[논문]비균일 100V 급 초접합 트랜치 MOSFET 최적화 설계 연구

노영환

doi:10.5573/ieek.2013.50.7.109

초록
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전력 MOSFET(산화물-반도체 전위 효과 트랜지스터)는 BLDC 모터와 전력 모듈 등에 광범위하게 사용하고 있다. 기존 전력 MOSFET 구조는 온-저항과 항복전압사이에 절충(tradeoff)이 필요하다. 이러한 절충을 하지 않고 최적화를 하기위해 비균일 초접합 트랜치 MOSFET 를 설계하는데 동일한 항복전압에서 균일 초접합 트랜치 MOSFET보다 낮은 온-저항을 갖도록한다. 이를 위해 드리프트 영역에서 우수한 전기장 분포를 달성하기 위하여 선형구조의 도핑 프로파일을 제안하고, 단위 셀 설계, 도핑농도의 특성분석, 전위분포를 SILVACO TCAD 2D인 Atlas 소자 소프트웨어를 사용하여 시뮬에이션을 수행하였다. 결과로 100V 급 MOSFET에서 비균일 초접합 트랜치 MOSFET가 균일 초접합 트랜치 MOSFET보다 온-저항에서 우수한 특성을 보여주고 있다.

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Power MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) are widely used in power electronics applications, such as BLDC (Brushless Direct Current) motor and power module, etc. For the conventional power MOSFET device structure, there exists a tradeoff relationship between specific on-state ...

Power MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) are widely used in power electronics applications, such as BLDC (Brushless Direct Current) motor and power module, etc. For the conventional power MOSFET device structure, there exists a tradeoff relationship between specific on-state resistance and breakdown voltage. In order to overcome the tradeoff relationship, a non-uniform super-junction (SJ) trench MOSFET (TMOSFET) structure for an optimal design is proposed in this paper. It is required that the specific on-resistance of non-uniform SJ TMOSFET is less than that of uniform SJ TMOSFET under the same breakdown voltage. The idea with a linearly graded doping profile is proposed to achieve a much better electric field distribution in the drift region. The structure modelling of a unit cell, the characteristic analyses for doping density, and potential distribution are simulated by using of the SILVACO TCAD 2D device simulator, Atlas. As a result, the non-uniform SJ TMOSFET shows the better performance than the uniform SJ TMOSFET in the specific on-resistance at the class of 100V.

주제어

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문제 정의

이때 전력 MOSFET 소자의 온-저항과 항복전압을 최적화시키기 위해 제안된 기술이 초접합 기술^[2]이다. 본 논문에서 저 전압 MOS의 경우 채널 영역과 JFET(Junction FET) 영역의 저항을 줄이기 위해 초접합 구조를 접목 하고 도핑농도를 변화시킨 비균일 초접합 트랜치 MOSFET를 설계하였다.

제안 방법

그림 2는 비균일 초접합 트렌치 MOSFET 구조를 나타내는데 기본구조는 ETRI에서 기존에 개발한 self align TDMOS 공정[5～6]을 기반으로 비균일 초접합트랜치 MOSFET에 대한 pillar의 도핑에 따른 100 V 급항복전압을 얻기 위해 P 열의 도핑농도를 2.5 × 1016/cm3 부터 4.0 × 1016/cm3 까지 기준하여 N 열의 도핑농도를 변화시키고, 균일경우는 P열과 N열의 도핑농도를 일정하게 한 후 시뮬레이션 결과로 항복전압을 온-저항 값으로 나눈 것을 성능지수(figure of merit)로 설정하여 최대값을 가지는 경우를 최적화로 고려하였다.
0 × 10¹⁶/cm³ 까지 기준하여 N 열의 도핑농도를 변화시키고, 균일경우는 P열과 N열의 도핑농도를 일정하게 한 후 시뮬레이션 결과로 항복전압을 온-저항 값으로 나눈 것을 성능지수(figure of merit)로 설정하여 최대값을 가지는 경우를 최적화로 고려하였다. 즉, 균일 초접합트랜치 MOSFET 경우에 설계한 항복전압에서 균일한 도핑농도로, 비균일 초접합트랜치 MOSFET 경우에는 동일한 항복전압에서 N 열의 농도를 변화시키면서 온-저항이 최소가 되도록 시뮬레이션을 수행한다. 항복전압 100 V급 구조에서 트랜치 깊이의 변화는 항복전압에 영향을 주지만, 본 논문에서는 기존 최적화된 트랜치 구조^[5～6]를 기반으로 하여 온-저항에 가장 큰 영향을 주는 부분은 N-dirft의 도핑농도로 한정하여 동일한 항복전압에서 온-저항의 영향을 분석한다.
즉, 균일 초접합트랜치 MOSFET 경우에 설계한 항복전압에서 균일한 도핑농도로, 비균일 초접합트랜치 MOSFET 경우에는 동일한 항복전압에서 N 열의 농도를 변화시키면서 온-저항이 최소가 되도록 시뮬레이션을 수행한다. 항복전압 100 V급 구조에서 트랜치 깊이의 변화는 항복전압에 영향을 주지만, 본 논문에서는 기존 최적화된 트랜치 구조^[5～6]를 기반으로 하여 온-저항에 가장 큰 영향을 주는 부분은 N-dirft의 도핑농도로 한정하여 동일한 항복전압에서 온-저항의 영향을 분석한다. 그리고, 단위셀의 폭은 2.

