[논문]트렌치 게이트 IGBT 에서의 공정 및 설계 파라미터에 따른 항복 전압 특성에 관한 연구

신호현; 이한신; 성만영

doi:10.4313/jkem.2007.20.5.403

트렌치 게이트 IGBT 에서의 공정 및 설계 파라미터에 따른 항복 전압 특성에 관한 연구
A Study on the Breakdown Voltage Characteristics with Process and Design Parameters in Trench Gate IGBT 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.20 no.5, 2007년, pp.403 - 409

신호현 (고려대학교 전기공학과) , 이한신 (고려대학교 전기공학과) , 성만영 (고려대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, effects of the trench angle($\theta$) on the breakdown voltage according to the process parameters of p-base region and doping concentrations of n-drift region in a Trench Gate IGBT (TIGBT) device were analyzed by computer simulation. Processes parameters used by variables are diffusion temperature, implant dose of p-base region and doping concentration of n-drift region, and aspects of breakdown voltage change with change of each parameter were examined. As diffusion temperature of the p-base region increases, depth of the p-base region increases and effect of the diffusion temperature on the breakdown voltage is very low in the case of small trench angle($45\;^{\circ}$) but that is increases 134.8 % in the case of high trench angle($90\;^{\circ}$). Moreover, as implant dose of the p-base region increases, doping concentration of the p-base region increases and effect of the implant dose on the breakdown voltage is very low in the case of small trench angle($45\;^{\circ}$) but that is increases 232.1 % in the case of high trench angle($90\;^{\circ}$). These phenomenons is why electric field concentrated in the trench is distributed to the p-base region as the diffusion temperature and implant dose of the p-base increase. However, effect of the doping concentration variation in the n-drift region on the breakdown voltage varies just 9.3 % as trench angle increases from $45\;^{\circ}$ to $90\;^{\circ}$. This is why magnitude of electric field concentrated in the trench changes, but direction of that doesn't change. In this paper, respective reasons were analyzed through the electric field concentration analysis by computer simulation.

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문제 정의

N형 드리프트 영역의 도핑농도가 트렌치 모양에 따라 항복 전압에 미치는 영향을 알아보기 위하여 N형 드리프트 영역의 도핑농도를 변화시키며트렌치 각도에 따른 항복 전압을 알아보았다. 그림 9는 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프로 N형 드리프트의 도핑농도가 증가함에 따라 항복전압은감소하고, 트렌치 각도가 증가함에 따라 항복전압이 감소는 것을 보여준다.
본 논문에서는 트렌치 게이트 IGBT의 항복전압특성을 분석함에 있어 P형 베이스 영역의 확산 온도 및 도즈량, N형 드리프트 영역의 도핑농도가트렌치의 모양에 따라 항복 전압에 미치는 영향도를 분석하였다. 그 결과 P형 베이스 영역의 확산온도에 의한 깊이, 도즈량에 의한 도핑 농도 분포가 항복전압에 미치는 영향은 트렌치의 모양에 따라 크게 달라짐을 알 수 있다.
트렌치 각도가 증가함에 따라 N형 드리프트 영역의 도핑농도가 트렌치 부근의 전계에 미치는 영향을 알아보기 위하여 트렌치 부근에서의 등전위곡선을 시뮬레이션을 통해 살펴보았다. 그림 11은트렌치 각도가 45°, 90°일 때, N형 드리프트 영역의 노핑농도가 각각 0.
트렌치 각도가 증가함에 따라 P형 베이스 영역의 도즈량이 트렌치 부근의 전계에 미치는 영향을알아보기 위하여 트렌치 부근에서의 등전위 곡선을 시뮬레이션을 통해 살펴보았다. 그림 8은 트렌치 각도가 45°, 90°일 때, 베이스 영역의 도즈량이각각 0.
트렌치 각도가 증가함에 따라 P형 베이스 영역의 확산온도가 트렌치 부근의 전계에 미치는 영향을 알아보기 위하여 트렌치 부근에서의 등전위 곡선을 시뮬레이션을 통해 살펴보았다. 그림 4는 트렌치 각도가 45°, 90°일 때, 베이스 영역의 확산온도가 각각 1040 ℃, 1100 ℃ 인 경우의 등전위곡선을 나타낸 그림이다.

가설 설정

1 ㎛ 로 설계하였다. 트렌치 각도를 그림에서처럼。로 정의하였고。가 45°, 60°, 75°, 90° 인 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.

