[논문]1,200 V급 Trench Si IGBT의 설계 및 전기적인 특성 분석

강이구

doi:10.4313/jkem.2020.33.2.105

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, experiments and simulations were conducted for a 1,200-V-class trench Si insulated-gate bipolar transistor (IGBT) with a small cell pitch below 2.5 ㎛. Presently, as a power device, the 1,200-V-class trench Si IGBT is used for automotives including electric vehicles, hybrid elec...

In this study, experiments and simulations were conducted for a 1,200-V-class trench Si insulated-gate bipolar transistor (IGBT) with a small cell pitch below 2.5 ㎛. Presently, as a power device, the 1,200-V-class trench Si IGBT is used for automotives including electric vehicles, hybrid electric vehicles, and industrial motors. We obtained a breakdown voltage of 1,440 V, threshold of 6 V, and state voltage drop of 1.75 V. This device is superior to conventional IGBTs featuring a planar gate. To derive its electrical characteristics, we extracted design and process parameters. The cell pitch was 0.95 ㎛ and total wafer thickness was 140 ㎛ with a resistivity of 60 Ω·cm. We will apply these results to achieve fine-pitch gate power devices suitable for electrical automotive industries.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. The structure and parameters of trench gate type field stop IGBT parameter.
그림 Fig. 2. The threshold voltage characteristics of field stop IGBT.
그림 Fig. 3. The breakdown voltage characteristics of 1,440 V field stop IGBT.
그림 Fig. 4. The on state voltage drop characteristics of field stop IGBT.
표 Table 1. The parameters of trench gate type field stop IGBT.
그림 Fig. 5. The threshold voltage characteristics of field stop IGBT.
그림 Fig. 6. The breakdown voltage characteristics of 1,440 V field stop IGBT.
그림 Fig. 7. The on state voltage drop characteristics of field stop IGBT.
그림 Fig. 8. The threshold voltage characteristics of field stop IGBT.
그림 Fig. 9. The breakdown voltage characteristics of 1,440 V field Stop IGBT.
그림 Fig. 10. The on state voltage drop characteristics of field stop IGBT.
표 Table 2. The parameters of trench gate type field stop IGBT.

AI 본문요약
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문제 정의

5 ㎛로 만들기 위하여 N+ 에미터 영역과 P+ 에미터 영역의 비율을 조절하였다. 그리고 N-버퍼층과 P-콜렉터영역의 플란트 도즈(doze)양, 에너지, 온도, 시간 등을 변화시키는 실험을 통하여 온상태 전압강화(VCE-SAT)의 최적화를 진행하고자 하였다.
본 논문에서는 게이트와 게이트 사이의 에미터 셀피치를 2.5 um로 줄인 field stop IGBT를 최적화 설계하는데 있어서 결과적으로 표 2와 같은 파라미터가 도출되었다. 문턱전압은 P-베이스의 깊이와 농도에 직결되는 것을 확인하였고, 항복전압은 웨이퍼 전체 두께, 비저항도와 field stop의 경우 N-버퍼의 임플란트 도우즈양에 따라 달라지는 것을 확인할 수 있었다.

