[논문]1200V급 4H-SiC Trench MOSFET의 Design parameter에 따른 전기적 특성 분석

우제욱; 서정주; 진승후; 구용서

doi:10.7471/ikeee.2020.24.2.592

초록
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SiC는 Si에 비해서 Breakdown field가 10배 높고, Energy gap이 3배 높기 때문에 높은 Breakdown voltage를 갖는 우수한 전력 MOSFET을 제작할 수 있다. 하지만 낮은 Mobility로 인한 높은 On저항을 갖기 때문에 이를 낮추기 위해서 Trench MOSFET이 제안되었지만 동시에 BV가 감소한다는 문제점을 갖는다. 본 논문에서는 1200V급 Trench MOSFET 설계를 목적으로 하며, 이를 해결하기 위해서 BV와 Ron에 대한 중요한 변수인 Epi 깊이, Trench 깊이, Trench 깊이에서 Epi 깊이까지의 거리에 대한 Split을 진행하여 최대 전계, BV, Ron의 신뢰성 특성을 비교 분석하였다. Epi 깊이가 증가할수록, Trench 깊이가 감소할수록, Trench 깊이에서 Epi 깊이가 감소할수록 최대 전계 감소, BV 증가, Ron 증가를 확인하였다. 모든 결과는 Sentaurus TCAD를 통해 Simulation 되었다.

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Since SiC has 10 times higher breakdown field and 3 times higher energy gap than Si, it is possible to manufacture an excellent power MOSFET with a high breakdown voltage. However, since it has a high on-resistance due to low mobility, a Trench MOSFET has been proposed to lower it, but at the same t...

Since SiC has 10 times higher breakdown field and 3 times higher energy gap than Si, it is possible to manufacture an excellent power MOSFET with a high breakdown voltage. However, since it has a high on-resistance due to low mobility, a Trench MOSFET has been proposed to lower it, but at the same time, it has a problem that BV decreases. The purpose of this paper is to design a 1200V trench MOSFET, and to solve this, split Epi depth, Trench depth, and Trench depth to Epi depth, which are important variables for BV and Ron, to achieve maximum electric field, BV, Ron's reliability characteristics were compared and analyzed. As the epi depth increased, the trench depth decreased, and the epi depth decreased at the trench depth, the maximum electric field decrease, BV increase, and Ron increase were confirmed. All results were simulated by sentaurus TCAD.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Cross section view of a 4H-SiC trench gate MOSFET. 그림 1. 4H-SiC trench gate MOSFET의 단면도
표 Table 1. Parameter value of 4H-SiC trench gate MOSFET. 표 1. 4H-SiC trench gate MOSFET의 매개 변수 값
그림 Fig. 2. OFF-state electric field (a) contour and (b) graph. 그림 2. OFF 상태에서 전계 (a) 윤곽선 및 (b) 그래프
그림 Fig. 3. Field contour (a) 15um (b) 20um (c) 25um and (d) a graph in the OFF state in accordance with epi depth. 그림 3. Epi depth에 따른 OFF 상태에서 전계 윤곽선 (a) 15um (b) 20um (c) 25um 및 (d) 그래프
그림 Fig. 4. Field contour (a) 15um (b) 20um (c) 25um and (d) a graph in the OFF state in accordance with trench depth. 그림 4. Trench depth에 따른 OFF 상태에서 전계 윤곽선 (a) 1.5um (b) 2.0um (c) 2.5um 및 (d) 그래프
표 Table 2. BV according to the epi depth of 4H-SiC trench gate MOSFET. 표 2. 4H-SiC trench gate MOSFET의 Epi depth에 따른 BV
표 Table 3. Ron according to the epi depth of 4H-SiC trench gate MOSFET. 표 3. 4H-SiC trench gate MOSFET의 Epi depth에 따른 Ron
표 Table 4. BV according to the trench depth of 4H-SiC trench gate MOSFET. 표 4. 4H-SiC trench gate MOSFET의 Trench depth에 따른 BV
표 Table 5. Ron according to the trench depth of 4H-SiC trench gate MOSFET. 표 5. 4H-SiC trench gate MOSFET의 Trench depth에 따른 Ron
표 Table 6. Maximum electric field and BV according to distance from trench depth to epi depth. 표 6. Trench 깊이에서 Epi 깊이까지의 거리에 따른 최대 전계와 BV