이론/모형

100-V 급 비균일 초접합 트랜치 MOSFET 기본구조를 설계하였으며 동일한 항복전압에서 온-저항을 낮출수 있는 연구를 수행한 결과 비 균일 구조가 균일구조보다 온 저항을 현격히 개선함을 보여주었고 이론적인 결과와 일치함을 확인하였다. 초접합 트랜치 MOSFET 열의 폭 및 농도에 따른 온-저항과 항복전압을 분석하기 위하여 SILVACO TCAD의 회로설계 시뮬레이터인 Atlas^[10]를 이용하여 최적화 설계를 수행하였다. 이 결과를 이용하여 1 mΩ·cm² 온-저항을 요구하는 BLDC 용 100 V 급 SJ Trench MOSFET 설계기반을 마련하였다고 본다.

성능/효과

100-V 급 비균일 초접합 트랜치 MOSFET 기본구조를 설계하였으며 동일한 항복전압에서 온-저항을 낮출수 있는 연구를 수행한 결과 비 균일 구조가 균일구조보다 온 저항을 현격히 개선함을 보여주었고 이론적인 결과와 일치함을 확인하였다. 초접합 트랜치 MOSFET 열의 폭 및 농도에 따른 온-저항과 항복전압을 분석하기 위하여 SILVACO TCAD의 회로설계 시뮬레이터인 Atlas^[10]를 이용하여 최적화 설계를 수행하였다.
P 열의 도핑농도가 3.5 × 1016cm-3이고 N 열의 도핑농도가 2.5 × 1016cm-3에서 1.0 × 11016cm-3으로 변화시킬 때 항복전압은 115.8 V이고 온-저항은 0.62 mΩ·cm2로거의 동일한 항복전압을 유지하면서 온-저항은 감소되었다.
62 mΩ·cm²로거의 동일한 항복전압을 유지하면서 온-저항은 감소되었다. 결과적으로 그림 7에서 균일 및 비균일 초접합 트랜치 MOSFET 구조에서 항복전압과 온-저항을 보여주는데 비 균일 초접합 트랜치 MOSFET가 동일한 전압에서 온-저항이 현격하게 낮아져 성능개선이 됨을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력 MOSFET은 어느 분야에서 사용되고 있는가?	전력 MOSFET(산화물-반도체 전위 효과 트랜지스터)는 BLDC 모터와 전력 모듈 등에 광범위하게 사용하고 있다. 기존 전력 MOSFET 구조는 온-저항과 항복전압사이에 절충(tradeoff)이 필요하다.
	기존 전력 MOSFET 구조에서 요구되는 것은 무엇인가?	전력 MOSFET(산화물-반도체 전위 효과 트랜지스터)는 BLDC 모터와 전력 모듈 등에 광범위하게 사용하고 있다. 기존 전력 MOSFET 구조는 온-저항과 항복전압사이에 절충(tradeoff)이 필요하다. 이러한 절충을 하지 않고 최적화를 하기위해 비균일 초접합 트랜치 MOSFET 를 설계하는데 동일한 항복전압에서 균일 초접합 트랜치 MOSFET보다 낮은 온-저항을 갖도록한다.
	전력 MOSFET 소자의 반도체층의 불순물 농도는 항복 전압에 어떤 영향을 미치는가?	이들 전력 MOSFET 소자의 반도체층은 턴-온(turn-on) 상태에서 드레인과 소오스 사이에 흐르는 드리프트 전류에 대하여 도통 경로를 제공할 뿐만 아니라, 턴-오프(turn-off) 상태에서는 인가되는 역방향 전압에 의해 수직 방향으로 확장되는 공핍영역을 갖는다. 반도체층의 불순물 농도에 의해 턴-온 상태의 온-저항 (Ron,sp)[1]이 결정되며, 이의 공핍층 특성에 의하여 전력 MOSFET 소자의 항복전압이 결정된다. 이때 전력 MOSFET 소자의 온-저항과 항복전압을 최적화시키기 위해 제안된 기술이 초접합 기술[2]이다.

참고문헌 (10)

B. J. Baliga, Advanced Power MOSFET Concepts, New York Springer-Science, 2010, pp.166, pp.323-354, pp.381-396.
Ying Wang, Hai-Fan Hu, Wen-Li Jiao, and Chao Cheng, "Gate Enhanced Power UMOSFET With Ultra Low On-Resistance," IEEE Electron Device Letters, Vol. 31, No. 4, April 2010.

상세보기
Young Hwan Lho and Yil-Suk Yang, "Design of 100-V Super-Junction Trench Power MOSFET with Low On-Resistance," ETRI Journal, Vol. 34, No. 1, Feb. 2012

원문보기 상세보기
Yu Chen, Yung C. Liang, and Ganesh S. Samudra, "Design of Gradient Oxide Bypassed Super-junction Power MOSFET Devices," IEEE Transactions, Vol. 22. No. 4, July 2007.
Jongdae Kim, Tae Moon Roh, Sang-Gi Kim, Il-Yong Park, Bun Lee, "A Novel Techinique for Fabricating High Reliable Trench DMOSFETs Using Self-Align Technique and Hydrogen Annealing," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 50, No. 2, 2003, pp. 378-383.

상세보기
S.-G. Kim et al., "High-Density Nano-Scale N-Channel Trench-Gated MOSFETs Using the Self-aligned Technique," J. Korean Physical Society, vol. 57, no. 4, Oct. 2010, pp. 802-805

상세보기
J. A. Yedinack, et al., "Super-Junction Structure and Fabricating Methodologies for Power Devices," Korean Patent: 10-2010-0083153
Jong Man Yun, "Development Status and Prospect of Super Junction MOSFET," The Magazine of the IEEK, Vol. 37, No. 8, pp. 826-841, Aug.. 2010 (in Korean).
Gerald Deboy and Florin Udrea, "Super-junction devices & technologies-Benefits and Limitations of a Revolutionary Step in Power Electronics," EPE2007, Aalborg, Denmark, 2-5, September 2007.
SILVACO TCAD manual Atlas.

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