550V厚膜SOI-LIGBT热载流子退化机理及寿命模型研究

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厚膜绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管(Silicon On Insulator-Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor,SOI-LIGBT)具有耐压高、输出能力强和易于集成等优点,是理想的功率半导体输出器件,在功率集成电路领域得到了广泛的应用。然而,厚膜SOI-LIGBT器件长期工作在高压和大电流条件下,器件内部存在严重的热载流子注入(Hot Carrier Injection, HCI)效应,使得器件电学性能会随时间逐渐退化,进而影响器件及芯片的寿命。因此,厚膜SOI-LIGBT器件的HCI退化机理研究及寿命模型建立对器件可靠性优化和寿命评估具有重要意义。本文首先确定了550V厚膜SOI-LIGBT器件HCI退化的最坏栅压应力为15V,并揭示了最坏应力下器件HCI退化机理为沟道区的界面态产生与热电子注入。然后,研究了阳极电压Vac应力对器件HCI退化的影响,研究表明,在低Vac应力时,沟道区电场会随Vac的增大而增大,导致器件HCI退化不断增加;而在高Vac应力时,受栅极场板和阴极金属场板电场屏蔽作用及Kirk效应影响,器件HCI退化与Vac无关。论文还研究了结构参数对器件HCI退化的影响,结果表明,增加沟道长度、积累区长度及N-buffer长度,可以降低器件HCI退化。最后,基于退化机理研究,提出了两种高HCI可靠性新结构:阳极N+/P+间隔结构与沟道电场屏蔽结构,实验验证这两种结构均可提高器件HCI可靠性。此外,本文还基于退化机理进一步建立了厚膜SOI-LIGBT器件饱和电流和阈值电压的退化寿命模型,验证结果显示该模型误差小于7%,从而为厚膜SOI-LIGBT器件的可靠性优化和寿命评估提供了理论指导。
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