張　藝　張春偉　劉斯揚　周雷雷　孫偉鋒

(東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心, 南京210096)

功率LIGBT熱載流子退化機理及環(huán)境溫度影響

張藝張春偉劉斯揚周雷雷孫偉鋒

(東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心, 南京210096)

摘要:研究了橫向絕緣柵雙極型晶體管(LIGBT)的熱載流子退化機理及環(huán)境溫度對其熱載流子退化的影響．結(jié)果表明,器件的主導(dǎo)退化機制是鳥嘴處大量界面態(tài)的產(chǎn)生,從而導(dǎo)致飽和區(qū)陽極電流Iasat和線性區(qū)陽極電流Ialin存在較大的退化的主要原因,同時,由于Ialin的分布比Iasat的分布更靠近器件表面,故Ialin的退化比Iasat的退化更嚴重;而器件溝道區(qū)的碰撞電離和熱載流子損傷很小,使得閾值電壓Vth在應(yīng)力前后沒有明顯的退化．在此基礎(chǔ)上,進一步研究了環(huán)境溫度對LIGBT器件的熱載流子退化的影響．結(jié)果表明,LIGBT呈現(xiàn)正溫度系數(shù),且高溫下LIGBT的閾值電壓會降低,使得相同應(yīng)力下其電流增大,導(dǎo)致器件碰撞電離的增大,增強了器件的熱載流子損傷．

關(guān)鍵詞:橫向絕緣柵雙極型晶體管;環(huán)境溫度;熱載流子效應(yīng);退化

橫向絕緣柵雙極型晶體管 (lateral insulated gate bipolar transistor, LIGBT)是由雙極型晶體管(bipolar junction transistor, BJT)和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)組成的復(fù)合型功率半導(dǎo)體器件．它同時具備MOSFET和BJT的優(yōu)點,如輸入阻抗高、驅(qū)動功率低和輸出能力強等,是非常理想的半導(dǎo)體功率輸出器件．因此,LIGBT器件在功率集成電路領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]．

然而,LIGBT器件長期工作在高溫、高電壓和大電流條件下,器件內(nèi)部的強碰撞電離會產(chǎn)生熱載流子(hot-carrier),對器件氧化層和Si/SiO2界面造成損傷,導(dǎo)致界面態(tài)的產(chǎn)生和氧化層陷阱電荷的增加,使得器件的電學(xué)性能隨時間逐漸退化．因此,作為功率集成電路可靠性問題之一,LIGBT器件熱載流子退化引起了人們的廣泛關(guān)注．目前, 關(guān)于LIGBT器件熱載流子退化的研究主要集中于高柵壓低漏壓和低柵壓高漏壓應(yīng)力條件下的LIGBT器件退化機理的分析[4-6],對于最壞柵壓應(yīng)力條件下LIGBT器件的熱載流子退化機理以及環(huán)境溫度對其熱載流子可靠性影響的研究報道還很少．本文研究了常溫環(huán)境中處于最壞柵壓應(yīng)力條件下的LIGBT器件的熱載流子退化機理,并揭示了環(huán)境溫度對LIGBT器件熱載流子效應(yīng)的影響,相關(guān)研究對于工作在高溫環(huán)境中的LIGBT器件壽命的評估具有一定指導(dǎo)意義．

1器件結(jié)構(gòu)和測試

圖1為采用0.5 μm絕緣體上硅(silicon-on-insulator, SOI)工藝的LIGBT器件剖面結(jié)構(gòu)圖.器件的主要結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)如下:有效溝道區(qū)長度為0.5 μm,漂移區(qū)長度為13 μm,SOI層厚度為6.5 μm,埋氧層厚度為1 μm,陽極設(shè)有N緩沖層,用于提高器件的耐壓．器件的閾值電壓為1.4 V,關(guān)態(tài)擊穿電壓為180 V．

圖1　LIGBT器件剖面結(jié)構(gòu)圖

為了研究常溫時處于最壞柵壓應(yīng)力條件下的LIGBT器件的退化機理以及環(huán)境溫度對器件的熱載流子效應(yīng)的影響,選取應(yīng)力條件如下:柵極電壓(最壞柵壓應(yīng)力對應(yīng)的柵極電壓)Vgc=2 V,陽極電壓Vac=120 V,在環(huán)境溫度分別為25,75,100,120 ℃件下,對器件施加3 000 s應(yīng)力,應(yīng)力過程中周期性地監(jiān)測器件的飽和區(qū)陽極電流Iasat(監(jiān)測條件為Vgc=5 V,Vac=7 V)、線性區(qū)陽極電流Ialin(監(jiān)測條件為Vgc=5 V,Vac=1 V)和閾值電壓Vth(Vgc從0 V掃到7 V,Vac=1 V,利用最大跨導(dǎo)法求得),以反映器件性能的退化．

