高壓SOi-pLDMOS器件可靠性機(jī)理及模型研究.pdf

1、絕緣體上硅(SOI)功率集成器件具有集成密度高、靜態(tài)功耗低、開(kāi)關(guān)速度快及抗閂鎖能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而p型橫向雙擴(kuò)散MOS器件(pLDMOS)作為高邊驅(qū)動(dòng)可以簡(jiǎn)化功率集成電路的復(fù)雜度，減小芯片面積，因此，SOI-pLDMOS器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于平板顯示驅(qū)動(dòng)芯片、浮柵驅(qū)動(dòng)芯片、電源管理芯片及音頻功放芯片等諸多功率集成電路中。近年來(lái)，新型SOI-pLDMOS器件不斷涌現(xiàn)，其開(kāi)關(guān)特性、電流密度及擊穿能力等電學(xué)特性已大幅提升，但其自身面臨的可靠性問(wèn)題卻依

2、然嚴(yán)重，甚至成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，迫切需要對(duì)SOI-pLDMOS的可靠性機(jī)理及相關(guān)模型展開(kāi)深入研究，這對(duì)研制長(zhǎng)壽命SOI-pLDMOS器件及相關(guān)功率集成電路具有重要意義。
　　本文從系統(tǒng)應(yīng)用需求出發(fā)，詳細(xì)研究了SOI-pLDMOS器件的熱載流子退化、dv/dt應(yīng)力損傷及靜電泄放(ESD)失效等可靠性問(wèn)題，揭示了其可靠性內(nèi)在機(jī)理，建立了相應(yīng)的表征模型;進(jìn)而基于研究結(jié)果，提出了高可靠的SOI-pLDMOS器件，并成功應(yīng)用于高壓顯

3、示驅(qū)動(dòng)芯片。在課題研究過(guò)程中，以第一作者發(fā)表SCI論文10篇，參加國(guó)際會(huì)議4次，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利10項(xiàng)（1項(xiàng)已授權(quán)），此外，本文的研究成果已作為重要內(nèi)容榮獲2013年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)（第4完成人）。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴揭示了SOI-pLDMOS器件在Ibmax應(yīng)力下的熱載流子退化機(jī)理為溝道區(qū)界面態(tài)產(chǎn)生和柵極金屬場(chǎng)板末端熱電子注入氧化層，而Igmax應(yīng)力下的退化機(jī)理為溝道區(qū)和漂移區(qū)均有界面態(tài)產(chǎn)生，且溝道區(qū)還有大量的熱空穴

4、注入柵氧化層;進(jìn)而基于退化機(jī)理，建立了SOI-pLDMOS器件熱載流子退化壽命模型，模型的誤差小于2％。⑵提出了一種帶有倒置HV-nwell的新型SOI-pLDMOS器件，該器件不僅可以將器件關(guān)態(tài)擊穿電壓和開(kāi)態(tài)電流密度分別提升11.3％和10％，還能有效地減小器件的熱載流子退化程度，將器件的工作壽命延長(zhǎng)25％。⑶揭示了SOI-pLDMOS器件在dv/dt應(yīng)力下的失效機(jī)理為反向恢復(fù)電流觸發(fā)寄生PNP三極管，并建立了SOI-pLDMOS器件

5、的dv/dt應(yīng)力失效模型，模型誤差小于8％;進(jìn)而提出了一種源端帶有高濃度n++注入層的新型SOI-pLDMOS器件結(jié)構(gòu)，該器件可以在不影響常規(guī)電學(xué)特性的前提下，有效地抑制寄生三極管的觸發(fā)，將SOI-pLDMOS器件抗擊dv/dt沖擊能力提升34％。⑷發(fā)現(xiàn)了SOI-pLDMOS器件的ESD響應(yīng)行為曲線沒(méi)有類似n型高壓器件的snapback現(xiàn)象，只分為阻斷區(qū)、雪崩區(qū)和二次擊穿區(qū)，并研究了器件在不同響應(yīng)區(qū)域的電流路徑、碰撞電離率分布及熱點(diǎn)轉(zhuǎn)移

6、的內(nèi)在機(jī)理，進(jìn)而基于響應(yīng)機(jī)理，建立了SOI-pLDMOS器件的ESD響應(yīng)特性行為模型，模型的誤差小于7％。⑸提出了一種帶有雙高壓阱的新型SOI-pLDMOS器件，該器件可以在不增加任何光刻版次的條件下，將器件ESD魯棒性提升50％，同時(shí)還可以將器件關(guān)態(tài)擊穿電壓提升13％。⑹基于提出的高可靠SOI-pLDMOS器件，研制了一款SOI基高壓顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片已順利通過(guò)韓國(guó)三星、四川長(zhǎng)虹等國(guó)內(nèi)外用戶的各項(xiàng)可靠性考核，累計(jì)獲得用戶超百萬(wàn)顆的實(shí)