제안 방법

P형 베이스 영역의 깊이가 트렌치 모양에 따라항복전압에 미치는 영향을 알아보기 위하여 베이스 영역의 확산 온도를 변화시키며 트렌치 각도에따른 항복전압의 변화 양상을 살펴보았다. 표 2는확산 온도에 따른 베이스 영역의 깊이를 나타낸것이며 시뮬레이션시 베이스 영역의 도즈량은 10x1(产 /cm% N형 드리프트 영역의 도핑농도는 l.
나타내었다. 본 논문에서 사용한 TIGBT 구조는 그림 2와같으며 캐리어의 수명시간(lifetime)은 7 儲, 게이트산화막의 두께는 0.1 ㎛ 로 설계하였다. 트렌치 각도를 그림에서처럼。로 정의하였고。가 45°, 60°, 75°, 90° 인 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는트렌치에 집중되는 전계에 영향을 미치는 여러 공정 파라미터를 설정하여 각각의 파라미터가 트렌치의 모양, 즉 트렌치 모서리의 각도에 따라 어떻게 영향을 받는지 소자 구조 설계용 시뮬레이터인 TSUPREM4와 소자 분석용 시뮬레이터인 MEDICI 를 이용하여 분석하였다.
트렌치 각도 변화에 따른 P형 베이스 영역 도핑농도의 항복전압에 대한 영향을 평가하기 위하여 P형 베이스 영역의 도즈량을 변화시키면서 항복전압을 알아보았다. 그림 5는 P형 베이스 영역의 도즈량에 따라 그림 1의 (b) 에서 베이스 영역의 도핑농도 분포를 나타낸 그래프이며 시뮬레이션시 P형베이스 영역의 확산 온도는 1070 ℃, N형 드리프트 영역의 도핑농도는 1.
트렌치 부위에서의 전계의 집중도를 알아보기 위하여 소자의 수평 방향 거리 4 ㎛에서 6 ㎛ 사이에서의 전계의 기울기(券)를 살펴보았다. 기울기가 급할수록 전계가 트렌치 부분에 많이 집중되어 있음을 의미한다.

대상 데이터

본 논문에서 설정한 공정 파라미터는 P형 베이스(p-base) 또는 베이스 영역의 확산 온도, 도즈량, N형 드리프트(n-cMft) 또는 드리프트 영역의 도핑농도이며 각 파라미터의 변수는 표 1에 나타내었다. 본 논문에서 사용한 TIGBT 구조는 그림 2와같으며 캐리어의 수명시간(lifetime)은 7 儲, 게이트산화막의 두께는 0.

