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Power 소자 기술 원문보기

電子工學會誌 = The journal of Korea Institute of Electronics Engineers, v.42 no.7 = no.374, 2015년, pp.45 - 53  

이상기 (동부하이텍)

초록
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Power 소자 기술은 digital & mixed signal device와 on-chip 구현을 위해서 CMOS 공정에 대한 기본 이해가 필요하다. CMOS 공정 기반 위에 power device 공정을 추가하면서 다양한 operation voltage의 power 소자를 구현하고, passive device 들을 동일 공정에서 구현하여 다양한 components 들로 power IC 제품을 design 할 수 있도록 modular process를 제공하는 것이 중요하다. 또한 power device로 주로 사용되는 LDMOS 소자에 대한 performance 개선을 위해 simulation을 통해 key device parameter들의 특성을 예측하고, 구조를 설계하는 것이 Si process 전에 중요한 일 중의 하나이다. 아울러 power management가 potable power, consumer electronics 및 green energy에서 가장 빠르게 성장하는 분야이므로, 차별화된 power 소자 기술을 확보하여 급변하는 시장 환경에 대응하는 것이 필요하다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • LDMOS에서 가장 중요한 parameter는 Ron(on-state resistance)과 BVDss 특성이며, 이를 구현하기 위해 가장 필요한 기술은 RESURF(Reduced Surface Field)[3] 기술이다. RESURF 기술에 대한 개념과 이를 NLDMOS에 적용하였을 경우 Ron과 BVDss 특성 및 기생으로 형성되는 BJT device들에 대한 동작특성을 설명하고자 한다. 또한 Reliability 관련 SOA(Safe Operation Area) 와 Ron 및 BVDss의 상관관계를 알아보고자 한다.
  • 특히 수평구조의 power device는 CMOS 공정에 일부 공정을 추가하여 집적(integration)이 가능하여, logic과 mixed signal device과 함께 SoC(system on chip) 구현이 가능하다. 따라서 수평구조인 LDMOS에 대하여 소자구조 및 특성에 대하여 자세히 알아보고자 한다.
  • RESURF 기술에 대한 개념과 이를 NLDMOS에 적용하였을 경우 Ron과 BVDss 특성 및 기생으로 형성되는 BJT device들에 대한 동작특성을 설명하고자 한다. 또한 Reliability 관련 SOA(Safe Operation Area) 와 Ron 및 BVDss의 상관관계를 알아보고자 한다.
  • 앞으로 power device의 기술을 이해하기 위해서 BCD device들의 구조와 주요 공정, power device의 종류 및 특성, LDMOS에 대하여 중점적으로 설명하고자 한다. 본 원고에서는 LDMOS device에서 특성 개선을 위해 필요한 RESURF(Reduced Surface Field)[3] 기술과 key parameter인 Ron과 BVDss 조절 방법, device operation과 기생소자 동작원리 및 신뢰성 특성 등을 기술하고 BCD technology의 modularity 개념 및 방법 등에 대하여 설명하고자 한다.
  • 상기 device들 중에 Power I C t e c h n o l o g y에서 p o w e r device로 사용되는 LDMOS 소자 기술에 대하여 자세히 설명하고자 한다. LDMOS에서 가장 중요한 parameter는 Ron(on-state resistance)과 BVDss 특성이며, 이를 구현하기 위해 가장 필요한 기술은 RESURF(Reduced Surface Field)[3] 기술이다.
  • 앞으로 power device의 기술을 이해하기 위해서 BCD device들의 구조와 주요 공정, power device의 종류 및 특성, LDMOS에 대하여 중점적으로 설명하고자 한다. 본 원고에서는 LDMOS device에서 특성 개선을 위해 필요한 RESURF(Reduced Surface Field)[3] 기술과 key parameter인 Ron과 BVDss 조절 방법, device operation과 기생소자 동작원리 및 신뢰성 특성 등을 기술하고 BCD technology의 modularity 개념 및 방법 등에 대하여 설명하고자 한다.
  • Pwell은 NLDMOS의 body를 형성하기 위해 적용되었고 body 농도는 device의 문턱전압을 조절하게 된다. 전체 device를 둘러싼 n-isolation 과 NBL은 정상적인 MOSFET의 동작 동안에 junction isolation 특성을 제공하기 위한 것이다. N-well은 device의 drain 영역이며, n-well 아래로 p 영역과 NBL 영역이 형성되어 있어 원하는 RESURF 작용이 일어날 수 있다.

가설 설정

  • BCD technology는 voltage capability, power transistor의 switching speed와 performance 관점에서 분류를 할 수 있다. Voltage capability에 따라; 1) 12V 이하에서 high speed BCD, 2) 5V에서 80V 영역에서 high performance BCD, 3) 80V에서 300V 영역에서 medium voltage BCD, 4) 300V에서 1200V 영역에서 high power BCD로 분류가 된다. BCD technology에 따른 응용 분야 및 key performance는 <표 1>과 같다[2].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Power device는 operation에 따라 어떻게 분류되는가? Power device는 operation에 따라 BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(Metal Oxide Sem iconduc tor F ie ld E f fec t Trans is tor )과 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등으로 분류할 수 있으며 <그림 5>와 같다. 이러한 power device들<그림 4> BCD Technology의 주요 공정순서 은 낮은 gate drive power와 빠른 switching speed 때문에 주로 사용되고 있으며 high current와 voltage를 인가할 수 있다.
Power device의 역할은? Power device는 일상생활에서 사용되는 motors, relays, lights와 energy consuming elements 등에서 power를 조절하는 output 담당하며, <그림 1>의 빗금 친(shaded) 부분이 power processing이 일어나는 부분이며 clear 영역은 information processing이 일어나는 곳이다. Clear 영역은 지난 수십 년에 걸쳐 Moore’s law가 적용되는 부분이지만, 빗금 친 부분의 power device 영역은 이 Moore’s law에 거의 영향을 받지 않게 된다.
LDMOS 소자에서 가장 중요한 파라미터는? 상기 dev ice들 중에 Power I C t e c h n o l o g y에서 p o w e r device로 사용되는 LDMOS 소자 기술에 대하여 자세히 설명하고자 한다. LDMOS에서 가장 중요한 parameter는 Ron(on-state resistance)과 BVDss 특성이며, 이를 구현하기 위해 가장 필요한 기술은 RESURF(Reduced Surface Field)[3] 기술이다. RESURF 기술에 대한 개념과 이를 NLDMOS에 적용 하였을 경우 Ron과 BVDss 특성 및 기생으로 형성되는 BJT device들에 대한 동작특성을 설명하고자 한다.
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참고문헌 (5)

  1. Philip L. Hower, "Safe Operation Area-a New Frontier in LDMOS Design," Proc. of ISPSD, pp. 1-8, 2002. 

  2. IL-Young Park et al., "BCD (Bipolar-CMOS-DMOS) Technology Trends for Power Management IC," 8th International Conference on Power Electronics, pp.318-325, 2011. 

  3. Sunitha HD et al., "Reduced Surface Field Technology for LDMOS : A Review," International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, pp.173-176, 2014. 

  4. B. Murari et al., Smart Power ICs 2nd Edition, pp 1-50, Springer 

  5. Ronghua Zhu et al., "Substrate Majority Carrier-Induced NLDMOSFET Failure and Its Prevention in Advanced Smart Power IC Technologies," IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. Vol. 6. No. 2, pp.386-392, 2006. 

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