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문제 정의
- 본 논문에서는 파워 반도체 소자의 전계를 분산시키는 역할을 하는 접합 마감 기술인 필드링을 설계하고 그 특성을 고찰하였다. 600 V급 super junction MOSFET의 필드링을 시뮬레이션을 통하여 최적화하였다.
제안 방법
- 600 V super junction 구조를 적용한 필드링에 대한 항복전압 시뮬레이션을 수행하였다. 필드링의 기본 설계에 관하여 고찰하고, JTE 도핑 농도와 필드링 깊이의 값을 고정하고 설계에 가장 영향을 미치는 필드링의 수와 필드링의 도핑농도를 중심으로 시뮬레이션을 진행하였다.
- 본 논문에서는 파워 반도체 소자의 전계를 분산시키는 역할을 하는 접합 마감 기술인 필드링을 설계하고 그 특성을 고찰하였다. 600 V급 super junction MOSFET의 필드링을 시뮬레이션을 통하여 최적화하였다. 실험결과 소자의 edge에 과도한 전계 집중이 일어나며, 마지막 필드링 부분에서 전계가 다시 증가하는 문제를 해결하고자 하였으며, edge에 집중되는 전계를 뒷단으로 분산시키면서 더 높은 항복 전압 값을 얻었다.
- 600 V급 이상의 항복전압을 갖는 super junction field ring 설계를 위해 기본적으로 필드링 수를 4개 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 필드링과 필드링 사이의 간격은 8 μm 필드링의 개수는 4개 필드링 너비를 5 μm로 하였고 시뮬레이션 중 JTE (junction termination extension) 도핑 농도와 필드링 깊이는 50 μm로 고정하였다.
- 필드링은 소자의 모서리 부분에 적용되어 공핍영역의 경계를 확장시키고 곡률 접합에서의 전계를 낮춤으로써 항복전압 특성을 향상시키는 작용을 한다. Super junction 구조를 적용한 필드링 최적화 설계에 앞서 필드링 구조 설계 방법에 대하여 고찰하고 시뮬레이션을 진행하였다.
- 일반적으로 대부분의 파워 반도체 소자는 모서리 부분에 전계 집중 현상이 발생하여 항복전압의 저하가 일어나게 되므로 접합마감기술을 적용하여 공핍층 영역의 경계를 확장시켜 곡률 접합에서의 전계를 분산함으로써 항복전압 특성을 향상시키고 있다. 본 논문에서는 먼저 항복전압에 영향을 주는 변수들을 고려하고 600 V급 super junction MOSFET에 필드링의 해석을 통해 성능을 평가하였다.
- 시뮬레이션 결과 517 V의 항복전압을 얻을 수 있었지만 전계가 한 곳에 집중되어 온도가 높아지면 소자파괴가 일어날 수 있기 때문에 더 높은 신뢰도를 향상을 위해 항복전압을 향상시키고 전계 분포를 확대하여야 한다. 시뮬레이션 결과를 가지고 필드링 수를 추가하고 농도를 높여 표 3과 같이 공정조건을 변화하여 재설계를 진행하였다.
- 위에서 필드링의 이론적 고찰과 설계에 관하여 필드링 개수를 추가하여 최적화하는 방법 필드링이 항복전압에 미치는 6가지 변수 (distance-필드링 간의 거리, num-필드링의 개수, ratio_dis-증가한 필드링과 필드링 사이의 거리, depth-필드링의 깊이, width-필드링 너비, ratio_wid -증가한 필드링 너비의 길이)의 영향에 대하여 고찰하였다. 위에서 제시한 실험한 방법을 참고하여 필드링 설계에 가장 영향을 미치는 필드링의 수와 너비 필드링 간의 간격을 중심으로 600 V급 super junction field ring의 구조에 필드링 최적화 시뮬레이션을 진행하였다.
- 위에서 필드링의 이론적 고찰과 설계에 관하여 필드링 개수를 추가하여 최적화하는 방법 필드링이 항복전압에 미치는 6가지 변수 (distance-필드링 간의 거리, num-필드링의 개수, ratio_dis-증가한 필드링과 필드링 사이의 거리, depth-필드링의 깊이, width-필드링 너비, ratio_wid -증가한 필드링 너비의 길이)의 영향에 대하여 고찰하였다. 위에서 제시한 실험한 방법을 참고하여 필드링 설계에 가장 영향을 미치는 필드링의 수와 너비 필드링 간의 간격을 중심으로 600 V급 super junction field ring의 구조에 필드링 최적화 시뮬레이션을 진행하였다.