성능/효과

그림 4는 트렌치 각도가 45°, 90°일 때, 베이스 영역의 확산온도가 각각 1040 ℃, 1100 ℃ 인 경우의 등전위곡선을 나타낸 그림이다. 그림 4(a) 그림에서 볼수 있듯이 트렌치 각도가 낮은 경우에는 P형 베이스 영역의 확산온도가 낮아 베이스 영역의 깊이가작은 경우나 확산온도가 높아 베이스 영역의 깊이가 큰 경우 모두 등 전위 곡선이 중분히 수평으로형성되어 있어 확산온도 증가에 따른 트렌치 모서리 방향으로의 전계 집중 완화 효과는 크지 않다. 그러나 그림 4(b) 그림에서 볼 수 있듯이 트렌치각도가 큰 경우, P형 베이스 영역의 확산온도가 낮아 베이스 영역의 깊이가 작으면 등전위 곡선이많이 굽게 되며 확산온도가 높아 베이스 영역의깊이가 깊어지면 등 전위 곡선이 많이 펴지게 되는데 이는 N형 드리프트 영역에서 트렌치 모서리 방향으로 향하던 전계가 베이스 영역의 방향으로 분산되기 때문으로 판단된다⑻.
0x10" /cm² 인 경우의 등전위 곡선을 나타낸 그림이다. 그림 8(a) 그림에서볼 수 있듯이 트렌치 각도가 낮은 경우에는 P형베이스 영역의 '도즈량이 낮아 베이스 영역의 도핑농도가 낮은 경우나 도즈량이 높아 베이스 영역의도핑농도가 높은 경우 모두 등 전위 곡선이 충분히수평으로 형성되어 있어 도즈량 증가에 따른 트렌치 모서리 방향으로의 전계 집중 완화효과는 크지않다. 그러나 그림 8(b) 그림에서 볼 수 있듯이 트렌치 각도가 큰 경우, P형 베이스 영역의 도즈량이낮아 베이스 영역의 도핑농도가 낮으면 등전위 곡선이 많이 굽게 되며 도즈량이 높아 베이스 영역의 도핑농도가 높아지면 등 전위 곡선이 많이 펴지게 되는데 이는 N형 드리프트 영역에서 트렌치 모서리 방향으로 향하던 전계가 P형 베이스 영역의방향으로 분산되기 때문으로 판단된다.
분석하였다. 그 결과 P형 베이스 영역의 확산온도에 의한 깊이, 도즈량에 의한 도핑 농도 분포가 항복전압에 미치는 영향은 트렌치의 모양에 따라 크게 달라짐을 알 수 있다. 앞에서 알아본 시뮬레이션 결과로부터 트렌치 게이트 IGBT 설계시항복전압을 높이려면 스레쉬홀드 전압 (threshold voltage) 등과 같은 소자의 원하는 전기적 특성 범위 내에서 트렌치의 각도가 높을수록 P형 베이스영역의 확산 온도와 도핑 농도를 증가시켜 트렌치에 집중되는 전계를 P형 베이스 영역의 방향으로분산시켜야 함을 알 수 있었다.
6 % 증가하였다. 따라서, P형 베이스 영역의 확산 온도는 트렌치의 각도가 낮을 때보다높은 경우에 항복 전압에 더 큰 영향을 미침을 알수 있다.
그 결과 P형 베이스 영역의 확산온도에 의한 깊이, 도즈량에 의한 도핑 농도 분포가 항복전압에 미치는 영향은 트렌치의 모양에 따라 크게 달라짐을 알 수 있다. 앞에서 알아본 시뮬레이션 결과로부터 트렌치 게이트 IGBT 설계시항복전압을 높이려면 스레쉬홀드 전압 (threshold voltage) 등과 같은 소자의 원하는 전기적 특성 범위 내에서 트렌치의 각도가 높을수록 P형 베이스영역의 확산 온도와 도핑 농도를 증가시켜 트렌치에 집중되는 전계를 P형 베이스 영역의 방향으로분산시켜야 함을 알 수 있었다. 그러나 트렌치 각도가 작으면 P형 베이스 영역의 깊이나 도핑농도가 항복전압에 미치는 영향이 작아지므로 항복전압 특성보다는 온 상태 전압강하나 레치업 특성 향상을 위해 P형 베이스 영역의 깊이나 도핑농도를조절하는 것이 더 효율적이라고 할 수 있다.
3 %로 매우 작음을 알 수 있다. 위 결과로부터 N형 드리프트 영역의 도핑농도가 항복전압에미치는 양상은 트렌치 각도에 큰 영향을 받지 알않음을 알 수 있다.
1 % 증가하였다. 위 결과로부터 트렌치각도가 크면 P형 베이스 영역의 도핑농도의 증가에 따른 항복 전압의 증가량은 더 큰 것을 알 수 있다.
시뮬레이션 결과는 그림 2와 같다. 확산 온도가 높을수록 항복 전압은 상승하며 트렌치의 각도가 증가할수록 항복 전압은 떨어지는 것을 알수 있다. 트렌치 각도가 45°일 때에는 그림 2의 (a)에 표시한 것처럼 확산 온도의 증가에 따른 항복전압 변화량은 会*=耳答 이었지만 각도가 90°인 경우에는 그림 2의 (b) 에 표시한 바와 같이 岑匸 으로 각도가 45° 일 때보다 변화량이 134.

후속연구

본 연구 결과는 향후 고압용 트렌치 게이트 IGBT 설계에 있어 공정 파라미터 결정에 영향을미칠 것으로 기대된다.

참고문헌 (8)

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M. Y. Sung, E. G. Kang, D. J. Kim, and S. S. Kim, 'A new lateral trench electrode insulated gate bipolar transistor with p+ diverter for superior electrical characteristics', Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 42, No. 4B, p. 2119, 2003

상세보기
B. Jayant Baliga, Michael S. Adler, Robert F. Love, Peter V. Gray, and Nathan D. Zomrner, 'The insulated gate transistor: a new threeterminal MOS-controlled bipolar power device', Trans. on Electron Devices, Vol. 31, No. 6, p. 821, 1984
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원문보기 상세보기
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P. M. Campbell, W. Garwacki, A. R. Sears, P. Mmenditto, and B. J. Baliga, 'Trapezoidalgroove schottky-gate vertical-channel GaAs FET (GaAs static induction transistor)', Electron Device Letters, Vol. 6, No.6, p. 304, 1985

상세보기
D. W. Kim, M. Y. Sung, and E. G. Kang, 'A dual trench gate emitter switched thyristor (DTG-EST) with dual trench gate electrode and different gate oxide thickness', Microelectronic Engineering, Vol. 70, No.1, p. 50, 2003

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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