[논문]1200V급 SiC DMOSFET 제작을 위한 특성 Simulation

김상철; 주성재; 강인호; 방욱; 김남균

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김상철 (한국전기연구원 고집적전원연구그룹) , 주성재 (한국전기연구원 고집적전원연구그룹) , 강인호 (한국전기연구원 고집적전원연구그룹) , 방욱 (한국전기연구원 고집적전원연구그룹) , 김남균 (한국전기연구원 고집적전원연구그룹)

탄화규소를 이용한 1200V급 MOSFET 소자 제작을 위하여 특성 simulation을 수행하였다. 1200V 내압을 얻기 위해서 불순물 농도가 5E15/cm3이고 에피층의 두께가 12um인 상용 탄화규소 웨이퍼를 기준으로 하였으며 채널 저항을 줄이기 위해 채널길이를 $0.5{\mu}m$로 하였다. 게이트전압이 13V, 드레인 전압이 4V에서 specific on-resistance 값은 $12m\;{\Omega}cm^2$로 매우 우수한 특성을 보이고 있다. P-body의 표면 농도를 5E16/cm3 에서 1E18/cm3으로 변화시키면서 소자의 전기적 특성을 예측하였으며 실험 결과와 비교하여 특성 변수를 추출하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 1200V 4H-SiC DMOSFET소자를 제작하기 위한 전단계로 전산모사를 통해 설계 변수에 땨른소자의 순방향 특성 및 역방향 특성을 파악하였으며 고전압 특성을 확보하가 위하여 최적의 전계제한테 구조를 계산하였다.

제안 방법

1200V급 4H-SiC MOSFET 소자릃 제작하기 위하여 상용 simulator를사용하여 전산모사를 수행하였다. 1200V의 고전압을견디기 위해서는 n-drift 층의 두께는 12㎛이고 이때의 에피층의 농도는 5E15cn^-3인 웨이퍼를 기준으로 설계하였다.
사용하여 전산모사를 수행하였다. 1200V의 고전압을견디기 위해서는 n-drift 층의 두께는 12㎛이고 이때의 에피층의 농도는 5E15cn^-3인 웨이퍼를 기준으로 설계하였다. 설계된 MOSFET소자의 specific-on 저항은 12mQ㎠으로 동일한 정격의 silicon MOSFET 소자에 비해 매우 낮은 값을 얻을 수 있었다.
설계된 MOSFET소자의 specific-on 저항은 12mQ㎠으로 동일한 정격의 silicon MOSFET 소자에 비해 매우 낮은 값을 얻을 수 있었다. 또한 고전압을 견디기 위한 구조로 전계제한테 구조를 적용하였으며 6개의 외각 링을 적용하여 충분한 역방향 전압 저지 특성을 확보할 수 있었다.
상온예서게이트 전압 13V, 드레인 전압을 4V의 조건에서 채널 길이를 0.5㎛에서 2.0㎛까지 0.5㎛ 간격으로 변화시키면서 specific-on 저항 특성을 구했다. Simulation된 specific-on 저항은 채널 길이에 따라 12mΩ㎠(0.
4H-SiC MOSFET에서 일반적으로 p-weHe 알루미늄을 이온 주입하여 형성시킨다. 이때 box profile을 얻기 위해 다중 에너지 주입을 이용하는데 본 연구에서는 TRIM simulation을 이용하여 box profile을 형성하기 위한 주입 에너지를 결정하였다, 접합갚이가 0.5㎛인 P-well 영역의 box profile을 형성하기 위해 알루미늄이온을 360keV부터 20keV까지 변화 시 키면서 이온주입하였다.
따라서 최적의 농도 및 두께를 결정하는 것이 중요하다. 이상의 항복전압 simulation을 바탕으로 1200V급 SiC DMOSFET를 제작하기 위한 n-drift총의 농도 및두께를 5E15/㎠과 12㎛로 결정하여 순방향 IV 특성 simulation을 수행하였다.

대상 데이터

K0OV급 소자의 simulaHon을 위해 두제 및 농도가 10㎛~17㎛와 4E15㎝^-3~4E16㎝^-3인 n-type 에피 성장시킨 4H-SIC 웨이퍼를 출발물질로 사용하였다. 4H-SiC MOSFET에서 일반적으로 p-weHe 알루미늄을 이온 주입하여 형성시킨다.

성능/효과

그림 3에 나타내었다. Drift층의 두께를 10~17㎛까지 변화시키면서 simulation을 수행한 결과 11~12㎛의 두께로도 충분히 1550V 아상의 항목전압 특씽을 얻을 수 있었다. DriR층의 두께가 두꺼울수록 항목전압 특성은 향상되나 drift 증의 낮은 농도로 인한 저항으로 소자의 순방향 특성이 떨어진다.
5㎛ 간격으로 변화시키면서 specific-on 저항 특성을 구했다. Simulation된 specific-on 저항은 채널 길이에 따라 12mΩ㎠(0.5㎛)에서 14mΩ㎠(2㎛)로 큰 차이를 보이지 않으며 실리콘 소자에 비해 매우 우수한 특성을 얻을 수 있었다. 소자의 specific-on 저항 특성은 게이트 전압의 함수어며 소자를 완전히 턴-온 시키기 위해서는 큰 게이토 전압이 필요하고 또한 온-저항은 상온에서 채넕의 이동도와 깊은 연관이 있다.
1200V의 고전압을견디기 위해서는 n-drift 층의 두께는 12㎛이고 이때의 에피층의 농도는 5E15cn^-3인 웨이퍼를 기준으로 설계하였다. 설계된 MOSFET소자의 specific-on 저항은 12mQ㎠으로 동일한 정격의 silicon MOSFET 소자에 비해 매우 낮은 값을 얻을 수 있었다. 또한 고전압을 견디기 위한 구조로 전계제한테 구조를 적용하였으며 6개의 외각 링을 적용하여 충분한 역방향 전압 저지 특성을 확보할 수 있었다.

후속연구

툭히 전기자동차 및 태양광발전 등의 고온 환경에서 매우 매력적인 소자로 응용분야가 확대될 것으로 판단된다. 그러나 아직은 게이트 산화막 특성, 채널 이동도, 웨이퍼의 대구경화 및 결힘 밀도 등의 개선할 부분이 많이 남아 있다.

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