2測試結(jié)果及討論

2.1熱載流子退化機理

為了研究常溫時處于最壞柵壓應(yīng)力條件下的LIGBT器件的熱載流子退化機理,在應(yīng)力為Vgc=2 V,Vac=120 V,溫度為25 ℃的條件下對器件進行熱載流子退化測試．器件Vth,Iasat和Ialin隨應(yīng)力時間的退化曲線如圖2所示,可以看出,隨著應(yīng)力時間的增加,閾值電壓Vth在整個應(yīng)力過程中沒有退化,而Iasat和Ialin的退化曲線隨著應(yīng)力時間的增加呈現(xiàn)出下降的趨勢(退化率為負值表示電流減小),且Ialin退化比Iasat退化明顯．

圖2　LIGBT器件Iasat，Ialin，Vth隨應(yīng)力時間的退化曲線

由于器件的熱載流子退化主要由器件Si/SiO2界面處碰撞電離產(chǎn)生的熱載流子帶來的表面損傷和電荷注入引起,因此采用TCAD仿真工具對器件Si/SiO2界面處的碰撞電離率和縱向電場進行了仿真,以便分析實驗中所發(fā)生退化現(xiàn)象的內(nèi)在機理[7-9]．圖3和圖4分別為最壞柵壓應(yīng)力條件下器件碰撞電離二維分布圖和器件Si/SiO2界面縱向電場分布圖．由于器件熱載流子損傷主要由器件Si/SiO2界面處的碰撞電離引起,因此,器件熱載流子損傷的位置主要發(fā)生在表面鳥嘴處和Poly場板末端處．強碰撞電離產(chǎn)生的熱載流子會在翻越界面勢壘的過程中打破器件Si/SiO2界面附近的Si—Si和Si—O鍵,或者打破Si—H鍵,釋放出H原子,而剩下的Si—, O—懸掛鍵就形成了界面態(tài)．界面態(tài)的產(chǎn)生會引起載流子散射,進而使載流子有效遷移率降低,最終導(dǎo)致Ialin和Iasat的減?。硗?根據(jù)圖4中器件表面縱向電場的分布來看, 在Poly場板末端和鳥嘴處存在較大的縱向電場.縱向電場為負,表示電場方向從器件內(nèi)部指向器件表面,有利于熱空穴的注入．因此,強碰撞電離形成的大量熱空穴可能會在縱向電場的作用下注入場氧化層,導(dǎo)致氧化層中存在正電荷陷落.這些注入的熱空穴會在N型漂移區(qū)感應(yīng)等電荷量的電子,相當(dāng)于提高了漂移區(qū)的有效摻雜濃度,導(dǎo)致Ialin和Iasat增加．根據(jù)圖2中Iasat和Ialin在整個應(yīng)力過程中不斷減小的結(jié)果可知,整個應(yīng)力過程中,界面態(tài)產(chǎn)生機制強于熱空穴注入機制,主導(dǎo)器件Ialin和Iasat的熱載流子退化．

圖3常溫下LIGBT器件碰撞電離二維分布圖

圖4　常溫下LIGBT器件Si/SiO2界面縱向電場分布曲線

為了分析圖2中Ialin比Iasat退化大的現(xiàn)象,本文分別仿真了LIGBT器件Ialin(監(jiān)測條件為Vgc=5 V,Vac=1 V)和Iasat(監(jiān)測條件為Vgc=5 V,Vac=7 V)條件下電流路徑圖,同時仿真并提取了Ialin和Iasat條件下,LIGBT器件鳥嘴區(qū)和Poly場板末端區(qū)域的電流密度在器件Y方向上的分布．根據(jù)圖5中的仿真結(jié)果可知,在這2個區(qū)域內(nèi),Ialin幾乎在器件表面整體分布,而Iasat分布比較分散,離器件表面更遠．由于界面態(tài)和載流子注入會使柵氧化層受到損傷,導(dǎo)致器件表面處載流子的遷移率變小,進而使Ialin比Iasat的退化更為嚴重．

