半桥芯片中LDMOS器件的HTRB分析与优化设计

• 作 者: 陈辉
• 机 构: 东南大学
• 出 处: 东南大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: LDMOS器件 半桥芯片 优化设计 高温反偏 附加电场

高压半桥驱动芯片是一种集成高压横向扩散金属氧化物半导体场效应管(Laterally Diffused MetalOxide Semiconductor, LDMOS)、低压金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor, MOS)和低压二极管等器件的高低压兼容功率集成电路，目前被广泛应用于电机驱动、汽车电子等领域。作为高压半桥驱动芯片中最核心的元件，高压LDMOS器件的性能往往决定着芯片高压部分电路的输出性能。为了保证高压半桥驱动芯片在高温高压的恶劣环境中稳定工作，高压LDMOS器件需拥有较高的抗高温反偏退化性能。　　本文首先分析了高压半桥驱动芯片中传统LDMOS器件的开态及关态特性，并对其进行了高温反偏（High Tempreture Reverse Bias，HTRB）应力考核，发现考核后传统LDMOS器件的击穿电压下降了12.8％、导通电阻上升了25％。接着，本文对LDMOS器件高温反偏应力下的退化机理进行了深入研究，研究结果表明，分布在LDMOS器件外表面的可动离子会在高温反偏应力的作用下进入器件内部，并在横向电场的作用下运动并积累于栅极场板下方，影响器件表面电场分布，从而造成击穿特性退化。器件击穿特性退化后，栅极场板下方的强电场引发的热载流子效应使得该区域界面态数量增多，从而器件导通特性退化。本文用理论推导、实验探究和模拟仿真的方法验证了上述机理，并提出了一种抗高温反偏应力退化的低表面电场LDMOS结构，该结构栅极场板附近表面电场相比于传统结构降低了29.5％，弱化了可动离子引起的附加电场所带来的影响，进而提高了器件的可靠性。　　改进的LDMOS器件在华润上华CSMC进行流片。测试结果表明，改进型LDMOS器件的常规电学特性满足电路设计需求。在168小时的高温反偏应力考核后，改进型器件的击穿电压的退化在3％之内，导通电阻的退化率在5％之内，相比于未优化的器件大幅提高了可靠性。