[논문]트렌치를 이용한 고전압 SiC 반도체 소자의 접합마감 연구

곽재원; 김형우; 석오균; 문정현; 방욱; 김남균; 최강민; 하민우

트렌치를 이용한 고전압 SiC 반도체 소자의 접합마감 연구
Junction Termination of High-Voltage SiC Power Devices Using a Trench 원문보기

곽재원 (명지대학교) , 김형우 (한국전기연구원) , 석오균 (한국전기연구원) , 문정현 (한국전기연구원) , 방욱 (한국전기연구원) , 김남균 (한국전기연구원) , 최강민 (명지대학교) , 하민우 (명지대학교)

4H-SiC는 차세대 전력용 반도체로서 고전압, 고전류, 고온 동작에 적합하여 각광을 받고 있다. 전력용 반도체의 항복전압 개선하기 위하여 활성 (active) 영역의 주위에 설계하는 접합마감 (junction termination) 영역의 설계가 필수적이다. P+ 이온주입 및 활성화가 어려운 SiC 특성상 $5{\mu}m$보다 깊은 P+ 접합을 구현하기 어려운 특성상 기존 P+ FLR의 접합마감 소자는 항복전압을 개선하기 어렵다. 접합마감 소자의 항복전압을 효과적으로 증가시키기 위하여 트렌치를 설계하였다. 기존 접합마감 소자의 길이와 항복은 $7{\mu}m$와 473.0 V이지만, 제안된 접합마감 소자의 길이와 항복전압은 $5{\mu}m$와 993.4 V로 우수하였다.

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문제 정의

본 논문은 4H-SiC 전력용 반도체의 항복전압을 개선하기 위하여 실리콘 산화막이 채워진 트렌치 구조와 P+ FLR을 이용한 접합마감 소자를 제안하였다. 이차원 수치해석 시뮬레이션을 이용하여 제안된 접합마감 소자의 항복전압을 진행하였다.

제안 방법

4H-SiC 반도체 소자의 경우 현실적으로 P+ 접합깊이가 0.5 µm보다 깊지 않는 제약조건에서 접합마감 소자의 항복전압을 개선하기 위해서 새로운 구조 (type B)를 제안하였다.
N-드리프트 층의 두께는 12 µm 이고 농도는 2 × 1015cm-3, 메인 접합의 두께와 길이는 각각 0.5 µm, 5 µm로 설계하였고, P+ FLR 역시 메인 접합과 같은 구조로 설계하였다.
그러나 제안된 접합마감 소자 (type A)의 경우 전계가 메인접합, 트렌치, P+ FLR 주변에 분산되지 않고, 메인접합과 트렌치에 집중되는 것을 확인하였다. 따라서 P+ FLR을 설계하지 않고 트렌치로만 전계를 분산하는 2번째 새로운 구조 (type B)를 제안하였다.
0 V이었다. 메인 접합과 P+ FLR의 간격을 변수로 두어 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 1(a)는 1개의 P+ FLR을 설계한 소자의 항복전압 데이터이다.
메인 접합과 트렌치의 간격을 2 µm로 유지시키고 트렌치의 깊이를 변수로 설정하여 연구를 진행했다.
본 논문은 4H-SiC 전력용 반도체의 항복전압을 개선하기 위하여 실리콘 산화막이 채워진 트렌치 구조와 P+ FLR을 이용한 접합마감 소자를 제안하였다. 이차원 수치해석 시뮬레이션을 이용하여 제안된 접합마감 소자의 항복전압을 진행하였다.
5 µm보다 깊지 않는 제약조건에서 접합마감 소자의 항복전압을 개선하기 위해서 새로운 구조 (type B)를 제안하였다. 제안된 접합마감 소자 (type A)의 항복전압 시 전계가 주로 메인접합과 실리콘 산화막이 채워진 트렌치에 집중되는 것을 확인하였고, 트렌치로만 이용하여 설계한 새로운 접합마감 소자를 제안하였다. 트렌치의 깊이는 5 µm로 고정되었다.
항복전압을 더 개선하기 위하여 접합마감 영역에 P+ FLR과 실리콘 산화막을 채운 트렌치 구조 [3]를 추가하여, 접합마감 소자 (type A)를 제안하였다. 메인 접합과 트렌치의 간격을 2 µm로 유지시키고 트렌치의 깊이를 변수로 설정하여 연구를 진행했다.

성능/효과

또한 SiC는 실리콘에 비해서 최대임계전계 (critical field)가 10배 크다.[2] 반도체 소자에서의 온 저항 (on-resistance)은 최대임계전계의 세제곱에 반비례하고 드리프트 층의 두께는 기존의 실리콘에 비해서 10배정도 작다. SiC의 성질은 반도체 소자 크기의 소형화를 가능하게 하고, 셀 밀도를 개선할 수 있다.
6 V로 증가하였다. 그러나 제안된 접합마감 소자 (type A)의 경우 전계가 메인접합, 트렌치, P+ FLR 주변에 분산되지 않고, 메인접합과 트렌치에 집중되는 것을 확인하였다. 따라서 P+ FLR을 설계하지 않고 트렌치로만 전계를 분산하는 2번째 새로운 구조 (type B)를 제안하였다.
그림 2(b)는 제안된 접합마감 소자의 항복 시 전계 분포이다. 기존의 구조에서 전계가 메인 접합에 집중되었지만, 제안된 접합마감 소자의 경우 메인 접합과 트렌치를 붙여서 넓고 깊은 트렌치에 전계가 분산되어 항복전압을 효과적으로 개선함을 알 수 있었다. 제안된 실리콘 산화막이 채워진 트렌치를 이용한 접합마감 소자는 4H-SiC의 수직형 MOSFET이나 IGBT에 적용이 가능하며, 기존 FLR에 비하여 접합마감 길이를 감소하였으며, 항복전압을 증가하였다.
4H-SiC의 깊은 P+ 접합을 구현하기 어렵기 때문에 기존 P+ FLR 접합마감 소자는 효과적으로 역방향 전계를 분산시키지 못하며, 최대 전계를 감소하지 못한 단점을 가지고 있다. 실리콘 산화막이 채워진 트렌치를 이용한 제안된 접합마감 소자는 트렌치에 전계를 걸리게 하여 작은 접합마감 길이에서 높은 항복전압을 효과적으로 확보하였다. 제안된 접합마감 구조는 4H-SiC 수직형 MOSFET이나 IGBT에 적용이 가능하다.
기존의 구조에서 전계가 메인 접합에 집중되었지만, 제안된 접합마감 소자의 경우 메인 접합과 트렌치를 붙여서 넓고 깊은 트렌치에 전계가 분산되어 항복전압을 효과적으로 개선함을 알 수 있었다. 제안된 실리콘 산화막이 채워진 트렌치를 이용한 접합마감 소자는 4H-SiC의 수직형 MOSFET이나 IGBT에 적용이 가능하며, 기존 FLR에 비하여 접합마감 길이를 감소하였으며, 항복전압을 증가하였다.
차세대 4H-SiC 전력용 반도체의 접합마감 소자가 제안되었다. 제안된 접합마감 소자는 접합마감 길이를 줄이면서, 효과적으로 항복전압을 증가하였다. 4H-SiC의 깊은 P+ 접합을 구현하기 어렵기 때문에 기존 P+ FLR 접합마감 소자는 효과적으로 역방향 전계를 분산시키지 못하며, 최대 전계를 감소하지 못한 단점을 가지고 있다.

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