STI与LOCOS型三重RESURF LDMOS器件中两种 distinct 两阶段Ron退化机制的研究

Investigation on Distinct Two-Stage Ron Degradation Mechanisms in STI-and LOCOS-Based Triple RESURF LDMOS Devices

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/TED.2025.11150456

作者	Wenliang Liu · Penglong Xu · Chunxia Ma · Feng Lin · Bo Zhang · Ming Qiao
期刊	IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期	2025年9月
技术分类	电动汽车驱动
相关度评分	★★★★ 4.0 / 5.0
关键词	导通电阻退化热载流子注入 STI LOCOS 界面陷阱

语言:

中文摘要

本文深入研究了基于浅沟槽隔离（STI）和硅局部氧化（LOCOS）的三重降表面电场（RESURF）横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）中独特的两阶段导通电阻（$R_{on}$）退化机制。阈值电压（$V_{th}$）退化和电荷泵（CP）实验证实，热载流子注入（HCI）损伤主要位于场氧化层（FOX）区域。在STI器件中，初始阶段$R_{on}$的快速增加归因于在平行电场驱动下，热电子注入到源极侧底部拐角处。在LOCOS器件中，初始阶段$R_{on}$的轻微下降主要是由于在垂直电场驱动下，热空穴注入到多晶硅边缘下方。随后，在第二阶段，多晶硅边缘下方界面陷阱（$N_{it}$）的产生导致两种器件的$R_{on}$都逐渐增加。这些发现揭示了基于STI和LOCOS的三重RESURF LDMOS中独特的两阶段$R_{on}$退化机制，并为提高STI架构的HCI抗扰性提供了有价值的见解，建议优化边缘几何形状、侧壁角度和拐角半径，以减轻碰撞电离和电场集中现象。

English Abstract

In this article, the distinct two-stage on-state resistance (Ron) degradation mechanisms in shallow trench isolation (STI)-and local oxidation of silicon (LOCOS)-based triple reduced surface field (RESURF) lateral diffused MOS (LDMOS) are thoroughly investigated. Threshold voltage (Vth) degradation and charge pump (CP) experiments confirm that hot carrier injection (HCI) damage primarily locates in the field oxide (FOX) regions. In STI device, the initial rapid Ron increase is attributed to hot electrons injection at the source-side bottom corner, driven by the parallel electric field. In LOCOS device, the initial slight Ron decrease is dominated by hot holes injection under the poly edge, driven by the perpendicular electric field. Subsequently, in the second stage, the generation of interface traps (Nit) under poly edge causes a gradual Ron increase in both devices. These findings reveal the distinct two-stage Ron degradation mechanisms in STI-and LOCOS-based triple RESURF LDMOS and provide valuable insights for improving HCI immunity in the STI architecture, with recommendations as refining edge geometries, sidewall angles, and corner radius to alleviate impact ionization and electric fields crowding.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，该论文揭示的LDMOS器件可靠性退化机制对我们的核心产品具有重要参考价值。LDMOS作为功率半导体的关键器件，广泛应用于光伏逆变器和储能变流器的功率转换电路中，其导通电阻（Ron）的稳定性直接影响系统效率和长期可靠性。

论文深入剖析了STI和LOCOS两种工艺架构下LDMOS器件的两阶段退化机制差异。对于阳光电源而言，这一发现具有双重意义：首先，STI工艺器件在初期表现出快速的Ron增加，这可能导致逆变器在运行初期就出现效率下降，影响系统的25年生命周期承诺。而LOCOS工艺器件初期Ron反而略有下降，随后才逐渐增加，这种特性更有利于产品的长期稳定性设计。其次，热载流子注入（HCI）损伤定位于场氧化层区域的发现，为我们优化器件选型和应用条件提供了理论依据。

该研究提出的改进方案——优化边缘几何结构、侧壁角度和拐角半径——对阳光电源的供应链管理具有指导意义。我们可以与上游功率器件供应商合作，推动采用改进型STI架构，在保持工艺先进性的同时提升HCI免疫力。这对于提高逆变器在高温、高压力应力下的可靠性至关重要，尤其是在大型地面电站和工商业储能系统中。

技术挑战在于如何将实验室发现转化为量产器件的可靠性提升，需要平衡成本与性能。但这为阳光电源在下一代SiC/IGBT模块设计中预留了可靠性优化空间，有助于巩固我们在高效率、高可靠性电力电子产品领域的技术领先地位。