【摘要】：單片智能功率芯片是一種功能與結(jié)構(gòu)高度集成化的高低壓兼容芯片,其內(nèi)部集成了高壓功率器件、高低壓轉(zhuǎn)換電路及低壓邏輯控制電路等。目前,被廣泛應(yīng)用于智能家電、新能源交通工具及智能機(jī)器人等高端領(lǐng)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(shù)小、隔離性能好及便于實(shí)現(xiàn)高低壓集成等優(yōu)點(diǎn),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(guān)器件,是該芯片中的核心器件。本文針對(duì)高壓厚膜SOI-LIGBT器件的關(guān)態(tài)、導(dǎo)通態(tài)、開關(guān)過(guò)程的特性與魯棒性進(jìn)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(cè)和低側(cè)的高壓SOI-LIGBT器件需要通過(guò)互連線來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(dǎo)致器件擊穿電壓下降的機(jī)理,提出了一種雙溝槽高壓互連線屏蔽技術(shù)。該技術(shù)采用雙溝槽進(jìn)行耐壓,避免了在硅表面形成電場(chǎng)集中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該技術(shù)可100%屏蔽高壓互連線對(duì)擊穿電壓的影響,同時(shí)高壓互連線下方的硅區(qū)域長(zhǎng)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(shù),該技術(shù)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(dòng),避免了多溝道技術(shù)的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用U型溝道技術(shù),SOI-LIGBT器件的電流密度提升了 177%,同時(shí)閂鎖電壓達(dá)到了 500V,擊穿電壓與比導(dǎo)通電阻的折中關(guān)系處于國(guó)際領(lǐng)先水平。3.為了消除電流能力提升對(duì)器件關(guān)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(shí)的非一致關(guān)斷行為,指出關(guān)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(guò)在各跑道之間設(shè)置隔離溝槽,解決了器件關(guān)斷失效的難題,改進(jìn)后的SOI-LIGBT器件可在450V、飽和電流下正常關(guān)斷。同時(shí),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(shí),器件的短路承受時(shí)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(guān)斷技術(shù)。該技術(shù)在器件的漂移區(qū)中植入深槽氧化層,在保證耐壓的同時(shí)縮短了漂移區(qū)的長(zhǎng)度,大幅提高了的關(guān)斷速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用漂移區(qū)深槽氧化層耐壓技術(shù),SOI-LIGBT器件的關(guān)斷損耗可減少59.6%,關(guān)斷時(shí)間與電流密度的折中關(guān)系處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN386
【圖文】：

逑圖１．２單片智能功率芯片架構(gòu)圖逡逑如圖１．２所示為典型的單片智能功率芯片架構(gòu)圖，主要包括驅(qū)動(dòng)級(jí)和功率級(jí)兩個(gè)部逡逑分，驅(qū)動(dòng)級(jí)主要由柵極驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路組成，而功率級(jí)一般由六個(gè)ＳＯＩ橫向ＩＧＢＴ逡逑（ＳＯＩ邋ｌａｔｅｒａｌ邋ＩＧＢＴ，ＳＯＩ－ＬＩＧＢＴ）和六個(gè)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(jìn)行連接，用于連接高側(cè)開關(guān)器件和低側(cè)開關(guān)器件以及高側(cè)開關(guān)器件和母線的互連逡逑線稱為高壓互連線。應(yīng)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(guān)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(gè)單片智能功率芯片的功能和可靠性。逡逑首先，高側(cè)和低側(cè)的開關(guān)器件之間以及高側(cè)開關(guān)器件和母線之間通過(guò)高壓互連線連逡逑接，高壓互連線通過(guò)硅的表面進(jìn)行走線，跨越低壓區(qū)域到高壓區(qū)域進(jìn)行信號(hào)傳遞，高壓逡逑互連線上的高電壓會(huì)對(duì)下方硅區(qū)域的表面電場(chǎng)產(chǎn)生影響

該種技術(shù)會(huì)造成器件的漏電變大。逡逑圖１．３雙溝槽高壓互連線結(jié)構(gòu)的三維示意圖逡逑第五種解決方案是雙溝槽技術(shù)［１（），９（），９１】。圖１．３所示為雙溝槽高壓互連線屏蔽結(jié)構(gòu)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(nèi)填多晶硅。當(dāng)高壓互連線施加高壓時(shí)，雙溝槽可以輔助耐壓，從而避免了硅區(qū)域逡逑的電勢(shì)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(diǎn)，同時(shí)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(shí)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(xiàn)狀與發(fā)展逡逑對(duì)ＳＯＩ－ＬＩＧＢＴ器件短路特性研宄的發(fā)展主要包括兩個(gè)方面，一是理論研究的逐步深逡逑入，二是新型結(jié)構(gòu)的不斷提出，二者交替發(fā)展，關(guān)于短路能力設(shè)計(jì)的核心技術(shù)主要包括逡逑以下幾種：逡逑第一種是深孔及深阱技術(shù)［＃７１］。如圖１．４所示

東南大學(xué)博士學(xué)位論文層硅和襯底完全隔離，一般會(huì)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(shí)，器件耐壓時(shí)電勢(shì)線可以通過(guò)該中，有利于增加器件的擊穿電壓；該種技術(shù)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(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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本文編號(hào)：2798820