[논문]집적회로용 NPN BJT의 베이스-컬렉터간 역방향 항복전압 계산 방법에 관한 연구

이은구; 이동렬; 김태한; 김철성

집적회로용 NPN BJT의 베이스-컬렉터간 역방향 항복전압 계산 방법에 관한 연구
A study on the method for calculating the base-collector breakdown voltage of NPN BJT for integrated circuits 원문보기

이은구 (인하대학교 전자과 반도체연구실) , 이동렬 (부천대학 정보통신과) , 김태한 (인하대학교 전자과 반도체연구실) , 김철성 (인하대학교 전자과 반도체연구실)

The algorithm for calculating the base-collector breakdown voltage of NPN BJT(Bipolar Junction Transistor) for integrated circuits is proposed. The method for calculating the electric field using the solution of Poisson's equation is presented and the method for calculating the breakdown voltage using the integration of ionization coefficients is presented. The base-collector breakdown voltage of NPN BJT using 20V process obtained from the proposed method shows an averaged relative error of 8.0% compared with the measured data.

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문제 정의

본 논문에서는 3차원 포아송 방정식 해⑼를 이용하여 베이스-컬렉터 간 역방향 항복특성을 정교하게 예측하는 방법을 제안한다. 소자의 내부 전위를 이용하여 전계를 구하고, 전계의 방향을 따라 이온화계수를 적분함으로써 역방 향 항복현상의 발생 여부를 판단한다.
1[V]이내의 변화를 보인다. 본 논문에서는 컬렉터 전류가 l[uA]가 되는 조건에서 컬렉터 전압을 역방향 항복전압으로 판단한다. 식 (2)를 이용한 결과에서 곡율반경은 20V와 30V공정에 대해 각각 2.

제안 방법

3차원 소자 모의실험을 이용한 집적회로용 NPN BJT의 베이스-컬렉터 간 역방향 항복전압 추출 알고리즘을 제시하였다. 모의실험 시간을 단축하기 위해 포아송 방정식의 해를 이용하였고 이온화 계수의 적분 값이 1이 되는 조건에서 역방향 항복전위를 추출하였다.
모의실험 시간을 단축하기 위해 포아송 방정식의 해를 이용하였고 이온화 계수의 적분 값이 1이 되는 조건에서 역방향 항복전위를 추출하였다. 적분 경로는 최대 전계를 따라 설정되었으며 베이스-컬렉터간 접합면에서 전계의 크기가 최대인 지점을 초기 적분경로로 설정하였다.
상황이다. 소자 모델링 기법을 사용한 기존의 해석 방법으로 Baliga⑸는 3차원 구조에 대한 역방향 항복 전압 모델을 제시하였다. 전계 crowding 현상을 고려하여 곡율반경에 따른 전위 및 전계와 역방향 항복전압을 구하였으나 불순물 분포를 상수로 가정하기 때문에 접합 근처에서 전계를 효과적으로 구할 수 없고 곡율반경에 따라 결과가 달라지므로 역방향 항복특성이 일어나는 금속학적 접합 면의 곡율반경을 정교하게 예촉할 수 있어야 한다.
5GHz의 CPU 속도를 갖는 Pentium4 PC에서 소자 모의실험이 수행되었고, 1회의 포아송 방정식의 풀이를 위해 필요한 행렬계산 시간과 3차원 BJT의 노느 및 요소의 개수와 행렬의 계산 속도를 결정하는 전진폭은 표 4에 제시한다. 소자 모의실험을 수행하기 위해 베이스 전극을 접지시킨 후 컬렉터 전극에 0[V]에서 55[V]까지 전위를 인가한 조건에서 포아송 방정식을 해석한다. 이때 전자 및 정공 의사 페르미 준위는 영역별로 상수로 가징한다.
제안한다. 소자의 내부 전위를 이용하여 전계를 구하고, 전계의 방향을 따라 이온화계수를 적분함으로써 역방 향 항복현상의 발생 여부를 판단한다. 제안한 방법의 정확성과 효율성을 검증하기 위해 20V 공정과 30V 공정을 기반으로 제작된 NPN BJT의 베이스-컬렉터간 역방향 항복 전압을 실측치와 비교한다.

데이터처리

제안된 방법의 타당성을 검증하기 위해 20V 공정용 NPN BJT의 베이스-컬렉터간 역방향 항복전압을 실측치와 비교하였다. 20V공정용 NPN BJT의 포아송 방정식의 해를 구하기 위해서는 평균 5012.
제안된 방법의 타당성을 검증하기 위해 20V 공정을 기반으로 제작된 집적회로용 NPN BJT의 베이스-컬렉터간 역방향 항복전압을 실측치와 비교한다. 집적회로용 NPN BJT롤 제작하기 위해 보론(B) 기판 위에 매립영역을 형성하고 소자를 전기적으로 격리시키기 위해 보론을 이온 주입하여 BIT(Bottom IsolaTion) 영역을 형성한다.
소자의 내부 전위를 이용하여 전계를 구하고, 전계의 방향을 따라 이온화계수를 적분함으로써 역방 향 항복현상의 발생 여부를 판단한다. 제안한 방법의 정확성과 효율성을 검증하기 위해 20V 공정과 30V 공정을 기반으로 제작된 NPN BJT의 베이스-컬렉터간 역방향 항복 전압을 실측치와 비교한다. 본 논문의 2장에서는 포아송 방정식의 해를 이용한 역방향 항복전압 추출 알고리즘을 설명하고 3장에서는 전체 흐름도를 제시한다.

이론/모형

3차원 구조를 갖는 NPN BJT의 모의실험은 자체 개발된 소자 시뮬레이터인 BANDIS[14]를 이용한다. BANDIS 는 Windows 98 환경 하에서 제작되었으며 Visual C 컴파일러를 이용하며 컴파일하였다.

성능/효과

75초의 행렬 계산 시간이 필요하였다. 베이스와 N*컬렉터간 간격이 작은 소자는 베이스 측면의 베이스-N'컬렉터 접합을 경유하여 역방향 항복 특성이 나타났으며, 베이스와 N, 컬렉터간 간격이 일정한 수준 이상으로 증가하면 베이스-에피-N'컬렉터를 따라 곡율반경이 작은 베이스 모서리 영역을 경유하여 역방향 항복특성이 발생함을 확인하였다. 역방향 항복전압을 실측치와 비교한 결과 80%의 평균 상대오차를 보이고 있으므로, 기존에 사용되고 있는 역방향 항복전압 해석방법에 비해 다양한 구조에 적용이 가능함을 확인하였다.
베이스와 N*컬렉터간 간격이 작은 소자는 베이스 측면의 베이스-N'컬렉터 접합을 경유하여 역방향 항복 특성이 나타났으며, 베이스와 N, 컬렉터간 간격이 일정한 수준 이상으로 증가하면 베이스-에피-N'컬렉터를 따라 곡율반경이 작은 베이스 모서리 영역을 경유하여 역방향 항복특성이 발생함을 확인하였다. 역방향 항복전압을 실측치와 비교한 결과 80%의 평균 상대오차를 보이고 있으므로, 기존에 사용되고 있는 역방향 항복전압 해석방법에 비해 다양한 구조에 적용이 가능함을 확인하였다.
제안된 방법과 실측치를 비교한 결과 8.0%의 평균 상대오차를 보이므로 제안된 방법을 사용하면 실측치에 근사한 결과를 구할 수 있다.

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