제안 방법

IGBT 하단 특성 확인을 위해 N-버퍼층과 P-컬렉터 영역을 실험하였다. N-버퍼층의 임플란트 도우즈를 1×10¹³ ~1×10¹⁴ cm^-2 로 실험을 진행하였을 때, 항복전압이 1,494~1,620 V, VCE-SAT이 1.
전체적인 웨이퍼 전체 두께와 비저항을 조절하여 항복전압을 1,440 V 이상으로 올리는 실험을 진행하였다. P-베이스 영역(P-베이스 영역)의 임플란트 도즈(doze)양, 에너지, 온도, 시간 등을 최적화하여 문턱전압(Vth)을 6 V 이상으로 최적화하며 본 논문의 핵심인 셀 피치를 2.5 ㎛로 만들기 위하여 N+ 에미터 영역과 P+ 에미터 영역의 비율을 조절하였다. 그리고 N-버퍼층과 P-콜렉터영역의 플란트 도즈(doze)양, 에너지, 온도, 시간 등을 변화시키는 실험을 통하여 온상태 전압강화(VCE-SAT)의 최적화를 진행하고자 하였다.
본 논문에서 제시하는 작은 셀 피치(cell pitch)를 갖는 field stop IGBT의 최적화를 위해서 TCAD를 이용하여 공정 및 소자 시뮬레이션을 수행하였다. 전체적인 웨이퍼 전체 두께와 비저항을 조절하여 항복전압을 1,440 V 이상으로 올리는 실험을 진행하였다.
일반적으로 N형 드리프트 영역의 농도를 낮추게 되면 항복 전압은 증가하지만 온-저항과 같은 기타 특성들이 감소하게 되므로 설계의 최적화 및 구조 변경을 통해 항복전압특성과 온-상태 전압강하 특성을 개선시켜야 한다 [4,5]. 본 논문은 신재생에너지 발전, 전기자동 차, 철도 등에 사용될 1,200 V급 IGBT의 최적화를 진행하였으며 소자의 정확한 턴-온을 위하여 문턱전압을 6 V로 설정하여 진행하였다.
본 실험에서는 문턱전압을 6 V급으로 증가시키기 위해 채널이 생성되는 P-베이스 영역에 대해서 공정파라미터를 변화시키면서 수행하였으며, P-베이스를 깊게 주입하기 위하여 임플란트 에너지를 20~110 KeV를 실험하였는데 30 KeV 이하에서는 P-베이스 영역이 바로 위에 N+ 에미터 영역에 흡수되어 채널이 형성되지 않음을 확인할 수 있었으며, 문턱전압은 1.8~3.8 V로 별 차이가 없어 임플란트 에너지를 80 KeV로 진행하였으며, 1,000℃에 150~300분으로 드라이브 인 시간에 대한 실험을 진행하였는데 이 또한 2.6~2.8 V로 차이가 없음을 확인하여 300분으로 임플란트 도우즈양을 3.5×1011cm -2 ~ 1×1015cm-2으로 변화시켜 가면서 실험을 진행하였다.
본 논문에서 제시하는 작은 셀 피치(cell pitch)를 갖는 field stop IGBT의 최적화를 위해서 TCAD를 이용하여 공정 및 소자 시뮬레이션을 수행하였다. 전체적인 웨이퍼 전체 두께와 비저항을 조절하여 항복전압을 1,440 V 이상으로 올리는 실험을 진행하였다. P-베이스 영역(P-베이스 영역)의 임플란트 도즈(doze)양, 에너지, 온도, 시간 등을 최적화하여 문턱전압(Vth)을 6 V 이상으로 최적화하며 본 논문의 핵심인 셀 피치를 2.

