智能功率集成電路及高壓功率器件可靠性研究.pdf

1、智能功率集成電路應(yīng)用廣泛，涵蓋電子照明、電機(jī)驅(qū)動、電源管理、工業(yè)控制以及顯示驅(qū)動等眾多領(lǐng)域。作為智能功率集成電路的一個重要分支，電機(jī)驅(qū)動芯片始終是一個研究熱點。如何提升驅(qū)動芯片的性能、降低電機(jī)驅(qū)動芯片的功耗，以最大限度的發(fā)揮電機(jī)的能力，是電機(jī)驅(qū)動芯片的發(fā)展趨勢。本論文著重研究兩類電機(jī)驅(qū)動芯片，即電機(jī)前置驅(qū)動芯片和高壓功率驅(qū)動芯片。針對存在的設(shè)計難點和關(guān)鍵問題，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有高壓功率集成電路芯片制造工藝技術(shù)，提出了相應(yīng)的解決方案。作為功率集

2、成電路中的核心，功率器件所承受的工作電壓越來越高，電流越來越大，可靠性問題也越來越突出。功率器件的可靠性直接決定了功率集成電路的工作壽命。因此，本論文對功率器件的可靠性問題也進(jìn)行了重點研究研究成果對完善高壓功率器件的可靠性評估體系，具有實際意義。
　　本論文的主要工作和創(chuàng)新點包括:
　　1、對三相無刷直流電機(jī)前置驅(qū)動電路的設(shè)計難點進(jìn)行了研究分析，包括避免高低邊驅(qū)動電路或輸出級上下功率管同時導(dǎo)通，減小高低邊驅(qū)動電路的功耗，防護(hù)

3、輸出節(jié)點可能出現(xiàn)的負(fù)電壓帶給電路的不利影響以及減小傳輸延時等，并從電路和器件結(jié)構(gòu)上提出了相應(yīng)的解決方案。基于HHGrace的0.35μm5V/80VBCD工藝，對所設(shè)計的高壓前置驅(qū)動電路進(jìn)行了流片驗證。測試結(jié)果表明:前置驅(qū)動電路功能正常，信號傳播延時、輸出驅(qū)動信號上升/下降時間以及驅(qū)動能力等關(guān)鍵性能參數(shù)與國外同類產(chǎn)品水平相當(dāng)。
　　2、對應(yīng)用于變頻節(jié)能空調(diào)的SOI高壓功率驅(qū)動芯片進(jìn)行了整體設(shè)計研究，包括低壓控制電路和高壓驅(qū)動電路設(shè)

4、計、高壓集成功率器件設(shè)計以及1μm500V的SOIBCD制造工藝設(shè)計研究。該芯片集成高壓三相半橋驅(qū)動電路(LIGBT實現(xiàn))，采用自舉方式實現(xiàn)高邊驅(qū)動電路供電。采用PWM調(diào)制模式控制輸出功率管導(dǎo)通時間。芯片具有死區(qū)控制和過溫、過流以及欠壓等完備的自我保護(hù)功能。在SOILIGBT器件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還創(chuàng)新性地提出了帶有N+埋層的雙溝道LIGBT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅具有高電壓、大電流驅(qū)動性能，而且還具有良好的抗閂鎖能力，提高了器件乃至整個芯片的工作可

5、靠性。最后，通過TCAD軟件對整體工藝方案進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，并對所涉及的所有元器件進(jìn)行了工藝參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，確定了最終的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，完成了芯片整體版圖的設(shè)計。仿真結(jié)果顯示電路整體性能能夠滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。
　　3、高壓集成功率器件SOILIGBT的可靠性研究。通過電壓應(yīng)力實驗、TCAD仿真、電荷泵測試等方法，對SOILIGBT在不同電壓應(yīng)力條件下的熱載流子效應(yīng)進(jìn)行了深入的研究，并揭示了不同的退化機(jī)理:對于直流電壓應(yīng)力條件

6、，當(dāng)集電極電壓不變時，柵極電壓應(yīng)力越高，氧化層陷阱正電荷引起的退化機(jī)制越會占據(jù)主導(dǎo)地位;反之，柵極電壓應(yīng)力越低，界面態(tài)引起的退化機(jī)制就越會占據(jù)主導(dǎo)地位。對于動態(tài)電壓應(yīng)力條件，動態(tài)柵極信號頻率越高、占空比越大以及信號上升/下降時間越短，SOILIGBT退化越嚴(yán)重。這是因為信號頻率越高，有效動態(tài)應(yīng)力時間f×tr越大。信號占空比越大，器件受到高電壓應(yīng)力的時間就越長。對于較短的信號上升/下降時間，在信號關(guān)斷過程中，器件內(nèi)部仍然存在較多的少子電流

7、，而此時器件集電極電場仍維持在較高水平，并在局部區(qū)域產(chǎn)生了更大的電場強(qiáng)度峰值，所以產(chǎn)生了更多的熱載流子，進(jìn)而產(chǎn)生了更多的界面態(tài)或氧化層陷阱電荷，導(dǎo)致器件產(chǎn)生更加嚴(yán)重的退化。在此基礎(chǔ)上，研究了改進(jìn)器件熱載流子效應(yīng)的方法，并設(shè)計了高可靠性SOILIGBT器件，將其應(yīng)用于一款高壓大功率PDP掃描驅(qū)動芯片中（國家核高基重大專項項目，2009ZX01033-001-003），經(jīng)流片測試表明，該器件正常工作壽命大幅提高，達(dá)到了10萬小時以上，滿足了