功率SOI-LIGBT器件热载流子退化机理及寿命模型研究

Power SOI-LIGBT devices, owning the high input impedance, low on-resistance and full dielectric isolation, will play an important role in the semiconductor technology development of the More than Moore. In recent years, the electrical performance of the SOI-LIGBT device has been improved dramatically, but the reliability issues, taking the hot carrier effect for representative, are still serious. Because there are two kinds of interactive conductive carriers (hole and electron) existed in the SOI-LIGBT device, the hot carrier effect is complicated, the inner mechanism is unclear, and there is also no lifetime model of the SOI-LIGBT. Based on our earlier research on the hot carrier degradation mechanism of the SOI-LIGBT device under the static stress, this project will further investigate the influence upon the hot carrier degradation of the SOI-LIGBT from the different structural parameters, different dynamic stress, exterior anode striking current stress under the off-state, ambient temperature and so on, and will also suggest the inner degradation mechanism. In terms of these research results, a complete lifetime model on the hot carrier degradation of the power SOI-LIGBT will be established to forecast the working lifetime of the device. This project will make the theoretical foundation for developing the novel power SOI-LIGBT devices and the related power integrated circuits with long lifetime.

功率SOI-LIGBT器件具有高输入阻抗、低导通电阻及全介质隔离等优点，将在More than Moore的半导体技术发展方向上发挥重要作用。近年来，功率SOI-LIGBT器件的电学性能已大幅提升，但以热载流子效应为代表的可靠性问题却依然非常严重。由于SOI-LIGBT器件存在相互影响的电子和空穴两种导电载流子，故其热载流子效应复杂，内在机理不明确，器件寿命模型缺失。本项目将在课题组前期对静态应力下SOI-LIGBT器件热载流子退化机理的研究基础上，深入研究不同器件结构参数、不同动态应力、关态阳极灌电流应力及环境温度等因素对功率SOI-LIGBT器件热载流子退化的影响并揭示其内在机理；在此基础上，建立一套完整的功率SOI-LIGBT器件热载流子退化寿命模型，预测其工作寿命。本项目的研究将为研制新型的长寿命功率SOI-LIGBT器件及相关功率集成电路提供理论指导。

功率SOI-LIGBT器件具有高输入阻抗、低导通电阻及全介质隔离等优点，将在More than Moore的半导体技术发展方向上发挥重要作用。近年来，功率SOI-LIGBT器件的电学性能已大幅提升，但以热载流子效应为代表的可靠性问题却依然非常严重。本项目深入研究了不同器件结构参数、不同动态应力、关态阳极灌电流应力及环境温度等因素对功率SOI-LIGBT器件热载流子退化的影响并揭示其内在机理，进而建立了一套完整的功率SOI-LIGBT器件热载流子退化寿命模型。本项目的执行为研制新型长寿命功率SOI-LIGBT器件及相关功率集成电路奠定了理论基础。.项目执行过程中，已发表相关SCI论文24篇，授权中国发明专利2项，申请中国发明专利21项；此外，本项目的研究成果已作为重要内容荣获2013年教育部技术发明一等奖和2014年中国半导体创新产品和技术奖。本项目的主要研究结论如下：.1、发现功率SOI-LIGBT器件在热载流子应力下的主要退化机理为热空穴注入鸟嘴区的氧化层，且增加器件有效沟道长度、增加有效漂移区长度、增加栅极金属场板的长度以及增加阳极区域n-buffer缓冲层结构均可以有效减小器件鸟嘴区的电场强度，降低该区域碰撞电离发生概率，从而减小器件热载流子退化程度，提高器件的热载流子寿命；.2、动态应力下的SOI-LIGBT器件热载流子退化与脉冲下降沿的变化率有关，当脉冲下降沿的变化率较小时，边沿阶段的退化机理与静态高电平应力阶段类似，均由氧化层界面的界面态产生所主导；而当脉冲下降沿的变化率很大时，边沿应力阶段存在瞬态加速退化现象，导致器件导通电阻不断增加； .3、研究发现，关态灌电流应力后SOI-LIGBT器件的电流能力在不断增加，与Isub,max应力下相反的退化趋势，这是由于其退化机理为栅金属场板末端的空穴注入所致；此外，由于栅金属末端是器件的关态击穿点，应力导致此区域电场增大，因此器件关态击穿电压会随着应力时间减小；.4、针对环境温度对SOI-LIGBT器件性能参数退化的影响研究发现：温度升高导致Isub,max应力下器件体内电流增加，进而使鸟嘴区的碰撞电离率增强以及界面态产生量增多，最终导致器件饱和驱动电流和导通电阻的退化加剧；.5、以阳极电压加速模型为基础，建立了SOI-LIGBT器件的饱和电流、导通电阻和阈值电压的寿命预测模型，验证结果显示各性能参数的寿命预测