성능/효과

N-버퍼층의 임플란트 도우즈를 1×1013 ~1×1014 cm-2 로 실험을 진행하였을 때, 항복전압이 1,494~1,620 V, VCE-SAT이 1.7~2.4 V로 전체적으로 증가함을 확인하였다.
P-컬렉터에 대한 실험으로 임플란트 도우즈를 1×1013 cm-2~ 1×1017 cm-2로 진행하였는데 1×1016 cm-2이상일 경우 Si 기판에 P형 과포화 상태로 물질특성상 오류를 확인하였으며, 1×1015cm 이상으로 임플란트했을 때 문턱전압이 6.5 V로 증가하였으며 그림 8, 9에 나타낸 것처럼 항복전압이 1,442 V인 1×10 16 cm-2 의 경우 온 상태 전압강하 값은 1.31 V를 나타내었다.
51×10¹³cm -2 으로 진행하였다. 그 결과 그림 5와 같이 문턱전압이 2.5 V에서 5.92 V로 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 비저항이 한계에 다다르는 60 Ω · cm 을 기준으로 웨이퍼 전체 두께를 100~140 ㎛으로 시뮬레이션을 진행하여, 드리프트층의 두께가 140 ㎛에서 1,478 V의 항복전압을 확인할 수 있었다.
5 um로 줄인 field stop IGBT를 최적화 설계하는데 있어서 결과적으로 표 2와 같은 파라미터가 도출되었다. 문턱전압은 P-베이스의 깊이와 농도에 직결되는 것을 확인하였고, 항복전압은 웨이퍼 전체 두께, 비저항도와 field stop의 경우 N-버퍼의 임플란트 도우즈양에 따라 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 온 상태 전압강하 특성은 주로 P-컬렉터의 임플란트 도우즈양에 따른 영향을 받는 것을 확인할 수 있었으며, 향후 fine pitch 또는 온 전압강하 값이 작은 고전압 IGBT 소자 개발 시, 충분히 활용 가능할 것으로 판단된다.
4 V로 전체적으로 증가함을 확인하였다. 온도실험은 400~1,150℃로 실험 진행 시 1,000℃ 이상부터 눈에 띄게 확산이 이루어지는 것을 확인하였고 이때 항복전압은 1,535 V, 온 상태 전압강하 값은 1.59 V를 도출하였다. P-컬렉터에 대한 실험으로 임플란트 도우즈를 1×10¹³ cm^-2~ 1×10¹⁷cm^-2로 진행하였는데 1×10¹⁶ cm^-2이상일 경우 Si 기판에 P형 과포화 상태로 물질특성상 오류를 확인하였으며, 1×10¹⁵cm 이상으로 임플란트했을 때 문턱전압이 6.

후속연구

문턱전압은 P-베이스의 깊이와 농도에 직결되는 것을 확인하였고, 항복전압은 웨이퍼 전체 두께, 비저항도와 field stop의 경우 N-버퍼의 임플란트 도우즈양에 따라 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 온 상태 전압강하 특성은 주로 P-컬렉터의 임플란트 도우즈양에 따른 영향을 받는 것을 확인할 수 있었으며, 향후 fine pitch 또는 온 전압강하 값이 작은 고전압 IGBT 소자 개발 시, 충분히 활용 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IGBT의 항복전압은 무엇의 영향을 받는가?	5 um로 줄인 field stop IGBT를 최적화 설계하는 데 있어서 결과적으로 표 2와 같은 파라미터가 도출 되었다. 문턱전압은 P-베이스의 깊이와 농도에 직결되는 것을 확인하였고, 항복전압은 웨이퍼 전체 두께, 비저항도와 field stop의 경우 N-버퍼의 임플란트 도우즈 양에 따라 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 온 상태 전압강하 특성은 주로 P-컬렉터의 임플란트 도우즈양에 따른 영향을 받는 것을 확인할 수 있었으며, 향후 fine pitch 또는 온 전압강하 값이 작은 고전압 IGBT 소자 개발 시, 충분히 활용 가능할 것으로 판단된다.
	IGBT의 특징은 무엇인가?	IGBT는 전기적 전도 능력이 뛰어난 소자이며, 큰 전력을 처리하기 위해 설계된 스위칭 소자로서 전력 반도체인 만큼 항복 전압과 온-상태 전압 강하, 스위칭 속도, 높은 신뢰성의 요구사항을 필요로 한다 [1-3]. 일반적으로 N형 드리프트 영역의 농도를 낮추게 되면 항복 전압은 증가하지만 온-저항과 같은 기타 특성들이 감소하게 되므로 설계의 최적화 및 구조 변경을 통해 항복전압특성과 온-상태 전압강하 특성을 개선시켜야 한다 [4,5].

참고문헌 (5)

B. S. Ann, H. S. Chung, E. S. Jung, S. J. Kim, and E. G. Kang, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 25, 187 (2012). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2012.25.3.187]
J. M. Geum, E. S. Jung, E. G. Kang, and M. Y. Sung, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 25, 253 (2012). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2012.25.4.253]
T. J. Nam, E. S. Jung, H. S. Chung, and E. G. Kang, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 25, 266 (2012). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2012.25.4.266]
E. G. Kang, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 29, 681 (2016). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2016.29.11.681]
E. G. Kang, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 31, 208 (2018). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2018.31.4.208]

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