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문제 정의

본 논문에서는 4H-SiC trench gate MOSFET 설계 시 적용되는 전기적 특성 변수에 대한 비교 및 분석을 수행하였다. 4H-SiC trench gate MOSFET은 BV가 감소하는 단점이 있기 때문에 Epi depth split, Trench depth split, Trench depth to epi depth split으로 최대 전계와 BV와 Ron의 경향성을 확인했다.
본 논문은 1200V의 항복 전압 특성을 갖는 4H-SiC trench gate MOSFET 설계를 목적으로 한다. 구체적으로는 일정한 Epi 농도에서 특정한 변수들의 길이 변화에 따라 전기적 특성 추이를 논한다.
지금까지, Epi depth에 따른 최대 전계와 BV와 Trench depth에 따른 최대 전계와 BV와 Ron의 경향성을 확인하였다. 본 절에서는 Epi depth Split과 Trench depth split을 토대로 Trench depth에서 Epi depth까지 거리의 변화에 따른 최대 전계와 BV와 Ron의 경향성을 보고자 하였다. 표 6은 Epi depth split과 Trench depth split을 토대로 Trench depth에서 Epi depth까지의 거리에 따른 최대 전계와 BV 그리고 Ron을 나타내었다.

제안 방법

본 논문에서는 4H-SiC trench gate MOSFET 설계 시 적용되는 전기적 특성 변수에 대한 비교 및 분석을 수행하였다. 4H-SiC trench gate MOSFET은 BV가 감소하는 단점이 있기 때문에 Epi depth split, Trench depth split, Trench depth to epi depth split으로 최대 전계와 BV와 Ron의 경향성을 확인했다. Epi depth를 15um, 20um, 25um로 Split한 결과, Epi depth가 증가할수록 최대 전계는 감소하고 BV와 Ron은 증가하는 경향성을 보인다.
Epi depth의 변화에 따라서, Depletion region의 크기와 전계 분산 정도가 변하기 때문에 Epi depth가 각각 15um, 20um, 25um에 따른 전계와 BV의 변화를 확인하였다. 그림 3은 OFF 상태일 때, Epi depth에 따른 각 부분의 전계를 보여주는 그림과 그래프이다.
Trench depth의 변화에 따라서 Trench gate oxide와의 Drift 거리와 전계 분산 정도가 다르기 때문에 Trench depth가 각각 1.5um, 2.0um, 2.5um에 따른 전계와 BV의 변화를 확인하였다. 그림 4는 Trench depth에 따른 각 부분의 전계를 보여주는 그림과 그래프이다.

데이터처리

구체적으로는 일정한 Epi 농도에서 특정한 변수들의 길이 변화에 따라 전기적 특성 추이를 논한다. 특히 SiC 소자의 특성 고려를 통해서 Gate oxide에 인가되는 전계의 세기를 고려해서 변수에 대한 Split이 진행되었고, Sentaurus TCAD simulation으로 이를 검증하였다.

