厚膜SOI基高压横向IGBT器件研究

发布时间：2020-08-21 03:00

【摘要】：单片智能功率芯片是一种功能与结构高度集成化的高低压兼容芯片,其内部集成了高压功率器件、高低压转换电路及低压逻辑控制电路等。目前,被广泛应用于智能家电、新能源交通工具及智能机器人等高端领域,成为以上系统的核心元件之一。厚膜绝缘体上硅(Silicon On Insulator,SOI)工艺具有寄生参数小、隔离性能好及便于实现高低压集成等优点,成为单片智能功率芯片的首选工艺。在单片智能功率芯片中,基于厚膜SOI的高压横向绝缘栅双极晶体管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor,LIGBT)被用作开关器件,是该芯片中的核心器件。本文针对高压厚膜SOI-LIGBT器件的关态、导通态、开关过程的特性与鲁棒性进行了深入、系统性的研究。主要研究成果如下:1.在单片智能功率芯片中,高侧和低侧的高压SOI-LIGBT器件需要通过互连线来实现信号的传递,为了避免高压互连线造成的器件提前击穿,本文研究了高压互连线导致器件击穿电压下降的机理,提出了一种双沟槽高压互连线屏蔽技术。该技术采用双沟槽进行耐压,避免了在硅表面形成电场集中。实验结果表明,该技术可100%屏蔽高压互连线对击穿电压的影响,同时高压互连线下方的硅区域长度缩短了 66.7%,有效节省了芯片面积。2.为了降低芯片面积,大电流能力的高压SOI-LIGBT器件必不可少。本文提出了一种提升电流能力的U型沟道技术,该技术增大了注入到漂移区中的电子电流,且电子电流主要在硅表面流动,避免了多沟道技术的缺点。实验结果表明,采用U型沟道技术,SOI-LIGBT器件的电流密度提升了 177%,同时闩锁电压达到了 500V,击穿电压与比导通电阻的折中关系处于国际领先水平。3.为了消除电流能力提升对器件关断与短路鲁棒性造成的不良影响,本文研究了SOI-LIGBT器件在多跑道并联使用时的非一致关断行为,指出关断失效的根源是边界隔离沟槽所引起的非一致耗尽行为;本文通过在各跑道之间设置隔离沟槽,解决了器件关断失效的难题,改进后的SOI-LIGBT器件可在450V、饱和电流下正常关断。同时,本文还研究了 SOI-LIGBT器件的短路特性,提出了一种双沟槽栅极U型沟道SOI-LIGBT器件,在短路电流密度为590A/cm2时,器件的短路承受时间提高了 49%。4.为了降低单片智能功率芯片在高频工作条件下的功耗,本文提出了一种漂移区深槽氧化层耐压的快速关断技术。该技术在器件的漂移区中植入深槽氧化层,在保证耐压的同时缩短了漂移区的长度,大幅提高了的关断速度。实验结果表明,采用漂移区深槽氧化层耐压技术,SOI-LIGBT器件的关断损耗可减少59.6%,关断时间与电流密度的折中关系处于国际领先水平。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386
【图文】：

单片,架构,驱动级,功率级

逑图１．２单片智能功率芯片架构图逡逑如图１．２所示为典型的单片智能功率芯片架构图，主要包括驱动级和功率级两个部逡逑分，驱动级主要由栅极驱动电路和保护电路组成，而功率级一般由六个ＳＯＩ横向ＩＧＢＴ逡逑（ＳＯＩ邋ｌａｔｅｒａｌ邋ＩＧＢＴ，ＳＯＩ－ＬＩＧＢＴ）和六个续流二极管组成，这些功率器件以三相桥式的逡逑方式进行连接，用于连接高侧开关器件和低侧开关器件以及高侧开关器件和母线的互连逡逑线称为高压互连线。应智能功率模块需求，所集成的器件需要在高频、高压、大电流Yj逡逑极限条件下工作，开关功率器件（以ＳＯＩ－ＬＩＧＢＴ为主要代表＆１３１）的特性直接影响到整逡逑个单片智能功率芯片的功能和可靠性。逡逑首先，高侧和低侧的开关器件之间以及高侧开关器件和母线之间通过高压互连线连逡逑接，高压互连线通过硅的表面进行走线，跨越低压区域到高压区域进行信号传递，高压逡逑互连线上的高电压会对下方硅区域的表面电场产生影响

示意图,双沟,互连线,示意图

该种技术会造成器件的漏电变大。逡逑图１．３双沟槽高压互连线结构的三维示意图逡逑第五种解决方案是双沟槽技术［１（），９（），９１】。图１．３所示为双沟槽高压互连线屏蔽结构的逡逑三维示意图。如图所示，双沟槽（Ｔ１和Ｔ２）位于高压互连线的下方，沟槽外部为氧化逡逑层，内填多晶硅。当高压互连线施加高压时，双沟槽可以辅助耐压，从而避免了硅区域逡逑的电势集中；由于双沟槽的耐压作用，器件高压互连线下方区域的硅区域面积可以大幅逡逑缩小。该方案为本课题组所提出，能够避免上述四种方案的缺点，同时能够减少高压互逡逑连线区域的面积，深槽氧化层可以与ＳＯＩ工艺的隔离深槽同时形成，不需要额外的工艺逡逑步骤。逡逑１．２．３短路特性的研究现状与发展逡逑对ＳＯＩ－ＬＩＧＢＴ器件短路特性研宄的发展主要包括两个方面，一是理论研究的逐步深逡逑入，二是新型结构的不断提出，二者交替发展，关于短路能力设计的核心技术主要包括逡逑以下几种：逡逑第一种是深孔及深阱技术［＃７１］。如图１．４所示

示意图,器件,截面结构,深孔

东南大学博士学位论文层硅和衬底完全隔离，一般会留出一定距离的窗口（见图１．５），热量可向衬底，增加了器件的散热能力；同时，器件耐压时电势线可以通过该中，有利于增加器件的击穿电压；该种技术一般用于薄膜ＳＯＩ器件，并。逡逑发射极（Ｅ）邋栅极（Ｇ）逦集电极（Ｃ）逡逑

【参考文献】