，而PEDMOS的击穿电压为170V，使得整体芯片的耐压受限只达到170V，相对于160V的正常工作电压，裕量不足。通过对器件的结构参数和工艺参数的优化，将高压PEDMOS的击穿电压提高到了185V，使得整体驱动芯片的耐压达到180V，满足了系统需求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:缩略词表

声明

致谢

1 绪论

1.1 功率集成电路中的MOS器件简介

1.1.1 LDMOS器件

1.1.2 VDMOS器件

1.1.3新型器件

1.2 MOS器件的可靠性问题

1.2.1 热载流子效应

1.2.2 关态雪崩击穿下的可靠性

1.3 本课题的主要工作及章节安排

2 热载流子效应的原理和研究方法

2.1 热载流子效应的微观机理

2.1.1 界面态和氧化层陷阱电荷

2.1.2 NMOS的热载流子效应

2.2 热载流子效应的研究方法

2.2.1 应力实验方法

2.2.2 TCAD仿真方法

2.2.3 电荷泵测试方法

2.3 本章小结

3 NLDMOS器件的热载流子效应研究

3.1 UG-NLDMOS的热载流子效应

3.1.1 UG-NLDMOS的结构

3.1.2 直流电压应力实验

3.1.3 TCAD仿真分析退化机制

3.1.4 Ndd注入剂量的影响

3.1.5积累区长度的影响

3.1.6寿命模型的验证

3.1.7 UG-NLDMOS与NMOS的对比

3.2 SG-NLDMOS的热载流子效应

3.2.1 SG-NLDMOS的结构

3.2.2 直流电压应力实验

3.2.3 TCAD仿真分析退化机制

3.2.4 电荷泵测试

3.2.5 SG-NLDMOS的退化机制

3.2.6 Ndd注入剂量的影响

3.2.7 Ld的影响及寿命模型的验证

3.3 NLDMOS热载流子效应的总结

3.3.1 两种NLDMOS热载流子效应的比较

3.3.2实验中的异常现象

3.4 改善NLDMOS热载流子效应的方法

3.5 本章小结

4 NLDMOS器件在关态雪崩击穿下的退化

4.1 UG-NLDMOS的BV退化

4.1.1 电流脉冲应力实验

4.1.2 Ndd注入剂量的影响

4.2 SG-NLDMOS的BV退化

4.2.1 电流脉冲应力实验

4.2.2电荷泵测试

4.2.3 退化机制的确定

4.2.4 Ndd注入剂量的影响

4.3 热载流子效应与BV退化的比较

4.4 本章小结

5 等离子扫描驱动芯片中高压MOS器件的优化设计

5.1 PDP扫描驱动芯片简介

5.2 器件的优化设计

5.2.1 PDP扫描驱动芯片中高压器件

5.2.2 HV-NVDMOS的分析

5.2.3 HV-PEDMOS的优化设计

5.3 器件版图及工艺

5.4 测试结果

5.5 本章小结

6 总结及展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果