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功率MOS集成电路作为功率集成电路发展的主流,将低压CMOS控制电路、保护监测电路和高压MOS功率器件集成在一起,显著提高整机系统的性能、集成度和稳定性,并降低其成本。功率MOS集成电路通常在高压、大电流、高温、高频等高应力的环境中工作,这使得其可靠性问题显得尤为突出,己成为功率MOS集成电路进一步发展、应用的技术瓶颈。因此,围绕功率MOS集成电路可靠性问题的研究具有十分重要的意义。
本文在回顾功率MOS器件及集成电路的可靠性研究现状的基础上,首先详细研究了高压LEDMOS器件的热载流子问题,包括在不同应力条件下,高压LEDMOS主要电参数的退化现象,借助TCAD模拟软件及电荷泵测试来验证热载流子注入、俘获及陷阱产生等物理机制产生的不同作用;同时揭示了由于Si/SiO2表面的陷阱产生以及热电子的注入和俘获导致了高压LEDMOS器件在不同的应力条件下产生不同的电参数退化机理,第一次揭示了厚栅氧化pLEDMOS的热载流子效应机理,并提出了一种新型的FO-pLEDMOS结构改善了热载流子效应参数退化问题。在热载流子效应研究的基础上,重点分析了GG-nLEDMOS器件在ESD脉冲下的电流响应特性,研究其在整个ESD脉冲过程中的晶格温度和总热量的分布以及器件的瞬态响应特性,并最终设计nLEDMOS器件的高压ESD结构,提高了器件耐ESD水平,在ESD保护器件成功研制的基础上,设计了功率MOS集成电路高压端的ESD保护电路。论文借助Medici软件分析再现了功率MOS集成电路在闩锁失效时的大电流持续、晶格温度剧升的失效过程,找到了高低压间闩锁的独特触发因素,在此基础上,根据实际功率芯片的版图,提出一种新颖的抗闩锁全面方案:在高低压部分各自增加多子保护环,在高低压之间增加少子保护环。
本方在上述可靠性研究的基础上,应用了所设计的高可靠性LEDMOS器件及各种保护结构完成了PDP行列驱动芯片的设计,芯片在华润上华半导体有限公司进行了流片,流片测试结果表明所设计的驱动芯片的各项指标符合预期设计要求,并最终成功应用于四川长虹及南京华显高科研制的彩色大屏幕PDP显示器。本论文相关研究成果已有6项中国发明专利授权和1项国际发明专利,获得2008年度江苏省科技进步一等奖l项。