[논문]고전압 Power IC 집적을 위한 4H-SiC CMOS 신뢰성 연구

강연주; 나재엽; 김광수

doi:10.7471/ikeee.2022.26.1.111

고전압 Power IC 집적을 위한 4H-SiC CMOS 신뢰성 연구
Reliability Analysis of 4H-SiC CMOS Device for High Voltage Power IC Integration 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.26 no.1, 2022년, pp.111 - 118

강연주 (Dept. of Electronic Engineering, Sogang University) , 나재엽 (Dept. of Electronic Engineering, Sogang University) , 김광수 (Dept. of Electronic Engineering, Sogang University)

초록
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본 논문에서는 고전압 SiC Power 소자와 집적이 가능한 4H-SiC CMOS에 대해 연구하였다. SiC CMOS 소자 연구를 통해 고출력 SiC Power 소자와 함께 제작을 가능하게 함으로써 SiC 전력소자를 이용하는 고출력 시스템의 효율 및 비용면에서 우수한 성능을 기대할 수 있다. 따라서 4H-SiC 기판에서 CMOS를 설계한 후 TCAD 시뮬레이션을 통해 전기적 특성 및 고온 동작 신뢰성을 비교하였다. 특히 높은 온도에서 신뢰성 있는 동작을 위해 gate dielectric으로 HfO₂를 변경함으로써 SiO₂보다 열적 특성이 개선됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we studied 4H-SiC CMOS that can be integrated with high-voltage SiC power devices. After designing the CMOS on a 4H-SiC substrate, we compared the electrical characteristics with the reliability of high temperature operation by TCAD simulation. In particular, it was confirmed that changing HfO2 as the gate dielectric for reliable operation at high temperatures improves the thermal properties compared to SiO2. By researching SiC CMOS devices, we can integrate high-power SiC power devices with SiC CMOS for excellent performance in terms of efficiency and cost of high-power systems.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Structure of 4H-SiC CMOS. 그림 1. 4H-SiC CMOS의 구조
표 Table 1. 4H-SiC CMOS Process Parameter. 표 1. 4H-SiC CMOS 공정 파라미터
그림 Fig. 2. HfO₂ CMOS Transfer curve. 그림 2. HfO₂ CMOS 전달 특성 곡선 그래프
그림 Fig. 3. SiO₂ CMOS Transfer curve. 그림 3. SiO₂ CMOS 전달 특성 곡선 그래프
그림 Fig. 4. HfO₂, SiO₂ CMOS output curve. 그림 4. HfO₂, SiO₂ CMOS 출력 곡선
표 Table 2. HfO₂ CMOS Threshold voltage and breakdown voltage. 표 2. HfO₂ CMOS 문턱전압과 항복전압
표 Table 3. SiO₂ CMOS Threshold voltage and breakdown voltage. 표 3. SiO₂ CMOS 문턱전압과 항복전압
표 Table 4. HfO₂ CMOS saturation current and on resistance. 표 4. HfO₂ CMOS 포화전류와 온저항
표 Table 5. SiO₂ CMOS saturation current and on resistance. 표 5. SiO₂ CMOS 포화전류와 온저항
그림 Fig. 5. HfO₂, SiO₂ Vt variation with temperature of NMOS. 그림 5. 온도에 따른 HfO₂, SiO₂ NMOS의 문턱전압 변화
그림 Fig. 6. HfO₂, SiO₂ Vt variation with temperature of PMOS. 그림 6. 온도에 따른 HfO₂, SiO₂ PMOS의 문턱전압 변화
표 Table 6. HfO₂ CMOS channel mobility with temperature. 표 6. HfO₂ CMOS 온도에 따른 채널 이동도
표 Table 7. SiO₂ CMOS channel mobility with temperature. 표 7. SiO₂ CMOS 온도에 따른 채널 이동도
표 Table 8. HfO₂ CMOS breakdown voltage with temperature. 표 8. HfO₂ CMOS 온도에 따른 항복전압
표 Table 9. SiO₂ CMOS breakdown voltage with temperature. 표 9. SiO₂ CMOS 온도에 따른 항복전압
그림 Fig. 7. 4H-SiC CMOS inverter circuit. 그림 7. 4H-SiC CMOS 인버터 회로
그림 Fig. 8. HfO₂ CMOS inverter current and voltage characteristic with temperature. 그림 8. 온도에 따른 HfO₂ CMOS 전류, 전압 인버터 특성
그림 Fig. 9. SiO₂ CMOS inverter current and voltage characteristic with temperature. 그림 9. 온도에 따른 SiO₂ CMOS 전류, 전압 인버터 특성
그림 Fig. 10. HfO₂, SiO₂ CMOS inverter voltage curve max slope with temperature. 그림 10. 온도 변화에 따른 HfO₂, SiO₂ CMOS 인버터 전압 그래프의 최대 기울기

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