自保护型SOI-LIGBT器件ESD应力下的响应特性及模型研究

Power SOI-LIGBTs, exhibiting the high breakdown voltage, high current density, high switching speed and easy integration, have been a core device in the monolithic integration power system chip. In order to decrease the chip area, the last stage of the chip does not have any additional Electronic Static Discharge (ESD) protection devices. As a result, the SOI-LIGBT used as the output device at the last stage should own self-protection capability. However, there are two kinds of interactive conductive carriers (hole and electron) in the self-protected SOI-LIGBT device. Thereby, the response characteristics under the ESD stress are complicated. The inner mechanism is unclear, and the related model is absent. This project will deeply investigate the influences upon the response characteristics and the performance degradations of the self-protected SOI-LIGBT under the ESD stress from different structural and process parameters, different new anti-latch-up structures, different gate coupling states and different repeated ESD stresses. In terms of these research results, a complete ESD response model of the self-protected SOI-LIGBT will be established. This project will make the theoretical foundation for developing the novel robust self-protected SOI-LIGBT device and the related monolithic integration power system chip.

功率SOI-LIGBT器件具有击穿电压高、电流密度大、开关速度快及易于集成等诸多优点，已成为单片集成功率系统芯片的核心器件。为了减小面积，单片集成功率系统芯片的末级输出端不再增加额外的静电泄放（ESD）保护器件，因此，作为末级输出器件使用的SOI-LIGBT必须具备ESD自保护能力。然而，自保护型SOI-LIGBT器件工作时存在相互影响的电子和空穴两种导电载流子，故其ESD应力下的响应特性复杂，内在机理不明确，相关模型缺失。本项目将深入研究不同器件结构与工艺参数、不同抗闩锁新结构、不同栅压耦合状态及不同ESD重复应力等因素对自保护型SOI-LIGBT器件在ESD应力下的响应特性及性能参数退化的影响，并揭示其内在机理；在此基础上，建立一套完整的自保护型SOI-LIGBT器件ESD响应模型。本项目研究将为研制新型高鲁棒性自保护型SOI-LIGBT器件及相关单片集成功率系统芯片打下理论基础。

SOI-LIGBT具有击穿电压高、电流密度大、开关速度快及易于集成等诸多优点，已成为推动单片集成功率系统芯片发展的核心功率元件。然而SOI-LIGBT通常作为末级输出功率器件使用，其具有很高的ESD失效风险。由ESD应力冲击造成的自保护型SOI-LIGBT器件过早失效已成为制约单片集成功率系统芯片进一步发展的瓶颈。因此，迫切需要对其ESD应力下的响应特性及模型展开深入研究。. 本项目以自保护型SOI-LIGBT为研究对象，深入研究其ESD响应特性和性能参数退化机理，成果简述如下：（1）揭示了不同结构及工艺参数对自保护型SOI-LIGBT器件ESD响应特性的影响及其内在机理；（2）深入探究了自保护型SOI-LIGBT器件在栅极不同电位和栅极浮空状态下的ESD响应特性及其物理本质，发现了其响应特性包括正向阻断区，电压回滞区，电压维持区和二次击穿区，研究了不同的栅极电位这些因素对器件ESD响应特性的影响；（3）论证了自保护型SOI-LIGBT器件抗闩锁能力与ESD鲁棒性的矛盾关系，进一步揭示了该矛盾关系的内在机理为抗闩锁结构抑制了晶体管的触发，为后续自保护型SOI-LIGBT器件的设计提高指导；（4）揭示了不同重复ESD应力下自保护型SOI-LIGBT器件的电学参数退化机理；（5）建立了器件的ESD响应模型，验证结果表明模型和实测相对误差范围在15%以内，到达模型的考核要求，为设计高鲁棒性的自保护SOI-LIGBT器件提供参考。. 项目执行过程中，共计发表SCI论文30，国际会议论文5篇；申请中国发明专利15项；此外，负责人以第一完成人获得2019年度江苏省科学技术一等奖，培养博士研究生2名，硕士研究生4名。