성능/효과

5um로 Split한 결과, Trench depth가 감소할수록 최대 전계는 감소하고 BV와 Ron은 증가하는 경향성을 보인다. 마지막으로 Epi depth split과 Trench depth split을 토대로 Trench depth에서 Epi depth까지의 거리를 13um, 17.5um, 18um, 18.5um, 23um로 Split한 결과, 거리가 증가할수록 최대 전계는 감소하고 18.5um 일 때 가장 높은 BV 값을 가지지만 이를 제외하면 거리가 증가할수록 BV가 증가하며, 거리가 증가할수록 Ron은 증가하는 경향성을 보인다. 그러므로 BV를 높이기 위해서는 Epi depth를 증가시키고 Trench depth를 감소시켜야 하지만 BV와 On저항은 Trade-off 관계이기 때문에 BV가 증가할수록 On저항도 증가한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4H-SiC trench gate MOSFET이란?	그림 1은 1200V급 4H-SiC trench gate MOSFET의 단면도이며, 표 1은 4H-SiC trench gate MOSFET의 파라미터 값을 나타낸다. Drain 전극이 하단에 있고 Source와 Gate 전극은 상단에 있으며, Substrate, N-epi, P-base, n+, p+ 그리고 Gate로 구성되어 있는 4H-SiC trench gate MOSFET은 기존의 Planar MOSFET에서 Trench를 식각한 후, Trench gate를 형성하는 방식이다[6]. 이러한 4H-SiC trenchgate MOSFET의 구조와 동작원리는 기존의 SiMOSFET과 동일하다.
	Si에 비해 SiC는 어떠한 장점을 가지고 있는가?	SiC는 Si에 비해서 Breakdown field가 10배 높고, Energy gap이 3배 높기 때문에 높은 Breakdown voltage를 갖는 우수한 전력 MOSFET을 제작할 수 있다. 하지만 낮은 Mobility로 인한 높은 On저항을 갖기 때문에 이를 낮추기 위해서 Trench MOSFET이 제안되었지만 동시에 BV가 감소한다는 문제점을 갖는다.
	SiC으로 제작한 MOSFET의 문제점은?	SiC는 Si에 비해서 Breakdown field가 10배 높고, Energy gap이 3배 높기 때문에 높은 Breakdown voltage를 갖는 우수한 전력 MOSFET을 제작할 수 있다. 하지만 낮은 Mobility로 인한 높은 On저항을 갖기 때문에 이를 낮추기 위해서 Trench MOSFET이 제안되었지만 동시에 BV가 감소한다는 문제점을 갖는다. 본 논문에서는 1200V급 Trench MOSFET 설계를 목적으로 하며, 이를 해결하기 위해서 BV와 Ron에 대한 중요한 변수인 Epi 깊이, Trench 깊이, Trench 깊이에서 Epi 깊이까지의 거리에 대한 Split을 진행하여 최대 전계, BV, Ron의 신뢰성 특성을 비교 분석하였다.

참고문헌 (6)

Baliga BJ, Silicon carbide power device, Springer, 2009.
Chen L, Guy OJ, Jennings MR, Igic P, Wilks SP, Mawby PA, "Study of 4H-SiC trench MOSFET structures," Solid-State Electr, Vol.49, No.7, pp. 1081-1085, 2005. DOI: 10.1016/j.sse.2005.05.003

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Simonka V, Nawratil G, Hossinger A, Weinbub J, Selberherr S, "Anisotropic interpolation method of silicon carbide oxidation growth rates for threedimensional simulation," Orig Solid-State Electr, Vol.128, pp.135-140, 2017. DOI: 10.1016/j.sse.2016.10.032a

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Wang Y, Tian K, Hao Y, Yu CH, Liu YJ, Godignon P, "An optimized structure of 4HSiC U-shaped trench gate MOSFET," IEEE Trans Electr Dev, Vol.62, No.9, pp.2774-2778, 2015. DOI: 10.1109/TED.2015.2449972

상세보기
Nakamura T, Nakano Y, Aketa M, Nakamura R, Mitani S, Sakairi H, et al. Proc IEEE international electron devices meeting, Vol.26, No.5, pp.1-3, 2011.
H. Takaya, J. Morimoto, T. yamamoto, J. Sakakibara, Y. Watanabe, N. Soejima, K. Hamada, "Materials Science Forum" Vols.740-742, pp.683-686, 2013.

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