根據(jù)前面的分析,器件表面鳥嘴處和Poly場板末端處的碰撞電離產(chǎn)生的大量界面態(tài)是使Ialin

(a) Ialin 條件下電流路徑

(b) Iasat 條件下電流路徑

(c) 鳥嘴處和Poly末端處的電流密度在器件Y方向的分布

圖5LIGBT器件Ialin和Iasat條件下電流路徑及電流密度分布

和Iasat發(fā)生熱載流子退化的主要因素,為此利用TCAD仿真工具分別在這2個區(qū)域加等量界面態(tài),探究這2個區(qū)域的界面態(tài)分別對Ialin的影響(因為Ialin受熱載流子效應(yīng)的影響比Iasat更嚴重,所以選取Ialin作為主要研究對象)．分別在這2個區(qū)域加等量(5×1011cm-2)界面態(tài),并提取加入界面態(tài)前后Ialin的變化曲線(即Vac=1 V時的Ia-Vgc曲線),結(jié)果如圖6所示．從圖中可以看出,與原始的Ialin相比,在鳥嘴處加界面態(tài)后Ialin明顯降低,而在Poly場板末端處加界面態(tài)后的Ialin的變化相對小得多．該實驗結(jié)果可以用圖5(c)中的仿真結(jié)果進行解釋,在鳥嘴區(qū)Ialin的分布靠近器件的表面,而在Poly場板末端區(qū)域,Ialin的分布離器件表面較遠,由于界面態(tài)主要影響器件表面處載流子的遷移率,因此鳥嘴處界面態(tài)的產(chǎn)生對器件Ialin的影響更大．

圖6　加等量界面態(tài)后的Ialin-Vgc與原始仿真曲線

另外,根據(jù)圖2可知,器件Vth在應(yīng)力前后沒有發(fā)生漂移,這說明應(yīng)力過程中器件的柵氧化層中沒有陷阱電荷的產(chǎn)生．從仿真結(jié)果來看,溝道區(qū)內(nèi)的碰撞電離率很小，可以忽略,所以可以認為在溝道區(qū)沒有載流子的注入和界面態(tài)的形成,這也與實驗中Vth沒有退化的現(xiàn)象相吻合．

基于前面的分析可以得出,LIGBT器件在常溫下施加Vgc=2 V,Vac=120 V應(yīng)力時,主導(dǎo)器件Ialin和Iasat的退化機制使得鳥嘴處產(chǎn)生大量界面態(tài),導(dǎo)致Iasat和Ialin存在較大的退化;因為Ialin的分布比Iasat的分布更靠近器件表面,所以界面態(tài)或載流子注入對Ialin的影響比對Iasat更明顯,從而導(dǎo)致Ialin比Iasat退化更嚴重;另外,由于溝道區(qū)的碰撞電離率很小,可以認為熱載流子的注入和界面態(tài)的產(chǎn)生沒有發(fā)生在溝道區(qū),因而使得Vth在應(yīng)力前后沒有發(fā)生漂移．

2.2環(huán)境溫度對LIGBT器件熱載流子退化的影響

作為功率輸出器件,LIGBT經(jīng)常工作在高溫環(huán)境中,為了研究環(huán)境溫度對器件熱載流子退化的影響,在應(yīng)力為Vgc=2 V,Vac=120 V,應(yīng)力溫度分別為25,75,100,120 ℃的條件下對器件進行退化測試．因為Ialin受熱載流子效應(yīng)的影響比Iasat更嚴重,所以本文選取Ialin作為研究對象,圖7顯示了4種溫度下Ialin隨應(yīng)力時間的退化曲線．可以看出,與常規(guī)的高溫會使器件Ialin退化降低不同[10-11],整個應(yīng)力過程中,LIGBT器件Ialin的退化會隨環(huán)境溫度的升高而增大．

采用TCAD仿真工具,分別仿真并提取了4種溫度條件下, 器件內(nèi)部靠近Si/SiO2界面的碰撞電離率分布,以分析高溫使器件熱載流子退化變大的原因．根據(jù)2.1節(jié)的研究可知,器件鳥嘴處的界面態(tài)產(chǎn)生是LIGBT器件熱載流子退化的主導(dǎo)機制,因此,本文提取并對比了不同環(huán)境溫度時器件鳥嘴處沿Si/SiO2界面的碰撞電離率的大小,結(jié)果如圖8所示．根據(jù)仿真結(jié)果可知,溫度越高,LIGBT器件的碰撞電離率越大,這表明溫度升高會使更多的熱載流子對器件表面造成損傷,產(chǎn)生更多的界面態(tài),從而導(dǎo)致Ialin的退化更嚴重．