- 하지만 전계분포 그래프 결과 전계가 메인 필드링에서 높아지고 곡선을 그리며 점점 감소하다 끝 부분에 전계가 다시 증가됨을 알 수 있다. 이런 전계분포를 가진 소자는 동작 상태는 이상이 없지만 신뢰성이 떨어지며 소자 파괴가 언제든지 일어날 수 있기 때문에 신뢰성 향상을 위해 필드링의 수와 농도 변화를 통하여 시뮬레이션을 진행하였다.
- 표 3의 공정 조건과 같이 필드링의 도핑 농도를 dose 0.7×1013 cm-2Energy 200 KeV에서 dose 2.0×1013 cm -2Energy 200 KeV로 늘려주고 필드링의 수 또한 4개에서 10개로 공정조건을 변화하여 시뮬레이션을 진행하였다.
- 표 5의 공정 조건과 같이 필드링의 도핑 농도를 dose 2.0×1013 cm-2Energy 200 KeV에서 dose 4.5×1013 cm -2Energy 200 KeV로 높이고 필드링의 수 또한 10개에서 13개로 공정조건을 변화하여 시뮬레이션을 진행하였다.
- 필드링 설계 중 주 접합과 가장 가까운 링의 위치를 최적화하고 그 다음 링을 최적화하는 방식으로 시뮬레이션을 통해 원하는 전압에 이르기까지 링을 추가해 나가는 방식으로 진행하였다.
- 필드링과 필드링 사이의 간격은 8 μm 필드링의 개수는 4개 필드링 너비를 5 μm로 하였고 시뮬레이션 중 JTE (junction termination extension) 도핑 농도와 필드링 깊이는 50 μm로 고정하였다.
- 600 V super junction 구조를 적용한 필드링에 대한 항복전압 시뮬레이션을 수행하였다. 필드링의 기본 설계에 관하여 고찰하고, JTE 도핑 농도와 필드링 깊이의 값을 고정하고 설계에 가장 영향을 미치는 필드링의 수와 필드링의 도핑농도를 중심으로 시뮬레이션을 진행하였다. 기본 구조 필드링 시뮬레이션을 통하여 기존의 필드링 4개를 13개로 증가하고 필드링 도핑 농도를 dose 0.
- 그러므로 필드링 접합의 깊이와 간격뿐만이 아니라 보다 다양한 변수들에 대한 고려가 필요하다. 항복전압에 미치는 6가지 변수 (distance-필드링 간의 거리, num-필드링의 개수, ratio_dis-증가한 필드링과 필드링 사이의 거리, depth-필드링의 깊이, width-필드링 너비, ratio_wid -증가한 필드링 너비의 길이)들을 고려하여 시뮬레이션을 진행하여야 한다.
성능/효과
- 기본 구조 필드링 시뮬레이션을 통하여 기존의 필드링 4개를 13개로 증가하고 필드링 도핑 농도를 dose 0.7×1013 cm-2Energy 200 KeV에서 dose 4.5×1013 cm-2Energy 200 KeV로 높여 이상적인 전계분포와 694 V의 항복전압의 결과를 도출하였다.
- 시뮬레이션 결과 전계가 고르게 확산된 것을 확인하였고 필드링의 항복전압은 694 V 전계분포 역시 메인 필드링에서 전계가 높아지고 점점 곡선을 그리며 감소하는 이상적인 전계분포 그래프를 나타내었다.
- 600 V급 super junction MOSFET의 필드링을 시뮬레이션을 통하여 최적화하였다. 실험결과 소자의 edge에 과도한 전계 집중이 일어나며, 마지막 필드링 부분에서 전계가 다시 증가하는 문제를 해결하고자 하였으며, edge에 집중되는 전계를 뒷단으로 분산시키면서 더 높은 항복 전압 값을 얻었다.
- 항복전압이 657 V로 600 V급 필드링 항복전압을 갖는 결과를 도출하였다. 하지만 전계분포 그래프 결과 전계가 메인 필드링에서 높아지고 곡선을 그리며 점점 감소하다 끝 부분에 전계가 다시 증가됨을 알 수 있다.
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