【摘要】：單片智能功率芯片是一種功能與結構高度集成化的高低壓兼容芯片,其內部集成了高壓功率器件、高低壓轉換電路及低壓邏輯控制電路等。目前,被廣泛應用于智能家電、新能源交通工具及智能機器人等高端領域,成為以上系統(tǒng)的核心元件之一。厚膜絕緣體上硅(Silicon On Insulator,SOI)工藝具有寄生參數小、隔離性能好及便于實現高低壓集成等優(yōu)點,成為單片智能功率芯片的首選工藝。在單片智能功率芯片中,基于厚膜SOI的高壓橫向絕緣柵雙極晶體管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor,LIGBT)被用作開關器件,是該芯片中的核心器件。本文針對高壓厚膜SOI-LIGBT器件的關態(tài)、導通態(tài)、開關過程的特性與魯棒性進行了深入、系統(tǒng)性的研究。主要研究成果如下:1.在單片智能功率芯片中,高側和低側的高壓SOI-LIGBT器件需要通過互連線來實現信號的傳遞,為了避免高壓互連線造成的器件提前擊穿,本文研究了高壓互連線導致器件擊穿電壓下降的機理,提出了一種雙溝槽高壓互連線屏蔽技術。該技術采用雙溝槽進行耐壓,避免了在硅表面形成電場集中。實驗結果表明,該技術可100%屏蔽高壓互連線對擊穿電壓的影響,同時高壓互連線下方的硅區(qū)域長度縮短了 66.7%,有效節(jié)省了芯片面積。2.為了降低芯片面積,大電流能力的高壓SOI-LIGBT器件必不可少。本文提出了一種提升電流能力的U型溝道技術,該技術增大了注入到漂移區(qū)中的電子電流,且電子電流主要在硅表面流動,避免了多溝道技術的缺點。實驗結果表明,采用U型溝道技術,SOI-LIGBT器件的電流密度提升了 177%,同時閂鎖電壓達到了 500V,擊穿電壓與比導通電阻的折中關系處于國際領先水平。3.為了消除電流能力提升對器件關斷與短路魯棒性造成的不良影響,本文研究了SOI-LIGBT器件在多跑道并聯(lián)使用時的非一致關斷行為,指出關斷失效的根源是邊界隔離溝槽所引起的非一致耗盡行為;本文通過在各跑道之間設置隔離溝槽,解決了器件關斷失效的難題,改進后的SOI-LIGBT器件可在450V、飽和電流下正常關斷。同時,本文還研究了 SOI-LIGBT器件的短路特性,提出了一種雙溝槽柵極U型溝道SOI-LIGBT器件,在短路電流密度為590A/cm2時,器件的短路承受時間提高了 49%。4.為了降低單片智能功率芯片在高頻工作條件下的功耗,本文提出了一種漂移區(qū)深槽氧化層耐壓的快速關斷技術。該技術在器件的漂移區(qū)中植入深槽氧化層,在保證耐壓的同時縮短了漂移區(qū)的長度,大幅提高了的關斷速度。實驗結果表明,采用漂移區(qū)深槽氧化層耐壓技術,SOI-LIGBT器件的關斷損耗可減少59.6%,關斷時間與電流密度的折中關系處于國際領先水平。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN386
【圖文】：

逑圖１．２單片智能功率芯片架構圖逡逑如圖１．２所示為典型的單片智能功率芯片架構圖，主要包括驅動級和功率級兩個部逡逑分，驅動級主要由柵極驅動電路和保護電路組成，而功率級一般由六個ＳＯＩ橫向ＩＧＢＴ逡逑（ＳＯＩ邋ｌａｔｅｒａｌ邋ＩＧＢＴ，ＳＯＩ－ＬＩＧＢＴ）和六個續(xù)流二極管組成，這些功率器件以三相橋式的逡逑方式進行連接，用于連接高側開關器件和低側開關器件以及高側開關器件和母線的互連逡逑線稱為高壓互連線。應智能功率模塊需求，所集成的器件需要在高頻、高壓、大電流Yj逡逑極限條件下工作，開關功率器件（以ＳＯＩ－ＬＩＧＢＴ為主要代表＆１３１）的特性直接影響到整逡逑個單片智能功率芯片的功能和可靠性。逡逑首先，高側和低側的開關器件之間以及高側開關器件和母線之間通過高壓互連線連逡逑接，高壓互連線通過硅的表面進行走線，跨越低壓區(qū)域到高壓區(qū)域進行信號傳遞，高壓逡逑互連線上的高電壓會對下方硅區(qū)域的表面電場產生影響

該種技術會造成器件的漏電變大。逡逑圖１．３雙溝槽高壓互連線結構的三維示意圖逡逑第五種解決方案是雙溝槽技術［１（），９（），９１】。圖１．３所示為雙溝槽高壓互連線屏蔽結構的逡逑三維示意圖。如圖所示，雙溝槽（Ｔ１和Ｔ２）位于高壓互連線的下方，溝槽外部為氧化逡逑層，內填多晶硅。當高壓互連線施加高壓時，雙溝槽可以輔助耐壓，從而避免了硅區(qū)域逡逑的電勢集中；由于雙溝槽的耐壓作用，器件高壓互連線下方區(qū)域的硅區(qū)域面積可以大幅逡逑縮小。該方案為本課題組所提出，能夠避免上述四種方案的缺點，同時能夠減少高壓互逡逑連線區(qū)域的面積，深槽氧化層可以與ＳＯＩ工藝的隔離深槽同時形成，不需要額外的工藝逡逑步驟。逡逑１．２．３短路特性的研究現狀與發(fā)展逡逑對ＳＯＩ－ＬＩＧＢＴ器件短路特性研宄的發(fā)展主要包括兩個方面，一是理論研究的逐步深逡逑入，二是新型結構的不斷提出，二者交替發(fā)展，關于短路能力設計的核心技術主要包括逡逑以下幾種：逡逑第一種是深孔及深阱技術［＃７１］。如圖１．４所示

東南大學博士學位論文層硅和襯底完全隔離，一般會留出一定距離的窗口（見圖１．５），熱量可向襯底，增加了器件的散熱能力；同時，器件耐壓時電勢線可以通過該中，有利于增加器件的擊穿電壓；該種技術一般用于薄膜ＳＯＩ器件，并。逡逑發(fā)射極（Ｅ）邋柵極（Ｇ）邐集電極（Ｃ）逡逑

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

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本文編號：2798820