圖7　LIGBT器件Ialin隨應(yīng)力時間退化曲線

圖8　LIGBT器件鳥嘴處沿Si/SiO2界面的碰撞電離率　　　仿真分布圖

器件沿Si/SiO2界面的碰撞電離率由器件沿Si/SiO2界面的橫向電場和表面電流所決定的,因此本文對高溫環(huán)境中器件沿Si/SiO2界面的橫向電場和陽極電流的變化進行了仿真和測試,進一步解釋圖8中的LIGBT器件表面碰撞電離率會隨溫度升高而增大的原因．圖9對比了不同溫度條件下器件表面橫向電場分布圖,從圖中可以看出,4種溫度條件下器件表面橫向電場基本相同,這表明器件表面橫向電場不是碰撞電離增大的主要因素．圖10顯示了固定Vac為120 V,環(huán)境溫度分別為25和120 ℃時,器件Iac隨Vgc的變化曲線．測試曲線表明,高溫會使器件的閾值電壓降低,且高溫下的電流比常溫下的電流大．這是因為溫度升高時,半導(dǎo)體的費米能級向禁帶中央移動,費米勢減小,從而使器件更容易達到反型層產(chǎn)生的條件,閾值電壓Vth降低[12]．此外,受BJT結(jié)構(gòu)的影響,LIGBT器件的電流也會呈現(xiàn)正溫度系數(shù)．綜上所述,高溫下器件閾值的降低與LIGBT器件的正溫度系數(shù)特性都將會使高溫環(huán)境中器件的電流比常溫環(huán)境中的電流大,LIGBT器件的碰撞電離也相應(yīng)增大,最終導(dǎo)致器件的熱載流子效應(yīng)在高溫條件下變得更嚴重．

圖9　器件沿Si/SiO2界面的橫向電場分布

圖10　25和120 ℃條件下Iac隨Vgc變化曲線

3結(jié)語

本文研究了常溫時處于最壞柵壓應(yīng)力條件下的LIGBT器件熱載流子退化機理以及環(huán)境溫度對LIGBT器件熱載流子效應(yīng)的影響．研究結(jié)果表明,主導(dǎo)LIGBT器件Ialin和Iasat的退化機制是鳥嘴處產(chǎn)生大量界面態(tài),使得Ialin和Iasat存在較大的退化.Ialin的分布比Iasat的分布更靠近器件的表面,導(dǎo)致Ialin的退化比Iasat的退化嚴重.然而,溝道區(qū)的碰撞電離和熱載流子損傷很小,使Vth在整個應(yīng)力過程中基本沒有退化．對于工作在高溫環(huán)境中的LIGBT器件來說,LIGBT器件具有的正溫度系數(shù)特性以及高溫下器件閾值的降低,共同導(dǎo)致了電流的增大,進而使器件的碰撞電離和相應(yīng)損傷增大,最終增強了器件在高溫條件下的熱載流子退化效應(yīng)．本文的研究結(jié)果對工作在高溫環(huán)境中的LIGBT器件實際壽命的評估具有指導(dǎo)意義．

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Hot-carrier degradation mechanism and influence of ambient temperature for power LIGBT

Zhang YiZhang ChunweiLiu SiyangZhou LeileiSun Weifeng

(National ASIC System Engineering Technology Research Center, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract:The mechanism of hot-carrier degradation for lateral insulated gate bipolar transistor (LIGBT) and the influence of ambient temperature are investigated. The results indicate that the main degradation mechanism is the generation of a large number of interface states at the beak of LIGBT, which leads to the large decreases of the saturation-region anode current Iasatand the linear-region anode current Ialin. Meanwhile, the distribution of Ialinis much closer to the device surface comparing with that of Iasat, so the degradation of Ialinis more serious than that of Iasat. In the channel region, the impact ionization and the hot carrier damage are tiny; as a result, the threshold voltage Vthremains constant before and after the stress. Moreover, the influence of ambient temperature on the hot carrier degradation of LIGBT is also investigated. LIGBT shows positive temperature coefficient, and the decreased threshold voltage under the high temperature condition induces the increase of the current of LIGBT under the same stress, which leads to the increase of impact ionization. Thus, finally enhanceing the hot-carrier damage of LIGBT.

Key words:lateral insulated gate bipolar transistor(LIGBT); ambient temperature; hot-carrier effect;degradation

doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.005

收稿日期:2015-09-17.

作者簡介:張藝(1991—),女,碩士生;孫偉鋒(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,swffrog@seu.edu.cn.

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(61204083)、江蘇省杰出青年基金資助項目(BK20130021)、港澳臺科技合作專項資助項目(2014DFH10190)、江蘇省“青藍工程”資助項目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(SJLX-0076)．

中圖分類號:TN386.2

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)02-0255-05

引用本文: 張藝,張春偉,劉斯揚,等.功率LIGBT熱載流子退化機理及環(huán)境溫度影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(2):255-259. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.005.